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1、第一章第一章 化工自动化基础化工自动化基础1 1、化工生产过程、化工生产过程 化工生产过程是工艺变量（温度化工生产过程是工艺变量（温度T T、压力、压力P P、流量、流量F F、液位、液位L L、浓度、浓度等）在工艺所规等）在工艺所规定的条件下进行安全、高效生产的过程。定的条件下进行安全、高效生产的过程。 化工生产常用的设备：机泵、热交换器、化工生产常用的设备：机泵、热交换器、锅炉、加热炉、分馏塔、压缩机、反应器等。锅炉、加热炉、分馏塔、压缩机、反应器等。 第一节第一节 化工自动化的基本化工自动化的基本概念概念1.1 1.1 生产过程自动化生产过程自动化 以锅炉水位控制为例：以锅炉水位控制为例
2、： 看如何由人工控制看如何由人工控制 自动控制自动控制第一节第一节 化工自动化的基本概念化工自动化的基本概念第一节第一节 化工自动化的基本概念化工自动化的基本概念第一节第一节 化工自动化的基本概念化工自动化的基本概念第一节第一节 化工自动化的基本概念化工自动化的基本概念第一节第一节 化工自动化的基本概念化工自动化的基本概念 用自动控制装置来代替人工控制，使生用自动控制装置来代替人工控制，使生产过程在不需要人干涉的情况下自动安全、产过程在不需要人干涉的情况下自动安全、高效地进行。这就是生产过程自动化。高效地进行。这就是生产过程自动化。2. 2. 自动控制系统常用术语自动控制系统常用术语2.1 2
3、.1 被控过程：也称为被控对象。自动控制被控过程：也称为被控对象。自动控制系统中，工艺变量需要控制的生产过程、设系统中，工艺变量需要控制的生产过程、设备或机械。如上例中锅炉的汽包。备或机械。如上例中锅炉的汽包。2.2 2.2 被控变量：被控过程内要求保持设定数被控变量：被控过程内要求保持设定数值的工艺变量。如锅炉汽包的水位。值的工艺变量。如锅炉汽包的水位。 第一节第一节 化工自动化的基本概念化工自动化的基本概念2.3 2.3 操纵变量：通常指受控于调节阀用于克操纵变量：通常指受控于调节阀用于克服扰动的影响，使被控变量保持在设定值附服扰动的影响，使被控变量保持在设定值附近的物料量或能量。如锅炉的
4、给水量。近的物料量或能量。如锅炉的给水量。2.4 2.4 扰动：也称为干扰。除操纵变量外，引扰动：也称为干扰。除操纵变量外，引起被控变量变化的因素。如锅炉负荷的变化。起被控变量变化的因素。如锅炉负荷的变化。2.5 2.5 设定值：被控变量的预定值。如锅炉汽设定值：被控变量的预定值。如锅炉汽包水位的预先设定值。包水位的预先设定值。2.6 2.6 偏差：被控变量的设定值与实际值（测偏差：被控变量的设定值与实际值（测量值）之差。量值）之差。第一节第一节 化工自动化的基本概念化工自动化的基本概念3 3、自动控制系统的组成、自动控制系统的组成 自动控制系统主要由两大部分组成，一自动控制系统主要由两大部分
5、组成，一部分是起控制作用的全套自动化装置，它部分是起控制作用的全套自动化装置，它主要包括检测元件及变送器、调节器和执主要包括检测元件及变送器、调节器和执行器；另一部分是自动化装置控制下的被行器；另一部分是自动化装置控制下的被控过程。控过程。3.13.1、被控过程：自动控制系统中，工艺变、被控过程：自动控制系统中，工艺变量需要控制的生产过程、设备或机器称被量需要控制的生产过程、设备或机器称被控过程。化工生产中的各类塔器、反应器、控过程。化工生产中的各类塔器、反应器、泵、压缩机以及各种容器、储槽（罐），泵、压缩机以及各种容器、储槽（罐），甚至一段输送流体的管道都可以是被控过甚至一段输送流体的管道都
