化工儀表及自動化緒論范江洋27406472fjytju@126.com1化工儀表及自動化緒論范江洋1我的辦公室2我的辦公室2內容提要

化工自動化的含義

化工生產過程自動化的目的

化工自動化的發展情況

本學科的作用3內容提要化工自動化的含義3化工自動化的含義是化工、煉油、食品、輕工等化工類型生產過程自動化的簡稱。在化工設備上，配備上一些自動化裝置，代替操作人員的部分直接勞動，使生產在不同程度上自動地進行，這種用自動化裝置來管理化工生產過程的辦法，稱為化工自動化。4化工自動化的含義是化工、煉油、食品、輕工等化工類型生產過程自化工生產過程自動化的目的

加快生產速度，降低生產成本，提高產品產量和質量。減輕勞動強度，改善勞動條件。能夠保證生產安全，防止事故發生或擴大，達到延長設備使用壽命，提高設備利用能力的目的。生產過程自動化的實現，能根本改變勞動方式，提高工人文化技術水平，為逐步地消滅體力勞動和腦力勞動之間的差別創造條件。5化工生產過程自動化的目的加快生產速度，降低生產成本，提高產化工自動化的發展情況20世紀40年代以前絕大多數化工生產處于手工操作狀況，操作工人根據反映主要參數的儀表指示情況，用人工來改變操作條件，生產過程單憑經驗進行。低效率，花費龐大。20世紀50年代到60年代人們對化工生產各種單元操作進行了大量的開發工作，使得化工生產過程朝著大規模、高效率、連續生產、綜合利用方向迅速發展。6化工自動化的發展情況20世紀40年代以前6化工自動化的發展情況20世紀70年代以來，化工自動化技術又有了新的發展已發展為綜合自動化，應用的領域和規模越來越大；顯示了知識密集化、高技術集成化的特點；智能化程度日益增加。20世紀末，計算機、信息技術的飛速發展，引發了自動化系統結構的變革7化工自動化的發展情況20世紀70年代以來，化工自動化技術又有本學科的作用化工生產過程自動化是一門綜合性的技術學科。它應用自動控制學科、儀器儀表學科及計算機學科的理論與技術服務于化學工程學科。對于熟悉化學工程學科的人員，如能再學習和掌握一些檢測技術和控制系統方面的知識，必能在推進中國的化工自動化事業中，起到事半功倍的作用。8本學科的作用化工生產過程自動化是一門綜合性的技術學科。它應用化工儀表及自動化第一章自動控制系統基本概念

9化工儀表及自動化第一章自動控制系統基本概念9內容提要化工自動化的主要內容自動控制系統的基本組成及方塊圖自動控制系統的分類自動控制系統的過渡過程和品質指標控制系統的靜態與動態控制系統的過渡過程控制系統的品質指標影響控制系統過渡過程品質的主要因素10內容提要化工自動化的主要內容10內容提要工藝管道及控制流程圖圖形符號字母代號儀表位號11內容提要工藝管道及控制流程圖11第一節化工自動化的主要內容1.自動檢測系統2.自動信號和聯鎖保護系統3.自動操縱及自動開停車系統4.自動控制系統圖1-1熱交換器自動檢測系統示意圖當工藝參數超過了允許范圍，在事故即將發生以前，信號系統就自動地發出聲光信號，告誡操作人員注意，并及時采取措施。如工況已到達危險狀態時，聯鎖系統立即自動采取緊急措施，打開安全閥或切斷某些通路，必要時緊急停車，以防止事故的發生和擴大。它是生產過程中的一種安全裝置。

自動操縱系統可以根據預先規定的步驟自動地對生產設備進行某種周期性操作。自動開停車系統可以按照預先規定好的步驟，將生產過程自動地投入運行或自動停車。

在受到外界干擾（擾動）的影響而偏離正常狀態時，自動控制系統能自動地控制而回到規定的數值范圍內。

利用各種檢測儀表對主要工藝參數進行測量、指示或記錄的，稱為自動檢測系統。它代替了操作人員對工藝參數的不斷觀察與記錄，起到人的眼睛的作用。12第一節化工自動化的主要內容1.自動檢測系統圖1-1熱交第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖

圖1-2人工操作圖圖1-3液位自動控制系統圖人工操作與自動控制比較圖控制速度和精度不能滿足大型現代化生產的需要13第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖圖1-2人工操作圖自動控制系統的組成組成自動化裝置被控對象測量元件與變送器自動控制器執行器第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖14自動控制系統的組成組自動化裝置被控對象測量元件與變送器自動控一、自動控制系統組成

★測量與變送裝置：直接測量被控參數，并將信號

轉換成標準信號。

★控制器：它接受變送器送來的信號，并與工藝規

定值進行比較得出偏差，按某種規律算出結果，

將此結果按特定的信號發送出去。

★執行器：能根據控制器送來的信號值來改變閥門

的開度大小。

★被控對象(簡稱對象)：與控制有關的化工設備的

相應部分，如貯液罐、精餾塔、換熱器等。第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖15一、自動控制系統組成

★測量與變送裝置：直接測量被控參數，自動控制系統中幾個常用術語★被控變量：被控對象內要求保持設定數值的工藝參數，y★操縱變量：受控制器操縱的，用以克服干擾的影響，使被控變量保持設定值的物料量或能量；q★擾動（干擾）：除操縱變量外，作用于被控對象引起被控變量變化的因素；f★設定值：被控變量的預定值，按工藝要求需保持規定的數值；x★偏差：被控變量的給定值與測量值之差。e=x-z第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖16自動控制系統中幾個常用術語★被控變量：被控對象內要求保持設定液位自動控制的方塊圖在研究自動控制系統時，為了便于對系統分析研究，一般都用方塊圖來表示控制系統的組成。下頁圖為液位自動控制系統的方塊圖每個方塊表示組成系統的一個部分，稱為“環節”。兩個方塊之間用一條帶有單向箭頭的線條表示其信號的相互關系，箭頭指向方塊表示為這個環節的輸入，箭頭離開方塊表示為這個環節的輸出。線旁的字母表示相互間的作用信號。第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖17第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖17液位自動控制的方塊圖圖1-4液位自動控制系統方塊圖第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖方塊圖中，x

