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摘 要:论文对生产过程自动化及其作用进行了分析,着重讲述了生产过程自动化控制及其效能,阐述了生产过程自动化控制的发展概况和生产过程自动化控制系统组成及分类,提出了生产过程自动化控制系统的质量与性能标准。
关键词:生产过程自动化 发展概况 质量与性能
一、生产过程自动化及其作用
(一)生产过程自动化
生产过程自动化就是通过采用计算机技术和软件工程采集的数据和程序的运算,输出到执行器起执行以达到生产工艺过程的控制目的。更高效、更安全地运营,重要就是学习仪表.控制系统,通讯。
(二)生产过程自动化的作用
在生产过程自动化技术出现之前,工厂操作员必须人工监测设备性能指标和产品质量,以确定生产设备处于最佳运行状态,而且必须在停机时才能实施各种维护,这降低了工厂运营效率,且无法保障操作安全。
生产过程自动化技术可以简化这一过程。通过在工厂各个区域安装数千个传感器,过程自动化系统可以收集温度、压力和流速等数据,然后利用计算机对这些信息进行储存和分析,再用简洁明了的形式把处理后的数据显示到控制室的大屏幕上。操作人员只要观察大屏幕就可以监控整个工厂的每项设备。
生产过程自动化系统除了能够采集和处理信息,还能自动调节各种设备,优化生产。在必要时,工厂操作员可以中止过程自动化系统,进行手动操作。二、生产过程自动化控制及其效能
生产过程自动化控制指自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位成分、粘度、湿度以及PH值(氢离子浓度)等这样一些过程变量时的系统。
生产过程自动化控制具有增效节能的功能。工厂所有者希望他们的设备能以最低的成本生产最多的产品,而在石油、天然气和石化等多个行业,能源成本占总生产成本的30-50%。因此,通过过程自动化技术增效节能是降低生产成本的有效途径。对于生产过程自动化技术而言,计算机程序不仅能够监测和显示工厂的运行状况,还能模拟不同的运行模式,找到最佳策略以提高能效。这些程序的独特优势是能够“学习”和预测趋势,提高了对外界条件变化的响应速度。生产过程自动化系统中的软件和控制装置能够对设备进行调节,使其在最佳速度下运行,从而大大降低能耗。它们还能够确保质量的一致性,降低次品率,减少浪费。生产过程自动化系统还能预测何时需要对生产设备进行维护,从而减少了对设备进行常规检查的次数。常规检查次数的降低可以减少停止和重新启动机器所花费的时间和能源。
进入90年代以来自动化技术发展很快,是重要的高科技技术。生产过程控制是自动化技术的重要组成部分。在现代工业生产过程自动化电过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。
三、生产过程自动化控制的发展概况
19世纪40年代前后(手工阶段):手工操作状态,凭经验人工控制生产过程,劳动生产率很低。
19世纪50年代前后(仪表化与局部自动化阶段):生产过程自动化控制发展的第一个阶段,一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。主要特点:检测和控制仪表——采用基地式仪表和部分单元组合仪表(多数是气动仪表);过程控制系统结构——单输入、单输出系统;被控参数——温度、压力、流量和液位参数;控制目的——保持这些参数的稳定,消除或者减少对生产过程的主要扰动;理论——频率法和根轨迹法的经典控制理论,解决单输入单输出的定值控制系统的分析和综合问题。
19世纪60年代(综合自动化阶段):生产过程自动化控制发展的第二个阶段,工厂企业实现车间或大型装置的集中控制。主要特点:检测和控制仪表——采用单元组合仪表(气动、电动)和组装仪表,计算机控制系统的应用,实现直接数字控制(DDC)和设定值控制(SPC);过程控制系统结构——多变量系统,各种复杂控制系统,如串级、比值、均匀控制、前馈、选择性控制系统;控制目的——提高控制质量或实现特殊要求;理论——除经典控制理论,现代控制理论开始应用。
