自动化仪表与过程控制.ppt

1 自动化仪表与过程控制 2 生产过程自动化 是指石油 化工 电力 冶金 轻工等工业部门以连续性物流为主要特征的生产过程的自动控制 主要解决各种生产过程中的温度 压力 流量 液位 或物位 以及成分 或物性 等参数的自动监测和控制问题 用自动化装置来管理连续或间歇生产过程的综合性技术就称为生产过程自动化 简称为过程控制 ProcessControl 3 过程控制 过程控制 泛指石油 化工 电力 冶金 核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制 其被控量通常为压力 液位 流量 温度 PH值等过程变量 是自动化技术的重要组成部分 作用 在现代工业生产过程自动化中 过程控制技术可实现各种最优的技术经济指标 提高经济效益和劳动生产率 节约能源 改善劳动条件 保护环境卫生等方面起着越来越大的作用 4 自动化仪表 自动化仪表 用于生产过程自动化的仪器或设备 是实现工业企业自动化的必要手段和技术工具 特点 兼容性 统一标准 5 一 生产过程及其特点连续生产过程主要有以下几种形式 1 传热过程通过冷热物流之间的热量传递 达到控制介质温度 改变介质相态或回收热量的目的 典型设备 换热器2 燃烧过程通过燃料与空气混合后燃烧为生产过程提供动力和热源 典型设备 加热炉 6 3 化学过程由两种或几种物料化合成一种或多种更有价值的产品的反应过程 典型设备 反应器4 精馏过程精馏是一种分离过程 典型设备 精馏塔5 传质过程不同组分的分离和结合 如液体和气体之间的解吸 汽提 去湿或润湿 不同非溶液体的萃取 液体与固体之间的结晶 蒸气或干燥等都是传质过程 其目的是获得纯的出口物料 一 生产过程及其特点 7 一 生产过程及其特点 生产过程特点 连续生产过程具有复杂性 关联性 时变性 非线性 不确定性 在某些高温高压或有害介质存在的场合 还具有相当的危险性 生产过程的这些特点极大地促进了过程控制技术的发展 使得过程控制在自动控制领域乃至国民经济中都占有极其重要的地位 8 参考书 教材过程控制与自动化仪表 潘永湘等 机械工业出版社 2008 5参考书1 自动检测技术与装置 张宏建等 化学工业出版社 2004 72 自动化仪表与过程控制 施仁等 电子工业出版社 2009 23 自动检测技术及仪表控制系统 张毅等 化学工业出版社 2005 34 过程控制及仪表 邵裕森 上海交大出版社 9 考核方式 1 点名作业20 2 试验成绩10 3 期末考试70 10 第一章过程控制与自动化仪表概述 系统由被控过程和检测控制仪表组成过程控制采用各种检测仪表 控制仪表和计算机等自动化工具 对整个生产过程进行自动检测 自动监督和自动控制 检测仪表把工艺参数转换为电信号或气信号 反映生产过程状况 控制仪表接受检测信号对过程进行控制 被控过程的多样性生产规模不同 工艺要求各异 产品品种多样导致过程的结构性 动态特性多样 通常被控过程属于多变量 大惯性 大时延特征 还有非线性与时变特性 锅炉 热交换器 精馏塔 控制方案的多样性被控对象复杂导致控制方案多样性 单 多变量控制系统 常规仪表控制 计算机集散控制系统 提高控制品质的和实现特定要求的控制系统 单回路 串级 前馈 比值 均匀 分程 选择性 大时延 多变量系统 还有先进过程控制系统 自适应 预测 补偿 智能 非线性控制等 过程控制的特点 11 安全性针对易燃易爆特点设计 参数越线报警 链锁保护 故障诊断 容错控制 稳定性抑制外界干扰 保证正常运行 经济性降低成本提高效率 掌握工艺流程和被控对象静态 动态特性 运用控制理论和一定的技术手段 计算机 自动化仪表 设及合理系统 过程控制的要求与任务 12 12 二 生产过程对控制的要求生产过程对控制最主要的要求可以归结为三个方面 即 安全性 稳定性和经济性 1 安全性是指在整个生产运行过程中 能够及时预测 监控和防止任何事故的发生 以确保生产设备和操作人员的安全 这是最重要也是最基本的要求 2 稳定性是指当工业生产环境发生变化或受到随机因素的干扰和影响时 生产过程仍能不间断地平稳运行 并保持稳定的产品质量 13 13 3 经济性是指在保证生产安全和产品质量的前提下 以最小的投资 最少的能耗和最低的成本 使生产装置在高效率运行中获取最大的经济收益 过程控制的任务 就是在了解 掌握工艺流程和生产过程的各种特性的基础上 根据工艺生产提出的要求 应用控制理论对控制系统进行分析 设计和综合 并采用相应的自动化装置和适宜的控制手段加以实现 最终达到优质 高产 低耗的控制目标 二 生产过程对控制的要求 14 过程控制的功能结构 测量变送与执行测量变送装置与执行装置实现 操作安全与环保保证生产安全 满足环保要求的设备 独立运行 常规与高级控制实现对过程参数的控制 满足控制要求 实时优化实现最优操作工况 时间 成本 设备损耗 而设计的方案 决策与计划调度对整个过程进行合理计划调度和正确决策 使企业利益最大化 15 过程控制发展概况 20世纪40年代前后 手工阶段 手工操作状态 凭经验人工控制生产过程 劳动生产率很低 20世纪50年代前后 仪表化与局部自动化阶段 过程控制发展的第一个阶段 实现了仪表化和局部自动化 主要特点 检测和控制仪表 采用基地式仪表和部分单元组合仪表 多数是气动仪表 过程控制系统结构 单输入 单输出系统 被控参数 温度 压力 流量和液位参数 控制目的 