《化工检测与控制技术》教案

序号1周次1授课形式讲授授课章节名称§1-1化工自动化发展概况§1-2自动化系统的组成与分类教学目的通过讲解，使学生了解化工自动化的发展概况，基本掌握自动化系统的组成框图与自动化系统的分类。教学重点自动化系统的基本组成，自控系统方框图教学难点自动化系统的基本组成，自控系统方框图使用教具未使用教具。课外作业复习所学内容课后体会这部分内容学生掌握得较好，完成教学任务。授课主要内容简要分析一下整个课程内容。从自动化技术引入化工自动化的概念。一、化工自动化的发展概况1.仪表自动化阶段由20世纪40年代前的机械式和液动式仪表到基地式仪表，再到气动、电动单元组合仪表（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型），目前Ⅲ型普及使用，部分Ⅱ型仍在使用，Ⅰ型表已淘汰。2.计算机控制阶段出现了以微处理器为核心的新型智能仪表。把工业控制计算机、微机、顺序控制装置、过程输入输出装置、现场仪表等有机融合在一起的集散型控制系统（DCS）、现场总线控制系统（FCS）已成为大型工业企业的主流自动化控制系统。3.综合自动化阶段综合自动化系统称管理控制一体化系统，也称为计算机集成过程系统（CIPS），将计划优化、生产调度、经营管理和决策引入计算机控制系统，使市场意识与优化控制相集合，管理与控制相集合，促使计算机控制系统更加完善二、自动化系统的组成与分类1．自动化系统的组成（1）生产装置被控对象——生产过程中，需控制工艺参数的生产设备或机器、管道。一个设备上有多个控制系统时，各控制系统的对象可以是生产设备的某一个部分。（2）自动化装置①现场仪表：安装在生产装置上的各种参数的检测仪表（传感器及变送器）与执行器。传感器：检测元件；变送器：将传感器输出的信号变换成统一的标准信号进行远距离传送，如0～10mA电信号（电动Ⅱ型表）、4～20mA电信号（电动Ⅲ型）、20～100Kpa气压信号（气动仪表）。执行器：包括执行机构与调节阀，按能源分有气动、电动和液动三种。②控制装置：包括气动、电动控制器及可编程控制器、计算机控制装置等类型。③显示仪表：以图表、数字、指示等方式显示被测参数。包括模拟仪表、数字仪表和计算机显示器，与记录仪表（有纸、无纸记录仪）。（3）自控系统方框图方框图有四个要素：信号线、信号相加点、信号分支点和环节。其中每一个方块代表系统中的一个组成部分（环节）。以蒸汽加热器温度控制系统为例，介绍自控系统方框图。温度控制器温度检测变送器蒸汽加热器执行器温度设定值+-温度测量值控制器输出操纵变量(蒸汽量)干扰(进料温度或流量)被控变量(出料变量)图中带箭头的线段仅表示各环节间信号的流向，并不表示物料的流向，有时会与物料的流向相反，这与工艺流程图不同。自动控制系统必须是闭环负反馈系统，否则会引起事故。显示仪表在闭环以外，所以不在框图中出现。图中，被控变量：对象内想要达到设定数值的工艺参数。设定值：被控变量的预定值。偏差：被控变量设定值与测量值之差。操作变量：受控制器操纵、用来克服干扰影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。2．自动化系统的分类（1）按生产过程的要求分：①自动检测系统：对生产过程中的各种工艺变量自动、连续地进行测量和显示，以供操作者观察或直接自动地进行监督和控制生产。②自动信号报警及联锁保护：在事故发生前，信号系统自动发出声光报警信号；联锁系统立即采取紧急措施，以保护人身和设备安全。③自动操纵系统：按预定的步骤，自动地对生产设备进行某种周期性操作。④自动控制系统：利用自动控制装置，对生产中某些关键性变量进行自动控制，使其保持在规定范围内，保证生产过程正常进行。（2）按控制系统结构分①闭环控制系统：分定值控制（设定值为常数）、随动控制（设定值不定）和程序控制（设定值为时间函数）三种形式。②开环控制系统：控制器与被控对象间只有正向作用没有反向联系，未构成闭合回路。（3）按生产过程的变量数分①单输入单输出系统：可为单回路或多回路控制，主反馈只有一个。