三、化工儀表及自動化控制系統

自動控制系統主要由兩大部分組成。一部分是起控制作用的全套自動化裝置，對于常規儀表來說，它包括檢測元件（儀表）及變送器（將檢測信號轉換為氣壓信號或電壓、電流信號等）、控制器（或DCS控制系統）、執行器（閥門）等。另一部分是受自動化裝置控制的被控對象（自動控制系統中，各工藝參數需要控制的生產過程、設備或機器等）。

在自動控制系統中，檢測元件及變送器用來感受被控變量的變化并將它轉換成一種特定的信號（如DDZ-III型為4-20mA的統一標準信號）。控制器將檢測元件及變送器送來的測量信號與工藝上需要保持的設定值信號進行比較得出偏差，根據偏差的大小及變化趨勢，按預先設計好的控制規律進行運算后，將運算結果用特定的信號（如氣壓信號或電流信號）發送給執行器。執行器能自動地根據控制器送來的信號值相應地改變流入（或流出）被控變量的物料量或能量，克服擾動的影響，最終實現控制要求。

自動控制系統按其基本結構形式可分為開環自動控制系統和閉環自動控制系統。

開環控制系統是指控制器與被控對象之間只有順向控制而沒有反向聯系的自動控制系統，即操縱變量通過被控對象去影響被控變量。但被控變量并不通過自動控制裝置去影響操縱變量。從信號傳遞關系上看，未構成閉合回路。

開環控制系統分為兩種，一種按設定值進行控制，如圖1-2（a）所示。這種控制方式的操縱變量（蒸汽流量）與設定值保持一定的函數關系，當設定值變化時，操縱變量隨其變化進而改變被控變量。另一種是按擾動進行控制，即所謂前饋控制系統，如圖1-2（b）所示。這種控制方式是通過對擾動信號的測量，根據其變化情況產生相應控制作用，進而改變被控變量。

圖1-2開環控制系統基本結構

開環控制系統不能自動地覺察被控變量的變化情況，也不能判斷操縱變量的校正作用是否適合實際需要。

閉環自動控制是指控制器與被控對象之間既有順向控制又有反向聯系的自動控制，如圖1-3（a）即是一個閉環自動控制。圖中控制器接受檢測元件及變送器送來的測量信號，并與設定值相比較得到偏差信號，再根據偏差的大小和方向，調整蒸汽閥門的開度，改變蒸汽流量，使熱物料出口溫度回到設定值上。從圖1-3（b）所示的控制系統方塊圖可以清楚地看出，操縱變量（蒸汽流量）通過被控對象去影響被控變量，而被控變量又通過自動控制裝置去影響操縱變量。從信號傳遞關系上看構成了一個閉合回路。

圖1-3閉環自動控制基本結構

在閉環控制系統中，按照設定值的不同形式又可分為：

（1）定值控制系統。

定值控制系統是指設定值恒定不變的控制系統。定值控制系統的作用是克服擾動對被控變量的影響，使被控變量最終回到設定值或其附近。以后無特殊說明控制系統均針對定值控制系統而言。

（2）隨動控制系統。

隨動控制系統的設定值是不斷變化的。隨動控制系統的作用是使被控變量能夠盡快地、準確無誤地跟蹤設定值的變化而變化。

（3）程序控制系統。

程序控制系統的設定值也是變化的，但它是一個已知的時間函數、即設定值按一定的時間程序變化。

自動控制系統又可以按其回路的復雜程度分為：

（1）單回路控制系統。

單回路控制系統（簡單控制系統）是指由一個被控對象、一個測量變送器、一個控制器（調節器）和一個執行器（調節閥）所組成的閉環控制系統。調節閥可以通過對操縱變量的調節可以間接影響被控變量，如圖1-4（a），也可以通過直接調節被控對象，如圖1-4（b）。

圖1-4單回路控制系統結構

（2）串級控制系統。

串級控制系統是由其結構上的特征而得名的。它是由主、副兩個控制器串接工作的。主控制器的輸出作為副控制器的給定值，副控制器的輸出去操縱控制閥，以實現對主變量的定值控制。串級控制系統的典型方塊圖如圖1-5所示。

圖1-5串級控制系統的典型結構圖（a）和方塊圖（b）

串級控制系統的主要特點為：①在系統結構上，它是由兩個串接工作的控制器構成的雙閉環控制系統。②系統的目的在于通過設置副變量來提高對主變量的控制質量。③由于副回路的存在，對進入副回路的干擾有超前控制的作用，因而減少了干擾對主變量的影響。④系統對負荷改變時有一定的自適應能力。

串級控制系統主要應用于：對象的滯后和時間常數很大、干擾作用強而頻繁、負荷變化大、對控制質量要求較高的場合。

（3）比值控制系統。

比值控制系統是指實現兩個或兩個以上的參數符合一定比例關系的控制系統。通常為流量比值控制系統，用來保持兩種物料的流量保持一定的比值關系，其結構圖如圖1-6所示。

圖1-6比值控制系統結構圖

（4）分程控制系統。

分程控制系統就是一個控制器的輸出信號被送往兩個或兩個以上的控制閥，每個控制閥都只在控制器的某段信號范圍內工作。其應用場合主要有：①用于擴大控制閥的可調范圍，改善控制品質。②用于控制兩種不同的介質流量，以滿足工藝生產的要求。③用作生產安全的防護措施。分程控制系統的結構圖如圖1-7所示。

圖1-7分程控制系統的結構圖

在自動控制系統中，構成一個回路的每一個儀表（或元件）都有自己的儀表位號。儀表位號由字母代號組合和回路編號兩部分組成。儀表位號由字母代號組合和回路編號兩部分組成。儀表位號中的第一個字母表示被測變量，后繼字母表示儀表的功能。回路的編號由工序號和順序號組成，一般用三位至五位阿拉伯數字表示，如圖1-8所示：

圖1-8儀表位號示意圖

在管道及儀表流程圖中，儀表位號的標注方法是：字母代號填寫在儀表圓圈的上半圓中。回路編號填寫在下半圓中，如圖1-9所示。

圖1-9儀表位號標注方法示意圖

儀表信號中表示被測變量和儀表功能的字母代號見下表所示。

表1-1被測變量和儀表功能字母代號表

續表