保持这些参数的稳定 消除或者减少对生产过程的主要扰动 理论 频率法和根轨迹法的经典控制理论 解决单输入单输出的定值控制系统的分析和综合问题 16 16 回顾生产过程自动化的发展历史 大致经历了三个发展阶段 初级阶段 1950年以前 简单的检测仪表和笨重的基地式仪表 17 20世纪60年代 综合自动化阶段 检测和控制仪表 采用单元组合仪表 气动 电动 和组装仪表 实现直接数字控制 DDC 和设定值控制 SPC 过程控制系统结构 多变量系统 各种复杂控制系统 如串级 比值 均匀控制 前馈 选择性控制系统 控制目的 提高控制质量或实现特殊要求 理论 除经典控制理论 现代控制理论开始应用 前馈控制 按扰动来控制 在扰动可测的情况下 可以提高控制质量 选择性控制 在生产过程遇到不正常工况或被控量达到安全极限事 自动实现的保护性控制 18 18 仪表化阶段 50年代至70年代 单元组合仪表和巡回检测仪表 集中监视和操作 19 19 综合自动化阶段 70年代以来 多功能组装仪表 数字仪表 智能仪表 70年代中期出现DCS 90年代以来 管控一体化成为可能 20 20世纪70年代以来 全盘自动化阶段 发展到现代过程控制的新阶段 这是过程控制发展的第三个阶段 主要特点 检测和控制仪表 新型仪表 智能化仪表 微型计算机 过程控制系统结构 由单 多变量系统 由PID控制规律 特殊控制规律 由定值控制 最优控制 自适应控制 由仪表控制系统 智能化计算机分布式控制系统 理论 现代控制理论应用到过程控制领域 如状态空间分析 系统辨识与状态估计 最优滤波与预报 集中型计算机控制系统集散控制系统DCSFCS现场总线控制系统 全盘自动化阶段 21 集中型计算机控制系统 初衷 由于当时的计算机体积庞大 价格非常昂贵 为了使计算机控制能与常规仪表控制相竞争 试图用一台计算机来控制尽可能多的控制回路 优越性 从表面上看 信息集中 集中型计算机控制可以实现各种更复杂控制功能 便于实现优化控制和优化生产 问题 由于当时计算机总体性能低 容量小 容易出现负荷过载 控制集中直接导致危险集中 高度集中使系统变得十分 脆弱 22 集散控制系统DCS 80年代 集散控制系统 DCS 集散控制系统是集计算机技术 控制技术 通信技术和图形显示技术为一体的装置 系统在结构上是分散的 生产过程是分散系统 但过程控制的监视 管理是集中的 优点 将计算机分布到车间或装置 使系统的危险分散 提高系统的可靠性 方便灵活地实现各种新型的控制规律与算法 实现最佳管理 控制分散管理集中 23 集散控制系统的结构组成 过程输入 输出接口 又叫数据采集站 数据采集与预处理 对实时数据进一步的加工 操作站的显示与打印 过程控制单元 又称基本控制器 是集散控制系统的核心 不同的集散控制系统其差别较大 高速数据通路 实现集散控制系统各处理机之间数据传送 管理 上位 计算机 进行集中管理与最佳控制 实现信息 控制 管理一体化 CRT操作站 是集散控制系统的人 机接口装置 执行监控操作 系统组态 编程 动态流程图显示以及部分生产管理 24 控制层网络 管理层网络 现场设备层 DCS的物理层次示意 25 90年代以来现场总线控制系统FCS fieldbuscontrolsystem 是计算机网络技术 通信技术 控制技术和现代仪器仪表技术的最新发展成果 它将具有数字通信能力的现场智能仪表连成网络系统 并同上一层监控级 管理级联系起来成为全分布式的新型控制网络 计算机集成过程控制CIPS computerintergratedprocesssystem 以企业整体优化为目标 市场营销 生产计划调度 原材料选择 产品分配 成本管理 工艺过程控制与优化 以计算机和网络为主要技术实现管理与控制一体化 26 现场总线控制系统 FCS 27 定义 是连接智能现场装置和自动化系统的数字式 双向传输 多分支结构的通信网络 支持双向 多节点 总线式的全数字通讯 双向数据通信能力避免了反复进行A D D A的转换 把控制任务下移到现场设备 以实现测量控制一体化全分散 本质 特点 评价 已成为全世界范围自动化技术发展的热点 涉及整个自动化和仪表的工业 革命 FCS现场总线控制系统 28 现场总线式变送器 现场总线式阀门定位器 安全防爆 工业以太网 安全防爆总线 非安全防爆总线 29 控制室 控制台 流程图 30 仪表盘 操作员站 31 操作员站CRT 工业流程图 32 32 作为技术人员 学习和掌握生产过程自动化方面的知识 对于研究和开发新的生产工艺 解决生产操作中的关键技术问题 合理确定控制方案 保证生产优质 高产 低耗的顺利运行 促进生产企业的现代化管理等都具有十分重要的作用 生产过程自动化是自动控制理论 计算机科学 仪器仪表技术和生产工艺知识相结合而构成的一门综合性的技术科学 在现代过程工业中 自动化装置与生产工艺及设备已结合成为有机的整体 33 过程控制系统设计概述 加热炉过程控制系统 冷 设计步骤 1 确定控制目标1 热油出口温度稳定 2 出口温度与烟道气含氧量稳定 3 温度稳定与热效率最高 2 选择被控参数直接参数 油出口温度 烟道气含氧量 燃油压力 间接参数 热效率 3选择控制量燃料油流量还是冷油流量 出口温度挡板开度还是送风挡板 含氧量 34 4 确定控制方案控制精度和干扰决定 系统的简单与复杂 温度 效率 含氧量等多于一个要求 多输入 多输出 如果温度 含氧量定值控制 