時(shí)間：2022-05-08 09:03:08
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關(guān)鍵詞:過(guò)程控制 儀表 系統(tǒng)
中圖分類號(hào):TH86 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1007-9416(2011)03-0016-01
1、過(guò)程控制儀表與控制系統(tǒng)
如圖所示是一個(gè)單元組合儀表構(gòu)成的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。圖中控制對(duì)象代表生產(chǎn)過(guò)程中的某個(gè)環(huán)節(jié),控制對(duì)象輸出的被控變量(T P L F等),經(jīng)變送、轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信號(hào),送顯示、記錄、調(diào)節(jié)與給定單元來(lái)的給定值進(jìn)行比較,將偏差值進(jìn)行一定運(yùn)算后,發(fā)出信號(hào)控制執(zhí)行單元的動(dòng)作,將閥門開(kāi)大或關(guān)小,改變控制量,直到被控變量與給定值相等。
2、控制系統(tǒng)的工作原理
2.1 液位控制系統(tǒng)
圖中,檢測(cè)變送器檢測(cè)到水位高低,當(dāng)水為高度與正常給定水位之間出現(xiàn)偏差時(shí),調(diào)節(jié)器就會(huì)立刻根據(jù)偏差的大小去控制給水閥,使水位回到給定值上。從而實(shí)現(xiàn)水位的自動(dòng)控制。
2.2 溫度控制系統(tǒng)
它由蒸汽加熱器、溫度變送器、調(diào)節(jié)器和蒸汽流量閥組成?？刂颇繕?biāo)是保持出口溫度恒定。當(dāng)進(jìn)料流量或溫度等因素的變化引起出口物料的溫度變化時(shí),通過(guò)溫度儀表測(cè)得的變化,并將其信號(hào)送至調(diào)節(jié)器與給定值進(jìn)行比較,調(diào)節(jié)器根據(jù)其偏差信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算后將控制命令送至調(diào)節(jié)閥,改變蒸汽量維持出口溫度。
2.3 流量控制系統(tǒng)
它由管路、孔板和差壓變送器、流量調(diào)節(jié)器和流量調(diào)節(jié)閥?？刂颇繕?biāo)是保持流量恒定。當(dāng)管道其他部分阻力發(fā)生變化或有其他擾動(dòng)時(shí),流量將偏離設(shè)定值。利用孔板作為檢測(cè)元件,把孔板上、下游的差壓接至差壓變送器,將流量信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào);該信號(hào)送至調(diào)節(jié)器與給定值進(jìn)行比較,流量控制器根據(jù)偏差信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算后將控制命令送至控制閥,改變閥門開(kāi)度,就調(diào)整了管道中流體的阻力,從而影響了流量,使流量維持在設(shè)定值。
自控系統(tǒng)由被控對(duì)象、檢測(cè)元件、控制器和調(diào)節(jié)閥四部分組成。組成方框圖如下:
3、控制系統(tǒng)的分類
由于控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及控制理論的發(fā)展,使得控制系統(tǒng)具有各種各樣的形式,但總的來(lái)說(shuō)分為兩大類,即開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。
3.1 開(kāi)環(huán)控制
這種控制方式又分兩種、一種是按設(shè)定值進(jìn)行控制。其操縱變量與設(shè)定值保持一定的函數(shù)關(guān)系,當(dāng)設(shè)定值變化時(shí),操縱變量隨之變化。另一種是按擾動(dòng)量進(jìn)行控制,即所謂前饋控制,如圖:在蒸汽加熱器中,若負(fù)荷為主要干擾,如果使蒸汽流量與冷流體流量保持一定關(guān)系,當(dāng)擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí),操縱變量隨之變化。
3.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)
系統(tǒng)的輸出(被控變量)通過(guò)測(cè)量、變送環(huán)節(jié),又返回到系統(tǒng)的輸入端,與給定信號(hào)比較,以偏差的形式進(jìn)入控制器,對(duì)系統(tǒng)起控制作用,整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)封閉的反饋回路,這種控制系統(tǒng)統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)或反饋控制系統(tǒng)。
4、結(jié)語(yǔ)
通過(guò)上面論述表明,自動(dòng)化程度的完善就等于生產(chǎn)力的提高,雖然先期階段增大了投資費(fèi)用,然而在長(zhǎng)期正常的運(yùn)轉(zhuǎn)中可以實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)能源的節(jié)約,其特點(diǎn)十分顯著,其取得的收益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于先期的投入。
參考文獻(xiàn)
關(guān)鍵詞：過(guò)程控制 PID控制器 參數(shù)整定
中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2015）10-0250-01
一、過(guò)程控制系簡(jiǎn)介
1.過(guò)程控制的任務(wù)
過(guò)程控制的任務(wù)就是在了解、掌握工藝流程和生產(chǎn)過(guò)程的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)對(duì)過(guò)程控制安全性、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性的要求，應(yīng)用理論對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和綜合，最后采用適宜的技術(shù)手段加以實(shí)現(xiàn)。
2.過(guò)程控制系統(tǒng)的組成
過(guò)程控制系統(tǒng)是指工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中自動(dòng)控制系統(tǒng)的被控量是溫度、壓力、流量、液位、成分等這樣一些過(guò)程變量時(shí)的系統(tǒng)。
3.過(guò)程控制的特點(diǎn)
（1）系統(tǒng)由過(guò)程檢測(cè)控制儀表組成。（2）被控過(guò)程的多樣性。（3）控制方案的多樣性。（4）過(guò)程控制的控制過(guò)程多屬慢過(guò)程，而且多半屬參量控制。（5）定值控制是過(guò)程控制的一種主要控制形式。
4.控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量指標(biāo)
一個(gè)控制性能良好的過(guò)程控制系統(tǒng)，再受到外來(lái)擾動(dòng)作用或給定值發(fā)生變化后，應(yīng)平穩(wěn)迅速準(zhǔn)確地恢復(fù)到給定值上。
二、壓力過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
壓力的測(cè)量和控制在生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化中具有特殊的地位。保持實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的壓力為一個(gè)穩(wěn)定值，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程有著至關(guān)重要的作用。考慮到經(jīng)濟(jì)成本等問(wèn)題，本系統(tǒng)采用單回路控制。下面對(duì)整個(gè)系統(tǒng)作詳細(xì)介紹：
1.工作流程
1.1工藝簡(jiǎn)況
在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，氣體測(cè)量罐設(shè)備應(yīng)用十分普遍，為了保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行，空氣進(jìn)出量需均衡，以保證過(guò)程的物料平衡。因此，工藝要求空氣罐內(nèi)的氣體壓力需維持在某給定值上下，或在某一小范圍內(nèi)變化，并保證空氣罐壓力不致過(guò)大。本系統(tǒng)要求超調(diào)量小于5%。
1.2工作流程
本系統(tǒng)使用的介質(zhì)為空氣。空氣從空氣壓縮機(jī)進(jìn)入系統(tǒng)空氣入口，經(jīng)過(guò)節(jié)流閥的調(diào)節(jié)后，進(jìn)入過(guò)濾器過(guò)濾，過(guò)濾后的空氣進(jìn)入減壓閥1，減壓閥1的出口壓力一般保持在1kg/cm^調(diào)節(jié)后的空氣進(jìn)入減壓閥2，減壓閥2的出口壓力一般保持在0.55kg/cm^這時(shí)空氣的流向有兩種方式，當(dāng)擾動(dòng)電磁閥打開(kāi)時(shí)，空氣一部分經(jīng)過(guò)節(jié)流閥、擾動(dòng)電磁閥流向外界；一部分進(jìn)入控制閥。當(dāng)擾動(dòng)電磁閥沒(méi)有打開(kāi)時(shí)，空氣全部進(jìn)入控制閥，經(jīng)過(guò)控制閥的空氣最后流進(jìn)測(cè)量罐中。
