过程控制及集散控制系统概述

过程控制与集散控制系统,任佳Email:jrenMobile669498)Office:15#219,教材及参考书：,教材自编讲义：JX-300XDCS系统参考书：郭阳宽，王正林编著，过程控制工程及仿真基于MatlabSimulink，电子工业出版社，2009.4参考书：俞金寿，孙自强，过程控制系统，机械工业出版社，2008.8,教学安排,过程控制及集散控制系统概述JX-300X集散控制系统过程控制系统-基本控制算法单回路PID、串级控制比值、前馈纯滞后、解耦、预测控制均匀控制、选择性控制、分程控制CS3000集散控制系统过程控制实验及讨论,成绩评定,平时50%+期末50%平时：课堂习题课外作业仿真练习实验点名网络课程平台的提问、讨论加分奖励（5-10分）课堂讨论,1.1过程控制系统？及其特点1.2单回路过程控制系统的组成1.3控制平台的类型*1.4单回路过程控制系统设计中的几个要点1.5总结,1过程控制及集散控制系统概述,1.1什么是过程控制系统？,过程自动化过程控制，过程控制系统电气自动化电气控制，电力拖动控制系统控制对象不同：过程控制：工业生产过程中的物理量以温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控变量的自动控制。电气控制：电动机（直流、交流）,典型流程工业生产过程,化工单元过程炼油生产过程火电生产过程控制制浆造纸过程控制啤酒及中药生产水处理过程控制等,流程工业（Flowindustry）,也叫过程工业（ProcessIndustry）通常指化工、石化、炼油、钢铁、冶金、造纸、制药、食品、电力等连续生产行业在整个制造业中所占比重大占全国工业总产值的70以上91年以来流程工业的产品销售额前10名中占80-90%,利润前20名中占70%市场竞争对流程工业的压力不断增大,典型工业生产过程举例-乙酸乙酯生产过程,原料：乙酸、乙醇产品：乙酸乙酯工艺：1.酯化反应2.中和3.萃取精馏4.萃取剂回收,乙酸乙酯生产过程,反应釜（酯化反应）,乙酸,乙醇,催化剂磷钼酸,夹套温度：130-140釜内温度：80-90反应时间：2-3小时,中和釜,碳酸钠饱和溶液,乙酸,乙醇,乙酸乙酯,轻相,重相,中和过量乙酸，溶解乙醇,乙酸乙酯、微量的乙醇、水,过量的碳酸钠中和反应产生乙酸钠、和乙醇,乙酸乙酯生产过程,轻相,乙酸乙酯、微量的乙醇、水,筛板塔萃取精馏,萃取剂乙二醇,轻组分,乙酸乙酯,乙二醇、乙醇和微量的水,（提纯乙酸乙酯）,填料塔精馏,（回收乙二醇）沸点不同,重组分,轻组分,重组分,乙醇和水,乙二醇,循环使用,图片,以温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控变量的自动控制。,典型过程装置：精馏塔控制,精馏过程-将组分复杂的混合物通过传热分离成纯度相对较高的单一化工产品的过程,原理-利用混合物中各组分相对挥发度不同，在一定的温度、压力下通过蒸发与冷凝，使液相中的轻组分和气相中的重组分互相转移，从而实现分离。,换热器,回流罐,再沸器,精馏塔,精馏过程控制,精馏过程的控制要求,产品质量控制,物料平衡控制,塔顶或塔底产品之一合乎规定的纯度，另一端产品维持在规定的范围内。,塔顶、塔底采出量和进料量相平衡，维持塔的平稳操作。以控制回流罐与塔釜液位介于规定的上下限为目标。,精馏过程控制,精馏过程的控制要求,能量平衡控制,约束条件控制,通过控制塔内的操作压力稳定来保证。,液泛限：塔内气相速度过高，液相从下面塔板倒流到上面塔板。漏液限：塔内气相速度过低，塔板漏液，板效率下降压力限：塔的最大操作压力限临界温差限：再沸器两侧的温差不能低于临界温差,通过控制塔压差来实现。,生产过程的工艺流程基本不变，物料流是连续的；在装置内存在着物理的和化学的变化，并伴随着物质的和能量的转换与传递。原料性质变化需要生产同样的产品同样的原料又需要生产不同的产品,生产过程的一定限度内的柔性是靠改变各装置间物流的分配和装置运行的工作点（即工艺操作参数）来实现的,过程工业生产过程的特点,1.1.2过程工业控制的特点,被控过程具有多样性化工、冶金、电力、污水处理等。控制方案具有多样性反馈、前馈、复合控制单回路、串级、比值、解耦控制、先进控制等被控过程多属慢过程，控制目标多为过程参数生产过程的物料大多是流体状的，因此能量的交换与传递过程在时间上往往有比较大的滞后控制目标间有较强的耦合（关联）给定值控制是主要的控制形式,控制系统分类按设定值的不同情况,恒值（定值）控制系统恒温箱的温度控制稳压电源的电压稳定控制随动控制系统设定值不断变化，要求系统的输出随之变化例：雷达跟踪系统，机器人，机械手的动作控制程序控制系统其设定值也是变化的，但它根据需要按一定时间程序变化。