过程控制系统与自动化仪表潘永湘第一章绪论

过程控制与自动化仪表范晶晶TEL：13294041720说明：指定教材：《过程控制与自动化仪表》潘永湘机械工业出版社第2版。参考书：《过程控制与自动化仪表》张井岗北京大学出版社第1版。考试方式：试卷p3本章要点1）掌握过程控制的定义、要求和任务，了解过程控制的发展状况；2）掌握过程控制系统的组成、特点、类型及其性能指标；3）了解过程控制系统设计步骤和仪表的类型与发展；4）掌握仪表的信号制及防爆系统的构成。第一章绪论p4第一章绪论过程控制概述过程控制泛指石油、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，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。p5一、过程控制概述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电信号或气信号，反映生产过程状况；控制仪表接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形、动态特性多样。通常被控过程属于多变量、大惯性、大时延、多变量特征，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p6一、过程控制概述过程控制的控制过程多属慢过程，而又多半属参量控制被控过程具有大惯性、大时延(滞后)等特点。主要对表征其生产过程的温度、压力、流量、液位、成分、PH等过程参量进行自动检测和自动控制。（石油、化工、冶金、电力、轻工、制药）定值控制是过程控制的一种主要控制形式设定值恒定或在很小的范围内变化。控制目的：如何减小或消除外界扰动对被控量的影响，使被控量能控制在给定值上，使生产稳定。过程控制的特点p7一、过程控制概述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p8一、过程控制概述过程控制的功能结构常规控制或高级过程控制实时优化操作安全与环境保护决策管理与计划调度被控过程测量、变送与执行日—月级时—日级分—秒级或分—时级小于1秒小于1秒◆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。p9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和综合问题。p10过程控制发展概况●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，计算机控制系统的应用，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，可以地提高控制质量。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，自动实现的保护性控制。p11过程控制发展概况●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，最优滤波与预测。集中型计算机控制系统集散控制系统DCSFCS现场总线控制系统｛全盘自动化阶段p12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，企图用一台计算机来控制尽可能多的控制回路。外设过程控制计算机AIDIAODO被控过程（对象）被控变量操作变量…………}{输入子系统输出子系统优越性：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”。p13集散控制系统DCS●80年代---集散控制系统(DCS)集散控制系统是集计算机技术、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p14过程控制发展概况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。○p15控制层网络管理层网络远程节点Web服务器Internet现场设备层操作站工程师站DCS的物理层次示意p16过程控制发展概况●90年代以来现场总线控制系统FCS(fieldbuscontrolsystem)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(compututerintergratedprocesssystem)以企业整体优化为目标（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。p6p17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·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p18现场总线控制系统（FCS）FCS系统把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能仪表便可实现生产过程的检测、控制。p19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非安全防爆总线p20控制室控制台流程图p21仪表盘操作员站p22操作员站CRT工业流程图p23核电厂p24新疆炼油厂p25武钢p26哈尔滨伊兰煤气p27哈尔滨伊兰煤气p28污水处理厂p29哈尔滨第三水厂p30扬子石化p31扬子石化p32扬子石化p33兰州石化p34兰州石化p35自来水厂控制柜p36控制柜触摸显示屏p37控制柜内部p38控制柜内PLCp39过程控制实验室p40例1:一贮罐液位控制系统。要求贮罐液位保持一定，以满足生产需要；图中液位变送器、控制器和执行器构成了一个单回路控制系统。分析:贮罐液位由液位变送器转换成相应的标准信号送到控制器，与给定值相比较，控制器按比较得到的偏差，以一定的控制规律发出控制信号，控制执行器的动作，通过改变贮罐液体出料的流量，从而使贮罐液位保持在与给定值基本相等的数值上。过程控制系统组成p41控制器被控对象变送器zxe=x-z-uqy干扰温度（压力、液位、流量）变送器、在线成分分析仪（通常输出：4~20mA、1～5V等标准信号）液位开关、料位开关、接近开关(通常输出on/off信号)传感器（Pt100、热电偶……）……通常安装于控制室通常安装于现场显示仪表基本环节：被控对象、检测仪表、控制器、执行器（显示仪表根据需要可选）阀门：调节阀、电磁阀、气动阀…泵：开关泵、变频泵控制阀过程控制系统组成p42过程控制系统的组成电厂锅炉过热蒸汽温度控制流程图气鼓产生饱和蒸汽，经减温器到过热器产生过热蒸汽。图中温度变送器、控制器和执行器构成了一个单回路控制系统。1热电阻，2变送器，3调节器，4调节阀例2:电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统。要求过热蒸汽温度约460度。p43过程控制的组成过程控制系统一般性框图•被控参数（亦称系统输出）y(t)：被控过程内要求保持稳定的工艺参数；•控制参数（亦称操作变量控制介质）q(t)：使被控参数保持期望值的物料量或能量；•干扰量f(t)：作用于被控过程并引起被控参数变化的各种因数；•设定值r(t)：与被控参数相对应的设定值；•反馈值z(t)：被控参数经测量变送后的实际测量值；•偏差e(t)：设定值与反馈值之差；•控制作用u(t)：控制器的输出值。p44过程控制的分类按系统的结构特点分类：◆反馈控制，前馈控制系统，复合控制系统反馈控制系统-----反馈控制系统是根据系统被控量与给定位的偏差进行工作的，最后达到消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据。又称闭环控制系统。是过程控制系统中最基本的一种。前面的液位控制系统，就是一反馈控制系统。当系统复杂时可采用多回路反馈控制系统。p45前馈控制系统-----直接根据扰动量的大小进行工作的，扰动是控制的依据。不构成闭合回路，故也称为开环控制系统。由于前馈控制是一种开环控制，无法检查控制的效果，所以在实际生产过程中是不能单独应用的。前馈补偿器执行器被控过程测量变送()ft()yt过程控制系统的分类p46前馈—反馈控制系统(复合控制系统)前馈开环控制的主要优点：能针对主要扰动迅速及时克服对被控量的影响。反馈控制的主要优点：克服其他扰动，使系统在稳态时能准确地使被控量控制在给定值上。构成的前馈—反馈控制系统可以提高控制质量。过程控制系统的分类控制器执行器被控过程测量变送()ft()xt()yt－前馈补偿器p47过程控制的分类按系统的设定值不同分为：◆定值控制-----系统被控量(温度、压力、流量、液位、成分等)的给定值保持在某一定值(或在某一很小范围内不变)中。例如前述的例子就是定值控制系统。系统的输入信号是扰动信号。◆随动控制系统-----被控量的给定值随时间任意地变化的控制系统。作用：克服一切扰动，使被控量及时跟踪给定值变化。例如在加热炉燃烧过程控制，控制系统就要使空气量跟随燃料的变化自动控制空气量的大小从而保证达到最佳燃烧。◆程序（顺序）控制系统-----被控量的给定值是按预定的时间程序而变化的。控制的目的：