2.壓力過(guò)程控系統(tǒng)建模
用測(cè)試法建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)摸型，.首要的問(wèn)題就是選定模型的結(jié)構(gòu)。
自衡單容過(guò)程對(duì)象的對(duì)象特性的一般形式為 ，為建立其數(shù)學(xué)模型，可通過(guò)測(cè)量其
階躍響應(yīng)的方法求得對(duì)象特性參數(shù)K、T、τ。
3.壓力過(guò)程控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案
3.1被控參數(shù)選擇
被控參數(shù)的選擇對(duì)于穩(wěn)定生產(chǎn)、提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、改善勞動(dòng)條件、保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生等具有重要意義。若被控參數(shù)選擇不當(dāng)，則無(wú)論組成什么樣的控制系統(tǒng)，選用多么先進(jìn)的過(guò)程檢測(cè)控制儀表，均不能達(dá)到預(yù)期的控制效果。由于本系統(tǒng)是模擬實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的一套實(shí)驗(yàn)過(guò)程控制系統(tǒng)，被控參數(shù)壓力在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前已決定。
3.2控制參數(shù)選擇
擾動(dòng)作用是由擾動(dòng)通道對(duì)過(guò)程的被控參數(shù)產(chǎn)生影響，力圖使被控參數(shù)偏離給定值；控制作用是由控制通道對(duì)過(guò)程的被控參數(shù)起主導(dǎo)影響，以使被控參數(shù)盡力維持在給定值。在分析與設(shè)計(jì)控制回路時(shí)，要深入研究過(guò)程的特性，認(rèn)真分析各種擾動(dòng)，正確選擇控制參數(shù)。
在本系統(tǒng)中，被控參數(shù)是壓力，模擬的生產(chǎn)過(guò)程是測(cè)量罐，測(cè)量罐的容積和濕度在某一實(shí)驗(yàn)中幾乎是不變的，因而測(cè)量罐中的壓力只能由氣體的物質(zhì)的量決定，控制參數(shù)也就唯一確定了，即：氣體的物質(zhì)的量。
3.3執(zhí)行器
調(diào)節(jié)閥的選擇：執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥組成。在過(guò)程控制中他接受調(diào)節(jié)器輸出的控制信號(hào)并轉(zhuǎn)換成角位移或直線位移，來(lái)改變調(diào)節(jié)閥的流通截面積，以控制流入或流出被控過(guò)程的物料或能量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程參數(shù)的自動(dòng)控制。
調(diào)節(jié)閥的尺寸選擇根據(jù)對(duì)象的慣性特征選管徑。在生產(chǎn)過(guò)程中，調(diào)節(jié)閥氣開(kāi)、氣關(guān)形式的選擇，主要是從工藝生產(chǎn)的安全角度來(lái)考慮，當(dāng)氣源一旦中斷時(shí)，閥門處于全開(kāi)還是全關(guān)狀態(tài)，在生產(chǎn)上要能保證設(shè)備和人身的安全。所謂氣開(kāi)式，即當(dāng)信號(hào)壓力P>0.02Mpa時(shí)，閥開(kāi)始打開(kāi)，也就是說(shuō)“有氣”時(shí)閥開(kāi)，氣關(guān)式則相反。
因?yàn)檎{(diào)節(jié)閥的特性對(duì)整個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)的品質(zhì)有很大的影響。理想流量特性就是在調(diào)節(jié)閥前后壓差一定的情況下得到的流量特性。它取決于閥芯的形狀。閥芯的形狀有快開(kāi)、直線、拋物線和等百分比等4種，其相應(yīng)的流量特性有直線流量特性、對(duì)數(shù)（或稱等百分比）流量特性、拋物線流量特性、快開(kāi)流量特性。
綜上考慮，本系統(tǒng)根據(jù)選用氣開(kāi)式氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥V-5110，其流量特性為直線流量特性。動(dòng)力源由空氣壓縮機(jī)提供的。
3.4測(cè)量變送
測(cè)量和變送是解決一個(gè)信息獲得和傳遞問(wèn)題。信息的測(cè)量和邊送必需迅速可靠地反映被控參數(shù)的實(shí)際變化情況，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的控制依據(jù)。本系統(tǒng)選用差壓式壓力傳感器作為檢測(cè)和反饋元件，將測(cè)量罐的壓力值轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，被測(cè)壓力值為大氣壓力值加壓差。
3.5調(diào)節(jié)器
本系統(tǒng)選用東芝EC-311型調(diào)節(jié)器
通常，選擇調(diào)節(jié)器動(dòng)作規(guī)律時(shí)應(yīng)根據(jù)對(duì)象特性、負(fù)荷變化、主要擾動(dòng)和系統(tǒng)控制要求等具體情況，同時(shí)還應(yīng)考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性以及系統(tǒng)投入方便等。
廣義對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)較大或容積遲延較大時(shí)，應(yīng)引入微分動(dòng)作。如工藝容許有殘差，可選用比例微分動(dòng)作；如工藝要求無(wú)殘差時(shí)，則選用比例積分微分動(dòng)作。
控 制 統(tǒng)設(shè) 計(jì)
系
目錄
1．系統(tǒng)控制要求 ······························································································ 4 2．系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ······························································································ 4
2.1 方案論述····························································································· 4 2.2 主要控制器件選擇 ················································································ 6
2.2.1 PLC的選擇 ················································································· 6 2.2.2變頻器的選擇 ·············································································· 7 2.2.3溫度變送器的選擇 ········································································ 8 2.2.4流量變送器的選擇 ········································································ 9 2.2.5 壓力變送器的選擇 ······································································· 9 2.2.6液位變送器的選擇 ······································································· 10 2.2.7 觸摸屏的選擇 ············································································ 10 2.2.8 A/D模塊的選擇 ·········································································· 11 2.2.9 D/A模塊的選擇 ·········································································· 12 2.3 系統(tǒng)其它設(shè)備及元器件規(guī)格 ··································································· 14 2.4 系統(tǒng)電氣原理 ····················································································· 14 3．系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ····························································································· 16
