《化学工程仪表与控制》课件

课程学习目标与大纲介绍学习目标课程大纲了解化学工程仪表与控制系统在现代工业中的重要性化学工程控制系统概述

1.掌握化学工程过程测量和控制的基本原理和技术测量技术与传感器

2.熟悉常用仪表和控制系统的设计、运行与维护控制系统基础理论

3.工业过程控制系统

4.过程控制系统网络架构

5.智能控制技术

6.化学工程控制系统的基本概念过程控制测量与控制系统

1.

2.12通过测量、分析和调节关键由传感器、变送器、控制器参数来保持生产过程稳定运、执行机构等组成，用于对行过程进行测量和调节自动化控制

3.测量的基本原理与重要性测量原理将物理量转换为可测量的信号，例如温度、压力、流量等测量方法接触式测量直接接触被测对象，例如温度计非接触式测量利用光、电磁等手段，例如红外温度计测量误差测量过程中不可避免的误差，包括系统误差和随机误差重要性准确的测量是实现有效控制的基础，确保生产过程的稳定性和安全性传感器技术概述温度传感器压力传感器流量传感器液位传感器热电偶、热电阻、铂电阻压力表、压力变送器涡街流量计、电磁流量计浮子液位计、超声波液位计温度测量仪表热电偶1利用两种不同金属之间的热电势变化测量温度热电阻2利用金属电阻随温度变化的特性测量温度铂电阻3一种精度较高、稳定性好的热电阻，广泛应用于工业测量红外温度计4利用物体发射的红外辐射能量测量温度压力测量仪表压力表利用弹性元件的形变测量压力压力变送器将压力信号转换为标准电信号差压变送器测量两个压力之间的差值，用于测量流量和液位流量测量仪表涡街流量计利用流体流过涡街产生的漩涡频率测量流量电磁流量计利用流体在磁场中运动产生的感应电动势测量流量容积式流量计利用流体通过一定容积的次数测量流量液位测量仪表超声波液位计2利用超声波在液体中的传播时间测量液位浮子液位计1利用浮子的浮力变化测量液位电容式液位计3利用电容变化测量液位化学成分分析仪器色谱仪1根据物质在固定相中的吸附或分配差异进行分离质谱仪2利用物质的质量电荷比进行分析光谱仪3利用物质对光的吸收或发射特性进行分析控制系统基础理论控制目标1使被控对象按照预定的要求运行控制变量2可调节的变量，用于改变被控对象的运行状态被控变量3需要控制的变量，例如温度、压力、流量等控制回路4由传感器、控制器、执行机构组成的闭环系统开环与闭环控制系统开环控制闭环控制开环控制系统不进行反馈，控制精度较低闭环控制系统利用反馈信息进行调节，控制精度较高反馈控制原理传感器控制器执行机构测量被控变量根据偏差信号产生控制信号执行控制信号，改变被控变量控制算法PIDP ID比例控制积分控制微分控制控制信号与偏差信号成比例关系控制信号与偏差信号的积分值成比例关控制信号与偏差信号的变化率成比例关系系控制算法是最常用的控制算法，可以根据实际情况调整参数PID控制系统动态特性分析分析控制系统对不同输入信号的响应特性，评估系统性能传递函数与系统建模传递函数系统建模描述系统输出与输入之间关系的数学表达式利用数学模型描述系统的动态特性拉普拉斯变换在控制中的应用拉普拉斯变换可以将时间域中的函数转换为复频域中的函数在复频域中进行系统分析和设计，更加方便快捷稳定性分析方法根轨迹法奈奎斯特稳定判据12分析系统根轨迹的走向，判利用奈奎斯特曲线判断系统断系统的稳定性的稳定性伯德图法3利用伯德图判断系统的稳定性和频率特性系统响应特性阶跃响应脉冲响应系统对阶跃输入信号的响应系统对脉冲输入信号的响应频率响应系统对正弦输入信号的响应控制系统性能指标上升时间稳定时间超调量系统从初始值上升到系统响应曲线进入稳系统响应曲线超过稳稳态值的所需时态范围并保持在该范态值的峰值与稳态值90%间围内的最大时间之差工业过程控制系统过程控制系统1用于控制工业生产过程的自动化系统，包括测量、控制、执行等功能过程控制目标2确保生产过程的安全、稳定、高效运行过程控制应用3化工、冶金、电力、石油化工等行业化工反应器控制温度控制控制反应器温度，保证反应顺利进行压力控制控制反应器压力，防止爆炸或泄漏流量控制控制原料和产品的流量，保证反应速率和转化率蒸馏塔控制策略塔顶温度控制控制塔顶温度，保证产品纯度塔底温度控制控制塔底温度，保证蒸发效率回流比控制控制回流比，提高分离效率热交换器控制技术流量控制2控制热交换器的进出口流量，保证传热效率温度控制1控制热交换器的进出口温度，保证传热效率压力控制3控制热交换器内部压力，防止泄漏过程控制系统组成传感器与变送器1测量过程变量控制器2根据偏差信号产生控制信号执行机构3执行控制信号，改变被控变量数据采集系统4采集过程数据，并进行存储和分析人机界面5提供操作员对过程控制系统进行操作和监控控制阀门与执行机构控制阀门1根据控制信号调节流体的流量执行机构2将控制信号转换为机械动作，驱动控制阀门执行机构类型3气动执行机构、电动执行机构、液压执行机构数据采集系统分布式控制系统DCS系统架构控制站人机界面DCS DCSDCS将控制系统分散到各个控制站，提高系负责对特定过程的测量、控制和数据处提供操作员对整个过程进行操作和监控统可靠性和扩展性理可编程逻辑控制器PLC1可编程性可以根据不同的控制需求进行编程PLC2可靠性具有高可靠性，能够在恶劣环境下稳定运行PLC3模块化采用模块化设计，便于扩展和维护PLC4广泛应用广泛应用于自动化控制领域，例如工业生产、楼宇控制等PLC工业通信网络现场总线1用于连接现场仪表和控制器的通信网络，例如、PROFIBUS CANopen以太网2用于连接、和上位机等设备的通信网络DCS PLC无线网络3用于连接移动设备和控制系统的通信网络智能仪表技术智能仪表具有自诊断、自校准、自优化等功能的仪表智能传感器具有信号处理、自校准、自诊断等功能的传感器智能变送器具有信号处理、自校准、自诊断等功能的变送器现场总线技术现场总线技术用于连接现场仪表和控制器的数字通信网络现场总线优点提高控制系统效率、可靠性、可扩展性和灵活性现场总线应用广泛应用于工业自动化控制领域工业通信协议PROFIBUS CANopen1德国开发的现场总线协议一种开放的现场总线协议2OPC UA4Modbus3一种面向对象的工业通信协议一种广泛应用的工业通信协议过程控制系统网络架构现场层1连接现场仪表和控制器的网络控制层2连接、和控制站的网络DCS PLC管理层3连接上位机和管理系统的网络工业计算机与控制工业计算机1专门用于工业控制的计算机，具有抗干扰、可靠性高等特点工业计算机应用

