过程装备控制技术及应用(1)

过程装备控制技术及应用机械工程学院：冯小康前言《过程装备控制技术及应用》课程是经全国高等学校化工类及相关专业教学指导委员会化工装备教学指导组讨论决定，确定为“过程装备与控制工程”专业的核心课程之一。本专业学生通过该课程的学习，可以将过程机械、计算机自动测试、控制、自动化等方面的知识有机地结合在一起，培养学生成为掌握多学科知识与技能的复合型人才。该课程教材全书共分七章，理论课讲授学时为48学时，由于学时的限制，第七章的内容为选修内容，所以本课件中没有包括第七章的内容。本书内容丰富，涉及面广。在各章中选编了一些实例，并附有习题与思考题，有利于对过程控制基础理论学习较少的读者掌握与应用，也有利于学生对本课程内容的学习、理解和掌握。目录第一章控制系统的基本概念第二章过程装备控制基础第三章过程检测技术第四章过程控制装置第五章计算机控制系统第六章典型过程控制系统应用方案第一章控制系统的基本概念1.1概述1.2控制系统的组成1.3控制系统的方框图1.4控制系统的分类1.5控制系统的过渡过程及其性能指标附录一：本章的重点和难点附录二：思考题与习题1.1概述过程装备控制是指在过程设备上，配上一些自动化装置以及适合的自动控制系统来代替操作人员的部分或全部直接劳动，使设计、制造、装配、安装等在不同程度上自动地进行。这种利用自动化装置来管理生产过程的方法就是生产过程自动化。因此，过程装备控制是生产过程自动化最重要的一个分支。生产过程自动化是提高社会生产力的有力工具之一。它在确保生产正常运行，提高生产质量，降低能耗，降低劳动条件，减轻劳动强度等方面具有巨大的作用。自20世纪30年代以来，随着自动控制理论的不断发展以及电子计算机的出现，自动化技术已取得了惊人的成就，在工业生产和科学发展中起到关键的作用。当前，自动化装置已成为大型设备不可分割的重要组成部分。可以说，如果不配置合适的自动控制系统，大型生产过程是根本无法运行的。实际上，生产过程自动化的程度已成为衡量工业企业现代化水平的一个重要标志。1.1.1生产过程自动化系统所包含的内容生产过程自动化系统包含如下四个部分的内容：（1）自动检测系统：要控制不断进行着各种物理化学变化的生产过程，首先必须随时了解生产过程中各工艺参数的变化情况。为此，必须采用各种检测仪表（如热电偶、热电阻、压力传感器等）自动连续地对各种工艺变量（如温度、压力、流量、液位）进行测量，并将结果用仪表（如动圈仪表、电子电位差计等）指示记录下来供操作人员观察、分析或将测量到的“信息”传送给控制系统，作为自动控制的依据。（2）信号连锁系统：信号连锁系统是一种安全装置。在生产过程中，有时由于一些偶然因素的影响会导致某些工业变量超出允许的范围，使生产过程不能正常运行，严重时甚至会引起燃烧，爆炸等事故。为了确保安全生产，常对这些关键性变量设置信号报警或连锁保护装置。其作用是在事故发生前，自动地发出声光报警信号，引起操作员的注意以便及早采取措施。如工况已接近危险状态，信号连锁系统将启动：打开安全阀，切断某些通路或紧急停车，从而防止事故的发生或扩大。（3）自动操纵系统：这是一种根据预先规定的程序，自动的对生产设备进行某种周期性操作，极大地减轻操作人员的繁重或重复性体力劳动的装备。例如，合成氨造气车间煤气发生炉的操作就是按照程序自动地进行的，如自动进行吹气、上吹、下吹制气、吹净等步骤，周期性地接通空气与水蒸气实现自动操纵。（4）自动控制系统：利用一些自动控制仪表及装置，对生产过程中某些重要的工艺变量进行自动调节，使它们在受到外界干扰影响偏离正常状态后，能够自动地重新回复到规定的范围内，从而保证生产的正常进行。1.1.2过程装备控制的任务和要求过程装备控制是工艺生产过程自动化的重要组成部分，它主要是针对过程装备的主要参数，即温度、压力、流量、液位（或物位）、成分和物性等参数进行控制。工艺生产过程装备控制的要求是多方面的，最终可以归纳为三项要求：即安全性、经济性和稳定性。安全性，是指在整个生产过程中，确保人身和设备的安全，这是最重要也是最基本的要求。通常是采用越限报警，事故报警和连锁保护等措施加以保证。