3.1 變頻器配置 ························································································· 16
3.1.1 變頻器配置參數(shù) ········································································· 16 3.1.2 FR-D700系列的操作面板 ······························································ 17 3.1.3 變頻器的運(yùn)行模式 ······································································ 18 3.2 PLC程序設(shè)計(jì) ····················································································· 19 3.3 觸摸屏界面設(shè)置 ·················································································· 20 4．安全文明規(guī)范操作 ······················································································· 26 5．系統(tǒng)安裝與調(diào)試 ·························································································· 26
5.1 系統(tǒng)安裝···························································································· 26 5.2 系統(tǒng)調(diào)試···························································································· 26
5.2.1 硬件調(diào)試 ·················································································· 26 5.2.2 軟件調(diào)試 ·················································································· 27
6．總結(jié) ········································································································· 27 7．附錄 ········································································································· 28
2
摘要
【摘要】隨著科技的發(fā)展社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)工業(yè)控制的要求越來(lái)越高。本文主要介紹了如何利用觸摸屏、變頻器、PLC 、AD 模塊、DA 模塊與各種變送器設(shè)計(jì)出過(guò)程控制系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)來(lái)準(zhǔn)確、及時(shí)、有效的控制溫度、壓力、流量和液位。
【關(guān)鍵詞】過(guò)程控制；觸摸屏；變頻器；PLC ；PID 運(yùn)算。
3
1、系統(tǒng)控制要求
液位、壓力、流量過(guò)程控制系統(tǒng)由一臺(tái)帕斯卡微泵驅(qū)動(dòng)，該泵的速度利用三菱PLC 由PID 指令運(yùn)算產(chǎn)生的數(shù)字量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成的模擬量控制，以實(shí)現(xiàn)恒液位、恒壓力、恒流量；恒溫度過(guò)程控制采用加熱棒控制。
（1）系統(tǒng)配置：PLC （含 D/A、A/D模塊） 、變頻器、觸摸屏、帕斯卡微泵、液位計(jì)變送器、壓力變送器、渦輪流量變送器、溫度變送器。
（2）系統(tǒng)連接：從工作臺(tái)的電源板用安全插線引出電源到電源端子排，變頻器連接 PLC的 D/A ，觸摸屏利用串口通訊連接 PLC ，用于參數(shù)設(shè)定及顯示，壓力、流量、液位及溫度傳感器與A/D模塊連接。
（3）觸摸屏界面編制：開(kāi)關(guān)、指示燈在觸摸屏第一頁(yè)顯示，液位、流量、壓力、溫度在此頁(yè)面選擇。液位、流量、溫度、壓力頁(yè)面分別顯示每個(gè)傳感器所對(duì)應(yīng)的實(shí)際值、設(shè)定值和對(duì)P 、I 、D 的設(shè)置。
2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 方案論述
本系統(tǒng)通過(guò)PLC 、變頻器實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，并通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)了實(shí)際設(shè)定和實(shí)測(cè)數(shù)值的顯示。通過(guò)編寫程序使得PLC 輸出變頻器的啟動(dòng)信號(hào)，同時(shí)通過(guò)PLC （A/D模塊）的運(yùn)算處理把通過(guò)液位傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器采集的這一模擬量（電流）轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸入，PLC （D/A模塊）通過(guò)運(yùn)算輸出啟動(dòng)信號(hào)和頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成的模擬量（電流信號(hào)）給變頻器，變頻器按照給定的頻率信號(hào)，實(shí)時(shí)輸出不同頻率的電流從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速， PLC和觸摸屏進(jìn)行通訊，把傳感器讀出的這一數(shù)據(jù)量通過(guò)PLC 運(yùn)算在觸摸屏上進(jìn)行顯示。本系統(tǒng)是實(shí)時(shí)信號(hào)輸入，實(shí)時(shí)反饋信號(hào)，并且實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)值。
該系統(tǒng)的主要硬件配置為PLC 、變頻器、觸摸屏、SBWZP 型溫度變送器、LWGY-A 型渦輪流量傳感器、AOB-131型壓力變送器、GB2100A 型液位傳感器、加熱棒各一個(gè)和一臺(tái)三相異步電機(jī)，其框圖如圖2-1所示, 其軟件流程圖如2-2所示。
4
圖2-1 系統(tǒng)主要硬件
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圖2-2軟件流程圖
2.2 主要控制器件選擇
2.2.1 PLC的選擇
由于此控制系統(tǒng)采用液位傳感器、壓力變送器、流量傳輸器、溫度變送器對(duì)水位、水壓力、水流量、水溫進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并根據(jù)設(shè)定值計(jì)算控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、加熱棒加熱時(shí)間，并將此數(shù)值和溫度值反饋至觸摸屏加以顯示。因此，在選擇PLC 時(shí)，要考慮PLC 的功能是否滿足題目要求，而且在在根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有設(shè)備，
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本系統(tǒng)選擇了FX3U 系列的PLC ，F(xiàn)X3U 系列PLC 是FX2N 系列的升級(jí)產(chǎn)品，具有功能強(qiáng)大、速度快、容量大、性價(jià)比高等特點(diǎn)完全滿足此控制系統(tǒng)的控制要求。PLC 另外承擔(dān)的任務(wù)是通過(guò)輸出點(diǎn)的開(kāi)關(guān)信號(hào)控制變頻器的啟停、脈沖信號(hào)控制繼電器的閉合，因此在選擇PLC 輸出點(diǎn)類型時(shí)，采用繼電器、晶體管輸出型均可，綜上所述，采用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的PLC 型號(hào)：FX3U-32M 作為系統(tǒng)的控制器，各部位名稱如圖2-6所示。
