1、化工仪表及自动化 绪论工艺流程模拟屏工艺流程模拟屏集散控制系统操作站集散控制系统操作站 下面我们来看几个工业生产和日常下面我们来看几个工业生产和日常生活中常见的自动控制系统。生活中常见的自动控制系统。 一、生活环境中的自动控制系统一、生活环境中的自动控制系统 如今，在日常生活中几乎处处都可见如今，在日常生活中几乎处处都可见到自动控制系统的存在。如各种温度调节、到自动控制系统的存在。如各种温度调节、湿度调节、自动洗衣机、自动售货机、自湿度调节、自动洗衣机、自动售货机、自动电梯等。它们都在一定程度上代替或增动电梯等。它们都在一定程度上代替或增强了人类身体器官的功能，提高了生活质强了人类身体器官的功
2、能，提高了生活质量。但人们对日常生活环境自动化的追求量。但人们对日常生活环境自动化的追求是永无止境的，新技术和新产品正在不断是永无止境的，新技术和新产品正在不断涌现。涌现。 1 1、空气调节器、空气调节器 空调是一个典型的温度控制系统。空调是一个典型的温度控制系统。它能使室温保持恒定。室温采用空调器它能使室温保持恒定。室温采用空调器进行控制时，温度变化曲线如图进行控制时，温度变化曲线如图1 1所示。所示。 实现这种温度调节功能的是空调中的温实现这种温度调节功能的是空调中的温度控制系统。温度计用来测量室温；控制度控制系统。温度计用来测量室温；控制器判断室温是否高于或低于用户设定的温器判断室温是否
3、高于或低于用户设定的温度；切换开关控制加热、制冷装置；最后度；切换开关控制加热、制冷装置；最后是被控制的装置或对象，即房间的温度得是被控制的装置或对象，即房间的温度得到调控。这就是一个完整的自动控制系统到调控。这就是一个完整的自动控制系统的四个基本组成部分。的四个基本组成部分。 2 2、电冰箱、电冰箱 电冰箱相当于一个电冰箱相当于一个“小房间小房间”的温度的温度控制系统，它主要是制冷装置，但有的也控制系统，它主要是制冷装置，但有的也有加热装置，用于自动化霜。有加热装置，用于自动化霜。 空调和电冰箱的设定温度一般不需要空调和电冰箱的设定温度一般不需要经常改变。经常改变。 3 3、电饭煲、电饭煲
4、电饭煲也是一个温度控制系统。高电饭煲也是一个温度控制系统。高级电饭煲的设定温度可以按人工设定的级电饭煲的设定温度可以按人工设定的程序自动变化。例如可将它的温度设定程序自动变化。例如可将它的温度设定为如图为如图2 2所示的曲线。所示的曲线。 4 4、洗衣机、洗衣机 现在的全自动洗衣机也是按照事先设现在的全自动洗衣机也是按照事先设定好的几个步骤进行工作的，但它的控制定好的几个步骤进行工作的，但它的控制过程比较复杂，一个大周期中又包含了几过程比较复杂，一个大周期中又包含了几个基本相同的小周期。完整的洗衣机控制个基本相同的小周期。完整的洗衣机控制系统还包括进水控制、出水控制、平衡控系统还包括进水控制、
5、出水控制、平衡控制等。制等。 5 5、其他、其他 应该说随着生活水平的提高，人们投应该说随着生活水平的提高，人们投入到自动化上的费用越来越多，自动化系入到自动化上的费用越来越多，自动化系统也日益随处可见，如电梯、自动门、自统也日益随处可见，如电梯、自动门、自动路灯、自动洁具、保安系统等。动路灯、自动洁具、保安系统等。 二、工业生产中的自动控制系二、工业生产中的自动控制系统统 现代工业按所加工的原材料可划分为两现代工业按所加工的原材料可划分为两大类。一类是气体、液体和粉体，这是石油、大类。一类是气体、液体和粉体，这是石油、化工、制药、轻工、食品、建材等行业的主化工、制药、轻工、食品、建材等行业的
6、主要工况，主要控制温度、压力、物位、流量、要工况，主要控制温度、压力、物位、流量、成分等参数，这是本课程涉及的主要内容；成分等参数，这是本课程涉及的主要内容；另一类是对已成型材料的进一步加工或对多另一类是对已成型材料的进一步加工或对多种已成型材料（各种元器件）的装配，主要种已成型材料（各种元器件）的装配，主要控制位移、速度、角度等参数。控制位移、速度、角度等参数。 随着生产装置的大型化、集中化和过程随着生产装置的大型化、集中化和过程的连续化，自动控制系统越来越多，越来越的连续化，自动控制系统越来越多，越来越重要。重要。 1 1、液位控制、液位控制 化工生产中化工生产中有很多贮罐和有很多贮罐和容
