1、21 世 纪 高 等 职 业 教 育 通 用 教 材化 工 检 测 与 控 制 技 术主 编 王 永 红副 主 编 钱 静参 编 李 红 张 泉上 海 交 通 大 学 出 版 社内 容 提 要 化 工 检 测 与 控制 技 术 一 书是 高 等 职 业 技 术 学 院 石 油 化 工 类 专 业 的 教 学 用 书 。 全 书 共 11 章 , 对 化 工 过 程 检 测 与 控 制 技 术 进 行 了 系 统 叙 述 。 第 1 章 到 第 5 章 , 介 绍 了 化 工 检 测 的 基 础 知 识 和 化 工 检 测 仪 表 的 工 作 原 理、 结 构 性 能 、 基 本 技 术 参 数
2、及 产 品 的 使 用 、 操 作 技 术 。 第 6 章 到 第 9 章 着 重 介 绍 了 化 工 企 业 中 应 用 的控 制方 法 及 计 算 机 控 制 技 术 、 控 制 仪 表 。第 10 章 通 过 典 型 生 产 过 程 的 控 制 方 法 的 介 绍 , 使 学 习 者 从 工 艺 生 产 过 程 出 发 , 明 确 化 工 检 测 与 控 制 技 术 及 各 种 控 制 方 案 的 应 用 。 第 11 章 介 绍 了 化 工 检 测 与 控 制 技 术 课 程 实 验 指导 的 主 要 内 容 。本书 除 作 为 专 业 教 材 外 , 也 可 供 从 事 相 关 行业
3、 ( 石 油 化 工 、 轻 工 、 林 业 、 电 厂 等 ) 专 业 的 工 程 技 术 人 员 阅 读 参 考 。书 名:化工检测与控制技术,)作 者： 王永红)出版社： 上海交通大学出版社,)ISBN 7-313-04098-9)中图分类号 TQ.018序发 展 高 等 职 业 技 术 教 育 , 是 实 施 科 教 兴 国 战 略 、 贯 彻 高 等 教 育 法 与 职 业 教 育 法 、 实 现 中 国 教 育 改 革 与 发 展 纲 要 及 其 实 施 意 见 所 确 定 的 目 标 和 任 务 的 重 要 环 节 ; 也 是 建 立 健 全 职 业 教 育 体 系 、 调 整
4、高 等 教 育 结 构 的 重 要 举 措 。近 年 来 , 年 青 的 高 等 职 业 教 育 以 自 己 鲜 明 的 特 色 , 独 树 一 帜 , 打 破 了 高 等 教 育 传 统 大 学 一 统 天 下 的 局 面 , 在 适 应 现 代 社 会 人 才 的 多 样 化 需 求 、 实 施 高 等 教 育 大 众 化 等 方 面 , 做 出 了 重 大 贡 献 。 从 而 在 世 界 范 围 内 日 益 受 到 重 视 , 得 到 迅 速 发展 。我 国 改 革 开 放 不 久 , 从 1980 年 开 始 , 在 一 些 经 济 发 展 较 快 的 中 心 城 市 就 先 后 开
5、办 了 一 批 职 业 大 学 。 1985 年 , 中 共 中 央 、 国 务 院 在 关 于 教 育 体 制 改 革 的 决 定 中 提 出 , 要 建 立 从 初 级 到 高 级 的 职 业 教 育 体 系 , 并 与 普 通 教 育 相 沟 通 。 1995 年 中 华 人 民 共 和 国 职 业 教 育 法 的 颁 布 , 从 法 律 上 夫 定 了 高 等 职 业 教 育 的 地 位 和 作 用 。 目 前 , 我 国 高 等 职 业 教 育 的 发 展 与 改 革 正 面 临 着 很 好 的 形 势 和 机 遇 ; 职业 大 学 、 高 等 专 科 学 校 和 成 人 高 校 正
6、 在 积 极 发 展 专 科 层 次 的 高 等 职 业 教 育 ; 部 分 民 办 高 校 也 在 试 办 高 等 职 业 教 育 ; 一 些 本 科 院 校 也 建 立 了 高 等 职 业 技 术 学 院 , 为发 展 本 科 层 次 的 高 等 职 业 教 育 进 行 探 索 。 国 家 学 位 委 员 会 1997 年 会 议 决 学 位 与 工 程 硕 士 、 医 学 科 学 硕 士 、 教 育 学 硕 士 等 学 位 , 并 指 出 , 上 述 学 位 与 工 程 学 硕 士 、 医 学 科 学 硕 士 、 教 育 学 硕 士 等 学 位 是 不 同 类 型 的 同 一 层 次 。
