过程控制_国海峰过程控制01讲

过程控制 国海峰 课程名称：过程控制 授课对象：电气工程及自动化专业 先修课程：电子技术基础 检测与信号处理技术 自动控制理论 主要教材及参考书： 邵裕森，过程控制工程（第2版）， 机械工业出版社，2004 3 第一章绪论第一章绪论 本章主要内容本章主要内容 1. 过程控制的基本概念1. 过程控制的基本概念 2. 过程控制的任务2. 过程控制的任务 3. 过程控制系统的组成3. 过程控制系统的组成 4. 过程系统的分类4. 过程系统的分类 5. 过程控制的特点5. 过程控制的特点 6. 过程控制的发展状况6. 过程控制的发展状况 7. 课程内容简介7. 课程内容简介 4 1. 工业自动化：1. 工业自动化： 利用各种自动化装置对工厂或企业的生产设备或生 产过程进行的自动监测,自动调节,自动控制,自动显示 及管理等。 工业自动化涉及的范围极广，可分为：生产过程自 动化、电气传动自动化、电力系统自动化、生产管理自 动化、楼宇自动化等等。 生产过程自 动化、电气传动自动化、电力系统自动化、生产管理自 动化、楼宇自动化等等。 生产过程自动化是其中的重要分支。它主要针对温 度、压力、流量、液位（或物位），成分和物性 温 度、压力、流量、液位（或物位），成分和物性等参数 的控制问题进行研究。 1.1 过程控制的基本概念1.1 过程控制的基本概念 5 1.1 过程控制的基本概念1.1 过程控制的基本概念 2. 何谓过程:2. 何谓过程: 将原料(物质)接收过来,利用能源进行诸如加热、 冷却等处理,使其发生化学的或物理的变化,最终生产 出所需要的物质或能源的系统。 3. 过程控制：3. 过程控制： 为了按所希望的效率，质量和产量生产出产品， 将过程内各部分的变量控制在所希望的值即完成对 诸如温度，压力，流量，液位（物位）等参数量的生 产过程的自动调节。 6 1.2 过程控制的任务1.2 过程控制的任务 4. 过程控制的任务：4. 过程控制的任务： 在了解、掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特 性基础上，根据生产工艺的要求，应用控制理论对系统 进行分析和综合，最后采用适宜的技术手段加以实现。 值得指出的是，为适应当前生产对控制的要求愈来愈高 的趋势，必须充分注意现代控制技术在过程控制中的应 用，因此可以说，过程控制是控制理论、工艺知识、计 算机技术和仪器仪表等知识相结合而构成的一门应用科 学。 过程控制是控制理论、工艺知识、计 算机技术和仪器仪表等知识相结合而构成的一门应用科 学。 7 1.3 过程控制系统的组成1.3 过程控制系统的组成 过程控制系统通常是指工业生产过程中自动控制 系统的被控量是温度、压力、流量、成分、粘度、湿 度和pH值(酸碱度或氢离子浓度)等这样一些过程变量 的系统。 例如：发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统 转炉供氧量控制系统 集散控制系统(DCS) 8 1.3 过程控制系统的组成1.3 过程控制系统的组成 例1 发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统例1 发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统 ? 锅炉是电力、冶金、石油化工等工业部门不可缺少的动 力设备，其产品是蒸汽。发电厂从锅炉汽鼓（汽包）中 出来的饱和蒸汽经过过热器继续加热成为过热蒸汽。过 热蒸汽的温度是火力发电厂生产工艺的重要参数。 ? 过热蒸汽温度控制是保证汽轮机组（发电设备）正常运 行的一个重要条件。通常过热蒸汽的温度应达到460 左右再去推动汽轮机做功。 9 1.3 过程控制系统的组成1.3 过程控制系统的组成 ?每种锅炉与汽轮机组都有一个规定的运行温度，在这 个温度下运行，机组的效率最高。如果过热蒸汽的温度 过高，会使汽轮机的寿命大大缩短；如果温度过低，当 过热蒸汽带动汽轮机作功时，会使部分过热蒸汽变成小 水滴，小水滴冲击汽轮机叶片，会造成生产事故。所以 必须对过热蒸汽的温度进行控制。 ? 过热器之前或中间部分串接一个减温器，通过控制减温 水流量的大小来控制过热蒸汽的温度。 10 1.3 过程控制系统的组成1.3 过程控制系统的组成 过热蒸汽温度控制系统控制流程图 4调节阀 1热电阻 2 温度变送器 3温度调节器 饱和蒸汽 加温 11 1.3 过程控制系统的组成1.3 过程控制系统的组成 控制过程：控制过程： 本系统采用DDZ- 型电动单元组合仪表。系统中过 热蒸汽温度采用热电阻温度计1来测量，并经温度变送 器2（TT)将测量信号送至调节器（TC)3的输入端，与过 热蒸汽温度的给定值进行比较得到其偏差，调节器按此 输入偏差以某种控制规律进行运算后输出控制信号，以 控制调节阀4的开度，从而改变减温水流量大小，达到 控制过热蒸汽温度的目的。 12 1.3 过程控制系统的组成1.3 过程控制系统的组成 过热蒸汽温度控制系统控制框图 ? “过程”(又称对象)被控制的装置或设备 ? y(t)被控参数：过热蒸汽的温度 ? f(t)扰动作用 ? q(t)操纵变量（控制参数） ?