《热工自动化基础》课件

热工自动化基础本课程将深入探讨热工自动化的基本原理、核心技术和应用实例。课程导引课程目标掌握热工自动化系统的基础知识，了解其在工业生产中的应用。学习内容从热工自动化系统的概述到具体的应用案例，涵盖了从原理到实践的各个方面。学习方法理论学习与实践结合，通过课堂讲解、案例分析、实验操作等方式提升学习效果。热工自动化系统概述热工自动化系统是指利用自动控制技术实现对工业生产过程中热工参数的自动控制、调节和优化，以提高生产效率、节约能源、保证产品质量和安全生产。热工自动化系统通常包括温度、压力、流量、液位等参数的测量、控制、调节和显示等功能，并通过计算机控制系统进行集中管理和监控。热工自动化系统的构成控制系统控制系统是热工自动化系统的核心，负责对工艺过程进行监测和控制。测量系统测量系统负责采集工艺过程的各种参数，例如温度、压力、流量等。执行系统执行系统根据控制系统的指令，对工艺过程进行调节，例如改变阀门开度、调节电机转速等。热工工艺过程的特点1连续性热工过程通常是连续的，意味着生产过程是持续的，没有明显的停顿。2动态性热工过程受到多种因素的影响，包括温度、压力、流量等，这些因素会随时间而变化，导致过程的动态变化。3复杂性热工过程涉及多个变量，例如温度、压力、流量、浓度、液位等，它们之间存在着复杂的相互影响。热工过程测量技术温度测量温度是热工过程最重要的参数之一，准确测量温度对于控制过程至关重要。压力测量压力测量可以反映过程中的流体压力变化，影响反应速率、设备安全等。流量测量流量测量可以监测物料的流速，用于控制进料量、产出量等。液位测量液位测量可以监测容器中的液位高度，用于控制进料量、排放量等。温度测量技术热电偶热电偶是根据两种不同金属导体接触点间的温差产生热电势的原理进行测量的。热电偶的测量范围广、响应速度快、成本低，广泛应用于工业过程控制中。热电阻热电阻是根据金属电阻随温度变化的原理进行测量的。热电阻具有精度高、稳定性好、线性度好等优点，适用于高精度测量。铂电阻铂电阻是使用铂金属作为敏感元件的热电阻，其精度高、稳定性好，被广泛应用于温度计量标准和科学研究等领域。压力测量技术压力传感器压力传感器是将压力信号转换为电信号的装置，广泛应用于工业自动化领域。测量范围压力测量技术的测量范围涵盖从低真空到高压，满足不同工业场景的需求。精度与稳定性压力测量技术的精度与稳定性是保证系统正常运行的关键因素。流量测量技术容积式流量计通过测量一定时间内流过计量装置的流体体积来确定流量，例如转子流量计、活塞流量计、齿轮流量计等。速度式流量计通过测量流体在管道中的流速来确定流量，例如涡轮流量计、文丘里流量计、涡街流量计等。质量式流量计通过测量一定时间内流过计量装置的流体质量来确定流量，例如科里奥利流量计、热式质量流量计等。水位测量技术液位计液位计用于测量液体的高度，常见类型包括浮子液位计、磁性液位计、电容式液位计等。压力传感器压力传感器可通过测量液体静压间接测量水位，适用于封闭容器。超声波传感器超声波传感器利用声波的传播时间来测量水位，适合于开放式水体。执行机构执行机构是热工自动化系统中接受控制信号，并驱动被控对象改变状态的装置，它将控制信号转换为实际的物理动作，使系统按照预期目标运行。例如，在锅炉温度控制系统中，执行机构可以是控制阀门，通过调节阀门的开度来控制燃气流量，从而改变锅炉的温度。电动执行机构结构电动执行机构主要由电机、减速器、执行机构和控制部分组成。它们通过电机旋转驱动减速器，进而带动执行机构工作。控制方式电动执行机构可以采用各种控制方式，如手动控制、自动控制、远程控制等。应用场景电动执行机构广泛应用于工业自动化系统，如阀门控制、风机控制、泵控制等。气动执行机构气动执行机构以压缩空气为动力源，通过气缸的活塞运动来完成执行动作。气动执行机构结构简单，可靠性高，维护方便，广泛应用于工业自动化领域。气动执行机构适用于易燃易爆、有腐蚀性或高温等特殊环境，同时也能满足高精度控制要求。信号传输与转换1信号类型模拟量信号、数字量信号2传输方式有线、无线3信号转换模拟量到数字量、数字量到模拟量信号传输方式有线传输传统方式，可靠性高，抗干扰性强，应用广泛。无线传输灵活方便，适用于距离较远、环境复杂的场合，如无线网络。光纤传输抗干扰能力强，传输速率快，应用于高速数据传输和远距离传输。模拟量信号转换模拟量信号连续变化的物理量，例如温度、压力、流量等。