自动控制系统.docx

1、自动控制系统自动控制系统10.1概述自动控制系统（ automatic control systems）是指在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。自动控制系统是实现自动化的主要手段，简称自控系统。主要由控制器，被控对象， 执行机构和 变送器四个环节组成。按控制原理的不同，自动控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统；按给定信号分类，自动控制系统可分为恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。10.2自动控制系统的优点化工生产过程中，我们可以跟据控制要求选择合理的控制方案。化工流程自动化控制具有诸多优点：（1） 提高关键工艺参数的操作精度，从而提高产品的质量或收

2、率；（2） 保证化工流程安全、稳定的运行；（3） 对间歇过程，还可减少批间差异，保证产品质量的稳定性和重复性；（4） 降低工人的劳动强度，减少人为因素对化工生产过程的影响。由此可见，强化化工流程的自动控制，是化工生产过程发展的必然趋势和方向。10.3自动控制系统的基本要求 各种自动控制系统，为厂完成一定任务，要求被控量必须迅速而准确地随给定量变化而变化，并且尽量不受任何扰动的影响。然而，实际系统中，系统会受到外作用，其输出必将发生相应的变化。因控制对象和控制装置以及各功能部件的特征参数匹配不向，系统在控制过程中性能差异很大甚至因匹配不当而不能正常工作。因此，工程上对自动控制系统性能提出了一些要

3、求，主要有以下三个方面。 1、稳定性 所谓系统稳定指受扰动作用前系统处于平衡状态，受扰动作用后系统偏离了原来的平衡状态，如果扰动消失以后系统能够回到受扰以前的平衡状态，则称系统是稳定的。如果扰动消失后，不能够回到受扰以前的平衡状态甚至随时间的椎移对原来平衡状态的偏离越来越大，这样的系统就是不稳定的系统。稳定是系统正常工作的前提，人稳定的系统是根本无法应用的. 2、难确性 它是对稳定系统稳态性能的要求。稳态性能用稳态误差来表示，所谓稳态误差是指系统达到稳态时被控量的实际值和希望值之间的误差，误差越小，表示系统控制精度越高越准确。一个暂态性能好的系统既要过渡过程时间短(快速性，简称“快”)，又要过

4、渡过程平稳、振荡幅度小(平稳性质称“稳”)。 3、快速性这是对稳定系统暂态性能的要求中压变频器。因为工程上的控制系统总是存在惯性，如电动机的电磁惯性、机械惯性等等，致使系统在扰动量给定量发生变化时，被控量个能突坐，肖要有个过渡过程，即暂态过程。这个暂态过程的过渡时间可能很短。也可能经过一个漫长的过渡达到稳态值，或经过一个振荡过程达到稳态值，这反应了系统的哲态性能。10.4自动控制系统的设计依据表10-1自动控制系统设计依据依据标准号化工厂初步设计文件内容和深度的规定HG/T20688-2000过程测量和控制仪表的功能标志及图形符号HG/T20505-2000自动化仪表选型设计规定HG/T205

5、07-200010.5自动控制系统10.5.1常用术语（1）被控对象：需要实现控制的设备、机械或生产过程称为被控对象，简称对象。（2）被控变量：对象内要求保持一定数值（或按某一规律变化）的物理量称为被控变量。（3）控制变量（操纵变量）：受执行器控制，用以使被控变量保持一定数值的物料或能量称为控制变量或操纵变量。（4）干扰：除控制变量以外，作用于对象并引起被控变量变化的一切因素称为干扰。（5）设定值：工艺规定被控变量所要保持的数值。（6）偏差：偏差本应是设定值与被控变量的实际值之差，但能获取的信息是被控变量的测量值而非实际值，因此，在控制系统中常把设定值与测量值之差定义为偏差。10.5.2自动控

6、制系统的组成自动控制系统由比较机构、控制器、执行器、测量/变送环节四部分组成。（1）测量与变送环节：测量被控变量，并将被控变量转换为特定的信号。（2）比较机构及控制器：接受来自于变送器的信号，与设定值进行比较得出偏差，并根据一定的规律进行运算，然后将运算结果用特定的信号发送出去。（3）执行器：根据控制器送来的信号相应的改变控制变量，以达到控制变量的目的。10.5.3自动控制系统的选择目前的工业自动控制系统主要由DCS（分布式控制系统）、PLC（可编程逻辑控制器）、FCS（现场总线控制系统）。DCS 是分布式控制系统的英文缩写（Distributed Control System），在国内自控行