②多输入多输出系统：有多个输入输出信号，且相互间有耦合。复杂控制系统。三、小结：1.化工自动化的发展分为仪表自动化阶段、计算机控制阶段和综合自动化阶段。2.自动化系统的方框图有信号线、信号相加点、信号分支点和环节四个要素，构成闭环负反馈系统，图中箭头只表示信号流向，并不表示物料流向。3.自动化系统按生产过程的要求可分为自动检测、自动操纵、自动保护和自动控制四种类型。四、作业复习所学内容序号2周次1授课形式讲授授课章节名称§1-3控制系统的过渡过程§1-4工艺管道及控制流程图教学目的通过讲解，使同学们掌握自动控制系统过渡过程的基本形式及其质量指标，基本掌握工艺管道及控制流程图。教学重点过渡过程的质量指标及其表示方法，工艺管道及控制流程图教学难点过渡过程的质量指标及其表示方法，工艺管道及控制流程图使用教具未使用教具。课外作业1．复习所学内容2．P.17：2、6、8课后体会少部分学生对过渡过程的质量指标掌握得不够好，完成作业有困难，需进一步讲解。授课主要内容复习提问：自动控制系统的组成框图由哪几部分组成？如果干扰出现，系统将会这样动作？引入新课。一、过渡过程和品质指标（一）过渡过程1.控制系统的状态（1）静态（稳态）：被控变量不随时间变化的平衡状态。（2）动态：被控变量随时间变化的不平衡状态。（3）过渡过程：从原有平衡状态过渡到新的平衡状态的过程，即从干扰开始，经过控制，直到系统重新达到新的平衡状态。也是控制作用不断克服干扰作用的过程。（4）干扰作用：破坏系统平衡，使被控变量偏离设定值的各种外来因素。2.自动控制系统的过渡过程基本形式（1）发散振荡：被控变量越来越偏离设定值，是不稳定状态，易引起事故。（2）等幅振荡：被控变量始终在设定值附近上下波动，介于稳定和不稳定之间，是临界状态。（3）衰减振荡：被控变量经振荡，越来越靠近设定值，是稳定状态。（4）单调过程：属稳定状态，但变化过程过于缓慢。（二）品质指标1．最大偏差最大偏差是指过渡过程中被控变量偏离设定值的最大数值。它描述了被控变量偏离设定值的程度。超调量σmax：被控变量最大指示值与新稳态值之差。即以稳态值为基准的第一个波峰。σmax=B2．衰减比：过渡过程曲线上同向相邻两个波的振幅之比。N=B/B＇介于4:1~10:1之间是动态指标。3．余差：过渡过程结束时的残余偏差，为设定值与稳态值之差。余差是静态指标、精度指标。控制系统按有无余差分为有差控制系统（C≠0）和无差控制系统（C=0）。4．过渡时间：过渡过程所经历的时间。是快速性指标。控制系统受到干扰作用后，被控变量从原有稳定状态过渡到新稳态值的±5%（或±2%）范围内，且不再越出时，所经历的时间。过渡时间越短，表示过渡过程进行得越迅速，越容易克服扰动。5．振荡周期：过渡过程曲线上同向相邻两波峰间的时间间隔。振荡周期越短，过渡过程时间越短，越易克服扰动。（三）系统响应从五个基本指标看系统的响应，可从稳定性、快速性、精确性三个方面考虑。二、影响系统品质指标的因素1.对象特性2.自动化装置的性能三、管道及控制流程图1．化工生产的基本流程：原料→输入设备→前处理过程（分离或精制）→化学反应过程→后处理过程（提纯反应生成物、回收未反应原料及副产品）→输出设备→成品2．工艺管道及控制流程图（P&ID）图：在工艺流程图上按流程顺序标注出相应的测量点、控制点、控制系统、自动报警及联锁保护系统等所构成的图。（1）标注含义：P&ID图中，每个仪表都有由字母代号组合和回路编号组成的仪表位号。字母代号中第一字母表示被测变量，后续字母表示仪表的功能。回路编号第一位数表示工序号，后续数字(二位或三位)表示顺序号。（2）示例：TI101106LIC598FIC图中，圆圈外加方框表示集散型控制系统，圆圈外不加方框表示离散仪表；圆圈中无横线表示现场安装，有横线表示集中盘面安装（装于仪表盘）。图1表示温度检测，装于第一个工序第01个回路（位置）。图2表示第106号位置为液位指示控制回路（液位指示控制器装于仪表盘上）。