仪表与控制系统

仪表与控制系统（精选十篇）

仪表与控制系统 篇1

1 石油化工仪表的应用现状分析

社会环境的不断变化促进着企业的发展, 为了更好的适应化工企业的发展需求, 石油化工仪表在发展的过程中正朝着全数字化的方向迈进。在经济全球化背景下, 我国对外贸易的数量正在不断增加, 这就对商品的计量精度提出了更高的要求, 并特别表现在石油化工的计量精度上。受这些因素的影响, 石油化工企业在石油生产的过程中就需要通过采用先进的设备来提高生产的水平, 以保证生产出来的产品能够获得更高的质量。在这一需求下, 石油化工企业一定要在石油生产的过程中对分析仪表进行有效的控制, 而它的控制效果也比人工控制会高出很多。

石油化工仪表在石油化工企业中的应用中, 通过采用在线油品质量分析仪、在线气相或液相色谱仪以及其他的物理特性分析仪, 能够有效的实现对产品质量的管理。在炼油调和系统上, 通过采用当前最为先进的在线多路近红外光谱分析仪, 更是促进着炼油质量的提升。同时, 在石油生产的过程中, 通过使用各种先进的仪表, 这就能够对产品的质量进行实时监控, 而在生产完成之后再使用各种仪表检测产品的质量, 这在不同的检测中就能更好的保证产品的质量, 并避免了产品在生产的过程中不合格产品的出现。为了更好的保证仪器的使用效果, 石油化工仪表在使用的过程中还需要对仪表不断的进行维护, 以避免仪表在生产中出现大的故障, 减少仪表的维修成本, 提高仪表的控制质量[1]。

2 控制系统的应用现状分析

2.1 先进控制生产装置上的应用

石油化工企业产品的质量和企业的发展有着直接性的关系, 因此, 在企业产品品质的生产和管理上就需要采用新的技术。石油化工企业生产装置上, 将先进控制应用其中, 不仅能够促进装置工作的便捷实施, 还提高着生产装置的安全性, 以推动生产出来的产品在质量上有更高的保证。同时, 先进控制能对生产装置上的多个对象进行处理, 减少了企业的生产成本, 促进着企业经济效益的提升。在现代控制技术不断完善的过程中, 多变量预测和鲁棒PID控制等相关的控制技术已经得到了良好的应用。以这两种控制技术为例, 其是以模型为基本点的控制策略, 促进着先进控制箱智能控制和模糊控制的方面发展。而在多变量过程的控制中, 其对先进控制的使用, 在出现控制变量之间被束缚的情况时, 依附单回路控制能够有效的满足实际工作中的操作需求和动态特点。受计算机能力是实现先进控制先决条件这一因素的影响, 在上位机和DCS/FCS中同样能够进行先进控制。石油化工系统的对外合作中, 其已经成功的进行了催化裂化装置先进控制, 到目前为止, 中石油和中石化两大企业中的几十套生产装置都成功的对先进控制进行了运行, 并主要集中在柴油加氢、催化裂化、乙烯裂解等方面, 同时获得了显著的经济价值[2]。

2.2 Experion PKS控制系统在企业中的应用

Experion PKS过程知识系统属于Honeywell最新的过程自动化系统, 其将资产管理以及人员控制等相融合, 为用户提供了高于集散控制系统的能力, 系统自身还包括了诊断技术以及决策支持, 能够及时的为决策者提供有效的信息, 且此系统的安全组件能够保证系统在安全的安全的环境下运行, 有效的提升了系统的可靠性。Experion PKS系统的特点通常包括了以下几点:第一、安全性较好。此种系统能够通过多种渠道保证系统的安全性。第二、建立起全局数据库。此种系统能够一次输入控制处理器与监控系统服务器需求的信息, 避免了多次对不同层次数据库的分别组态。此外, 还采用了Honeywell HMIWeb技术, HMIWeb技术是在web结构上发展起来的人机界面, 能够以集成过程控制数据与商业应用的数据。HMIWeb以HTML (即超文本链接) 为显示画面的基础, 为用户提供IE浏览器访问过程画面的功能。第三、开放性较好。Experion PKS过程知识系统支持最新的开放性技术与标准, 包括OPC、ODBC以及Advance DDE等, 保证了系统开放通讯的有效性。第四、拥有实时数据库。此种系统采用客户机以及服务器的结构, 在正常情况下由服务器为客户提供及时有效的数据, 即使服务器临时出现了故障, 一些客户机也可以从控制器中读取所需的数据, 不会影响日常工作。第五、拥有良好的系统构架。Experion PKS过程知识系统主要包括了完整的基础构架以及事件管理的子系统, 便于组态报表子系统的正常运行。第六、提供全局现在文档。此系统能够帮助用户访问现存有的资料系统信息的Knowledge Builder, 为用户提供在线帮助与相应的技术支持, 方便用户查找资料。通过Experion PKS系统, 石油在冶炼的过程中, 在工厂的生产和改造各个环节中, 其都能取得预想的效果, 并能够依靠这一系统对企业中的职工进行培训, 促进着企业经济效益的提升。

3 结语

综上所述, 在信息化带动工业化, 工业化促进信息化的发展指导中, 石油化工仪表和控制系统的结合与应用, 不仅促进着其技术本身的发展, 还促进着石油和化工行业的进步。在此基础上, 不断的推广企业的综合自动化系统, 提高和完善系统自身的应用性能, 这对企业市场竞争力的提高有着重要的帮助。

参考文献

[1]张鑫.石油化工仪表与控制系统的应用[J].黑龙江科技信息.2012, 11 (26) :17-18

[2]苗雨, 郑鑫博.石油化工仪表控制系统的应用及发展[J].中国石油和化工标准与质量.2012, 33 (13) :252-253

给排水工程仪表与控制讲稿要点 篇2

讲

稿贵大

学

课程名称：给排水工程仪表与控制 教材名称：给水排水工程仪表与控制（“十五”国家级规划教材）适用专业：给水排水工程 授课教师：陆天友

第一章：自动控制基础知识

一、自动控制系统的概念与构成

1、自动控制系统的概念

所谓自动控制，就是利用机械的、电气的、力学的等装置代替人工控制器官的作用，在不用人工直接参与的情况下，可以自动地实现预定的控制过程。

2、自动控制系统的构成

从上面简单的实例中，可以总结出一般自动控制系统是由控制对象、测量变达器、控制器、执行装置几部分组成的。

3、自动控制系统的分类

1）、反馈控制系统

反馈控制系统是根据系统被控量与给定值的偏差进行工作的，最后达到消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据，因为该系统由被控量的反馈构成一个闭合回路，所以又称为闭环控制系统，这是过程控制系统中最基本的一种。另外，反馈信号也可能有多个，从而可以构成一个以上的闭合回路，称为多回路反馈控制系统。

2）、前馈控制系统

前馈控制是直接根据扰动进行工作的，扰动是控制的依据，由于它没有被控且的反馈，所以不构成闭合回路，故也称为开环控制系统。

3）、复合控制系统(前馈—反馈控制系统)前馈开环控制的主要优点是能针对主要的扰动迅速及时地改变控制量，克服扰动对初控员的影响。所以，在反馈控制系统中加入对于主要扰动的前馈控制，构成复合控制系统可以提高控制质量。

4、计算机控制系统

以计算机为核心构成的数字式控制系统，是控制技术的最新成就，已在生产实践中广泛应用。其基本构成如下图。广义来讲，以微处理器为核心的各种智能化控制装置都可以归结到这一类控制系统中来，包括由工业计算机组成的系统、由单板机或单片机组成的系统、由可编程序控制器组成的系统、由智能化专用调节器组成的系统以及由上述各类装置混合组成的系统等。虽然这些装置的配置、功能不同，但其基本的组成部分是相似的，都是通过数字运算完成各种功能的。

第二章：给排水自动化仪表与设备

第一节、典型水质检测仪表

给水排水工程自动化常用仪表与设备，可以分为以下几大类：

1、过程参数检测仪表。它包括各种水质(或特性)参数在线检测仪表，如浊油度、PH值、电导率、溶解氧等的在线测量装置，以及流动电流检测仪、透光率脉动检测仪等给水排水系统工作参数的在线检测仪表，如压力、液位、流量等仪表。

2、过程控制仪表。以微电脑为核心的各种控制器，如微机控制系统、可编积序控制器、微电脑专用调节器等；常规的调节控制仪表，如各种电动、气动单元组合仪表等。

3、调节控制的执行设备。包括各种水泵、电磁阀、调节阀以及变频调速器等。

4、其它机电设备。如交流接触器、继电器、记录仪等。

1、浊度测定原理

目前各种类型的浊度仪，全都是利用光电光度法原理制成的。悬浊液体是光学不均匀性很显著的分散物质。当光线通过这种液体时，会在光学分界面上产生反射、折射、漫反射、漫折射等非常复杂的现象。由于这些光学现象，当射入试样水的光束强度固定时，透过水样后的光束强度或散射光的强度将与悬浊物的成分、浓度等形成函数关系。根据比尔---朗白定律和雷莱方程式可提出如下的函数式：

以上两个方程式清楚地表示了透射光和散射光强度与浊度的关系。通过光电效应又可将光束强度转换为电流的大小，用以反映浊度。这就是当前各类浊度仪的基本工作原理。

2、PH测定原理

pH的测量常用电极电位法，该方法是基于两个电极上所发生的电化学反应。用电极电位法测量溶液pH值，可以获得较准确的结果。

电极电位法的原理是用两个电极插在被测量溶液中，其中1个电极为指示电极(如玻璃电极)，它的输出电位随被测溶液中的氢离子活度变化而变化；另一个电极为参比电极〔如氯化银电极)，其电位是固定不变的,上述两个电极在溶液中构成了一个原电池。

该电池所产生的电动势E的大小与溶液的PH值有关。

3、溶解氧检测仪表原理

溶解氧是一项重要的水质参数。在活性污泥法污水处理工艺中，溶解氧测定还是保证处理工艺正常进行的主要过程控制参数。溶解氧的在线测量可以采用电极测量法。电极可分为两种类型，即电位型电极和电流型电极。电位型电极是利用一种特定离子的活性产生电位。这些电极的实例是玻璃PH电极及大多数离子选择电极。测旦的是指示电极与一个惰性参考电极之间的电位差，而参考电极的电位必须是恒定的。

所有电位型电极都服从Nernst定律，因此电极与测量仪器在大多数情况下是通用的电位测量的必要条件实际上是电极电压的无电流测定。在测量中，基本上不发生化学反应。溶解氧测量仪表包括氧电极和溶氧放大器两部分。氧电极输出电流信号放迭至溶氧放大器(或溶氧交迭器)，由后者把电极电流信号转换为一定的溶氧单位显示出来。除显示功能外．溶氧放大器还应具有以下功能：

a、零点(残余电流)补偿； b、灵敏度(斜率)校正； c、温度补偿；

4、余氯在线检测仪表原理

余氯是保证水质卫生指标的重要参数，也是加飘消毒工艺的基本控制参数。余氯在线分析是进行投氯控制的前提。余氯一般也是采用电极法进行测量。在两个电极之间施加电压，利用电极之间电解产生的氧化还原反应测量氯的浓度。余氯分析仪的规格基本上是按测量范围划分，一般有0---5ppm、0---10ppm、0---20ppm等。

微量余氯分析仪具有的三电极测量传感器和微处理器分析机构，可以使监控余氯精度达十亿分之一(1/10×108)。

微量余氯分析仪可以连续测定自由余氯、总余氯，在连续余氯反馈控制中精度达10ppm，为工作人员提供了可靠的分析依据，从而提高水处理加氯系统的监测控制水平。

5、电导检测仪表原理

由于电解质在水溶液中以带电离子的形式存在，因此溶液具有导电的性质，其导电能力的强弱称为电导度，简称为电导。测定水和溶液的电导，可以了解水被杂质污染的程度和溶液中所合盐分或其它离子的量。电导串是水质监侧的常规项目之一。

溶液中电解质的电导为电阻的倒数，即： S=1/R

第二节、在线检测仪表及执行设备

1、液位检测仪表原理

液位检测仪表有浮力式、静压式、电容式、超声波式等多种。

超声波液位计是基于晶体的压电效应，用压电晶体作探头(即换能器)发射出声波，声波遇到两相界面被反射回来，又被探头所接收，根据声波往返所需要的时间而测出液位的高度；作为换能器的探头又可分为发射型、接收型和发射---接收型3种。

激光式液位计是一种很有发展前途的液位计，因为激光光能集中，强度高，而且不易受外来光线干扰．甚至在1500度左右的高温下也能正常上作。另外，激光光束扩散很小，在定点控制液位时，具有较高的精度。

液位检测仪表的选用： 1）、检测精度：

对用于计量相经济核算的，应选用精度等级较高的液位检测仪表，如超声波液位计误差为±2mm，对于一般检测精度，可以选用其它液位计。

2）、工作条件：

对于测量高温、高压、低温、高粘度、腐蚀性、泥浆等特殊介质，或在用其它方法难以检测的各种恶劣条件下的特殊场合．可以选用电容式液位计等。对于一般情况。可选用其它液位计。

2、压力仪表测定原理

在工业上检测压力的常用方法有：以流体静力学理论为基础的浓柱测压法：根据弹性元件受力变形原理的弹性交形测压法；将被测压力转换成各种电量的电侧法，将被测压力转换成活塞上所加平衡码的重量的活塞法等。应变片式压力计：把压力转换为电阻、电容、电感或电势等电量，从而实现压力的间接测量的压力计叫做电气式压力计。这种压力计反应较快，测量范围较广，在生产过程中可以实现压力自动检测、自动控制和报警，适用于测量压力变化快、脉动压力、高真空和超高压的场合。

应变片式压力计是利用电阻应变片将铰测压力转换为电阻值的变化，再通过桥式电路获得毫伏级的电量输出，然后由二次仪表显示或记录。(1)仪表量程的选用

对于测量稳定压力，仪表量程上限选大于或等于1．5倍常用压力； 对于测量交变压力，仪表量程上限选大于或等于2倍常用压力； 对于测量稳定压力，仪表常用压力选1／3---1／2量程上限； 对于测量交变压力，仪表常用压力选不大于1／2量程上限。(2)仪表精度的选用

对于工业用仪表，其精度选1.5级或2.5级。

对于实验室或校验用仪表，其精度选0.4级及0.25级以上。(3)根据测量介质性质及使用条件选用

对于测量腐蚀性介质，可选用防腐型压力计或加防腐隔离装置。

3、流量测定原理 3.1电磁流量计 电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的，是一种用来测量管道中导电性液体体积流量的仪表，可测各种腐蚀性的酸、碱、盐溶液，可测含各种悬浮固体微粒的液体，在给水排水系统中有广泛的应用。