7、业又称之为集散控制系统。DCS 是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物，通常采用若干个控制器（过程站）对一个生产过程中的众多控制点进行控制，各控制器间通过网络连接并可进行数据交换。操作采用计算机操作站，通过网络与控制器连接，收集生产数据，传达操作指令。因此，DCS的主要特点归结为一句话就是：分散控制集中管理。PLC 是可编程逻辑控制器的英文缩写（Programmable Logic Controller），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。FCS 是现场总

8、线技术与智能仪表管控一体化的现场总线控制系统，在主要控制器上采用带芯片处理器的智能仪表。通过使用现场总线，可以大量减少现场接线，用单个现场仪表可实现多变量通信，不同生产装置间可以完全交互操作，增加现场一级的控制功能，系统集成大大简化，并且维护十分简便。本工厂选用的是DCS控制系统，系统的设计采用合适的冗余配置和诊断至模件级的自诊断功能，具有高度的可靠性。系统内任一组件发生故障，均不会影响整个系统的工作。系统的参数、报警、自诊断及其他管理功能高度集中在CRT上显示和在打印机上打印，控制系统在功能和物理上真正分散，整个系统的可利用率至少为99.9。10.5.4紧急停车系统（ESD）紧急停车系统（E

9、mergency Shut Down System）又称安全连锁系统，简称ESD系统，它是为防止生产装置发生故障引发人身伤亡或设备损坏导致装置重大事故而设置的安全保护装置。所以ESD系统是保障化工过程安全的最后一道屏障，是工业装置控制系统中重要的组成部分。它大量处理的是逻辑信号，进行一系列的逻辑判断，一旦工艺过程出现异常，该装置将执行相应的逻辑程序，使相关设备处于安全状态，或进行气体置换，或采取措施终止化学反应，以阻止工艺过程的继续恶化，从而使关键设备或生产装置处于安全状态下。重要的现场安全仪表至少为两套。ESD紧急停车系统按照安全独立原则要求，独立于DCS集散控制系统，其安全级别高于DCS。

10、在正常情况下，ESD系统是处于静态的，不需要人为干预。作为安全保护系统，凌驾于生产过程控制之上，实时在线监测装置的安全性。只有当生产装置出现紧急情况时，不需要经过DCS系统，直接由ESD发出保护联锁信号，对现场设备进行安全保护，避免危险扩散造成巨大损失。本项目采用DCS与ESD共同控制，保证工厂的安全生产。10.6仪表基本类型及选型10.6.1化工生产过程设计的基本仪表类型化工测量仪表主要有有温度、压力、流量和物位测量仪表。（1）温度测量仪表温度测量仪表有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、热电偶等接触式仪表，也有光学、光电和辐射高温计之类的非接触式仪表。（2）压力测量仪表压力测量仪表

11、有液柱式压力表、普通弹簧管式压力表、专用弹簧管式压力表（氨、氧气、氦气、乙炔等气体用）、膜片式压力表、特种压力表（耐酸、耐高温等）。（3）流量测量仪表流量测量仪表有转子式（经常使用的有玻璃转子流量计）和容积式等。（4）物位测量仪表物位测量仪表按所使用的物理原理可分为直读式物位仪表、差压式物位仪表（包括压力式）、浮力式物位仪表、电测式（电阻式，电容式与电感式）物位仪表、超声式物位仪表、核辐射式物位仪表等。10.6.2仪表选型原则仪表是自动控制系统的重要组成部分，关系到自动控制系统的控制精度和稳定性，本项目对仪表进行选型时参照的标准如下：（1）现场仪表是采集工艺参数的主要工具，是确保自动控制系统正

