19、过程控制基础详解

过程控制基础详解

1. 过程控制简介

过程控制可以简单定义为监测和调整过程以获得预期结果的技术。在当今的工业中，原材料在成为成品之前要经过一系列的程序（过程）。为了确保高效、经济且安全地生产出高质量的产品，这些过程需要被仔细监测和调整。过程的监测和必要的调整通常使用控制系统实现自动化。如果手动进行监测和调整，就需要更多的工人，并且由于人为错误，无法达到最佳效果。

过程控制系统主要分为以下几类：
- 开环控制 ：在开环过程控制中，输出不会改变控制动作，没有传感器或反馈系统。例如，洗衣机依靠定时器，操作员设置一个期望的时间，机器在规定时间内运行并完成清洗衣物的过程，它没有传感器来判断衣物是否洗净，设定时间结束就停止运行。
- 闭环（反馈）控制 ：闭环过程控制中，输出会影响控制动作。其输出端有一个传感器，将反馈信号反馈到输入端。反馈信号与设定值进行比较，生成误差信号，以此确定驱动过程达到期望输出或结果所需的操作。反馈控制在航空航天（如自动驾驶和火箭）、加工行业（如石油和天然气、化工、核反应堆、食品和饮料、制药和水处理）以及自动化制造（如机器人和数控机床）等行业广泛应用。例如，牛奶制造中的高温短时（HTST）巴氏杀菌设备，通过反馈控制系统确保牛奶被良好地杀菌。在家庭中，空调也是常见的闭环控制例子，传感器读取环境温度，与设定温度比较后生成误差信号，控制器根据误差信号控制压缩机，以维持期望的温度。
- 前馈控制 ：前馈控制会测量干扰，并在干扰影响系统之前采取纠正措施。它根据负载变量或输入的状态进行控制，而不是像反馈控制那样基于输出状态。它监测负载变量，在过程变量（或输出）偏离设定值之前采取必要的行动，输出不会被反馈。
- 前馈 - 反馈控制 ：在工业中，前馈通常与反馈控制结合使用。前馈部分对任何干扰提供快速响应，而反馈部分通过精确处理最终出现的误差来提供其余的响应。

2. 过程控制术语探索

以下是一些常见的过程控制术语：
|术语|定义|
| ---- | ---- |
|过程|任何导致输入发生物理或化学变化的操作或事件（或一系列操作或事件）。例如，工业中的原材料在成为成品之前要经过加热、研磨或混合等一系列操作。|
|传感器|一种感知或检测事物的设备，能将物理特性转换为电量。过程控制中常用的四种传感器是温度传感器、压力传感器、液位传感器和流量传感器，还有pH传感器、速度传感器或位置传感器等。这里主要关注产生模拟信号的传感器。|
|变送器|将传感器产生的信号转换为适用于过程控制的标准信号（4 - 20 mA、0 - 10 V或3 - 15 psi）的设备。传感器的输出信号可能太小，需要放大或调理才能产生标准信号，因此传感器通常连接到变送器以产生标准信号输出。|
|过程变量或过程值（PVs）|所测量特定量的实际值或当前值，可以是温度、压力、液位、流量或其他量。|
|设定值|过程变量的目标值，即希望过程变量维持的值。例如，锅炉的目标温度就是锅炉的设定值。|
|误差|过程变量或测量值与设定值之间的差值。|
|控制器|提供必要控制动作以将过程变量保持在设定值的设备。它根据误差信号采取行动，向最终控制元件提供必要的控制动作，使误差为零，从而维持设定值。|
|控制元件或最终控制元件|控制器操作以将过程变量保持在设定值的设备，如接触器、继电器、电磁阀、气动控制阀和变频器。|

3. ISA符号体系

国际自动化协会（ISA）是一个从事工业自动化的工程师、技术人员和管理人员的非营利专业协会，是过程控制行业的领先标准组织之一。他们开发了一套用于过程控制回路设计和其他工程图的符号，即ISA符号体系，详细内容可在其出版物（ISA5.1，仪表符号和标识）中找到。

ISA符号体系用于创建过程（或管道）和仪表图（P&IDs），P&ID图描绘了加工厂中管道和仪表的详细信息。以下是一些常见的ISA符号：
|设备类型|符号表示|
| ---- | ---- |
|单个设备和测量仪器（如变送器、传感器和探测器）|圆形|
|PLC或DCS|方形内有菱形|
|兼具显示和控制功能的设备|方形内有圆形|
|执行某种控制功能的计算机系统|六边形|