【1】 上蓋板 【2】 電池蓋板 【3】 連接特殊適配器
用的卡扣
【11】 連接擴(kuò)展設(shè)備用的連接器蓋板
【4】 功能擴(kuò)展板部分的
空蓋板 【5】 RUN/STOP開(kāi)關(guān)
【6】 連接外圍設(shè)備用的連接口 【7】 安裝DIN 導(dǎo)軌用的卡扣
【13】 顯示輸出用的LED 【12】 顯示運(yùn)行狀態(tài)的LED 【9】 顯示輸入用的LED 【10】 端子排蓋板
【8】 型號(hào)顯示
圖2-6三菱FX3u 型PLC-32MR 的各部位名稱
三菱FX3u-32M 型PLC 的主要特點(diǎn)有可編程控制器上直接接線的輸入輸出（最大256點(diǎn)）和網(wǎng)絡(luò)（CC-Link ）上的遠(yuǎn)程I/O（最大256點(diǎn)）的合計(jì)點(diǎn)數(shù)可以擴(kuò)展到384點(diǎn)；輸入輸出的擴(kuò)展設(shè)備可以連接FX3u 系列的輸入輸出擴(kuò)展單元/模塊；可以通過(guò)內(nèi)置開(kāi)關(guān)進(jìn)行RUN/STOP的操作，也可以從通用的輸入端子或外圍設(shè)備上發(fā)出RUN/STOP的指令；通過(guò)計(jì)算機(jī)用的編程軟件，可以在可編程控制器RUN 時(shí)更改程序。 2.2.2變頻器的選擇
變頻器在此控制系統(tǒng)中主要根據(jù)實(shí)際反饋的數(shù)值對(duì)三相導(dǎo)步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，采用變頻器的模擬量輸入功能即可滿足題目要求，對(duì)變頻器的其他功能沒(méi)有太高要求，普通變頻器即可滿足要求。因此，選擇實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的變頻器型號(hào)：FR-D700。
變頻器頻率給定通道有兩種選擇方案，一種是采用外部輸入模擬量信號(hào)給定，即通過(guò)變頻器的模擬量端子從外部輸入模擬量信號(hào)（電壓或電流）進(jìn)行給定，
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并通過(guò)調(diào)節(jié)模擬量的大小來(lái)改變變頻器的輸出頻率。需要PLC 連接D/A特殊功能模塊，優(yōu)點(diǎn)：PLC 程序編制簡(jiǎn)單方便、工作穩(wěn)定。缺點(diǎn)：在大規(guī)模生產(chǎn)線中，控制電纜較長(zhǎng)，尤其是D/A模塊采用電壓信號(hào)輸出時(shí)，線路有較大的電壓降，影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。另一種是采用端子脈沖給定，即通過(guò)變頻器的特定的高速開(kāi)關(guān)端子從外部輸入脈沖序列信號(hào)進(jìn)行頻率給定，并通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖的頻率來(lái)改變變頻器的輸出頻率。由PLC 輸出點(diǎn)產(chǎn)生可調(diào)脈沖，要求PLC 的輸出類型為晶體管型，且輸出脈沖頻率達(dá)50KHZ 。
根據(jù)以上分析及實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件，采用外部輸入模擬量（電流）信號(hào)作為變頻器的頻率給定通道。
變頻器與PLC 的接線如圖2-7所示，變頻器的STF 接控制電機(jī)的線圈Y6、SD 接公共端COM2，變頻器的U 、V 、W 分別接電機(jī)的三根相線，因?yàn)樽冾l器的模擬量輸入我們用的是電流輸入，而且是通道一，所以變頻器的4端與D/A模塊的IOUT1相接，5接公共端COM1。并且在D/A模塊和變頻器接線的時(shí)候用的線是屏蔽線，這樣能夠很好的避免電壓信號(hào)的干擾。
圖2-7 變頻器與PLC 的接線
2.2.3溫度變送器的選擇
熱電偶溫度變送器的工作原理是，兩種不同成分的導(dǎo)體兩端經(jīng)焊接、形成
回路，當(dāng)測(cè)量端和參比端存在溫差時(shí)，就會(huì)在回路中產(chǎn)生熱電流，接上顯示儀表，儀表上就指示出熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)的對(duì)應(yīng)溫度值。
根據(jù)實(shí)際情況的設(shè)備，本文所選的溫度變送器的規(guī)格如表2-1所示。
表2-1 溫度變送器規(guī)格表
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2.2.4流量變送器的選擇
渦輪流量傳感器是一種精密流量測(cè)量?jī)x表，與相應(yīng)的流量積算儀表配套可用于測(cè)量液體的流量和總量。
其工作原理：流體流經(jīng)傳感器殼體，由于葉輪的葉片與流向有一定的角度，流體的沖力使葉片具有轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，克服摩擦力矩和流體阻力之后葉片旋轉(zhuǎn)，在力矩平衡后轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，在一定的條件下，轉(zhuǎn)速與流速成正比，由于葉片有導(dǎo)磁性，它處于信號(hào)檢測(cè)器的磁場(chǎng)中，旋轉(zhuǎn)的葉片切割磁力線，周期性的改變著線圈的磁通量，從而使線圈兩端感應(yīng)出電信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后，可遠(yuǎn)傳至顯示儀表，顯示出流體的瞬時(shí)流量和累計(jì)量。
根據(jù)實(shí)際情況的設(shè)備，本文所選的溫度變送器的規(guī)格如表2-2所示。
表2-2 流量傳感器規(guī)格表
2.2.5 壓力變送器的選擇
壓力變送器主要由測(cè)壓原件傳感器（也稱作壓力傳感器）、測(cè)量電路和過(guò)程連接件三部分組成。它能將測(cè)壓元件傳感器感受到的氣體、液體等物理壓力參數(shù)轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)（如4~20MADC等）， 以供給指示報(bào)警儀、記錄儀、調(diào)節(jié)器等二次儀表進(jìn)行測(cè)量、指示和過(guò)程調(diào)節(jié)。
工作原理:當(dāng)壓力信號(hào)作用于傳感器時(shí)，壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)差分放大和輸出放大器放大，最后經(jīng)電流轉(zhuǎn)換成與被測(cè)介質(zhì)（液體）的液位壓力成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系的4-20MA 標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號(hào)。
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根據(jù)實(shí)際情況的設(shè)備，本文所選的溫度變送器的規(guī)格如表2-3所示。
表2-3 壓力變送器規(guī)格表
2.2.6液位變送器的選擇
S18UIA 工作原理：可分為四個(gè)區(qū)域，最小和最大工作范圍，近限和遠(yuǎn)限設(shè)定點(diǎn)。
（1）檢測(cè)物體在最小和最大工作范圍內(nèi)，電源指示燈變?yōu)榫G色，代表物體在可工作區(qū)域內(nèi)；
（2）檢測(cè)物體在近限和遠(yuǎn)限設(shè)定點(diǎn)內(nèi)，信號(hào)指示燈變?yōu)辄S色，代表物體在 設(shè)定點(diǎn)范圍內(nèi)，有信號(hào)輸出；
（3）檢測(cè)物體在最小和最大工作范圍外，電源指示燈變?yōu)榧t色，信號(hào)指示燈變?yōu)榘咨?，代表物體在工作范圍外，無(wú)信號(hào)輸出。
根據(jù)實(shí)際情況的設(shè)備，本文所選的液位傳感器的規(guī)格如表2-4所示。
表2-4
液位變送器規(guī)格表
2.2.7 觸摸屏的選擇
觸摸屏的主要作用是從觸摸點(diǎn)檢測(cè)裝置上接收觸摸信息，并將它轉(zhuǎn)換成觸點(diǎn)
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坐標(biāo)，再送給CPU ，它同時(shí)能接收CPU 發(fā)來(lái)的命令并加以執(zhí)行。在此控制系統(tǒng)中，觸摸屏提供系統(tǒng)的啟動(dòng)與停止信號(hào)并設(shè)定P 、I 、D 值和所需的數(shù)值，顯示實(shí)際中的設(shè)定值和傳感器的輸入值，因此，普通的觸摸屏便可滿足要求，選擇了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)現(xiàn)有三菱GT15觸摸屏，該觸摸屏具有表現(xiàn)力豐富的字體、語(yǔ)言切換畫面制作簡(jiǎn)單、支持USB 接口/FA透明傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，并能同時(shí)讓電腦監(jiān)測(cè)程序運(yùn)行狀況，提高了工作效率，縮短了啟動(dòng)與調(diào)試時(shí)間，完全滿足此系統(tǒng)的控制要求。 2.2.8 A/D模塊的選擇
