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仪表笔记
多晶硅工艺复杂调节系统
一、前言
1.自动化水平的意义
随着工业装置向大型化和集约化方向飞速地发展，自动化装置越来越显示出其举足轻重的地位。
自动化水平的高低意味着一个国家的工业是否发达，是企业经济实力与技术水平的综合体现，是生产装置先进程度的重要标志。
2.自动化装置的作用
保证生产装置在安全、高效、低耗的前提下长周期稳定运行，提高装置的生产效率和产品的质量；改善操作人员的工作环境和降低操作人员的劳动强度。
3.如何最大限度地发挥自控装置的作用
了解、熟悉和掌握自控系统的原理、性能及正确的操作方法，是充分发挥自控装置作用的基本前提和唯一途径！
4.自控系统分类
按照控制系统的结构，可分为简单控制系统和复杂控制系统。
通常将多变量的调节系统称为复杂控制系统，它们是由两个或两个以上的变送器、控制器或调节阀所组成的多个回路的控制系统。
常见的复杂控制系统有串级、均匀、比值、分程、前馈、选择控制系统等。
思考：
1.自动化装置的意义？
2.自动话装置的作用？
3.自动化装置如何分类？
二、.分程调节系统
1.1组成
一套系统由一个PID（调节器）、一个输入信号、两个或两个以上调节阀组成。
1.2特点
除了调节阀的数量在一个以上，其余与单参数简单调节系统没有任何区别。
1.3主要应用
1.3.1装置负荷变化量较大，一台调节阀不能满足装置在整个负荷变化范围内对调节精度的要求，需要增大调节阀的可调比。
下图所示为蒸汽系统蒸汽压力分程控制系统：
1.3.2某些特殊工序中需要分程的场合。
如下图所示：
这是精馏塔（粗馏塔和回收塔相同）塔顶压力控制系统，两台调节阀分程动作。
（调节阀为气开时，b阀前半程）
1.4调节阀分程的类型和动作的先后
1.4.1分程的类型（共有4种）
1.4.2动作的顺序
1.4.2.1不分先后
两台调节阀并联，并且阀的口径大小一样.
1.4.2.2.必须严格确定调节阀动作的先后
a.两台调节阀口径大小不一样
一般情况是小阀前半程，大阀后半程
b.如上图所示的特殊工序
此例中，精馏塔出口调节阀为前半程（为什么？
）
1.5分程控制系统的操作
分程控制系统虽然属于复杂控制系统，但其操作跟单参数简单控制系统没有任何区别，手动时，调节器的PID停止工作，用手动输出增/减键或直接用数字键来控制调节阀的开度；自动时，通过给定值增/减键改变工艺参数给定值，调节器自动根据实际的工艺参数与给定值的偏差经PID运算后的结果去控制调节阀的开度。
1.6调节阀控制信号连接
由于调节器输出的信号为4～20mA电流信号，因此，调节阀应串联连接吗？
（为什么？
）
1.7多精硅装置中的分程调节系统统计
共有11套，其中两套的调节阀对先后没有要求，其余9套必须严格前、后半程，否则会出问题。
1.7.1.调节阀不分先后（蒸汽系统2套）
图号：
20-01-0000-41-001
PIC002PV002a/b
PIC003PV003a/b
1.7.2.调节阀要严格先后
思考：
1.什么叫分程控制系统？
2.分程控制系统用于那种工况？
3.如何确定两台调节阀中哪一台为前半程，哪一台为后半程？
4.画出分程控制系统的原理图。
二、比值控制系统
2.1比值控制系统的作用
它应用于多精硅装置中的氯化氢合成工序。
其作用是保持氯气和氢气严格按一定的（预先规定的）质量比进入HCL合成炉进行燃烧反应，生成氯化氢产品，在保证工艺设备安全的前提下，获取最高的生产效率和最低的能源耗费。
在参与比值控制的两种物料中，其中必有一种处于主导地位，称之为主物料，另一种则称之为从物料。
在瑞能的多精硅装置中，氢气为主物料，氯气为从物料。
