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1.控制系統(tǒng)的基本組成
工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的控制系統(tǒng)有各種不同類型，例如簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)、復(fù)雜控制系統(tǒng)等，圖l是兩個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的示例。圖中，每個(gè)控制系統(tǒng)都包括被控變量、操縱變量和相應(yīng)的控制規(guī)律。被控變量是需要控制的過(guò)程變量，例如，換熱器出口溫度、泵出口壓力等。要使被控變量與期望的設(shè)定值保持一致，需要一種控制手段，例如，圖中的蒸汽流量、泵的旁路流量等。被控變量偏離設(shè)定的原因是生產(chǎn)過(guò)程中存在干擾，例如，蒸汽壓力的波動(dòng)、泵轉(zhuǎn)速的變化等。通常，把用于調(diào)節(jié)的變量稱為操縱變量。
一個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)由檢測(cè)元件和變送器、控制器、執(zhí)行器和被控對(duì)象組成。檢測(cè)元件和變送器(sensorandtransmitter)用于檢測(cè)被控變量，將檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。例如，熱電阻將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化，溫度變送器將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的氣
壓或電流、電壓信號(hào)等。
控制器(controller)將檢測(cè)變送環(huán)節(jié)輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與設(shè)定值信號(hào)進(jìn)行比較，獲得偏差信號(hào)，按一定控制規(guī)律對(duì)偏差信號(hào)(errorsignal)進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算輸出送執(zhí)行器?？刂破骺捎媚M儀表實(shí)現(xiàn)，也可用微處理器組成的數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)，例如DCS和FCS中采用的PID控制功能模塊等。
執(zhí)行器(actuator)處于控制環(huán)路的zui終位置，因此也稱為zui終元件(final element)。執(zhí)行器用于接收控制器的輸出信號(hào)，并控制操縱變量變化。在大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制的應(yīng)用中，執(zhí)行器采用控制閥。近年來(lái)，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，一些控制系統(tǒng)已采用變頻器和相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)(泵)等設(shè)備組成執(zhí)行器。本頁(yè)介紹控制閥的有關(guān)內(nèi)容，不討論變頻器和其他執(zhí)行器。
生產(chǎn)過(guò)程的負(fù)荷變化或操作條件改變時(shí)，通過(guò)檢測(cè)元件和變送器的檢測(cè)和變送，將過(guò)程的被控變量送控制器，經(jīng)控制規(guī)律運(yùn)算后的輸出送執(zhí)行器，改變過(guò)程中相應(yīng)的流體流量，使被控變量與設(shè)定值保持一致。可見(jiàn)，檢測(cè)元件和變送器的作用類似于人的眼睛，控制器的作用類似于人的大腦，執(zhí)行器的作用類似于人的手腳。一個(gè)控制系統(tǒng)的質(zhì)量受到組成控制系統(tǒng)各組成部件的影響，主要取決于控制系統(tǒng)組成部件中zui薄弱環(huán)節(jié)的影響。
2．控制閥的重要性
控制閥(controlvalve)用于調(diào)節(jié)操縱變量的流量，因此，以前亦稱調(diào)節(jié)閥。從控制系統(tǒng)整體看，一個(gè)控制系統(tǒng)控制得好不好，都要通過(guò)控制閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于下列原因，控制閥變得十分重要。