A/D模塊的外部聯(lián)接則需根據(jù)外界輸入的電壓或電流量不同而有所不同，選擇分辨率為12位的A/D模塊。 由需要四路輸入方可滿足要求，因此，選擇了FX2N-2AD 作為模擬量的輸入模塊。FX2N -2AD有2個(gè)輸入通道，分別為通道1（CH1）、通道2（CH2）。每一通道都可以進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，輸入的模擬值范圍，電壓為 DC-10V ～ +10V，DC0V ～ +5V， DC-4MA ～+20MA，分辨率為2.5MV,1. 25MV ，4uA 。
D/A轉(zhuǎn)換模塊提供了12位高精度分辨率（包括符號(hào)）；2通道電壓輸入（DC0～+10V，DC0～+5V）或電流輸出（DC4～+20MA）；對(duì)每一通道，可以規(guī)定電壓或電流輸入。FX2N —2AD 模擬量輸入模塊的性能見(jiàn)表2-5。
表2-5 FX2N—2DA 模擬量輸入模塊的性能
A/D轉(zhuǎn)換的關(guān)系有電壓和電流輸入兩種形式，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用電電流輸入模式。其轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2-8所示
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圖2-8 A/D轉(zhuǎn)換的關(guān)系
FX2N —2AD 的緩沖寄存器（BFM ）分配見(jiàn)表2-6
表2-6 FX2N—2AD BFM分配表
BFM#0：由BFM#17(低8位數(shù)據(jù)) 指定的通道的輸入數(shù)據(jù)當(dāng)前值被存儲(chǔ)。當(dāng)前值數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)。BFM#1：輸入數(shù)據(jù)當(dāng)前值（高端4位數(shù)據(jù)）被存儲(chǔ)。當(dāng)前值數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)。BFM#17：b0進(jìn)行模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換的通道(CH1,CH2)被指定。當(dāng)b0由10時(shí)，通道CH2A/D轉(zhuǎn)換開(kāi)始。當(dāng)b1由10時(shí)，通道CH1D/A轉(zhuǎn)換開(kāi)始。 2.2.9 D/A模塊的選擇
D/A模塊的作用是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的裝置，此模擬量作為變頻器的頻率給定，為了提高設(shè)定與運(yùn)行速度曲線的平滑度和精度，選擇分辨率為12位的D/A模塊。由于只需要一路輸出便可滿足要求，因此，選擇了FX2N-2DA 作為模擬量的輸出模塊。FX2N -2DA 有2個(gè)輸出通道，分別為通道1（CH1）、通道2（CH2）。每一通道都可以進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，輸出的模擬值范圍，電壓為 DC0V ～
+10V，DC0V ～ +5V， DC4MA ～+20MA，分辨率為2.5MV ,1. 25MV，4uA 。
D/A轉(zhuǎn)換模塊提供了12位高精度分辨率（包括符號(hào)）；2通道電壓輸出（DC0 V ～+10V，DC0V ～+5V）或電流輸出（DC4 MA～+20MA）；對(duì)每一通道，可以規(guī)定電壓或電流輸出。FX2N —2DA 模擬量輸出模塊的性能見(jiàn)表2-7。
表2-7 FX2N—2DA 模擬量輸出模塊的性能
D/A轉(zhuǎn)換的關(guān)系有電壓和電流輸出兩種形式，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用電流輸出模式。其轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2-9所示，
圖2-9 D/A轉(zhuǎn)換的關(guān)系
FX2N —2DA 的緩沖寄存器（BFM ）分配見(jiàn)表2-8。BFM#16用于寫入由BFM#17通道指定標(biāo)注位指定的通道輸出的D/A轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)值，數(shù)據(jù)值按二進(jìn)制形式保存，這樣可以有利于保存低八位和高四位數(shù)據(jù)分兩部分保存。在BFM#17中，當(dāng)b0由10時(shí)，通道CH2D/A轉(zhuǎn)換開(kāi)始。當(dāng)b1由10時(shí)，通道CH1D/A轉(zhuǎn)換開(kāi)始。當(dāng)b2由10時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換的低八位數(shù)據(jù)保持。
表2-8 FX2N—2DA BFM分配表
2.3 系統(tǒng)其它設(shè)備及元器件規(guī)格
該系統(tǒng)除了PLC 、D/A模塊、A/D模塊、變頻器、觸摸屏、傳感器等，還用到了一些其它設(shè)備及元器件，其名稱、規(guī)格型號(hào)和數(shù)量見(jiàn)表2-9。
2.4 系統(tǒng)電氣原理
關(guān)鍵詞：過(guò)程控制系統(tǒng)，液位，測(cè)量原理，控制方式，測(cè)量設(shè)備
1 前言
德國(guó)FESTO公司研制的“PCS” 即“過(guò)程控制系統(tǒng)”，是一套集目前工業(yè)控制中較為典型的控制系統(tǒng)（液位控制、流量控制、壓力控制、溫度控制）于一體的實(shí)驗(yàn)裝置（見(jiàn)圖1.1）。實(shí)驗(yàn)裝置由四個(gè)操作站和一個(gè)中間調(diào)度站組成，分別實(shí)現(xiàn)四種典型環(huán)節(jié)（液位、流量、壓力、溫度）的檢測(cè)與控制。每站由相應(yīng)的檢測(cè)傳感器、控制器和電動(dòng)執(zhí)行器構(gòu)成?？刂破饔芍醒胩幚韱卧?、信號(hào)處理單元和驅(qū)動(dòng)電路等組成，可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)、閉環(huán) PID算法控制開(kāi)度閥（比例閥）動(dòng)作和直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。各站之間通過(guò)管道及開(kāi)關(guān)閥（電磁閥）連接，由中間站的PLC控制開(kāi)關(guān)閥導(dǎo)通，可形成耦合系統(tǒng)。
2 液位系統(tǒng)簡(jiǎn)介
本文中的液位系統(tǒng)如圖1所示。
圖1液位系統(tǒng)
液位控制系統(tǒng)是FESTO四個(gè)獨(dú)立站中的一站，包括一高一低兩個(gè)容器（通過(guò)中間連接管道上手動(dòng)閥的開(kāi)閉控制其通斷）、超聲波液傳感器、直流電機(jī)、直流電機(jī)調(diào)速器；以及四個(gè)系統(tǒng)都包含的向中間調(diào)度站PLC傳送開(kāi)關(guān)量的電容接近傳感器，和PLC控制的電磁開(kāi)度閥。
3 相關(guān)測(cè)量原理
液位測(cè)量是料位測(cè)量的一類。許多生產(chǎn)過(guò)程都要求監(jiān)視工藝流程中各種容器內(nèi)的物料貯量和控制容器進(jìn)出料量的平衡。免費(fèi)論文。為此目的所需要的信號(hào)當(dāng)前主要通過(guò)測(cè)量容器中的物料表面位置得到。[1]
料位包括液位和固體顆粒的料位，本文采用的料位測(cè)量方法是超聲波式，利用超聲波在一定狀態(tài)介質(zhì)中的傳播具有一定速度這一特性，當(dāng)聲源與料位的距離變化時(shí)，回聲的時(shí)間（從發(fā)射到接收超聲波的時(shí)間間隔）也要改變，這是非接觸式測(cè)量，可用于液位和固體顆粒料位測(cè)量。
4測(cè)量設(shè)備
超聲波液位傳感器
它是基于聲波的產(chǎn)生和在物體上的反射探測(cè)原理。正常情況下，大氣作為了超聲波的載體。聲發(fā)生器在短時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)，發(fā)射出超聲脈沖，人耳無(wú)法聽(tīng)到。隨著超聲脈沖的發(fā)射，超聲波被固定的物體所反射，并返回給接收器。超聲脈沖的持續(xù)時(shí)間可用電子方法評(píng)估。在一個(gè)固定的范圍內(nèi)，在超聲脈沖信號(hào)持續(xù)時(shí)間，輸出信號(hào)是成比例的。
電機(jī)/泵：
不帶調(diào)速，只起攪和作用；
離心泵適合于冷水或加熱水的再循環(huán)；泵不能干燥的使用，也不能用海水或受污染的液體。
（3）電容接近傳感器：
電容接近傳感器的工作原理是基于RC諧振電路中電容器的電容變化來(lái)估算的。當(dāng)有物體接近傳感器時(shí)，電容增加。這導(dǎo)致了RC電路振蕩作用的變化。LED的黃色發(fā)光二極管指示切換狀態(tài)。電容的變化很大程度上依靠距離，和各自材質(zhì)的尺寸以及介電常數(shù)【3】。
（4）電機(jī)調(diào)速器：
通過(guò)改變輸入電壓來(lái)改變泵的轉(zhuǎn)速，輸入-10V――+10V，輸出-24V――+24V 【4】。
5 控制方式
過(guò)程控制系統(tǒng)按照控制方式的不同分為開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制，單回路控制、串級(jí)控制、比值控制等多種方式【2】。免費(fèi)論文。本液位控制系統(tǒng)采用閉環(huán)單回路控制方式，如圖2所示。