电磁流量计由变送器和转换器两部分组成。变送器被安装在被测介质的管道中．将被测介质的流星变换成瞬时的电信号；而转换器将瞬时电信号转换成0-10mA或4-20mA的统一标准直流信号，供仪表指示、记录或调节用。

3.2超声波流量计

测量原理主要的有传播速度差法和多普勒法。超声波流量计的主要优点是在管道外测流量，实现无妨碍测量，只要能传播超声波的流体皆可用此法来测量。而且不管被测对象多大，也可用此法进行测量，特别是超声波法可以从厚的金属管道外测量管内流动的液体的流量．具有不用对原有管道进行任何加工就实施流量测量的特征，这是其它法所不具备的。

3.3差压流量计

是目前工业上使用历史最久和应用最广泛的一种流量计。从流体力学可知，流体在管道中流动时，具有动能和位能、并在一定条件下可以相互转换。

差压式流量计是以伯努利方程和连续性方程为理论根据、通过测量流体流动过程中产生的差压来测量流量的。差压流量计主要由节流装置(如孔板)和差压计等两部分组成，流体通过节流装置(孔板)时，在节流装置的上、下游之间产生压差，从而由差压计测出差压，流量愈大，差压也愈大，流量和差压之间存在一定关系，这就是差压流量计的工作原理。

3.4节流流量计 节流流量计是利用节流装置前后的压差与平均流速或流量的关系，根据压差测量恒计算出流量的。节流流量计的理论依据是流体流动的连续性方程和伯努利方程。节流装置的种类很多，其中使用最多的是同心孔板、流量喷嘴和文丘里管等。节流流量计是使用非常广泛的流量计。

1.1 概述第三章：水泵及管道系统的控制调节

第一节：水泵的调速控制

合理地调节水泵、管道系统工况，保证用户的用水要求，并最大限度地节约能耗、降低费用，是十分重要而有意义的工作。

给水排水工程中的水泵与管道系统主要包括：

(1)城市供水系统---包括输配水管网及二泵站、加压泵站；

(2)城市雨水、污水排水系统---包括排水管网及雨水泵站、污水泵站；(3)小区、建筑的给水系统---包括小区、建筑给水管网及加压设施；(4)小区、建筑的排水系统——包括排水管网及小区排水泵站、建筑室内污水提升泵等。

由于水泵(或水泵站)都是同管道系统联系在一起的，因此事实上，对这些系统的调节控制都可归结为对水泵工况的调节上。可以将控制系统分为如下两大类。

(1)对水泵的开停双位控制：按照液位(或压力值)、流量等参数的要求，改变每台水泵的开、停状态或改变水泵的运行台数。

(2)对水泵工作点的调节控制：按照液位(或压力)、流量等参数的要求，改变水泵的工作点，这种改变可以通过调节管路系统中阀门的开启度实现或通过改变水泵转速的方式实现。

1.2 水泵的调速控制

给水排水工程中应用的水泵多为离心泵。在前面内容中已提及离心泵的调节方法有两类：一类是通过调节水泵出口管路上的阀门来改变管路特性，实现水泵工况点的调节；另一类是改变水泵的转速，从而改变水泵的特性曲线，实现水泵工况点的调节。前者节能效益较低，部分多余能量消耗在了阀门上；后者是一种高效节能的调节方式。因此调节水泵转速是改变水泵工况的较好方法。

1）水泵调节的类型

视用途目的不同，水泵调速的控制参数也有所不同。主要有如下3种典型情况：恒压调速、恒流调速、其他调节方法；

2）水泵的调速方法 水泵的调速方法有多种，主要分为两类：第一类是电机转速不变，通过附加装置改变水泵的转速，如液力辐合器调速、电磁耦合器调速、变速箱调速等，都属于这种类型；第二类是直接改变电机的转速，如可控硅串级调速、变频调速等。后者是在水泵站应用较多的调速形式。

3）串级调速：

通常把转子感应电势通过三相桥式整流变为直流电，用直流电动机实现反电势的方法，称为机组串级调速。根据电能反馈的方式，串级调速又可分为下列3种形式；1)机械反馈机组串级调速：2)电气反馈机组串级调速：3)可控硅串级调速。

4）变频调速：

该技术是80年代水泵调运新技术。它通过改变水泵工作电源频率的方式改变水泵的转速：

由上式可见，如果均匀地改变电机定子供电频率f，则可平滑地改变电机的转速，为了保持调速时电机最大转矩不变，需维持电机的磁通量恒定。因此，要求定子供电电压应作相应的调节，所以变频设备兼有调频和调压两种功能。变频调速是通过变频调速器实现的，它可以将输入的固定频率的电源(在我国为50Hz)转换为频率可调的电源输出，供给水泵电机等需要调频的设备作工作电源。变频调速具有很高的调节精度。

变频调速技术的一个重要特点是可以实现水泵的“软启动”，水泵从低频电源开始运转．即由低速下逐渐升速，直至达到预定工况，而不是按照常规一启动就迅速达到额定转速，软启动的工作方式对电网的干扰小，无冲击电流，也适台于在几台水泵之间进行频繁的切换操作：这种启动方式在恒压供水等情况下有独特的优点。

现在变频调速技术已在给水诽水工程中获得许多应用，包括调节水厂投药泵的转速、实现投药量的高精度调节；在建筑或小区给水系统中用于恒压给水控制；在大型的给水泵站，变频调节供水泵的转速，实现城市供水的恒压或恒流调节等也有应用。

5）水泵调速运行的方式

以变频调速为例，通常以微电脑为控制中心，构成水泵的变频调速控制系统，最典型的控制系统形式是反馈控制系统，控制中心根据控制点输入的信号(如水压)与给定值比较，调节变频器的输出，改变水泵工作电源的频率，使水泵转速相应改变。一般为减少控制设备台数、降低投资，常采用变速与定速水泵配合工作的方式。即一个泵站内只有一至两台水泵变速运行，其余水泵为定速运行，变速泵与定速泵组合一起工作，通过对变速泵的调节，得到要求的各种工况。

第二节 恒压给水系统控制技术

1、概述

恒压给水系统应用广泛。前面介绍的城市管网供水系统、建筑小区给水系统等，都属于这种情况。按控制精度的高低，恒压给水控制技术包括如下两大类。

(1)双位控制系统。按水位(水压)的高低两个界限值控制给水泵的开停。当高低水位相差不大、水压被动较小时，可近似看作恒压给水系统，如前述的高位水箱给水系统以及气压给水系统。这种控制方式精度低，水压被动较大，是较为传统的给水技术。

(2)定值控制给水系统。按某一压力(水位)控制点的水压(或水位)目标值进行调节控制。可以采用变频调速等技术，改变水泵特性，对水泵工况连续调节，将水压控制在很小的波动范围内，这是当前先进的给水技术。

按压力控制点的设置位置，还可以将恒压给水控制系统分为泵出口处恒压控制与用户最不利点处恒压控制两类。

2、变频调速恒压给水技术

在给水系统中，用户用水量的变化反映在水压上，表现为管网水压的波动。因此，调节水泵工况，保证用户用水水压的稳定，就可以保证用户用水。变频调速恒压给水系统可以通过自动控制实现上述调节。它由电机泵组、压力传感器、控制器、变频器以及自动切换装置等组成，以水压为控制参数。水泵启动后，压力传感器向控制器提供控制点的压力值H。当H低于控制器设定的压力值H0(H0按用户的水压要求设定)时，应该提高水泵转速，控制器向变频调速器发送提高电源频率的指令；

当H高于H0时，则应该降低水泵转速，控制器向变频器发送降低频率的控制信号。当某台水泵的转速达到规定的上限时．自动启动新的水泵投入运行，反之，则自动减少运行水泵的台数。通过调节水泵工作电源频率的方式，改变水泵的转速，从而改变了水泵的工况，构成闭环反馈控制系统，自动调节水泵转速及工作水泵台数，实现恒压变量供水。

通过前面的分析，可以总结出变频调速恒压给水技术有如下特点：(1)高效节能。设备能自动检测系统瞬时水压，据此调节供水量，节约供水能耗。设备电机在交流变频调速器的控制下软启动，无大启动电流(电机的启动电流不超过额定流量的110％)，机组运行经济合理。

(2)用水压力恒定。无论系统用水量有任何变化，均能使供水管网的服务压力恒定，大大提高了供水品质。

3、恒压给水系统压力控制点的位置

恒压给水系统是以满足用户用水水压恒定为目标进行工作的。但在具体的系统设计上，按压力控制点位置的不同，又可以分为两大类：一类是将控制点设在最不利点处，直接按易不利点水压进行工况调节；另一类是将控制点设于水泵出口，按该点的水压进行工况调节，间接地保证最不利点的水压稳定。这两类系统具有不同的控制特性与控制品质。

现今恒压给水系统多采用后一种方式，在后一类中，又可按压力设定值的不同分为恒压控制和变压控制。

4、气压给水系统的控制问题

气压给水系统由水泵、气压罐、压力检测与控制装置等组成。一般气压给水系统的压力控制点即为气压罐内的水位检测装置，它的位置选择会影响到系统的工作特性。将气压罐同水泵一起安置在供水处(如建筑物地下室)还是将气压罐单独装在靠近最不利点（如供水末端)，在压力控制及节能方面的特性就同前述的变速调节系统，越靠近用户最不利点处用户水压越稳定，越有利于节能。

第三节 泵站组合运行系统

1、控制系统的组成

在污水提升泵站中，使用微机控制变速与定速水泵组合运行，可以保持近水位稳定，降低能耗。提高自动化程度。此节通过一个工程实例说明这一问题。由于进水量的变化很大，过去使用多台定速泵的形式，不能有效地控制进水位在警戒线以内、有时导致上游低洼地区跑冒污水，为了改善这种状况。选择了水泵变速运行并且使用微机控制的方案，控制框图见教材图3.16---污水泵站控制系统图

1)一次仪表计量的水位、水量、温度、电流、电压等数据及各种故障信号均通过转换器换成电压模拟唁号，经滤波器送入微机的A／D电路。

2）微机输出的开停水泵信号。经过通用接口连接器、寄存器及继电器驱动后，控制定速水泵启动柜和变速水泵调速柜的开停。同时转速的控制由微机发出数字量调速信号，经过D/A转换成电压模拟信号，送至调速柜执行。

3)水泵发生故障时，微机要自动切除故障泵，启动备用泵，并通过报警电路发出声光报警信号。

4)泵站的机电设备会产生大量电磁辐射，在电网上造成干扰。为了保证微机的正常工作，除机房内墙要做金属屏蔽网，交流电源侧加稳压器、滤波器外，还要在输出开关电路采用两级继电器进行隔离，使干扰无法串入机内。

2、系统软件设计

在拟定运行方案时，目先要确定运行控制的参数。根据当前污水计量仪表的水平和泵站的工艺条件、以水位作为控制运行的直接参数，以进水位换算的来水量和出进水位相减的静扬程作为间接参数较为可靠，并使用污水流量计进行核对。

变速运行可以实行水量控制、效率控制等各种方案。根据泵站的实际需要，选择了“水量平衡与效率优选”的控制方案，即在保持泵站进出水量基本平衡的基础上，通过优选，使水泵在较高效率点工作。具体步骤是： 1)由进水位确定进水总流量值Q总； 2)由进出水位之差确定静扬程H静；

3)调数据表查出在该静扬程下额定转速时的流量值为Q定； 4)变速泵所需的流量Q变＝Q总-Q定；

5)根据每分钟检测水位涨落的多少确定转速的优选范围；

6)在优选范同内找出最高效率点所对应的转速来抨制变速泵的运行。为了实现在无人管理的条件下、由微机自动控制泵站的运行，还必须在主程序中满足正常管理工作的各种需要，并且对泵站可能出现的故障作出正确的判断和处理。

在控制程序中纳入下列因素：

1)能够自动打印报表，记录水位变化、电机工作情况。

2)在微机与水泵启动柜之间设置了转换开关，一旦微机系统发生故障就可脱机手动运行，避免出现因为微机故障而影响整个排水系统运行的问题，保证全系统运行安全可靠。

3)实现了水泵之间的自动换车，使之运行时间均一。

4)在运行的水泵发生故障时，微机会自动切除故障泵，发出声光报警信号。

3、运行效益分析

3.1 运行效果表明：稳定泵站水位方面的功能比定速水束优越得多，从而消除了存在多年的运转失调现象．不再发生因加泵而使下游井跑水、减泵而使上游工厂排水困难的问题；

3.2 运行记录说明：经过优选决定的水泵转速能使水泵效率维持在79％---81％之间，基本实现了高效率运行，根据测算。目前的变速运行同以往定速运行相比，可以节约能耗10％。

3.3在变速运行中不再需要考虑集水池调蓄容积和机组容量的大小搭配，所以变速泵站可以将集水池容积减少到最低程度，从而减少泵站的占地、工程量、施工难度和工程造价。

3.4使用微机控制泵站运行，可以达到准确、严密、安全、可靠。可以由原来的“值班定岗”改为“巡回检测”的办法，管理人员减少1/3左右，另外也避免了机泵组设备的开停频繁，降低了设备的维修率，延长使用寿命，同时由于泵站可以做到低水位运行，可以使上游重力式管道维持自清流速以减少管道疏通掏挖的工作量。

第四章：给水处理系统控制技术

第一节、混凝投药单元的控制技术

1、典型的混凝控制技术简介 1.1 经验目测法

这是最简单原始的人工方法，又称“eyeball”，在我国相当多的水厂，尤其是中小水厂仍广泛采用。操作者通过观察原水浊度的变化、反应后矾花生成情况、沉淀后水的浊度高低来凭经验调节投药量。操作人员的责任心与经验是制约混凝效果的重要因素。1.2 烧杯试验法

烧杯试验法利用一台可变速的4—6联搅拌机，同时向4—6个烧杯中的检测水样加不同量的混凝剂，并进行搅并，模拟生产中的混合与反应过程，然后静止沉淀以模拟实际，我国的许多水厂也把烧杯试验结果作为确 定投药量的重要参考依据，应用广泛。1.3 流动电流法

该法以反映胶体荷电特性的另一参数---流动电流为因子，控制投药。这种方法以胶体电荷为参数，抓住了影响混凝的本质特性；同时，该方法是一种在线连续检测法，易于实现投药量的连续自动控制，因而成为各种胶体电荷控制法，以至现行各种投药控制方法中很有发展前途的方法。

2、流动电流与混凝工艺的相关性

1）流动电流与动电位的相关性。

流动电流与动电位良好相关性，以流动电流代替动电位来描述胶体的脱稳程度是完全可能的在

2）流动电流与混凝剂投量的相关性。

向水中加入不同量的硫酸铝，测定水的流动电流。在硫酸铝投量较少时，流动电流赂有上升，变化不大；随着投药量进一步增大，流动电流值迅速上升；随后流动电流的增大趋势逐渐变缓。

