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工业生产过程控制河南工业大学王伟生 本课程主要内容 过程控制的一般性概念过程控制系统的基本结构过程控制仪表技术复杂过程控制系统结构计算机技术在过程控制中的应用 本节主要内容 过程控制定义及认识过程控制目的过程控制系统的组成过程控制系统的特点过程控制系统的分类 过程控制定义 所谓过程控制 ProcessControl 是指根据工业生产过程的特点 采用测量仪表 执行机构和计算机等自动化工具 应用控制理论 设计工业生产过程控制系统 实现工业生产过程自动化 工业生产过程 通常把原材料转变成产品并具有一定生产规模的过程叫做工业生产过程 可分为 1 连续 或批处理 生产过程 如化工 石油 冶金 发电 造纸 生物化工 轻工 水处理等 2 离散制造过程 如机械加工 汽车制造等 连续生产过程中自动控制系统的被控参数往往是温度 压力 流量 物位和成分等变量 本书重点讨论此类过程 过程控制认识 冶金行业磨矿工艺中 球磨机采用给矿机给矿 以前由人工观察给矿量 机械调整给矿口大小来控制矿量 给矿量波动较大 难以稳定 为稳定入磨矿量 在给矿皮带上安装皮带秤 根据皮带秤检测的矿量对给矿机进行变频控制调节矿量 球磨工艺流程图 球磨给矿过程控制示意图 球磨给矿过程控制方框图 硫酸工艺流程压力控制 化工行业硫酸生产工艺中 SO2主风机以前采用手动调节蝶阀开度 控制风机出口压力 压力波动大 采用变频技术 调节风机转速来稳定压力 并具有显著的节能效果 硫酸工艺流程压力控制方框图 成品油管线输送过程自动控制 过程控制目的 目的 抑制外界扰动的影响 确保过程的稳定性 使生产过程的工况最优化 具体来说 保证质量 提高产量 节能降耗 安全运行 保护环境 改善劳动条件 提高管理水平等 过程控制已深入到工业生产过程的各个层面 不仅可以给企业带来直接的经济效益 还可以为企业和社会带来间接的社会效益和环境效益 过程控制系统组成 1 被控过程 Process 指运行中的多种多样的工艺生产设备 2 过程检测控制仪表 Instrumentation 包括 测量变送 Measurement 控制器 Controller 执行器 ControlElement 过程控制中的几个名词术语 被控参数 变量 y t 控制 操纵 参数 变量 q t 扰动量f t 给定值r t 当前值z t 偏差e t 控制作用u t 过程控制的主要特点 被控过程形形色色 控制过程多属缓慢过程和参量控制形式 控制方案的多样性 有单回路 50 以上 串级 20 以上 前馈 反馈 比值 均匀 分程 选择性 时滞 数字和计算机过程控制系统等 定值控制是主要控制形式 本课程的体系结构 首先介绍过程控制的基本概念 第一章 分五章介绍过程控制的4个组成部分 第二章 第六章 接着介绍典型过程控制系统 第七章 第八章 为突出计算机在过程控制中的应用 单辟一章详细讲述了计算机过程控制系统 第九章 过程控制系统的分类 按系统的结构特点来分反馈控制系统前馈控制系统复合控制系统 前馈 反馈控制系统 按给定值信号的特点来分定值控制系统随动控制系统 反馈控制系统 偏差值是控制的依据 最后达到减小或消除偏差的目的 反馈信号可能有多个 从而可以构成多回路控制系统 如串级控制系统 前馈控制系统 扰动量的大小是控制的依据 控制 及时 属于开环控制系统 在实际生产中不能单独采用 闭环与开环控制系统 反馈 是控制的核心 只有通过反馈才能实现对被控参数的闭环控制 开环控制系统不能自动地 察觉 被控参数的变化情况 也不能判断控制参数的校正作用是否适合实际需要 闭环控制系统在过程控制中使用最为普遍 复合控制系统 前馈 反馈控制系统 充分发挥了前馈和反馈的各自优点 定值控制系统 定值控制系统是工业生产过程中应用最多的一种过程控制系统 在运行时 系统被控量 温度 压力 流量 液位 成分等 的给定值是固定不变的 有时可在规定的小范围附近不变 随动控制系统 随动控制系统是一种被控量的给定值随时间任意变化的控制系统 如锅炉燃烧控制系统中 要求空气量随燃料量的变化而变化 以保证燃烧的经济性 其主要作用是克服一切扰动 使被控量随时跟踪给定值 一般意义上的随动控制系统 FollowingControlSystem 是指位置随动系统 如火炮 导弹的位置跟踪等 例题1 如图是乙烯裂解气温度控制系统 采用液态丙烯 使其汽化吸收热量以冷却乙烯裂解气 调节气态丙烯流量使温度控制在 15 1 5 例题1 指出系统中被控过程 被控参数和控制参数各是什么 试画出该控制系统的组成方块图 试比较示意图和方块图 说明控制参数的信号流向与物料的实际流动方向不同 例题1 被控过程为丙烯冷却器 被控参数为乙烯裂解气的出口温度 控制参数为气态丙烯的流量 在示意图中 气态丙烯的流向是由丙烯冷却器流出 而在方块图中 气态丙烯作为控制参数 其信号的流向是指向丙烯冷却器的 例题2 列管式换热器 工艺要求出口物料温度保持恒定 如果保持物料入口流量和蒸汽流量基本恒定 则温度的波动将会减小到工艺允许的误差范围内 故分别设计了物料入口流量和蒸汽流量两个控制系统 以保持出口物料温度恒定 例题2 对于物料入口流量和蒸汽流量而言 系统均为闭环控制系统 而从 出料温度 这个被控参数角度来说 该控制系统为开环控制系统 教材及主要参考资料 教材 陈夕松等 