过程控制系统的基本概念

过程控制装备适用于自动化、化学、轻工等专业的学生学习；以及工厂工程技术人员、生产操作人员的培训。承德石油高等专科学校电气电子系自动化教研室2015年3月上次课程重点内容回顾：•1、过程工业，过程工业是以流程性物料为主要处理对象，具有连续性生产过程特点的各种工业之总称。•最传统、典型的过程工业：•化肥、石油化工、生物化工、制药、农药、染料、食品、炼油、轻工、热电、核工业、公用工程、矿物加工等都属于过程工业。上次课程重点内容回顾：•2、生产过程自动化，是指石油、化工、电力、冶金、轻工等工业部门以连续性物流为主要特征的生产过程的自动控制，主要解决各种生产过程中的温度、压力、流量、液位（或物位）、以及成分（或物性）等参数的自动监测和控制问题。用自动化装置来管理连续或间歇生产过程的综合性技术就称为生产过程自动化，简称为过程控制（ProcessControl）。课程学习的主要目的：通过课程学习掌握过程控制系统的组成、原理及各环节的作用；能了解过程工业生产对象的基本特性及其对控制质量的影响；掌握生产过程常见参数的测量方法及仪表原理、特点，在此基础上能合理地选择过程控制系统中使用的自动化仪表；掌握简单过程控制系统的设计、投运及参数整定熟悉并了解过程工业中应用广泛的过程控制装备的构成和控制方法；能根据工艺和过程控制两方面的要求和自控设计人员共同讨论、拟订合理可行的各种自动控制方案。上次课程重点内容回顾：学习要求：•1、每人准备一作业本•2、及时复习，独立完成作业•3、答疑：A317教学计划：展示单元一过程控制系统的基本概念•§1.1概述•一、生产过程自动化系统所包含的内容•二、过程控制装备的任务及要求•§1.2过程控制系统的组成*•一、控制系统的概念•二、控制系统的分类•三、过程控制系统的发展单元一过程控制系统的基本概念§1.3控制系统的过渡过程及其性能指标•一、控制系统的过渡过程•二、控制系统的性能指标*•§1.4过程控制系统的两种表示形式•一、方框图•二、管道及仪表流程图*熟练掌握过程控制的概念、组成和分类；熟练掌握过程控制系统的两种表示形式；掌握生产过程自动化系统所包含的内容和过程装备控制的任务和要求；掌握控制系统的过渡过程及其性能指标；熟悉过程控制系统的分类方式；了解自动控制系统的发展趋势。本单元重点掌握内容本次课作业题•1、简述过程控制的概念。•2、过程控制系统主要有哪些单元组成？•3、什么是负反馈？技能提高部分：•1、能绘制系统方框图•2、能识读简单的管道仪表流程图§1.1概述•一、生产过程自动化系统所包含的内容•二、过程控制装备的任务及要求一、生产过程自动化系统所包含的内容一般包括自动检测、自动信号连锁保护、自动操纵和自动控制等内容。1.自动检测系统，如图所示•利用各种检测仪表对主要工艺参数进行测量、指示或记录的，称为自动检测系统。•它代替了操作人员对工艺参数的不断观察与记录，起到人的眼睛的作用。图1-1热交换器自动检测系统示意图2.自动信号和联锁保护系统–生产过程中的一种安全装置•对生产过程关键参数设置越限报警或连锁保护•作用：报警、连锁保护•当关键工艺参数超过了允许范围，在事故即将发生以前，信号系统就自动地发出声光信号告诫操作人员注意，并及时采取措施。•如工况已到达危险状态时，联锁系统立即自动采取紧急措施，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车，以防止事故的发生和扩大。3.自动操纵及自动开停车系统•自动操纵系统是一种根据预先规定的步骤（程序），自动地对生产设备进行某种周期性操作。•如合成氨造气车间煤气发生炉的操作•自动开停车系统可以按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。4.自动控制系统–是利用自动控制仪表及装置构成的闭环系统，对生产过程中某些重要的工艺变量进行自动调节。–在工艺变量受到外界干扰（扰动）的影响而偏离正常状态时，自动控制系统能自动地控制而回到规定的数值范围内。