化工自動化基礎(chǔ)

第一章化工(huàgōng)自動化基礎(chǔ)

精品資料1、化工生產(chǎn)過程化工生產(chǎn)過程是工藝變量（溫度T、壓力P、流量F、液位L、濃度γ等）在工藝所規(guī)定的條件下進(jìn)行安全、高效生產(chǎn)的過程?；どa(chǎn)常用(chánɡyònɡ)的設(shè)備：機泵、熱交換器、鍋爐、加熱爐、分餾塔、壓縮機、反應(yīng)器等。第一節(jié)化工(huàgōng)自動化的基本概念精品資料1.1生產(chǎn)過程(guòchéng)自動化以鍋爐水位控制為例：看如何由人工控制自動控制第一節(jié)化工(huàgōng)自動化的基本概念精品資料第一節(jié)化工(huàgōng)自動化的基本概念精品資料第一節(jié)化工(huàgōng)自動化的基本概念精品資料第一節(jié)化工(huàgōng)自動化的基本概念精品資料第一節(jié)化工(huàgōng)自動化的基本概念精品資料用自動控制裝置來代替人工控制，使生產(chǎn)過程在不需要人干涉(gānshè)的情況下自動安全、高效地進(jìn)行。這就是生產(chǎn)過程自動化。2.自動控制系統(tǒng)常用術(shù)語2.1被控過程：也稱為被控對象。自動控制系統(tǒng)中，工藝變量需要控制的生產(chǎn)過程、設(shè)備或機械。如上例中鍋爐的汽包。2.2被控變量：被控過程內(nèi)要求保持設(shè)定數(shù)值的工藝變量。如鍋爐汽包的水位。

第一節(jié)化工(huàgōng)自動化的基本概念精品資料2.3操縱變量：通常指受控于調(diào)節(jié)閥用于克服擾動的影響，使被控變量保持在設(shè)定值附近的物料量或能量(néngliàng)。如鍋爐的給水量。2.4擾動：也稱為干擾。除操縱變量外，引起被控變量變化的因素。如鍋爐負(fù)荷的變化。2.5設(shè)定值：被控變量的預(yù)定值。如鍋爐汽包水位的預(yù)先設(shè)定值。2.6偏差：被控變量的設(shè)定值與實際值（測量值）之差。第一節(jié)化工(huàgōng)自動化的基本概念精品資料3、自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)主要由兩大部分組成，一部分是起控制作用的全套自動化裝置，它主要包括檢測元件及變送器、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器；另一部分是自動化裝置控制下的被控過程。3.1、被控過程：自動控制系統(tǒng)中，工藝變量需要控制的生產(chǎn)(shēngchǎn)過程、設(shè)備或機器稱被控過程。化工生產(chǎn)(shēngchǎn)中的各類塔器、反應(yīng)器、泵、壓縮機以及各種容器、儲槽（罐），甚至一段輸送流體的管道都可以是被控過程。第一節(jié)化工(huàgōng)自動化的基本概念精品資料3.2、檢測元件及變送器：它將需要監(jiān)測的工藝變量的變化轉(zhuǎn)換成特定信號（電信號），為自動控制(kòngzhì)系統(tǒng)提供控制(kòngzhì)的依據(jù)。3.3、調(diào)節(jié)器：它把檢測元件與變送器送來的信號與工藝上需要保持的設(shè)定值信號進(jìn)行比較得出偏差，根據(jù)偏差的正負(fù)、大小及變化趨勢，按預(yù)先設(shè)計好的控制(kòngzhì)規(guī)律進(jìn)行運算后，輸出相應(yīng)的控制(kòngzhì)作用給執(zhí)行機構(gòu)。

第一節(jié)化工(huàgōng)自動化的基本概念精品資料3.4、執(zhí)行器：它接受調(diào)節(jié)器送來的信號，相應(yīng)地改變操縱變量，克服擾動的影響，實現(xiàn)控制要求。在化工(huàgōng)生產(chǎn)中最常用的執(zhí)行機構(gòu)是氣動薄膜調(diào)節(jié)器。第一節(jié)化工(huàgōng)自動化的基本概念精品資料調(diào)節(jié)器是自動控制系統(tǒng)的重要組成部分。它將生產(chǎn)過程被控變量的測量值與設(shè)定值進(jìn)行比較，得出偏差，根據(jù)偏差的正負(fù)、大小和變化趨勢，按照一定的運算規(guī)律輸出控制信號(xìnhào)，送往執(zhí)行器，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動控制。第二節(jié)調(diào)節(jié)器及基本(jīběn)調(diào)節(jié)規(guī)律