12、常运行和科学管理的重要基础保证，因此应选用符合工艺控制精度、灵敏度要求的高性能智能型仪表。（2）为节约人力成本，减少维护强度，应选用高稳定性、免维护或低者维护的智能仪表。（3）现场变送器须选择带现场显示的，以方便现场检修。（4）仪表的选择应考虑环境的适应性。特别是传感器如直接与物料、反应液接触，很容易腐蚀和结垢。因此应尽量选择非接触式的、无阻塞隔膜式、电磁式和可清洗式的传感器（如超声波、电磁式等）。（5）尽量选用不断流拆卸式和维护周期较长的仪表，方便维护管理。（6）在有易燃易爆物质存在的特殊场合，应严格按照有关标准，选择具有防爆性能的产品。（7）为降低成本，在满足生产方面的要求的前提下，优先选

13、用节能型产品。10.7设备及过程控制方案本项目涉及到的需要控制的设备主要有储罐、离心泵、换热器、塔设备等。10.7.1储罐本项目工艺的原料、中间产品和产物都属于易燃易爆物，因此对储罐进行控制十分重要。储罐的控制包括液位控制和压力控制。液位控制通过液位测量仪和进出口阀门组成的简单控制系统进行控制，同时，设有液位报警装置；压力控制通过压力测量仪和储罐的放空阀组成的简单控制系统控制。储罐控制如图10-1所示：图10-1 储罐控制10.7.2换热器温度对于工艺的影响相当大，因此控制温度在需要的范围内具有重要的意义。换热器控制的目的即是控制温度，进行被控流股出口温度的测量调节其入口温度，调节换热介质的温

14、度和流量。换热器有工艺物流与公用工程换热器、工艺物流间换热器、冷凝器和再沸器四种。冷凝器和再沸器将在精馏塔控制中叙述。（1）工艺物流与公用工程换热器该类换热器的作用是将工艺物流加热或冷却到目标值。由于物流的流量和温度都会受到干扰，故采用温度-流量串级控制。对于加热工艺物流的换热器，采用以蒸汽流量为操纵变量，以进料流量、进料温度、出料温度、蒸汽进口温度为副变量，经加热后的工艺物流的温度为主变量的复杂串级控制。对于冷却工艺物流的换热器，采用以冷却水流量为操纵变量，主变量、副变量同上的串级控制，如图10-2所示：图10-2 公用工程与工艺物流间换热控制（2）工艺物流间换热器由于工艺物料间的换热往往是

15、得经过多级换热才能达到工艺要求，所以当工艺物流间换热时，以最终物流的温度为主变量，以工艺物流的流量为操作变量进行简单控制即可，如图10-3所示：图10-3 工艺物流间换热控制10.7.3精馏塔的基本控制方案1、塔顶控制（1）精馏塔塔顶通过调节冷凝器冷流体进口阀的开度对塔顶压力进行控制。在精馏塔顶设温度、压力检测仪表，并设泄压阀，当压力过高时可泄压。（2）精馏塔顶冷凝器采用热流体温度为主变量，冷却水流量为副变量的温度-流量串级控制系统。塔顶回流罐顶部设有放空安全阀，底部设有放净阀。回流罐安装就地液位显示仪表和液位控制报警器。通过液位-流量串级控制系统，实现对回流罐液位的控制。2、塔体部分（1）精

16、馏塔进料管线和侧线出料管线装有调节阀调节流量，进料管线上还装有温度显示仪表。（2）精馏塔塔体设有温度和压力显示仪表。一方面，温度压力过高或过低时会报警；另一方面，检测最灵敏板的温度，调节再沸器中蒸汽流量以及塔顶回流量，实现对产品浓度的控制。3、塔釜部分精馏塔塔釜设置液位测量仪表，通过控制塔釜出液的控制阀开度来控制釜液采出量，从而达到调节塔底液位的目的。（1）本工艺中塔釜再沸器均采用立式热虹吸式再沸器。检测再沸器出口温度来控制蒸汽进料流量。再沸器进塔管道上设置压力检测仪表，如图10-4所示：图10-4 精馏塔的自动控制10.7.4卧螺式离心机基本控制方案卧螺离心机自动控制系统以PLC和PC工控机

