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1、教学安排过程控制及集散控制系统概述JX-300X集散控制系统过程控制系统-基本控制算法单回路PID、串级控制比值、前馈纯滞后、解耦、预测控制均匀控制、选择性控制、分程控制CS3000集散控制系统过程控制实验及讨论第1页/共64页成绩评定平时50%+期末50%平时：课堂习题课外作业仿真练习实验点名网络课程平台的提问、讨论加分奖励（5-10分）课堂讨论第2页/共64页1.1 过程控制系统？及其特点1.2 单回路过程控制系统的组成1.3 控制平台的类型*1.4 单回路过程控制系统设计中的几个要点1.5 总结 1 过程控制及集散控制系统概述 第3页/共64页1.1 什么是过程控制系统？过程自动化过程控
2、制，过程控制系统电气自动化电气控制，电力拖动控制系统控制对象不同：过程控制：工业生产过程中的物理量以温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控变量的自动控制。电气控制：电动机（直流、交流）第4页/共64页典型流程工业生产过程化工单元过程炼油生产过程火电生产过程控制制浆造纸过程控制啤酒及中药生产水处理过程控制等第5页/共64页流程工业（Flow industryFlow industry）也叫过程工业（Process Industry）通常指化工、石化、炼油、钢铁、冶金、造纸、制药、食品、电力等连续生产行业在整个制造业中所占比重大占全国工业总产值的70以上91年以来流程工业的产品销售额前10
3、名中占80-90%,利润前20名中占70%市场竞争对流程工业的压力不断增大第6页/共64页典型工业生产过程举例-乙酸乙酯生产过程原料：乙酸、乙醇产品：乙酸乙酯工艺：1.酯化反应2.中和3.萃取精馏4.萃取剂回收第7页/共64页乙酸乙酯生产过程反应釜（酯化反应）乙酸乙醇催化剂磷钼酸夹套温度：130-140釜内温度：80-90反应时间：2-3小时中和釜碳酸钠饱和溶液乙酸乙醇乙酸乙酯轻相重相中和过量乙酸，溶解乙醇乙酸乙酯、微量的乙醇、水过量的碳酸钠中和反应产生乙酸钠、和乙醇第8页/共64页乙酸乙酯生产过程轻相乙酸乙酯、微量的乙醇、水筛板塔萃取精馏萃取剂乙二醇轻组分乙酸乙酯乙二醇、乙醇和微量的水（提纯
4、乙酸乙酯）填料塔精馏（回收乙二醇）沸点不同重组分轻组分重组分乙醇和水乙二醇循环使用第9页/共64页图片以温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控变量的自动控制。第10页/共64页典型过程装置：精馏塔控制精馏过程-将组分复杂的混合物通过传热分离成纯度相对较高的单一化工产品的过程 原理-利用混合物中各组分相对挥发度不同，在一定的温度、压力下通过蒸发与冷凝，使液相中的轻组分和气相中的重组分互相转移，从而实现分离。换热器回流罐再沸器第11页/共64页精馏塔第12页/共64页精馏过程控制精馏过程的控制要求产品质量控制物料平衡控制塔顶或塔底产品之一合乎规定的纯度，另一端产品维持在规定的范围内。塔顶、
5、塔底采出量和进料量相平衡，维持塔的平稳操作。以控制回流罐与塔釜液位介于规定的上下限为目标。第13页/共64页精馏过程控制精馏过程的控制要求能量平衡控制约束条件控制通过控制塔内的操作压力稳定来保证。液泛限：塔内气相速度过高，液相从下面塔板倒流到上面塔板。漏液限：塔内气相速度过低，塔板漏液，板效率下降压力限：塔的最大操作压力限临界温差限：再沸器两侧的温差不能低于临界温差通过控制塔压塔压差差来实现。第14页/共64页生产过程的工艺流程基本不变，物料流是连续的；在装置内存在着物理的和化学的变化，并伴随着物质的和能量的转换与传递。原料性质变化需要生产同样的产品原料性质变化需要生产同样的产品同样的原料又需
