1、2022-12-41页概述概述 在石油、化工工业中，许多原料、中间产品或粗成品，往往全是由若干组分所组成的混合物，需要通过精馏过程进行分离或精制。精馏塔就是用于精馏过程的重要设备。据统计，在石油和化学工业中，大约4050的能量消耗在精馏设备中。因此，精馏塔的控制一直是过程控制领域普遍重视的间题。精馏塔是个多参数的被控对象。它的通道很多。它由多级塔板组成，内在机理复杂，对控制作用的响应缓慢，参数间相互关联，而不同工艺要求下塔的结构也各不相同且控制要求又较高所有这些都给精馏塔的控制带来一定的困难。2022-12-42页精馏塔的控制任务及其变量配对关系精馏塔的控制任务及其变量配对关系 对精馏塔的控制
2、要求通常为质量指标、产品产量、及能量消耗三个方西。质量指标是指使塔顶产品中的轻组分（或重组分杂质）含量符合技术要求；或使塔底产品中重组分（或轻组分杂质）符合技术要求。质量指标是精馏塔控制中的关键，因此，精馏塔的控制任务是在保证质量指标的前提下使产品产量尽量高，能量消耗尽量低。2022-12-43页一般情况下，塔的进料流量QF是不可控制的，如分离裂解气的乙烯塔，它的进料流量受前一工序决定；而在有些情况下，进料流量也可以控制，如炼油厂初馏塔的原油流量就可控制为恒定值；进料成分AF的变动是无法控制的，它由上一工序决定，但多数情况变化是缓慢的。总之，大多数情况下，进料流量QF及进料成分AF的变化是精馏
3、过程中的主要扰动。2022-12-44页 为克服扰动的影响以及从对精馏塔实行控制的目的出发，在众多的参数关系中，选出关键的参数作为被控制量，它们是：塔顶产品成分A1，塔底产品成分A2，回流罐液位h1和塔底液位h2。为控制这四个被控变量可供采用的操作变量（控制量）也有四个，它们是塔顶产品流量Q1、塔底产品流量Q2，回流量QL及再沸器加热用蒸汽量QS。由此可知，在精馏塔控制中，变量间的配对关系有4！24种的可能。2022-12-45页由生产工艺要求可知，产品（塔顶及塔底馏出物）成份的控制具有首要的意义，因此，在变量配对时，首先要解决产品成分的变量配对。选取时应满足如下要求：（1）相互问影响最强，反
4、应速度快；（2）尽量采用工艺上就近的原则并力求使塔的能量平衡控制与物料平衡控制间的相互关联最小；（3）控制设备尽可能简单且易于实现。实践证明，在上述24种可能的方案中，没有哪一个方案能同时满足上述诸项要求。因此，只好在完成某项具体功能的精馏塔控制设计中，迸行认真的方案比较，从中选出一个相对合理的变量配对控制方案。2022-12-46页只控制一端产品质量时的控制方案只控制一端产品质量时的控制方案 1、塔顶产品成分控制 当工艺上对塔顶产品的成分有严格的要求、而对塔底产品组分只要保持在一定范围内即可时，只需对塔顶产品成分进行控制。如在甲醇分离塔中，其进料为甲醇、甲醛和水的混合液，要求把甲醇分离出来。
5、因甲醇为轻组分，所以这是一个塔顶产品成分的控制问题。表101给出了一个甲醇分馏的参数。2022-12-47页NoImage2022-12-48页根据变量配对的要求通常采用的控制方案是用塔顶产品流量控制塔顶产品成份；用回流量控制回流罐液位；用塔底产品流量控制塔底液位；蒸汽的热釜（再锑器）进行自身流量的控制，如图109所示。该方案说明，在精馏塔仅需要控制塔的一端产品质量时，应该选用物料平衡控制方式，即用塔顶产品流量或塔底产品流量来保证塔顶成分达到要求；同时应以塔两端产品流量较小者作为控制量去控制塔的产品质量。仅只能选用塔顶产品流量作为控制量。图109中调节器的输出均通过电气转换后采用带气动阀门定位
