過程控制課件

1、 工業(yè)生產(chǎn)過程控制河南工業(yè)大學(xué)王偉生本課程主要內(nèi)容 過程控制的一般性概念 過程控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 過程控制儀表技術(shù) 復(fù)雜過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)技術(shù)在過程控制中的應(yīng)用本節(jié)主要內(nèi)容 過程控制定義及認(rèn)識(shí) 過程控制目的 過程控制系統(tǒng)的組成 過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 過程控制系統(tǒng)的分類過程控制定義 所謂過程控制（Process Control）是指根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過程的特點(diǎn)，采用測(cè)量?jī)x表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和計(jì)算機(jī)等自動(dòng)化工具，應(yīng)用控制理論，設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化。工業(yè)生產(chǎn)過程 通常把原材料轉(zhuǎn)變成產(chǎn)品并具有一定生產(chǎn)規(guī)模的過程叫做工業(yè)生產(chǎn)過程?？煞譃椋?.連續(xù)（或批處理）生產(chǎn)過程，如化工、石油、冶

2、金、發(fā)電、造紙、生物化工、輕工、水處理等；2.離散制造過程，如機(jī)械加工、汽車制造等。 連續(xù)生產(chǎn)過程中自動(dòng)控制系統(tǒng)的被控參數(shù)往往是溫度、壓力、流量、物位和成分等變量。本書重點(diǎn)討論此類過程。過程控制認(rèn)識(shí) 冶金行業(yè)磨礦工藝中，球磨機(jī)采用給礦機(jī)給礦。以前由人工觀察給礦量，機(jī)械調(diào)整給礦口大小來控制礦量，給礦量波動(dòng)較大，難以穩(wěn)定。 為穩(wěn)定入磨礦量，在給礦皮帶上安裝皮帶秤，根據(jù)皮帶秤檢測(cè)的礦量對(duì)給礦機(jī)進(jìn)行變頻控制調(diào)節(jié)礦量。 球磨工藝流程圖球磨給礦過程控制示意圖球磨給礦過程控制方框圖礦量控制器變頻器皮帶秤給礦機(jī)給礦皮帶礦量給定當(dāng)前礦量-硫酸工藝流程壓力控制 化工行業(yè)硫酸生產(chǎn)工藝中，SO2主風(fēng)機(jī)以前采用手動(dòng)調(diào)節(jié)

3、蝶閥開度，控制風(fēng)機(jī)出口壓力，壓力波動(dòng)大。 采用變頻技術(shù)，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來穩(wěn)定壓力，并具有顯著的節(jié)能效果。硫酸工藝流程壓力控制方框圖成品油管線輸送過程自動(dòng)控制過程控制目的 目的：抑制外界擾動(dòng)的影響，確保過程的穩(wěn)定性，使生產(chǎn)過程的工況最優(yōu)化。具體來說： 保證質(zhì)量； 提高產(chǎn)量； 節(jié)能降耗； 安全運(yùn)行； 保護(hù)環(huán)境； 改善勞動(dòng)條件； 提高管理水平等 。 過程控制已深入到工業(yè)生產(chǎn)過程的各個(gè)層面，不僅可以給企業(yè)帶來直接的經(jīng)濟(jì)效益，還可以為企業(yè)和社會(huì)帶來間接的社會(huì)效益和環(huán)境效益。 過程控制系統(tǒng)組成 1.被控過程（Process），指運(yùn)行中的多種多樣的工藝生產(chǎn)設(shè)備； 2.過程檢測(cè)控制儀表（Instrumentat

4、ion），包括：測(cè)量變送（Measurement）；控制器（Controller）；執(zhí)行器（Control Element）?？刂破鳒y(cè)量變送被控過程執(zhí)行器r(t)e(t)u(t)q(t)f(t)y(t)z(t)-過程控制中的幾個(gè)名詞術(shù)語 被控參數(shù)（變量）y(t ) 控制（操縱）參數(shù)（變量）q(t) 擾動(dòng)量f(t) 給定值r(t) 當(dāng)前值z(mì)(t) 偏差e(t) 控制作用u(t) 控制器測(cè)量變送被控過程執(zhí)行器r(t)e(t)u(t)q(t)f(t)y(t)z(t)-過程控制的主要特點(diǎn) 被控過程形形色色； 控制過程多屬緩慢過程和參量控制形式； 控制方案的多樣性，有單回路（50%以上）、串級(jí)（20%以

5、上）、前饋-反饋、比值、均勻、分程、選擇性、時(shí)滯、數(shù)字和計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)等； 定值控制是主要控制形式。本課程的體系結(jié)構(gòu) 首先介紹過程控制的基本概念（第一章）； 分五章介紹過程控制的4個(gè)組成部分（第二章-第六章）； 接著介紹典型過程控制系統(tǒng)（第七章、第八章）； 為突出計(jì)算機(jī)在過程控制中的應(yīng)用，單辟一章詳細(xì)講述了計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)（第九章）。過程控制系統(tǒng)的分類 按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來分 反饋控制系統(tǒng) 前饋控制系統(tǒng) 復(fù)合控制系統(tǒng)（前饋-反饋控制系統(tǒng)） 按給定值信號(hào)的特點(diǎn)來分 定值控制系統(tǒng) 隨動(dòng)控制系統(tǒng) 反饋控制系統(tǒng) 偏差值是控制的依據(jù)，最后達(dá)到減小或消除偏差的目的。 反饋信號(hào)可能有多個(gè)，從而可以構(gòu)成多

6、回路控制系統(tǒng)（如串級(jí)控制系統(tǒng)）。 前饋控制系統(tǒng) 擾動(dòng)量的大小是控制的依據(jù)，控制“及時(shí)”。 屬于開環(huán)控制系統(tǒng)，在實(shí)際生產(chǎn)中不能單獨(dú)采用。 測(cè) 量 變 送前 饋 補(bǔ) 償 器執(zhí) 行 器被 控 過 程f(t)y(t)閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng) “反饋”是控制的核心！ 只有通過反饋才能實(shí)現(xiàn)對(duì)被控參數(shù)的閉環(huán)控制！ 開環(huán)控制系統(tǒng)不能自動(dòng)地“察覺”被控參數(shù)的變化情況，也不能判斷控制參數(shù)的校正作用是否適合實(shí)際需要。 閉環(huán)控制系統(tǒng)在過程控制中使用最為普遍。 復(fù)合控制系統(tǒng)（前饋-反饋控制系統(tǒng)） 充分發(fā)揮了前饋和反饋的各自優(yōu)點(diǎn)。定值控制系統(tǒng) 定值控制系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最多的一種過程控制系統(tǒng)。 在運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)被控量（溫度

7、、壓力、流量、液位、成分等）的給定值是固定不變的。 有時(shí)可在規(guī)定的小范圍附近不變。 隨動(dòng)控制系統(tǒng) 隨動(dòng)控制系統(tǒng)是一種被控量的給定值隨時(shí)間任意變化的控制系統(tǒng)。如鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中，要求空氣量隨燃料量的變化而變化，以保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性。 其主要作用是克服一切擾動(dòng)，使被控量隨時(shí)跟蹤給定值。 一般意義上的隨動(dòng)控制系統(tǒng)（Following Control System）是指位置隨動(dòng)系統(tǒng)，如火炮、導(dǎo)彈的位置跟蹤等。例題1 如圖是乙烯裂解氣溫度控制系統(tǒng)。采用液態(tài)丙烯，使其汽化吸收熱量以冷卻乙烯裂解氣。調(diào)節(jié)氣態(tài)丙烯流量使溫度控制在（151.5）。TTTC乙烯裂解氣丙烯冷卻器氣態(tài)丙烯液態(tài)丙烯例題1 指出系統(tǒng)中被控

8、過程、被控參數(shù)和控制參數(shù)各是什么？ 試畫出該控制系統(tǒng)的組成方塊圖。 試比較示意圖和方塊圖，說明控制參數(shù)的信號(hào)流向與物料的實(shí)際流動(dòng)方向不同。 例題1 被控過程為丙烯冷卻器；被控參數(shù)為乙烯裂解氣的出口溫度；控制參數(shù)為氣態(tài)丙烯的流量。 在示意圖中，氣態(tài)丙烯的流向是由丙烯冷卻器流出。而在方塊圖中，氣態(tài)丙烯作為控制參數(shù)，其信號(hào)的流向是指向丙烯冷卻器的。 控制器執(zhí)行器丙烯冷卻器擾動(dòng)裂解氣溫度溫度給定測(cè)量變送-例題2 列管式換熱器，工藝要求出口物料溫度保持恒定。 如果保持物料入口流量和蒸汽流量基本恒定，則溫度的波動(dòng)將會(huì)減小到工藝允許的誤差范圍內(nèi)。 故分別設(shè)計(jì)了物料入口流量和蒸汽流量?jī)蓚€(gè)控制系統(tǒng)，以保持出口物