图3表示第598号位置为流量指示控制单元（现场安装的集散型控制系统）四、小结：1.掌握衰减振荡的品质指标有最大偏差、衰减比、余差、过渡时间及振荡时间等。必须根据具体的控制要求，优先保证主要的质量指标满足要求。2.应能看懂工艺管道及控制流程图，找出测量点、控制点、控制系统等，明确其标注含义。五、作业：1.复习所学内容2.P.17：2、6、8序号3周次2授课形式讲授授课章节名称§2-1概述§2-2检测环节的质量指标教学目的通过讲解，使学生基本掌握自动检测系统的组成与检测环节的质量指标。教学重点检测仪表的质量指标。教学难点检测仪表的质量指标。使用教具未使用教具。课外作业复习所学内容课后体会少数学生对精度的计算掌握得不好，需进一步讲解。授课主要内容复习上一章节的内容，由检测仪表引入新课。一、概述1．自动检测系统的组成工艺对象传感器CRT显示器常规显示表被测参数自动检测系统中主要的自动化装置为传感器和显示仪表。其中传感器一般包括敏感元件、传感元件（转换元件）和测量转换电路三部分。显示仪表是自动检测系统显示或输出被测量数值的装置。其显示方式可以是指针式（模拟式）、数字式、图形显示等几种。2.检测环节常见信号类型化工生产中，常见的被测量类型有热工量、机械量、物质的性质和成分量、电工量等。为了便于传输、处理和显示，非电量的被测参数通常转换成电气、压力、光等信号类型。3.检测环节中的信号传递形式模拟信号、数字信号、开关信号。二、测量过程与测量误差（一）测量过程：被测变量信号通过能量的不断变换和传递，并与相应的测量单位进行比较的过程。（二）测量误差：测量值与被测参数真实值之间的差距。1.测量误差的分类（1）系统误差：误差的大小和符号均不随测量过程而改变，有规律，可修正。主要由仪表本身的缺陷，观测者的习惯、单因素环境条件的变化等引起。（2）随机误差：同样测量条件下，多次测量结果都不重复的误差。随机误差在多次测量时，其总体服从统计规律，大多服从正态分布，具有对称性、有界性、抵偿性和单峰性等特点。（3）疏忽误差：由测量者在测量过程中疏忽大意造成，应避免。2.测量误差的表示方法：（1）绝对误差：测量值与真实值之差。△=0XX（2）相对误差：绝对误差与真实值的百分比。%1000X（3）相对百分误差（允许误差）：绝对误差限与仪表量程的百分数表示。ε=△m/(仪表上限-仪表下限)*100%三、检测仪表的质量指标1．精度（准确度）：一般用引用误差表示。引用误差用仪表的绝对误差与该仪表量程的百分比表示，即%100%100maxmax标尺下限值标尺上限值仪表量程将最大引用误差的“±”和%去掉后的数值与国标规定的精度等级相靠拢。工业用表的精度等级有：0.5、1.0、1.5、2.5、4.0。2．回差（恒定度）：用同一仪表对相同变量值进行正、反行程测量时，其指示值间的最大差值，用输出量程的百分数表示。%100max标尺下限标尺上限反正XX注意：正常仪表的回差应小于其允许误差，否则，应及时检修。3．灵敏度与灵敏限灵敏度指仪表稳定后，指针位移量与被测变量的变化量之比。%100XS灵敏限指引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量。一般仪表的灵敏限不大于仪表允许绝对误差的一半4．线性度：反映检测仪表输出量与输入量的实际关系曲线偏离直线的程度。用实际测得的输入-输出曲线与理论拟合直线之间的最大偏差与测量仪表量程范围之比的百分数来表示。%100max标尺下限标尺上限理论标定XXL5．测量范围与量程：测量范围的上限值maxy与下限值miny之差就是检测仪表的量程my。6．稳定性：检测仪表在规定的条件下保持其检测特性恒定不变的能力。五、小结：测量仪表的质量指标有精度、回差、灵敏度、线性度和稳定性等。其中精度和回差最主要的指标。应注意合格测量仪表的回差不能超过其允许误差，否则应检修或降级使用。六、作业：复习所学内容。序号4周次2授课形式讲授授课章节名称§2-3检测环节对控制品质的影响§2-4仪表设备的防护教学目的通过讲解，使学生基本掌握影响控制