6、器的气动薄膜执行机构，其目的是为了防爆。以确保安全。2022-12-49页NoImage2022-12-410页 2、塔底产品成分控制 塔底产品成分控制的目的是把进料中挥发度较小的重组分从塔底分离出来。一般采用的控制方案为：用塔底产品流量控制塔底产品成分，用回流量控制回流罐液位，塔顶产品只进行流量控制，塔底液位由加热用蒸汽量控制，如图1010所示。2022-12-411页 2022-12-412页三、两端成分同时控制的方案三、两端成分同时控制的方案当塔顶及塔底产品分别需要满足一定的品质指标时，就需要对塔的两端产品同时予以控制。通常采用的控制方案是用回流量控制塔顶产品成分，用塔底流量控制塔底产品
7、成分用塔顶流量控制回流罐液位，用蒸汽流量控制再沸器液位，如图1011所示。但是，由精馏操作的内在机理可知，当改变回流量时，不仅影响塔顶产品组分的变化，同时也引起塔底产品组分的变化；同理，当控制塔底的加热用蒸汽流量时，将引起塔内温度的变化，从而不但使塔底产品组分产生变化，同时也将影响到增顶产品组分的变化。2022-12-413页可见，这是一个2x2的耦合系统，如图1112所示。显然，此时应进行解耦设计，两端产品成分解耦控制方案如图1013所示。这个方案的设计思想是希望回流量的变化只影响塔顶组分，至于它对塔底组分的影响是通过解耦装置D21(s)使蒸汽阀门预先动作，予以补偿；同样，希望蒸汽量的变化只
8、影响塔底组分，而它对塔顶组分的影响，将通过另一个解耦装置D12(s)使回流阀预先动作，予以补偿，从而实观了两端产品质量的解耦控制。关于解耦模型D21(s)、D12(s)的取得，可根据不变性原理的前馈补偿法进行设计，其框图如图1014所示。2022-12-414页 NoImage2022-12-415页NoImage2022-12-416页NoImage2022-12-417页NoImage2022-12-418页.NoImage2022-12-419页智能仪器中常用的数据处理有如下几项:1)乘常数:R=cx,将测量结果x乘以用户从键盘输入的常数c。此种改变直线斜率的运算常用于将电量变成其他工程
9、单位。例如,采用数字电压表通过传感器测量压力时,将测量结果乘以特定系数后即得到被测的压力值,可以直接输出并显示。2)百分率偏离:R=100(x-n)/n,此运算可确定测量结果对一个标称值的百分率偏离。用户从键盘输入标称值n,每次把测量结果与标称值进行比较即可得到百分率偏离。在检验元件的容差时,可直接输出并显示。2022-12-420页3)偏移:R=x-,这是许多智能仪器都具备的一种功能,将测量结果减去或加上一个从键盘输入的常数,即得到偏移值。4)比例:比例是一个量相对于另一个量的关系,在数学上是进行除法运算。比例可分为以下几种情况:线性的:R=x/r,其中r是参考量,例如是一个电阻值。如果测得
10、该电阻上的电压,通过比例运算,就可获得通过电阻的电流值。对数的:R=20lg(x/r),用户从键盘输入常数r后,仪器自动进行对数计算,将结果以分贝(dB)为单位输出并显示。功率:R=x2/r,将测量结果平方后除以参考量r。如果r是负载电阻,x是该电阻上的电压,则通过该计算可直接输出并显示功率值。2022-12-421页最大/最小:求多个测量结果中的最大值、最小值和峰-峰值。智能仪器无须保存每个测量结果,仅需保存当前的最大值和最小值。当发现新的最大值或最小值时,就更新原来的最大值或最小值。极限:在某些测量中,用户关心的是被测量(如温度和压力等)是否越出安全范围。这时用户可先设置高、低极限。当被测