6、要生产不同的产品同样的原料又需要生产不同的产品生产过程的一定限度内的柔性是靠改变各装置间物流的分配和装置运行的工作点（即工艺操作参数）来实现的过程工业生产过程的特点第15页/共64页过程工业控制的特点1.被控过程具有多样性o化工、冶金、电力、污水处理等。2.控制方案具有多样性o反馈、前馈、复合控制o单回路、串级、比值、解耦控制、先进控制等3.被控过程多属慢过程，控制目标多为过程参数o生产过程的物料大多是流体状的，因此能量的交换与传递过程在时间上往往有比较大的滞后o控制目标间有较强的耦合（关联）4.给定值控制是主要的控制形式第16页/共64页控制系统分类按设定值的不同情况恒值（定值）控制系统恒值
7、（定值）控制系统恒温箱的温度控制稳压电源的电压稳定控制随动控制系统随动控制系统设定值不断变化，要求系统的输出随之变化例：雷达跟踪系统，机器人，机械手的动作控制程序控制系统程序控制系统其设定值也是变化的，但它根据需要按一定时间程序变化。程序控制机床，冶金工业中退火炉的温度控制第17页/共64页1.2 单回路过程控制系统的组成被控对象、传感器和变送器、控制器（调节器）、执行器和控制阀控制器被控变量设定值-传感变送执行机构控制什么?对象如何控制？-算法用什么控制？-控制平台第18页/共64页1.3控制平台的类型第19页/共64页控制平台的几种类型单片机工控机 PLC DCS FCS对象规模和要求不同
8、第20页/共64页PLC：可编程控制器第21页/共64页S7-200第22页/共64页PLC：Simatic S7-300第23页/共64页PLC的主要应用场合PLC用于开关量逻辑控制 取代传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。PLC用于运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块,如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块,广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。PLC用于工业过程控制 在工业生产过程当中,存在一些如温度
9、、压力、流量、液位和速度等连续变化的量(即模拟量),PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量,完成闭环控制。第24页/共64页PLC主要生产厂商Siemens(西门子)公司Allen-Bradley(A-B)公司（Rockwell）Schneider(施耐德)公司Mitsubishi(三菱)公司Omrom(欧姆龙)公司第25页/共64页DCS系统Distributed Control System控制站CS操作员站OS、工程师站ES（人机接口）控制网络第26页/共64页OSESCSUPS配电箱操操作作员员站站控控制制站站第27页/共64页控制站硬件总貌控制站C
10、S机柜电源机笼主控卡数据转发卡I/O卡集线器Hub接线端子板机柜机笼机笼机笼电源Hub1Hub2接线端子板第28页/共64页系统结构（示意图）现场控制单元过程控制网过程控制网SCnetSCnet操作站操作站工程师站PLC通信接口卡通信接口卡智能仪表EthernetEthernet质量管理仓库管理财务管理网桥SP244SP244RS485/RS232第29页/共64页集散控制系统的发展第30页/共64页4C4C技术控制技术(Control)、计算机技术(Computer)、通信技术(Communication)、阴极射线管(CRT)图形显示技术是一种操作显示集中、控制功能分散、采用分级分层体系结
