自控系统和仪表培训课件

自控系统和仪表培训课件第一章自控系统基础概念自动控制系统的定义与组成控制系统的基本结构由被控对象、传感器、控制器和执行机构四大核心部分组成,形成完整的控制闭环控制系统的分类根据控制方式分为开环控制系统(无反馈)和闭环控制系统(有反馈),各有应用场景控制系统的目标追求三大核心指标:稳定性保证系统可靠运行、准确性确保控制精度、响应速度满足实时性要求控制系统中的变量与信号核心变量类型被控变量:需要控制的工艺参数,如温度、压力、流量等操纵变量:用于调节被控变量的参数,如阀门开度、加热功率扰动变量:外部干扰因素,影响被控变量的稳定性信号分类模拟信号:连续变化的电压或电流信号(如4-20mA)数字信号:离散的二进制信号,用于开关量控制和数字通信传感器与执行器的作用典型自动控制系统框图传感器检测测量被控变量的实际值控制器运算计算偏差并输出控制信号执行器动作调节操纵变量改变工艺状态反馈闭环形成持续监测与调节循环仪表与控制系统中的符号与标志在自控系统设计与维护中,标准化的仪表符号和功能标志是工程师之间沟通的通用语言。掌握这些符号规范对于阅读工艺流程图、理解控制逻辑至关重要。仪表功能标志采用标准英文缩写表示,如PT(压力变送器)、FT(流量变送器)、LT(液位变送器)、TT(温度变送器)等仪表位号规则由功能字母+数字编号组成,数字通常表示控制回路或测量点编号,确保每个仪表具有唯一标识常用仪表符号常见仪表功能字母代号详解01首位字母表示被测变量P-压力(Pressure)、F-流量(Flow)、L-液位(Level)、T-温度(Temperature)、A-分析(Analysis)02后继字母表示功能类型T-变送器(Transmitter)、C-调节器(Controller)、A-报警(Alarm)、I-指示(Indicator)、R-记录(Recorder)03组合实例解析PT101:压力变送器,回路编号101FIC117:流量指示控制器,回路编号117TICA205:温度指示控制报警器,回路编号205第二章典型自控系统与仪表应用本章将深入探讨工业自动化中最重要的控制算法——PID控制,以及工程图纸的绘制规范。从理论到实践,从符号到应用,全面提升您的工程能力。PID控制作为经典控制算法,在90%以上的工业控制系统中得到应用,其重要性不言而喻。PID控制原理简介PID控制的三大作用比例控制(P)根据偏差大小成比例输出控制量,响应快但存在稳态误差积分控制(I)累积历史偏差,消除稳态误差,但可能引起超调微分控制(D)根据偏差变化率预测趋势,改善动态性能,抑制超调PID控制器的核心价值PID控制器通过调节三个参数(比例系数Kp、积分时间Ti、微分时间Td),能够适应不同的控制对象和工艺要求,实现稳定、快速、准确的自动控制。在工业自动化领域,从简单的温度控制到复杂的化工过程控制,PID算法凭借其结构简单、鲁棒性强、调节方便等优点,成为应用最广泛的控制算法。PID控制器的调节方法1比例控制(P)的特点优点:响应速度快,结构简单,稳定性好缺点:存在稳态误差,比例系数过大易引起震荡2PI控制的积分作用通过积分环节累积偏差,持续调节直至偏差为零,完全消除稳态误差。适用于对稳态精度要求高但动态性能要求不高的场合,如液位控制、温度控制等。3PD控制的微分作用微分环节能够预测偏差变化趋势,提前采取控制动作,显著改善系统的动态性能,减小超调量,缩短调节时间。适用于被控对象时间常数较大的系统。4PID综合调节实例在反应釜温度控制中,P控制提供主要控制作用,I控制消除温度偏差,D控制抑制温度波动,三者协同作用实现精确温度控制,温度波动控制在±0.5℃以内。