過程控制與自動化儀表

過程限制與自動化儀表第一章過程限制概述第一節(jié)過程限制的概念及發(fā)展4過程限制的概念主要指連續(xù)控制或者按一定周期程序控制過程-------自動限制技術(shù)在石油、化工、電力、冶金、機(jī)械、輕工、紡織等生產(chǎn)過程的具體應(yīng)用，是自動化技術(shù)的重要組成部分。一般限制的是生產(chǎn)過程中的參數(shù)。第一節(jié)過程限制的概念及發(fā)展4過程限制過程的發(fā)展

20世紀(jì)60年頭：

過程限制系統(tǒng)：串級、比值、勻整、前饋和選擇性等多種困難限制系統(tǒng)。自動化儀表：單元組合儀表（氣動Ⅱ型和電動Ⅱ型）成為主流產(chǎn)品60年頭后期，出現(xiàn)了特地用于過程限制的小型計(jì)算機(jī)，干脆數(shù)字限制系統(tǒng)和監(jiān)督計(jì)算機(jī)限制系統(tǒng)起先應(yīng)用于過程限制領(lǐng)域。

20世紀(jì)70～80年頭：

過程限制系統(tǒng)：最優(yōu)限制、非線性分布式參數(shù)限制、解耦限制、模糊限制

自動化儀表：氣動Ⅲ型和電動Ⅲ型，以微處理器為主要構(gòu)成單元的智能限制裝置。集散限制系統(tǒng)（DCS）、可編程邏輯限制器(PLC)

、工業(yè)PC機(jī)、和數(shù)字限制器等，已成為限制裝置的主流。

集散限制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了限制分散、危急分散，操作監(jiān)測和管理集中。

20世紀(jì)90年頭至今：信息技術(shù)飛速發(fā)展

過程限制系統(tǒng)：管控一體化現(xiàn)場，綜合自動化是當(dāng)今生產(chǎn)過程限制的發(fā)展方向。自動化儀表：總線限制系統(tǒng)的出現(xiàn)，引起過程限制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)上的重大變革?，F(xiàn)場儀表的數(shù)字化和智能化，形成了真正意義上的全數(shù)字過程限制系統(tǒng)。各種智能儀表、變送器、無紙紀(jì)錄儀

第一節(jié)過程限制的概念及發(fā)展4圖1-2人工操作圖圖1-3液位自動控制系統(tǒng)圖人工操作與自動限制比較圖控制速度和精度不能滿足大型現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要其次節(jié)過程限制技術(shù)及儀表的發(fā)展自動限制系統(tǒng)的組成5組成自動扮裝置被控對象測量元件與變送器自動限制器執(zhí)行器其次節(jié)過程限制系統(tǒng)的組成及其分類

液位自動限制的方塊圖在探討自動限制系統(tǒng)時(shí)，為了便于對系統(tǒng)分析探討，一般都用方塊圖來表示限制系統(tǒng)的組成。下頁圖為液位自動限制系統(tǒng)地方塊圖每個(gè)環(huán)節(jié)表示組成系統(tǒng)的一個(gè)部分，稱為“環(huán)節(jié)”。兩個(gè)方塊之間用一條帶有箭頭的線條表示其信號的相互關(guān)系，箭頭指向方塊表示為這個(gè)環(huán)節(jié)的輸入，箭頭離開方塊表示為這個(gè)環(huán)節(jié)的輸出。線旁的字母表示相互間的作用信號。6方塊圖中，