还要求效率 最优控制 5 选择控制策略多数采用 PID 复杂过程 高级过程控制6 选择执行器气动与电动 执行期特性与过程特性匹配 7 设计报警与联锁保护系统高 低限值 加热炉停车程序 停燃油泵 关燃油阀 停引风机 切断热油阀8 工程化设计设计图样资料和文件资料 表达设计思想 主管部门审批 施工单位 9 系统投运 调试和整定参数 冷 35 35 过程控制系统的组成及分类 一 过程控制系统的组成以液体贮槽的液位控制为例说明过程控制系统的基本构成 贮槽液位原理图 如图所示 36 36 人工控制方式 眼 观察玻璃管液位计 测量元件 指示高度 大脑 将液位高度与期望高度进行比较 经过思考估算出需要改变的流出量 然后发出动作命令 手 根据命令改变出口阀门开度 相应地增减流出量 使液位保持在合理的范围内 一 过程控制系统的组成 37 37 自动控制方式 一 过程控制系统的组成 38 38 自动控制方式 液位变送器 检测并变换成统一标准信号送到控制器 自动控制器 接收变送器信号与液位期望值进行比较 根据偏差按某种规律运算 运算结果送给执行器 调节阀 执行器 将控制器指令信号转换成相应的位移信号 驱动阀门动作 改变液体流出量 实现液位的自动控制 一 过程控制系统的组成 39 39 由液体贮槽的液位控制可知 过程控制系统是由被控对象 测量与变送装置 控制器 执行器组成 如果把测量与变送装置 控制器 以及执行器统称为自动化装置 则过程控制系统是由被控对象和自动化装置两部分组成的 过程控制系统的任务 就是当被控对象受到干扰使被控变量 温度 压力 流量 液位 成分等 产生偏差时 能够及时检测 并通过合理地调节操纵变量使被控变量回到给定值 一 过程控制系统的组成 40 40 自控常用术语 1 被控对象 需要实现控制的设备 机器或生产过程称为被控对象 简称对象 如本例中的液体贮槽 2 被控变量 对象中需要进行控制 保持数值在某一范围内或按预定规律变化 的物理量称为被控变量 如本例中的贮槽液位 3 操纵变量 受到控制装置的操纵 用以使被控变量保持在设定数值的物料或能量变量称为操纵变量 如本例中的液体流出量 一 过程控制系统的组成 41 41 4 干扰 扰动 除操纵变量外 作用于对象并使被控变量发生变化的因素称为干扰 扰动 如本例中的液体流入量 5 设定值 按照生产工艺的要求为被控变量规定的所要达到或保持的数值称为给定值 设定值 如例中 为了防止槽内液体溢出或抽空 规定贮槽液位保持在贮槽50 的高度比较合理 6 偏差 在过程控制系统中通常把测量值减给定值称为偏差 一 过程控制系统的组成 42 42 一 过程控制系统的组成 指出图中被控对象 被控变量 操纵变量 干扰 设定值 偏差分别是什么 43 43 一 过程控制系统的组成 反应器反应温度控制系统示意图 由哪几部分构成 请指出被控对象 被控变量 操纵变量 干扰各是什么 44 过程控制系统的组成 分类及性能指标 一 过程控制系统的组成 图1 3 图1 4 1 被控参数 亦称系统输出 y t 被控过程内要求保持稳定的工艺参数 2 控制参数 亦称操作变量控制介质 q t 使被控参数保持期望值的物料量或能量 3 干扰量f t 除被控参数外 作用于被控过程并引起被控参数变化的各种因数 4 设定值r t 与被控参数相对应的设定值 5 反馈值z t 被控参数经测量变送后的实际测量值 6 偏差e t 设定值与反馈值之差 7 控制作用u t 控制器的输出值 45 45 过程控制系统的分类方法有很多 每一种分类只反映出过程控制系统某一方面的特点 按被控变量的名称分类温度控制系统 压力控制系统 流量控制系统等按被控变量的数量分类单变量控制系统 多变量控制系统按控制系统的结构分类开环控制系统 闭环控制系统按控制系统完成的功能分类反馈控制系统 串级控制系统 比值控制系统等 二 过程控制系统的分类 46 1 分类方法 被控量名称 多少 特定工艺 工具 2 安结构分类 1 反馈控制 2 前馈控制 3 复合控制 3 安设定值分类 1 定值控制 2 伺服控制 3 顺序控制 47 47 按照被控变量的给定值分类 可分成以下三类 1 定值控制系统定值控制系统是一种被控变量的给定值始终固定不变的控制系统 如 液位控制系统 二 过程控制系统的分类 48 48 2 随动控制系统随动控制系统是一种被控变量的给定值随时间不断变化的控制系统 例如 锅炉的燃烧控制系统为使燃料充分燃烧 空燃比保持一定比例 采用比值控制系统 要求空气和燃料保持一定比例 由于燃料量随负荷变化 空气量随燃料量变化 即空气量的给定值也是随机变化的 所以是一个随动控制系统 二 过程控制系统的分类 49 49 3 程序控制系统 又称顺序控制系统 程序控制系统是被控变量的给定值按预定的时间程序来变化的控制系统 例如 冶金工业中的金属热处理的温度控制金属加热给定值都是按照预定的升温 恒温 降温等程序变化的 属于程序控制系统 二 过程控制系统的分类 50 50 一 方块图方块图是从信号流 信息 的角度出发 依据信号的流向将组成控制系统的各个环节相互连接起来的一种图解表达方式 由于在方块图中不仅明确表明了每个环节在系统中的作用 而且能够清楚地看出自动控制系统中各组成环节之间的相互关系以及信号在系统中的流动情况 对过程控制系统进行分析研究时 经常用方块图来表示一个过程控制系统的组成 方块图与流程图 51 51 图中的方块表示控制系统的一个组成部分 称为 环节 