過(guò)程控制及集散控制系統(tǒng)概述的課件

1、.1過(guò)程控制與集散控制系統(tǒng).2教材及參考書(shū)：教材自編講義：JX-300X DCS系統(tǒng)參考書(shū)：郭陽(yáng)寬，王正林編著，過(guò)程控制工程及仿真基于MatlabSimulink，電子工業(yè)出版社，2009.4參考書(shū)：俞金壽，孫自強(qiáng)，過(guò)程控制系統(tǒng)，機(jī)械工業(yè)出版社，2008.8.3教學(xué)安排過(guò)程控制及集散控制系統(tǒng)概述JX-300X集散控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng)-基本控制算法單回路PID、串級(jí)控制比值、前饋純滯后、解耦、預(yù)測(cè)控制均勻控制、選擇性控制、分程控制CS3000集散控制系統(tǒng)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)及討論.4成績(jī)?cè)u(píng)定平時(shí)50%+期末50%平時(shí)：課堂習(xí)題課外作業(yè)仿真練習(xí)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)名網(wǎng)絡(luò)課程平臺(tái)的提問(wèn)、討論加分獎(jiǎng)勵(lì)（5-10分）課堂討論

2、.51.1 過(guò)程控制系統(tǒng)？及其特點(diǎn)1.2 單回路過(guò)程控制系統(tǒng)的組成1.3 控制平臺(tái)的類(lèi)型*1.4 單回路過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)要點(diǎn)1.5 總結(jié) 1 過(guò)程控制及集散控制系統(tǒng)概述 .61.1 什么是過(guò)程控制系統(tǒng)？過(guò)程自動(dòng)化過(guò)程控制，過(guò)程控制系統(tǒng)電氣自動(dòng)化電氣控制，電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)控制對(duì)象不同：過(guò)程控制：工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的物理量以溫度、壓力、流量、液位和成分等工藝參數(shù)作為被控變量的自動(dòng)控制。電氣控制：電動(dòng)機(jī)（直流、交流）.7典型流程工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程化工單元過(guò)程煉油生產(chǎn)過(guò)程火電生產(chǎn)過(guò)程控制制漿造紙過(guò)程控制啤酒及中藥生產(chǎn)水處理過(guò)程控制等.8流程工業(yè)（Flow industry）也叫過(guò)程工業(yè)（Process

3、Industry）通常指化工、石化、煉油、鋼鐵、冶金、造紙、制藥、食品、電力等連續(xù)生產(chǎn)行業(yè)在整個(gè)制造業(yè)中所占比重大占全國(guó)工業(yè)總產(chǎn)值的70以上91年以來(lái)流程工業(yè)的產(chǎn)品銷(xiāo)售額前10名中占80-90%, 利潤(rùn)前20名中占70%市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)流程工業(yè)的壓力不斷增大.9典型工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程舉例-乙酸乙酯生產(chǎn)過(guò)程原料：乙酸、乙醇產(chǎn)品：乙酸乙酯工藝：1.酯化反應(yīng)2.中和3.萃取精餾4.萃取劑回收.10乙酸乙酯生產(chǎn)過(guò)程反應(yīng)釜（酯化反應(yīng)）乙酸乙醇催化劑磷鉬酸夾套溫度：130-140釜內(nèi)溫度：80-90反應(yīng)時(shí)間：2-3小時(shí)中和釜碳酸鈉飽和溶液乙酸乙醇乙酸乙酯輕相重相中和過(guò)量乙酸，溶解乙醇乙酸乙酯、微量的乙醇、水過(guò)量的碳酸