二、过程控制装备的任务及要求1.过程装备控制的任务：–主要针对过程装备的主要参数进行控制。主要参数包括：温度T（temperature）；压力P（pressure）；流量F(flow)；物位L（level)；成分A(analysis)等2工业生产对过程控制装备的要求：可以归纳为三项：即安全性、经济性和稳定性。–安全性是最重要也是最基本的要求。指在整个生产过程中，确保人身和设备的安全。•采用措施：越限报警、事故报警，连锁保护等–随着控制技术和计算机技术的不断发展，在线故障预测和诊断、容错控制等技术的引入，进一步提高了系统的安全性。–经济性是要求生产成本低而效率高。随着市场竞争加剧和能源的匮乏，经济性已越来越受到各方面的重视。–稳定性是指系统应具有抵抗外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力。•影响稳定运行的因素是多方面的。如：–在生产过程中，原材料成分变化；–反应器内催化剂老化；–换热器表面结垢等§1.2过程控制系统的组成一、控制系统的概念二、控制系统的分类三、过程控制系统的发展先来看一些具体例子，再得出一些基本的概念。如何使房间保暖？温度有什么样的动态特性？什么是控制系统？一、控制系统的概念在生产过程中，所有的变量像这样是否足够好？什么是控制系统？在控制系统中有三个基本部分，分别用来模拟人的眼、脑、手的功能。什么是控制系统？怎样选择传感器的位置？在生产过程中，典型的执行器有哪些？在这里“箭头”代表什么？什么是控制系统？自动控制系统这三部分可以说是构成了自动控制系统了吗？在自动控制系统中，除了上述三部分自动化装置之外，还必须具有所要控制的生产设备，才能构成一个自动控制系统。所要控制的生产设备称为：被控对象。在化工生产中的被控对象有：各种塔器、反应器、换热器、各种泵、容器、管路等。自动控制系统是由：测量元件与变送器、自动调节控制器、执行器（调节阀）、被控对象的闭环回路构成。什么是控制系统？控制（动词）：通过调整系统中选择的变量，使一个物理过程保持希望的状态。反馈控制：用系统的输出影响系统的输入。输入=动机输出=效果什么是控制系统？过热蒸汽温度控制系统控制流程图什么是控制系统？控制器执行器被控过程测量变送()ft()rt()et()zt()yt－()ut()qt过热蒸汽温度控制系统框图什么是控制系统？被控变量：能够体现系统性能或者最终产品质量的参数，也称为输出变量。控制变量：不断进行调整从而确保被控变量保持在设定点的输入变量。干扰变量：也称为负载变量，即使得被控变量偏离各自设定点的输入变量。设定值的变化：控制系统要求发生变化。设定值发生变化，控制变量进行相应的调整从而达到新的控制要求。也称为伺服系统。干扰量的变化：发生干扰时的短暂的校正控制行为，也称为调整控制或负载变化。一个控制系统必须能够在发生干扰的情况下恢复每一个被控参量值到其要求的控制点。什么是控制系统？控制专业词汇(1)被控变量（亦称系统输出）y(t)：被控过程内要求保持稳定的工艺参数；(2)控制变量（亦称操作变量控制介质）q(t)：使被控变量保持期望值的物料量或能量；(3)干扰量f(t)：除被控变量外，作用于被控过程并引起被控变量变化的各种因数；(4)设定值r(t)：与被控变量相对应的设定值；(5)反馈值z(t)：被控变量经测量变送后的实际测量值；(6)偏差e(t)：设定值与反馈值之差；(7)控制作用u(t)：控制器的输出值。控制器执行器被控过程测量变送()ft()rt()et()zt()yt－()ut()qt什么是控制系统？控制专业词汇注意：在常用的术语中有一些共同的错误。一般的语言工程与科学用语负反馈：这样做，是一个愚蠢的做法。正反馈：这是一个很好的做法，谢谢你。负反馈：作用可以减少距离希望的误差。正反馈：作用可以增加距离希望的误差。好！关于负反馈和正反馈在什么位置进行控制？传统的控制面板传感器、本地显示、调节阀等。在集中控制中心，显示各变量、计算结果和与现场的通讯等。