工艺生产过程中，在比值控制系统的作用下，从物料氯气的质量流量始终紧紧地自动跟踪主物料氢气的质量流量的变化，使两种物料的质量比（氯/氢比）始终为一常数（工艺指标规定的比值）。
主、从物料确定的原则是：
供给量受限制的物料为主物料；生产过程中不能或不允许调节的物料为主物料；相对安全的物料为主物料。
当上述情况不存在时可任意确定主，副物料。
（把相对危险的物料定为从物料，是因为比值控制系统中受直接控制的是从物料）
2.2比值控制系统的构成与分类
构成比值控制系统的方案很多，有开环比值控制系统、单闭环比值控制系统和双闭环比值控制系统。
2.2.1.开环比值控制系统
最简单的比值控制方案。
它不用调节器控制调节阀，而是用一台比值计算器，把主物料F1的流量信号按规定的比值乘一个系数K（称为比值系数）后的输出信号，直接去控制从物料F2的调节阀，从而在理论上保持F2≈K*F1。
此方案简单，仅需一台比值计算器，但因许多因数的存在和影响，不能保证两流量的比值关系为恒定值。
（实际生产中基本不再使用）
2.2.2.单闭环比值控制系统
主物料是没有调节阀的开环系统，只有从物料是具有负反馈的闭环控制系统，所以称为单闭环比值控制系统。
单闭环比值控制系统的优点是所用仪控设备较少。
在主物料的流量稳定时，能保证两种物料的流量比值较为精确。
缺点是当主物料出现较大较频繁的干扰（波动）时，从物料在调节过程中会产生较大偏差，不能保证过度过程中的动态比值精度。
对工艺过程中严格要求动态比值精度符合要求的氯化氢合成是不实用的。
单闭环比值控制系统如下图所示:
２.２.３.双闭环比值控制系统
主物料和从物料均为带负反馈的闭环控制系统，所以称为双闭环比值控制系统。
氯化氢合成工序中使用了两套双闭环比值控制系统，图号和位号分别为：
图号：
20-01-0300-41-002/3
位号：
FIC002a（PID）
PV002a（调节阀控制从物料氯）
FIC002b（PID）
PV002b（调节阀控制从物料氯）
氯/氢双闭环比值控制系统如下图所示：
主物料（氢气）流量调节系统FIC001a是一个简单的单参数闭环控制系统，其作用主要是稳定氢气流量。
氢气流量信号除了进入氢气流量调节系统，构成闭环控制系统外，同时送到从物料（氯气）流量控制系统FIC002a，或是乘以一个比值系数K后作为FIC002a的给定（外给定），FIC002a根据此给定值自动调节氯气流量，使其与氢气保持一定的比值（暂且称为定比值）；或是与氢气流量信号进行比值运算后作为FIC002a的测量信号，通过与人工手动设定的给定值进行比较后自动控制调节阀来改变氯气流量，使氯/氢比值保持为一个定植（暂且称为变比值）。
双闭环比值控制系统中，除了由于主物料流量稳定，所以能克服单闭环比值控制系统动态比值精度低的缺点外，另一较大的优点是提或降工艺负荷比较简便。
提或降工艺负荷时，只需缓慢地改变主流量控制系统的给定（自动方式时）或手动改变输出（手动方式时），使主物料流量缓慢变化，随着主物料的变化，比值控制系统自动控制从物料流量调节阀，使从物料流量跟随主物料流量变化，从而保证氯/氢比始终为一个定值。
注意：
用这种方式提或降工艺负荷时，比值控制系统必须工作在自动方式。
2.3.由上述可知，双闭环比值控制系统又有定比值和变比值两种方案。
这两种方案在系统特性和运行操作上存在极大的差异，对于仪表专业来说，系统中的参数计算方法也是不同的。
下面以氯化氢合成工序中的氯/氢比值控制系统为例来介绍这两种控制方案。
2.3.1.定比值控制
定比值控制实质上可称为流量控制系统，其理由如下所述。
2.3.1.1.系统构成
双闭环定比值控制系统框图如下图所示。
双闭环定比值控制系统框图
1.图的上半部分是主动量流量控制系统---一种单参数简单控制系统，在此不作详细讨论。
2.图的下半部分就是比定值控制系统。
