化工自动化基础

第一章化工自动化基础1、化工生产过程化工生产过程是工艺变量（温度T、压力P、流量F、液位L、浓度γ等）在工艺所规定的条件下进行安全、高效生产的过程。化工生产常用的设备：机泵、热交换器、锅炉、加热炉、分馏塔、压缩机、反应器等。第一节化工自动化的基本概念1.1生产过程自动化以锅炉水位控制为例：看如何由人工控制自动控制第一节化工自动化的基本概念用自动控制装置来代替人工控制，使生产过程在不需要人干涉的情况下自动安全、高效地进行。这就是生产过程自动化。2.自动控制系统常用术语2.1被控过程：也称为被控对象。自动控制系统中，工艺变量需要控制的生产过程、设备或机械。如上例中锅炉的汽包。2.2被控变量：被控过程内要求保持设定数值的工艺变量。如锅炉汽包的水位。第一节化工自动化的基本概念2.3操纵变量：通常指受控于调节阀用于克服扰动的影响，使被控变量保持在设定值附近的物料量或能量。如锅炉的给水量。2.4扰动：也称为干扰。除操纵变量外，引起被控变量变化的因素。如锅炉负荷的变化。2.5设定值：被控变量的预定值。如锅炉汽包水位的预先设定值。2.6偏差：被控变量的设定值与实际值（测量值）之差。第一节化工自动化的基本概念3、自动控制系统的组成自动控制系统主要由两大部分组成，一部分是起控制作用的全套自动化装置，它主要包括检测元件及变送器、调节器和执行器；另一部分是自动化装置控制下的被控过程。3.1、被控过程：自动控制系统中，工艺变量需要控制的生产过程、设备或机器称被控过程。化工生产中的各类塔器、反应器、泵、压缩机以及各种容器、储槽（罐），甚至一段输送流体的管道都可以是被控过程。第一节化工自动化的基本概念3.2、检测元件及变送器：它将需要监测的工艺变量的变化转换成特定信号（电信号），为自动控制系统提供控制的依据。3.3、调节器：它把检测元件与变送器送来的信号与工艺上需要保持的设定值信号进行比较得出偏差，根据偏差的正负、大小及变化趋势，按预先设计好的控制规律进行运算后，输出相应的控制作用给执行机构。第一节化工自动化的基本概念3.4、执行器：它接受调节器送来的信号，相应地改变操纵变量，克服扰动的影响，实现控制要求。在化工生产中最常用的执行机构是气动薄膜调节器。第一节化工自动化的基本概念调节器是自动控制系统的重要组成部分。它将生产过程被控变量的测量值与设定值进行比较，得出偏差，根据偏差的正负、大小和变化趋势，按照一定的运算规律输出控制信号，送往执行器，实现对生产过程的自动控制。第二节调节器及基本调节规律1、常用的基本调节规律有：比例（P)、积分（I）、微分（D）。1.1比例控制（P）它的控制规律是：调节器的输出变化量与输入变化量成比例。起数学表达式为：从该表达式看出：比例控制克服偏差及时、有力。要使调节器有输出就必须要有偏差存在，因此比例控制始终是有偏差存在的。第二节调节器及基本调节规律eKCP1.2积分控制（I）它的控制规律是：调节器的输出变化量与输入偏差随时间的积分成正比，数学表达式为：或从该表达式看出：其输出信号的大小，不仅与偏差的大小有关，还与偏差存在的时间长短有关。所以，积分控制是一种没有偏差的控制（理想情况下）。第二节调节器及基本调节规律edtKCIedtTCI11.3微分控制（D）它的控制规律是：调节器的输出变化量与输入偏差随时间的微分成正比，数学表达式为：从该表达式看出：其输出信号的大小，只与偏差变化的速度有关，而与偏差的大小无关。当偏差再大而无变化时，该调节器的输出也为零。第二节调节器及基本调节规律dtdeTCD1.4几种基本控制规律的组合PID根据实际情况，把三种基本控制规律进行适当组合，可以得到更好的控制效果。这种组合控制规律称为比例积分微分控制（PID)。这里有三个可以调整的参数：放大倍数KP、积分时间TI、微分时间TD。第二节调节器及基本调节规律)1(dtdeTedtTeKCDIP1.5PID调节器的应用PID调节器综合了各种控制规律的优点，具有较好的控制性能，应用范围广。