智能控制技术（微课版）课件 2.5过程控制

2.5 过程控制服务教育成就未来北京新大陆时代教育科技有限公司过程控制是智能控制系统中不可或缺的一部分。智能控制系统通过监测、控制和优化生产过程中的各个参数和环节，以确保产品质量、产量和生产设备的正常运行。而过程控制作为智能控制系统的基础，为智能控制系统提供了必要的数据和信息，帮助智能控制系统更好地理解和控制生产过程。2.5过程控制2.5.1过程设备测试技术2.5.2过程控制装置2.5.3典型过程控制系统应用2.5过程控制1、定义过程控制是指利用计算机和自动化技术，对工业生产过程中的各个环节进行实时监测和调节，以实现对温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数的自动控制。2.5.1过程设备测试技术1、定义通过采集和分析实时数据，并根据预设的控制策略进行计算和决策，控制系统可以自动地对控制对象进行调节和控制，以达到最佳的生产效果。2.5.1过程设备测试技术2、目标过程控制的目标是实现生产过程的稳定性、高效性和可靠性。通过自动控制和调节，可以减少人为操作的干预，提高生产过程的精确度和一致性，降低人为错误的发生概率。2.5.1过程设备测试技术2、目标同时，过程控制还可以实现对生产过程的实时监测和预警，及时发现和解决潜在的问题，提高生产过程的安全性和可靠性。2.5.1过程设备测试技术3、应用过程控制技术的应用范围广泛，涉及各个行业的生产过程，如化工、石油、电力、制造等。通过合理的过程控制，可以实现生产过程的自动化和智能化，提高生产效率和产品质量，降低生产成本和能源消耗。2.5.1过程设备测试技术3、应用同时，过程控制还可以提供数据分析和决策支持，帮助企业进行生产优化和管理决策。2.5.1过程设备测试技术4、隐患过程设备一般指在流程性加工行业中使用的压力容器（包括储存设备、换热设备、反应设备、分离设备）以及将这些容器相互连接的工艺管道系统。2.5.1过程设备测试技术4、隐患压力容器、压力管道、锅炉和气瓶设备均属于承压设备，这些设备通常在承受压力或负压、高温或低温的条件下工作，内部物质多为易燃、易爆、有毒或腐蚀性，并且需要在长时间内持续运行。2.5.1过程设备测试技术4、隐患如果存在未被发现的缺陷或隐患，可能会引发压力容器的泄漏、破裂甚至爆炸等恶性事故，造成极大的灾难和损失。所以，全球各地的政府都将承压设备包含在安全监察的范围内。2.5.1过程设备测试技术5、过程设备测试过程设备测试是根据国家颁布的相关法规、规范和标准，对设备及管道的结构合理性、受压元件的强度、制造和安装的质量优劣、内部和外部存在的缺陷以及安全附件的准确可靠程度进行检测和评估，并作出具有证明效力的结论。2.5.1过程设备测试技术5、过程设备测试需要强调的是，过程设备的质量与安全是一个错综复杂的系统工程，涉及许多工程学科和社会力量。2.5.1过程设备测试技术5、过程设备测试设备在其整个生命周期中，从选址到设计、从加工到安装、从投产到运行维护直至最终报废，质量和安全应始终是核心概念。2.5.1过程设备测试技术5、过程设备测试这些概念应贯穿于设备生命周期的各个阶段和环节，并渗透到人员素质、劳动纪律、作业规程等各个方面。2.5.1过程设备测试技术2.5.1过程设备测试技术设备质量安全保障体系5、过程设备测试过程设备测试技术是指对工业生产过程中的设备进行测试和评估的技术方法。这些设备包括各种生产设备、仪器仪表、控制系统等。通过对这些设备进行测试，可以确保其正常运行，提高生产效率，减少故障和停机时间。2.5.1过程设备测试技术5、过程设备测试过程设备测试技术的应用范围广泛，涉及各个行业的生产过程。通过合理的测试和评估，可以提高设备的可靠性和安全性，减少故障和停机时间，提高生产效率和产品质量。2.5.1过程设备测试技术5、过程设备测试常见的过程设备测试技术包括功能测试、性能测试、可靠性测试、安全测试、校准测试等方面。2.5.1过程设备测试技术5、过程设备测试功能测试：对设备的各项功能进行测试，确保其能够正常工作。这包括对设备的开关、控制、传感器等功能进行测试。2.5.1过程设备测试技术5、过程设备测试性能测试：对设备的性能进行测试，包括设备的输出能力、响应时间、精度等指标的测试。通过性能测试，可以评估设备的工作效率和准确性。2.5.1过程设备测试技术5、过程设备测试可靠性测试：对设备的可靠性进行测试，包括设备的寿命、故障率等指标的测试。