9、料溫度恒定。 例題2對(duì)于物料入口流量和蒸汽流量而言，系統(tǒng)均為閉環(huán)控制系統(tǒng)。而從“出料溫度”這個(gè)被控參數(shù)角度來說，該控制系統(tǒng)為開環(huán)控制系統(tǒng)。 教材及主要參考資料教材：陳夕松等，過程控制系統(tǒng)M，科學(xué)出版社，2005主要參考資料：王樹青等，工業(yè)過程控制工程M，化學(xué)工業(yè)出版社，2003何衍慶， 工業(yè)生產(chǎn)過程控制M，化學(xué)工業(yè)出版社，2004C u r t i s J o h n s o n ， P r o c e s s C o n t r o l Instrumentation Technology(6th)，Pearson Education先修課程 本課程是自動(dòng)化專業(yè)的主干課程，其先修課程主要包括

10、：檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)、電力電子技術(shù)、電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)、微機(jī)原理及接口技術(shù)、低壓電器及PLC和自動(dòng)控制原理等。 只有在掌握上述課程相關(guān)知識(shí)后，學(xué)習(xí)本專業(yè)課才會(huì)得心應(yīng)手，融會(huì)貫通。 主要內(nèi)容 過程控制性能指標(biāo) 過程控制技術(shù)的發(fā)展 過程控制的地位 過程控制的任務(wù)過程控制系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià) 一個(gè)性能良好的過程控制系統(tǒng)，在受到外來擾動(dòng)作用或給定值發(fā)生變化后，應(yīng)能迅速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確地達(dá)到或趨近給定值。 過程控制系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)可概括為： 系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的（最重要、最基本的需求?。?系統(tǒng)應(yīng)提供盡可能優(yōu)良的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)（靜態(tài)指標(biāo)）； 系統(tǒng)應(yīng)提供盡可能優(yōu)良的過渡過程（動(dòng)態(tài)指標(biāo)）。決定過程控制系統(tǒng)性能的因素 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（單回

11、路、串級(jí)、前饋-反饋控制等）； 各組成環(huán)節(jié)特性：被控過程特性（滯后、非線性、時(shí)變性和耦合特性）；檢測(cè)環(huán)節(jié)特性（非線性、間接測(cè)量）；執(zhí)行環(huán)節(jié)特性（非線性）；控制器特性。當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和上述三個(gè)環(huán)節(jié)都確定后，控制器特性是決定控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的唯一因素。這就是參數(shù)整定（Tuning）。性能指標(biāo)的確定和分析方法 過程控制系統(tǒng)性能指標(biāo)應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝過程的實(shí)際需要來確定。需同時(shí)注意靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。 分析方法： 1.階躍響應(yīng)性能指標(biāo)，系統(tǒng)工程整定時(shí)采用； 2.偏差積分性能指標(biāo)，計(jì)算機(jī)仿真或理論分析時(shí)采用。階躍擾動(dòng)作用下控制系統(tǒng)過渡過程曲線 (a)發(fā)散振蕩過程 (b)非振蕩發(fā)散過程 (c)等幅振蕩過程 (d)

12、 衰減振蕩過程 (e) 非振蕩衰減過程給定值階躍變化時(shí)過渡過程的典型曲線 y(t)ry() y(tp)B1B2 tp tst5%靜態(tài)性能指標(biāo) 穩(wěn)態(tài)誤差是描述系統(tǒng)靜態(tài)性能的唯一指標(biāo)。 指系統(tǒng)過渡過程終了時(shí)給定值與被控參數(shù)穩(wěn)態(tài)值之差： 一般要求穩(wěn)態(tài)誤差為零或越小越好。 )(yress動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 生產(chǎn)過程中干擾無時(shí)不在，控制系統(tǒng)時(shí)時(shí)刻刻都處在一種頻繁的、不間斷的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程中。所以，在過程控制中，了解或研究控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)比其靜態(tài)更為重要、更有意義。 描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)主要包括： 1.衰減比 2.超調(diào)量 3.過渡過程時(shí)間衰減比 衡量系統(tǒng)過渡過程穩(wěn)定性的一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)： 一般取衰減比為4:110:1。其中

13、4:1衰減比常作為評(píng)價(jià)過渡過程動(dòng)態(tài)性能的一個(gè)理想指標(biāo)。對(duì)于緩慢變化過程，可取到10:1。21BBn 超調(diào)量與過渡過程時(shí)間 超調(diào)量： 過渡過程時(shí)間ts指系統(tǒng)從受擾動(dòng)作用時(shí)起，直到被控參數(shù)進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)值5%（或2%）的范圍內(nèi)所經(jīng)歷的時(shí)間。 要求 、ts應(yīng)越小越好。y(t)ry() y(tp)B1B2 tp tst5%100)()()(yytyp性能指標(biāo)之間的關(guān)系 有些指標(biāo)之間是相互矛盾的（如超調(diào)量與過渡過程時(shí)間）。 對(duì)于不同的過程控制系統(tǒng)，性能指標(biāo)各有其重要性。 應(yīng)根據(jù)工藝生產(chǎn)的具體要求，分清主次，統(tǒng)籌兼顧，保證優(yōu)先滿足主要的性能指標(biāo)要求。 例題1 某發(fā)酵過程工藝規(guī)定操作溫度為405。 試確定該系

14、統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差、衰減比、超調(diào)量和過渡過程時(shí)間。 40414245T/ Ct/min18523。例題1 穩(wěn)態(tài)誤差ess=41-40=1 衰減比 第一個(gè)波峰值=45-41=4；第二個(gè)波峰值=42-41=1 超調(diào)量=（45-41）/41=9.75% 過渡過程時(shí)間=23min（誤差帶為2%）。 1:421BBn偏差絕對(duì)值積分 偏差絕對(duì)值積分IAE（Integral of Absolute Error） 適用于衰減和無靜差系統(tǒng)，不易用分析方法來求值，但用計(jì)算機(jī)計(jì)算很方便。 min)(0dtteJ偏差絕對(duì)值與時(shí)間乘積的積分（ITAE） 偏差絕對(duì)值與時(shí)間乘積的積分ITAE（Integral of Time a

15、nd Absolute Error） 用以降低初始大誤差對(duì)性能指標(biāo)的影響；同時(shí)強(qiáng)調(diào)了過渡過程后期的誤差對(duì)指標(biāo)的影響，著重懲罰過渡過程拖得過長(zhǎng)。 min)(0dttetJ偏差平方值積分（ ISE） 偏差平方值積分ISE（ Integral of Squared Error） 該性能指標(biāo)著重于抑制過渡過程中的大誤差。min)(02dtteJ時(shí)間乘偏差平方積分（ITSE） 時(shí)間乘偏差平方積分ITSE（Integral of Time and Squared Error） 著重懲罰過渡過程拖得過長(zhǎng)和大誤差。min)(02dttteJ階躍響應(yīng)與偏差積分性能指標(biāo)的比較 階躍響應(yīng)性能指標(biāo)中各單項(xiàng)指標(biāo)清晰明了

16、，但如何統(tǒng)籌（兼顧偏差和時(shí)間），則比較困難。 偏差積分性能指標(biāo)可綜合偏差和時(shí)間關(guān)系，即可以兼顧衰減比、超調(diào)量和過渡過程時(shí)間等各單項(xiàng)指標(biāo)，屬于綜合性能指標(biāo)。 一般來說，階躍響應(yīng)性能指標(biāo)便于工程整定，在工程應(yīng)用中使用廣泛；而偏差積分性能指標(biāo)則更便于計(jì)算機(jī)仿真和理論分析。 過程控制技術(shù)的發(fā)展 過程控制儀表的發(fā)展 計(jì)算機(jī)在過程控制中的應(yīng)用及發(fā)展 過程控制理論的發(fā)展 我國(guó)過程控制技術(shù)的發(fā)展過程控制儀表的發(fā)展 年代年代工業(yè)發(fā)展?fàn)顩r工業(yè)發(fā)展?fàn)顩r儀表技術(shù)儀表技術(shù)2020世紀(jì)世紀(jì)5050年代年代化工、冶金、造紙等規(guī)模較小化工、冶金、造紙等規(guī)模較小電子管時(shí)代電子管時(shí)代儀表信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)：儀表信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)：2020100kP

