化工儀表第一、二章

1、化工儀表及自動(dòng)化 楊國(guó)農(nóng)82066362(H)緒論自動(dòng)化技術(shù)是當(dāng)今舉世矚目的高新技術(shù)之一，也是中國(guó)今后重點(diǎn)發(fā)展的一個(gè)高科技領(lǐng)域自動(dòng)化技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用水平是衡量一個(gè)國(guó)家發(fā)達(dá)程度的重要指標(biāo)，也是現(xiàn)代化社會(huì)的一大標(biāo)志在化工生產(chǎn)中采用自動(dòng)化裝置來(lái)管理化工生產(chǎn)過(guò)程的辦法，稱(chēng)為化工自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)自動(dòng)化的目的（）加快生產(chǎn)速度，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品產(chǎn)能和質(zhì)量（）減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件（）能夠保證生產(chǎn)安全，防止事故發(fā)生或擴(kuò)大，達(dá)到延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，提高設(shè)備利用能力的目的（）能從根本上改變勞動(dòng)方式，提高工人文化技術(shù)水平，為逐步消滅體力勞動(dòng)和腦力勞動(dòng)之間的差異創(chuàng)造條件 化工儀表的發(fā)展過(guò)程 20世紀(jì)40

2、年代以前絕大多數(shù)化工生產(chǎn)處于手工操作狀態(tài),儀表主要是應(yīng)用一些自動(dòng)檢測(cè)儀表來(lái)監(jiān)視生產(chǎn).。主要的生產(chǎn)造作是靠工人來(lái)依照自己的工作經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成生產(chǎn)造作。年代后到年代由于化工生產(chǎn)向著大規(guī)模、高效率、連續(xù)化、綜合利用的方向發(fā)展。傳統(tǒng)的方法不能滿(mǎn)足大規(guī)模生產(chǎn)的要求。這時(shí)就產(chǎn)生了簡(jiǎn)單的化工自動(dòng)控制，這個(gè)階段的過(guò)程控制結(jié)構(gòu)大多數(shù)是單輸出和單輸入定值控制系統(tǒng)，主要工具主要是基地式電動(dòng)、氣動(dòng)儀表及單元組合式儀表主要缺陷是還不能深入的了解化工對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性學(xué)習(xí) 動(dòng)化儀表的發(fā)展經(jīng)歷了如下過(guò)程： 模擬儀表數(shù)字儀表智能儀表當(dāng)前自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展的一些主要特點(diǎn)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

3、(集散控制系統(tǒng))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?qū)W習(xí)化工自動(dòng)化的必要性由于現(xiàn)代自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，在化工行業(yè)，生產(chǎn)工藝、設(shè)備、控制與管理以逐漸成為一個(gè)有機(jī)的整體。要求化工工藝技術(shù)人員必須具有相應(yīng)的自動(dòng)控制知識(shí)，掌握一定的自動(dòng)化控制理論對(duì)于生產(chǎn)工程的管理，生產(chǎn)工藝的改進(jìn)提出合理的建議，對(duì)于熟悉化學(xué)工程學(xué)科的人員如果再學(xué)習(xí)和掌握一些檢測(cè)技術(shù)和控制系統(tǒng)方面的知識(shí)，必然在推進(jìn)我國(guó)的化工自動(dòng)化事業(yè)中，起到事半功倍的作用。第一章自動(dòng)控制系統(tǒng)基本概念第一節(jié)化工自動(dòng)化的主要內(nèi)容：自動(dòng)檢測(cè)自動(dòng)保護(hù)自動(dòng)操縱自動(dòng)控制.自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)利用各種檢測(cè)儀表對(duì)主要工藝參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、指示或紀(jì)錄的