11、量越出该极限时,仪器就给出某种警告。在测量结束后,分别输出并显示越出高限、低限和未越出界限的测量次数。统计:计算测量结果的算术平均值、方差、标准偏差、方均根值等。2022-12-422页2.仪器性能优越仪器性能优越智能仪器中通过微处理器进行数据存储和运算处理,很容易实现多种自动补偿、自动校正、多次测量平均等技术,使测量精度大大提高。通过执行适当和巧妙的算法,常常可以克服或弥补仪器硬件本身的缺陷或弱点,改善仪器的性能。智能仪器中,对随机误差通常用求平均值的方法来克服,对系统误差,则根据误差产生的原因采用适当的方法处理。例如:HP3455型数字电压表的实时自动校正是先进行三次不同方式的测量,然后由
12、微处理器自动把测量数据代入自校准方程进行计算,以消除由漂移及放大器增益不稳定所带来的误差。借助于微处理器,不仅能校正由漂移、增益不稳定等引起的误差,还能校正由各种传感器、变换器及电路引起的非线性或频率响应等误差。2022-12-423页3.3.仪器操作自动化仪器操作自动化 智能仪器自动化程度高,被称之为自动测试仪器。传统仪器面板上的开关和按钮大部分被键盘所代替,操作人员仅需按键即可完成所有的操作。智能仪器通常都能自动选择量程、自动校准,有的还能自动调整测试点,既方便了操作,也排除了人为因素的影响,提高了测试的准确性和可靠性。2022-12-424页4.4.数据传送与通信数据传送与通信 智能仪器
13、通常都具有GPIB标准通信接口,能够很方便地接入自动测试系统,接受遥控命令、实现自动测试。许多智能仪器还配置有RS232C/RS422/RS485等标准串行接口、现场总线接口等,具有远距离数据通信功能,便于组成测控网络。2022-12-425页1.31.3智能仪器的发展智能仪器的发展 在计算机技术和微电子技术迅猛发展的推动下,测量技术与仪器仪表技术不断进步,相继诞生了PC仪器、VXI仪器、虚拟仪器等微机化仪器及其自动测试系统。计算机与现代仪器设备间的界限日渐模糊,测量领域和范围不断拓宽。由于仪器仪表对微计算机技术的依赖日益加剧,出现了“计算机就是仪器”和“软件就是仪器”的提法。由于仪器仪表网络
14、化发展的趋势日渐明朗,近来又出现了“网络就是仪器”的提法。随着人类文明的进步和科学技术的发展,智能仪器技术也在不断地进步和发展。以下介绍在智能仪器发展中具有代表性的自动测试系统、虚拟仪器、网络化仪器以及智能传感器系统。2022-12-426页1.3.11.3.1自动测试系统自动测试系统 自动测试系统(ATS,AutomaticTestSystem)最早是为适应多点自动巡回检测的需要而开发的。当采用计算机技术之后,自动测试系统有了极大的发展,不但可以快速自动地完成对上百个物理参数和开关状态的巡回检测,而且具有过程监测、数据分析、故障诊断及预测等多项功能。由智能仪器组成的自动测试系统是一个分布式多
15、微机系统,各智能仪器在任务一级并行工作,相互间通过标准外部总线进行必要的数据通信,协同完成原来由大型系统才能胜任的综合测试任务。2022-12-427页1.CAMACCAMAC系统系统 CAMAC(计算机自动测试及控制)系统是适用于宇航、交通和工业自动化等方面的大型自动测试系统。它最早由欧洲电子学标准化委员会提出,后被IEEE(美国电气及电子工程师协会)及IEC(国际电工协会)承认,成为国际标准。CAMAC主要用于解决计算机和各功能组件,即各测量或控制用仪器装置之间的接口问题。其主要特点是数据传输速率高、通用性及灵活性强,可兼容不同设备。我国在20世纪80年代完成了CAMAC系统的开发,并在一