3）流动电流与混凝效果的相关性。

流动电流与浊度的这种相关性是普遍存在的，用范围广泛的、包括国内国外、南方北方、江河水库等多种原水及处理工艺进行试验，都可以观察到上述现象，说明流动电流是对混凝起决定性影响的主要因素。

3、流动电流混凝控制工艺系统的组成与特点

在流动电流与混凝工艺相关性的基础上，可以建立流动电流很凝投药控制系统工艺流程，该系统主要由检测、控制、执行三大部分组成，流动电流检测器对加药后水中胶体电荷进行检测，并经信号处理后将该流动电流信号送至控制器；

控制器对该检测值与事先设定的设定值进行比较，并按一定控制策略对投药量输出进行调整，该药量的调整通过变频调运设备对投药泵的转速调节来实现。

1)单因子控制：除流动电流参数外，不再要求测定任何其它参数。2)小滞后系统：可以适应水质及水量等的突然变化。

3)中间参数控制：设定值是通过相关关系间接反映了浊度要求。4 透光脉动聚凝检测技术的应用

透光脉动值能一定程度地反映加药混凝后水中颗粒杂质的絮凝情况．，可以作为控制参数构成反馈控制系统。对于一般浊度水，由于絮凝体形成的反应过程进行缓慢，滞后时间长，反馈控制混凝剂投加量效果不太理想。高浊度水的絮凝过程进行迅速，一般只需数秒或数十秒时间即可完成，因此可检测其絮凝情况并根据絮凝过程控制投药量，从而成为新的高浊度水絮凝控制方法，4.1 高浊度水絮凝过程与透光脉动值的相关性

1）絮凝剂投加量和远光脉动值的关系 2）浑液面沉速与透光脉动值的关系 3）出水余浊和透光脉动值的关系 4）高浊度水透光脉动投药控制系统 4.2 高浊度水透光脉动投药控制系统

絮凝检测仪的检测值可以反映高浊度水浑液面沉速的大小，通过对检测值的控制即可实现混液面沉速的控制，这样就有一个方便的确定投药量的方法，不需要检测原水含砂量、粒径组成、流量及原水的其它性质，只要检测加药絮凝反应后的透光脉动值一个参数，即可控制投药，保证高浊度水处理运行经济可靠。

由于高浊度水的絮凝过程非常短，因此采用以检测值为控制对象的反馈控制系统，对扰动的响应速度快，滞后很短，接近于同步控制。

工作过程如下：反馈控制系统通过絮凝检测仪在线连续检测已进行絮凝反应的高浊度水的值，并将信号传到控制中心；控制器接收信号，并与给定的设定值进行比较、判断，若检测值R符合系统要求，其偏差在允许的范围内，说明投药量正常；反之．若检测值A不在允许的范围内，控制器通过一定的算法指挥变频器改变投药泵电机的电源频率、进而改变投药泵转速，实现投药量调整，修正偏差，直到检测值R符合要求。

第二节、滤池控制技术

1、滤池控制的基本内容与基本方式

滤他的自动控制基本上包括过滤、反冲洗两个方面，其中以反冲洗为主。由于各种滤池的构造、原理不同，控制内容与方法也有差别。在采用的技术方面，主要有水力控制与机电控制两类。在本节中主要通过——些实例介绍机电控制技术，特别是微电脑智能化控制技术的应用情况。

滤池的反冲洗控制可以有不同的方式。控制方案要解决如何判断反冲洗开始和反冲洗结束。

反冲洗开始有下列方式判断：

(1)滤后水浊度监控。连续检测滤池出水的浊度，当滤后水浊度达到设定值时开始反冲洗；

(2)滤池水头损失监控。连续检测滤池的水头损失，当水头损失达到设定值时开始反冲洗；

(3)定时控制。根据经验设定滤池工作周期，当达到周期规定的时间后开始反冲洗。

反冲洗结束有下列方式判断；

(1)反冲洗水浊度监控。连续检测滤池反冲洗水的浊度，当该浊度降到设定值时结束反冲洗，使滤池投入过滤工况；

(2)定时控制。按经验设定滤池反冲洗历时，当达到规定的反冲洗时间后结束反冲洗使滤池投入过滤工况。

上述滤池反冲洗的开始与结束的控制方式可以交叉组合应用，也可以将几种方式共同应用，当其中的条件之一达到时，即应当开始或结束反冲洗。另外，控制系统还应具有随时人工指令强制反冲洗的功能。

反冲洗进行的方式有采用各滤池连续顺序进行的，也有采用各滤池分别按各自的条件控制、独立进行反冲洗的。

一般在生产上不允许多座滤池同时反冲洗，在控制系统上应当采取相应的措施。

2、虹吸滤池的运行控制实例

以可编程序控制器为核心、以U型气水切换阀为执行元件，进行虹吸滤池运行的自动控制。

根据不同的工艺条件，可以按下列3种方式控制虹吸滤池的运行。1)自动控制方式：根据各格滤池水位(滤池水头损失)上升到达反冲洗水位 的先后顺序进行操作，依次控制滤池的反冲洗。

2)定时控制方式：以每格滤池的过滤时间为依据进行反冲洗控制，每当滤池 工作达16---24h(可调)时进行一次反冲洗；

3)手动控制方式：由值班人员根据具体生产情况，手动选定某格或某几格滤 池反冲洗，反冲洗过程由控制装置指令自动完成。

下面着重介绍自动控制运行方式。

在每格滤池都装有浮球液位检测装置以检测滤池运行工况，过滤周期后期。当滤池水位上升到反冲洗水位时，液位检测装置发出反冲洗信号，控制装置控制执行机构完成此格滤池反冲洗过程。

即：1)破坏小虹吸；2)形成大虹吸；3)反冲洗计时，4)破坏大虹吸，5)形成小虹吸；6)反冲洗完毕(滤池恢复正常过滤)，当有两格或两格以上滤池到达反冲洗水位时，控制装置根据各池水位到达的先后次序按先到先冲的原则，依次对此部分滤池进行反冲洗。为保证冲洗强度，反冲洗时间从大虹吸形成后开始计时，保证每次只冲洗一格。

自动控制流程见图

第三节、氯气自动投加与控制技术

1、氯气投加系统与设备

氯气的投加方式主要可分为两种形式：即正压投加和真空投加。传统的加氯方式多采用正压投加。采用正压投加时，由于所有的投加管线都处于正压状态，一旦发生故障或者管线破裂，容易出现氯气泄漏事故，安全可

靠性低、设备维护量大。同时，氯气投加主要依靠经验，精度不高，难以保证水质标准和余氯合格率。而真空投加，由于所有的投加管线都处于真空状态。即使管道出现破裂，也不会出现泄氯现象．具有很好的安全可靠性。

根据真空投加的原理．真空加氯机加氯系统由气液分离器、真空调节器、加氯机、取样泵、余氯分析仪、水射器、漏氯检测仪等组成。

2、氯气投加的自动控制

对于氯气的自动投加控制，按控制系统的形式划分，可以有以下几种： 1)流量比例前馈控制：即控制投加量与水流量成一定比例； 2)余氯反馈控制：按照投加以后水中的余氯进行反馈控制；

3)复合环控制：即按照水流量和余氯进行的复合控制，或双重余氯串级控制等，(4)其它控制方式：加以pH值和氧化还原电势为参数进行控制等。

根据具体情况，对于前加氯和后加氯，宜采用不同的控制方式。

前加氯系统主要目的是杀死水中的微生物或氧化有机物，对投加量准确性要求不高，以采用原水流量进行比例投加为好。

投加量控下式确定：

式中：Y------前加氯的投加量； K------单位原水投氯量；

Q------与投加点对应的原水进水量；

后加氯系统主要目的是对水进行消毒，并使管网水中保持一定的余氯量。这是保证出厂水满足卫生学指标要求的把关环节，必须严格控制。由于要求水中的余氯量位比较恒定，而滤后水的需氯量是个变值。采用流量比例控制很难达到要 求。因此，可采用投氯后水余氯简单反馈控制、复合环控制等方式。

前馈反馈复合环控制就是按前馈流量比例和余氯反馈进行复合调节。前馈比例调节可以迅速地调整由于处理水量变化产生的氯需求变化；反馈调节可以对余氯偏差进行更精确的修正，调节特性较简单反馈控制有所改善(见上图)。但是这种调节方式仍不能解决水质迅速变化所产生的问题。

3、应用中的一些问题

1.投加点和取样点的选择相当重要。可以根据工艺要求选择确定氯气投加点，而选择取样点时必须保证氯溶液与待处理水能充分混合，又不产生过长的滞后时间，以便控制器能及时地对加氯工艺进行控制。为保证充分混合，可以采用机械搅拌、弯头混合、喷撒扩散器等方式。一般说来，对于饮用水系统，取样点与加氯注入点之间的距离应十倍于管道的直径。

余氯检测是实现控制调节的重要环节，为了加氯及控制系统的正常工作．必须保证余氯检测的精确可靠性，这就需要采用质量良好的余氯检测设备，并配备有一定专业技能的专门人才，定期监测和维护加氯与控制设备。

由于氯气危害性很大，因此设计加氯及控制系统时，对整个系统的安全性能必须引起足够的重视：

实际使用经验表明。采用自动加氯，能随时根据水量和水质的变化对加氯量进行调节，出厂水余氯合格率可达到99.9％以上，比传统方式有明显提高，并且使液氯的耗量有所降低。

第四节、供水企业SCADA系统

1、水厂自动监控系统的组成与形式

随着计算机及控制技术的发展，出现了集中式控制形式．出中心控制室的一台计算机系统对各个环节的参数进行巡回检测、数据处理、控制运算，然后发出控制信号，直接控制被控对象。

一台计算机体往往同时控制多个回路、即多个水处理工艺环节。在这种控制系统中，集中检测、控制运算工作量大，要求计算机功能强大，有很高的可靠性。

进入70年代以来，以微处理器为核心的各种控制设备发展迅速，使得控制系统的形式也发生了相应的变化、结构组成种类很多。当前水厂采用的自动控制系统的结构形式，从自控的角度可以划分为SCADA系统、DCS系统、IPC+PLC系统、总线式工业控制机构系统等。(1)SCADA系统

由一个主控站和若干个远程终端站组成。该系统联网通讯功能铰强。通讯方式可以采用无线、微波、同轴电线、光缆、双绞线等，监测的点数多，控制功能强，该系统侧重于监测和少量的控制．一般适用于被测点的地域分布较广的场合，如无线管网调度系统等。该系统的基本特点是：

1)组网范围大，通讯方式灵活。可以实现一个城市或地区那样的较大的地理分布的监测和控制。

2)系统分为主控机和远程终端机两部分，终端机处理能力较小。3)系统实时性较低，对大规模和复杂的控制实现较为困难。

(2)DCS系统

DCS称为集散型控制系统。是由多台计算机和现场终端机联接组成。通过网络将现场控制站、监测站俐操作管理站、控制管理站及工程师站联接 起来，共同完成分散控制和集中操作、管理的综合控制系统。DCS侧重于连续性生产过程的控制。该系统的基本特点是： 1)采用分级分布式控制。系统按不同功能组成分级分布子系统，各子系统执行自己的控制程序，处理现场输入输出信息，减少了对系统的信息传输量，使系统应用程序较为简单。

2、水厂SCADA系统的功能

(1)水质优化。通过自动化控制系统的调节，提高给水水质的安全可靠性、并降低水处理系统的运行费用。例如可以根据滤池出水浊度及原水水质情况，控制系统自功调节沉淀池出水浊度目标，在保证出厂水水质合格的前提下，实现水处理系统运行的总费用最低(药剂费用、排泥水费、滤池反冲洗水费之和)。(2)能耗优化。水厂是耗能大户。通过自控系统的调节，可以最大限度地节约能耗，例如通过对取水泵站和送水泵站水泵电机的调速控制，使之按恒定流量或恒定压力方式运转避免能量浪费，即实现能耗优化。

(3)单体构筑物运行优化。可以根据系统总体运行条件要求(原水水质、产水量等，各控制单元对各个水处理构筑物的运行工况进行自动调节，通过改变投药量、排泥工况、反 冲洗周期及冲洗时间等实现各构筑物在最优工况下运行。为了实现上述要求，典型的水厂自控系统功能介绍如下： 1)中央控制室的软硬件配置与功能

中央控制室的硬件配置采用如下方案：

a)三台电脑：一台用于控制，一台用于监视报管和报表输出，另一台用于驱动模拟屏，用于控制和监视的两台电脑可以互为备用，大大提高系统的可靠性。b)三台打印机：一台打报表，一台作报警输出，一台作屏幕监视的硬拷贝。c)配置大模拟显示屏或高清晰度投影机，用以显示工艺流程及水质参数、过程参数、设备状态等。

软件配置：自控系统软件分为各分控站PLC应用程序和中控室上位机主控软件，主控软件具有方便灵活的系统组态功能，良好的人机界面，完善的数据采集、监测、控制和信息处理功能，系统有良好的可扩充件，方便与其它系统联网等。2)取水泵房控制。包括水位监测，电源、水量、水质等方面的参数监测．水泵电机的开停、调速控制．阀门的开关、调节控制等。

3）投药控制。包括絮凝剂、消毒剂、助凝剂等的投加按制与设备运行状态检测；

4)反应池、沉淀池的自动排泥控制，回收水池的水泵及液位控制等。5)滤池控制。包括过滤和反冲洗的自动控制。

6)送水泵房控制。对水泵机组、阀门的启停、水泵的转速等进行控制。

第五章：污水处理厂的检测仪表与ICA技术

第一节、污水处理厂常用检测方法与仪表

1、概述

与给水处理厂相比，污水处理厂的处理方法、工艺流程、污水和污泥的指标等都有很大不同，其检测项目与方法也有很多特殊性。本节主要介绍一些活性污泥法污水处理厂中员常用的检测方法及其仪表设备。

2、污泥浓度的检测方法与仪表

由于污水处理过程中污泥产量大、成分复杂，污泥处理与处置是污水处理系统中重要的组成部分，所以污泥的检测也占有重要的地位。

污泥浓度的检测方式有光学式、超声波式和放射线式等，一般对低浓度污泥的检测多采用光学式、对高浊度则多采用超声波式。2.1 MLSS浓度的检测

MLSS浓度—般在1500-4000mg／l之间，属于低浓度污泥，常采用光学式检测计。光学式检测仪又分为透射光式、散射光式和透光散射光式3种。在使用MLSS检测仪时应注意以下事项：

1)为了避免由于检视窗口的污染引起的检测误差，应当定期清洗。2)为了避免由于来自上方直射日光等强光的射入引起的误差，检测仪的传感器部分常常放置在水面以下30-50cm处：