4、稱(chēng)為自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。起到了人眼睛的作用。如圖熱交換器的檢測(cè)系統(tǒng)。帶控制點(diǎn)的工藝流程圖控制系統(tǒng)示意圖.自動(dòng)信號(hào)和連鎖保護(hù)系統(tǒng) 生產(chǎn)過(guò)程有很多時(shí)候有些偶然的因素會(huì)導(dǎo)致工藝參數(shù)超出允許的變化范圍如果處理不及時(shí)將會(huì)引起事故的發(fā)生.如在工況已達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí),連鎖系統(tǒng)立即自動(dòng)的采用緊急措施,打開(kāi)安全閥門(mén)或切斷某些通路,必要時(shí)緊急停車(chē),以防止事故的發(fā)生和擴(kuò)大. 3.自動(dòng)操縱及自動(dòng)開(kāi)停車(chē)系統(tǒng)4.自動(dòng)控制系統(tǒng)小結(jié)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)只能完成”了解”生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行情況的任務(wù);信號(hào)連鎖保護(hù)系統(tǒng)只能在工藝條件進(jìn)入某種極限狀態(tài)時(shí),采取安全措施,以避免事故的發(fā)生;自動(dòng)操縱系統(tǒng)只能按照預(yù)先規(guī)定好的步驟進(jìn)行周期性操作;只有自動(dòng)控制系統(tǒng)才

5、能自動(dòng)地排除各種干擾因素對(duì)工藝參數(shù)的影響,使它們始終保持在預(yù)先規(guī)定的數(shù)值上,保證生產(chǎn)正?；蜃罴训墓に嚥僮鳡顟B(tài).因此,自動(dòng)化控制系統(tǒng)是自動(dòng)化生產(chǎn)中的核心部分,也是我們學(xué)習(xí)了解的重點(diǎn).第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成自動(dòng)化裝置的三個(gè)組成部分:(1)測(cè)量元件與變送(2)自動(dòng)控制器(3)執(zhí)行器1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng) 1.2.1自動(dòng)控制系統(tǒng) 首先我們來(lái)研究圖1-2的液體儲(chǔ)罐圖1-1 鍋爐汽包示意圖手動(dòng)控制的步驟：(1)觀察液位數(shù)值；(2)把觀察到的實(shí)際數(shù)值與設(shè)定值加以比較，根據(jù)偏差的大小及變化情況做出判斷，并發(fā)布命令。(3)根據(jù)命令操作給水閥，使液位回到設(shè)定值。1Ff FT LT FdC 第三節(jié) 工藝管道及控制

6、流程圖我們來(lái)分析右圖在工藝流程確定后，工藝人員和自動(dòng)控制設(shè)計(jì)人員應(yīng)共同研究確定控制方案?？刂品桨傅拇_定包括流程中個(gè)測(cè)量點(diǎn)的選擇、控制系統(tǒng)的確定及有關(guān)自動(dòng)信號(hào)、。連鎖保護(hù)系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)。在控制方案確定以后，根據(jù)工藝設(shè)計(jì)給出的流程圖，按照流程順序標(biāo)出相應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)、控制點(diǎn)、控制系統(tǒng)及自動(dòng)信號(hào)與保護(hù)系統(tǒng)等，變成了工藝管道及控制系統(tǒng)流程圖。一、圖形符號(hào)1.測(cè)量點(diǎn)檢測(cè)點(diǎn)或者取樣點(diǎn)2.連接線儀表與檢測(cè)點(diǎn)撿的連線3.儀表：儀表的圖形符號(hào)是一個(gè)細(xì)實(shí)線的園，直徑約10mm,對(duì)于不同的儀表安裝位置的圖形符號(hào)如表1-1所示 二、字母 在控制流程圖中，用來(lái)表示儀表的小圓圈的上半園內(nèi)，一般寫(xiě)有兩位字母，第一位字母表示被測(cè)變

7、量，后繼字母表示儀表的功能，常用被測(cè)變量和儀表功能能的字母代號(hào)見(jiàn)表1-21.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及方框圖 在研究自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，為了更清楚的表示控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的組成、特性和相互間的信號(hào)聯(lián)系，一般都采用方框圖。每個(gè)方框表示組成系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，兩個(gè)方框之間用帶箭頭的線段表示信號(hào)聯(lián)系；進(jìn)入方框的信號(hào)為環(huán)節(jié)輸入，離開(kāi)方框的為環(huán)節(jié)輸出。 首先我們來(lái)研究圖1-2液位控制系統(tǒng)，我們可以來(lái)研究它們?cè)趯?shí)現(xiàn)控制過(guò)程中的相互作用閉環(huán)控制系統(tǒng)組成動(dòng)畫(huà)鏈接按鈕基本術(shù)語(yǔ) 被控對(duì)象：自動(dòng)控制系統(tǒng)中，工藝參數(shù)需要控制的生產(chǎn)過(guò)程、設(shè)備或機(jī)器。被控變量：被控過(guò)程內(nèi)要求保持設(shè)定值的工藝參數(shù)操縱變量：受控制器操縱的用以克服干擾的影

