淺談過程控制及自動化儀表

-.z.淺談過程控制與自動化儀表摘要隨著自動化儀表的更新?lián)Q代，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的開展需要自動化儀表和過程控制提供技術(shù)保障，要不斷地改良生產(chǎn)技術(shù)，使其朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化、開放性開展。關(guān)鍵詞自動化儀表；自動化技術(shù)；過程控制1引言過程控制泛指石油、化工、電力、冶金、核能等工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)的或按一定周期程序進(jìn)展的生產(chǎn)過程自動控制，其被控量通常為壓力、液位、流量、溫度、PH值等過程變量，是自動化技術(shù)的重要組成局部。其作用表達(dá)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程自動化中，過程控制技術(shù)可實現(xiàn)各種最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、提高經(jīng)濟(jì)效益和勞動生產(chǎn)率、節(jié)約能源、改善勞動條件、保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生等方面起著越來越大的作用。自動化儀表是用于生產(chǎn)過程自動化的儀器或設(shè)備，是實現(xiàn)工業(yè)企業(yè)自動化的必要手段和技術(shù)工具。其特點是兼容性、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。2過程控制概述過程控制的特點、要求及任務(wù)、功能構(gòu)造過程控制的特點：系統(tǒng)由被控過程和檢測控制儀表組成；被控過程的多樣性；控制方案的多樣性；控制過程大多屬于慢變過程與參量控制；定值控制是過程控制的主要形式。生產(chǎn)過程對控制最主要的要求可以歸結(jié)為三個方面，即：平安性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。過程控制的任務(wù)，就是在了解、掌握工藝流程和生產(chǎn)過程的各種特性的根底上，根據(jù)工藝生產(chǎn)提出的要求，應(yīng)用控制理論對控制系統(tǒng)進(jìn)展分析、設(shè)計和綜合，并采用相應(yīng)的自動化裝置和適宜的控制手段加以實現(xiàn)，最終到達(dá)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的控制目標(biāo)。決策管理與方案調(diào)度決策管理與方案調(diào)度實時優(yōu)化常規(guī)控制或高級過程控制操作平安與環(huán)境保護(hù)測量變送與執(zhí)行被控過程日-月級時-日級分-時級或分-妙級小于1秒小于1秒圖1過程控制的功能構(gòu)造圖過程控制的功能構(gòu)造：測量變送與執(zhí)行，由測量變送裝置與執(zhí)行裝置實現(xiàn)；操作平安與環(huán)保，保證生產(chǎn)平安、滿足環(huán)保要求的設(shè)備(獨立運行)；常規(guī)與高級控制，實現(xiàn)對過程參數(shù)的控制，滿足控制要求；實時優(yōu)化，實現(xiàn)最優(yōu)操作工況(時間，本錢，設(shè)備損耗)而設(shè)計的方案；決策與方案調(diào)度，對整個過程進(jìn)展合理方案調(diào)度和正確決策，使企業(yè)利益最大化。過程控制的分類按照被控變量的給定值分類，可分成以下三類：1.定值控制系統(tǒng)，是一種被控變量的給定值始終固定不變的控制系統(tǒng)。如：液位控制系統(tǒng)；2.隨動控制系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng)是一種被控變量的給定值隨時間不斷變化的控制系統(tǒng)，例如：鍋爐的燃燒控制系統(tǒng)；3.程序控制系統(tǒng)(又稱順序控制系統(tǒng))程序控制系統(tǒng)是被控變量的給定值按預(yù)定的時間程序來變化的控制系統(tǒng)。例如：冶金工業(yè)中的金屬熱處理的溫度控制。