学习情境八 控制系统的认知.ppt

学习情境八控制系统的认知 任务一过程控制装置的认知 任务二过程控制装置的干扰抑制 下篇控制仪表 任务引领 本任务要求熟悉过程检测与控制情境教学实训装置 认识各种测量仪表和控制仪表 分析水位 流量 压力如何测量和实现控制的 启动该装置后 观察控制效果 理解控制装置在控制系统中的作用 任务一过程控制装置的认知 安全注意要点 注意过程检测与控制仿真装置通电前的检查 不要随意修改显示仪表参数 触动端子排接线 控制盘柜220V电源 切勿碰触 保证投运操作正确 规范 不能损坏设备或伤及自身 任务一过程控制装置的认知 过程检测与控制情境教学实训装置演示 实施的任务 启动过程检测与控制情境教学实训装置 观察罐03液位控制情况 资讯 请找出过程检测与控制情境教学实训装置中 用到哪些控制仪表及装置 具体在系统中各起什么样的作用 知识点1 控制装置的作用 任务布置 在火电厂生产过程中 热工控制系统的任务是当生产过程受到内 外干扰 在允许范围内 使机组运行参数偏离给定值时 热工控制仪表自动进行操作 消除干扰影响 使机组自动恢复到正常运行状态或按预定的规律运行 知识点1 控制装置的作用 火电厂中的热工控制系统一般为负反馈控制系统 火电厂热工控制系统示意图如上图所示 火电厂热工控制系统示意图 资讯阶段 知识点1 控制装置的作用 燃料 煤 燃烧需要空气 燃料 煤 燃烧发出的热量 被金属管内的水 给水 吸收变成蒸汽 高温高压蒸汽经调节阀门进入汽轮机 汽轮机将蒸汽的动能转换为机械能 因为汽轮机与发电机的轴是连在一起的 所以发电机将汽轮机高速旋转的机械能转换为电能 经电网送往工矿企业和千家万户 要保证电能的连续生产 必须对锅炉 汽轮机和发电机的运行状况进行监视和控制 这就需要热工控制仪表 图中的氧气测量 温度测量 压力测量 速度调节器 计算机和控制阀 阀门 就是热工控制仪表的一部分 为了方便对控制系统的设计 分析和整定 根据自动控制理论 可得到下图所示的热工控制系统组成方框图 知识点1 控制装置的作用 热工控制系统组成方框图 热工控制系统由控制对象和热工控制仪表组成 这里所说的热工控制仪表 是指从被控参数到执行机构输出之间的全套自动化仪表的总称 它包括变送器 控制器和执行机构 控制机构指的就是调节阀或调节挡板 属于生产设备 理应划归控制对象 但是 由于控制机构的工作性能对控制质量影响很大 而且它又是执行器的一个组成部分 因此控制机构也可划归控制仪表 知识点1 控制装置的作用 变送器对被控参数进行测量和信号转换 控制器将给定值与被控参数进行比较和运算 执行机构将控制器的运算输出转换为开关阀门或挡板的位移或转角 从而调节工质流量 最终使生产过程自动地按照预定的规律运行 一个热工控制系统控制品质的好坏 除取决于控制系统的设计是否合理外 还取决于控制对象和控制仪表的工作特性 因此 作为热工自动化人员 既要熟悉控制对象的特性 还要了解和掌握各种热工控制仪表的结构原理 组态校验和安装维护 以便正确选择 使用各种控制仪表 热工控制仪表的作用 知识点2 控制仪表与装置的分类 任务布置 请找出过程检测与控制实训装置中 控制仪表及装置哪些是电动仪表 哪些是气动仪表 是否存在液动仪表 分析电动仪表 气动仪表 液动仪表的性能及特点 在过程控制系统中如何选用它们 液动控制仪表以高压油或水为能源 它也是发展得比较早的一类自动控制仪表 具有结构简单 工作可靠的特点 多用于功率较大的场合 知识点2 控制仪表与装置的分类 一 按能源形式分 液动控制仪表 气动控制仪表以压缩空气为能源 具有结构简单 直观 易于掌握 性能稳定 可靠性高 天然防爆及使用范围广等特点 特别适用于石油 化工等有易燃 易爆的生产现场 2 气动控制仪表 知识点2 控制仪表与装置的分类 一 按能源形式分 电动控制仪表采用电信号 其传输速度的极限是光速 这样一来 无论是中央控制室将信号送到被控对象 还是被控对象的被控参数送到中央控制室 都可以看成没有时间滞后 操作人员可以在中央控制室观察和操作 控制器 显示器 记录仪器 这些仪表现在已经被控制站和操作员站所取代 都可以安装在中央控制室 还能实现复杂的控制规律 