程序控制机床，冶金工业中退火炉的温度控制,1.2单回路过程控制系统的组成,被控对象、传感器和变送器、控制器（调节器）、执行器和控制阀,控制什么?对象如何控制？-算法用什么控制？-控制平台,1.3控制平台的类型,控制平台的几种类型,单片机工控机PLCDCSFCS,对象规模和要求不同,PLC：可编程控制器,S7-200,PLC：SimaticS7-300,PLC的主要应用场合,PLC用于开关量逻辑控制取代传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。PLC用于运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块,如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块,广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。PLC用于工业过程控制在工业生产过程当中,存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量(即模拟量),PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量,完成闭环控制。,PLC主要生产厂商,Siemens(西门子)公司Allen-Bradley(A-B)公司（Rockwell）Schneider(施耐德)公司Mitsubishi(三菱)公司Omrom(欧姆龙)公司,DCS系统,DistributedControlSystem控制站CS操作员站OS、工程师站ES（人机接口）控制网络,OS,ES,CS,UPS,配电箱,操作员站,控制站,控制站硬件总貌,控制站CS机柜电源机笼主控卡数据转发卡I/O卡集线器Hub接线端子板,机柜,机笼,机笼,机笼,电源,Hub1,Hub2,接线端子板,系统结构（示意图）,集散控制系统的发展,4C技术,控制技术(Control)、计算机技术(Computer)、通信技术(Communication)、阴极射线管(CRT)图形显示技术是一种操作显示集中、控制功能分散、采用分级分层体系结构、局部网络通信的计算机综合控制系统。,集散控制系统产生的背景,20世纪60年代初，人们开始将电子计算机用于过程控制，试图利用计算机所具有的能执行复杂运算、处理速度快、集中显示操作、易于通信、易于实现多种控制算法、易于改变控制方案、控制精度高等特点，来克服常规模拟仪表的局限性。,小型机实现模拟量的数字控制：回路控制，数据采集，运算，人机接口。缺点：可靠性差，危险集中。,根据“危险分散”的设计思想，过去由一台大型计算机完成的功能，现在可以由几十台甚至几百台微处理机来完成。各微处理机之间可以用通信网络连接起来，从而构成一个完整的系统。,1975年12月，美国霍尼威尔(Honeywell)公司正式向市场推出了世界上第一套集散控制系统TDC-2000（TotalDistributedControl2000）系统，成为最早提出集散控制系统设计思想的开发商。,DCS的发展脉络,1975年,TDC2000,仪表分散控制系统,仪表集中控制系统,计算机集中控制系统,计算机集散控制系统,DCS的发展轨迹,专用通用硬件：硬盘，内存，键盘，显示器软件：监控软件，操作系统网络,DCS主要应用场合及主要产品,流程行业石油、化工、电力、冶金、钢铁、造纸等温度、压力、流量、液位、成份的控制,世界各国主要DCS产品,美国：Honeywell:TDC2000、TDC3000、PKSEmerson:DeltaV（WestingHouse:WDPF）Foxboro:I/ASeriesABB(Bailey):MP/200及AC800F日本：横河(Yokogawa):CENTUMCS3000,世界各国主要DCS产品,德国：西门子Siemens：Teleperm-M,PCS7英国：欧陆：T2550,世界各国主要DCS产品,中国：上海新华：XDPS(GEPower收购)浙大中控：JX-300X、JX-300XP和利时：MACS,主要行业应用,石化（特点：回路多）横河CS1000,CS3000HoneywellTDC3000电力（模拟量，开关量结合）Bailey西屋WDPF,现场总线控制系统,现场总线控制系统出现的原因,智能变送器的出现网络技术的发展网络系统与现场仪表通信的要求,现场总线控制系统的含义,现场总线：数字式，双向的，串行的数据总线现场总线仪表：支持现场总线通信的智能仪表现场总线控制系统：以单个分散的数字的智能的设备作为网络节点，以数据总线进行连接，实现现场的控制。