箭头指向方块的信号x表示该环节的输入 称为输入变量 箭头离开方块的信号y表示该环节的输出 称为输出变量 箭头所指的方向就是信号的流向 它表明信号的作用方向 许多物理性质不同 但特性相同的系统 可以用同一种形式的方块图来表达 x y 图1 2表示的是一个简单的方块图单元 方块图与流程图 52 52 相加点 如图1 3所示 表示两个以上具有相同单位的变量 信号 之间的加和运算 方块图与流程图 a 表示e r z b 表示x x1 x2 53 53 分支点 如图1 4所示 当一个变量 或信号 要同时作用于几个不同的环节时 可使用分支点 由分支点引出的各路信号都相等 方块图与流程图 54 54 有了方块图 就可以根据变量间的相互作用 按照信号的流向方便地将系统中各个环节连接起来 构成一个完整的过程控制系统 图1 1液位控制系统 画控制系统的方块图 方块图与流程图 55 55 例 56 56 为了便于分析 有时将控制器以外的各个环节 包括执行器 被控对象 测量变送 组合在一起作为一个对象看待 称之为广义对象 方块图与流程图 57 57 例 炉温控制系统画方块图 方块图与流程图 58 58 炉温控制系统方块图 炉温控制系统方块图 执行器 59 59 炉温控制系统方块图特点 方块图与流程图 60 60 画出如下反应器反应温度控制系统的方块图 方块图与流程图 61 61 闭环控制系统 环节的任何一个信号 只要沿箭头方向流动 最终总会回到它的起始点 把这样的系统称为闭环控制系统 不具备这种特性的系统则称为开环控制系统 方块图与流程图 62 62 反馈 闭环控制系统中 输出变量 或信号 沿着回路中的信号流动方向总会返回到系统的输入端 与给定值进行比较 这种把系统 或方块 的输出信号引回到系统输入端的做法叫做反馈 若反馈信号 被控变量测量值z 与给定值信号的方向相反 即反馈信号z取负值 则叫做负反馈 测量信号与给定值信号方向相同 则叫做正反馈 闭环控制系统是靠负反馈来达到控制的目的 例 储槽液位控制系统 炉温控制系统 方块图与流程图 63 63 方块图与流程图 负反馈 储槽液位控制系统 64 64 温度设定值100度热电偶检测值95度阀开度增大 65 65 闭环控制系统实质上是利用负反馈原理 根据偏差进行工作的 正因为如此 闭环控制系统又被称为反馈控制系统 方块图与流程图 66 66 二 工艺控制流程图在进行过程控制系统的工程设计时 自控专业人员必须与工艺专业人员协作 按工艺流程的顺序和要求 将所确定的控制方案标注到工艺流程图中 将控制点和控制系统与工艺流程图相结合的图形文档就称为工艺控制流程图 或称为带有控制点的工艺流程图 方块图与流程图 67 67 图1 7液体贮槽的工艺控制流程图图中所示 工艺控制流程图主要是由工艺设备 管道 元件以及构成控制系统的仪表符号及信号线等图形符号组成 方块图与流程图 68 68 仪表图形符号 仪表图形符号可用来表达工业自动化仪表所处理的被测变量和功能 还可以表示仪表或元件的名称 仪表图形符号是直径为12mm的细实圆圈 并在其中标有仪表位号 方块图与流程图 仪表位号由字母代号和数字编号组成 如下例所示 69 69 仪表位号按被测变量不同进行分类 同一个装置 或工段 的同类被测变量的仪表位号中顺序号是连续的 在工艺控制流程图上 标注仪表位号的方法是 字母代号填写在圆圈上半圆中 数字编号填写在下半圆中 如图1 8所示 方块图与流程图 70 70 表1 1列出了在仪表位号中用到的被测变量和仪表功能的字母代号 表1 2则给出了常见的字母组合 方块图与流程图 71 71 方块图与流程图 72 72 方块图与流程图 73 73 74 74 图1 7中采用了一台液位变送器 LT 一台液位控制器 LC 和一个用于控制液位的执行器 LV 教材中所画的工艺控制流程图中 由于回路数较少 故将数字编号省略了 方块图与流程图 75 75 一 过渡过程过程控制系统在运行中有两种状态 静态 系统的被控变量不随时间而变化的平衡状态 称为静态 或稳态 动态 系统的被控变量随时间而变化的不平衡状态 称为动态 过渡过程和性能指标 过渡过程 生产过程从一个平衡状态 稳态 到达另一个平衡状态 稳态 的动态历程称为过渡过程 它反映了被控变量随时间的变换规律 76 76 为了便于了解控制系统的动态特性 通常是在系统的输入端施加一些特殊的试验输入信号 然后研究系统对该输入信号的响应 最常采用的试验信号是阶跃输入信号 其作用方式如图1 9所示 过渡过程和性能指标 77 77 过渡过程几种典型形式 非衰减振荡过程 图1 10 a 所示 其特点是被控变量在给定值的某一侧作缓慢变化 没有来回波动 最后稳定在某一数值上 衰减振荡过程 图1 10 b 所示 其特点是被控变量在给定值附近上下波动 但幅度逐渐减小 经过几个振荡周期后 逐渐收敛在某一数值上 过渡过程和性能指标 78 78 等幅振荡过程 图1 10 c 所示 其特点是被控变量在给定值附近来回波动 且波动幅度保持不变 发散振荡过程 图1 10 d 所示 其特点是当干扰进人系统后 使被控变量开始产生振荡 控制作用不仅无法将被控变量稳定到给定值上 反而使振荡的幅度越来越大 过渡过程和性能指标 79 79 二 性能指标以衰减振荡过程的形式讨论 假设性能指标的出发点是以控制系统原先所处的平衡状态时刻的被控变量y 0 作为基准值 且被控变量等于给定值 从t O的时刻开始 