x

指設(shè)定值；z

指輸出信號；e

指偏差信號；p指發(fā)出信號；q

指出料流量信號；y

指被控變量；f

指擾動作用。當(dāng)x

取正值，z取負(fù)值，e=x-z，負(fù)反饋；x

取正值，z取正值，e=x+z，正反饋。其次節(jié)過程限制系統(tǒng)的組成及其分類

液位自動限制的方塊圖圖1-4液位自動限制系統(tǒng)方塊圖7其次節(jié)過程限制系統(tǒng)的組成及其分類

幾種分類方法按被控變量來分類，如溫度、壓力等限制系統(tǒng)；按限制器具有的限制規(guī)律來分類，如比例、比例積分、比例微分、比例積分微分等限制系統(tǒng)；將限制系統(tǒng)依據(jù)工藝過程須要限制的被控變量的給定值是否變更和如何變更來分類，這樣可將自動限制系統(tǒng)分為三類，即定值限制系統(tǒng)、隨動限制系統(tǒng)和程序限制系統(tǒng)。12其中第三種分類方法最普遍其次節(jié)過程限制系統(tǒng)的組成及其分類“定值”是恒定給定值的簡稱。工藝生產(chǎn)中，若要求限制系統(tǒng)的作用是使被限制的工藝參數(shù)保持在一個(gè)生產(chǎn)指標(biāo)上不變，或者說要求被控變量的給定值不變，就須要接受定值限制系統(tǒng)。131.定值限制方法2.隨動限制系統(tǒng)（自動跟蹤系統(tǒng)）給定值隨機(jī)變更，該系統(tǒng)的目的就是使所限制的工藝參數(shù)精確而快速地跟隨給定值的變更而變更。其次節(jié)過程限制系統(tǒng)的組成及其分類3.程序限制系統(tǒng)（依次限制系統(tǒng)）給定值變更，但它是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，即生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)需按確定的時(shí)間程序變更。這類系統(tǒng)在間歇生產(chǎn)過程中應(yīng)用比較一般。14第三節(jié)自動限制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)一、限制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)15自動限制目的：希望將被控變量保持在一個(gè)不變的給定值上，這只有當(dāng)進(jìn)入被控對象的物料量（或能量）和流出對象的物料量（或能量）相等時(shí)才有可能。靜態(tài)——被控變量不隨時(shí)間而變更的平衡狀態(tài)（變更率為0，不是靜止）。第三節(jié)自動限制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)當(dāng)一個(gè)自動限制系統(tǒng)的輸入（給定和干擾）和輸出均恒定不變時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)就處于一種相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，系統(tǒng)的各個(gè)組成環(huán)節(jié)如變送器、限制器、限制閥都不變更其原先的狀態(tài)，它們的輸出信號也都處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，這種狀態(tài)就是靜態(tài)。16第四節(jié)自動限制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)17動態(tài)——被控變量隨時(shí)間變更的不平衡狀態(tài)。從干擾作用破壞靜態(tài)平衡，經(jīng)過限制，直到系統(tǒng)重新建立平衡，在這一段時(shí)間中，整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)和信號都處于變動狀態(tài)之中，這種狀態(tài)叫做動態(tài)。結(jié)論：在自動化工作中，了解系統(tǒng)的靜態(tài)是必要的，但是了解系統(tǒng)的動態(tài)更為重要。因?yàn)樵谏a(chǎn)過程中，干擾是客觀存在的，是不行避開的，就須要通過自動扮裝置不斷地施加限制作用去對抗或抵消干擾作用的影響，從而使被控變量保持在工藝生產(chǎn)所要求限制的技術(shù)指標(biāo)上。第三節(jié)自動限制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)二、限制系統(tǒng)的過渡過程系統(tǒng)由一個(gè)平衡狀態(tài)過渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過程。18當(dāng)干擾作用于對象，系統(tǒng)輸出y發(fā)生變更，在系統(tǒng)負(fù)反饋?zhàn)饔孟拢?jīng)過一段時(shí)間，系統(tǒng)重新復(fù)原平衡。舉例圖1-7限制系統(tǒng)方塊圖第三節(jié)自動限制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)系統(tǒng)在過渡過程中，被控變量是隨時(shí)間變更的。被控變量隨時(shí)間的變更規(guī)律首先取決于作用于系統(tǒng)的干擾形式。在生產(chǎn)中，出現(xiàn)的干擾是沒有固定形式的，且多半屬于隨機(jī)性質(zhì)。在分析和設(shè)計(jì)限制系統(tǒng)時(shí)，為了平安和便利，常選擇一些定型的干擾形式，其中常用的是階躍干擾。19第三節(jié)自動限制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)接受階躍干擾的優(yōu)點(diǎn)：這種形式的干擾比較突然、危急，且對被控變量的影響也最大。假如一個(gè)限制系統(tǒng)能夠有效地克服這種類型的干擾，那么確定能很好地克服比較緩和的干擾。這種干擾的形式簡潔，簡潔實(shí)現(xiàn)，便于分析、試驗(yàn)和計(jì)算。圖1-8階躍干擾作用20第三節(jié)自動限制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)自動限制系統(tǒng)在階躍干擾作用下過渡過程的四種形式21非周期衰減過程衰減震蕩過程等幅震蕩過程