4、鈉中和反應(yīng)產(chǎn)生乙酸鈉、和乙醇.11乙酸乙酯生產(chǎn)過(guò)程輕相乙酸乙酯、微量的乙醇、水篩板塔萃取精餾萃取劑乙二醇輕組分乙酸乙酯乙二醇、乙醇和微量的水（提純乙酸乙酯）填料塔精餾（回收乙二醇）沸點(diǎn)不同重組分輕組分重組分乙醇和水乙二醇循環(huán)使用.12圖片以溫度、壓力、流量、液位和成分等工藝參數(shù)作為被控變量的自動(dòng)控制。.13典型過(guò)程裝置：精餾塔控制精餾過(guò)程-將組分復(fù)雜的混合物通過(guò)傳熱分離成純度相對(duì)較高的單一化工產(chǎn)品的過(guò)程 原理-利用混合物中各組分相對(duì)揮發(fā)度不同，在一定的溫度、壓力下通過(guò)蒸發(fā)與冷凝，使液相中的輕組分和氣相中的重組分互相轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)分離。 換熱器回流罐再沸器.14精餾塔.15精餾過(guò)程控制精餾過(guò)程的

5、控制要求產(chǎn)品質(zhì)量控制物料平衡控制塔頂或塔底產(chǎn)品之一合乎規(guī)定的純度，另一端產(chǎn)品維持在規(guī)定的范圍內(nèi)。塔頂、塔底采出量和進(jìn)料量相平衡，維持塔的平穩(wěn)操作。以控制回流罐與塔釜液位介于規(guī)定的上下限為目標(biāo)。.16精餾過(guò)程控制精餾過(guò)程的控制要求能量平衡控制約束條件控制通過(guò)控制塔內(nèi)的操作壓力穩(wěn)定來(lái)保證。液泛限：塔內(nèi)氣相速度過(guò)高，液相從下面塔板倒流到上面塔板。漏液限：塔內(nèi)氣相速度過(guò)低，塔板漏液，板效率下降壓力限：塔的最大操作壓力限臨界溫差限：再沸器兩側(cè)的溫差不能低于臨界溫差通過(guò)控制塔壓差來(lái)實(shí)現(xiàn)。.17生產(chǎn)過(guò)程的工藝流程基本不變，物料流是連續(xù)的；在裝置內(nèi)存在著物理的和化學(xué)的變化，并伴隨著物質(zhì)的和能量的轉(zhuǎn)換與傳遞。原

6、料性質(zhì)變化需要生產(chǎn)同樣的產(chǎn)品同樣的原料又需要生產(chǎn)不同的產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的一定限度內(nèi)的柔性是靠改變各裝置間物流的分配和裝置運(yùn)行的工作點(diǎn)（即工藝操作參數(shù)）來(lái)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn).181.1.2 過(guò)程工業(yè)控制的特點(diǎn)被控過(guò)程具有多樣性化工、冶金、電力、污水處理等?？刂品桨妇哂卸鄻有苑答仭⑶梆?、復(fù)合控制單回路、串級(jí)、比值、解耦控制、先進(jìn)控制等被控過(guò)程多屬慢過(guò)程，控制目標(biāo)多為過(guò)程參數(shù)生產(chǎn)過(guò)程的物料大多是流體狀的，因此能量的交換與傳遞過(guò)程在時(shí)間上往往有比較大的滯后控制目標(biāo)間有較強(qiáng)的耦合（關(guān)聯(lián)）給定值控制是主要的控制形式.19控制系統(tǒng)分類(lèi)按設(shè)定值的不同情況恒值（定值）控制系統(tǒng)恒溫箱的溫度控制穩(wěn)壓電源的電壓

7、穩(wěn)定控制隨動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)定值不斷變化，要求系統(tǒng)的輸出隨之變化例：雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)，機(jī)器人，機(jī)械手的動(dòng)作控制程序控制系統(tǒng)其設(shè)定值也是變化的，但它根據(jù)需要按一定時(shí)間程序變化。程序控制機(jī)床，冶金工業(yè)中退火爐的溫度控制.201.2 單回路過(guò)程控制系統(tǒng)的組成被控對(duì)象、傳感器和變送器、控制器（調(diào)節(jié)器）、執(zhí)行器和控制閥控制器被控變量設(shè)定值-傳感變送執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制什么? 對(duì)象如何控制？-算法用什么控制？-控制平臺(tái).211.3控制平臺(tái)的類(lèi)型.22控制平臺(tái)的幾種類(lèi)型單片機(jī)工控機(jī) PLC DCS FCS對(duì)象規(guī)模和要求不同.23PLC：可編程控制器.24S7-200.25PLC：Simatic S7-300.26PLC的主要

