自动化仪表与过程控制剖析

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1、1,自动化仪表 与 过程控制,2,生产过程自动化，是指石油、化工、电力、冶金、轻工等工业部门以连续性物流为主要特征的生产过程的自动控制，主要解决各种生产过程中的温度、压力、流量、液位（或物位）、以及成分（或物性）等参数的自动监测和控制问题。 用自动化装置来管理连续或间歇生产过程的综合性技术就称为生产过程自动化，简称为过程控制（Process Control ）。,3,过程控制,过程控制-泛指石油、化工、电力、冶金、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，其被控量通常为压力、液位、流量、温度、PH值等过程变量，是自动化技术的重要组成部分。 作用-在现代工业生产过程自动化中，

2、过程控制技术可实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。,4,自动化仪表,自动化仪表- 用于生产过程自动化的仪器或设备，是实现工业企业自动化的必要手段和技术工具。 特点- 兼容性、统一标准,5,一、生产过程及其特点 连续生产过程主要有以下几种形式： 1 传热过程 通过冷热物流之间的热量传递，达到控制介质温度、改变介质相态或回收热量的目的。典型设备：换热器 2 燃烧过程 通过燃料与空气混合后燃烧为生产过程提供动力和热源。典型设备：加热炉,6,3 化学过程 由两种或几种物料化合成一种或多种更有价值的产品的反应过程。典型设备：

3、反应器 4 精馏过程 精馏是一种分离过程。典型设备：精馏塔 5 传质过程 不同组分的分离和结合，如液体和气体之间的解吸、汽提、去湿或润湿，不同非溶液体的萃取、液体与固体之间的结晶、蒸气或干燥等都是传质过程。其目的是获得纯的出口物料。,一、生产过程及其特点,7,一、生产过程及其特点,生产过程特点：连续生产过程具有复杂性、关联性、时变性、非线性、不确定性，在某些高温高压或有害介质存在的场合，还具有相当的危险性。 生产过程的这些特点极大地促进了过程控制技术的发展，使得过程控制在自动控制领域乃至国民经济中都占有极其重要的地位。,8,参考书,教材 过程控制与自动化仪表.潘永湘等.机械工业出版社. 200

4、8.5 参考书 1.自动检测技术与装置. 张宏建等. 化学工业出版社. 2004.7 2.自动化仪表与过程控制. 施仁等. 电子工业出版社. 2009.2 3.自动检测技术及仪表控制系统. 张毅等. 化学工业出版社. 2005.3 4.过程控制及仪表. 邵裕森. 上海交大出版社,9,考核方式,1.点名作业20% 2.试验成绩10% 3.期末考试70%,10,第一章 过程控制与自动化仪表概述,系统由被控过程和检测控制仪表组成 过程控制采用各种检测仪表、控制仪表和计算机等自动化工具，对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制。检测仪表把工艺参数转换为电信号或气信号，反映生产过程状况；控制仪表接

5、受检测信号对过程进行控制。 被控过程的多样性 生产规模不同、工艺要求各异、产品品种多样导致过程的结构性、动态特性多样。通常被控过程属于多变量、大惯性、大时延特征，还有非线性与时变特性。（锅炉、热交换器、精馏塔） 控制方案的多样性 被控对象复杂导致控制方案多样性。单/多变量控制系统、常规仪表控制/计算机集散控制系统、提高控制品质的和实现特定要求的控制系统。单回路、串级、前馈、比值、均匀、分程、选择性、大时延、多变量系统，还有先进过程控制系统(自适应、预测、补偿、智能、非线性控制等)。,过程控制的特点,11,安全性 针对易燃易爆特点设计；参数越线报警、链锁保护；故障诊断，容错控制。 稳定性 抑制外