17、a100kPa氣動(dòng)信號(hào)氣動(dòng)信號(hào)基地式儀表基地式儀表氣動(dòng)單元組合式儀表氣動(dòng)單元組合式儀表氣動(dòng)儀表控制器氣動(dòng)儀表控制器2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代年代分立元件的半導(dǎo)體技術(shù)分立元件的半導(dǎo)體技術(shù)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)大型電站大型電站過程工業(yè)大型化過程工業(yè)大型化電動(dòng)儀表開始使用，電動(dòng)儀表開始使用，DDZ-DDZ-型，型，0 010mA10mA儀表控制室儀表控制室電動(dòng)單元組合式儀表電動(dòng)單元組合式儀表DDCDDC2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代年代集成電路技術(shù)集成電路技術(shù)微處理器微處理器工業(yè)現(xiàn)代化工業(yè)現(xiàn)代化微機(jī)廣泛使用微機(jī)廣泛使用DDZ-DDZ-型，信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)：型，信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)：4 420mA20mACADCAD機(jī)器人機(jī)器人D

18、CSDCS，PLCPLC2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代年代辦公自動(dòng)化辦公自動(dòng)化數(shù)字化技術(shù)數(shù)字化技術(shù)通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)數(shù)字化智能化儀表數(shù)字化智能化儀表各種通信協(xié)議，各種通信協(xié)議，RS232/485/422RS232/485/422等等DCSDCS功能擴(kuò)展功能擴(kuò)展2020世紀(jì)世紀(jì)9090年代年代智能控制智能控制工業(yè)控制高要求工業(yè)控制高要求現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線分析儀器的在線應(yīng)用分析儀器的在線應(yīng)用計(jì)算機(jī)在過程控制中的應(yīng)用及發(fā)展 年代年代計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代年代計(jì)算機(jī)開始應(yīng)用于自動(dòng)控制計(jì)算機(jī)開始應(yīng)用于自動(dòng)控制集中控制及直接數(shù)字控制（集中控制及直接數(shù)字控制（DDCD

19、DC）2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代年代微型計(jì)算機(jī)產(chǎn)生微型計(jì)算機(jī)產(chǎn)生微處理機(jī)技術(shù)用于工業(yè)控制微處理機(jī)技術(shù)用于工業(yè)控制集散控制系統(tǒng)（集散控制系統(tǒng)（DCSDCS）產(chǎn)生）產(chǎn)生小型機(jī)開始在企業(yè)管理中應(yīng)用小型機(jī)開始在企業(yè)管理中應(yīng)用2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代年代微機(jī)在企業(yè)管理信息系統(tǒng)（微機(jī)在企業(yè)管理信息系統(tǒng)（MISMIS）中應(yīng)用）中應(yīng)用DCSDCS在過程控制中推廣應(yīng)用在過程控制中推廣應(yīng)用先進(jìn)控制技術(shù)在工業(yè)上應(yīng)用先進(jìn)控制技術(shù)在工業(yè)上應(yīng)用2020世紀(jì)世紀(jì)9090年代年代工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化（工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化（PAPA），工廠自動(dòng)化（），工廠自動(dòng)化（FAFA）計(jì)算機(jī)集成過程控制系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)集成過程控制系統(tǒng)（CI

20、PSCIPS）企業(yè)資源規(guī)劃（企業(yè)資源規(guī)劃（ERPERP）現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展（現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展（Field BusField Bus）管控一體化技術(shù)（管控一體化技術(shù)（MCISMCIS）優(yōu)化控制軟件包優(yōu)化控制軟件包過程控制理論的發(fā)展 上世紀(jì)40年代至60年代，經(jīng)典控制理論為主。 60年代后，現(xiàn)代控制理論在生產(chǎn)過程控制中得到了越來越多的應(yīng)用。 數(shù)學(xué)上比較完美的現(xiàn)代控制理論，在過程控制的實(shí)際應(yīng)用中卻存在較大的問題，因?yàn)樗蕾囉诒豢貙?duì)象的數(shù)學(xué)模型。 近年來，控制理論界已形成一個(gè)包括智能控制等在內(nèi)的多角度、多方位的研究態(tài)勢(shì)。 目前，在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，90以上還是采用PID控制算法！我國(guó)過程控制技術(shù)的發(fā)展

21、 上世紀(jì)50年代末期，主要采用機(jī)械式和氣動(dòng)儀表； 60年代廣泛采用型電動(dòng)單元組合儀表； 70年代中期，型電動(dòng)單元組合儀表成為過程檢測(cè)和控制的主流產(chǎn)品； 80年代初，開始采用型電動(dòng)單元組合儀表 ，相繼引進(jìn)了分布式控制系統(tǒng)（DCS）、可編程序控制器（PLC）和工業(yè)PC機(jī)（IPC）等。 目前，控制系統(tǒng)以DCS和PLC-SCADA系統(tǒng)為主。我國(guó)已有DCS、PLC的研發(fā)和生產(chǎn)能力。當(dāng)前過程控制的幾個(gè)發(fā)展方向 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS PLC-SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用研究 遠(yuǎn)程監(jiān)督與控制 智能控制應(yīng)用研究 過程控制與管理信息集成過程控制與運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)系 過程控制（Process Control）和運(yùn)動(dòng)控制（Mo

22、tion Control）是自動(dòng)化專業(yè)的主干課程。 二者的區(qū)別在于控制對(duì)象有所不同： 過程控制研究化工、石油、冶金、發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、物位、成份等變量的控制； 而運(yùn)動(dòng)控制研究速度和位置控制，如數(shù)控機(jī)床、航空航天、機(jī)器人等等。 可見，過程控制所涉及的行業(yè)面廣，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中占有極其重要的地位。過程控制的重要地位 過程控制可提高產(chǎn)量、節(jié)能降耗、安全生產(chǎn)、減少環(huán)境污染，對(duì)提高經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益具有非常重要的意義。 目前，我國(guó)還有許多工業(yè)生產(chǎn)過程仍然處于手動(dòng)或半自動(dòng)狀態(tài)，操作水平較低，穩(wěn)定性差，效益不佳，存在很大的生產(chǎn)技術(shù)改造空間。采用過程控制及信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，

23、實(shí)施生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制和管理，已成為當(dāng)務(wù)之急。過程控制的主要任務(wù) 過程控制的主要任務(wù)是使生產(chǎn)過程達(dá)到安全、平穩(wěn)、優(yōu)質(zhì)、高效（高產(chǎn)、低耗）。 作為過程控制的最基本目標(biāo)是使生產(chǎn)過程克服一切擾動(dòng)，安全（越限報(bào)警、聯(lián)鎖）并平穩(wěn)地進(jìn)行。 工業(yè)生產(chǎn)過程中的擾動(dòng) 工業(yè)生產(chǎn)過程的擾動(dòng)作用使得生產(chǎn)過程不穩(wěn)定，主要有： 原材料的特性變化； 產(chǎn)品質(zhì)量與規(guī)格的變化； 生產(chǎn)設(shè)備特性的漂移； 裝置與裝置或工廠與工廠之間的關(guān)聯(lián)等。 在流程工業(yè)中，物料流與能量流在各裝置之間或工廠之間有著緊密的關(guān)系，由于前后的聯(lián)結(jié)調(diào)度等原因，往往要求生產(chǎn)過程的運(yùn)行作出相應(yīng)的改變，以滿足整個(gè)生產(chǎn)過程物料與能量的平衡。 一個(gè)局部的擾動(dòng)，往往會(huì)在整