3)由于MLSS检测仪是根据光学原理测定浓度，当被检测的混合液颜色变化影响透光率变化时，宜使用受其影响较小的透光散射光式检测仪。

4)在对MLSS检测仪进行较正时，将MLSS的分析值和检测仪的测定值进行比较，并作成表示相关关系的曲线图，用来校正检测仪。

2.2 污泥浓度检测仪

污泥浓度较高时常采用超声波式浓度检测仪：将—对超声波发射器与 接收器相对安装在测定管两侧，超声波在传播时被污泥中的固形物吸收和分散而发生衰减，其衰减量与污泥浓度成正比，通过测定超声波的衰减量来检测污泥浓度。试样中的气泡也会引起检测误差。它的优点是受污染的影响较小，缺点是间歇式检测。使用时应注意的事项如下：

1)试样中的气泡将异常地增大超声波的衰减量而引起检测误差； 2)当有加压消泡装置时，应定期检查加压机构和空气压缩机；

3)当由于季节变化而引起污泥颗粒形状的变化，应用正常的污泥检测结果来校正。

3、污泥界面的检测方法与仪表

为了进行必要的污泥管理必须设置污泥界面计，它也是利用光学和超声波的原理来检测，在设置和检测时，还应注意藻类与气泡的影响，以及污泥界面的凹凸不平等引起的误差；分位光学式和超声波式。

4、有机物的检测方法与仪表(1)COD自动检测仪

是将指定的检测的步骤自动化了的仪器，每隔1-2h间歇自动检测，根据氧化分解的条件有酸性法检测仪和碱性法检测仪。通过更换试剂、也有酸性法和碱性法两种方法交替使用的仪表：酸性法适用于水样中含微量氯离子或不含氯离子的检测，而碱性法受氯离子影响不大，所以用于含有大量氯离子水样的检测。(2)TOD自动检测仪

TOD的检测原理是将水样和含有一定量氧的载流气体一起，送人高温加热后的催化剂填充燃烧管中，使水样中的有机物氧化分解，然后测定消耗的氧量。

(3)UV计 利用溶解件有机物吸收紫外线范围波长的光的特性，将水样连续送进测定瓶，用紫外线照射，然后根据其吸光度来检测其污染程度，在各种有机物中，有的不吸收紫外线最大波长光，也有完全不吸收紫外线光的有机物。但是，二级处理水的UV与COD往往有很好的相关关系。

(3)TOC计 有两种方式，一是首先利用低温加热催化剂检测无机碳，然后把无机碳的值从总碳中减去的检测方式，称双通道方式；二是预先将水样用盐酸调至酸性．然后用氮气吹脱水样中的无机碳后，再送入高温催化剂填充管进行检测的方式，称为单通道方式。

第二节、污水处理系统ICA技术 ICA技术简介

仪表、控制和自动化(ICA)技术在污水处理领域的重要性越来越明显，在未来10～20年内其投资将占整个污水处理系统投资的20％ ～50％。

ICA技术可为污水处理厂的运行带来以下主要优势： ①降低系统的运行能耗，保证系统的高效运行； ②保证出水水质稳定并满足污水排放标准；

③增加污水厂的处理能力，在现有污水厂反应器容积下充分提高系统的脱氮率，无需改建或扩建污水处理厂。ICA技术的限制性因素和发展动力

目前ICA技术并没有在污水厂获得广泛应用，其主要原因有：

① 不完善的教育-培训-知识体系； ②风险投资者或组织机构之间缺乏合作； ③缺乏应用ICA技术所能带来的经济效益的认识； ④检测工具不可靠、不稳定；

⑤污水处理厂设计存在限制性因素，排水收集系统不完善； ⑥ICA技术缺乏透明度以及软件和仪器行业不规范。ICA技术的发展动力如下：

①逐渐严格的污水排放标准； ②污泥减量的需求； ③经济动力；

④降低运行能耗和增加产出的需求； ⑤污水处理厂的设计越来越复杂； ⑥污水再生回用等观点的出现；

⑦新型、便宜、操作简单技术的出现(如计算机和网络技术)。ICA技术的应用现状 目前，我国污水处理厂的自控系统一般设置手动与自动两套系统。由于小型污水处理厂(如啤酒厂、饮料厂、味精厂等)资金不足、技术力量薄弱及生产的季节性等原因，所采用的检测仪表大部分是国产的离线仪表，监测手段为取样后测定各水质指标，然后根据测定结果调整设备的运行状态。由于这些仪表的准确性差且非连续性监测，故设备运行状态的调整滞后，常常导致出水水质不稳定。

一些大型污水处理厂为了实现自动化控制、保证出水水质达标，或借鉴国内外先进的技术和经验自行开发，或利用政府投资和国外的优惠低息贷款成套引进德国、丹麦、澳大利亚等国的污水处理工艺、设备、监测仪器仪表、自控系统及相应的软件。由于设备配套性好、技术先进、自动化程度高，系统能够连续、稳定地运行，并能保证出水水质达标。

但上述运行未考虑系统的控制优化，仅仅保证了系统连续运行这一最基本要求，对出水水质的达标是基于足够大的反应器或较高的曝气量，这就造成国内污水处理厂运行和管理费用约是国外的2倍，而运行管理人员数又是其若干倍，且大部分已建污水处理厂仍处于人工操作状态，至今未考虑其过程控制和运行的优化。污水处理系统ICA技术的发展趋势

未来1O年污水处理面临的主要问题是新建或升级现有污水厂以实现脱氮除磷的深度处理，因此对营养物去除效果的控制是ICA技术一个重要内容。调查发现对更便宜和更稳定的在线传感器需求较大，尤其是营养物测定装置。对仪器的冗余、传感器综合数据质量的监测和故障监测系统的需求也很大。除常用类型的传感器，还需要一些新型技术如软件传感器、综合芯片传感器、在线成像分析、石英结晶体微平衡传感器、激光和超声波传感器、滴定传感器、荧光DNA传感器、抗体探针及其他类型的生物传感器，这些传感器不是间接地从DO浓度、COD浓度和营养物的测定信息来估计系统的运行状态，而是通过获得微生物内部更多的信息来表征系统的运行状态。

在控制和自动化领域，实现高级控制工具(模型预测控制、模糊逻辑、神经网络、多变量统计分析、在线模拟)的稳定高效也是ICA技术发展的趋势，基于软件的监测和探测技术也是其未来发展的重要领域。污水处理系统的过程控制发展很快，国外专家普遍认为监控、污水厂处理系统的综合性控制将是ICA技术在2010年的主要应用方向。

同时还需有较好的本地控制(单元过程控制)，避免局部最优化。对于先进的ICA技术，最重要的是运行操作人员理解创新性的控制策略并在实际中得到广泛应用。

此外ICA技术的发展还需结合遥测技术、高速数字技术和网络技术的发展，使大量小型污水处理厂安装远距离监测和控制系统后，不再需要运行人员，通过遥测就可实现污水厂的控制。由于不同的控制策略及其性能一般。

第六章：污水处理厂的监视与自动控制

第一节、污水泵站的自动控制及设备

1、污水泵站的检查与维护

由于控制电路只要在起动、停止和增减负荷时就动作，很容易发现其故障。而保护电路只有在发生故障时才动作，不易发现其存在的隐患。因此，有必要认真检查保护电路。

高压与低压动力电路，控制电路和仪表电路的绝缘电阻的测定应分别进行。

2、启动

启动应注意以下事项。

(1)在起动泵时，既要确认泵本身也要通过操作盘的指示灯等否处于启动状态，然后打开操作开关。

(2)进入正常运转时，记录电流、功率、转数、压水管闸阀的开启度、运转启动时间等必要事项。·

(3)由于有关连动机构的故障，泵在启动过程中停止时，假如又正在下雨启动泵。而且又没有足够的时间来修复的情况，将控制方式改为单个手动控制启动，3、停泵

停泵时应注意以下事项。1)应当检查是否按规定顺序停泵。

2)停泵后，检查有关连动机构是否处于能够启动的状态。

3)对于吸入式起动的污水泵，由于满水水位计的滤网经常被悬浮物堵塞，因而应该到泵的运转现场检查是否有堵塞现象，具体地说，污水泵的自动控制是根据污水泵站集水池的水位计给出的测定值，保持某一范围的水位，根据流量计维持设定的流量，来自动进行污水泵的启动、运转、电机转数和压水管闸阀开启度的调节、停泵等一系列操作。

由于季节变化或服务面积的增减引起流入污水量变化时，应及时将运转的设定值调到最优。此外，为了使污水泵的运转时间平均化、还应当进行开启的优先顺序和运转机组的选择。

当进行自动化记录时，应当经常检查起动和停泵等是否按照设定值动作。

4、污水泵站的远距离监视控制

远距离监视控制是指通过有线或无线通讯，由设在远处的监视控制盘发出对被控制对象的状态监视和控制所必要的操作指令和动作监视。

在这种控制方式中，远距离监视控制设备具有监视、控制和检测等三种功能，因此又称遥感遥测遥控设备。

远距离监视设备又分为具有监视和检测两种功能和只具有监视一种功能的设备，一般前者称遥感遥测设备，后者称遥感设备。

此外，远距离监视控制方式中，又分为操作人员分别进行监视、判断和操作的方式，和在具备自动控制与自动操作设备基础上操作人员仅作出判断给出设定值的指令的方式，以及具有上述两种功能的方式等不同的控制方式。

除以上功能以外，根据管理方法不同，有的还能给出记录机器的运行、停止和检测值等每日和每月的报表，另外，由于信号及其传送方法的不同，控制场所与被控场所的连络方式也有很多种类型。

水泵机组的控制策略

国内排水泵站水泵机组的控制，多数都根据集水池水位控制水泵投运的台数，水位高时多开泵，水位低时少开泵。显然仅仅根据水池水位来控制水泵是不科学的，这是因为上述控制策略只考虑了集水池的水位高低，并没考虑其水位变比速率。

因此，不仅要根据水位，还应考虑水位的变化率，根据集水池的进水流量Q优化设定投运水泵的台数，使水泵的排水量追随进水量的变化，力求维持两者基本平衡。这样，将水位控制在—个较小的范围内波动，并且避免了水泵的频繁启停。

第二节、生物除磷脱氮系统的控制及优化

1、生物除氮系统控制及优化 1.1 曝气量和DO浓度的控制

曝气量控制的目标是在满足硝化水平的情况下，尽可能降低曝气量，在硝化满足时，COD的去除一般很容易满足，由于缺氧状态下也可吸磷，所以磷的去除也易于满足，降低曝气量不但提高硝酸氮的去除率，而且可以降低曝气能耗。

1.2 内循环回流量的控制

内回流量的控制主要是维持缺氧区末端硝酸氮浓度处于较低的设定值（1-3mg/l），可以通过PID控制器实现控制策略，应用硝酸氮测定仪来测定缺氧区末端硝态氮浓度，也可以测定回流液中的硝态氮浓度建立前馈－反馈控制器。

1.3 外加碳源投加量的控制

外加碳源投加控制的策略一般是维持缺氧区末端的硝酸氮浓度处于一个较低但非零的值来实现。另外在内循环回流量恒定时，需确定一个使平均出水硝酸氮浓度满足要求的内循环量，为了最优控制反硝化过程，提高进水COD的利用效率，需要综合控制内循环回流量和外加碳源投加量。1.4 SRT和污泥排放量的控制

不管是否需要进行污泥的稳定化处理，SRT应尽可能低，并保证完全硝化。众所周知，SRT的控制响应较慢，但对于如何有效控制污泥排放莫衷一是。对于给定的污水处理厂，合适的控制策略与污水处理厂的特定设计、运行负荷有关，需要注意的是：SRT是一个平均值，是系统运行负荷的表征，并不能通过简单的污泥排放来实现。

1.5 回流污泥量的控制

以回流污泥量作为主要控制目标控制反应器内的污泥浓度是危险的，尤其当二沉池的实际固体容量不确定时更加危险。进水负荷的随机变化性将导致二沉池水力负荷以及二沉池泥水界面的巨大波动，当二沉池污泥层高度接近出水堰时，可能导致污泥大量流失从而严重影响出水水质。

以二沉池的污泥层高度作为控制目标实现污泥回流量的控制是一个相对合理的控制策略。

2、生物除磷系统优化设计

合理的生物除磷工艺设计是实现污水处理厂运行优化的关键，是获得较好出水的基础，设计可分为一下几个步骤： 2.1 准确估计进水特性

一般情况下，每去除1mg磷酸盐需要20mgCOD，为了准确估计生物除磷的能力，应首先确定进水中易于生物降解BOD的含量，如果无法获得该信息，生物除磷模型确定生物除磷能力所需的一些条件以及计算厌氧池容积都会受到限制。

2.2 估算生物除磷能力

在选定厌氧池容积的条件下，计算聚磷菌所占比例以及出水正磷酸盐浓度，厌氧池体积的选择应以厌氧停留时间确定，即根据聚磷菌的数量以及VFA的存在量、吸收量来计算厌氧停留时间。

生物除磷能力应重复估算，当计算的出水正磷酸盐浓度无法满足排放标准时，可以采取一定的措施。

2.3 确定厌氧池的结构

1）采用推流结构可通过厌氧区分格或加大长宽比来实现厌氧池的推流特性。2）厌氧池前可以添加一个体积很小的厌氧选择器，以避免污泥膨胀； 3）通过选择关闭搅拌器的个数，来延长厌氧区水力停留时间。

2.4 促进缺氧吸磷

当污水中COD(SA)：P比值较低时，工艺设计时应加强缺氧区吸磷的能力，由于反硝化和吸磷同时实现，所以相对于好氧吸磷可以节省有限的碳源，所以在设计时，在厌氧池后必须存在一个缺氧段，现在许多生物除磷污水厂的实际结构采用这种方法。如今在反硝化除磷技术的典型工艺有两种：双污泥系统和BCFS生物化学除磷工艺。

2.5 应用实时控制策略

生物脱氮控制应加强曝气和内循环硝化液回流量的控制，利用硝酸盐、氨氮和ORP在线仪来优化氮的去除。

另外也要保证脱氮过程的稳定性，当运行不稳定时，不可避免的导致回流污泥中硝酸氮浓度的增加。除了控制生物除磷过程，对辅助化学除磷药剂的投加也应进行充分的控制。

在进水浓度变化时，应避免过量曝气或化学药剂投加不足，其控制可以根据污水流量或出水正磷酸盐浓度来确定。

第三节、污水处理厂的控制及应用

1、污水预处理设施

这种控制一般根据监测进水渠水位来进行，当然，对于分流制排水管网且沉砂池数很少的小规模污水处理厂，有时也不控制沉砂池的运行数目。此外．为了防止污水量的突然增大或水泵的故障而引起泵房进水，应当能够实现进水闸门的紧急关闭。

粗隔栅一般用手动控制，机械式除渣机也常在现场单独控制。细隔栅一般用自动定时器进行间歇运转控制，最近也有根据监测隔栅前后水位差进行自动除渣控制的。传送带等附属设备也常与除渣机连动运行。

