控制的选择与选型

本教程将重点介绍可用的自动控制选择（如自力式、气动或电动），以及在选型前必须做出的决定。根据安全性、稳定性和准确性这三个最重要的考虑因素提供指导。

本模块将重点介绍可用的自动控制选择以及在选型前必须做出的决定。这里提供的是指导而非一套规则，因为实际决定将取决于各种因素；其中一些因素（如成本、个人偏好和当前趋势）无法在此涵盖。

应用

回顾模块 5.1 开头讨论的三个基本参数非常重要：安全性、稳定性和准确性。 为了选择正确的控制阀，需要应用和工艺本身的详细信息。例如：

• 是否涉及任何安全功能？例如，在断电情况下，阀门应该失效开启还是失效关闭？是否需要单独的高低限位控制？
• 要控制什么属性？例如，温度、压力、液位、流量？
• 介质是什么及其物理属性。流量是多少？
• 控制阀在负荷范围内的压差是多少？
• 阀门材料和连接方式是什么？
• 被控制的过程是什么类型？例如，用于加热或工艺目的的换热器？
• 对于温度控制，设定点温度是固定的还是可变的？
• 负荷是稳定的还是可变的，如果是可变的，变化的时间尺度是快速还是缓慢？
• 需要维持的温度有多关键？
• 需要单回路还是多回路控制？
• 控制还有哪些其他功能（如果有的话）？例如，供暖系统的正常温度控制，但在”关闭”期间增加防冻保护？
• 工厂或工艺是否在危险区域？
• 大气或环境是否具有腐蚀性，或者阀门是否安装在外部或”脏”的区域？
• 有哪些可用的动力源，如电力或压缩空气，以及电压和压力是多少？

动力源

这是驱动控制并推动阀门或其他被控装置的能源。这通常是电力，或者对于气动系统是压缩空气，或者对于电气-气动系统是两者的混合。自力式控制系统不需要外部形式的动力来操作；它们通过密闭的液压或蒸汽压力系统自行产生动力。 在某种程度上，应用本身的细节可能决定了控制动力的选择。例如，如果控制在危险区域，气动或自力式控制可能比昂贵的本质安全型或防爆型电动/电子控制更可取。 以下特性作为各种动力源选项的一般性评述列出：

自力式控制

优点：

• 坚固、简单、对”不友好”环境有较强的容忍性。
• 安装和调试简便。
• 提供具有很高可调比的比例控制。
• 可以获得在温度不可接受超限时失效开启或失效关闭的控制器。
• 在危险区域安全可靠。
• 维护需求相对较低。 缺点：
• 自力式温度控制器反应可能相对较慢，且无法提供积分和微分控制功能。
• 无法重新传输数据。

气动控制

优点：

• 坚固耐用。
• 操作速度非常快，使其适合过程变量快速变化的工艺。
• 执行器可以提供高关闭或开启力来操作高压差下的阀门。
• 使用阀门定位器可确保精确、可重复的控制。
• 纯气动控制本质上是安全的，执行器提供平稳运行。
• 可以安排提供失效开启或失效关闭操作，无需额外成本或困难。 缺点：
• 如果没有现成的供应，必要的压缩空气系统安装可能昂贵。
• 可能需要对压缩空气系统进行定期维护。
• 基本控制模式是开/关或比例，虽然可以提供 P+I 和 P+I+D 的组合，但通常比等效的电子控制系统成本更高。
• 安装和调试简单，属于机械性质。

电动控制

优点：

• 高精度定位。
• 控制器可提供高度多功能性，包括开关或 P+I+D 组合控制模式，以及多功能输出。 缺点：
• 电动阀门运行相对较慢，意味着它们并不总是适合快速变化的过程参数，如负荷快速变化时的压力控制。
• 安装和调试涉及电气和机械两个工种，必须考虑接线和独立电源安装的成本。
• 电动执行器往往不如气动执行器平稳。弹簧复位执行器用于失效开启或失效关闭功能：这可能大大降低可用的关闭力，且通常成本更高。
• 在危险区域需要使用本质安全型或防爆型电动控制；这些是昂贵的选择，因此可能需要使用气动或电气-气动解决方案，如下所述。这些类型的危险区域需要特殊的安装技术。

