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控制
1、学习控制工程课程设计的重要性
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异,自动化控制在工业应用中变得空前活跃,在生活中可以说得是无处不在。
因此作为二十一世纪的大学来说掌握自控技术是十分重要的。
设计目的及基本要求
目的:
本课程设计旨在培养学生初步分析和设计过程控制工程的能力,使学生在修完有关过程控制基本理论课程基础上,通过该课程学习进一步了解过程控制工程方面的相关知识,能够初步掌握过程控制工程设计的程序和方法、相关规程与规定,进行工程设计的表达和相关设计文件编制。
要求:
1、了解自控工程设计的任务和方法步骤,其他相关专业的分工与协作。
2、熟悉自控工程设计相关的标准、规程和规定的选用原则。
3、掌握自控设备选型原则、设备及仪表流程表达。
4、掌握自控工程设计中仪表连接、供电供气、控制室设计及安全防护设计原则及方法。
5.了解自控工程设计中涉及的其他文件的编制方法。
一、控制工程设计的发展概况
控制工程是应用控制理论及技术,满足和实现现代工业、农业以及其他社会经济等领域日益增长的自动化、智能化需求的重要的工程领域。
在工程和科学技术发展过程中,起着非常重要的作用。
18世纪,近代工业采用了蒸汽机调速器,是自动控制领域的第一项重大成果。
20世纪20年代,以频域法为主的经典控制技术在工业中获得了成功的应用。
50年代,由于军事、空间技术以及现代设备日益增加的复杂性的要求,以状态空间法为主的现代控制理论应运而生。
70年代,随着计算机技术的发展,为满足向可靠性和灵活性的要求,出现了集计算机技术、控制技术、通讯技术和图形显示等技术于一体的各类工业控制技术,如分布式控制系统(DCS)等。
随着控制理论与其它学科相互交叉,并向社会经济系统渗透,以及现代制造业提出的以优质、快捷、低消耗为目标的控制要求,发展了具有大系统协调控制、最优控制以及决策管理的新模式和人工智能、模式识别相结合的智能控制系统。
近年来又出现了集设计、制造、管理于一体的CIMS系统和以市场为核心广泛采用了各类先进控制技术的敏捷控制与制造系统。
控制工程是以控制论、信息论、系统论为基础,以工程应用为主要目的工程领域。
其应用已遍及工业、农业、交通、环境、军事、生物、医学、经济、金融和社会各个领域。
与机械工程、计算机技术、仪器仪表工程、电气工程、电子与信息工程等领域密切相关。
控制工程*历史发展
自动化控制系统首次开发了两千多年以前。
第一个反馈控制装置的记录是古代Ktesibios的水钟,公元前三世纪左右,在埃及亚历山大,它保持通过调节在容器中的水位的时间,然后从该容器中的水流量来判断时间。
这无疑是一个成功的设备,水钟类似的设计在巴格达也有。
总之各种自动设备已使用数百年,一般用来完成有用的任务,或者干脆只是娱乐。
例如17世纪和18世纪在欧洲流行开环自动机,舞动的身姿,重复一遍又一遍相同的任务。
闭环自动控制装置归因于Drebbel,1788年詹姆斯·瓦特发明了蒸汽机,其中用于调节速度的温度调节器和离心飞球调速器的就是闭环自动控制装置。
在他1868年的论文中有提到,JC麦克斯韦(发明麦克斯韦电磁场方程)是能够解释所表现出的飞球调速器,利用微分方程来描述控制系统的不稳定性。
这表明理解复杂现象的数学模型和方法的重要性和实用性,并暗示开始的数学控制和系统理论。
控制理论的元素已经出现较早,但不显著。
控制理论取得显著的进步,在未来的100年。
新的数学技术可以控制,比原来的飞球调速器有着更复杂的动力系统。
这些技术在20世纪50年代和60年代得到了极大的发展,包括最优控制,随机的,功能强大,适应性和最优控制方法等等,而且在20世纪70年代和80年代更上一层楼。
控制方法的应用,使太空旅行和通信卫星变成可能,也使得飞机和汽车引擎更安全、更高效、更清洁的。
之前,控制工程成为一个独特的学科,主要是对实行控制工程、机械工程和控制理论的一部分进行了研究,属于电气工程的一部分,因为电路往往可以很容易地使用控制理论技术描述。
例如输出的电流与电压控制输入表示。
但是,没有适当的技术来实现电气控制系统,设计者留下了选择的低效率和响应缓慢的机械系统,现在仍然被广泛使用在一些水电站,这名设计者是一个非常有效的机械控制器的州长。
后来,前现代电力电子技术,机械工程师采用气动和液压控制装置,其中有许多是今天仍然在使用,用于工业应用设计的过程控制系统。
方法
经典控制理论主要研究系统运动的稳定性、时间域和频率域中系统的运动性、控制系统的设计原理和校正方法。
经典控制理论包括线性控制论、采样控制理论、非线性控制理论三个部分。
