过程控制及自动化仪表+2

内容简介

过程控制及自动化仪表是自动化专业的一门课程。本书立足高职高专教育人才培养目标，依据“、够用”为度的职业教育理念，基于目前工业生产自控现状和发展，去掉了上一版中有关显示记录仪表与控制器方面的内容，增加了智能工厂相关内容的简单介绍。结合学生实践能力培养的需要，本书有针对地介绍了自动控制系统的设计方法，当前生产中普遍采用的自动化仪表的原理、使用及维护，现代分布式控制系统（DCS）的软硬件组成、网络架构、工程组态等相关实用技术，以及典型过程的控制案例。 本书是一本“工学结合、校企合作”的教材，全书自始终体现了“从生产实际出发,介绍当前过程控制中*实用的知识，并兼顾发展趋势”的特点。希望学生通过本书的学够解决相应的生产实际问题。 本书内容已制作成用于多媒体教学的课件，并将免费提供给采用本书作为教材的院校使用。如有需要,请发电子邮件cipedu@163.com获取，或登录.cipedu.免费。 本书由黄河水利职业技术学院丽任主编，负责大纲的制定以及全书的组织，并编写了第三～五章。参加编写的还有黄河水利职业技术学院杨筝（章的*～六节、附录），杭州和利时自动化有限公司高国光（第六章），北京和利时智能技术有限公司李升远（*章、第七章），开封市金盛热力有限公司雷云永（章的第七节）。 由于检测、控制、管理等技术的快速发展及编者所限，书中难免存在不足之处，恳请读者批评指正。 编者 2020年2月

