【正文】 動儀表和氣動儀表模擬儀表和智能儀表和電子計算機(jī) 看作一臺儀表 等自動化技術(shù)工具對整個生產(chǎn)過程進(jìn)行自動檢測自動監(jiān)督和自動控制一個過程控制系統(tǒng)是由被控過程和過程檢測控制儀表兩部分組成的過程監(jiān)測控制儀表包括檢測元件變送器調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥等過程控制系統(tǒng)的設(shè)計是根據(jù)工業(yè)過程的特性和工藝要求通過選用過程檢測控制儀表構(gòu)成系統(tǒng) 再通過 PID 參數(shù)的整定實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的最佳控制 c 被控過程是多種多樣的非電量的 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中工業(yè)過程很復(fù)雜由于生產(chǎn)規(guī)模大小不同工藝要求各異產(chǎn)品品種多樣因此過程控制中的被控過程是多種多樣的諸如石油化工過程中的精餾塔化學(xué)反應(yīng)器流體傳輸設(shè)備熱工過程中的鍋爐熱交換器冶金過程中的轉(zhuǎn)爐平爐機(jī)械工業(yè)中的熱處理爐等動態(tài)特性多數(shù)具有大慣性大滯后非線性特性有些機(jī)理復(fù)雜如發(fā)酵化生過程等的過程至今尚未背人們認(rèn)識所以很難用目前過程辨識方法建立其精確的數(shù)學(xué)模型因此設(shè)計能適應(yīng)各種過程的控制系統(tǒng)并非易事 d 過程控制的過程多屬慢過程 而且多半為參量控制 由于被控過程具有大慣性大滯后等特性因此決定了過程控制的控制過程多屬慢過程另外在石油化工電力冶金輕工建材制藥等工業(yè)生過程中往往用一些物理量和化學(xué)量來表征其生產(chǎn)過程是否正常因此要對上述過程參數(shù)進(jìn)行自動檢測和自動控制故過程控制多半為參數(shù)控制 e 過程控制方案十分豐富 隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的飛速法杖工藝條件越來越復(fù)雜對過程控制的要求越來越高過程控制系統(tǒng)的設(shè)計是以被控過程的特性為依據(jù)的由于工業(yè)過程的復(fù)雜多變因此其特性多半屬多變量分布參數(shù)大慣性大滯后和非線性等等為了滿足上述特點與工藝要求過程控制中的控制方 案是十分豐富的通常有單變量控制系統(tǒng)也有多變量控制系統(tǒng)有儀表過程控制系統(tǒng)也有計算機(jī)集散控制系統(tǒng)有復(fù)雜控制系統(tǒng)也有滿足特定要求的控制系統(tǒng) f 定值控制是過程控制的一種常見形式 在石油化工電力冶金輕工環(huán)保和原子能等現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中過程控制的主要目的在于消除或減小外界干擾對被控量的影響使被控量能穩(wěn)定在給定值上使工業(yè)生產(chǎn)能實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)和低能耗的目的定值控制仍是目前過程控制的一種常見形式 B 方案選擇 要分析設(shè)計和應(yīng)用好一個過程控制系統(tǒng)首先應(yīng)對被控過程做全面了解對工藝過程設(shè)備等深入的分析然后應(yīng)用自動控制原理與技術(shù)擬定一個 合適正確的控制方案從而達(dá)到保證產(chǎn)品質(zhì)量提高產(chǎn)品產(chǎn)量降耗節(jié)能保護(hù)環(huán)境和提高管理水品等目的過程控制系統(tǒng)可分為單回路控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)大滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)等一些復(fù)雜控制系統(tǒng) a 