3.氢气流量信号进入比值器，乘以一个比值系数K后，其运算结果作为氯气流量调节器的给定信号，其信号的含义是代表在此氢气流量时所需的氯气流量，它与实际的氯气流量信号进行PID运算后，输出信号去控制氯气流量调节阀，氯/氢比值保持为K的定值。
4.由于比值控制系统的给定由氢气流量信号乘比值系数K以所决定，而K值在一般条件下是不能进行人工更改的，所以我们把它叫做定比值控制方案。
5.定比值控制系统有手动、自动和串级三种运行方式。
不论在那种方式下运行，仪表的给定和测量指针指示的均是氢气流量，因此，这样的比值控制方案又可称作为流量控制方案。
２.３.1.2.比值系数K的计算方法
因为DCS内部一般都是以百分型数据进行运算的，而由于氯气和氢气流量变送器的流量测量范围不同，既相同的百分型信号所对应的工程量—实际流量亦不同，所以图中的比值系数K的值并非就是实际的氯/氢比值，而是需要根据已知条件进行K值计算。
K值的计算方法如下：
设：
Φ为实际的氯/氢比值则：
Φ=H2′÷Cl′---------------
（1）
式中：
Cl′—氯气流量工程量（Nm3/h）
Cl′=Cl×Clmax
Cl—氯气流量%型信号
Clmax—氯气流量测量范围上限
H2′—氢气流量工程量（Nm3/h）
H2′=H2×H2max
H2—氢气流量%型信号
H2max——氢气量测量范围上限
将Cl′=Cl×Clmax
H2′=H2×H2max
带入
（1）式，并整理后得：
Φ=（H2/Cl）×（H2max/Clmax）---
（2）
由图可知Cl=H2×K
既：
K=H2/Cl-----------------（3）
将（3）式代如
（2）式得：
K=Φ×（H2max/Clmax）
上式既为比值系数K的计算公式。
将已知条件Φ、Clmax、H2max代入上式既可求出比值系数K。
注意：
很显然，K≠Φ，这一点很重要！
控制系统若由常规仪表构成，K值在离线时用标准仪器在乘法单元中进行设定，运行中不能更改（没有办法进行更改）。
若控制系统由数字仪表或DCS构成，则K值在离线组态时生成，系统在运行时，若没有特殊手段，K值是不能更改的；当系统采取了特殊措施，允许在线修改K值.定比值控制方案有手动、自动和串级三种运行方式。
２.3.2.变比值控制方案
２.3.2.1.系统构成
双闭环变比值控制系统框图如图所示。
此方案是由经典的、被称为变比值控制系统的「串级/比值」控制系统演变而成，实际上就是串级/比值控制系统去掉串级部分，只使用具有变比值功能的比值控制部分。
此方案与定比值方案不同的是，氢气流量信号不是作为调节器的外给定，而是与氯气流量信号进行比值运算后的结果，作为调节器的测量信号，与调节器的内给定值SP（既氯-氢比值给定）进行PID运算后去控制氯气流量调节阀，从而使氯流量随氢气流量的变化而变化，从而始终保持实际的氯-氢比值等于规定值。
此方案的特点是，不管系统运行在手动还是自动方式，仪表的给定和测量指针，指示的均是氯-氢比值，所以我们称为比值控制方案。
由于此方案承袭了串级/比值的优点，其给定值可以很方便地由人工随时根据工况或某种特殊要求进行人为的修改设置，所以我们把它叫作变比值控制系统。
变比值控制方案只有手动和自动两种运行方式。
２.3.2.2变比值控制方案的比值运算式
需要说明一个问题：
这里说的“比值”是广义的，它既可以是氯气与氢气的比值，也可以是氯气在氯氢混合气总量中的百分含量。
本讲义以比值为例，进行求取比值运算式的推导。
与定比值控制方案的比值系数K的计算原理一样，由于氯气和氢气流量变送器的流量测量范围不同，系统不能对进入仪表（DCS）的流量信号直接进行比值运算。
运算式的求取方法如下：
⏹设：
Φ为实际的氯－氢比值，则
Φ=（Ｃl×Ｃlｍａｘ）／（Ｈ２×Ｈ２ｍａｘ）－－－－（５）
式中：
Ｃl、Ｈ２为百分型流量信号
