過(guò)程控制系統(tǒng)概述

1、過(guò)程控制系統(tǒng)概述金川集團(tuán)自動(dòng)化公司服務(wù)部10.1 過(guò)程控制的要求與任務(wù)0.2 過(guò)程控制的發(fā)展與趨勢(shì)0.3化工生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的主要內(nèi)容緒論20.1 過(guò)程控制的要求與任務(wù)0.1.1什么是自動(dòng)控制和過(guò)程控制所謂自動(dòng)控制就是在沒(méi)有人直接參與的情況下，自動(dòng)控制裝置使受控對(duì)象自動(dòng)地按預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。受控對(duì)象：可以是飛機(jī)、輪船、機(jī)械設(shè)備、或某個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，自動(dòng)化裝置必須有自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)判斷、自動(dòng)操作，才能保證自動(dòng)控制的進(jìn)行。3 生產(chǎn)過(guò)程的總目標(biāo)，是在可能獲得的原料和能源條件下，以最經(jīng)濟(jì)的途徑將原料加工成預(yù)期的合格產(chǎn)品。為了達(dá)到該目標(biāo)，必須對(duì)生產(chǎn)過(guò)程物流變化的信息進(jìn)行監(jiān)視與控制。 0.1.2工業(yè)

2、生產(chǎn)過(guò)程的總目標(biāo)伴隨物流變化的信息有體現(xiàn)物流性質(zhì)的信息體現(xiàn)操作條件的信息（物理特性和化學(xué)成分）（溫度、壓力、流量、液位或物位等）4 對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中過(guò)程參數(shù)的控制，稱(chēng)為過(guò)程控制，它是自動(dòng)控制學(xué)科的一個(gè)重要分支。工藝生產(chǎn)過(guò)程的五大參數(shù)溫度、壓力、流量、液位(或物位)、成分和物性等參數(shù)過(guò)程控制覆蓋許多工業(yè)部門(mén)諸如石油、化工、冶金、煉焦、造紙、建材、輕工、紡織、陶瓷、食品及電力等等，因而，過(guò)程控制在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的地位。5工業(yè)生產(chǎn)對(duì)過(guò)程控制的要求（3）經(jīng)濟(jì)性過(guò)程控制的任務(wù)是在充分了解、掌握生產(chǎn)過(guò)程的工藝流程和生產(chǎn)機(jī)理的基礎(chǔ)上，按安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的要求建立過(guò)程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的控制目標(biāo)。

3、（1）安全性（2）穩(wěn)定性6過(guò)程控制的主要目標(biāo)應(yīng)包括以下幾個(gè)方面： 保障生產(chǎn)過(guò)程的安全和平穩(wěn)； 達(dá)到預(yù)期的產(chǎn)量和質(zhì)量； 盡可能地減少原材料和能源損耗； 把生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的危害降低到最小程度。0.1.3過(guò)程控制的目的生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低消耗、降低成本、改善勞動(dòng)條件、促進(jìn)文明生產(chǎn)、保證生產(chǎn)安全和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的重要手段，是20世紀(jì)科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步的特征，是工業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)記之一。7如：工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的鍋爐汽包水位控制圖0.1 鍋爐汽包示意圖汽包內(nèi)的液（水）位是一個(gè)非常重要的工藝參數(shù)。過(guò)高：影響蒸汽蒸發(fā)空間過(guò)低：容易干鍋燃?jí)脑O(shè)備為了保持液位為定值，手工控制時(shí)主要有三步：1、用眼觀察水位變化2、用