,DCS与FCS,1.5本讲小结,过程控制是自动化专业的主要内容之一,系统的观点、全局的观点：,对象,控制方案,变送器,执行器,载体,作业,什么是过程控制系统？什么是电力拖动系统？它们各自的特点是什么？通过上网或查阅书籍，举出一个典型过程控制系统的例子。试用全局的观点来梳理以前学过的自动化的相关知识。,1.4过程控制系统设计中的几个要点,1.4.1被控变量的选择1.4.2控制变量的选择1.4.3控制阀开关的选择,1.4.1被控变量的选择,被控变量的选择，是控制系统设计的核心问题。以温度、压力、流量、液位为操作指标的生产过程，就选择温度、压力、流量、液位为被控变量。当质量指标是产品质量的直接反映时：最佳方案：采用质量指标作为被控变量,产品成分的测量问题：并不是所有参数都有行之有效的测量方法；成分分析仪表普遍具有较大的测量滞后，不能及时反应产品质量的变化情况成分分析仪的工作环境要求高，较差的工作环境会带来较大的测量误差。,1.4.1被控变量的选择,当质量指标是产品质量的直接反映时：最佳方案：采用质量指标作为被控变量可行方案：采用间接的指标作为被控变量,要求：。间接指标与直接指标有单值的对应关系。具有一定的变化灵敏度，即随着产品质量的变化，间接指标必须有足够大的变化。,1.4.1被控变量的选择案例,可行方案：采用间接的指标作为被控变量,要求：。间接指标与直接指标有单值的对应关系。具有一定的变化灵敏度,塔顶苯的纯度与温度、压力之间有如下的函数关系：到底选择温度还是压力作为被控变量呢？,苯、甲苯精馏分离，苯的纯度95以上。,1.4.1被控变量的选择,到底选择温度还是压力？,理论上选择两者均可，但在工程实践中一般都选择温度作为被控变量。因为在精馏操作中，往往希望塔压保持一定，如果塔压波动，塔内原有的汽液平衡关系就会遭到破坏，相对挥发度就会发生变化，塔将处于不良的工况。,1.4.1被控变量的选择原则,尽量选择质量指标作为被控变量当不能选择质量指标作被控变量时，应当选择一个与产品质量指标有单值对应关系的间接指标参数作为被控变量所选择的间接指标参数应具有足够大的灵敏度，以便反映产品质量的变化选择被控变量要考虑到工艺的合理性和国内、外仪表生产的现状。,被控变量-控制变量的选择？,1.4.2讨论：控制变量的选择？,右图为一蒸汽加热设备，利用蒸汽将物料加热到所需温度后排出。请问：（）影响物料出口温度的主要因素有哪些？（）如果要设计一温度控制系统，你认为被控变量和控制变量分别选哪些参数？,物料流量物料入口温度蒸汽流量蒸汽温度搅拌器的速度,1.4.2控制变量的选择,通常的做法：在影响被控变量的诸多输入中选择其中某一个可控性良好的输入量作为控制变量，其他未被选中的所有输入量则为系统的干扰。,y,u3,u2,u1,u4,扰动,输入,思考：实际工业现场中闭环控制系统的作用？,被控变量：被控对象的一个输出被控变量的输入：影响被控变量的外部因素,1.4.2控制变量的选择,所选控制变量必须是可控的。所选控制变量应是通过放大倍数较大者，最好大于扰动通道的放大倍数。扰动通道的时间常数越大越好，而控制通道的时间常数应适当小一些。所选控制变量的纯滞后时间应越小越好所选控制变量应尽量使干扰点远离被控变量而靠近控制阀在选择控制变量时还需考虑到工艺的合理性。一般来说，生产负荷直接关系到产品的产量，不宜经常变动。,物料流量物料入口温度蒸汽流量蒸汽温度搅拌器的速度,1.4.3控制阀开闭的选择,电动控制阀：电开，电闭气动控制阀：气开，气关气开：当输入压力增大，控制阀开度增大气关：当输入压力增大，控制阀开度减小,1.4.3控制阀开闭的选择原则,从生产安全出发当气源中断，或控制器出现故障无输出，或控制阀膜片破裂、漏气等无法正常工作时，阀心回复到无能源的初始状态（气开阀回复到全闭，气关阀回复到全开），应能确保生产设备的安全，不致发生事故。锅炉供水控制阀：为保证发生上述情况时不烧坏锅炉，控制阀应选气关阀。,1.4.3控制阀开闭的选择原则,从保证产品质量出发当控制阀处于无能源状态而回复到初始位置时，不应降低产品的质量。如：精馏塔回流量控制阀常采用气闭式，一旦发生事故，控制阀全开，使产品处于全回流状态，防止不合