7、 这 就 为 培 养 更 高 层 次 的 一 线 岗 位 人 才 开 了 先 河 。高 等 职 业 教 育 本 身 具 有 鲜 明 的 职 业 特 征 , 这 就 要 求 我 们 在 改 革 课 程 体 系 的 基 础 上 , 认 真 研 究 和 改 革 课 程 教 学 内 容 及 教 学 方 法 , 努 力 加 强 教 材 建 设 。 但 迄 今为 止 , 符 合 职 业 特 点 和 要 求 的 教 材 却 似 凤 毛 麟 角 。 由 泰 州 职 业 技 术 学 院 、 上 海 第 二 工 业 大 学 、 金 陵 职 业 大 学 、 扬 州 职 业 大 学 、 彭 城 职 业 大 学 、 沙
8、 州 职 业 工 学 院 、 上 海 交 通 高 等 职 业 技 术 学 校 、 上 海 交 大 技 术 学 院 、 上 海 汽 车 工 业 总 公 司 职 工 大 学 、 江 阴 职 工 大 学 、 江 南 学 院 、 常 州 职 业 技 术 师 范 学 院 、 苏 州 职 业 大 学 、 锡 山 市 职 业 教 育 中 心 、 上 海 商 业 职 业 技 术 学 院 、 福 州 大 学 职 业 技 术 学 院 、 芜 湖 职 业 技 术 学 院 、 青 岛 职 业 技 术 学 院 、 宁 波 高 等 专 科 学 校 、 上 海 工 程 技 术 大 学 等 70 余 所 院 校 长 期 从
9、事 高 等 职 业 教 育 、 有 丰 富 教 学 经 验 的 的 资 深 教 师 共 同 编 写 的 21 世 纪 高 职 高 专 2 化 工 检 测 与 控 制 技 术通 用 教 材 , 将 由 上 海 交 通 大 学 出 版 社 陆 续 向 读 者 朋 友 推 出 , 这 是 一 件 值 得 庆 贺 的 大 好 事 , 在 此 , 我 们 表 示 衷 心 的 祝 贺 。 并 向 参 加 编 写 的 全 体 教 师 表 示 敬 意 。高 职 教 育 的 教 材 面 广 量 大 , 花 色 品 种 甚 多 , 是 一 项 浩 繁 而 艰 巨 的 工 程 , 除 了 高 职 院 校 和 出 版
10、 社 的 继 续 努 力 外 , 还 要 靠 国 家 教 育 部 和 省 ( 市 ) 教 委 加 强 领 导 , 并 设 立 高 等 职 业 教 育 教 材 基 金 , 以 资 助 教 材 编 写 工 作 , 促 进 高 职 教 育 的 发 展 和 改 革 。 高 职 教 育 以 培 养 一 线 人 才 岗 位 与 岗 位 群 能 力 为 中 心 , 理 论 教 学 与 实 践 训 练 并 重 , 二 者 密 切 结 合 。 我 们 在 这 方 面 的 改 革 实 践 还 不 充 分 。 在 肯 定 现 已 编 写 的 高 职 教 材 所 取 得 的 成 绩 的 同 时 , 有 关 学 校 和
11、 教 师 要 结 合 各 校 的 实 际 情 况 和 实 训 计 划 , 加 以 灵 活 运 用 , 并 随 着 教 学 改 革 的 深 入 , 进 行 必 要 的 充 实 、 修 改 , 使 之 日 臻 完 善 。阳 春 三 月 , 莺 歌 燕 舞 , 百 花 齐 放 , 愿 我 国 高 等 职 业 教 育 及 其 教 材 建 设 如 春 天 里 的 花 园 , 群 芳 争 研 , 为 我 国 的 经 济 建 设 和 社 会 发 展 作 出 应 有 的 贡 献 !叶 春 生2005 年 4 月 5 日前 言随 着 电 子 技 术 、 信 息 技 术 和 网 络 技 术 的 发 展 , 化 工
12、 检 测 与 控 制 技 术 也 得 到 日 新 月 异 的 发 展 , 特 别 是 近 年 来 检 测 控 制 技 术 与 信 息 网 络 技 术 得 到 很 好 结 合 , 使 其 在 传 统 产 业 和 新 兴 产 业 中 的 应 用 范 围 不 断 扩 大 。本 教 材 从 高 等 职 业 技 术 学 院 培 养 生 产 第 一 线 的 工 程 技 术 应 用 型 专 门 人 材 的前 提 出 发 , 根 据 石 油 化 工 检 测 与 控 制 技 术 更 新 快 、 科 技 含 量 高 的 特 点 , 以 反 映 先 进 性 、 实 用 性 、 典 型 性 及 针 对 性 的 原 则
