化工仪表及自动化

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1、化工仪表及自动化内容提要 化工自动化的主要内容 自动控制系统的基本组成及方块图 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 内容提要工艺管道及控制流程图图形符号字母代号仪表位号2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第二节 自动控制系统的基本组成及方块图 4图1-2 人工操作图图1-3 液位自动控制系统图n人工操作与自动控制比较图人工操作与自动控制比较图控制速度和精度不能满足大型控制速度和精度不能满足大型现代

2、化生产的需要现代化生产的需要第二节 自动控制系统的基本组成及方块图 自动控制系统的组成5组组成成自动化装置自动化装置被控对象被控对象测量元件与变送器测量元件与变送器自动控制器自动控制器执行器执行器第二节 自动控制系统的基本组成及方块图液位自动控制的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地方块图每个环节表示组成系统的一个部分，称为“环节”。6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 取正值

3、，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方块图n液位自动控制的方块图液位自动控制的方块图图1-4 液位自动控制系统方块图7第二节 自动控制系统的基本组成及方块图其他控制系统 用同一种形式地方块图可以代表不同的控制系统图1-5 蒸汽加热器温度控制系统这个控制系统同样可以这个控制系统同样可以用上页中的方块图表示用上页中的方块图表示8第二节 自动控制系统的基本组成及方块图注意！方块图中的每一个方块都代表一个具体的装置。9n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

4、不同的。n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，而方块图上的线条及箭头方向有时并不与流体流向相一致。n自动控制系统是一个闭环系统第二节 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举例举例化肥厂的造气自动机就是典型的开环系统的例子化肥厂的造气自动机就是典型的开环系统的例子自动操纵装置自动操纵装置对象对象操纵作用操纵作用工艺参数工艺参数操纵指令操纵指令第二节 自动控制系统的基本组成及方块图小结开开环环系系统统：自自

5、动动机机在在操操作作时时，一一旦旦开开机机，就就只只能能是是按按照照预预先先规规定定好好的的程程序序周周而而复复始始地地运运转转。这这时时被被控控变变量量如如果果发发生生了了变变化化，自自动动机机不不会会自自动动地地根根据据被被控控变变量量的的实实际际工工况况来改变自己的操作。来改变自己的操作。比较比较闭闭环环系系统统：有有针针对对性性地地根根据据被被控控变变量量的的变变化化情情况况而而改改变变控控制制作作用用的的大大小小和和方方向向，从从而而使使系系统统的的工工作作状状态态始始终终等等于于或或接接近近于于所所希望的状态。希望的状态。11第三节 自动控制系统的分类几种分类方法按被控变量来分类，

6、如温度、压力等控制系统；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；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给定值不变，就需要采用定值控制系统。131.1.定值控制方法定值控制方法定值控制方法定值控制方法2.2.2.2.随动控制系统（自动跟踪系统

7、）随动控制系统（自动跟踪系统）随动控制系统（自动跟踪系统）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3.3.程序控制系统（顺序控制系统）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自自动动控控制制目目的的：希希望望将将被被控控变变量量保保持持在在一一个个不不变变的的给给定定值值上上，这这只只有有当当进进入入被被控控对对象象的

8、的物物料料量量（或或能能量量）和和流流出对象的物料量（或能量）相等时才有可能。出对象的物料量（或能量）相等时才有可能。 静静态态被被控控变变量量不不随随时时间间而而变变化化的的平平衡衡状状态态（变变化化率率为为0，不是静止）。，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动态动态被控变量随时间变化的不平衡状态被控变量随时间变

9、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：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系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。状态的过程。 18当干扰作用于对象，系统输出y发生变化，

10、在系统负反馈作用下，经过一段时间，系统重新恢复平衡。举例举例图1-7 控制系统方块图第四节 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。先取决于作用于系统的干扰形式。在在生生产产中中，出出现现的的干干扰扰是是没没有有固固定定形形式式的的，且且多多半半属属于于随随机机性性质质。在在分分析析和和设设计计控控制制系系统统时时，为为了了安安全全和和方方便便，常常选选择择一一些些定定型型的的干干扰扰形形式式，其其中中常常用用的的是是阶跃干扰。阶跃干扰。