通过可靠性测试，可以评估设备的使用寿命和故障概率，从而制定相应的维护计划。2.5.1过程设备测试技术5、过程设备测试安全测试：对设备的安全性进行测试，包括设备的防护措施、安全开关等的测试。通过安全测试，可以确保设备在工作过程中不会对人员和环境造成危害。2.5.1过程设备测试技术5、过程设备测试校准测试：对设备的测量和控制系统进行校准，确保其准确性和稳定性。校准测试可以通过与标准设备进行比较，或者使用校准仪器进行测试。2.5.1过程设备测试技术5、过程设备测试功能测试：对设备的各项功能进行测试，确保其能够正常工作。这包括对设备的开关、控制、传感器等功能进行测试。2.5.1过程设备测试技术2.5.1过程设备测试技术2.5.2过程控制装置2.5.3典型过程控制系统应用2.5过程控制1、定义过程控制装置是一种用于监测和控制工业过程的设备，可通过测量和调节温度、压力、流量、液位等参数来确保工业过程的稳定运行。2.5.2过程控制装置2、作用过程控制装置的作用是确保工业过程的稳定运行，提高生产效率，降低能耗和资源消耗，并确保产品质量符合要求。过程控制装置在许多行业中都得到广泛应用，例如化工、石油、电力、制造业等。2.5.2过程控制装置3、组成过程控制装置通常由传感器、执行器、控制器和人机界面组成。2.5.2过程控制装置传感器传感器是检测系统的关键组成部分，它以一定的精确度将所测量的量转换成与之有明确对应关系的、易于处理的某种量值的测量设备。2.5.2过程控制装置传感器传感器的作用是接收并感知被测信息，并将其传输出去。2.5.2过程控制装置无线高精度压力传感器敏感元件敏感元件是一种能够敏锐地感应并响应被测量量的元件，例如金属或半导体应变片可以感受压力并产生形变，其形变程度对应压力的大小；铂电阻则可以感应温度的变化并改变其阻值，阻值的变化反映了温度的升降。2.5.2过程控制装置转换元件转换元件的功能是将敏感元件输出的非电量信号转化为电信号。2.5.2过程控制装置光电转换元件转换电路转换电路的功能是对转换元件输出的电信号进行调理，使其能够进行显示、处理和传输。常见的转换电路包括电桥、放大器、滤波器和调制解调电路等。2.5.2过程控制装置传感器种类十分繁多，可以从不同角度对其进行分类。根据传感器的工作机制，可分为物理型、化学型、生物型等。根据传感器的构成原理，可分为结构型与物理型。根据传感器将输入能量转换为输出能量的方式，可以分为能量控制型传感器和能量转换型传感器。2.5.2过程控制装置2.5.2过程控制装置传感器分类：结构型传感器主要是通过机械结构的几何形状或尺寸的变化，将外部被测参数转换成相应的电量（如电阻、电感、电容等）的变化，从而检测出被测信号。例如，应变式压力传感器和电容式压力传感器等。2.5.2过程控制装置应变式压力传感器电容式压力传感器物理型传感器是利用某些材料本身的物理性质变化来实现测量，它采用半导体、电介质等作为敏感材料。这类传感器对压力、温度、电场、磁场等具有一定的依赖性，但可以通过转换将这些物理量转化为电信号进行测量。例如，压电式压力传感器和半导体压阻式压力传感器等。2.5.2过程控制装置2.5.2过程控制装置半导体压阻式压力传感器压电式压力传感器执行器执行器在自动化系统中的作用至关重要，它们接受来自控制器的指令，并将其转化为实际行动，以调节过程中的各种参数。例如，阀门执行器可能被用于控制流体或气体的流量，而加热器执行器则可能被用于调节设备的温度。2.5.2过程控制装置执行器在一个复杂的自动化系统中，控制器负责监控整个过程并发送适当的指令。这些指令可以是电信号、气信号或其他形式的信号，具体取决于所使用的执行器的类型。执行器接收到这些信号后，将其转化为物理动作，如开合阀门、调节阀瓣的位置，或者改变加热器的功率输出。2.5.2过程控制装置执行器对于阀门执行器来说，根据控制器的指令，它们可以调节阀门的开启程度，从而控制流经管道的流体数量。这种精确的控制可以确保过程的稳定性和效率，例如在化工、石油、水处理等行业。2.5.2过程控制装置执行器而对于加热器执行器，它们可以通过调节加热器的功率或改变加热器的温度设定来响应控制器的指令。这可以确保加热过程在预设的参数范围内进行，不论是食品加工、塑料制造还是其他需要精确温度控制的行业，加热器执行器的稳定调节都显得至关重要。2.5.2过程控制装置执行器总的来说，执行器是自动化控制系统中的关键部分，它们将控制器的指令转化为实际行动，从而实现对过程中各种参数的精确控制。