關(guān)鍵詞:制造工業(yè)自動(dòng)化控制過(guò)程控制系統(tǒng)
中圖分類號(hào):TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1007-9416(2011)03-0022-01
自動(dòng)控制技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防和科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化中起著十分重要的作用,自動(dòng)控制水平的高低也是衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)先進(jìn)與否的重要標(biāo)志之一。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的發(fā)展,自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛,其重要作用也越來(lái)越顯著。生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制(簡(jiǎn)稱過(guò)程控制)是自動(dòng)控制技術(shù)在石油、化工、電力、冶金、機(jī)械、輕工、紡織等生產(chǎn)過(guò)程的具體應(yīng)用,是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分。
1、過(guò)程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)
(1)生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)性:在過(guò)程控制系統(tǒng)中,大多數(shù)被控過(guò)程都是以長(zhǎng)期的或間歇形式運(yùn)行,在密閉的設(shè)備中被控變量不斷的受到各種擾動(dòng)的影響。
(2)被控過(guò)程的復(fù)雜性:過(guò)程控制涉及范圍廣,被控對(duì)象較復(fù)雜。
(3)控制方案的多樣性:過(guò)程控制系統(tǒng)的控制方案非常豐富。
2、工業(yè)中過(guò)程控制系統(tǒng)的主要應(yīng)用
2.1 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)
利用各種檢測(cè)儀表對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、指示或記錄。
2.2 自動(dòng)信號(hào)和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)
自動(dòng)信號(hào)系統(tǒng):當(dāng)工藝參數(shù)超出要求范圍,自動(dòng)發(fā)出聲光信號(hào)。聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng):達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài),打開(kāi)安全閥或切斷某些通路,必要時(shí)緊急停車。(如圖1所示)
2.3 自動(dòng)操縱及自動(dòng)開(kāi)停車系統(tǒng)
自動(dòng)操縱系統(tǒng):根據(jù)預(yù)先規(guī)定的步驟自動(dòng)地對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行某種周期性操作。自動(dòng)開(kāi)停車系統(tǒng):按預(yù)先規(guī)定好的步驟將生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)的投入運(yùn)行或自動(dòng)停車。
2.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)
利用自動(dòng)控制裝置對(duì)生產(chǎn)中某些關(guān)鍵性參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制,使他們?cè)谑艿酵饨鐢_動(dòng)的影響而偏離正常狀態(tài)時(shí),能自動(dòng)的回到規(guī)定范圍。
3、過(guò)程控制系統(tǒng)的組成
3.1 檢測(cè)元件
該單元的主要作用是檢測(cè)被控元件的物理量。
3.2 控制器
將設(shè)定值與測(cè)量信號(hào)進(jìn)行比較,求出它們之間的偏差,然后按照預(yù)先選定的控制規(guī)律進(jìn)行計(jì)算并將計(jì)算結(jié)果作為控制信號(hào)送給執(zhí)行裝置。
3.3 執(zhí)行器
該部分元件作用是接受控制器的控制信號(hào),直接推動(dòng)被控對(duì)象,使被控變量發(fā)生變化。
4、過(guò)程控制系統(tǒng)中的閉環(huán)控制系統(tǒng)
按照自動(dòng)控制有無(wú)針對(duì)對(duì)象來(lái)劃分,自動(dòng)控制可分為“開(kāi)環(huán)控制”和“閉環(huán)控制”。區(qū)分“開(kāi)環(huán)控制”和“閉環(huán)控制”最直接的辦法是看是否有最終對(duì)象的反饋,當(dāng)然這個(gè)反饋不是人為直觀觀察的。目前工業(yè)自動(dòng)化控制中采用最為廣泛的就是閉環(huán)控制系統(tǒng)。
4.1 閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)
閉環(huán)控制系統(tǒng)主要是指控制器與被控對(duì)象之間既有順向控制又有反向聯(lián)系的控制系統(tǒng)。 其主要優(yōu)點(diǎn)為,不管任何擾動(dòng)引起被控變量偏離設(shè)定值,都會(huì)產(chǎn)生控制作用去克服被控變量與設(shè)定值的偏差。其主要缺點(diǎn)為,由于閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制作用只有在偏差出現(xiàn)后才產(chǎn)生,當(dāng)系統(tǒng)的慣性滯后和純滯后較大時(shí),控制作用對(duì)擾動(dòng)的克服不及時(shí),從而使其控制質(zhì)量大大降低。
4.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)的主要類型
根據(jù)設(shè)定值分為定值控制系統(tǒng),隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。
(1)定值控制系統(tǒng),其特點(diǎn)是設(shè)定值是固定不變的閉環(huán)控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。
作用為克服擾動(dòng)的影響,使被控變量保持在工藝要求的數(shù)值上。
(2)隨動(dòng)控制系統(tǒng) ,其特點(diǎn)為設(shè)定值是一個(gè)未知的變化量的閉環(huán)控制系統(tǒng)稱為隨動(dòng)控制系統(tǒng)。作用為以一定的精度跟隨設(shè)定值的變化而變化。
(3)程序控制系統(tǒng)可以看成是隨動(dòng)控制系統(tǒng)的特殊情況,其分析研究方法與隨動(dòng)控制系統(tǒng)相同。其特點(diǎn)為設(shè)定值是變化的,且按一定時(shí)間程序變化的時(shí)間函數(shù)。作用為以一定的精度跟隨設(shè)定值的變化而變化。
5、過(guò)程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)及要求
過(guò)程控制系統(tǒng)的常見(jiàn)信號(hào)有:階躍信號(hào)、斜坡信號(hào)、脈沖信號(hào)、加速度信號(hào)和正弦信號(hào)等。我們?cè)谏a(chǎn)中使用最頻繁的就是階躍信號(hào),其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:
當(dāng)A=1時(shí)稱為單位階躍信號(hào)。其特點(diǎn)是易產(chǎn)生,對(duì)系統(tǒng)輸出影響大,便于分析和計(jì)算。在階躍信號(hào)作用下,被控變量隨時(shí)間的變化表現(xiàn)的形式有:發(fā)散振蕩過(guò)程,非振蕩衰減過(guò)程,等幅振蕩過(guò)程,衰減振蕩過(guò)程,非振蕩發(fā)散過(guò)程。
通過(guò)以上的陳述不難看,過(guò)程制造系統(tǒng)在我國(guó)各行各業(yè)已經(jīng)有了十分廣泛的應(yīng)用,并且技術(shù)也在日趨成熟。隨著人們物質(zhì)生活水平的提高以及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈,產(chǎn)品的質(zhì)量和功能也向更高的檔次發(fā)展,制造產(chǎn)品的工藝過(guò)程變得越來(lái)越復(fù)雜,為滿足這些更高的要求,做為工業(yè)自動(dòng)化的重要分支的過(guò)程控制的任務(wù)也愈來(lái)愈繁重。
參考文獻(xiàn)
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[3]吳勤勤等編著.控制儀表及裝置.化學(xué)工業(yè)出版社,2002.
