《联锁与调节系统》PPT课件

联锁与调节系统,内容,一、联锁系统简介,二、联锁系统构成,联锁控制系统,调节系统,三、联锁控制系统的特点,四、联锁控制系统的功能,五、联锁系统的设计原则,六、联锁检修事注意项,一、自动控制系统及组成,二、自动控制系统方框图,三、自动控制的意义,四、自动控制系统的分类,五、控制器的控制规律,六、PID控制,七、串级控制系统,联锁系统InterlockingSystem,在化工企业生产中，为防止发生装置爆炸、着火、人员伤亡、中毒以及其他生产事故，会对有危险性的生产部位、关键设备、影响产品质量、产量等关键环节设置联锁系统，当生产出现异常时，就通过继电系统，使装置局部或全部停车。,联锁是为了安全使两个或若干个机构互相制约而不能同时动作，如电器联锁，机械联锁等。这里主要介绍控制系统联锁。即当控制系统或者某些工艺设备发生故障，造成工艺指标出现异常，有可能超越安全许可范围的时候，就需要设置一套安全连锁系统，立即动作，该关的阀立即关死，该打开的阀立即打开，从而避免事故的发生。,一、联锁系统简介,人在危险时刻的判断和操作往往是滞后和不可靠的。为了使生产装置安全运行，采用危险工艺的化工装置，必须实现工艺过程的自动控制和安全联锁，完善温度、压力、流量、液位及可燃有毒气体浓度等工艺指标的超限、联锁报警装置，配齐安全阀、防爆膜等紧急泄压装置；涉及硝化、氧化、磺化、氯化、氟化、重氮化、加氢反应等危险工艺的化工装置，要在实现自动控制的基础上装备紧急停车系统（ESD）。,1.发动联锁启动的信号源信号源来自生产中的工艺参数，工艺参数通过下列仪表发出接点启动信号：1）.现场的各类开关，包括压力、液位等等。,二、联锁系统构成,2.由变送器和各种探头送出的工艺参数。,1.继电器系统。2.可编程序控制器、集散系统内的程序控制器，把各类变送器的输出信号与设定值比较后，进行判断，决定是否产生联锁信号再进行输出。,联锁单元是由CP控制，将联锁输入端经过内部逻辑运算以后输出到现场，它是整个联锁控制的核心。,二.识别并实现联锁动作的部件,三.实施联锁动作的部件1.电磁阀2.调节阀或切断阀。,三、联锁控制系统的特点,1.元件多、程序复杂、质量要求高。组成全系统的仪表台件、部件及各类开关甚多，相互连接十分复杂，而任何环节的动作又不得有误，因此对系统中器件的质量要求是相当高的。2.动作迅速、灵敏度高。由于工艺参数传到系统后，各个环节都是通守电信号传递的，动作迅速、灵敏度高，不允许有任何的外界干扰和一丝的误操作（有防误操作装置的除外）。,3.必须有严格的操作管理制度。因为联锁系统时刻在严格监督、控制着全装置与安全密切关联的部位，所以必须有一整套严格的操作管理制度。,四、联锁控制系统的功能,首先由于工艺参数的变化，导致输入侧动作，卡件将检测到的开关信号送给CP，CP经过逻辑运算之后将信号输出到卡件，卡件再将信号送出去。可以送到现场电磁阀，来控制阀门的开与关，也可以送到电气，来控制现场机泵的启停。,联锁控制系统主要分为3个主要环节：输入，联锁单元和输出。,联锁回路原理图,五、联锁系统的设计原则,独立设置原则,中间环节最少原则,冗余原则,故障安全原则,独立设置原则,所谓独立设置,即联锁中各部分应尽量是专用设备或仪表,以免受其它关联的故障或误操作的影响。独立设置原则包括:独立输入接点逻辑单元独立设置执行器独立设置,中间环节最少原则,根据可靠性工程理论,故障均属于随机事件,其概率分布是有一定规律的,仪表故障的分布函数F(t)为：F(t)=1-e-t式中故障率。,在仪表串联的情下,系统的故障率是构成系统的所有仪表的故障率的集合,即系统=1+2+3+,冗余原则,各单元全部采用双重化冗余结构如图所示，如此配置是提高可靠性的有效措施。,故障安全原则,故障安全原则主要着重于联锁系统中两端(检测单元和执行单元)的设计,主要包括:1、采用常闭触点开关仪表现场常常出现,触点式检测仪表由于长时间受空气中杂质腐蚀、材料老化、触头磨损等因素而不能在故障状态下准确闭合,或由于导线开路而不能将联锁信号传送给逻辑设备,从而影响整个紧急停车联锁系统的工作。