7、器（如油罐、容器（如油罐、水箱、锅炉气水箱、锅炉气包等）需要控包等）需要控制液位。制液位。 图图1-41-4已经是一个实用的液已经是一个实用的液位控制系统，但当需要将位控制系统，但当需要将液位信号传送到远方的控液位信号传送到远方的控制室时，就需要改为电动制室时，就需要改为电动式。用一个能送出电信号式。用一个能送出电信号的液位测量仪表代替浮球，的液位测量仪表代替浮球，用一个电动调节器代替杠用一个电动调节器代替杠杆，阀门也换成可接受电杆，阀门也换成可接受电信号的阀门，就构成了一信号的阀门，就构成了一个目前常见的液位控制系个目前常见的液位控制系统。如图统。如图1-51-5所示，所示，LTLT表示表示
8、液位测量及信号变换装置，液位测量及信号变换装置，LCLC表示液位控制器。表示液位控制器。 2 2、温度控制、温度控制 工业生产中存在大量的加热炉，一工业生产中存在大量的加热炉，一般是通过控制燃料的量来保证被加热物般是通过控制燃料的量来保证被加热物料达到或保持在所需要的温度。换热器料达到或保持在所需要的温度。换热器是常见的工业设备，它通过冷热流体的是常见的工业设备，它通过冷热流体的热量交换实现对冷流体加热的目的，控热量交换实现对冷流体加热的目的，控制手段通常是调节热流体的流量，如图制手段通常是调节热流体的流量，如图1- 1-6 6所示。所示。 图中，图中，TTTT表表示温度测量仪表，示温度测量仪
9、表，TCTC表示温度调节表示温度调节器。另外，化学器。另外，化学反应器中化学反反应器中化学反应的温度，也要应的温度，也要求进行温度控制。求进行温度控制。 三、化工生产过程的特点三、化工生产过程的特点 密闭、连续、高压、高温、深密闭、连续、高压、高温、深冷、有毒、易燃、易爆。冷、有毒、易燃、易爆。四、实现化工生产过程自动化的四、实现化工生产过程自动化的目的目的 为了实现优质、高产、低耗和为了实现优质、高产、低耗和安全，必须采用自动控制系统安全，必须采用自动控制系统五、自动化技术简要发展史五、自动化技术简要发展史 广义的自动化，是指在人类的生产、生活广义的自动化，是指在人类的生产、生活和管理的一切
10、过程中，通过采用一定的技术和管理的一切过程中，通过采用一定的技术装置和策略，使得仅用较少的人工干预甚至装置和策略，使得仅用较少的人工干预甚至做到没有人工干预，就能使系统达到预期目做到没有人工干预，就能使系统达到预期目的的过程，从而减少和减轻了人的体力和脑的的过程，从而减少和减轻了人的体力和脑力劳动，提高了工作效率、效益和效果。由力劳动，提高了工作效率、效益和效果。由此可见，自动化涉及到人类活动的几乎所有此可见，自动化涉及到人类活动的几乎所有领域，因此，自动化是人类自古以来永无止领域，因此，自动化是人类自古以来永无止境的梦想和追求目标。境的梦想和追求目标。 自动化技术的发展大致可分为工匠、技术自
11、动化技术的发展大致可分为工匠、技术化、理论化、网络化与智能化等几个阶段。化、理论化、网络化与智能化等几个阶段。 一、工匠阶段一、工匠阶段 人类很早就进行了简陋自动化装置的探人类很早就进行了简陋自动化装置的探索，留下了许多记载与传说，如中国的指南索，留下了许多记载与传说，如中国的指南车，记里鼓车，著名科学家张衡发明的混天车，记里鼓车，著名科学家张衡发明的混天仪、水运气象台等。公元仪、水运气象台等。公元3 3世纪，希腊人发世纪，希腊人发明了水钟。另外，古代传说中的在重要位置明了水钟。另外，古代传说中的在重要位置安放的各种暗算机关，也是早期的自动化装安放的各种暗算机关，也是早期的自动化装置的尝试。据