过程控制系统 M 科学出版社 2005主要参考资料 王树青等 工业过程控制工程 M 化学工业出版社 2003何衍庆 工业生产过程控制 M 化学工业出版社 2004CurtisJohnson ProcessControlInstrumentationTechnology 6th PearsonEducation 先修课程 本课程是自动化专业的主干课程 其先修课程主要包括 检测与转换技术 电力电子技术 电机及拖动基础 微机原理及接口技术 低压电器及PLC 和 自动控制原理 等 只有在掌握上述课程相关知识后 学习本专业课才会得心应手 融会贯通 主要内容 过程控制性能指标过程控制技术的发展过程控制的地位过程控制的任务 过程控制系统的性能评价 一个性能良好的过程控制系统 在受到外来扰动作用或给定值发生变化后 应能迅速 平稳 准确地达到或趋近给定值 过程控制系统性能的评价指标可概括为 系统必须是稳定的 最重要 最基本的需求 系统应提供尽可能优良的稳态调节 静态指标 系统应提供尽可能优良的过渡过程 动态指标 决定过程控制系统性能的因素 控制系统结构 单回路 串级 前馈 反馈控制等 各组成环节特性 被控过程特性 滞后 非线性 时变性和耦合特性 检测环节特性 非线性 间接测量 执行环节特性 非线性 控制器特性 当系统结构和上述三个环节都确定后 控制器特性是决定控制系统性能指标的唯一因素 这就是参数整定 Tuning 性能指标的确定和分析方法 过程控制系统性能指标应根据生产工艺过程的实际需要来确定 需同时注意静态和动态性能指标 分析方法 1 阶跃响应性能指标 系统工程整定时采用 2 偏差积分性能指标 计算机仿真或理论分析时采用 阶跃扰动作用下控制系统过渡过程曲线 a 发散振荡过程 b 非振荡发散过程 c 等幅振荡过程 d 衰减振荡过程 e 非振荡衰减过程 给定值阶跃变化时过渡过程的典型曲线 静态性能指标 稳态误差是描述系统静态性能的唯一指标 指系统过渡过程终了时给定值与被控参数稳态值之差 一般要求稳态误差为零或越小越好 动态性能指标 生产过程中干扰无时不在 控制系统时时刻刻都处在一种频繁的 不间断的动态调节过程中 所以 在过程控制中 了解或研究控制系统的动态比其静态更为重要 更有意义 描述系统动态指标主要包括 1 衰减比2 超调量3 过渡过程时间 衰减比 衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标 一般取衰减比为4 1 10 1 其中4 1衰减比常作为评价过渡过程动态性能的一个理想指标 对于缓慢变化过程 可取到10 1 超调量与过渡过程时间 超调量 过渡过程时间ts指系统从受扰动作用时起 直到被控参数进入新的稳态值 5 或 2 的范围内所经历的时间 要求 ts应越小越好 性能指标之间的关系 有些指标之间是相互矛盾的 如超调量与过渡过程时间 对于不同的过程控制系统 性能指标各有其重要性 应根据工艺生产的具体要求 分清主次 统筹兼顾 保证优先满足主要的性能指标要求 例题1 某发酵过程工艺规定操作温度为40 5 试确定该系统的稳态误差 衰减比 超调量和过渡过程时间 例题1 稳态误差ess 41 40 1 衰减比第一个波峰值 45 41 4 第二个波峰值 42 41 1 超调量 45 41 41 9 75 过渡过程时间 23min 误差带为 2 偏差绝对值积分 偏差绝对值积分IAE IntegralofAbsoluteError 适用于衰减和无静差系统 不易用分析方法来求值 但用计算机计算很方便 偏差绝对值与时间乘积的积分 ITAE 偏差绝对值与时间乘积的积分ITAE IntegralofTimeandAbsoluteError 用以降低初始大误差对性能指标的影响 同时强调了过渡过程后期的误差对指标的影响 着重惩罚过渡过程拖得过长 偏差平方值积分 ISE 偏差平方值积分ISE IntegralofSquaredError 该性能指标着重于抑制过渡过程中的大误差 时间乘偏差平方积分 ITSE 时间乘偏差平方积分ITSE IntegralofTimeandSquaredError 着重惩罚过渡过程拖得过长和大误差 阶跃响应与偏差积分性能指标的比较 阶跃响应性能指标中各单项指标清晰明了 但如何统筹 兼顾偏差和时间 则比较困难 偏差积分性能指标可综合偏差和时间关系 即可以兼顾衰减比 超调量和过渡过程时间等各单项指标 属于综合性能指标 一般来说 阶跃响应性能指标便于工程整定 在工程应用中使用广泛 而偏差积分性能指标则更便于计算机仿真和理论分析 过程控制技术的发展 过程控制仪表的发展计算机在过程控制中的应用及发展过程控制理论的发展我国过程控制技术的发展 过程控制仪表的发展 计算机在过程控制中的应用及发展 过程控制理论的发展 上世纪40年代至60年代 经典控制理论为主 60年代后 现代控制理论在生产过程控制中得到了越来越多的应用 数学上比较完美的现代控制理论 在过程控制的实际应用中却存在较大的问题 因为它依赖于被控对象的数学模型 近年来 控制理论界已形成一个包括智能控制等在内的多角度 多方位的研究态势 目前 在工业过程控制系统中 90 以上还是采用PID控制算法 我国过程控制技术的发展 上世纪50年代末期 主要采用机械式和气动仪表 60年代广泛采用 型电动单元组合仪表 70年代中期 型电动单元组合仪表成为过程检测和控制的主流产品 