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DCS ITCC及控制基础 仪表自动化控制部 2010 07 05 工业控制的发展历程 随着现代化工业的飞速发展 工业生产过程的控制规模不断扩大 复杂程度不断增加 工艺过程不断强化 因而对过程控制和生产管理系统提出了越来越高的要求 在这一过程中 以计算机为基础而构成的控制 管理 决策系统无疑起着非常重要的作用 DCS DistributedControlSystem 分散型控制系统 正是在这种背景下应用而生的 它是继 直接作用式 气动仪表 气动单元组合仪表 电动单元组合仪表和组件组装式仪表之后的新一代控制系统 集散控制系统构成 是集计算机技术 控制技术 通信技术和图形显示技术 所谓的四C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 提高了系统的可靠性 能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 控制室照片 机柜间照片 工程师站照片 集散控制系统的结构组成 1 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 2 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 3 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 4 高速数据通路 实现集散控制系统各处理机之间数据传送 5 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 DCS的一些常用画面 控制分组画面机泵启停画面点趋势画面报警一览表画面连锁图画面系统总貌画面某一工段流程图画面 点操作面板 SP 给定值OP 输出值PV 测量值LL 低低限报警设定值HH 高高限报警设定值MAN 手动CAS 串级AUT 自动 自动控制技术及应用 所谓自动控制 就是指在没有人直接参与的情况下 利用外加的设备 称为控制器 操作被控对象 如机器 设备或生产过程 的某个状态或参数 称为被控量 使其按预先设定的规律自动运行 如化工生产中合成氨反应塔内的温度和压力能够自动维持恒定不变 嫦娥一号 能够发射到预定轨道并能准确回收等等 都是应用自动控制技术的结果 自动控制理论 就是研究自动控制共同规律的技术科学 它的发展初期是以反馈理论为基础的自动调节原理 随着工业生产和科学技术的发展 现已发展成为一门独立的学科 控制论 在科学技术飞速发展的今天 自动控制技术所起的作用越来越重要 无论是在宇宙飞船 导弹制导 雷达定位等尖端技术领域中 还是在机械制造工业 石油 化工 医药工业等的过程控制中 都有自动控制技术的应用 并且它所取得的成功都是巨大的 因此 自动控制技术已成为现代社会生活中不可缺少的重要组成部分 控制系统的基本环节之一 现场仪表 控制系统的基本环节之二 控制器 控制系统的基本环节之三 上位机也叫人机界面HMI 工业控制的发展历程 随着现代工业技术的飞速发展 工业生产过程的控制规模不断扩大 复杂程度不断增加 工艺过程不断强化 因而对过程控制和生产管理系统提出了越来越高的要求 在这一发展过程中 以计算机为基础而构建的控制 管理 决策系统起着无可替代的作用 DCS DistributedControlSystem 分散型控制系统 正是在这种背景下应用而生的 它是继 直接作用式 气动仪表 气动单元组合仪表 电动单元组合仪表和组件组装式仪表之后的新一代控制系统 控制系统的由来 传感测量器 液位计 人眼控制器 大脑执行机构 手 手动阀 差压传感变送器电动调节器自动调节阀 控制系统的目标 过程控制系统的目标 在扰动存在的情况下 通过调节操纵变量使被控变量保持在其设定值 应用过程控制系统的主要原因 1 安全性 