冶金过程检测与控制Word格式文档下载.docx

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部分生产过

程实现了仪表化和局部自动化

控制理论：

以反馈为中心的经典控制理论

20世纪60年代：

用级、比值、均匀、前馈和选择性等多种复杂控制系统。

自动化仪表：

单元组合仪表（气动R型和电动R型）成为主流产品

60年代后期，出现了专门用于过程控制的小型计算机，直接数字控制系统和监督计算机控制系统开始应用于过程控制领域。

出现了以状态空间方法为基础，以极小值原理和动态规划等最优控制理论为基本特征的现代控制理论，传统的单输入单输出系统发展到多输入多输出系统领域。

20世纪70〜80年代：

微电子技术的发展，大规模集成电路制造成功且集成度越来越高（80年代初一片硅片可集成

十几万个晶体管，于是32位微处理器问世），微型计算机的出现及应用都促使控制系统发展。

最优控制、非线性分布式参数控制、解耦控制、模糊控制

气动田型和电动田型，以微处理器为主要构成单元的智能控制装置。

集散控制系统（DCS、可编程逻辑控制器（PLC）、工业PC机、和数字控制器等，已成为控制装置的主流。

集散控制系统实现了控制分散、危险分散，操作监测和管理集中。

形成了大系统理论和智能控制理论。

模糊控制、专家系统控制、模式识别技术

20世纪90年代至今：

信息技术飞速发展

管控一体化现场，综合自动化是当今生产过程控制的发展方向。

总线控制系统的出现，引起过程控制系统体系结构和功能结构上的重大变革。

现场仪表的数字化和智能化，形成了真正意义上的全数字过程控制系统。

各种智能仪表、变送器、无纸纪录仪。

人工智能、神经网络控制。

总的来看，过程控制从实践上分，可以分成两个阶段。

一个是经典控制理论阶段，一个是现代控制理论阶段。

经典控制理论，大约形成在1932年到1960年。

通常把它叫做自动控制理论，

或者自动调节原理。

“经典”两个字一般不出现。

与经典控制理论相对应的，是现代控制理论＜

形成于1960年以后。

通常也把它叫做线性系统理论。

二、自动控制技术的应用范畴

1.宇航方面：

（现代控制理论）

同步卫星与地面接收站直接对应，偏差影响收看效果（随动控制系统）

卫星的发射与回收（宇宙飞船，航天飞机）自动关机、点火系统

2.军事方面：

火炮自动点火、巡航导弹

3.其他方面：

农业（病虫害防治、专家系统）

社会科学（计划生育，人口增长模型）

4.现代管理：

办公自动化（以计算机技术和现代通信技术为主体的综合处理与办公活动相关的语言、数据、图像、文字等人及信息系统。

5.工业生产：

自动车床、加热炉、发酵罐

三、过程控制系统的特点

过程控制系统与其他自动控制系统相比，有如下几个特点：

1.生产过程的连续性

在过程控制系统中，大多数被控过程都是以长期的或间歇形式运行，在密闭的设备中被控变量不断的受到各种扰动的影响。

2.被控过程的复杂性

过程控制涉及范围广：

石化过程的精微塔、反应器；

热工过程的换热器、锅炉等。

被控对象较复杂：

动态特性多为大惯性，大滞后形式，且具有非线性、分布参数和时变特性。

3.控制方案的多样性.

被控过程对象特性各异，工艺条件及要求不同，过程控制系统的控制方案非常丰富。

包括：

常规PID控制、改进PID控制、用级控制、前馈-反馈控制、解耦控制；

为满足特定要求而开发的比值控制、均匀控制、选择性控制、推断控制；

新型控制系统，如模糊控制、预测控制、最优控制等。

四、过程控制的主要内容

1.自动检测系统（本书介绍的重点内容）

利用各种检测仪表对工艺参数进行测量、指示或记录。

如：

加热炉温度、压力检测。

2.自动信号和联锁保护系统

自动信号系统：

当工艺参数超出要求范围，自动发出声光信号。

联锁保护系统：

达到危险状态，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车。

反应器温度、压力进入危险限时，加大冷却剂量或关闭进料阀。

3.自动操纵及自动开停车系统

自动操纵系统：

根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作。

合成氨造气车间煤气发生炉，按吹风、上吹、下吹、吹净等步骤周期性地接通空气和水蒸汽

自动开停车系统：

按预先规定好的步骤将生产过程自动的投入运行或自动停车。

4.自动控制系统：

利用自动控制装置对生产中某些关键性参数进行自动控制，使他们在受到外界扰动的影响而偏离正常状态时，能自动的回到规定范围。

（本书介绍的重点内容）

1.2程控制系统的组成

利用自动控制装置构成的过程控制系统，可以在没有人直接参与的条件下，使这些工艺参数能自动按照预定的规律变化。

一、过程控制系统实例（视频1—04:

20—18:

14）

1.锅炉汽包水位控制（见教材P4）

在锅炉正常运行中，汽包水位是一个重要的参数，它的高低直接影响着蒸汽的品质及锅炉的安全。

水位过低，当负荷很大时，汽化速度很快，汽包内的液体将全部汽化，导致锅炉烧干甚至会引起爆炸；

水位过高会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带液现象，降低了蒸汽的质量和产量，严重时会损坏后续设备。