80年代初 开始采用 型电动单元组合仪表 相继引进了分布式控制系统 DCS 可编程序控制器 PLC 和工业PC机 IPC 等 目前 控制系统以DCS和PLC SCADA系统为主 我国已有DCS PLC的研发和生产能力 当前过程控制的几个发展方向 现场总线控制系统FCSPLC SCADA系统的应用研究远程监督与控制智能控制应用研究过程控制与管理信息集成 过程控制与运动控制的关系 过程控制 ProcessControl 和运动控制 MotionControl 是自动化专业的主干课程 二者的区别在于控制对象有所不同 过程控制研究化工 石油 冶金 发电等工业生产过程中的温度 压力 流量 物位 成份等变量的控制 而运动控制研究速度和位置控制 如数控机床 航空航天 机器人等等 可见 过程控制所涉及的行业面广 在国民经济生产中占有极其重要的地位 过程控制的重要地位 过程控制可提高产量 节能降耗 安全生产 减少环境污染 对提高经济效益 社会效益和环境效益具有非常重要的意义 目前 我国还有许多工业生产过程仍然处于手动或半自动状态 操作水平较低 稳定性差 效益不佳 存在很大的生产技术改造空间 采用过程控制及信息技术改造传统产业 实施生产过程的优化控制和管理 已成为当务之急 过程控制的主要任务 过程控制的主要任务是使生产过程达到安全 平稳 优质 高效 高产 低耗 作为过程控制的最基本目标是使生产过程克服一切扰动 安全 越限报警 联锁 并平稳地进行 工业生产过程中的扰动 工业生产过程的扰动作用使得生产过程不稳定 主要有 原材料的特性变化 产品质量与规格的变化 生产设备特性的漂移 装置与装置或工厂与工厂之间的关联等 在流程工业中 物料流与能量流在各装置之间或工厂之间有着紧密的关系 由于前后的联结调度等原因 往往要求生产过程的运行作出相应的改变 以满足整个生产过程物料与能量的平衡 一个局部的扰动 往往会在整个生产过程中传播开来 过程控制系统设计 工业生产过程多种多样 非常复杂 因此 在设计工业生产过程控制系统时 必须花大量的时间和精力了解该工业生产过程的基本原理 操作过程和过程特性 这是设计和实现一个工业生产过程控制系统的首要条件 这就要求从事过程控制的技术人员必须与工艺人员充分交流 控制技术人员根据工艺特点 制定控制方案 控制方案设计包括合理选择被控参数和控制参数 被控参数的测量变送 执行机构的选择 控制规律的选取以及控制结构设计等 过程控制系统设计的主要内容 一个完整的过程控制系统从设计到投运 应包括方案设计 工程设计 工程安装与仪表调校以及控制器参数整定等主要内容 其中 控制方案设计和控制器参数整定则是系统设计中的两个核心内容 如果控制方案设计不正确 仅凭控制器参数的整定 则不可能获得好的控制质量 反之 若控制方案设计正确 但控制器参数整定得不合适 也不能使控制系统保持在最佳状态 一个不当的控制方案设计举例 目标 破碎过程 腔内料位需要稳定 问题 给矿皮带长 给矿机矿量改变后传输到破碎机时间长 仅测破碎腔内料位 改变给矿机频率 料位波动很大 必须设计成串级控制 一个需要串级控制而设计成单回路控制的系统 是无法满足工艺指标要求的 第二章过程检测仪表 温度 压力 液位 流量 成分等参数测量的基础知识 了解仪表的组成和信号标准 测量的接线方式和相互关联和区别 过程控制中仪表的防爆知识 测量误差和数字滤波的方法 软测量技术的基本概念 尽量避免和检测技术课程内容的交叉和重叠 本次课主要内容 检测仪表功能及组成气动和电动仪表信号标准测量误差 真值 精度测量变送中的几个主要问题测量信号的处理数字滤波 本节内容在整个课程中的位置 过程控制的 眼睛 许多过程控制系统不能长期使用的主要原因就在于传感器故障 检测仪表功能及组成 功能 用于确定被控变量的当前值 组成 1 传感器 sensor 检测仪表中的首要部件 它直接与被测对象发生联系 但不一定直接接触 感受被测参数的变化 并发出与之相适应的电量或非电量信号 也称为一次仪表 2 变送器 transmitter 将传感器送来的检测信号进行转换 放大 整形 滤波等处理后 调制成相应的标准信号 并输出给控制器采样或进行模拟 数字显示 也称为二次仪表 有时也将传感器和变送电路统称为传感器 变送器的信号标准 电动仪表 4 20mA DC 远距离 1 5V DC 柜内传输 气动仪表 20 100Kpa除变送器外 控制器和执行器的信号标准也如此 对传感器的三个要求 1 高准确性 传感器的输出信号与被测参数成严格的对应关系 2 高稳定性 不受时间或环境温度变化等因素的影响 3 高灵敏度 被测参数微小变化时 输出量变化明显 过程检测仪表的接线方式 电流二线制和四线制电阻三线制现场总线方式 电流二线制 四线制 二线制线路简单 节省电缆 四线制仪表的工作电源可为直流 也可为交流 电阻三线制 若仅采用两根导线将热电阻接入电桥 将会由于远距离连接导线的电阻而引入误差 为防止由于远距离接线而造成桥臂不平衡 工程中大量采用三线制 接两根电桥线和一根电源线 左图 或接三根电桥线 右图 现场总线 FieldBus 方式 以HART为例 在一条电缆上同时传输直流4 20mA的模拟信号和数字信号 在直流4 20mA基础上叠加幅值为 0 5mA的正弦调制波作为数字信号 1200Hz频率代表逻辑 1 2200Hz频率代表逻辑 0 详见第九章 检测仪表的发展方向 