化工过程控制及仪表

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1、化 工 过 程 控 制 及 仪 表,Chemical Process Control and Instrumentation,课 程 设 置 概 况,学分：3 学时：48 考核方式：平时成绩(10%)+期中考试成绩 (20%) +期末考试成绩(闭卷、70%) 平时成绩包括：课堂提问+平时练习,绪 论,1.化工仪表:,包括:测量仪表(温度、压力、流量、物位）、显示仪表、控制仪表和控制阀。,2.化工自动化: 石油、化工等化工类型生产过程自动化的简称。 在化工设备上配备自动化装置，代替操作人员的部分劳动，使生产不同程度的自动进行。,绪 论,郭台铭：机器人会帮助而不是替代人的工作,化工生产一线,化工生

2、产一线,化工生产一线,现代化工控制装置,模拟显示控制仪表,现代化工控制装置,数字显示控制仪表,现代化工控制装置,DCS控制系统,DCS控制系统的控制室部分,温度测量仪表,DCS系统控制的部分现场设备,智能一体化孔板流量计,DCS系统控制的部分现场设备,自动控制（调节）阀门（执行机构）,DCS系统控制的部分现场设备,实现化工生产自动化的目的：,1.减轻劳动强度，改善劳动条件。 2.加快生产速度，降低成本。 3.提高产品的产量和质量。 4.保证生产安全，防止事故的发生和扩大。 5.也是目前化工大规模连续生产的需要。,化工自动化的发展现状与趋势,1975年后，随着从美、日、法引进以DDZ-III型系

3、列表为主，一批大中型乙烯装置和化工装置实现全流程集中控制，我国化工自动化进入发展期。 1981年吉化公司化肥厂在氨合成生产过程中率先采用DCS系统监控合成塔温度等，这是我国工业部门首次使用分散控制系统（DCS）控制生产过程。,80年代末90年代初，管控一体的自动化试点。 90年代初现在，计算机技术用于化工生产过程控制有了较快的发展，DCS、IPC、PLC已获得广泛应用，尤其是DCS管理控制一体化等方面做了大量工作，使我国化工特别是大型化工装置的自动化技术有了长足的进步。,化工自动化的发展现状与趋势,化工自动化的发展现状与趋势,国家863工程使化工自动化由单体控制系统在向总体控制系统发展，由彼此

4、独立的子系统在向多元沟通的网络化系统发展，由追求单向指标、单个控制系统的品质优化在向追求整体效益、实现大规模生产的安全、优质低耗的综合最优指标发展。,化工仪表及自动化系统的分类,化工自动化仪表的分类,检测仪表：包括参数的测量和变送,显示仪表：包括模拟量显示和数字量显示,控制仪表：包括气动。电动控制器、数字式控制器,执行器：气动、电动、液动执行器,1.自动检测系统 2.自动信号和联锁保护系统 3.自动操纵和自动开停车系统 4.自动控制系统,化工仪表及自动化系统的分类,利用上述各种仪表可以组成四类自动化控制系统 包括：,1.自动检测系统,定义：利用各种检测仪表对工艺参数进行测量、指示和记录。 目的

5、：对工艺参数进行监控，了解生产进行状况。 自动检测是其他自动化技术实现的保证和基础。,换热器自动检测系统示意图,2.自动信号和联锁保护系统,自动信号：参数超出变化范围时，声光报警信号，使操作人员注意，以提示及时采取措施。 联锁保护：当工况达危险状态时，由联锁系统自动采取紧急措施，（打开安全阀、切断某些通路或紧急停车）以防止事故的发生和扩大。 目的：防止事故发生和扩大的措施。 方法：警铃、警灯报警。自动采取措施。,反应釜自动信号和联锁保护系统示意图,控制室报警显示,3.自动操纵及自动开停车系统,自动操纵：根据预先规定的步骤对生产设备进行周期性的操作。 自动开停车：按照预先规定好的步骤，自动进行开

