过程装备与控制工程导论.docx

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过程装备与控制工程导论摘要：随着科学技术的发展，过程装备控制技术逐渐代替人工控制，过程装备控制是生产过程自动化最重要的一个分支。生产过程自动化是提高社会生产力的有力工具之一。本文从过程装备控制技术的应用角度出发，主要介绍过程装备控制技术的发展历史，过程工业，过程控制系统的基本概念，过程控制系统的组成、原理及其应用；最后简要介绍几种目前比较先进的过程控制系统。按照国际公约的约定。社会经济过程中的全部产品通常分为三类，即硬件产品(hardware),软件产品(software)和流程性材料产品(processedmaterial)。在新世纪初，世界上各主要发达国家和我国都已把“先进制造技术”列为优先发展的战略性高技术之一。先进制造技术主要是指硬件产品的先进制造技术和流程性材料产品的先进制造技术。所谓“流程性材料”是指以流体气、液、粉粒体等)形态为主的材料。而过程工业是加工制造流程性材料产品的现代国民经济的支柱产业之一。成套过程装置是组成过程工业的工作母机群，它通常是由一系列的过程机器和过程设备，按一定的流程方式用管道、阀门等连接起来的一个独立的密闭连续系统.再配以必要的控制仪表和设备，即能平稳连续地把以流体为主的各种流程性材料，让其在装置内部经历必要的物理化学过程，制造出人们需要的新的流程性材料 产品。单元过程设备(如塔、换热器、反应器与储罐等)与单元过程机器(如压缩机、泵与分离机等)二者的统称为过程装备。随着科学技术的发展，过程装备控制技术逐渐代替人工控制。过程装备控制是指在过程设备上，配上一些自动化装置以及合适的自动控制系统来代替操作人员的部分或全部直接劳动，使设计、制造、装配、安装等在不同程度上自动地进行。这种利用自动化装置来管理生产过程的方法就是生产过程自动化。因此，过程装备控制是生产过程自动化最重要的一个分支。生产过程自动化是提高社会生产力的有力工具之一。它在确保生产正常运行，提高产品质最，降低能耗，降低生产成本，改善劳动条件，减轻劳动强度等方面具有巨大的作用。一、过程装备控制技术的发展从工业过程控制的诞生，其理论就很快被人们接受，并得到了广泛的应用。随着现代控制理论与计算机控制技术等学科的发展，为了满足工业生产过程自动化的迫切要求，自从20世纪70年代以来，国内外控制界大力致力于过程控制的研究和开发。例如对建模理论、在线辨识技术、系统结构、控制方法等开始突破了传统的Pm控制方法，并且已取得了成功应用的新进展。纵观控制系统的体系结构，它的发展经历了以下几个阶段。： 第一阶段为气动控制系统(简称PCS-PneumaticControlSystem).这个阶段主要指1950年以前，以3-15nsi(0.2一1.0ka/cm)气动信号为标准信号的控制系统。第二阶段为电动模拟控制系统(简称ACS-AmlorsvContmlSvstem).这个阶段是指1960年以后出现的4-20-A和0-10-A电动模拟信号的统第三阶段为集中式计算机控制系统为(简称CCSCentralizedControlSvstem)这个阶段是指1970年以后出现的以计筑机为指探申权.具有环节年以后出现的以计算机为指挥中枢，具有环节集中管理的控制系统。由于这种系统控制集中，可靠性很令人担优，因此很快被可靠性更好的系统取代。第四阶段为分布式计算机控制系统(简称DCS}这个阶段出现的DCS系统正是在CCS基础卜发展起来的，它克服了CCS系统的可靠性方面的缺陷，成为工业过程控制发展史上的一个里程碑。第五阶段是现场总线网络控制系统(FCS—-FieldbwControlSystem)。这个阶段是在20世纪70年代中期网络技术发展的基础上出现的，随着网络技术的发展，DCS出现了开放式系统，实现多层次计算机网络构成的管理—控制一体化。在控侧的低层，各国厂商纷纷推出了各种数字化智能变送装里和智能化数字执 行机构，以现场总线为标准，实现以徽处理为基础的现场仪表与控制系统之间的全数字化的双向的和站之间的通讯，这种系统就是FCS系统，它将会很快取代目前比较流行的LK万系统，成为21世纪初的主流。