24、個(gè)生產(chǎn)過程中傳播開來。 過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 工業(yè)生產(chǎn)過程多種多樣，非常復(fù)雜。因此，在設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)時(shí)，必須花大量的時(shí)間和精力了解該工業(yè)生產(chǎn)過程的基本原理、操作過程和過程特性，這是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的首要條件。這就要求從事過程控制的技術(shù)人員必須與工藝人員充分交流。 控制技術(shù)人員根據(jù)工藝特點(diǎn)，制定控制方案?？刂品桨冈O(shè)計(jì)包括合理選擇被控參數(shù)和控制參數(shù)、被控參數(shù)的測(cè)量變送、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇、控制規(guī)律的選取以及控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。 過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 一個(gè)完整的過程控制系統(tǒng)從設(shè)計(jì)到投運(yùn)，應(yīng)包括方案設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)、工程安裝與儀表調(diào)校以及控制器參數(shù)整定等主要內(nèi)容。 其中，控制方案設(shè)

25、計(jì)和控制器參數(shù)整定則是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的兩個(gè)核心內(nèi)容！ 如果控制方案設(shè)計(jì)不正確，僅憑控制器參數(shù)的整定，則不可能獲得好的控制質(zhì)量；反之，若控制方案設(shè)計(jì)正確，但控制器參數(shù)整定得不合適，也不能使控制系統(tǒng)保持在最佳狀態(tài)。 一個(gè)不當(dāng)?shù)目刂品桨冈O(shè)計(jì)舉例目標(biāo)：破碎過程，腔內(nèi)料位需要穩(wěn)定。問題：給礦皮帶長(zhǎng)，給礦機(jī)礦量改變后傳輸?shù)狡扑闄C(jī)時(shí)間長(zhǎng)。僅測(cè)破碎腔內(nèi)料位，改變給礦機(jī)頻率，料位波動(dòng)很大。必須設(shè)計(jì)成串級(jí)控制！一個(gè)需要串級(jí)控制而設(shè)計(jì)成單回路控制的系統(tǒng)，是無法滿足工藝指標(biāo)要求的！第二章 過程檢測(cè)儀表 溫度、壓力、液位、流量、成分等參數(shù)測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí)； 了解儀表的組成和信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)； 測(cè)量的接線方式和相互關(guān)聯(lián)和區(qū)別； 過程控

26、制中儀表的防爆知識(shí)； 測(cè)量誤差和數(shù)字濾波的方法； 軟測(cè)量技術(shù)的基本概念； 盡量避免和檢測(cè)技術(shù)課程內(nèi)容的交叉和重疊。本次課主要內(nèi)容 檢測(cè)儀表功能及組成 氣動(dòng)和電動(dòng)儀表信號(hào)標(biāo)準(zhǔn) 測(cè)量誤差、真值、精度 測(cè)量變送中的幾個(gè)主要問題 測(cè)量信號(hào)的處理 數(shù)字濾波本節(jié)內(nèi)容在整個(gè)課程中的位置 過程控制的“眼睛”； 許多過程控制系統(tǒng)不能長(zhǎng)期使用的主要原因就在于傳感器故障！檢測(cè)儀表功能及組成 功能：用于確定被控變量的當(dāng)前值。 組成：1.傳感器（sensor）：檢測(cè)儀表中的首要部件，它直接與被測(cè)對(duì)象發(fā)生聯(lián)系（但不一定直接接觸）。感受被測(cè)參數(shù)的變化，并發(fā)出與之相適應(yīng)的電量或非電量信號(hào) ，也稱為一次儀表 。 2.變送器（t

27、ransmitter）：將傳感器送來的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、放大、整形、濾波等處理后，調(diào)制成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，并輸出給控制器采樣或進(jìn)行模擬、數(shù)字顯示，也稱為二次儀表 。有時(shí)也將傳感器和變送電路統(tǒng)稱為傳感器。 變送器的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn) 電動(dòng)儀表：4-20mA，DC（遠(yuǎn)距離）；1-5V，DC（柜內(nèi)傳輸） 氣動(dòng)儀表：20-100Kpa 除變送器外，控制器和執(zhí)行器的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)也如此！對(duì)傳感器的三個(gè)要求 1.高準(zhǔn)確性，傳感器的輸出信號(hào)與被測(cè)參數(shù)成嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 2.高穩(wěn)定性，不受時(shí)間或環(huán)境溫度變化等因素的影響。 3.高靈敏度，被測(cè)參數(shù)微小變化時(shí)，輸出量變化明顯。 過程檢測(cè)儀表的接線方式 電流二線制和四線制 電阻三線制

28、 現(xiàn)場(chǎng)總線方式 電流二線制、四線制 二線制線路簡(jiǎn)單，節(jié)省電纜； 四線制儀表的工作電源可為直流，也可為交流。 電阻三線制 若僅采用兩根導(dǎo)線將熱電阻接入電橋，將會(huì)由于遠(yuǎn)距離連接導(dǎo)線的電阻而引入誤差。為防止由于遠(yuǎn)距離接線而造成橋臂不平衡，工程中大量采用三線制：接兩根電橋線和一根電源線（左圖）或接三根電橋線 （右圖）現(xiàn)場(chǎng)總線（Field Bus)方式 以HART為例，在一條電纜上同時(shí)傳輸直流420mA的模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。 在直流420mA基礎(chǔ)上疊加幅值為0.5mA的正弦調(diào)制波作為數(shù)字信號(hào)，1200Hz頻率代表邏輯“1”,2200Hz頻率代表邏輯“0”。 詳見第九章。檢測(cè)儀表的發(fā)展方向 目前，自動(dòng)化儀

29、表及裝置向著數(shù)字化、模塊化、高精度化、小型化和智能化的方向發(fā)展，智能化是最重要的特點(diǎn)。 與常規(guī)儀表相比，智能儀表：測(cè)量精度高；通信功能（現(xiàn)場(chǎng)總線）；遠(yuǎn)程標(biāo)定；自診斷功能等。測(cè)量誤差與真值 測(cè)量誤差：測(cè)量值與真值之間存在的差別。 真值：一個(gè)變量本身所具有的真實(shí)值，它是一個(gè)理想的概念，一般是無法得到的。 在計(jì)算誤差時(shí)，一般用約定真值或相對(duì)真值來代替。 約定真值與相對(duì)真值 約定真值：一個(gè)接近真值的值，它與真值之差可忽略不計(jì)。實(shí)際測(cè)量中以在沒有系統(tǒng)誤差的情況下，足夠多次的測(cè)量值之平均值作為約定真值。 相對(duì)真值：指當(dāng)高一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)器的誤差僅為低一級(jí)的1/3以下時(shí)，可認(rèn)為高一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)器或儀表示值為低一級(jí)的相對(duì)

30、真值。 儀表絕對(duì)誤差 絕對(duì)誤差的實(shí)質(zhì)，是儀表讀數(shù)與被測(cè)參數(shù)真實(shí)值之差。 儀表的絕對(duì)誤差只能是讀數(shù)與約定真值或相對(duì)真值之差。 AM 絕對(duì)誤差； M儀表讀數(shù)； A約定真值或相對(duì)真值。儀表相對(duì)誤差與引用誤差 相對(duì)誤差：儀表的絕對(duì)誤差與真值的百分比。 引用誤差：絕對(duì)誤差與儀表量程的百分比： %100Xm儀表的基本誤差和附加誤差 基本誤差指在儀表制造廠規(guī)定使用條件下的相對(duì)誤差。規(guī)定使用條件包括：溫度、相對(duì)濕度、電源電壓、安裝方式等。 附加誤差是儀表在非規(guī)定的參比工作條件下使用時(shí)另外產(chǎn)生的誤差，如電源波動(dòng)附加誤差，溫度附加誤差等。儀表精度等級(jí) 又稱準(zhǔn)確度級(jí)，是按國(guó)家統(tǒng)一規(guī)定的允許誤差大小劃分成的等級(jí)。我國(guó)

31、儀表精度等級(jí)有：0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.35、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0等。級(jí)數(shù)越小，精度（準(zhǔn)確度）就越高。工業(yè)控制用儀表多在0.14.0級(jí)，控制用儀表對(duì)精度要求較計(jì)量用儀表低。儀表的精度等級(jí)應(yīng)視工藝需求而定，不能片面追求高精度。例題1 某壓力表刻度0100kPa，在50kPa處測(cè)量值為49.5kPa，求在50kPa處儀表示值的絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差和引用誤差？ 例題1 儀表的絕對(duì)誤差： 儀表的相對(duì)誤差： 儀表的引用誤差： kpa5 . 05 .4950%1%100505 .0%5 . 0%1001005 . 0m例題2 某換熱器的溫度控制系統(tǒng)方塊圖

