過程控制系統(tǒng)概述

1、過程控制系統(tǒng)概述金川集團(tuán)自動化公司服務(wù)部10.1 過程控制的要求與任務(wù)0.2 過程控制的發(fā)展與趨勢0.3化工生產(chǎn)過程自動化的主要內(nèi)容緒論20.1 過程控制的要求與任務(wù)0.1.1什么是自動控制和過程控制所謂自動控制就是在沒有人直接參與的情況下，自動控制裝置使受控對象自動地按預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。受控對象：可以是飛機(jī)、輪船、機(jī)械設(shè)備、或某個(gè)生產(chǎn)過程。要實(shí)現(xiàn)自動控制，自動化裝置必須有自動檢測、自動判斷、自動操作，才能保證自動控制的進(jìn)行。3 生產(chǎn)過程的總目標(biāo)，是在可能獲得的原料和能源條件下，以最經(jīng)濟(jì)的途徑將原料加工成預(yù)期的合格產(chǎn)品。為了達(dá)到該目標(biāo)，必須對生產(chǎn)過程物流變化的信息進(jìn)行監(jiān)視與控制。 0.1.2工業(yè)

2、生產(chǎn)過程的總目標(biāo)伴隨物流變化的信息有體現(xiàn)物流性質(zhì)的信息體現(xiàn)操作條件的信息（物理特性和化學(xué)成分）（溫度、壓力、流量、液位或物位等）4 對工業(yè)生產(chǎn)過程中過程參數(shù)的控制，稱為過程控制，它是自動控制學(xué)科的一個(gè)重要分支。工藝生產(chǎn)過程的五大參數(shù)溫度、壓力、流量、液位(或物位)、成分和物性等參數(shù)過程控制覆蓋許多工業(yè)部門諸如石油、化工、冶金、煉焦、造紙、建材、輕工、紡織、陶瓷、食品及電力等等，因而，過程控制在國民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的地位。5工業(yè)生產(chǎn)對過程控制的要求（3）經(jīng)濟(jì)性過程控制的任務(wù)是在充分了解、掌握生產(chǎn)過程的工藝流程和生產(chǎn)機(jī)理的基礎(chǔ)上，按安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的要求建立過程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的控制目標(biāo)。

3、（1）安全性（2）穩(wěn)定性6過程控制的主要目標(biāo)應(yīng)包括以下幾個(gè)方面： 保障生產(chǎn)過程的安全和平穩(wěn)； 達(dá)到預(yù)期的產(chǎn)量和質(zhì)量； 盡可能地減少原材料和能源損耗； 把生產(chǎn)對環(huán)境的危害降低到最小程度。0.1.3過程控制的目的生產(chǎn)過程自動化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低消耗、降低成本、改善勞動條件、促進(jìn)文明生產(chǎn)、保證生產(chǎn)安全和提高勞動生產(chǎn)率的重要手段，是20世紀(jì)科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步的特征，是工業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)記之一。7如：工業(yè)生產(chǎn)中常見的鍋爐汽包水位控制圖0.1 鍋爐汽包示意圖汽包內(nèi)的液（水）位是一個(gè)非常重要的工藝參數(shù)。過高：影響蒸汽蒸發(fā)空間過低：容易干鍋燃壞設(shè)備為了保持液位為定值，手工控制時(shí)主要有三步：1、用眼觀察水位變化2、用

4、腦思考判斷水位情況3、用手調(diào)節(jié)給水閥門8鍋爐汽包水位自動控制圖0.2 鍋爐汽包液位自動控制LT代替眼睛的液位測量變送裝置LC代替人大腦的液位控制器代替人手的液位執(zhí)行器執(zhí)行器（也稱控制器）控制流程圖上常用的字母代號P245這些自動控制裝置和被控的工藝對象組成了一套過程控制系統(tǒng)。90.1.4過程控制系統(tǒng)特點(diǎn)生產(chǎn)過程的自動控制，一般是要求過程進(jìn)行中的有關(guān)參數(shù)保持為一定值或按一定規(guī)律變化。顯然，過程參數(shù)的變化，不但受外界條件的影響，它們之間往往也相互影響，這就增加了過程參數(shù)自動控制的復(fù)雜性和難度。 (3) 被控過程是多參數(shù)的漸變控制過程過程控制特點(diǎn)(1)被控過程的多樣性(2) 控制方案的多樣性100.

5、2 過程控制的發(fā)展與趨勢0.2.1 自動控制理論的發(fā)展歷程20世紀(jì)40年代開始形成的控制理論被稱為“20世紀(jì)上半葉三大偉績之一”，在自動化的發(fā)展中的特點(diǎn)：第一，任務(wù)的需要、理論的開拓與技術(shù)手段的進(jìn)展三者相互推動，相互促進(jìn)第二，自動化技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)，控制論更是一門廣義的學(xué)科，在各行各業(yè)的領(lǐng)域，移植和借鑒起了交流匯合的作用11有人把20世紀(jì)30年代末這段時(shí)期的控制理論稱為第一代控制理論。這時(shí)候的系統(tǒng)（包括過程控制系統(tǒng)）是簡單控制系統(tǒng)，儀表是基地式、大尺寸的。第二次世界大戰(zhàn)前后，控制理論有了很大發(fā)展，以微分方程分析法、頻率特性分析法、根軌跡分析法為主體的經(jīng)典控制理論發(fā)展到了成熟的階段，這是第