發(fā)散震蕩過程X√√？對于限制質(zhì)量要求不高的場合，假如被控變量允許在工藝許可的范圍內(nèi)振蕩（主要指在位式限制時(shí)），才可接受。第三節(jié)自動限制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)三、限制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)限制系統(tǒng)的過渡過程是衡量品質(zhì)的依據(jù)。22圖1-10過渡過程品質(zhì)指標(biāo)示意圖假定自動限制系統(tǒng)在階躍輸入作用下，被控變量的變更曲線如上圖所示，這是屬于衰減振蕩的過渡過程多數(shù)狀況下，希望得到衰減振蕩過程，在此取這種過程形式探討限制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)。第四節(jié)自動限制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)23五種重要品質(zhì)指標(biāo)之一1.最大偏差或超調(diào)量最大偏差是指在過渡過程中，被控變量偏離給定值的最大數(shù)值。在衰減振蕩過程中，最大偏差就是第一個(gè)波的峰值。特殊是對于一些有約束條件的系統(tǒng)，如化學(xué)反應(yīng)器的化合物爆炸極限、觸媒燒結(jié)溫度極限等，都會對最大偏差的允許值有所限制。超調(diào)量也可以用來表征被控變量偏離給定值的程度。第四節(jié)自動限制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)2.衰減比衰減比是衰減程度的指標(biāo)，它是前后相鄰兩個(gè)峰值的比。習(xí)慣表示為n:1，一般n取為4～10之間為宜。五種重要品質(zhì)指標(biāo)之二24第四節(jié)自動限制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)五種重要品質(zhì)指標(biāo)之三3.余差當(dāng)過渡過程終了時(shí)，被控變量所達(dá)到的新的穩(wěn)態(tài)值與給定值之間的偏差叫做余差，或者說余差就是過渡過程終了時(shí)的殘余偏差。有余差的限制過程稱為有差調(diào)整，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為有差系統(tǒng)。反之就為無差調(diào)整和無差系統(tǒng)。25第四節(jié)自動限制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)五種重要品質(zhì)指標(biāo)之四4.過渡時(shí)間從干擾作用發(fā)生的時(shí)刻起，直到系統(tǒng)重新建立新的平衡時(shí)止，過渡過程所經(jīng)驗(yàn)的時(shí)間叫過渡時(shí)間。一般在穩(wěn)態(tài)值的上下規(guī)定一個(gè)小范圍，當(dāng)被控變量進(jìn)入該范圍并不再越出時(shí)，就認(rèn)為被控變量已經(jīng)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值，或者說過渡過程已經(jīng)結(jié)束這個(gè)范圍一般定為穩(wěn)態(tài)值的±５％（也有的規(guī)定為±２％）。26第四節(jié)自動限制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)五種重要品質(zhì)指標(biāo)之五5.震蕩周期或頻率過渡過程同向兩波峰（或波谷）之間的間隔時(shí)間叫振蕩周期或工作周期，其倒數(shù)稱為振蕩頻率。在衰減比相同的狀況下，周期與過渡時(shí)間成正比，一般希望振蕩周期短一些為好。27第四節(jié)自動限制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)28某換熱器的溫度限制系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下的過渡過程曲線如下圖所示。試分別求出最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時(shí)間（給定值為200℃）。舉例圖1-11溫度限制系統(tǒng)過渡過程曲線第四節(jié)自動限制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)解最大偏差A(yù)＝230-200＝30℃余差C＝205-200＝５℃由圖上可以看出，第一個(gè)波峰值B＝230-205＝25℃，其次個(gè)波峰值B′＝210－205＝5℃，故衰減比應(yīng)為B:B′＝25:5＝5:1。振蕩周期為同向兩波峰之間的時(shí)間間隔，故周期T＝20-5＝15（min）29第四節(jié)自動限制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)