目前 自动化仪表及装置向着数字化 模块化 高精度化 小型化和智能化的方向发展 智能化是最重要的特点 与常规仪表相比 智能仪表 测量精度高 通信功能 现场总线 远程标定 自诊断功能等 测量误差与真值 测量误差 测量值与真值之间存在的差别 真值 一个变量本身所具有的真实值 它是一个理想的概念 一般是无法得到的 在计算误差时 一般用约定真值或相对真值来代替 约定真值与相对真值 约定真值 一个接近真值的值 它与真值之差可忽略不计 实际测量中以在没有系统误差的情况下 足够多次的测量值之平均值作为约定真值 相对真值 指当高一级标准器的误差仅为低一级的1 3以下时 可认为高一级的标准器或仪表示值为低一级的相对真值 仪表绝对误差 绝对误差的实质 是仪表读数与被测参数真实值之差 仪表的绝对误差只能是读数与约定真值或相对真值之差 绝对误差 M 仪表读数 A 约定真值或相对真值 仪表相对误差与引用误差 相对误差 仪表的绝对误差与真值的百分比 引用误差 绝对误差与仪表量程的百分比 仪表的基本误差和附加误差 基本误差指在仪表制造厂规定使用条件下的相对误差 规定使用条件包括 温度 相对湿度 电源电压 安装方式等 附加误差是仪表在非规定的参比工作条件下使用时另外产生的误差 如电源波动附加误差 温度附加误差等 仪表精度等级 又称准确度级 是按国家统一规定的允许误差大小划分成的等级 我国仪表精度等级有 0 005 0 02 0 05 0 1 0 2 0 35 0 4 0 5 1 0 1 5 2 5 4 0等 级数越小 精度 准确度 就越高 工业控制用仪表多在0 1 4 0级 控制用仪表对精度要求较计量用仪表低 仪表的精度等级应视工艺需求而定 不能片面追求高精度 例题1 某压力表刻度0 100kPa 在50kPa处测量值为49 5kPa 求在50kPa处仪表示值的绝对误差 相对误差和引用误差 例题1 仪表的绝对误差 仪表的相对误差 仪表的引用误差 例题2 某换热器的温度控制系统方块图如图 系统的被控参数为出口物料温度 要求保持在 200 20 控制参数为加热蒸汽的流量 说明图中R E Q C F所代表的专业术语内容 说明Z I P的信号范围 气动执行器的输入 输出各是什么物理量 例题2 R为给定值 E为偏差 E R Z Q为控制参数 C为被控参数 F为干扰 Z的信号范围为4 20mADC I的信号范围也为4 20mADC P的信号范围为20 100kPa 气动执行器的输入信号为20 100kPa的气压信号 输出信号为加热蒸汽的流量 传感器选用原则 传感器的类型测量原理量程大小接线方式频率响应特性精度等级传感器的来源 传感器使用中需注意的问题 信号滞后问题传输距离问题信号抗干扰处理传感器的定期维护问题 信号滞后问题 纯滞后问题 由于测量元件安装位置不当及测量仪表本身特性等容易引入纯滞后 应力求避免 测量滞后问题 主要由测量元件本身的特性造成 在系统设计中应尽可能选用快速测量元件 多路循环测量时 应保证每路信号控制的实时性 传感器信号传输距离问题 电流信号较电压信号抗干扰能力强 传输距离远 不同电流信号传输距离视变送器带载能力而定 带载能力一般在250 750 之间 采用通信方式时 信号有时需加转换器或中继器 Repeater 以延长传输距离 测量信号的滤波处理 过程控制系统中 测量信号往往带有噪声 除传感器本身需考虑抗干扰处理外 还可以采用控制系统软件进行数字滤波处理 数字滤波 数字滤波即程序滤波 通过计算机软件 运算与判断 滤去干扰信号 提高信号的真实性 在计算机中常采用数字滤波消除低频干扰 常用的数字滤波有如下几种 1 算术平均值滤波2 程序判断滤波3 中位值法滤波4 一阶惯性滤波 算术平均值滤波 又称为递推平均滤波 对周期性等幅振荡的干扰有较明显的滤波效果 一个实际的PLC算术平均法滤波 欧姆龙 OMRON C200系列PLC程序 程序判断滤波 当时 则Xi为输入计算机的采样值 当时 应将Xi 1采样值作为第i次采样值输入计算机 B值的选择主要决定于对象的被测参数的变化速度 中位值法滤波 连续采样三次以上的被测值 从中选择大小居中的那个值作为有效的测量信号适用场合 对变化速度不太快的参数 去掉其干扰脉冲 一阶惯性滤波 实质上是通过计算机的算式来实现动态的RC低通滤波 一个可以实现一阶惯性滤波的PLC程序 西门子 SIEMENS S7 300系列PLC程序 数字滤波使用时注意的问题 根据具体情况选择采用 在实际应用中 一般先对采样值进行程序判断滤波 然后再应用算术平均滤波或一阶惯性滤波等方法处理 应保证测量值的实时性 RealTime 和真实性 对于存在较大干扰的信号 应从干扰抑制上考虑 而不是仅仅滤波 传感器的维护问题 工业用仪表要定期进行校验或标定 校正零点和量程 可结合过程控制系统软件进行断线 越限等异常报警 要根据具体仪表的使用要求定期维护 特别是结构复杂 价格昂贵的关键仪表 如在线成分分析仪表等 主要内容 安全防爆基础温度检测热电偶热电阻测温元件的选型及安装 安全防爆 在石油 化工等多个行业 大量存在含有易燃易爆材料的场合 危险区域 如原油及其衍生物 酒精 天然气 金属屑 粉尘 纤维 飞扬物等等 安全防爆是一项综合性技术 与过程控制关系密切 安全防爆意义重大 危险区分类 可燃物的燃点和闪点 爆炸的形成 与可燃物的燃点 闪点密切有关 燃点指可燃物受热发生自燃的最低温度 