转换原理将模拟量信号转换为数字量信号，以便计算机处理。常见方法模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)。数字量信号转换1开关量信号转换将开关量信号转换为数字量信号，例如将机械开关的开闭状态转换为0或1的数字信号。2脉冲信号转换将脉冲信号转换为数字量信号，例如将转速传感器产生的脉冲信号转换为数字频率信号。3BCD码转换将BCD码信号转换为数字量信号，例如将温度传感器输出的BCD码信号转换为十进制的温度值。现场总线技术高带宽现场总线技术支持高带宽数据传输，可以满足现代工业控制系统对实时性和可靠性的要求。数字化现场总线技术采用数字信号传输，可以提高信号传输的精度和抗干扰能力，并实现数据共享和集中管理。智能化现场总线技术集成了智能功能，可以实现设备自诊断、自配置和远程控制，提高系统的可靠性和维护效率。现场总线系统组成现场设备传感器、执行器、变送器等现场总线控制器负责数据采集、控制和通信现场总线网络连接现场设备和控制器，传输数据常见的现场总线协议PROFIBUS广泛应用于工业自动化领域，具有可靠性高、易于安装等特点。PROFINET基于以太网技术，支持多种通信协议，适用于复杂网络环境。MODBUS应用于数据采集和控制系统，具有简单易用、成本低等特点。热工自动化系统的控制策略PID控制PID控制是一种广泛应用于工业过程控制的反馈控制策略，通过调节比例、积分和微分参数来实现对过程变量的精确控制。模型预测控制模型预测控制通过建立过程模型，预测未来过程行为，并优化控制信号，以实现更好的控制性能。模糊控制模糊控制利用模糊逻辑和规则，将人类专家经验融入控制系统，适用于处理非线性、不确定性较大的过程。PID控制策略比例控制比例控制根據偏差的大小調整輸出，偏差越大，輸出越大。比例控制可以快速響應偏差，但不能消除靜態誤差。積分控制積分控制根據偏差累積調整輸出，可以消除靜態誤差，但響應速度較慢。微分控制微分控制根據偏差變化率調整輸出，可以預測偏差變化趨勢，加快響應速度。其他先进控制策略模型预测控制(MPC)MPC通过预测系统未来状态，优化控制变量，实现对过程的有效控制。自适应控制自适应控制能够根据系统参数的变化自动调整控制参数，提高控制效果。模糊控制模糊控制利用模糊逻辑处理不确定性信息，能够实现更加灵活的控制策略。DCS系统DCS系统（DistributedControlSystem，分布式控制系统）是现代工业自动化领域中应用广泛的控制系统，它采用分布式结构，将控制功能分散到多个子系统，实现对复杂工业过程的实时控制和管理。DCS系统的构成控制站负责控制、监视和管理整个系统。连接控制站、操作站和现场设备。提供数据显示、趋势分析和报警管理等功能。收集现场的温度、压力、流量等数据。DCS系统的特点集中控制，提高效率可扩展性强，便于维护可靠性高，安全性好PLC系统可编程逻辑控制器（PLC）是一种专门为工业控制应用而设计的数字电子设备。它是一种数字计算机，专门用于控制工业过程，如机器、生产线和工厂。PLC通常具有以下特点：坚固耐用，适合恶劣的工业环境。易于编程，使用梯形图等直观的编程语言。灵活可扩展，可根据需要添加输入/输出模块。PLC系统的构成中央处理单元(CPU)CPU是PLC的核心，负责执行控制程序，处理输入/输出信号，以及与其他设备通信。内存PLC的内存用于存储控制程序、输入/输出数据、系统参数等。输入/输出模块输入模块接收来自现场传感器的信号，输出模块则向执行机构发送控制信号。通信接口PLC通过通信接口与其他设备连接，例如人机界面(HMI)、上位机等。PLC系统的特点可靠性高PLC采用工业级元器件，具有很高的抗干扰能力和可靠性，能够在恶劣的工业环境中长期稳定运行。可编程性强PLC可以根据不同的工艺要求进行编程，实现各种控制功能，满足各种自动化生产的需要。易于维护PLC的结构简单，编程语言直观易懂，维护人员可以方便地进行故障诊断和维修。成本低廉与传统的继电器控制系统相比，PLC的成本更低，而且可以减少人工成本，提高生产效率。热工自动化系统的维护定期检查定期检查系统运行状态，及时发现潜在问题记录维护详细记录维护内容，方便后续分析故障排除快速诊断故障，并采取有效措施进行修复系统故障诊断1症状分析首先，要分析故障的具体症状，包括系统运行状态、报警信息、仪表读数等。2原因排查根据故障症