并组成各种复杂的控制系统 3 电动控制仪表 混合式控制仪表同时使用上述两种或两种以上的能源进行工作 混合式控制仪表在火电厂的典型应用 就是汽轮机数字电液控制系统 4 混合式控制仪表 基地式控制仪表的测量 显示 控制和执行等部件组合成一个整体 放在一个表壳里 并安装在生产设备附近 二 按结构形式分 基地式控制仪表 在自动控制系统中 根据单元组合式控制仪表所担负的功能分解成不同的单元 每一单元均为一种仪表 不同单元之间的连接采用统一的传输信号 因此在自动控制系统中 每一单元仪表损坏时 只需更换被损坏单元 其他单元照常使用 2 单元组合式控制仪表 基地式仪表的单回路控制 组装式控制仪表将整套仪表的控制和运算功能与显示操作功能分开 控制柜中以插接方式密集安装了一块又一块具有独立功能的功能组件 二 按结构形式分 3 组件组装式控制仪表 单回路调节器也称单回路控制器或可编程数字调节器或微机控制仪表 是单元组合式仪表向微机化发展和计算机控制向分散化发展相结合的产物 4 单回路调节器 分散控制系统 DistributedControlSystem DCS 是一种以微处理器和微型计算机为核心 在控制 Control 计算机 Computer 通信 Communication 图像显示 CRT 即4C技术迅速发展的基础上研制成功的一种新型控制装置 DCS具有纵向分层 横向分站的体系结构 它的设计思想是分散控制 集中管理 也称为集散 型 控制系统或分布式控制系统 5 分散控制系统 现场总线控制系统 FieldbusControlSystem FCS 是诸多现场仪表通过现场总线互联及与控制室人一机界面组成的系统 它是一个全分散 全数字化 全开放和互操作的新一代生产过程控制系统 因为控制功能重新送回现场 所以每台现场仪表都是一个基地式控制仪表 并且通过现场总线与其他现场仪表和控制室人一机界面进行双向数字通信 二 按结构形式分 6 现场总线控制系统 控制仪表的发展历程 模拟控制仪表的输入或输出信号是随时间变化而变化的 模拟量的最大特点是连续性 即在其随时间变化曲线上的任意一点均可求导 模拟控制仪表在我国已经历了多次升级换代 如气动基地式仪表 DDZ DDZ DDZ TF 900和MZ 三 按信号是否连续分 1 模拟控制仪表 基地式仪表的单回路控制 数字控制仪表的输入或输出信号随时间变化是不连续的 它是一个离散时间信号序列 或脉冲序列 存在间断点 随着微电子技术和计算机技术的迅速发展 数字式控制仪表的各类品种相继问世 如单回路控制器 DDZ S型电动单元组合式仪表 DCS PLC和FCS等 这些仪表以微型计算机为核心 其功能完善 性能优越 能解决模拟控制仪表难以解决的问题 满足现代化生产过程的高质量控制要求 被越来越多地应用于生产过程自动化中 2 数字控制仪表 1 逐步实现全数字式 开放式的DCS系统 由于计算机网络技术的迅速发展 推动着DCS体系结构发生重大变革 数字通信将一直延伸到现场 传统的4 20mA直流模拟信号制将逐步被双向数字通信的现场总线所取代 发展智能变送器和智能执行器 扩展量程 改善精度 提高可用性和可靠性 使现有的DCS系统换代为全数字 全分散 全开放的新一代控制系统 现场控制系统 FCS 2 发展小型DCS系统 扩展应用覆盖面 许多主流的DCS系统功能强 质量好 可靠性高 而价格则相当昂贵 中小型企业无力选用 针对这种情况 近年来一些DCS生产企业相继推出了小型DCS系统 由于中小型企业所占比例很大 因而提高小型DCS系统的性能和功能 降低价格必将极大地拓展DCS系统的应用覆盖面 提高整个工业生产的自动化水平和经济效益 控制仪表与装置的发展趋势 3 开发先进的过程控制软件 随着先进控制算法因广泛的应用和经验的积累而日趋成熟 一些DCS生产企业近年来也陆续推出一些先进的过程控制模块 如预测控制 自适应控制 模糊控制 参数自整定控制及智能控制等软件模块 使一些复杂的生产过程自动控制难题得以解决 4 人工智能 专家系统在工业控制中的应用将逐步深入 近年来 人工智能 专家系统在工业生产自动控制中的应用已引起人们普遍的关注 现已开始用于管理 在线设备诊断 计划调度 