确保生产过程中人身与设备的安全 保护或减少生产过程对环境的影响 2 稳定性 确保产品质量与产量的长期稳定 以抑制各种外部干扰 3 经济性 实现效益最大化或成本最小化 自动控制系统的基本要求 稳定性一个控制系统能正常工作的首要条件是系统必须是稳定的 由于控制系统是具有反馈作用的闭环系统 因此 系统有可能趋向振荡或不稳定 不稳定的系统是无法工作的 稳定的控制系统在阶跃信号或扰动信号的作用下 其响应的暂态过程应该是收敛的 如果系统设计不当 则在阶跃信号下或扰动信号的作用下 相应的幅值振荡可能成为等幅振荡 甚至成为振幅逐渐增大的发散振荡 发生这种情况的系统称为不稳定系统 系统稳定性包括两个方面的含义 1 系统稳定 称为绝对稳定 即通常所说的稳定性 2 输出响应振荡的强烈程度 称为相对稳定性 例如系统是绝对稳定的 但是在阶跃信号作用下 响应振荡很强烈 而且振荡的衰减很慢 则该系统虽然属于稳定系统 但相对稳定性差 快速性 在实际控制过程中 不仅要求系统稳定 而且要求被控量能迅速按照输入信号所规定的形式变化 即要求系统具有一定的响应速度 由于系统中总包含一些惯性元件 因此在输入信号作用下 系统的响应总要经过暂态过程之后才能达到稳态 在控制系统的输出响应中 调整时间是直接反映系统响应快慢的一个指标 这将在后面第三章介绍 准确性 对于控制系统的准确性要求是控制系统设计中需要考虑的指标之一 要求系统准确性 稳态精度 高 一般采用稳态误差来表示 系统在输入信号的作用下 其响应经过暂态过程进入稳态后 系统的输出量与希望值之间的误差 称为稳态误差 过程控制系统组成 由测量元件变送器 调节器 调节阀 被控对象环节构成 一个简单的过程控制系统 被控过程 过程检测控制仪表 测量元件 变送器 调节器和调节阀 这样的控制系统叫单回路控制系统 液位控制系统的组成与方块图 一般的单回路控制系统 被控变量 温度 压力 流量 液位或料位 成分与物性等六大参数 过程控制系统的重要术语 被控变量 受控变量 过程变量 ControlledVariable CV ProcessVariable PV 设定值 给定值 Setpoint SP SetpointValue SV 操纵变量 操作变量 ManipulatedVariable MV 扰动 扰动变量 DisturbanceVariable DV 对控制器而言 测量 测量信号 Measurement 控制 控制信号 控制变量 ControlVariable 过程控制系统分类 按系统的结构特点分类 反馈控制系统 反馈控制系统是根据系统被控量与给定位的偏差进行工作的 最后达到消除或减小偏差的目的 偏差值是控制的依据 前面的液位控制系统 就是一反馈控制系统 又称闭环控制系统 是过程控制系统中最基本的一种 多回路反馈控制系统 前馈控制系统 直接根据扰动量的大小进行工作的 扰动是控制的依据 不构成闭合回路 故也称为开环控制系统 由于前馈控制是一种开环控制 无法检查控制的效果 所以在实际生产过程中是不能单独应用的 控制系统的分类 续 开关量控制 SwitchControl 与连续量控制 ContinuousControl 举例 空调器的控制连续时间控制 Continuous TimeControl 与离散时间控制 Discrete TimeControl 也称 采样控制 数字控制 举例 计算机控制系统多变量控制与单变量多回路控制线性控制与非线性控制等 自动控制的术语和基本控制方式 1 系统 即为达到某 目的 由相互制约的各个部分按 定规律组成的 具有一定功能的整体 2 自动控制系统 指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统 它一般由控制装置 控制器 和被控对象所组成 3 控制装置 则是指对被控对象起控制作用的设备总体 4 被控对象 是指要求实现自动控制的机器 设备或生产过程 例如 汽车 飞机 炼钢 化工生产的锅炉等 