此外，符号中心的线条也有特定含义：
- 没有线条穿过中心的形状表示位于现场的仪器或设备。
- 有一条水平直线穿过中心的形状表示仪器或设备位于主面板的前面（面板前部可见）。
- 有虚线穿过中心的形状表示仪器或功能位于主面板的后部（不可见）。
- 有双直线穿过中心的形状表示仪器或功能位于辅助面板的前面（可见）。

4. 温度测量与变送器

温度是衡量物体冷热程度的指标，在过程工业中，温度测量至关重要，通常借助传感器和变送器实现。常见的温度传感器有电阻温度探测器（RTD）和热电偶。
- RTD ：其电阻随温度变化而变化，温度范围为 -260 至 850 摄氏度，比热电偶灵敏度高，但价格更贵。按电阻元件材料分类，RTD 传感器有 Pt100、Pt1000、Ni120 和 Cu100 等类型，字母代表元件材料，数字代表 0 摄氏度时的电阻值，其中 Pt100 最常见，其电阻元件为铂，0 摄氏度时电阻为 100 欧姆。RTD 温度传感器需要 RTD 变送器将电阻变化转换为标准信号输出（如 4 - 20 mA）。
- 热电偶 ：由两种不同的金属丝在一端连接形成传感接头，温度变化时会产生电压（mV），温度范围为 -270 至 1800 摄氏度。常见的热电偶温度传感器有 K 型、J 型、T 型、E 型、N 型和 S 型，每种类型都有特定的温度范围，K 型最常用，温度范围为 -270 至 1260 摄氏度。热电偶温度传感器需要热电偶温度变送器将 mV 信号转换为标准信号输出（如 4 - 20 mA 或 0 - 10 V）。

5. 压力测量与变送器

压力定义为单位面积上施加的力（F/A）。工业过程需要准确可靠的压力测量，以确保安全运行和生产高质量产品。压力的影响包括位置移动、电阻变化或其他可测量的物理变化。常见的压力传感器采用波登管、隔膜、波纹管、力平衡或可变电容等原理。

压力变送器用于将传感器检测到的压力效应转换为标准信号（4 - 20 mA 或 0 - 10 V）。大多数情况下，压力变送器内置传感器，作为一个整体出售。如果要将信号输入到支持 4 - 20 mA 电流输入的 PLC 进行控制，可直接连接；若 PLC 模拟输入仅支持电压输入（0 - 10 V），则需通过连接 500 欧姆电阻将 4 - 20 mA 电流输入转换为电压。

6. 液位测量与变送器

在工业中，准确测量液位对于维持适当的流体液位、确保安全运行、保证产品质量或设备的平稳运行至关重要。测量液位的传感器技术多样：
- 电容式液位传感器 ：通过测量电容变化来确定液位。
- 超声波液位传感器 ：发射声波，液位与波发射和反射之间的时间延迟成正比。
- 差压传感器 ：利用罐内两点之间的压力差来确定液位。

大多数液位传感器集成了变送器，可随液位变化产生 4 - 20 mA 或 0 - 10 V 的标准信号。例如，静压液位变送器通常浸入水中或需要测量液位的液体中，其接线可实现随水位变化输出 4 - 20 mA 的信号。

过程控制基础详解

7. 流量测量与变送器

流量测量在工业过程中同样具有重要意义，它能够帮助确保各种流体（如气体、液体等）在管道或系统中的稳定输送和合理分配。常见的流量测量方法和对应的传感器有多种，以下为你详细介绍：
- 差压式流量计 ：基于伯努利原理，通过测量流体流经节流装置（如孔板、文丘里管等）时产生的差压来计算流量。差压传感器将差压信号转换为电信号，再由变送器将其转换为标准信号输出。这种流量计结构简单、应用广泛，但压力损失相对较大。
- 电磁流量计 ：利用法拉第电磁感应定律，当导电液体在磁场中流动时，会产生感应电动势，感应电动势的大小与流体的流速成正比。电磁流量计适用于测量具有导电性的液体，测量精度高、对流体的压力损失小，但价格相对较高。
- 涡街流量计 ：当流体流经非流线型阻流体时，会在阻流体下游两侧交替产生旋涡，旋涡的频率与流体的流速成正比。涡街流量计具有测量范围宽、精度较高、稳定性好等优点，可用于测量气体、液体和蒸汽的流量。

流量传感器通常需要与流量变送器配合使用，将测量到的流量信号转换为标准的 4 - 20 mA 或 0 - 10 V 信号，以便进行后续的控制和监测。

流量测量方法	原理	适用流体	优点	缺点
差压式流量计	测量节流装置前后的差压	气体、液体	结构简单、应用广泛	压力损失大
电磁流量计	电磁感应定律	导电液体	精度高、压力损失小	价格较高
涡街流量计	流体产生旋涡的频率	气体、液体、蒸汽	测量范围宽、稳定性好

