1、摘 要隨著我國工業化水平不斷提高,化工儀表自動化研究備受關注。生產實踐中的自動 化控制是一門綜合性的技術學科, 自動化儀表的應用為化工行業過程控制提供了先進的 手段,同時其必不可少的控制儀器為自動控制儀表。本文從化工生產的角度出發探討了 自動化儀表的含義分類、產生發展、工作屬性、功能開發及其未來的發展趨勢,對提升 化工效率、企業經濟效益、社會綜合效益,鞏固儀表控制安全操作性、靈活應用性有積 極有效的促進作用?；瘜W工業是創造價值經濟的重要組成部分 , 它直接影響國計民生還 國民經濟的其他部門密切相關。化工生產過程 , 往往是在密閉的容器和設備中 , 在對于工作人員不利的情況下連續進 行的。此外

2、, 不少介質還具直接傷害人體的化學性質。因此 , 為了響應 “以人為本” 的號召 , 使化工生產正常地、高效地進行 , 就必須把各項工藝參數維持在某一最佳的范圍之內 , 并 盡 量 使 生產過程自動化 , 而這些數據的控制和維持 , 最直觀的就是化工生產自動化儀表的部 分。關鍵詞:自動化,化工生產,控制儀表目 錄第六章 結論 . 15參考文獻 . 16致 謝 . . 17第一章 緒論1.1儀表自動化的產生和定義工業儀表在我國出現較早,剛開始出現時主要運載在冶金、熱能動力、石油煉制以 及化工等熱力生產行業中,所以在當時工業儀表被稱作是熱工表。最早生產出的工業儀 表主要有液動式以及機械式兩種,而且

3、體積也較大,主要作用是進行檢測記錄與簡單的 控制,運用起來極不靈活而且功能較少,不能夠在工業生產中發揮很大的作用。后來人 們對這種工業儀表進行了發展與優化, 針對其不能進行遠程控制的問題研制除了氣動儀 表,這種儀表具備了壓力信號與遠程發送器,可以進行遠距離的檢測記錄與控制,在這 個基礎上有出現了可調節的電子儀表。在二十世紀五十年代左右,首次出現了電動式儀 表,它主要是利用各種電子儀器對工業儀表進行控制。再后來,集成電路與半導體技術 得到了一定的發展出現了計算機信息技術,這才逐漸出現了自動化技術,計算機技術的 發展帶動了自動化技術的發展,并開始在化工行業中得到運用。自動化工業儀表的真正出現是在二

4、十世紀的八十年代, 人們通過一種控制裝置把自 動化技術與工業儀表進行了有效結合,然后通過組裝的電子設備進行綜合控制,后來隨 著控制技術的不斷發展,自動化技術逐漸成為了工業儀表發展的主要工具,也就出現了 真正的自動化工業儀表。隨著自動化儀表技術的不但發展,其體積越來越來,功能越來 越全,在工業生產中發揮的作用也越來越明顯,成為現代工業發展必不可少的一個重要 工具。隨著社會信息技術的不斷發展,自動化工業儀表在發展的過程中也表現出了開放 性、總線性、網絡化以及智能化等特點。自動化工業儀表主要是通過采用接口通信、微 處理器以及集成電路等現代化網絡技術來實現其智能化的, 這些技術可以利用一些嵌入 式軟件

5、對自動化工業儀表的內部操作進行協調,從而使其具備智能化處理能力。在這個 基礎上對各種輸入信號進行非線性處理,并通過壓力與溫度進行補償,再通過故障診斷 以及零點的修正與漂移等過程來逐步實現自動化工業儀表的總線控制, 這種總線控制式 自動化工業儀表是未來重點發展的重點?？傊?未來自動化工業儀表的發展離不開計算 機信息技術的支持,只有把計算機數字化技術充分運用到自動化工業儀表中,才能使自 動化工業儀表取得進一步發展。 一般同時具有數種功能,如測量、顯示、記錄或測量、控制、報警等。自動化儀表本身 是一個系統,又是整個自動化系統中的一個子系統。自動化儀表是一種“信息機器”, 其主要功能是信息形式的轉換,