6、界干扰，保证正常运行。 经济性 降低成本提高效率。掌握工艺流程和被控对象静态、动态特性，运用控制理论和一定的技术手段（计算机、自动化仪表）设及合理系统。,过程控制的要求与任务,12,12,二、生产过程对控制的要求 生产过程对控制最主要的要求可以归结为三个方面，即：安全性、稳定性和经济性。 (1)安全性 是指在整个生产运行过程中，能够及时预测、监控和防止任何事故的发生，以确保生产设备和操作人员的安全，这是最重要也是最基本的要求。 (2) 稳定性 是指当工业生产环境发生变化或受到随机因素的干扰和影响时，生产过程仍能不间断地平稳运行，并保持稳定的产品质量。,13,13,(3)经济性 是指在保证生产安

7、全和产品质量的前提下，以最小的投资、最少的能耗和最低的成本，使生产装置在高效率运行中获取最大的经济收益。,过程控制的任务:就是在了解、掌握工艺流程和生产过程的各种特性的基础上，根据工艺生产提出的要求，应用控制理论对控制系统进行分析、设计和综合，并采用相应的自动化装置和适宜的控制手段加以实现，最终达到优质、高产、低耗的控制目标。,二、生产过程对控制的要求,14,过程控制的功能结构, 测量变送与执行 测量变送装置与执行装置实现 操作安全与环保 保证生产安全、满足环保要求的设备（独立运行） 常规与高级控制 实现对过程参数的控制，满足控制要求。 实时优化 实现最优操作工况（时间，成本，设备损耗）而设计

8、的方案 决策与计划调度 对整个过程进行合理计划调度和正确决策，使企业利益最大化。,15,过程控制发展概况, 20世纪40年代前后(手工阶段)：手工操作状态，凭经验人工控制生产过程，劳动生产率很低。 20世纪50年代前后(仪表化与局部自动化阶段)：过程控制发展的第一个阶段，实现了仪表化和局部自动化。 主要特点：检测和控制仪表-采用基地式仪表和部分单元组合仪表(多数是气动仪表)； 过程控制系统结构-单输入、单输出系统； 被控参数-温度、压力、流量和液位参数； 控制目的-保持这些参数的稳定，消除或者减少对生产过程的主要扰动； 理论-频率法和根轨迹法的经典控制理论，解决单输入单输出的定值控制系统的分析

9、和综合问题。,16,16,回顾生产过程自动化的发展历史，大致经历了三个发展阶段。,初级阶段,1950年以前，简单的检测仪表和笨重的基地式仪表,17,20世纪60年代(综合自动化阶段)： 检测和控制仪表-采用单元组合仪表(气动、电动)和组装仪表，实现直接数字控制(DDC)和设定值控制(SPC)； 过程控制系统结构-多变量系统，各种复杂控制系统，如串级、比值、均匀控制、前馈、选择性控制系统。 控制目的-提高控制质量或实现特殊要求。 理论-除经典控制理论，现代控制理论开始应用。 前馈控制-按扰动来控制，在扰动可测的情况下，可以提高控制质量。 选择性控制-在生产过程遇到不正常工况或被控量达到安全极限事

10、，自动实现的保护性控制。,18,18,仪表化阶段,50年代至70年代，单元组合仪表和巡回检测仪表。,集中监视和操作,19,19,综合自动化阶段: 70年代以来，多功能组装仪表、数字仪表、智能仪表。70年代中期出现DCS。90年代以来，管控一体化成为可能。,20,20世纪70年代以来(全盘自动化阶段)：发展到现代过程控制的新阶段，这是过程控制发展的第三个阶段。主要特点： 检测和控制仪表-新型仪表、智能化仪表、微型计算机； 过程控制系统结构-由单多变量系统，由PID控制规律 特殊控制规律，由定值控制 最优控制、自适应控制，由仪表控制系统 智能化计算机分布式控制系统； 理论-现代控制理论应用到过程控

11、制领域，如状态空间分析，系统辨识与状态估计，最优滤波与预报。,集中型计算机控制系统 集散控制系统DCS FCS现场总线控制系统,全盘自动化阶段,21,集中型计算机控制系统,初衷：由于当时的计算机体积庞大，价格非常昂贵，为了使计算机控制能与常规仪表控制相竞争，试图用一台计算机来控制尽可能多的控制回路。,优越性： 从表面上看信息集中，集中型计算机控制可以实现各种更复杂控制功能；便于实现优化控制和优化生产。,问 题：由于当时计算机总体性能低，容量小，容易出现负荷过载，控制集中直接导致危险集中，高度集中使系统变得十分“脆弱”。,22,集散控制系统 DCS, 80年代-集散控制系统(DCS) 集散控制系

