1.2　控制系统的组成

1.2.1　过程装备控制的基本概念

过程装备所服务的工业生产过程都是在一定的温度、压力、浓度、物位等工艺条件下进行的。为此，必须对这些工艺变量进行控制，使其稳定在保证生产正常运行的范围之内。为了实现控制要求，通常有两种方式可以选择：人工控制和自动控制。下面以化工、炼油等生产过程中必不可少的动力设备锅炉的汽包水位控制为例，说明人工控制与自动控制的执行过程。

图1-1所示为锅炉汽包水位控制的示意图。锅炉产生的高压蒸汽，既可作为风机、压缩机、大型泵类的动力源，又可作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发等过程的热源。要保证锅炉的正常运行，将锅炉的汽包水位维持在一定的高度是非常重要的。如果汽包水位过低，由于汽包内的水量较少而蒸汽的需求量很大，加上水的汽化速度又快，使得汽包内的水量变化速度很快，如不及时控制，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧干甚至爆炸；水位过高，则会影响汽包内的汽水分离，使蒸汽夹带水分，对后续生产设备造成影响和破坏。因此，要维持汽包水位在规定的数值范围，根据物料平衡原理，就必须保证锅炉的给水量和蒸汽的排出量（或称蒸汽负荷）相等。当蒸汽负荷发生变化而给水量不变时，锅炉水位将会发生变化；当给水压力发生变化而负荷不变时，锅炉水位也将会偏离规定的数值。

图1-1　锅炉汽包水位控制示意图

在图1-1（a）的人工控制系统中，首先用眼睛观察安装在锅炉汽包上的玻璃管液位计中的水位数值，经大脑思考，将观察到的数值与规定的数值进行比较，得到偏差，并根据此差值的大小及变化趋势决定如何操作给水阀门，最后按思考的结果用手开大或关小给水阀门。不断地重复上述过程，直到汽包水位维持在规定的数值范围内。从这一过程可以看出，人工控制的劳动强度很大，而且要求操作人员必须具有一定的操作经验。当过程参数变化较快或操作条件要求较严格时，这种控制方法就很难满足控制精度要求。

与人工控制不同，图1-1（b）的锅炉汽包水位自动控制系统中，采用过程测量仪表（本图为差压变送器的测量室）代替人眼的观察得到水位数据，通过信号转换及传输装置（本图为差压变送器）将该数据送到过程控制仪表（本图为液位控制器）。控制仪表（也称调节仪表）相当于人工控制中人的大脑，将变送器送来的信号与预先设定的水位信号进行比较得到两者的偏差，然后根据一定的控制算法（即控制器的控制规律）对该偏差加以计算得到相应的控制信号，将该信号传送给执行器（一般为自动控制阀），执行器根据控制信号的大小控制给水阀，改变给水量的大小。如此反复调节，直至水位回复到规定的高度范围，完成水位的自动控制。

比较自动控制与人工控制：在自动控制系统中，测量仪表、控制仪表、自动控制阀分别代替了人工控制中人的观察、思考和手动操作，因而大大降低了人的劳动强度；同时由于仪表的信号测量、运算、传输、动作速度远远高于人的观察、思考和操作速度，因此自动控制可以满足信号变化速度快、控制要求高的场合。

1.2.2　系统组成

从上面锅炉汽包水位的自动控制系统中可以看出，一个自动控制系统主要由两大部分组成：一部分是起控制作用的全套自动控制装置，它包括测量仪表、变送器、控制仪表以及执行器等；另一部分是自动控制装置控制下的生产设备，即被控对象，如锅炉、反应器、换热器等。图1-1（b）中，锅炉、差压变送器、液位控制器、执行器等构成了一个完整的自动控制系统。系统各部分的作用如下。

①被控对象　在自动控制系统中，工艺变量需要控制的生产设备或机器称为被控对象，简称对象。在化工生产中，各种塔器、反应器、泵、压缩机以及各种容器、储罐、储槽，甚至一段输送流体的管道或者复杂塔器（如精馏塔）的某一部分都可以是被控对象。图1-1中的锅炉即为锅炉汽包水位控制系统中的被控对象。

②测量元件和变送器　测量需控制的工艺参数并将其转化为一种特定信号（电流信号或气压信号）的仪器，在自动控制系统中起着“眼睛”的作用，因此要求准确、及时、灵敏。

③控制器　又称调节器，它将检测元件或变送器送来的信号与其内部的工艺参数给定值信号进行比较，得到偏差信号，根据这个偏差的大小按一定的运算规律计算出控制信号，并将控制信号传送给执行器。

④执行器　又称执行机构，接受控制器送来的信号，自动地改变阀门的开度，从而改变输送给被控对象的能量或物料量。最常用的执行器是气动薄膜控制阀。当采用电动控制器时，控制阀上还需增加一个电气转换器。

在一个自动控制系统中，上述四个部分是必不可少的。除此之外，还有一些辅助装置，例如给定装置、转换装置、显示仪表等。其中显示仪表可以是单独的仪表，有时也可能是测量仪表、变送器和控制器里附有的显示部分。控制系统中一般不单独说明辅助装置。