控制系統儀器控制系統儀器

程 序 控 制控 制 系 統 儀 器

Exercise - 1• 某 溫 度 傳 送 器 Zero 設 定 為 100 o C,Span 設 定 為200 o C– 量 測釱 250 o C 之 液 體 , 則 指 示岴 器 上 為 多峿 少 ?– 若 指 示岴 器 顯 示岴 10%, 則 實 際 溫 度 為 多峿 少 ?• 某 溫 度 傳 送 器 50 o C 時 顯 示岴 25%,100 o C 時 顯 示岴50%– Zero? Span?

最鄦 後 控 制 機 構 : 控 制 閥

控 制 閥• 控 制 閥 依 使 閥 桿 升 降 之 方尣 式 分 為 :– 氣 動 閥 與 電 動 閥 ( 電 磁 閥 )• 化 工 廠 所 使 用岦 之 控 制 閥 大 都 是 氣 動 閥 , 藉 著 調 節 閥 引尙動 器 氣 室 內 之 空 氣 壓 力 大 小 以层 達 到 使 閥 桿 上 升 或 下 降之 目岰 的• 選 氣 動 閥 的 原 因峴– 控 制 流 量 改 變 , 性 能 良 好崅 ;– 安崎 全峖 可屣 靠 ;– 適 應 不 同峧 操 作 情 況 ;– 價 格 適 當 ;– 安崎 裝 儀 器 使 用岦 空 氣 系 統 不 難 。

控 制 閥 構 造 ( 氣 動 閥 )控 制 閥 受 控 制 器 輸 出屒 訊 號 ,改 變 操 作 變 數 的 流 量 ,用岦 以层 調 整 程 序 變 數 。閥 引尙 動 器閥 主尾 體

球 狀 閥 (Globe Control Valve)(by Fisher-Rosemount)

控 制 閥 作 動 方尣 式 (FO/FC 閥 )• 依 安崎 全峖 性 可屣 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)FOFC

閥 與 控 制 器 正岗 作 用岦 / 反 作 用岦 之 配 合峯• 當 無 空 氣 時 ,閥 應 開 。 否 則加展 熱 爐 管 內 液料 , 輕 則 結 碳堵 塞 , 重 則 爆破 燃 燒• 控 制 器 : 正岗 作 用岦 控 制 器 之 正岗 作 用岦 / 反 作 用岦正岗 作 用岦 : 被 控 制 變 數 增 加展 時 ,控 制 器 輸 出屒 ( 空 氣 壓 力 ) 增 加展 ;反 作 用岦 : 被 控 制 變 數 增 加展 時 ,控 制 器 輸 出屒 ( 空 氣 壓 力 ) 減釥 小 。• 當 無 空 氣 時 ,閥 應 關 。 否 則燃 料 大 量 流 入爐 膛 內 , 會 引尙起 急 烈 燃 燒• 控 制 器 : 反 作 用岦

Exercise - 2• Case 1– 環 保 處 理 設 備鄠 最鄦 後 一個 處 理 單酀 元 , 液 體 沒處 理 好崅 不 可屣 排 放• Case 2– 反 應 之 中 間 處 理 單酀元 , 液 體 有 腐 蝕 性 不可屣 滿 溢 , 下 游釜 另屮 有 儲存崊 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 :m = C ⋅ f ( x)⋅v∆PvSG• 若 控 制 閥 兩 端 壓 差 固 定 , 則 控 制 閥 全峖 開 的 流 量 M 為 :M= C ⋅vCv: 常 數∆Pv: 閥 兩 端 壓 差x : 閥 開 度 (0 ≤ x ≤1 ) S : 流 體 比 重⎧ f (0) = 0f ( x) : 閥 開 度 函 數 ⎨⎩ f (1) = 1∆PvS• 控 制 閥 之 固 有 特 性 曲 線 (Inherent Characteristic Curve)G– 保 持 控 制 閥 兩 端 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f ( x)=mMG

控 制 閥 之 固 有 特 性 曲 線• 閥 稍 開 啟 , 流 量 急 速 增 加展 ,閥 再峘 開 啟 , 流 量 改 變 將 減釥小 , 故 稱 速 啟 閥 (QuickOpen Valve)• 適 用岦 於 安崎 全峖 警 戒 系 統 做 全峖 開或 全峖 關 時 使 用岦閥 開 啟 與 流 量 成 線 性 關 係 ,故 稱 線 性 閥 (Linear Valve)流 量 百 分 比尬f(x)f ( x)=f ( x)x=x• 閥 開 啟 對 流 量 的 改 變 之 關係 , 對 於 原 流 量 之 比尬 相 等 ,故 稱 等 百 分 比尬 閥 (EqualPercentage Valve)• 適 用岦 於 程 序 增 益 會 隨 著 程 序變 數 遞 增 而 減釥 小 的 系 統f ( x)閥 開 度 x=x 1R −

控 制 閥 之 安崎 裝 特 性 曲 線• 在峹 實 際 應 用岦 之 場酏 合峯 , 控 制 閥 兩 端 的 壓 差 並 非 定 值 , 故相 同峧 的 控 制 閥 用岦 在峹 不 同峧 之 系 統 其 閥 開 度 與 流 量 之 關 係亦岿 不 相 同峧• 一 般 稱 控 制 閥 實 際 應 用岦 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 安崎 裝 特 性 曲 線(installed characteristic curve)ΔPt = ΔPs + ΔPv當 系 統 流 量 越 大 , 離 心尚 幫 浦 能 提醚 供 之 揚醤 程 (H), 即 壓 差 越 小 ,但 系 統 所 需 消 耗 之 揚醤 程 反 而 增 加展 控 制 閥 兩 端 之 壓 差 變 小