采用故障安全电路,即正常情况下触点闭合通电,故障情况下断开,可有效防止故障不动作。,这种做法又可能由于导线开路而引起误动作停车,但对工艺过程来说是安全的,若同时辅以2取2或3取2表决逻辑措施,则可避免误动作。,2、电磁阀采用正常通电方式为确保自保阀在任何故障状态下都处于过程安全位置,其电磁阀应设计成故障安全型电路,即正常通电,故障断电动作。对送往电气控制盘用以开停电机的触点,应将隔离用的中间继电器的励磁电路,设计为故障安全型。但是,电磁阀的故障安全型电路易由于接线松动和电磁阀故障引起非计划停车,因此必须选用高可靠性电磁阀并保证接线施工质量。,六、联锁检修事注意项,联锁检修的时候首先要将准备检修的项目投旁路。对于没有旁路的要将前端模块打手动，不能因为检修时的误动作导致联锁动作。在连锁调试阶段一定要先将最终输出模块投手动，不能因调试联锁导致机泵等现场设备开启或者停止。并且还要注意有的输入不仅是一个联锁单元的输入，也可能是几个或者好几个联锁单元的输入。而在调试之前这些必须都确认清楚。,EX1、甲烷化炉联锁,1）联锁用途该联锁为保护甲烷炉与触媒不致超温(392度以上)损坏，和保护锅炉给水加热器(114-C)而设置。,2）逻辑图,EX2、103-J脱扣联锁系统,1）联锁用途该联锁为保护103-J机组而设置，当103-J压缩机调速油压力过低、润滑油压过低、平衡活塞外侧油气压差过高、高低压缸密封油高位槽液位过低、吸入罐液位过高、段间分离罐液位过高时，103-J停车。该系统也能在事故紧急情况下，人为停103-J，以保证设备和人身安全。,调节（控制）系统,基本概念控制：为了达到一定的目的，对作为生产过程的设备进行操作。人工控制：用人工来完成所需要的操作过程。自动控制：指在没人参与的情况下，利用控制器或控制装置的作用使生产过程或控制对象的一个或多个物理量（受控物理量）维持在一定给定水平或按照期望的规律变化，以达到控制的目的。自动控制的涵义既可以是最简的开和关，也可以是复杂的计算机控制。自动控制的实质，就是利用控制装置模仿人或代替人去对设备、系统或生产过程等进行各种操作的过程。自动控制系统：由自动控制装置，包括测量部件、控制器和执行机构等，与被控对象连接在一起构成了自动控制系统。,-,偏差,一、自动控制系统及组成,控制系统的任务：c(t)=r(t)其中c(t)是被控量，r(t)是给定值。,二、自动控制系统方框图,控制系统中常用的术语如下：1、被控对象：需要实现控制的设备、机器或生产过程。2、被控变量：对象内要求保持设定值的物理量。3、操纵变量：受调节器操纵，用以使被控变量保持设定值的物理量或能量。4、干扰：除操纵变量以外，作用于对象并能引起被控量变化的因素。5、设定值：被迫变量的目标值。6、偏差：被控变量的设定值与实际值之差，通常是给定值与测量值之差。,1.保证设备的正常运行；2.改进产品质量，提高生产效率，降低成本；3.在不适宜人类长时间工作的环境，或者不能接近的特殊环境里，采用自动控制系统可以改善了工人的劳动条件和保证操作人员的安全；4.完成许多人工、手动操作几乎难以达到的一些复杂而频繁的操作过程，减轻人的劳动强度。,三、自动控制的意义,四、自动控制系统的分类,控制系统的分类多种多样，但总的来说可以分为两大类，即开环系统和闭环系统。,（1）开环控制系统,输出不影响输入，对输出不需要测量，通常容易实现；组成系统的元部件精度高，系统的精度才能高；系统的稳定性不是主要问题；,主要特点：,控制方式：,按给定值操纵。信号由给定值至输出量单向传递。一定的给定值对应一定的输出量。系统的控制精度取决于系统事先的调整精度。,开环控制系统：就是控制量与输出量之间仅有前向通路而无反馈通路（即输出量不能对控制量产生影响）。,直流电动机转速系统,开环控制系统的优点：,对元器件要求较高、抗干扰能力差，无法自动补偿系统干扰对被控量带来的影响。,系统信息传递没有形成闭合回路，被控量不对控制作用产生影响所以，结构相对较简单、维护容易、成本低、不存在稳定性问题。原则上，被控量的控制精度取决于系统各环节的精度，多用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合,如自动售货机，自动报警器，自动流水线等。