13、 , 介 绍 国 内 石 油 化 工 检 测 与 控 制 技 术 的 基 本 内 容 及 新 概 念 、 新 系 统 、 新 方 法 , 以 满 足 高 等 职 业 技 术 学 院 石 油 化 工 类 专 业 及 其 他 相 关 类 型 行 业 专 业 技 术 人 员 的 培 养 和 教 学 需 要 。本 教 材 内 容 力 求 深 入 浅 出 , 着 眼 于 为 实 际 应 用 服 务 , 叙 述 简 明 易 懂 。 为 便 于学 习 , 每 章 末 附 有 丰 富 的 习 题 与 思 考 题 , 书 后 列 有 相 关 图 表 , 以 帮 助 读 者 学 习 时 练 习 与 参 考 。本
14、书 由 南 京 化 工 职 业 技 术 学 院 王 永 红 主 编 , 扬 州 工 业 职 业 技 术 学 院 钱 静 任 副 主 编 。 参 加 编 写 的 还 有 徐 州 工 业 职 业 技 术 学 院 李 红 、 南 京 化 工 职 业 技 术 学 院 张 泉 。 其 中 王 永 红 编 写 第 1 章 、 第 8 章 、 第 9 章 、 实 验 8、 9、 10 , 钱 静 编 写 第 2 章 、第 3 章 、 第 4 章 、 第 7 章 , 李 红 编 写 第 5 章 、 第 6 章 、 实 验 1 7 , 张 泉 编 写 第 10 章 。 全 书 由 王 永 红 统 稿 , 南 京
15、 师 范 大 学 申 忠 宇 对 全 书 进 行 了 审 阅 。在 本 书 的 写 作 过 程 中 , 参 加 编 写 人 员 所 在 学 校 领 导 提 供 了 很 多 方 便 , 给 了 我们 大 力 支 持 , 在 此 表 示 谢 意 。 同 时 , 在 编 写 过 程 中 , 参 考 和 引 用 了 大 量 的 文 献 , 对这 些 参 考 文 献 的 作 者 和 单 位 表 示 感 谢 。由 于 编 者 水 平 所 限 , 书 中 缺 点 、 错 误 在 所 难 免 , 恳 请 读 者 提 出 宝 贵 意 见 。编 者2004 年 7 月目 录1 绪 论 (1 )1 .1 化 工 自
16、 动 化 的 发 展 概 况 (1 )1 .2 工 艺 管 道 及 控 制 流 程 图 (2 )1 .3 自 动 化 系 统 的 组 成 与 分 类 (6 )1 .3 .1 自 动 化 系 统 的 组 成 (6 )1 .3 .2 自 动 化 系 统 的 分 类 (8 )1 .4 控 制 系 统 的 过 渡 过 程 ( 10 )1 .4 .1 过 渡 过 程 和 品 质 指 标 ( 10 )1 .4 .2 影 响 系 统 品 质 指 标 的 主 要 因 素 ( 13 )习 题 ( 13 )2 化 工 检 测 基 础 ( 15 )2 .1 概 述 ( 15 )2 .2 检 测 环 节 的 质 量
17、指 标 ( 16 )2 .2 .1 测 量 过 程 与 测 量 误 差 ( 16 )2 .2 .2 检 测 仪 表 的 质 量 指 标 ( 17 )2 .3 检 测 环 节 对 控 制 品 质 的 影 响 ( 19 )2 .3 .1 稳 定 性 与 可 靠 性 ( 19 )2 .3 .2 纯 滞 后 ( 20 )2 .3 .3 测 量 滞 后 ( 20 )2 .4 仪 表 设 备 的 防 护 ( 20 )2 .4 .1 电 气 防 爆 ( 20 )2 .4 .2 仪 表 设 备 的 防 腐 保 温 ( 23 )2 .4 .3 仪 表 设 备 的 防 护 ( 25 )习 题 ( 25 )3 工
18、艺 参 数 的 检 测 与 变 送 器 ( 27 )3 .1 温 度 检 测 ( 27 )3 .1 .1 概 述 ( 27 )3 .1 .2 热 电 偶 ( 28 )3 .1 .3 热 电 阻 ( 33 )3 .1 .4 一 体 化 温 度 变 送 器 ( 34 )3 .1 .5 温 度 检 测 仪 表 的 选 用 和 安 装 ( 35 )3 .2 压 力 检 测 ( 39 ) 2 化 工 检 测 与 控 制 技 术3 .2 .1 概 述 ( 39 )3 .2 .2 弹 性 式 压 力 计 ( 40 )3 .2 .3 电 气 式 压 力 计 ( 42 )3 .2 .4 压 力 表 的 选 用
19、和 安 装 ( 45 )3 .3 流 量 测 量 ( 46 )3 .3 .1 概 述 ( 46 )3 .3 .2 差 压 式 流 量 计 ( 47 )3 .3 .3 转 子 流 量 计 ( 50 )3 .3 .4 椭 圆 齿 轮 流 量 计 ( 52 )3 .3 .5 微 动 质 量 流 量 计 ( 53 )3 .3 .6 流 量 检 测 仪 表 的 选 用 ( 55 )3 .4 物 位 检 测 ( 56 )3 .4 .1 概 述 ( 56 )3 .4 .2 差 压 式 液 位 计 ( 56 )3 .4 .3 沉 筒 式 液 位 计 ( 59 )3 .4 .4 大 型 油 罐 计 量 仪 (
