《过程控制工程设计》课件

过程控制工程设计过程控制工程设计是现代工业生产的关键环节，涉及自动化控制、优化、安全等多方面课程简介介绍过程控制工程设计培养学生过程控制系统的基础知识设计的能力涵盖过程控制系统的基本原理、通过理论讲解、案例分析、实验结构、设计方法和应用实例练习等方式，帮助学生掌握过程控制系统的设计方法和技巧了解过程控制工程设计在工业领域的应用将理论知识与实际应用相结合，培养学生分析问题、解决问题的能力学习目标理解过程控制系统原理掌握常见控制元件掌握过程控制系统的基本概念、组成、工作原理、控制策略等学习PID控制器、流量计、压力传感器等常见过程控制元件的结构、工作原理、应用场景等过程控制系统概述过程控制系统是工业自动化领域的核心组成部分，负责对生产过程进行实时监控、控制和优化通过测量、分析和调节过程参数，过程控制系统可以实现稳定、高效、安全和经济的生产目标仪表和控制设备压力传感器温度传感器流量计控制阀压力传感器用于测量过程流体温度传感器用于测量过程流体流量计用于测量过程流体或气控制阀用于调节过程流体或气或气体的压力，并将其转换为或气体的温度，并将其转换为体的流量，并将其转换为电信体的流量，根据控制信号的指电信号输出电信号输出号输出令进行开闭或调节常见控制元件阀门压力表控制流体流量，调节流速或压力测量系统压力，提供实时数据温度传感器液位传感器监测系统温度，实现温度控制测量容器液位，用于控制液位控制器原理PID比例控制1控制偏差与输出成比例积分控制2消除稳态误差微分控制3抑制超调PID控制器是一种闭环反馈控制系统，广泛应用于过程控制工程通过比例、积分、微分三种控制作用，实现对过程变量的稳定控制调节器的调校方法PID比例调节根据偏差的大小进行调节，比例系数越大，调节速度越快积分调节消除静差，积分系数越大，消除静差速度越快微分调节抑制振荡，微分系数越大，抑制振荡效果越好调节方法常用的方法包括试凑法、阶跃响应法、频率响应法等过程控制系统结构过程控制系统结构是整个系统的框架，它决定了各个组件之间的连接方式和信息传递方式常见的结构包括集中式控制系统、分散式控制系统和混合式控制系统集中式控制系统将所有控制功能集中在一个中央控制器上，分散式控制系统则将控制功能分配到多个子系统中，混合式控制系统则结合了两种系统的优点常见控制回路开环控制闭环控制开环控制系统中，控制器的输出不受被控对象的反馈信号影响例如，恒闭环控制系统中，控制器根据被控对象的反馈信号调整输出，形成闭环回温箱，设定温度后，加热器直接运行，无需考虑箱内实际温度路例如，空调系统，通过传感器感知室内温度，控制空调的制冷或制热功能串联控制前馈控制串联控制系统中，多个控制器级联排列，前一个控制器的输出作为后一个前馈控制系统中，根据影响被控对象输出的干扰信号，提前进行调节例控制器的输入例如，压力控制系统，通过温度控制来控制压力如，在液位控制系统中，根据进料流量，提前调节排放量信号转换与隔离信号转换隔离过程控制系统中，不同设备使用的信号类型可能不同，需要进行隔离是指将信号从一个电路传输到另一个电路，而不会影响两个信号转换电路之间的电气连接例如，将模拟信号转换为数字信号，或将电流信号转换为电压信隔离可以防止干扰和噪声进入控制系统，提高系统可靠性号现场总线技术

11.概述

22.主要特点现场总线技术是现代工业自动现场总线技术具有数字化、高化系统的重要组成部分，它将速率、高可靠性、多功能、开多个现场设备连接到控制系统放性等特点，为工业自动化系，实现数据传输和控制指令传统提供了高效、灵活的通信解递决方案

33.应用场景

44.常见类型现场总线技术广泛应用于各种常见的现场总线类型包括工业领域，包括过程控制、制PROFIBUS、CANopen、造自动化、物流仓储、电力能Modbus、Ethernet/IP等，每源等种类型都有其独特的优势和应用场景现场设备连接连接方式1常见的连接方式包括模拟信号、数字信号和网络连接模拟信号通常用于温度、压力等参数的传输，数字信号则用于开关量和数据传输，而网络连接则用于远程控制和数据采集连接器2现场设备的连接器种类繁多，需要根据设备类型和信号类型选择合适的连接器，以确保连接可靠性接线规范3现场设备的接线必须严格按照规范进行，避免接线错误或接线松动造成故障控制系统设计步骤