达到这一温度 可燃物质与空气接触 不需要明火作用 就能自行燃烧 燃点越低 发生起火的危险性越大 如汽油的燃点为220oC 闪点是易燃物或可燃液体挥发出的蒸气与空气形成混合物后 遇火源发生燃烧的最低温度 如汽油闪点39oC 安装在危险区的电子仪表 传感器 执行器或控制器 其表面温度必须受限 并避免产生火花 防爆技术 为了确保电子设备在危险场所安全使用 发展了多种防爆技术 隔爆型 d 本安型 i 正压型 油浸型 充砂型 各种防爆技术规范由国家标准强制规定 不同的防爆技术适用于不同的场合 隔爆型 把设备可能点燃爆炸性气体混合物的部件全部封闭在一个外壳内 其外壳能够承受通过外壳任何接合面或结构间隙 渗透到壳内的可燃性混合物在内部爆炸而不损坏 并且不会引起外部由一种 多种气体或蒸汽形成的爆炸性环境的点燃 从而达到隔爆目的 适用于1区和2区 本安型 设备内部的所有电路在标准规定条件下 产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体 从限制电路中的能量入手 通过可靠的控制电路参数将潜在的火花能量降低到可点燃规定的气体混合物能量以下 导线及元件表面发热温度限制在规定的气体混合物的点燃温度之下 该防爆型式只能应用于弱电设备中 控制器 传感器等 适用于0区 1区和2区 安装在安全区 如控制室内 的非防爆型仪表 需经防爆安全栅与安装在危险区的本安仪表联接 防爆安全栅 安全栅安装在安全场所 一方面传输信号 另一方面将流入危险场所的能量控制在爆炸性气体或混合物的点火能量以下 发生故障时 安全栅能将串入到故障仪表的能量限制在安全值以内 从而确保现场设备 人员和生产的安全 分为齐纳式安全栅与隔离式安全栅两种 齐纳式安全栅与隔离式安全栅 齐纳式 Zener 安全栅 通过快速熔断丝和限压 限流电路实现能量限制作用 隔离式安全栅 使用较多的是隔离变压器式安全栅 与齐纳式安全栅相比 隔离式安全栅具有如下突出优点 隔离式安全栅的电源 信号输入 信号输出均通过变压器耦合 实现信号的输入 输出完全隔离 通用性强 可以在危险区或安全区认为合适的任何一方接地 隔离式安全栅由于信号完全浮空 大大增强信号的抗干扰能力 仪表防爆标志示例 Exd BT6Ex 防爆仪表d 隔爆型 B 指工厂用仪表 指煤矿用仪表 类又分 A 丙烷等 B 乙烯等 和 C 氢气 乙炔等 T6 85 根据自燃温度T将易燃性气体或蒸汽混合物分为450 300 200 135 100 和85 安全防爆的其他考虑 静电处理 如油库设施的油罐 管道 卸油台 加油柱应可靠接地 防雷击处理 在易燃易爆生产场所应安装避雷设施 避雷针 SPD等 电缆连接及布线处理 执行器优先选择气动设备 过程控制常见被控参数 常见被控参数 温度压力流量液位成分许多工业过程都可以直接或间接地以上述参数实现控制 温度检测 温度是工业过程控制系统中最常用 最基本的一个物理量 工业过程中常用温标为摄氏 但美国采用华氏 换算关系 温度测量方法及测量元件 接触式和非接触式常用测量元件 热电偶热电阻半导体热敏电阻集成温度传感器 接触式测温 测温方法 膨胀式 基于物体受热体积膨胀性质 热电阻式 基于导体或半导体电阻随温度变化的性质 热电偶式 基于热电效应 特点 简单 可靠 精度高 测温元件有时可能破坏被测介质的温度场或与被测介质发生化学反应 因受到耐高温材料的限制 测温上限有界 非接触式测温 测温方法 利用物体辐射能随温度变化的特性 如红外式测温 特点 不会破坏被测介质的温度场 测温上限原则上不受限制 可测运动体温度 如轧钢过程中钢板表面温度 易受被测物体热辐射率及环境因素 物体与仪表间的距离 烟尘和水汽等 的影响 热电偶 Thermocouple 工业过程中使用范围很广的一种测温元件 特点 其热电动势与温度在小范围内基本上呈单值 线性关系 稳定性好 测温范围宽 高温热电偶测温上限可达2800 精度较高 常用热电偶型号 基本为定型生产 有标准化分度表 常用型号 铂铑30 铂铑6热电偶 也称双铂铑热电偶 分度号B 测温范围300 1600 铂铑10 铂电偶 分度号S 测温范围0 1300 镍铬 镍硅 镍铬 镍铝 分度号K 热电偶 测温范围 50 1000 热电偶冷端温度对被测温度的影响 只有当热电偶冷端温度T0保持不变时 热电势才是被测温度T的单值函数 E T 0 E T T0 E T0 0 所以 只有将冷端温度保持为0 或者进行一定的修正才能得到准确的测量结果 该过程称为热电偶的冷端温度补偿 热电偶冷端补偿例题 用分度号为K的镍铬 镍硅热电偶测量温度 在没有采取冷端温度补偿的情况下 显示仪表指示值为500 而这时冷端温度为60 试问 实际温度应为多少 如果热端温度不变 设法使冷端温度保持在20 此时显示仪表的指示值应为多少 热电偶冷端补偿例题 显示仪表指示值为500时 查表可得此时显示仪表的实际输入电势为20 64mV 即冷端温度为60 产生的电势 由23 076mV查表可得 t 557 即实际温度为557 热电偶冷端补偿例题 当热端为557 冷端为20 时 由于E 20 0 0 798mV 故有 查表可得显示仪表指示值应为538 4 工业上冷端补偿常用方法 冷端温度修正法 包括 温度修正法T T kT k为修正系数 热电势修正法 软件查表法 冷端温度自动补偿法 包括 冷端补偿电桥法pn结补偿法若被测温度较高 