生产工况判断 操作指导以及直接用于生产过程的优化控制 控制仪表与装置的发展趋势 5 人 机接口界面不断更新 完善 方便工作人员的监视与操作 如运用语音输入技术 使操作人员可以用讲话的方式与控制系统进行对话 在图像显示上将能给出更多的信息和更清晰的图像 以使操作人员更方便地全面了解生产状况 知识点3 过程控制系统术语和指标 任务布置 实施的任务 请你分析过程检测与控制实训装置中 可控制的参数有哪些 如何进行控制 水箱水位控制如图所示 试画出方框图 说明被控量 给定值 控制对象 内扰 外扰 操作变量指的是哪些物理量和设备 调节过程结束后水位是否有静差 某电厂仪表班负责维修80台变送器 它的平均无故障工作时间MTBF为5000h 试估算一年内维修变送器的工作任务 变送器是指通过检测元件 传感器 接受被测变量信号并将其转换成通用的标准输出信号的仪表 变送器与传感器的主要区别是变送器输出的是标准信号 而传感器输出的信号则不一定是标准的 通用的标准输出信号为4 20mA直流电流信号或20 100KPa气压信号或现场总线数字通信信号 如HART FF PROFIBUS等 知识点3 过程控制系统术语和指标 一 过程控制系统相关术语 1 变送器 为了保证工业生产用到的各种设备工作在安全经济状态 必须对其中的某个参数进行调节 如水箱里的液位 电动机的转速 热交换器的出口温度等 这些参数就是被调参数 或称为被调变量 被控变量 有关的设备就是被调对象或被控对象 2 被调对象和被调参数 资讯阶段 设定值也叫给定值 是为了达到安全高效生产的目标 希望被调参数保持的数值 如果实际被调参数偏离了这个值 就需要进行调节 而调节的最终结果应该将其调回到这个目标值上来 一 过程控制系统相关术语 3 设定值 如果被调对象和外界没有物质或能量的进出 或者虽有进出却处于稳定的平衡状态 就没必要进行调节 例如 当水箱没有液体进出时 其液位永远不会改变 即使有进有出 但是进出平衡时 液位也不会改变 电动机的电源和负载都稳定时 其转速不会改变 热交换器的进口流量 温度 出口流量都不变时 出口温度也不会变化 但实际运行中的生产设备总免不了受到各种各样的干扰 如负载的变化 电源电压的波动 原料质量或数量的变化 甚至环境条件的改变等 归根到底是物质流或能量流的波动 这些都会破坏被调参数的稳定 所有这一切对稳定不利的消极因素统称为扰动 4 扰动 出现扰动的结果是使被调参数偏离设定值 偏离的程度用偏差的大小来衡量 偏差的方向用偏差的符号来表示 例如 被调对象是过热器 被调参数是温度 设定值是540 实际温度是535 偏差就是 5 反之为 5 由此可见 偏差的定义是 一 过程控制系统相关术语 5 偏差 偏差 实际被调参数 设定值 偏差 设定值 实际被调参数 1 1 1 2 如果是人工调节 则首先应该判断被调参数是否合适 才能决定要不要加以调节 往哪个方向调节 调节多少 自动调节也是如此 只不过是用检测仪表代替人的观察 用自动调节器里的运算代替人的判断和决策 用执行器代替人手操作 总之 偏差是调节动作的依据 偏差的有无决定要不要调节 偏差的正负决定往哪个方向调节 偏差的大小决定调节多少 PID控制表示比例 P 积分 I 微分 D 控制 理想PID控制的数学表示式为 一 过程控制系统相关术语 6 PID控制 1 3 式中 u t 为控制器输出 e t 为控制器输入 测量值与设定值的差值 即偏差 KC为控制器比例增益 TI为积分时间 TD为微分时间 操纵变量也称调节变量或操作量 控制变量 控制量 决定被控变量的物理量称为操纵变量 或由控制 调节 作用改变去控制被控变量的物理量称为操纵变量 操纵变量是调节器对生产设备施加影响以抑制扰动的操纵信号 一 过程控制系统相关术语 7 操纵变量 反馈调节是根据被控变量的偏差进行调节的 当系统受到扰动后 只有等到被控变量变化并出现偏差时调节器才起作用 而被调对象总是存在惯性和迟延的 所以从扰动出现到被控变量出现偏差要有一定的时间 故调节作用落后于扰动 调节过程中必然会产生动态偏差 前馈调节不是根据偏差而是根据扰动进行调节的 因此 前馈调节有可能及时地消除扰动的影响而使被控变量基本保持不变 