12、统 是集计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术为一体的装置。系统在结构上是分散的(生产过程是分散系统)，但过程控制的监视、管理是集中的。 优点： 将计算机分布到车间或装置。使系统的危险分散，提高系统的可靠性，方便灵活地实现各种新型的控制规律与算法，实现最佳管理。,控制分散 管理集中,23,集散控制系统的结构组成： 过程输入-输出接口：又叫数据采集站，数据采集与预处理，对实时数据进一步的加工，操作站的显示与打印。 过程控制单元：又称基本控制器，是集散控制系统的核心。不同的集散控制系统其差别较大。 高速数据通路：实现集散控制系统各处理机之间数据传送。 管理(上位)计算机：进行集中管理与最佳控

13、制，实现信息-控制-管理一体化。 CRT操作站：是集散控制系统的人-机接口装置。执行监控操作、系统组态、编程、动态流程图显示以及部分生产管理。,24,控制层网络,管理层网络,现场设备层,DCS的物理层次示意,25, 90年代以来 现场总线控制系统FCS(fieldbus control system) 是计算机网络技术、通信技术、控制技术和现代仪器仪表技术的最新发展成果。它将具有数字通信能力的现场智能仪表连成网络系统，并同上一层监控级、管理级联系起来成为全分布式的新型控制网络。 计算机集成过程控制CIPS (computer intergrated process system) 以企业整体优

14、化为目标（市场营销、生产计划调度、原材料选择、产品分配、成本管理、工艺过程控制与优化），以计算机和网络为主要技术实现管理与控制一体化。,26,现场总线控制系统（FCS）,27,定义,是连接智能现场装置和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。,支持双向、多节点、总线式的全数字通讯,双向数据通信能力避免了反复进行A/D、D/A的转换 把控制任务下移到现场设备，以实现测量控制一体化 全分散,本质,特点,评价,已成为全世界范围自动化技术发展的热点 涉及整个自动化和仪表的工业“革命”,FCS现场总线控制系统,28,现场总线式变送器,现场总线式阀门定位器,安全防爆,工业以太网,安全防爆总线,

15、非安全防爆总线,29,控制室,控制台,流程图,30,仪表盘,操作员站,31,操作员站CRT,工业流程图,32,32,作为技术人员，学习和掌握生产过程自动化方面的知识，对于研究和开发新的生产工艺，解决生产操作中的关键技术问题，合理确定控制方案，保证生产优质、高产、低耗的顺利运行，促进生产企业的现代化管理等都具有十分重要的作用。,生产过程自动化是自动控制理论、计算机科学、仪器仪表技术和生产工艺知识相结合而构成的一门综合性的技术科学。在现代过程工业中，自动化装置与生产工艺及设备已结合成为有机的整体。,33,过程控制系统设计概述,加热炉过程控制系统,冷,设计步骤： 1.确定控制目标 1）热油出口温度稳

16、定； 2）出口温度与烟道气含氧量稳定； 3）温度稳定与热效率最高。 2.选择被控参数 直接参数（油出口温度、烟道气含氧量、燃油压力）间接参数（热效率） 3 选择控制量 燃料油流量还是冷油流量出口温度 挡板开度还是送风挡板含氧量,34,4.确定控制方案 控制精度和干扰决定系统的简单与复杂。 温度、效率、含氧量等多于一个要求多输入/多输出。 如果温度、含氧量定值控制，还要求效率最优控制。 5.选择控制策略 多数采用PID；复杂过程高级过程控制 6.选择执行器 气动与电动，执行期特性与过程特性匹配。 7.设计报警与联锁保护系统 高、低限值；加热炉停车程序：停燃油泵关燃油阀停引风机切断热油阀 8.工程化设计 设计图样资料和文件资料表达设计思想主管部门审批施工单位。 9.系统投运、调试和整定参数,冷