指設定值；z

指輸出信號；e指偏差信號；p指發出信號；q

指出料流量信號；y

指被控變量；f

指擾動作用。當x取正值，z取負值，e=x-z，負反饋；x

取正值，z取正值，e=x+z，正反饋。18液位自動控制的方塊圖圖1-4液位自動控制系統方塊圖第二節其他控制系統

用同一種形式的方塊圖可以代表不同的控制系統圖1-5蒸汽加熱器溫度控制系統

當進料流量或溫度變化等因素引起出口物料溫度變化時，可以將該溫度變化測量后送至溫度控制器TC。溫度控制器的輸出送至控制閥，以改變加熱蒸汽量來維持出口物料的溫度不變。這個控制系統同樣可以用上頁中的方塊圖表示第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖19其他控制系統圖1-5蒸汽加熱器溫度控制系統當進料流注意！方塊圖中的每一個方塊都代表一個具體的裝置。方塊與方塊之間的連接線，只是代表方塊之間的信號聯系，并不代表方塊之間的物料聯系。方塊之間連接線的箭頭也只是代表信號作用的方向，與工藝流程圖上的物料線是不同的。工藝流程圖上的物料線是代表物料從一個設備進入另一個設備，而方塊圖上的線條及箭頭方向有時并不與流體流向相一致。第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖20注意！方塊圖中的每一個方塊都代表一個具體的裝置。方塊與方塊之方塊圖中需要注意的幾個問題★自動控制系統是一個閉環系統，也是一個反饋系統；★

在自動控制系統中都采用負反饋；e=x-z★

自動控制系統與自動檢測、自動操縱等系統的本質區別:

自動控制系統是有負反饋的閉環系統:有針對性地根據被控變量的變化情況而改變控制作用的大小和方向，從而使系統的工作狀態始終等于或接近于所希望的狀態。

自動檢測、自動操縱系統為開環系統:這些系統按照預先規定好的程序周而復始地運轉。這時被控變量如果發生了變化，該系統不會自動地根據被控變量的實際工況來改變自己的操作。第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖21方塊圖中需要注意的幾個問題★自動控制系統是一個閉環系統，也小結開環系統：自動機在操作時，一旦開機，就只能是按照預先規定好的程序周而復始地運轉。這時被控變量如果發生了變化，自動機不會自動地根據被控變量的實際工況來改變自己的操作。比較閉環系統：有針對性地根據被控變量的變化情況而改變控制作用的大小和方向，從而使系統的工作狀態始終等于或接近于所希望的狀態。第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖22小結開環系統：自動機在操作時，一旦開機，就只能是按照預先規定第三節自動控制系統的分類幾種分類方法按被控變量來分類，如溫度、壓力等控制系統；按控制器具有的控制規律來分類，如比例、比例積分、比例微分、比例積分微分等控制系統；將控制系統按照工藝過程需要控制的被控變量的給定值是否變化和如何變化來分類，這樣可將自動控制系統分為三類，即定值控制系統、隨動控制系統和程序控制系統。其中第三種分類方法最普遍23第三節自動控制系統的分類幾種分類方法其中第三種分類方法最普第三節自動控制系統的分類

“定值”是恒定給定值的簡稱。工藝生產中，若要求控制系統的作用是使被控制的工藝參數保持在一個生產指標上不變，或者說要求被控變量的給定值不變，就需要采用定值控制系統。1.定值控制方法2.隨動控制系統（自動跟蹤系統）

給定值隨機變化，要求被控參數以一定精度跟隨給定值變化的控制系統，也叫自動跟蹤系統，伺服系統。該系統的目的就是使所控制的工藝參數準確而快速地跟隨給定值的變化而變化。如導航雷達系統，比值控制系統。24第三節自動控制系統的分類“定值”是恒定給定值第三節自動控制系統的分類3.程序控制系統（順序控制系統）給定值變化，但它是一個已知的時間函數，即生產技術指標需按一定的時間程序變化。這類系統在間歇生產過程中應用比較普通。則這種系統又稱為順序控制系統。如纖維錦綸生產中熟化罐溫度控制系統、金屬的熱處理等。25第三節自動控制系統的分類3.程序控制系統（順序控制系統）第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標一、控制系統的靜態與動態自動控制目的：希望將被控變量保持在一個不變的給定值上，這只有當進入被控對象的物料量（或能量）和流出對象的物料量（或能量）相等時才有可能。

靜態——被控變量不隨時間而變化的平衡狀態（變化率為0，不是靜止）。26第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標一、控制系統的靜態當一個自動控制系統的輸入（給定和干擾）和輸出均恒定不變時，整個系統就處于一種相對穩定的平衡狀態，系統的各個組成環節如變送器、控制器、控制閥都不改變其原先的狀態，它們的輸出信號也都處于相對靜止狀態，這種狀態就是靜態。●

系統各環節不改變原先的狀態，各信號變化率為零;●生產還在進行，仍有物料和能量平穩進出。第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標27當一個自動控制系統的輸入（給定和干擾）和輸出均恒定不變時動態——被控變量隨時間變化的不平衡狀態。