目录

章绪论1 节过程控制技术及仪表的发展1 节过程控制系统的组成及其分类2 一、过程控制系统的组成2 二、过程控制系统的分类3 第三节过程控制系统的过渡过程和品质指标3 一、系统的静态与动态3 二、控制系统的过渡过程4 三、描述系统过渡过程的品质指标5 思考题与 章检测仪表与执行器8 节过程参数检测概述8 一、测量误差9 二、仪表能指标9 三、变送器的基本特和构成原理11 四、现线仪表简介15 节温度检测仪表17 一、概述17 二、热电偶18 三、热电阻22 四、温度变送器24 五、其它温度仪表简介25 六、测温仪表的选用与安装25 第三节压力检测仪表26 一、压力的表示方法27 二、压力检测的主要方法27 三、常见压力检测仪表27 四、智能式差压变送器31 五、压力仪表的选用和安装33 第四节流量检测仪表36 一、概述36 二、速度式流量计37 三、容积式流量计47 四、质量流量计48 五、流量仪表的选用49 第五节物位检测仪表49 一、物位仪表的分类50 二、常用物位计50 三、物位检测仪表的选用54 第六节分析仪表54 一、分析仪表的分类55 二、分析仪表的组成55 三、常用成分和物的检测方法56 第七节执行器61 一、电动执行器61 二、气动执行器63 思考题与5 第三章过程控制系统概述78 节自动检测与自动控制系统78 一、过程自动检测系统78 二、过程自动控制系统79 节传递函数与方块图变换80 一、传递函数80 二、方块图81 第三节对象特83 一、与对象有关的两个基本概念84 二、描述对象特的三个参数84 三、扰动通道特对控制质量的影响85 四、控制通道特对控制质量的影响85 第四节过程控制工程设计中常用图例符号86 一、图形符号86 二、字母代号87 三、仪表位号89 四、控制符号图表示方法示例89 五、简单控制系统控制符号图识图初步90 思考题与1 第四章简单控制系统的分析与设计92 节系统被控变量与操纵变量的选择92 一、系统被控变量的选取93 二、操纵变量的选择93 节测量变送在系统分析设计中的考虑93 一、纯滞后94 二、测量滞后94 三、信号传输滞后95 四、测量信号的处理96 第三节执行器的选择96 第四节控制规律的选取96 一、基本控制规律97 二、控制规律的选用102 第五节控制器的参数整定103 一、经验试凑法103 二、临界比例度法104 三、衰减曲线法105 四、三种整定方法的比较106 第六节简单控制系统的投运及故障分析106 一、系统的投运步骤106 二、系统的故障分析、判断与处理108 思考题与09 第五章系统111 节串级控制系统111 一、串级控制系统的基本概念111 二、串级控制系统的特点及应用范围113 三、串级控制系统的设计116 四、串级控制系统的投运及参数整定119 节前馈控制系统121 一、前馈控制的基本概念和方块图121 二、前馈控制的特点和局限122 三、前馈控制系统的几种结构形式123 四、前馈控制系统的选用原则和应用实例124 第三节比值控制系统126 一、概述126 二、常见的比值控制方案126 第四节均匀控制系统128 一、均匀控制原理129 二、均匀控制方案129 第五节分程控制系统130 一、概述130 二、分程控制的应用场合131 三、分程控制系统应用中应注意的几个问题133 第六节选择控制系统134 一、概述134 二、选择控制系统的类型135 三、选择控制系统的设计136 第七节其他控制系统简介137 一、预测控制137 二、推理控制137 三、解耦控制137 四、鲁棒控制138 五、自适应控制138 六、智能控制139 第八节控制流程图识图139 一、常规控制流程图的识图139 二、计算机控制流程图识图初步142 思考题与43 第六章分布式控制系统（DCS）144 节概述144 一、DCS系统的构成方式144 二、DCS的特点145 三、DCS的发展概况146 节DCS的硬件体系结构能147 一、DCS的数据通信系统147 二、DCS的过程控制装置150 三、操作管理装置152 第三节DCS的软件体系与组态方法155 一、DCS的软件体系155 二、 DCS的组态方法156 第四节和利时一体化过程解决方案158 一、 Level1/2过程控制层HOLLiAS MACS-K159 二、 Level3过程应用层165 三、 Level4企业管理层169 四、HiaCloud工业台171 第五节常见分布式控制系统简介173 一、Honeywell公司的Experion PKS系统及其升级产品173 二、ABB公司的IndustrialIT系统及其扩展系统175 三、西门子SIMATIC PCS 7及其升级产品177 思考题与81 第七章典型过程的控制182 节锅炉的过程控制182 一、水位控制183 二、过热蒸汽温度控制184 三、燃烧过程的控制185 节化学反应器的过程控制187 一、化学反应器的分类方式与控制187 二、化学反应器的典型控制方案189 第三节精馏塔的过程控制191 一、概述191 二、精馏塔控制的基本方案192 第四节流体输送设备的过程控制194 一、泵的控制194 二、离心式压缩机的控制196 第五节传热设备的过程控制199 一、传热设备的静态数学模型199 二、一般传热设备的控制200 三、管式加热炉的控制202 思考题与04 附录205 附录一铂铑10-铂热电偶分度表205 附录二镍铬-铜镍热电偶分度表209 附录三镍铬-镍硅热电偶分度表209 附录四铂电阻分度表213 附录五铜电阻分度表215 参考文献216

摘要与插图

章绪论;

本章主要介绍控制系统的组成与分类、过渡过程及品质指标，通过对过程控制系统基础知识的学究，为之后过程控制系统的学良好的基础。

节; 过程控制技术及仪表的发展

过程控制(Process Contr0pan style="font-family:宋体">通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等pan style="font-family:宋体">业生产中连续的或按周期程行的生产过程自动控制，它是自动化(Automation)技术的重要组成部分。在现代化工业生产过程中，过程控制技术正在为实现各种优的技术经济指标、提益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等起着越来越大的作用。