①控制閥是節(jié)流裝置，屬于動(dòng)部件，與檢測(cè)元件和變送器、控制器比較，在控制過(guò)程中，控制閥需要不斷改變節(jié)流件的流通面積，使操縱變量變化，以適應(yīng)負(fù)荷變化或操作條件的改變。因此，對(duì)控制閥閥組件的密封、耐壓、腐蝕等提出更高要求。例如，密封會(huì)使控制閥摩擦力增加，控制閥死區(qū)加大，造成控制系統(tǒng)控制品質(zhì)變差等。
②控制閥的活動(dòng)部件是造成“跑”、“冒”、“滴”、“漏”的主要原因，它不僅造成資源或物料的浪費(fèi)，也污染環(huán)境，引發(fā)事故。
?、劭刂崎y的閥內(nèi)件與過(guò)程介質(zhì)直接接觸，和檢測(cè)元件與過(guò)程介質(zhì)接觸的不同之處如下
a．控制閥閥組件的接觸介質(zhì)可能與檢測(cè)元件的接觸介質(zhì)不同，對(duì)控制閥的耐腐蝕性、強(qiáng)度、剛度、材料等有更高要求。
b．檢測(cè)元件可采用隔離液等方法與過(guò)程介質(zhì)隔離，但控制閥通常與過(guò)程介質(zhì)直接接觸，很難采用隔離的方法與過(guò)程介質(zhì)隔離。
?、芸刂崎y的節(jié)流使能量在閥內(nèi)件內(nèi)部被消耗，因此，降低能耗，降低控制閥的壓力損失，和保證較好的控制品質(zhì)之間要合理選擇和兼顧。
?、菘刂崎y對(duì)流體進(jìn)行節(jié)流的同時(shí)也造成噪聲。例如，當(dāng)閥出口壓力低于液體的蒸汽壓力時(shí)，造成閃蒸；當(dāng)閥下游壓力高于液體蒸汽壓力時(shí)，造成汽蝕?？刂崎y造成的噪聲和控制閥流路的設(shè)計(jì)、操作壓力、被控介質(zhì)特性等有關(guān)，因此，降低噪聲，降低壓力損失等對(duì)控制閥提出更高要求。
⑥控制閥的適應(yīng)性強(qiáng)。它被安裝在各種不同的生產(chǎn)過(guò)程，生產(chǎn)過(guò)程的低溫、高溫、高壓、大流量、微小流量等操作條件需要控制閥具有各種不同的功能，控制閥應(yīng)能夠適應(yīng)不同應(yīng)用的要求。
?、邫z測(cè)元件和變送器、控制器等發(fā)展快，投入的人力和物力多。相對(duì)來(lái)看，通常認(rèn)為
控制閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此，對(duì)控制閥投入研究和開(kāi)發(fā)的人力和物力相對(duì)不足。
工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的控制系統(tǒng)有各種不同類型，例如簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)、復(fù)雜控制系統(tǒng)等，圖l是兩個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的示例。圖中，每個(gè)控制系統(tǒng)都包括被控變量、操縱變量和相應(yīng)的控制規(guī)律。被控變量是需要控制的過(guò)程變量，例如，換熱器出口溫度、泵出口壓力等。要使被控變量與期望的設(shè)定值保持一致，需要一種控制手段，例如，圖中的蒸汽流量、泵的旁路流量等。被控變量偏離設(shè)定的原因是生產(chǎn)過(guò)程中存在干擾，例如，蒸汽壓力的波動(dòng)、泵轉(zhuǎn)速的變化等。通常，把用于調(diào)節(jié)的變量稱為操縱變量。
圖l簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)示例 | |
(a)溫度控制系統(tǒng) | (b)壓力控制系統(tǒng) |
一個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)由檢測(cè)元件和變送器、控制器、執(zhí)行器和被控對(duì)象組成。檢測(cè)元件和變送器(sensorandtransmitter)用于檢測(cè)被控變量，將檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。例如，熱電阻將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化，溫度變送器將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的氣
壓或電流、電壓信號(hào)等。
控制器(controller)將檢測(cè)變送環(huán)節(jié)輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與設(shè)定值信號(hào)進(jìn)行比較，獲得偏差信號(hào)，按一定控制規(guī)律對(duì)偏差信號(hào)(errorsignal)進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算輸出送執(zhí)行器?？刂破骺捎媚M儀表實(shí)現(xiàn)，也可用微處理器組成的數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)，例如DCS和FCS中采用的PID控制功能模塊等。