Ｃlmax——氯气流量测量范围上限
Ｈ２max——氢气流量测量范围上限
上式运算的结果即为氯/氢比值的百分型数据（注意：
不是百分含量），且与仪表的示值一一对应。
由于仪表指示的为0～100%，而正常工况时最佳的比值范围要小得多（现在还没有具体数据），很显然，如果（５）式运算的结果直接作为PID的测量信号，由于范围太大，肯定无法达到控制精度的要求。
所以，需要对（５）式的运算结果进行量程范围变换。
为此，我们设：
PV为比值运算式的输出（亦即作为PID的测量信号），并且设
PV=Φ×a+b －－－－－（６）
假设氯化氢合成炉能够获得最好效果的氯／氢比值的最佳范围为１：
４～１：
２，既可把
Φ＝２５％～５０％定为ＰＶ对应的０％～１００％。
把以上数据分别代入（６）式，
得：
0%=２５%×a+b 100%=５０%×a+b
解此联立方程，得ａ＝4 ｂ＝－1
把a、b的值和（５）式代入（６）式，
整理后得
ＰＶ＝Ｃl×4（Ｃlｍａｘ／Ｈ２ｍａｘ）÷Ｈ２－1
上式既为变比值控制方案的氯／氢比值运算式。
其运算的结果是，仪表显示的0～100%，对应实际氯／氢比值为０.２５～０.５%。
２.４两种控制方案比较
两种控制方案在系统性能、显示内容和运行操作上存在极大差异，主要有以下几点。
２.４.１参数显示上的差异
a.定比值控制方案
PID的给定指针，在自动时指示的是人工设定的氯气流量设定值，串级时是ＤＣＳ依据氢气流量自动计算出来的设定值，测量指针指示的是实际的氯气流量，没有氯／氢比值显示。
当两针重合时，表明氯／氢比值在规定的数值；当两针有偏差时，表明氯／氢比值不在规定的数值，但氯／氢比值究竟偏差多少，则需要根据适时流量进行人工计算，或者另专设一个表盘，对氯／氢流量进行比值运算并显示。
仪表给定指针的位置不固定，随着生产负荷的变化而改变。
b.变比值控制方案
PID的给定指针指示的是设定的氯／氢比值，测量指针指示的是实际的氯／氢比值。
实际的氯／氢比值偏离规定值的数值一目了然。
如无特殊情况，仪表给定指针和测量指针基本固定不动，不随生产负荷的变化而变化。
２.4.2 运行操作上的差异
a.手动方式时
两种控制方案的操作是一样的，都是用手动增减按钮操纵调节阀，但操作的依据不同。
因为变比值控制方案显示的是氯／氢比值，所以操作的依据是直接读取仪表上的数据，使测量信号在工艺规定的指标值上。
定比值控制方案则需要根据氢气流量的适时值，由工艺人员人工计算出符合比值指标的氯气流量值作为操作依据。
b.自动方式时
变比值控制方案由人工直接按工艺指标设定比值给定值，系统自动控制氯气流量调节阀，使氯／氢比值趋近于比值给定值。
此时氢气流量信号对于系统来说处于闭环状态，因此氢气流量发生变化时，不需要人工干予。
定比值控制方案则需要由工艺人员根据氢气流量的适时值，人工计算出符合比值指标的氯气流量值作为调节器的给定，此时系统只是一个单参数流量调节系统，氢气流量对于系统是开环的，当氢气流量发生变化时，氯气流量不会自动跟踪，需工艺人员根据氢气流量变化后的值人工修改给定值。
串级方式时，定比值控制方案为外给定，给定值由系统根据氯气流量的适时值自动计算，工艺人员无可操作项目。
此时氢气流量对于定比值控制系统是闭环的，系统自动控制氯气流量使之跟踪氢气流量的变化。
变比值控制系统没有串级方式。
c.运行方式切换
变比值控制方案的两种运行方式之间的状态切换是双向不平衡无扰动的，随时都可以随意切换。
（什么叫不平衡无扰动？
）
定比值控制方案，在手动和自动之间切换同变比值一样，没有扰动。
由手动或自动方式向串级方式切换之前，要根据氢气流量的适时值，先操作氯气流量控制系统，使氯气流量与外给定值（既氢气流量乘以比值系数K后的值）为零偏差时，才能实现无扰动切换，否则，系统将发生扰动。
变比值控制系统没有串级运行方式。
