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化工自動化基礎

		點擊數：	更新時間： 2021年11月30日
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第一章 化工自動化基礎
1、化工生產過程
   化工生產過程是工藝變量（溫度T、壓力P、流量F、液位L、濃度γ等）在工藝所規定的條件下進行安全、高效生產的過程。

化工生產常用的設備：機泵、熱交換器、鍋爐、加熱爐、分餾塔、壓縮機、反應器等。

第一節 化工自動化的基本概念
1.1 生產過程自動化
  以鍋爐水位控制為例： 
看如何由人工控制            自動控制

第一節 化工自動化的基本概念
第一節 化工自動化的基本概念
第一節 化工自動化的基本概念
第一節 化工自動化的基本概念
第一節 化工自動化的基本概念
     用自動控制裝置來代替人工控制，使生產過程在不需要人干涉的情況下自動安全、高效地進行。這就是生產過程自動化。
2. 自動控制系統常用術語
2.1 被控過程：也稱為被控對象。自動控制系統中，工藝變量需要控制的生產過程、設備或機械。如上例中鍋爐的汽包。
2.2 被控變量：被控過程內要求保持設定數值的工藝變量。如鍋爐汽包的水位。
         
第一節 化工自動化的基本概念
2.3 操縱變量：通常指受控于調節閥用于克服擾動的影響，使被控變量保持在設定值附近的物料量或能量。如鍋爐的給水量。
2.4 擾動：也稱為干擾。除操縱變量外，引起被控變量變化的因素。如鍋爐負荷的變化。
2.5 設定值：被控變量的預定值。如鍋爐汽包水位的預先設定值。
2.6 偏差：被控變量的設定值與實際值（測量值）之差。
第一節 化工自動化的基本概念
3、自動控制系統的組成
  自動控制系統主要由兩大部分組成，一部分是起控制作用的全套自動化裝置，它主要包括檢測元件及變送器、調節器和執行器；另一部分是自動化裝置控制下的被控過程。
3.1、被控過程：自動控制系統中，工藝變量需要控制的生產過程、設備或機器稱被控過程。化工生產中的各類塔器、反應器、泵、壓縮機以及各種容器、儲槽（罐），甚至一段輸送流體的管道都可以是被控過程。    
第一節 化工自動化的基本概念
 3.2、檢測元件及變送器：它將需要監測的工藝變量的變化轉換成特定信號（電信號），為自動控制系統提供控制的依據。

3.3、調節器：它把檢測元件與變送器送來的信號與工藝上需要保持的設定值信號進行比較得出偏差，根據偏差的正負、大小及變化趨勢，按預先設計好的控制規律進行運算后，輸出相應的控制作用給執行機構。
    
第一節 化工自動化的基本概念
3.4、執行器：它接受調節器送來的信號，相應地改變操縱變量，克服擾動的影響，實現控制要求。在化工生產中最常用的執行機構是氣動薄膜調節器。
第一節 化工自動化的基本概念
    調節器是自動控制系統的重要組成部分。它將生產過程被控變量的測量值與設定值進行比較，得出偏差，根據偏差的正負、大小和變化趨勢，按照一定的運算規律輸出控制信號，送往執行器，實現對生產過程的自動控制。
第二節 調節器及基本調節規律
      1、常用的基本調節規律有：
   比例（P)、積分（I）、微分（D）。
1.1 比例控制（P）
   它的控制規律是：調節器的輸出變化量與輸入變化量成比例。起數學表達式為：

從該表達式看出：比例控制克服偏差及時、有力。要使調節器有輸出就必須要有偏差存在，因此比例控制始終是有偏差存在的。

第二節 調節器及基本調節規律
1.2 積分控制（I）
   它的控制規律是：調節器的輸出變化量與輸入偏差隨時間的積分成正比，數學表達式為：
                   或

從該表達式看出：其輸出信號的大小，不僅與偏差的大小有關，還與偏差存在的時間長短有關。所以，積分控制是一種沒有偏差的控制（理想情況下）。                                     
第二節 調節器及基本調節規律
1.3 微分控制（D）
   它的控制規律是：調節器的輸出變化量與輸入偏差隨時間的微分成正比，數學表達式為：

