过程装备控制技术及应用(第三版)
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1 控制系统的基本概念

1.1 概述

过程装备控制是指在过程设备上,配上一些自动化装置以及合适的自动控制系统来代替操作人员的部分或全部直接劳动,使设计、制造、装配、安装等在不同程度上自动地进行。这种利用自动化装置来管理生产过程的方法就是生产过程自动化。因此,过程装备控制是生产过程自动化最重要的一个分支。

生产过程自动化是提高社会生产力的有力工具之一。它在确保生产正常运行、提高产品质量、降低能耗、降低生产成本、改善劳动条件、减轻劳动强度、保护环境等方面具有巨大的作用。

自20世纪30年代以来,随着自动控制理论的不断发展以及电子计算机的出现,自动化技术已取得了惊人的成就,在工业生产和科学发展中起到关键的作用。当前,自动化装置已成为大型装备不可分割的重要组成部分。可以说,如果不配置合适的自动控制系统,大型生产过程是根本无法运行的。实际上,生产过程自动化的程度已成为衡量工业企业现代化水平的一个重要标志。随着“中国制造2025”和“互联网+”的深入发展,生产过程自动化将发挥越来越突出的作用。

1.1.1 生产过程自动化系统所包含的内容

生产过程自动化系统包含如下四个部分的内容。

①自动检测系统 要控制不断进行着各种物理化学变化的生产过程,首先必须随时了解生产过程中各工艺参数的变化情况。为此,必须采用各种检测仪表(如热电偶、热电阻、压力传感器等)自动连续地对各种工艺变量(如温度、压力、流量、液位等)进行测量,并将测量结果用仪表(如动圈仪表、数显仪表、电子电位差计等)指示记录下来供操作人员观察、分析或将测量到的“信息”传送给控制系统,作为自动控制的依据。

②信号连锁系统 信号连锁系统是一种安全装置。在生产过程中,有时由于一些偶然因素的影响会导致某些工艺变量超出允许的变化范围,使生产不能正常运行,严重时甚至会引起燃烧、爆炸等事故。为了确保安全生产,常对这些关键性变量设置信号报警或连锁保护装置。其作用是在事故发生前,自动地发出声光报警信号,引起操作员的注意以便及早采取措施。若工况已接近危险状态,信号连锁系统将启动:打开安全阀,切断某些通路或紧急停车或者开启某些设备,从而防止事故的发生或扩大。

③自动操纵系统 这是一种根据预先规定的程序,自动对生产设备进行某种周期性操作,极大地减轻操作人员繁重或重复性体力劳动的装置。例如,合成氨造气车间煤气发生炉的操作就是按照程序自动进行的,如自动进行吹风、上吹、下吹制气、吹净等步骤,周期性地接通空气与水蒸气实现自动操纵。

④自动控制系统 利用一些自动控制仪表及装置,对生产过程中某些重要的工艺变量进行自动控制,使它们在受到外界干扰影响偏离正常状态后,能够自动地重新回复到规定的范围之内,从而保证生产的正常进行。

1.1.2 过程装备控制的任务和要求

过程装备控制是工业生产过程自动化的重要组成部分,它主要是针对过程装备涉及的主要工艺参数,即温度、压力、流量、液位(或物位)、成分和物性等进行控制。

工业生产对过程装备控制的要求是多方面的,最终可以归纳为三项要求:即安全性、经济性和稳定性。安全性是指在整个生产过程中,确保人身和设备的安全,这是最重要也是最基本的要求。通常是采用越限报警、事故报警和安全连锁保护等措施加以保证。随着控制技术和计算机技术的不断发展,在线故障预测和诊断、容错控制等技术可以进一步提高系统的安全性。经济性是指生产同样质量和数量产品所消耗的能量和原材料最少,也就是要求生产成本低而效率高。随着市场竞争加剧和能源的匮乏以及环境保护的要求越来越严格,经济性已越来越受到各方面的重视。稳定性是指系统应具有抵抗外部干扰,保持生产过程长期稳定运行的能力。在生产过程中,原材料成分变化、反应器内催化剂老化、换热器表面结垢等都会或多或少地影响生产过程稳定性。为了满足上述三项要求,在理论上和实践上都还有许多问题有待研究。

过程装备控制的任务就是在了解、掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础上,根据上述三项要求,应用控制理论对控制系统进行分析和综合,最后采用合适的技术手段加以实现自动控制。因此可以说,过程装备控制是控制理论、过程装备及工艺知识、计算机技术和仪器仪表等相结合而构成的一门综合性应用科学。