11、 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：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。图1-8 阶跃干扰作用20第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式21非周期衰减过程非周期衰减过程衰减震荡过程衰减震荡过程等幅震荡过程等幅震荡过程 发散震荡过程发散震荡过程X X？对对于于控控制制质质量量要要求求不不高高的的场场合合，如如果果被被控控变变量量允允许许在在工工艺

12、艺许许可可的的范范围围内内振振荡荡（主主要要指指在在位位式式控控制制时时），才可采用。才可采用。 第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标三、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。22图1-10 过渡过程品质指标示意图 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。第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标23五种重要品质指标之一五种重要品质指标之一1. 最大偏差或超调量最大偏差或超调量 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

13、，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。第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标2. 衰减比 衰减比衰减比是衰减程度的指标，它是前后是衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的比。习惯表示为相邻两个峰值的比。习惯表示为 n:1，一般，一般 n 取为取为410之间为宜。之间为宜。五种重要品质指标之二五种重要品质指标之二24第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标五种重要品质指标之三3. 余差 当当过过渡渡过过程程终终了了时时，被被控控变变量量所所达达

14、到到的的新新的的稳稳态态值值与与给给定定值值之之间间的的偏偏差差叫叫做做余余差差，或或者者说说余余差差就就是是过过渡渡过过程程终终了了时时的的残残余余偏偏差差。有有余余差差的的控控制制过过程程称称为为有有差差调调节节，相相应应的的系系统统称称为为有有差差系系统统。反反之之就就为为无无差差调节和无差系统。调节和无差系统。 25第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标五种重要品质指标之四4. 过渡时间 从从干干扰扰作作用用发发生生的的时时刻刻起起，直直到到系系统统重重新新建建立立新新的的平平衡衡时时止止，过过渡渡过过程程所所经经历历的的时时间间叫叫过过渡渡时时间间。一一般般在在稳稳态态值值的的上上

15、下下规规定定一一个个小小范范围围，当当被被控控变变量量进进入入该该范范围围并并不不再再越越出出时时，就就认认为为被被控控变变量量已已经经达达到到新新的的稳稳态态值值，或或者者说说过过渡渡过过程程已已经经结结束束这这个个范范围围一一般般定定为为稳稳态态值值的的（也也有有的的规规定为定为）。）。 26第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标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）之间过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫的间隔时间叫振荡周期振荡周期或工作周期，其倒或工作周期，其倒数称为数称为振荡频率振荡频率。在衰减比相同的情况下，。在衰减比相同的情况下，周期与过渡

16、时间成正比，一般希望振荡周周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短一些为好。期短一些为好。27第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标28某换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）。举例举例图1-11 温度控制系统过渡过程曲线第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标解解 最大偏差最大偏差A A230-200230-2003030余差余差C C205-200205-200由图上可以看出，第一个波峰值由图上可以看出，第一个波峰值B B230-205230-2052525，第二个波峰值第二个波峰值BB21

17、021020520555，故衰减比应为故衰减比应为B:BB:B25:525:55:15:1。振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期故周期T T20-520-51515（minmin）29第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标 分析 过过渡渡时时间间与与规规定定的的被被控控变变量量限限制制范范围围大大小小有有关关，假假定定被被控控变变量量进进入入额额定定值值的的22，就就可可以以认认为为过过渡渡过过程程已已经经结结束束，那那么么限限制制范范围围为为200200（22）44，这这时时，可可在在新新稳稳态态值值（205205）两两侧侧以以宽宽度度为为画画一一