PID控制器结构示意图上图展示了PID控制器的完整结构。输入信号(设定值与实际值的偏差)分别进入比例、积分、微分三个运算环节,三路信号经过加权求和后输出控制信号至执行器。比例环节提供即时响应,控制作用强度与偏差成正比积分环节消除余差,确保控制精度微分环节超前控制,改善动态品质求和输出综合三种控制作用工艺流程图与P&ID图的区别与联系工艺流程图(PFD)侧重表达工艺过程和物料流向包含主要设备和工艺参数简化表示,突出工艺逻辑常用于方案设计和技术交流管道与仪表流程图(P&ID)详细标注所有管道、阀门和仪表包含仪表位号和控制回路信息精确表达,满足施工和调试需求是工程设计和运维的核心文件PFD和P&ID是工艺设计中两类重要图纸。PFD侧重宏观工艺流程,P&ID则提供详细工程信息。两者相辅相成,共同构成完整的工程设计文档体系。带控制点的工艺流程图绘制要点1表示全部工艺设备及其编号包括反应器、塔器、换热器、泵、压缩机等所有主要和辅助设备,并按照编号规则统一编号,如R-101(反应器)、E-102(换热器)、P-103(泵)等。2标明物料流向及控制点用箭头清晰表示物料流动方向,标注主要物料名称、流量、温度、压力等关键参数。在需要自动控制的位置标注控制点,用仪表符号表示测量和控制功能。3仪表与控制回路的标注规范采用标准仪表符号和位号,明确指示仪表的安装位置(现场/控制室)。控制回路用虚线或实线连接,显示信号流向。对关键控制点应标注控制目标和主要参数范围。绘制建议:遵循从左到右、从上到下的流程布局原则,保持图面整洁,避免信号线交叉。合理使用图例和注释,提高图纸可读性。典型仪表安装位置与信号线符号现场安装仪表直接安装在工艺管道或设备上,如压力表、温度计、流量计等,符号为圆圈控制室安装仪表集中安装在控制室操作盘上,便于监控和操作,符号为圆圈内加横线就地盘装仪表安装在现场就地操作盘上,方便现场操作人员监控,符号为方框信号线类型标识气动信号用虚线表示,压力范围通常为20-100kPa或0.02-0.1MPa电动信号用实线表示,标准信号为4-20mA或0-10V数字信号用双线表示,包括总线通信信号如HART、Profibus等常用阀门及执行机构符号常用阀门类型截止阀:用于流量调节,密封性好球阀:开关迅速,流阻小蝶阀:结构紧凑,适合大口径闸阀:全开时流阻最小,适合开关控制执行机构类型气动薄膜:结构简单,安全可靠,应用最广电动执行器:控制精度高,适合大口径阀门电磁阀:响应速度快,用于开关控制液压执行器:推力大,用于重型阀门阀门定位器作用接收控制器信号,精确控制阀门开度,克服摩擦力和介质压力变化的影响,提高控制精度和响应速度。常用于重要的调节阀门。第三章自控系统设计与校正控制系统的性能优化是自动化工程的核心任务。本章将介绍如何评价控制系统的性能,如何通过校正方法改善系统特性,以及如何在实际工程中应用这些技术。无论是新系统设计还是既有系统改造,掌握系统校正技术都至关重要。控制系统的性能指标稳态误差系统稳定后实际值与设定值的偏差,反映控制精度。理想情况下应为零或在允许范围内。超调量响应过程中超过设定值的最大偏差占设定值的百分比,反映系统的平稳性。一般要求小于25%。调节时间从扰动开始到系统重新稳定在允许误差范围内所需时间,反映响应速度。时间越短,系统越灵敏。相位裕度系统稳定性的量化指标,通常要求大于30度以确保系统有足够的稳定裕量,避免临界震荡。