1、儀表與自動(dòng)化,何道清 編,西 南 石 油 大 學(xué),儀表與自動(dòng)化,課程學(xué)時(shí)：48學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)6學(xué)時(shí)。 使用教材： 何道清、諶海云、張禾.儀表與自動(dòng)化.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2008 參考書(shū)籍： 【1】厲玉鳴編.化工儀表及自動(dòng)化.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003 【2】楊麗明等編.化工自動(dòng)化及儀表.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004 【3】愈金壽主編.過(guò)程自動(dòng)化及儀表.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003 【4】何道清編.傳感器與傳感器技術(shù).北京:科學(xué)出版社,2004 【5】陳夕松. 汪木蘭. 過(guò)程控制系統(tǒng). 北京:科學(xué)出版社,2005 【6】王可華. 張繼峰. 石油儀表及自動(dòng)化. 北京:石油工業(yè)出版 社，

2、2006 【7】Curtis D Johnson，Process Control Instrumentation Technology 【8】西南石油大學(xué)網(wǎng)站儀表與自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)課件。,儀表與自動(dòng)化,教學(xué)重點(diǎn)： 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念及被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型； 自動(dòng)控制系統(tǒng)中的自動(dòng)化儀表（測(cè)量元件及變送器，顯示儀表，自動(dòng)控制儀表，執(zhí)行器等）； 控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，復(fù)雜控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介）； 控制方案設(shè)計(jì)及典型設(shè)備的控制方案設(shè)計(jì)分析。 考核方法： 平時(shí)(作業(yè)、考勤)20% +實(shí)驗(yàn)5期末考試75% 其 它： 每周交一次作業(yè)；每周輔導(dǎo)一次。,第1章 自動(dòng)控制系統(tǒng)基本概念,緒 論,0.1儀表自動(dòng)

3、化的概念 生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，就是在生產(chǎn)過(guò)程中，采用自動(dòng)化儀表及 裝置，來(lái)檢測(cè)、顯示、記錄和控制生產(chǎn)過(guò)程中的重要工藝參 數(shù)，以代替操作人員的直接操作，使整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程能自動(dòng)地 維持正常狀態(tài)；當(dāng)受到外界干擾的影響而偏離正常狀態(tài)時(shí)， 又能自動(dòng)地調(diào)回到規(guī)定的數(shù)值范圍內(nèi)。這種用自動(dòng)化儀表來(lái) 控制生產(chǎn)過(guò)程的方法，即生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化。 儀表自動(dòng)化技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)學(xué)科，它應(yīng)用自動(dòng)控 制學(xué)科、儀器儀表學(xué)科及計(jì)算機(jī)學(xué)科的理論與技術(shù) 服務(wù)于各類生產(chǎn)過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化。,緒 論,0.2儀表自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展概況 自動(dòng)化發(fā)展主要特點(diǎn)： 生產(chǎn)的需要、理論的開(kāi)拓與技術(shù)手段的進(jìn)展三者相互推動(dòng)，相互促進(jìn) 。 自動(dòng)化發(fā)展

4、主要階段: 機(jī)器生產(chǎn) 控制理論 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng) 復(fù)雜控制系統(tǒng) 現(xiàn)代控制系統(tǒng)(直接數(shù)字控制-DDC，集散控制系統(tǒng)-DCS，SCADA系統(tǒng),等)； 或基地式控制器等組成的控制系統(tǒng) 單元組合儀 表組成的控制系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（DCS） 二級(jí)優(yōu)化控制 系統(tǒng)。,1.1 工業(yè)自動(dòng)化的主要內(nèi)容,1. 儀表及自動(dòng)化發(fā)展?fàn)顩r 生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的意義： 加快生產(chǎn)速度，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量； 減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件； 保證生產(chǎn)安全，防止事故發(fā)生和擴(kuò)大，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，提高設(shè)備利用能力； 改變勞動(dòng)方式，提高職工科學(xué)技術(shù)水平，逐步消除體力 勞動(dòng)和腦力勞動(dòng)間差別。,1.1 工業(yè)自動(dòng)化的主要內(nèi)容,1. 儀表

