仪表及自动控制2017410精讲.pptx

化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制仪表及自动控制基础知识化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制1.1 控制的基本概念 炼油化工生产过程中的各种参数和变量都是通过各种仪表来测量，并以此来进行工艺操作和稳定生产。测量的准确性关系到工艺操作的平稳和生产人员、设备的安全。学习并掌握仪表的相关知识对成为一名合格的操作人员非常有必要。第一节 仪表基本概念化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制1.1.1 仪表误差的概念 任何先进的测量方法，任何准确的测量仪器，均不可能使测量的误差等于零。误差自始自终存在于一切科学实验和测量的过程之中。1.测量误差的定义：测量误差是指测量值与被测量的真值之差。它有绝对误差和相对误差两种表达方式：第一节 仪表基本概念化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制（1）绝对误差：绝对误差 x是测量值x与其真值x0 之差，即：x=x-x0 绝对误差是带符号的变量。(可正可负）（2）相对误差：相对误差 是绝对误差 x与其真值x0 之比：即：第一节 仪表基本概念化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制（3）引用误差：它指绝对误差与测量范围的上下限值或量程之比，即 引用误差也称为相对百分误差，用来表示仪表的准确度。第一节 仪表基本概念化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制 2、测量误差的来源：（1）测量器具（仪器仪表）本身的结构、工艺、调整以及磨损、老化引起的误差。（2）测量方法（或理论)不完善，采用近似测量方法和近似计算方法所引起的误差。（3）测量环境的各种条件、如温度、湿度、气压、电场、磁场与振动引起的误差。（4）由于观测者的主观因素和实际操作引起的误差。第一节 仪表基本概念化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制 3.测量误差的分类 分为三类：系统误差、随机误差和粗大误差。4.仪表的主要性能指标（1）精确度：就是仪表测量值接近真值的准确程度通常用引用误差表示。仪表精确度不仅和绝对误差有关，还和仪表的量程有关。精确度是仪表很重要的一个质量指标，常用精度等级来规范和表示。精度等级就是最大引用误差去掉正负符号和百分比。第一节 仪表基本概念化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制 按国家统一规定划分的等级有0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.35、0.5、1.0、1.5、2.5、4等。数值越小，说明仪表的精确度越高。（2）变差：指仪表被测变量多次从不同方向达到同一数值时仪表指示值之间的最大差值。变差大小取决于最大绝对误差与仪表标尺范围之比的百分比。第一节 仪表基本概念化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制（3）灵敏度:指仪表对被测变量的灵敏程度。定义为输出变化增量对输入变化增量的比值 即：（4）稳定性：在规定工作条件内，仪表某些性能随时间保持不变的能力。通常用仪表的零点漂移来衡量仪表的稳定性。第一节 仪表基本概念化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制1.1.2 常规控制的概念第一节 仪表的基本概念锅炉汽包水位控制示意图化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制 1.控制系统的工作原理及组成 上图的锅炉水位控制系统中，检测元件及变送器（LT)是用来检测水位高低，当水位高度与给定水位之间出现偏差时，控制器（LC)就会立刻根据偏差的大小、正负及变化速率去控制给水调节阀的开度，使水位保持在工艺所规定的范围之内。从而实现生产过程的自动化控制。自动控制系统由被控对象、检测元件及变送器、调节器和调节阀四个部分所组成。第一节 仪表的基本概念化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制第一节 仪表的基本概念控制 系统的方块图操纵变量（给水流量）被控变量（水位）测量值设定值比较机构扰动调节器调节器调节调节 阀阀对象（汽包）对象（汽包）液位变送器液位变送器控制作用偏差e=Ys-Ym名词解释化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制2、自动控制系统的方块图 方块图用来表示控制系统的组成和作用。图中的每一个方块代表系统中的一个组成部分，称做“环节”，两个方块之间用一条带箭头的线段相联系表示信号的流向。作用于方块的信号称为该环节的输入信号，它送出的信号称为该环节的输出信号。第一节 仪表的基本概念化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制 方块图上的每一个环节代表着一个实物。方块之间带箭头的线段表示它们之间信号的联系及流向。任何一个信号只要沿着箭头方向前进，最后都会回到原来的起点。这种把系统的输出信号重新返回到系统输入端的做法称为“反馈”。一个稳定的控制系统采用的一定是“负反馈”。（反馈信号相对于设定值取负值）第一节 仪表的基本概念化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制3.