17、为核心形成自动控制系统，通过检测物料浓度和流量的变化控制改变辅点击工作频率，自动调节差转速。同时改变进料泵的工作频率，使进料流量朝着减小螺旋推料误差的方向变化。是固相不会产生堆积，避免了堵料的发生，达到自动控制的效果，如图10-5所示。图10-5 卧螺式离心机的自动控制10.7.5离心泵离心泵控制相应管路的物料流量，从而请向其他设备（如储罐、反应器、精馏塔、换热器等）的温度、压力、液位、安全等因素，因此往往通过检测，对离心泵的流量进行控制。控制的方法有控制出口阀门开度、控制泵的转速、控制旁路调节阀的开度、控制叶轮直径等等。在泵的出口管路上安装压力指示仪表，管壁所受的压力会随着管内物料流量的变化

18、而改变，压力改变时，压力的变化会显示在压力指示仪表上，然后根据不同的压力变化，采取相应合理的调节方式，以调整物料的正常流动，保证化工生产的正常运行。当干扰作用使被控变量（压强）发生变化偏离给定值时，通过压强的指示值反应管道内物料的流量变化，控制器发出控制信号，阀门动作，控制结果使流量回到给定值。离心泵的控制方案如图10-6所示：图10-6 离心泵的自动控制10.7.6压缩机控制由于压缩机在压缩气体过程是一个升温的过程，所以一般压缩机需要冷却水冷却，防止压缩机温度过高。由压缩机进出口气体的压差来调节压缩机的功率。为了防止压缩机的压力过高，在压缩机上安装有指示压力的仪表，并且该仪表可以在压力过高的

19、情况下，锁定压缩机电机继续工作，防止压缩机压力过高时工作，损坏压缩机构件。为了防止压缩机的温度过高，在压缩机上安装有指示温度的仪表，并且该仪表可以在温度过高的情况下，锁定压缩机电机继续工作，防止压缩机温度过高时工作，损坏压缩机构件。为了防止压缩机的温度、压力过高，同时在进压缩机管路上安装流量指示控制仪表，在出压缩机管路上安装流量检测、传送仪表，控制出入压缩机的物料的流量，并且可以在温度、压力过高的情况下，锁定压缩机电机继续工作，防止压缩机温度、压力过高时工作，损坏压缩机构件。压缩机的控制如图10-7所示：图10-7 压缩机的控制10.7.7倾析器倾析器是根据密度不同分离油水混合物的设备。倾析器

20、的控制包括液位控制、压力控制和温度控制。液位控制通过液位测量仪和进出口阀门组成的简单控制系统进行控制，同时，设有液位报警装置；压力控制通过压力测量仪和倾析器的放空阀组成的简单控制系统控制。温度控制通过温度测量仪和进出口阀门组成的简单控制系统进行控制。倾析器的控制方案如图10-8所示：图10-8 倾析器的控制10.7.8反应器反应器是化工生产中最主要的化工设备，只有反应器正常的安全工作，才能保证化工生产的正常有序的的顺利进行。为了保证反应器的安全正常工作，要对反应器采取完善的自动化控制，以保证生产的正常运行。反应器的自动控制采取串级调节温度、压强控制回路和进料流量控制回路。串级调节温度、压强控制

21、回路的作用是及时的监测、传送、控制反应器内物料温度和压强偏离正常值的变化，并及时消除温度、压强的波动，是温度、压强恢复到正常工作值。进料流量控制回路是为了减小进料流量变化对反应器温度、压强的不良影响，对进料流量进行适当的控制，当反应器的温度、压强偏大时，适当关小阀门；反之，适当开大阀门，使流量在一个较小的范围内波动，以保证化工生产的安全顺利进行。反应器的控制方案如图10-9所示：图10-9 反应器的控制10.7.9结晶器结晶是一个重要的化工过程，是物质提纯的主要方法之一。众多化工及中间产品都是以晶体形态出现的，结晶往往是大规模生产它们的最好又最经济的方法。结晶过程是一个复杂的传热、传质的过程。结晶器的控制包括液位控制、压力控制和温度控制。液位控制通过液位测量仪和进出口阀门组成的简单控制系统进行控制，同时，设有液位报警装置；压力控制通过压力测量仪和进出口阀门组成的简单控制系统控制。温度控制通过温度测量仪和进出口阀门组成的简单控制系统进行控制。结晶器的控制方案如图10-10所示：图10-10 结晶器的控制