自动控制系统

自动控制系统

10.1概述

自动控制系统（ automatic control systems）是指在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。自动控制系统是实现自动化的主要手段，简称自控系统。主要由控制器，被控对象，执行机构和变送器四个环节组成。按控制原理的不同，自动控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统；按给定信号分类，自动控制系统可分为恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。

10.2自动控制系统的优点

化工生产过程中，我们可以跟据控制要求选择合理的控制方案。化工流程自动化控制具有诸多优点：

（1）提高关键工艺参数的操作精度，从而提高产品的质量或收率；

（2）保证化工流程安全、稳定的运行；

（3）对间歇过程，还可减少批间差异，保证产品质量的稳定性和重复性；

（4）降低工人的劳动强度，减少人为因素对化工生产过程的影响。

由此可见，强化化工流程的自动控制，是化工生产过程发展的必然趋势和方向。

10.3自动控制系统的基本要求

各种自动控制系统，为厂完成一定任务，要求被控量必须迅速而准确地随给定量变化而变化，并且尽量不受任何扰动的影响。然而，实际系统中，系统

会受到外作用，其输出必将发生相应的变化。因控制对象和控制装置以及各功能部件的特征参数匹配不向，系统在控制过程中性能差异很大．甚至因匹配不当而不能正常工作。因此，工程上对自动控制系统性能提出了一些要求，主要有以下三个方面。

1、稳定性

所谓系统稳定指受扰动作用前系统处于平衡状态，受扰动作用后系统偏离了原来的平衡状态，如果扰动消失以后系统能够回到受扰以前的平衡状态，则称系统是稳定的。如果扰动消失后，不能够回到受扰以前的平衡状态．甚至随时间的椎移对原来平衡状态的偏离越来越大，这样的系统就是不稳定的系统。稳定是系统正常工作的前提，人稳定的系统是根本无法应用的.

2、难确性

它是对稳定系统稳态性能的要求。稳态性能用稳态误差来表示，所谓稳态误差是指系统达到稳态时被控量的实际值和希望值之间的误差，误差越小，表示系统控制精度越高越准确。一个暂态性能好的系统既要过渡过程时间短(快速性，简称“快”)，又要过渡过程平稳、振荡幅度小(平稳性质称“稳”)。

3、快速性

这是对稳定系统暂态性能的要求中压变频器。因为工程上的控制系统总是存在惯性，如电动机的电磁惯性、机械惯性等等，致使系统在扰动量给定量发生变化时，被控量个能突坐，肖要有—个过渡过程，即暂态过程。这个暂态过程的过渡时间可能很短。也可能经过一个漫长的过渡达到稳态值，或经过一个振荡过程达到稳态值，这反应了系统的哲态性能。

10.4自动控制系统的设计依据

表10-1自动控制系统设计依据

10.5自动控制系统

10.5.1常用术语

（1）被控对象：需要实现控制的设备、机械或生产过程称为被控对象，简称对象。

（2）被控变量：对象内要求保持一定数值（或按某一规律变化）的物理量称为被控变量。

（3）控制变量（操纵变量）：受执行器控制，用以使被控变量保持一定数值的物料或能量称为控制变量或操纵变量。

（4）干扰：除控制变量以外，作用于对象并引起被控变量变化的一切因素称为干扰。

（5）设定值：工艺规定被控变量所要保持的数值。

（6）偏差：偏差本应是设定值与被控变量的实际值之差，但能获取的信息是被控变量的测量值而非实际值，因此，在控制系统中常把设定值与测量值之差定义为偏差。

10.5.2自动控制系统的组成

自动控制系统由比较机构、控制器、执行器、测量/变送环节四部分组成。

（1）测量与变送环节：测量被控变量，并将被控变量转换为特定的信号。

（2）比较机构及控制器：接受来自于变送器的信号，与设定值进行比较得出偏差，并根据一定的规律进行运算，然后将运算结果用特定的信号发送出去。

（3）执行器：根据控制器送来的信号相应的改变控制变量，以达到控制变量的目的。

10.5.3自动控制系统的选择

目前的工业自动控制系统主要由DCS（分布式控制系统）、PLC（可编程逻辑控制器）、FCS（现场总线控制系统）。

DCS 是分布式控制系统的英文缩写（Distributed Control System），在国内自控行业又称之为集散控制系统。DCS 是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物，通常采用若干个控制器（过程站）对一个生产过程中的众多控制点进行控制，各控制器间通过网络连接并可进行数据交换。操作采用计算机操作站，通过网络与控制器连接，收集生产数据，传达操作指令。因此，DCS的主要特点归结为一句话就是：分散控制集中管理。

PLC 是可编程逻辑控制器的英文缩写（Programmable Logic Controller），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

FCS 是现场总线技术与智能仪表管控一体化的现场总线控制系统，在主要控制器上采用带芯片处理器的智能仪表。通过使用现场总线，可以大量减少现场接线，用单个现场仪表可实现多变量通信，不同生产装置间可以完全交互操作，增

加现场一级的控制功能，系统集成大大简化，并且维护十分简便。

本工厂选用的是DCS控制系统，系统的设计采用合适的冗余配置和诊断至模件级的自诊断功能，具有高度的可靠性。系统内任一组件发生故障，均不会影响整个系统的工作。系统的参数、报警、自诊断及其他管理功能高度集中在CRT 上显示和在打印机上打印，控制系统在功能和物理上真正分散，整个系统的可利用率至少为99.9％。

10.5.4紧急停车系统（ESD）

紧急停车系统（Emergency Shut Down System）又称安全连锁系统，简称ESD系统，它是为防止生产装置发生故障引发人身伤亡或设备损坏导致装置重大事故而设置的安全保护装置。所以ESD系统是保障化工过程安全的最后一道屏障，是工业装置控制系统中重要的组成部分。它大量处理的是逻辑信号，进行一系列的逻辑判断，一旦工艺过程出现异常，该装置将执行相应的逻辑程序，使相关设备处于安全状态，或进行气体置换，或采取措施终止化学反应，以阻止工艺过程的继续恶化，从而使关键设备或生产装置处于安全状态下。重要的现场安全仪表至少为两套。

ESD紧急停车系统按照安全独立原则要求，独立于DCS集散控制系统，其安全级别高于DCS。在正常情况下，ESD系统是处于静态的，不需要人为干预。作为安全保护系统，凌驾于生产过程控制之上，实时在线监测装置的安全性。只有当生产装置出现紧急情况时，不需要经过DCS系统，直接由ESD发出保护联锁信号，对现场设备进行安全保护，避免危险扩散造成巨大损失。本项目采用DCS 与ESD共同控制，保证工厂的安全生产。

10.6仪表基本类型及选型

10.6.1化工生产过程设计的基本仪表类型

化工测量仪表主要有有温度、压力、流量和物位测量仪表。