控 制 閥 之 安崎 裝 特 性 曲 線• 控 制 閥 調 節 系 統 流 量 能 力 之 指 標 : 控 制 閥 全峖 開 時 和 閥開 度 等 於 0.05 ( 或 0.1) 時 之 流 量 大 小 的 比尬 值RangeabilityM= ( 比尬 值 越 大 代屈 表 調 節 流 量 能 力 越 大 )mx = 0.05• 定 義 控 制 閥 壓 降 因峴 數β∆Pvoβ = =∆Pt閥 全 開 時 控 制 閥 壓 力 降系 統 總 壓 力 降– 亦岿 可屣 作 為 控 制 閥 對 系 統 流 量 大 小 調 節 能 力 之 指 標

控 制 閥 之 安崎 裝 特 性 曲 線• 假 設 系 統 總 壓 力 降 ΔPt 為 定 值 , 則 不 同峧安崎 裝 特 性 曲 線 如崇 下 圖線 性 閥等 百 分 比尬 閥β 值 之 控 制 閥當 β=1 時 , 閥 開 度 與 流 量比尬 為 線 性 關 係 。 當 β

控 制 閥 Cv 值 之 選 擇• 一 般 控 制 閥 廠 商 , 會 為 相 同峧 之 控 制 閥 提醚 供 雖 然 大 小 相 同峧但 卻 開 不 同峧 大 小 提醚 供 流 體 流 過 之 開 口 之 閥 座 , 並 有 大 小不 同峧 閥 塞 與 之 配 合峯 。– 使 用岦 開 口 較 大 閥 座 , 在峹 相 同峧 之 壓 降 下 會 有 較 大 流 量• C V 值 可屣 由岩 下 式 計 算 :CV=M∆ PvoM: 最鄦 大 流 量SGΔPvo: 最鄦 大 流 量 時 控 制 閥 二 端 壓 降S G: 流 體 比尬 重– 所 選 的 控 制 閥 C V 只屯 要 大 於 或 等 於 其 計 算 結 果 即 可屣 。– 如崇 選 擇 的 C V 遠 大 於 計 算 結 果 , 則 真 實 系 統 之 β 將 比尬 設計 之 β 小 , 控 制 閥 調 節 流 量 之 能 力 會 變 小 。– 若 選 擇 的 C V 小 於 計 算 值 , 則 控 制 閥 全峖 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 用岦 。

Exercise - 3• 某 控 制 系 統 已 知 裝 置 設 計 最鄦 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 全峖 開 時 控制 閥 兩 端 壓 降 佔 系 統 總 壓 降 之 30%。 已 知 系 統 管 件峋 在峹125gpm 流 量 時 之 總 壓 降 ( 不 含 控 制 閥 ) 為 39psi, 流 體 比尬重 為 0.83, 則 控 制 閥 所 需 C V 為 何 ?∆Pvoβ = = 0.3 ∵∆Ps = 39 psi ∴∆ Pvo = 16.71 psi∆ Pvo + ∆PsM 125CV= = = 27.86∆Pvo16.71S 0.83G

控 制 閥 滯 後 現 象• 控 制 閥 桿 上 下 移 動 , 由岩 於 閥 桿 與 閥 體 移 動 的 阻 力 關 係 , 故 當 需增 加展 壓 力 使 閥 桿 移 動 時 所 需 之 壓 力 信 號 比尬 正岗 常 值 大 , 當 需 減釥 少壓 力 使 閥 桿 移 動 時 所 需 之 壓 力 信 號 比尬 正岗 常 值 小 , 因峴 此 在峹 同峧 一 空氣 壓 力 下 , 閥 桿 位 置 可屣 能 不 同峧 , 稱 為 滯 後 現 象 。( 控 制 閥 尺尓 寸 越大 越 嚴 重 )• 以层 ATO 閥 為 例( 閥 關 )曲 線 C 為 沒 有 滯 後 現 象 之 狀 況( 閥 開 )– 控 制 閥 定 位 器 (Valve Positioner) 功屖 用岦就酧 是 要 消 除 滯 後 現 象

控 制 閥 Deadband• 無 法 造 成 通 過 閥 之 流 量 發 生岥 改 變 的 最鄦大 儀 表 空 氣 壓 力 變 化Stem PositionAir PressureTime• 控 制 閥 定 位 器– 藉 由岩 調 節 儀 表 空 氣 壓 力 大 小 使 閥 桿 位置 維 持 在峹 指 定 位 置– 有 效 地峸 減釥 少 閥 的 遲 滯 現 象• 無 定 位 器 - deadband 10-25%• 有 定 位 器 - deadband 0.1-0.5%(by Fisher-Rosemount)

最鄦 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 失屺 調 作 用岦 : FO 或 FC 閥 ?控 制 該 控 制 閥 的 控 制 器 是 正岗 作 用岦 或 反 作 用岦 ?• 選 擇 控 制 閥 形 態 : 線 性 或 等 百 分 比尬 ?• 是 否 需 要 定 位 器 ?• 控 制 閥 使 用岦 的 材 料3. 控 制 閥 壓 降 因峴 數 β4. 控 制 閥 C v 值 ( 控 制 閥 大 小 )

程 序 流 量• 程 序 設 計 時 正岗 常 操 作 之 流 量 :m• 程 序 操 作 流 經 控 制 閥 之 最鄦 大 流 量 :M一 般 狀 況 :M ≈ 2m– 一 般 程 序 設 計 時 之 最鄦 大 流 量 , 常 為 正岗 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 之最鄦 大 流 量 , 常 為 最鄦 大 設 計 流 量 之 1.4 倍 , 故M = 1.41.4 m ≈ 2m