20、60 )3 .4 .5 雷 达 液 位 计 ( 61 )3 .4 .6 物 位 仪 表 的 选 用 ( 62 )3 .5 物 质 成 分 分 析 ( 62 )3 .5 .1 概 述 ( 62 )3 .5 .2 氧 量 分 析 仪 ( 63 )3 .5 .3 氢 量 分 析 仪 ( 64 )3 .6 其 他 参 数 检 测 ( 65 )3 .6 .1 利 用 皮 带 秤 称 重 ( 65 )3 .6 .2 电 机 转 速 的 测 量 ( 66 )习 题 ( 67 )4 工 艺 参 数 的 显 示 ( 69 )4 .1 模 拟 式 显 示 仪 表 ( 69 )4 .1 .1 动 圈 式 显 示 仪
21、 表 ( 69 )4 .1 .2 自 动 平 衡 式 显 示 仪 表 ( 70 )4 .1 .3 声 光 式 显 示 仪 表 ( 71 )4 .2 数 字 显 示 仪 表 ( 72 )4 .2 .1 数 显 表 的 特 点 及 基 本 功 能 ( 72 )4 .2 .2 数 显 表 的 构 成 及 原 理 ( 73 )4 .3 智 能 显 示 仪 表 ( 74 )4 .3 .1 智 能 数 字 显 示 仪 表 ( 74 )4 .3 .2 无 纸 记 录 仪 ( 75 )习 题 ( 77 )目 录 3 5 执 行 器 ( 79 )5 .1 气 动 执 行 器 ( 79 )5 .1 .1 气 动
22、薄 膜 控 制 阀 ( 79 )5 .1 .2 电 / 气 阀 门 定 位 器 ( 85 )5 .2 . 执 行 器 的 选 择 ( 86 )5 .2 .1 调 节 阀 结 构 类 型 及 材 质 的 选 择 ( 86 )5 .2 .2 调 节 阀 气 开 、 气 关 形 式 的 选 择 ( 86 )5 .2 .3 调 节 阀 流 量 特 性 的 选 择 ( 87 )5 .2 .4 调 节 阀 口 径 大 小 的 选 择 ( 87 )5 .3 电 动 执 行 器 ( 87 )习 题 ( 88 )6 基 本 控 制 规 律 及 控 制 系 统 ( 90 )6 .1 被 控 对 象 ( 90 )6
23、 .1 .1 被 控 对 象 的 特 性 ( 90 )6 .1 .2 典 型 过 程 特 性 的 确 定 ( 91 )6 .2 对 象 特 性 参 数 ( 95 )6 .2 .1 对 象 特 性 参 数 对 控 制 过 程 的 影 响 ( 95 )6 .2 .2 控 制 系 统 被 控 变 量 及 操 纵 变 量 的 选 择 ( 97 )6 .3 基 本 控 制 规 律 ( 98 )6 .3 .1 双 位 控 制 ( 99 )6 .3 .2 比 例 控 制 (100 )6 .3 .3 积 分 控 制 规 律 (102 )6 .3 .4 微 分 控 制 规 律 (105 )6 .4 电 动 型
24、控 制 仪 表 (109 )6 .5 可 编 程 调 节 器 (112 )6 .5 .1 可 编 程 调 节 器 的 主 要 特 点 (113 )6 .5 .2 可 编 程 调 节 器 的 编 程 与 组 态 (114 )6 .6 可 编 程 控 制 器 (115 )6 .6 .1 可 编 程 控 制 器 的 主 要 特 点 (115 )6 .6 .2 可 编 程 控 制 器 的 构 成 (116 )6 .6 .3 可 编 程 控 制 器 的 分 类 (117 )6 .6 .4 可 编 程 控 制 器 的 工 作 过 程 及 系 统 设 计 (118 )习 题 (119 )7 信 号 报 警
25、与 联 锁 保 护 系 统 (121 )7 .1 基 础 知 识 (121 )7 .1 .1 常 用 低 压 电 器 (121 ) 4 化 工 检 测 与 控 制 技 术7 .1 .2 基 本 组 成 环 节 (122 )7 .2 信 号 报 警 系 统 (122 )7 .3 联 锁 保 护 系 统 (125 )习 题 (127 )8 计 算 机 控 制 基 础 (128 )8 .1 概 述 (128 )8 .1 .1 计 算 机 控 制 系 统 的 组 成 (128 )8 .1 .2 计 算 机 控 制 系 统 的 特 点 (129 )8 .2 过 程 通 道 (130 )8 .2 .1 模