这种控制不仅可以提高过程的效率和稳定性，还可以在许多关键领域中提高产品质量和安全性。2.5.2过程控制装置控制器控制器是过程控制系统中至关重要的一部分，它作为核心装置负责协调和调整整个系统的运行。控制器主要根据来自传感器的反馈信号和预先设定的控制策略来计算出相应的控制指令，然后将这些指令发送给执行器。2.5.2过程控制装置在复杂的过程控制系统中，控制器的主要功能包括以下几个方面。监控和调整：控制器持续监控系统的运行状态，并收集来自传感器的反馈信息。这些反馈信息可能包括温度、压力、流量等关键参数。控制器通过比较实际运行状态和预设控制策略，对系统进行必要的调整。2.5.2过程控制装置计算控制指令：控制器根据传感器的反馈信号和预设的控制策略，通过特定的算法计算出适当的控制指令。这些指令指导执行器如何调整系统的参数，以满足预设的要求。2.5.2过程控制装置发送指令：一旦控制器计算出控制指令，它会将这些指令发送给执行器。执行器接收到指令后，会根据指令的内容执行相应的操作。2.5.2过程控制装置控制器可以是基于硬件的控制器，也可以是基于软件的控制器。基于硬件的控制器通常由电子硬件和嵌入式系统组成，而基于软件的控制器通常由计算机程序实现。在许多现代工业控制系统中，基于软件的控制器越来越常见，因为它们提供了高度的灵活性和可编程性。2.5.2过程控制装置控制器作为过程控制系统中的核心部分，通过接收传感器的反馈信号、计算控制指令和发送指令，确保系统在预设的控制策略下稳定运行。这种精密的控制不仅可以提高生产效率，还可以改善产品质量，降低能源消耗，提升整个系统的性能。2.5.2过程控制装置人机界面人机界面是过程控制系统中不可或缺的一部分，它提供了直观而有效的操作和监控方式。通过人机界面，操作员可以查看过程的当前状态和各种参数，如压力、温度、流量等，同时也可以对系统进行各种操作，如启动、停止、调整等。2.5.2过程控制装置人机界面通常包括各种显示设备和输入设备，如触摸屏、计算机界面、控制面板等。这些设备可以向操作员展示过程的实时数据和信息，同时也可以接收操作员输入的指令和数据，并将其发送到控制系统中，以实现对过程的控制和调整。2.5.2过程控制装置除了基本的显示和操作功能，人机界面还可以提供更多的信息和功能，如历史数据记录、报警提示、参数设置等。这些功能可以帮助操作员更好地了解和控制过程，同时也可以提高过程的效率和安全性。2.5.2过程控制装置人机界面作为过程控制系统中的重要组成部分，为操作员提供了直观、便捷的操作和监控方式，使得操作员可以更好地控制和管理过程，提高生产效率和产品质量。2.5.2过程控制装置2.5.1过程设备测试技术2.5.2过程控制装置2.5.3典型过程控制系统应用（了解）2.5过程控制过程控制系统的目标是通过监测和控制关键参数，实现工业过程的自动化、高效化和安全化。2.5.3典型过程控制系统应用典型的过程控制系统的实际应用非常广泛，几乎涵盖了各个工业领域，包括工业生产过程控制、能源管理系统、交通运输系统、建筑自动化系统、化工工艺控制、制造业控制、石油和天然气工业控制等多个方面。下面简单介绍几种典型的过程控制系统应用。2.5.3典型过程控制系统应用1、热交换器温度反馈应用场景：在氮肥生产过程中，有一道工序名为变换工段，将来自煤气发生炉的一氧化碳和水蒸气的混合物转化为生产合成氨的原料气。在此过程中会释放大量热量，使变换气体的温度升高。2.5.3典型过程控制系统应用目的：为确保变换气体在送至洗涤塔前能够降温，同时进入变换炉的混合物能够升温，通常会利用变换气体来加热二氧化碳与水蒸气的混合气体。这种冷热介质的热量交换是通过热交换器来完成的。因此，在许多工业生产过程中，热交换器设备发挥着至关重要的作用，对其的控制也就显得尤为重要。2.5.3典型过程控制系统应用工作原理：热交换器的主要被调控变量是冷却介质退出热交换器的温度。2.5.3典型过程控制系统应用热交换器及其有关工艺参数

其中，加热介质是工厂生产过程中产生的废热热源（例如成品、半成品或废气、废液）。为了最大程度地节约能源，通常不希望对其流量进行调节。相反，被加热介质的温度通常通过调节加热介质的流量来实现。2.5.3典型过程控制系统应用由稳态时的热平衡关系可知，当不考虑散热损失时，加热介质释放的热量等于被加热介质吸收的热量，即2.5.3典型过程控制系统应用qv1是加热介质的体积流量qv2是被加热介质的体积流量c1是加热介质的平均比热容c2是被加热介质平均比热容Th1是加热介质进交换器的温度Th2是加热介质出交换器的温度Tc2是被加热介质出交换器的温度Tc1是被加热介质进交换器的温度