,开环控制系统的缺点：,(2)闭环控制系统,输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰；低精度元件可组成高精度系统；因为可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要。,闭环控制：是指系统的信息传递形成闭合回路。也称反馈控制系统。,主要特点：,反馈控制，反馈按反馈极性的不同分成两种形式：正反馈，负反馈。我们所讲述的反馈系统如果无特殊说明，一般都指负反馈。,控制方式：,带速度反馈的直流电动机转速系统,闭环控制系统的优点：,系统的输出（被控量）经反馈通道形成反馈信号，回送到输入端和给定信号生成偏差信号，影响控制作用。因此控制精度受环节的转换精度较小。由于存在反馈通道，系统总是力图维持系统输出（被控量）等于给定值，因此对干扰具有极强的补偿和修正作用。,由于干扰对系统输出的影响需经一定时间才能逐渐反应出来，控制作用对干扰作用有时间滞后。控制过程可能产生振荡。结构复杂、维护不易、可能存在稳定性问题。,闭环控制系统的缺点：,1、控制器的作用根据被控变量的测量值与给定值之间的偏差，按预定的控制规律进行运算并发出控制信号，去控制执行器动作，以实现对生产过程的自动控制。2、控制规律是指控制器的输入信号和输出信号之间随时间变化的规律。通常是在阶跃信号的作用下，来研究控制器的输出随时间的变化规律。控制规律函数表示为：u=f(e)。不同的生产要求需要不同的控制规律。在了解基本控制规律的特点及适用条件的基础上，根据过渡过程的品质要求，结合被控对象的特性，才能正确选用适当的控制规律。,五、控制器的控制规律,3、控制器作用方向的选择控制系统各环节的正或负可根据在稳态条件下该环节输出增量与输入增量之比确定。当该环节的输入增加时，其输出增加，则该环节的增益为正，反之，如果输出减小则增益为负。对象的增益可以是正，亦可以是负，例如在液位控制系统中，控制阀装在入口处对象的增益是正的；如果装在出口处，则对象的增益是负的。气开控制阀的增益是正的；气关控制阀的增益是负的。检测元件和变送器的增益一般是正。控制器有正、反作用之分，正作用控制器的增益是负的；反作用控制器的增益是正的。这是因为在控制系统中偏差是设定值减测量值（RY），而控制器中偏差是测量值减设定值（YR）。整个控制系统必须是一个负反馈系统，所以回路中各环节增益的乘积必须为正值。一个控制系统设计好后，对象、控制阀、检测元件和变送器的增益亦确定了，通过选择控制器作用方向来保证控制系统是一个负反馈系统。,4、对自动控制系统性能的基本要求1）.稳定性(stability)：系统开始处于平衡状态(EquilibriumState)，则由于受外力作用（扰动）之后，必将偏离原来平衡状态，若扰动消失后，系统能够返回它的原来平衡状态，那么就称这样的系统是稳定的，否则就是不稳定的。稳定性是所有控制系统的最低要求。自动控制系统必须满足一定的稳定裕度(stablemargin)的要求。2）.稳态特性(steady-stateperformance)：系统在动态过程结束后，系统的稳定输出相对于输出期望值的偏离程度，通常用稳态误差(steady-stateerror)表示。3）.动态响应：系统从初始状态到达最终状态的响应过程。,PID(Proportional-Integral-Differential，PID)控制：控制器的运算部分以反馈或串接的组合方式来实现比例-积分-微分运算功能。其优点：原理简单，使用方便；适应强，广泛用于化工、热工、冶金、造纸等行业；鲁棒性(robustness)强，即控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。,六、PID控制,比例带的物理意义是使调节器的输出按比例变化的输入范围。若调节器的输入范围大于比例带，则调节器的输出u(t)与e(t)不再成正比例。调节器的比例带习惯用它相对于被调量测量仪表的量程的百分数表示。