化工仪表自动化课件

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1、化工仪表及自动化,第一章 自动控制系统基本概念,内容提要,化工自动化的主要内容自动控制系统的基本组成及表示形式 基本组成 方块图工艺管道及控制流程图 图形符号 字母代号 仪表位号自动控制系统的分类自动控制系统的过渡过程和品质指标 控制系统的静态与动态 控制系统的过渡过程 控制系统的品质指标 影响控制系统过渡过程品质的主要因素,1,第一节 化工自动化的主要内容,1. 自动检测系统2. 自动信号和联锁保护系统3. 自动操纵及自动开停车系统4. 自动控制系统,3,第一节 化工自动化的主要内容,1. 自动检测系统,2. 自动信号和联锁保护系统,当工艺参数超过了允许范围，在事故即将发生以前，信号系统就自

2、动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。如工况已到达危险状态时，联锁系统立即自动采取紧急措施，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车，以防止事故的发生和扩大。它是生产过程中的一种安全装置。,3. 自动操纵及自动开停车系统,自动操纵系统可以根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作。自动开停车系统可以按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。,4. 自动控制系统,在受到外界干扰（扰动）的影响而偏离正常状态时，自动控制系统能自动地控制而回到规定的数值范围内。,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,4,图1-2 人工操作图,图1-3 液位自动控制系统图,人

3、工操作与自动控制比较图,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,一、自动控制系统的组成,5,组 成,自动化装置,被控对象,测量元件与变送器,自动控制器,执行器,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,二、自动控制系统的表示形式 1、方块图在研究自动控制系统时，为了便于对系统分析研究，一般都用方块图来表示控制系统的组成。下页图为液位自动控制系统的方块图，每个环节表示组成系统的一个部分，称为“环节”。两个方块之间用一条带有箭头的线条表示其信号的相互关系，箭头指向方块表示为这个环节的输入，箭头离开方块表示为这个环节的输出。线旁的字母表示相互间的作用信号。,6,方块图中， x 指设定值；z 指输出

4、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 取正值，z取正值， e= x+ z，正反馈。,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,液位自动控制的方块图,图1-5 液位自动控制系统方块图,7,几个常用术语 ： （1）被控对象 需要实现控制的设备、机械或生产过程称为被控对象，简称对象。 （2）被控变量 对象内要求保持一定数值（或按某一规律变化）的物理量称为被控变量。 （3）控制变量（操纵变量） 受执行器控制，用以使被控变量保持一定数值的物料或能量称为控制变量或操纵变量。 （4）干扰（扰动） 除控制变

5、量（操纵变量）以外，作用于对象并引起被控变量变化的一切因素称为干扰。 （5）设（给）定值 工艺规定被控变量所要保持的数值。 （6）偏差 偏差本应是设定值与被控变量的实际值之差。但能获取的信息是被控变量的测量值而非实际值，因此，在控制系统中通常把设定值与测量值之差定义为偏差。,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,其他控制系统用同一种形式的方块图可以代表不同的控制系统,图1-6 蒸汽加热器温度控制系统,当进料流量或温度变化等因素引起出口物料温度变化时，可以将该温度变化测量后送至温度控制器TC。温度控制器的输出送至控制阀，以改变加热蒸汽量来维持出口物料的温度不变。,这个控制系统同样可以用上页中

6、的方块图表示,8,P6图1-6 蒸汽加热器温度控制系统： （1）被控对象-蒸汽加热器 （2）被控变量-出口物料的温度 （3）控制变量（操纵变量）-加热蒸汽量 （4）干扰（扰动）作用 -进料流量、进料温度的变化 、加热蒸汽压力的变化、加热器内部传热系数的变化、环境温度的变化 （5）操纵介质（操纵剂）-加热蒸汽,1.方块图,注意！方块图中的每一个方块都代表一个具体的装置。,9,方块与方块之间的连接线，只是代表方块之间的信号联系，并不代表方块之间的物料联系。方块之间连接线的箭头也只是代表信号作用的方向，与工艺流程图上的物料线是不同的。工艺流程图上的物料线是代表物料从一个设备进入另一个设备，而方块图上

7、的线条及箭头方向有时并不与流体流向相一致。 自动控制系统是一个闭环系统,1.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。,10,1.方块图,小结,11,设定器,控制器,被控对象,扰动,被控量,设定器,被控过程,传感器,控制器,开环控制系统：,闭环控制系统 :,2.管道及仪表流程图,工艺流程和控制方案的确定后，根据工艺设计给出的流程图，按其流程顺序标注出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与联锁保护系统等，便成了工艺管道及控制流程图 （PID图）。Pi

8、ping and Instrumention Diagram,P&ID管道及仪表流程图,33,34,图1-8脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图举例,右图是乙烯生产过程中脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图,举例,2.管道及仪表流程图,(1)、图形符号a. 测量点（包括检出元件、取样点）,35,测量点是由工艺设备轮廓线或工艺管线引到仪表圆圈的连接线的起点，一般无特定的图形符号，如下图所示。必要时，检测元件也可以用象形或图形符号表示。,图1-13 测试点的一般表示方法,2.管道及仪表流程图,(1)、图形符号,b. 连接线,36,通用的仪表信号线均以细实线表示。连接线表示交叉及相接时，采用下图的形式。必要时也