经典控制理论的特点是以输入输出特性(主要是传递函数)为系统数学模型,采用频率响应法和根轨迹法这些图解分析方法,分析系统性能和设计控制装置。
工程设计概述
单回路反馈控制系统---又称简单控制系统,是指由一个被控过程、一个检测变送器、一个控制器和一个执行器所组成的.对一个被控变量进行控制的单回路反馈闭环控制系统,是实现生产过程自动化的基本单元、其结构简单、投资少、易于调整和投运,能满足一般工业生产过程的控制要求、因此在工业生产小应用十分广泛,尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓,或者控制质量要求不太高的场合。
1.一般要求:
根据实际过程特性、扰动情况、限制条件,综合权衡安全性、稳定性、经济性三方面,正确运用控制理论和技术设计性能优良,技术可行,满足工艺合理要求的控制系统。
过程控制系统是稳定的,且具有适当的稳定裕度。
系统应是一个衰减振荡过程,但过渡过程时间要短,余差要小。
2.基本方法
设计方法很多,主要有对数频率特性设计法、根轨迹设计法、系统参数优化的计算机辅助设计等。
3.系统设计步骤
建立被控过程的数学模型
选择控制方案
建立系统框图,系统静态、动态特性分析计算
设备选型(测量变送、调节器、执行器)
实验和仿真
.设计的主要内容:
控制方案的设计:
核心,包括合理选择被控参数和控制参数、信息的获取和变送、调节阀的选择、调节器控制规律及正、反作用方式的确定等。
工程设计:
包括仪表选型、控制室和仪表盘设计、仪表供电供气系统设计、信号及联锁保护系统设计等。
工程安装和仪表调校
调节器参数工程整定:
保证系统运行在最佳状态
常见的两种简单控制系统:
控制方案设计
.性能指标的合理选择
1)阶跃响应性能指标
2)偏差积分性能指标:
IAE、ITAE、ISE、ITSE
.被控参数的选择
一般原则为:
对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性
作用的,可直接测量的工艺参数;
当不能用直接参数作为被控参数时,应该选择一个与直接参数有单
值函数关系的间接参数作为被控参数;
必须具有足够大的灵敏度;
必须考虑工艺过程的合理性和所用仪表的性能;
必须具有被控量间的独立性。
.控制参数的选择
当工艺上允许有几种控制参数可供选择时,可根据被控过程扰动通道和控制通道特性,对控制质量的影响作出合理的选择。
正确选择控制参数就是正确选择控制通道和扰动通道的问题。
由过程静态特性的分析(扰动通道静态放大倍数Kf、控制通道静态放大倍数Ko);
过程扰动通道动态特性的分析(时间常数Tf、时延τf、扰动作用点位置);
过程控制通道动态特性的分析(时间常数To、时延τ(包括纯时延τ0、容量时延τc)、时间常数匹配)确定各参数选择原则。
控制参数选择的一般原则为:
控制通道放大系数K0要适当大一些,时间常数T0要适当小一些,纯滞后τ0越小越好;
扰动通道放大系数Kf要尽可能小,时间常数Tf要大一些,扰动作用点位置要远离被控量的检测点;
过程本身存在多个时间常数时,应尽量设法使他们越错开越好;
控制量应具有可控性,工艺操作合理性,经济性。
2、脱硫工艺介绍及控制方案选择
脱硫工艺简介
脱硫定义:
以降低氧含量、高碱度渣的方式除去液态金属与合金中的硫的方法。
脱硫工段工艺流程是以氨为碱源,HPF为复合催化剂的焦炉煤气湿式氧化再生脱硫工艺:
从冷鼓区域来的煤气温度约为40℃左右,进入脱硫塔,与塔顶喷淋的脱硫液逆向接触,煤气中的H2S、HCN等被脱硫液吸收,煤气由塔顶排出,送入硫铵区域。
从脱硫塔底部流出的脱硫液经液封槽进入溶液循环槽,再由脱硫液循环泵经溶液换热器送入再生塔,同时在再生塔底部鼓入压缩空气,使溶液在塔内再生,再生后的溶液于塔上部自流回脱硫塔喷洒循环使用,上浮于再生塔顶部的硫泡沫利用位差流入泡沫槽,硫泡沫经硫泡沫泵打入熔硫釜,熔硫排出的清液进入缓冲槽,经沉淀后进入溶液循环槽。
排出的硫磺放入放硫盘,冷却后装袋外销。
脱硫过程中消耗的催化剂PDS,经计算后,投入等量的PDS到溶液循环槽上方的溶解槽中,加软水搅拌后连续加入溶液循环槽中使系统中PDS得以补充。
从冷鼓来的剩余氨水经过滤器后进入蒸氨塔,塔底通入直接蒸汽加热,塔顶得到浓氨水或氨气,分别进入溶液循环槽或脱硫塔前煤气中,用以补充脱硫液中的游离氨含量,同时保证废水含氨合格。
工艺原理和工艺流程
⑴石膏法烟气脱硫工艺
它的工作原理是:
将石灰石粉加水制成浆液作为吸收剂泵入吸收塔与烟气充分接触混合,烟气中的二氧化硫与浆液中的碳酸钙以及从塔下部鼓入的空气进行氧化反应生成硫酸钙,硫酸钙达到一定饱和度后,结晶形成二水石膏。