2、、数据采集系统等DCS PLC工业计算机发展趋势3嵌入式计算机、分布式计算机数字信号处理技术信号采样信号量化信号编码信号滤波信号处理仪表标定与校准标定设备标定方法标定证书用于对仪表进行标定和校准的设备静态标定、动态标定记录仪表标定结果的证书测量误差分析12系统误差随机误差由仪表本身的缺陷或使用环境造成由不可控因素造成的误差的误差3误差分析方法误差传递方程、蒙特卡罗方法仪器仪表选型测量精度1仪表能够测量的最小变化量测量范围2仪表能够测量的最大值和最小值响应速度3仪表对被测变量变化的响应速度环境适应性4仪表能够承受的工作环境条件安全仪表系统安全仪表系统用于防止危险事件发生的安全控制系统安全仪表功能检测危险状态，发出报警，并采取安全措施安全仪表应用化工、石油化工、电力等行业过程安全控制风险评估识别生产过程中的潜在风险安全措施采取安全措施降低风险安全系统建立安全控制系统，监测和控制风险防爆与防护技术本质安全技术防爆外壳技术1从根本上降低设备的危险性利用防爆外壳防止爆炸发生2增安技术隔爆技术4利用特殊的结构和材料提高设备的安3利用隔爆装置隔离爆炸全性仪表维护与管理日常维护1定期检查和清洁仪表预防性维护2根据仪表的使用情况进行定期维护故障维修3及时维修故障仪表仪表管理系统4建立仪表管理系统，记录仪表的维护和修理情况工业现场实践现场观察1观察工业现场的实际运行情况数据分析2分析现场采集到的数据问题解决3根据数据分析结果，解决现场问题持续改进4不断优化控制系统，提高效率控制系统故障诊断信号调理与变换信号放大器信号滤波器信号隔离器放大弱信号，提高信号强度滤除信号中的噪声隔离不同电路之间的信号模拟量与数字量转换1模数转换ADC将模拟信号转换为数字信号2数模转换DAC将数字信号转换为模拟信号信号滤波技术低通滤波1滤除高频噪声，保留低频信号高通滤波2滤除低频噪声，保留高频信号带通滤波3保留特定频率范围内的信号，滤除其他频率信号过程控制系统优化控制参数优化调整控制参数，提高系统性能PID控制策略优化选择合适的控制策略，提高系统效率系统结构优化优化控制系统的结构，提高系统可靠性和扩展性自适应控制自适应控制原理根据过程变化自动调整控制参数，适应过程的变化自适应控制优点提高系统稳定性和鲁棒性自适应控制应用工业生产、航空航天等领域模糊控制模糊控制优点2易于实现，适应性强模糊控制原理1利用模糊逻辑进行控制，处理不确定性信息模糊控制应用工业生产、智能机器人等领域3智能控制技术专家控制1利用专家经验进行控制神经网络控制2利用神经网络进行控制遗传算法控制3利用遗传算法优化控制参数智能控制技术4融合人工智能技术，提高控制系统的智能化水平先进控制策略模型预测控制MPC1预测过程未来的变化，提前进行控制非线性控制2用于控制非线性过程的控制策略鲁棒控制3针对不确定性因素设计的控制策略优化控制4针对优化目标设计的控制策略工业大数据与控制产量能耗利用工业大数据分析，提高生产效率，降低能耗人工智能在过程控制中的应用机器学习深度学习强化学习训练机器学习模型，实现过程预测和控利用深度学习模型进行过程控制，提高训练强化学习模型，优化控制策略制控制精度工业物联网技术1数据采集利用传感器和网络技术实时采集过程数据2数据分析对采集到的数据进行分析和处理3远程控制通过网络实现对过程的远程控制4智能决策利用人工智能技术进行智能决策，提高控制效率绿色过程控制理念节能减排1优化控制策略，降低能耗和排放清洁生产2采用清洁生产技术，减少污染物排放可持续发展3实现可持续发展，保护环境未来化工控制技术发展趋势人工智能控制利用人工智能技术实现更智能的控制工业物联网技术利用工业物联网技术实现更高效的控制绿色过程控制发展绿色过程控制技术，实现可持续发展课程总结与展望。