6、將輸入信號轉換成輸出信號。信號可以按時間域或頻率 域表達,信號的傳輸則可調制成連續的模擬量或斷續的數字量形式。儀表自動化是用以 實現信息的獲取、傳輸、變換、存儲、處理與分析,并根據處理結果對生產過程進行控 制的重要技術工具。近年來,微電子技術、計算機技術、網絡通信技術和數字信息處理 技術等日新月異發展的新技術對自動化儀表產生了深遠的影響1.2自動化的工業應用環保儀器儀表主要用在環境質量監測和污染源監測等方面。針對我國具體國情,環 保主要解決我國水環境、大氣環境兩個戰略性和全局性的大環境生態污染問題。隨著節 能降耗、減少排放和低碳經濟成為國家長期國策。在國家電網公司提出,要大力推進以特高壓電網為

7、龍頭、各級電網協調發展、健全 智能電網的原則, 同時還明確了電力用戶用電信息采集系統建設是我國智能電網建設的 重要組成部分后,智能電網建設漸進式發展起來。而電網建設是全球性行為,是長期、 漸進式的剛性市場,為電工儀器儀表行業的重大發展機遇。工業自動化儀表重點發展基于現場總線技術的主控系統裝置及智能化儀表、 特種專 用自動化儀表。從市場需求看,我國工業自動化市場需求日旺。據中國儀器儀表協會預 測,到十一 . 五末,工業自動化市場需求將超過 1000億元。隨著國家對民生關注的大大 提高, 一些與民生相關的需求也提到日程上來, 也對儀器儀表提出新的要求和市場需求。第二章 儀表自動化的介紹2.1概述以

8、前, “自動化”一詞多用在現代化的行業中,如化工、煉油、紡織、電力、輕工 業等。 如今, 自動化已經進入我們的生活領域, 出現了許多新興的詞匯, 如樓宇自動化、 辦公自動化等。 現代家庭中的自動化裝置隨處可見, 從電飯鍋到熱水器, 從電爐到空調, 它使我們能輕松的感受到生活的便捷。自動化(Automation 是指機器設備、系統或過程(生產、管理過程在沒有人或 較少人的直接參與下, 按照人的要求, 經過自動檢測、 信息處理、 分析判斷、 操縱控制, 實現預期的目標的過程。自動化技術廣泛用于工業、農業、軍事、科學研究、商業、醫 療、服務和家庭等方面。采用自動化技術不僅可以把人從繁重的體力勞動、部

9、分腦力勞 動以及惡劣、危險的工作環境中解放出來,而且能擴展人的器官功能,極大地提高勞動 生產率,增強人類認識世界和改造世界的能力。因此,自動化是工業、農業、國防和科 學技術現代化的重要條件和顯著標志。一般過程控制系統是由被控對象、測量變送器、控制器、控制閥四個基本環節所組 成簡單控制系統結構簡單, 投資少, 易于調整和投運, 能滿足一般生產過程的控制要求, 因而應用廣泛。它尤其適用于被控對象純滯后和時間常數較小,負荷和干擾變化比較平 緩或者對被控變量要求不太高的場合。按被控制的工藝變量來劃分,最常見的是溫度、 壓力、流量、液位和成分五種控制系統。工業控制系統指對工業生產過程及其機電設備、 工藝

10、裝備進行測量與控制的自動 化技術工具 (包括自動測量儀表、控制裝置 的總稱。工業自動化系統以構成的軟、硬件 可分類為:自動化設備、儀器儀表與測量設備、自動化軟件、傳動設備、計算機硬件、 通信網絡等。(1 自動化設備:包括可編程序控制器(PLC 、傳感器、編碼器、人機界面、開 關、斷路器、按鈕、接觸器、繼電器等工業電器及設備;(2 儀器儀表與測量設備:包括壓力儀器儀表、溫度儀器儀表、流量儀器儀表、物位儀器儀表、閥門等設備;(3 自動化軟件:包括計算機輔助設計與制造系統(CAD/CAM、工業控制軟件、 網絡應用軟件、數據庫軟件、數據分析軟件等;(4 傳動設備:包括調速器、伺服系統、運動控制、電源系