电气-气动控制

优点：

• 电气-气动控制可以结合电子和气动控制的最佳特性。此类系统可由气动执行的阀门、电动/电子控制器、传感器和控制系统，以及电气-气动定位器或转换器组成。 该组合提供了气动执行器/阀门的力和平稳运行，以及电子控制系统的速度和精度。可以提供失效开启或失效关闭操作而无成本惩罚，并且通过使用合适的屏障和/或将控制系统的电动/电子部分限制在”安全”（非危险）区域，可以在需要本质安全的地方使用。 缺点：
• 需要电力和压缩空气供应，尽管这在工业加工环境中通常不是问题。 在考虑应用和所需动力源时，有三个重要因素需要考虑：
• 负荷变化。
• 设定值是关键的还是非关键的。
• 设定值是否需要改变 图 5.4.1 和 5.4.2 中的图表有助于解释。

应安装什么类型的控制？

不同的应用可能需要不同类型的控制系统。如果负荷变化相当缓慢且可以接受偏移量，则可以使用自力式和气动控制，否则应使用电气-气动或电动控制。图 5.4.3 显示了一些不同的应用以及关于哪种控制方法可接受的建议。

阀门和执行器的类型

执行器类型由所选的动力源决定：自力式、电动、气动或电气-气动，以及所需的控制精度和执行器速度。 就阀门选择而言，以蒸汽为流动介质时，选择仅限于两通阀。然而，如果介质是水或其他液体，则可以选择两通阀或三通阀。它们对管道系统动力学的基本影响已经讨论过。 水应用通常决定使用三通阀来混合或分流液体流量。如果两通阀带来的系统压力变化是可以接受的，那么与三通阀相比，其优点包括成本更低、更简单和安装更便宜。选择两通阀还可以利用固有的系统压力变化来启动顺序泵，或根据负荷需求降低或增加变速泵的泵送速率。 在选择实际阀门时，必须考虑前面讨论的所有因素，包括：阀体材料、阀体压力/温度限制、所需连接方式和使用正确的选型方法。还需要确保所选的阀门/执行器组合能够在所有负荷状态下对抗所经历的压差运行。（蒸汽系统中的压差通常被认为是最大上游蒸汽绝对压力。这考虑了阀门下游侧可能出现的低于大气压的蒸汽的可能性。）

控制器

安全性始终至关重要。在断电情况下，阀门应该在开启还是关闭位置失效安全？ 控制是正作用的（控制器输出信号随测量变量增加而上升）还是反作用的（控制器输出信号随测量变量增加而下降）？ 如果应用只需要开/关控制，可能根本不需要控制器。两位执行器可以通过继电器或恒温器等开关装置操作。当应用需要多功能性时，需要电子控制器的多功能能力；可能需要温度和时间控制、多回路、多输入/输出。 确定需要控制器后，有必要确定需要哪种控制作用，例如开/关、P、P I 或 P I D。 所作的选择取决于过程的动力学和前面考虑的响应类型，加上所需的控制精度。 在进一步讨论之前，定义什么是”好的控制”是有用的。对于这个问题没有简单的答案。考虑图 5.4.4 中所示的负荷变化的不同响应。

自力式控制通常适用于”二次侧”热容量与”一次侧”容量相比非常大的应用。

考虑图 5.4.5 中所示的热水储水式换热器，其中大量储存的水由蒸汽盘管加热。

当容器中的水是冷的时，阀门将全开，允许蒸汽进入盘管，直到储存的水被加热到所需温度。当热水从容器中取出时，进入容器替代的冷水将降低容器中的水温。自力式控制具有相对较大的比例带，温度一下降，阀门就开始打开。水越冷，蒸汽阀开度越大。

图 5.4.6 显示了一个非蓄热式板式换热器，一次侧和二次侧的蓄热容量都很小，反应时间快。如果负荷快速变化，自力式控制系统可能无法成功运行。更好的解决方案是使用能够快速响应负荷变化并同时提供精度的控制系统。