從干擾作用破壞靜態平衡，經過控制，直到系統重新建立平衡，在這一段時間中，整個系統的各個環節和信號都處于變動狀態之中，這種狀態叫做動態。結論：在自動化工作中，了解系統的靜態是必要的，但是了解系統的動態更為重要。因為在生產過程中，干擾是客觀存在的，是不可避免的，就需要通過自動化裝置不斷地施加控制作用去對抗或抵消干擾作用的影響，從而使被控變量保持在工藝生產所要求控制的技術指標上。第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標●干擾引起平衡狀態破壞，控制器、控制閥改變原來狀態，產生一定控制作用來克服干擾，使系統逐漸重新建立平衡；28動態——被控變量隨時間變化的不平衡狀態。從二、控制系統的過渡過程系統由一個平衡狀態過渡到另一個平衡狀態的過程。（定義）當干擾作用于對象，系統輸出y發生變化，在系統負反饋作用下，經過一段時間，系統重新恢復平衡。舉例圖1-7控制系統方塊圖第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標29二、控制系統的過渡過程當干擾作用于對象，系統輸出y發生變化，系統在過渡過程中，被控變量是隨時間變化的。被控變量隨時間的變化規律首先取決于作用于系統的干擾形式。在生產中，出現的干擾是沒有固定形式的，且多半屬于隨機性質。在分析和設計控制系統時，為了安全和方便，常選擇一些定型的干擾形式，其中常用的是階躍干擾。第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標30系統在過渡過程中，被控變量是隨時間變化的。被控變量隨時間的變采用階躍干擾的優點：這種形式的干擾比較突然、危險，且對被控變量的影響也最大。如果一個控制系統能夠有效地克服這種類型的干擾，那么一定能很好地克服比較緩和的干擾。這種干擾的形式簡單，容易實現，便于分析、實驗和計算。圖1-8階躍干擾作用第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標31采用階躍干擾的優點：圖1-8階躍干擾作用第四節自動控制系非周期衰減過程衰減震蕩過程等幅震蕩過程

發散震蕩過程X√√？對于控制質量要求不高的場合，如果被控變量允許在工藝許可的范圍內振蕩（主要指在位式控制時），才可采用。

第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標自動控制系統在階躍干擾作用下過渡過程的四種形式32非周期衰減過程衰減震蕩過程等幅震蕩過程發散震蕩過程X√√？三、控制系統的品質指標控制系統的過渡過程是衡量品質的依據。圖1-10過渡過程品質指標示意圖假定自動控制系統在階躍輸入作用下，被控變量的變化曲線如上圖所示，這是屬于衰減振蕩的過渡過程多數情況下，希望得到衰減振蕩過程，在此取這種過程形式討論控制系統的品質指標。第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標33三、控制系統的品質指標圖1-10過渡過程品質指標示意圖五種重要品質指標之一1.最大偏差A或超調量B

最大偏差是指在過渡過程中，被控變量偏離給定值的最大數值。在衰減振蕩過程中，最大偏差就是第一個波的峰值。特別是對于一些有約束條件的系統，如化學反應器的化合物爆炸極限、觸媒燒結溫度極限等，都會對最大偏差的允許值有所限制。

超調量B也可以用來表征被控變量偏離給定值的程度。B=A-C第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標34五種重要品質指標之一1.最大偏差A或超調量B最大偏2.衰減比n=B/B`衰減比是衰減程度的指標，它是前后相鄰兩個峰值的比。習慣表示為n:1，一般n取為4～10之間為宜。五種重要品質指標之二第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標35五種重要品質指標之二第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標五種重要品質指標之三3.余差C當過渡過程終了時，被控變量所達到的新的穩態值與給定值之間的偏差叫做余差，或者說余差就是過渡過程終了時的殘余偏差。有余差的控制過程稱為有差調節，相應的系統稱為有差系統。反之就為無差調節和無差系統。第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標36五種重要品質指標之三第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標五種重要品質指標之四4.過渡時間從干擾作用發生的時刻起，直到系統重新建立新的平衡時止，過渡過程所經歷的時間叫過渡時間。一般在穩態值的上下規定一個小范圍，當被控變量進入該范圍并不再越出時，就認為被控變量已經達到新的穩態值，或者說過渡過程已經結束這個范圍一般定為穩態值的±5％（也有的規定為±2％）。第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標37五種重要品質指標之四第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標五種重要品質指標之五5.振蕩周期或頻率過渡過程同向兩波峰（或波谷）之間的間隔時間叫振蕩周期或工作周期，其倒數稱為振蕩頻率。在衰減比相同的情況下，周期與過渡時間成正比，一般希望振蕩周期短一些為好。第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標38五種重要品質指標之五第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標某換熱器的溫度控制系統在單位階躍干擾作用下的過渡過程曲線如下圖所示。試分別求出最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間（給定值為200℃）。舉例圖1-11溫度控制系統過渡過程曲線第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標39某換熱器的溫度控制系統在單位階躍干擾作用下的過渡過程曲線如下解

最大偏差A＝230-200＝30℃余差C＝205-200＝5℃由圖上可以看出，第一個波峰值B＝230-205＝25℃，第二個波峰值B’＝210－205＝5℃，故衰減比應為B:B’＝25:5＝5:1。振蕩周期為同向兩波峰之間的時間間隔，故周期T＝20-5＝15（min）第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標40解最大偏差A＝230-200＝30℃余差C＝205-20

分析過渡時間與規定的被控變量限制范圍大小有關，假定被控變量進入額定值的±2％，就可以認為過渡過程已經結束，那么限制范圍為205×（±2％）≈±4℃，這時，可在新穩態值（205℃）兩側以寬度為±4℃畫一區域，上圖中以畫有陰影線的區域表示，只要被控變量進入這一區域且不再越出，過濾過程就可以認為已經結束。因此，從圖上可以看出，過渡時間為22min。第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標41分析過渡時間與規定的被控變量限制范圍大小有關，假

某發酵過程工藝規定操作溫度為（40±2）℃。考慮到發酵效果，控制過程中溫度偏離給定值最大不能超過6℃?，F設計一定值控制系統，在階躍擾動作用下的過渡過程曲線如下圖所示。試確定該系統的最大偏差、衰減比、余差、過渡時間（按被控變量進入±2%新穩態值即達到穩定來確定）和振蕩周期等過渡過程指標，并回答該系統能否滿足工藝要求？舉例42某發酵過程工藝規定操作溫度為（40±2）℃?？紤]到發工藝設定值為40℃,新穩定值為41℃衰減比