1000 而冷端在室温范围 可以忽略冷端的影响 即无需补偿 热电阻 RTD 在中 低温区 热电偶输出的热电动势很小 而在中 低温区 用热电阻比用热电偶做为测温元件时的测量精确度更高 热电阻特点 性能稳定 测量精度高 一般可在 270 900 范围内使用 推荐在150 以下时选用 热电阻的材料 工业热电阻的材料要求 电阻温度系数大 电阻随温度的变化呈线性关系 电阻率大 热容量小 在测温范围内具有稳定的物理和化学性能 热电阻的材料主要有铂 铜和镍 不同热电阻特点及分度号 铂在氧化介质或高温时 物理 化学性质稳定 分度号有Pt100 Pt10 测温范围 200 850 铜在 50 150 稳定性好 超过100 易被氧化 分度号有Cu50 Cu100 测温范围 50 150 镍在我国含量少 不常用 分度号有Ni100 Ni300和Ni500 测温范围 60 180 三种热电阻中 铂 特别是Pt100 使用最广 半导体热敏电阻 Thermistor 包括正温度系数PTC 负温度系数NTC和临界温度电阻CTR三类 连续测温中主要采用负温度系数NTC 而PTC和CTR一般用于制作位式作用温度开关 热容量小 响应快 但互换性差 热电特性非线性大 测温范围 50 300 集成温度传感器 利用pn结的伏安特性与温度之间的关系研制的一种固态传感器 特点 体积小 热惯性小 反应快 测温精度高 稳定性好 价格低等 分为电压型和电流型两种 电压型温度系数约10mV 电流型温度系数约1 A 集成温度传感器AD590 两端元件 供电电压 直流 4 30V 1 5mW 5V 高阻抗 710M 输出 0 时输出273 2 A 温度系数1 A 测温范围 55 150 使用范围广泛 热电偶 热电阻的选型 根据工艺要求的测温范围和使用要求确定相应分度号的热电偶 热电阻 优先选择一体化热电偶或热电阻温度变送器 直接输出标准信号 根据环境条件选用不同型式的接线盒 潮湿或露天场所选用防溅式 防水式 易燃易爆场合注意防爆 测温元件管道安装原则 测量流动介质 管道内 温度时 应保证传感器与介质充分接触 与被测介质成逆流状态 至少呈正交式 安装 感温点应处于管道中流速最大的地方 尽可能增大传感器的插入深度 温度计应斜插或在管道弯头处插入 当测温管道过细 直径小于80 时 安装测温元件需加装扩充管 测温元件使用注意事项 热电偶或热电阻在安装时 应使其接线盒的面盖向下 以免雨水或其他污物渗漏 注意热电阻的三线制接线方式 注意热电偶的屏蔽接地方式 两端接地 主要内容 过程控制常见被控变量检测 压力检测流量检测物位检测成分检测国际著名仪表供应商仪表技术的发展 本节内容所处位置及讲授方法 避免与 检测技术 课程内容重复 仅概要介绍概念和原理 重点介绍仪表选型及工程应用 压力的基本概念 过程控制中的压力即压强 压力的单位有帕 Pa 兆帕 MPa 巴 bar 等 国内用户常用 公斤 应注意用户习惯 压力的表示方式有三种 绝对压力Pa 物体所承受的实际压力 其零点为绝对真空 表压力P 指高于大气压力时的绝对压力与大气压力之差 真空度 负压 Ph 大气压力与低于大气压力时的绝对压力之差 过程控制中压力检测常用方法 1 应变片式压力检测2 扩散硅压力传感器 使用最广 其他方法 弹性式 液柱式等 多用于就地指示 不便远传 应变片式压力检测 基于应变片 电阻体 受力变形 阻值发生变化的原理 测量范围宽 可达数百MPa 多用于固体压力测量 扩散硅式压力传感器 在半导体材料的基片上 硅片或锗片 利用集成电路工艺制成扩散电阻 受外力作用时 扩散电阻的电阻率变化而导致阻值改变 主要优点 体积小 结构简单 良好的动态响应 易集成 价格便宜 应用广泛 约占液体 气体压力检测的80 以上 压力传感器的安装 测点要选在前后有足够长的直管段上 取压管端面与管道连接处的内壁应平齐 不应有凸出物或毛刺 引压导管不宜过长 一般不大于50m 引压导管不宜过细 一般采用内径为10 15mm的无缝钢管 测点与压力传感器之间应加装闸阀 以备检修压力传感器时使用 且应尽量靠近测点一侧 其他安装注意事项 在测量蒸汽压力时 应加装凝汽管 以防止高温蒸汽与测压元件直接接触 对于有腐蚀性的介质 应加装充有中性介质的隔离罐 针对被测介质的不同性质 脏污 结晶 粘稠等 应采取相应的防堵等措施 并注意日常维护 流量的基本概念 单位时间内流过管道横截面的流体数量 称为瞬时流量 当流体的数量以体积表示时 称体积流量 过程控制中使用很多 当流体的数量以质量表示时 称质量流量 在某一段时间内流过管道横截面的流体总和称为总 流 量或累积流量 一般只用于计量考核 不参于过程控制 流量的测量方式 节流式流量计电磁流量计旋涡 涡街 流量计其他流量计 节流式流量计 基于节流变压降原理 由节流件 导压管及差压检测仪表组成 最常用的节流件 孔板 喷嘴及文丘利管 差压式流量计的流量基本方程式是根据流体力学中伯努力方程和流动连续性方程推导出来的 伯努利方程 流速为 密度为 静压力为p 则当流体充满水平管道流动时 其能量方程为第一项为静压能 第二项为动压能 动能 在同一管道的任一横截面上 流体动能及其静压能的总和不变 在一定条件下 这两种形式的能量可以在总能量不变的前提下相互转换 流量与压差之间的关系 流量与流体流过节流件前后所产生压差的平方根成正比例关系为流量系数 为可膨胀性系数 为节流件的开孔面积 