2、初沉池

刮泥机的运行方式取决于沉淀池的形状和刮泥机的种类。由于在圆形沉淀池的刮泥周期长，因而刮泥机连续运行。而长方形沉淀池的链带式刮泥机的刮泥能力很大、没有必要连续运行，可用定时器进行间歇运行的自动控制。

除沫设备常用管式集沫装置，目前又开始采用浮动式泵来除沫。一般都采用定时间歇自动控制。

排泥泵的常用控制方法包括，只靠定时器来控制其开闭，或者联用定时器与流量计进行控制，用定时器来决定泵的启动，用流量计来控制停泵，每日排放定量的污泥。按这种方法运行时，应当注意若排泥泵的运转时间过长则排除的污泥浓度将降低，若间歇时间太长则可能引起堵塞等故障，因此，应合理地选择间歇自动控制的停泵与运行时间。

3、曝气池

在向曝气池供气的控制中，曝气池控制和鼓风机控制是密切相关的。控制鼓风机时可分为定供气量控制、与流入污水量成比例控制、DO控制等。在实施这些控制时，通过曝气池不同部件的空气量调节阀，进行供气量分配的控制。反之，通过控制曝气池来实现上述控制时，则必须控制鼓风机供气管道出口压力一定。普通活性污泥法与阶段曝气法等的回流污泥量一般占进水流量的30％左右为宜．但是为了提高处理效率，保证处理效果，往往根据进水有机负荷变化来调节回流污泥量。常用的回流污泥调节方法有定回流污泥量控制、与进水量成比例控制、定MLSS浓度控制、定F/M控制。

4、污泥脱水预处理设施 4.1 药品溶解控制

熟石灰溶解的控制是，将贮存在筒仓或加料斗上的熟石灰用传送带送到溶解他，形成溶解浓度为15％---20％的乳状物，溶解方式分为间歇式或连续式。4.2 投药量控制

一般按污泥量与药品成一定比率控制投药量，用污泥流量计和浓度计 检测的污泥流量和污泥浓度来计算固形物(干污泥)质量，据此按一定比率控制投药量。

5、污泥脱水机

脱水机的种类有真空滤机、板框压滤机、离心脱水机、带式压滤机等，它们各自的控制方法也有所不同。不同种类的脱水机其脱水效率也有差异，也不能指望通过自动控制来大幅度提高效率。可是，为了使这些复杂的脱水装置稳定运行，尤其在多台脱水机同时工作时，进行适当的管理可提高其可靠性，因此，脱水机的自动控制一直受到高度重视。

以前多采用继电器和计时器进行自动控制，近年来，更多地采用容易修改顺序的专用顺序器和微机来控制。5.1真空滤机的控制

为了使真空滤机保持具有额定的过滤能力，应当控制污泥转筒中保持一定的污泥量，一般通过检测转筒中的污泥量和调节进泥管上的闸阀进行控制。在运行中真空过滤机容易出问题的是滤布变形，遇到这样问题时．可用压气缸来修复。如果用这种方法也难于修复时，安全开关将动作，脱水机的运转将自动停止。作为附属设备的真空泵随真空滤机一起连动运转。此外，有人正在研究通过检测滤饼的含水率和厚度，对真空滤机转筒的旋转速度进行反馈控制。5.2压滤机的控制

略论工业仪表与自动控制系统发展 篇3

【关键词】工业仪表；自动控制系统；现状；建议

一、国内外工业仪表行业发展现状

1、国际发展现状

当前，国际过程工业仪表和控制系统的技术发展迅速。工业仪表方面，普遍采用电子设计自动化（EDA）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）、数字信号处理（DSP）、专用集成电路（ASIC）及表面贴装技术（SMT）等技术，直接带来的就是仪表测量精度的提高、可靠性的提高、易维护性提高。控制系统方面，在信息技术的推动下，逐步向功能模块化、规模大型化、网络开放化的方向发展，系统软件呈现出接口标准化、应用便捷化、应用专业化的发展趋势。目前大型工程的联合装置往往使用一套控制系统，操作室高度集中，控制点规模达到数万点，开放的网络和软件标准化接口实现全厂异构系统的互联，使测量控制系统与企业经营管理系统紧密结合，形成从生产控制的底层到企业管理上层的管控一体化。

2、国内发展情况

近年来，伴随着一些重大工程的实施，我国电力、石化、冶金等领域的企业和工程公司在应用软件和优化软件开发及系统集成技术等方面有了相当进展。通过承担国内外系统的工程应用，掌握了一批大型工程和装置的自控应用技术，总线技术、安全控制技术、先进控制技术等方面应用都取得了积极进展。国产DCS系统成批进入大型石化工程项目，浙江中控公司ECS-700系统、和利时公司MACS系统都有非常良好的市场表现。

二、发展趋势与对策

1、发展趋势

（1）仪表智能化水平不断提高。智能化是仪器仪表发展的核心，在工控方面，过程控制以前主要由调节器、PLC或DCS来完成，如今一台智能化的变送器或者执行器，只要植入控制算法模块，就可以与有关的现场仪表在一起组成现场系统，实施现场自主调节，实现了控制的彻底分散，使调节更加及时，系统可靠性得到提高。

（2）仪表测量控制精度不断提高。随着企业间竞争的不断加剧，企业对产品质量的要求日益提高，因而对生产过程测量仪表的精度要求也越来越高。为了实现这些要求，很多企业还建立自己的计量与能源管理中心。随之而来，各类变送器的精度普遍从百分之0.5提高到0.02，为企业管理精细化提供了强有力的设备保障。

（3）现场总线应用越来越广。现场总线技术的广泛应用，使组建集中和分布式测试系统变得更为容易。现场总线已成为全球自动化技术发展的重要表现形式，它为过程测控仪表的发展提供了千载难逢的发展机遇，并为实现进一步的高精度、高稳定、高可靠、高适应、低消耗等方面提供了巨大动力和发展空间。以现场总线为代表的控制网络技术在我国已经逐步得到推广，自上海赛科项目大规模采用现场总线以来，各种工程项目采用现场总线的心理障碍已经基本消除。由于近年大型工程项目较多，我国无论在采用现场总线仪表的项目规模还是在采用的数量方面都处于国际领先位置。

（4）网络化趋势明显。现场总线技术采用计算机数字化通信技术，使自动控制系统与现场设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底层，可使智能仪表的作用得以充分发挥。随着工业信息网络技术的发展，以网络结构体系为主要特征的新型自动化仪表，即IP智能现场仪表代表了新一代控制网络发展的必然趋势。控制网络的传输速度虽然可以满足许多一般应用的需要，但是对于动态测量控制要求高的应用无法满足。“响应频率宽度”、“响应时间”等时间相关技术指标是控制网络系统和仪表的软肋，大部分系统回避这些指标。由于网络瓶颈，一些较复杂的数据交换量大的控制回路不得不减少网段内仪表数量，这样又增加了跨网段的信息交换量。

（5）控制系统越来越开放。现在的测控仪器越来越多采用以Windows/CE、Linux等嵌入式操作系统为系统软件核心和高性能微处理器为硬件系统核心的嵌入式系统技术，未来的仪器仪表和计算机的联系也将会日趋紧密，标准接口可连接多种现场测控仪表或执行器设备，在过程控制系统主机的支持下，通过网络形成具有特定功能的测控系统，实现了多种智能化现场测控设备的开放式互连系统。

（6）安全性得到空前的重视。DCS和SCADA等控制系统逐渐与互联网相连，网络安全问题正引起大家的关注，特别是美国对伊朗核设施发动网络病毒攻击后，世界各国更加重视工业控制领域的网络安全问题，我国已启动网络安全等级评价，针对不同的系统采取不同的防范措施，以确保国家政治经济安全。

2、发展对策

（1）建立产业风险投资机制，鼓励对产业的风险投资。仪器仪表行业，是国家的基础装备产业，必须大力支持。降低企业税赋，尤其是增值税，使企业能够积累较多的资金用于科技创新和扩大再生产。允许企业提取上年销售总额10%用于科技开发，计入当年成本，并能够滚动使用。

（2）抓住市场导向，拓宽领域。在优先发展国民经济支柱产业和重大技术装备急需的仪器仪表的同时，紧紧围绕市场需求，拓宽其服务领域，培养新市场，增强市场的快速反应能力。

（3）在产业技术政策方面，支持关键共性技术的开发；鼓励产品出口，尤其鼓励高技术含量、高附加值产品出口，与之相应制定鼓励出口的有关政策；明确制定有利于民族工业发展的采购政策；鼓励具有自主知识产权的先进在制软件产品。

（4）推进新一代基于现场总线技术的智能仪表的开发和产业化，积极发展特种工况要求的执行器与调节器等系列产品的研发，重视冶金、石化、建材、纺织、造纸、食品等行业所需的各种专用仪表的开发和生产。发展适合自控应用需求的工业数据通信与网络技术、全智能控制器、基于混杂、非线性系统的新一代先进控制技术、制造执行系统MES集成技术和软件开发。

（5）大力培养人才，吸引和使用人才要制定相关的政策给予保证，扶植和发展一批生产基地和重点企业，支持一批当前国内需求较大、在经济建设和科研工作中具有示范作用的建设项目作为发展的依托工程。

（6）体制创新，优化结构。大力推进仪器仪表行业的战略性结构调整，加快改革，优化结构。全面贯彻国际标准质量体系认证，建立行业的质量体系，加强可靠性技术研究，提高产品内在质量水平。

（7）我国军工领域的研发和生产具有很强的实力，制订政策，鼓励军转民；同时鼓励民用企业接受军工任务，相互渗透，促进发展。

三、结束语

自动化仪表和控制系统作为整个装备的神经中枢、运行中心和安全屏障，已经成为重大装备的重要组成部分，对我国装备工业的振兴和发展具有重要意义。国产仪器仪表产品在可靠性和工程应用能力等方面与国外产品尚有一定差距，产品精密度、数字化、智能化、集成化、自动化程度较低，一般常规品种居多，高档智能型产品较少，前沿技术和标准化技术的研究还很不足。基于此，对于自动化仪表与控制系统的现状与发展趋势的研究具有比较重要的现实意义。

参考文献

石油化工仪表与控制系统的应用 篇4

1 新型自动检测与分析仪的应用

国内外的仪表系统也跟随时代的潮流, 向着数值化、网络化、智能化的方向发展, 为石化企业的自动检测仪表系统的发展提供了条件。现场总线型变送器有了很大的进步, 这是为了满足现场总线控制系统的需要。这是一种数字式的变送器, 有了简单的结构、较高的分辨力、良好的稳定性, 性能要高出普通智能型变送器。它在石化过程控制领域会有更大的作为。石化企业对产品的质量问题较为重视, 所以管理较为严格, 这也促使在线分析仪表的广泛使用。在线分析仪表能够对石化企业的产品质量和控制水平产生直接影响, 所以在石化领域被广泛使用, 主要包括在线油品质量分析仪, 在线气相或液相色谱仪及其他物理特性分析仪等。在石化企业炼油调和系统中采用了新的技术———在线多路径红外光谱分析仪, 目前的效果比较理想。软件测量技术也有长足进步, 能够解决石化企业的一些分析检测难题。现在都提倡环保, 所以在这方面, 环保仪表也被广泛使用。现在我国的在线分析仪表在技术上没有国外的先进, 而它又被石化企业大量的需求, 所以, 目前大部分的在线分析仪表都是进口的。

2 FCS应用水平有很大提高

现代工业控制系统朝着现场总线控制系统所发展, 因为它具有开放性、数字化、互操作等特点。现在FCS越发的成熟, 国际上也统一了标准, 得到了广泛的使用, FCS的特点如下:

2.1 开放式系统

能够达到信息共享的目的, 因为它连接着现场总线和局域网两个方面, 通过局域网能够快速的于其他计算机系统或网络交换信息。而且, 它的技术标准不是保密的, 能够向所以制造商和用户公开, 达到完全共享。

2.2 全数字化通信

FCS具有高精度的特性, 因为信息在从仪表传感器和数模转化器里出来之前得到了补偿, 这样就提高了它的精度。而且是双向数字通信的方式, 不仅有很高的可靠性, 而且系统组态和调试也很方便。

2.3 可互操作性

现场总线智能仪表只要有一个统一的标准, 按照它去组态, 就能将不同厂家的产品进行使用, 即插即用, 以方便设备更新或系统扩展。

2.4 控制分散度高

现在总线智能仪表不仅基本功能齐全, 而且还能进行控制和运算, 达到分散控制的作用。一条总线于多台仪表相连, 减少了电缆的使用, 进而节约了成本和开销。

FCS的国际标准趋于统一, 在技术上有了很大进步, 变得比较可靠, 所以被市场所接受, 占有率上升。不过FCS没有完全的统一标准, 所以在配套使用的仪表产品上海需要改善。而DCS发展迅猛, 在功能上和使用范围上都非常的完美, 所以有着无可替代的位置, 在今后DCS与FCS会共同存在于市场上, 它们起到了互补的作用。

3 企业综合自动化发展较快

信息技术是现代的关键技术, 在石化领域已经将信息技术和控制技术结合起来了, 一些石化企业有着自己的综合自动化系统, 而且效果不错。所以, 往后会大力的推广企业的综合自动化系统, 让企业的效益得到提升。企业综合自动化系统是采取ERP/MES/PCS三层结构系统, 过程控制层 (PCS) , 制造执行层 (MES) , 经营管理层 (ERP) 集成的现代化系统, 能够先进的分析、评估和预见企业的生产经营, 能够起到调节生产计划和企业发展方向的作用, 让企业能够更好的适应市场的变化。ERP系统是以信息技术为根本, 将系统化的管理作为指导思想, 是一个能够为企业决策层及员工提供决策运行手段的管理平台。它对于改善企业业务流程、提高企业核心竞争力具有显著作用。作为企业自动化系统的核心环节, 它能够起到衔接作用, 将ERP/MES/PCS这些系统联系起来。是企业信息集成的纽带, 是实施企业敏捷制造战略和实现车间生产敏捷化的基本技术手段。一个设计良好的MES系统可以在统一平台上集成诸如生产调度、产品跟踪、质量控制、设备故障分析、网络报表等管理功能, 使用统一的数据库和通过网络联接可以同时为生产部门、质检部门、工艺部门、物流部门等提供车间管理信息服务。目前, 石化企业除了广泛使用ERP以外, 还积极地推广MES、先进控制、供应链等等技术, 以满足信息系统的需要。让石化企业管控一体化系统得到迅速的发展, 保证了企业在市场中的竞争力, 提高了企业的经济效益。