控制系统的分类 按控制系统的基本结构分类，可以分为闭环控制系统和开环控制系统。（1）闭环控制系统：系统的输出信号返回到系统的输入端（反馈），对系统起控制作用，整个系统构成了一个闭合的反馈回路，也称为反馈控制系统。第一节 仪表的基本概念化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制（2）开环控制系统：系统的输出信号没有反馈到系统的输入端，因而也不对控制作用产生影响的系统。4.闭环控制系统的过渡过程及其品质指标（1）闭环控制系统的过渡过程 一个控制系统在外界干扰作用下，从原有稳定状态过渡到新的稳定状态的整个过程，称为控制系统的过渡过程。控制系统的过渡过程是衡量控制系统品质优劣的重要依据。第一节 仪表的基本概念化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制（2）过渡过程的质量指标包括衰减比（B/B)、余差(C)、最大偏差(A)、过渡过程时间和振荡周期第一节 仪表的基本概念化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制 衰减比（n）：它是衡量系统稳定程度的指标。有n1;n=1和n1三种情况。一般希望n在4-10范围内较为理想。最大偏差A：它是描述被控变量偏离设定值最大程度的指标。余差C:它是控制系统过渡过程结束时，被控变量的新稳态值与设定值之间的偏差。过渡时间：指被控变量从原有稳态值到新稳态值的5%或3%所需时间。振荡周期：过渡过程同向两波峰之间的时间间隔。在衰减比相同时，周期与过渡时间成正比。第一节 仪表的基本概念化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制 调节器是自动控制系统的重要组成部分。它将生产过程被控变量的测量值与设定值进行比较，得出偏差，根据偏差的正负、大小和变化趋势，按照一定的运算规律输出控制信号，送往执行器，实现对生产过程的自动控制。第二节 调节器及基本调节规律 1、常用的基本调节规律有：比例（P)、积分（I）、微分（D）。化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制1.1 比例控制（P）它的控制规律是：调节器的输出变化量与输入变化量成比例。起数学表达式为：从该表达式看出：比例控制克服偏差及时、有力。要使调节器有输出就必须要有偏差存在，因此比例控制始终是有偏差存在的。第二节 调节器及基本调节规律化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制1.2 积分控制（I）它的控制规律是：调节器的输出变化量与输入偏差随时间的积分成正比，数学表达式为：或 从该表达式看出：其输出信号的大小，不仅与偏差的大小有关，还与偏差存在的时间长短有关。所以，积分控制是一种没有偏差的控制（理想情况下）。第二节 调节器及基本调节规律化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制1.3 微分控制（D）它的控制规律是：调节器的输出变化量与输入偏差随时间的微分成正比，数学表达式为：从该表达式看出：其输出信号的大小，只与偏差变化的速度有关，而与偏差的大小无关。当偏差很大而无变化时，该调节器的输出也为零。第二节 调节器及基本调节规律化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制1.4 几种基本控制规律的组合PID 根据实际情况，把三种基本控制规律进行适当组合，可以得到更好的控制效果。这种组合控制规律称为比例积分微分控制（PID)。这里有三个可以调整的参数：放大倍数KP、积分时间TI、微分时间TD。第二节 调节器及基本调节规律化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制第二节 调节器及基本调节规律各种控制作用过渡过程的比较化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制1.5 PID调节器的应用 PID调节器综合了各种控制规律的优点，具有较好的控制性能，应用范围广。各种化工过程常用的控制规律如下：液位：一般控制要求不高，用P或PI控制作用。流量：一般用PI控制作用。压力：用P或PI控制作用。温度：用PID控制作用。第二节 调节器及基本调节规律化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制2、调节器的类型 按结构和组成的形式分有基地式调节器、单元组合式调节器、组合式电子控制装置、可编程调节器和集中分散型控制装置五种。我厂现在主要使用的是可编程调节器和集中分散型控制装置。3.调节器的正反作用形式 若调节器的输入信号增加，其输出信号也增加，称为正作用；反之称为反作用。第二节 调节器及基本调节规律化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制 2.1 集中分散型控制装置（集散型控制系统DCS）集中分散型控制是把整个控制系统分成若干级，最基层的是直接数字控制，上一级是优化控制，这样既能发挥计算机多功能控制的特点，满足现代化工生产集中操作、显示和报警的要求，又能避免危险过分集中，整个控制系统安全可靠。第二节 调节器及基本调节规律化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制 集散型控制系统在结构上是由下位机操作站和上位监控计算机组成。