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浅谈过程控制与自动化仪表
摘 要 随着自动化仪表的更新换代，现代科学技术的发展需要自动化仪表和过程控制提供技术保障,要不断地改进生产技术，使其朝着智能化、网络化、开放性发展。
关键词 自动化仪表；自动化技术；过程控制
1 引言
过程控制泛指石油、化工、电力、冶金、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制,其被控量通常为压力、液位、流量、温度、PH值等过程变量,是自动化技术的重要组成部分.其作用体现在现代工业生产过程自动化中，过程控制技术可实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用.自动化仪表是用于生产过程自动化的仪器或设备,是实现工业企业自动化的必要手段和技术工具.其特点是兼容性、统一标准。
2 过程控制概述
2。1 过程控制的特点、要求及任务、功能结构
过程控制的特点：系统由被控过程和检测控制仪表组成;被控过程的多样性；控制方案的多样性;控制过程大多属于慢变过程与参量控制；定值控制是过程控制的主要形式。
生产过程对控制最主要的要求可以归结为三个方面，即：安全性、稳定性和经济性。过程控制的任务,就是在了解、掌握工艺流程和生产过程的各种特性的基础上,根据工艺生产提出的要求，应用控制理论对控制系统进行分析、设计和综合，并采用相应的自动化装置和适宜的控制手段加以实现，最终达到优质、高产、低耗的控制目标。
决策管理与计划调度
实时优化
常规控制或高级过程控制
操作安全与环境保护
测量变送与执行
被控过程
日-月级
时-日级
分-时级或
分-妙级
小于1秒
小于1秒

图1过程控制的功能结构图
过程控制的功能结构:测量变送与执行，由测量变送装置与执行装置实现;操作安全与环保，保证生产安全、满足环保要求的设备(独立运行）;常规与高级控制，实现对过程参数的控制,满足控制要求；实时优化，实现最优操作工况（时间，成本，设备损耗)而设计的方案;决策与计划调度，对整个过程进行合理计划调度和正确决策,使企业利益最大化.
2.2 过程控制的分类
按照被控变量的给定值分类,可分成以下三类：
1. 定值控制系统,是一种被控变量的给定值始终固定不变的控制系统。如：液位控制系统；
2。 随动控制系统随动控制系统是一种被控变量的给定值随时间不断变化的控制系统,例如：锅炉的燃烧控制系统；
3。 程序控制系统（又称顺序控制系统)程序控制系统是被控变量的给定值按预定的时间程序来变化的控制系统.例如：冶金工业中的金属热处理的温度控制.
2。3 过程控制发展概况
20世纪40年代前后（手工阶段)：手工操作状态，凭经验人工控制生产过程，劳动生产率很低；
20世纪50年代前后（仪表化与局部自动化阶段):过程控制发展的第一个阶段,实现了仪表化和局部自动化；
20世纪60年代(综合自动化阶段)：检测和控制仪表—-—--采用单元组合仪表(气动、电动)和组装仪表,实现直接数字控制（DDC)和设定值控制（SPC);过程控制系统结构-----—多变量系统,各种复杂控制系统，如串级、比值、均匀控制、前馈、选择性控制系统，控制目的——-—-—提高控制质量或实现特殊要求；
20世纪70年代以来(全盘自动化阶段）：发展到现代过程控制的新阶段，这是过程控制发展的第三个阶段。
3 自动化仪表概述
自动化仪表是用于过程自动化的仪器或设备，过程控制系统是实现生产过程自动化的平台，而自动化仪表与装置是过程控制系统不可缺少的重要组成部分。
3。1 自动化仪表的分类
（1） 按照安装场地分
现场仪表（一次仪表)、控制室仪表（二次仪表);
（2） 按能源形式分
① 气动控制仪表：以压缩空气为能源。
优点：结构简单，性能稳定，可靠性高,易于维修，天然防爆；
缺点：气动信号传输速度极限=声速340 s,体积庞大.
② 电动控制仪表
优点：信号快速，远距离传输：易于实现复杂规律的信号处理，易于与其他装置相连，供电用电方便,无需空压机和油泵、水泵;
缺点：不天然防爆；易受电磁干扰；功率不易大，近年的电动仪表多采用了安全防爆措施,应用更加广泛。
③ 液动仪表（以高压油和高压水为能源)
优点：工作可靠,结构简单,功率大,防爆；
缺点：速度传送慢。
(3） 按信号形式分
模拟式控制仪表、数字式控制仪表、基地式控制仪表、单元组合控制仪表。
3。2 自动化仪表的信号制
模拟仪表的信号可分为气动仪表的模拟信号与电动仪表的模拟信号。模拟仪表的信号制：直流电流信号为4-20mA，负载电阻为250 Ω，直流电压信号为1—5V.电流信号优于电压信号,因为电流信号可远距离传输(线路电阻上压降太多，则信号耗损）.
数字式仪表的通信标准：数字或智能仪表与计算机之间采用数字通讯模式多种，如RS232、RS485、USB、PROFIBUS、Control Net、CAN、Hart、Modbus。而且数字比模拟信号的优势在于:提高信号传输精度抗干扰能力强;传输信息丰富，可传测量值及厂家信息；减少布线复杂性和费用.