26、 拟 量 输 入 通 道 (130 )8 .2 .2 模 拟 量 输 出 通 道 (131 )8 .2 .3 开 关 量 输 入 通 道 (132 )8 .2 .4 开 关 量 输 出 通 道 (133 )8 .3 信 号 处 理 、 控 制 算 法 及 人 机 联 系 设 备 (134 )8 .3 .1 信 号 处 理 和 控 制 算 法 (134 )8 .3 .2 人 机 联 系 设 备 (135 )习 题 (136 )9 计 算 机 控 制 系 统 (137 )9 .1 集 散 型 控 制 系 统 (137 )9 .1 .1 集 散 控 制 系 统 的 基 本 组 成 和 特 点 (13
27、7 )9 .1 .2 集 散 控 制 系 统 的 结 构 与 功 能 (140 )9 .1 .3 集 散 控 制 系 统 的 通 信 网 络 (143 )9 .1 .4 集 散 控 制 系 统 的 软 件 系 统 (145 )9 .1 .5 常 见 集 散 控 制 系 统 的 简 介 (145 )9 .2 现 场 总 线 控 制 系 统 (151 )9 .2 .1 基 本 概 念 (151 )9 .2 .2 现 场 总 线 控 制 系 统 及 其 应 用 (154 )9 .2 .3 以 现 场 总 线 为 基 础 的 企 业 信 息 系 统 (157 )习 题 (158 )10 典 型 生 产
28、 过 程 的 控 制 (159 )10 .1 传 热 过 程 的 控 制 (159 )10 .1 .1 加 热 炉 的 控 制 (159 )10 .1 .2 换 热 器 的 控 制 (162 )10 .1 .3 锅 炉 设 备 的 控 制 (164 )10 .2 流 体 输 送 过 程 的 控 制 (167 )10 .2 .1 泵 的 控 制 (167 )10 .2 .2 离 心 式 压 缩 机 的 防 喘 振 控 制 (169 )目 录 5 10 .3 反 应 过 程 的 控 制 (170 )10 .3 .1 反 应 器 的 基 本 控 制 方 案 (170 )10 .3 .2 聚 合 反
29、应 釜 的 控 制 (173 )10 .3 .3 合 成 氨 的 控 制 (175 )10 .4 精 馏 过 程 控 制 (178 )10 .4 .1 精 馏 塔 的 控 制 目 标 (178 )10 .4 .2 精 馏 塔 的 基 本 控 制 方 案 (179 )10 .4 .3 精 馏 塔 综 合 控 制 举 例 (181 )10 .5 间 歇 生 产 过 程 控 制 (183 )10 .5 .1 间 歇 生 产 概 述 (183 )10 .5 .1 间 歇 生 产 过 程 控 制 (184 )10 .6 其 他 过 程 控 制 系 统 (187 )10 .6 .1 多 变 量 控 制 系
30、 统 (187 )10 .6 .2 自 适 应 控 制 系 统 (189 )10 .6 .3 智 能 控 制 系 统 (191 )习 题 (193 )附 实 验 指 导 (195 )实 验 一 弹 簧 管 压 力 表 及 压 力 变 送 器 的 认 识 及 使 用 (195 )实 验 二 差 压 变 送 器 的 校 验 (197 )实 验 三 数 字 式 温 度 显 示 仪 的 校 验 (199 )实 验 四 温 度 检 测 和 显 示 仪 表 的 认 识 及 温 度 检 测 系 统 的 构 成 (201 )实 验 五 DDZ - 控 制 器 的 认 识 和 使 用 (203 )实 验 六 可
31、 编 程 控 制 器 的 认 识 及 使 用 (206 )实 验 七 气 动 执 行 器 及 转 换 单 元 的 认 识 及 使 用 (208 )实 验 八 工 艺 对 象 特 性 的 测 试 (211 )实 验 九 简 单 控 制 系 统 实 验 (213 )实 验 十 串 级 控 制 系 统 实 验 (215 )参 考 文 献 (219 )1 绪 论化 工 生 产 过 程 的 自 动 控 制 通 常 是 指 在 石 油 、 化 工 等 工 业 生 产 中 连 续 地 或 按 一 定 程 序 进 行 的 、 以 生 产 过 程 中 的 温 度 、 压 力 、 流 量 、 物 位 及 成 分