16、些军工和普通工业部门获得应用,但如今这种系统已逐渐被淘汰。2022-12-428页2.GP-IBGP-IB系统系统 GP-IB(通用接口总线)是1972年由美国HP公司最早提出的,1975年被IEEE承认为IEEE-488标准;1979年又被IEC承认为IEC-625标准;1984年我国将此标准承认为ZBY207,并正式命名为“可程控测量仪器的接口系统”。GP-IB的应用十分广泛,智能仪器大都配有GPIB通信接口。不管是哪个国家、哪家企业生产的智能仪器产品,只要配有GP-IB标准接口,都可以借助一条无源电缆总线互联,灵活地组成各种不同用途的自动测试系统,以完成较复杂的测试任务。2022-12-
17、429页图图1-41-4GP-IBGP-IB自动测试系统示意图自动测试系统示意图NoImage2022-12-430页 GP-IB自动测试系统由微型计算机、若干台不同用途的可程控仪器(须配有GP-IB接口)以及GP-IB总线三者组成。微型计算机作为系统的控制者,通过执行测试软件,实现对测量全过程的控制和测量数据的综合处理;每台可程控仪器均是自动测试系统中的任务执行单元。2022-12-431页 GP-IB总线由微型计算机中的接口板和每台程控仪器中的GP-IB标准接口以及GP-IB标准电缆三部分组成。GP-IB标准总线共有16条信号线(双向数据总线8条、数据传输控制总线3条,管理总线5条),将各
18、种仪器设备有机地连接起来,完成系统内各种信息的变换和传输。GP-IB自动测试系统通用性强、功能完善,只需增减或更换“挂”在它上面的程控仪器设备、编制相应的测试软件,即可完成不同的测试任务。在要求测量时间极短、数据处理量大、测试现场对操作人员有害或操作人员参与容易产生人为误差等测试任务中极为适用。2022-12-432页3.VXI系统 VME总线(VersabusModuleEuropean)是Motorola公司1981年针对32位微处理器68000而开发的微机总线。VXI总线(VMEbusExtensionsforInstrumentation)系VME总线标准在智能仪器领域的扩展,是HP等
19、5家美国有影响的仪器公司于1987年联合提出的面向模块的总线标准,以适应测量仪器从分立的台式或框架式结构发展为更为紧凑的模块式或插件式结构的需要。VXI总线仪器系统采用40MHz带宽的VME总线作为机箱背板总线。背板总线的功能相当于GP-IB标准总线,但具有更高的数据吞吐率。各种卡式仪器(IAC,InstrumentAtCard)均挂接在背板总线上,从而在测控软件的支持下实现自动测试系统的全部功能。2022-12-433页 VXI系统是一种微型计算机控制的新型仪器系统,允许不同厂家生产的符合VXI总线接口标准的IAC与微型计算机共存于主机箱内(主控微型计算机也可安放在机箱外部,通过多种标准通信
20、总线与VXI系统连接)。采用这种总线标准的新型仪器系统具有尺寸紧凑、信息吞吐率高、配置灵活、可靠性高等特点,可以组成不同规模的自动测试系统。我国已投入了大量的人力及资金开发VXI自动测试系统,并在一些军工和科研部门得到了成功的应用。但是,VXI系统价格较昂贵,某种程度上限制了它的推广应用。2022-12-434页1.3.21.3.2虚拟仪器虚拟仪器 仪器仪表技术经历了模拟仪器、数字化仪器、智能仪器三个发展阶段,也形成了单台仪器、叠架式仪器系统、虚拟仪器这样三条发展主线。虚拟仪器(VI,VirtualInstrument)是指在通用微型计算机上添加必要的仪器硬件模块和仪器专用软件,使操作通用微型
21、计算机如同操作一台传统意义的智能仪器。虚拟仪器的出现,打破了仪器功能只能由厂家定义,用户无法改变的模式。用户可以充分发挥想像力和才能,设计个性化的仪器系统,以满足多种多样的应用需要。由于软件是关键,可以很方便地改变软件来适应不同的需要,功能更加灵活;由于以通用计算机为基础平台、虚拟仪器很容易同网络、外设及其他应用连接,也能够很快地跟上计算机的发展,不断升级,乃至重建自己个性化的仪器系统。2022-12-435页 早在20世纪70年代,人们就有了虚拟仪器的设想,但真正实现则是在个人计算机仪器(PCI)之后。多年来,以PCI为硬件平台的虚拟仪器已受到各方面的关注,但PCI始终没有统一的规格,而且P