6、车和停车操作。 按照预先设定的程序对生产进行操作。,自动操纵,程序,自动操纵及自动开停车系统,4.自动控制系统,自动控制：根据工艺参数的变化情况自动对工艺参数进行控制，保证生产的平稳进行。 对生产中某些关键性参数进行自动控制，使它们在受到干扰的影响而偏离正常状态时，能自动地调回到规定的的数值范围内。 能够克服各种干扰对工艺参数的影响，保证生产维持在正常或最佳的工艺操作状态。 它是化工自动化的核心内容。,自动控制系统示意图,1.测量变送器，了解生产操作的状态，并将测量信号传输出来,2.自动控制器，将测量值与给定值进行比较，并按某种规律运算输出控制信号,3.执行器，按照控制信号的大小，自动控制阀的

7、开度，使参数回复,4.对象，需要控制其工艺参数的生产设备,自动控制系统,自动检测系统只能了解生产状态，自动信号和联锁 保护系统是在生产达到安全线时防止事故发生和扩大的 措施。自动操纵和自动开停车系统是根据已有的经验设 定工作步骤和时间，其间其他干扰引起的参数变化情况 并未考虑，而只有自动控制系统时时根据参数的变化控 制使生产得以平稳进行，所以，它是化工自动化的核心。 在这四项内容中，自动检测是前提和基础，自动控 制是核心，其他两项是化工自动化补充和完善。,四类自动化控制系统的区别,化 工 过 程 控 制 及 仪 表,Chemical Process Control and Instrument

8、ation,第一章 自动控制系统基本概念,第一节 化工自动化的主要内容,主要内容,一、自动检测,利用各种检测仪表对主要工艺参数进行测量，以了解,生产过程进行的情况，监视生产过程的变化趋势。,换 热 器 自 动 检 测 系 统 示 意 图,一、自动检测,利用各种检测仪表对主要工艺参数进行测量，以了解,生产过程进行的情况，监视生产过程的变化趋势。,二、自动保护,在发生意外时自动采取保护措施，以防止事态进一步,扩大或保护生产设备使之不受严重破坏。,三、自动操作,根据预先拟定的程序和条件，自动地对设备进行一系,列操作。,四、自动控制,自动维持生产过程在规定的工况下进行。,第二节 自动控制系统的组成,一

9、、人工控制,需做三方面的工作：,1、观察 2、思考 3、操作,二、自动控制,借助一套自动化装置来实现，装置由三部分组成：,1、测量元件与变送器,2、自动控制器,3、执行器,液位人工控制,与自动控制示意图,1、被控对象 2、自动化装置 自动化装置常用小圆圈表示，圈内标有字 母、线段和阿拉伯数字。必要时，也可以 用象形或图形符号表示。,自动控制系统由两部分组成：,通常将需要控制其工艺参数的生产设备称为,被控对象，简称对象。,PIC,207,被测变量名称,仪表的功能,安装位置段号,序号,TT,TC,A,冷液,热液,换 热 器 温 度 控 制 系 统,自动控制系统方块图,信号和变量,系统或环节,u,y

10、,输入变量u,输出变量y,状态变量,信号,自动控制系统方块图,方块图的作用： 在研究自动控制系统时，将各环节的方块根据信 号流的关系排列和连接起来，组成自动控制系统的方 块图。,环节1,u,y,环节2,y,U, y: 信号： 环节：相应的设备或是控制器 箭头：信号输送的方向,液位自动控制如何实现？,自动控制系统方块图,反馈 闭环系统,每一方块代表一个元件或一个过程在具体输入信号作用下,与输出信号的关系，称为环节。,方块图中， x 指设定值；z 指输出信号；e 指偏差信号；p 指发出信号；q 指出料流量信号；y 指被控变量；f 指扰动作用。当x 取正值，z取负值，e= x- z，负反馈；x 取正