19世纪70年代以来(全盘自动化阶段):发展到现代过程控制的新阶段,这是过程控制发展的第三个阶段。主要特点:检测和控制仪表——新型仪表、智能化仪表、微型计算机;过程控制系统结构——由单——多变量系统,由PID控制规律——特殊控制规律,由定值控制——最优控制、自适应控制,由仪表控制系统——智能化计算机分布式控制系统;理论——现代控制理论——过程控制领域,如状态空间分析,系统辨识与状态估计,最优滤波与预报。
四、生产过程自动化控制系统组成及分类
(一)生产过程自动化控制系统组成及分类
生产过程自动化控制系统由测量元件、变送器、调节器、调节阀、被控过程等环节构成。一个简单的过程控制系统=被控过程+过程检测控制仪表(测量元件、变送器、调节器和调节阀)。
第一种,定值控制系统。系统被控量(温度、压力、流量、液位、成分等)的给定值保持在某一定值(或在某一很小范围内不变)中。例如前述的例子就是定值控制系统。系统的输入信号是扰动信号。
第二种,随动控制系统。随动控制系统-----被控量的给定值随时间任意地变化的控制系统。作用:克服一切扰动,使被控量及时跟踪给定值变化。例如在加热炉燃烧过程控制,控制系统就要使空气量跟随燃料虽的变化自动控制空气量的大小从而保证达到最佳燃烧。
第三种,程序控制系统。被控量的给定值是按预定的时间程序而变化的。控制的目的:使被控量按规定的程序自动变化。例如机械工业中的退火炉的温度控制系统。
(二)生产过程自动化控制系统特点
系统由过程检测控制仪表组成;被控过程的多样性;生产规模不同、工艺要求各异、产品品种多样。
第一,控制方案的多样性。通常有单变量控制系统、多变量控制系统、常规仪表控制系统、计算机集散控制系统、提高控制品质的控制系统、实现特定要求的控制系统。本书将要介绍单回路、串级、前馈、比值、均匀、分程、选择性、大时延、多变量系统,还要介绍高级新型系统(自适应控制、预测控制)以及极可能成为系统主流的集散控制系统(DCS)。
第二,过程控制的控制过程多属慢过程,而又多半属参量控制。被控过程具有大惯性、大时延(滞后)等特点。对表征其生产过程的温度、压力、流量、液位(物位)、成分、PH等过程参量进行自动检测和自动控制。
第三,定值控制是过程控制的一种主要控制形式。如何减小或消除外界扰动对被控量的影响,使被控量能控制在给定值上,使生产稳定。
五、生产过程自动化控制系统的质量与性能标准
控制性能良好:在受到外来干扰作用或给定值发生变化后,应平稳、迅速、准确地回复(或趋近)到给定值上。评价控制性能好坏的质量指标。根据工业生产过程对控制的实际要求来确定。通常采用的两种质量指标:
1.系统过渡过程的质量指标
第一种,余差(静态偏差)c:系统过渡过程终了时给定值与被控参数稳定值之差。它是一个准确性的重要指标,是一个静态指标。一般要求余差不超过预定值或为零。
σ都是衡量系统质量的一个重要指标。若A、σ愈大则表示被控量偏离生产规定的状态越远。规定允许最大偏差。
第四,过渡过程时间ts。过渡过程时间ts:表示系统过渡过程曲线进入新的稳态值的±5%或± 2%范围内所需的时间。ts愈小表示过渡过程进行得愈快。它是反映系统过渡过程快慢的指标。
第五,峰值时间tp。峰值时间tp:是指系统过渡过程曲线达到第一个峰值所需要的时间。其大小反映系统响应的灵敏程度。
2.误差(偏移)性能指标
单项指标来表示控制系统的质量以外,还可以用综合指标来对系统过渡过程进行综合评价。一个过程控制系统的质量主要看偏差的变化情况。
可采用偏差与时间的某种积分关系作为衡量系统质量的准则,这就是积分指标。常用有:
平方误差积分指标(ISE);
参考文献:
【1】高志宏主编,《过程控制与自动化仪表》,浙江大学出版社, 2006 年
【2】厉玉鸣主编,《化工仪表及自动化》,化学工业出版社, 2004 年