２.4.3系统性能上的差异
定比值控制方案的比值系数K，变比值控制方案的氯／氢比值信号PV，是依据氯化氢合成工艺中的氯／氢比值的最佳值，以流量测量仪表精度符合要求为基准条件从理论上计算出来的。
而实际上，测量仪表以及一次元件不可避免地会存在误差，同时条件恶劣的生产现场也可能给测量代来误差，尤其是系统是由两套测量装置构成，当其误差为一正一负时，其总误差将是很大的，就会造成实际氯／氢比值因测量信号产生误差而致使氯化氢合成工艺过程不正常；另外，由于其它不可预料的不利因素或异常情况，可能出现理论上计算出来的比值系数Ｋ存在偏差。
对于上述异常情况，若控制系统是变比值控制方案，则只需由工艺人员根据情况，改变
调节器的给定，就可以修正测量装置的误差和克服不可预料的不利因素或异常情况的影响，
等有机会时再查找和消除测量装置的误差，消除不利因素或异常情况的影响，维持生产过程
继续在最佳状况下运行。
而定比值控制方案，就只能更改比值系数或立即消除测量装置或不利因素的影响。
要更改比值系数，为了设备安全，一般情况下原则上由仪表技术人员在工程师站上离线修改。
但是由于化工过程的连续性和开车过程周期长的特点，不可能把装置停下来，因此只能冒险在线修改。
但是在线修改需要采用特殊手段，另设一个表盘，把比值系数K设计成可由该表盘更改的数据，由工艺操作人员根据情况实施修改。
结语：
一般情况下，若不考虑测量装置不可避免地存在误差和生产工况发生不利因素的影响，两种双闭环比值控制方案均适用于氯化氢合成工艺过程，并且构成控制系统的仪表台件数也完全一样，但是在可操作性和应付特殊情况的灵活性及实用性上，变比值控制方案比定比值控制方案要强！
作为仪表专业来说，既不增加设备，也不增加工作量，只不过在ＤＣＳ组态时使用不同的组态方案和运算式而已；而对于工艺操作人员来说，其意义之大实在无法评估.
控制系统统计：
装置中只有2套比值控制系统，均用于氯化氢合成工序的合成炉。
位号为：
FIC002ASaFIC002ASb
思考：
1.哪工况要使用比值控制系统？
2.比值控制系统有哪几中类型？
3.单闭环比值控制系统存在什么缺点？
4.分别画出双闭环定比值和变比值控制系统的方框。
5.（难）试述定比值与变比值控制系统在构成既性能上的差异。
6.一套定比值控制系统，工艺要求两种物料F1与F2之比Φ=F1/F2=0.75。
已知：
F1的范围上限F1max为3000m3/h，F2的范围上限F2max为3600m3/h。
试求比值系数K
三、串级控制系统
串级控制系统是应用较早，目前使用较多的一种复杂控制系统，大量应用于复杂多变的，需要进行多参数控制的复杂工况。
一条1500t/a多晶硅生产线上就有28套串级控制系统。
3.1串级控制系统慨述
精馏塔塔釜温度是保证产品分离纯度的重要工艺指标，控制系统的任务就是恒定塔釜温度。
塔釜温度是一个十分复杂的对象，影响塔釜温度的因素很多，当采用加热蒸汽流量作为调节参数组成温度自动调节系统来克服诸如加热蒸汽流量波动、进料流量、进料温度、进料成分波动分干扰时，如下图所示：
由于只有加热蒸汽流量是闭环的，而进料流量、进料温度、进料成分对系统是开环的，并且很难保证其稳定，所以实践中难以保证控制精度。
改用精馏塔塔釜温度作为控制
参数，如图所示：
由于温度对象的时间常数大，其结果仍旧不理想。
尽管上述两种控制方案单独使用都不好，但他们还是具有各自的优点。
于是，结合两个方面的优点，发展成了串级控制系统。
串级控制系统如下图所示：
串级控制系统方块图
3.2串级控制系统名词术语解释
主参数：
主要控制的工艺指标（本例中的温度）
副参数：
为稳定主参数引入的辅助被调参数（本例中的蒸汽）
主调节器：
对主参数的偏差进行运算处理，输出作为副调节器的给定
副调节器：