经吸收塔排出的石膏浆液经浓缩、脱水,使其含水量小于10%,然后用输送机送至石膏贮仓堆放,脱硫后的烟气经过除雾器除去雾滴,再经过换热器加热升温后,由烟囱排入大气。
由于吸收塔内吸收剂浆液通过循环泵反复循环与烟气接触,吸收剂利用率很高,钙硫比较低,脱硫效率可大于95%。
⑵旋转喷雾干燥工艺
喷雾干燥法脱硫工艺以石灰为脱硫吸收剂,石灰经消化并加水制成消石灰乳,消石灰乳由泵打入位于吸收塔内的雾化装置,在吸收塔内,被雾化成细小液滴的吸收剂与烟气混合接触,与烟气中的SO2发生化学反应生成CaSO3,烟气中的SO2被脱除。
与此同时,吸收剂带入的水分迅速被蒸发而干燥,烟气温度随之降低。
脱硫反应产物及未被利用的吸收剂以干燥的颗粒物形式随烟气带出吸收塔,进入除尘器被收集下来。
脱硫后的烟气经除尘器除尘后排放。
为了提高脱硫吸收剂的利用率,一般将部分除尘器收集物加入制浆系统进行循环利用。
该工艺有两种不同的雾化形式可供选择,一种为旋转喷雾轮雾化,另一种为气液两相流。
⑶磷铵肥法烟气脱硫工艺
磷铵肥法烟气脱硫技术属于回收法,以其副产品为磷铵而命名。
该工艺过程主要由吸附(活性炭脱硫制酸)、萃取(稀硫酸分解磷矿萃取磷酸)、中和(磷铵中和液制备)、吸收(磷铵液脱硫制肥)、氧化(亚硫酸铵氧化)、浓缩干燥(固体肥料制备)等单元组成。
它分为两个系统:
烟气脱硫系统——烟气经高效除尘器后使含尘量小于200mg/Nm3,用风机将烟压升高到7000Pa,先经文氏管喷水降温调湿,然后进入四塔并列的活性炭脱硫塔组(其中一只塔周期性切换再生),控制一级脱硫率大于或等于70%,并制得30%左右浓度的硫酸,一级脱硫后的烟气进入二级脱硫塔用磷铵浆液洗涤脱硫,净化后的烟气经分离雾沫后排放。
肥料制备系统——在常规单槽多浆萃取槽中,同一级脱硫制得的稀硫酸分解磷矿粉(P2O5含量大于26%),过滤后获得稀磷酸(其浓度大于10%),加氨中和后制得磷氨,作为二级脱硫剂,二级脱硫后的料浆经浓缩干燥制成磷铵复合肥料
其他:
⑷炉内喷钙尾部增湿烟气脱硫工艺
⑸烟气循环流化床脱硫工艺
⑹海水脱硫工艺
⑺电子束法脱硫工艺
⑻氨水洗涤法脱硫工艺
HPF脱硫工艺介绍
HPF脱硫工艺是利用焦炉煤气中的氨作吸收剂,以HPF为催化剂的湿法氧化脱硫,首先把煤气中的H2S转化成硫氢铵盐,在空气的氧化下转化成元素硫,吸收液得到再生。
主要有
(1)吸收反应
(2)再生反应(3)付反应
HPF在脱硫和再生全过程中均有催化作用。
此工艺流程基本与ADA脱硫相同。
进入脱硫工段的煤气依次进入串联的空喷脱硫塔和填料脱硫塔,与脱硫液逆向接触,煤气脱除了H2S和HCN去脱氨;脱硫塔有自己独立的再生系统,吸收了H2S和HCN的脱硫液分别送入各自对应的再生系统,在空气作用下溶液得到再生,循环使用;硫泡沫自流入泡沫槽,经搅拌澄清分层,进一步熔融生成硫磺产品。
2HPF脱硫的工艺特点
(1)脱硫装置在整个煤气净化工艺上放在吸氨,粗苯工段前,流程合理简单,煤气中HCN脱除率达到75%,可取消黄血盐工艺,对改善终冷水排污对环境的污染、减轻管道设备的腐蚀有一定益处。
(2)该脱硫工艺脱硫脱氰效果好,脱硫效率在满足生产条件下可大于99%,,脱硫后煤气H2S含量在50mg/m3以下
(3)HPF具有极高的活性,对脱硫和再生过程均有催化作用。
同时还发现HPF具有消除脱硫塔内挂壁硫的作用,使用HPF后,填料塔阻力逐渐降低,由原来的2500Pa降至1200Pa。
(4)由于此脱硫工艺是利用煤气中的氨作碱源,无须另外加碱,煤气中氨含量越高,氨硫比越大,则脱硫效率也越高,详见图2。
(5)运行成本低,动力消耗少,经济效益好。
详见表4。
(6)该工艺操作方便稳定,催化剂投加方式简单易行,而且在脱硫过程中,盐类等副产物增长速度缓慢。
3HPF催化剂由对苯二酚PDS硫酸亚铁组成
4HPF法脱硫液的控制指标是
对苯二酚0.15-0.2g/L
PDS8-10mg/L
硫酸亚铁0.1-0.2g/L
游离氨大于5g/L
硫代硫酸氨小于250g/L
悬浮流1-1.2g/L
PH8-9
PLC控制系统的组成
硬件组成:
PLC控制系统硬件包括机箱和彩色液晶显示器。
机箱内装有PLC主机、数字量模块、模拟量模块和故障切除开关等。
PLC主机用于接收和处理来自司机的操作指令、恒功励磁控制、恒低速控制、机车运行逻辑控制、柴油机控制、辅助系统控制、故障检测、诊断、保护以及相关数据记录、相关参数组织、显示以及参数修改等。
数字量模块用于采集司控器、扳键开关和辅助触点等开关量信号,其输出通过隔离放大去控制电空阀、接触器、继电器等。
模拟量模块用于采集牵引电机电流、主发电机电压、柴油机水温和油压等模拟量信号。
故障切除开关,用于切除柴油机水温高故障、差示压力故障、柴油机油压低故障及列车管风压不足等故障。