11、統、馬達等;(5 計算機硬件:包括嵌入式計算機、工業計算機、工業控制計算機等;(6 通信網絡:網絡交換機、視頻監視設備、通信連接器、網橋等。2.2工業自動化的優點在集散控制系統(DCS 和可編程邏輯控制器(PLC 中,過去的調節器的功能是由 軟件實現的。一般為控制器系統軟件中的一個功能函數。此功能函數可以通過簡單的組 態實現非常復雜的控制功能,組成簡單控制系統只是其中的應用之一。和過去的常規模 擬儀表不同,復雜的控制系統與簡單控制系統相比,在硬件上并不增加多少投資,硬件 安裝復雜程度也沒增加。 那么是不是應該更多的使用復雜控制系統來取代簡單控制系統 呢?筆者不這么看,在選擇控制方案時,應該一切

12、從實際出發,能滿足控制要求就可以 了, 畢竟簡單控制系統結構簡單, 調整和投運比較容易。 先進技術的采用只是一種手段, 并不是我們所要的效果。只有合理地使用才能真正提高自動化水平,提高產品的質量和 數量,改善勞動條件,在經濟效益上也會反映出來。不從具體實際出發,一味的追求復 雜高級,甚至認為控制系統越復雜就越先進,效果就越好的看法是錯誤的。對于一個搞 自動化的工程技術人員來說,掌握一些先進的控制技術不是最難的,最難的就是怎樣合 理的應用這些技術。第三章 自動化儀表的分類3.1檢測儀表分類方法很多 , 根據不同原則可以對自動化儀表進行不同的分類。我們根據實際生 產中數據采集的不同特點 , 從以下

13、幾方面對化工自動化儀表進行分析。化工生產的特點是在一定溫度和壓力下 , 使原料發生一定的化學反應或變化 , 因此 , 對于生產中的溫度控制是不可避免的。 一般需要指示的溫度范圍為 -200+1800 , 方式 一般為接觸式測量。最常用的儀器儀表是熱電阻、熱電偶。由于電子技術的發展特別是 現場總線技術的應用 , 熱電阻、 熱電偶信號直接進入 DCS 或其它溫度采集儀表 , 一體化的 溫度變送器 (兩線制 等 , 使溫度控制實現自動化。壓力是化工生產中必不可少的 , 沒有一定的壓力 , 反應就會發生 , 生產就不能進行。 而因壓力往往關系到生產、設備和人身安全 , 因此 , 壓力儀表是非常關鍵的。

14、一般壓力范 圍為負壓到 300Mpa(高壓聚乙烯反應器 。因為壓力的測量原理有多種 , 壓力儀表的種類也較多 , 有壓力傳感器、 變送器和特種 壓力儀表等 , 應用的范圍有高溫介質、脈動介質、腐蝕介質、粘稠狀、粉狀、易結晶介 質的壓力測量 , 精度可達 0.1級。為了測量不同場合的壓力 , 壓力表可分為 :液柱式、彈性式、活塞式 (壓力校驗儀 3類。 作為壓力調節系統除采用壓力變送器將信號送至 DCS 或其它調節器外 , 位移平衡式、 基地式調節器仍常用于現場測量和控制。在化工生產中 , 往往需要對原料、 半成品和成品的液位進行測量 , 由于測量過程與被 測物料特性關系密切 , 所以除浮力式儀

15、表外 , 物料儀表沒有通用產品 , 按測量方式分為直 讀式、浮力式、靜壓式 (差壓、壓力 、電接觸式、電容式、超聲波式、雷達式、重垂式、 輻射式、激光式、音叉式、磁致伸縮式、矩陣渦流式等 , 其中雷達式 (0.3%、磁致伸縮 式 (0.05%以及矩陣渦流式 液位計(1mm精度高 , 在石化行業的應用逐步普及。 流量的測量是化工生產中最多的控制環節 , 也是溫、壓、液 (位 、流四大參數中內 容最豐富的一個門類。 我們所說的流量 , 不是一般的流速 , 是單位時間內流經有效截面的 流體的體積和質量 , 有時還要測量管道中一段時間內流過的累積流體的體積和質量。由 于不同條件下對流量測量的要求不同

