1 过程控制及集散控制系统概述

《过程控制与集散控制系统》任佳Email:[e-mail]:13819199498(669498)Office:15#219教材及参考书：教材自编讲义：JX-300XDCS系统参考书：郭阳宽，王正林编著，《过程控制工程及仿真－基于Matlab／Simulink》，电子工业出版社，2009.4参考书：俞金寿，孙自强，《过程控制系统》，机械工业出版社，2008.8教学安排过程控制及集散控制系统概述JX-300X集散控制系统过程控制系统--基本控制算法单回路PID、串级控制比值、前馈纯滞后、解耦、预测控制均匀控制、选择性控制、分程控制CS3000集散控制系统过程控制实验及讨论成绩评定平时50%+期末50%平时：课堂习题课外作业仿真练习实验点名网络课程平台的提问、讨论加分奖励（5-10分）—课堂讨论1.1过程控制系统？及其特点1.2单回路过程控制系统的组成1.3控制平台的类型*1.4单回路过程控制系统设计中的几个要点1.5总结1过程控制及集散控制系统概述1.1什么是过程控制系统？过程自动化—过程控制，过程控制系统电气自动化—电气控制，电力拖动控制系统控制对象不同：过程控制：工业生产过程中的物理量以温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控变量的自动控制。电气控制：电动机（直流、交流）典型流程工业生产过程化工单元过程炼油生产过程火电生产过程控制制浆造纸过程控制啤酒及中药生产水处理过程控制等流程工业（Flowindustry）也叫过程工业（ProcessIndustry）通常指化工、石化、炼油、钢铁、冶金、造纸、制药、食品、电力等连续生产行业在整个制造业中所占比重大占全国工业总产值的70％以上91年以来流程工业的产品销售额前10名中占80-90%,利润前20名中占70%市场竞争对流程工业的压力不断增大典型工业生产过程举例-乙酸乙酯生产过程原料：乙酸、乙醇产品：乙酸乙酯工艺：1.酯化反应2.中和3.萃取精馏4.萃取剂回收乙酸乙酯生产过程反应釜（酯化反应）乙酸乙醇催化剂磷钼酸夹套温度：130-140釜内温度：80-90反应时间：2-3小时中和釜碳酸钠饱和溶液乙酸乙醇乙酸乙酯轻相重相中和过量乙酸，溶解乙醇乙酸乙酯、微量的乙醇、水过量的碳酸钠中和反应产生乙酸钠、和乙醇乙酸乙酯生产过程轻相乙酸乙酯、微量的乙醇、水筛板塔萃取精馏萃取剂乙二醇轻组分乙酸乙酯乙二醇、乙醇和微量的水（提纯乙酸乙酯）填料塔精馏（回收乙二醇）沸点不同重组分轻组分重组分乙醇和水乙二醇循环使用图片以温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控变量的自动控制。典型过程装置：精馏塔控制精馏过程---将组分复杂的混合物通过传热分离成纯度相对较高的单一化工产品的过程原理-----利用混合物中各组分相对挥发度不同，在一定的温度、压力下通过蒸发与冷凝，使液相中的轻组分和气相中的重组分互相转移，从而实现分离。换热器回流罐再沸器精馏塔精馏过程控制精馏过程的控制要求产品质量控制物料平衡控制塔顶或塔底产品之一合乎规定的纯度，另一端产品维持在规定的范围内。塔顶、塔底采出量和进料量相平衡，维持塔的平稳操作。以控制回流罐与塔釜液位介于规定的上下限为目标。精馏过程控制精馏过程的控制要求能量平衡控制约束条件控制通过控制塔内的操作压力稳定来保证。液泛限：塔内气相速度过高，液相从下面塔板倒流到上面塔板。漏液限：塔内气相速度过低，塔板漏液，板效率下降压力限：塔的最大操作压力限临界温差限：再沸器两侧的温差不能低于临界温差通过控制塔压差来实现。生产过程的工艺流程基本不变，物料流是连续的；在装置内存在着物理的和化学的变化，并伴随着物质的和能量的转换与传递。原料性质变化需要生产同样的产品同样的原料又需要生产不同的产品生产过程的一定限度内的柔性是靠改变各装置间物流的分配和装置运行的工作点（即工艺操作参数）来实现的过程工业生产过程的特点1.1.2过程工业控制的特点1.