自动化仪表与过程控制培训教材

1自动化仪表自动化仪表与与过程控制过程控制 l自动化：机器设备、系统或过程（生产、管理过程）在没有人或较少人的直接参与下，按照人的要求，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制，实现预期的目标的过程。2过程控制运动控制自动化电力电力冶金冶金石油石油煤炭煤炭钢铁钢铁化工化工3l过程控制过程控制-泛指石油、化工、电力、冶金、核能泛指石油、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、过程自动控制，其被控量通常为压力、液位、流量、温度、温度、PH值等过程变量，是自动化技术的重要组成值等过程变量，是自动化技术的重要组成部分。部分。l作用作用-在现代工业生产过程自动化中，过程控制技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。境卫生等方面起着越来越大的作用。4l自动化仪表自动化仪表 用于用于生产过程自动化生产过程自动化的仪器或设备，是实现工业的仪器或设备，是实现工业企业自动化的必要手段和技术工具。企业自动化的必要手段和技术工具。l特点特点 兼容性、统一标准兼容性、统一标准5系统由被控过程与系列化生产的自动化仪表组成特点16特点2 被控过程复杂多样，通用控制系统难以设计某自治区“十二五”循环经济发展规划 煤电化体化循环经济链条7特点3 控制方案丰富多彩，控制要求越来越高单输入/单输出系统多输入/多输出系统自适应控制预测控制分布参数控制非线性控制连续搅拌釜模型8特点4 控制过程大多属于慢变过程与参量控制大惯性大时延（滞后）温度压力物位流量特点5 定值控制是过程控制的主要形式9(中国)特点6 相关企业污染严重10特点7：工业4.0SIMATIC PCS 71112王宇雷，男，1985年生，吉林大学，通信工程学院控制理论与控制工程系讲师。2004/09-2008/06，南开大学学士；2008/09-2013/10，哈尔滨工业大学，航天学院控制科学与工程专业，博士。2010年至2012年在德国杜伊斯堡埃森大学AKS研究中心联合培养。自2013年起，在吉林大学从事汽车仿真与控制等的教学和科研工作。先后发表学术论文20篇，其中SCI收录5篇，EI收录14篇，核心收录2篇。我在日内瓦车展上课时间：周二第周二第5、6节节第第1-10周周周四第周四第5、6节节第第1-10周周上课地点：南岭一教南岭一教 301过程控制与自动化仪表过程控制与自动化仪表实验课实验课 第第11-14周周具体时间另行通知13l参考书1.自动检测技术与装置.张宏建等.化学工业出版社.2004.72.自动化仪表与过程控制.施仁等.电子工业出版社.2009.23.自动检测技术及仪表控制系统.张毅等.化学工业出版社.2005.34.过程控制与自动化仪表过程控制与自动化仪表.潘永湘等.机械工业出版社.2008.514 1.课堂测验 20%2.实验报告 10%3.期末考试 70%1.成绩高斯分布2.平均值70分上下3.不及格率10%左右回顾回顾l控制方向分为运动控制运动控制与过程控制过程控制l过程控制的被控量：压力、液位、流量、温度、压力、液位、流量、温度、PH值值等过程变量等过程变量l过程控制仪表：调节器（控制器）、执行器、安全栅调节器（控制器）、执行器、安全栅等等仪表仪表l被控过程复杂性：基于系统辨识的控制策略：基于系统辨识的控制策略1516l所谓自动控制,就是在没有人直接参与的情况下,利用外加的设备或装置(控制装置),使机器、设备或生产过程(控制对象)的某个工作状态或参数(被控量)自动地按照预定的规律运行。l现代科学技术的众多领域中,自动控制技术起着越来越重要的作用.如数控车床按预定程序自动切削,人造卫星准确进入预定轨道并回收,雷达自动跟踪空中的飞行体等,所有这些都离不开自动控制技术。第一节第一节 自动控制的基本概念自动控制的基本概念17自动控制的发展历史自动控制的发展历史l第一阶段：上世纪40-60年代，“经典控制理论”，单输入单输出问题，采用传递函数、频域特性、根轨迹为基础的频域分析方法，研究线性定常系统。l第二阶段：上世纪60-70年代，“现代控制理论”，计算机发展驱动空间技术发展，状态空间法-极大值原理、动态规划、卡尔曼滤波。l第三阶段：上世纪70年代末至今。向“大系统理论”和“智能控制”方向发展，随机森林、深度学习和增强学习等智能方法与控制相结合。