3.3 安全防爆仪表与防爆系统
仪表的防爆性能：本质安全防爆性能与非本质安全防爆性能，气动仪表本质上是防爆的，因为它不会产生电火花。电动仪表防爆方案有结构型防爆和安全火花型防爆，前者在结构上隔离产生火花的电路和爆炸气体（类型有充油型、充气型、隔爆型），后者则把仪表电路在短路、断路及误操作各种状态下可能产生的火花限制在爆炸气体的点火能量之下(具有本质安全防爆性能)。
安全火花型防爆等级：电压30V DC时, 不同爆性物最小引爆电流见表1。
表1安全火花型防爆等级
级别
最小引爆电流（mA)
爆炸性混合物种类
I
i〉120
甲烷，乙烷,汽油，甲醇,乙醇，丙酮，氨，一氧化碳等
II
70〈i≤120
乙烯,乙醚,丙烯腈等
III
i≤70
氢,乙炔，二硫化碳，市用煤气，水煤气等
4 过程控制系统
4。1 集中型计算机控制系统（见图2）
外设
过程控制计算机
AO
DO
AI
DI
输出子系统
输入子系统
………………
操作变量
被控过程(对象)
………………
被控变量

图2集中型计算机控制系统
优势性：
从表面上看-——信息集中，集中型计算机控制可以实现各种更复杂控制功能；便于实现优化控制和优化生产；
劣势性：
由于当时计算机总体性能低，容量小，容易出现负荷过载，控制集中直接导致危险集中，高度集中使系统变得十分“脆弱"。
4.2 集散控制系统DCS
集散控制系统DCS是集计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术为一体的装置。
系统在结构上是分散的（生产过程是分散系统)，但是过程控制的监视、管理是集中的，其优点在于将计算机分布到车间或装置，使系统的危险分散，提高系统的可靠性,方便灵活地实现各种新型的控制规律与算法，实现最佳管理。
4.3 现场总线控制系统FCS
是连接智能现场装置和自动化系统的数字式双向传输、多分支结构的通信网络。支持双向、多节点、总线式的全数字通讯，双向数据通信能力避免了反复进行MD、D／A的转换把控制任务下移到现场设备，以实现测量控制一体化全分散。
设计步骤：
① 确定控制目标
热油出口温度稳定：出口温度与烟道气含氧量稳定，温度稳定与热效率最高；
② 选择被控参数
直接参数(油出口温度、烟道气含氧量、燃油压力）间接参数（热效率）；
③ 选择控制量
燃料油流量还是冷油流量→出口温度，挡板开度还是送风挡板→含氧量；
④ 确定控制方案
控制精度和干扰决定→系统的简单与复杂，温度、效率、含氧量等多于一个要求→多输入／多输出；如果温度、含氧量定值控制，还要求效率→最优控制；
⑤ 选择控制策略
多数采用→PID；复杂过程→高级过程控制；
⑥ 选择执行器
气动与电动,执行期特性与过程特性匹配;
⑦设计报警与联锁保护系统
高、低限值，加热炉停车程序：停燃油泵→关燃油阀→停引风机→切断热油阀;
⑧ 工程化设计
设计图样资料和文件资料→表达设计思想→主管部门审批→施工单位；
⑨ 系统投运、调试和整定参数
4.4 单回路控制系统的工程设计实例
4。4。1 喷雾式干燥设备控制系统设计
图3牛奶的干燥过程流程
4。4.2 被控参数与控制参数选择
选取采样周期时，一般应考虑下列几个因素：
（1）被控参数选择 选干燥器的温度为被控参数(间接参数)；
(2)控制参数选择 影响干燥器温度的因素有乳液流量、旁路空气量、热蒸汽量，为此有三个变量可作为控制参数。
a)
b)
c)
图4 干燥设备控制方案比较示意图；（a）乳液流量f1(t）作控制参数，（b)风量f2（t）作控制参数,（c)蒸汽量f3（t）作控制参数
4。4。3 过程检测、控制设备的选用
根据生产工艺和用户的要求,选用电动单元组合仪表：
（1） 测温元件及变送器：为提高检测精度应用三线制接发,并配用温度变送器；
(2) 调节阀：根据过程特性与控制要求选用对数流量特性的调节阀；
(3） 调节器：根据过程特性与工艺要求，可选用PI或PID控制规律;根据构成系统负反馈的原则，确定调节器正、反作用方向。
4.5 贮槽液位控制系统设计
图5贮槽
4.5。1 被控参数与控制参数选择
（1) 选择被控参数
根据工艺可知，贮槽的液位要求维持在某给定值上下，所以直接选取液位为被控参数；
（2) 选择控制参数
从生产过程看，影响液位有两个量，流入贮槽量和流出贮槽量；构成液位系统控制的就有两种控制方案。
a) b)
图6液位控制系统;（a）调流入量q,(b)调流出量q1
4.5。2 选用过程检测控制设备
(1) 选用DDC系统
(2) 选用DDZ—Ⅲ 型变差器
(3） 根据生产工艺安全原则选择调节阀：贮槽具有单容特性，所以选用对数流量特性的调节阀
4) 控制规律选择
5 结语
过程控制系统是实现生产过程自动化的平台，而自动化仪表与装置是过程控制系统不可缺少的重要组成部分。要保证过程控制的安全稳定性、安全性、稳定性、经济性要自确保动化仪表的正常运行.通过《过程控制与自动化仪表》这门课的学习，对过程控制和自动化仪表有了更深入的了解,同时也发现了这门课与检测技术、计算机控制系统、自动控制原理等课程紧密联系。以喷雾式干燥设备控制系统、贮槽液位控制系统设计为例,对单回路控制系统的工程设计实例做了一些概述，对被控参数与控制参数选择、过程检测控制设备的选用也有了进一步的认识。
参考文献
[1］ 杨丽明， 张光新。 化工自动化及仪表[M］。 北京： 化学工业出版社, 2004, pp。142--245.
［2］ 潘永湘. 过程控制与自动化仪表第2版［M]。 北京: 机械工业出版社, 2007, pp。12-—234。
[3］ 施仁。 自动化仪表与过程控制［M]。 北京: 电子工业出版社, 2003， pp。34—-233.
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