5、及自動(dòng)化發(fā)展?fàn)顩r 生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的意義： 加快生產(chǎn)速度，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量； 減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件； 保證生產(chǎn)安全，防止事故發(fā)生和擴(kuò)大，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，提高設(shè)備利用能力； 改變勞動(dòng)方式，提高職工科學(xué)技術(shù)水平，逐步消除體力 勞動(dòng)和腦力勞動(dòng)間差別。,1.1 工業(yè)自動(dòng)化的主要內(nèi)容,2. 生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化主要內(nèi)容： 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)工況參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)(圖1-0)； 自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)工況參數(shù)超限自動(dòng)聯(lián)鎖保護(hù)； 自動(dòng)操縱系統(tǒng)按設(shè)定工藝步驟自動(dòng)操縱和自動(dòng)開(kāi)停車； 自動(dòng)控制系統(tǒng)工況參數(shù)偏離正常工藝條件，自動(dòng)調(diào)整 到正常狀態(tài)。,圖1-0 熱交換器自動(dòng) 檢測(cè)系統(tǒng)示意圖,1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和分類,

6、1液位人工控制 ： 檢測(cè)眼； 運(yùn)算（思考）、命令腦； 執(zhí)行手。,圖1-1 液位人工控制,1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和分類,2 .液位自動(dòng)控制： 測(cè)量元件及變送器 眼； 控制器腦； 執(zhí)行器手。 3.自動(dòng)控制系統(tǒng)組成：,圖1-2 液位自動(dòng)控制,1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和分類,簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)實(shí)例,圖1-3 簡(jiǎn)單液位控制系統(tǒng)組成示意圖,1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和分類,4自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類： 按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分： 單回路負(fù)反饋控制系統(tǒng)，串接控制系統(tǒng)，前饋控制系統(tǒng)，復(fù)合控制系統(tǒng)等； 按信號(hào)特點(diǎn)分： 定值控制，隨動(dòng)控制，順序（程序）控制； 按被控參數(shù)分： 溫度控制系統(tǒng)，壓力控制系統(tǒng)， 流量控制系統(tǒng)，液位控制系統(tǒng)

7、，成分控制系統(tǒng)等,1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和分類,5.工業(yè)自動(dòng)化儀表的分類： 按儀表使用的能源分類 電動(dòng)儀表（電能），氣動(dòng)儀表（壓縮空氣），液動(dòng)儀表（少用）。 按信息的獲得、傳遞、反映和處理的過(guò)程分類 檢測(cè)儀表，顯示儀表，集中控制裝置，控制儀表，執(zhí)行器。 按儀表的組成形式分類 基地式儀表 基地式儀表集變送、顯示、控制各部分功能于一體，單獨(dú)構(gòu)成一個(gè)固定的控制系統(tǒng)， 單元組合儀表 單元組合式儀表將變送、控制、顯示等功能制成各自獨(dú)立的儀表單元，各單元間用統(tǒng)一的輸入、輸出信號(hào)相聯(lián)系。,1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和分類,單元組合儀表命名與性能： QDZ（“氣”、“單”、“組”）氣動(dòng)單元組合儀表 統(tǒng)一標(biāo)

8、準(zhǔn)氣源壓力：0.14MPa； 統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)：0.020.1MPa(20100kPa)； 氣路導(dǎo)管：61紫銅管、塑料管、尼龍單管和管纜； 精度：1.0級(jí)、1.5級(jí)。 DDZ（“電”、“單”、“組”）型電動(dòng)單元組合儀表 統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)電源：交流220V； 統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)：現(xiàn)場(chǎng)傳輸信號(hào)010mA；控制室聯(lián)絡(luò)信號(hào)02V； 精度：0.5級(jí)、1.0級(jí)、1.5級(jí)。 DDZ（“電”、“單”、“組”）型電動(dòng)單元組合儀表 統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)電源：24V直流； 統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)：現(xiàn)場(chǎng)傳輸信號(hào)420mA；控制室聯(lián)絡(luò)信號(hào)15V； 精度：0.2級(jí)、0.5級(jí)、1.0級(jí)、1.5級(jí)。,1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和分類,按防爆能力分類 普通型 凡是未