18第二节第二节 自动控制系统的基本组成及方块图自动控制系统的基本组成及方块图 n人工操作与自动控制比较图（液位控制）人工操作与自动控制比较图（液位控制）图1-1 人工操作图图1-2 液位自动控制系统图控制速度和精度不能满足大型控制速度和精度不能满足大型现代化生产的需要现代化生产的需要19自动控制系统的组成自动控制系统的组成组组成成自动化装置自动化装置被控对象被控对象测量元件与变送器测量元件与变送器自动控制器自动控制器执行器执行器20液位自动控制的方块图液位自动控制的方块图l在研究自动控制系统时，为了便于对系统分析研究，一般都用方块图来表示控制系统的组成。l下图为液位自动控制系统的方块图，每个环节表示组成系统的一个部分，称为“环节”。图1-3 液位自动控制系统方块图其中：其中：x 指设定值；z 指输出信号；e 指偏差信号；p 指发出信号；q 指出料流量信号；y 指被控变量；f 指扰动作用。当x 取正值，z取负值，e=x-z，负反馈；x 取正值，z取正值，e=x+z，正反馈。21图1-2 液位自动控制系统流程图流程图图1-3 液位自动控制系统方块图系统方块图出料流量液位高度数字信号数字信号22图1-4 蒸汽加热器温度控制系统流程图图1-5 加热炉过程控制系统流程图l画系统控制方块图23l注意！方块图中的每一个方块都代表一个具体的装置。n方块与方块之间的连接线，只是代表方块之间的信号联系，并不代表方块之间的物料联系。方块之间连接线的箭头也只是代表信号作用的方向，与工艺流程图上的物料线是不同的。n工艺流程图上的物料线是代表物料从一个设备进入另一个设备，而方块图上的线条及箭头方向有时并不与流体流向相一致。n自动控制系统通常是一个闭环系统。24l小结l自动控制系统应是具有被控变量负反馈的闭环系统。l与自动检测、自动操纵等开环系统比较，最本质的区别，就在于自动控制系统有负反馈，开环系统中，被控（工艺）变量是不反馈到输入端的。举例举例化肥厂的造气自动机就是典型的开环系统的例子化肥厂的造气自动机就是典型的开环系统的例子自动操纵装置自动操纵装置对象对象操纵作用操纵作用工艺参数工艺参数操纵指令操纵指令25开环系统开环系统：自动机在操作时，自动机在操作时，一旦开机，就只能是按照预一旦开机，就只能是按照预先规定好的程序周而复始地先规定好的程序周而复始地运转。这时被控变量如果发运转。这时被控变量如果发生了变化，自动机不会自动生了变化，自动机不会自动地根据被控变量的实际工况地根据被控变量的实际工况来改变自己的操作。来改变自己的操作。比较比较闭环系统闭环系统：有针对性有针对性地根据被控变量的变地根据被控变量的变化情况而改变控制作化情况而改变控制作用的大小和方向，从用的大小和方向，从而使系统的工作状态而使系统的工作状态始终等于或接近于所始终等于或接近于所希望的状态。希望的状态。26第三节第三节 自动控制系统的分类自动控制系统的分类l几种分类方法l按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统；l按控制器具有的控制规律来分类，如比例、比例积分、比例微分、比例积分微分等控制系统；l将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定值是否变化和如何变化来分类，这样可将自动控制系统分为三类，即定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。其中第三种分类方法最普遍其中第三种分类方法最普遍27 “定值”是恒定给定值的简称。工艺生产中，若要求控制系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个生产指标上不变，或者说要求被控变量的给定值不变，就需要采用定值控制系统。13 给定值随机变化，该系统的目的就是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。283.3.程序控制系统（顺序控制系统）程序控制系统（顺序控制系统）给定值变化，但它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定的时间程序变化。这类系统在间歇生产过程中应用比较普通。29第四节第四节 控制系统的过渡过程和品质目标控制系统的过渡过程和品质目标当一个自动控制系统的输入（给定和干扰）和输出均恒定不变时，整个系统就处于一种相对稳定的平衡状态，系统的各个组成环节如变送器、控制器、控制阀都不改变其原先的状态，它们的输出信号也都处于相对静止状态，这种状态就是静态。l一、控制系统的静态与动态自动控制目的：自动控制目的：希望将被控变量保持在一个不变的给希望将被控变量保持在一个不变的给定值上，这只有当进入被控对象的物料量（或能量）定值上，这只有当进入被控对象的物料量（或能量）和流出对象的物料量（或能量）相等时才有可能。