8、應(yīng)用場(chǎng)合PLC用于開(kāi)關(guān)量邏輯控制 取代傳統(tǒng)的繼電器電路,實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制,既可用于單臺(tái)設(shè)備的控制,也可用于多機(jī)群控及自動(dòng)化流水線(xiàn)。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書(shū)機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線(xiàn)、電鍍流水線(xiàn)等。 PLC用于運(yùn)動(dòng)控制 PLC可以用于圓周運(yùn)動(dòng)或直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的控制。一般使用專(zhuān)用的運(yùn)動(dòng)控制模塊,如可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊,廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場(chǎng)合。 PLC用于工業(yè)過(guò)程控制 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中,存在一些如溫度、壓力、流量、液位和速度等連續(xù)變化的量(即模擬量),PLC采用相應(yīng)的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊及各種各樣的控制算法程序來(lái)處理模擬量,完成閉環(huán)控制。.27

9、PLC主要生產(chǎn)廠(chǎng)商Siemens(西門(mén)子)公司Allen-Bradley(A-B)公司（Rockwell）Schneider(施耐德)公司Mitsubishi(三菱)公司Omrom(歐姆龍)公司.28DCS系統(tǒng)Distributed Control System控制站CS操作員站OS、工程師站ES （人機(jī)接口）控制網(wǎng)絡(luò).29OSESCSUPS配電箱操作員站控制站.30控制站硬件總貌控制站CS機(jī)柜電源機(jī)籠主控卡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡I/O卡集線(xiàn)器Hub接線(xiàn)端子板機(jī)柜機(jī)籠機(jī)籠機(jī)籠電 源Hub1Hub2接線(xiàn)端子板.31系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（示意圖）現(xiàn)場(chǎng)控制單元過(guò)程控制網(wǎng)SCnet操作站操作站工程師站PLC通信接口卡通信接口

10、卡智能儀表Ethernet質(zhì)量管理倉(cāng)庫(kù)管理財(cái)務(wù)管理網(wǎng)橋SP244SP244RS485/RS232.32集散控制系統(tǒng)的發(fā)展.334C技術(shù)控制技術(shù) (Control)、計(jì)算機(jī)技術(shù) (Computer)、通信技術(shù) (Communication)、陰極射線(xiàn)管(CRT)圖形顯示技術(shù)是一種操作顯示集中、控制功能分散、采用分級(jí)分層體系結(jié)構(gòu)、局部網(wǎng)絡(luò)通信的計(jì)算機(jī)綜合控制系統(tǒng)。.34集散控制系統(tǒng)產(chǎn)生的背景 20 世紀(jì) 60 年代初，人們開(kāi)始將電子計(jì)算機(jī)用于過(guò)程控制，試圖利用計(jì)算機(jī)所具有的能執(zhí)行復(fù)雜運(yùn)算、處理速度快、集中顯示操作、易于通信、易于實(shí)現(xiàn)多種控制算法、易于改變控制方案、控制精度高等特點(diǎn)，來(lái)克服常規(guī)模擬儀

11、表的局限性。 小型機(jī)實(shí)現(xiàn)模擬量的數(shù)字控制：回路控制，數(shù)據(jù)采集，運(yùn)算，人機(jī)接口。缺點(diǎn)：可靠性差，危險(xiǎn)集中。.35根據(jù)“危險(xiǎn)分散”的設(shè)計(jì)思想，過(guò)去由一臺(tái)大型計(jì)算機(jī)完成的功能，現(xiàn)在可以由幾十臺(tái)甚至幾百臺(tái)微處理機(jī)來(lái)完成。各微處理機(jī)之間可以用通信網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，從而構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。.36 1975 年 12 月，美國(guó)霍尼威爾 (Honeywell) 公司正式向市場(chǎng)推出了世界上第一套集散控制系統(tǒng)TDC-2000（Total Distributed Control 2000）系統(tǒng)，成為最早提出集散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想的開(kāi)發(fā)商。 .37.38DCS的發(fā)展脈絡(luò)1975年, TDC2000儀表分散控制系統(tǒng)儀表集中控