32、如圖。系統(tǒng)的被控參數(shù)為出口物料溫度，要求保持在（20020），控制參數(shù)為加熱蒸汽的流量。 說明圖中R、E、Q、C、F所代表的專業(yè)術(shù)語內(nèi)容。 說明Z、I、P的信號(hào)范圍。 氣動(dòng)執(zhí)行器的輸入、輸出各是什么物理量？ 例題2R為給定值，E為偏差（E=R-Z），Q為控制參數(shù)，C為被控參數(shù)，F(xiàn)為干擾。 Z的信號(hào)范圍為420mA DC，I的信號(hào)范圍也為420mA DC，P的信號(hào)范圍為20100kPa。 氣動(dòng)執(zhí)行器的輸入信號(hào)為20100kPa的氣壓信號(hào)，輸出信號(hào)為加熱蒸汽的流量。 傳感器選用原則 傳感器的類型 測(cè)量原理 量程大小 接線方式 頻率響應(yīng)特性 精度等級(jí) 傳感器的來源傳感器使用中需注意的問題 信號(hào)滯后問

33、題 傳輸距離問題 信號(hào)抗干擾處理 傳感器的定期維護(hù)問題信號(hào)滯后問題 純滯后問題，由于測(cè)量元件安裝位置不當(dāng)及測(cè)量?jī)x表本身特性等容易引入純滯后，應(yīng)力求避免。 測(cè)量滯后問題，主要由測(cè)量元件本身的特性造成。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能選用快速測(cè)量元件。 多路循環(huán)測(cè)量時(shí)，應(yīng)保證每路信號(hào)控制的實(shí)時(shí)性。傳感器信號(hào)傳輸距離問題 電流信號(hào)較電壓信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)； 不同電流信號(hào)傳輸距離視變送器帶載能力而定，帶載能力一般在250-750之間； 采用通信方式時(shí)，信號(hào)有時(shí)需加轉(zhuǎn)換器或中繼器（Repeater）以延長(zhǎng)傳輸距離。測(cè)量信號(hào)的濾波處理 過程控制系統(tǒng)中，測(cè)量信號(hào)往往帶有噪聲； 除傳感器本身需考慮抗干擾處理外，

34、還可以采用控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行數(shù)字濾波處理。數(shù)字濾波 數(shù)字濾波即程序?yàn)V波，通過計(jì)算機(jī)軟件（運(yùn)算與判斷）濾去干擾信號(hào)，提高信號(hào)的真實(shí)性。 在計(jì)算機(jī)中常采用數(shù)字濾波消除低頻干擾。 常用的數(shù)字濾波有如下幾種：1.算術(shù)平均值濾波2.程序判斷濾波3.中位值法濾波4.一階慣性濾波 算術(shù)平均值濾波 又稱為遞推平均濾波，對(duì)周期性等幅振蕩的干擾有較明顯的濾波效果。 niiiXnY11一個(gè)實(shí)際的PLC算術(shù)平均法濾波 歐姆龍（OMRON）C200系列PLC程序程序判斷濾波 當(dāng) 時(shí)，則Xi為輸入計(jì)算機(jī)的采樣值。 當(dāng) 時(shí)，應(yīng)將Xi-1采樣值作為第i次采樣值輸入計(jì)算機(jī)。 B值的選擇主要決定于對(duì)象的被測(cè)參數(shù)的變化速度 BXXi

35、i 1BXXii1中位值法濾波 連續(xù)采樣三次以上的被測(cè)值，從中選擇大小居中的那個(gè)值作為有效的測(cè)量信號(hào) 適用場(chǎng)合：對(duì)變化速度不太快的參數(shù)，去掉其干擾脈沖。 一階慣性濾波 實(shí)質(zhì)上是通過計(jì)算機(jī)的算式來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的RC低通濾波 11)()(sTsXsYf一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)一階慣性濾波的PLC程序 西門子（SIEMENS）S7-300系列PLC程序數(shù)字濾波使用時(shí)注意的問題 根據(jù)具體情況選擇采用。在實(shí)際應(yīng)用中，一般先對(duì)采樣值進(jìn)行程序判斷濾波，然后再應(yīng)用算術(shù)平均濾波或一階慣性濾波等方法處理； 應(yīng)保證測(cè)量值的實(shí)時(shí)性（Real Time）和真實(shí)性。 對(duì)于存在較大干擾的信號(hào)，應(yīng)從干擾抑制上考慮，而不是僅僅濾波！傳感器的維

36、護(hù)問題 工業(yè)用儀表要定期進(jìn)行校驗(yàn)或標(biāo)定，校正零點(diǎn)和量程； 可結(jié)合過程控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行斷線、越限等異常報(bào)警。 要根據(jù)具體儀表的使用要求定期維護(hù)，特別是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴的關(guān)鍵儀表，如在線成分分析儀表等。主要內(nèi)容 安全防爆基礎(chǔ) 溫度檢測(cè)熱電偶熱電阻 測(cè)溫元件的選型及安裝安全防爆 在石油、化工等多個(gè)行業(yè)，大量存在含有易燃易爆材料的場(chǎng)合（危險(xiǎn)區(qū)域），如原油及其衍生物、酒精、天然氣、金屬屑、粉塵、纖維、飛揚(yáng)物等等。 安全防爆是一項(xiàng)綜合性技術(shù)，與過程控制關(guān)系密切。 安全防爆意義重大。危險(xiǎn)區(qū)分類類類 別別級(jí)別級(jí)別說說 明明一、氣體和一、氣體和蒸汽爆炸危蒸汽爆炸危險(xiǎn)環(huán)境險(xiǎn)環(huán)境0 0區(qū)區(qū) 連續(xù)地出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)

37、境，或預(yù)計(jì)會(huì)長(zhǎng)期出現(xiàn)或頻連續(xù)地出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境，或預(yù)計(jì)會(huì)長(zhǎng)期出現(xiàn)或頻繁出現(xiàn)爆炸性氣體的環(huán)境區(qū)域繁出現(xiàn)爆炸性氣體的環(huán)境區(qū)域1 1區(qū)區(qū) 在正常操作時(shí)，預(yù)計(jì)會(huì)周期性地（或偶然的）出現(xiàn)爆在正常操作時(shí)，預(yù)計(jì)會(huì)周期性地（或偶然的）出現(xiàn)爆炸性氣體的環(huán)境區(qū)域，也可能是短時(shí)存在的環(huán)境區(qū)域炸性氣體的環(huán)境區(qū)域，也可能是短時(shí)存在的環(huán)境區(qū)域2 2區(qū)區(qū) 在正常操作時(shí)，預(yù)計(jì)不會(huì)出現(xiàn)爆炸性氣體的環(huán)境，即在正常操作時(shí)，預(yù)計(jì)不會(huì)出現(xiàn)爆炸性氣體的環(huán)境，即使出現(xiàn)爆炸性氣體，也只是短時(shí)間存在的場(chǎng)所使出現(xiàn)爆炸性氣體，也只是短時(shí)間存在的場(chǎng)所二、粉塵爆二、粉塵爆炸危險(xiǎn)環(huán)境炸危險(xiǎn)環(huán)境1010區(qū)區(qū) 連續(xù)地出現(xiàn)爆炸性粉塵混合物，或預(yù)計(jì)會(huì)長(zhǎng)期出現(xiàn)

38、或連續(xù)地出現(xiàn)爆炸性粉塵混合物，或預(yù)計(jì)會(huì)長(zhǎng)期出現(xiàn)或頻繁出現(xiàn)爆炸性粉塵混合物的環(huán)境區(qū)域頻繁出現(xiàn)爆炸性粉塵混合物的環(huán)境區(qū)域1111區(qū)區(qū) 有時(shí)會(huì)將積留下的粉塵揚(yáng)起而偶然形成爆炸性粉塵混有時(shí)會(huì)將積留下的粉塵揚(yáng)起而偶然形成爆炸性粉塵混合物的環(huán)境區(qū)域合物的環(huán)境區(qū)域可燃物的燃點(diǎn)和閃點(diǎn)爆炸的形成，與可燃物的燃點(diǎn)、閃點(diǎn)密切有關(guān)。 燃點(diǎn)指可燃物受熱發(fā)生自燃的最低溫度。達(dá)到這一溫度，可燃物質(zhì)與空氣接觸，不需要明火作用，就能自行燃燒。 燃點(diǎn)越低，發(fā)生起火的危險(xiǎn)性越大。如汽油的燃點(diǎn)為220oC。 閃點(diǎn)是易燃物或可燃液體揮發(fā)出的蒸氣與空氣形成混合物后，遇火源發(fā)生燃燒的最低溫度。如汽油閃點(diǎn)39oC。安裝在危險(xiǎn)區(qū)的電子儀表（傳