11、值，z取正值， e= x+ z，正反馈。,液位自动控制的方块图,7,正负反馈的区别,扰动f,y,z,正反馈e=x+z,p,q,y,负反馈e=x-z,p,q,y,正反馈：反馈信号与原信号方向相同； 负反馈：反馈信号与原信号方向相反；,自动控制系统不能单独采用正反馈；,前馈 开环系统,自动控制系统的基本组成及方块图,小结 自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。 与自动检测、自动操纵等开环系统比较，最本质的区别，就在于自动控制系统有负反馈，开环系统中，被控（工艺）变量是不反馈到输入端的。,10,开环系统实例,“声控门”,声音输入,声音传感器,电动机,门,输出量,X,没有反馈,电热水壶，热得快是

12、开环系统还是闭环系统？,自动控制系统的基本组成及方块图,小结,11,一、定值控制系统 被控变量的设定值是恒定不变的。 二、随动控制系统 被控变量的设定值既不是恒定的，也不是按已 知规律变化的，而是按事先不能确定的一些随 机因素改变的。 三、程序控制系统 被控变量的设定值是按预定的时间程序变化的。,自动控制系统的分类,二级除盐,水 处 理 流 程 示 意 图,第三节 自动控制系统的过渡过程 和品质指标,一、控制系统的静态与动态 被控变量不随时间变化的平衡 状态 静态（变化率为0，不是静止）。 被控变量随时间变化的不平衡 状态 动态。 系统从一个平衡状态过渡到新的平衡状态的过程 称为过渡过程。,二

13、、控制系统的过渡过程,(a),(b),1. 非周期衰减过程,2. 衰减振荡过程,3. 等幅振荡过程,4. 发散振荡过程,(c),(d),阶跃干扰,自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式,21,非周期衰减过程,衰减震荡过程,等幅震荡过程,发散震荡过程,X,？,对于控制质量要求不高的场合，如果被控变量允许在工艺许可的范围内振荡（主要指在位式控制时），才可采用。,三、控制系统的品质指标 控制系统的过渡过程是衡量品质的依据。,假定自动控制系统在阶跃输入作用下，被控变量的变化曲线如上图所示，这是属于衰减振荡的过渡过程,多数情况下，希望得到衰减振荡过程，在此取这种过程形式讨论控制系统的品质指标。,

14、五种重要品质指标之一,1. 最大偏差或超调量(A),最大偏差是指在过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大数值。在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的峰值。特别是对于一些有约束条件的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最大偏差的允许值有所限制。 超调量也可以用来表征被控变量偏离给定值的程度。,2. 衰减比(B:B) 衰减比是衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的比。习惯表示为 n:1，一般 n 取为410之间为宜。,五种重要品质指标之二,五种重要品质指标之三 3. 余差(C) 当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差叫做余差，或者说余差就是过渡过程

15、终了时的残余偏差。有余差的控制过程称为有差调节，相应的系统称为有差系统。反之就为无差调节和无差系统。,五种重要品质指标之四 4. 过渡时间 从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间叫过渡时间。一般在稳态值的上下规定一个小范围，当被控变量进入该范围并不再越出时，就认为被控变量已经达到新的稳态值，或者说过渡过程已经结束。这个范围一般定为稳态值的（也有的规定为）。,五种重要品质指标之五 5.震荡周期或频率 过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。在衰减比相同的情况下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短一些为好。,某换

16、热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示。试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间（给定值为200）。,举例,A,B,C,200,205,温度（）,22 min,四、影响控制系统过渡过程品质指标的主要因素,1. 被控对象的特性,2 .自动化装置,影响控制系统过渡过程品质的主要因素,31,一个自动控制系统可以概括成两大部分，即工艺过程部分（被控对象）和自动化装置部分。前者指与该自动控制系统有关的部分。后者指为实现自动控制所必需的自动化仪表设备，通常包括测量与变送装置、控制器和执行器等三部分。,对于一个自动控制系统，过渡过程品质的好坏，在很大程度上决定于对象的性质。例如在前所述的温度控制系统中，属于对象性质的主要因素有：换热器的负荷大小，换热器的结构、尺寸、材质等，换热器内的换热情况、散热情况及结垢程度等。不同自动化系统要具体分析。