程序控制

控制系統儀器程序控制程序控制

控制系統儀器控制系統儀器

訊號量測/傳送器• 傳送器(transmitter)將量測器(sensor)之輸出轉換成適合當成控制器輸入之訊號

(例如：4~20mA)

• 通用的傳送器都有一可量測之上下限值– 當量測值小於或等於下限時，顯示0％

•零位(Zero)是指可量測之下限

– 當量測值大於或等於上限時，顯示100％

• 跨距(Span)為上下限之差– 跨距不可調太大，因為量測誤差值與跨距成正比

• 常見之誤差值為0.5％

– 跨距100oC -> 誤差值 0.5oC

– 跨距400oC -> 誤差值 2oC

訊號量測/傳送器

Input Output

50oC 4mA

150oC 20mA

( ) ( )

( )

20 mA 4 mAmA 50 C 4 mA

150 C 50 C

mA0.16 C 4 mA

C

mT T

T

−= − + −

= −

�

� �

�

�

o

Range of Instrument Output

Range of Instrument Intput

mA0.16

C

mK =

=

正向作用正向作用正向作用正向作用Direct Action

Exercise - 1

• 某溫度傳送器Zero設定為100oC，Span設定為200oC

– 量測250oC之液體，則指示器上為多少？

– 若指示器顯示10％，則實際溫度為多少？

• 某溫度傳送器50oC時顯示25％，100oC時顯示50％

– Zero？ Span？

最後控制機構：控制閥

控制閥• 控制閥依使閥桿升降之方式分為：

– 氣動閥與電動閥(電磁閥)

• 化工廠所使用之控制閥大都是氣動閥，藉著調節閥引動器氣室內之空氣壓力大小以達到使閥桿上升或下降之目的

• 選氣動閥的原因– 控制流量改變，性能良好；

– 安全可靠；

– 適應不同操作情況；

– 價格適當；

– 安裝儀器使用空氣系統不難。

控制閥構造 (氣動閥)

控制閥受控制器輸出訊號，改變操作變數的流量，用以調整程序變數。

閥主體閥主體閥主體閥主體

閥引動器閥引動器閥引動器閥引動器

球狀閥球狀閥球狀閥球狀閥(Globe Control Valve)

(by Fisher-Rosemount)

控制閥作動方式(FO/FC 閥)

• 依安全性可分：

– 無空氣閥開(Failure Open, FO) or 空氣作動閥關(Air to Close, ATC)

– 無空氣閥關(Failure Close, FC) or 空氣作動閥開(Air to Open, ATO)

FO FC

閥與控制器正作用/反作用之配合

•當無空氣時當無空氣時當無空氣時當無空氣時，，，，閥應開閥應開閥應開閥應開。。。。否則否則否則否則加熱爐管內液加熱爐管內液加熱爐管內液加熱爐管內液料料料料，，，，輕則結碳輕則結碳輕則結碳輕則結碳堵塞堵塞堵塞堵塞，，，，重則爆重則爆重則爆重則爆破燃燒破燃燒破燃燒破燃燒

•控制器控制器控制器控制器:正作用正作用正作用正作用

•當無空氣時當無空氣時當無空氣時當無空氣時，，，，閥應關閥應關閥應關閥應關。。。。否則否則否則否則燃料大量流入燃料大量流入燃料大量流入燃料大量流入爐膛內爐膛內爐膛內爐膛內，，，，會引會引會引會引起急烈燃燒起急烈燃燒起急烈燃燒起急烈燃燒

•控制器控制器控制器控制器:反作用反作用反作用反作用

� 控制器之正作用控制器之正作用控制器之正作用控制器之正作用/反作用反作用反作用反作用正作用正作用正作用正作用：：：：被控制變數增加時被控制變數增加時被控制變數增加時被控制變數增加時，，，，控制器輸出控制器輸出控制器輸出控制器輸出(空氣壓力空氣壓力空氣壓力空氣壓力)增加增加增加增加；；；；反作用反作用反作用反作用：：：：被控制變數增加時被控制變數增加時被控制變數增加時被控制變數增加時，，，，控制器輸出控制器輸出控制器輸出控制器輸出(空氣壓力空氣壓力空氣壓力空氣壓力)減小減小減小減小。。。。

Exercise - 2

• Case 1

– 環保處理設備最後一個處理單元，液體沒處理好不可排放

• Case 2

– 反應之中間處理單元，液體有腐蝕性不可滿溢，下游另有儲存設施

通過控制閥之流量• 當流體為液體時，則通過控制閥的流量 m 為：

• 若控制閥兩端壓差固定，則控制閥全開的流量 M 為：

• 控制閥之固有特性曲線(Inherent Characteristic Curve)

– 保持控制閥兩端壓差不變壓差不變壓差不變壓差不變之情況下，通過控制閥之流量隨閥開度變化之關係曲線

vG

PvM C

S

∆= ⋅

: :

: 1 :

(0) 0( ) :

(1) 1

v

G

C Pv

x x S

ff x

f

∆≤ ≤

= =

常數 閥兩端壓差

閥開度(0 ) 流體比重

閥開度函數

( )m

f xM

=

( )vG

Pvm C f x

S

∆= ⋅ ⋅

控制閥之固有特性曲線

( )f x x=•閥稍開啟，流量急速增加，閥再開啟，流量改變將減小，故稱速啟閥(Quick Open Valve)

•適用於安全警戒系統做全開或全關時使用

( )f x x=

1( ) xf x R −=•閥開啟對流量的改變之關係，對於原流量之比相等，故稱等百分比閥(Equal Percentage Valve)

