自动化仪表与过程控制

第1章 绪论
过程控制（Process control）是指连续生产过 程的自动控制。石油、化工、水利、电力、冶金、 轻工、纺织、制药、建材、核能、环境工程等许多 领域的自动控制系统，都属于过程控制系统。
连续生产过程的特征是：生产过程中的各种流 体，在连续（或间歇）的流动过程中进行着物理化 学反应、物质能量的转换或传递。
例如室内温度的控制。
恒温室
送风
温度计
阀门
回风
图1 室温人工控制示意图
图2为室温自动控制系统，自动化仪表代替了人。
恒温室
送风
1
3
4
TC M
回
2
风
TT
热水 回水
图2 室温自动控制系统示意图 1—热水加热器；3—控制器； 2—传感变送器；4—执行器
过程控制系统的 定义：
为实现对某个工 艺参数的自动控制， 由相互联系、制约的 一些仪表、装置及工 艺对象、设备构成的 一个整体。
在讨论控制系统工作原理时，为清楚地表示自 动控制系统各组成部分的作用及相互关系，一般用 原理框图来表示控制系统。
如图2的室温控制系统是由温度变送器、控制 器、电动调节阀和加热器及房间组成。
+e
给定值 －
控制器
实测值
调节阀 变送器
干扰f
加热器 及房间
被控变量
用通用名称表示为：
+e
给定值 －
控制器
实测值
过程风险加大。因此， DDC系统并未得到广泛应 用。
80年代初，随着计算机性能提高、体积缩小， 出现了内装CPU的数字控制仪表。基于 “集中管 理，分散控制” 的理念，在数字控制仪表和计算机 与网络技术基础上，开发了集中、分散相结合的集 散型控制系统（ DCS， Distributed Control System） 。
ห้องสมุดไป่ตู้
巴基斯坦贾姆肖罗电厂
3．集散控制阶段（20世纪70年代中期至今）
计算机的出现，大大简化了控制功能的实现。
最初，人们设想用一台计算机取代所有回路的控制
仪表，实现直接数字控制（ DDC， Direct Digital
➢
Control
）。
但DDC系统的故障危险高度集中，一旦计算 机出现故障，就会造成所有控制回路瘫痪，使生产
而用开放的、标准化的通信网络——现场总 线，将分散在现场的控制系统的通信连接起来， 实现信息集中管理。
1.2.2过程控制策略与算法发展 伴随着自动化仪表的发展，过程控制策略与算
法也经历了由简单到复杂的发展历程。
以经典控制理论为基础的PID （Proportional Integral Derivative）控制算法，由单回路控制发 展了串级控制、比值控制、前馈控制、均匀控制、 Smith预估控制及选择性控制等控制策略。
新疆炼油厂
武钢
哈尔滨伊兰煤气
哈尔滨伊兰煤气
污水处理厂
哈尔滨第三水厂
渭河化肥厂
扬子石化
扬子石化
扬子石化
兰州石化
兰州石化
测控专业学生在扬子石化实习
测控专业学生在兰州石化实习
自来水厂
控制柜
控制柜触摸显示屏
控制柜内部
控制柜内PLC
过程控制实验室
1.3 过程控制系统分类及其性能指标 1.3.1过程控制系统的分类 过程控制系统有多种分类方法。按所控制的参 数来分，有温度控制系统、压力控制系统、流量控 制系统等；按控制系统所处理的信号方式来分，有 模拟控制系统与数字控制系统；按照控制器类型来 分，有常规仪表控制系统与计算机控制系统等。
1.2 过程控制的发展概况 过程控制的发展历程，就是过程控制装置（自
动化仪表）与系统的发展历程。 1.2.1过程控制装置与系统的发展过程 1．局部自动化阶段 （20世纪 50～60年代）
自动化仪表安装在现场生产设 备上，只具备简单的测控功能。
适用于小规模、局部过程控制 。
2．模拟单元仪表控制阶段（20世纪60～70年代） 特点： 自动化仪表划分成各种标准功能单元，按需 要可以组合成各种控制系统。 控制仪表集中在控制室，生产现场各处的参 数通过统一的模拟信号，送往控制室。操作人员 可以在控制室监控生产流程各处的状况。 适用于生产规模较大的多回路控制系统。
主要参考书
❖ 施仁， 《自动化仪表与过程控制》
❖
电子工业出版社 ，2003
❖ 侯志林， 《过程控制与自动化仪表》
❖
机械工业出版社 ，2002
❖ 历玉鸣， 《化工仪表与自动化》
❖
化学工业出版社 ，2003
❖ 刘元杨， 《自动检测和过程控制》
❖
冶金工业出版社 ，2003
❖ 金以慧，《过程控制》
❖
清华大学出版社 ，1998
随着现代控制理论和人工智能技术的发展，解 耦控制、推断控制、预测控制、模糊控制、自适应 控制等控制策略与算法，也日趋完善。
现代自动控制技术的主要特点：
1、功能综合化，控制与管理一体化已成为趋势 ，其应用领域和规模越来越大。
2、技术密集化、系统集成化，是控制技术、通 讯技术、计算机技术相结合的产物。
自动化仪表与过程控制
目录:
第1章 绪论 第2章 检测仪表 第3章 控制仪表 ** 第4章 执行器及安全栅 第5章 被控过程的数学模型 ** 第6章 简单控制系统的设计与参数整定 ** 第7章 复杂控制系统 ** 第8章 先进过程控制技术 X 第9章 计算机控制系统 X 第10章 过程控制系统应用实例
DCS系统实行分层结构，将控制故障风险分 散、管理功能集中。得到广泛应用。
随着CPU进入检测仪表和执行器，自动化仪 表彻底实现了数字化、智能化。
控制系统也出现了由智能仪表构成的现场总 线控制系统（FCS，Fieldbus Control System)。
FCS系统把控制功能彻底下放到现场，依靠 现场智能仪表便可实现生产过程的检测、控制。
3、系统的智能化程度日益提高，控制精度越来 越高，控制手段日益丰富。
国内外著名仪表生产企业：西安仪表厂、四川 仪表公司、上海仪表公司、Foxboro 、 Siemens 、 Yokogawa 、 Rosemount 、 Honeywell 等公司。
西安仪表厂
渭河电厂
巴基斯坦古杜电厂
核电厂
执行器 变送器
干扰f
被控对象
被控变量
过程控制系统原理方框图
过程控制系统的主要任务是：对生产过程中的 重要参数（温度、压力、流量、物位、成分、湿度 等）进行控制，使其保持恒定或按一定规律变化。
1.1 过程控制的特点 过程控制系统具有以下特点： 1．控制对象复杂、控制要求多样 2．控制方案丰富 3．控制对象大多属于慢过程 4．大多数工艺要求定值控制 5．大多使用标准化的检测、控制仪表及装置