第一個波峰值B=45-41=4℃；

第二個波峰值B’=42-41=1℃；

B:B’=4：1過渡時間Ts：被控變量進入新穩態值的±2%，就可以認為過渡過程已經結束，那么限制范圍應是41×（±2%）=±0.82℃。過渡時間Ts=23min

最大偏差

A=45-40=5℃；超調量B

=45-41=4℃余差

C=41-40=1℃；振蕩周期

T=18-5=13min43工藝設定值為40℃,新穩定值為41℃衰減比第一個波峰值四、影響控制系統過渡過程品質的主要因素

一個自動控制系統可以概括成兩大部分，即工藝過程部分（被控對象）和自動化裝置部分。前者指與該自動控制系統有關的部分。后者指為實現自動控制所必需的自動化儀表設備，通常包括測量與變送裝置、控制器和執行器等三部分。第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標44四、影響控制系統過渡過程品質的主要因素一個自動控制系對于一個自動控制系統，過渡過程品質的好壞，在很大程度上決定于對象的性質。例如在前所述的溫度控制系統中，屬于對象性質的主要因素有：換熱器的負荷大小，換熱器的結構、尺寸、材質等，換熱器內的換熱情況、散熱情況及結垢程度等。不同自動化系統要具體分析。第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標自動化裝置的選擇和調整不當，也會直接影響控制質量

如測量是否失真，閥門是否失效，控制器的參數選擇是否合適等45對于一個自動控制系統，過渡過程品質的第五節工藝管道及控制流程圖工藝流程和控制方案的確定后，根據工藝設計給出的流程圖，按其流程順序標注出相應的測量點、控制點、控制系統及自動信號與聯鎖保護系統等，便成了工藝管道及控制流程圖（PID圖）(PipingandInstrumentationDiagram)。控制方案由工藝人員和自控設計人員共同研究確定；包括流程中各測量點的選擇、控制系統的確定及有關自動信號、聯鎖保護系統的設計等。46第五節工藝管道及控制流程圖工藝流程和控制方案的確定第五節工藝管道及控制流程圖圖1-12脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖舉例右圖是乙烯生產過程中脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖舉例47第五節工藝管道及控制流程圖圖1-12脫乙烷塔的工藝管道及控一、圖形符號1.測量點（包括檢出元件、取樣點）

測量點是由工藝設備輪廓線或工藝管線引到儀表圓圈的連接線的起點，一般無特定的圖形符號，如下圖所示。必要時，檢測元件也可以用象形或圖形符號表示。圖1-13測量點的一般表示方法第五節工藝管道及控制流程圖48一、圖形符號測量點是由工藝設備輪廓線或工藝管線引到儀2.連接線

通用的儀表信號線均以細實線表示。連接線表示交叉及相接時，采用下圖的形式。必要時也可用加箭頭的方式表示信號的方向。在需要時，信號線也可按氣信號、電信號、導壓毛細管等采用不同的表示方式以示區別。圖1-14連接線的表示法第五節工藝管道及控制流程圖492.連接線通用的儀表信號線均以細實線表示。連3.儀表（包括檢測、顯示、控制）的圖形符號

儀表的圖形符號是一個細實線圓圈，直徑約10mm，對于不同的儀表安裝位置的圖形符號如下頁表所示。第五節工藝管道及控制流程圖503.儀表（包括檢測、顯示、控制）的圖形符號第五節工藝管道就地儀表盤面安裝儀表3就地儀表盤后安裝儀表5集中儀表盤面安裝儀表2集中儀表盤后安裝儀表4嵌在管道中就地安裝儀表1備注圖形符號安裝位置序號備注圖形符號安裝位置序號表1-1儀表安裝位置的圖形符號表示第五節工藝管道及控制流程圖51就地儀表盤面安裝儀表3集中儀表盤面安裝儀表2備注圖形符號安對于處理兩個或兩個以上被測變量，具有相同或不同功能的復式儀表時，可用兩個相切的圓或分別用細實線圓與細虛線圓相切表示（測量點在圖紙上距離較遠或不在同一圖紙上），如下圖所示。圖1-15復式儀表的表示法第五節工藝管道及控制流程圖52對于處理兩個或兩個以上被測變量，具有相同或不同二、字母代號

在控制流程圖中，用來表示儀表的小圓圈的上半圓內，一般寫有兩位（或兩位以上）字母，第一位字母表示被測變量，后繼字母表示儀表的功能，常用字母代號見下表。第五節工藝管道及控制流程圖53二、字母代號在控制流程圖中，用來表示儀第一位字母表示被測變量，后續字母表示儀表的功能。字母第一位字母后續字母功能被測變量修飾詞A分析報警BC燃燒電導率控制D密度差E電壓檢測元件F流量比（分數）HIJ手動電流功率跨度指示54第一位字母表示被測變量，后續字母表示儀表的功能。字母第一位二、字母代號（續）字母第一位字母后續字母功能被測變量修飾詞K時間自動-手動操作器L物位PQ

真空或壓力數量積分、累積RS放射性速度、頻率安全記錄或打印開關、聯鎖TVWYZ溫度黏度力、重量事件、狀態位置、維度傳送閥、擋板、百葉窗套管繼動器、計算器、轉換器其它終端執行機構55二、字母代號（續）字母第一位字母后續字母功能被測變量修飾詞舉例以脫乙烷塔控制流程圖，來說明如何以字母代號的組合來表示被測變量和儀表功能。

塔頂的壓力控制系統中的PIC-207，其中第一位字母P表示被測變量為壓力，第二位字母I表示具有指示功能，第三位字母C表示具有控制功能，因此，PIC的組合就表示一臺具有指示功能的壓力控制器。該控制系統是通過改變氣相采出量來維持塔壓穩定的。第五節工藝管道及控制流程圖56舉例以脫乙烷塔控制流程圖，來說明如何以字母代號的組合來表示被