4 先进控制及优化的应用

先进控制技术不能很好的解决常规PID控制中出现的问题, 有时一些复杂的工业过程控制问题也没法解决。但是用先进控制能够提高装置的稳定性和安全性、保证产品质量、减少成本, 让企业的效益得到提高。现在的先进控制技术有了很大改变, 变成更加的成熟, 例如鲁棒PID控制和多变量预测控制技术就是一个成功的例子。针对多变量预测控制这个方向的先进软件, 国内外有许多公司研发, 现在石化企业里面也有几十套装置使用了这些技术, 而且效果很好。

5 安全控制系统的应用

现在的石化企业对设备要求比较高, 要求设备的安全性、可靠性和有效性达到一定水平, 因为这些企业的装置不是小规模的, 在制作的时候工艺非常繁杂, 容易出现事故, 而且都是一些高危事故。所以安全控制技术对于石化企业来说是十分重要的。

5.1 生产装置健康监控技术

石化企业重视生产安全问题, 对设备的检测也非常严格特别是, 针对强腐蚀设备、高速旋转设备这些具有危险性的设备检测非常严格和精准, 他们是作为故障预测和判断的关键。研究出故障预测和判断的模型和方法, 能够及时的查出故障, 保证故障定位的精确度, 避免错误的报告或者遗漏报告, 消除生产中的各种隐患, 让系统能够在安全、可靠的情况下运行。

5.2 安全仪表系统发展迅速

国外推出了最新的SIS智能安全仪表管理方案, 将传感器数字智能和诊断技术运用到逻辑控制器中实施最终控制, 也是首次通过采用整体安全回路的方式来进行控制。使得因仪表控制系统故障引起非计划停车减至最少。

为了能够有一个安全的生产环境, 需要在危险的地方安装可燃气体和有毒气体的检测和报警装置, 提高安全性, 针对石化这一事物的易燃特性, 需要安装火灾报警装置, 将这些装置联系起来形成一个系统。

水工仪表控制系统基础有哪些？ 篇5

控制作用q：为克服干扰所采取的手段，所用介质为控制介质。

传感器与变送器：（1）直接感受被测参数变化的装置，如膜电极反应、电磁感应、光感量变化、超声波感应接受、电动势、位移；（2）将感应信号变为标准信号。

测量值z：变送器的输出值（电流信号：4-20mA,0-10mA；电压信号：0-5V,0-10V,-5-+5V；气压信号：20-100kPa）。常用4-20mA，负载小于600Ω

设定值x：设定工艺参数的预期值，或期望值（DO：2-3mg/L；风压：65kPa；沉淀出水：10NTU）。

偏差值e：设定值与测量值的偏差，e=x-z。

偏差速率ec：偏差值的变化速率，ec=de/dt。

仪表与控制系统 篇6

关键词：电子飞行仪表系统；大气数据系统；惯性基准系统；比较监控；等效安全

中图分类号：V243 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2011）27－0061－02

考虑到AC25－11A的建议，一般民用飞机的飞机级FHA中均将“驾驶舱所有姿态/空速/气压高度/航向（包括备用仪表）的丧失”及“两侧主姿态、空速（伴随失速或过速告警丧失）、气压高度错误指示”的危害性等级定义为灾难级；将正副驾驶两侧主姿态、空速、气压高度及航向的丧失危害性等级定义为主要或者危险的。另外，对于采用传统控制系统的飞机，要求姿态数据的显示延迟（包括传感器）不应超过100 ms的一阶系统的等效时间常数。这就使大气数据和惯性基准系统与综合显示系统之间交联构架的可用性、完整性和延时特性成为航电集成的至关重要的问题。

1 系统简述

电子飞行仪表系统（EFIS）一般通过ARINC429和ARINC664总线从飞机大气数据和惯性基准系统接收飞机姿态、航向、空速、高度、温度等飞行和导航数据，并通过一定的计算把相关的飞行和导航信息提供给正、副驾驶，作为两侧主显示。同时，考虑到两侧关键数据错误指示的危害性，显示系统会对这些关键的数据进行对比监控，并将结果通报给飞行员，以便在非正常状态下，飞行员能够及时知晓并采取相关动作，将危害降到最低。

2 相关条款要求

美国联邦航空管理局（FAA）和中国民航当局（CAAC）在其适航规章FAR25和CCAR25部的1303条款“飞行和导航仪表”（b）中均要求“每一驾驶员工作位置处必须安装空速表、高度表（灵敏型）、升降速度表（垂直速度）、带有侧滑指示器（转弯倾斜仪）的陀螺转弯仪、倾斜俯仰指示器（陀螺稳定的）、航向指示器（陀螺稳定的磁罗盘或非磁罗盘）。其中，按有关营运条例装有在360度俯仰和滚转姿态中均可工作的第三套姿态仪表系统的大型飞机，只需有侧滑指示器”。在1333条款“仪表系统”中要求“1303（b）要求的，各驾驶员工作位置处的仪表，其工作系统应符合：（a）必须有措施，能使正驾驶员工作位置处的仪表与独立的工作系统相连接（独立于其他飞行机组

工作位置处的工作系统或其它设备）。”

3 物理和功能构架分析

从相关失效安全性等级要求和延时要求可以看出，大气数据和惯性基准系统与综合显示系统之间构架的可用性、完整性和延时对飞机来说是至关重要的，同时为了满足要求，我们应该采用正副驾驶数据源相对独立的构架。以下就几种典型的支线和干线飞机构架进行相关分析：

3.1 传统支线和干线飞机

3.1.1 传统支线飞机构架

目前，在航的传统支线飞机（如庞巴迪CRJ）均采用2套大气数据和惯性基准/姿态航向源。

正常情况下，机身左右两侧大气和惯性基准数据均同时发送给正副驾驶显示系统，正驾驶使用左侧数据源，副驾驶使用右侧数据源（满足§25.1333（a）的要求）。同时，正副驾驶会对左右两侧数据分别进行对比（一般主要包括姿态PTT、空速IAS、高度ALT、航向HDG）。当任何一侧比较发现两侧数据超出一定的范围时，均会给同侧飞行员提供一个黄色（带边框的）“比较不一致”的警告旗，通告飞行员当前的状态。此时，正副驾驶可以通过与备用仪表的对比，发现超出范围的一侧。当发现一侧数据错误（或一侧失效）时，飞行员可以通过转换选择板（RSP）手动转换，选择使用对侧数据。此时，正副驾驶共用一套有效数据源，对侧比较将不起作用，但如果此时出现危险的错误信息飞行员将不易察觉，可能造成灾难性的后果，为了避免这种情况，往往要求在这种情况下要显示相关的共用源通告，时刻提醒正副驾驶要注意，并与备用仪表对比相关信息。

3.1.2 A320传统干线飞机构架

A320系列是欧洲空中客车工业公司研制的，1988年取证的，最为经典的双发中短程150座级干线客机。它采用6个全色阴极射线管显示器，配置了3套大气数据惯性基准系统（ADIRS）。真正意义上，它的每个ADIRU可以分成2个部分，大气数据基准（ADR）和惯性基准（IR）两部分，如果其中一个故障了，另一个仍可以独立工作。

正常情况下，正驾驶显示ADIRU 1的相关数据，副驾驶显示ADIRU 2的相关数据。姿态、高度、航向三个主要参数由飞行告警计算机（FWC）监控。比较不一致时，正副驾驶PFD上均会出现“CHECK ATT”、“CHECK ALT”、“CHECK HDG”琥珀色“比较不一致”警告，并出现相关的CAS警戒信息。此时，正副驾驶可以通过与备用仪表的对比，发现超出范围的一侧，并通过位于中央操纵台的转换板手动选择，使用备用的第三套数据源。

3.1.3 延时性考虑

虽然传统飞机适航取证时，适用的AC25－11对延时没有相关的建议和要求，但由于一般姿态数据均直接采用A429总线将数据传输给显示系统，从传感器到显示终端的延时时间基本均能控制在100 ms左右。

3.2 较先进的支线和干线飞机

除了从安全性考虑，FAR/CCAR25条款和AC25－11和11A要求给正副驾驶的姿态、航向、空速等数据源要相对独立，但考虑到随着航电和显示技术的快速发展，航电显示系统综合程度越来越高，发生组合性故障同时要求飞行员立即采取动作的可能性也增多，为了减轻飞行员的操作负担，2007年6月发布的新版AC25－11A的第6章的36.e（2）“传感器选择及通告”中“建议采用自动传感器数据转换”。

3.2.1 较先进的支线飞机构架

ERJ170和190是巴西航空在其ERJ145的基础上全新研制，并分别于2004和2005年取证交付使用的新型支线机。

在这里需要说明的是，虽然ERJ170和190的取证交付时间早于AC25－11A的发布时间，但在其显示和大气惯导系统的集成中已初步考虑了传感器数据源（大气数据）的自动选择，这主要得益于其先进的航电供应商Honeywell。

ERJ179/190飞机的主显示系统与3套大气数据软件（ADA）交互，ADA通过模块化航电设备（MAU）底板发送大气数据给网络接口控制器（NIC）。NIC通过ASCB（航电标准通信总线）传输大气数据给其他航电系统。

正常情况下，正驾驶使用ADS1，副驾驶使用ADS2。当ADS1或ADS2故障时，受影响侧的大气数据显示丢失，同时会给飞行员一个故障指示。这时，受影响侧会自动转换（或者飞行员手动转换）选择剩下的两套ADS中的一套作为数据源。自动转换逻辑主要取决于ASCB总线上的当前大气数据源、空速或者高度是否有效。自动转换发生后，如果仍没有有效的大气数据源可用，将回到默认状态（ADS1给正驾驶，ADS2给副驾驶）。如果找到有效的备用源，即使原先的数据源恢复正常，也将不再使用。正副驾驶手动和自动转换逻辑为：

正驾驶：

• ADS 1（正常情况）

• ADS 3（第一次转换）

• ADS 2（第二次转换）

副驾驶：

• ADS 2（正常情况）

• ADS 3（第一次转换）

• ADS 1（第二次转换）

ERJ179/190飞机的主显示系统集成了2套惯性导航源。每套惯性基准系统通过A429将数据发送给3个MAU，MAU的I/O通过ASCB将数据发送给显示系统。数据源的使用与传统支线机一致。

3.2.2 B787先进的干线飞机构架

B787是波音新研的双发、双通道干线飞机，目前正处于最终的取证交付阶段。B787的大气数据基准系统（ADRS）通过3套独立驻留于通用处理模块（GPM）中ADA软件为所有用户系统提供单套高完整性的（经过表决的）气压高度、计算空速、马赫数、真空速、修正过的AOA、总温、静温等数据。B787中显示和机组告警系统从飞控电子装置（FCE）接收惯性数据，而惯性基准系统直接通过A429间数据传送给FCE。正副驾驶两侧显示系统对于ADRS提供的表决过的大气数据和FCE提供的惯性导航数据直接进行自动选择。当所有可用的数据源失效时，飞行员可以通过位于同侧仪表板角板的大气数据/姿态转换选择旋钮选择备用（ALTN）源，此时主显示系统将显示备用仪表的姿态和全球定位系统（GPS）的空速、高度等数据。

这种使用投票表决的方案，在出现故障或者错误时，计算机能够自动的排除故障数据，在故障条件下，尤其是组合故障时，能够有效的减轻机组工作量。这样的方案更好的考虑了AC25－11A的第6章的36.e（2）“传感器选择及通告”中建议的自动传感器数据转换，可靠性高，且能更好的符合人为因素相关要求。但也不难看出，这样的设计构架显然不能满足FAR/CCAR1333（a）的条款要求。这种情况下，需要制定相关的问题纪要，进行等效安全（ELOS）符合性说明，申请人必须向审查方表明“这样的信号传送系统和显示系统的设计特征能够达到与独立的信号源等效的完整性和可用性”。主制造商和系统供应商需要给审查方提供系统描述文件、鉴定试验报告、取证飞行试验报告、系统级和飞机级安全分析报告，证明当前架构能够达到甚至超过CFR/CAR25.1333（a）要求的安全性级别。

4 结束语

本文仅从已适航飞机的角度简要分析了现有的显示和大气数据及惯性基准系统。对于飞机系统设计来说，由于技术的快速发展，相关的操作、显示、数据的处理可能并不会完全按照规章和咨询通报已有的要求来做，但对于安全性来说，自始至终都是最重要的，在前期的设计中就应做好足够的分析，保证系统构架的完整性和可用性，这也是适航当局最为关心的问题。

参考文献

1中国民航总局.中国民用航空规章（第25部）：运输类飞机适航标准，2001.5

Electronic Flight Instrument System and the Atmosphere

and the Integration of Inertial Reference System

Ji Xiaoqin

Abstract: Atmospheric and inertial navigation system combined with an integrated display a danger for the aircraft class rating for disaster airspeed, altitude, attitude, heading and other navigation features. The article on some routes and evidence in civil aircraft avionics system architecture studies, and consultation with the relevant provisions require notification proposal, research and analysis of several typical simple architecture.