執(zhí)行器(actuator)處于控制環(huán)路的zui終位置，因此也稱為zui終元件(final element)。執(zhí)行器用于接收控制器的輸出信號(hào)，并控制操縱變量變化。在大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制的應(yīng)用中，執(zhí)行器采用控制閥。近年來(lái)，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，一些控制系統(tǒng)已采用變頻器和相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)(泵)等設(shè)備組成執(zhí)行器。本頁(yè)介紹控制閥的有關(guān)內(nèi)容，不討論變頻器和其他執(zhí)行器。
生產(chǎn)過(guò)程的負(fù)荷變化或操作條件改變時(shí)，通過(guò)檢測(cè)元件和變送器的檢測(cè)和變送，將過(guò)程的被控變量送控制器，經(jīng)控制規(guī)律運(yùn)算后的輸出送執(zhí)行器，改變過(guò)程中相應(yīng)的流體流量，使被控變量與設(shè)定值保持一致。可見(jiàn)，檢測(cè)元件和變送器的作用類似于人的眼睛，控制器的作用類似于人的大腦，執(zhí)行器的作用類似于人的手腳。一個(gè)控制系統(tǒng)的質(zhì)量受到組成控制系統(tǒng)各組成部件的影響，主要取決于控制系統(tǒng)組成部件中zui薄弱環(huán)節(jié)的影響。
2．控制閥的重要性
控制閥(controlvalve)用于調(diào)節(jié)操縱變量的流量，因此，以前亦稱調(diào)節(jié)閥。從控制系統(tǒng)整體看，一個(gè)控制系統(tǒng)控制得好不好，都要通過(guò)控制閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于下列原因，控制閥變得十分重要。
①控制閥是節(jié)流裝置，屬于動(dòng)部件，與檢測(cè)元件和變送器、控制器比較，在控制過(guò)程中，控制閥需要不斷改變節(jié)流件的流通面積，使操縱變量變化，以適應(yīng)負(fù)荷變化或操作條件的改變。因此，對(duì)控制閥閥組件的密封、耐壓、腐蝕等提出更高要求。例如，密封會(huì)使控制閥摩擦力增加，控制閥死區(qū)加大，造成控制系統(tǒng)控制品質(zhì)變差等。
②控制閥的活動(dòng)部件是造成“跑”、“冒”、“滴”、“漏”的主要原因，它不僅造成資源或物料的浪費(fèi)，也污染環(huán)境，引發(fā)事故。
?、劭刂崎y的閥內(nèi)件與過(guò)程介質(zhì)直接接觸，和檢測(cè)元件與過(guò)程介質(zhì)接觸的不同之處如下
a．控制閥閥組件的接觸介質(zhì)可能與檢測(cè)元件的接觸介質(zhì)不同，對(duì)控制閥的耐腐蝕性、強(qiáng)度、剛度、材料等有更高要求。
b．檢測(cè)元件可采用隔離液等方法與過(guò)程介質(zhì)隔離，但控制閥通常與過(guò)程介質(zhì)直接接觸，很難采用隔離的方法與過(guò)程介質(zhì)隔離。
?、芸刂崎y的節(jié)流使能量在閥內(nèi)件內(nèi)部被消耗，因此，降低能耗，降低控制閥的壓力損失，和保證較好的控制品質(zhì)之間要合理選擇和兼顧。
?、菘刂崎y對(duì)流體進(jìn)行節(jié)流的同時(shí)也造成噪聲。例如，當(dāng)閥出口壓力低于液體的蒸汽壓力時(shí)，造成閃蒸；當(dāng)閥下游壓力高于液體蒸汽壓力時(shí)，造成汽蝕?？刂崎y造成的噪聲和控制閥流路的設(shè)計(jì)、操作壓力、被控介質(zhì)特性等有關(guān)，因此，降低噪聲，降低壓力損失等對(duì)控制閥提出更高要求。
⑥控制閥的適應(yīng)性強(qiáng)。它被安裝在各種不同的生產(chǎn)過(guò)程，生產(chǎn)過(guò)程的低溫、高溫、高壓、大流量、微小流量等操作條件需要控制閥具有各種不同的功能，控制閥應(yīng)能夠適應(yīng)不同應(yīng)用的要求。
?、邫z測(cè)元件和變送器、控制器等發(fā)展快，投入的人力和物力多。相對(duì)來(lái)看，通常認(rèn)為
控制閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此，對(duì)控制閥投入研究和開(kāi)發(fā)的人力和物力相對(duì)不足。
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