回流罐液位控制系統中的LIC-201是一臺具有指示功能的液位控制器，它是通過改變進入冷凝器的冷劑量來維持回流罐中液位穩定的。塔下部的溫度控制系統中的TRC-210表示一臺具有記錄功能的溫度控制器，它是通過改變進入再沸器的加熱蒸汽量來維持塔底溫度恒定的。

塔底的液位控制系統中的LICA-202代表一臺具有指示、報警功能的液位控制器，它是通過改變塔底采出量來維持塔釜液位穩定的。第五節工藝管道及控制流程圖57回流罐液位控制系統中的LIC-201是一三、儀表位號

儀表位號是由字母代號組合和阿拉伯數字編號兩部分組成。阿拉伯數字編號寫在圓圈的下半部，其第一位數字表示工段號，后續數字（二位或三位數字）表示儀表序號。

第五節工藝管道及控制流程圖測量點位置控制流程圖中儀表信息包括：安裝位置被測變量儀表功能儀表序號工段號58三、儀表位號儀表位號是由字母代號組合和阿拉伯數字編號舉例脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖中PI-206表示測量點在加熱蒸汽管線上的蒸汽壓力指示儀表，該儀表為就地安裝，工段號為2，儀表序號為06。第五節工藝管道及控制流程圖59舉例脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖中PI-206表示測量點在碳八分離控制流程圖60碳八分離控制流程圖60碳化塔工藝控制流程圖61碳化塔工藝控制流程圖61蘇打灰混合桶控制回路62蘇打灰混合桶控制回路62第一章練習題填空題⒈自動控制系統主要是由()組成。⒉一般來說，自動控制系統在階躍干擾作用下，希望得到的過渡過程是（）。⒊衰減振蕩過程的品質指標主要有(）。⒋在自動控制系統的方塊圖中，帶有箭頭的線段表示（）。⒌自動控制系統是具有被控變量()反饋的（）環系統，自動檢測、自動操縱是（）環系統。63第一章練習題填空題63下面圖哪個是閉環控制系統，哪個是開環控制系統？

第一章練習題64下面圖哪個是閉環控制系統，哪個是開環控制系統？

下圖為一加熱爐的原料油出口溫度控制系統，原料油在爐中被加熱。⒈指出該系統中的被控對象、被控變量和操縱變量？⒉該系統可能的干擾有哪些？⒊畫出該系統的方塊圖。

第一章練習題65下圖為一加熱爐的原料油出口溫度控制系統，原料油END66END66化工儀表及自動化緒論范江洋27406472fjytju@126.com67化工儀表及自動化緒論范江洋1我的辦公室68我的辦公室2內容提要

化工自動化的含義

化工生產過程自動化的目的

化工自動化的發展情況

本學科的作用69內容提要化工自動化的含義3化工自動化的含義是化工、煉油、食品、輕工等化工類型生產過程自動化的簡稱。在化工設備上，配備上一些自動化裝置，代替操作人員的部分直接勞動，使生產在不同程度上自動地進行，這種用自動化裝置來管理化工生產過程的辦法，稱為化工自動化。70化工自動化的含義是化工、煉油、食品、輕工等化工類型生產過程自化工生產過程自動化的目的

加快生產速度，降低生產成本，提高產品產量和質量。減輕勞動強度，改善勞動條件。能夠保證生產安全，防止事故發生或擴大，達到延長設備使用壽命，提高設備利用能力的目的。生產過程自動化的實現，能根本改變勞動方式，提高工人文化技術水平，為逐步地消滅體力勞動和腦力勞動之間的差別創造條件。71化工生產過程自動化的目的加快生產速度，降低生產成本，提高產化工自動化的發展情況20世紀40年代以前絕大多數化工生產處于手工操作狀況，操作工人根據反映主要參數的儀表指示情況，用人工來改變操作條件，生產過程單憑經驗進行。低效率，花費龐大。20世紀50年代到60年代人們對化工生產各種單元操作進行了大量的開發工作，使得化工生產過程朝著大規模、高效率、連續生產、綜合利用方向迅速發展。72化工自動化的發展情況20世紀40年代以前6化工自動化的發展情況20世紀70年代以來，化工自動化技術又有了新的發展已發展為綜合自動化，應用的領域和規模越來越大；顯示了知識密集化、高技術集成化的特點；智能化程度日益增加。20世紀末，計算機、信息技術的飛速發展，引發了自動化系統結構的變革73化工自動化的發展情況20世紀70年代以來，化工自動化技術又有本學科的作用化工生產過程自動化是一門綜合性的技術學科。它應用自動控制學科、儀器儀表學科及計算機學科的理論與技術服務于化學工程學科。對于熟悉化學工程學科的人員，如能再學習和掌握一些檢測技術和控制系統方面的知識，必能在推進中國的化工自動化事業中，起到事半功倍的作用。74本學科的作用化工生產過程自動化是一門綜合性的技術學科。它應用化工儀表及自動化第一章自動控制系統基本概念

75化工儀表及自動化第一章自動控制系統基本概念9內容提要化工自動化的主要內容自動控制系統的基本組成及方塊圖自動控制系統的分類自動控制系統的過渡過程和品質指標控制系統的靜態與動態控制系統的過渡過程控制系統的品質指標影響控制系統過渡過程品質的主要因素76內容提要化工自動化的主要內容10內容提要工藝管道及控制流程圖圖形符號字母代號儀表位號77內容提要工藝管道及控制流程圖11第一節化工自動化的主要內容1.自動檢測系統2.自動信號和聯鎖保護系統3.自動操縱及自動開停車系統4.自動控制系統圖1-1熱交換器自動檢測系統示意圖當工藝參數超過了允許范圍，在事故即將發生以前，信號系統就自動地發出聲光信號，告誡操作人員注意，并及時采取措施。如工況已到達危險狀態時，聯鎖系統立即自動采取緊急措施，打開安全閥或切斷某些通路，必要時緊急停車，以防止事故的發生和擴大。它是生產過程中的一種安全裝置。