1、常用的基本調(diào)節(jié)規(guī)律有：比例（P)、積分（I）、微分（D）。精品資料1.1比例控制（P）它的控制規(guī)律是：調(diào)節(jié)器的輸出變化量與輸入變化量成比例。起數(shù)學(xué)(shùxué)表達(dá)式為：從該表達(dá)式看出：比例控制克服偏差及時、有力。要使調(diào)節(jié)器有輸出就必須要有偏差存在，因此比例控制始終是有偏差存在的。

第二節(jié)調(diào)節(jié)(tiáojié)器及基本調(diào)節(jié)(tiáojié)規(guī)律精品資料1.2積分控制（I）它的控制規(guī)律是：調(diào)節(jié)器的輸出變化量與輸入偏差(piānchā)隨時間的積分成正比，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：或從該表達(dá)式看出：其輸出信號的大小，不僅與偏差(piānchā)的大小有關(guān)，還與偏差(piānchā)存在的時間長短有關(guān)。所以，積分控制是一種沒有偏差(piānchā)的控制（理想情況下）。第二節(jié)調(diào)節(jié)(tiáojié)器及基本調(diào)節(jié)(tiáojié)規(guī)律精品資料1.3微分控制（D）它的控制規(guī)律是：調(diào)節(jié)器的輸出變化量與輸入偏差隨時間的微分成正比，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

從該表達(dá)式看出：其輸出信號(xìnhào)的大小，只與偏差變化的速度有關(guān)，而與偏差的大小無關(guān)。當(dāng)偏差再大而無變化時，該調(diào)節(jié)器的輸出也為零。第二節(jié)調(diào)節(jié)器及基本(jīběn)調(diào)節(jié)規(guī)律精品資料1.4幾種基本控制(kòngzhì)規(guī)律的組合PID根據(jù)實際情況，把三種基本控制(kòngzhì)規(guī)律進(jìn)行適當(dāng)組合，可以得到更好的控制(kòngzhì)效果。

這種組合控制(kòngzhì)規(guī)律稱為比例積分微分控制(kòngzhì)（PID)。這里有三個可以調(diào)整的參數(shù)：放大倍數(shù)KP、積分時間TI、微分時間TD。第二節(jié)調(diào)節(jié)器及基本(jīběn)調(diào)節(jié)規(guī)律精品資料1.5PID調(diào)節(jié)器的應(yīng)用PID調(diào)節(jié)器綜合了各種控制規(guī)律的優(yōu)點，具有(jùyǒu)較好的控制性能，應(yīng)用范圍廣。各種化工過程常用的控制規(guī)律如下：液位：一般控制要求不高，用P或PI控制作用。流量：一般用PI控制作用。壓力：用P或PI控制作用。溫度：用PID控制作用。第二節(jié)調(diào)節(jié)器及基本(jīběn)調(diào)節(jié)規(guī)律精品資料2、調(diào)節(jié)器的類型按結(jié)構(gòu)和組成的形式(xíngshì)分有基地式調(diào)節(jié)器、單元組合式調(diào)節(jié)器、組合式電子控制裝置、可編程調(diào)節(jié)器和集中分散型控制裝置五種。我廠現(xiàn)在主要使用的是可編程調(diào)節(jié)器和集中分散型控制裝置。

第二節(jié)調(diào)節(jié)(tiáojié)器及基本調(diào)節(jié)(tiáojié)規(guī)律精品資料

2.1集中分散型控制裝置(zhuāngzhì)（集散型控制系統(tǒng)DCS）集中分散型控制是把整個控制系統(tǒng)分成若干級，最基層的是直接數(shù)字控制，上一級是優(yōu)化控制，這樣既能發(fā)揮計算機多功能控制的特點，滿足現(xiàn)代化工生產(chǎn)集中操作、顯示和報警的要求，又能避免危險過分集中，整個控制系統(tǒng)安全可靠。