8、響，使被控變量保持設(shè)定值的物料量或能量擾動(dòng)：除操縱變量外，作用于被控過(guò)程并引起被控變量變化的因素設(shè)定值：工藝參數(shù)所要求保持的數(shù)值偏差：被控變量設(shè)定值與實(shí)際值之差負(fù)反饋：將被控變量送回輸入端并與輸入變量相減1.4. 閉環(huán)控制與開(kāi)環(huán)控制 閉環(huán)控制： 在反饋控制系統(tǒng)中，被控變量送回輸入端，與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)偏差進(jìn)行控制，控制被控變量，這樣，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)。閉環(huán)控制的特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)）：按偏差進(jìn)行控制，使偏差減小或消除，達(dá)到被控變量與設(shè)定值一致的目的。 閉環(huán)控制的缺點(diǎn)：控制不夠及時(shí)；如果系統(tǒng)內(nèi)部各環(huán)節(jié)配合不當(dāng)，系統(tǒng)會(huì)引起劇烈震蕩，甚至?xí)瓜到y(tǒng)失去控制。開(kāi)環(huán)控制： 不需要對(duì)被控變量進(jìn)行測(cè)量，只根據(jù)

9、輸入信號(hào)進(jìn)行控制，控制很及時(shí)（優(yōu)點(diǎn)）。由于不測(cè)量被控變量，也不與設(shè)定值相比較，所以系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，被控變量偏離設(shè)定值，并無(wú)法消除偏差，這是開(kāi)環(huán)控制的缺點(diǎn)。 分配器步進(jìn)電機(jī) 精 密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作臺(tái) 數(shù)字程序控制機(jī)床精密定位控制系統(tǒng)（按設(shè)定值控制） 開(kāi)環(huán)的液位控制系統(tǒng) （按擾動(dòng)控制，又稱(chēng)前饋控制）開(kāi)環(huán)控制舉例1Ff FT LT FdC 蒸汽汽包省煤器給水檢測(cè)元件和變送器的作用是把被控變量y(t)轉(zhuǎn)化為測(cè)量值z(mì)(t)。比較機(jī)構(gòu)的作用是比較給定值x(t)與測(cè)量值z(mì)(t)并輸出其差值e?？刂蒲b置的作用是根據(jù)偏差的正負(fù)、大小及變化情況，按某種預(yù)定的控制規(guī)律給出控制作用p(t)。比較機(jī)構(gòu)和控制裝置通常組合

10、在一起，稱(chēng)為控制器。執(zhí)行器的作用是接受控制器送來(lái)的p(t)，相應(yīng)地去改變操縱變量q(t)。 1.5 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)自動(dòng)控制系統(tǒng)有多種分類(lèi)方法按被控變量如:溫度、壓力、流量、液位按控制規(guī)律如：比例、比例積分、比例微分、比例微積分自動(dòng)控制系統(tǒng)的特性的分類(lèi)：通常是按照被控變量的定值是否變化和如何變化來(lái)分.如下： 將自動(dòng)控制系統(tǒng)分為三類(lèi): 定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)。定值控制系統(tǒng) 設(shè)定值保持不變（為一恒定值）的反饋控制系統(tǒng)稱(chēng)為定值控制系統(tǒng)。 隨動(dòng)控制系統(tǒng) 設(shè)定值不斷變化，且事先是不知道的，并要求系統(tǒng)的輸出（被控變量）隨之而變化。 程序控制系統(tǒng) 設(shè)定值也是變化的，但它是一個(gè)已知的時(shí)間函