Abstract: The so-called process control system refers to the realization of automatic control of production process of system. As stated in the introduction, in petroleum, chemical production process, generally includes the content of automatic detection, automatic protection, automatic regulation and automatic controlling. Automatic detection system can complete "understanding" production task; Signal interlocking protection system could only take safety measures when process conditions are into some kind of limit state to provent production accidents. Automatic control system can be only predefined procedures in accordance with the operation of a cyclical or regularity, only automatic adjustment system can automatically eliminate all sorts of interference factors on the influence of process parameters, that they remain in prescribed numerical to ensure production in normal or the best maintain process operation condition.
關(guān)鍵詞：過(guò)程控制；自動(dòng)調(diào)節(jié)；程序控制
Key words: process control; automatic regulation; program control
中圖分類號(hào)：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2011）12-0058-01
1 自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成
自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是在人工調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的，自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成包含三部分：
1.1 測(cè)量變送器 測(cè)量實(shí)際液位高度并將其轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。
1.2 調(diào)節(jié)器 接收變送器送來(lái)的液位信號(hào)，與事先設(shè)定好的工藝希望的液位值即給定值進(jìn)行比較得出偏差，然后根據(jù)一定的運(yùn)算規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，然后將運(yùn)算得出的調(diào)節(jié)器命令用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)送出去。
1.3 執(zhí)行器 通常指調(diào)節(jié)閥，它和普通閥的功能一樣，只不過(guò)它能自動(dòng)地根據(jù)調(diào)節(jié)器送來(lái)的調(diào)節(jié)命令改變閥門的開(kāi)度。
2 自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分類
2.1 定值調(diào)節(jié)系統(tǒng) 所謂定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)就是給定值是恒定的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在工藝生產(chǎn)中，如果要求調(diào)節(jié)系統(tǒng)的被調(diào)參數(shù)保持在一個(gè)生產(chǎn)指標(biāo)上不變，或者說(shuō)要求工藝參數(shù)的給定值不變，那么就要采用定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，引起被調(diào)參數(shù)波動(dòng)的原因是各種干擾，對(duì)于這類調(diào)節(jié)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)分的重點(diǎn)是在存在干擾的情況下如何將被調(diào)參數(shù)控制在所希望的給定值上。石油、化工生產(chǎn)中大多數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)屬于這種類型。
2.2 隨動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)（或稱自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)） 隨動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)即給定值不是固定的，是隨時(shí)間不斷變化的，而且這種變化不是預(yù)先規(guī)定好的，即給定值是隨機(jī)變化的。隨動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)目的就是使所控制的工藝參數(shù)準(zhǔn)確而快速地跟隨給定值的變化而變化。比如各種變送器均可看作是一個(gè)隨動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它的輸出應(yīng)嚴(yán)格、及時(shí)地隨輸入而變化，再比如后面將要介紹的比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)、串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的副回路都是隨動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一些例子。
2.3 程序控制系統(tǒng) 這類系統(tǒng)的給定值也是變化的，但它是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，即生產(chǎn)指標(biāo)需按一定的時(shí)間程序變化。近年來(lái)，隨著微機(jī)的廣泛應(yīng)用，為程序調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供了良好的技術(shù)工具與有利條件。
3 自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程
當(dāng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)受到外界干擾信號(hào)或給定值變化信號(hào)時(shí)，被調(diào)參數(shù)都會(huì)被迫離開(kāi)原來(lái)的平衡狀態(tài)而開(kāi)始變化，只有當(dāng)調(diào)節(jié)作用重新找到一個(gè)合適的新數(shù)值來(lái)平衡外界干擾或給定值的變化時(shí)，此系統(tǒng)才可處于新的平衡狀態(tài)。因此，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程實(shí)際上是：當(dāng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在外界干擾或給定干擾作用下，從一個(gè)平衡狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)新的平衡狀態(tài)的過(guò)程，它是一個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用不斷克服干擾影響的過(guò)程。
自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程直接表示了調(diào)節(jié)系統(tǒng)質(zhì)量的好壞，與生產(chǎn)中的安全及產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量有著密切的聯(lián)系，因此研究過(guò)渡過(guò)程具有相當(dāng)重要的意義。
4 自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)
自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程包括了靜態(tài)與動(dòng)態(tài)。把被調(diào)參數(shù)不隨時(shí)間變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的靜態(tài)，而把被調(diào)參數(shù)隨時(shí)間變化的不平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)。
當(dāng)一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的給定和外界干擾恒定不變時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)就處于一個(gè)相對(duì)的平衡狀態(tài)，系統(tǒng)的各個(gè)組成環(huán)節(jié)如調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、變送器等都暫不動(dòng)作，它們的輸出信號(hào)都處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，這種狀態(tài)就是上述的靜態(tài)。注意這里所指的靜態(tài)與習(xí)慣中所講的靜態(tài)不同。習(xí)慣中所說(shuō)的靜態(tài)都指靜止不動(dòng)，而在自動(dòng)化領(lǐng)域中的靜態(tài)是指各參數(shù)（或信號(hào)）的變化率為零。如果一個(gè)系統(tǒng)原來(lái)處于相對(duì)平衡狀態(tài)即靜態(tài)，由于干擾的作用，破壞了這種平衡。被調(diào)參數(shù)就會(huì)變化，從而使調(diào)節(jié)器等自動(dòng)化裝置也就會(huì)改變調(diào)節(jié)作用以克服干擾的影響，并力求使系統(tǒng)恢復(fù)平衡狀態(tài)。從干擾的發(fā)生，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)，直到系統(tǒng)重新建立平衡，在這一段時(shí)間中整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)和參數(shù)都處于變動(dòng)狀態(tài)之中，這種狀態(tài)就稱之為動(dòng)態(tài)。
在研究調(diào)節(jié)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)，雖然研究其靜態(tài)是重要的，但研究其動(dòng)態(tài)更為重要。因?yàn)樵诟蓴_引起系統(tǒng)變動(dòng)后，需要知道系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)情況，即被調(diào)參數(shù)是如何運(yùn)動(dòng)的，并搞清系統(tǒng)究竟能否建立新的平衡和怎樣去建立平衡，干擾作用總是會(huì)不斷產(chǎn)生，調(diào)節(jié)作用也就不斷地去克服干擾作用的影響，所以自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)總是處在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之中，而靜態(tài)或平衡是暫時(shí)的，因此，研究自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，重點(diǎn)要研究過(guò)渡過(guò)程的動(dòng)態(tài)。