自動操縱系統可以根據預先規定的步驟自動地對生產設備進行某種周期性操作。自動開停車系統可以按照預先規定好的步驟，將生產過程自動地投入運行或自動停車。

在受到外界干擾（擾動）的影響而偏離正常狀態時，自動控制系統能自動地控制而回到規定的數值范圍內。

利用各種檢測儀表對主要工藝參數進行測量、指示或記錄的，稱為自動檢測系統。它代替了操作人員對工藝參數的不斷觀察與記錄，起到人的眼睛的作用。78第一節化工自動化的主要內容1.自動檢測系統圖1-1熱交第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖

圖1-2人工操作圖圖1-3液位自動控制系統圖人工操作與自動控制比較圖控制速度和精度不能滿足大型現代化生產的需要79第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖圖1-2人工操作圖自動控制系統的組成組成自動化裝置被控對象測量元件與變送器自動控制器執行器第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖80自動控制系統的組成組自動化裝置被控對象測量元件與變送器自動控一、自動控制系統組成

★測量與變送裝置：直接測量被控參數，并將信號

轉換成標準信號。

★控制器：它接受變送器送來的信號，并與工藝規

定值進行比較得出偏差，按某種規律算出結果，

將此結果按特定的信號發送出去。

★執行器：能根據控制器送來的信號值來改變閥門

的開度大小。

★被控對象(簡稱對象)：與控制有關的化工設備的

相應部分，如貯液罐、精餾塔、換熱器等。第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖81一、自動控制系統組成

★測量與變送裝置：直接測量被控參數，自動控制系統中幾個常用術語★被控變量：被控對象內要求保持設定數值的工藝參數，y★操縱變量：受控制器操縱的，用以克服干擾的影響，使被控變量保持設定值的物料量或能量；q★擾動（干擾）：除操縱變量外，作用于被控對象引起被控變量變化的因素；f★設定值：被控變量的預定值，按工藝要求需保持規定的數值；x★偏差：被控變量的給定值與測量值之差。e=x-z第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖82自動控制系統中幾個常用術語★被控變量：被控對象內要求保持設定液位自動控制的方塊圖在研究自動控制系統時，為了便于對系統分析研究，一般都用方塊圖來表示控制系統的組成。下頁圖為液位自動控制系統的方塊圖每個方塊表示組成系統的一個部分，稱為“環節”。兩個方塊之間用一條帶有單向箭頭的線條表示其信號的相互關系，箭頭指向方塊表示為這個環節的輸入，箭頭離開方塊表示為這個環節的輸出。線旁的字母表示相互間的作用信號。第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖83第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖17液位自動控制的方塊圖圖1-4液位自動控制系統方塊圖第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖方塊圖中，x

指設定值；z

指輸出信號；e指偏差信號；p指發出信號；q

指出料流量信號；y

指被控變量；f

指擾動作用。當x取正值，z取負值，e=x-z，負反饋；x

取正值，z取正值，e=x+z，正反饋。84液位自動控制的方塊圖圖1-4液位自動控制系統方塊圖第二節其他控制系統

用同一種形式的方塊圖可以代表不同的控制系統圖1-5蒸汽加熱器溫度控制系統

當進料流量或溫度變化等因素引起出口物料溫度變化時，可以將該溫度變化測量后送至溫度控制器TC。溫度控制器的輸出送至控制閥，以改變加熱蒸汽量來維持出口物料的溫度不變。這個控制系統同樣可以用上頁中的方塊圖表示第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖85其他控制系統圖1-5蒸汽加熱器溫度控制系統當進料流注意！方塊圖中的每一個方塊都代表一個具體的裝置。方塊與方塊之間的連接線，只是代表方塊之間的信號聯系，并不代表方塊之間的物料聯系。方塊之間連接線的箭頭也只是代表信號作用的方向，與工藝流程圖上的物料線是不同的。工藝流程圖上的物料線是代表物料從一個設備進入另一個設備，而方塊圖上的線條及箭頭方向有時并不與流體流向相一致。第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖86注意！方塊圖中的每一個方塊都代表一個具體的裝置。方塊與方塊之方塊圖中需要注意的幾個問題★自動控制系統是一個閉環系統，也是一個反饋系統；★

在自動控制系統中都采用負反饋；e=x-z★

自動控制系統與自動檢測、自動操縱等系統的本質區別:

自動控制系統是有負反饋的閉環系統:有針對性地根據被控變量的變化情況而改變控制作用的大小和方向，從而使系統的工作狀態始終等于或接近于所希望的狀態。

自動檢測、自動操縱系統為開環系統:這些系統按照預先規定好的程序周而復始地運轉。這時被控變量如果發生了變化，該系統不會自動地根據被控變量的實際工況來改變自己的操作。第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖87方塊圖中需要注意的幾個問題★自動控制系統是一個閉環系統，也小結開環系統：自動機在操作時，一旦開機，就只能是按照預先規定好的程序周而復始地運轉。這時被控變量如果發生了變化，自動機不會自動地根據被控變量的實際工況來改變自己的操作。比較閉環系統：有針對性地根據被控變量的變化情況而改變控制作用的大小和方向，從而使系統的工作狀態始終等于或接近于所希望的狀態。第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖88小結開環系統：自動機在操作時，一旦開機，就只能是按照預先規定第三節自動控制系統的分類幾種分類方法按被控變量來分類，如溫度、壓力等控制系統；按控制器具有的控制規律來分類，如比例、比例積分、比例微分、比例積分微分等控制系統；將控制系統按照工藝過程需要控制的被控變量的給定值是否變化和如何變化來分類，這樣可將自動控制系統分為三類，即定值控制系統、隨動控制系統和程序控制系統。其中第三種分類方法最普遍89第三節自動控制系統的分類幾種分類方法其中第三種分類方法最普第三節自動控制系統的分類