•適用於程序增益會隨著程序變數遞增而減小的系統

閥開度閥開度閥開度閥開度 x

f(x)

閥開啟與流量成線性關係，故稱線性閥(Linear Valve)

流量百分比流量百分比流量百分比流量百分比

控制閥之安裝特性曲線• 在實際應用之場合，控制閥兩端的壓差並非定值，故相同的控制閥用在不同之系統其閥開度與流量之關係亦不相同

• 一般稱控制閥實際應用於控制系統時，系統流量隨控制閥閥開度變化之關係曲線為控制閥之安裝特性曲線(installed characteristic curve)

當系統流量越大當系統流量越大當系統流量越大當系統流量越大，，，，離心幫浦能提供之揚程離心幫浦能提供之揚程離心幫浦能提供之揚程離心幫浦能提供之揚程((((H))))，，，，即壓差越小即壓差越小即壓差越小即壓差越小，，，，但系統所需消耗之揚程反而增加但系統所需消耗之揚程反而增加但系統所需消耗之揚程反而增加但系統所需消耗之揚程反而增加 ���� 控制閥兩端之壓差變小控制閥兩端之壓差變小控制閥兩端之壓差變小控制閥兩端之壓差變小

ΔΔΔΔPt = ΔΔΔΔPs + ΔΔΔΔPv

控制閥之安裝特性曲線• 控制閥調節系統流量能力之指標：控制閥全開時和閥開度等於 0.05 (或0.1)時之流量大小的比值

• 定義控制閥壓降因數

– 亦可作為控制閥對系統流量大小調節能力之指標

0.05

Rangeabilityx

M

m=

= (比值越大代表調節流量能力越大)

Pvo

Ptβ ∆= =

∆閥全開時控制閥壓力降

系統總壓力降

β

控制閥之安裝特性曲線• 假設系統總壓力降ΔPt 為定值，則不同 值之控制閥安裝特性曲線如下圖

線性閥線性閥線性閥線性閥

β

等百分比閥等百分比閥等百分比閥等百分比閥

當β=1時，閥開度與流量比為線性關係。當β<1時，其曲線與速啟閥特性相似，閥稍開啟，幾達最大流量值，控制閥將失去其控制流量的能力。�β應避免過小

當閥開度為0時，控制閥仍有流量。等百分比閥在處理較小β值時，仍有較優之控制能力。

((((經濟上考量經濟上考量經濟上考量經濟上考量：：：：建議之建議之建議之建議之ββββ值在值在值在值在 0.2~0.3 之間之間之間之間))))

控制閥Cv值之選擇• 一般控制閥廠商，會為相同之控制閥提供雖然大小相同但卻開不同大小提供流體流過之開口之閥座，並有大小不同閥塞與之配合。– 使用開口較大閥座，在相同之壓降下會有較大流量

• CV值可由下式計算：

– 所選的控制閥CV只要大於或等於其計算結果即可。

– 如選擇的CV遠大於計算結果，則真實系統之β將比設計之β小，控制閥調節流量之能力會變小。

– 若選擇的CV小於計算值，則控制閥全開時之流量將小於設計值，當系統需大流量時，將無足夠流量使用。

V

G

MC

PvoS

=∆

M：最大流量ΔPvo：最大流量時控制閥二端壓降SG：流體比重

Exercise - 3

• 某控制系統已知裝置設計最大流量要求為125gpm，為顧及控制閥調節流量之能力，系統要求閥全開時控制閥兩端壓降佔系統總壓降之30％。已知系統管件在125gpm流量時之總壓降(不含控制閥)為39psi，流體比重為0.83，則控制閥所需CV為何？

0.3 39 psi 16.71 psi

12527.86

16.710.83

V

G

PvoPs Pvo

Pvo PsM

CPvo

S

β ∆= = ∆ = ∴∆ =∆ + ∆

= = =∆

∵

控制閥滯後現象• 控制閥桿上下移動，由於閥桿與閥體移動的阻力關係，故當需增加壓力使閥桿移動時所需之壓力信號比正常值大，當需減少壓力使閥桿移動時所需之壓力信號比正常值小，因此在同一空氣壓力下，閥桿位置可能不同，稱為滯後現象。(控制閥尺寸越大越嚴重)

• 以ATO閥為例

– 控制閥定位器 (Valve Positioner) 功用

就是要消除滯後現象

(閥開)

(閥關)曲線C為沒有滯後現象之狀況

控制閥控制閥控制閥控制閥 Deadband•無法造成通過閥之流量發生改變的最大儀表空氣壓力變化

• 控制閥定位器– 藉由調節儀表空氣壓力大小使閥桿位置維持在指定位置

– 有效地減少閥的遲滯現象

• 無定位器 - deadband 10-25%

• 有定位器 - deadband 0.1-0.5%

Time

Stem Position

Air Pressure

(by Fisher-Rosemount)

最適控制閥的選擇考量

1. 程序流量

2. 控制閥特性

• 控制閥空氣失調作用： FO 或 FC 閥？

控制該控制閥的控制器是正作用或反作用？

• 選擇控制閥形態：線性或等百分比？

• 是否需要定位器？

• 控制閥使用的材料

3. 控制閥壓降因數β

4. 控制閥Cv值(控制閥大小)

程序流量

• 程序設計時正常操作之流量：m

• 程序操作流經控制閥之最大流量：M

一般狀況： M ≈ 2m

– 一般程序設計時之最大流量，常為正常流量之1.4

倍，為了控制閥能適應較大彈性，故經過控制閥之最大流量，常為最大設計流量之1.4倍，故

M = 1.4����1.4 m ≈ 2m