二、过程装备控制技术与生产自动化过程装备控制是工业生产过程自动化的重要组成部分，它主要是针对过程装备的主要参数，即温度、压力、流量、液位(或物位)、成分和物性等参数进行控制。工业生产对过程装备控制的要求是多方面的，最终可以归纳为三项要求:即安全性、经济性和稳定性。安全性，是指在整个生产过程中，确保人身和设备的安全，这是最重要也是最基本的要求。通常是采用越限报普、事故报替和连锁保护等措施加以保证。随着控制技术和计算机技术的不断发展，在线故障预测和诊断、容错控制等技术可以进一步提高系统的安全性。经济性，是指在生产同样质量和数量产品所消耗的能量和原材料最少。也就是要求生产成本低而效率高。随着市场竞争加剧和能源的医乏，经济性已越来越受到各方面的重视。稳定性，是指系统应具有抵抗外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力。在生产过程中，原材料成分变化、反应器内催化剂老化、换热器表面结垢等都会或多或少地影响生产过程稳定性。为了满足上述三项要求，在理论上和实践上都还有许多间题有待研究。 过程装备控制的任务就是在了解、掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础上，根据上述三项要求，应用理论对控制系统进行分析和综合，最后采用合适的技术手段加以实现。因此可以说，过程装备控制是控制理论、工艺知识、计算机技术和仪器仪表等相结合而构成的一门综合性应用科学。自20世纪30年代以来，随着自动控制理论的不断发展以及电子计算机的出现，自动化技术已取得了惊人的成就，在工业生产和科学发展中起到关键的作用。当前，自动化装置已成为大型设备不可分割的重要组成部分。可以说，如果不配置合适的自动控制系统，大型生产过程是根本无法运行的。实际上，生产过程自动化的程度已成为衡量工业企业现代化水平的一个重要标志。生产过程自动化系统包含如下四个部分的内容：①自动检侧系统要控制不断进行着各种物理化学变化的生产过程，首先必须随时了解生产过程中各工艺参数的变化情况。为此，必须采用各种检测仪表(如热电偶、热电阻、压力传感器等)自动连续地对各种工艺变量(如温度、压力、流量、液位等)进行侧量，并将测量结果用仪表(如动圈仪表、电子电位差计等)指示记录下来供操作人员观察、分析或将测t到的“信息”传送给控制系统，作为自动控制的依据。②信号联锁系统信号联锁系统是一种安全装置。在生产过程中，有时由于一些偶然因素的影响会导致某些工艺变盘超出允许的 变化范围，使生产不能正常运行，严重时甚至会引起嫩烧、爆炸等事故。为了确保安全生产，常对这些关键性变量设置信号报替或联锁保护装置。其作用是在事故发生前，自动地发出声光报警信号，引起操作员的注意以便及早采取措施。若工况已接近危险状态，信号联锁系统将启动:打开安全阀，切断某些通路或紧急停车，从而防止事故的发生或扩大。③自动操纵系统这是一种根据预先规定的程序，自动地对生产设备进行某种周期性操作，极大地减轻操作人员的繁重或重复性体力劳动的装置。例如，合成氨造气车间煤气发生炉的操作就是按照程序自动地进行的，如自动进行吹风、上吹、下吹制气、吹净等步骤，周期性地接通空气与水蒸气实现自动操纵。④自动控制系统利用一些自动控制仪表及装置，对生产过程中某些重要的工艺变量进行自动调节，使它们在受到外界干扰影响偏离正常状态后，能够自动地重新回复到规定的范围之内，从而保证生产的正常进行。三、过程装备控制系统的组成工业生产过程都是在一定的温度、压力、浓度、物位等工艺条件下进行的。为此，必须对这些工艺变量进行控制，使其稳定在保证生产正常运行的比较自动控制与人工控制:在自动控制系统中，测量仪表、控制仪表、自动调节阀分别代替了人工控制中人的观 察、思考和手动操作，因而大大降低了人的劳动强度;同时由于仪表的信号测量、运算、传输、动作速度远远高于人的观察、思考和操作过程，因此自动控制可以满足信号变化速度快、控制要求高的场合。被控对象在自动控制系统中.