和流出对象的物料量（或能量）相等时才有可能。静态静态被控变量不随时间而变化的平衡状态（变化被控变量不随时间而变化的平衡状态（变化率为率为0 0，不是静止）。，不是静止）。30动态动态被控变量随时间变化的不平衡状态被控变量随时间变化的不平衡状态。从干扰作用破坏静态平衡，经过控制，直到系统重新建立平衡，在这一段时间中，整个系统的各个环节和信号都处于变动状态之中，这种状态叫做动态。结论：结论：在自动化工作中，了解系统的静态是必要的，但是了解系统的动态更为重要。因为在生产过程中，干扰是客观存在的，是不可避免的，就需要通过自动化装置不断地施加控制作用去对抗或抵消干扰作用的影响，从而使被控变量保持在工艺生产所要求控制的技术指标上。31l二、控制系统的过渡过程l系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。态的过程。当干扰作用于对象，系统输出y发生变化，在系统负反馈作用下，经过一段时间，系统重新恢复平衡。举例举例图1-6 控制系统方块图32干扰形式干扰形式l系统在过渡过程中，被控变量是随时间变系统在过渡过程中，被控变量是随时间变化的。被控变量随时间的变化规律首先取化的。被控变量随时间的变化规律首先取决于作用于系统的决于作用于系统的干扰形式干扰形式。其次。其次l在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，且多半属于随机性质。在分析和设计控制且多半属于随机性质。在分析和设计控制系统时，为了安全和方便，常选择一些定系统时，为了安全和方便，常选择一些定型的干扰形式，其中常用的是型的干扰形式，其中常用的是阶跃干扰阶跃干扰。33采用阶跃干扰的优点：采用阶跃干扰的优点：这种形式的干扰比较突然、危险，且对被控变量的影响也最大。如果一个控制系统能够有效地克服这种类型的干扰，那么一定能很好地克服比较缓和的干扰。这种干扰的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。图1-7 阶跃干扰作用34l 自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式非周期衰减过程非周期衰减过程衰减震荡过程衰减震荡过程等幅震荡过程等幅震荡过程 发散震荡过程发散震荡过程X X？对于控制质量要求不对于控制质量要求不高的场合，如果被控高的场合，如果被控变量允许在工艺许可变量允许在工艺许可的范围内振荡（主要的范围内振荡（主要指在位式控制时），指在位式控制时），才可采用。才可采用。8/6/202235预备知识一、控制系统的运动微分方程二、非线性数学模型的线性化三、拉氏变换和拉氏反变换四、传递函数五、系统方框图和信号流图六、控制系统传递函数推导举例、数学模型的基本概念 微分方程微分方程 传递函数传递函数 脉冲响应函数脉冲响应函数36原函数（微分方程的解）象函数微分方程象函数的代数方程拉氏反变换拉氏变换解代数方程拉氏变换法求解线性微分方程的过程37图1-9 过渡过程品质指标示意图 假定自动控制系统在阶跃输入作用下，被控变量的变化曲线如上图所示，这是属于衰减振荡的过渡过程多数情况下，希望得到衰减振荡过程，在此取这种过程形式讨论控制系统的品质指标。l三、控制系统的品质指标l控制系统的过渡过程是衡量品质的依据。38五种重要品质指标之一五种重要品质指标之一1.最大动态偏差或超调量最大动态偏差或超调量 最大动态偏差最大动态偏差是指在过渡过程中，被控变量偏离稳态值稳态值的幅度。在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的峰值。特别是对于一些有约束条件的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最大偏差的允许值有所限制。超调量超调量也可以用来表征被控变量偏离稳态值稳态值的程度。392.衰减比n（衰减率）衰减比衰减比是衰减程度的指标，它是前后相邻是衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的比。习惯表示为两个峰值的比。习惯表示为 n n:1:1，一般，一般 n n 取取为为4 41010之间为宜。之间为宜。五种重要品质指标之二五种重要品质指标之二12BnB122BBB40五种重要品质指标之三3.余差 当过渡过程终了时，被控变量所达到的当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差叫做新的稳态值与给定值之间的偏差叫做余差余差，或，或者说余差就是过渡过程终了时的者说余差就是过渡过程终了时的残余偏差残余偏差。