化学工程单元操作中试装置中的主要反馈控制回路包括流量、压力、液位、温度和组成控制回路。 每个回路都会持续测量过程变量，将其与设定值进行比较，并通过控制阀、泵、加热器或类似的最终控制元件调节操纵变量。总体而言，这些回路能够在进料条件或过程负荷发生变化时，保持稳定、安全且可重复的操作条件。
五种主要回路类型是流量、压力、液位、温度和组成控制。 它们的目的相同，但所使用的传感器、操纵变量和过程响应各不相同。
反馈控制回路的工作原理
测量与比较
传感器或变送器测量实际过程变量，例如温度、压力或流量。控制器将该测量值与期望设定值进行比较，并计算两者之间的误差。
校正动作
控制器向最终控制元件发送校正信号。例如，温度控制器可以调节蒸汽阀，而液位控制器可以调节容器中的液体排出量。
负反馈
大多数单元操作采用负反馈，这意味着校正动作会抵消过程变量相对于设定值的偏差。如果换热器出口温度过高，控制器可以减少蒸汽流量或增加冷却水流量。
五种主要控制回路类型
流量控制
流量控制回路用于维持流体通过工艺流股的流动速率。孔板和差压元件，或其他流量测量设备，会提供流量测量值。
控制器调节控制阀或变速泵，使流股流量保持在规定值。流量控制通常用于确定中试装置的物料衡算和操作处理量。
压力控制
压力控制回路用于维持容器、储罐、反应器或蒸馏系统等设备中的压力。压力变送器测量容器压力，并将信号发送至控制器。
控制器可以操纵出口阀、蒸汽放空阀或其他气体处理装置。正确的压力控制对于安全运行以及维持单元操作预期的相态行为十分重要。
液位控制
液位控制回路用于维持储罐、容器、蒸馏塔底部或冷凝液罐中的液体量。液位变送器测量液体高度或存量。
控制器通常调节进料阀或排出阀。在典型的泵送排出布置中，控制阀通常安装在泵的出口侧，而不是吸入侧，以保持适当的泵液压条件。
温度控制
温度控制回路用于维持工艺流股或容器的温度。热电偶、热电阻或其他热传感器用于测量过程温度。
控制器操纵公用工程流体，例如蒸汽或冷却水，或者调节换热器旁路。在夹套反应器中，操纵变量可以是供应至夹套的加热或冷却介质。
组成控制
组成控制回路用于维持某种化学组分的浓度或纯度。在线分析仪，包括适用情况下的气相色谱仪，用于测量过程组成。
控制器可以操纵进料流量、回流流量、溶剂添加量或其他过程输入。组成控制通常比流量、压力或温度控制更慢，因为分析和过程响应可能会引入明显的延迟。
每个回路所需的要素
过程
过程是单元操作发生的物理设备。示例包括储罐、换热器、反应器、分离器和蒸馏塔。
测量仪表
传感器和变送器将物理状态转换为控制系统可以识别的信号。示例包括流量元件、压力变送器、液位变送器、热电偶和在线组成分析仪。
信号传输
电线或气动管线将测量信号传送至控制器，并将指令信号传送至最终控制元件。现代中试装置通常使用标准化电信号和数字通信。
控制器
控制器将测量变量与设定值进行比较，并计算所需的校正动作。它可以是本地单回路控制器、可编程逻辑控制器，或监控与数据采集系统的一部分。
最终控制元件
最终控制元件会对过程进行物理改变。典型示例包括控制阀、变速泵和公用工程流量执行器。
回路的协同应用方式
串级回路与辅助回路
中试装置经常将多个回路组合使用，使一个控制目标为另一个控制目标提供支持。例如，温度控制器可以改变公用工程流量控制器的设定值，使响应更快的流量回路调节蒸汽或冷却水的供应。
具体配置取决于过程动态特性、传感器位置、执行器行为以及所需的控制性能。
界面控制
只要需要维持气液或液液界面，就需要液位控制器。这适用于容器、分离器、冷凝液罐以及其他相态存量会影响安全稳定运行的设备。
单阀协调
通常，一个指定的工艺流股应仅设置一个控制阀来承担该流股的主要控制功能。相互竞争的阀门或重叠的回路会使系统难以整定，并可能导致振荡。
多变量相互作用
这些回路并不总是相互独立。例如，在蒸馏塔中，改变回流量可能同时影响组成和液位，而改变进料流量则可能影响流量、温度、压力和组成。
当一个操纵变量会显著影响多个被控变量时，工程师可能需要进行仔细的输入输出配对、相互作用分析或解耦控制。相对增益阵分析是用于评估适当配对方法的一种手段。
了解其中的权衡
更快的响应与稳定性
针对快速响应整定的控制器可以快速纠正扰动，但过度激进的控制可能产生振荡或不稳定。保守的整定方式可以提高稳定性，但会使过程从扰动中恢复得较慢。
测量质量与成本
简单的现场仪表可以为基本回路提供经济实用的控制。更分散式或基于微处理器的系统可以提供更高的灵活性、数据采集能力和集成能力，但需要更多的配置和工程工作。
直接控制与分析控制
流量、压力、液位和温度通常可以连续获得测量值，并支持相对直接的控制。组成控制能够提供有价值的产品质量信息，但可能受到分析仪延迟、维护要求和较慢过程动态特性的限制。
独立回路与相互作用
独立的单变量回路更容易理解和整定。然而，将强相互作用的变量视为相互独立，可能导致控制器彼此对抗，从而造成性能不佳或系统不稳定。
反馈与扰动补偿
反馈控制会在被控变量发生变化后纠正偏差。前馈控制可以在输出发生变化之前对已测量的扰动作出响应，但它依赖于准确的过程模型和扰动测量。
根据目标做出正确选择
适当的回路类型取决于必须保持稳定的过程条件，以及能够有效操纵的变量。
- 如果您的主要关注点是物料处理量： 使用流量控制调节主要进料或工艺流股的流量，并建立装置的操作物料衡算。
- 如果您的主要关注点是容器安全运行： 使用压力控制，使容器或设备压力保持在要求的操作范围内。
- 如果您的主要关注点是相态存量： 使用液位控制，维持储罐、塔底、分离器或冷凝液罐中的存量。
- 如果您的主要关注点是传热性能： 使用温度控制调节蒸汽、冷却水或换热器旁路。
- 如果您的主要关注点是产品纯度： 根据分析仪测量结果，使用组成控制调节进料、回流或其他过程输入。
- 如果您的主要关注点是稳定的多变量运行： 评估回路之间的相互作用，并选择能够降低一个操纵变量对其他被控变量影响的控制器配对方式。
了解五种主要回路类型，是设计稳定、安全且实验结果可重复的中试装置的基础。
汇总表：
| 控制回路 | 被控变量 | 典型操纵变量 | 主要目的 |
|---|---|---|---|
| 流量 | 流体流量 | 控制阀或变速泵 | 维持处理量和物料衡算 |
| 压力 | 容器或过程压力 | 出口阀、放空阀或气体处理阀 | 支持安全运行和相态行为 |
| 液位 | 液体高度或存量 | 进料阀或排出阀 | 维持容器和分离器存量 |
| 温度 | 流股或容器温度 | 蒸汽、冷却水或旁路流量 | 调节传热性能 |
| 组成 | 浓度或纯度 | 进料、回流或溶剂流量 | 维持产品质量 |
| 串级与相互作用控制 | 相关过程变量 | 辅助控制回路和协调执行器 | 改善多变量稳定性和响应 |
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