对副参数的偏差进行运算处理，输出作为副调节阀的控制信号
主、副变送器：
主/副参数变送器
主、副环（又称主、副回路）：
由副参数、副调节器和调节阀构成的回路为副环
3.3串级控制系统的特点
A.由于副回路的加入，使之能快速动作，对于进入副回路的干扰具有很强的抑制能力，因此调节效果非常好。
B.串级控制系统能改善调节对象的特性。
C.串级控制系统具有一定的自适应能力。
3.4.串级控制系统的投运
如果控制系统使用的是常规仪表，其投运步骤是相当严格和烦琐的。
用DCS则简单多了。
在DCS系统组态时，如果组态人员站在化工操作工的立场，发挥DCS的优势，充分利用DCS强大的功能，开发出具有人工智能的控制系统，则串级控制系统的投运就十分简单了。
由DCS构成的串级控制系统，它的两个PID（调节器）不是独立的，而是一个专门的串级模块，所以在DCS的操作组画面上只有一个模拟表盘。
在组态时采取一定措施后，使用投运比双闭环定比值控制系统简单。
串级控制系统的投运一般采用两步法，既：
先投副环（蒸汽流量环节），等温度正常并稳定后，再投主环。
（为什么等温度正常并稳定？
）
注意：
在温度未达到正常指标，或虽达到正常指标但尚未稳定之前最好不投主环。
四、自动选择性控制系统
４.１慨述
自动选择性控制系统是把某些特殊工况下，工艺过程操作所要求的逻辑控制关系叠加到控制系统中，使其在不良工况时，自动决策，实现对危险工况的软保护，并使其脱离不良工况，维持工艺过程继续进行并向良好方向发展。
自动选择性控制系统的工作原理是：
系统由两套调节回路和一台调节阀组成，两套调节回路中，一套叫正常回路，一套叫取代回路。
正常工况时，系统由正常回路工作。
当工况发生或出现不良情况时，取代回路自动替换正常工况下工作的调节器进
行工作。
当工况恢复正常后，取代回路又自动脱离系统，正常工况下工作的调节器自动接替它重新开始工作。
所以，这种控制系统又做超驰控制系统或取代控制系统。
自动选择性控制系统主要应用在氯硅烷分离提纯工序，解决冷凝器出口工艺介质（氯硅烷或三氯氢硅）到粗/精馏塔或回收塔的回流流量与馏出到下一塔的采出量的自动统筹问题。
4.2自动选择性控制系统工作原理
此工序中，工艺介质从冷凝器出来后，一部分回流到精馏塔，另一部分到下一精馏塔。
回流量关系到分离的质量，而采出液则是下一精馏塔的进料量。
如果各设一套控制系统，势必形成相互强力竞争然而却无法都满足，或相互友好谦让而导致冷凝器馏出液过剩，各自为战的结果肯定导致系统大幅度波动，工艺过程不能正常进行。
自动选择性控制系统就是为解决这一问题应允而生的。
自动选择性控制系统如下图所示：
此工序中，回流量关系到精馏的纯度，采出量是下一精馏塔的进料量，两者相比较，
显然，精馏的纯度比下一精馏塔的进料量更为重要。
因此，在此系统中，由转子流量计FT001、FIC001和FV001构成的采出量控制回路为正常回路，电磁流量计和FIC002构成的回流量控制回路为取代回路。
当回流量大于FIC002的给定（亦既满足回流量的要求）时，控制系统相当于单参数简单控制系统，由正常回路按照FIC001的给定来自动控制采出量。
当回流量一旦小于FIC002的给定，取代回路立即自动取代正常回路，由FIC002的输出来控制调节阀，直至回流量大于FIC002的给定后，取代回路又自动退出，由正常回路接替取代回路继续工作。
4.3自动选择性控制系统构成
自动选择性控制系统框图如图所示：
自动选择性控制系统的核心是一个高或低值选择器。
选择器接受两个调节器的输出信号进行比较，并将选中的高或低的信号作为输出去控制调节阀。
正常工况时，由于取代回路的测量信号大于给定，其输出要吗最大（正作用时），要吗最小（
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