16、, 有大口徑流量、微小流量 ; 高、低溫介質的流量 ; 高粘度介質強腐蝕介質的流量 ; 粉料、粘污介質的流量 ; 脈動流、多相流等流量。流量測量原理上大致分有速度法、容積法測量體積流量 , 直接法、推導法測量質量 流量。實際上細分有節流式或壓差式 (孔板、噴嘴、文丘里管等 、速度式 (水表、渦輪、 靶式、電磁、超聲波、渦街、質量流量計等 。現代化工生產自動化需要全部的工藝參數的自動化測量與控制 , 因此 , 生產過程中 對溫度、壓力、流量、液位等工藝參數的保證 , 只是間接保證最終產品或中間產品的質 量合格 , 而對過程中物料成分的直接分析和對最終產品的成分分析是生產過程控制成功 與否的根據

17、, 在線過程分析儀的應用 , 可以實現化工生產控制和分析的完全自動化。 在應 用中 , 在線過程分析儀器要配合高精尖的分析儀器配套使用 , 一般包括液相色譜、 氣相色 譜、質譜、紫外及紅外光譜、核磁、電鏡、原子吸收及等離子發射光譜、電化學等分析 儀器。3.2 控制儀表DCS, (Distributed Control System分散控制系統的簡稱,國內一般習慣稱之為 集散控制系統。 DCS 是一個由過程控制級和過程監控級組成的以通信網絡為紐帶的多級 計算機系統,綜合了計算機,通信、顯示和控制等 4C 技術,其基本思想是分散控制、 集中操作、分級管理、配置靈活以及組態方便。 DCS 具有以下特

18、點:(1 高可靠性。由于 DCS 將系統控制功能分散在各臺計算機上實現,系統結構采 用容錯設計,因此某一臺計算機出現的故障不會導致系統其他功能的喪失。此外,由于 系統中各臺計算機所承擔的任務比較單一, 可以針對需要實現的功能采用具有特定結構 和軟件的專用計算機,從而使系統中每臺計算機的可靠性也得到提高。(2 開放性。 DCS 采用開放式,標準化、模塊化和系列化設計,系統中各臺計算可編程控制器簡稱 PC (英文全稱:Programmable Controller ,它經歷了可編程序 矩陣控制器 PMC 、可編程序順序控制器 PSC 、可編程序邏輯控制器 PLC (英文全稱: Programmab

19、le Logic Controller和可編程控制器 PC 幾個不同時期。為與個人計算機 (PC 相區別,現在仍然沿用可編程邏輯控制器這一老名字。 PLC 是一種專門為在工業 環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器,用來在 其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令,并能通過 數字式或模擬式的輸入和輸出,控制各種類型的機械或生產過程。 PLC 及其有關的外圍 設備都應該按易于與工業控制系統形成一個整體,易于擴展其功能的原則而設計。 PLC 的特點:可靠性高,抗干擾能力強PLC 用軟件代替大量的中間繼電器和時間繼電器,僅剩下與輸入和輸出有關的

20、少量 硬件, 接線可減少到繼電器控制系統的 1/101/100, 因觸點接觸不良造成的故障大為減 少。高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。 PLC 由于采用現代大規模集成電路技術,采 用嚴格的生產工藝制造,內部電路采取了先進的抗干擾技術,具有很高的可靠性。例如 三菱公司生產的 F 系列 PLC 平均無故障時間高達 30萬小時。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均無故障工作時間則更長。從 PLC 的機外電路來說,使用 PLC 構成控制系統,和同 等規模的繼電接觸器系統相比,電氣接線及開關接點已減少到數百甚至數千分之一,故 障也就大大降低。此外, PLC 帶有硬件故障自我檢測功能,出現故障時可及