串級控制系統(tǒng) 串級控制系統(tǒng)特點 串級控制系統(tǒng)是改善控制過程品質(zhì)極為有效的方法因而得到了較為廣泛應(yīng)用與簡單控制系統(tǒng)相比串級控制系統(tǒng)只是在結(jié)構(gòu)上增加了一個內(nèi)回路卻能收到顯的控制效果這是因為在串級控制系統(tǒng)中由于副回路具有快速作用因此串級控制系統(tǒng)對進(jìn)入內(nèi)回路的擾動有很強(qiáng)的克服能力同時由于有副回路的存在改善了對象的 動態(tài)特性提高了系統(tǒng)的工作頻率且使系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力為了充分發(fā)揮串級控制系統(tǒng)的優(yōu)點在設(shè)計實際控制系統(tǒng)時應(yīng)當(dāng)合理設(shè)計主副回 圖 21 串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 路及選擇主副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是要快速動作以迅速消除進(jìn)入副回路的擾動而且副參數(shù)并不要求無差所以一般選擇 P 調(diào)節(jié)器也可采用 PD調(diào)節(jié)器但這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性在一般情況下采用 P 調(diào)節(jié)器就足夠了如果主副回路頻率相差很大也可考慮采用 PI 或 PID 調(diào)節(jié)器主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是準(zhǔn)確保持被調(diào)量符合生產(chǎn)要求凡是需采用串級控制的生產(chǎn)過程對控制品質(zhì)的要求總是很高的不允許被調(diào) 量存在靜態(tài)偏差因此主調(diào)節(jié)器必須具有積分作用一般采用 PI 或PID 控制器 采用噴水減溫的串級汽溫控制系統(tǒng)如圖 22 所示從被控對象的動態(tài)特性來看噴水?dāng)_動下的汽溫動態(tài)特性不如其他擾動下的動態(tài)特性為了克服控制通道的滯后和慣性采用了導(dǎo)前汽溫信號在噴水量擾動下肯定比主汽溫能提前反映控制作用因此采用導(dǎo)前汽溫信號構(gòu)成串級汽溫控制系統(tǒng)以改善汽溫的控制質(zhì)量 圖 22 噴水減溫串級系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 串級汽溫控制系統(tǒng)的工作原理 圖 22 所示的串級汽溫控制系統(tǒng)只要導(dǎo)前汽溫發(fā)生變化副調(diào)節(jié)器 P 就去改 圖 23 噴水減溫串級汽溫控制系統(tǒng) 變減溫 水流量初步維持后級過熱器入口汽溫在一定范圍內(nèi)起粗調(diào)作用而過熱器出口汽溫的控制則是通過主調(diào)節(jié)器 PI 來校正副調(diào)節(jié)器工作只要未達(dá)到給定值主調(diào)節(jié) PI 的輸出信號就不斷的變化使副調(diào)節(jié)器不斷去控制減溫水噴水量的變化直到恢復(fù)到給定值為止穩(wěn)態(tài)時導(dǎo)前汽溫可能穩(wěn)定在與原來數(shù)值不同的數(shù)值上而主汽溫則一定等于給定值 在串級汽溫控制系統(tǒng)中由于兩個回路的任務(wù)及動態(tài)特性不同可以選用不同的調(diào)節(jié)器副回路及副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是快速消除內(nèi)擾要求控制過程的持續(xù)時間較短但不要求無差故一般可選用純比例調(diào)節(jié)器當(dāng)導(dǎo)前汽溫慣性較大時也可選用比例微分調(diào)節(jié)器主回路及 