仪表与控制系统 篇7

一般的过程控制系统基础层往往包含90%以上的常规控制回路,回路之间又存在关联耦合现象,一旦局部某一控制回路发生故障(例如,传感器故障或者阀门故障),导致控制回路发生波动,性能退化,故障通过回路之间关联传递机制传播到相关回路,其性能也被退化,致使整个厂级控制系统出现波动,轻则导致产品质量下降,能耗上升,重则导致厂级控制系统瘫痪,发生安全事故。这时往往都是现场工程师通过对故障现象分析,准确定位控制回路,并经过维护消除故障,整个工业控制系统恢复正常运行状态。因此,问题回路的有效定位是解决厂级范围控制回路性能降低退化的重要因素[1]。另一方面对于连续的流程工业生产线,其往往只是一年大修一次,因此对于一些性能衰退的设备或者故障设备,一时又难以进行维修或者更换,需要从控制补偿的角度提出主动容错控制方法,最大限度地将控制回路性能维持在正常状态。

1 故障现象的合理描述

工业过程目前绝大部分己采用了计算机控制系统,且以计算机控制的可靠性可以达到较高水平,随之而来的问题是执行器和传感器可靠性的不足。实际上,传感器和执行器的故障已成为导致控制系统失效的主要原因,据统计,80%控制系统失效,起因于传感器和执行器故障[2]。然而,传统控制理论的研究大多都是基于传感器和执行器工作正常的假设。因此,研究传感器和执行器的故障检测和容错控制问题有重要的理论和应用价值。另一方面,目前大部分故障容错控制研究中广泛采用了“二状态故障模型”,虽然这种描述可以简化故障诊断和容错控制的研究,但这种描述不能很好的反映实际的工程系统中所发生的故障现象。因此,如何建立合理的实际故障的解析模型是非常必要的。

1.1 传感器故障的合理描述

1.1.1 传感器故障问题的描述

对于一个多输入多输出的非线性动态系统,其传感器故障数学模型描述为:

这里,x∈Rn是状态矢量;u∈Rm是输入矢量;f(x,u)∈Rn表示系统的非线性系统模型;η(x,u)表示模型的不确定性;F(x,u,t)∈Rn表示传感器故障函数;g(x,u)∈Rq表示系统的输出函数;g(t)∈Rq表示测量的随机误差,或称自由噪声。通常自由噪声服从零平均值的正态分布,即ε(t)~N(0,σ12),其中σ12为自由噪声的方差,它主要是由于测量系统本身或测量过程本身的随机性造成的,是不可预期的。

1.1.2 传感器故障分类及其特性描述

在实际的工业过程中,传感器由于外界环境的干扰和其本身的特性,会发生许多种不同类型的故障,例如:偏差故障、漂移故障、精度下降故障和完全故障。前三种故障被称为“软故障”,而后一种故障被称为“硬故障”。软故障由于故障现象不明显,难于被检测,使得软故障在某种程度上比硬故障危害更大[3]。这四种传感器故障的解析模型可以被描述为:

1)偏差故障:是指故障测量值与正确测量值相差某一恒定常数的一类故障,即:F(x,u,t)=b,b为常数。

该类有故障的测量与无故障的测量是平行的,只是两者之间相差一个常数b。

2)漂移故障:是指故障大小随时间发生线性变化的一类故障,其表示形式为:

F(x.u.t)=d(t,T0),d为常数,T0为的故障起始时刻。

该类有故障测量值与无故障测量值之间的差距随时间的推移而不断加大。

3)精度下降故障:发生精度下降故障时,测量的平均值并没有变化,而是测量的方差发生了变化。具体表示形式为:F(x.u.t)~N(0,σ22)。

这里,N(0,σ22)表示高斯白噪声,σ22表示方差。精度下降故障类似于自由噪声的方差增大的情况。其表现形式有故障测量与无故障测量混杂在一起。正是由于这一点,使得该类故障的检测较其他三类故障更难。

4)完全故障:完全故障时测量值不随实际变化而变化,始终保持某一读数。通常这一恒定值一般是仪表量程的最大或最小值。该类故障可以表示成为:F(x,u,t)=c,c表示仪表量程的最大或最小值。

这类故障的发生往往是一个衰减过程,可以表示为:

此类故障检测的关键是早期检测,防止故障步的扩大。

1.2 执行器故障的描述[4]

执行器位于控制回路的终端,控制系统的控制性能与执行器的性能和正确有着直接的十分重要的关系。阀门是流程工业最常用的执行器,其使用不当或阀障引起的生产不能正常进行甚至造成事故的情况不胜枚举。另一方面在一个装置阀门的数量众多,一些关键部位的阀门价值昂贵且难于更换。

1.2.1 阀门装置的基本结构

阀门由执行机构、调节机构和阀门定位器组成。执行机构将控制器输出信号转换成控制阀的推力,由推力力矩进一步转化为角位移信号;调解机构将位移信号转换为流通面积的变化,从而影响流体流量。阀门定位器可改善控制系统功能,与阀杆位移量组成副回路控制,克服摩擦力、不平衡力和回差干扰。阀门定位器构成一个负反馈回路与原有的被控变量组成串级控制,如图1所示。

1.2.2 阀门常见故障的合理描述

阀门故障按照其机构可以划分为:调节机构故障、执行机构故障、定位器故障和一般外部故障。常见的故障大致可以归纳19种故障情况,同时列出了每种故障的类型及其数学描述模型。

1)调节机构常见故障

注:Hf—阀杆移动范围;H0—正常阀杆移动范围;fs—故障强度;Xf—故障时阀杆移动距离;X0—正常阀杆移动距离;Kwf—故障时阀流量系数;Kw0—正常时阀流量系数;Dbf—故障时滞后环度;Db0—正常时滞后环的宽度;Ff—故障时阀的输出流量;F0—正常时阀的输出流量;Tlf—故障时载体温度;Tl0—正常载体温度

2)执行机构常见故障

3)定位器常见故障

4)一般外部故障

2 基于多模型的鲁棒故障检测技术

基于解析模型的故障检测与诊断方法是通过系统实际行为与基于模型的预期行为的差异的分析与比较,检测系统是否发生故障,并对故障发生部位、故障的大小及类型进行诊断。这种基于解析模型的故障诊断方法具有不需要另增加其他物理设备的优点,在理论研究和工程应用方面都具有很强的吸引力[5,6]。

2.1 残差的生成

故障诊断领域的残差主要指被监控系统的真实行为与基于系统数学模型的预行为之间的不一致性或差异,是过程故障检测系统的核心。由于噪音和模型的不确定的存在,即使在无故障时,残差也不可能为零。

残差不仅与加性故或乘性故障相关,而且与系统参数的不确定、噪声和扰动相关。系统的扰动、噪声模型误差导致了残差在正常工况时为非零值,增加了故障检测的难度。所以在设计差发生器时,就应考虑到残差受外界扰动、噪声和模型误差的影响尽可能的少,也是说残差对这些未知输入应具有一定的鲁棒性。

2.2 自适应阈值区域估计

这里自适应阈值区域主要由三部分组成:1)测量噪声引起的随定误差ε(k);2)线性模型不确定误差范围;3)线性化误差试[7]。

2.3 闭环系统的鲁棒故障检测技术

采用加权移动平均残差和自适应阈值包络保守的故障检测技术进行带有不确定相和测量噪声的故障检测。故障检测的方框图如图2所示。

2.3.1 加权移动平均残差技术

为了有效地解决由于测量噪声和外界扰动对残差造成的影响,采用基于一个移动时间窗L定义一个滤波器,由起始于当前采样时刻k的过去L个残差加权组成,此移动时间窗在每一时刻都进行更新。

2.3.2 自适应阈值包络故障检测

采用自适应阈值包络轨迹与加权移动平均残差及在每一个移动时间窗内L内相比较检测系统故障。自适应阈值发生器是基于动态优化和假定参数不确定下,最小可能的阈值等于由于模型的不确定相造成的正常模型产生的最大可能偏离。自适应阈值的最大最小值随着时间变化曲线就成为包络轨迹。也可以采用基于知识方法(例如神经网络方法、模式识别等)建立正常工况的最大和最小边界,从而形成残差阈值包括轨迹。在移动时间窗内,若加权移动平均残差落在自适应阈值包络轨迹内,认为残差主要由模型的不确定和噪声引起,系统正常,反之系统发生故障。利用上述故障检测方法可以大大减少由于不确定干扰和测量噪声导致的误报警,故障检测鲁棒性明显提高了。

3 主动补偿容错控制方法的设计

对于复杂的工业控制系统,由于负反馈控制和控制回路之间耦合等因素使得故障迅速在整个回路传播,从而故障引起系统动态的变化往往不明显。因此,针对实际闭环控制系统进行在线故障调节策略的设计不容易实现。在工业系统中,有些故障经常发生,或者是可预见的故障,例如系统元件的随着使用时间性能退化的故障,我们把这些故障称为“历史故障”。对于“历史故障”可以离线建立故障描述模型和故障特征,设计相应的主动容错控制策略,并储存在历史故障库和历史故障容错控制策略库中。如果系统检测到故障,故障诊断模块被启动,确定故障的大小、位置后,与历史故障模型匹配,实现故障的隔离,根据故障匹配结果,切换到相应的补偿容错控制策略。尽管这种基于多模型的切换控制系统的稳定性在理论上并没有被很好的证明,但这种基于多模型的主动容错控制思想己被广泛地应用在实际工业中[8]。

根据以上思想,可构成一个容易工程实现的故障检测、诊断与主动补偿容错控制方法的结构图,如图3所示。

该方法可以初步认为由三层结构组成;第一层:工业系统的基础闭环控制层;第二层:基于多模型的故障检测诊断与补偿容错控制层(FDT);第三层:人机监督管理层。

3.1 工业系统的基础闭环控制层

这一层主要由传感器、执行器、信号转化和控制器组成的常规控制回路组成。在流程工业生产过程中,这一层常采用集散控制系统、可编程控制器或计算机直接控制等。一般的过程控制系统基础层往往包含90%以上的常规控制回路,回路之间存在着关联耦合现象。一旦局部的控制回路发生异常(如调节阀/传感器发生故障),导致波动,由于系统关联传递机制,可能整个系统会出现厂级范围波动。基础层控制性能对于工况的稳定有着直接的影响,也对故障的产生,故障的检测和诊断性能,以及进一步容错控制策略实施有很大的影响。

3.2 基于多模型的故障检测诊断与容错控制层

本层的在线智能故障容错控制方法采用一个单独的故障检测模块、故障诊断模块、主动补偿容错控制模块。

3.2.1 故障的检测模块

采用一个成本有效的保守故障检测与诊断方案。故障检测模块采用加权移动平均残差和自适应阈值包络的保守故障检测方法。检测模块根据正常行为模式,周期性地检测系统的“健康”状态。

3.2.2 基于多残差动态描述的故障诊断模块

根据不同的故障模式在过程操作单元和控制回路之间故障传播的途径不同,可设“多残差描述故障特征”。即根据可测量的变量信号和控制信号以及故障信号在闭环系统中的传播途径,建立多个操作单元或控制回路的数学模型。通过系统测量值与模型估计值之间形成多残差描述。

3.3.3主动容错补偿调节模块

如图3所示,一个控制策略协调器平行置于历史故障容错补偿调节控制库和正常控制器之间。在线过程监控时,根据系统目前运行状况,控制策略可能来源于下述三种控制方式之一:正常控制器(对应正常运行工况)、历史故障调节控制器(对应于历史故障情况)和在线智能调节控制器(对应于未知故障情况)。在这种模式下,系统正常采用正常控制策略,当系统检到故障,故障诊断模块诊断故障的类型与大小,如果判断是历史故障,则相应的历史故障补偿容错控制器被切换到当前控制。否则,被认为故障为“未知故障”,在线智能控制调节器被切换到当前策略。

3.3人机监督管理层

人机监督管理层主要功能包括:报警系统、紧急停车和人机对话功能。工程师和管理人员可以通过权限修改相关指令,例如:控制目标的变化,参数的整定等操作,并与智能调节器相联结。如果系统诊断出当前故障属于未知故障,系统发出警告,监督层密切注意生产状况,紧急切断电源,防止不曾预计的未知故障带来灾难性的后果。

4 结束语

随着过程控制系统的自动化程度以及复杂程度不断提高,故障检测、诊断与容错控制成为现代过程控制系统的一个重要组成部分。本文在分析了过程控制系统的主要特点与现状的基础上,建立了多种传感器故障和执行器故障(阀门故障)合理描述形式,使其更加贴近于工业实际情况;研究基于数据驱动的多种故障模式下的快速故障检测诊断方法;由于生产过程的控制的目标不仅是产品质量,而且要求成本、能耗和环境等多项性能指标同时满足要求,进一步探索了在多目标或多约束条件下的满意容错控制方法。

参考文献

[1]Sang Wook Choi,Changkyu Lee.Fault deteetionandidentifieationofnonlin Proeesses based on kemel PCA[J].Chemome-trics and Intelligent Laboratory Systems75(2005):55-67.

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[3]Gary G.Yen,Liang-Wei Ho,Online MultiPle-Model-Based Fault Diagnosis Accommodation[J].IEEE transactions on industrial electronics,2003,150,(2):296-311.

[4]周东华,叶银忠.现代故障诊断与容错控制[M].北京:清华大学出版社,2006.

[5]Micha Bartys,Ron Patton,Mieha Syfert.Introduetion to the DAMADICS actuator FDI benehlnark study[J].Control Engineering Practice,2006,14;577-596.

[6]Michel Par ty's,Michel Syfert.Using Dramatics Actuator Benchmark Library(Adlib[M].'DABLIB'Simulink Library Help File,ver.1.22,APril26,2002.

[7]胡峰,孙国基.过程监控技术及其应用[M].北京:国防工业出版社,2001.

浅谈过程控制仪表与系统的防爆措施 篇8

1、防爆仪表的合理选用

目前, 在国内化工及仪表市场中的防爆仪表品种较多, 不同防爆仪表在规格、性能、质量、用途、安全性、价格等方面存在一定的差异, 化工企业在选用时一定要坚持合理的原则, 并且加强对于产品类别和性能的严格区分。简单地说防爆仪表的选用要考虑以下三方面的因素:包1) 防爆仪表本身防爆标志级别;2) 用户按生产现场具体要求选择相应级别的防爆仪表;3) 防爆仪炭现场布线的选择。限于文章篇幅, 这里仅叙述前面两部分的选用标准。

1.1 防爆仪表危险区域的划分

危险区域的划分是正确选择防爆仪表的前提, 按照我国现行国家标准及有关规程, 爆炸危险场所是按爆炸性物质出现的频度、持续时间和危险程度而划分为不同危险等级的区域。其中0级区域是指在正常情况下, 爆炸性气体混合物连续地, 短时间频繁地出现或长时间存在的场所;1级区域是指在正常情况下, 爆炸性气体混合物有可能出现的场所:2级区域是指在正常情况下, 爆炸性气体混合物不能出现, 仅在不正常情况下偶尔短时间出现的场所。

1.2 按危险区域选定相应的防爆仪表

1.2.1 必须根据火焰传爆间隙和最小点燃

电流比等因素决定的爆炸性气体的分类来选择相应级别的防爆仪表, 如甲烷为ⅡA级, 氢气为ⅡC级。

1.2.2 必须根据点燃温度所决定的爆炸性

气体的组别来选择相应温度组别的防爆仪表, 如乙炔为T2温度组别, 石汕为T3温度组别。

2、过程控制仪表与系统的防爆措施

目前, 在国内化工业的生产过程中, 对于过程控制仪表与系统防爆措施的研究具有重要的意义, 而且直接关系到企业的安全生产与工人生命安全等重大问题。本文仅结合笔者多年工作经验, 简要分析了过程控制仪表与系统的下列防爆措施:

2.1 隔爆型防爆仪表

采用隔爆型防爆措施的仪表称隔爆型防爆仪表, 主要是将仪表安装在一个密封的箱体内, 充满不含易燃气体的洁净气体或惰性气体, 并保持箱内气压略高于箱外气压。隔爆型防爆措施的特点是仪表的电路和接线端子全部置于防爆壳体内, 其表壳强度足够大。