39、感器、執(zhí)行器或控制器），其表面溫度必須受限，并避免產(chǎn)生火花。防爆技術(shù) 為了確保電子設(shè)備在危險(xiǎn)場(chǎng)所安全使用，發(fā)展了多種防爆技術(shù)： 隔爆型（ d） 本安型（ i ） 正壓型（） 油浸型（） 充砂型（） 各種防爆技術(shù)規(guī)范由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制規(guī)定，不同的防爆技術(shù)適用于不同的場(chǎng)合。 隔爆型“” 把設(shè)備可能點(diǎn)燃爆炸性氣體混合物的部件全部封閉在一個(gè)外殼內(nèi)； 其外殼能夠承受通過外殼任何接合面或結(jié)構(gòu)間隙，滲透到殼內(nèi)的可燃性混合物在內(nèi)部爆炸而不損壞；并且不會(huì)引起外部由一種、多種氣體或蒸汽形成的爆炸性環(huán)境的點(diǎn)燃，從而達(dá)到隔爆目的。 適用于1區(qū)和2區(qū)。 本安型“” 設(shè)備內(nèi)部的所有電路在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定條件下，產(chǎn)生的任何電火花或任何

40、熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸性氣體。 從限制電路中的能量入手，通過可靠的控制電路參數(shù)將潛在的火花能量降低到可點(diǎn)燃規(guī)定的氣體混合物能量以下，導(dǎo)線及元件表面發(fā)熱溫度限制在規(guī)定的氣體混合物的點(diǎn)燃溫度之下。 該防爆型式只能應(yīng)用于弱電設(shè)備中（控制器、傳感器等）。適用于0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)。 安裝在安全區(qū)（如控制室內(nèi)）的非防爆型儀表，需經(jīng)防爆安全柵與安裝在危險(xiǎn)區(qū)的本安儀表聯(lián)接。防爆安全柵 安全柵安裝在安全場(chǎng)所，一方面?zhèn)鬏斝盘?hào)，另一方面將流入危險(xiǎn)場(chǎng)所的能量控制在爆炸性氣體或混合物的點(diǎn)火能量以下。發(fā)生故障時(shí)，安全柵能將串入到故障儀表的能量限制在安全值以內(nèi)，從而確保現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、人員和生產(chǎn)的安全。分為齊納式安全柵與隔離式

41、安全柵兩種。齊納式安全柵與隔離式安全柵 齊納式（Zener）安全柵，通過快速熔斷絲和限壓、限流電路實(shí)現(xiàn)能量限制作用。隔離式安全柵，使用較多的是隔離變壓器式安全柵。與齊納式安全柵相比，隔離式安全柵具有如下突出優(yōu)點(diǎn)： 隔離式安全柵的電源、信號(hào)輸入、信號(hào)輸出均通過變壓器耦合，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸入、輸出完全隔離。 通用性強(qiáng)，可以在危險(xiǎn)區(qū)或安全區(qū)認(rèn)為合適的任何一方接地； 隔離式安全柵由于信號(hào)完全浮空，大大增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾能力。儀表防爆標(biāo)志示例 ExdBT6 Ex：防爆儀表 d: 隔爆型 B： 指工廠用儀表（指煤礦用儀表）。 類又分 A（丙烷等）、 B（乙烯等）和C（氫氣、乙炔等） T6：85 （根據(jù)自燃溫度T

42、將易燃性氣體或蒸汽混合物分為450、300、200、135、100和85 。）安全防爆的其他考慮 靜電處理，如油庫(kù)設(shè)施的油罐、管道、卸油臺(tái)、加油柱應(yīng)可靠接地。 防雷擊處理，在易燃易爆生產(chǎn)場(chǎng)所應(yīng)安裝避雷設(shè)施（避雷針、SPD等）。 電纜連接及布線處理。 執(zhí)行器優(yōu)先選擇氣動(dòng)設(shè)備。 過程控制常見被控參數(shù) 常見被控參數(shù)： 溫度 壓力 流量 液位 成分 許多工業(yè)過程都可以直接或間接地以上述參數(shù)實(shí)現(xiàn)控制。溫度檢測(cè) 溫度是工業(yè)過程控制系統(tǒng)中最常用、最基本的一個(gè)物理量。 工業(yè)過程中常用溫標(biāo)為攝氏，但美國(guó)采用華氏，換算關(guān)系：32)(59)(00CtFt溫度測(cè)量方法及測(cè)量元件 接觸式和非接觸式 常用測(cè)量元件：熱電偶

43、熱電阻 半導(dǎo)體熱敏電阻集成溫度傳感器接觸式測(cè)溫 測(cè)溫方法： 膨脹式，基于物體受熱體積膨脹性質(zhì)； 熱電阻式，基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻隨溫度變化的性質(zhì)； 熱電偶式，基于熱電效應(yīng)。 特點(diǎn)：簡(jiǎn)單、可靠、精度高；測(cè)溫元件有時(shí)可能破壞被測(cè)介質(zhì)的溫度場(chǎng)或與被測(cè)介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；因受到耐高溫材料的限制，測(cè)溫上限有界。 非接觸式測(cè)溫 測(cè)溫方法：利用物體輻射能隨溫度變化的特性，如紅外式測(cè)溫。 特點(diǎn)：不會(huì)破壞被測(cè)介質(zhì)的溫度場(chǎng)，測(cè)溫上限原則上不受限制；可測(cè)運(yùn)動(dòng)體溫度，如軋鋼過程中鋼板表面溫度；易受被測(cè)物體熱輻射率及環(huán)境因素（物體與儀表間的距離、煙塵和水汽等）的影響。 熱電偶（Thermocouple） 工業(yè)過程中使用范圍

44、很廣的一種測(cè)溫元件。 特點(diǎn)：其熱電動(dòng)勢(shì)與溫度在小范圍內(nèi)基本上呈單值、線性關(guān)系；穩(wěn)定性好；測(cè)溫范圍寬，高溫?zé)犭娕紲y(cè)溫上限可達(dá)2800；精度較高。常用熱電偶型號(hào) 基本為定型生產(chǎn)，有標(biāo)準(zhǔn)化分度表。 常用型號(hào)：鉑銠30-鉑銠6熱電偶（也稱雙鉑銠熱電偶，分度號(hào)B）；測(cè)溫范圍300-1600。鉑銠10-鉑電偶（分度號(hào)S）；測(cè)溫范圍0-1300。鎳鉻-鎳硅（鎳鉻-鎳鋁，分度號(hào)K）熱電偶；測(cè)溫范圍-50-1000。熱電偶冷端溫度對(duì)被測(cè)溫度的影響 只有當(dāng)熱電偶冷端溫度T0保持不變時(shí)，熱電勢(shì)才是被測(cè)溫度T的單值函數(shù)： E(T，0) =E(T，T0) + E(T0，0) 所以，只有將冷端溫度保持為0，或者進(jìn)行一定的

45、修正才能得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。該過程稱為熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償。熱電偶冷端補(bǔ)償例題 用分度號(hào)為K的鎳鉻-鎳硅熱電偶測(cè)量溫度，在沒有采取冷端溫度補(bǔ)償?shù)那闆r下，顯示儀表指示值為500，而這時(shí)冷端溫度為60。試問：實(shí)際溫度應(yīng)為多少？如果熱端溫度不變，設(shè)法使冷端溫度保持在20，此時(shí)顯示儀表的指示值應(yīng)為多少？ 熱電偶冷端補(bǔ)償例題 顯示儀表指示值為500時(shí)，查表可得此時(shí)顯示儀表的實(shí)際輸入電勢(shì)為20.64mV，即 冷端溫度為60產(chǎn)生的電勢(shì)： 由23.076mV查表可得：t=557。即實(shí)際溫度為557。 mVEtEO436. 2)0 ,60()0 ,(mVttEO64.20),(mVtEttEtE076.2343