8. 理解过程控制回路

过程控制回路是实现过程控制的核心部分，它由多个环节组成，通过不断地监测、比较和调整，使过程变量保持在设定值附近。一个典型的过程控制回路包括以下几个主要部分：
- 传感器 ：用于测量过程变量，如温度、压力、液位、流量等，并将其转换为电信号。
- 变送器 ：将传感器输出的信号转换为标准信号，以便后续处理。
- 控制器 ：接收变送器输出的信号，并与设定值进行比较，根据比较结果产生控制信号。
- 执行器 ：根据控制器输出的控制信号，对过程进行调整，如调节阀门的开度、改变电机的转速等。

下面是一个简单的过程控制回路的 mermaid 流程图：

graph LR
    A[传感器] --> B[变送器]
    B --> C[控制器]
    C --> D[执行器]
    D --> E[过程]
    E --> A

在这个回路中，传感器不断地测量过程变量，并将其反馈给控制器。控制器将测量值与设定值进行比较，计算出误差，并根据控制算法产生相应的控制信号。执行器根据控制信号对过程进行调整，使过程变量逐渐接近设定值。

9. 单回路过程控制的实际示例

为了更好地理解过程控制回路的工作原理，我们来看一个单回路过程控制的实际示例——水箱液位控制。

假设我们有一个水箱，需要将水箱中的液位保持在一个设定值。系统的组成和工作过程如下：
- 传感器 ：使用液位传感器测量水箱中的液位，并将液位信号转换为电信号。
- 变送器 ：将液位传感器输出的信号转换为 4 - 20 mA 的标准信号。
- 控制器 ：接收变送器输出的信号，并与设定值进行比较。如果液位低于设定值，控制器输出一个控制信号，使水泵启动，向水箱注水；如果液位高于设定值，控制器输出一个控制信号，使水泵停止。
- 执行器 ：水泵根据控制器输出的控制信号进行启动或停止操作。

以下是这个单回路过程控制的步骤：
1. 设定液位的目标值（设定值）。
2. 液位传感器实时测量水箱中的液位。
3. 变送器将液位信号转换为标准信号，并传输给控制器。
4. 控制器将测量值与设定值进行比较，计算出误差。
5. 根据误差，控制器输出相应的控制信号给水泵。
6. 水泵根据控制信号启动或停止，调整水箱中的液位。
7. 重复步骤 2 - 6，直到液位稳定在设定值附近。

10. PLC（西门子 S7 1200）模拟输入的接线与编程（实践操作）

在实际的过程控制中，可编程逻辑控制器（PLC）是常用的控制设备。下面以西门子 S7 1200 PLC 为例，介绍其模拟输入的接线与编程方法。

接线步骤

1. 确定 PLC 的模拟输入模块类型，确保其支持所需的输入信号范围（如 4 - 20 mA 或 0 - 10 V）。
2. 将传感器和变送器连接好，确保变送器输出的标准信号可以直接输入到 PLC 的模拟输入模块。
3. 将变送器的输出信号连接到 PLC 模拟输入模块的相应通道。如果是 4 - 20 mA 电流信号，通常连接到模块的电流输入端子；如果是 0 - 10 V 电压信号，连接到电压输入端子。
4. 连接电源，确保 PLC 和模拟输入模块正常工作。

编程步骤

1. 打开西门子 TIA Portal 软件，创建一个新的项目，并添加 S7 1200 PLC 设备。
2. 配置模拟输入模块，设置输入信号的类型（电流或电压）、量程等参数。
3. 在程序中创建一个数据块，用于存储模拟输入的值。
4. 使用相应的指令（如 MOV、SCALE 等）读取模拟输入模块的值，并将其转换为实际的物理量。
5. 根据实际需求编写控制逻辑，根据模拟输入的值进行相应的控制操作。

以下是一个简单的示例程序，用于读取模拟输入的值并进行显示：

// 读取模拟输入值
L W#16#0000  // 假设模拟输入通道地址为 0
T MW10       // 将值存储到 MW10

// 将模拟输入值转换为实际物理量
CALL "SCALE"
    IN := MW10
    HI_LIM := 27648  // 模拟输入的最大值
    LO_LIM := 0      // 模拟输入的最小值
    HI_SCALE := 100  // 实际物理量的最大值
    LO_SCALE := 0    // 实际物理量的最小值
    OUT => MW12      // 转换后的实际物理量存储到 MW12

// 显示实际物理量
L MW12
T QW20         // 将转换后的实际物理量输出到 QW20 进行显示

通过以上步骤，你可以完成西门子 S7 1200 PLC 模拟输入的接线与编程，实现对过程变量的监测和控制。