22、C机的AT总线或ISA总线并未兼顾仪器的需要,加之机箱供电能力有限,噪音干扰较大,电磁兼容能力较低,插槽数目有限,插件规模尺寸受限制等等因素,制约了PCI硬件平台虚拟仪器的发展。2022-12-436页 美国国家仪器公司(NI,NationalInstrument)率先在PC机中另辟单独插件箱,将PCI总线扩充成为仪器总线PXI(PCIExtentionforInstrument),并在数据采集器方面推出了一系列成功的产品。PXI总线在某些方面与VXI总线有相似之处,如增加了触发总线、时钟总线、局部总线、电源总线等等。所用的机箱功率为300W,有内附奔腾控制器,机箱可容纳8个插卡等等。扩充了仪
23、器总线(PXI)的个人计算机仪器的性能虽比VXI系统低,但价格较便宜,体积较小,使用灵活。与GP-IB(机架台式)系统和VXI(插卡式)系统形成了三分市场之势。2022-12-437页1.3.31.3.3网络化仪器网络化仪器 当今时代,以Internet为代表的计算机网络的迅速发展以及相关技术的日臻完善,突破了传统通信方式的时空限制和地域障碍,使更大范围内的多媒体数据通信变得十分容易。Internet拥有的硬件和软件资源正在越来越多的领域中得到应用,比如电子商务、网上教学、远程医疗、远程数据采集与控制、高档测量仪器设备资源的远程实时调用、远程设备故障诊断等等。与此同时,高性能、高可靠性、低成本
24、的网关、路由器、中继器以及网络接口芯片等网络互联设备的不断进步,大大方便了Internet与不同类型的测控网络和企业管理网络间的互联,为测量与仪器技术带来了前所未有的发展机遇。2022-12-438页 网络化测量技术与具备网络功能的新型仪器即“网络化仪器”应运而生。所谓“网络化仪器”,是指在智能仪器中将TCP/IP协议等作为一种嵌入式应用,使测量过程中的数据和控制命令等均能够以TCP/IP方式传送;使智能仪器可以接入Internet,构成分布式远程测控系统。以下是网络化仪器的几个例子。2022-12-439页1.网络化流量计 网络化流量计即具有联网能力的流量计。网络化流量计即具有联网能力的流量
25、计。在其安装过程中用户可通过网络浏览器对流量计若干参数进行远程配置;嵌入FTP服务器后,可将流量数据通过Internet传送到指定计算机中作为特殊文件保存;电子邮件服务器可将预先设定的流量报警信息发送给指定信箱或收信人(电话或寻呼机),收到报警信息后,可利用该网络化流量计的互联网地址做远程登录,运行适当的诊断程序、重新进行配置或下载新的固件,以排除障碍,而无须赶赴现场处理。2022-12-440页2.2.网络化传感器网络化传感器网络化传感器是在智能传感器基础上,将TCP/IP协议嵌入现场智能传感器的程序存储器中,处在测控点的网络传感器将测控参数信息加以必要的处理后登临网络,使联网的其他设备从网
26、上获取这些参数,再进行相应的分析和处理。网络化传感器应用范围很大,比如在广袤地域的水文监测中,对江河从源头到入海口,在关键测控点用传感器对水位乃至流量、雨量进行实时在线监测,网络化传感器就近登临网络,组成分布式流域水文监控系统,可对全流域的现状及动向进行在线监控。在进行广大地区耕地的质量监测中,也可利用网络化传感器,采集大范围的各类信息。随着分布式测控网络的兴起,网络化传感器必将得到更广泛的应用。2022-12-441页3.3.网络化示波器和网络化逻辑分析仪网络化示波器和网络化逻辑分析仪 美国安捷伦公司前几年即将联网功能作为其系列数字存储示波器产品的标准功能配置,推出了一系列网络化示波器产品。