性能指标的工程意义不同应用场合对性能指标的要求不同:温度控制:强调稳态精度,允许较长调节时间流量控制:要求快速响应,允许小幅震荡压力控制:强调稳定性,避免超调液位控制:性能要求相对宽松,注重经济性控制系统的校正方法串联校正在控制器与被控对象之间串联校正装置,改善系统频率特性反馈校正引入局部反馈回路,改变系统结构,提高稳定性前馈校正检测扰动并提前采取控制动作,减小扰动影响复合校正同时采用前馈和反馈控制,发挥各自优势,实现最佳控制效果校正装置的安装位置直接影响校正效果。串联校正简单易行但可能引入新的不稳定因素;反馈校正能显著改善局部特性;前馈校正需要精确的扰动模型;复合校正综合效果最好但系统复杂度较高。工程中应根据具体情况和经济性要求选择合适的校正方案。PID控制器的校正实例确定初始参数根据经验公式或临界比例法确定PID初始参数,作为调节起点调整比例系数Kp逐步增大Kp,观察响应速度和稳定性,在快速性和稳定性之间找到平衡点引入积分作用适当减小积分时间Ti,消除稳态误差,注意避免积分饱和和过度超调加入微分控制调节微分时间Td,抑制超调,改善动态性能,但要防止放大高频噪声综合优化调整在实际工况下反复测试,微调三个参数,直至达到满意的控制效果调节口诀:参数整定找最佳,从大到小顺序查。先比例,后积分,最后再把微分加。曲线振荡很频繁,比例度盘要放大。曲线漂浮绕大弯,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。控制系统校正前后响应曲线对比校正前系统响应上升时间较长,响应迟缓超调量大,约40%,系统振荡明显调节时间长,需要30秒以上才能稳定稳态误差较大,约5%抗扰动能力差,容易受干扰影响校正后系统响应上升时间缩短50%,响应迅速超调量降低至15%以内,平稳性好调节时间缩短至10秒左右稳态误差小于1%,控制精度高抗扰动能力强,快速恢复稳定通过合理的PID参数调节和系统校正,控制系统的各项性能指标得到显著改善。这一对比充分说明了系统校正在工程实践中的重要价值。自控系统中的干扰与补偿负荷变化生产负荷波动引起的扰动环境温度外界温度变化影响工艺参数能源波动蒸汽、电力等能源供应不稳定原料质量进料成分和性质的变化设备老化设备磨损导致特性变化干扰补偿技术前馈补偿通过测量扰动变量,提前计算并施加补偿控制,在扰动影响被控变量之前就采取措施。优点是补偿及时,缺点是需要精确的数学模型和扰动测量。反馈控制结合前馈控制消除可测扰动的主要影响,反馈控制补偿不可测扰动和模型误差。两者结合,既保证快速响应,又确保最终精度,是工业控制的最优方案。仪表系统的维护与故障诊断常见仪表故障类型零点漂移:仪表示值偏离真实值,需要重新校零量程偏差:测量范围内线性度变差,需要校准信号中断:传输线路故障或电源问题传感器失效:敏感元件损坏或老化执行器卡涩:阀门或执行机构机械故障仪表维护流程定期巡检,记录仪表运行状态按计划进行校验,确保测量精度清洁传感器和执行机构,防止污染检查信号线路,确保连接可靠建立设备档案,记录维护历史故障诊断案例分享案例:某温度控制系统出现振荡。经检查发现热电偶与变送器接线端子接触不良,导致测量信号不稳定。清理端子并紧固接线后,系统恢复正常。启示:看似复杂的控制问题,往往根源在简单的硬件故障。典型工业自控系统案例分析通过实际工程案例的学习,能够加深对自控系统设计原理和实施方法的理解。以下三个案例涵盖了流量、温度等典型控制对象,具有很强的代表性和实用价值。制药厂污水处理流量控制采用电磁流量计测量污水流量,通过调节阀控制流量恒定,确保后续处理工艺稳定运行。系统包含流量变送器FT-201、流量指示控制器FIC-201和气动调节阀FV-201。热工炉温自动控制系统利用热电偶测量炉温,PID控制器根据温度偏差调节燃料供应量,实现精确温控。