從該表達式看出：其輸出信號的大小，只與偏差變化的速度有關，而與偏差的大小無關。當偏差再大而無變化時，該調節器的輸出也為零。
第二節 調節器及基本調節規律
1.4 幾種基本控制規律的組合PID
    根據實際情況，把三種基本控制規律進行適當組合，可以得到更好的控制效果。

這種組合控制規律稱為比例積分微分控制（PID)。這里有三個可以調整的參數：放大倍數KP、積分時間TI、微分時間TD 。
第二節 調節器及基本調節規律
1.5 PID調節器的應用
  PID調節器綜合了各種控制規律的優點，具有較好的控制性能，應用范圍廣。
  各種化工過程常用的控制規律如下：
  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。
  壓力：用P或PI控制作用。
  溫度：用PID控制作用。
第二節 調節器及基本調節規律
2、 調節器的類型
    按結構和組成的形式分有基地式調節器、單元組合式調節器、組合式電子控制裝置、可編程調節器和集中分散型控制裝置五種。我廠現在主要使用的是可編程調節器和集中分散型控制裝置。
        
第二節 調節器及基本調節規律
     
2.1 集中分散型控制裝置（集散型控制系統DCS）
        集中分散型控制是把整個控制系統分成若干級，最基層的是直接數字控制，上一級是優化控制，這樣既能發揮計算機多功能控制的特點，滿足現代化工生產集中操作、顯示和報警的要求，又能避免危險過分集中，整個控制系統安全可靠。
       
第二節 調節器及基本調節規律
     集散型控制系統在結構上是由下位機操作站和上位監控計算機組成。每個操作站可以控制十幾個到幾十個回路，有專用微處理機進行有效地控制，各操作站與上位機之間，用數字通訊電纜連接起來，構成各種各樣的、能適應不同過程的、積木式的分級控制結構，并通過屏幕和操作臺，對整個生產過程進行集中監視、集中操作和集中管理，分散控制。它適用于大中型企業的大型生產裝置。
       
第二節 調節器及基本調節規律
     執行器在自動控制系統中的作用是接受調節器的控制信號，改變操縱變量，使生產過程按預定要求正常進行。執行器一般安裝在生產現場，直接與工藝介質接觸，常常在高溫、高壓、深冷、易漏、易堵、強腐蝕等惡劣環境下工作。
1、氣動薄膜調節閥
    在化工生產過程中使用的最多的執行器是氣動薄膜調節閥。
第三節 執行器—氣動薄膜調節閥
第三節 執行器—氣動薄膜調節閥
第三節 執行器—氣動薄膜調節閥
      氣動薄膜調節閥的執行機構由波紋膜片、上下膜蓋、 平衡彈簧等部件組成。它接收20?100KP的標準氣壓信號，并轉換成推力。其動作的形式有正作用和反作用兩種。 
1.1 執行機構的正反作用
  當信號壓力增加，推桿向下移動的叫正作用；信號壓力增加，推桿向上移動的叫反作用。
第三節 執行器—氣動薄膜調節閥
第三節 執行器—氣動薄膜調節閥
1.2 調節閥的氣開、氣關形式的選擇。

氣動薄膜調節閥有氣開和氣關兩種形式。選擇氣開或氣關，主要是從工藝生產的安全要求出發，其選擇的依據是：當輸入的控制信號中斷時，調節閥的自然位置應該保證設備和人員的安全。
第三節 執行器—氣動薄膜調節閥
     例如：控制加熱爐燃料氣的調節閥，如何選擇？控制鍋爐給水流量的調節閥應該如何選擇？
第三節 執行器—氣動薄膜調節閥
     控制進入加熱爐燃料氣流量的調節閥，應該選用氣開式，當氣壓信號中斷時，應該切斷進爐的燃料，以避免爐溫過高而出事故；而控制鍋爐給水流量的調節閥應該選用氣關式，當氣壓信號中斷時，閥門處于全開狀態，給水繼續流入鍋爐，以保證鍋爐不致燒干。
第三節 執行器—氣動薄膜調節閥
1、單回路控制系統
    只有一個被控過程、一個檢測變送器、一個調節器和一個執行器所組成的單閉環系統稱為單回路控制系統。
 第四節 單回路控制系統
 第四節 單回路控制系統
第四節 單回路控制系統
第四節 單回路控制系統
第四節 單回路控制系統
    所謂“復雜”是相對于“簡單”而言。通常指由兩個或兩個以上的檢測變送器、調節器和執行器所組成的多回路的，或控制要求特殊的；或控制規律不同于PID的控制系統。復雜控制系統的種類較多，常使用的有串級、均勻、比值、前饋、分程、選擇性控制系統等。