27、最近该公司又推出了具有网络功能的16700B型逻辑分析仪。16700B型网络化逻辑分析仪可实现在任意时间、任何地点对系统的远程访问,实时获得仪器的工作状态;通过友好的用户界面,对远程仪器的功能加以控制,对仪器的状态进行监测,还能将远程仪器测得的数据经网络迅速传递给本地计算机系统。2022-12-442页1.3.41.3.4智能传感器系统智能传感器系统 智能传感器系统(Intelligent/SmartSensorSystem)是当今世界正在迅速发展的高新技术,至今还没有形成规范化的定义。在早期,人们强调在工艺上将传感器与微处理器两者紧密结合,认为“传感器的敏感元件及其信号调理电路与微处理器集成
28、在一块芯片上就是智能传感器”。由于智能传感器系统在信息处理方面表现卓越,功能日益强大,传感器系统和仪器系统的界限逐渐被打破,又重新将智能传感器系统定义为“兼有信息检测与信息处理能力的传感器系统”。2022-12-443页智能传感器一般具有以下主要功能:自校零,自标定,自校正;自动补偿;自动采集数据,并对数据进行预处理;自选量程,自寻故障;数据存储,记忆与信息处理;双向通讯、标准化数字输出或符号输出;具有判断、决策能力。2022-12-444页 与传统意义的传感器相比,智能传感器具有高精度、高可靠性和高稳定性、高信噪比和高分辨力以及强自适应性、高性能价格比等特点。由于智能传感器系统具有智能仪器的
29、基本功能和特征,可以将智能传感器系统看做小型化或微型化的智能仪器。近年来发展迅速的模糊传感器属于一种新型的智能传感器。它不仅具有一般智能传感器的功能特点,而且可以模拟人类感知的全过程,具有适应测量环境变化的能力和学习推理的能力。2022-12-445页1.41.4智能仪器的应用智能仪器的应用 智能仪器由于功能强大、性能优越、体积小、操作方便等,在传统的测量领域得到广泛应用,并涌现出诸如频谱分析仪、医疗监护仪、在线检测仪、在线分析仪等众多的新型仪器,进一步扩大了应用领域。例如,现代制造业(汽车制造、VLSI制造、各种电子设备制造等)大力倡导采用CAM(ComputerAidedManufactu
30、ring,计算机辅助制造)技术,其中必须对整个加工过程中各重要环节进行监控,对半成品和成品进行在线或检验室检测。在生产线或检验室内使用的各种仪器,就是采用CAT(ComputerAidedTest,计算机辅助测试)技术的智能仪器。2022-12-446页 由于微计算机的内存容量不断增大,工作速度不断提高,其数据处理的能力有了极大的改善,将动态信号分析技术(以数字滤波或FFT为主体)引入智能仪器之中,并配之以各种专家分析软件,即可构成智能化的医学诊断仪和机器故障诊断仪等智能诊断分析仪器。这类智能仪器还可进一步发展为测试诊断专家系统。2022-12-447页 智能仪器的发展使得其硬件结构及软件内涵越来越复杂,对其工作状态的检验及故障诊断显得非常重要,而又十分困难。为了解决此类问题,人们还研制了面向智能仪器的故障诊断仪,它不仅可以确定智能仪器的故障性质及作用范围,还可精确定位到故障元件。PC仪器、VXI仪器、自动测试系统、虚拟仪器、现场总线仪器、智能传感器系统和近来出现的网络化仪器等,大大扩展了智能仪器的内涵和应用领域。随着人类文明的进步和科学技术日新月异的发展,新型的智能仪器还会不断产生,应用领域还将继续扩大,智能仪器的发展前景光明灿烂。