经济性，是指在生产同样质量和数量产品所消耗的能量和原材料最少。也就时要求生产成本低而效率高。随着市场竞争加剧和能源的匮乏，经济性已越来越受到各方面的重视。稳定性，是指系统应具有抵抗外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力。过程装备控制的任务就是在了解，掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础上，根据上叙三项要求，应用理论对控制系统进行分析和综合，最后采用合适的技术手段加以实现。因此可以说，过程装备控制是控制理论、工艺知识、计算机技术和仪表仪器等相结合而构成的一门综合性应用科学。工业生产过程都是在一定的温度、压力、浓度、物位等工艺条件下进行的。为此，必须对这些工艺变量进行控制，使其稳定在保证生产正常运行的范围之内。为了实现控制要求，通常有两种方式可以选择：人工控制和自动控制。下面以锅炉汽包水位控制为例，说明人工控制与自动控制的执行过程。图1－1所示为锅炉汽包水位控制的示意图。锅炉是化工、炼油等生产过程中必不可少的动力设备，由它产生的高压蒸汽，既可以作为风机、压缩机、大型泵类的动力源；又可以作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发等过程的热源。要保证锅炉的正常的运行，将锅炉的汽包水位稳定在一定的高度非常重要：如果汽包水位过低，由于汽包内的水量较少而蒸汽的需求量却很大，加上水的汽化速度很快，使得汽包内的水量变化迅速，如不及时控制，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧坏和爆炸；水位过高，则影响汽包内的汽水分离，使蒸汽夹带水分，对后续生产设备造成影响和破坏。因此，要维持汽包水位在规定的值上，根据物料平衡原理，就必须保证锅炉的给水量和蒸汽的排出量相等。当蒸汽负荷发生变化而给水量不变时，锅炉水位将会发生变化；或当给水压力发生变化而负荷不变时，锅炉水位也将会偏离规定的数值。1.2控制系统的组成1.2.1过程装备的控制图1－1锅炉水位控制示意图（a）人工控制（b）自动控制在图1－1（a）的人工控制系统中，首先眼睛观察安装在锅炉汽包上的玻璃管液位计中的水位数值，经大脑思考，将观测到的数据与规定的数值进行比较，得到偏差，并根据此差值的大小及变化趋势决定如何操作给水阀门，最后按思考的结果用手开大或关小给水阀门。当过程参数变化较快或操作条件要求苛刻的时候，这种控制方法就很难满足控制要求。与人工控制不同,图1-1(b)的锅炉汽包水位自动控制系统中,采用过程测量仪表(本图为差压变送器的测量器)代替人眼的观测得到水位数据,通过信号转换及传输装置(本图为差压变送器)将该数据送到过程控制仪表(本图为液位调节器)。控制仪表（也称调节仪表）相当于人工控制中人的大脑，将变送器送来的信号与预定的水位信号进行比较得到两者的偏差，然后根据一定的控制算法（即调节器的调节规律）对该偏差加以计算得到相应的控制信号，将该信号传送到执行器（一般为自动调节阀），执行器根据控制信号的大小调节给水阀，改变给水量的大小。如此反复调节，直到水位回复到规定的高度上，完成水位的自动控制。比较自动控制与人工控制：在自动控制系统中，测量仪表,控制仪表，自动调节阀分别代表了人工控制中人的观察，思考和手动操作，因而大大降低了人的劳动强度；同时由于仪表的信号测量、运算、传输、动作速度远远高于人的观察，思考和操作过程，因此自动控制可以满足信号变化速度快，控制要求高的场合。1.2.2控制系统的组成从上面锅炉汽包水位的自动控制系统中可以看出，一个自动控制系统主要由两大部分组成：一部分是起控制作用的全套自动控制系统，它包括测量仪表，变送器，控制仪表以及执行器等；另一部分是自动控制装置下的生产设备，即被控对象如锅炉、反应器、换热器等。图1－1（b）中，锅炉、差压便送器、调节器、执行器等构成了一个完整的自动控制系统。系统各部分的作用如下。