11、构、局部网络通信的计算机综合控制系统。第31页/共64页集散控制系统产生的背景集散控制系统产生的背景 20 世纪 60 年代初，人们开始将电子计算机用于过程控制，试图利用计算机所具有的能执行复杂运算、处理速度快、集中显示操作、易于通信、易于实现多种控制算法、易于改变控制方案、控制精度高等特点，来克服常规模拟仪表的局限性。小型机小型机实现模拟量的数字控制：回路控制，数据采集，运算，人机接口。缺点：可靠性差，危险集中。第32页/共64页根据“危险分散”的设计思想，过去由一台大型计算机完成的功能，现在可以由几十台甚至几百台微处理机来完成。各微处理机之间可以用通信网络连接起来，从而构成一个完整的系统。
12、第33页/共64页 1975 年 12 月，美国霍尼威尔(Honeywell)公 司 正式向市场推出了世界上第 一 套 集 散 控 制 系 统TDC-2000（Total Distributed Control 2000）系统，成为最早提出集散控制系统设计思想的开发商。第34页/共64页第35页/共64页DCSDCS的发展脉络1975年,TDC2000仪表分散控制系统仪表集中控制系统计算机集中控制系统计算机集散控制系统第36页/共64页DCS的发展轨迹专用 通用硬件：硬盘，内存，键盘，显示器软件：监控软件，操作系统网络第37页/共64页DCS主要应用场合及主要产品流程行业石油、化工、电力、冶金
13、、钢铁、造纸等温度、压力、流量、液位、成份的控制第38页/共64页世界各国主要DCSDCS产品美国：Honeywell:TDC2000、TDC3000、PKS Emerson:Delta V（Westing House:WDPF）Foxboro:I/A Series ABB(Bailey):MP/200及AC800F 日本：横河(Yokogawa):CENTUM CS3000第39页/共64页世界各国主要DCSDCS产品德国：西门子Siemens：Teleperm-M,PCS7英国：欧陆：T2550第40页/共64页世界各国主要DCSDCS产品中国：上海新华：XDPS(GE Power收购)浙
14、大中控：JX-300X、JX-300XP 和利时：MACS第41页/共64页主要行业应用石化（特点：回路多）横河CS1000,CS3000Honeywell TDC3000电力（模拟量，开关量结合）Bailey西屋WDPF第42页/共64页 现场总线控制系统第43页/共64页现场总线控制系统出现的原因智能变送器的出现网络技术的发展网络系统与现场仪表通信的要求第44页/共64页现场总线控制系统的含义现场总线：数字式，双向的，串行的数据总线数字式，双向的，串行的数据总线现场总线仪表：支持现场总线通信的智能仪表支持现场总线通信的智能仪表现场总线控制系统：以单个分散的数字的智能的设备作为网络节点，以数
15、据总线进行连接，实现现场的控制。以单个分散的数字的智能的设备作为网络节点，以数据总线进行连接，实现现场的控制。第45页/共64页DCS与FCS第46页/共64页1.5 本讲小结过程控制是自动化专业的主要内容之一系统的观点、全局的观点：对象控制方案变送器执行器载体第47页/共64页作业什么是过程控制系统？什么是电力拖动系统？它们各自的特点是什么？通过上网或查阅书籍，举出一个典型过程控制系统的例子。试用全局的观点来梳理以前学过的自动化的相关知识。第48页/共64页1.4 过程控制系统设过程控制系统设计中的计中的几个要点几个要点被控变量的选择控制变量的选择控制阀开关的选择第49页/共64页被控变量的
16、选择被控变量的选择，是控制系统设计的核心问题。以温度、压力、流量、液位为操作指标的生产过程，就选择温度、压力、流量、液位为被控变量。当质量指标是产品质量的直接反映时：最佳方案：采用质量指标作为被控变量产品成分的测量问题：1.并不是所有参数都有行之有效的测量方法；2.成分分析仪表普遍具有较大的测量滞后，不能及时反应产品质量的变化情况3.成分分析仪的工作环境要求高，较差的工作环境会带来较大的测量误差。第50页/共64页被控变量的选择当质量指标是产品质量的直接反映时：最佳方案：采用质量指标作为被控变量可行方案：采用间接的指标作为被控变量要求：。间接指标与直接指标有单值的对应关系。具有一定的变化灵敏度