彩色液晶显示器采用10.4"触摸屏,进行机车运行状态参数的显示、故障报警信息以及提示信息的显示。
PLC控制系统的功能
PLC控制系统的功能主要有:
①司机操作指令的接收和处理;
②恒功励磁控制;
③恒低速控制;
④机车运行逻辑控制;
⑤辅助系统控制;
⑥故障检测、诊断、保护以及相关数据记录;
⑦相关参数组织、显示以及参数修改等。
DCS控制系统的组成
硬件:
现场控制站主要由机箱(柜)、电源、PC总线工业控制机、通信控制单元、手动、自动显示操作单元等构成。
其功能主要有6种,即数据采集功能、DDC控制功能、顺序控制功能、信号报警功能、打印报表功能、数据通信功能。
智能调节器是一种数字化的过程控制仪表,其外表类似于一般的盘装仪表。
智能调节器不仅可接受4~20mA,DC电流信号输入的设定值,还具有异步通信接口RS-422/485、RS-232等,可与上位机连成主从式通信网络,接受上位机下传的控制参数,并上报各种过程参数。
集中操作监控级(面向操作员和系统工程师)功能主要是以操作监视为主要任务,兼有部分管理功能。
配备计算机及外设,以及相应软件,对生产过程实行高级控制策略、故障诊断、质量评估。
其组成如下:
监控计算机、工程师显示操作站、操作员显示操作站
显示工作站主要由键盘、CRT显示器和打印机构成,是实现和操作员以及工程师有关的系统的功能:
操作员在运转整个系统时必要的操作功能,工程师为了进行系统的生成和维护时必要的工程师功能。
综合信息管理级的功能是实现整个企业的综合信息管理(主要包括生产管理和经营管理),主要由管理计算机、办公自动化系统、工厂自动化服务系统组成,应用了MIS系统。
PLC与DCS的比较
DCS具有以下特点:
(1)高可靠性
由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现,系统结构采用容错设计,因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失。
此外,由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一,可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机,从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。
(2)开放性
DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计,系统中各台计算机采用局域网方式通信,实现信息传输,当需要改变或扩充系统功能时,可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下,几乎不影响系统其他计算机的工作。
(3)灵活性
通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态,即确定测量与控制信号及相互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面,从而方便地构成所需的控制系统。
(4)易于维护
功能单一的小型或微型专用计算机,具有维护简单、方便的特点,当某一局部或某个计算机出现故障时,可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换,迅速排除故障。
(5)协调性
各工作站之间通过通信网络传送各种数据,整个系统信息共享,协调工作,以完成控制系统的总体功能和优化处理。
(6)控制功能齐全
控制算法丰富,集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体,可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制,并可方便地加入所需的特殊控制算法。
DCS的构成方式十分灵活,可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成,也可由通用的服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成。
处于底层的过程控制级一般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制,并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机。
生产监控级对来自过程控制级的数据进行集中操作管理,如各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等。