9、可用加箭头的方式表示信号的方向。在需要时，信号线也可按气信号、电信号、导压毛细管等采用不同的表示方式以示区别。,图1-14 联接线的表示法,(1)、图形符号,仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约10mm，对于不同的仪表安装位置的图形符号如下表所示。,37,c. 仪表（包括检测、显示、控制）的图形符号,第五节 工艺管道及控制流程图,38,表1-1 仪表安装位置的图形符号表示,2.管道及仪表流程图,第五节 工艺管道及控制流程图,39,对于处理两个或两个以上被测变量，具有相同或不同功能的复式仪表时，可用两个相切的圆或分别用细实线圆与细虚线圆相切表示（测量点在图纸上距离较远或不在同一图纸上），如下图

10、所示。,图1-11 复式仪表的表示法,2.管道及仪表流程图,第五节 工艺管道及控制流程图,(2) 字母代号,在控制流程图中，用来表示仪表的小圆圈的上半圆内，一般写有两位（或两位以上）字母，第一位字母表示被测变量，后继字母表示仪表的功能，常用字母代号见下表。,40,2.管道及仪表流程图,表1-2 被测变量和仪表功能的字母代号,41,42,举例,以脱乙烷塔控制流程图，来说明如何以字母代号的组合来表示被测变量和仪表功能。,塔顶的压力控制系统中的PIC-207，其中第一位字母P表示被测变量为压力，第二位字母I表示具有指示功能，第三位字母C表示具有控制功能，因此，PIC的组合就表示一台具有指示功能的压力

11、控制器。该控制系统是通过改变气相采出量来维持塔压稳定的。,(2) 字母代号,回流罐液位控制系统中的LIC-201是一台具有指示功能的液位控制器，它是通过改变进入冷凝器的冷剂量来维持回流罐中液位稳定的。塔下部的温度控制系统中的TRC-210表示一台具有记录功能的温度控制器，它是通过改变进入再沸器的加热蒸汽量来维持塔底温度恒定的。,塔底的液位控制系统中的LICA-202代表一台具有指示、报警功能的液位控制器，它是通过改变塔底采出量来维持塔釜液位稳定的。,43,(2) 字母代号,(3) 仪表位号,44,仪表位号是由字母代号组合和阿拉伯数字编号两部分组成。阿拉伯数字编号写在圆圈的下半部，其第一位数字表

12、示工段号，后续数字（二位或三位数字）表示仪表序号。,2.管道及仪表流程图,第三节 自动控制系统的分类,几种分类方法 （一）按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统； （二）按控制器具有的控制规律来分类，如比例、比例积分、比例微分、比例积分微分等控制系统； （三）将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定值是否变化和如何变化来分类，这样可将自动控制系统分为三类，即定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。,12,其中第三种分类方法最普遍,第三节 自动控制系统的分类,“定值” 是恒定给定值的简称。工艺生产中，若要求控制系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个生产指标上不变，或者说要求被控变量的

13、给定值不变，就需要采用定值控制系统。,13,1.定值控制方法,2.随动控制系统（自动跟踪系统）,给定值随机变化，该系统的目的就是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。,第三节 自动控制系统的分类,3.程序控制系统（顺序控制系统）,给定值变化，但它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定的时间程序变化。这类系统在间歇生产过程中应用比较普通。,14,第四节 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,15,自动控制目的：希望将被控变量保持在一个不变的给定值上，这只有当进入被控对象的物料量（或能量）和流出对象的物料量（或能量）相等时才有可能。,静态被控变量不随时间

14、而变化的平衡状态（变化率为0，不是静止）。,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,当一个自动控制系统的输入（给定和干扰）和输出均恒定不变时，整个系统就处于一种相对稳定的平衡状态，系统的各个组成环节如变送器、控制器、控制阀都不改变其原先的状态，它们的输出信号也都处于相对静止状态，这种状态就是静态。,16,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,17,动态被控变量随时间变化的不平衡状态 。,从干扰作用破坏静态平衡，经过控制，直到系统重新建立平衡，在这一段时间中，整个系统的各个环节和信号都处于变动状态之中，这种状态叫做动态。,结论：在自动化工作中，了解系统的静态是必要的，但是了解系统的动态更为

15、重要。因为在生产过程中，干扰是客观存在的，是不可避免的，就需要通过自动化装置不断地施加控制作用去对抗或抵消干扰作用的影响，从而使被控变量保持在工艺生产所要求控制的技术指标上。,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,二、控制系统的过渡过程系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。,18,当干扰作用于对象，系统输出y发生变化，在系统负反馈作用下，经过一段时间，系统重新恢复平衡。,举例,图1-7 控制系统方块图,动态被控变量随时间变化的不平衡状态。如果系统原来处于相对平衡状态（静态），当出现干扰使被控变量发生变化，此时控制系统发生作用，调节器根据偏差及其偏差的变化情况，改变调节器输出，再经执

16、行器改变操纵变量，使被控变量重新回到设定值来，这么一个从干扰发生、系统控制、直到重新建立平衡的过程称为“动态”过程。工艺设计主要围绕系统“静态”特性开展工作，自动控制是在“静态”特性基础上研究其“动态”特性当系统失去平衡以后，如何使系统重新回到平衡状态。如何来评价自控系统的质量？必须分析“系统失稳以后能否重新回到平衡状态”、“从系统失稳到重新回到平衡状态”这个过程的各种指标。,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,系统在过渡过程中，被控变量是随时间变化的。被控变量随时间的变化规律首先取决于作用于系统的干扰形式。在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，且多半属于随机性质。在分析和设计控制系统时，为了安全和方便，常选择一些定型的干扰形式，其中常用的是阶跃干扰。,19,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,采用阶跃干扰的优点：这种形式的干扰比较突然、危险，且对被控变量的影响也最大。如果一个控制系统能够有效地克服这种类型的干扰，那么一定能很好地克服比较缓和的干扰。 这种干扰的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。,