2.2 本质安全型防爆仪表

采用本质安全型防爆措施的仪表称本质安全型防爆仪表, 也称安全火化型防爆仪表。本质安全型仪表的防爆, 不是通过采用充气、通风、充油、隔爆等外部措施实现的, 而是由电路本身实现的, 因而是本质安全的。本质安全型防爆措施适用于一切危险场所和一切爆炸性气体、蒸汽混合物, 并可以在通电的情况下进行维修和整理。但是它不能单独使用必须和本安关联设备、外部配线一起组成本安电路, 才能发挥防爆功能。采用本质安全型防爆措施的控制仪表与系统, 在正常状态下或规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不会引起规定的易爆性气体混合物爆炸。正常状态指在设计规定条件下的工作状态, 故障状态指电路中非保护性元件损坏或产生断路、短路、接地及电源故障等情况。对构成系统的现场设备、安全栅必须经过国家授权认证机构防爆认证, 同时需要认证机构签发的本安仪表和安全栅的联合取证确认该本安回路的安全性。现场设备为简单设备时无需本安认证, 即可与已取得本安认证的安全栅配合构成本安防爆回路。简单设备是指热电阻、触点开关热电偶、发光二极管以及桥路等, 设备中不含储能元件。

2.3 防热与防振措施

在过程控制仪表与系统的安装时, 要注意选择能适合于某温度的仪表及布线材料, 如果布线会受到仪表自身发热的影响, 则需采取远离或隔离措施;在受热后易变形的构件上安装电线管和保护管时, 根据需要可加装挠性连接管;使用水冷式仪表装置时, 考虑冻结引起的故障和停用时的措施。另外, 在振动激烈的场所, 尽量采用电缆布线, 在金属管布线的连接处加装挠性连接管, 在易受振动的地方的螺旋夹处, 用弹簧垫圈和双螺母防止松动。

2.4 控制系统的防爆措施

要使整个过程控制仪表与系统的防爆性能符合安全火花防爆要求, 必须满足两个条件:1) 在危险场所使用安全火花型防爆仪表;2) 在控制室仪表弓危险场所仪表之间设置安全栅。由安全栅通向现场仪表的信导线, 具有一定的分布电容和分布电感, 因而储存了一定的能量。为了限制它们的储能, 确保整个回路的安全火花性能, 对信号线的分布电容和分布电感有一定的限制, 其限制值可参阅安全栅的具体现定。

3. 结束语

在我国全面构建和谐社会的背景下, 加强安全生产的管理具有重要的意义。本文仅从专业技术角度出发研究了过程控制仪表与系统的防爆措施, 但是很多内容仍然停留于表面层次, 对于其中存在的弊端和问题, 需要设备管理人员在工作实践中不断去充实和完善。另外, 在现代化工生产中, 设备管理与操作人员一定要提高自身的安全意识, 并且严格按照规范的流程进行操作, 进而才能保障过程控制仪表与系统的防爆措施真正发挥应有的意义和作用。

参考文献

[1]刘巨良.过程控制仪表[M].北京:化工出版社, 2003:59-63.

石油化工自控仪表安装与质量控制 篇9

1 自控仪表安装与质量控制的重要性

石油化工企业的生产原料以及成品料在大多数情况下都有易燃易爆的特点, 在温度和压力较高的环境下工作, 如果不加大控制管理力度, 容易为石油化工行业带来不可估量的损失, 所以说, 质量控制必将成为石油化工产业中装置建设的重要部分。为了加强石油化工企业生产过程中的安全性和稳定性, 就需要在质量控制上加大投入管理的力度。

对于自控仪表设备而言, 为了使设备运行平稳就要加强对温度压力等情况的检查。现阶段已经有很多保护系统被应用到石油化工领域内, 多重保护的系统有ESD、DCS、SIS等, 因此, 要想更好地保障石油化工产业的安全性和稳定性, 就需要做好自控仪表的质量控制[1]。

2 自控仪表安装与质量控制存在的问题

2.1 仪表的单试

通过国家对于自动化仪表的相关规范条件可以得知, 在仪表进入工厂之后, 必须要保证仪表的单试环节, 国家并没有要求强制进行仪表单试工作, 如此一来企业可以结合自身厂房优势进行自主研发, 目的就是要将单试工作有效开展。通常情况下, 单试过程会出现以下状况:对于调节阀进行压力测试之后没有进行吹干操作, 同时也没有在调节阀两侧安装保护装置;部分阀门需要拆卸工进行拆卸, 拆下的阀门没有规定的摆放位置, 往往是随处乱放;没有在测试间摆放相关标识, 合格之后的仪表也随处摆放;不规范单试记录的写法, 出现字迹潦草、少录、修改等情况[2]。

2.2 仪表设备的装配过程

装配仪表一定要通过相对应的图形进行合理的操作, 还应该结合仪表的种类对仪表进行精细划分, 这样操作的目的是为了使仪表装配更有效率, 可以参照温度、压力等不同参数进行分类。在安装过程中经常会出现以下现象:仪表接口与设备的接口尺寸大小不相符, 使得在连接时不能进行有效地安装工作, 浪费了时间成本以及人力成本;孔板与介质方向不同;铺设导压管的方向与规定方向不同;在仪表上显示的压力不具体等。

2.3 仪表电缆的铺设

在石油化工设备的施工过程中, 最重要的步骤在于铺设电缆, 相对于电缆种类、规格繁多的特点, 一定要在铺设之前就做好系统的分类。铺设电缆中存在的问题有:架桥内侧没有进行清洁或者是清洁的不够干净;电缆的标识管理不到位, 经常出现标识错误的情况;仪表的桥架上没有开漏水孔, 导致水直接流下来;仪表设备的接线盒开口朝上且没有密封, 这样会加速仪表线老化速度;不同规格的电缆处于同一个电缆槽中, 没有进行内隔离。

3 自控仪表安装与质量控制的重点

3.1 对于原材料进行质量控制

仪表的种类多种多样, 必须要对所有的材料进行检查, 并且做好开箱检验的准备工作, 同时检查包装箱外部是否有破损痕迹或者被雨水打湿的痕迹, 有没有腐蚀等问题。电缆的保护层是否完整, 电缆盘是否被烧坏, 对内包装要检查设备和材料的防雨、防潮等防护的紧固性, 对于仪表的资料要清点同时进行登记, 还要对材料的外观和仪表做全面检查。对于以上各项进行逐个落实之后, 才可以对这些材料进行签字确认。如果发现问题要及时反馈给采购部门[3]。

3.2 做好仪表防爆工作

石油化工行业对于易燃易爆的液体要进行处理, 要通过掌握设备性能和易燃易爆材料性能的专业人员进行爆炸场所的分类, 做好防爆区域划分并且对防爆材料的选好之后方可以进行施工工作。在施工过程中要提供相关防爆构件的鉴定证书或者是防爆合格证书, 以及通过对防爆区进行检查来确定整个防爆区域的安全性。

3.3 接地系统的安装

对于自控仪表而言, 都具有多种接地的措施, 接地情况一旦发生就容易造成仪表停止工作, 甚至出现卡件烧坏的情况, 为了让这种情况发生的概率降到最低, 一定要在施工之前就对接地系统进行电阻测量, 保证测量所得到的电阻值小于4Ω, 并且还要通过相应的测量结果做出总结、记录、验收的相关工作, 以确保每一个环节发生问题时都能及时有效地找出问题, 第一时间予以解决。

4 结语

综上所述, 石油化工自控仪表安装与质量控制具有结构复杂、故障多样化等特点, 想要做好安装与质量控制工作, 就需要全体的技术人员和工程人员百分之百的投入与努力, 做到完善质量管理工作、相关材料的检验工作、调试工作。为我国石油化工事业带来源源不断的科技动力。

参考文献

[1]陶建.石油化工自控仪表工程施工的质量控制[J].科技与企业, 2013, 18:206.

[2]邢祥峰.石油化工自控仪表工程施工质量控制[J].科技视界, 2013, 25:124.

浅谈控制仪表的应用与发展 篇10

按控制仪表与装置所用能源的不同, 可以将其分为电动、气动、液动和混合式等几大类。其中, 气动和液动控制仪表和装置发展最早, 但电动控制仪表与装置发展异常迅速, 现在已经占绝对统治地位。

气动控制仪表的特点是:性能稳定, 可靠性高, 具有本质安全防爆性能, 不受电磁场干扰、结构简单、维护方便。在电子技术和计算机技术高度发展的今天, 气动控制仪表所占领地虽然已十分狭小, 但在一些大型装置的主体设备周围仍有采用。基地式气动控制仪表对单一的工艺参数进行就地单回路调节。尤其是气动执行器, 具有安全、可靠及工作平衡等优点。应用仍十分广阔, 在许多由电动控制仪表和装置构成的系统中, 执行器仍彩气动式的。因此, 我国及世界上一些大型自动控制仪表装置生产公司仍在生产气动控制仪表。

随着生产过程自动化的发展, 远距离集中控制控制日益增多, 控制系统规模和复杂程度不断增加, 气动和液动控制仪表在许多场合已不能满足要求, 而电动控仪表与装置则得到越广泛的应用和飞速的发展。电动控制仪表与装置都采用了电子技术, 从原理上分, 电子控制仪表与装置又可分为两大类:模拟式控制仪表与装置和数字式控制仪表与装置。模拟式控制仪表与装置按结构形式可分为基地式、单元组合式、组件组装式三大类。

一是基地式控制仪表一般结构比较简单, 价格低廉, 它不仅能够进行控制, 同时还可指示、记录。因此适用于小型企业的单机自动控制系统。

二是单元组合式控制仪表应用灵活、通用性强, 便于控制仪表的生产、维护及备品库存等。

三是组件组装式控制仪表可由仪表制造厂预先根据用户要求, 组装好整套自控系统, 再以成套装置形式提供给用户, 从而可使自控系统的现场施工、系统安装和调试工作量大大减小, 也使维护、检修和系统改组工作大大简化。

2 控制仪表的特点

2.1 数字模拟混合式系统

现场仪表与控制室装置之间通信采用模拟信号4~20m A, 数字控制仪表内部的信号处理为数字信号, 但输入仍为4~20m A, 控制装置之间和控制装置与上位计算机之间采用数字通信技术。例如目前数字控制仪表, DCS系统, PLC系统, FCS系统等。

2.2 三大控制系统之间的差异

三大控制系统之间的差异:目前, 新型的DCS与新型的PLC, 都有向对方靠拢的趋势。新型的DCS已有很强的顺序控制功能;而新型的PLC, 在处理闭环控制方面也不差, 并且两者都能组成大型网络, DCS与PLC的适用范围, 已有很大的交叉。下面就仅以DCS与FCS进行比较。DCS系统的关键是通信。也可以说数据公路是分散控制系统DCS的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络, 因此, 数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。目前在DCS系统中一般使用两类通信手段, 即同步的和异步的, 同步通信依靠一个时钟信号来调节数据的传输和接收, 异步网络采用没有时钟的报告系统。数字通信和模拟信号通信方式比较简化了硬件结构, 提高了装置精度;提高了信号传输精度;传输的信息更加丰富;大大降低了布线的复杂性和费用。现场总线控制系统 (FCS) :现场总线控制系统 (FCS) :它是将智能现场仪表与控制室的装置利用现场总线连接起来, 构成一种全数字全分散全开放的新一代控制系统。

3 控制仪表的应用与发展

3.1 控制仪表应用

控制仪表与装置涉及的面十分广泛, 如DCS、PLC、新型控制仪表、变送器及执行器等都有自己的发展轨迹, 但它们的发展都围绕着实现工厂整体自动化 (FA) 这个总目标, 即将自动控制装置用于生产流程的整个操作过程, 从开机到停机的全程控制及将控制、生产计划安排和工厂全面管理有机的结合起来, 实现工厂整体的自动化、综合化、最佳化。测量单元微小型化、智能化测量控制与仪器仪表大量采用新的传感器、大规模和超大规模集成电路、计算机及专家系统等信息技术产品, 不断向微小型化、智能化发展, 从目前出现的“芯片式仪器仪表”, “芯片实验室”、“芯片系统”等看, 测量单元的微小型化和智能化将是长期发展趋势。

从应用技术看, 微小型化和智能化测量单元的嵌入式连接和联网应用技术得到重视。测控范围向立体化、全球化扩展, 测量控制向系统化、网络化发展。随着仪器仪表所测控的既定区域不断向立体化、全球化甚至星球的发展, 仪器仪表和测控装置已不再呈单个装置形式, 它必然向测控装置系统化、网络化方向发展。例如卫星测控系统, 运载火箭上配置的各种传感器就达到数千, 而卫星上各种测控装置构成一个完整的自动测控系统, 然后和多个地面站的测控系统构成一个广域测控系统。

3.2 控制仪表与装置的发展

逐步实现全数字式、开放式的DCS系统:由于计算机网络技术的迅速发展, 推动着DCS体系结构发生重大变革。数字通信将一直延伸到现场, 传统的4~20m A直流模拟信号制将逐步被双向数字通信的现场总线所取代。发展智能变送器和智能执行器、扩展量程、改善精度、提高可用性和可靠性, 使现有的DCS系统换代为全数字、全分散、全开放的新一代控制系统--现场控制系统 (FCS) 。

3.2.1 发展小型DCS系统, 扩展应用覆盖面

许多主流的DCS系统功能强、质量好、可靠性高, 而价格则相当昂贵, 中小型企业无力选用。针对这种情况, 近年来一些DCS生产企业相继推出了小型DCS系统。由于中小型企业所占比例很大, 因而提高小型DCS系统的性能和功能、降低价格必将极大地拓展DCS系统的应用覆盖面, 提高整个工业生产的自动化水平和经济效益。

3.2.2 开发先进的过程控制软件

以往DCS生产企业大多数只提供基本控制软件, 即PID、比值、串级、前馈等控制软件, 更高层次的先进控制软件须由用户自行开发。随着先进控制算法因广泛的应用和经验的积累而日趋成熟, 一些DCS生产企业近年来也陆续推出一些先进的过程控制模块, 如预测控制、自适应控制、模糊控制、参数自整定控制及智能控制等软件模块, 使一些复杂的生产过程自动控制难题得以解决。今后还会有更多的先进控制 (如多变量预测控制、鲁棒控制和神经网络控制等) 引入到数字调节器、工业控制机及DCS系统中, 以满足各工业部门的需求, 并将带来巨大的经济效益。

3.2.3 人工智能、专家系统在工业控制中的应用将逐步深入

近年来, 人工智能、专家系统在工业生产自动控制中的应用已引起人们普遍的关注, 现已开始用于管理、在线设备诊断、计划调度、生产工况判断、操作指导以及直接用于生产过程的优化控制。

4 结束语

随着人类科学技术的进步, 控制理论及仪表技术不断发展和完善。控制仪表的智能化技术不但改变了仪表本身的性能, 还影响到了控制网络的体系结构, 它不再是功能单一的同定结构, 其适应性越来越强, 功能也越来越丰富相信新一代的智能化仪器仪表将在计算机网络技术支持下在各行各业得到越来越广泛的应用。

参考文献

[1]赵群, 张翔, 谢素珍, 等.自动化仪表与控制系统的现状与发展趋势综述.[1]赵群, 张翔, 谢素珍, 等.自动化仪表与控制系统的现状与发展趋势综述.

[2].现代制造技术与装备.2007.[2].现代制造技术与装备.2007.