随着计算机技术的发展,DCS可以按照需要与更高性能的计算机设备通过网络连接来实现更高级的集中管理功能,如计划调度、仓储管理、能源管理等。
1975年美国霍尼韦尔(HoneyWell)第一套分布式控制系统TDCS-2000问世以来,分布式控制系统已经在工业控制的各个领域得到了广泛的应用,以其高度的可靠性、方便的组态软件、丰富的控制算法、开放的联网能力,逐渐成为过程工业自动控制的主流系统。
PLC功能特点
可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。
1、使用方便,编程简单
采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言,而无需计算机知识,因此系统开发周期短,现场调试容易。
另外,可在线修改程序,改变控制方案而不拆动硬件。
功能强,性能价格比高
一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件,有很强的功能,可以实现非常复杂的控制功能。
它与相同功能的继电器系统相比,具有很高的性能价格比。
PLC可以通过通信联网,实现分散控制,集中管理。
2、硬件配套齐全,用户使用方便,适应性强
PLC产品已经标准化、系列化、模块化,配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用,用户能灵活方便地进行系统配置,组成不同功能、不同规模的系统。
PLC的安装接线也很方便,一般用接线端子连接外部接线。
PLC有较强的带负载能力,可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。
硬件配置确定后,可以通过修改用户程序,方便快速地适应工艺条件的变化。
3、可靠性高,抗干扰能力强
传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器,由于触点接触不良,容易出现故障。
PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器,仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件,接线可减少到继电器控制系统的1/10-1/100,因触点接触不良造成的故障大为减少。
PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施,具有很强的抗干扰能力,平均无故障时间达到数万小时以上,可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场,PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。
4、系统的设计、安装、调试工作量少
PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件,使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。
PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法来设计。
这种编程方法很有规律,很容易掌握。
对于复杂的控制系统,设计梯形图的时间比设计相同功能的继电器系统电路图的时间要少得多。
PLC的用户程序可以在实验室模拟调试,输入信号用小开关来模拟,通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。
完成了系统的安装和接线后,在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决,系统的调试时间比继电器系统少得多。
5、维修工作量小,维修方便
PLC的故障率很低,且有完善的自诊断和显示功能。
PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时,可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因,用更换模块的方法可以迅速地排除故障。
结论
五、控制室设计
- 配套讲稿:
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- 特殊限制:
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- 关 键 词:
- 控制
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