直接根据造成被控变量偏差的原因进行的调节称为前馈调节 8 前馈调节与反馈调节 如果调节器的输出变量随被控变量的增大而增大 就叫做正作用 反之 若调节器的输出变量随被控变量的增大而减小 就叫做反作用 一 过程控制系统相关术语 9 正作用和反作用 检定是为评定测量仪表的测量性能 准确度 稳定度 灵敏度等 并确定其是否合格所进行的全部工作 校准也称校验 是确定测量仪表示值误差 必要时也包括确定其他测量性能 的全部工作 10 检定与校准 手持终端也称 远程 通信器 手操器 编程器或组态器 是一个由干电池供电 可以随身携带的专用计算机 其功能极强 可以远距离对单回路调节器 智能变送器 智能执行器进行组态 校验 运行监视 事故诊断和修改操作 11 手持终端 仪表的准确性用准确度表示 准确度是变送器最主要的技术指标 它是指仪表在规定的参比工作条件下的最大基本误差 二 性能指标 1 准确性 变送器的基本误差是以引用误差的最大值来表示的 引用误差 的计算公式为 1 4 从式 1 4 可见 基本误差是有正负的 如果测量值大于标准值 则为正误差 否则为负误差 基本误差一般是对使用量程而言的 基本误差士0 5 表示变送器的允许误差在使用量程的 0 5 十0 5 范围之内 式中 x为测量值 x0为标准值 xk为量程上限 x1为量程下限 线性误差有时也叫非线性误差 它是指校验曲线和相应直线之间的最大偏差 变差也叫回差 它是指输入上升和下降时 同一输入值两个相应输出值之间的最大偏差 这里要注意的是 输入上升一定要从0 开始上升 同样输入下降一定要从100 开始下降 如果输入只在被校点上下稍稍改变一下 则所得的变差是不正确的 不是仪表的最大变差 重复性误差又称复现性误差 它是指在同一工作条件下 对同一输入值按同一方向连续多次测量的差值 二 性能指标 2 线性误差 变差和重复性 知识点4 模拟信号制及供电方式 任务布置 直流电流信号传输有哪些优点 请找出本实训装置中哪些信号为直流电流信号 直流电压信号传输有哪些优点 请找出本实训装置中哪些信号为直流电压信号 除直流电压 电流信号外 是否还有其他信号传输 如何选择信号的传输类型 信号制是指在成套系列仪表中 各个仪表的输入 输出信号采用何种统一的联络信号问题 只有采用统一信号才使各个仪表间的任意连接成为可能 知识点4 模拟信号制及供电方式 一 信号制 气动调节仪表的输入 输出信号 过去统一使用0 2 1kgf cm2 据当前国标改为0 02 0 1MPa的模拟气压信号 电的信号种类较多 主要有模拟信号 数字信号 频率信号和脉宽信号等四大类 因为模拟式仪表及装置的结构简单 历史长 目前也应用得最多 尤其是大部分变送器和执行器是模拟式的 因此在工业控制系统中 不论是远距离传输或是控制室内部各仪表间 用得最多的仍然是电模拟信号 资讯阶段 变送器是现场仪表 它的电源从控制室中送来 而输出信号需送到控制室中去 信号与电源的传输方式有两种 1 四线制传输 2 二线制传输 二 变送器信号传输方式 电动仪表都需要电源供给能量 供电方式在电动仪表中也是一个重要问题 现在的电动仪表大致有两种供电方式 交流供电和直流集中供电 三 供电方式 1 交流供电在各个仪表中分别引人工频220V交流电压 再用变压器降压 然后进行整流 滤波及稳压作为各自的电源 在早期的电动仪表系统中多用这种供电方式 缺点是 这种供电方式需要在每块表中附加电源变压器 整流器及稳压器线路 因此增加了仪表的体积和重量 变压器的发热增加了仪表的温升 220V交流直接引入仪表中 降低了仪表的安全性 2 直流集中供电直流集中供电是各个仪表统一由直流低电压电源箱供电 工频220V交流电压在电源箱中进行变压 整流 滤波以及稳压后供给各仪表电源 引导学生接受任务 明确任务 做出决策和计划 写出实施的步骤 教师指导与评价 任务决策和计划阶段 安全注意要点 注意过程检测与控制仿真装置通电前的检查 不要随意修改显示仪表参数 触动端子排接线 控制盘柜220V电源 切勿碰触 保证投运操作正确 规范 不能损坏设备或伤及自身 任务实施阶段 1 小组总结评价本组的任务完成情况 提交实施报告 2 教师对各小组进行效果评价点评 