21、時發出警報 信息。在應用軟件中,應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序,使系統中除 PLC 以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣,整個系統具有極高的可靠性也就不奇 怪了。硬件配套齊全,功能完善,適用性強第四章 自動化系統在化工生產中的應用生產過程中,對各個工藝過程的物理量(或工藝變量有著一定的控制要求。有些 工藝變量直接表現生產過程,對產品的數量與質量起著決定性的作用。例如,精餾塔的 塔頂或塔底溫度,一般在操作壓力不變的情況下必須保持一定,才能得到合格的產品; 加熱爐出口溫度的波動不能超過允許范圍,否則將影響后一工段的效果;化學反應器的 反應溫度必須保持平穩,才能使效率達到指標。有些工

22、藝變量雖不直接地影響產品的質 量和數量,然而保持其平穩卻是使生產獲得良好控制的前提。4.1鍋爐汽包水位控制方面的研究鍋爐汽包是生產蒸汽的設備,幾乎是工業生產不可缺少的設備,保持鍋爐汽包液位 在規定范圍內是非常重要的, 若水位過低, 則會影響產氣量, 且鍋爐易燒干而發生事故; 若水位過高,生產蒸汽含水量高,會影響蒸汽質量。這些都是危險的,因此對汽包的液 位消失后,由于蒸汽量增加,送水量反而減小,將使水位嚴重下降,波動的歷害,嚴重 時氣包水位降到危險程度以至發生事故。因此對于停留時間短、負荷變動較大的情況, 這樣的系統不能適應,水位不能保證。然而對于小型鍋爐,由于水在汽包中的停留時間 較長,在蒸汽

23、負荷變化時,假水位的現象并不顯著,配上一些連鎖報警裝置,也可以保 證安全操作,故采用這種單沖量控制系統尚能滿足生產要求。在汽包水位的控制中,最主要的擾動是蒸汽負荷的變化。如果根據蒸汽流量來進行 校正,不僅可以補償“虛假水位”所引起的誤動作,而且使給水位控制閥的動作十分及 時,從而減少水位波動,改善控制品質。將蒸汽流量信號引入,就購入了雙沖量控制系 統,如圖 4-2所示。從本質上看,雙沖量控制系統是一個前饋(蒸汽流量控制加單回 IF蒸汽流量變送器(一般經開方器的輸出;I初始偏置值C 1、 C2加法器系數。C 1 的設置一般取 1, C2的值應考慮到靜態前饋補償,可現場湊試,也可經理論推導得出。設

24、置 I的目的是使其在正常負荷下, 控制器和加法器的輸出都有一個比較適中的數值。最好在正常負荷下, I 0 和 C2IF項接近而相互抵消。雙沖量控制系統還有兩個弱點:控制閥的工作特性不一定能成為線性特性,這樣要 做到靜態補償就比較困難;同時,對于給水系統的擾動不能克服。為此可再將給水流量 同,各系數設置如下:a 系數 C1通?？扇?1或稍小于 1的數值;b 若采用氣開閥; C 2 取正值, C2的值可按物料平衡關系進行計算;c I的設置和取值與雙沖量控制系統相同。 加法器,加法器可接在控制器之前,如圖 4-5(a 所示:也可接在控制器之后,如圖 4-5(b所示: 圖 4-5 汽包三沖量控制系統的

25、簡化接法圖中加法器的正負號是針對采用氣關閥及正作用控制器的情況。 圖 4-5(a 接法的 優點是使用儀表最少,只要一臺多通道的控制器即可實現。但如果系數設置不能確保物 料平衡,則當負荷變化時,水位將有余差,圖 4-5(b的接法,水位無余差,但使用儀表 較前者多,在投運及系數設置等方面較前者麻煩一些。4.2冷卻器控制方案的研究冷卻器的熱載體是冷卻劑,常采用液態氨等介質作為冷卻劑,利用它們在冷卻器內 蒸發進吸收工藝物料的大量熱量,使用工藝物料的出口溫度下降來達到生產工藝要求, 工業用冷卻器的一般控制方案有以下幾種。 如圖對壓縮機入口壓力無影響。但這種方案控制不夠靈活,另外蒸發空間不能得到保證,易