9、采取防爆措施的儀表，只能應(yīng)用在非危險(xiǎn)場(chǎng)所。 隔爆型 采取隔離措施以防止引燃引爆事故的儀表。 安全火花型儀表 這類儀表采用低壓直流小功率電源供電，并且對(duì)電路中的儲(chǔ)能元件(例如電容、電感)嚴(yán)加限制，使電路在故障下所產(chǎn)生的火花微弱到不足以點(diǎn)燃周圍的易燃?xì)怏w。此外，危險(xiǎn)區(qū)以外發(fā)生電路的混觸，也有可靠的措施，使高電壓、大電流不能進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)。,1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖,由傳遞方塊（環(huán)節(jié)、裝置）、帶箭頭的信號(hào)線、綜合點(diǎn)、分支構(gòu)成的表示控制系統(tǒng)組成和作用的圖形。如圖1-4所示,圖1-4 自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖,帶箭頭的信號(hào)線表示方塊間的相互關(guān)系及信號(hào)的流向。 自動(dòng)控制系統(tǒng)分析： A檢測(cè)儀表；B 控制儀表；C系統(tǒng)

10、結(jié)構(gòu)及特性分析；D 被控過(guò)程特性,1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖,例：蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng),圖1-5 蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng),1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖,圖1-4 貯槽液位控制系統(tǒng)與蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng),1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖,作業(yè): 1-1，1-3，1-7，1-8，1-11,1.4 工藝管道與控制流程圖,在控制方案確定后，根據(jù)工藝設(shè)計(jì)給出的流程圖，按其 流程順序標(biāo)注出相應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)、控制點(diǎn)、控制系統(tǒng)及自動(dòng) 信號(hào)與聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)等的圖形，即工藝管道與控制流程 圖。如圖1-6所示 工藝管道與控制流程圖上設(shè)備間的工藝管線，表示物料 的流動(dòng)方向。,1.4 工藝管道與控制流程圖,圖1-6 脫乙烷塔工藝

11、管道及控制流程圖,1.4 工藝管道與控制流程圖,圖形符號(hào) 測(cè)量點(diǎn)，連接線，儀表，見(jiàn)表1-1 。 圖1-7 測(cè)量點(diǎn)的一般表示方法 圖1-8 連接線的表示方法 表1-1 儀表安裝位置的圖形符號(hào)表示,字母代號(hào) 第一位字母表示被測(cè)變量，后續(xù)字母表示儀表的功能，見(jiàn)表1-2,表1-2 被測(cè)變量和儀表功能的字母代號(hào),儀表位號(hào) 第一位數(shù)字表示工段號(hào)，后續(xù)數(shù)字表示儀表序號(hào)。 例1-1 圖1-6中，PIC-207，表示工段號(hào)為2、儀表序號(hào)為07、集中儀表盤面安裝的一臺(tái)具有指示功能的壓力控制儀表 。,1.5 過(guò)渡過(guò)程及其品質(zhì)指標(biāo),1.控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài) 系統(tǒng)的被控變量不隨時(shí)間變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的 靜態(tài)。系統(tǒng)的

12、“靜態(tài)”是自動(dòng)控制系統(tǒng)的目標(biāo)。 系統(tǒng)的被控變量隨時(shí)間變化的不平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的 動(dòng)態(tài)。系統(tǒng)的“動(dòng)態(tài)”是自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究的重點(diǎn)，因?yàn)?由于干擾的客觀存在，系統(tǒng)總是處于“動(dòng)態(tài)”過(guò)程中，自動(dòng) 化裝置總是不斷地施加控制作用去對(duì)抗或抵消干擾作用的影 響，從而使被控變量保持在工藝生產(chǎn)所要求控制的技術(shù)指標(biāo) （平衡狀態(tài)）上。,1.5 過(guò)渡過(guò)程及其品質(zhì)指標(biāo),2.控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程 系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過(guò)程稱為系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。 研究方法:階躍干擾作用 ,觀測(cè)控制系統(tǒng)被控變量的變化規(guī)律。 圖1-12 階躍干擾作用,1.5 過(guò)渡過(guò)程及其品質(zhì)指標(biāo),過(guò)渡過(guò)程的基本形式(控制系統(tǒng)在階躍干擾下的響應(yīng)曲線

13、) 圖1-13 過(guò)渡過(guò)程的幾種基本形式,1.5 過(guò)渡過(guò)程及其品質(zhì)指標(biāo),2.控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程 過(guò)渡過(guò)程的基本形式：（在階躍干擾作用下） 非周期衰減過(guò)程(圖1-13(a) （單調(diào)衰減過(guò)程） 衰減振蕩過(guò)程(圖1-13(b) (自動(dòng)控制系統(tǒng)主要采用的過(guò)渡過(guò)程) 等幅振蕩過(guò)程(圖1-13(c) 發(fā)散振蕩過(guò)程(圖1-13(d) 單調(diào)發(fā)散過(guò)程(圖1-13(e),穩(wěn)定過(guò)程,發(fā)散過(guò)程,圖1-4 衰減振蕩過(guò)渡過(guò)程,控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)：（衰減振蕩過(guò)程） 最大偏差 A； 超調(diào)量B=AC； 余差 C； 衰減比 n=B:B= (410)， 式中，B第一個(gè)波峰值，B第二個(gè)波峰值； （n1衰減振蕩過(guò)程,n=1等幅振蕩過(guò)程,

