过程自动检测与控制技术_CHAPT3_自动化装置

1、外部干预信息系统内作用信息系统提供信息生产过程生产过程系统信息处理 (控制)第三章 自动化装置自动化装置是自动控制系统中的核心控制装置，所有的控制策略都要通过自动化装置来实现。早期自动化装置是通过机械控制器对被控对象进行控制，例如蒸汽机革命时期的重锤式蒸汽机调速器，中国的指南车等。随着电子技术的发展，出现了电子式控制器，此时多是单变量控制器，即每个控制器只能处理一个变量。近年来，自动化装置向网络化，智能化发展，因此自动控制也向分布式多层方向发展。与管理学科的结合，使得管理与控制一体化得已实现。 第一节、基本控制规律 一、基本开关型控制规律 开关型控制规律在人们的日常生活中非常多，例如电熨斗温度

2、控制、电冰箱温度控制等。开关控制的控制规律可用下列公式表达： ssTTuuTTuuuminmaxTuTsumaxumin图31-1 开关控制规律图象一、开关型控制规律理想开关控制规律的图像，这种控制规律会造成控制阀频繁动作，因为温度偏离希望值一点点，都会导致阀门动作。实际开关控制规律是一带有控制误差带的开关控制规律，偏差上限为TsH，偏差下限为TsL，该控制规律可用公式表示： TuTsHumaxumin实际开关控制规律图象TsL111111222222sLsHTTuuTTuuuminmax一、开关型控制规律xxsHxmaxxmin图31-3开关控制规律下的被控参数过渡过程xsLuumaxumi

3、ntt二、时间比例型开关控制规律 这是一种改进型开关控制规律。下面图31-4是时间比例型开关控制规律的原理图。 e图31-4 时间比例型开关控制规律的原理图uumaxumintTT1T2T3T0二、时间比例型开关控制规律将控制器输出划分为一定长度的时间间隔T，在每个时间间隔内，开关输出接通的时间TON是不同的，开关占空比定义：开关占空比最小为0，即在每个时间周期内开关都处在断开状态；开关占空比最大为1，即在每个时间周期内开关都都处在接通状态。时间比例开关型控制规律是这样一种控制规律，既控制器输出占空比正比于被控参数偏离希望值的偏差大小。 ONTrT二、时间比例型开关控制规律220VAC设定温度

4、TCT图31-5 时间比例开关控制的加热罐二、时间比例型开关控制规律冷物料从上面流入加热罐，经过加热棒加热之后从下面流出。220VAC加热电压通过接触器接点向加热棒供电。当加热罐内物料温度等于设定温度时，接触器接点的接通时间一定，即开关占空比一定。当物料温度低于设定温度时，开关接通时间增加，加热时间延长；当物料温度高于设定温度时，开关接通时间减小，加热时间缩短。可用下列公式表示这种关系： 时间比例控制规律有一个可调整控制器参数Kp，这种控制规律控制下的被控变量，其控制质量要比基本开关控制规律好。 ONpTrK eT 三、比例控制规律 比例控制规律是工业过程控制中使用最多的控制规律，比例控制的英

5、文为Proportional Control，所以比例控制规律也叫做P控制规律。比例控制规律的表达式为：公式中u是控制器输出，Kp是比例控制器的比例放大倍数，xr是温度设定值， x是被控参数的测量值，e=xr-x是温度偏差。 ()pprpuKxxK eu 比例控制规律输入/输出曲线图e0比例放大倍数的定义是： maxminmaxminpuuuKxxx三、比例控制规律公式中u为放大器输出信号，x为变送器输入信号。当控制器的输入/输出为标准信号时，公式变为： 工程上常常采用比例度来表示比例放大倍数，比例度的定义为： puKxmaxminmaxmin100%xxxuuu当控制器的输入/输出为标准信号

6、时，公式变为： 1100%100%pxuK三、比例控制规律冷水热水蒸汽TTC温度给定图31-6 蒸汽加热水槽三、比例控制规律假定某一时刻冷水流量增加，加热槽内水温下降，控制器TC感受到这个变化之后，与温度给定比较，产生一个负偏差。控制器的输出使得蒸汽控制阀开大，流入蒸汽量增加，带入的热量增加，使得加热槽内的温度上升。温度降低的越多，偏离温度设定越多，控制器输出使得蒸汽控制阀开的越大。同样道理，冷水流量减小，加热槽内水温上升，控制器TC感受到这个变化之后，与温度给定比较，产生一个正偏差。控制器的输出使得蒸汽控制阀关小，流入蒸汽量减小，带入的热量减小，使得加热槽内的温度下降。 三、比例控制规律比例