作者简介:周东才(1966-),男,壮族,广西武鸣人。工程师,国家职业技能鉴定考评员。主要从事工业自动化技术的应用、维护和教学工作。研究方向:工业自动化。
关键词:生产过程自动化 发展概况 质量与性能
一、生产过程自动化及其作用
(一)生产过程自动化
生产过程自动化就是通过采用计算机技术和软件工程采集的数据和程序的运算,输出到执行器起执行以达到生产工艺过程的控制目的。更高效、更安全地运营,重要就是学习仪表.控制系统,通讯。
(二)生产过程自动化的作用
在生产过程自动化技术出现之前,工厂操作员必须人工监测设备性能指标和产品质量,以确定生产设备处于最佳运行状态,而且必须在停机时才能实施各种维护,这降低了工厂运营效率,且无法保障操作安全。
生产过程自动化技术可以简化这一过程。通过在工厂各个区域安装数千个传感器,过程自动化系统可以收集温度、压力和流速等数据,然后利用计算机对这些信息进行储存和分析,再用简洁明了的形式把处理后的数据显示到控制室的大屏幕上。操作人员只要观察大屏幕就可以监控整个工厂的每项设备。
生产过程自动化系统除了能够采集和处理信息,还能自动调节各种设备,优化生产。在必要时,工厂操作员可以中止过程自动化系统,进行手动操作。二、生产过程自动化控制及其效能
生产过程自动化控制指自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位成分、粘度、湿度以及PH值(氢离子浓度)等这样一些过程变量时的系统。
生产过程自动化控制具有增效节能的功能。工厂所有者希望他们的设备能以最低的成本生产最多的产品,而在石油、天然气和石化等多个行业,能源成本占总生产成本的30-50%。因此,通过过程自动化技术增效节能是降低生产成本的有效途径。对于生产过程自动化技术而言,计算机程序不仅能够监测和显示工厂的运行状况,还能模拟不同的运行模式,找到最佳策略以提高能效。这些程序的独特优势是能够“学习”和预测趋势,提高了对外界条件变化的响应速度。生产过程自动化系统中的软件和控制装置能够对设备进行调节,使其在最佳速度下运行,从而大大降低能耗。它们还能够确保质量的一致性,降低次品率,减少浪费。生产过程自动化系统还能预测何时需要对生产设备进行维护,从而减少了对设备进行常规检查的次数。常规检查次数的降低可以减少停止和重新启动机器所花费的时间和能源。
进入90年代以来自动化技术发展很快,是重要的高科技技术。生产过程控制是自动化技术的重要组成部分。在现代工业生产过程自动化电过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。
三、生产过程自动化控制的发展概况
19世纪40年代前后(手工阶段):手工操作状态,凭经验人工控制生产过程,劳动生产率很低。
19世纪50年代前后(仪表化与局部自动化阶段):生产过程自动化控制发展的第一个阶段,一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。主要特点:检测和控制仪表——采用基地式仪表和部分单元组合仪表(多数是气动仪表);过程控制系统结构——单输入、单输出系统;被控参数——温度、压力、流量和液位参数;控制目的——保持这些参数的稳定,消除或者减少对生产过程的主要扰动;理论——频率法和根轨迹法的经典控制理论,解决单输入单输出的定值控制系统的分析和综合问题。
19世纪60年代(综合自动化阶段):生产过程自动化控制发展的第二个阶段,工厂企业实现车间或大型装置的集中控制。主要特点:检测和控制仪表——采用单元组合仪表(气动、电动)和组装仪表,计算机控制系统的应用,实现直接数字控制(DDC)和设定值控制(SPC);过程控制系统结构——多变量系统,各种复杂控制系统,如串级、比值、均匀控制、前馈、选择性控制系统;控制目的——提高控制质量或实现特殊要求;理论——除经典控制理论,现代控制理论开始应用。