自动控制系统的性能 在很大程度上取决于系统中的控制器为了产生控制作用而必须接收的信息 这个信息有两个可能的来源 1 来自系统外部 即由系统输入端输入的参考输入信号 也就是给定信号 2 来自被控对象的输出端 即反映被控对象的行为或状态的信息 也就是测量信号把从被控对象输出端获得的信息通过中间环节 称为反馈环节 再送回控制器的输入端的过程 称为反馈 传送反馈信息的载体 称为反馈信号 是否采用反馈 对控制系统的各个指标 即稳定性 快速性 准确性 影响很大 因此系统的基本控制方式也按有无反馈分为三大类 开环控制 闭环控制 复合控制 开环控制 开环控制是一种最简单的控制方式 其特点是在控制器与被控对象之间只有正向控制作用而没有反馈控制作用 即系统的输出量对控制量没有影响 开环控制系统的示意图如图1 1所示 图1 1开环控制系统 如图1 2所示 电动机拖动负载开环控制系统 图1 2电动机开环控制系统 闭环控制 闭环控制是指控制装置与被控对象之间既有正向作用 又有反向联系的控制过程 即如果控制器的信息来源中包含有来自被控对象输出的反馈信息 则称为闭环控制系统 或称为反馈控制系统 如图1 3所示 在控制系统中 控制装置对被控对象所施加的控制作用 若能取自被控量 输出量 的反馈信息 反馈量 即根据实际输出来修正控制作用 实现对被控对象进行控制的任务 那么这种控制原理称为反馈控制原理 正是由于引入了反馈信息 反馈量 使整个控制过程成为闭合的 因此 按反馈控制原理建立起来的控制系统 叫做闭环控制系统 在闭环控制系统中 其控制作用的基础是被控量 输出量 与给定值之间的偏差 这个偏差是各种实际扰动所导致的总 后果 它并不区分其中的个别原因 因此 这种系统往往同时能够抵制多种扰动 而且对系统自身元部件参数的波动也不甚敏感 常见的复调节系统 串级调节系统均匀调节系统比值调节系统前馈调节系统选择性调节系统 什么是比值调节 实现两个或两个以上的参数符合一定比例关系的调节系统 称为比值调节系统 通常为流量比值调节 用来保持两种物料的流量保持一定的比值关系 也叫配比调节 分为开环 单闭环 双闭环调节等 什么是串级调节系统 串级调节系统是由其结构上的特征而得名的 它是由主 副两个调节器串接工作的 主调节器的输出作为副调节器的给的值 副调节器的输出去控制调节阀 以实现对主变量的定值控制 此图为典型的串级调节回路 主控量为塔内的温度 副控量为蒸气的流量 起到提前克服蒸气压力干扰作用 什么是分程调节系统 一个调节器同时控制两个或两个以上的调节阀工作 每一个调节阀在调节器输出的某段信号范围内作全行程动作 其主要目的是 扩大可调范围 改善调节品质 以满足开 停车小流量和正常生产时的大流量调节要求 正常生产和事故状态下的稳定性和安全性 控制系统的分类 定值控制 RegulatoryControl 调节控制 与伺服控制 ServoControl 跟踪控制 对照举例 连续过程与间歇过程 BatchProcesses 或飞行控制 前馈控制 FeedforwardControl 与反馈控制 FeedbackControl 什么是均匀调节 均匀控制一般设置在前一设备的出料即后一设备进料的场合 其作用是保持塔釜的液位或者容器的压力在一定的控制范围内 同时兼顾到它所操作的流量能逐渐 平滑地变化 目的是解决前后设备供求矛盾 分为简单均匀 串级均匀 双冲量均匀调节三种形式 均匀调节的特点 均匀调节系统从结构上看与常规调节系统无差别 均匀调节系统与常规调节系统的区别在于调节规律上的区别 一般均匀调节系统不宜选用PID调节规律 过程参数整定上将两个矛盾的参数调节过程整定为缓慢变化过程 什么是前馈调节 反馈调节是按被调参数的偏差进行调节的 如干扰已发生 但被调参数还未变化 调节器是不会动作的 存在滞后 前馈 就是一种能够克服反馈调节落后于干扰的调节方式 一旦干扰出现 调节器立即开始调节 即按干扰作用大小进行调节 这就是 前馈调节 前馈是一种 开环 