32、等 参 数 作 为 被 控 变 量 的 控 制 , 一 般 包 含 常 规 过 程 控 制 和 计 算 机 过 程 控 制 。 它 是 自 动 化 技 术 的 重 要 组 成 部 分 。 在 工 业 生 产 过 程 中 , 自 动 化 是 保 证 生 产 处 于 最 佳 工 作 状 态 、 实 现 优 质 、 高 产 、 低 耗 的 必 要 条 件 , 在 减 轻 劳 动 强 度 、 改 善 劳 动 条 件 、 提 高 劳 动 生 产 率 和 设 备 利 用 率 等 方 面 起 着 越 来 越 重 要 的 作 用 。 自 动 化 程 度的 高 低 是 衡 量 企 业 现 代 化 水 平 的 一
33、 个 重 要 标 志 。 而 自 动 化 仪 表 是 在 工 业 生 产 过 程 中 , 对 工 艺 参 数 进 行 检 测 、 显 示 、 记 录 及 控 制 的 仪 表 。 自 动 化 仪 表 是 实 现 生 产 过 程 自 动 化 所 必 需 的 工 具 , 是 生 产 过 程 自 动 控 制 的 基 础 , 因 此 又 称 为 过 程 检 测 与 过 程 控 制 仪 表 。检 测 控 制 技 术 、 计 算 机 技 术 、 通 信 技 术 、 图 形 显 示 技 术 是 反 映 信 息 社 会 的 四 项 要 素 , 由 其 构 成 的 自 动 化 系 统 是 现 代 化 的 重 要
34、标 志 之 一 。 自 动 化 使 用 各 种 工 具 与 技 术 方 法 完 成 检 测 、 分 析 、 判 断 和 控 制 工 作 。 在 工 业 生 产 方 面 , 当 前 生 产 设 备 不 断 向 大 型 化 、 高 效 化 方 向 发 展 , 大规 模 综 合 型 自 动 化 系 统 不 断 建 立 , 工 业 生 产 过 程 和 企 业 管 理 调 度 一 体 化 的 要 求 , 更 促 进 了 自 动 化 技 术 不 断 发 展 。1 .1 化 工 自 动 化 的 发 展 概 况化 工 自 动 化 的 发 展 可 以 分 为 三 个 阶 段 : 1 . 仪 表 自 动 化 阶
35、段20 世 纪 40 年 代 以 前 , 绝 大 多 数 化 工 生 产 采 用 手 工 操 作 , 操 作 人 员 根 据 反 映 主 要 工 艺 参 数 的 仪 表 的 指 示 情 况 , 用 人 工 来 改 变 操 作 条 件 , 生 产 过 程 主 要 凭 操 作 经 验 进 行 控 制 , 生 产 效率 极 低 。 对 于 那 些 连 续 进 行 的 生 产 过 程 , 在 进 出 物 料 的 彼 此 联 系 中 主 要 依 靠 装 设 大 型 贮 槽所 起 的 缓 冲 作 用 来 克 服 干 扰 的 影 响 , 以 保 证 生 产 的 稳 定 进 行 。 所 用 仪 表 主 要 结
36、 构 形 式 为 机械 式 和 液 动 式 , 仪 表 的 精 度 低 、 体 积 大 , 只 能 实 现 就 地 检 测 和 记 录 。 生 产 效 率 和 经 济 效 率 都很 低 。20 世 纪 40 年 代 开 始 , 过 程 控 制 得 到 发 展 , 逐 步 出 现 了 以 基 地 式 仪 表 为 典 型 的 局 部 自 动 化 , 大 都 是 针 对 温 度 、 压 力 、 流 量 和 液 位 等 参 数 的 单 输 入 - 单 输 出 控 制 , 主 要 控 制 目 的 是 保 证 被 控 变 量 的 稳 定 和 生 产 的 安 全 , 以 保 证 产 品 的 产 量 和 质
37、量 的 稳 定 。20 世 纪 50 年 代 起 , 人 们 对 化 工 生 产 的 各 种 单 元 操 作 进 行 了 大 量 的 开 发 工 作 , 使 得 化 工 生 产 过 程 朝 着 大 规 模 、 高 效 率 、 连 续 生 产 、 综 合 利 用 的 方 向 迅 速 发 展 。 在 实 际 生 产 中 应 用 的 自 动 控 制 系 统 开 始 出 现 串 级 、 比 值 、 前 馈 、 多 冲 量 等 复 杂 控 制 系 统 。 而 电 子 技 术 的 飞 跃 发 展 , 以 及 新 材 料 、 新 工 艺 的 不 断 涌 现 , 新 的 检 测 方 法 不 断 得 到 开 发