各种化工过程常用的控制规律如下：液位：一般控制要求不高，用P或PI控制作用。流量：一般用PI控制作用。压力：用P或PI控制作用。温度：用PID控制作用。第二节调节器及基本调节规律2、调节器的类型按结构和组成的形式分有基地式调节器、单元组合式调节器、组合式电子控制装置、可编程调节器和集中分散型控制装置五种。我厂现在主要使用的是可编程调节器和集中分散型控制装置。第二节调节器及基本调节规律2.1集中分散型控制装置（集散型控制系统DCS）集中分散型控制是把整个控制系统分成若干级，最基层的是直接数字控制，上一级是优化控制，这样既能发挥计算机多功能控制的特点，满足现代化工生产集中操作、显示和报警的要求，又能避免危险过分集中，整个控制系统安全可靠。第二节调节器及基本调节规律集散型控制系统在结构上是由下位机操作站和上位监控计算机组成。每个操作站可以控制十几个到几十个回路，有专用微处理机进行有效地控制，各操作站与上位机之间，用数字通讯电缆连接起来，构成各种各样的、能适应不同过程的、积木式的分级控制结构，并通过屏幕和操作台，对整个生产过程进行集中监视、集中操作和集中管理，分散控制。它适用于大中型企业的大型生产装置。第二节调节器及基本调节规律执行器在自动控制系统中的作用是接受调节器的控制信号，改变操纵变量，使生产过程按预定要求正常进行。执行器一般安装在生产现场，直接与工艺介质接触，常常在高温、高压、深冷、易漏、易堵、强腐蚀等恶劣环境下工作。1、气动薄膜调节阀在化工生产过程中使用的最多的执行器是气动薄膜调节阀。第三节执行器—气动薄膜调节阀第三节执行器—气动薄膜调节阀第三节执行器—气动薄膜调节阀气动薄膜调节阀的执行机构由波纹膜片、上下膜盖、平衡弹簧等部件组成。它接收20100KP的标准气压信号，并转换成推力。其动作的形式有正作用和反作用两种。1.1执行机构的正反作用当信号压力增加，推杆向下移动的叫正作用；信号压力增加，推杆向上移动的叫反作用。第三节执行器—气动薄膜调节阀第三节执行器—气动薄膜调节阀1.2调节阀的气开、气关形式的选择。气动薄膜调节阀有气开和气关两种形式。选择气开或气关，主要是从工艺生产的安全要求出发，其选择的依据是：当输入的控制信号中断时，调节阀的自然位置应该保证设备和人员的安全。第三节执行器—气动薄膜调节阀例如：控制加热炉燃料气的调节阀，如何选择？控制锅炉给水流量的调节阀应该如何选择？第三节执行器—气动薄膜调节阀控制进入加热炉燃料气流量的调节阀，应该选用气开式，当气压信号中断时，应该切断进炉的燃料，以避免炉温过高而出事故；而控制锅炉给水流量的调节阀应该选用气关式，当气压信号中断时，阀门处于全开状态，给水继续流入锅炉，以保证锅炉不致烧干。第三节执行器—气动薄膜调节阀1、单回路控制系统只有一个被控过程、一个检测变送器、一个调节器和一个执行器所组成的单闭环系统称为单回路控制系统。第四节单回路控制系统第四节单回路控制系统第四节单回路控制系统第四节单回路控制系统第四节单回路控制系统所谓“复杂”是相对于“简单”而言。通常指由两个或两个以上的检测变送器、调节器和执行器所组成的多回路的，或控制要求特殊的；或控制规律不同于PID的控制系统。复杂控制系统的种类较多，常使用的有串级、均匀、比值、前馈、分程、选择性控制系统等。第五节复杂控制系统1、串级控制系统第五节复杂控制系统影响加热炉出口温度的干扰因素：1、原料油的流量和温度（f1)；2、燃料油或燃气的压力和成分（f2)；3、燃料油的雾化程度及烟囱的抽力(f3)；采用单回路控制系统的控制作用不及时，致使最大偏差大，过渡时间长，抗扰动能力差，控制精度低，难以满足工艺要求，需要寻求别的控制方案。第五节复杂控制系统通过分析可以看出，f1和f2的影响可以通过炉膛温度较快的反应出来，而稳定炉膛温度可以有效地减小f1和f2对炉出口温度影响。