执行器|■迎水

2.发酵罐温度控制（参见教材P4）

发酵罐是间歇发酵过程中的重要设备，广泛应用于微生物制药、食品等行业。

发酵罐的温度

是影响发酵过程的一个重要参数。

因为微生物菌体本身对温度非常敏感，只有在适宜的温度下才能正常生长代谢，而且涉及菌体生长和产物合成的酶也必须在一定的温度下才能具有高的活性。

温度还会影响发酵产物的组成。

因此，按一定的规律控制发酵罐的温度就显得非常重要。

图1.2发酵罐温度控制系统示意图

影响发酵过程温度的主要因素有微生物发酵热、电机搅拌热、冷却水的流量及本身的温度变化以及周围环境温度的改变等。

一般采用通冷却水带走反应热的方式使罐内温度保持工艺要求的数值。

对于小型发酵罐，通常采用夹套式冷却形式。

如图1.2（a）所示。

实现对发酵罐温度的控制，可使用温度检测仪表（如热电偶、热电阻等）测量罐中的实际温度，将测得的数值送入控制器，然后与工艺要求保持的温度数值进行比较。

如果两个信号不相等,则由控制器的输出控制冷却水阀门的开度，改变冷却水的流量，从而达到控制发酵罐温度的目的。

二、过程控制系统的组成

一个过程控制系统一般由两部分组成。

需要控制的工艺设备或机器（被控过程）+自动控制装置

（反应器、精储塔、换热器、压力罐（控制器、执行器、测量元件及变送器）

储槽、加热炉、压缩机、泵、冷却塔）

形象地进行描述：

眼一检测元件（变送器）

要想实现对汽包水位的控制，首先应随时掌握水位的变化情况

脑―"

4空制器

控制器将接收到的测量信号与预先规定的水位高度进行比较。

如果两个信号不相等，表明实际水位与规定水位有偏差，此时控制器将根据偏差的大小向执行器输出一个控制信号，

手~►执行器

执行器即可根据控制信号来改变阀门的开度，从而使进入锅炉的水量发生变化，达到控制锅炉汽包水位的目的

几个常用术语：

（重点理解）

，被控过程（对象）工艺参数需要控制的生产过程设备或机器等。

如锅炉汽包，发酵罐。

《被控变量被控对象中要求保持设定值的工艺参数。

如汽包水位、发酵温度。

操纵变量受控制器操纵，用以克服扰动的影响使被控变量保持设定值的物料量或能量。

如锅炉给水量和发酵罐冷却水量。

扰动量除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。

如蒸汽负荷的变化、

冷却水温度的变化等。

设定值被控变量的预定值。

偏差（e）被控变量的设定值与实际值之差。

在实际控制系统中，能够直接获取的信息是被控变量的测量值而不是实际值，因此，通常把设定值与测量值之差作为偏差。

.

1.3程控制系统的两种表示形式

一、方框图

方框图是控制系统或系统中每个环节的功能和信号流向的图解表示，是控制系统进行理论分

析、设计中常用到的一种形式。

方框图组成：

方框----每一个方框表示系统中的一个组成部分（也称为环节），方框内添入表示其自身特

性的数学表达式或文字说明；

信号线一信号线是带有箭头的直线段，用来表示环节间的相互关系和信号的流向；

作用于方框上的信号为该环节的输入信号，由方框送出的信号称为该环节的输出信号。

比较点----比较点表示对两个或两个以上信号进行加减运算，“+”号表示相加，“―”号表示相减；

分支点----表示信号引出，从同一位置引出的信号在数值和性质方面完全相同。

带有输入输出信号的方框比较点分支点

图1.3方框的组成单元示意图

绘制方法：

以如图1.4,锅炉汽包水位控制系统为例，系统中的每一个环节用一个方框来表示，四个方框分别表示：

被控对象（锅炉汽包）、测量变送装置、控制器和执行器。

每个方框都分别标出各自的输入、输出变量。

如被控对象环节，给水流量变化会引起汽包水位的变化，因此给水流量（操纵变量）作为输入信号作用于被控对象，而汽包水位（被控变量）则作为被控对象的输出信号；

引起被控变量（汽包水位）偏离设定值的因素还包括蒸汽负荷的变化和给水管压力的变化等扰动量，它们也作为输入信号作用于被控对象。

图1.4锅炉汽包水位控制系统方框图

在绘制方框图时应注意几点：

（1）方框图中每一个方框表示一个具体的实物。

（2）方框之间带箭头的线段表示它们之间的信号联系，与工艺设备间物料的流向无关。

方框图中信号线上的箭头除表示信号流向外，还包含另一种方向性的含义，即所谓单向性。

对于每一个方框或系统，输入对输出的因果关系是单方向的，只有输入改变了才会引起输出的改变，输出的改变不会返回去影响输入。

例如冷水流量会使汽包水位改变，但反过来，汽包水位的变化不会直接使冷水流量跟着改变。

（3）比较点不是一个独立的元件，而是控制器的一部分。

为了清楚的表示控制器比较机构的作用，故将比较点单独画出。

二、管道及仪表流程图

管道及仪表流程图是自控设计的文字代号、图形符号在工艺流程图上描述生产过程控制的原

理图，是控制系统设计、施工中采用的一种图示形式。

该图是在工艺流程图的基础上，按其流程顺序，标出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与连锁保护系统等。

由工艺人员和自控人员共同研究绘制。

在管道及仪表流程图的绘制过程中所采用的图形符号、文字代号应按照有关的技术规定进行。

下面结合化工部《过程检测和控制系统用文字代号和图形符号》HG20505-92

简单介绍一些常用的图形符号和文字代号。

1.图形符号

过程检测和控制系统图形符号包括测量点、连接线（引线、信号线）和仪表圆圈等

（2）连接线

交火相揖表示信号方向

（a）（b）（c）

图1.6连