系统受到阶跃输入作用 于是被控变量开始变化 经过一段时间的衰减振荡后 最终达到新的平衡状态 使被控变量稳定在y 在干扰或给定值作阶跃变化时 被控变量的响应曲线分别如图1 11 a 和图1 11 b 所示 过渡过程和性能指标 80 80 81 81 控制系统的主要性能指标 1 最大偏差emax 或超调量 最大偏差 或超调量 是描述被控变量偏离给定值程度的物理量 干扰作用下的定值控制系统 最大偏差是指在过渡过程中 被控变量的第一个波峰值与给定值的差 干扰作用下系统过渡过程如图1 11 a 所示 过渡过程和性能指标 82 82 过渡过程和性能指标 83 83 给定值变化的随动系统 通常采用超调量这一性能指标来表示被控变量偏离给定值的程度 超调量的定义为 tp 波峰时间给定值变化的过渡过程曲线如下图所示 过渡过程和性能指标 84 84 在图1 11 b 中 超调量 过渡过程和性能指标 85 85 2 余差e 余差又称残余偏差 是指在过渡过程终了时 系统的给定值与被控变量新稳态值之间的差值 余差是衡量控制系统稳态准确性的重要指标 过渡过程和性能指标 86 86 在图1 11 a 中 余差e C 在图1 11 b 中 余差e r y 87 87 3 衰减比n衰减比是衡量控制系统稳定性的一个动态指标 它反映了一个振荡过程的衰减程度 它等于两个相邻的同向波峰值之比 注意 以y 为横坐标 习惯上表示为n 1 一般希望衰减比在4 1到10 1的范围内 1 4过渡过程和性能指标 88 88 衰减比n B B 89 89 4 过渡时间tS过渡时间又叫控制时间或回复时间 它是控制系统在受到外界作用后 被控变量从原来的稳态值达到新的稳态值所需的时间 理论上讲 被控变量达到新的平衡状态需要无限长的时间 所以一般认为当被控变量已进人其新稳态值的 5 或 2 的范围内 并不再越出时 就认为控制系统已经重新回复到稳定状态 在图1 11中 过渡时间以tS表示 过渡过程和性能指标 90 90 过渡时间以tS表示 91 91 5 偏差积分性能指标IAEISEIATEISTE 面积积分 按其整定参数偏差的平均值较小 随时间推移 控制越来越趋于严格 过渡过程可能出现大的偏差 但是恢复时间较短 对偏差值敏感 按其整定参数过渡过程不会呈现大偏差 随时间推移 控制越来越趋于严格 恢复时间较短 过渡过程和性能指标 92 92 课程小结 掌握过程控制系统的基本组成掌握由系统工作原理图绘制方块图了解过程控制系统的过渡过程及品质指标 93 93 作业题 1 什么是生产过程自动化 它有什么重要意义 2 过程控制系统由哪几部分构成 3 简述在过程控制系统中 测量变送器 控制器 执行器的作用 94 自动化仪表概述 自动化仪表 AutomationInstrumentation 用于过程自动化的仪器或设备 过程控制系统是实现生产过程自动化的平台 而自动化仪表与装置是过程控制系统不可缺少的重要组成部分 自动化仪表的构成 95 过程控制仪表的分类及特点 一 按安装场地分1 现场仪表 一次仪表 2 控制室仪表 二次仪表 二 按能源形式分 针对执行器1 气动控制仪表2 电动控制仪表3 液动控制仪表 少 三 按信号形式分 1 模拟控制仪表2 数字控制仪表 四 结构形式分 1 基地式控制仪表2 单元组合式控制仪表3 组装式综合控制装置4 集中计算机控制仪表5 集散控制仪表6 现场总线控制仪表 96 按能源形式分 电动控制仪表 优点 信号快速 远距离传输 易于实现复杂规律的信号处理 易于与其它装置相连 供电用电方便无需空压机和油泵 水泵缺点 不天然防爆 易受电磁干扰 功率不易大近年的电动仪表多采用了安全防爆措施 应用更加广泛 气动控制仪表 以压缩空气为能源 优点 结构简单 性能稳定 可靠性高 易于维修 天然防爆 缺点 气动信号传输速度极限 声速340m s 体积庞大 液动仪表 以高压油和高压水为能源优点 工作可靠 结构简单 功率大 防爆缺点 速度传送慢 97 按信号类型分类 模拟式控制仪表是传统的仪表 传输信号通常为连续变化的模拟量 如电流 电压 气压等 模拟式电动控制仪表以模拟电子元件为组成元件 运算放大器是信息处理的核心部件 这类仪表线路较简单 操作方便 价格较低 使用上有较成熟的经验 数字式控制仪表以微处理器为核心 传输信号为断续变化的数字量 由于有微处理器的存在 任何复杂的信息处理都易实现 硬件不变 软件千变万化 这类仪表的特色就是高度集成 丰富的功能 易于网络互联 它能解决模拟式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 98 结构形式分类 1 基地式控制仪表安装在现场 集检测 指示 控制于一身 特点 一般结构比较简单 价格便宜 它不仅能对某些工艺变量进行指示或记录 而已还具有控制功能 因此它比较适用于单变量的就地控制系统 2 单元组合控制仪表将整套仪表划分成能独立实现一定功能的若干单元 各单元之间采用统一信号进行联系 使用时可根据控制系统的需要 对各单元进行选择和组合 从而构成多种多样的 复杂程度各异的自动检测和控制系统 常用电动单元组合仪表 DDZ型 和气动单元组合仪表 QDZ型 特点 使用灵活 通用性强 同时 使用 维护更作也很方便 它适用于各种企业的自动控制 单元组合仪表分为 变送单元 给定单元 控制单元 执行单元 转换单元 运算单元 显示单元和辅助单元 99 结构形式分类 2 