“定值”是恒定給定值的簡稱。工藝生產中，若要求控制系統的作用是使被控制的工藝參數保持在一個生產指標上不變，或者說要求被控變量的給定值不變，就需要采用定值控制系統。1.定值控制方法2.隨動控制系統（自動跟蹤系統）

給定值隨機變化，要求被控參數以一定精度跟隨給定值變化的控制系統，也叫自動跟蹤系統，伺服系統。該系統的目的就是使所控制的工藝參數準確而快速地跟隨給定值的變化而變化。如導航雷達系統，比值控制系統。90第三節自動控制系統的分類“定值”是恒定給定值第三節自動控制系統的分類3.程序控制系統（順序控制系統）給定值變化，但它是一個已知的時間函數，即生產技術指標需按一定的時間程序變化。這類系統在間歇生產過程中應用比較普通。則這種系統又稱為順序控制系統。如纖維錦綸生產中熟化罐溫度控制系統、金屬的熱處理等。91第三節自動控制系統的分類3.程序控制系統（順序控制系統）第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標一、控制系統的靜態與動態自動控制目的：希望將被控變量保持在一個不變的給定值上，這只有當進入被控對象的物料量（或能量）和流出對象的物料量（或能量）相等時才有可能。

靜態——被控變量不隨時間而變化的平衡狀態（變化率為0，不是靜止）。92第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標一、控制系統的靜態當一個自動控制系統的輸入（給定和干擾）和輸出均恒定不變時，整個系統就處于一種相對穩定的平衡狀態，系統的各個組成環節如變送器、控制器、控制閥都不改變其原先的狀態，它們的輸出信號也都處于相對靜止狀態，這種狀態就是靜態。●

系統各環節不改變原先的狀態，各信號變化率為零;●生產還在進行，仍有物料和能量平穩進出。第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標93當一個自動控制系統的輸入（給定和干擾）和輸出均恒定不變時動態——被控變量隨時間變化的不平衡狀態。

從干擾作用破壞靜態平衡，經過控制，直到系統重新建立平衡，在這一段時間中，整個系統的各個環節和信號都處于變動狀態之中，這種狀態叫做動態。結論：在自動化工作中，了解系統的靜態是必要的，但是了解系統的動態更為重要。因為在生產過程中，干擾是客觀存在的，是不可避免的，就需要通過自動化裝置不斷地施加控制作用去對抗或抵消干擾作用的影響，從而使被控變量保持在工藝生產所要求控制的技術指標上。第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標●干擾引起平衡狀態破壞，控制器、控制閥改變原來狀態，產生一定控制作用來克服干擾，使系統逐漸重新建立平衡；94動態——被控變量隨時間變化的不平衡狀態。從二、控制系統的過渡過程系統由一個平衡狀態過渡到另一個平衡狀態的過程。（定義）當干擾作用于對象，系統輸出y發生變化，在系統負反饋作用下，經過一段時間，系統重新恢復平衡。舉例圖1-7控制系統方塊圖第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標95二、控制系統的過渡過程當干擾作用于對象，系統輸出y發生變化，系統在過渡過程中，被控變量是隨時間變化的。被控變量隨時間的變化規律首先取決于作用于系統的干擾形式。在生產中，出現的干擾是沒有固定形式的，且多半屬于隨機性質。在分析和設計控制系統時，為了安全和方便，常選擇一些定型的干擾形式，其中常用的是階躍干擾。第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標96系統在過渡過程中，被控變量是隨時間變化的。被控變量隨時間的變采用階躍干擾的優點：這種形式的干擾比較突然、危險，且對被控變量的影響也最大。如果一個控制系統能夠有效地克服這種類型的干擾，那么一定能很好地克服比較緩和的干擾。這種干擾的形式簡單，容易實現，便于分析、實驗和計算。圖1-8階躍干擾作用第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標97采用階躍干擾的優點：圖1-8階躍干擾作用第四節自動控制系非周期衰減過程衰減震蕩過程等幅震蕩過程

發散震蕩過程X√√？對于控制質量要求不高的場合，如果被控變量允許在工藝許可的范圍內振蕩（主要指在位式控制時），才可采用。

第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標自動控制系統在階躍干擾作用下過渡過程的四種形式98非周期衰減過程衰減震蕩過程等幅震蕩過程發散震蕩過程X√√？三、控制系統的品質指標控制系統的過渡過程是衡量品質的依據。圖1-10過渡過程品質指標示意圖假定自動控制系統在階躍輸入作用下，被控變量的變化曲線如上圖所示，這是屬于衰減振蕩的過渡過程多數情況下，希望得到衰減振蕩過程，在此取這種過程形式討論控制系統的品質指標。第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標99三、控制系統的品質指標圖1-10過渡過程品質指標示意圖五種重要品質指標之一1.最大偏差A或超調量B

最大偏差是指在過渡過程中，被控變量偏離給定值的最大數值。在衰減振蕩過程中，最大偏差就是第一個波的峰值。特別是對于一些有約束條件的系統，如化學反應器的化合物爆炸極限、觸媒燒結溫度極限等，都會對最大偏差的允許值有所限制。

超調量B也可以用來表征被控變量偏離給定值的程度。B=A-C第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標100五種重要品質指標之一1.最大偏差A或超調量B最大偏2.衰減比n=B/B`衰減比是衰減程度的指標，它是前后相鄰兩個峰值的比。習慣表示為n:1，一般n取為4～10之間為宜。五種重要品質指標之二第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標101五種重要品質指標之二第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標五種重要品質指標之三3.余差C當過渡過程終了時，被控變量所達到的新的穩態值與給定值之間的偏差叫做余差，或者說余差就是過渡過程終了時的殘余偏差。有余差的控制過程稱為有差調節，相應的系統稱為有差系統。反之就為無差調節和無差系統。第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標102五種重要品質指標之三第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標五種重要品質指標之四4.過渡時間從干擾作用發生的時刻起，直到系統重新建立新的平衡時止，過渡過程所經歷的時間叫過渡時間。一般在穩態值的上下規定一個小范圍，當被控變量進入該范圍并不再越出時，就認為被控變量已經達到新的穩態值，或者說過渡過程已經結束這個范圍一般定為穩態值的±5％（也有的規定為±2％）。第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標103五種重要品質指標之四第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標五種重要品質指標之五5.振蕩周期或頻率過渡過程同向兩波峰（或波谷）之間的間隔時間叫振蕩周期或工作周期，其倒數稱為振蕩頻率。在衰減比相同的情況下，周期與過渡時間成正比，一般希望振蕩周期短一些為好。第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標104五種重要品質指標之五第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標某換熱器的溫度控制系統在單位階躍干擾作用下的過渡過程曲線如下圖所示。試分別求出最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間（給定值為200℃）。舉例圖1-11溫度控制系統過渡過程曲線第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標105某換熱器的溫度控制系統在單位階躍干擾作用下的過渡過程曲線如下解

