分程控制系统

2.5 分程控制系统

2.5.1 分程控制系统的基本概念

1．分程调节系统

一般来说，一台调节器的输出仅操纵一只调节阀，若一只调节器去控制两个以上的阀并且是按输出信号的不同区间去操作不同的阀门，这种控制方式习惯上称为分程控制。

图2.5-1表示了分程控制系统的简

图。图中表示一台调节器去操纵两只调节

阀，实施（动作过程）是借助调节阀上的

阀门定位器对信号的转换功能。例如图中

的A、B两阀，要求A阀在调节器输出信号

压力为0.02～0.06MPa变化时，作阀得全

行程动作，则要求附在A阀上的阀门定位

器，对输入信号0.02～0.06MPa时，相应

输出为0.02～0.1MPa，而B阀上的阀门定

位器，应调整成在输入信号为0.06～0.1 图2.5-1 分程控制系统示意图

MPa时，相应输出为0.02～0.1MPa。按照这些条件，当调节器（包括电/气转换器）输出信号小于0.06MPa时A阀动作，B阀不动；当输出信号大于0.06MPa时，而B阀动作，A阀已动至极限；由此实现分程控制过程。

分程控制系统中，阀的开闭形式，可分同向和异向两种，见图2.5-2和图2.5-3。

图2.5-2 调节阀分程动作（同向）

图2.5-3 调节阀分程动作（异向）

一般调节阀分程动作采用同向规律的是为了满足工艺上扩大可调比的要求；反向规律的选择是为了满足工艺的特殊要求。

2．分程控制系统的应用

1）为扩大调节阀的可调范围。

调节阀有一个重要指标，即阀的可调范围R 。它是一项静态指标，表明调节阀执行规

定特性（线性特性或等百分比特性）运行的有效范围。可调范围可用下式表示： min max

C C R = （2.5-1）

式中 max C ——阀的最大流通能力，流量单位。

min C ——阀的最小流通能力，流量单位。

国产柱塞型阀固有可调范围R =30，所以max min %30C C =。须指出阀的最小流通能力

不等于阀关闭时的泄漏量。一般柱塞型阀的泄漏量S C 仅为最大流通能力的0.1～0.01%。对

于过程控制的绝大部分场合，采用R =30的控制阀已足够满足生产要求了。但有极少数场合，

可调范围要求特别大，如果不能提供足够的可调范围，其结果将是或在高负荷下供应不足，

或在低负荷下低于可调范围时产生极限环。

例如蒸汽压力调节系统，设锅炉产生的是压力为10MPa 的高压蒸汽，而生产上需要的是

4MPa 平稳的中压蒸汽。为此，需要通过节流减压的方法将10MPa 的高压蒸汽节流减压成4MPa

的中压蒸汽。在选择调节阀口径时，如果选用一个调节阀，为了适应大负荷下蒸汽供应量

的需要，调节阀的口径要选择得很大，而正常情况下蒸汽量却不需要哪么大，这就需要将

阀关的小一些。也就是说，正常情况下调节阀只是在小开度工作，因为大阀在小开度下工

作时，除了阀的特性会发生畸变外，还容易产生噪声和震荡，这样控制会使控制效果变差

控制质量降低。为了解决这一矛盾，可选用两只同向动作的调节阀构成分程控制系统，如

图2.5-2所示的分程控制系统采用了A 、B 两只同向动作的调节阀（根据工艺要求均选为气开

式）其中A 阀得在调节器输出信号4～12mA （气压信号为0.02～0.06MPa ）时由全闭到全开，

B 阀得在调节器输出信号12～20mA （气压信号为0.06～0.1MPa ）时由全闭到全开，这样，在

正常情况下，即小负荷时，B 阀处于全关，只通过A 阀开度的变化来进行控制；当大负荷时，

A 阀已全开仍满足不了蒸汽量的需求，这是

B 阀也开始打开，以补足A 阀全开时蒸汽供应量的

不足。

图2.5-4 蒸汽减压分程控制系统原理图

假定系统中所采用的A 、B 两只调节阀的最大流通能力max C 均为100，可调范围R =30。

由于调节阀的可调范围为：

min max C C R = （2.5-2）

据上式可求得 30max min C C ==33.330100= （2.5-3）

当采用两支阀构成分程控制系统时，最小流通能力不变，而最大流通能力为两阀最大流通

能力之和max

2C '=200，因此A 、B 两阀组合后的可调范围应是： 6033

.3200min max =='='C C R 这就是说采用两支流通能力相同的调节阀构成分程控制系统后，其调节阀的可调范围

比单只调节阀增大一倍。

2）满足工艺操作的特殊要求。

在某些间歇式生产化学反应过程中，当反应物投入设备后，为了使其达到反应温度，

往往在反应开始前需要给它提供一定的热量。一旦达到反应温度后，就会随着化学反应的

进行不断释放出热量，这些热量如不及时移走，反应就会越来越激烈，以致会有爆炸的危

险。因此对于这种间歇式化学反应器既要考虑反应前的预热问题，又要考虑反应过程中及

时移走反应热的问题。为此设计了如图2.5-5所示的分程控制系统。

图2.5-5 间歇式化学反应器分程控制系统图

图中温度调节器选择反作用，冷水调节阀选择气关式（A 阀），热水调节阀选择气开式

（B 阀）。该系统工作过程如下:在进行化学反应前的升温阶段，由于温度测量值小于给定值，

因此调节器输出增大，B 阀开大，A 阀关闭，即蒸汽阀开、冷水阀关，以便使反应器温度升

高。当温度达到反应温度时，化学反应发生，于是就有热量放出，反应物的温度逐渐提高。

当温升使测量值大于给定值时，调节器输出将减小（由于调节器是反作用），随着调节器的

输出的减小，B 阀将逐渐关小乃至完全关闭，而A 阀则逐渐打开。这时反应器夹套中流过的

将不再是热水而是冷水。这样一来，反应所产生的热量就被冷水所带走，从而达到维持反

应温度的目的。

2.5.2分程控制系统的方案实施

1．分程区间的决定

分程控制系统设计主要是多个阀之间的分程区间问题，设计原则：

① 先确定阀的开关作用形式（以安全生产为主）；

② 再决定调节器的正反作用；

③最后决定各个阀的分程区间。

2．分程阀总流量特性的改善

当调节阀采用分程控制，如果它们得流通能力不同，组合后的总流通特性，在信号交

接处流量的变化并不是光滑的。例如选用4max =C 和100min =C 这两只调节阀构成分程控

制，两阀特性及它们的组合总流量特性如图2.5-6所示。