6、二代控制理論。此時(shí)，自動控制技術(shù)開始形成一套完整的，以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的，對單輸入、單輸出控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)的理論。12古典控制理論最輝煌的成果之一要首推PID控制規(guī)律。PID控制原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，對無時(shí)間延遲的單回路控制系統(tǒng)極為有效。目前，工業(yè)過程控制中8090的系統(tǒng)還使用PID控制規(guī)律。為適應(yīng)多種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的需要，在控制器方面，單元組合式儀表應(yīng)運(yùn)而生。在20世紀(jì)6070年代的相當(dāng)長的一段時(shí)期內(nèi)，氣動單元組合儀表（QDZ）和電動單元組合儀表（DDZ）是控制儀表的主流。1320世紀(jì)60年代，現(xiàn)代控制理論迅猛發(fā)展，它是以狀態(tài)空間分析法為基礎(chǔ)、以極小值原理和動態(tài)規(guī)劃等最優(yōu)控制理論為特征。這是第三

7、代控制理論。第三代控制理論在航天、航空、制導(dǎo)等領(lǐng)域取得了輝煌的成果，在過程控制領(lǐng)域也有所移植，但不普遍。從20世紀(jì)70年代開始，為了解決大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化與控制問題，逐步發(fā)展形成了大系統(tǒng)理論。其核心思想是系統(tǒng)的分解與協(xié)調(diào)。多級遞階優(yōu)化與控制是大系統(tǒng)理論應(yīng)用的典范。實(shí)際上，大系統(tǒng)理論仍未突破現(xiàn)代控制理論的思想與框架，除了高維線性系統(tǒng)之外，它對其他復(fù)雜控制系統(tǒng)仍然束手無策。140.2 .2 過程控制系統(tǒng)的發(fā)展與趨勢從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看，過程控制已經(jīng)經(jīng)歷了四個(gè)階段。 1 、基地式控制階段（初級階段） 20世紀(jì)50年代，生產(chǎn)過程自動化主要是憑生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，局限于一般的控制元件及機(jī)電式控制儀器，采用比較笨重

8、的基地式儀表（如自力式溫度控制器、就地式液位控制器等），實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備就地分散的局部自動控制。 過程控制的目的主要是幾種熱工參數(shù)（如溫度、壓力、流量及液位）的定值控制152、單元給合儀表自動化階段 20世紀(jì)50年代出現(xiàn)了單元組合儀表給成的控制系統(tǒng)。單元組合儀表有電動和氣動兩大類。單元組合儀表間用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的信號聯(lián)系。 氣動儀表（QDZ系列）信號：20100kPa氣壓信號。電動儀表信號：010mA（DDZ II ） 420 mA（DDZ III ） 單元組合儀表組成的控制系統(tǒng)，其控制策略主要是PID控制和常規(guī)的復(fù)雜控制系統(tǒng)。如：串級、均勻、比值、前饋、分程等控制系統(tǒng)。已使用30多年，目前仍廣泛使用。

9、3163、計(jì)算機(jī)控制的初級階段 20世紀(jì)70年代出現(xiàn)直接數(shù)字控制（DDC），代替常規(guī)的控制儀表實(shí)現(xiàn)集中控制。 但由于集中控制的缺陷，未能普及與推廣就被集散控制系統(tǒng)（DCS）所替代。 DCS在硬件上將控制回路分散化，數(shù)據(jù)顯示、實(shí)時(shí)監(jiān)督等功能集中化，有利于安全平穩(wěn)生產(chǎn)。 就控制策略而言，DCS仍以簡單PID控制為主，再加上一些復(fù)雜的控制算法，并沒有充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的功能和控制水平。174、 綜合自動化階段20世紀(jì)80年代以后出現(xiàn)二級優(yōu)化控制，在DCS的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)先進(jìn) 控制和優(yōu)化控制。在硬件上采用上位機(jī)和DCS（或電動單元組合儀表）相 結(jié)合，構(gòu)成二級計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制。隨著計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，DCS出

10、現(xiàn)了開放式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多層次計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的管控一體化系統(tǒng)（CIPS）。同時(shí)，以現(xiàn)場總線為標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)以微處理器為基礎(chǔ)的現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)之間進(jìn)行全數(shù)字化、雙向和多站通信的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（FCS）。FCS將對控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)帶來革命性變革，開辟控制系統(tǒng)的新紀(jì)元。 當(dāng)前自動控制系統(tǒng)發(fā)展的一些主要特點(diǎn)是：生產(chǎn)裝置實(shí)施先進(jìn)控制成為發(fā)展主流；過程優(yōu)化受到普遍關(guān)注；傳統(tǒng)的DCS正在走向國際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的開放式系統(tǒng)；綜合自動化系統(tǒng)（CIPS）是發(fā)展方向。180.3生產(chǎn)過程自動化的主要內(nèi)容1、自動檢測采用自動檢測裝置，能連續(xù)不斷地檢查生產(chǎn)中各種參數(shù)的數(shù)值，并能自動地將這些參數(shù)的變化情況隨時(shí)指示和記錄下來，讓工藝人員在遠(yuǎn)離生產(chǎn)現(xiàn)場的控制室對工藝生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控和管理。192、自動控制當(dāng)生產(chǎn)過程中的狀態(tài)參數(shù)偏離工藝生產(chǎn)的正常值時(shí)，會影響生產(chǎn)過程的安全和產(chǎn)品的質(zhì)量。通過自動控制系統(tǒng)，就可以對這些參數(shù)進(jìn)行自動檢測、自動判斷，再自動控制，將這些參數(shù)調(diào)回到正常的工作范圍，維持生產(chǎn)過程的