为流体密度 为节流装置前后的压差 差压流量计节流件的安装 务必使节流装置前后保持足够的直管段 使被测介质在节流前后保持稳定的流动状态 在节流装置附近不允许安装测温元件或开取样口 节流件的开孔与管道的轴线应同心 节流件的端面与管道的轴线垂直 管道内流体必须充满管道且为单向流动 流体不能含有颗粒 纤维等杂质 电磁流量计及其原理 根据法拉第电磁感应定律制成 用来测量管道中导电性液体体积流量 电磁流量计的感应电势与流量成线性关系 电磁流量计的特点 电磁流量计的测量管道内无节流部件 具有如下特点 不堵塞 可测带颗粒 纤维等杂质的导电液体 维护方便 寿命长 没有测量滞后现象 电磁流量计的安装要求 必须保证被测液体完全充满测量导管 在水平安装时 应低于管道 垂直安装时 液体流动方向应从下往上 一般要求在变送器前后有长度为3 5倍管道直径的直管段 要求安装地点远离强磁场 旋涡 涡街 流量计 利用流体自然振荡的原理 当流体以足够大的流速流过垂直于流体流向的物体时 若该物体的几何尺寸适当 则在物体的后面 沿两条平等直线上产生整体排列 转向相反的涡列 涡列的个数 即涡街频率 和流体的速度成正比 通过测旋涡频率 就可知道流体的流速 从而测出流体的流量 其他流量计 流量计的选择 注意防堵 测导电液体流量应优先考虑使用电磁流量计 差压 旋涡 转子或涡轮流量计只用于洁净流体的测量 过程控制中 流量检测往往作为复杂过程控制系统的局部回路 如串级控制的内环 对仪表精度要求往往不很严格 质量流量计价格昂贵 在工艺要求允许的情况下优先选择体积式流量计 微小流量下 流量开关与流量计的选择 物位测量 浮力式静压式电容式超声波式雷达式等 ENRAF浮力式石油储罐液位计 超声波传感器在液位测量中的应用 超声波传感器在物位测量中的应用 物位计的选择 测量有沉淀液体时 不宜采用静压式 优先选择超声波式或雷达式 电容式物位计 不适用于测量在电极上可能粘附粘稠介质或介电常数变化大的介质 超声波式物位计 不与介质接触 适用范围宽 但应注意被测液体表面不能有泡沫 并注意测量盲区 在灰尘大的场合 还可考虑重锤式等其他物位计 成分分析仪表 工厂中常用的成分自动分析仪表 各种气体分析仪 酸度计 PH计 等 例如 氧化锆式氧量分析仪 分析烟气中的含氧量 红外线气体分析仪 吸收红外线的辐射能 气体温度升高 利用这种转换关系 确定某气体吸收了多少红外线辐射能 从而确定混合物中某气体的含量 可测量CO CO2 CH4等 工业酸度计 测定位于被测溶液中的两电极间的电位差反映PH值 成份分析仪表举例 在线成份分析仪使用注意事项 取样及预处理要保证取出样品的代表性 representative 为减小测量时滞 取样管线应尽量短 测量滞后问题力求选用响应速度快的分析仪表和滞后小的取样及预处理系统 分析仪的标定必须定期标定仪表 国际著名仪表供应商 Emerson Rosemount分析仪器 压力 流量 物位Yokogawa分析仪器 流量 压力ABB分析仪器 流量Siemens分析仪器 流量Endress Hauser流量 物位Honeywell压力 温度Krohne流量FCI流量BertholdTechnologies物位 核辐射式 优秀服务供应商 优秀 5 0 4 5Emerson MicroMotionAnalyzer 密度 浓度Siemens AppliedAutomationAnalyzer 烟道气体 气体排放Endress Hauser 涡街流量计EnrafLevelGauge 盘库级Yokogawa 压力变送器4 4Emerson MicroMotion 科里奥利流量计Emerson Rosemount 核辐射物位仪表Endress Hauser 点式物位开关Emerson Rosemount 热点偶 仪表技术的发展 在线分析仪表越来越多 软测量 Soft Sensing 技术的发展 基本思路是基于一些过程变量与过程中其他变量之间的关联性 数学模型 根据一些容易测量的过程变量 辅助变量 推算出一些难于测量或无法测量的过程变量 主导变量 测量方法创新 智能化 下节课的内容 主要内容 执行器调节阀变频器执行器的选择及使用 本节内容在课程中的位置 执行器接受控制器输出的控制信号 转换成位移 直线或角位移 或速度 用于控制流入或流出被控过程的物料或能量 从而实现对过程参数的自动控制 相当于控制系统的 手脚 执行器的种类 1 调节阀 在管道流体控制中使用最多 2 变频器 部分场合可取代调节阀 具有明显的优势 可靠 节能 3 其他执行设备 如步进电动机 电磁阀等 功能简单 过程控制中使用较少 执行器对过程控制系统的影响 执行器直接影响过程控制系统的控制质量 如调节阀的口径大小 流量特性 易堵 振荡等 其中 调节阀安装在生产现场 直接与介质接触 通常在高温 高压 强腐蚀 易燃易爆 剧毒等场合下工作 它是过程控制中除传感器外 另一种易出现故障的设备 调节阀 由执行机构和调节机构 即阀体 两部分组成 执行机构分为三大类 气动 电动和液动 从本质上说 执行机构是一个位置伺服系统 不管执行机构如何 三类阀体可互换 气动执行机构 1 波纹膜片 2 压缩弹簧 3 推杆 4 调节件 5 阀杆 6 压板 7 上阀盖 8 阀体 9 下阀盖 10 阀座 11 阀芯 12 填料 13 反馈连杆 14 反馈凸轮 15 气动放大器 16 托板 17 