工艺变量需要控制的生产设备或机器称为被控对象，简称对象。在化工生产中，各种塔器、反应器、泵、压缩机以及各种容器、贮罐、贮槽，甚至一段输送流体的管道或者复杂塔器〔如精馏塔)的某一部分都可以是被控对象。图1一1中的锅炉即为锅炉汽包水位控制系统中的被控对象。测t元件和变送铃测量需控制的工艺参数并将其转化为一种特定信号(电流信号或气压信号)的仪器，在自动控制系统中起着“眼睛”的作用，因此要求准确、及时、灵敏。调节器又称控制器，它将检测元件或变送器送来的信号与其内部的工艺参数给定值信号进行比较，得到偏差信号;根据这个偏差的大小按一定的运算规律计算出控制信号，并将控制信号传送给执行器。执行器接受调节器送来的信号，自动地改变阀门的开度，从而改变送给被控对象的能t或物料t。最常用的执行器是气动薄膜调节阀。当采用电动调节器时，调节阀上还需增加一个电气转换器。 在一个自动控制系统中，上述四个部分是必不可少的。除此之外，还有一些辅助装置，例如给定装置、转换装丑、显示仪表等。其中显示仪表可以是单独的仪表，有时也可能是测盆仪表、变送器和调节器里附有的显示部四、先进过程控制系统简介1、自适应控制系统自适应控制系统是指能够适应被控过程参数的变化，自动地调整控制的参数从而补偿过程特性变化的控制系统。自适应控制系统的适应对象是:非线性的工业对象和非定常而具有时变特性的工业对象。因为传统的线性控制是根据线性化模型和其极态工作点以及过程参数的值而设计的。当过程的稳态工作点改变时，需要调整控制器参数来补偿这种变化，这时可采用自适应控制系统。自适应控制系统的工作特点是:首先测量系统的愉人和输出值，根据这些值产生系统的动态特性，再与希望系统比较，从而在自适应机构中决定是如何改变控制的参数和结构，以保证系统的最优性能。由适应机构输出信号改变控制方式，使被控对象达到合适的控制。由此可见，自适应控制的工作特点是:辨识、决策、控制。在化工炼油生产过程中，有时禽控制的过程输出量不能直接测得，因而 就不能实施一般的反馈控制。如果扰动可测，则还可以采用前馈控制。而假若扰动也不能测得，则唯一的方法就是采用推断控制。2、推断控制系统推断控制是由美国学者C.Brosilow等于1978年提出来的。所谓推断控制(又称推断控制系统)就是指利用模型，由可测信息将不可测的被控变量推算出来以实现反馈控制，或将不可测的扰动推算出来以实现前控制的一类控制系统。假若不可侧的被控变量，只要依靠可测的辅助输出变量(非被控变量的变量)即能推算出来，这是推断控制中最简单的情况，习惯上称这种系统为“按计算指标的控制系统”。对于这种系统，从结构来分有两类情况:一类是由辅助推算出来的值直接作为被控变量的渊量值;另一类情况是以某辅助输出变量为被控变量，而它的设定值则由模型算式推算而来。在本质上，这两种情况况是一致的。下面以精馏塔内回流控制为例说明推断控制的实现。有许多场合要用到推断控制，如被控变量不可直接侧量的聚合反应的平均分子量控制;或由于检潞仪表价格昂贵或侧全滞后太大的精馏塔顶、塔底产品成分的控制等。3、预测控制系统 预测控制可被认为是近年来出现的集中不同名称的新型控制系统的总称，它们尽管分别由不同国家的工程师和学者所开发，但在系统结构和基本原理上有共同的特征，这其中包括模型预测启发控制，模型算法控制，动态矩阵控制以及预侧控制等。这些算法在表达形式和控制方案等方面各有不同，但基本思想类似，都是采用工业过程中较易得到的对象脉冲响应或阶跃响应曲线，把它们在采样时刻的一系列数值作为描述对象动态特性的信息，从而构成预侧模型。这样就可以确定一个控制里的时间序列，使未来一段时间中被控变量与经过“柔化”后的期望轨迹之间的误差最小。上述优化过程的反复在线进行，构成了预测控制的基本思想。结语随着全球现代化的需要和发展，在化工机械里面逐渐应用到了越来越多的自动控制。因此，掌握先进过程控制技术是我国现代化发展需要，顺应科技时代的潮流，作为未来的“卓越工程师”我们应在立足过程装备的基础上，进一步着眼于控制技术，努力学好有关过程装备控制技术方面的专业知识，让控制技术成为真正在过程装备中得到应用，成为一名合格的“卓越工程师”。