有。有余差的控制过程称为有差调节，相应的系统称余差的控制过程称为有差调节，相应的系统称为有差系统。反之就为无差调节和无差系统。为有差系统。反之就为无差调节和无差系统。()()ery 41五种重要品质指标之四4.过渡时间 从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间叫建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间叫过渡时间过渡时间。一般在稳态值的上下规定一个小范。一般在稳态值的上下规定一个小范围，当被控变量进入该范围并不再越出时，就围，当被控变量进入该范围并不再越出时，就认为被控变量已经达到新的稳态值，或者说过认为被控变量已经达到新的稳态值，或者说过渡过程已经结束这个范围一般定为稳态值的渡过程已经结束这个范围一般定为稳态值的（也有的规定为（也有的规定为）。）。st42五种重要品质指标之五5.峰值时间 峰值时间是指系统过渡过程曲线达到第峰值时间是指系统过渡过程曲线达到第一个峰值所需要的时间，它的大小反映系统响一个峰值所需要的时间，它的大小反映系统响应的应的灵敏程度灵敏程度。pt43某换热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示。试分别求出最大偏差、余差、衰减比、峰值时间和过渡时间（给定值为200）。图1-10 温度控制系统过渡过程曲线44解解 最大动态偏差最大动态偏差A A230-205230-2052525余差余差C C205-200205-200由图上可以看出，第一个波峰值由图上可以看出，第一个波峰值B B230-205230-2052525，第二个波峰值第二个波峰值BB21021020520555，故衰减比应为故衰减比应为B:BB:B25:525:55:15:1。峰值时间峰值时间 5minpt过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额定值的控变量进入额定值的2 2，就可以认为过渡过程已经结，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为束，那么限制范围为200200（2 2）44，这时，可，这时，可在新稳态值（在新稳态值（205205）两侧以宽度为）两侧以宽度为画一区域，上画一区域，上图中以画有阴影线的区域表示，只要被控变量进入这一图中以画有阴影线的区域表示，只要被控变量进入这一区域且不再越出，过滤过程就可以认为已经结束。因此，区域且不再越出，过滤过程就可以认为已经结束。因此，从图上可以看出，过渡时间从图上可以看出，过渡时间 22minst45l四、综合性能指标 系统的综合性能是在基于偏差积分最小的原系统的综合性能是在基于偏差积分最小的原则下制定、用以衡量控制系统性能则下制定、用以衡量控制系统性能“优良度优良度”的的一些指标。这些指标只适用于衰减、无静差系统。一些指标。这些指标只适用于衰减、无静差系统。020020IAE=()minISE=()minITAE=()minITSE=()mine t dte t dtt e t dtte t dt偏差绝对值积分：偏差平方积分：偏差绝对值与时间乘积积分：时间乘偏差平方积分：46系统由被控过程和检测控制仪表组成系统由被控过程和检测控制仪表组成过程控制采用各种检测仪表、控制仪表和计算机等自动化工具，对整个生产过过程控制采用各种检测仪表、控制仪表和计算机等自动化工具，对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制。程进行自动检测、自动监督和自动控制。检测仪表检测仪表把工艺参数电信号或气信号，把工艺参数电信号或气信号，反映生产过程状况；反映生产过程状况；控制仪表控制仪表接受检测信号对过程进行控制。接受检测信号对过程进行控制。被控过程的多样性被控过程的多样性生产规模不同、工艺要求各异、产品品种多样导致过程的结构性、动态特性多生产规模不同、工艺要求各异、产品品种多样导致过程的结构性、动态特性多样。通常被控过程属于样。通常被控过程属于多变量、大惯性、大时延、多性能指标多变量、大惯性、大时延、多性能指标特征，还有特征，还有机理机理模型难以描述、非线性与时变模型难以描述、非线性与时变等特性。（锅炉、热交换器、精馏塔）等特性。（锅炉、热交换器、精馏塔）控制方案的多样性控制方案的多样性被控对象复杂导致控制方案多样性。单被控对象复杂导致控制方案多样性。单/多变量控制系统、常规仪表控制多变量控制系统、常规仪表控制/计算计算机集散控制系统机集散控制系统(DCS)(DCS)、提高控制品质的和实现特定要求的控制系统。