调节 不能单独使用 一般采用 前馈 加 反馈 的调节方式 双冲量和三冲量调节就是 前馈 加 反馈 的调节方式 单冲量液位调节系统 单冲量液位控制系统是是汽包液位控制系统中最简单 最基本的一种形式 这里指的单冲量即指汽包液位这个参数 它的调节参数即为锅炉给水量 是一个典型的单回路控制在系统 双冲量液位调节系统 双冲量液位统计系统是在单冲量液位控制的基础上 引入蒸汽流量信号作为前馈信号可以减小或消除 虚假液位 对调节的不良影响 缩短了过渡过程的时间 改善控制系统的静态特性 提高调节质量 所以它能在负荷变化较频繁的工况下比较好地完成液位控制任务 在给水压力比较平稳时 用于小型低压锅炉较好 三冲量液位调节系统 三冲量液位控制系统是在双冲量液位控制的基础上引入了给水流量信号 由水位 蒸汽流量和给水流量组成了三冲量液位控制系统 在这个系统中 汽包水位是被控变量 是主冲量信号 蒸汽流量 给水流量是两个辅助冲量信号 实质上三冲量控制系统是前馈加反馈控制系统 宜用于大型锅炉 三冲量液位控制方案 此方案把PI调节器放在加减器前面 抓住了主要矛盾 汽包水位由PI调节器调节 保证了它在给定位置 系统稳定时 蒸汽流量信号和给水流量信号在加减器内相互平衡 三冲量调节系统克服虚假水位 当锅炉负荷量 即产气量 突然增大时 由于汽包内压力下降 汽包内沸腾加剧 产生大量气泡将液位抬起 经过一段时间后液位下降 这个短暂的过程液位不按物料平衡关系下降反而上升的现象叫假液位现象 三冲量调节系统采用蒸汽前馈 当蒸汽流量增大时 锅炉汽包产生假液位上升时 蒸汽前馈与假液位产生的动作作用方向相反 抵消假液位产生的减给水指令并做适当的加水调节 从而避免假液位产生的调节动作 实现超前补偿 选择性调节系统 是把工业生产过程中的限制条件所构成的逻辑关系 叠加到正常的自动控制系统上去的一种组合控制方法 即在一个过程控制系统中 设有两个调节器 或两个以上的变送器 通过高 低值选择器选出能适应生产安全状况的控制信号 实现对生产过程的自动控制 称为自动保护系统或称为软保护系统 也叫超驰调节 取代调节等 CO2压缩机防喘振控制控制方案 超驰调节 常用控制算法 PID类 包括 单回路PID 串级 前馈 均匀 比值 分程 选择或超驰控制等 特点 主要适用于SISO 单变量 系统 基本上不需要对象的动态模型 结构简单 在线调整方便 APC类 先进控制方法 包括 解耦控制 内模控制 预测控制 自适应控制等 特点 主要适用于MIMO或大纯滞后SISO系统 需要动态模型 结构复杂 在线计算量大 PID控制技术是最常规 经典 控制技术 目前的控制系统中仍约有90 采用的是常规PID控制技术 还包括一些改进型PID控制技术 PID控制具有如下主要优点 1 不需要对象的模型 2 分析 设计和实现简单 易于被现场工程师所接受 3 具有较强的鲁棒性 所谓 鲁棒性 是指控制系统在一定 结构 大小 的参数摄动下 维持某些性能的特性 PID调节器中 P为比例环节 起放大作用 就是输入偏差乘以一个系数 比例调节作用 是按比例反应系统的偏差 系统一旦出现了偏差 比例调节立即产生调节作用用以减少偏差 比例作用大 可以加快调节 减少误差 但是过大的比例 使系统的稳定性下降 甚至造成系统的不稳定 单纯的比例调节是很少使用的 一般只能用在扰动较少的场合 因为单纯的比例调节有调节余差 所谓调节余差 就是被调参数没有完全恢复到给定值 就稳定下来 不能再调节了 这个已调节的数值与给定值之间的差值 就称为调节余差 I为积分环节 可以消灭稳态误差 就是对输入偏差进行积分运算 积分调节作用 是使系统消除稳态误差 提高无差度 因为有误差 积分调节就进行 直至无差 积分调节停止 积分调节输出一常值 积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti Ti越小 积分作用就越强 反之Ti大则积分作用弱 加入积分调节可使系统稳定性下降 