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过程自动化及其仪表发布日期:2019-02-24 浏览次数:2493

过程自动化,是指人们在生活、生产过程中,以温度、压力、流量、成分等工艺参数为目标的测量、控制。
   在工业生产中,有不少行业或领域的应用是以气体、液体、粉体等流动性物料为主要对象,并将改变其温度、压力、浓度等状态和性质作为主要目标的,如:石油、天然气、炼油、化工、生物、化学、制药、食品、冶金、环保、能源、电力等,将这些行业称为---过程工业。

   过程工业往往会涉到一些物理、化学过程,如:传热、流动、反应、机械、热力等等。正是这些物理、化学过程,构成了过程工业的整个生产过程。
  过程工业中的这些物理和化学过程,是需要借助一系列能完成诸如:混合、搅拌、发酵等特定功能的单元设备实现的,而将这些功能设备连接在一起,就构成了过程装备。

一、过程自动化的应用
   过程工业的生产,需要对物料和设备的相关性能值、输出质量进行监控,如:温度、压力、流量等,并通过装备系统中相关功能参数的设置,如:阀门开闭、泵/风机/压缩机的转速、加热器启停等,调节和控制物料的状态和性征,以确保其达到生产工艺的要求。这非常类似于通过水龙头开、关调节水温的过程,需要基于人体感觉来进行适当的旋转阀门,控制冷热水的出水量和比例。
   不过,由于工业过程领域有着极为复杂的应用场景,一方面需要监测和控制的对象环节非常之多,动辄几十上百点,有时甚至几千上万个检测控制回路。
    另一方面,各个控制对象变量之间还经常会有着相互影响/干涉的关联关系,因此,通过人工操作找到过程参数最佳设置的方法,基本上是完全无法满足生产效率要求的,甚至是不安全的。
例如:
1、精馏塔的塔顶或塔釜温度,一般在操作压力不变情况下必须保持一定,才能得到合格的产品;
2、加热炉出口温度的波动不能超出允许范围,否则将影响后一工段的性能和效果;
3、化学反应器的反应温度必须保持平稳,才能让生产效率达标;
4、使用蒸汽加热反应器或再沸器时,蒸汽压力必须稳定,一旦波动,会影响反应釜的温度控制;
5、锅炉汽包控制和压力容器的压力控制;
   这就要求过程设备能够在没有人直接参与的情况下,借助自动化系统的控制自动完成其生产运行过程,使表征其工作状态的物理参数(如:状态变量)尽可能接近人们的期望、设定值。这就是过程自动化,或称过程控制。

三、过程自动化控制系统
    通过设备现场的传感器和仪器
仪表,收集有关温度、压力、流量等方面的过程数据信息,并基于特定的工艺需求和相应的控制理论,在控制器上进行存储和分析,然后采用模拟或数字控制方式对能够影响生产过程中某一或某些物理参数的设备输出变量(如:转速、阀门开度等)进行调节,从而使得物料状态和性征达到生产的要求,确保生产过程的安全平稳并达到预期的产量和质量,同时尽可能地减少原材料和能源损耗,把生产对环境的危害降到最低程度。
   不难看出,与其他自动化控制系统一样,过程控制系统也是由感知元器件、控制器、应用程序、执行机构、以将它们联接在一起的输入、输出模块和电气通讯线路构建组成的。
   然而,由于过程类应用本身在目标对象上的特殊性,其自动控制所面临的应用难点,与一般的机器设备(尤其是传动和运动控制类设备)却有着显著的差别。
例如:
1、对象的多样性:过程复杂,规模不同,互相影响导致对象特性辨识困难;
2、
对象大多滞后:设备庞大,流程距离长,传递阻力很大;
3、对象的非线性:对象特性随着负荷变化而变化;
4、控制系统比较复杂:积分环节、惯性环节、非振荡环节;

   因此,在应用实施过程中,各类过程控制系统,包括:液位控制系统、单回路或、多回路控制系统,前馈控制、计算机控制系统等,都需要经过必要的理论计算,并采用现场调整的方法,才能达到预设的过程控制目标。

三、过程装备中的机械、设备
1、化工机械
   指主要作用部件需要连续运动的机械设备,如:各种过滤机,破碎机,离心分离机、旋转窑、搅拌机、旋转干燥机以流体输送机械等;
2、化工设备
   指主要作用部件是静止的或者只有很少运动的机械装置,如:各种容器(槽、罐、釜等)、普通窑、塔器、反应器、换热器、普通干燥器、蒸发器,反应炉、电解槽、结晶设备、传质设备、吸附设备、流态化设备、普通分离设备以离子交换设备等。
  但是,化工机械的划分并不是严格的,一些流体输送机械(如泵、风机和压缩机等)也包含在化工设备的范畴之内。

四、过程自动化的仪表
   
自动化仪表(Automatic Instruments)是用以检出、测量、观察、计算各种物理量、物质成分、物性参数等的器具或设备。仪表也可具有自动控制、报警、信号传递和数据处理等功能,例如用于工业生产过程自动控制中的气动调节仪表、电动调节仪表,以及集散型仪表控制系统等
   人们用感觉器官去视、听、尝、摸和记录、计算外部事物,仪器仪表能改善、扩展或补充人的感官功能。
自动化检测仪表是自控系统中关键的子系统之一。一般的自动化检测仪表主要由三个部分组成:
①传感器:利用各种信号检测被测对象的物理量;
②变送器:将传感器所测量的信号转变为4 ~ 20mA等模拟量信号,并送到可编程序控制器中;
③显示器:将测量结果直观地显示出来,提供结果。

自动化检测仪表以其测量精确、显示清晰、操作简单等特点,在工业生产中得到广泛应用,而且自动化检测仪表内部具有与微机的接口,更是自动化控制系统重要的部分,被称为自动化控制系统的眼睛。自动化仪表主要有温度仪表、压力仪表、物位仪表、流量仪表及过程分析仪表等。
1、温度仪表
   温度仪表通常分一次仪表与二次仪表,一次仪表通常为:热电偶热电阻双金属温度计就地温度显示仪等,二次仪表通常为温度记录仪、温度巡检仪、温度显示仪、温度调节仪、温度变送器等。

2、压力仪表
   
是用来测量气体或液体压力的工业自动化仪表,又称压力表或压力计。压力测量仪表按工作原理分为液柱式、弹性式、负荷式和电测式等类型,及压力传感器、压力变送器将信号输出、通讯。

3、物料仪表
   按测量方式分为直读式、浮力式、静压式、电接触式、电容式、超声波式等等,其中雷达式、磁致伸缩式以及矩阵涡流式液位计精度高。

4、流量仪表
   流量,是单位时间内,流经有效截面的流体的体积和质量。还需要求知道管道中一段时间内,流过的累积流体的体积和质量。

5、在线过程分析仪表
   过程分析仪表又称在线分析仪表,是用于生活、生产流程中,对物质的成分及性质进行自动分析与测量的仪器仪表的总称。重点为燃烧控制、废气安全回收、流程工艺控制、质量监测所需的自动化分析产品,所显示的数据反映生产中的实时状况。