5 分析自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)常用的干擾形式――階躍干擾
關(guān)鍵詞：過(guò)程控制系統(tǒng)；設(shè)備數(shù)據(jù)管理；日志系統(tǒng)
1.過(guò)程控制概述
過(guò)程控制的主要任務(wù)是指通過(guò)各種的協(xié)調(diào)方法與協(xié)調(diào)措施，對(duì)生產(chǎn)制造過(guò)程中的各個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)以及產(chǎn)品制造數(shù)據(jù)等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，從而防止生產(chǎn)過(guò)程中可能發(fā)生的生產(chǎn)計(jì)劃脫離與目標(biāo)偏差，并對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃脫離與生產(chǎn)制造目標(biāo)偏差等問(wèn)題進(jìn)行處理，最終保證生產(chǎn)制造活動(dòng)的順利完成，保證生產(chǎn)進(jìn)行控制、在制品控制、以及生產(chǎn)制造過(guò)程中的成本控制與質(zhì)量控制。
過(guò)程控制系統(tǒng)一般是指由被控對(duì)象、測(cè)量變送、計(jì)算機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中控制器的設(shè)計(jì)用到經(jīng)典的控制理論和現(xiàn)代控制理論，并通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行相關(guān)操作與實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)控制的建立在自動(dòng)控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)之上的。其中，自動(dòng)控制理論是計(jì)算機(jī)控制的理論基礎(chǔ)。而不斷發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)為自動(dòng)控制理論的發(fā)展與應(yīng)用提供了豐富的空間。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及各種通信技術(shù)的發(fā)展，使得過(guò)程控制的范圍與階段極大的得到了擴(kuò)張。目前，企業(yè)生產(chǎn)管理的全過(guò)程的信息化的實(shí)現(xiàn)方法逐漸趨于成熟。
過(guò)程控制系統(tǒng)所涉及的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了解。由于在生產(chǎn)制造過(guò)程中的大部分物力參數(shù)通常通過(guò)模擬信號(hào)來(lái)進(jìn)行表示，而計(jì)算機(jī)采用的信號(hào)通常是數(shù)字信號(hào)，為了保證信號(hào)傳遞的通暢無(wú)阻需要進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)兩種不同信號(hào)的轉(zhuǎn)換。過(guò)程控制系統(tǒng)通常起到的作用體現(xiàn)在連接生產(chǎn)管理系統(tǒng)與基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)的連接作用上。除了這些工作，過(guò)程控制系統(tǒng)還要對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理。所以控制系統(tǒng)中需要進(jìn)行信號(hào)的采樣、信號(hào)的保持以及信號(hào)的變化。要對(duì)生產(chǎn)制造過(guò)程中的數(shù)學(xué)模型分為輸入與輸出模型和狀態(tài)空間模型兩種類型。輸入輸出模型主要是為了描述過(guò)程在輸入函數(shù)的作用下的輸出特性，它只刻畫過(guò)程的外部特征。而狀態(tài)空間模型則對(duì)過(guò)程的內(nèi)容進(jìn)行描述，通常揭示了過(guò)程內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
現(xiàn)代過(guò)程控制理論為過(guò)程控制系統(tǒng)提供來(lái)了理論技術(shù)。通過(guò)利用現(xiàn)代過(guò)程控制理論，不但可以有效地解決簡(jiǎn)單控制的問(wèn)題，而且可以設(shè)計(jì)復(fù)雜的控制系統(tǒng)。特別是多輸入與多輸出系統(tǒng)，非線性響應(yīng)系統(tǒng)，時(shí)變系統(tǒng)以及隨機(jī)系統(tǒng)等等?，F(xiàn)代控制技術(shù)涉及到過(guò)程控制的很多方面，比如系統(tǒng)狀態(tài)的最優(yōu)估計(jì)、最有控制、過(guò)程識(shí)別以及自適應(yīng)控制等等。
2. 過(guò)程控制系統(tǒng)的主要功能與技術(shù)要求
過(guò)程控制系統(tǒng)具有以下功能：與生產(chǎn)管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊的功能；能夠接收并管理生產(chǎn)計(jì)劃數(shù)據(jù)的功能；原料數(shù)據(jù)與生產(chǎn)要求數(shù)據(jù)的功能；工作人員交接班數(shù)據(jù)的功能；向生產(chǎn)管理系統(tǒng)發(fā)送生產(chǎn)計(jì)劃申請(qǐng)的能力；原料數(shù)據(jù)申請(qǐng)的能力等等。
企業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃一般采用如圖1所示的模式。通常企業(yè)根據(jù)客戶的需求制定整個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)需求計(jì)劃，并根據(jù)產(chǎn)品各個(gè)部件的零部件特征分發(fā)至各個(gè)加工車間，制定不同零部件的加工計(jì)劃。為了保證生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃的順利完成，需要根據(jù)生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃進(jìn)行生產(chǎn)進(jìn)度控制；為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造過(guò)程中消耗資源與費(fèi)用的降低，需要進(jìn)行通過(guò)過(guò)程控制系統(tǒng)成本控制；為了經(jīng)常保持科學(xué)的原材料、在制品的數(shù)量，需要進(jìn)行高效的庫(kù)存控制。這一系列工作于過(guò)程控制系統(tǒng)密不可分。
3. 現(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè)的過(guò)程控制信息系統(tǒng)組成層次
現(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè)的信息系統(tǒng)包含了過(guò)程控制層、制造試行層以及企業(yè)資源規(guī)劃層。其中由于過(guò)程控制直接面向企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，因此對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)要求具有極高的實(shí)時(shí)性、可靠性、數(shù)據(jù)完整性與可用性。過(guò)程控制系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。
當(dāng)前先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為過(guò)程控制的實(shí)現(xiàn)提供了強(qiáng)有力的實(shí)施基礎(chǔ)?，F(xiàn)場(chǎng)總線是過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的重要基礎(chǔ)。它與Internet等信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有明顯的區(qū)別。一般而言，現(xiàn)場(chǎng)總線是在標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，并進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化?，F(xiàn)場(chǎng)總線一般只包括IOS/OSI七層模型中的三層。也就是現(xiàn)場(chǎng)總線只具有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層以及應(yīng)用層。過(guò)程控制系統(tǒng)利用現(xiàn)場(chǎng)總線，將企業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)中最低層的現(xiàn)場(chǎng)控制器與現(xiàn)場(chǎng)職能儀表設(shè)備互聯(lián)形成實(shí)時(shí)控制的通信網(wǎng)絡(luò)，也被稱為工程的底層網(wǎng)絡(luò)。
過(guò)程控制因素是生產(chǎn)過(guò)程建模的參數(shù)，一般而言它是由不同模式下的生產(chǎn)特征與生產(chǎn)過(guò)程控制決策所共同決定的。在生產(chǎn)過(guò)程中，在制品的控制的最終目標(biāo)是為了將在制品的庫(kù)存數(shù)量保持在一個(gè)合理的級(jí)別。即能夠維持企業(yè)正常的生產(chǎn)，又可以保證企業(yè)生產(chǎn)物流的連續(xù)性，從而盡量建設(shè)企業(yè)庫(kù)存量，從而盡可能的降低企業(yè)生產(chǎn)成本。
企業(yè)在制品的控制主要取決與車間生產(chǎn)類型與生產(chǎn)組織的形式。在大批量生產(chǎn)模式下，在制品的通過(guò)加工路線單與工票憑證，來(lái)保證在制品數(shù)量的穩(wěn)定。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在生產(chǎn)中的應(yīng)用，不同的過(guò)程控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。這些過(guò)程控制系統(tǒng)利用先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在制品物流信息的追蹤與監(jiān)督，為生產(chǎn)過(guò)程中的控制提供了動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)。因此，利用過(guò)程控制系統(tǒng)提供的在制品生產(chǎn)信息，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)制造過(guò)程中產(chǎn)品控制的最終目的。
過(guò)程控制系統(tǒng)能夠?qū)⑸a(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品的各種質(zhì)量問(wèn)題與加工失誤率降至最低。過(guò)程控制系統(tǒng)通過(guò)建設(shè)整個(gè)制造過(guò)程中產(chǎn)品的質(zhì)量狀況，通過(guò)對(duì)原材料與不同零部件的檢驗(yàn)，使產(chǎn)品在各個(gè)生產(chǎn)階段的不合格率盡可能的降低。
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