第五節 復雜控制系統
    1、串級控制系統

第五節 復雜控制系統
影響加熱爐出口溫度的干擾因素：
  1、原料油的流量和溫度（f1)；
  2、燃料油或燃氣的壓力和成分（f2)；
  3、燃料油的霧化程度及煙囪的抽力(f3)；
  采用單回路控制系統的控制作用不及時，致使最大偏差大，過渡時間長，抗擾動能力差，控制精度低，難以滿足工藝要求，需要尋求別的控制方案。     
第五節 復雜控制系統
     通過分析可以看出，f1 和f2的影響可以通過爐膛溫度較快的反應出來，而穩定爐膛溫度可以有效地減小f1和f2對爐出口溫度影響。
第五節 復雜控制系統
   所以選定爐膛溫度為副變量，由副變送器、副調節器、副過程（爐膛）、執行機構（調節閥）構成副回路；以爐出口溫度為主變量，由主變送器、主調節器、主過程（爐出口管）構成主回路，主調節器的輸出作為副調節器的設定值，由副調節器的輸出控制調節閥，這就是加熱爐出口溫度串級控制系統。
     
第五節 復雜控制系統
第五節 復雜控制系統
串級控制系統的構成及方塊圖：

串級控制系統是由兩個檢測變送器、兩個調節器、一個調節閥組成。兩個調節器是串聯工作的，其中主調節器的輸出作為副調節器的設定值，副調節器輸出控制調節閥。

第五節 復雜控制系統
     串級控制系統方塊圖：     
第五節 復雜控制系統
第五節 復雜控制系統
第五節 復雜控制系統
第五節 復雜控制系統
     2、均勻控制系統            
第五節 復雜控制系統
     為了解決前后工序的供求矛盾，做到統籌兼顧，協調操作，使兩個變量在規定的范圍內緩慢變化的系統，稱為均勻控制系統。
  特點：
  1、表征前后兩個供求矛盾的兩個變量，在控制過程中應該是緩慢變化的。
  2、前后互相聯系又互相矛盾的兩個變量應該在工藝所允許的范圍內變化。            
第五節 復雜控制系統
第五節 復雜控制系統
第五節 復雜控制系統
第五節 復雜控制系統
3、比值控制系統

使兩個或兩個以上物料量保持一定比值關系以達到某種控制要求的控制系統，稱為比值控制系統。            
第五節 復雜控制系統
第五節 復雜控制系統
4、前饋控制系統
      前饋控制是改善和克服反饋控制不及時的另一種控制方法。它是利用補償原理，采用開環結構，按擾動作用的大小進行控制。
      前饋控制相對于反饋控制來說，控制作用及時，對擾動的影響理論上可以完全補償，使用恰當可大大提高控制質量。
           
第五節 復雜控制系統
第五節 復雜控制系統
前饋控制與反饋控制的幾點不同：
  1、系統檢測信號的不同:反饋控制檢測的是被控變量；前饋控制檢測的是擾動量。
  2、系統控制的依據不同：反饋控制依據是偏差大小；前饋控制的依據是擾動量的大小。
  3、控制模式不同：反饋控制采用常規的PID控制調節器；前饋控制采用的是引入補償裝置對擾動量進行補償校正。補償效果不通過反饋進行檢驗。 
           
第五節 復雜控制系統
第五節 復雜控制系統
5、選擇性控制系統
      凡是在自動控制系統中引入了選擇器并按照工藝過程限制條件的邏輯關系工作的系統，都稱為選擇性控制系統。其工作狀況是：當生產過程趨向限制條件時，選擇器自動選擇一個取代調節器取代正常工作狀況下的調節器，通過取代調節器的控制作用，使生產過程脫離危險狀態，生產操作重新回到安全范圍后，取代調節器自動退出，轉為備用狀態，正常調節器恢復工作。
           
第五節 復雜控制系統
第五節 復雜控制系統
     鍋爐蒸汽壓力選擇性控制系統的工作過程：
  上圖中的LS為低值選擇器，正常情況下b

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