過程控制開展概況20世紀(jì)40年代前后(手工階段)：手工操作狀態(tài)，憑經(jīng)歷人工控制生產(chǎn)過程，勞動生產(chǎn)率很低；20世紀(jì)50年代前后(儀表化與局部自動化階段)：過程控制開展的第一個階段，實現(xiàn)了儀表化和局部自動化；20世紀(jì)60年代(綜合自動化階段)：檢測和控制儀表-----采用單元組合儀表(氣動、電動)和組裝儀表，實現(xiàn)直接數(shù)字控制(DDC)和設(shè)定值控制(SPC)；過程控制系統(tǒng)構(gòu)造------多變量系統(tǒng)，各種復(fù)雜控制系統(tǒng)，如串級、比值、均勻控制、前饋、選擇性控制系統(tǒng)，控制目的------提高控制質(zhì)量或?qū)崿F(xiàn)特殊要求；20世紀(jì)70年代以來(全盤自動化階段)：開展到現(xiàn)代過程控制的新階段，這是過程控制開展的第三個階段。3自動化儀表概述自動化儀表是用于過程自動化的儀器或設(shè)備，過程控制系統(tǒng)是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的平臺，而自動化儀表與裝置是過程控制系統(tǒng)不可缺少的重要組成局部。3.1自動化儀表的分類(1)按照安裝場地分現(xiàn)場儀表(一次儀表)、控制室儀表(二次儀表)；(2)按能源形式分=1\*GB3①氣動控制儀表：以壓縮空氣為能源。優(yōu)點：構(gòu)造簡單，性能穩(wěn)定，可靠性高，易于維修，天然防爆；缺點：氣動信號傳輸速度極限=聲速340s，體積龐大。=2\*GB3②電動控制儀表優(yōu)點：信號快速，遠(yuǎn)距離傳輸：易于實現(xiàn)復(fù)雜規(guī)律的信號處理，易于與其他裝置相連，供電用電方便，無需空壓機和油泵、水泵；缺點：不天然防爆；易受電磁干擾；功率不易大，近年的電動儀表多采用了平安防爆措施，應(yīng)用更加廣泛。=3\*GB3③液動儀表(以高壓油和高壓水為能源)優(yōu)點:工作可靠，構(gòu)造簡單，功率大，防爆；缺點：速度傳送慢。(3)按信號形式分模擬式控制儀表、數(shù)字式控制儀表、基地式控制儀表、單元組合控制儀表。自動化儀表的信號制模擬儀表的信號可分為氣動儀表的模擬信號與電動儀表的模擬信號。模擬儀表的信號制：直流電流信號為4-20mA，負(fù)載電阻為250Ω，直流電壓信號為1-5V。電流信號優(yōu)于電壓信號，因為電流信號可遠(yuǎn)距離傳輸(線路電阻上壓降太多，則信號耗損)。數(shù)字式儀表的通信標(biāo)準(zhǔn)：數(shù)字或智能儀表與計算機之間采用數(shù)字通訊模式多種，如RS232、RS485、USB、PROFIBUS、ControlNet、CAN、Hart、Modbus。而且數(shù)字比模擬信號的優(yōu)勢在于：提高信號傳輸精度，抗干擾能力強；傳輸信息豐富，可傳測量值及廠家信息；減少布線復(fù)雜性和費用。平安防爆儀表與防爆系統(tǒng)儀表的防爆性能：本質(zhì)平安防爆性能與非本質(zhì)平安防爆性能，氣動儀表本質(zhì)上是防爆的，因為它不會產(chǎn)生電火花。電動儀表防爆方案有構(gòu)造型防爆和平安火花型防爆，前者在構(gòu)造上隔離產(chǎn)生火花的電路和爆炸氣體(類型有充油型、充氣型、隔爆型)，后者則把儀表電路在短路、斷路及誤操作各種狀態(tài)下可能產(chǎn)生的火花限制在爆炸氣體的點火能量之下(具有本質(zhì)平安防爆性能)。平安火花型防爆等級：電壓30VDC時,不同爆性物最小引爆電流見表1。表1平安火花型防爆等級級別最小引爆電流(mA)爆炸性混合物種類Ii>120甲烷，乙烷，汽油，甲醇，乙醇，丙酮，氨，一氧化碳等II70<i≤120乙烯，乙醚，丙烯腈等IIIi≤70氫，乙炔，二硫化碳，市用煤氣，水煤氣等4過程控制系統(tǒng)集中型計算機控制系統(tǒng)(見圖2)外設(shè)外設(shè)過程控制計算機AODOAIDI輸出子系統(tǒng)輸入子系統(tǒng)………………操作變量被控過程(對象)………………被控變量圖2集中型計算機控制系統(tǒng)優(yōu)勢性：從外表上看---信息集中，集中型計算機控制可以實現(xiàn)各種更復(fù)雜控制功能；便于實現(xiàn)優(yōu)化控制和優(yōu)化生產(chǎn)；劣勢性：由于當(dāng)時計算機總體性能低，容量小，容易出現(xiàn)負(fù)荷過載，控制集中直接導(dǎo)致危險集中，高度集中使系統(tǒng)變得十分"脆弱〞。集散控制系統(tǒng)DCS集散控制系統(tǒng)DCS是集計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù)為一體的裝置。系統(tǒng)在構(gòu)造上是分散的(生產(chǎn)過程是分散系統(tǒng))，但是過程控制的監(jiān)視、管理是集中的，其優(yōu)點在于將計算機分布到車間或裝置，使系統(tǒng)的危險分散，提高系統(tǒng)的可靠性，方便靈活地實現(xiàn)各種新型的控制規(guī)律與算法，實現(xiàn)最正確管理。