伴随着过程控制技术的发展，实现过程控制的工具也同样在不断地更新换代，自动化不断提高。20世纪70年代中期的DDZ一Ⅲ型仪表，是继集成电路之后出现的，以集成运算放大器为主要放大元件，24V Dc为能源，采用标准信号制的4～20mA Dc为统一标准信号的组合型仪表。它在体积基本不变的情形下增加了仪表能，工作在现场的DDz一Ⅲ型仪表均为火花型防爆仪表，配上栅，构成火花防爆系统，相当。因此在化工、炼油等行业得到了广泛的应用，并曾一度占地位，今，一些中小企业及大企业的部分装置仍在使用入20世纪80年代后，由于微处理器的发展，又出现了DDz—s型智能式单元组合仪表，它以微处理器为核心，能源、信号都同于DDz一Ⅲ型，其可靠、能等都远远优于DDZ一Ⅲ型仪表。

自20世纪80年代开始，由于各种高新技术的飞速发展，我国开始和生产以微型计算机为核心，控能分散、显示操作集中，集控制、管理于一体的分布式控制系统(DCS)，从而将过程控制仪表及装置推向阶段。同时，可编程序控制器(PLC)的应用也从逻辑控制领域向过程控制领域拓展，以其优良的技术能和良好的价比在过程控制领域中占据了一席之地。此外，现线(Field Bus)这种用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种开放式、全分散、全数字化、智能、双向、多变量、多点、多站的通信系统，使现场设备能完成过程的基本控能外，还增加了非控制信息监视的可能，越来越受到控制人员的欢迎。

二、过程控制系统的分类;

过程控制系统一般分为生产过程的自动检测(Automatic Detection)、自动控制(Auto—contr0pan style="font-family:宋体">、自动报警联锁(Auto—alarm and Interlo)、自动操纵(Automatic Operation)四大类。;

(pan style="font-family:宋体">过程自动检测系统;

利用各种检测仪表自动连续地对相应的工艺变行检测，并能自动地对数行处理、指示和记录的系统，称为过程自动检测系统。

;(2)过程自动控制系统;

用自动控制装置对生产过程中的某些重要变行自动控制，使受到外界干扰影响而偏离正常状态的工艺变量自动地回复到规定的数值范围的系统。

过程自动控制系统的分类方法很多，若按被控变量的名称分，有温度、压力、流量、液位、成分等控制系统；若按给定信号的特点分，有定值控制系统、随动控制系统、顺序控制系统；若按系统的结构特点分，有反馈控制系统、前馈控制系统、前馈一反馈系统；按控制器的控制规律来分类，有比例(P)控制系统、比例积分(PI)控制系统和比例积分微分(PID)控制系统等；按被控量的多少来分类，有单变量控制系统和多变量控制系统等。

(3)过程自动报警与联锁保护系统

对一些关键的生产变量，应设有自动信号报警与联锁保护系统。当变量临界数值时，系统会发出声、光报警，提醒操作人员注意。如果变一步临界值、工况危险状态时，联锁系统立即采取紧急措施，自动打开阀或切断某些通路，必要时紧急停车，以防事故的发生和扩大。;

(4)过程自动操纵系统;

按预先规定的步骤，自动地对生产设行周期操作的系统。;

本书主要讲述过程自动控制系统。

第三节; 过程控制系统的过渡过程和品质指标;

一、系统的静态与动态;

自动控制系统的输入有两种，其一是设定值的变化或称设定作用，另一个是扰动的变化或称扰动作用。当输入恒定不变时，整个系统若能建衡，系统中各个环节将暂不动作，它们的输出都处于相对静止状态，这种状态称为静态或定态。如图pan style="font-family:宋体">—pan style="font-family:宋体">锅炉水位自动控制系统中，当给水量与蒸汽量相等时，水位保持不变，此时称系统达到衡，亦即处于静态。注意这里所说的静态并不是指静止不动，而是指各参数的变化率为零。自动控制系统在静态时，生产中的物料和能量仍然有出，只行没有改变是了。此时输入与输出之间的关系称为系统的静态特。

假若一个系统原来处于静态，由于输入发生了变化，系统衡受到破坏，被控变量(即输出)发生变化，自动控制装置要发挥它的控制作用，以克服输入变化的影响，力图使系统恢衡。从输入变化开始，经过控制，直到再建立静态，在这段时间中整个系统的……