例如，若测量仪表的量程为100，则50就表示当偏差改变50时能使调节阀从全关到全开。比例控制规律的特点1.调节及时、迅速。控制器的输出变化量与输入偏差成正比例，在时间上没有延迟。2.属于有差调节。比例调节的余差随着比例带的加大而加大。从这一方面考虑，人们希望尽量减小比例带。然而，减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统激烈振荡甚至不稳定。比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定裕度。,1、比例控制规律,比例带对于比例调节过程的影响,积分调节器输出的控制作用并不立即变化，而是由零开始线性增长。从这一点看，积分调节作用是不及时的。只要偏差信号存在，调节器输出旨在消除对系统影响的控制作用就一直增加，且其增长的速度始终为初始速度。缺点：输出变化总是滞后于偏差的变化，难以及时有效克服扰动的影响，使系统稳定下来。,2、积分控制规律,积分时间对过渡过程的影响具有两重性：当缩短积分时间，加强积分调节作用时，一方面克服余差的能力增加；这是有利的一面。但另一方面会使过程振荡加剧，稳定性降低。积分时间越短，振荡倾向越强烈，甚至会成为不稳定的发散振荡，这是不利的一面。,积分控制规律,积分时间对过渡过程的影响,微分控制的目的：对于一些惯性较大的调节对象，仅有比例积分作用往往不足以克服较大的容量滞后，达不到满意的调节质量。为此，引入了具有“超前”调节作用的微分调节规律。理想微分控制规律的动态特性控制器的输出u(t)与输入偏差de(t)/dt的变化速度成正比。微分控制器的输出只与偏差的变化速度有关,而与偏差存在与否无关，微分控制器对恒定不变的偏差是没有克服能力的。所以，微分控制器不能作为一个单独的控制器使用。,3、微分控制规律,4、比例积分微分控制规律,工业PID调节器单位阶跃响应,各种调节动作对应的响应过程,1-比例调节2-积分调节3-比例积分调节4-比例微分调节5-比例积分微分调节,PID控制器比例控制（基本控制作用）微分控制（开始时作用）积分控制（微分作用消失后，如果余差存在，积分控制发生作用）需要比例、积分和微分作用取长补短、相互配合，即比例带、积分时间常数和微分时间常数整定适当。,比例积分微分控制规律,实际PID调节器的阶跃反应特性曲线,PID控制器的整定的口诀,参数整定找最佳，从小到大顺序查先是比例后积分，最后再把微分加曲线振荡很频繁，比例度盘要放大曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳曲线偏离回复慢，积分时间往下降曲线波动周期长，积分时间再加长曲线振荡频率快，先把微分降下来动差大来波动慢，微分时间应加长理想曲线两个波，前高后低4比1一看二调多分析，调节质量不会低,EX11101E液位控制,1)设计的目的控制好1101E的液位。,2）操作说明各阀门自动实现输出信号分程。阀门的开闭还受联锁控制。,背景：当被控过程（控制对象）的滞后较大，干扰较剧烈并且频繁，若采用简单控制系统不能满足工艺要求。定义：采用两个相互串联的控制器，以一个控制器的输出作为另一个控制器参比信号的控制系统。而另一个控制器的输出信号发送给执行器，实现调节。动态中两个控制器共同消除扰动；稳态时主控制器保持被控量等于给定值。,七、串级控制系统,53,1.能迅速克服进入副回路的干扰进入副回路的干扰d2首先影响副被控量c2，使其发生变化。由于副回路的反馈控制作用，在主被控量c1尚未产生明显变化以前，副控制器Gc2就已操纵调节阀Gv动作，克服干扰d2对c2的影响，使c2的波动减少，从而使干扰d2对主控变量c1的影响更小。,串级控制系统的主要特点,2.能改善被控对象的特性，提高系统克服干扰的能力副回路可视为主回路的一个环节，当副回路整定得很好时，其闭环的时间常数将很小，从而使整个被控对象的惯性时间近似等于主对象的惯性时间，这就改善了主回路的响应速度。,Gc1,Gp1,Hm1,r1,u1,d1,c1,c2,y1,+,+,+,-,副回路,广义被控对象,3.改善了系统的特性，提高了系统的控制精度副回路相当于一个随