单回路、提高控制品质的和实现特定要求的控制系统。单回路、串级、前馈、比值、均匀、分程、选择性、大时延、多变量系统，还有先进过串级、前馈、比值、均匀、分程、选择性、大时延、多变量系统，还有先进过程控制系统程控制系统(自适应、预测、智能、非线性控制等自适应、预测、智能、非线性控制等)。47 安全性安全性 针对易燃易爆特点设计；参数越线报警、链锁保护；故障针对易燃易爆特点设计；参数越线报警、链锁保护；故障诊断，容错控制。诊断，容错控制。稳定性稳定性抑制外界干扰，保证正常运行。抑制外界干扰，保证正常运行。经济性经济性降低成本提高效率。掌握工艺流程和被控对象静态、动态降低成本提高效率。掌握工艺流程和被控对象静态、动态特性，运用控制理论和一定的技术手段（计算机、自动化仪表）特性，运用控制理论和一定的技术手段（计算机、自动化仪表）设及合理系统。设及合理系统。48 测量变送与执行测量变送与执行测量变送装置与执行装置实现测量变送装置与执行装置实现 操作安全与环保操作安全与环保保证生产安全、满足环保要求的设备保证生产安全、满足环保要求的设备（独立运行）（独立运行）常规与高级控制常规与高级控制实现对过程参数的控制，满足控制要实现对过程参数的控制，满足控制要求。求。实时优化实时优化实现最优操作工况（时间，成本，设实现最优操作工况（时间，成本，设备损耗）而设计的方案备损耗）而设计的方案 决策与计划调度决策与计划调度对整个过程进行合理计划调度和正确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。决策，使企业利益最大化。49加热炉过程控制系统加热炉过程控制系统冷设计步骤：设计步骤：1.1.确定控制目标确定控制目标 1 1）热油出口温度稳定；2 2）出口温度与烟道气含氧量稳定；3 3）温度稳定与热效率最高。2.2.选择被控参数选择被控参数直接参数（直接参数（油出口温度、烟道气含氧量、燃油压力）间接参数（间接参数（热效率）3 3 选择控制量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4.4.确定控制方案确定控制方案50控制精度和干扰系统简单与复杂方案一：温度PID控制/高级控制方案二：温度、含氧量MIMO解耦控制方案三：温度、含氧量、热效率最优控制5.5.选择控制策略选择控制策略多数采用PID；复杂过程高级过程控制6.6.选择执行器选择执行器气动/电动，执行器特性与过程特性匹配。7.7.设计报警与联锁保护系统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8.8.工程化设计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。9.9.系统投运、调试和整定参数系统投运、调试和整定参数加热炉过程控制系统加热炉过程控制系统51 20世纪世纪50年代前后年代前后(仪表化与局部自动化阶段仪表化与局部自动化阶段)：过程控制发展的第一个阶段，实现了仪表化仪表化和局部自动化局部自动化。主要特点：主要特点：检测和控制仪表检测和控制仪表-采用基地式仪表和部分单元组合仪表(多数是气动仪表)；过程控制系统结构过程控制系统结构-单输入、单输出系统；被控参数被控参数-温度、压力、流量和液位参数；控制目的控制目的-保持这些参数的稳定，消除或者减少对生产过程的主要扰动；理论理论-基于传递函数的经典控制理论，解决单输入单输出的定值控制系统的分析和综合问题。52 20世纪世纪60年代年代(综合自动化阶段综合自动化阶段)：检测和控制仪表检测和控制仪表-采用单元组合仪表(气动、电动)和组装仪表；计算机控制系统的应用，实现直接数字控制(DDC)和计算机监督控制(SCC)。过程控制系统结构过程控制系统结构-多变量系统，各种复杂控制系统，如串级、比值、均匀控制、前馈、自动选择性控制系统。控制目的控制目的-提高控制质量或实现特殊要求。理论理论-除经典控制理论，现代控制理论开始应用。过程控制过程控制现代控制理论现代控制理论计算机技术计算机技术53集中型计算机控制系统集中型计算机控制系统集中集中/分散控制系统分散控制系统 DCS全盘自动化阶段全盘自动化阶段20世纪世纪70年代以来年代以来(全盘自动化阶段全盘自动化阶段)：过程控制最优化与现代化的集中调度管理相结合的全盘自动化。过程控制最优化与现代化的集中调度管理相结合的全盘自动化。主要特点：主要特点：检测和控制仪表检测和控制仪表-以微处理器为核心的智能单元组合仪表；成分在线检测与数据处理技术；模拟调节器品种、可靠性提高；电动仪表实现本质安全防爆过程控制系统结构过程控制系统结构-由单一仪表控制计算机/仪表分布控制，比如：集中/分散型控制(DCS)、现场总线(Fieldbus)控制等。