38、 , 新 型 仪 表 层 出 不 穷 。 自 动 化仪 表 也 向 着 高 性 能 、 小 体 积 、 使 用 方 便 的 方 向 快 速 发 展 。 气 动 、 电 动 单 元 组 合 仪 表 ( 、 、 型 ) 相 继 问 世 。 而 具 灵 活 性 和 可 靠 性 的 组 装 式 电 子 综 合 控 制 装 置 将 仪 表 和 生 产 控 制 系 统 有 2 化 工 检 测 与 控 制 技 术机 地 结 合 在 一 起 , 为 实 现 各 种 复 杂 的 、 特 殊 的 控 制 规 律 提 供 了 方 便 。2 . 计 算 机 控 制 阶 段现 在 , 随 着 现 代 化 工 业 生 产
39、 的 不 断 发 展 和 微 型 计 算 机 ( 以 下 简 称 微 机 ) 的 开 发 应 用 , 以 及 光 纤 传 感 技 术 的 日 益 成 熟 , 过 程 检 测 与 控 制 的 发 展 达 到 了 一 个 新 的 水 平 。 以 微 处 理 器 为 核心 的 新 型 智 能 仪 表 的 问 世 , 使 仪 表 具 有 自 校 准 、 自 调 零 、 自 选 量 程 、 自 动 测 试 及 信 息 变 换 、 统 计 处 理 数 据 等 多 种 功 能 , 仪 表 与 计 算 机 之 间 的 直 接 联 系 极 为 方 便 , 计 算 机 在 自 动 化 中 发 挥 越 来 越 巨
40、大 的 作 用 , 逐 步 出 现 了 整 个 车 间 , 甚 至 整 个 企 业 无 人 或 很 少 有 人 参 与 操 作 管 理 、 过 程 控 制 最 优 与 现 代 化 的 集 中 调 度 管 理 相 结 合 的 全 盘 自 动 化 方 式 。 目 前 , 利 用 现 代 计 算 机 技 术 、 通 信 技 术 、 图 像 显 示 技 术 及 自 动 控 制 技 术 等 , 使 工 业 控 制 计 算 机 、 微 机 、 顺 序 控 制 装 置 、 过 程 输 入 输 出 装 置 、 现 场 仪 表 等 有 机 融 合 在 一 起 的 集 散 型 控 制 系 统 ( DCS ) 、
41、现 场 总 线 控 制 系 统 ( FCS ) 被 广 为 应 用 , 因 其 具 有 直 接 数 字 控 制 、 顺 序 控 制 、 批 量 控 制 、 数 据 采 集 与 处 理 、 多 变 量 相 关 控 制 及 最 佳 控 制 等 功 能 , 兼 有 常 规 模 拟 仪 表 和 计 算 机 系 统 的 优 点 , 以 其 先 进 性 、 可 靠 性 、 灵 活 性 、 适 应 性 、 智 能 化 、 操 作 简 便 及 良 好 的 性 价 比 引 起 了 人 们 的 密 切 关 注 , 已 成 为 大 型 工 业 企 业 的 主 流 自 动 化 控 制 系 统 。3 . 综 合 自 动
42、 化 阶 段综 合 自 动 化 系 统 也 称 管 理 控 制 一 体 化 系 统 。 这 类 系 统 是 靠 计 算 机 及 其 网 络 来 实 现 的 。 因 此 也 称 为 计 算 机 集 成 过 程 系 统 ( CIPS) , 与 机 械 制 造 系 统 中 的 计 算 机 集 成 制 造 系 统 ( CI MS ) 类 似 。 计 算 机 集 成 生 产 系 统 将 计 划 优 化 、 生 产 调 度 、 经 营 管 理 和 决 策 引 入 计 算 机 控 制 系 统 , 使 市 场 意 识 与 优 化 控 制 相 结 合 , 管 理 与 控 制 相 结 合 , 促 使 计 算 机
43、控 制 系 统 更 加 完 善 , 将 产 生更 大 的 经 济 效 益 和 技 术 进 步 。生 产 过 程 的 自 动 化 是 适 应 生 产 发 展 的 需 要 而 发 展 起 来 的 , 它 们 之 间 相 互 依 存 、 相 互 促 进 、 密 切 相 关 。 生 产 工 艺 的 变 革 、 设 备 的 更 新 、 生 产 规 模 的 扩 大 、 新 产 品 的 涌 现 都 会 促 进 自 动 化 的 发 展 进 程 。 同 样 , 自 动 控 制 理 论 、 技 术 、 设 备 等 方 面 的 新 成 就 , 又 保 证 了 现 代 化 工 业 生 产 在 安 全 而 稳 定 的
44、情 况 下 高 速 、 高 产 、 高 质 地 运 行 , 可 以 充 分 地 发 挥 和 利 用 设 备 的 潜 力 , 大 大 地 提 高 生 产 率 , 获 得 最 大 的 社 会 与 经 济 效 益 。1 .2 工 艺 管 道 及 控 制 流 程 图化 工 生 产 过 程 的 主 体 一 般 是 化 学 反 应 过 程 。 其 基 本 生 产 流 程 如 图 1 1 所 示 。 化 学 反 应 过 程 中 所 需 的 化 工 原 料 , 首 先 送 入 输 入 设 备 。 然 后 将 原 料 送 入 前 处 理 过 程 , 对 原 料 进 行 分 离 或 精 制 , 使 它 符 合 化