被控过程具有多样性化工、冶金、电力、污水处理等。2.控制方案具有多样性反馈、前馈、复合控制单回路、串级、比值、解耦控制、先进控制等3.被控过程多属慢过程，控制目标多为过程参数生产过程的物料大多是流体状的，因此能量的交换与传递过程在时间上往往有比较大的滞后控制目标间有较强的耦合（关联）4.给定值控制是主要的控制形式控制系统分类－按设定值的不同情况恒值（定值）控制系统恒温箱的温度控制稳压电源的电压稳定控制随动控制系统设定值不断变化，要求系统的输出随之变化例：雷达跟踪系统，机器人，机械手的动作控制程序控制系统其设定值也是变化的，但它根据需要按一定时间程序变化。程序控制机床，冶金工业中退火炉的温度控制1.2单回路过程控制系统的组成被控对象、传感器和变送器、控制器（调节器）、执行器和控制阀控制器被控变量设定值-传感变送执行机构控制什么?–对象如何控制？-算法用什么控制？-控制平台1.3控制平台的类型控制平台的几种类型单片机工控机PLCDCSFCS对象规模和要求不同PLC：可编程控制器S7-200PLC：SimaticS7-300PLC的主要应用场合PLC用于开关量逻辑控制取代传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。PLC用于运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块,如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块,广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。PLC用于工业过程控制在工业生产过程当中,存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量(即模拟量),PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量,完成闭环控制。PLC主要生产厂商Siemens(西门子)公司Allen-Bradley(A-B)公司（Rockwell）Schneider(施耐德)公司Mitsubishi(三菱)公司Omrom(欧姆龙)公司DCS系统DistributedControlSystem控制站CS操作员站OS、工程师站ES（人机接口）控制网络OSESCSUPS配电箱操作员站控制站控制站硬件总貌控制站CS机柜电源机笼主控卡数据转发卡I/O卡集线器Hub接线端子板机柜机笼机笼机笼电源Hub1Hub2接线端子板系统结构（示意图）现场控制单元过程控制网SCnetⅡ操作站操作站工程师站PLC通信接口卡通信接口卡智能仪表Ethernet质量管理仓库管理财务管理网桥SP244SP244RS485/RS232集散控制系统的发展4C技术☞控制技术(Control)、☞计算机技术(Computer)、☞通信技术(Communication)、☞阴极射线管(CRT)图形显示技术是一种操作显示集中、控制功能分散、采用分级分层体系结构、局部网络通信的计算机综合控制系统。集散控制系统产生的背景20世纪60年代初，人们开始将电子计算机用于过程控制，试图利用计算机所具有的能执行复杂运算、处理速度快、集中显示操作、易于通信、易于实现多种控制算法、易于改变控制方案、控制精度高等特点，来克服常规模拟仪表的局限性。小型机实现模拟量的数字控制：回路控制，数据采集，运算，人机接口。缺点：可靠性差，危险集中。☞根据“危险分散”的设计思想，过去由一台大型计算机完成的功能，现在可以由几十台甚至几百台微处理机来完成。各微处理机之间可以用通信网络连接起来，从而构成一个完整的系统。☞1975年12月，美国霍尼威尔(Honeywell)公司正式向市场推出了世界上第一套集散控制系统TDC-2000（TotalDistributedControl2000）系统，成为最早提出集散控制系统设计思想的开发商。