分析

過渡時(shí)間與規(guī)定的被控變量限制范圍大小有關(guān)，假定被控變量進(jìn)入額定值的±2％，就可以認(rèn)為過渡過程已經(jīng)結(jié)束，那么限制范圍為200×（±2％）＝±4℃，這時(shí)，可在新穩(wěn)態(tài)值（205℃）兩側(cè)以寬度為±４℃畫一區(qū)域，上圖中以畫有陰影線的區(qū)域表示，只要被控變量進(jìn)入這一區(qū)域且不再越出，過濾過程就可以認(rèn)為已經(jīng)結(jié)束。因此，從圖上可以看出，過渡時(shí)間為22min。30第四節(jié)自動限制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)四、影響限制系統(tǒng)過渡過程品質(zhì)的主要因素31一個(gè)自動限制系統(tǒng)可以概括成兩大部分，即工藝過程部分（被控對象）和自動扮裝置部分。前者指與該自動限制系統(tǒng)有關(guān)的部分。后者指為實(shí)現(xiàn)自動限制所必需的自動化儀表設(shè)備，通常包括測量與變送裝置、限制器和執(zhí)行器等三部分。第四節(jié)自動限制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)對于一個(gè)自動限制系統(tǒng)，過渡過程品質(zhì)的好壞，在很大程度上確定于對象的性質(zhì)。例如在前所述的溫度限制系統(tǒng)中，屬于對象性質(zhì)的主要因素有：換熱器的負(fù)荷大小，換熱器的結(jié)構(gòu)、尺寸、材質(zhì)等，換熱器內(nèi)的換熱狀況、散熱狀況及結(jié)垢程度等。不同自動化系統(tǒng)要具體分析。32第五節(jié)工藝管道及限制流程圖工藝流程和限制方案的確定后，依據(jù)工藝設(shè)計(jì)給出的流程圖，按其流程依次標(biāo)注出相應(yīng)的測量點(diǎn)、限制點(diǎn)、限制系統(tǒng)及自動信號與聯(lián)鎖愛護(hù)系統(tǒng)等，便成了工藝管道及限制流程圖（PID圖）。33第五節(jié)工藝管道及限制流程圖34圖1-12脫乙烷塔的工藝管道及限制流程圖舉例右圖是乙烯生產(chǎn)過程中脫乙烷塔的工藝管道及限制流程圖舉例第五節(jié)工藝管道及限制流程圖一、圖形符號1.測試點(diǎn)（包括檢出元件、取樣點(diǎn)）35

檢試點(diǎn)是由工藝設(shè)備輪廓線或工藝管線引到儀表圓圈的連接線的起點(diǎn)，一般無特定的圖形符號，如下圖所示。必要時(shí)，檢測元件也可以用象形或圖形符號表示。圖1-13測試點(diǎn)的一般表示方法第五節(jié)工藝管道及限制流程圖2.連接線36通用的儀表信號線均以細(xì)實(shí)線表示。連接線表示交叉及相接時(shí)，接受下圖的形式。必要時(shí)也可用加箭頭的方式表示信號的方向。在須要時(shí)，信號線也可按氣信號、電信號、導(dǎo)壓毛細(xì)管等接受不同的表示方式以示區(qū)分。圖1-14聯(lián)系線的表示法第五節(jié)工藝管道及限制流程圖3.儀表（包括檢測、顯示、限制）的圖形符號

儀表的圖形符號是一個(gè)細(xì)實(shí)線圓圈，直徑約10mm，對于不同的儀表安裝位置的圖形符號如下表所示。37第五節(jié)工藝管道及限制流程圖38序號安裝位置圖形符號備注序號安裝位置圖形符號備注1就地安裝儀表嵌在管道中4集中儀表盤后安裝儀表2集中儀表盤面安裝儀表5就地儀表盤面安裝儀表3就地儀表盤面安裝儀表表1-1儀表安裝位置的圖形符號表示第五節(jié)工藝管道及限制流程圖39

對于處理兩個(gè)或兩個(gè)以上被測變量，具有相同或不同功能的復(fù)式儀表時(shí)，可用兩個(gè)相切的圓或分別用細(xì)實(shí)線圓與細(xì)虛線圓相切表示（測量點(diǎn)在圖紙上距離較遠(yuǎn)或不在同一圖紙上），如下圖所示。圖1-15復(fù)式儀表的表示法第五節(jié)工藝管道及限制流程圖二、字母代號在限制流程圖中，用來表示儀表的小圓圈的上半圓內(nèi)，一般寫有兩位（或兩位以上）字母，第一位字母表示被測變量，后繼字母表示儀表的功能，常用字母代號見下表。40字母第一位字母后繼字母被測變量修飾詞功能ACDEFIKLMPQRSTVWYZ分析電導(dǎo)率密度電壓流量電流時(shí)間或時(shí)間程序物位水分或濕度壓力或真空數(shù)量或件數(shù)放射性速度或頻率溫度黏度力供選用位置差比（分?jǐn)?shù)）積分、累積安全報(bào)警控制（調(diào)節(jié)）檢測元件指示自動-手動操作器積分、累積記錄或打印開關(guān)、聯(lián)鎖傳送閥、擋板、百葉窗套管繼動器或計(jì)算器驅(qū)動、執(zhí)行或未分類的終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)表1-2被測變量和儀表功能的字母