18、区区域域，上上图图中中以以画画有有阴阴影影线线的的区区域域表表示示，只只要要被被控控变变量量进进入入这这一一区区域域且且不不再再越越出出，过过滤滤过过程程就就可可以以认认为为已已经经结结束束。因因此，从图上可以看出，过渡时间为此，从图上可以看出，过渡时间为22min22min。30第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标四、影响控制系统过渡过程品质的主要因素31 一一个个自自动动控控制制系系统统可可以以概概括括成成两两大大部部分分，即即工工艺艺过过程程部部分分（被被控控对对象象）和和自自动动化化装装置置部部分分。前前者者指指与与该该自自动动控控制制系系统统有有关关的的部部分分。后后者者指指为为

19、实实现现自自动动控控制制所所必必需需的的自自动动化化仪仪表表设备，通常包括测量与变送装置、控制器和执行器等三部分。设备，通常包括测量与变送装置、控制器和执行器等三部分。第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标 对于一个自动控制系统，过渡过程品对于一个自动控制系统，过渡过程品质的质的好坏好坏，在很大程度上，在很大程度上决定于对象的性决定于对象的性质质。例如在前所述的温度控制系统中，属。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热

20、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。等。不同自动化系统要具体分析。32第五节 工艺管道及控制流程图 工艺流程和控制方案的确定后，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，根据工艺设计给出的流程图， 按按其其流流程程顺顺序序标标注注出出相相应应的的测测量量点点、控控制制点点、控控制制系系统统及及自自动动信信号号与与联联锁锁保保护护系系统统等，等， 便成了便成了工艺管道及控制流程图 （PID图）。33第五节 工艺管道及控制流程图34图1-12脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图举例右右图图是是乙乙烯烯生生产产过过程程中中脱脱乙乙烷烷塔塔的的工工艺艺管管道道及及控

21、控制制流流程程图图 举例举例第五节 工艺管道及控制流程图一、图形符号1. 测试点（包括检出元件、取样点）35 检试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第五节 工艺管道及控制流程图2. 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 联系线的表示法第五节 工艺管道及控制流程图3. 仪表（包括检测、显示、

22、控制）的图形符号 仪仪表表的的图图形形符符号号是是一一个个细细实实线线圆圆圈圈，直直径径约约10mm10mm，对对于于不不同同的的仪仪表表安安装装位位置置的的图图形符号如下表所示。形符号如下表所示。 37第五节 工艺管道及控制流程图38序号安装位置图形符号备注序号安装位置图形符号备注1就地安装仪表嵌在管道中4集中仪表盘后安装仪表2集中仪表盘面安装仪表 5就地仪表盘面安装仪表3就地仪表盘面安装仪表表1-1 仪表安装位置的图形符号表示第五节 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

23、离较远或不在同一图纸上），如下图所示。图1-15 复式仪表的表示法第五节 工艺管道及控制流程图二、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字母第一位字母后继字母被测变量修饰词功能ACDEFIKLMPQRSTVWYZ分析电导率密度电压流量电流时间或时间程序物位水分或湿度压力或真空数量或件数放射性速度或频率温度黏度力供选用位置差比（分数）积分、累积安全报警控制（调节）检测元件指示自动-手动操作器积分、累积记录或打印开关、联锁传送阀、挡板、百叶窗套管继动器或计算器驱动、执行或未分

24、类的终端执行机构表1-2 被测变量和仪表功能的字母代号41第五节 工艺管道及控制流程图42举例举例以以脱脱乙乙烷烷塔塔控控制制流流程程图图，来来说说明明如如何何以以字字母母代代号号的组合来表示被测变量和仪表功能。的组合来表示被测变量和仪表功能。 塔塔顶顶的的压压力力控控制制系系统统中的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。 第五节 工艺管道及控制流程图 回回流流罐罐液液位位控控制制系系统统中的LIC-201是一台具有指示

25、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。 塔塔下下部部的的温温度度控控制制系系统统中的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。 塔塔底底的的液液位位控控制制系系统统中的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第五节 工艺管道及控制流程图三、仪表位号44 仪仪表表位位号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，其第一位数字表示工段号，后续数字（二位或三位数字）表示仪表序号。 举例举例脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图中PIC-206表示测量点在加热蒸汽管线上的蒸汽压力指示仪表，该仪表为就地安装，工段号为2，仪表序号为06。