化工儀表及自動(dòng)化第1章

1、化工儀表及自動(dòng)化,第一章 自動(dòng)控制系統(tǒng)基本概念,內(nèi)容提要,化工自動(dòng)化的主要內(nèi)容 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和品質(zhì)指標(biāo) 控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài) 控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程 控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo) 影響控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)的主要因素,1,內(nèi)容提要,工藝管道及控制流程圖 圖形符號(hào) 字母代號(hào) 儀表位號(hào),2,第一節(jié) 化工自動(dòng)化的主要內(nèi)容,1. 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng) 2. 自動(dòng)信號(hào)和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng) 3. 自動(dòng)操縱及自動(dòng)開(kāi)停車系統(tǒng) 4. 自動(dòng)控制系統(tǒng),3,當(dāng)工藝參數(shù)超過(guò)了允許范圍，在事故即將發(fā)生以前，信號(hào)系統(tǒng)就自動(dòng)地發(fā)出聲光信號(hào)，告誡操作人員注意，并及采取措施。如工況已到達(dá)危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)

2、，聯(lián)鎖系統(tǒng)立即自動(dòng)采取緊急措施，打開(kāi)安全閥或切斷某些通路，必要時(shí)緊急停車，以防止事故的發(fā)生和擴(kuò)大。它是生產(chǎn)過(guò)程中的一種安全裝置。,自動(dòng)操縱系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)先規(guī)定的步驟自動(dòng)地對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)某周期性操作。自動(dòng)開(kāi)停車系統(tǒng)可以按照預(yù)先規(guī)定好的步驟，將生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)地投入運(yùn)行或自動(dòng)停車。,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖,4,圖1-2 人工操作圖,圖1-3 液位自動(dòng)控制系統(tǒng)圖,人工操作與自動(dòng)控制比較圖,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖,自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成,5,組 成,自動(dòng)化裝置,被控對(duì)象,測(cè)量元件與變送器,自動(dòng)控制器,執(zhí)行器,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖,液位自動(dòng)控制的方塊圖 在研究自動(dòng)

3、控制系統(tǒng)時(shí)，為了便于對(duì)系統(tǒng)分析研究，一般都用方塊圖來(lái)表示控制系統(tǒng)的組成。 下頁(yè)圖為液位自動(dòng)控制系統(tǒng)地方塊圖每個(gè)環(huán)節(jié)表示組成系統(tǒng)的一個(gè)部分，稱為“環(huán)節(jié)”。兩個(gè)方塊之間用一條帶有箭頭的線條表示其信號(hào)的相互關(guān)系，箭頭指向方塊表示為這個(gè)環(huán)節(jié)的輸入，箭頭離開(kāi)方塊表示為這個(gè)環(huán)節(jié)的輸出。線旁的字母表示相互間的作用信號(hào)。,6,方塊圖中， x 指設(shè)定值；z 指輸出信號(hào)；e 指偏差信號(hào)；p 指發(fā)出信號(hào)；q 指出料流量信號(hào)；y 指被控變量；f 指擾動(dòng)作用。當(dāng)x 取正值，z取負(fù)值，e= x- z，負(fù)反饋；x 取正值，z取正值， e= x+ z，正反饋。,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖,液位自動(dòng)控制的方塊圖,圖

4、1-4 液位自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖,7,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖,其他控制系統(tǒng) 用同一種形式地方塊圖可以代表不同的控制系統(tǒng),圖1-5 蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng),當(dāng)進(jìn)料流量或溫度變化等因素引起出口物料溫度變化時(shí)，可以將該溫度變化測(cè)量后送至溫度控制器TC。溫度控制器的輸出送至控制閥，以改變加熱蒸汽量來(lái)維持出口物料的溫度不變。,這個(gè)控制系統(tǒng)同樣可以用上頁(yè)中的方塊圖表示,8,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖,注意！方塊圖中的每一個(gè)方塊都代表一個(gè)具體的裝置。,9,方塊與方塊之間的連接線，只是代表方塊之間的信號(hào)聯(lián)系，并不代表方塊之間的物料聯(lián)系。方塊之間連接線的箭頭也只是代表信號(hào)作用的方向，與

5、工藝流程圖上的物料線是不同的。 工藝流程圖上的物料線是代表物料從一個(gè)設(shè)備進(jìn)入另一個(gè)設(shè)備，而方塊圖上的線條及箭頭方向有時(shí)并不與流體流向相一致。 自動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng),第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖,小結(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)是具有被控變量負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。 與自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)操縱等開(kāi)環(huán)系統(tǒng)比較，最本質(zhì)的區(qū)別，就在于自動(dòng)控制系統(tǒng)有負(fù)反饋，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，被控（工藝）變量是不反饋到輸入端的。,10,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖,小結(jié),11,第三節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,幾種分類方法 按被控變量來(lái)分類，如溫度、壓力等控制系統(tǒng)； 按控制器具有的控制規(guī)律來(lái)分類，如比例、比例積分、比例微分、比例積分