46、6. 264.20)0 ,(),()0 ,(00熱電偶冷端補(bǔ)償例題 當(dāng)熱端為557，冷端為20時(shí)，由于E（20，0）=0.798mV,故有： 查表可得顯示儀表指示值應(yīng)為538.4。 mVtEtEttE278.22798. 0076.23)0 ,()0 ,(),(00工業(yè)上冷端補(bǔ)償常用方法 冷端溫度修正法，包括：溫度修正法T=T+kT(k為修正系數(shù))熱電勢(shì)修正法（軟件查表法） 冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法，包括：冷端補(bǔ)償電橋法pn結(jié)補(bǔ)償法 若被測(cè)溫度較高（1000 ），而冷端在室溫范圍，可以忽略冷端的影響，即無需補(bǔ)償。熱電阻（RTD） 在中、低溫區(qū)，熱電偶輸出的熱電動(dòng)勢(shì)很??； 而在中、低溫區(qū)，用熱電阻比用

47、熱電偶做為測(cè)溫元件時(shí)的測(cè)量精確度更高； 熱電阻特點(diǎn)：性能穩(wěn)定、測(cè)量精度高，一般可在-270900范圍內(nèi)使用（推薦在150以下時(shí)選用）。熱電阻的材料 工業(yè)熱電阻的材料要求：電阻溫度系數(shù)大；電阻隨溫度的變化呈線性關(guān)系；電阻率大；熱容量??；在測(cè)溫范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能。 熱電阻的材料主要有鉑、銅和鎳。)(100ttRRt不同熱電阻特點(diǎn)及分度號(hào) 鉑在氧化介質(zhì)或高溫時(shí)，物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。分度號(hào)有Pt100、Pt10。測(cè)溫范圍-200-850。 銅在-50-150穩(wěn)定性好，超過100易被氧化。分度號(hào)有Cu50、Cu100。測(cè)溫范圍-50-150。 鎳在我國(guó)含量少，不常用。分度號(hào)有Ni100、Ni

48、300和Ni500。測(cè)溫范圍-60-180。 三種熱電阻中，鉑（特別是Pt100）使用最廣）半導(dǎo)體熱敏電阻（Thermistor） 包括正溫度系數(shù)PTC、負(fù)溫度系數(shù)NTC和臨界溫度電阻CTR 三類。 連續(xù)測(cè)溫中主要采用負(fù)溫度系數(shù)NTC；而PTC和CTR一般用于制作位式作用溫度開關(guān)。 熱容量小，響應(yīng)快；但互換性差，熱電特性非線性大。測(cè)溫范圍-50-300。集成溫度傳感器 利用pn結(jié)的伏安特性與溫度之間的關(guān)系研制的一種固態(tài)傳感器。 特點(diǎn)：體積?。粺釕T性小、反應(yīng)快；測(cè)溫精度高；穩(wěn)定性好；價(jià)格低等。 分為電壓型和電流型兩種，電壓型溫度系數(shù)約10mV/；電流型溫度系數(shù)約1A/。 集成溫度傳感器AD590

49、 兩端元件； 供電電壓：直流（+4+30V），1.5mW(+5V)； 高阻抗（710M）輸出； 0時(shí)輸出273.2A； 溫度系數(shù)1A/； 測(cè)溫范圍-55+150； 使用范圍廣泛。熱電偶、熱電阻的選型 根據(jù)工藝要求的測(cè)溫范圍和使用要求確定相應(yīng)分度號(hào)的熱電偶、熱電阻。 優(yōu)先選擇一體化熱電偶或熱電阻溫度變送器，直接輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。 根據(jù)環(huán)境條件選用不同型式的接線盒。潮濕或露天場(chǎng)所選用防濺式、防水式；易燃易爆場(chǎng)合注意防爆。測(cè)溫元件管道安裝原則 測(cè)量流動(dòng)介質(zhì)（管道內(nèi)）溫度時(shí)，應(yīng)保證傳感器與介質(zhì)充分接觸，與被測(cè)介質(zhì)成逆流狀態(tài)（至少呈正交式）安裝。 感溫點(diǎn)應(yīng)處于管道中流速最大的地方。 盡可能增大傳感器的插入深

50、度，溫度計(jì)應(yīng)斜插或在管道彎頭處插入。 當(dāng)測(cè)溫管道過細(xì)（直徑小于80）時(shí)，安裝測(cè)溫元件需加裝擴(kuò)充管。 測(cè)溫元件使用注意事項(xiàng) 熱電偶或熱電阻在安裝時(shí)，應(yīng)使其接線盒的面蓋向下，以免雨水或其他污物滲漏。 注意熱電阻的三線制接線方式。 注意熱電偶的屏蔽接地方式：兩端接地。主要內(nèi)容主要內(nèi)容 過程控制常見被控變量檢測(cè)：過程控制常見被控變量檢測(cè)：壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)流量檢測(cè)流量檢測(cè)物位檢測(cè)物位檢測(cè)成分檢測(cè)成分檢測(cè) 國(guó)際著名儀表供應(yīng)商國(guó)際著名儀表供應(yīng)商 儀表技術(shù)的發(fā)展儀表技術(shù)的發(fā)展本節(jié)內(nèi)容所處位置及講授方法 避免與檢測(cè)技術(shù)課程內(nèi)容重復(fù)，僅概要介紹概念和原理。 重點(diǎn)介紹儀表選型及工程應(yīng)用。壓力的基本概念壓力的基本概念

51、 過程控制中的壓力即壓強(qiáng)。 壓力的單位有帕（Pa）、兆帕（MPa）、巴（bar）等。國(guó)內(nèi)用戶常用“公斤”，應(yīng)注意用戶習(xí)慣。 壓力的表示方式有三種：絕對(duì)壓力Pa，物體所承受的實(shí)際壓力，其零點(diǎn)為絕對(duì)真空。 表壓力P，指高于大氣壓力時(shí)的絕對(duì)壓力與大氣壓力之差。 真空度（負(fù)壓） Ph，大氣壓力與低于大氣壓力時(shí)的絕對(duì)壓力之差。 過程控制中壓力檢測(cè)常用方法 1.應(yīng)變片式壓力檢測(cè) 2.擴(kuò)散硅壓力傳感器，使用最廣。 其他方法：彈性式、液柱式等，多用于就地指示，不便遠(yuǎn)傳。 應(yīng)變片式壓力檢測(cè)應(yīng)變片式壓力檢測(cè) 基于應(yīng)變片（電阻體）受力變形，阻值發(fā)生變化的原理。 測(cè)量范圍寬，可達(dá)數(shù)百M(fèi)Pa，多用于固體壓力測(cè)量。擴(kuò)散硅

52、式壓力傳感器擴(kuò)散硅式壓力傳感器 在半導(dǎo)體材料的基片上（硅片或鍺片）利用集成電路工藝制成擴(kuò)散電阻，受外力作用時(shí)，擴(kuò)散電阻的電阻率變化而導(dǎo)致阻值改變。 主要優(yōu)點(diǎn)：體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，易集成，價(jià)格便宜。 應(yīng)用廣泛，約占液體、氣體壓力檢測(cè)的80%以上。壓力傳感器的安裝壓力傳感器的安裝 測(cè)點(diǎn)要選在前后有足夠長(zhǎng)的直管段上。 取壓管端面與管道連接處的內(nèi)壁應(yīng)平齊，不應(yīng)有凸出物或毛刺。 引壓導(dǎo)管不宜過長(zhǎng)，一般不大于50m；引壓導(dǎo)管不宜過細(xì)，一般采用內(nèi)徑為1015mm的無縫鋼管。 測(cè)點(diǎn)與壓力傳感器之間應(yīng)加裝閘閥，以備檢修壓力傳感器時(shí)使用，且應(yīng)盡量靠近測(cè)點(diǎn)一側(cè)。 其他安裝注意事項(xiàng)其他安裝注意事項(xiàng) 在測(cè)

