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控制阀在工业生产过程控制中的作用

控制系统的基本组成
(1) 人工控制
以图1-1所示液位控制为例,说明人工控制的有关概念。液位是工艺需要控制的变量,操作员根据液位高低调节排放阀的开度,使液位保持在工艺所需的高度。人工控制的过程如下。
1 操作员用眼睛观测容器液位,经神经系统传到大脑。
2 大脑对液位观测值与工艺期望值进行比较,经分析和判别,发出控制指令。
3 根据大脑发出的控制指令,操作员通过手操纵阀门,改变阀门开度,使排出流量变化。
4 反复上述步骤,使液位维持在期望值。
(2) 自动控制
因为现代工业生产过程需要控制的温度、压力、流量等参数成百上千,人工控制难以满足现代工业生产过程的要求,存在劳动强度大,控制精度低、响应时间长等缺点。各种自动控制系统模拟人工控制的方法,用仪表、计算机等装置代替操作员的眼、大脑、手等的功能,实现对生产过程的自动控制。简单控制系统包含检测元件和变送器、控制器、执行器和被控对象等。图1-2 是简单控制系统的框图。
控制阀系统图
检测元件和变送器(Sensor and Transmitter) 用于检测被控变量,将检测信号转换为标准信号。例如,热电阻将温度变化转换为电阻变化,温度变送器将电阻或热电势信号转换为标准的气压或电流、电压信号等。
控制器(Controller)将检测变送环节输出的标准信号与设定值信号进行比较,获得偏差信号,按一定控制规律对偏差信号(Error Signal) 进行运算,运算输出送执行器。控制器可用模拟仪表实现,也可用微处理器组成的数字控制器实现,例如,DCS (分布控制系统) 和FCS (现场总线控制系统) 中采用的PID控制功能模块等。
执行器(Actuator) 处于控制环路的最终位置,也称为最终元件(Final Control Element).执行器用于接收控制器的输出信号,并控制操纵变量变化。在大多数工业生产过程控制的应用中,执行器采用控制阀。其他执行器有计量泵、调节挡板等。近年来,随着变频调速技术的应用,一些控制系统已采用变频器和相应的电动机(泵) 等设备组成执行器。
生产过程(被控对象) 的负荷变化或者操作条件改变时,通过检测元件和变送器的检测和变送,将过程的被控变量送控制器,经控制规律运算后的输出送执行器,改变过程中相应的流体流量,使被控变量与设定值保持一致。可见,检测元件和变送器的作用类似于人的眼睛,控制器的作用类似于人的大脑,执行器的作用类似于人的手脚。
与人工控制的控制过程类似,当系统受到干扰影响时,用检测变送仪表检测过程的被控变量信号(模拟人眼的功能),控制器将检测变送信号与设定值比较,按一定控制规律对其偏差值进行运算(模拟人脑的功能),并输出信号驱动执行机构改变操纵变量(模拟人手的功能),使被控变量回复到设定值。


控制阀在控制系统中的作用
(1) 控制阀的重要性
控制阀(Control valve) 用于调节流体流量。根据国标GB/T 17213 《工业过程控制阀第一部分控制阀术语和总则》的规定,应称为控制阀。但目前仍有一些文献将它称为调节阀(Adjusting valve)。从控制系统整体看,一个控制系统控制的好坏,都要通过控制阀来实现。控制阀的重要性表现如下。
1 控制阀是节流装置,它是动部件。与检测元件和变送器、控制器比较,在控制过程中,控制阀需要不断改变节流件的流通面积,使操纵变量变化,以适应负荷变化或操作条件的改变。因此,对控制阀阀组件的密封、耐压、腐蚀等提出更高要求。例如,密封会使控制阀摩擦力增加,控制阀死区加大,造成控制系统控制品质变差等。
2 控制阀的阀内件与过程介质直接接触。控制阀和检测元件与过程介质接触的不同点如下。
a.接触介质不同。对控制阀的耐腐蚀性、强度和刚度、材料等有更高要求。a
b.检测元件与过程介质可采用隔离液等方法隔离,控制阀通常与过程介质直接接触,
很难采用隔离的方法与过程介质隔离。
3 控制阀的活动部件是造成“跑”、“冒”、“滴”、“漏”的主要原因,它不仅造成资源
或物料的浪费,也污染环境,引发事故。
4 控制阀是通过阀内件的节流改变流体流阻实现流量的调节,因此,是耗能元件。为此,降低能耗,降低控制阀的压力损失,和较好地控制品质之间要合理选择和兼顾。
5 控制阀对流体进行节流的同时,也造成噪声。例如,当阀出口压力低于液体的蒸汽压力时,造成闪蒸; 当阀下游压力高于液体燕汽压力时,造成汽蚀。控制阀造成的噪声和控制阀流路的设计、操作压力、被控介质特性等有关,因此,降低噪声,降低压力损失等对控制阀的应用提出更高要求。
6 控制阀的适应性强。它被安装在各种不同的生产过程,生产过程的低温、高温、高压大流量、微小流量等操作条件需要控制阀具有各种不同的功能,控制阀应能适应不同应
用的要求。
7 检测元件和变送器、控制器等发展快,投人的人力和物力多。相对来看,通常认为控制阀结构简单,因此,对控制阀投人研究和开发的人力和物力相对不足。
(2) 控制阀在控制系统中的作用
控制阀在控制系统中的作用如下。
1 控制阀用于自动控制系统中流体的流量,从面实现自动调节生产过程中有关工艺变量的作用。与手动阀门不同,控制阀可自动调节,不需要人工操纵,因此,可大大降低劳动强度,提高生产效率。
2 控制阀能够在供给它的能源或信号中断时及时回复到安全状态,避免事故发生。通过控制阀故障关(FC) 或故障开(FO) 或故障保持(FR) 等选择,使控制阀关闭。打开或保持故障时开度,防止事故的发生或蔓延。
3 控制阀可补偿被控对象的非线性特性,实现生产过程的稳定运行。控制系统稳定运行的关键是系统的开环增益在运行过程中保持恒定。对被控对象具有非线性特性的生产过程,例如,温度控制等具有饱和非线性特性的生产过程,可通过选择控制阀的流量特性,补偿被控对象的非线性,使生产过程稳定运行。

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