6、微分等控制系統(tǒng)； 將控制系統(tǒng)按照工藝過(guò)程需要控制的被控變量的給定值是否變化和如何變化來(lái)分類，這樣可將自動(dòng)控制系統(tǒng)分為三類，即定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。,12,其中第三種分類方法最普遍,第三節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,“定值” 是恒定給定值的簡(jiǎn)稱。工藝生產(chǎn)中，若要求控制系統(tǒng)的作用是使被控制的工藝參數(shù)保持在一個(gè)生產(chǎn)指標(biāo)上不變，或者說(shuō)要求被控變量的給定值不變，就需要采用定值控制系統(tǒng)。,13,1.定值控制方法,2.隨動(dòng)控制系統(tǒng)（自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)）,給定值隨機(jī)變化，該系統(tǒng)的目的就是使所控制的工藝參數(shù)準(zhǔn)確而快速地跟隨給定值的變化而變化。,第三節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,3.程序控制系統(tǒng)（順序控制系統(tǒng)）

7、,給定值變化，但它是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，即生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)需按一定的時(shí)間程序變化。這類系統(tǒng)在間歇生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用比較普通。,14,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和品質(zhì)指標(biāo),一、控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài),15,自動(dòng)控制目的：希望將被控變量保持在一個(gè)不變的給定值上，這只有當(dāng)進(jìn)入被控對(duì)象的物料量（或能量）和流出對(duì)象的物料量（或能量）相等時(shí)才有可能。,靜態(tài)被控變量不隨時(shí)間而變化的平衡狀態(tài)（變化率為0，不是靜止）。,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和品質(zhì)指標(biāo),當(dāng)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入（給定和干擾）和輸出均恒定不變時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)就處于一種相對(duì)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，系統(tǒng)的各個(gè)組成環(huán)節(jié)如變送器、控制器、控制閥都不改變其原先的狀態(tài)

8、，它們的輸出信號(hào)也都處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，這種狀態(tài)就是靜態(tài)。,16,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和品質(zhì)指標(biāo),17,動(dòng)態(tài)被控變量隨時(shí)間變化的不平衡狀態(tài) 。,從干擾作用破壞靜態(tài)平衡，經(jīng)過(guò)控制，直到系統(tǒng)重新建立平衡，在這一段時(shí)間中，整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)和信號(hào)都處于變動(dòng)狀態(tài)之中，這種狀態(tài)叫做動(dòng)態(tài)。,結(jié)論：在自動(dòng)化工作中，了解系統(tǒng)的靜態(tài)是必要的，但是了解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)更為重要。因?yàn)樵谏a(chǎn)過(guò)程中，干擾是客觀存在的，是不可避免的，就需要通過(guò)自動(dòng)化裝置不斷地施加控制作用去對(duì)抗或抵消干擾作用的影響，從而使被控變量保持在工藝生產(chǎn)所要求控制的技術(shù)指標(biāo)上。,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和品質(zhì)指標(biāo),二、控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程 系

9、統(tǒng)由一個(gè)平衡狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過(guò)程。,18,當(dāng)干擾作用于對(duì)象，系統(tǒng)輸出y發(fā)生變化，在系統(tǒng)負(fù)反饋?zhàn)饔孟?，?jīng)過(guò)一段時(shí)間，系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡。,舉例,圖1-7 控制系統(tǒng)方塊圖,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和品質(zhì)指標(biāo),系統(tǒng)在過(guò)渡過(guò)程中，被控變量是隨時(shí)間變化的。被控變量隨時(shí)間的變化規(guī)律首先取決于作用于系統(tǒng)的干擾形式。 在生產(chǎn)中，出現(xiàn)的干擾是沒(méi)有固定形式的，且多半屬于隨機(jī)性質(zhì)。在分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，為了安全和方便，常選擇一些定型的干擾形式，其中常用的是階躍干擾。,19,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和品質(zhì)指標(biāo),采用階躍干擾的優(yōu)點(diǎn)： 這種形式的干擾比較突然、危險(xiǎn)，且對(duì)被控變量的影響也最大。如果一個(gè)