12、说，达置的尝试。据说，达芬奇为路易十二制造芬奇为路易十二制造过供玩赏用的机器狮，可以说是最简单的机过供玩赏用的机器狮，可以说是最简单的机器人了。器人了。 二、技术化和理论化阶段二、技术化和理论化阶段 标志人类社会工业革命开始的是瓦特于标志人类社会工业革命开始的是瓦特于17881788年发明的蒸汽机，它同样也标志着自动年发明的蒸汽机，它同样也标志着自动化领域技术化和理论化阶段的开始。具有良化领域技术化和理论化阶段的开始。具有良好的自动控制系统也是蒸汽机得以成功的必好的自动控制系统也是蒸汽机得以成功的必要条件之一。要条件之一。 在瓦特之前，已有人发明过各种各样的在瓦特之前，已有人发明过各种各样的蒸
13、汽机及相关控制装置，但没有真正地解决蒸汽机及相关控制装置，但没有真正地解决问题，主要原因有蒸汽的进气和排气是手动问题，主要原因有蒸汽的进气和排气是手动操纵的，转速不稳定等。操纵的，转速不稳定等。 瓦特的发明瓦特的发明解决了这些问题，解决了这些问题，其蒸汽机的转速其蒸汽机的转速调节系统原理如调节系统原理如右图所示。这是右图所示。这是一个典型的具有一个典型的具有负反馈的速度调负反馈的速度调节系统。节系统。 1868 1868年，麦克思威尔发表了著名的关于调年，麦克思威尔发表了著名的关于调节器的论文，对反馈理论进行了深入的研究。节器的论文，对反馈理论进行了深入的研究。同年，法国工程师法尔科发明了反馈
14、调节器。同年，法国工程师法尔科发明了反馈调节器。至至19201920年，反馈理论已广泛地应用于电子放年，反馈理论已广泛地应用于电子放大器中，性能有了较大的改善。大器中，性能有了较大的改善。19201920年，美年，美国出现了国出现了PIDPID调节器，并应用到化工和炼油过调节器，并应用到化工和炼油过程。程。 到到19481948年，控制理论的经典部分都已基年，控制理论的经典部分都已基本提出，如，多种控制系统的稳定性分析方本提出，如，多种控制系统的稳定性分析方法、根轨迹法、频率分析法等。法、根轨迹法、频率分析法等。19461946年，第年，第一台电子计算机问世。除了工业革命使自动一台电子计算机问
15、世。除了工业革命使自动化获得较为广泛的应用外，特别要提及的是化获得较为广泛的应用外，特别要提及的是第一次和第二次世界大战极大地激发了自动第一次和第二次世界大战极大地激发了自动控制在军事和军工领域的应用。控制在军事和军工领域的应用。 三、网络化和智能化方法三、网络化和智能化方法 1948 1948年，维纳的年，维纳的控制论控制论一书，标志着一书，标志着自动化的理论基础自动化的理论基础控制论正式诞生。同控制论正式诞生。同年，香农发表了年，香农发表了通讯的数字原理通讯的数字原理，标志，标志着信息论的诞生。连同着信息论的诞生。连同19461946年诞生的第一台年诞生的第一台计算机，它们标志着自动化技术
16、进入了网络计算机，它们标志着自动化技术进入了网络化与智能化的阶段，计算机技术的飞速发展化与智能化的阶段，计算机技术的飞速发展大大推动了计算机控制系统的应用。同时，大大推动了计算机控制系统的应用。同时，这些科技成果也标志着人类社会继农业革命这些科技成果也标志着人类社会继农业革命和工业革命之后又一个伟大的变革和工业革命之后又一个伟大的变革信息信息革命的开始。革命的开始。 控制论并不仅仅是工业和工程领域的科学，控制论并不仅仅是工业和工程领域的科学，它也是一种思想，一种方法，普遍适用于几乎它也是一种思想，一种方法，普遍适用于几乎所有领域。哲学家、数学家、军事家、政治家、所有领域。哲学家、数学家、军事家
17、、政治家、工程师等都对它感兴趣。它的应用可分为四大工程师等都对它感兴趣。它的应用可分为四大领域：工程控制论、生物控制论、经济控制论、领域：工程控制论、生物控制论、经济控制论、社会控制论。社会控制论。 随着计算机功能的日益强大与完善，体随着计算机功能的日益强大与完善，体积的微型化，用计算机代替调节器已成气候，积的微型化，用计算机代替调节器已成气候，目前正朝着一切需要智能化处理的场所都用目前正朝着一切需要智能化处理的场所都用计算机的方向发展。计算机的方向发展。 2020世纪末，随着计算机和网络的逐步普世纪末，随着计算机和网络的逐步普及，管理自动化开始发挥越来越大的作用。及，管理自动化开始发挥越来越大的作用。在企业界，生产装置的控制与管理的自动化在企业界，生产装置的控制与管理的自动化正融为一体。正融为一体。