每个操作站可以控制十几个到几十个回路，有专用微处理机进行有效地控制，各操作站与上位机之间用网络相连接，构成各种各样的、能适应不同过程的、积木式的分级控制结构，并通过屏幕和操作台，对整个生产过程进行集中监视、集中操作和集中管理，分散控制。它适用于大中型企业的大型生产装置。第二节 调节器及基本调节规律化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制 执行器在自动控制系统中的作用是接受调节器的控制信号，改变操纵变量，使生产过程按预定要求正常进行。执行器一般安装在生产现场，直接与工艺介质接触，常常在高温、高压、深冷、易漏、易堵、强腐蚀等恶劣环境下工作。1、气动薄膜调节阀 在化工生产过程中使用的最多的执行器是气动薄膜调节阀。第三节 执行器气动薄膜调节阀化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制第三节 执行器气动薄膜调节阀图1-3 气动执行器外形图 图1-4 气动薄膜调节阀结构示意图化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制第三节 执行器气动薄膜调节阀图1-5 执行机构的正反作用示意图图1-6 调节机构示意图化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制 气动薄膜调节阀的执行机构由波纹膜片、上下膜盖、平衡弹簧等部件组成。它接收20100KP的标准气压信号，并转换成推力。其动作的形式有正作用和反作用两种。1.1 执行机构的正反作用 当信号压力增加，推杆向下移动的叫正作用；信号压力增加，推杆向上移动的叫反作用。第三节 执行器气动薄膜调节阀化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制1.2 调节阀的气开、气关形式。调节阀接受的控制信号是气压信号，当膜头输入信号增大，调节阀开度也增大时，称为气开阀，反之，膜头输入压力增大，调节阀开度减小，则称为气关阀。第三节 执行器气动薄膜调节阀化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制第三节 执行器气动薄膜调节阀图1-7 调节阀气开、气关组合方式图化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制1.3 调节阀的气开、气关形式的选择。气动薄膜调节阀有气开和气关两种形式。选择气开或气关，主要是从工艺生产的安全要求出发，其选择可以依据四条原则：（1）首先从生产安全出发。当控制信号消失，阀位的自然位置应能够保证生产人员和工艺设备的安全不致于发生事故。（2）从保证产品质量出发，不发生或尽量少发生产品质量事故。（精馏塔回流控制阀）第三节 执行器气动薄膜调节阀化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制（3）从降低原料、成品动力损耗考虑。（精馏塔的进料阀应采用气开阀，避免原料的浪费）（4）从介质的特点考虑。（若塔釜液是易凝、易聚合、易结晶的物料时，调节阀应该选用气关阀）第三节 执行器气动薄膜调节阀化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制 例题：控制加热炉燃料气的调节阀，如何选择？控制锅炉给水流量的调节阀应该如何选择？第三节 执行器气动薄膜调节阀图1-8 加热炉出口温度控制系统图1-9 锅炉汽包水位控制系统化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制 控制进入加热炉燃料气流量的调节阀，应该选用气开式，当气压信号中断时，应该切断进炉的燃料，以避免炉温过高而出事故；而控制锅炉给水流量的调节阀应该选用气关式，当气压信号中断时，阀门处于全开状态，给水继续流入锅炉，以保证锅炉不致烧干。第三节 执行器气动薄膜调节阀化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制1、单回路控制系统 只有一个被控过程、一个检测变送器、一个调节器和一个调节阀所组成的单闭环系统称为单回路控制系统。第四节 单回路控制系统图1-10 单回路控制系统方块图调节调节 阀阀调节调节 器器化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制2、如何选择控制回路中调节器的正反作用 （1）首先分析控制回路中每一个环节的输入、输出特性，确定每一个环节的正反作用形式 （2）根据构成反馈必须为负反馈的原则选择调节器的正反作用。（3）有些对象的正反作用特性是不变的，如：检测变送器、气开阀为正作用；气关阀为反作用，被控对象则要具体分析。第四节 单回路控制系统化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制第四节 单回路控制系统图1-11 锅炉水位控制系统图1-12 换热器出口温度控制化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制第四节 单回路控制系统图1-13 流量控制系统图1-14 换热器温度控制系统化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制第四节 单回路控制系统图1-15 塔釜液位控制系统图1-16 加热炉出口温度控制系统化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制 所谓“复杂”是相对于“简单”而言。通常指由两个或两个以上的检测变送器、调节器和执行器所组成的多回路的，或控制要求特殊的；或控制规律不同于PID的控制系统。