7、控制规律是一个有余差控制规律，即用纯比例控制器构成控制系统对被控参数进行控制时，系统受到扰动，被控参数重新稳定之后，被控参数是不能回到原来的给定数值上。这是因为当系统受到扰动，被控对象的工作负荷发生改变，系统需要一个新的控制参数数值来维持这个新的工作负荷，而这个新的控制参数数值是要一定的偏差来维持的。假定系统稳定时的控制器输出为u0，则有： 当系统工作负荷发生改变，新的控制参数所需要的新控制器输出为u1，则有： 显然u0不等于u1。 00eKup11eKup四、积分控制规律 积分控制的英文为Integral Control，所以积分控制规律也叫做I控制规律。积分控制规律是一个与偏差存在时间有关

8、系的控制规律，积分控制其表达式为： edtTuii1u图31-8 积分控制规律输入/输出曲线图ett00t0t0四、积分控制规律当t=0时刻系统受到一个阶跃扰动，产生一个阶跃偏差，积分控制器的输出从t=0开始上升，其上升速度为1/Ti，当t=t0时系统的偏差消失，积分控制器的输出保持恒定不变。实际应用当中，很少用纯积分控制规律，一般是将积分控制规律与比例控制规律结合，形成比例积分控制器，即PI控制规律。比例积分控制规律的输入/输出关系为： edtTeKuuuipip1四、积分控制规律u比例积分控制规律输入/输出曲线图ett00t0t0t0时，系统没有扰动，比例控制器的输出恒定在某一数值上。当t

9、=0时刻系统受到一个阶跃扰动，产生一个阶跃偏差，比例部分的输出是Kpe，积分部分的输出从零开始开始上升，这两部分的叠加既是0t0部分的输出曲线。t= t0时偏差消失，比例部分的输出是Kpe=0，积分部分输出等于一个恒定数值，这两部分的叠加就是tt0部分曲线。 五、微分控制规律 微分控制的英文为Differential Control，所以微分控制规律也叫做D控制规律。下面是微分控制规律输入/输出曲线图。微分控制规律是一个与偏差变化率有关系的控制规律，微分控制其表达式为：DDdeuTdtu理想微分控制规律输入/输出曲线图ett00t0t0当t=0时刻系统受到一个阶跃扰动，产生一个阶跃偏差，微分控

10、制器的输出在t=0时刻有一个数值为无穷大的跳升。在0tt0间隔内，虽然系统偏差仍然存在，但偏差变化率为零，所以微分控制输出还是为零，当tt0时，系统的偏差变为一条斜线，其变化率为一定值，微分控制输出变为一个常数。 五、微分控制规律 由微分公式可知，尽管系统偏差数值比较小，但是如果其变化速度比较快，微分输出也会有很大变化。这对于某些生产过程是非常有意义的。例如间壁换热过程，载热体流量发生变化时，由于热量交换特性的关系，使得被加热物质温度有明显改变是要有一段时间的，但是，如果载热体流量变化比较大，尽管被加热物质温度变化不大，但是其变化速度可能会很快。微分控制作用正好可以克服这个问题，其作用是用比较

11、大的输出超前调整，这样就可以避免被加热物质温度有很大波动。实际应用当中，很少用纯微分控制规律，一般是将微分控制规律与比例控制规律结合，形成比例微分控制器，即PD控制规律。比例微分控制规律的输入/输出关系为： pDpDdeuuuK eTdt控制规律输入/输出关系特点基本开关控制没有可调整的控制器参数，被控参数控制质量不高，有持续振荡现象。时间比例开关控制有一个可调整控制器参数Kp，这种控制规律控制下的被控变量，其控制质量要比基本开关控制规律好。比例控制比例控制规律控制及时。有一个可调整控制器参数Kp。是一个有余差控制规律。比例积分控制有两个可调整控制器参数Kp和Ti。该控制规律组合可消除余差。比