DCS的发展脉络1975年,TDC2000DCS的发展轨迹专用通用硬件：硬盘，内存，键盘，显示器软件：监控软件，操作系统网络DCS主要应用场合及主要产品流程行业石油、化工、电力、冶金、钢铁、造纸等温度、压力、流量、液位、成份的控制世界各国主要DCS产品美国：Honeywell:TDC2000、TDC3000、PKSEmerson:DeltaV（WestingHouse:WDPF）Foxboro:I/ASeriesABB(Bailey):MP/200及AC800F日本：横河(Yokogawa):CENTUMCS3000世界各国主要DCS产品德国：西门子Siemens：Teleperm-M,PCS7英国：欧陆：T2550世界各国主要DCS产品中国：上海新华：XDPS(GEPower收购)浙大中控：JX-300X、JX-300XP和利时：MACS主要行业应用石化（特点：回路多）横河CS1000,CS3000HoneywellTDC3000电力（模拟量，开关量结合）Bailey西屋WDPF现场总线控制系统现场总线控制系统出现的原因智能变送器的出现网络技术的发展网络系统与现场仪表通信的要求现场总线控制系统的含义现场总线：数字式，双向的，串行的数据总线现场总线仪表：支持现场总线通信的智能仪表现场总线控制系统：以单个分散的数字的智能的设备作为网络节点，以数据总线进行连接，实现现场的控制。DCS与FCS1.5本讲小结过程控制是自动化专业的主要内容之一系统的观点、全局的观点：对象控制方案变送器执行器载体作业什么是过程控制系统？什么是电力拖动系统？它们各自的特点是什么？通过上网或查阅书籍，举出一个典型过程控制系统的例子。试用全局的观点来梳理以前学过的自动化的相关知识。1.4过程控制系统设计中的几个要点1.4.1被控变量的选择1.4.2控制变量的选择1.4.3控制阀开关的选择1.4.1被控变量的选择被控变量的选择，是控制系统设计的核心问题。以温度、压力、流量、液位为操作指标的生产过程，就选择温度、压力、流量、液位为被控变量。当质量指标是产品质量的直接反映时：最佳方案：采用质量指标作为被控变量产品成分的测量问题：1.并不是所有参数都有行之有效的测量方法；2.成分分析仪表普遍具有较大的测量滞后，不能及时反应产品质量的变化情况3.成分分析仪的工作环境要求高，较差的工作环境会带来较大的测量误差。1.4.1被控变量的选择当质量指标是产品质量的直接反映时：最佳方案：采用质量指标作为被控变量可行方案：采用间接的指标作为被控变量要求：１。间接指标与直接指标有单值的对应关系。２。具有一定的变化灵敏度，即随着产品质量的变化，间接指标必须有足够大的变化。1.4.1被控变量的选择－案例可行方案：采用间接的指标作为被控变量要求：１。间接指标与直接指标有单值的对应关系。２。具有一定的变化灵敏度塔顶苯的纯度与温度、压力之间有如下的函数关系：到底选择温度还是压力作为被控变量呢？(,)DDxfTp苯、甲苯精馏分离，苯的纯度95％以上。1.4.1被控变量的选择到底选择温度还是压力？D1Dpx=f(T)当一定时:2DDTx=f(p)当一定时:理论上选择两者均可，但在工程实践中一般都选择温度作为被控变量。因为在精馏操作中，往往希望塔压保持一定，如果塔压波动，塔内原有的汽液平衡关系就会遭到破坏，相对挥发度就会发生变化，塔将处于不良的工况。1.4.1被控变量的选择－原则尽量选择质量指标作为被控变量当不能选择质量指标作被控变量时，应当选择一个与产品质量指标有单值对应关系的间接指标参数作为被控变量．所选择的间接指标参数应具有足够大的灵敏度，以便反映产品质量的变化．选择被控变量要考虑到工艺的合理性和国内、外仪表生产的现状。被控变量-控制变量的选择？1.4.2讨论：控制变量的选择？右图为一蒸汽加热设备，利用蒸汽将物料加热到所需温度后排出。请问：（１）影响物料出口温度的主要因素有哪些？（２）如果要设计一温度控制系统，你认为被控变量