4.3現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS是連接智能現(xiàn)場裝置和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式雙向傳輸、多分支構(gòu)造的通信網(wǎng)絡(luò)。支持雙向、多節(jié)點、總線式的全數(shù)字通訊，雙向數(shù)據(jù)通信能力防止了反復(fù)進(jìn)展MD、D／A的轉(zhuǎn)換把控制任務(wù)下移到現(xiàn)場設(shè)備，以實現(xiàn)測量控制一體化全分散。設(shè)計步驟：=1\*GB3①確定控制目標(biāo)熱油出口溫度穩(wěn)定：出口溫度與煙道氣含氧量穩(wěn)定，溫度穩(wěn)定與熱效率最高；=2\*GB3②選擇被控參數(shù)直接參數(shù)(油出口溫度、煙道氣含氧量、燃油壓力)間接參數(shù)(熱效率)；=3\*GB3③選擇控制量燃料油流量還是冷油流量→出口溫度，擋板開度還是送風(fēng)擋板→含氧量；=4\*GB3④確定控制方案控制精度和干擾決定→系統(tǒng)的簡單與復(fù)雜，溫度、效率、含氧量等多于一個要求→多輸入／多輸出；如果溫度、含氧量定值控制，還要求效率→最優(yōu)控制；⑤選擇控制策略多數(shù)采用→PID；復(fù)雜過程→高級過程控制；⑥選擇執(zhí)行器氣動與電動，執(zhí)行期特性與過程特性匹配；⑦設(shè)計報警與聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)高、低限值，加熱爐停車程序：停燃油泵→關(guān)燃油閥→停引風(fēng)機→切斷熱油閥；⑧工程化設(shè)計設(shè)計圖樣資料和文件資料→表達(dá)設(shè)計思想→主管部門審批→施工單位；⑨系統(tǒng)投運、調(diào)試和整定參數(shù)單回路控制系統(tǒng)的工程設(shè)計實例噴霧式枯燥設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計圖3牛奶的枯燥過程流程被控參數(shù)與控制參數(shù)選擇選取采樣周期時，一般應(yīng)考慮以下幾個因素：(1)被控參數(shù)選擇選枯燥器的溫度為被控參數(shù)(間接參數(shù))；(2)控制參數(shù)選擇影響枯燥器溫度的因素有乳液流量、旁路空氣量、熱蒸汽量，為此有三個變量可作為控制參數(shù)。a)b)c)圖4枯燥設(shè)備控制方案比擬示意圖；(a)乳液流量f1(t)作控制參數(shù)，(b)風(fēng)量f2(t)作控制參數(shù)，(c)蒸汽量f3(t)作控制參數(shù)過程檢測、控制設(shè)備的選用根據(jù)生產(chǎn)工藝和用戶的要求，選用電動單元組合儀表：(1)測溫元件及變送器：為提高檢測精度應(yīng)用三線制接發(fā)，并配用溫度變送器；(2)調(diào)節(jié)閥：根據(jù)過程特性與控制要求選用對數(shù)流量特性的調(diào)節(jié)閥；(3)調(diào)節(jié)器：根據(jù)過程特性與工藝要求，可選用PI或PID控制規(guī)律；根據(jù)構(gòu)成系統(tǒng)負(fù)反應(yīng)的原則，確定調(diào)節(jié)器正、反作用方向。4.5貯槽液位控制系統(tǒng)設(shè)計圖5貯槽被控參數(shù)與控制參數(shù)選擇(1)選擇被控參數(shù)根據(jù)工藝可知，貯槽的液位要求維持在*給定值上下，所以直接選取液位為被控參數(shù)；(2)選擇控制參數(shù)從生產(chǎn)過程看，影響液位有兩個量，流入貯槽量和流出貯槽量；構(gòu)成液位系統(tǒng)控制的就有兩種控制方案。a)b)圖6液位控制系統(tǒng)；(a)調(diào)流入量q，(b)調(diào)流出量q1選用過程檢測控制設(shè)備(1)選用DDC系統(tǒng)(2)選用DDZ-Ⅲ型變差器(3)根據(jù)生產(chǎn)工藝平安原則選擇調(diào)節(jié)閥：貯槽具有單容特性，所以選用對數(shù)流量特性的調(diào)節(jié)閥(4)控制規(guī)律選擇5結(jié)語過程控制系統(tǒng)是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的平臺，而自動化儀表與裝置是過程控制系統(tǒng)不可缺少的重要組成局部。要保證過程控制的平安穩(wěn)定性、平安性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性要自確保動化儀表的正常運行。通過"過程控制與自動化儀表"這門課的學(xué)習(xí)，對過程控制和自動化儀表有了更深入的了解，同時也發(fā)現(xiàn)了這門課與檢測技術(shù)、計算機控制系統(tǒng)、自動控制原理等課程嚴(yán)密聯(lián)系。以噴霧式枯燥設(shè)備控制系統(tǒng)、貯槽液位控制系統(tǒng)