单元组合控制仪表变送单元 把各种被测量 温度 压力 流量 液位 变换成标准输出信号 控制单元 将测量信号和设定信号之差运算后去控制执行单元 执行单元 按照控制信号或手动信号去改变控制量大小 转换单元 实现不同物理信号到标准信号转换 不同标准之间转换 气电运算单元 信号加减乘除 信号补偿 给定单元 输出被控量的设定值 显示单元 参数指示 报警 记录 辅助单元 特殊需要的 操作器 限幅器 安全防爆栅 100 3 组装式控制仪表一种功能分离 结构组件化的成套仪表装置 工程实际中已很少使用 4 集中计算机控制仪表以数字计算机为核心的数字控制仪表 其外形结构 面板布置保留了模拟式仪表的一些特征 但其运算 控制功能更为丰富 通过组态可完成各种运算处理和复杂控制 测量变送与执行单元采用模拟仪表 调节单元采用数字仪表 结构形式分类 QDZ QDZ QDZ DDZ DDZ DDZ 单元组合式仪表发展阶段 101 5 集散型控制仪表将集中一台计算机完成的任务分派给各个微型过程控制计算机 再配上数字总线以及上一级过程控制计算机 组成各种各样的 能适应于不同过程的积木式分级分布计算机控制系统 实现了 控制分散 或 危险分散 管理高度集中 测量变送与执行单元采用模拟仪表 调节单元采用数字仪表 6 现场总线控制仪表是计算机网络技术 通信技术 控制技术和现代仪器仪表技术的最新发展成果 它将具有数字通信能力的现场智能仪表连成网络系统 并同上一层监控级 管理级联系起来成为全分布式的新型控制网络 采用全数字化 双向传输 多分支的通信网络 通信协议规范化 标准化 公开化 使各种控制系统通过总线实现互联 互换和互操作 结构形式分类 102 压力变送器 压力变送器 常用的控制仪表及装置 103 自动化仪表的信号制 模拟仪表的信号制 气动信号标准根据国际电工委员会IEC384制定了我国标准GB777 工业自动化仪表用模拟气动信号 规定统一使用0 02MPa 0 2Kgf cm2 0 1MPa 1 0Kgf cm2 的模拟气压信号 电动信号标准 直流电流 直流电压 交流电流 交流电压直流比交流信号优越 直流信号不受交流感应影响 因此抗干扰能力强 直流信号传输不受线路电感电容等影响 无相移问题 直流信号便于模数转换并与数字仪表相接 容易获得基准电压 104 电动信号标准 模拟仪表的信号制 电流信号优于电压信号电流信号可远距离传输 线路电阻上压降太多 则信号耗损 例4 20mA用0 6mm直径双绞线可传输1km电流信号4 20mA不从0mA起 可判别是否断路或停电 数字式仪表的通信标准数字或智能仪表与计算机之间采用数字通讯模式多种 如RS232 RS485 USB PROFIBUS ControlNet CAN Hart Modbus 数字比模拟信号的优势 1 提高信号传输精度抗干扰能力强 2 传输信息丰富 可传测量值及厂家信息 3 减少布线复杂性和费用 105 自动化仪表的能源供给 交流供电 380V220V交流电 降压 整流 滤波 稳压直流集中供电的优点 1 体积 重量 温升 2 防停电能力增强3 无交流 易于防爆 106 安全防爆仪表与防爆系统 仪表的防爆性能 防爆性能 本质安全防爆性能与非本质安全防爆性能 气动仪表本质上是防爆的 因为它不会产生电火花 电动仪表防爆方案 结构型防爆 结构上隔离产生火花的电路和爆炸气体 类型有充油型 充气型 隔爆型 安全火花型防爆 把仪表电路在短路 断路及误操作各种状态下可能产生的火花限制在爆炸气体的点火能量之下 具有本质安全防爆性能 107 安全防爆仪表与防爆系统 安全火花型防爆等级 限制火花能量 不同的气体 不同的能量 电压30VDC时 不同爆性物最小引爆电流 仪表表面温度过高可能产生自燃引起爆炸 易燃易爆气体自燃温度分5组 a b c d e 其中e组最低 100 仪表防爆等级标志H e 安全火花型 i 70mA 30VDC 100 安全 108 安全防爆仪表与防爆系统 安全火花型防爆系统条件 现场仪表为安全火花型 安全防爆栅隔离 109 参数检测与变送概述温度检测与变送压力检测与变送流量检测与变送液位检测与变送成分分析与变送 第二篇过程参数检测与变送 110 参数控制 参数检测 仪表 性能 原理 传感器定义 国标 GB7665 87 规定 能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置 通常由敏感元件和转换元件组成 敏感元件 直接感受或影响被测量的部分 转换元件 敏感元件感受的被测量 适宜传输或测量 微弱 热电偶敏感 转换元件合一信号调理与转换电路 放大 转换 参数检测与变送概述 检测仪表 111 测量过程 利用一个已知的单位量 即标准量 与被测的同类量进行比较的过程 真值 即被测物理量的真实 或客观 取值 在当前现行的检测体系中 是将 认定设备 的检测结果作为真值 通常 各国 或国际组织 将其法定计量机构的专用设备作为认定设备 它的检测精度在这个国家 或国际组织 内被认为是最高的 显而易见 用这种方法确定的 真值 称为 约定真值 检测误差 在测量过程中测量结果与被测物理量的真值之间的差值 它反映了测量结果的可靠程度 也反映了仪表的检测精度 参数检测与变送概述 检测误差 112 绝对误差 指测量结果与被测量的真值之差 最大绝对误差指的是绝对误差中的最大值 max 绝对误差不能说明检测质量的好坏 1 体温 炼钢 相对误差 