理论理论-现代控制理论的主要内容：系统辨识、最优控制、最优估计以及故障诊断与容错控制等。54集中型计算机控制系统集中型计算机控制系统外设外设过程控制计算机过程控制计算机AIDIAODO 被控过程（对象）被控过程（对象）被控变量被控变量操作变量操作变量输入子系统输入子系统输出子系统输出子系统优越性：优越性：从表面上看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。问问 题：题：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”。由于当时的计算机体积庞大，价格非常昂贵，为了使计算机控制能与常规仪表控制相竞争，企图用一台计算机来控制尽可能多的控制回路。55 集散控制系统集散控制系统 DCS 80年代年代-集散控制系统集散控制系统(DCS)集散控制系统集散控制系统 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)，但过程控制的监视、管理是集中的。l优点：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。56 控制层网络控制层网络 现场设备层现场设备层 操作站操作站 工程师站工程师站DCSDCS的物理层次示意的物理层次示意管理层网络管理层网络远程节点远程节点Web服务器服务器Internet57 90年代以来年代以来 现场总线控制系统现场总线控制系统 FCS(fieldbus control system)是计算机网络技术、通信技术、控制技术和现代仪器仪表技术的最新发展成果。它将具有数字通信能力数字通信能力的现场智能仪表连成网络系统，并同上一层监控级、管理级联系起来成为全分布式的新型控制网络。58现场总现场总线式变线式变送器送器现场总线现场总线式式阀门定阀门定位器位器安安全全防防爆爆工业以工业以太网太网安安全全防防爆爆总总线线非安全防爆总线非安全防爆总线59控制室控制室控制台控制台流程图流程图60仪表盘仪表盘操作员站操作员站61操作员站操作员站CRT工业流程图工业流程图62 现在现在网络计算机集成过程控制网络计算机集成过程控制 CIPS(compututer intergrated process system)以企业整体优化为目标（市场营销、生产计划调度、原材料选择、产品分配、成本管理、工艺过程控制与优化），以计算机和网络为主要技术实现管理与控制一体化。过程工业大数据过程工业大数据 相比较互联网大数据近年从无到有的迅猛发展，过程工业的数据基础更好。过程工业大数据价值产生方式主要是通过集成设计与运行时的生产数据、采购的原料数据及销售过程中积累的点击流和用户行为数据等。例如：Vestas 风力发电机制造公司对天气数据与其涡轮仪表多时空大数据交叉分析，改进发电机的布局并进行起、停、改变迎风角等运行决策，提高发电机布局的效率、增加电力输出和延长寿命。63自动化仪表概述自动化仪表概述自动化仪表（自动化仪表（Automation InstrumentationAutomation Instrumentation）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。与装置是过程控制系统不可缺少的重要组成部分。调节阀传感器变送器执行器控制器自动化仪表被控过程自动化仪表自动化仪表的构成的构成64过程控制仪表的分类及特点 1.现场仪表（一次仪表）2.控制室仪表（二次仪表）1.气动控制仪表气动控制仪表 2.电动控制仪表 3.液动控制仪表（少）1.模拟控制仪表 2.数字控制仪表数字控制仪表 1.基地式控制仪表 2.单元组合式控制仪表单元组合式控制仪表 3.组装式综合控制装置 4.集中/分散式仪表(集中计算机控 制仪表、集散控制仪表、现场总线控制仪表)65电动控制仪表电动控制仪表：优点：优点：信号快速，远距离传输 易于实现复杂规律的信号处理 易于与其它装置相连 供电用电方便 无需空压机和油泵、水泵 缺点：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 液动仪表液动仪表：以高压油和高压水为能源 优点优点：工作可靠，结构简单，功率大，防爆 缺点缺点：精度不高气动控制仪表气动控制仪表：以压缩空气为能源 优点：优点：结构简单，性能稳定，可靠性高，价格便宜，本质防爆 缺点：缺点：精度不高66模拟式控制仪表模拟式控制仪表是传统的仪表，传输信号通常为连续变化的模拟量。