主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是維持恒定一般選用比例積分調(diào)節(jié)器當(dāng)過熱器惰性區(qū)較大時也可選用比例積分微分調(diào)節(jié)器 b 單回路控制系統(tǒng) 單回路過程控制系統(tǒng)亦稱單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡稱單回路系統(tǒng)一般是指針對一個過程調(diào)節(jié)對象采用一個測量變送器監(jiān)測被控過程采用一個控制調(diào)節(jié)器來保持一個被控參數(shù)恒定或在很小范圍內(nèi)變化其輸出也只控制一個執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)閥從系統(tǒng)的框圖看只有一個閉環(huán)回路 圖 24 單回路控制系統(tǒng)框圖 其中 W 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù) W 調(diào)節(jié)閥傳遞函數(shù) W 被控過程的傳 遞函數(shù) W 測量變送器的傳遞函數(shù) 單回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單投資少易于調(diào)整和投運又能滿足不少工業(yè)生產(chǎn)過程的控制要求因此應(yīng)用十分廣泛尤其適用于被控過程的純滯后和慣性小負(fù)荷和擾動變化比較平緩或者不對被控質(zhì)量要求不高的場合約占目前工業(yè)控制系統(tǒng)的 80 以上 與單回路控制系統(tǒng)相比串級控制系統(tǒng)的控制效果顯著提高原因是在串級控制系統(tǒng)中增加了一個二次擾動的副回路使系統(tǒng)改善了被控過程的動態(tài)特性提高了系統(tǒng)的工作頻率對二次干擾有很強(qiáng)的克服能力提高了對一次擾動的克服能力和對回路參數(shù)變化的自適應(yīng)能力但就工藝要求而言串 級控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)多了一個測量變送器和一個控制器增加了成本并且單回路控制質(zhì)量即可滿足一般的小型鍋爐所以本課題選用單回路控制系統(tǒng)來控制過熱蒸汽溫度 根據(jù)工藝流程和控制方案的選擇可以得出本設(shè)計的控制流程圖 25 圖 25 系統(tǒng)框圖 當(dāng)主汽溫的測量值等于設(shè)定值時噴水閥門不動系統(tǒng)處在動態(tài)平衡狀態(tài)此時若爐膛燃燒工況發(fā)生變化使汽溫變化造成給定值和測量值產(chǎn)生偏差則偏差信號經(jīng)過控制器的方向判斷及數(shù)學(xué)運算后產(chǎn)生控制信號使噴水閥門以適當(dāng)形式打開噴水流量測量值最終回到設(shè)定值系統(tǒng)重新回到平衡狀態(tài) 圖 26 控制流程圖 其中 1―熱電阻 2―溫度變送器 3―溫度調(diào)節(jié)器 4―調(diào)節(jié)閥 3 硬件選型 31 智能儀表概述及選型 A 智能儀表介紹 智能式儀表是以微處理器為中央控制單元能完成物理信號的輸入輸出信號轉(zhuǎn)換和計算控制等功能并可與外界通訊的儀器儀表 與其他常規(guī)儀表相比有以下幾個優(yōu)點 a 先進(jìn)的微機(jī)技術(shù)高性能的集成芯片功能強(qiáng)大性能優(yōu)越 b 可靠性高穩(wěn)定性好長期工作維護(hù)量小 c 可采用 LCD 顯示清晰直觀讀數(shù)方便 d 適用范圍廣使用靈活可選擇不同的測量值和輸出值可在線修改參數(shù)流量小信號切除失敗模式電流輸出等功能具有內(nèi)部計算數(shù)據(jù)存儲自診斷自校驗等多種功能 e 具有大量的非控制性信息 管理信息 可供用戶參考 B 智能儀表的起源 為了實現(xiàn)模擬信號的遠(yuǎn)距離傳送并將多個現(xiàn)場變送器的模擬信號通過一對信號線傳送到控制中心美國 Rosemount 公司于 1985 