10、控制系統(tǒng)能夠有效地克服這種類型的干擾，那么一定能很好地克服比較緩和的干擾。 這種干擾的形式簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，便于分析、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算。,圖1-8 階躍干擾作用,20,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和品質(zhì)指標(biāo),自動(dòng)控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下過(guò)渡過(guò)程的四種形式,21,非周期衰減過(guò)程,衰減震蕩過(guò)程,等幅震蕩過(guò)程,發(fā)散震蕩過(guò)程,X,？,對(duì)于控制質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合，如果被控變量允許在工藝許可的范圍內(nèi)振蕩（主要指在位式控制時(shí)），才可采用。,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和品質(zhì)指標(biāo),三、控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo) 控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程是衡量品質(zhì)的依據(jù)。,22,圖1-10 過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)指標(biāo)示意圖,假定自動(dòng)控制系統(tǒng)在階躍輸入作用

11、下，被控變量的變化曲線如上圖所示，這是屬于衰減振蕩的過(guò)渡過(guò)程,多數(shù)情況下，希望得到衰減振蕩過(guò)程，在此取這種過(guò)程形式討論控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)。,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和品質(zhì)指標(biāo),23,五種重要品質(zhì)指標(biāo)之一,1. 最大偏差或超調(diào)量,最大偏差是指在過(guò)渡過(guò)程中，被控變量偏離給定值的最大數(shù)值。在衰減振蕩過(guò)程中，最大偏差就是第一個(gè)波的峰值。特別是對(duì)于一些有約束條件的系統(tǒng)，如化學(xué)反應(yīng)器的化合物爆炸極限、觸媒燒結(jié)溫度極限等，都會(huì)對(duì)最大偏差的允許值有所限制。 超調(diào)量也可以用來(lái)表征被控變量偏離給定值的程度。,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和品質(zhì)指標(biāo),2. 衰減比 衰減比是衰減程度的指標(biāo)，它是前后相鄰兩個(gè)峰值

12、的比。習(xí)慣表示為 n:1，一般 n 取為410之間為宜。,五種重要品質(zhì)指標(biāo)之二,24,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和品質(zhì)指標(biāo),五種重要品質(zhì)指標(biāo)之三 3. 余差 當(dāng)過(guò)渡過(guò)程終了時(shí)，被控變量所達(dá)到的新的穩(wěn)態(tài)值與給定值之間的偏差叫做余差，或者說(shuō)余差就是過(guò)渡過(guò)程終了時(shí)的殘余偏差。有余差的控制過(guò)程稱為有差調(diào)節(jié)，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為有差系統(tǒng)。反之就為無(wú)差調(diào)節(jié)和無(wú)差系統(tǒng)。,25,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和品質(zhì)指標(biāo),五種重要品質(zhì)指標(biāo)之四 4. 過(guò)渡時(shí)間 從干擾作用發(fā)生的時(shí)刻起，直到系統(tǒng)重新建立新的平衡時(shí)止，過(guò)渡過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間叫過(guò)渡時(shí)間。一般在穩(wěn)態(tài)值的上下規(guī)定一個(gè)小范圍，當(dāng)被控變量進(jìn)入該范圍并不再越出時(shí)，就

13、認(rèn)為被控變量已經(jīng)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值，或者說(shuō)過(guò)渡過(guò)程已經(jīng)結(jié)束這個(gè)范圍一般定為穩(wěn)態(tài)值的（也有的規(guī)定為）。,26,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和品質(zhì)指標(biāo),五種重要品質(zhì)指標(biāo)之五 5.震蕩周期或頻率 過(guò)渡過(guò)程同向兩波峰（或波谷）之間的間隔時(shí)間叫振蕩周期或工作周期，其倒數(shù)稱為振蕩頻率。在衰減比相同的情況下，周期與過(guò)渡時(shí)間成正比，一般希望振蕩周期短一些為好。,27,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和品質(zhì)指標(biāo),28,某換熱器的溫度控制系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下的過(guò)渡過(guò)程曲線如下圖所示。試分別求出最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過(guò)渡時(shí)間（給定值為200）。,舉例,圖1-11 溫度控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程曲線,第四節(jié) 自動(dòng)控

14、制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和品質(zhì)指標(biāo),解 最大偏差A(yù)230-20030余差C205-200 由圖上可以看出，第一個(gè)波峰值B230-20525， 第二個(gè)波峰值B2102055， 故衰減比應(yīng)為B:B25:55:1。 振蕩周期為同向兩波峰之間的時(shí)間間隔， 故周期T20-515（min）,29,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和品質(zhì)指標(biāo),分析 過(guò)渡時(shí)間與規(guī)定的被控變量限制范圍大小有關(guān)，假定被控變量進(jìn)入額定值的2，就可以認(rèn)為過(guò)渡過(guò)程已經(jīng)結(jié)束，那么限制范圍為200（2）4，這時(shí)，可在新穩(wěn)態(tài)值（205）兩側(cè)以寬度為畫(huà)一區(qū)域，上圖中以畫(huà)有陰影線的區(qū)域表示，只要被控變量進(jìn)入這一區(qū)域且不再越出，過(guò)濾過(guò)程就可以認(rèn)為已經(jīng)結(jié)束。因