波纹管 18 喷嘴 19 挡板 电动执行机构 气动和电动执行机构特点比较 调节阀的工作机理 调节阀本质上是一个节流元件 通过改变阀芯行程从而改变调节阀的开度 Opening 达到控制流量的目的 行程的变化对流量的影响与阀门前后的压差 阀的开度 流通截面 阀芯的流量特性有关 调节阀的流量特性 指介质流过阀门的相对流量与相对开度之间的关系 相对流量 即调节阀某一开度的流量与全开流量之比 相对开度 即调节阀某一开度的行程与全行程之比 理想流量特性 调节阀前后压差不变时 得到的流量特性 它完全取决于阀芯的形状 理想流量特性有 1 直线2 等百分比3 抛物线4 快开 直线流量特性 调节阀的相对流量与阀心的相对开度成直线关系 即调节阀相对开度变化所引起的相对流量变化是常数 为调节阀的可调范围 直线流量特性特点 阀芯相同开度变化所引起的流量变化是相等的流量相对变化量 流量变化量与原有流量之比 是不同的 在小开度时 流量相对变化量大 在大开度时 其流量相对变化最小 直线流量特性调节阀在小开度时 控制作用强 但易引起振荡 在大开度时 调节作用弱 控制缓慢 等百分比流量特性 其数学表达式行程变化相同的百分数 流量在原来基础上变化的相对百分数是相等的 即具有等百分比流量特性 等百分比流量特性特点 调节阀在小开度时 控制缓和平稳调节阀在大开度时 控制灵敏有效 抛物线流量特性 相对流量与相对开度成抛物线关系 即平方根关系 它介于直线与等百分比流量特性之间 也称近似等百分比流量特性 快开流量特性 在小开度时流量就比较大 随着开度的增大流量很快就达到最大 主要适用于位式控制 调节阀的选择 调节阀的选择主要包括公称直径 流量特性和开关型式的选择 公称直径的选择主要考虑工艺管道的直径 满足工艺生产要求 流量特性的选择 目前均基于工程经验 不同的过程控制系统有相对成熟的选择经验供参考 气开 气关选择 所谓气开式 即当信号压力增加时 阀门开大 气关式则相反 即信号压力增加时 阀门关小 主要出于以下考虑 考虑事故状态时人身 工艺设备的安全 考虑在事故状态下减少经济损失 保证产品质量 气开 气关形式选择举例 受压容器 采用改变气体排出量以维持容器内压力恒定 试问调节阀应选择气开式还是气关式 气开 气关形式选择举例 受压容器 采用改变气体排出量以维持容器内压力恒定 试问调节阀应选择气开式还是气关式 答 气关式 变频器 将频率 电压固定的交流电变换成频率 电压连续可调的三相交流电源 变频技术用于交流鼠笼式异步电动机的调速 其性能已经胜过以往的交流调速方式 通用变频器原理 交 直 交 变频控制方法及元件 变频控制方法有标量控制 矢量控制 VectorControl 和直接转矩控制 DirectTorqueControl 过程控制中多采用标量控制 常用的电力电子元件主要有普通晶闸管SCR 可关断晶闸管GTO 大功率晶体管GTR 绝缘栅晶体管IGBT 大功率MOS管PowerMOSFET和门控晶闸管MCT 其中IGBT应用相当广泛 变频器在过程控制中的典型应用 变频器与笼型电动机的结合是交流电动机调速系统的最佳选择 特点 较高的控制精度及较宽的调速范围 显著的节能效果 易于实现自动控制及远程控制等性能 在以风机 泵为调节手段的过程控制中 已被变频逐步取代 常规泵池液位控制 控制原理 根据液位LT 由LC控制调节阀 存在问题 阀易磨损 特别是液体含有颗粒杂质时 备品备件多 经济性差 使用和维护成本高 泵池液位变频控制 控制原理 根据液位LT 由LC控制拖动泵的变频器 优点 无易损件 维护工作量少 系统稳定可靠 具有极佳的节能效果 泵变频节能的原因 泵流量 扬程 功率与转速关系 流量 扬程 功率 可见 当通过调节转速来控制流量 一般都在基频以下 时 功率呈立方关系降低 节能效果十分显著 二氧化硫风机压力变频控制 硫酸生产工艺中 要求SO2主风机的出口压力基本维持为一常数 为此可通过调整鼓风量从而使得生产能够处于最佳的运行状态 以前通过调节主风机的进风蝶阀来改变SO2流量 采用变频控制后 具有如下效果 将蝶阀全部打开 通过调节速度改变流量 无易损件 具有显著的节能效果 无需软启动器 简化了硬件电路 浓缩池浓度变频控制 冶金行业选矿工艺中 以前采用手动调整渣浆泵的出口阀通过调节泵的排出量以控制浓度 自动控制设计在卸料口矿浆管路上安装浓度计 根据浓度的变化对泵的转速进行变频调节 浓缩池浓度变频控制原理图 执行器主要供应商 调节阀 Emerson FisherRosemountRotorkHoneywell上海中泰变频器 ABBSiemensAB富士 执行器选择应注意的问题 调节阀的选择 考虑安全防爆 注意气动和电动执行器的选择 考虑工艺介质 注意防堵 V形阀 执行器选择应注意的问题 变频器的选择 注意变频器容量的选择标准是变频器额定电流大于电机工作电流 而不是功率大于电机功率 注意恒转矩负载和变转矩负载的不同性质 过程控制中一般都是变转矩负载 泵 风机 变频调速器可以作为自动控制系统中的执行单元 也可以作为控制单元 自身带有PID控制器等 执行器使用时注意的问题 调节阀 注意在电动方式下 不可手动旋转调节阀 变频器 注意对其他电子设备的干扰 注意扬程 调速时速度不能过低 应设有下限 主要内容 控制器 PLC 常规过程控制策略开关控制PID控制 通用及改进算法 控制器 控制器是硬件和软件的结合体 从硬件上来说