14、n1發(fā)散過(guò)程） 振蕩周期 T； 過(guò)渡時(shí)間 ts。,1.5 過(guò)渡過(guò)程及其品質(zhì)指標(biāo),1.5 過(guò)渡過(guò)程及其品質(zhì)指標(biāo),例1-2 某發(fā)酵過(guò)程工藝規(guī)定操作溫度為(402)?？紤]到發(fā)酵效果，控制過(guò)程中溫度偏離給定值最大不能超過(guò)6?，F(xiàn)設(shè)計(jì)一定值控制系統(tǒng)，在階躍擾動(dòng)作用下的過(guò)渡過(guò)程曲線如圖1-5所示。試確定該系統(tǒng)的最大偏差、衰減比、余差、過(guò)渡時(shí)間(按被控變量進(jìn)入2新穩(wěn)態(tài)值即達(dá)到穩(wěn)定來(lái)確定)和振蕩周期等過(guò)渡過(guò)程指標(biāo)，并回答該系統(tǒng)能否滿足工藝要求,最大偏差 A=4540=5（） 6 衰減比 B=4541=4（）； B=4241=1 () n=B:B=4:1=4 余差 C=4140=1（） 振蕩周期 T=185=13

15、（min）,過(guò)渡時(shí)間 被控變量進(jìn)入新穩(wěn)態(tài)值2%， 就認(rèn)為過(guò)渡過(guò)程已結(jié)束，那么限制范圍是 41(2%)= 0.82，所以過(guò)渡時(shí)間 ts=23 min。 控制系統(tǒng)滿足工藝要求,1.6 控制系統(tǒng)基本概念,系統(tǒng)按照某種劃分得到的若干元素的集合。 反饋將系統(tǒng)輸出信號(hào)引回并加入到輸入信號(hào)的系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)和工作方式。 負(fù)反饋使系統(tǒng)輸出信號(hào)趨于穩(wěn)定或者說(shuō)使系統(tǒng)的被控 變量與定值之差減小的反饋。 正反饋使系統(tǒng)輸出變量單調(diào)變化趨于極限或者說(shuō)使系 統(tǒng)的被控變量給定值之差不斷增大的反饋。 負(fù)反饋控制系統(tǒng)具有負(fù)反饋?zhàn)饔玫目刂葡到y(tǒng)。,信息系統(tǒng)功能與屬性的某種表達(dá)。如控制系統(tǒng) 中，各環(huán)節(jié)的輸入輸出信號(hào)。 控制為實(shí)現(xiàn)目的而施加的作用。一切控制都是有 目的的行為。 開(kāi)環(huán)控制沒(méi)有反饋的簡(jiǎn)單控制。如通常照明中的 調(diào)光控制，電風(fēng)扇的多級(jí)風(fēng)速調(diào)節(jié)等。 過(guò)程一種自然的逐漸進(jìn)行的運(yùn)轉(zhuǎn)或發(fā)展，如化學(xué) 過(guò)程，生物過(guò)程，經(jīng)濟(jì)學(xué)過(guò)程等。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的特征是， 被處理為流體，包括液體、氣體和粉體。,1.6 控制系統(tǒng)基本概念,1.7 控制系統(tǒng)常用術(shù)語(yǔ),被控對(duì)象（對(duì)象）自動(dòng)控制系統(tǒng)中，工況參數(shù)需要控制生產(chǎn)過(guò)程、生產(chǎn)設(shè)備或機(jī)器。 被控變量被控對(duì)象內(nèi)要求保持設(shè)定值的工藝參數(shù)?？叵到y(tǒng)通常用該變量的名稱來(lái)稱呼，如溫度控制系統(tǒng)，壓力制系統(tǒng)等。 操縱變量（調(diào)節(jié)變量）對(duì)被控變量具有較強(qiáng)的直接影響且便于調(diào)節(jié)（操縱）的變量?；?qū)崿F(xiàn)控制作用的變量。