15、此，從圖上可以看出，過(guò)渡時(shí)間為22min。,30,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和品質(zhì)指標(biāo),四、影響控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)的主要因素,31,一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)可以概括成兩大部分，即工藝過(guò)程部分（被控對(duì)象）和自動(dòng)化裝置部分。前者指與該自動(dòng)控制系統(tǒng)有關(guān)的部分。后者指為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制所必需的自動(dòng)化儀表設(shè)備，通常包括測(cè)量與變送裝置、控制器和執(zhí)行器等三部分。,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和品質(zhì)指標(biāo),對(duì)于一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)的好壞，在很大程度上決定于對(duì)象的性質(zhì)。例如在前所述的溫度控制系統(tǒng)中，屬于對(duì)象性質(zhì)的主要因素有：換熱器的負(fù)荷大小，換熱器的結(jié)構(gòu)、尺寸、材質(zhì)等，換熱器內(nèi)的換熱情況、散熱情況及結(jié)垢程度

16、等。不同自動(dòng)化系統(tǒng)要具體分析。,32,第五節(jié) 工藝管道及控制流程圖,工藝流程和控制方案的確定后， 根據(jù)工藝設(shè)計(jì)給出的流程圖， 按其流程順序標(biāo)注出相應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)、控制點(diǎn)、控制系統(tǒng)及自動(dòng)信號(hào)與聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)等， 便成了工藝管道及控制流程圖 （PID圖）。,33,第五節(jié) 工藝管道及控制流程圖,34,圖1-12脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖舉例,右圖是乙烯生產(chǎn)過(guò)程中脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖,舉例,第五節(jié) 工藝管道及控制流程圖,一、圖形符號(hào) 1. 測(cè)試點(diǎn)（包括檢出元件、取樣點(diǎn)）,35,檢試點(diǎn)是由工藝設(shè)備輪廓線或工藝管線引到儀表圓圈的連接線的起點(diǎn)，一般無(wú)特定的圖形符號(hào)，如下圖所示。必要時(shí)，檢測(cè)元件也可以

17、用象形或圖形符號(hào)表示。,圖1-13 測(cè)試點(diǎn)的一般表示方法,第五節(jié) 工藝管道及控制流程圖,2. 連接線,36,通用的儀表信號(hào)線均以細(xì)實(shí)線表示。連接線表示交叉及相接時(shí)，采用下圖的形式。必要時(shí)也可用加箭頭的方式表示信號(hào)的方向。在需要時(shí)，信號(hào)線也可按氣信號(hào)、電信號(hào)、導(dǎo)壓毛細(xì)管等采用不同的表示方式以示區(qū)別。,圖1-14 聯(lián)系線的表示法,第五節(jié) 工藝管道及控制流程圖,3. 儀表（包括檢測(cè)、顯示、控制）的圖形符號(hào) 儀表的圖形符號(hào)是一個(gè)細(xì)實(shí)線圓圈，直徑約10mm，對(duì)于不同的儀表安裝位置的圖形符號(hào)如下表所示。,37,第五節(jié) 工藝管道及控制流程圖,38,表1-1 儀表安裝位置的圖形符號(hào)表示,第五節(jié) 工藝管道及控制

18、流程圖,39,對(duì)于處理兩個(gè)或兩個(gè)以上被測(cè)變量，具有相同或不同功能的復(fù)式儀表時(shí)，可用兩個(gè)相切的圓或分別用細(xì)實(shí)線圓與細(xì)虛線圓相切表示（測(cè)量點(diǎn)在圖紙上距離較遠(yuǎn)或不在同一圖紙上），如下圖所示。,圖1-15 復(fù)式儀表的表示法,第五節(jié) 工藝管道及控制流程圖,二、字母代號(hào),在控制流程圖中，用來(lái)表示儀表的小圓圈的上半圓內(nèi)，一般寫(xiě)有兩位（或兩位以上）字母，第一位字母表示被測(cè)變量，后繼字母表示儀表的功能，常用字母代號(hào)見(jiàn)下表。,40,表1-2 被測(cè)變量和儀表功能的字母代號(hào),41,第五節(jié) 工藝管道及控制流程圖,42,舉例,以脫乙烷塔控制流程圖，來(lái)說(shuō)明如何以字母代號(hào)的組合來(lái)表示被測(cè)變量和儀表功能。,塔頂?shù)膲毫刂葡到y(tǒng)中的PIC-207，其中第一位字母P表示被測(cè)變量為壓力，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的組合就表示一臺(tái)具有指示功能的壓力控制器。該控制系統(tǒng)是通過(guò)改變氣相采出量來(lái)維持塔壓穩(wěn)定的。,第五節(jié) 工藝管道及控制流程圖,回流罐液位控