19世纪70年代以来(全盘自动化阶段):发展到现代过程控制的新阶段,这是过程控制发展的第三个阶段。主要特点:检测和控制仪表——新型仪表、智能化仪表、微型计算机;过程控制系统结构——由单——多变量系统,由PID控制规律——特殊控制规律,由定值控制——最优控制、自适应控制,由仪表控制系统——智能化计算机分布式控制系统;理论——现代控制理论——过程控制领域,如状态空间分析,系统辨识与状态估计,最优滤波与预报。
四、生产过程自动化控制系统组成及分类
(一)生产过程自动化控制系统组成及分类
生产过程自动化控制系统由测量元件、变送器、调节器、调节阀、被控过程等环节构成。一个简单的过程控制系统=被控过程+过程检测控制仪表(测量元件、变送器、调节器和调节阀)。
第一种,定值控制系统。系统被控量(温度、压力、流量、液位、成分等)的给定值保持在某一定值(或在某一很小范围内不变)中。例如前述的例子就是定值控制系统。系统的输入信号是扰动信号。
第二种,随动控制系统。随动控制系统-----被控量的给定值随时间任意地变化的控制系统。作用:克服一切扰动,使被控量及时跟踪给定值变化。例如在加热炉燃烧过程控制,控制系统就要使空气量跟随燃料虽的变化自动控制空气量的大小从而保证达到最佳燃烧。
第三种,程序控制系统。被控量的给定值是按预定的时间程序而变化的。控制的目的:使被控量按规定的程序自动变化。例如机械工业中的退火炉的温度控制系统。
(二)生产过程自动化控制系统特点
系统由过程检测控制仪表组成;被控过程的多样性;生产规模不同、工艺要求各异、产品品种多样。
第一,控制方案的多样性。通常有单变量控制系统、多变量控制系统、常规仪表控制系统、计算机集散控制系统、提高控制品质的控制系统、实现特定要求的控制系统。本书将要介绍单回路、串级、前馈、比值、均匀、分程、选择性、大时延、多变量系统,还要介绍高级新型系统(自适应控制、预测控制)以及极可能成为系统主流的集散控制系统(DCS)。
第二,过程控制的控制过程多属慢过程,而又多半属参量控制。被控过程具有大惯性、大时延(滞后)等特点。对表征其生产过程的温度、压力、流量、液位(物位)、成分、PH等过程参量进行自动检测和自动控制。
第三,定值控制是过程控制的一种主要控制形式。如何减小或消除外界扰动对被控量的影响,使被控量能控制在给定值上,使生产稳定。
五、生产过程自动化控制系统的质量与性能标准
控制性能良好:在受到外来干扰作用或给定值发生变化后,应平稳、迅速、准确地回复(或趋近)到给定值上。评价控制性能好坏的质量指标。根据工业生产过程对控制的实际要求来确定。通常采用的两种质量指标:
1.系统过渡过程的质量指标
第一种,余差(静态偏差)c:系统过渡过程终了时给定值与被控参数稳定值之差。它是一个准确性的重要指标,是一个静态指标。一般要求余差不超过预定值或为零。
σ都是衡量系统质量的一个重要指标。若A、σ愈大则表示被控量偏离生产规定的状态越远。规定允许最大偏差。
第四,过渡过程时间ts。过渡过程时间ts:表示系统过渡过程曲线进入新的稳态值的±5%或± 2%范围内所需的时间。ts愈小表示过渡过程进行得愈快。它是反映系统过渡过程快慢的指标。
第五,峰值时间tp。峰值时间tp:是指系统过渡过程曲线达到第一个峰值所需要的时间。其大小反映系统响应的灵敏程度。
2.误差(偏移)性能指标
单项指标来表示控制系统的质量以外,还可以用综合指标来对系统过渡过程进行综合评价。一个过程控制系统的质量主要看偏差的变化情况。
可采用偏差与时间的某种积分关系作为衡量系统质量的准则,这就是积分指标。常用有:
平方误差积分指标(ISE);
参考文献:
【1】高志宏主编,《过程控制与自动化仪表》,浙江大学出版社, 2006 年
【2】厉玉鸣主编,《化工仪表及自动化》,化学工业出版社, 2004 年
作者简介:周东才(1966-),男,壮族,广西武鸣人。工程师,国家职业技能鉴定考评员。主要从事工业自动化技术的应用、维护和教学工作。研究方向:工业自动化。