机械自动化系统在化工生产中的应用

摘要：生产过程中，每个过程的物理量（或过程变量）都有一定的控制要求。有些过程变量直接代表产品的生产过程，是产品的数量和质量的决定性因素。例如，蒸馏塔或塔釜温度，为了获得合格的产品，一般必须保持相同操作压力；加热炉出口温度的波动超过允许范围，会影响后一反应温度的效果；为了效率能达到指标，化学反应器保持稳定。虽然某些过程变量不直接影响产品的质量和数量，但保持其稳定性也是良好控制生产的先决条件。

关键词：机械自动化系统；化工生产；应用

一、锅炉汽包水位控制方面的研究

蒸汽锅炉设备几乎是工业生产不可缺少的设备，保持锅炉汽包液位的高度是非常重要的。如果水位太低，会影响蒸汽产生量，以及锅炉容易把水烧干从而发生事故；如果水位太高，生产出来的蒸汽会含有过多的水分，会影响蒸汽品质。因此，对汽包的液位进行严格的控制是保持锅炉正常生产的必要措施。

1.1单冲量控制系统

汽包水位的控制方法是控制给水量，根据这个原理，可以形成的单冲量控制系统，这里的“冲量”是指变量，汽包水位也就是单冲量。该控制系统是一种简单常见的控制系统。当蒸汽负荷瞬间过度增大时，由于虚假水位的现象，控制器绝不可以通过开大给水阀来使给水量增大，从而保持锅炉的物料平衡；反而要收缩控制阀的开合度来减少给水量，一直到虚假水位的现象消失后，因为蒸汽量的增加，供水量减少，所以会使水位严重下降，波动严重，甚至气包的水位有可能会降到危险程度从而发生事故。所以那些停留时间较短、负荷情况变化大的，单冲量控制系统并不合适，而且水位也得不到保证。但是对于小型的锅炉，因为水能长时间在汽包中停留，所以当蒸汽负荷发生变化，虚假水位也不是特别明显，所以配上合适的联锁报警装置，也能够保持安全作业，所以用这种控制系统也是能够适应生产要求的。

1.2双冲量控制系统

汽包水位的调控，蒸汽负荷的变化是最主要的干扰因素。通过校正蒸汽流量，就能减少因为“虚假水位”而产生失误，从而能适当地调整给水位控制阀的动作，进而改进控制质量，减小水位的变化。因为要引入蒸汽流量信号，从而就有了双冲量控制系统。双冲量控制系统即前馈控制和单回路反馈控制的复合控制系统。我们所说的前馈仅仅是静态前馈，如果考虑蒸汽在两条通道动态上的差异，还要加上动态补偿的环节。

加法器的输出：I=CIIC±C2IF±I0

上面的IC表示的是液位控制器的输出；IF表示的是蒸汽流量变送器的输出；I0表示的是初始偏置值；C1和C2都是加法器系数。C1的数值一般为1，C2的数值要考虑静态的前馈补偿，可以当场凑试，也可以通过理论推演出来。

在正常情况下，为了使控制器与加法器的输出有个合适的数值，从而设置I0。在理想的负荷条件下，I0与C2IF能相互抵消。

1.3三冲量控制系统

双冲量控制系统存在两个问题：控制阀的工作特性可能不是线性特性，如果想要静态补偿的话会相对困难，而且也克服不了给水系统的干扰。根据这个原因又可以引进给水流量信号，形成三冲量控制系统。

三沖量控制系统有很多的实施方案，其实就是前馈控制和串级控制相结合的复合控制系统。这里的汽包水位是主变量，辅助变量是蒸汽和给水量。由于水在汽包中停留的时间段、“虚假水位”比较频繁，所以就要引进微分信号。该蒸汽量的信号则是负微分作用，从而减少因为负荷突然变化时，由于设定了较高或较低的水位偏离值而引起锅炉停车。

双冲量控制系统与三冲量控制系统中的加法器的运算关系是一样的，其中的系数是这样设置的：a的系数C1一般设置为1或者较小于1的值；假如b是气开阀的话，则C2是正数，根据物料的平衡关系可以计算出C2的数值；三冲量控制系统I0的设置和双冲量控制系统的设置是一致的。

三冲量控制系统和常见的串级控制系统控制器的参数的整定方式是一样的。有某些设备，只是装置了一部控制器和一部加法器，而且加法器安装在控制器的前面的简易三冲量控制系统。加法器也可以安装在在控制器的后面，而加法器的正负号表示气关阀和正作用控制器的情况。加法器安装在控制器的前面的好处在于安装的仪表最少，只装一台多通道的控制器就可以。假如系数设置保证不了物料的平衡的话当负荷发生改变，水位就会产生余差，加法器安装在控制器的后面的好处是可以消除水位余差，可是安装的仪表就会比前者多，两者相比较的话，后者投运和系数设置会比前者麻烦。

二、冷却器控制方案的研究

冷却器的热载体是冷却剂，常采用液态氨等介质作为冷却剂，利用它们在冷却器内蒸发进吸收工艺物料的大量热量，使用工艺物料的出口温度下降来达到生产工艺要求，工业用冷却器的一般控制方案有以下几种。

2.1控制冷却剂的流量

氨冷却器控制冷却剂流量的控制方案，它的原理就是通过改变导热面积来实现的。这个方法控制较为稳定，能够充分使用冷却剂量，而且没有改变压缩机的入口压力。因为蒸发空间保证不了，所以说这种方案是不够灵活的，容易使气氨含有液体进而破坏压缩机。根据这个原因可以使用串级控制方案，这种方案能有效控制最大液位，确保能有合适的蒸发空间。又或者使用选择性控制方案。

2.2控制气氨排量

控制气氨排量的控制方案是通过氨冷却器来控制气氨排量的方案，原理是利用平均温度来调节工艺物料的出口温度，该方案控制反应迅速，制冷系统要允许压缩机入口压力的波动。再者，冷却剂量的使用不够充分。为了系统能安全运行，仍要安装液位控制系统，目的是不让液氨跑进氨管道中从而损坏压缩机。

通过分析可以得到：通过使用自动控制装置与被控的工艺设备而建成了自动化控制系统。在操作室里操作工就可以监测到整个装置的变化，进而减小劳动强度，确保生产安全。

由于工业生产发展迅猛，环境污染严重，如何减小污染也成为了过程控制的目标。因此，自动化控制是为了：1、确保生产安全与稳定；2、达到预期的产量和质量；3、降低能源损耗和减少原材料；4、降低环境污染。

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