4、腦思考判斷水位情況3、用手調(diào)節(jié)給水閥門(mén)8鍋爐汽包水位自動(dòng)控制圖0.2 鍋爐汽包液位自動(dòng)控制LT代替眼睛的液位測(cè)量變送裝置LC代替人大腦的液位控制器代替人手的液位執(zhí)行器執(zhí)行器（也稱(chēng)控制器）控制流程圖上常用的字母代號(hào)P245這些自動(dòng)控制裝置和被控的工藝對(duì)象組成了一套過(guò)程控制系統(tǒng)。90.1.4過(guò)程控制系統(tǒng)特點(diǎn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制，一般是要求過(guò)程進(jìn)行中的有關(guān)參數(shù)保持為一定值或按一定規(guī)律變化。顯然，過(guò)程參數(shù)的變化，不但受外界條件的影響，它們之間往往也相互影響，這就增加了過(guò)程參數(shù)自動(dòng)控制的復(fù)雜性和難度。 (3) 被控過(guò)程是多參數(shù)的漸變控制過(guò)程過(guò)程控制特點(diǎn)(1)被控過(guò)程的多樣性(2) 控制方案的多樣性100.

5、2 過(guò)程控制的發(fā)展與趨勢(shì)0.2.1 自動(dòng)控制理論的發(fā)展歷程20世紀(jì)40年代開(kāi)始形成的控制理論被稱(chēng)為“20世紀(jì)上半葉三大偉績(jī)之一”，在自動(dòng)化的發(fā)展中的特點(diǎn)：第一，任務(wù)的需要、理論的開(kāi)拓與技術(shù)手段的進(jìn)展三者相互推動(dòng)，相互促進(jìn)第二，自動(dòng)化技術(shù)是一門(mén)綜合性的技術(shù)，控制論更是一門(mén)廣義的學(xué)科，在各行各業(yè)的領(lǐng)域，移植和借鑒起了交流匯合的作用11有人把20世紀(jì)30年代末這段時(shí)期的控制理論稱(chēng)為第一代控制理論。這時(shí)候的系統(tǒng)（包括過(guò)程控制系統(tǒng)）是簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，儀表是基地式、大尺寸的。第二次世界大戰(zhàn)前后，控制理論有了很大發(fā)展，以微分方程分析法、頻率特性分析法、根軌跡分析法為主體的經(jīng)典控制理論發(fā)展到了成熟的階段，這是第

6、二代控制理論。此時(shí)，自動(dòng)控制技術(shù)開(kāi)始形成一套完整的，以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的，對(duì)單輸入、單輸出控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)的理論。12古典控制理論最輝煌的成果之一要首推PID控制規(guī)律。PID控制原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)無(wú)時(shí)間延遲的單回路控制系統(tǒng)極為有效。目前，工業(yè)過(guò)程控制中8090的系統(tǒng)還使用PID控制規(guī)律。為適應(yīng)多種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的需要，在控制器方面，單元組合式儀表應(yīng)運(yùn)而生。在20世紀(jì)6070年代的相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，氣動(dòng)單元組合儀表（QDZ）和電動(dòng)單元組合儀表（DDZ）是控制儀表的主流。1320世紀(jì)60年代，現(xiàn)代控制理論迅猛發(fā)展，它是以狀態(tài)空間分析法為基礎(chǔ)、以極小值原理和動(dòng)態(tài)規(guī)劃等最優(yōu)控制理論為特征。這是第三

7、代控制理論。第三代控制理論在航天、航空、制導(dǎo)等領(lǐng)域取得了輝煌的成果，在過(guò)程控制領(lǐng)域也有所移植，但不普遍。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，為了解決大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化與控制問(wèn)題，逐步發(fā)展形成了大系統(tǒng)理論。其核心思想是系統(tǒng)的分解與協(xié)調(diào)。多級(jí)遞階優(yōu)化與控制是大系統(tǒng)理論應(yīng)用的典范。實(shí)際上，大系統(tǒng)理論仍未突破現(xiàn)代控制理論的思想與框架，除了高維線性系統(tǒng)之外，它對(duì)其他復(fù)雜控制系統(tǒng)仍然束手無(wú)策。140.2 .2 過(guò)程控制系統(tǒng)的發(fā)展與趨勢(shì)從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)看，過(guò)程控制已經(jīng)經(jīng)歷了四個(gè)階段。 1 、基地式控制階段（初級(jí)階段） 20世紀(jì)50年代，生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化主要是憑生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，局限于一般的控制元件及機(jī)電式控制儀器，采用比較笨重