第五节复杂控制系统所以选定炉膛温度为副变量，由副变送器、副调节器、副过程（炉膛）、执行机构（调节阀）构成副回路；以炉出口温度为主变量，由主变送器、主调节器、主过程（炉出口管）构成主回路，主调节器的输出作为副调节器的设定值，由副调节器的输出控制调节阀，这就是加热炉出口温度串级控制系统。第五节复杂控制系统第五节复杂控制系统串级控制系统的构成及方块图：串级控制系统是由两个检测变送器、两个调节器、一个调节阀组成。两个调节器是串联工作的，其中主调节器的输出作为副调节器的设定值，副调节器输出控制调节阀。第五节复杂控制系统串级控制系统方块图：第五节复杂控制系统第五节复杂控制系统第五节复杂控制系统第五节复杂控制系统2、均匀控制系统第五节复杂控制系统为了解决前后工序的供求矛盾，做到统筹兼顾，协调操作，使两个变量在规定的范围内缓慢变化的系统，称为均匀控制系统。特点：1、表征前后两个供求矛盾的两个变量，在控制过程中应该是缓慢变化的。2、前后互相联系又互相矛盾的两个变量应该在工艺所允许的范围内变化。第五节复杂控制系统第五节复杂控制系统第五节复杂控制系统第五节复杂控制系统3、比值控制系统使两个或两个以上物料量保持一定比值关系以达到某种控制要求的控制系统，称为比值控制系统。第五节复杂控制系统第五节复杂控制系统4、前馈控制系统前馈控制是改善和克服反馈控制不及时的另一种控制方法。它是利用补偿原理，采用开环结构，按扰动作用的大小进行控制。前馈控制相对于反馈控制来说，控制作用及时，对扰动的影响理论上可以完全补偿，使用恰当可大大提高控制质量。第五节复杂控制系统第五节复杂控制系统前馈控制与反馈控制的几点不同：1、系统检测信号的不同:反馈控制检测的是被控变量；前馈控制检测的是扰动量。2、系统控制的依据不同：反馈控制依据是偏差大小；前馈控制的依据是扰动量的大小。3、控制模式不同：反馈控制采用常规的PID控制调节器；前馈控制采用的是引入补偿装置对扰动量进行补偿校正。补偿效果不通过反馈进行检验。第五节复杂控制系统第五节复杂控制系统5、选择性控制系统凡是在自动控制系统中引入了选择器并按照工艺过程限制条件的逻辑关系工作的系统，都称为选择性控制系统。其工作状况是：当生产过程趋向限制条件时，选择器自动选择一个取代调节器取代正常工作状况下的调节器，通过取代调节器的控制作用，使生产过程脱离危险状态，生产操作重新回到安全范围后，取代调节器自动退出，转为备用状态，正常调节器恢复工作。第五节复杂控制系统第五节复杂控制系统锅炉蒸汽压力选择性控制系统的工作过程：上图中的LS为低值选择器，正常情况下ba，LS连通b，由蒸汽压力调节器控制燃料调节阀的开度，控制蒸汽管网的压力在工艺规定的范围。燃料调节阀的阀后压力过大会发生“脱火”事故；而阀后压力过低会发生“回火”事故。第五节复杂控制系统当蒸汽压力大幅降低，调节阀开度过大，阀后压力接近“脱火”压力时，此时ab，LS选中a，即由调节器P2C去取代P1C控制调节阀，使调节阀关小，起到自动保护作用。当蒸汽压力恢复正常后，达到ba时，调节阀P1C被选中，恢复正常工况控制。第五节复杂控制系统第五节复杂控制系统上图为反应器热点极值选择性控制系统。在固定床反应器中，为了防止温度过高烧坏触媒，在反应器的四个不同部位设置了温度检测点。各温度变送器的输出端引入高值选择器，选出其中最高的信号值作为调节器控制冷却剂调节阀的依据。这样，系统将按反应器的最高温度控制冷却剂流量，从而保证了反应器触媒层的安全。第五节复杂控制系统6、分程控制系统一个调节器的输出同时送往两个或更多个调节阀，每个调节阀在调节其输出信号的某段范围内做全行程动作，以满足工艺生产的特殊要求，这样的控制系统称为分程控制系统。第五节复杂控制系统第五节复杂控制系统分程控制系统应用的场合：1、适应生产中需用多种物料或多种手段控制的场合。2、扩大调节阀的可调范围，满足不同负荷下的控制要求。第五节复杂控制系统第五节复杂控制系统3、用于满足工艺操作的特殊要求，保证生产安全。第五节复杂控制系统第五节复杂控制系统上图是储罐氮封分程控制系统。为了防止这些石油产品氧化变质或引起