被控对象：在自动控制系统中，工艺变量需要控制的生产设备或机器称为被控对象，简称对象。在化工生产中，各种塔器、反应器、泵、压缩机以及各种容器。贮罐、贮槽、甚至一段输送流体的管道或复杂塔器（如精馏塔）的某一部分都可以是被控对象。图1－1的锅炉即为汽包水位控制系统中的被控对象。测量元件和变送器：测量需控制的工艺参数并将其转化为一种特定信号（电流信号或气压信号）的仪器，在自动控制系统中起着“眼睛”的作用，因此要求准确、及时、灵敏。调节器：又称控制器，它将检测元件或变送器送来的信号与其内部的工艺参数给定值进行比较，得到偏差信号；根据这个偏差的大小按一定的运算规律计算出控制信号，并将控制信号传送给执行器。执行器：接受调节器送来的信号，自动地改变阀门的开度，从而改变输送给被控对象的能量或物料。最常用的执行器是气动薄膜调节器。当采用电动调节器时，调节阀上还需增加一个电气转换器。在一个自动控制系统中，上述四个部分是必不可少的。除此之外，还有一些辅助装置，例如给定装置、转换装置、显示仪表等。其中显示仪表可以是单独的仪表，有时也可以是测量仪表、变送器和调节器里附有的显示部分。控制系统中一般不单独说明辅助装置。1.3控制系统的方框图在研究控制系统时，为了能够更清楚表示出控制系统中各个组成部分之间的相互影响和信息联系，一般用方框图来表示控制系统的组成和作用。如图1－2所示为一简单控制系统的方框图。图中的每一个方框代表系统的一个组成部分，称为“环节”。环节具有单向性，即任何环节只能由输入得到输出，不能逆行。连接两个环节的带箭头的线条表示控制系统中传递的信息，也就是系统中各环节输入输出的变量。箭头指出了信息的作用方向：箭头送入的信息为该环节的输入信号，箭头送出的信息为该环节的输出信号。每一个环节输出信号与输入信号之间的关系仅取决于该环节的自身特性。从整个系统来看，给定值信号和干扰信号是输入信号，被控变量或其测量值是系统的输出信号。方框图中的圆圈称为“加法器”，用于信号相加或相减，当两个信号相减，即e=Ys-Ym，又成为比较元件。下面对方框图中出现的一些控制系统常用术语加以解释说明。被控变量y：指需要控制的工艺参数，如锅炉汽包的水位、反应器的温度、燃料流量等。它是被控对象的输出信号。在控制系统方框图中，它也是自动控制系统的输出信号。但它是理论上的真实值，由测量变送器输出的信号是被控变量的测量值Ym。给定值（或设定值）Ys：对应于生产过程中被控变量的期望值。当其值由工业调节器内部给出时称为内给定值。最常见的内给定值是一个常数，它对应于被控变量所需保持的工艺参数值；当其值产生于外界某一装置，并输入至调节器时称为外给定值。测量值Ym：由检测元件得到的被控变量的实际值。操纵变量（或控制变量）m：受控于调节阀，用以克服干扰影响，具体实现控制作用的变量称为操纵变量，它是调节阀的输出信号。在图1－1所示的例子中，就是锅炉的给水流量。化工、炼油等工厂流过调节阀的各种物料或能量，或者由触发器控制的电压或电流都可以作为操纵变量。干扰（或外界干扰）f：引起被控变量偏离给定值的，除操纵变量以外的各种因素。最常见的干扰因素是负荷改变，电压、电流的波动，气候变化等。锅炉水位控制中，蒸汽用量的变化就是一种干扰。偏差信号e：在理论上应该是被控变量的实际值与给定值之差，自动控制系统的分类方法有很多。例如，按被控变量的不同，可以分为温度控制系统、流量控制系统、压力控制系统、液位控制系统、成分控制系统等。按调节器的控制规律来分类，可分为比例控制系统、比例积分控制系统、比例微分控制系统、比例微分积分控制系统等。但是，在分析自动控制系统的特性时，常常采用下述几种分类方法。而能够直接获取的信息是被控变量的测量值。因此，通常把给定值与测量值的差作为偏差，即e=ys－ym。在反馈控制系统中，调节器根据偏差信号的大小去控制操纵变量。控制信号u控制器将偏差按一定规律计算得到的量。1.4控制系统系统的分类1.4.1按给定值的特点划分定值控制系统：定值控制系统的给定值是恒定不变的，因此称为“定值”。控制系统的输出（即被控变量）应稳定在与给定值相对应的工艺指标上，或在规定工艺的上下一定范围内变化