6、可以是被控过程。程。 第一节第一节 化工自动化的基本概念化工自动化的基本概念 3.23.2、检测元件及变送器：它将需要监测的、检测元件及变送器：它将需要监测的工艺变量的变化转换成特定信号（电信工艺变量的变化转换成特定信号（电信号），为自动控制系统提供控制的依据。号），为自动控制系统提供控制的依据。3.33.3、调节器：它把检测元件与变送器送来、调节器：它把检测元件与变送器送来的信号与工艺上需要保持的设定值信号进的信号与工艺上需要保持的设定值信号进行比较得出偏差，根据偏差的正负、大小行比较得出偏差，根据偏差的正负、大小及变化趋势，按预先设计好的控制规律进及变化趋势，按预先设计好的控制规律进行运算
7、后，输出相应的控制作用给执行机行运算后，输出相应的控制作用给执行机构。构。 第一节第一节 化工自动化的基本概念化工自动化的基本概念3.43.4、执行器：它接受调节器送来的信号，、执行器：它接受调节器送来的信号，相应地改变操纵变量，克服扰动的影响，相应地改变操纵变量，克服扰动的影响，实现控制要求。在化工生产中最常用的执实现控制要求。在化工生产中最常用的执行机构是气动薄膜调节器。行机构是气动薄膜调节器。第一节第一节 化工自动化的基本概念化工自动化的基本概念 调节器是自动控制系统的重要组成部分。调节器是自动控制系统的重要组成部分。它将生产过程被控变量的测量值与设定值它将生产过程被控变量的测量值与设定
8、值进行比较，得出偏差，根据偏差的正负、进行比较，得出偏差，根据偏差的正负、大小和变化趋势，按照一定的运算规律输大小和变化趋势，按照一定的运算规律输出控制信号，送往执行器，实现对生产过出控制信号，送往执行器，实现对生产过程的自动控制。程的自动控制。第二节第二节 调节器及基本调节规律调节器及基本调节规律 1 1、常用的基本调节规律有：、常用的基本调节规律有： 比例（比例（P)P)、积分（、积分（I I）、微分（）、微分（D D）。）。1.1 1.1 比例控制（比例控制（P P） 它的控制规律是：调节器的输出变化量它的控制规律是：调节器的输出变化量与输入变化量成比例。起数学表达式为：与输入变化量成比
9、例。起数学表达式为： 从该表达式看出：比例控制克服偏差及从该表达式看出：比例控制克服偏差及时、有力。要使调节器有输出就必须要有时、有力。要使调节器有输出就必须要有偏差存在，因此比例控制始终是有偏差存偏差存在，因此比例控制始终是有偏差存在的。在的。 第二节第二节 调节器及基本调节规律调节器及基本调节规律eKCP1.2 1.2 积分控制（积分控制（I I） 它的控制规律是：调节器的输出变化量它的控制规律是：调节器的输出变化量与输入偏差随时间的积分成正比，数学表与输入偏差随时间的积分成正比，数学表达式为：达式为： 或或 从该表达式看出：其输出信号的大小，从该表达式看出：其输出信号的大小，不仅与偏差的
10、大小有关，还与偏差存在的不仅与偏差的大小有关，还与偏差存在的时间长短有关。所以，积分控制是一种没时间长短有关。所以，积分控制是一种没有偏差的控制（理想情况下）。有偏差的控制（理想情况下）。 第二节第二节 调节器及基本调节规律调节器及基本调节规律edtKCIedtTCI11.3 1.3 微分控制（微分控制（D D） 它的控制规律是：调节器的输出变化量它的控制规律是：调节器的输出变化量与输入偏差随时间的微分成正比，数学表与输入偏差随时间的微分成正比，数学表达式为：达式为： 从该表达式看出：其输出信号的大小，从该表达式看出：其输出信号的大小，只与偏差变化的速度有关，而与偏差的大只与偏差变化的速度有关
11、，而与偏差的大小无关。当偏差再大而无变化时，该调节小无关。当偏差再大而无变化时，该调节器的输出也为零。器的输出也为零。第二节第二节 调节器及基本调节规律调节器及基本调节规律dtdeTCD1.4 1.4 几种基本控制规律的组合几种基本控制规律的组合PIDPID 根据实际情况，把三种基本控制规律进根据实际情况，把三种基本控制规律进行适当组合，可以得到更好的控制效果。行适当组合，可以得到更好的控制效果。 这种组合控制规律称为比例积分微分控这种组合控制规律称为比例积分微分控制（制（PID)PID)。这里有三个可以调整的参数：。这里有三个可以调整的参数：放大倍数放大倍数K KP P、积分时间、积分时间T