指绝对误差与真值或测量值之百分比 常见有如下三种表示方式 实际相对误差 是指绝对误差与被测量的真值 实际值 之百分比 参数检测与变送概述 检测误差 113 标称相对误差 是指绝对误差与仪表示值之百分比 参数检测与变送概述 检测误差 引用相对误差 是指绝对误差与仪表的量程之百分比 基本误差 仪表在规定的正常工作条件下所具有的误差 使用标准 220 1 5 V 50 2 Hz 20 5 湿度65 5 附加误差 指仪表超出规定的正常工作条件时所增加的误差 允许误差 指仪表的示值或性能不允许超过某个误差范围 114 测量误差按其产生原因的不同 可以分为三类 系统误差 指测量仪表本身或其他原因 如零点没有调整好 元件不可靠等 引起的有规律的误差 克服办法 负反馈结构随机误差 指在多次测量中所出现的没有一定规律的误差 统计计算 滤波消除疏忽 粗大 误差 指观察人员误读或不正确使用仪器与测试方案等人为因素所引起的误差 系统误差 随机误差 疏忽误差 115 固有特性 精确度 非线性误差 灵敏度 分辨率 变差 漂移 动态误差 参数检测与变送概述 仪表基本特性 仪表精度是根据国家规定的允许误差大小分成几个等级的 某一类仪表的允许误差是指在规定的正常情况下允许的引用误差的最大值 我国过程检测控制仪表的精度等级有0 005 0 02 0 1 0 35 0 5 1 0 1 5 2 5 4等 科学小于0 05 一般工业用表为0 1 2 5级精度 我国DDZ 为0 5 仪表精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一 在工业上应用时 对检测仪表精确度的要求 应根据生产操作的实际情况和该参数对整个工艺过程的影响程度所提供的误差允许范围来确定 这样才能保证生产的经济性和合理性 116 解该仪表的引用相对误差为 如果将该仪表的 去掉 号与 号 其数值为0 8 由于国家规定的精度等级中没有0 8级仪表 同时 该仪表的误差超过了0 5级仪表所允许的最大误差 所以 这台测温仪表的精度等级为1 0级 参数检测与变送概述 仪表基本特性 117 非线性误差 线性度 非线性误差 线性度 是表征线性刻度仪表的输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度 通常总是希望测量仪表的输出与输入之间呈线性关系 线性度示意图 式中 f为线性度 又称非线性误差 fmax为校准曲线对于理论直线的最大偏差 以仪表示值的单位计算 118 变差是指在外界条件不变的情况下 用同一仪表对被测量在仪表全部测量范围内进行正反行程 即被测参数逐渐由小到大和逐渐由大到小 测量时 被测量值正行和反行所得到的两条特性曲线之间的差值 测量仪表的变差 参数检测与变送概述 仪表基本特性 仪表的变差不能超出仪表精度允许的误差 否则应及时检修 119 灵敏度是指仪表指针的线位移或角位移 与引起这个位移的被测参数变化量的比值 即 式中 S为仪表的灵敏度 为指针的线位移或角位移 x为引起 所需的被测参数变化量 提高仪表的灵敏度可采用增加放大部分的放大倍数来实现 不过仪表的性能主要取决于仪表的基本误差 分辨力又称灵敏限是指能引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量 通常仪表灵敏限的数值应不大于仪表允许绝对误差的一半 参数检测与变送概述 仪表基本特性 120 漂移 时漂与温漂动态误差 干扰作用下处于变动状态下仪表输出值与参数实际值的差异 产生原因 惯性和纯滞后 检测仪表的工作特性 适应参数测量和系统运行的需要具有的输入 输出特性 理想工作特性 121 零点 被测参数的下限值或对应仪表输出下限值的被测参数最大值 零点调整 使仪表的测量下限值为零的过程 使 零点迁移 使仪表的测量下限值不为零的过程 使 参数检测与变送概述 仪表基本特性 未迁移正迁移负迁移 122 量程 是指与检测仪表规定的输出范围相对应的输入范围 量程调整 是指在零点不变时将输出上限值与输入上限值相对应 量程调节前后输入 输出特性 参数检测与变送概述 仪表基本特性 量程调整相当于改变变送器的输入输出特性的斜率 123 实例某测温仪表的量程为0 500 输出信号为4 20mA 现欲测量200 1000 应如何调整 调量程 零点迁移 参数检测与变送概述 仪表基本特性 124 模拟式变送器构成 测量 放大 反馈 零点调整与迁移 原理说明 将输入的各种被测参数 如温度 压力 流量 液位 成分等 转换成统一标准的模拟信号 参数检测与变送概述 变送器的构成原理 模拟式变送器的构成框图 变送器 传感器信号种类多信号弱 统一标准信号 模拟变送器 数字变送器 输入 输出关系 理想线性特性 测量系数反馈系数比值为常值时 具有线性比例关系 125 数字式变送器的构成原理 基于CPU的硬件电路 系统程序和功能模块的软件 1 数字式变送器的硬件构成 2 软件构成 系统程序 硬件管理 其基本功能为模 数转换 数据通讯 自检 功能模块 用户组态各种功能 参数检测与变送概述 变送器的构成原理 126 四线制和二线制方式 二线制满足的条件 参数检测与变送概述 变送器的信号传输方式 二线制优点 节省连接电缆 有利于安全防爆和抗干扰目前大多数变送器均为二线制变送器 正常工作需要电流 输出电流的最小值 输出端电压 最小有效功率 127 参数检测与变送概述 变送器的信号传输方式 