第二節(jié)調(diào)節(jié)(tiáojié)器及基本調(diào)節(jié)(tiáojié)規(guī)律精品資料集散型控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是由下位機操作站和上位監(jiān)控計算機組成。每個操作站可以控制十幾個到幾十個回路，有專用微處理機進(jìn)行有效地控制，各操作站與上位機之間，用數(shù)字通訊電纜連接起來，構(gòu)成各種各樣的、能適應(yīng)不同過程的、積木式的分級控制結(jié)構(gòu)，并通過屏幕和操作臺，對整個生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視、集中操作和集中管理，分散控制。它適用于大中型企業(yè)的大型(dàxíng)生產(chǎn)裝置。

第二節(jié)調(diào)節(jié)器及基本(jīběn)調(diào)節(jié)規(guī)律精品資料執(zhí)行器在自動控制系統(tǒng)中的作用是接受調(diào)節(jié)器的控制信號，改變操縱變量，使生產(chǎn)過程按預(yù)定要求正常進(jìn)行。執(zhí)行器一般安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，直接與工藝介質(zhì)接觸，常常在高溫、高壓、深冷、易漏、易堵、強腐蝕等惡劣環(huán)境(huánjìng)下工作。1、氣動薄膜調(diào)節(jié)閥在化工生產(chǎn)過程中使用的最多的執(zhí)行器是氣動薄膜調(diào)節(jié)閥。第三節(jié)執(zhí)行器—氣動(qìdònɡ)薄膜調(diào)節(jié)閥精品資料第三節(jié)執(zhí)行器—氣動(qìdònɡ)薄膜調(diào)節(jié)閥精品資料第三節(jié)執(zhí)行器—氣動(qìdònɡ)薄膜調(diào)節(jié)閥精品資料氣動薄膜調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機構(gòu)由波紋膜片、上下膜蓋、平衡(pínghéng)彈簧等部件組成。它接收20100KP的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號，并轉(zhuǎn)換成推力。其動作的形式有正作用和反作用兩種。1.1執(zhí)行機構(gòu)的正反作用當(dāng)信號壓力增加，推桿向下移動的叫正作用；信號壓力增加，推桿向上移動的叫反作用。第三節(jié)執(zhí)行器—氣動(qìdònɡ)薄膜調(diào)節(jié)閥精品資料第三節(jié)執(zhí)行器—氣動(qìdònɡ)薄膜調(diào)節(jié)閥精品資料1.2調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式(xíngshì)的選擇。氣動薄膜調(diào)節(jié)閥有氣開和氣關(guān)兩種形式(xíngshì)。選擇氣開或氣關(guān)，主要是從工藝生產(chǎn)的安全要求出發(fā)，其選擇的依據(jù)是：當(dāng)輸入的控制信號中斷時，調(diào)節(jié)閥的自然位置應(yīng)該保證設(shè)備和人員的安全。第三節(jié)執(zhí)行器—氣動(qìdònɡ)薄膜調(diào)節(jié)閥精品資料例如：控制(kòngzhì)加熱爐燃料氣的調(diào)節(jié)閥，如何選擇？控制(kòngzhì)鍋爐給水流量的調(diào)節(jié)閥應(yīng)該如何選擇？第三節(jié)執(zhí)行器—氣動(qìdònɡ)薄膜調(diào)節(jié)閥精品資料控制進(jìn)入加熱爐燃料氣流量的調(diào)節(jié)閥，應(yīng)該選用氣開式，當(dāng)氣壓信號中斷時，應(yīng)該切斷進(jìn)爐的燃料，以避免爐溫過高而出事故；而控制鍋爐(guōlú)給水流量的調(diào)節(jié)閥應(yīng)該選用氣關(guān)式，當(dāng)氣壓信號中斷時，閥門處于全開狀態(tài)，給水繼續(xù)流入鍋爐(guōlú)，以保證鍋爐(guōlú)不致燒干。第三節(jié)執(zhí)行器—氣動(qìdònɡ)薄膜調(diào)節(jié)閥精品資料1、單回路控制系統(tǒng)只有一個被控過程(guòchéng)、一個檢測變送器、一個調(diào)節(jié)器和一個執(zhí)行器所組成的單閉環(huán)系統(tǒng)稱為單回路控制系統(tǒng)。第四節(jié)單回路(huílù)控制系統(tǒng)精品資料第四節(jié)單回路(huílù)控制系統(tǒng)精品資料第四節(jié)單回路(huílù)控制系統(tǒng)精品資料第四節(jié)單回路(huílù)控制系統(tǒng)精品資料第四節(jié)單回路(huílù)控制系統(tǒng)精品資料所謂(suǒwèi)“復(fù)雜”是相對于“簡單”而言。通常指由兩個或兩個以上的檢測變送器、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器所組成的多回路的，或控制要求特殊的；或控制規(guī)律不同于PID的控制系統(tǒng)。復(fù)雜控制系統(tǒng)的種類較多，常使用的有串級、均勻、比值、前饋、分程、選擇性控制系統(tǒng)等。第五節(jié)復(fù)雜(fùzá)控制系統(tǒng)精品資料1、串級控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)第五節(jié)復(fù)雜(fùzá)控制系統(tǒng)精品資料影響加熱爐出口溫度的干擾因素(yīnsù)：1、原料油的流量和溫度（f1)；2、燃料油或燃?xì)獾膲毫统煞郑╢2)；3、燃料油的霧化程度及煙囪的抽力(f3)；采用單回路控制系統(tǒng)的控制作用不及時，致使最大偏差大，過渡時間長，抗擾動能力差，控制精度低，難以滿足工藝要求，需要尋求別的控制方案。第五節(jié)復(fù)雜(fùzá)控制系統(tǒng)精品資料通過分析可以看出，f1和f2的影響可以通過爐膛(lútáng)溫度較快的反應(yīng)出來，而穩(wěn)定爐膛(lútáng)溫度可以有效地減小f1和f2對爐出口溫度影響。第五節(jié)復(fù)雜(fùzá)控制系統(tǒng)精品資料所以選定爐膛溫度為副變量，由副變送器、副調(diào)節(jié)器、副過程（爐膛）、執(zhí)行機構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）構(gòu)成副回路；以爐出口溫度為主變量，由主變送器、主調(diào)節(jié)器、主過程（爐出口管）構(gòu)成主回路，主調(diào)節(jié)器的輸出(shūchū)作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，由副調(diào)節(jié)器的輸出(shūchū)控制調(diào)節(jié)閥，這就是加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)。