17、，即随着产品质量的变化，间接指标必须有足够大的变化。第51页/共64页被控变量的选择案例可行方案：采用间接的指标作为被控变量要求：。间接指标与直接指标有单值的对应关系。具有一定的变化灵敏度塔顶苯的纯度与温度、压力之间有如下的函数关系：到底选择温度还是压力作为被控变量呢？苯、甲苯精馏分离，苯的纯度95以上。第52页/共64页被控变量的选择到底选择温度还是压力？理论上选择两者均可，但在工程实践中一般都选择温度作为被控变量。因为在精馏操作中，往往希望塔压保持一定，如果塔压波动，塔内原有的汽液平衡关系就会遭到破坏，相对挥发度就会发生变化，塔将处于不良的工况。第53页/共64页被控变量的选择原则尽量选择
18、质量指标作为被控变量当不能选择质量指标作被控变量时，应当选择一个与产品质量指标有单值对应关系的间接指标参数作为被控变量所选择的间接指标参数应具有足够大的灵敏度，以便反映产品质量的变化选择被控变量要考虑到工艺的合理性和国内、外仪表生产的现状。第54页/共64页被控变量-控制变量的选择？第55页/共64页讨论：控制变量的选择？右图为一蒸汽加热设备，利用蒸汽将物料加热到所需温度后排出。请问：（）影响物料出口温度的主要因素有哪些？（）如果要设计一温度控制系统，你认为被控变量和控制变量分别选哪些参数？搅拌器物料冷凝水物料出口蒸汽入口物料流量物料入口温度蒸汽流量蒸汽温度搅拌器的速度第56页/共64页控制变
19、量的选择yu1u2u3u4通常的做法：在影响被控变量的诸多输入中选择其中某一个可控性良好的输入量作为控制变量，其他未被选中的所有输入量则为系统的干扰。yu3u2u1u4扰动输入思考：实际工业现场中闭环控制系统的作用？被控变量：被控对象的一个输出被控变量的输入：影响被控变量的外部因素第57页/共64页控制变量的选择所选控制变量必须是可控的。所选控制变量应是通过放大倍数较大者，最好大于扰动通道的放大倍数。扰动通道的时间常数越大越好，而控制通道的时间常数应适当小一些。所选控制变量的纯滞后时间应越小越好所选控制变量应尽量使干扰点远离被控变量而靠近控制阀在选择控制变量时还需考虑到工艺的合理性。一般来说，
20、生产负荷直接关系到产品的产量，不宜经常变动。搅拌器物料冷凝水物料出口蒸汽入口物料流量物料入口温度蒸汽流量蒸汽温度搅拌器的速度第58页/共64页控制阀开闭的选择电动控制阀：电开，电闭气动控制阀：气开，气关气开：当输入压力增大，控制阀开度增大气关：当输入压力增大，控制阀开度减小第59页/共64页控制阀开闭的选择原则从生产安全出发当气源中断，或控制器出现故障无输出，或控制阀膜片破裂、漏气等无法正常工作时，阀心回复到无能源的初始状态（气开阀回复到全闭，气关阀回复到全开），应能确保生产设备的安全，不致发生事故。锅炉供水控制阀：为保证发生上述情况时不烧坏锅炉，控制阀应选气关阀气关阀。第60页/共64页控制
21、阀开闭的选择原则从保证产品质量出发当控制阀处于无能源状态而回复到初始位置时，不应降低产品的质量。如：精馏塔回流量控制阀常采用气闭式，一旦发生事故，控制阀全开，使产品处于全回流状态，防止不合格产品的蒸出，保证塔顶产品的质量。第61页/共64页控制阀开闭的选择原则从降低原料、成品、动力消耗来考虑精馏塔进料的控制阀：常采用气开式，一旦控制阀失去能源即处于关闭状态，不再给塔进料，以免造成浪费。精馏塔塔釜加热蒸汽控制阀一般都选气开式。以保证在控制阀失去能源时处于全闭状态，避免蒸汽的浪费。从介质的特点考虑如果釜液是易凝、易结晶的物料时，控制阀应选气闭式，以防控制阀失去能源时阀门关闭，停止蒸汽进入而导致釜内液体结晶。第62页/共64页控制阀开闭的选择原则由于工艺要求，对于同一个控制阀可以有两种不同的选择结果。考虑主要要求某些生产工艺对控制阀开、闭形式无严格要求。此种情况下，可以任选。第63页/共64页感谢您的观看。第64页/共64页