12、制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng).39DCS的發(fā)展軌跡專(zhuān)用 通用硬件：硬盤(pán)，內(nèi)存，鍵盤(pán)，顯示器軟件：監(jiān)控軟件，操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò).40DCS主要應(yīng)用場(chǎng)合及主要產(chǎn)品流程行業(yè)石油、化工、電力、冶金、鋼鐵、造紙等溫度、壓力、流量、液位、成份的控制.41世界各國(guó)主要DCS產(chǎn)品美國(guó)： Honeywell: TDC2000、TDC3000、PKS Emerson: Delta V（Westing House: WDPF） Foxboro: I/A Series ABB(Bailey):MP/200及AC800F 日本： 橫河(Yokogawa): CENTUM CS3000.42世界各國(guó)主要DCS產(chǎn)品

13、德國(guó)： 西門(mén)子Siemens：Teleperm-M, PCS7英國(guó)： 歐陸：T2550.43世界各國(guó)主要DCS產(chǎn)品中國(guó)： 上海新華：XDPS (GE Power收購(gòu)) 浙大中控：JX-300X、JX-300XP 和利時(shí)：MACS.44主要行業(yè)應(yīng)用石化（特點(diǎn)：回路多）橫河CS1000,CS3000Honeywell TDC3000電力（模擬量，開(kāi)關(guān)量結(jié)合）Bailey西屋WDPF.45 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng).46現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)出現(xiàn)的原因智能變送器的出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)儀表通信的要求.47現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)的含義現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)：數(shù)字式，雙向的，串行的數(shù)據(jù)總線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)儀表：支持現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通信的智能儀

14、表現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)：以單個(gè)分散的數(shù)字的智能的設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以數(shù)據(jù)總線(xiàn)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的控制。.48DCS與FCS.491.5 本講小結(jié)過(guò)程控制是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的主要內(nèi)容之一系統(tǒng)的觀點(diǎn)、全局的觀點(diǎn)：對(duì)象控制方案變送器執(zhí)行器載體.50作業(yè)什么是過(guò)程控制系統(tǒng)？什么是電力拖動(dòng)系統(tǒng)？它們各自的特點(diǎn)是什么？通過(guò)上網(wǎng)或查閱書(shū)籍，舉出一個(gè)典型過(guò)程控制系統(tǒng)的例子。試用全局的觀點(diǎn)來(lái)梳理以前學(xué)過(guò)的自動(dòng)化的相關(guān)知識(shí)。.511.4 過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)要點(diǎn)1.4.1 被控變量的選擇1.4.2 控制變量的選擇1.4.3 控制閥開(kāi)關(guān)的選擇.521.4.1 被控變量的選擇被控變量的選擇，是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題。以溫度

15、、壓力、流量、液位為操作指標(biāo)的生產(chǎn)過(guò)程，就選擇溫度、壓力、流量、液位為被控變量。當(dāng)質(zhì)量指標(biāo)是產(chǎn)品質(zhì)量的直接反映時(shí)：最佳方案：采用質(zhì)量指標(biāo)作為被控變量產(chǎn)品成分的測(cè)量問(wèn)題：并不是所有參數(shù)都有行之有效的測(cè)量方法；成分分析儀表普遍具有較大的測(cè)量滯后，不能及時(shí)反應(yīng)產(chǎn)品質(zhì)量的變化情況成分分析儀的工作環(huán)境要求高，較差的工作環(huán)境會(huì)帶來(lái)較大的測(cè)量誤差。.531.4.1 被控變量的選擇當(dāng)質(zhì)量指標(biāo)是產(chǎn)品質(zhì)量的直接反映時(shí)：最佳方案：采用質(zhì)量指標(biāo)作為被控變量可行方案：采用間接的指標(biāo)作為被控變量要求：。間接指標(biāo)與直接指標(biāo)有單值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。具有一定的變化靈敏度，即隨著產(chǎn)品質(zhì)量的變化，間接指標(biāo)必須有足夠大的變化。.541.4