第五節(jié)復(fù)雜(fùzá)控制系統(tǒng)精品資料第五節(jié)復(fù)雜(fùzá)控制系統(tǒng)精品資料串級控制系統(tǒng)的構(gòu)成及方塊圖：串級控制系統(tǒng)是由兩個(liǎnɡɡè)檢測變送器、兩個(liǎnɡɡè)調(diào)節(jié)器、一個調(diào)節(jié)閥組成。兩個(liǎnɡɡè)調(diào)節(jié)器是串聯(lián)工作的，其中主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，副調(diào)節(jié)器輸出控制調(diào)節(jié)閥。

第五節(jié)復(fù)雜(fùzá)控制系統(tǒng)精品資料串級控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)方塊圖：第五節(jié)復(fù)雜(fùzá)控制系統(tǒng)精品資料第五節(jié)復(fù)雜(fùzá)控制系統(tǒng)精品資料第五節(jié)復(fù)雜(fùzá)控制系統(tǒng)精品資料第五節(jié)復(fù)雜(fùzá)控制系統(tǒng)精品資料2、均勻(jūnyún)控制系統(tǒng)第五節(jié)復(fù)雜(fùzá)控制系統(tǒng)精品資料為了解決前后工序的供求矛盾，做到統(tǒng)籌兼顧，協(xié)調(diào)操作，使兩個變量在規(guī)定的范圍內(nèi)緩慢變化的系統(tǒng)，稱為均勻控制系統(tǒng)。特點：1、表征前后兩個供求矛盾的兩個變量，在控制過程(guòchéng)中應(yīng)該是緩慢變化的。2、前后互相聯(lián)系又互相矛盾的兩個變量應(yīng)該在工藝所允許的范圍內(nèi)變化。第五節(jié)復(fù)雜(fùzá)控制系統(tǒng)精品資料第五節(jié)復(fù)雜(fùzá)控制系統(tǒng)精品資料第五節(jié)復(fù)雜(fùzá)控制系統(tǒng)精品資料第五節(jié)復(fù)雜(fùzá)控制系統(tǒng)3、比值控制系統(tǒng)使兩個或兩個以上物料量保持一定比值關(guān)系以達(dá)到某種控制要求(yāoqiú)的控制系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng)。精品資料第五節(jié)復(fù)雜(fùzá)控制系統(tǒng)精品資料第五節(jié)復(fù)雜(fùzá)控制系統(tǒng)4、前饋控制系統(tǒng)前饋控制是改善和克服反饋控制不及時的另一種控制方法。它是利用補償原理，采用開環(huán)結(jié)構(gòu)，按擾動作用的大小進(jìn)行控制。前饋控制相對于反饋控制來說，控制作用及時，對擾動的影響(yǐngxiǎng)理論上可以完全補償，使用恰當(dāng)可大大提高控制質(zhì)量。