最大偏差A＝230-200＝30℃余差C＝205-200＝5℃由圖上可以看出，第一個波峰值B＝230-205＝25℃，第二個波峰值B’＝210－205＝5℃，故衰減比應為B:B’＝25:5＝5:1。振蕩周期為同向兩波峰之間的時間間隔，故周期T＝20-5＝15（min）第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標106解最大偏差A＝230-200＝30℃余差C＝205-20

分析過渡時間與規定的被控變量限制范圍大小有關，假定被控變量進入額定值的±2％，就可以認為過渡過程已經結束，那么限制范圍為205×（±2％）≈±4℃，這時，可在新穩態值（205℃）兩側以寬度為±4℃畫一區域，上圖中以畫有陰影線的區域表示，只要被控變量進入這一區域且不再越出，過濾過程就可以認為已經結束。因此，從圖上可以看出，過渡時間為22min。第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標107分析過渡時間與規定的被控變量限制范圍大小有關，假

某發酵過程工藝規定操作溫度為（40±2）℃。考慮到發酵效果，控制過程中溫度偏離給定值最大不能超過6℃?，F設計一定值控制系統，在階躍擾動作用下的過渡過程曲線如下圖所示。試確定該系統的最大偏差、衰減比、余差、過渡時間（按被控變量進入±2%新穩態值即達到穩定來確定）和振蕩周期等過渡過程指標，并回答該系統能否滿足工藝要求？舉例108某發酵過程工藝規定操作溫度為（40±2）℃。考慮到發工藝設定值為40℃,新穩定值為41℃衰減比

第一個波峰值B=45-41=4℃；

第二個波峰值B’=42-41=1℃；

B:B’=4：1過渡時間Ts：被控變量進入新穩態值的±2%，就可以認為過渡過程已經結束，那么限制范圍應是41×（±2%）=±0.82℃。過渡時間Ts=23min

最大偏差

A=45-40=5℃；超調量B

=45-41=4℃余差

C=41-40=1℃；振蕩周期

T=18-5=13min109工藝設定值為40℃,新穩定值為41℃衰減比第一個波峰值四、影響控制系統過渡過程品質的主要因素

一個自動控制系統可以概括成兩大部分，即工藝過程部分（被控對象）和自動化裝置部分。前者指與該自動控制系統有關的部分。后者指為實現自動控制所必需的自動化儀表設備，通常包括測量與變送裝置、控制器和執行器等三部分。第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標110四、影響控制系統過渡過程品質的主要因素一個自動控制系對于一個自動控制系統，過渡過程品質的好壞，在很大程度上決定于對象的性質。例如在前所述的溫度控制系統中，屬于對象性質的主要因素有：換熱器的負荷大小，換熱器的結構、尺寸、材質等，換熱器內的換熱情況、散熱情況及結垢程度等。不同自動化系統要具體分析。第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標自動化裝置的選擇和調整不當，也會直接影響控制質量

如測量是否失真，閥門是否失效，控制器的參數選擇是否合適等111對于一個自動控制系統，過渡過程品質的第五節工藝管道及控制流程圖工藝流程和控制方案的確定后，根據工藝設計給出的流程圖，按其流程順序標注出相應的測量點、控制點、控制系統及自動信號與聯鎖保護系統等，便成了工藝管道及控制流程圖（PID圖）(PipingandInstrumentationDiagram)?？刂品桨赣晒に嚾藛T和自控設計人員共同研究確定；包括流程中各測量點的選擇、控制系統的確定及有關自動信號、聯鎖保護系統的設計等。112第五節工藝管道及控制流程圖工藝流程和控制方案的確定第五節工藝管道及控制流程圖圖1-12脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖舉例右圖是乙烯生產過程中脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖舉例113第五節工藝管道及控制流程圖圖1-12脫乙烷塔的工藝管道及控一、圖形符號1.測量點（包括檢出元件、取樣點）

測量點是由工藝設備輪廓線或工藝管線引到儀表圓圈的連接線的起點，一般無特定的圖形符號，如下圖所示。必要時，檢測元件也可以用象形或圖形符號表示。圖1-13測量點的一般表示方法第五節工藝管道及控制流程圖114一、圖形符號測量點是由工藝設備輪廓線或工藝管線引到儀2.連接線

通用的儀表信號線均以細實線表示。連接線表示交叉及相接時，采用下圖的形式。必要時也可用加箭頭的方式表示信號的方向。在需要時，信號線也可按氣信號、電信號、導壓毛細管等采用不同的表示方式以示區別。圖1-14連接線的表示法第五節工藝管道及控制流程圖1152.連接線通用的儀表信號線均以細實線表示。連3.儀表（包括檢測、顯示、控制）的圖形符號

儀表的圖形符號是一個細實線圓圈，直徑約10mm，對于不同的儀表安裝位置的圖形符號如下頁表所示。第五節工藝管道及控制流程圖1163.儀表（包括檢測、顯示、控制）的圖形符號第五節工藝管道就地儀表盤面安裝儀表3就地儀表盤后安裝儀表5集中儀表盤面安裝儀