53、量蒸汽壓力時(shí)，應(yīng)加裝凝汽管，以防止高溫蒸汽與測(cè)壓元件直接接觸； 對(duì)于有腐蝕性的介質(zhì)，應(yīng)加裝充有中性介質(zhì)的隔離罐。 針對(duì)被測(cè)介質(zhì)的不同性質(zhì)（臟污、結(jié)晶、粘稠等），應(yīng)采取相應(yīng)的防堵等措施，并注意日常維護(hù)。流量的基本概念流量的基本概念 單位時(shí)間內(nèi)流過管道橫截面的流體數(shù)量，稱為瞬時(shí)流量。 當(dāng)流體的數(shù)量以體積表示時(shí)，稱體積流量。過程控制中使用很多。 當(dāng)流體的數(shù)量以質(zhì)量表示時(shí)，稱質(zhì)量流量。 在某一段時(shí)間內(nèi)流過管道橫截面的流體總和稱為總（流）量或累積流量。一般只用于計(jì)量考核，不參于過程控制。 流量的測(cè)量方式 節(jié)流式流量計(jì) 電磁流量計(jì) 旋渦（渦街）流量計(jì) 其他流量計(jì)節(jié)流式流量計(jì) 基于節(jié)流變壓降原理，由節(jié)流件、

54、導(dǎo)壓管及差壓檢測(cè)儀表組成。 最常用的節(jié)流件：孔板、噴嘴及文丘利管。 差壓式流量計(jì)的流量基本方程式是根據(jù)流體力學(xué)中伯努力方程和流動(dòng)連續(xù)性方程推導(dǎo)出來的。 伯努利方程伯努利方程 流速為，密度為，靜壓力為p，則當(dāng)流體充滿水平管道流動(dòng)時(shí)，其能量方程為 第一項(xiàng)為靜壓能，第二項(xiàng)為動(dòng)壓能（動(dòng)能）。 在同一管道的任一橫截面上，流體動(dòng)能及其靜壓能的總和不變。 在一定條件下，這兩種形式的能量可以在總能量不變的前提下相互轉(zhuǎn)換。 常數(shù)22vp流量與壓差之間的關(guān)系 流量與流體流過節(jié)流件前后所產(chǎn)生壓差的平方根成正比例關(guān)系 為流量系數(shù)；為可膨脹性系數(shù)；為節(jié)流件的開孔面積；為流體密度； 為節(jié)流裝置前后的壓差。 pAqv200

55、Ap差壓流量計(jì)節(jié)流件的安裝 務(wù)必使節(jié)流裝置前后保持足夠的直管段，使被測(cè)介質(zhì)在節(jié)流前后保持穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)； 在節(jié)流裝置附近不允許安裝測(cè)溫元件或開取樣口； 節(jié)流件的開孔與管道的軸線應(yīng)同心，節(jié)流件的端面與管道的軸線垂直； 管道內(nèi)流體必須充滿管道且為單向流動(dòng)； 流體不能含有顆粒、纖維等雜質(zhì)。電磁流量計(jì)及其原理電磁流量計(jì)及其原理 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律制成，用來測(cè)量管道中導(dǎo)電性液體體積流量。 電磁流量計(jì)的感應(yīng)電勢(shì)與流量成線性關(guān)系：KQQDBke4vDQ42kBDve 電磁流量計(jì)的特點(diǎn)電磁流量計(jì)的特點(diǎn) 電磁流量計(jì)的測(cè)量管道內(nèi)無節(jié)流部件，具有如下特點(diǎn)：不堵塞，可測(cè)帶顆粒、纖維等雜質(zhì)的導(dǎo)電液體；維護(hù)方便，壽命

56、長(zhǎng)；沒有測(cè)量滯后現(xiàn)象。電磁流量計(jì)的安裝要求電磁流量計(jì)的安裝要求 必須保證被測(cè)液體完全充滿測(cè)量導(dǎo)管：在水平安裝時(shí)，應(yīng)低于管道；垂直安裝時(shí)，液體流動(dòng)方向應(yīng)從下往上。 一般要求在變送器前后有長(zhǎng)度為35倍管道直徑的直管段； 要求安裝地點(diǎn)遠(yuǎn)離強(qiáng)磁場(chǎng)。 旋渦（渦街）流量計(jì) 利用流體自然振蕩的原理：當(dāng)流體以足夠大的流速流過垂直于流體流向的物體時(shí)，若該物體的幾何尺寸適當(dāng)，則在物體的后面，沿兩條平等直線上產(chǎn)生整體排列、轉(zhuǎn)向相反的渦列。渦列的個(gè)數(shù)，即渦街頻率，和流體的速度成正比。通過測(cè)旋渦頻率，就可知道流體的流速，從而測(cè)出流體的流量。 dSft其他流量計(jì) 流量計(jì)的選擇 注意防堵，測(cè)導(dǎo)電液體流量應(yīng)優(yōu)先考慮使用電磁流

57、量計(jì)。差壓、旋渦、轉(zhuǎn)子或渦輪流量計(jì)只用于潔凈流體的測(cè)量。 過程控制中，流量檢測(cè)往往作為復(fù)雜過程控制系統(tǒng)的局部回路，如串級(jí)控制的內(nèi)環(huán)，對(duì)儀表精度要求往往不很嚴(yán)格。 質(zhì)量流量計(jì)價(jià)格昂貴，在工藝要求允許的情況下優(yōu)先選擇體積式流量計(jì)。 微小流量下，流量開關(guān)與流量計(jì)的選擇。物位測(cè)量物位測(cè)量 浮力式 靜壓式 電容式 超聲波式 雷達(dá)式等ENRAF浮力式石油儲(chǔ)罐液位計(jì)超聲波傳感器在液位測(cè)量中的應(yīng)用超聲波傳感器在物位測(cè)量中的應(yīng)用物位計(jì)的選擇 測(cè)量有沉淀液體時(shí)，不宜采用靜壓式，優(yōu)先選擇超聲波式或雷達(dá)式。 電容式物位計(jì)，不適用于測(cè)量在電極上可能粘附粘稠介質(zhì)或介電常數(shù)變化大的介質(zhì)。 超聲波式物位計(jì)，不與介質(zhì)接觸，適用

58、范圍寬。但應(yīng)注意被測(cè)液體表面不能有泡沫，并注意測(cè)量盲區(qū)。 在灰塵大的場(chǎng)合，還可考慮重錘式等其他物位計(jì)。成分分析儀表成分分析儀表 工廠中常用的成分自動(dòng)分析儀表：各種氣體分析儀、酸度計(jì)（PH計(jì)）等。例如： 氧化鋯式氧量分析儀 ：分析煙氣中的含氧量。 紅外線氣體分析儀 ：吸收紅外線的輻射能，氣體溫度升高，利用這種轉(zhuǎn)換關(guān)系，確定某氣體吸收了多少紅外線輻射能，從而確定混合物中某氣體的含量。可測(cè)量CO、CO2 、CH4 等。工業(yè)酸度計(jì) ：測(cè)定位于被測(cè)溶液中的兩電極間的電位差反映PH值。成份分析儀表舉例在線成份分析儀使用注意事項(xiàng)在線成份分析儀使用注意事項(xiàng) 取樣及預(yù)處理要保證取出樣品的代表性（represen

59、tative)，為減小測(cè)量時(shí)滯，取樣管線應(yīng)盡量短。 測(cè)量滯后問題 力求選用響應(yīng)速度快的分析儀表和滯后小的取樣及預(yù)處理系統(tǒng)。 分析儀的標(biāo)定 必須定期標(biāo)定儀表。國(guó)際著名儀表供應(yīng)商 Emerson/Rosemount 分析儀器、壓力、流量、物位 Yokogawa 分析儀器、流量、壓力 ABB 分析儀器、流量 Siemens 分析儀器、流量 Endress+Hauser 流量、物位 Honeywell 壓力、溫度 Krohne 流量 FCI 流量 Berthold Technologies 物位（核輻射式）優(yōu)秀服務(wù)供應(yīng)商（優(yōu)秀優(yōu)秀服務(wù)供應(yīng)商（優(yōu)秀=5.0） 4.5 Emerson/Micro Moti

60、on Analyzer，密度/濃度 Siemens/Applied Automation Analyzer，煙道氣體/氣體排放 Endress+Hauser，渦街流量計(jì) Enraf Level Gauge，盤庫(kù)級(jí) Yokogawa，壓力變送器 4.4 Emerson/Micro Motion，科里奧利流量計(jì) Emerson/Rosemount，核輻射物位儀表 Endress+Hauser，點(diǎn)式物位開關(guān) Emerson/Rosemount，熱點(diǎn)偶儀表技術(shù)的發(fā)展儀表技術(shù)的發(fā)展 在線分析儀表越來越多； 軟測(cè)量（Soft-Sensing）技術(shù)的發(fā)展，基本思路是基于一些過程變量與過程中其他變量之間的關(guān)聯(lián)