精品資料第五節(jié)復(fù)雜(fùzá)控制系統(tǒng)精品資料第五節(jié)復(fù)雜(fùzá)控制系統(tǒng)前饋控制與反饋控制的幾點不同：1、系統(tǒng)檢測信號的不同:反饋控制檢測的是被控變量；前饋控制檢測的是擾動(rǎodòng)量。2、系統(tǒng)控制的依據(jù)不同：反饋控制依據(jù)是偏差大小；前饋控制的依據(jù)是擾動(rǎodòng)量的大小。3、控制模式不同：反饋控制采用常規(guī)的PID控制調(diào)節(jié)器；前饋控制采用的是引入補償裝置對擾動(rǎodòng)量進(jìn)行補償校正。補償效果不通過反饋進(jìn)行檢驗。

精品資料第五節(jié)復(fù)雜(fùzá)控制系統(tǒng)精品資料第五節(jié)復(fù)雜(fùzá)控制系統(tǒng)5、選擇性控制系統(tǒng)凡是在自動控制系統(tǒng)中引入了選擇器并按照工藝過程限制條件的邏輯關(guān)系工作的系統(tǒng)，都稱為選擇性控制系統(tǒng)。其工作狀況是：當(dāng)生產(chǎn)過程趨向限制條件時，選擇器自動選擇一個取代調(diào)節(jié)器取代正常工作狀況下的調(diào)節(jié)器，通過取代調(diào)節(jié)器的控制作用，使生產(chǎn)過程脫離危險狀態(tài)，生產(chǎn)操作重新回到安全范圍后，取代調(diào)節(jié)器自動退出(tuìchū)，轉(zhuǎn)為備用狀態(tài)，正常調(diào)節(jié)器恢復(fù)工作。

精品資料第五節(jié)復(fù)雜(fùzá)控制系統(tǒng)精品資料第五節(jié)復(fù)雜(fùzá)控制系統(tǒng)鍋爐蒸汽壓力選擇性控制系統(tǒng)的工作(gōngzuò)過程：上圖中的LS為低值選擇器，正常情況下b<a，LS連通b，由蒸汽壓力調(diào)節(jié)器控制燃料調(diào)節(jié)閥的開度，控制蒸汽管網(wǎng)的壓力在工藝規(guī)定的范圍。燃料調(diào)節(jié)閥的閥后壓力過大會發(fā)生“脫火”事故；而閥后壓力過低會發(fā)生“回火”事故。精品資料第五節(jié)復(fù)雜(fùzá)控制系統(tǒng)當(dāng)蒸汽壓力大幅降低，調(diào)節(jié)閥開度過大，閥后壓力接近“脫火”壓力時，此時a<b，LS選中a，即由調(diào)節(jié)器P2C去取代P1C控制調(diào)節(jié)閥，使調(diào)節(jié)閥關(guān)小，起到自動(zìdòng)保護(hù)作用。當(dāng)蒸汽壓力恢復(fù)正常后，達(dá)到b<a時，調(diào)節(jié)閥P1C被選中，恢復(fù)正常工況控制。

精品資料第五節(jié)復(fù)雜(fùzá)控制系統(tǒng)精品資料第五節(jié)復(fù)雜(fùzá)控制系統(tǒng)上圖為反應(yīng)器熱點極值選擇性控制(kòngzhì)系統(tǒng)。在固定床反應(yīng)器中，為了防止溫度過高燒壞觸媒，在反應(yīng)器的四個不同部位設(shè)置了溫度檢測點。各溫度變送器的輸出端引入高值選擇器，選出其中最高的信號值作為調(diào)節(jié)器控制(kòngzhì)冷卻劑調(diào)節(jié)閥的依據(jù)。這樣，系統(tǒng)將按反應(yīng)器的最高溫度控制(kòngzhì)冷卻劑流