(t)称为控制作用 ? 测量变送器将y(t)成比例地转换为测量信号z(t) ? x(t)给定值 13 1.3 过程控制系统的组成1.3 过程控制系统的组成 例2 转炉供氧量控制系统例2 转炉供氧量控制系统 转炉是炼钢工业生产过程中的一种重要设备。熔 融的铁水装入转炉后，可以通过氧枪供给转炉一定的 氧气量，在氧气的作用下，铁水中的碳逐渐氧化燃 烧，从而使铁水中的含碳量不断地降低，控制吹氧量 和吹氧时间就可以控制冶炼钢水的含碳量，于是就可 以获得不同品种的钢。 14 1.3 过程控制系统的组成1.3 过程控制系统的组成 转炉供氧量控制系统 控制流程图 采用节流装置1来测量氧气流量，并 送至流量变送器(FT)2，再经开方器3 后作为流量调节器(FC)4的测量值， 其测量值与供氧量的给定值进行比较 得到偏差，调节器按此偏差输入信号 以PID某种控制规律进行运算并输出 控制信号去控制调节阀5的开度，从 而改变供氧量的大小，以满足生产工 艺要求。 控制过程： 15 1.3 过程控制系统的组成1.3 过程控制系统的组成 转炉供氧量控制系统框图 控制系统均由测量元件、变送器、调节器、调节阀和 被控过程等环节构成。如果把测量元件、变送器、调 节器和调节阀统称为过程检测控制仪表，则一个简单 的过程控制系统是由被控过程和过程检测控制仪表两 部分组成的。 16 1.3 过程控制系统的组成1.3 过程控制系统的组成 计算机过程控制系统 计算机过程控制系统框图 计算机代替模拟调节 器计算机过程控 制系统 17 1.3 过程控制系统的组成1.3 过程控制系统的组成 例3 集散控制系统（DCS)例3 集散控制系统（DCS) 集散控制系统基本组成框图 (1)过程输入输出接口 (2)过程控制单元 (3)数据高速通路 (4)CRT操作站 (5)管理计算机(上位机) 18 1.3 过程控制系统的组成1.3 过程控制系统的组成 (1) 过程输入输出接口：过程输入输出接口：它是带有微处理器的智能装 置，主要用于采集过程信息(模拟量和数字量)，故又称 其为数据采集站。它能完成数据采集与预处理，对实时 数据作进一步的加工，提供CRT操作站的显示与打印。同 时，在有管理计算机的情况下，它可以用模拟量与开关 量的方式向过程终端输出计算机的控制指令。 19 1.3 过程控制系统的组成1.3 过程控制系统的组成 (2) 过程控制单元(基本控制器，控制站)：(2) 过程控制单元(基本控制器，控制站)：它相当于若 干台常规调节器，能完成常规调节器的全部运算与控 制功能，通过软件组态能灵活地构成满足各种不同控 制要求的复杂控制系统。它接受现场的各种信号，并 进行转换，再通过内部微处理器进行各种运算处理， 输出转换为DC420mA或接点信号，去操作各类执行 器，实现自动控制。过程控制单元是集散控制系统的 核心。 20 1.3 过程控制系统的组成1.3 过程控制系统的组成 (3) 数据通信总线：(3) 数据通信总线：它是一条同轴电缆或光导纤维，高速 率传送基本控制单元、过程输入输出接口单元与显 示操作站之间的数据。 (4) (4) CRT操作站：操作站： 它是集散控制系统的人机接口装 置，主要用于操纵工艺生产过程，并监视工厂的运行 状态及回路组态，调整回路参数(如PID值、极限报警 值与设定值等)，显示动态流程画面以及进行部分生产 管理。通常它由CRT监视器、数据通信总线接口、操 作键盘、打印机、磁带机与软盘驱动装置等组成。 21 1.3 过程控制系统的组成1.3 过程控制系统的组成 (5) 管理计算机(5) 管理计算机(上位机上位机) ： 它通过数据通信总线和系 统中各智能单元，采集各种数据信息，并综合下达诸 如设定值(SPC)等各种高级命令。它可以进行集中管 理与最优控制，实现信息控制管理一体化。通常 管理计算机还有可能供用户进一步开发高级语言软 件，可完成有关工艺参数间复杂的运算和数据分析工 作等。 22 1.3 过程控制系统的组成1.3 过程控制系统的组成 1. 被控对象1. 被控对象 需要实现控制的设备，机器或生产过程。 如加热器，蒸馏塔，反应器或传输物料的管路，储存 物料的槽、罐等。 （1）被控量（1）被控量 对象内要求进行控制的参量。即y(t)，过热蒸汽的温 度。是过程的输出信号。 （2）操纵量（控制参数）（2）操纵量（控制参数） 一般是由工艺决定的，如加热器的温度、燃油量、 出口温度等受执行器（调节阀）操纵，用以使被控 制量获得有效控制的量（调节阀输出，过程的输入）。 23 1.3 过程控制系统的组成1.3 过程控制系统的组成 （3）干扰量（3）干扰量 除操纵量之外，作用于对象并能引起被控量变化的各 种因素。 2. 检测元件与变送器2. 检测元件与变送器 （1）检测元件（1）检测元件：各类传感器 （2）变送器：（2）变送器：用于把被测参数（温度、压力，流量 等物理量）变换为标准信号的仪表。 标准信号： 电压15V DC 电流420mA DC 24 1.3 过程控制系统的组成1.3 过程控制系