年開發(fā)出一種將模擬信號調(diào)制成數(shù)字調(diào)頻信號并用數(shù)字調(diào)頻信號實現(xiàn)傳輸?shù)? HART Highway Addressable Remote Transducer協(xié)議在現(xiàn)場安裝的儀表是一種被稱為 Smart Feld Instrument的智能式儀表 Smart 儀表可以用同一對傳輸線同時送出 4～ 20mA 和 FSK 調(diào)頻制數(shù)字這兩種信號實現(xiàn)控制中心與儀表之間的雙向通信并開發(fā)出 HART 手持式通訊器方便地實現(xiàn)智能儀表與通訊器之間的雙向通訊 美國的另一大儀表生產(chǎn)商 Honeywell公司 20世紀(jì) 80代初也開發(fā)出第一代智能式儀表及與之配套的 ST2102 智能通訊器可設(shè)定智能儀表的輸出模式模擬式4～ 20mA 輸出或數(shù)字輸出模式 DE 模式以便與 DCS 實現(xiàn)數(shù)字通訊 STS2102 智能通訊器也可方便地用于 Honeywell 系列儀 表的組態(tài)和調(diào)試 C 原理框圖 智能式儀表自 20世紀(jì) 80年代問世以來很多公司推出了多種不同設(shè)計格各異的產(chǎn)品但其核心結(jié)構(gòu)卻基本上是一致的可以將其歸納為圖 31 所示的框圖結(jié)構(gòu) D 智能式儀表的應(yīng)用 除智能式儀表正確的安裝和設(shè)定量程范圍外還應(yīng)注意以下幾點 a 智能式儀表的參數(shù)選擇性強(qiáng)在參數(shù)設(shè)置時應(yīng)正確地檢查和設(shè)定信號輸出通過正確的設(shè)定在測量介質(zhì)流向相反時也能正常輸出電流 b 部分需要觸點輸出的變送器應(yīng)正確地設(shè)定其回差以保證系統(tǒng)控制的平穩(wěn)性 c 智能變送器的使用電壓和環(huán)境溫度考慮 圖 31 智能儀表原理結(jié)構(gòu)框圖 1 一般智能 變送器的適應(yīng)電壓范圍較寬但超出其通訊要求范圍的電壓將使變送器不能與外界進(jìn)行數(shù)字通訊 2 使用環(huán)境溫度和濕度考慮 d 智能儀表的精度考慮 1 要追求高精度的測量和控制儀表的絕對測量誤差是考慮的一個重要因素應(yīng)根據(jù)儀表的絕度誤差表現(xiàn)選擇最優(yōu)的測量范圍 2 儀表標(biāo)稱的測量精度不是一成不變的而是符合要求下的最高精度在測量范圍一定的情況下過高的耐壓范圍將導(dǎo)致儀表精度的降低故應(yīng)合理選擇 3 當(dāng)儀表具有自動手動量程范圍的選擇時使用自動量程固然可以自動測量參數(shù)但往往以犧牲測量精度為代價要獲得較高精度的測量建議選擇手動量程范圍 E．智 能儀表選型 本設(shè)計選用的智能儀表為百特公司的 XMA5000 系列的智能儀表功能特點是 適用范圍 適用于溫度控制壓力控制流量控制液位控制等各種現(xiàn)場和設(shè)備配套 技術(shù)要求 采用單片機(jī)技術(shù)設(shè)計可保證全量程不超差長期運行五時漂零漂 嚴(yán)格按 ISO90021 認(rèn)證的工藝生產(chǎn)可保證長期無故障運行平均可利用率達(dá)9998 信號輸入控制輸出全部采用軟件調(diào)試 輸入分度號輸出參數(shù)控制算法按鍵可設(shè)定 萬能輸入信號 只需做相應(yīng)的按鍵設(shè)置和硬件跳線 即可在一下所有輸入信號之間任意切換即設(shè)即用 熱電阻 Pt100Pt1000Cu50Cu100Pt10 熱電偶 KESBTRN 標(biāo)準(zhǔn)信號 0～ 10mA4～ 20mA0～ 5V1～ 5V 霍爾傳感器 mA 輸入信號 0～ 5V 以內(nèi)任意信號按鍵即設(shè)即用 遠(yuǎn)傳壓力表 30～ 350Ω信號誤差現(xiàn)場按鍵修正其它用戶特殊訂制信號 多種給定方式可選 本機(jī)給定方式 LSP 可通過面板上的增減鍵直接修改給定值也可以加密碼鎖定不讓修改 時間程序給定 TSP 每段程序最長 6000 分鐘曲線最多可設(shè) 16 段 外部