12、例微分控制有两个可调整控制器参数Kp和TD。该控制规律组合可克服容量滞后，具有“超前”功能但不能消除余差。比例积分微分控制有三个可调整控制器参数Kp、Ti和TD。该控制规律组合可克服容量滞后，可消除余差。10sHsLuxxuuxxONpTrK eT 00eKup1piuK eedtTpDdeuK eTdt1pDideuK eedtTTdt第二节、自动控制器自动控制器大体上可分为两类，一类是单机控制器，这一类可单独使用，接收12信号。另一类是虚拟控制器。虚拟控制器是一段程序，是DCS、FCS、IPC等中虚拟控制器。单机控制器包括模拟型控制器与智能化控制器。模拟型控制器历史比较长，技术上也比较过时

13、了，但在一些中小项目中还被采用。智能化自动控制器，这一类控制器大多采用微处理器技术，采用数字化方式进行控制计算，也可连网进行数据通信。 一、模拟型控制器 虽然模拟型自动控制器技术上已经逐渐老化，因为其结构比较简单，作为自动控制器的“模型”，在介绍基本结构与基本功能方面，更适合于自动控制器概念描述。下面介绍一种采用运算放大器的模拟型自动控制器。DDZIII型单元组合仪表中的DTL3100控制器是一种电动仪表，采用国际电工委员会（IEC）推荐的标准信号，即420mADC或15VDC信号。其主要功能是接收来自变送器的测量信号，经过PID计算，送出信号到执行器。 一、模拟型控制器该型号控制器具有如下功

14、能：l采用运算放大器实现整机功能，输入对称性好，漂移小，稳定性高；l具有手动软手动自动功能；l采用全刻度指示；l可采用外给定和内给定方式；l具有无扰动切换功能；l手动软手动自动该型号控制器有三种工作方式，即手动方式、软手动方式和自动方式。l手动方式下，控制器的输出有手动操作杆决定输出信号的大小。拨动手 动操作杆，控制器的输出立即发生改变，相对于软手动方式下的输出，这种输出显得比较“硬”，所以这种方式也叫做硬手动。l软手动方式下，当拨动软手动输出扳键时，输出是按一定时间关系变化的。相对于手动方式下的输出，这种输出显得比较“软”，所以这种方式叫做软手动。l自动方式下，控制器的输出由测量与给定的偏差

15、决定输出的大小。偏差经过所选择的控制规律进行计算，然后送出控制器。 一、模拟型控制器一、模拟型控制器输入电路PD电路PI电路输出电路测量指示内给定电路给定指示软手动电路硬手动电路给定信号测量信号内外自动软手动硬手动图32-2 DTL3100控制器结构原理图二、智能化数字控制器 现代自动化仪表的智能化是指采用大规模集成电路技术、微处理器技术、接口通信技术，利用嵌入式软件协调内部操作，使仪表具有智能化处理功能，并使其功能进一步增强。这不但大大提升了仪表性能，而且便于信息沟通，还可通过网络组成新型的、开放式过程控制系统。YS170可编程型调节器是西安横河公司YS100系列中的控制器。该控制器具有用简

16、易语言的程序，利用这些程序可建立与仪表控制有关的模拟运算和顺序逻辑运算的功能，对丰富的运算函数进行自由组合。 二、智能化数字控制器二、智能化数字控制器v液晶显示屏YS170的画面、曲线、数据显示屏幕，不同工作模式有不同的显示画面；v故障灯仪表本身故障指示；v报警灯过程参数报警指示；vC方式键用于串级控制（Cascade Control）；vA方式键用于自动控制（Automation Control）；vM方式键用于手动控制（Manual Control）；vSV设定键用于调整给定值（SV：Setpoint Variable）；vPF键用户定义功能键；v图32-3 YS170可编程型调节器面板图

17、v增速、SHIFT键增速、换挡键；vPV过程变量，即来自测量变送单元的测量信号（Process Variable）vMV操纵信号，既控制器输出（Manipulation Variable）。三、一体化控制器三、控制器的选择 控制器选择主要考虑输入输出信号，是否需要通讯，是否有特殊控制算法要求，是否需要编程功能。如果需要复杂控制，则还需要考虑输入信号数量。早中小自控项目中，可选择一体化控制器。一体化控制器都制定特定的传感器，例如配接热电偶、热电阻等，可根据不同的需要选择配接不同传感器的控制器。对于单元组合式控制器，则要根据控制要求选择，例如自动控制的同时，需要向上位计算机通讯，则需要选择带有通讯