HART HighwayAddressableRemoteTransducer 协议是一种过渡性协议 它采用频移键控FSK技术 在4 20mA过程测量模拟信号上叠加了一个频率信号 使模拟信号与数字双向通讯能同时进行 即在一条电缆上同时传输4 20mA的模拟信号和数字信号 互不干扰 我国目前工业现场中4 20mA标准的模拟仪表仍大量存在 HART协议起到了承前启后的作用 在我国得到了广泛的应用 这种被称为可寻址远程传感高速通道最早由Rosemount公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持 于1993年成立了HART通信基金会 HART通信协议是依照国际标准化组织 ISO 的开放式系统互连 OSI 参考模型 简化并引用其中三层 物理层数据链路层应用层 HART通讯协议 128 HART HighwayAddressableTransducer 协议传输方式 信号传输 基于Bell202通讯标准 采用频移键控FSK方法 在4 20mA基础上叠加幅度为 0 5mA的正弦调制波作为数字信号模拟信号和基于频移键控 FSK 的叠加 传输速率为1200bit s 参数检测与变送概述 变送器的信号传输方式 129 参数检测与变送 温度的检测与变送 测量温度的方法 从测量体与被测介质接触与否来分 接触式测量 即通过测量体与被测介质的接触来测量物体的温度 特点 简单 可靠 测量精度较高 但由于要达到热平衡 因而产生了滞后 而且可能与被测介质产生化学反应 不能应用于很高温度的测量 非接触式测量 即通过接收被测物体发出的辐射热来判断温度 特点 其测温范围很广 其测温上限原则上不受限制 测温速度比较快 而且可以对运动体进行测量 但一般测温误差较大 电的测温仪表精度高 信号又便于传输 因此热电偶和热电阻在工业生产和科学研究领域得到了广泛应用 130 基于热 阻效应 常用测温元件 参数检测与变送 温度的检测与变送 常用温度计的种类及适用温度 131 接触式测温 工业常用测温元件 参数检测与变送 接触式测温 132 受热物质膨胀产生压力 尺寸 变形 参数检测与变送 接触式测温 133 1 金属热电阻 铂电阻铜电阻 A 3 908 10 3B 5 8 10 7C 4 27 10 12 4 25 10 3 热电阻及其测温原理 基于热 阻效应 参数检测与变送 接触式测温 134 2 半导体热敏电阻的测温 温度系数 计算B 温度系数 温度变化1 时电阻值的相对变化量 计算 负温度系数 NTC型 正温度系数 PTC型 临界 CTR型 参数检测与变送 接触式测温 的绝对值越大 热敏电阻的灵敏度越高 135 热敏电阻的温度特性 优点 温度系数大 与热电阻相比 缺点 互换性差 非线性严重 测温范围低 50 300 适用于家电和汽车的测温 参数检测与变送 接触式测温 NTC 较宽范围 低温灵敏度高PTC 在某个温度段随温度急剧上升CTR 在某温度段随温度急剧下降PTC CTR常用作位式温度检测 136 热电阻的接线方式 a 两线制 用于测量精度不高的场合 b 三线制 电桥平衡 与导线电阻无关 平衡时 C 四线制 用于高精度的温度测量 如用内阻很高的电子电位差计测量 参数检测与变送 接触式测温 137 参数检测与变送 接触式测温 138 3 热电偶测温基本原理 热电效应 即利用 当两种不同的导体或半导体连接成闭合时 若两个接点温度不同 回路中就会产生热电动势 并形成电流 由于热电偶仪表具有结构简单 制造方便 测量范围宽 从 270 到 1200 精度高 惯性小和输出信号便于远传等许多优点 应用极为广泛 常被用作测量炉子 管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度 热电偶闭合回路中产生的热电势组成 温差电势和接触电势 温差电势是指同一热电极两端因温度不同而产生的电势 接触电势是指两热电极由于材料不同而具有不同的自由电子密度 而热电极接点接触面处就产生自由电子的扩散现象 当达到动态平衡时 在热电极接点处便产生一个稳定电势差 参数检测与变送 接触式测温 139 热电偶的测温原理 接触电势和温差电势 两点结论 1 电极材料相同 总电势为零 2 冷 热端温度相同 总电势为零 热电偶回路 温差电势远小于接触电势 冷端温度不变时 温度 电势单值关系 参数检测与变送 接触式测温 140 热电势的检测与第三导体定律 当 有 第三 中间 导体定律 只要第三导体两接点温度相同 回路中热电势不变 第三种导体c 回路热电势 意义 可插入测量仪表 参数检测与变送 接触式测温 141 参数检测与变送 接触式测温 只有冷端温度不变时 温度 电势才具有一对一的单值关系 为什么要冷端延伸 142 冷端延伸与等值替换原理 补偿导线的作用 等值替换原理 等值替换的条件 a图回路的总热电势 因而有 设 等值替换原理 用廉价材料将冷端延伸到温度相对稳定的控制室内 不影响热电偶热电势 参数检测与变送 接触式测温 143 依据 则有 结论 将满足的补偿导线代替热电偶使冷端延伸 不会改变热电偶的热电势 补偿导线的连接示意图 参数检测与变送 接触式测温 144 标准热电偶及其补偿导线 标准热电偶 热电势与温度的关系 允许误差 型号 分度号 按国际标准 IEC 统一规定 我国部分标准化热电偶及其补偿导线 参数检测与变送 接触式测温 145 热电偶