11、數(shù)，即根據(jù)需要按一定時(shí)間程序變化 1.6自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo)1.6.1靜態(tài)與動(dòng)態(tài)我們認(rèn)為控制系統(tǒng)的輸入有設(shè)定作用和擾動(dòng)作用。靜態(tài)（定態(tài)）：當(dāng)輸入恒定不變時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)若能建立平衡，系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)將暫不動(dòng)作，它們的輸出都處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)輸入與輸出之間的關(guān)系稱(chēng)為系統(tǒng)的靜態(tài)特性?；蚍Q(chēng)為；環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性動(dòng)態(tài)：由于輸入的變化，輸出隨時(shí)間變化，其間的關(guān)系稱(chēng)為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。也就是說(shuō)，從輸入開(kāi)始，經(jīng)過(guò)控制直到再建立靜態(tài)，在這段時(shí)間中，整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)和變量都處于變化的過(guò)程之中，這種狀態(tài)稱(chēng)為動(dòng)態(tài)?；颦h(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性。 我們重點(diǎn)來(lái)討論動(dòng)態(tài)過(guò)程，下面我們先討論控制過(guò)程中過(guò)渡過(guò)程1.6.2自動(dòng)控制系

12、統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程過(guò)渡過(guò)程 當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入發(fā)生變化后，被控變量（即輸出）隨時(shí)間不斷變化，它隨時(shí)間而變化的過(guò)程稱(chēng)為系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。也就是系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過(guò)程。研究系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程我們以階躍干擾為研究對(duì)象 對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)（所有正常工作的反饋系統(tǒng)都是穩(wěn)定系統(tǒng)）要分析其穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性，常以階躍作用為輸入時(shí)的被控變量的過(guò)渡過(guò)程為例，因?yàn)殡A躍作用很典型，實(shí)際上也經(jīng)常遇到，且這類(lèi)輸入變化對(duì)系統(tǒng)來(lái)講是比較嚴(yán)重的情況。 階躍干擾如圖 輸入量時(shí)間定值控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的幾種形式(階躍擾動(dòng)) 發(fā)散振蕩單調(diào)發(fā)散等幅振蕩衰減振蕩單調(diào)衰減我們研究控制系統(tǒng)的品質(zhì)是以衰減振蕩過(guò)程作為研究對(duì)象如

13、下圖 1.6.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo) ytBBCA0我們需要了解下面幾個(gè)定義 最大動(dòng)態(tài)偏差或超調(diào)量是描述被控變量偏離設(shè)定值最大程度的物理量，也是衡量過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定性的一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)。 對(duì)于定值控制系統(tǒng)，過(guò)渡過(guò)程的最大動(dòng)態(tài)偏差是指被控變量第一個(gè)波的峰值與設(shè)定值之差。在上圖中，最大偏差就是第一個(gè)波的峰值，為A。 最大偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離給定值的最大程度。若偏差越大，偏離的時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)穩(wěn)定正常生產(chǎn)越不利。要求小。特別是對(duì)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ytBBCA0 （1）最大動(dòng)態(tài)偏差（emax）或超調(diào)量（ ）控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)示意圖動(dòng)畫(huà)鏈接按鈕限、觸媒燒結(jié)溫度極限等，都會(huì)對(duì)最大偏

14、差的允許值有所限制。同時(shí)考慮到干擾會(huì)不斷出現(xiàn)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)干擾還未清除時(shí)，第二個(gè)干擾可能又出現(xiàn)了，偏差有可能是疊加的，所以要限制最大偏差的允許值。因此，在決定最大偏差的允許值時(shí)，要根據(jù)工藝情況慎重選擇。在設(shè)定作用下的控制系統(tǒng)（隨動(dòng)控制系統(tǒng)）中，通常采用超調(diào)量這個(gè)指標(biāo)來(lái)表示被控變量偏離設(shè)定值的程度，一般超調(diào)量以百分?jǐn)?shù)給出。ytBBCA0超調(diào)量定義：第一個(gè)波的峰值與最終穩(wěn)態(tài)值之差，即B=A-C,如果系統(tǒng)的新穩(wěn)態(tài)值等于設(shè)定值，那么最大偏差就等于超調(diào)量。控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)示意圖動(dòng)畫(huà)鏈接按鈕衰減比是衡量過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)指標(biāo)。定義：第一個(gè)波的振幅與同方向第二個(gè)波的振幅之比。 （2）衰減比nytBBCA0衰減比n控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)示意圖動(dòng)畫(huà)鏈接按鈕ytBBCA0根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，為保持足夠