复杂控制系统的种类较多，常使用的有串级、均匀、比值、前馈、分程、选择性控制系统等。第五节 复杂控制系统化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制 1、串级控制系统 第五节 复杂控制系统图 1-17 管式加热炉出口温度控制系统化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制影响加热炉出口温度的干扰因素：(1)、燃气的流量和温度（f1)；(2)、燃气的压力和成分（f2)；(3)、烟囱的抽力(f3)，采用单回路控制系统的控制作用不及时，致使最大偏差大，过渡时间长，抗扰动能力差，控制精度低，难以满足工艺要求，需要寻求别的控制方案。第五节 复杂控制系统 通过分析可以看出，f2 和f3的影响可以通过炉膛温度较快的反应出来，而稳定炉膛温度可以有效地减小f2和f3对炉出口温度影响。化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制 所以选定炉膛温度为副变量，由副变送器、副调节器、副过程（炉膛）、执行机构（调节阀）构成副回路；以炉出口温度为主变量，由主变送器、主调节器、主过程（炉出口管）构成主回路，主调节器的输出作为副调节器的设定值，由副调节器的输出控制调节阀，这就是加热炉出口温度串级控制系统。第五节 复杂控制系统化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制第五节 复杂控制系统图1-18 加热炉出口温度串级控制系统化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制串级控制系统的构成及方块图：串级控制系统是由两个检测变送器、两个调节器、一个调节阀组成。两个调节器是串联工作的，其中主调节器的输出作为副调节器的设定值，副调节器输出控制调节阀。第五节 复杂控制系统化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制 串级控制系统方块图：第五节 复杂控制系统图1-19 串级控制系统方块图化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制第五节 复杂控制系统图1-20 加热炉出口温度与燃料流量串级控制系统化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制第五节 复杂控制系统图1-21 加热炉出口温度与阀后燃料压力的串级控制系统化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制第五节 复杂控制系统图1-22 聚合釜串级控制系统化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制 2、均匀控制系统 第五节 复杂控制系统图1-23 两串联塔间的不协调控制方案化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制 为了解决前后工序的供求矛盾，做到统筹兼顾，协调操作，使两个变量在规定的范围内缓慢变化的系统，称为均匀控制系统。特点：(1)、表征前后两个供求矛盾的两个变量，在控制过程中应该是缓慢变化的。(2)、前后互相联系又互相矛盾的两个变量应该在工艺所允许的范围内变化。第五节 复杂控制系统化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制第五节 复杂控制系统图1-24 前后塔液位、流量变化曲线1液位 2流量化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制第五节 复杂控制系统图1-25 液位流量串级均匀控制系统化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制第五节 复杂控制系统3、比值控制系统 使两个或两个以上物料量保持一定比值关系以达到某种控制要求的控制系统，称为比值控制系统。化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制第五节 复杂控制系统图1-26 单闭环比值控制原理图1-27 单闭环比值控制系统 化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制第五节 复杂控制系统4、前馈控制系统 前馈控制是改善和克服反馈控制不及时的另一种控制方法。它是利用补偿原理，采用开环结构，按扰动作用的大小进行控制。前馈控制相对于反馈控制来说，控制作用及时，对扰动的影响理论上可以完全补偿，使用恰当可大大提高控制质量。化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制第五节 复杂控制系统图1-28 换热器的反馈控制系统图1-29 换热器的前馈控制系统化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制第五节 复杂控制系统前馈控制与反馈控制的几点不同：(1)、系统检测信号的不同:反馈控制检测的是被控变量；前馈控制检测的是扰动量。(2)、系统控制的依据不同：反馈控制依据是偏差大小；前馈控制的依据是扰动量的大小。(3)、控制模式不同：反馈控制采用常规的PID控制调节器；前馈控制采用的是引入补偿装置对扰动量进行补偿校正。补偿效果不通过反馈进行检验。