在什么位置进行控制？现代的计算机控制面板传感器、本地显示和调节阀等。在集中控制中心，显示各变量、计算结果和与现场的通讯等。过程控制设计文件的基本要求设计文件需要提供工艺过程文件，如，管线、仪表等工艺流程框图。复杂的系统需要用文字来描述。采用标准的符号。F=Flow，流量L=Level，液位P=Pressure，压力T=Temperature，温度……1.环境要求：工厂的气体、液体和固体必须按照环境的标准和规则。2.产品的质量和产量：为了生产利益，所生产的产品必须满足产品的质量和产量。3.工厂经济运行机制：控制目标必须考虑经济目标。4.稳定运行机制：控制系统是保证工厂设备平滑、稳定运行、关键变量没有振荡。过程控制设计要求过程控制设计中最重要的因素是？安全！过程安全：大型事故1988年苏格兰西部石油的PiperAlpha灾难海面石油平台爆炸164人死亡损失$20亿1984印度bhopal的碳化物事故MIC释放到大气中3000-10,000人死亡100,000受伤损失$5－10亿2000年6月科威特KPCL发生的MinaAl-Ahmedhi精炼厂事故泄漏引起可燃气体排放到大气中，并引起爆炸。7人死亡，50人受伤。损失$？？亿。2001年3月巴西石油事故海面石油平台爆炸。10人死亡，损失$50亿。平台沉入大西洋。大型事故2001年9月21法国图卢兹硝酸氨爆炸31人死亡2442人受伤损失几亿美元大型事故近期国内大型事故2007年11月8日，吉林松原石油化工股份有限公司在建干气综合利用装置利用导热油脱除管道系统内残留水分过程中导热油泄漏着火，造成4人死亡。2007年11月27日，江苏联化科技有限公司（以下简称联化公司）重氮盐生产过程中发生爆炸，造成8人死亡、5人受伤（其中2人重伤），直接经济损失约400万元。2007年11月28日，浙江湖州菱化实业股份有限公司亚磷酸二甲酯生产过程中发生爆炸，造成3人死亡。国家安全生产监督管理总局文件，安监总危化〔2007〕251号。“国家安全监管总局关于江苏联化科技有限公司”11.27“爆炸等事故的通报”2007年4月18日7时45分，辽宁省铁岭市清河特殊钢有限责任公司生产车间，一个装有约30吨钢水的钢包在吊运至铸锭台车上方2-3米高度时，突然发生滑落倾覆，钢包倒向车间交接班室，钢水涌入室内，致使正在交接班室内开班前会的32名职工当场死亡，另有6名炉前作业人员受伤，其中2人重伤。国家安全生产监督管理总局文件，安监总管一〔2007〕83号。“国家安全监管总局关于辽宁省铁岭市清河特殊钢有限责任公司“4•18”钢水包倾覆特别重大事故的通报”事故的直接原因：炼钢车间吊运钢水包的起重机主钩在下降作业时，控制回路中的一个联锁常闭辅助触点锈蚀断开，致使驱动电动机失电；电气系统设计缺陷，制动器未能自动抱闸，导致钢水包失控下坠；制动器制动力矩严重不足，未能有效阻止钢水包继续失控下坠，钢水包撞击浇注台车后落地倾覆，钢水涌向被错误选定为班前会地点的工具间。来自操作人员的抱怨实时信息不够精确(例如缺少真实的警报命令)；由于容错能力不强引起的过多警报；不能充分预料过程扰动；缺少实时的，彻底的分析(基于症状的报警)；缺少设备失误与过程偏差之间的区别；各种信息和控制系统元素之间的综合薄弱；观察相关的过程数据的能力有限；缺少足够的测量，跟踪和取得非正常情况的以往记录的工具；程序或者操作指示有限或者受时间限制；工厂各单元之间或者内部的通讯笨重且分散。需要实现智能控制！过程安全和过程控制过程工业的初始关注。公众对潜在危机的加倍关注，更严格的法律要求，以及现代工业工厂的更加复杂性。1、按被控参数名称：温度、压力、流量、液位、成分等控制系统2、按系统功能：比值、均匀、分程控制、选择性控制等3、按被控变量多少：单变量、多变量等系统过程控制系统的分类4、按控制仪表：常规仪表、计算机等控制系统5、按系统结构：反馈控制系统、前馈控制系统、前馈-反馈控制系统等6、按给定值信号：定值控制系统、程序控制系统、随动系统二、控制系统的分类1.