如电流、电电流、电压、气压压、气压等。模拟式电动控制仪表以模拟电子元件为组成元件，运算放大器是信息处理的核心部件。这类仪表线路较简单，操作方便，价格较低，使用上有较成熟的经验。数字式控制仪表数字式控制仪表以微处理器微处理器为核心，传输信号为断续变化的数字量。由于有微处理器的存在，任何复杂的信息处理都易实现，硬件不变，软件千变万化，这类仪表的特色就是高度集成、丰富的功能，易于网络互联。它能解决模拟式仪表难以解决的问题，满足现代化生产过程的高质量控制要求。671.基地式控制仪表基地式控制仪表 安装在现场，集检测、指示、控制于一身。特点：特点：一般结构比较简单、价格便宜它不仅能对某些工艺变量进行指示或记录，而已还具有控制功能，因此它比较适用于单变量的就地控制系统。2.单元组合控制仪表单元组合控制仪表 将整套仪表划分成能独立实现一定功能的若干单元，各单元之间采用统一信号进行联系。使用时可根据控制系统的需要，对各单元进行选择和组合，从而构成多种多样的、复杂程度各异的自动检测和控制系统。常用电动单元组合电动单元组合仪表仪表(DDZ(DDZ型型)和气动单元组合气动单元组合仪表仪表(QDZ(QDZ型型)。特点：特点：使用灵活，通用性强，同时，使用、维护更作也很方便。它适用于各种企业的自动控制。单元组合仪表分为单元组合仪表分为：变送单元、给定单元、控制单元、执行单元、转换单变送单元、给定单元、控制单元、执行单元、转换单元、运算单元、显示单元和辅助单元。元、运算单元、显示单元和辅助单元。682.单元组合控制仪表单元组合控制仪表变送单元：变送单元：把各种被测量（温度、压力、流量、液位）变换成标准输出信号。把各种被测量（温度、压力、流量、液位）变换成标准输出信号。控制单元控制单元：将测量信号和设定信号之差运算后去控制执行单元。将测量信号和设定信号之差运算后去控制执行单元。执行单元：执行单元：按照控制信号按照控制信号 或手动信号去改变控制量大小。或手动信号去改变控制量大小。转换单元：转换单元：实现不同物理信号到标准信号转换，不同标准之间转换。气实现不同物理信号到标准信号转换，不同标准之间转换。气电电运算单元：运算单元：信号加减乘除，信号补偿。信号加减乘除，信号补偿。给定单元：给定单元：输出被控量的设定值输出被控量的设定值。显示单元：显示单元：参数指示、报警、记录。参数指示、报警、记录。辅助单元：辅助单元：特殊需要的（操作器、特殊需要的（操作器、限幅器、安全防爆栅）。限幅器、安全防爆栅）。693.组装式控制仪表组装式控制仪表 一种功能分离、结构组件化的成套仪表装置。高密度安装，结一种功能分离、结构组件化的成套仪表装置。高密度安装，结构紧凑，适用于复杂控制和集中显示操作的大、中型企业生产构紧凑，适用于复杂控制和集中显示操作的大、中型企业生产4.集中计算机控制仪表集中计算机控制仪表 以数字计算机为核心的数字控制仪表。其外形结构、面板布置以数字计算机为核心的数字控制仪表。其外形结构、面板布置保留了模拟式仪表的一些特征，但其运算、控制功能更为丰富，通保留了模拟式仪表的一些特征，但其运算、控制功能更为丰富，通过组态可完成各种运算处理和复杂控制。过组态可完成各种运算处理和复杂控制。测量变送与执行单元采用测量变送与执行单元采用模拟仪表，调节单元采用数字仪表。模拟仪表，调节单元采用数字仪表。QDZQDZ QDZDDZDDZ DDZ单元组合式仪表发展阶段单元组合式仪表发展阶段705.集散型控制仪表集散型控制仪表 将集中一台计算机完成的任务分派给各个微型过程控制计算机，将集中一台计算机完成的任务分派给各个微型过程控制计算机，再配上数字总线以及上一级过程控制计算机，组成各种各样的、能再配上数字总线以及上一级过程控制计算机，组成各种各样的、能适应于不同过程的积木式分级分布计算机控制系统。实现了适应于不同过程的积木式分级分布计算机控制系统。实现了“控制控制分散分散”或或“危险分散危险分散”，管理高度集中。，管理高度集中。测量变送与执行单元采用测量变送与执行单元采用模拟仪表，调节单元采用数字仪表。模拟仪表，调节单元采用数字仪表。6.现场总线控制仪表现场总线控制仪表 是计算机网络技术、通信技术、控制技术和现代仪器仪表技是计算机网络技术、通信技术、控制技术和现代仪器仪表技术的最新发展成果。它将具有数字通信能力的现场智能仪表连成网术的最新发展成果。它将具有数字通信能力的现场智能仪表连成网络系统，并同上一层监控级、管理级联系起来成为全分布式的新型络系统，并同上一层监控级、管理级联系起来成为全分布式的新型控制网络。采用全数字化、双向传输、多分支的通信网络。通信协控制网络。采用全数字化、双向传输、多分支的通信网络。