系统采用智能温控仪表,具有自整定功能,调试便捷,控制精度达±3℃。反应釜温度控制系统夹套蒸汽加热配合冷却水降温,双向调节反应温度。温度控制器输出分程控制两个阀门,根据偏差方向选择加热或冷却,实现快速准确的温度调节。案例详解:制药厂污水处理流量控制系统组成FT-201:电磁流量变送器,测量流量并转换为4-20mA信号FIC-201:流量指示控制器,显示流量并输出控制信号FV-201:气动调节阀,根据控制信号调节阀门开度控制流程流量测量电磁流量计实时检测污水流量信号传输变送器输出标准4-20mA信号至控制器PID运算控制器比较设定值与实际值,计算控制输出阀门调节气动调节阀执行控制指令,改变流量运行效果:系统投运后,污水流量稳定在设定值±2%范围内,满足后续生化处理要求。优化建议:增加流量累积功能,便于统计分析;定期清洗流量计电极,确保测量精度。案例详解:热工炉温控制系统1温度检测K型热电偶安装在炉膛内,测温范围0-1200℃,将温度转换为毫伏信号2信号处理温度变送器将热电偶信号放大转换为4-20mA标准信号,便于远传3控制运算智能温控仪接收温度信号,采用自适应PID算法计算控制输出4执行调节电动调节阀根据控制信号调节燃气流量,改变加热功率系统特点与干扰因素控制特点采用智能温控仪,自整定功能简化调试PID参数自动优化,适应工况变化温度控制精度高,波动小于±3℃具有超温报警和联锁保护功能主要扰动燃气压力波动影响燃烧稳定性进料温度和流量变化炉膛保温性能随时间退化环境温度变化的影响通过前馈-反馈复合控制,可有效抑制扰动影响。仪表图绘制实操技巧01遵循绘图规范严格按照国家标准GB/T和行业标准绘制,确保符号统一、标注清晰。图纸应包含标题栏、图例、说明等必要元素,满足设计和施工要求。02合理布局图面遵循从左到右、从上到下的流程布局原则。设备和仪表分布均匀,避免局部过于密集或空旷。预留适当空间用于标注和修改。03信号线清晰明确不同类型信号线使用不同线型区分(实线、虚线、双线)。尽量减少信号线交叉,必要时用跨接符号表示。标注信号方向和类型。04完善图纸说明图例清晰列出所有使用的符号及其含义。注释说明特殊要求和注意事项。标注仪表参数、安装要求等关键信息。常用绘图软件AutoCAD工程制图标准软件,功能强大,精度高Visio流程图专业软件,操作简便,模板丰富SmartDraw智能绘图工具,自动对齐布局,效率高仪表系统图示例上图展示了一个典型的仪表系统配置。图中包含了温度、压力、流量、液位等多种测量仪表,以及相应的控制器和执行器。信号线清晰标注了测量信号和控制信号的流向。1测量回路传感器(TT、PT、FT、LT)将工艺参数转换为电信号,通过变送器传输至控制系统2控制回路控制器(TIC、PIC、FIC、LIC)接收测量信号,经PID运算后输出控制信号3执行回路调节阀(TV、PV、FV、LV)接收控制信号,调节阀门开度,实现自动控制4保护回路报警器和联锁装置监测异常状态,在超限时发出报警或自动切断,保障安全自控系统未来发展趋势智能仪表与数字化控制新一代智能仪表集成传感、计算、通信功能,具备自诊断、自校准能力。数字化控制系统采用现场总线技术,实现分散控制、集中管理,提高系统可靠性和灵活性。物联网在自控系统中的应用通过物联网技术,实现设备互联互通和数据云端共享。远程监控、移动运维成为现实。大数据分析挖掘生产规律,优化控制策略,提升整体效率。人工智能辅助控制与预测维护机器学习算法用于参数自整定和故障预测。AI系统分析历史数据,提前预警设备异常,实现预测性维护,从"被动维修"转向"主动预防",大幅降低停机损失。展望:随着工业4.0和智能制造的推进,自控系统