1.需求分析1确定系统功能

2.系统方案设计2选择控制策略

3.设备选型3根据需求选择设备

4.软件设计4编写控制程序

5.系统调试5测试系统功能控制系统设计过程需要遵循严谨的步骤，确保最终实现的功能满足用户需求过程数学模型过程数学模型是描述过程动态特性的数学方程，用于分析、设计和优化过程控制系统模型可以是线性或非线性、连续或离散、静态或动态的常用的过程数学模型包括传递函数模型、状态空间模型和差分方程模型模型参数可以通过实验数据或理论分析获得过程动态特性分析过程动态特性分析是理解过程控制系统设计的基础通过分析过程变量随时间变化的规律，可以确定系统的响应速度、稳定性、滞后等重要特性，这些特性对控制系统性能有着直接的影响例如，对于一个温度控制系统，分析其温度变化曲线可以得知系统响应速度是否足够快，温度波动幅度是否在允许范围内，以及是否存在延迟现象，从而为控制器的设计提供关键参数和参考信息控制系统设计与调试控制系统设计与调试是过程控制工程设计中至关重要的环节，它直接影响着控制系统的性能和可靠性系统设计1根据工艺需求，确定控制目标和指标参数配置2对控制器、传感器等进行参数设定现场调试3对系统进行实际运行测试和调整性能评估4验证控制系统是否满足预期目标控制系统稳定性分析稳定性定义稳定性分析方法控制系统稳定性是指系统受到扰常见的稳定性分析方法包括根轨动后，是否能够在有限时间内恢迹法、奈奎斯特稳定性判据、伯复到稳定状态稳定系统能够有德图法等这些方法能够根据系效地抑制扰动，并保持系统正常统的传递函数，判断系统的稳定运行性，并分析系统对扰动的响应特性稳定性指标稳定性优化稳定性指标包括阻尼比、自然频通过调节控制参数，可以改善系率、相位裕度、幅值裕度等这统的稳定性，例如提高阻尼比，些指标反映了系统对扰动的响应降低超调量，改善系统的动态特速度、稳定程度、超调量等重要性，提高系统的稳定性信息工业以太网技术网络拓扑结构交换机连接线缆安全防护工业以太网支持多种网络拓扑工业以太网交换机具有高可靠工业以太网线缆通常采用屏蔽工业以太网需要采用防火墙、结构，例如总线型、星型、环性、抗干扰能力强、支持多种双绞线或光纤，具有抗电磁干入侵检测等安全防护措施，确形等，满足不同应用场景的需协议等特点，用于连接不同设扰、抗震动、耐高温等特点保网络安全求备监控系统人机界面设计人机界面HMI是监控系统的重要组成部分HMI提供了操作员与系统交互的友好界面HMI可以监控系统运行状态、控制设备、显示数据和报警信息良好的HMI设计能够提高操作效率、降低误操作风险，并提升用户体验控制系统软件设计软件编程人机界面选择合适的编程语言，实现控制算法设计直观易用的界面，方便操作和监和逻辑控数据库管理网络安全存储和管理运行数据，方便分析和优设计安全机制，防止系统被攻击和篡化改系统组成与应用DCSDCS系统组成DCS系统通常包括硬件部分和软件部分硬件部分包括控制器、操作站、I/O模块、网络设备等软件部分包括控制软件、操作软件、数据管理软件等，负责控制、监视、管理整个系统系统组成与应用PLCPLC系统组成工业自动化应用用户界面PLC系统通常包含中央处理器CPU、输入PLC广泛应用于工业自动化生产线，例如，通过人机界面（HMI），操作员可以监控/输出模块、内存、编程器、通信接口等部控制机器人的动作、监控生产过程、调节生PLC运行状态，设置参数，以及对设备进行件产参数等操作现场检测与校准技术仪表校准确保仪表准确测量，提高过程控制精度传感器校准保证传感器信号准确可靠，提升控制系统性能现场检测定期检测设备运行状态，及时发现问题，避免故障发生过程故障诊断与分析故障识别故障诊断12及时识别过程控制系统中的故通过分析故障症状和系统状态障，例如传感器故障、执行器，确定故障原因，并进行故障故障、控制算法故障等定位故障排除故障预警34根据故障诊断结果采取有效的建立故障预警机制，及时预测措施，排除故障，恢复系统正和防止故障的发生，确保系统常运行稳定运行控制系统维护与保养定期检查清洁维护定期检查仪表、传感器和执行器保持控制系统清洁，防止灰尘和，确保其正常工作，及时发现并污垢积聚，影响设备性能和寿命排除潜在问题故障排除记录管理及时处理系统故障，避免问题恶记录维护保养工作，以便于跟踪化，影响生产运行问题，提高系统可靠性控制系统安全防护安全措施风险评估安全认证安全培训防止事故发生，确保设备和人识别潜在的安全风险，并采取符合行业标准和规范，确保控提高操作人员的安全意识，掌员安全包括定期检查、安措施降低风险包括故障模制系统安全可靠包括握安全操作规程和应急处理方全操作规程、紧急停机装置、式分析、风险矩阵、安全指标IEC

61508、SIL等级、安全测法包括安全手册、模拟演安全联锁等等试等练、安全文化建设等远程监控与诊断数据采集与传输远程监控系统通过传感器采集过程数据，并通过网络将数据传输到监控中心数据分析与诊断监控中心软件对数据进行分析，发现异常情况，并提供诊断信息，帮助用户及时采取措施远程控制与管理远程监控系统可实现对设备的远程控制，例如调整参数、启动或停止设备等故障预警与报警系统可根据预设规则进行故障预警，并发出报警信息，提醒用户及时处理工业与智能制造

4.0自动化数据驱动工业机器人、人工智能等技术的应用，提高生实时数据采集、分析，优化生产流程，提高产产效率品质量互联互通人机协作物联网、云计算，实现生产设备、系统互联，人机协作，提升生产效率，实现更安全、更灵提高灵活性活的生产模式案例分析与讨论过程控制系统工业自动化分析化工厂、炼油厂等过程控制讨论PLC应用于自动化生产线的系统设计与应用案例，探讨系统案例，例如生产线控制系统、机设计与调试的关键问题器人控制系统等智能制造探讨智能制造系统中过程控制的应用案例，例如基于大数据和人工智能的生产过程优化结语与思考

11.持续学习

22.实践应用过程控制技术不断发展，需要理论与实践相结合，将所学知不断学习新知识，掌握新技能识应用于实际工程项目中，不断积累经验

33.创新发展

44.安全意识积极探索新技术，不断改进过始终牢记安全操作规范，确保程控制系统的设计和应用，推过程控制系统的安全可靠运行动工业自动化发展。