12、 TI I、微分时间、微分时间T TD D 。第二节第二节 调节器及基本调节规律调节器及基本调节规律)1(dtdeTedtTeKCDIP1.5 PID1.5 PID调节器的应用调节器的应用 PIDPID调节器综合了各种控制规律的优点，调节器综合了各种控制规律的优点，具有较好的控制性能，应用范围广。具有较好的控制性能，应用范围广。 各种化工过程常用的控制规律如下：各种化工过程常用的控制规律如下： 液位：一般控制要求不高，用液位：一般控制要求不高，用P P或或PIPI控制控制作用。作用。 流量：一般用流量：一般用PIPI控制作用。控制作用。 压力：用压力：用P P或或PIPI控制作用。控制作用。
13、温度：用温度：用PIDPID控制作用。控制作用。第二节第二节 调节器及基本调节规律调节器及基本调节规律2 2、 调节器的类型调节器的类型 按结构和组成的形式分有基地式调节器、按结构和组成的形式分有基地式调节器、单元组合式调节器、组合式电子控制装置、单元组合式调节器、组合式电子控制装置、可编程调节器和集中分散型控制装置五种。可编程调节器和集中分散型控制装置五种。我厂现在主要使用的是可编程调节器和集我厂现在主要使用的是可编程调节器和集中分散型控制装置。中分散型控制装置。 第二节第二节 调节器及基本调节规律调节器及基本调节规律 2.1 2.1 集中分散型控制装置（集散型控制系集中分散型控制装置（集散
14、型控制系统统DCSDCS） 集中分散型控制是把整个控制系统分集中分散型控制是把整个控制系统分成若干级，最基层的是直接数字控制，上成若干级，最基层的是直接数字控制，上一级是优化控制，这样既能发挥计算机多一级是优化控制，这样既能发挥计算机多功能控制的特点，满足现代化工生产集中功能控制的特点，满足现代化工生产集中操作、显示和报警的要求，又能避免危险操作、显示和报警的要求，又能避免危险过分集中，整个控制系统安全可靠。过分集中，整个控制系统安全可靠。 第二节第二节 调节器及基本调节规律调节器及基本调节规律 集散型控制系统在结构上是由下位机操集散型控制系统在结构上是由下位机操作站和上位监控计算机组成。每个
15、操作站作站和上位监控计算机组成。每个操作站可以控制十几个到几十个回路，有专用微可以控制十几个到几十个回路，有专用微处理机进行有效地控制，各操作站与上位处理机进行有效地控制，各操作站与上位机之间，用数字通讯电缆连接起来，构成机之间，用数字通讯电缆连接起来，构成各种各样的、能适应不同过程的、积木式各种各样的、能适应不同过程的、积木式的分级控制结构，并通过屏幕和操作台，的分级控制结构，并通过屏幕和操作台，对整个生产过程进行集中监视、集中操作对整个生产过程进行集中监视、集中操作和集中管理，分散控制。它适用于大中型和集中管理，分散控制。它适用于大中型企业的大型生产装置。企业的大型生产装置。 第二节第二节
16、 调节器及基本调节规律调节器及基本调节规律 执行器在自动控制系统中的作用是接受执行器在自动控制系统中的作用是接受调节器的控制信号，改变操纵变量，使生调节器的控制信号，改变操纵变量，使生产过程按预定要求正常进行。执行器一般产过程按预定要求正常进行。执行器一般安装在生产现场，直接与工艺介质接触，安装在生产现场，直接与工艺介质接触，常常在高温、高压、深冷、易漏、易堵、常常在高温、高压、深冷、易漏、易堵、强腐蚀等恶劣环境下工作。强腐蚀等恶劣环境下工作。1 1、气动薄膜调节阀气动薄膜调节阀 在化工生产过程中使用的最多的执行器在化工生产过程中使用的最多的执行器是气动薄膜调节阀。是气动薄膜调节阀。第三节第三节 执行器执行器气动薄膜调节阀气动薄膜调节阀第三节第三节 执行器执行器气动薄膜调节阀气动薄膜调节阀第三节第三节 执行器执行器气动薄膜调节阀气动薄膜调节阀 气动薄膜调节阀的执行机构由波纹膜气动薄膜调节阀的执行机构由波纹膜片、上下膜盖、片、上下膜盖、 平衡弹簧等部件组成。平衡弹簧等部件组成。它接收它接收2020 100KP100KP的标准气压信号，并转的标准气压信号，并转换成推力。其动作的形式有正作用