所以，有关变量的静态前馈函数计算关系式2.5.3典型过程控制系统应用静态前馈函数的实施路线如下图的虚线框所示。2.5.3典型过程控制系统应用热交换器温度反馈——前馈控制系统的组成2、单回路控制系统的应用即便在计算机控制技术取得快速发展的现代工业生产装置中，单回路控制系统仍在合成氨的现代化大型装置中占据主导地位，约占总控制系统的85%。2.5.3典型过程控制系统应用

因此，深入理解和掌握单回路控制系统的设计原则及其应用对于实现过程装置的自动化至关重要。

单回路控制系统因其结构简单、投资较少、易于调整和运行，以及能够满足一般生产过程的工艺要求等优点，在工业生产过程中得到了广泛应用。2.5.3典型过程控制系统应用单回路控制系统一般由被控过程Wo(s)、测量变送器Wm(s)、调节器Wc(s)和调节阀Wv(s)等环节组成，下面用拉式变换表示的单回路控制系统的基本框图。2.5.3典型过程控制系统应用单回路控制系统基本结构框图下面通过具体例子分析。牛奶乳化物干燥过程中的喷雾式干燥工艺设备。

存在问题：乳化物属于胶体物质，过度搅拌易固化，无法通过泵进行输送。2.5.3典型过程控制系统应用解决方法：采用高位槽的方式，即浓缩的乳液从高位槽流经过滤器A或B（两个过滤器交替使用，以保障连续操作）以除去凝结块等杂质，然后通过干燥器顶部的喷嘴喷出。2.5.3典型过程控制系统应用具体工作原理：空气由鼓风机送至换热器（通过蒸汽进行间接加热），热空气与鼓风机直接送来的空气混合后，经过风管进入干燥器，从而蒸发出乳液中的水分并形成奶粉，随湿空气一起输出后进行分离。2.5.3典型过程控制系统应用生产工艺对干燥后的产品质量要求极高，水分含量不能有太大的波动。同时，干燥的温度也需要进行严格控制。实验结果表明，若温度波动小于±2℃，产品便符合质量要求。2.5.3典型过程控制系统应用2.5.3典型过程控制系统应用牛奶的干燥过程流程图产品品质(水分含量)与干燥温度存在密切的相互关系。由于水分含量与温度之间存在一一对应的关系，因此可以通过测量间接参数温度来评估水分含量。2.5.3典型过程控制系统应用为了确保产品水分含量的稳定控制，选用干燥器的温度作为被控对象，通过对其温度进行精确控制，以实现产品水分含量的稳定控制。2.5.3典型过程控制系统应用影响干燥器温度的因素有乳液流量f1(t)、旁路空气流量f2(t)和加热蒸汽用量f3(t)。选取其中任一变量作为控制参数，均可构成温度控制系统。下面用调节阀位置代表三种控制方案。2.5.3典型过程控制系统应用乳液流量为控制参数时的系统2.5.3典型过程控制系统应用乳液直接进入干燥器的时间延迟最小，对于干燥温度的校正作用最为迅速，并且干扰进入装置最靠近调节阀1，这个方案看起来似乎是最好的。2.5.3典型过程控制系统应用然而，由于乳液流量代表了生产负荷，通常需要保证产量稳定，因此将其作为控制参数并不合适，故该控制方案并不可行。2.5.3典型过程控制系统应用风量作为控制参数时的系统框图2.5.3典型过程控制系统应用旁路空气流量与热风量混合后再经过较长的风管进入干燥器。由于混合空气传输管道长，存在管道传输延迟，因此控制通道的时间延迟较大，对干燥温度的校正作用的灵敏度要差一些。2.5.3典型过程控制系统应用蒸汽流量作为控制参数时的系统框图2.5.3典型过程控制系统应用通过改变空气的温度来调节干燥温度。然而，由于换热器通常为一双容过程，时间常数较大，控制通道的滞后最大，对干燥温度的校正作用灵敏度最差。综合来看，选择旁路空气量作为控制参数的方案最为合适。2.5.3典型过程控制系统应用3、流体输送设备的控制在生产流程中，各种生产设备通过管道中的物料流和能量流相互连接，进行各种化学反应、分离、吸收等过程，以生成人们所需的产品。这种物料流和能量流都被称为流体，流体包括液体和气体，固体物料通常也被转化为流态形式在管道中进行输送。2.5.3典型过程控制系统应用为了优化生产，流体通常被连续输送以实现连续生产。用于输送流体并提高其压力的机械设备被称为流体输送设备。其中，用于输送液体并提高其压力的机械设备被称为泵，而用于输送气体并提高其压力的机械设备则被称为风机和压缩机