18、功能的控制器。 第三节、集散系统（DCS系统） 集散控制系统是是集中分散式控制系统的简称，是专门用于自动控制的计算机网络，一般由控制站、数据采集单元、操作员站、工程师站、通讯系统几大部分硬件组成，配上相应的软件就构成一个完整的控制系统。下面是集散控制系统组成示意图。横河公司CS3000浙江中控浙江中控 WebField JX-300XP 集散集散控制系统控制系统和利时公司DCS系统第三节、集散系统（DCS系统）操作员站工程师站网络扩展监控计算机接口通讯线路接口控制站过程数据采集单元变送器调节阀热电阻热电偶 集散控制系统组成示意图第三节、集散系统（DCS系统）1控制站（FCS：Field Con

19、trol Station） 控制站也叫做现场控制站，其主要功能是完成生产过程变量(包括连续变量和开关变量)的测量与控制、将测量变量上传给操作员站和工程师站、接收来自操作员站和工程师站的数据。控制站由模拟量输入卡、模拟量输出卡、开关量输入卡、开关量输出卡、计数脉冲(频率)输入卡(口)、通讯口、控制柜、电源部件等组成。其中模拟量输入卡、模拟量输出卡、开关量输入卡、开关量输出卡和计数脉冲(频率)输入卡(口)统称为过程I/O卡，若干块过程I/O卡插在一个控制站内的一个机箱内，有些DCS系统厂家将其称之为一个控制文件夹(Control File)。各个厂家的不同型号的DSC系统控制站的控制文件夹数量和每

20、个控制文件夹内的过程I/O卡数量各不相同。 第三节、集散系统（DCS系统）2 操作员站（OS：Operator Station）操作员站是生产操作人员对生产过程进行监视、操作的设备。操作员站一般由19”CRT(Cathode-Ray Tube)、键盘、鼠标或球标、硬盘、光盘、移动存储等组成。此外还应当外连报表打印机和报警打印机，如果需要可外接彩色拷贝机或激光打印机。有些是专用操作员站，有些则是通用个人计算机做操作员站。操作员站上CRT的作用是向工艺操作人员显示过程信息，过程信息显示包括动态工艺流程图(全图及局部图)、过程变量监控数据表、过程变量分组显示画面、过程变量详细显示画面、过程变量的趋势

21、显示、过程变量各类报表、报警状态过程变量表等内容。 第三节、集散系统（DCS系统）3工程师站（ES：Engineering Station）工程师站是系统维护工程师的一个人机界面。系统工程师可在工程师站上可进行系统生成、系统组态、参数修改、软件装入、数据卸出等操作。工程师站的组成与操作员站相似，也是由CRT、键盘、鼠标或球标、硬盘、光盘、移动存储、打印机组成。一般来说在工程师站上可以完成操作工作站上的大部份操作，而有些操作则必须在工程师工作站上完成。DCS系统的操作是按操作级别来控制的，不同的操作级别有不同的操作密码，一般来说操作工作站上的操作级别较低，工程师工作站上的操作级别较高。 第三节、

22、集散系统（DCS系统）4通讯系统通讯系统是数字控制系统的信息传送通道，是构成整个系统骨架。通讯系统由各种通讯卡和电缆构成。通讯卡将发送缓冲区内一个信息单位加上一些附加信息(数据包头信息、纠错信息、以及一些节点信息等)构成一个数据包，将该数据包的内容发送出去，接收信息时，通讯卡将按位接收到的信息存放在一个接收缓冲区内，然后将数据包拆包(去调附加信息)，然后由处理器读取接收到的数据。将数据添加上附加信息的过程称之为数据打包，去掉附加信息获得数据的过程称之为数据拆包。数据打包拆包是按一定的方式进行的，这个方式即为通讯协议。只有采用相同的通讯协议的设备之间才能进行数据通讯。 第四节、可编程控制器（PLC） 可编程控制器（PLC：Programmable Logic Controller），全称可编程序逻辑控制器。早期可编程控制器是是在工业自动化、电气自动化领域中，取代继电器接触器进行开关量处理的系统，所以叫做逻辑控制器，现在的PLC已经具有良好的模拟量处理功能，因此，准确的名字应当是可编程控制器（PC： Programmable Controller），但是因为历史原因，加之行业称呼习惯，所以其名字一直延续下来叫做PLC。此外，可编程控制器（PC： Programmab