45、 学 反 应 对 原 料 提 出 的 要 求 和 规 格 。 化 学 反 应 后 的 生 成 物 进 入 后 处 理过 程 , 在 此 将 半 成 品 提 纯 为 合 格 的 产 品 并 回 收 未 反 应 的 原 料 和 副 产 品 , 然 后 进 入 输 出 设 备 中 贮 存 。 同 时 为 了 化 学 反 应 及 前 、 后 处 理 过 程 的 需 要 , 还 有 从 外 部 提 供 必 要 的 水 、 电 、 汽 以 及 冷 量 等 能 源 的 公 用 工 程 。 有 时 , 还 有能 量 回 收 和 三 废 处 理 系 统 等 附 加 部 分 。 化 工 生 产 过 程 的 特 点
46、 是 产 品 从 原 料 加 工 到 产 品 制 成 , 流 程 都 较 长 而 复 杂 , 并 伴 有 副 反 应 。 工 艺 内 部 各 变量 间 关 系 复 杂 , 操 作 要 求 高 , 关 键 设 图 1 1 化 工 生 产 的 基 本 流 程1 绪 论 3 备 停 车 会 影 响 全 厂 生 产 。 大 多 数 物 料 是 以 液 体 或 气 体 状 态 , 在 密 闭 的 管 道 、 反 应 器 、 塔 与 热 交 换 器 等 内 部 进 行 各 种 反 应 、 传 热 、 传 质 。 这 些 过 程 经 常 在 高 温 、 高 压 、 易 燃 、 易 爆 、 有 毒 、 有 腐
47、 蚀 、 有 刺 激 性 臭 味 等 条 件 下 进 行 。要 保 证 生 产 过 程 的 正 常 进 行 , 产 出 合 格 成 品 , 必 须 确 定 正 确 的 控 制 方 案 。 控 制 方 案 包 括 生 产 流 程 中 各 测 量 点 的 选 择 、 控 制 系 统 的 确 定 、 有 关 自 动 报 警 及 联 锁 保 护 系 统 的 设 计 等 。 为 此 , 必 须 在 工 艺 流 程 图 ( PFD 图 ) 上 按 其 流 程 顺 序 标 注 出 相 应 的 测 量 点 、 控 制 点 、 控 制 系 统 、 自 动 报 警 及 联 锁 保 护 系 统 等 。 这 张 图
48、称 为 工 艺 管 道 及 控 制 流 程 图 ( 简 称 PID 图 或 P ( b ) 信 号 相 加 点 ; ( c ) 信 号 分 支 点 ; ( d ) 环 节图 1 6 蒸 汽 加 热 器 温 度 控 制 系 统 方 框 图右 方 框 图 中 可 以 明 确 表 示 出 : 被 控 对 象 自 动 控 制 系 统 中 , 工 艺 参 数 需 要 控 制 的 生 产 过 程 、 设 备 或 机 器 等 , 如 蒸 汽 加 热 器 。 被 控 变 量 被 控 对 象 内 要 求 保 持 设 定 数 值 的 工 艺 参 数 , 如 蒸 汽 加 热 器 出 口 物 料 温 度 。 操 纵
49、变 量 受 控 制 器 操 纵 的 、 用 以 克 服 干 扰 的 影 响 , 使 被 控 变 量 保 持 设 定 值 的 物 料 量 或 能 量 , 如 蒸 汽 量 。 扰 动 量 除 操 纵 变 量 外 , 作 用 于 被 控 对 象 并 引 起 被 控 变 量 变 化 的 因 素 , 如 进 料 温 度 或 流 量 。 设 定 值 ( 也 称 给 定 值 ) 被 控 变 量 的 预 定 值 。 偏 差 被 控 变 量 的 设 定 值 与 实 际 值 之 差 。 自 动 化 系 统 就 是 根 据 这 个 偏 差 来 进 行 控 制 的 。必 须 明 确 , 工 艺 流 程 图 上 的 物 料 线 是 代 表 物 料 从 一 个 设 备 进 入 另 一 个 设 备 , 而 方 框 间 带 有 箭 头 的 线 段 表 示 相 互 间 的 关 系 及 检 测 控 制 信 号 的 流 向 , 因 此 有 时 并 不 与 流 体 流 向 一 致 。 例 如 , 对 于 执 行 器 来 说 , 它 控 制 着 操 纵 变 量 ( 蒸 汽 量 ) , 从 而 把 控 制 作 用 施 加 于 被 控 对 象 ( 蒸 汽 加 热 器 ) 去