1 检查任务是否完成及其完成的质量 2 检查学生记录是否准确 3 评价教师评价 占70 学生考勤 满分10分 对学生学习资料 计划和实施情况进行答辩 给出评价 满分25分 能够毫无遗漏的进行本任务所要求的各项目并作好详细记录 满分25分 考核自主学习能力 团队协作能力以及完成任务的质量 满分20分 小组组长评价 占30 考核组员完成任务的主动性 积极性 协作能力以及完成任务的质量 满分30分 任务检查评估阶段 1 教师总结 点评各组 2 各组相互交流 3 知识扩充 到FCS实训室了解天煌公司研制的现场总线控制系统的应用情况 反馈 1 识读过程检测与控制情境教学实训装置系统流程图 控制图和仪表接线图 2 通过查阅仪表使用说明书 了解该实训装置所用到的仪表功能及特点 3 请你到电厂进行调研 了解电厂主要的控制系统 选用的控制仪表及装置有哪些 思考与训练 4 水箱水位控制如图示 试画出方框图 说明被控量 给定值 控制对象 内扰 外扰 操作变量指的是哪些物理量和设备 调节过程结束后水位是否有静差 5 请通过查阅相关资料 了解几种现场总线型控制仪表的功能特点 思考与训练 学习情境八控制系统的认知 任务1过程控制装置的认知 任务2过程控制装置的干扰抑制 下篇控制仪表 任务引领 本任务要求分析过程检测与控制实训装置运行过程中 可能存在的干扰 干扰对控制系统会产生哪些方面的影响 如何消除或抑制这些干扰 现场实际操作 记录数据 检验抑制的效果 任务二过程控制装置的干扰抑制 安全注意要点 注意过程检测与控制仿真装置通电前的检查 不要随意修改显示仪表参数 触动端子排接线 控制盘柜220V电源 切勿碰触 保证投运操作正确 规范 不能损坏设备或伤及自身 任务2 过程控制装置的干扰抑制 1 请分析检测与控制实训装置中存在哪些可能的干扰 这些干扰哪些属于内部干扰 哪些属于外部干扰 2 请分析这些干扰的存在对控制系统会产生什么样的影响 任务布置 知识点1 干扰的来源 一 外部干扰 1 天体和天电的干扰 2 机械的干扰 3 热的干扰 4 光的干扰 6 化学的干扰 干扰有时也来自仪表内部 如电源变压器 导线 印刷电路 电子元件之间的电感 电容或元器件内部的噪声干扰 5 湿度干扰 7 电和磁的干扰 二 内部干扰 资讯阶段 任务布置 1 已知NMRR 60dB 50Hz差模信号 峰值 为5V 试求混入系统的干扰信号值 2 已知CMRR l20dB 共模信号为5V 试求混入系统的差模干扰输入信号值 3 过程检测与控制实训装置中这些干扰存在的原因是什么 对系统是否都有影响 知识点2 干扰的途径 一 经过漏电电阻耦合 二 经过公共阻抗耦合 共用电源电路 三 电场耦合 a 电场耦合 b 等效电路 资讯阶段 四 磁场耦合 a 磁场耦合 b 等效电路 五 差模干扰与共模干扰 差模干扰是使信号接收仪表的一个输入端子电位相对另一个输入端子电位发生变化 即干扰信号与有用信号迭加在一起 送至信号接收端 它是一种直接干扰 共模干扰是相对于公共的电位基准点 通常为接地点 在信号接收仪表的两个输入端子上同时出现的干扰 图1 20差模干扰的等效电路 a 差模耦合 b 等效电路 图1 21差模干扰信号 图1 22共模干扰的形成及等效电路 a 热电偶测温 b 分布电容 c 接地点电位差 任务布置 请分析过程检测与控制实训装置中存在的干扰是否采取了抑制措施 抑制的效果怎么样 采取的抑制措施中 用到了哪些元器件或装置 通过查阅相关资料认识一下它们 知识点3 抗干扰的措施 一 隔离 1 变压器隔离 2 光电隔离 变压器的隔离作用 光电三极督型光耦合器的隔离作用 浮空电路 二 中和变压器 纵向扼流圈 中和变压器是在同一铁芯或磁芯上绕两个匝数相等 尺寸相同的线圈构成的 其功用不是变压而是感抗 由于中和变压器对低频信号电流的阻抗很小 对纵向的噪声电流却呈现很高的阻抗 三 浮空 三个电路的接地方式 a 各自的地线都接在公共地线上 b 地线互相独立 四 屏蔽 利用铜或铝等低电阻材料制成的容器 将需要防护的部分包起来或者利用导磁性良好的铁磁材料制成的容器将需要防护的部分包起来 此种防止静电或电磁的相互感应所采用的技术措施称