动态响应变慢 积分作用常与另两种调节规律结合 组成PI调节器或PID调节器 一句话简述 如果调节器的输如偏差不等于零 就让调节器的输出按照一定的速度一直朝一个方向累加下去 只要偏差出现 调节器的输出会逐渐地变化 偏差越大 输出信号的变化速度也就越大 偏差信号存在的时间越长 输出的信号也就越大 直到偏差为零时 调节器的输出信号才停止变化 所以 积分调节能够有效地 较为准确地维持被调参数在给定值附近 能够消除余差是积分调节的最大的优点 在积分调节器中 常以积分时间的长短来说明积分作用的强弱 积分时间短 积分作用就愈强 变化也就愈快 就可以在较短的时间内把被测参数调整好 积分调节器的缺点在于它的滞后作用 也就是说 积分调节会使调节过程增长 不能立即采取措施 D为微分环节 可以加快系统的反应 D就是微分 对输入偏差进行微分运算 微分调节作用 微分作用反映系统偏差信号的变化率 具有预见性 能预见偏差变化的趋势 因此能产生超前的控制作用 在偏差还没有形成之前 已被微分调节作用消除 因此 可以改善系统的动态性能 在微分时间选择合适情况下 可以减少超调 减少调节时间 微分作用对噪声干扰有放大作用 因此过强的加微分调节 对系统抗干扰不利 此外 微分反应的是变化率 而当输入没有变化时 微分作用输出为零 微分作用不能单独使用 需要与另外两种调节规律相结合 组成PD或PID控制器 一句话简述微分作用 被调量不动 输出不动 被调量一动 输出马上跳 根据微分作用的特点 咱们可以得出如下曲线的推论 1 微分作用与被调量的大小无关 与被调量的变化速率有关 2 与被调量的正负无关 与被调量的变化趋势有关 3 如果被调量有一个 就相当于输入变化的速度无穷大 那么输出会直接到最小或者最大 4 微分参数有的是一个 用微分时间表示 有的分为两个 微分增益和微分时间 微分增益表示输出波动的幅度 搏动后还要输出回归 微分时间表示回归的快慢 经验PID整定参数对介质为流体 气体 液体 情况 经验PID整定参数参考如下 在出所前最好在软件组态中要设置好 到现场再细调或不动 对流量调节 F 一般P 120 200 I 50 100S D 0S 对防喘振系统 一般P 120 200 I 20 40S D 15 40S 对压力调节 P 一般P 120 180 I 50 100S D 0S 对放空系统 一般P 80 160 I 20 60S D 15 40S 对液位调节 L 1 大个容器 直径4米 高2米以上塔罐 一般P 80 120 I 200 900S D 0S 2 中个容器 直径2 4米 高1 5 2米塔罐 一般P 100 160 I 80 400S D 0S 3 小个容器 直径2米 高1 5米以下塔罐 一般P 120 300 I 60 200S D 0S 对温度调节 T 一般P 120 260 I 50 200S D 20 60S 过程控制与其它相关学科 氨合成 流程 入口产物 精致气在化工 气体压力大 成分密度高 有利于合成 故在合成气压缩工序将气体压缩至15MPa 老工艺流程是32MPa 15MPa压力的合成气在合成工序在合成塔内触媒的作用下 约20 左右的N2和H2合成NH3 采用冷却的办法使NH3成液态 取出 即成为产品液氨 剩下的N2和H2加上新鲜的合成气后继续循环合成 3H2 N2 2NH3 Q 氨合成 氨合成塔和CO变换炉工作原理差不多 也是采用触媒 催化剂 生产的设备 不同的触媒的效能和使用寿命也不一样 氨合成压力 国内 32MPa 国外 15MPa 温度 460 左右 氨合成 氨合成反应也是放热反应 在这里 采用冷合成气冷激的方法保护触媒不会烧毁 未经预热的气体直接进入触媒层冷却 出合成塔的热合成气进废热锅炉回收热量 再去预热进氨合成塔合成气 触媒同样在一定的温度下活性才强 触媒床层呈多层布置 一般三层 尽可能多装触媒 触媒温度至关重要 氨合成 温度 触媒层多点温度 两支多点铠装热点偶 K分度号 每只10个点