通信协议规范化、标准化、公开化，使各种控制系统通过总线实现互联、议规范化、标准化、公开化，使各种控制系统通过总线实现互联、互换和互操作。互换和互操作。71压力压力变送器变送器压力压力变送器变送器常用的控制仪表及装置 72模拟模拟仪表的信号制仪表的信号制 气动信号标准气动信号标准 根据国际电工委员会根据国际电工委员会IEC384制定了我国标准制定了我国标准GB777工业自动化仪表用模拟气工业自动化仪表用模拟气动信号动信号规定规定统一使用统一使用0.02M Pa(0.2Kgf/cm2)0.1M Pa(1.0Kgf/cm2)的模拟气压信号。的模拟气压信号。电动信号标准电动信号标准 直流电流、直流电压、交流电流、交流电压直流电流、直流电压、交流电流、交流电压直流比交流信号优越直流比交流信号优越 直流信号不受交流感应影响，因此抗干扰能力强。直流信号不受交流感应影响，因此抗干扰能力强。直流信号传输不受线路电感电容等影响，无相移问直流信号传输不受线路电感电容等影响，无相移问 题。题。直流信号便于模数转换并与数字仪表相接直流信号便于模数转换并与数字仪表相接 容易获得基准电压容易获得基准电压73电动信号标准电动信号标准模拟模拟仪表的信号制仪表的信号制电流信号优于电压信号电流信号优于电压信号 电流信号可远距离传输（线路电阻上压降太多，则信号耗损）。电流信号可远距离传输（线路电阻上压降太多，则信号耗损）。例例 420 mA 用用0.6mm直径双绞线可传输直径双绞线可传输1km 电流信号电流信号420 mA不从不从 0mA 起，可判别是否断路或停电。起，可判别是否断路或停电。数字数字式仪表的通信标准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,RS232,RS485,USB,PROFIBUS,PROFIBUS,Control Net,CAN,Control Net,CAN,Hart,ModbusHart,Modbus。数字比模拟信号的优势：数字比模拟信号的优势：1 1、提高信号传输精度、提高信号传输精度 抗干扰能力强。抗干扰能力强。2 2、传输信息丰富，可传测量值及厂家信息。、传输信息丰富，可传测量值及厂家信息。3 3、减少布线复杂性和费用。、减少布线复杂性和费用。电流信号 4-20mA，负载电阻 250 电压信号1-5v74交流供电：交流供电：380V380V或或220V 220V 交流电交流电降压降压整流整流滤波滤波稳压稳压直流集中供电（优点）直流集中供电（优点）：1 1）体积）体积、重量、重量、温升、温升 2 2）防停电能力增强）防停电能力增强 3 3）无交流，易于防爆）无交流，易于防爆 仪表的防爆性能：仪表的防爆性能：防爆性能：本质安全防爆性能与非本质安全防爆性能。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。气动仪表本质上是防爆的，因为它不会产生电火花。75安全防爆仪表与防爆系统安全防爆仪表与防爆系统电动仪表防爆方案电动仪表防爆方案安全火花型防爆：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：安全火花型防爆等级：限制限制火花能量火花能量，体现在仪表电路的，体现在仪表电路的电压电压和和电流电流 不同的易燃气体不同的易燃气体不同的能量。不同的能量。结构型防爆：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）。76仪表表面温度仪表表面温度过高可能产生自燃引起爆炸。易燃易爆气体自燃温过高可能产生自燃引起爆炸。易燃易爆气体自燃温度分度分5组。组。a、b、c、d、e，其中其中e组最低组最低（100）。仪表防爆等级标志仪表防爆等级标志DDZ-型压力变送器防爆等级型压力变送器防爆等级He：安全火花型、安全火花型、i70mA（30VDC）、）、100安全安全级级别别最小引爆电流最小引爆电流（mA）爆炸性混合物种类爆炸性混合物种类i120甲烷，乙烷，汽油，甲醇，乙醇，丙酮，氨，甲烷，乙烷，汽油，甲醇，乙醇，丙酮，氨，一氧化碳等一氧化碳等70i120乙烯，乙醚，丙烯腈等乙烯，乙醚，丙烯腈等i70氢，乙炔，二硫化碳，市用煤气，水煤气等氢，乙炔，二硫化碳，市用煤气，水煤气等电压电压30V DC时时,不同爆性物最小引爆电流：不同爆性物最小引爆电流：77安全防爆仪表与防爆系统安全防爆仪表与防爆系统安全火花型防爆系统 条件：1.现场仪表为安全火花型；2.安全防爆栅隔离。安全火花型防爆系统的基本结构安全火花型防爆系统的基本结构l作业过程控制与自动化仪表潘永湘P16页：习题2（1）、习题（3）、1）78演讲完毕，谢谢观看！