化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制第五节 复杂控制系统图1-30 加热器的前馈-反馈控制系统图1-31 加热炉的前馈-反馈控制系统化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制第五节 复杂控制系统5、选择性控制系统 凡是在自动控制系统中引入了选择器并按照工艺过程限制条件的逻辑关系工作的系统，都称为选择性控制系统。其工作状况是：当生产过程趋向限制条件时，选择器自动选择一个取代调节器取代正常工作状况下的调节器，通过取代调节器的控制作用，使生产过程脱离危险状态，生产操作重新回到安全范围后，取代调节器自动退出，转为备用状态，正常调节器恢复工作。化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制第五节 复杂控制系统图1-32 锅炉蒸汽压力选择性控制系统化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制第五节 复杂控制系统 锅炉蒸汽压力选择性控制系统的工作过程：上图中的LS为低值选择器，正常情况下ba，LS连通b，由蒸汽压力调节器控制燃料调节阀的开度，控制蒸汽管网的压力在工艺规定的范围。燃料调节阀的阀后压力过大会发生“脱火”事故；而阀后压力过低会发生“回火”事故。化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制第五节 复杂控制系统 当蒸汽压力大幅降低，调节阀开度过大，阀后压力接近“脱火”压力时，此时ab，LS选中a，即由调节器P2C去取代P1C控制调节阀，使调节阀关小，起到自动保护作用。当蒸汽压力恢复正常后，达到ba时，调节阀P1C被选中，恢复正常工况控制。化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制第五节 复杂控制系统图1-33 反应器热点极值选择性控制系统化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制第五节 复杂控制系统 上图为反应器热点极值选择性控制系统。在固定床反应器中，为了防止温度过高烧坏触媒，在反应器的四个不同部位设置了温度检测点。各温度变送器的输出端引入高值选择器，选出其中最高的信号值作为调节器控制冷却剂调节阀的依据。这样，系统将按反应器的最高温度控制冷却剂流量，从而保证了反应器触媒层的安全。化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制第五节 复杂控制系统6、分程控制系统 一个调节器的输出同时送往两个或更多个调节阀，每个调节阀在调节其输出信号的某段范围内做全行程动作，以满足工艺生产的特殊要求，这样的控制系统称为分程控制系统。化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制第五节 复杂控制系统图1-34 分程控制方块图化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制第五节 复杂控制系统分程控制系统应用的场合：(1)、适应生产中需用多种物料或多种手段控制的场合。(2)、扩大调节阀的可调范围，满足不同负荷下的控制要求。(3)、用于满足工艺操作的特殊要求，保证生产安全。化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制第五节 复杂控制系统图1-35 换热器温度分程控制系统图 1-36 调节阀分程动作示意图化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制第五节 复杂控制系统图1-37 储罐氮封分程控制系统图 1-38 调节阀分程动作示意图化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制第五节 复杂控制系统 上图是储罐氮封分程控制系统。为了防止这些石油产品氧化变质或引起爆炸，常采用灌顶充氮气的办法，使之与外界空气隔绝。实行氮封的技术要求是，要始终保持储罐内氮气的压力为微正压。储罐内物料量的变化，将引起灌顶氮封压力的变化。罐内压力过高或过低都是不允许的。化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制第五节 复杂控制系统氮封分程控制系统的工作过程：图中的调节器是反作用的，阀A为气开阀；阀B为气关阀，它们的分程特性如图所示，储罐压力升高时，测量值增大，压力调节器的输出下降，A阀关闭，B阀打开，通过排出多余的氮气降低罐内压力；反之，B阀关闭，A阀打开，向罐内补充氮气，提高罐内的压力。（完)化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制 仪表的最大引用误差与精度等级的确定例1.测温仪表的测量范围是600-1100，仪表的最大绝对误差是4，请确定该仪表的最大引用误差和精度等级。解：最大引用误差为：对照国家精度等级表，确定该表的精度等级为1.0级。化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制自动控制系统常用术语被控过程：也称为被控对象。自动控制系统中，工艺变量需要控制的生产过程、设备或机械。如上例中锅炉的汽包。被控变量(Y)：被控过程内要求保持设定数值的工艺变量。如锅炉汽包的水位。操纵变量(m)：通常指受控于调节阀用于克服扰动的影响，使被控变量保持在设定值附近的物料量或能量。如锅炉的给水量。化工仪表及过程控制化工仪表及过程控制扰动（f)：也称为干扰。除操纵变量外，引起被控变量变化的因素。如锅炉负荷的变化。设定值：被控变量的预定值。如锅炉汽包水位的预先设定值。偏差(e)：被控变量的设定值与实际值（测量值）之差。