26、引起氨氣帶液而損壞壓縮機。為此,可采用圖 4-7所示的物料出口溫度與液位的串級控 制方案,使用這種方案時,可以限制液位的上限,保證有足夠的蒸發空間。也可以采用 圖 3-8 如圖 4-9所示,為氨冷卻器控制氣氨排量的控制方案,其機理是通過改變傳熱速率 方程中的平均溫度來控制工藝物料的出口溫度的,這種方案控制靈敏迅速,但制冷系統必須許可壓縮機入口壓力的波動。另外,冷量的利用不充分。為確保系統的安全運行, 還需要設置一個液位控制系統,防止液氨進入氨管路而導致壓縮機損壞。 根據以上分析研究可知:自動控制裝置和被控的工藝設備組成了一個沒有人直接 參與的自動化控制系統。操作工坐在操作室里,就能觀察到整個裝

27、置的變化。因此, 保證生產過程的安全,降低了勞動強度。近二十年來, 工業生產規模的迅速發展, 加劇了對人類生存環境的污染, 因此小 工業生產對環境的污染的影響也納入了過程控制的目標范圍。綜上所述,過程自動化控制的主要目標包括以下幾個方面:1、保證生產過程的安全和平穩;2、達到預期的產量和質量;3、盡可能地減少原材料和能源損耗;4、把生產對環境的危害降到最小限度。第五章 自動化在化工生產中的發展方向自動化儀表的發展方向?？茖W技術的進步不斷對儀器儀表提出更高更新的要求。儀 器儀表的發展趨勢是不斷利用新的工作原理和采用新材料及新的元器件。 傳統的測量儀 器主要由 3個功能塊組成 :信號的采集與控制單

28、元、信號的分析與處理單元、結果的表 達與輸出單元。由于這些功能塊基本上是以硬件或固化的軟件形式存在,因此傳統儀器 的設計復雜,靈活性差,沒有擺脫獨立使用,手動操作的模式,整個過程幾乎僅限于模 仿人工測試的步驟,給它的發展帶來了很大的局限性。近年來,計算機科學和微電子技 術的迅速發展和普及,導致了儀表的結構概念和設計觀點等都發生了突破性的變化,形 成了一類具有普通儀表的基本功能,又有一般儀表所沒有的特殊功能的高檔低價儀表。 自動化儀表尤其是工業自動化現場儀表的智能化、總線化、網絡化的發展進程,不 難看出計算機技術對現代自動化儀表技術的發展起到了十分積極的促進作用, 計算機網 絡與工業局域網的融合

29、又大大豐富和發展了現代自動控制技術。因此,現代自動化儀表 的智能化技術不但改善了儀表本身的性能,還影響到了控制網絡的體系結構,它不再是 功能單一的固定結構,其適應性越來越強,功能也越來越豐富。針對目前國內自動化儀 表行業發展所遇到的一些問題,相信在行業逐漸成熟的背景下,這些問題能逐一解決。 新一代的智能化儀器儀表將在計算機網絡技術支持下, 在各行各業得到越來越廣泛的應 用。第六章 結論當前我國正處于大型及中小型企業、鄉鎮企業綜合發展時期,他們依據化工生產實 踐不同狀況需求綜合應用各類氣動、電動、模擬、數字及自動化儀表,輔以應用計算機 技術構建了電氣結合、數模共存、綜合全面、取長補短、協調發展的化工生產環境及各 類自動化綜合控制系統,令我國現代化建設事業蓬勃發展,闊步向前,形成一個綜合的 有機整體。由此可見倘若沒有現代化、自動化、綜合性的控制裝置與儀表,綜合全面的 化工生產也就無從談起了。隨著市場經濟的飛速發展及城市化建設進程的