8、的基地式儀表（如自力式溫度控制器、就地式液位控制器等），實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備就地分散的局部自動(dòng)控制。 過(guò)程控制的目的主要是幾種熱工參數(shù)（如溫度、壓力、流量及液位）的定值控制152、單元給合儀表自動(dòng)化階段 20世紀(jì)50年代出現(xiàn)了單元組合儀表給成的控制系統(tǒng)。單元組合儀表有電動(dòng)和氣動(dòng)兩大類(lèi)。單元組合儀表間用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的信號(hào)聯(lián)系。 氣動(dòng)儀表（QDZ系列）信號(hào)：20100kPa氣壓信號(hào)。電動(dòng)儀表信號(hào)：010mA（DDZ II ） 420 mA（DDZ III ） 單元組合儀表組成的控制系統(tǒng)，其控制策略主要是PID控制和常規(guī)的復(fù)雜控制系統(tǒng)。如：串級(jí)、均勻、比值、前饋、分程等控制系統(tǒng)。已使用30多年，目前仍廣泛使用。

9、3163、計(jì)算機(jī)控制的初級(jí)階段 20世紀(jì)70年代出現(xiàn)直接數(shù)字控制（DDC），代替常規(guī)的控制儀表實(shí)現(xiàn)集中控制。 但由于集中控制的缺陷，未能普及與推廣就被集散控制系統(tǒng)（DCS）所替代。 DCS在硬件上將控制回路分散化，數(shù)據(jù)顯示、實(shí)時(shí)監(jiān)督等功能集中化，有利于安全平穩(wěn)生產(chǎn)。 就控制策略而言，DCS仍以簡(jiǎn)單PID控制為主，再加上一些復(fù)雜的控制算法，并沒(méi)有充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的功能和控制水平。174、 綜合自動(dòng)化階段20世紀(jì)80年代以后出現(xiàn)二級(jí)優(yōu)化控制，在DCS的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)先進(jìn) 控制和優(yōu)化控制。在硬件上采用上位機(jī)和DCS（或電動(dòng)單元組合儀表）相 結(jié)合，構(gòu)成二級(jí)計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制。隨著計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，DCS出

10、現(xiàn)了開(kāi)放式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多層次計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的管控一體化系統(tǒng)（CIPS）。同時(shí)，以現(xiàn)場(chǎng)總線為標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)以微處理器為基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制系統(tǒng)之間進(jìn)行全數(shù)字化、雙向和多站通信的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（FCS）。FCS將對(duì)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)帶來(lái)革命性變革，開(kāi)辟控制系統(tǒng)的新紀(jì)元。 當(dāng)前自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展的一些主要特點(diǎn)是：生產(chǎn)裝置實(shí)施先進(jìn)控制成為發(fā)展主流；過(guò)程優(yōu)化受到普遍關(guān)注；傳統(tǒng)的DCS正在走向國(guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放式系統(tǒng)；綜合自動(dòng)化系統(tǒng)（CIPS）是發(fā)展方向。180.3生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的主要內(nèi)容1、自動(dòng)檢測(cè)采用自動(dòng)檢測(cè)裝置，能連續(xù)不斷地檢查生產(chǎn)中各種參數(shù)的數(shù)值，并能自動(dòng)地將這些參數(shù)的變化情況隨時(shí)指示和記錄下來(lái)，讓工藝人員在遠(yuǎn)離生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的控制室對(duì)工藝生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控和管理。192、自動(dòng)控制當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程中的狀態(tài)參數(shù)偏離工藝生產(chǎn)的正常值時(shí)，會(huì)影響生產(chǎn)過(guò)程的安全和產(chǎn)品的質(zhì)量。通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)，就可以對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)判斷，再自動(dòng)控制，將這些參數(shù)調(diào)回到正常的工作范圍，維持生產(chǎn)過(guò)程的