16、.1 被控變量的選擇案例可行方案：采用間接的指標(biāo)作為被控變量要求：。間接指標(biāo)與直接指標(biāo)有單值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。具有一定的變化靈敏度塔頂苯的純度與溫度、壓力之間有如下的函數(shù)關(guān)系：到底選擇溫度還是壓力作為被控變量呢？苯、甲苯精餾分離，苯的純度95以上。.551.4.1 被控變量的選擇到底選擇溫度還是壓力？理論上選擇兩者均可，但在工程實(shí)踐中一般都選擇溫度作為被控變量。因?yàn)樵诰s操作中，往往希望塔壓保持一定，如果塔壓波動(dòng)，塔內(nèi)原有的汽液平衡關(guān)系就會(huì)遭到破壞，相對(duì)揮發(fā)度就會(huì)發(fā)生變化，塔將處于不良的工況。.561.4.1 被控變量的選擇原則盡量選擇質(zhì)量指標(biāo)作為被控變量當(dāng)不能選擇質(zhì)量指標(biāo)作被控變量時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇一個(gè)

17、與產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系的間接指標(biāo)參數(shù)作為被控變量所選擇的間接指標(biāo)參數(shù)應(yīng)具有足夠大的靈敏度，以便反映產(chǎn)品質(zhì)量的變化選擇被控變量要考慮到工藝的合理性和國(guó)內(nèi)、外儀表生產(chǎn)的現(xiàn)狀。.57被控變量 - 控制變量的選擇？.581.4.2 討論：控制變量的選擇？右圖為一蒸汽加熱設(shè)備，利用蒸汽將物料加熱到所需溫度后排出。請(qǐng)問(wèn)：（）影響物料出口溫度的主要因素有哪些？（）如果要設(shè)計(jì)一溫度控制系統(tǒng)，你認(rèn)為被控變量和控制變量分別選哪些參數(shù)？攪拌器物料冷凝水物料出口蒸汽入口物料流量物料入口溫度蒸汽流量蒸汽溫度攪拌器的速度.591.4.2 控制變量的選擇yu1u2u3u4通常的做法：在影響被控變量的諸多輸入中選擇其中

18、某一個(gè)可控性良好的輸入量作為控制變量，其他未被選中的所有輸入量則為系統(tǒng)的干擾。yu3u2u1u4擾動(dòng)輸入思考：實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中閉環(huán)控制系統(tǒng)的作用？被控變量：被控對(duì)象的一個(gè)輸出被控變量的輸入：影響被控變量的外部因素.601.4.2 控制變量的選擇所選控制變量必須是可控的。所選控制變量應(yīng)是通過(guò)放大倍數(shù)較大者，最好大于擾動(dòng)通道的放大倍數(shù)。擾動(dòng)通道的時(shí)間常數(shù)越大越好，而控制通道的時(shí)間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)小一些。所選控制變量的純滯后時(shí)間應(yīng)越小越好所選控制變量應(yīng)盡量使干擾點(diǎn)遠(yuǎn)離被控變量而靠近控制閥在選擇控制變量時(shí)還需考慮到工藝的合理性。一般來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)負(fù)荷直接關(guān)系到產(chǎn)品的產(chǎn)量，不宜經(jīng)常變動(dòng)。攪拌器物料冷凝水物料出口蒸汽入口物料流量物料入口溫度蒸汽流量蒸汽溫度攪拌器的速度.611.4.3 控制閥開(kāi)閉的選擇電動(dòng)控