自動(dòng)化儀表又稱過程檢測、控制儀表，它是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過程自動(dòng)化、提高化工生產(chǎn)效率的重要工具。
化工自動(dòng)化控制儀表作業(yè)：指化工自動(dòng)化控制儀表系統(tǒng)安裝、維修、維護(hù)的作業(yè)。
危險(xiǎn)化學(xué)品安全作業(yè)證理論知識(shí)考試采取計(jì)算機(jī)閉卷考試方式，滿分100分，80分及以上為合格
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控制系統(tǒng)與控制閥
控制系統(tǒng)
本章考核要點(diǎn)
*了解DCS、SIS、PLC、SCADA系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
*了解信號(hào)報(bào)警聯(lián)鎖系統(tǒng)的功能塊圖與梯形圖的基本知識(shí)
*了解執(zhí)行機(jī)構(gòu)相關(guān)知識(shí)
*熟悉DCS、SIS、PLC的作用及用途
*掌握DCS、SIS、PLC日常維護(hù)的主要內(nèi)容
*掌握調(diào)節(jié)閥相關(guān)知識(shí)
一、安全控制系統(tǒng)
在化工生產(chǎn)中經(jīng)常使用的控制系統(tǒng)有可編程邏輯控制器、分散型控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。通過這些系統(tǒng)均可以實(shí)現(xiàn)對化工反應(yīng)裝置的安全控制，由于這些系統(tǒng)的開發(fā)主要以實(shí)現(xiàn)過程控制為主，也可同時(shí)設(shè)計(jì)成具有安全控制功能。由于生產(chǎn)裝置的規(guī)模、控制回路的數(shù)量與安全等級要求等方面均不相同，因此這些控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍就有所區(qū)別。
(一)可編程邏輯控制器
1,可編程邏輯控制器的概念
PLC是以微處理器為核心的一種特殊的工業(yè)用計(jì)算機(jī)，其結(jié)構(gòu)與一般的計(jì)算機(jī)相類似，由中央處理單元(CPU)、存儲(chǔ)器(RAM、ROM、EPROM、EEPROM等)、輸入接口、輸出接口、I/O擴(kuò)展接口、外部設(shè)備接口以及電源等組成。它經(jīng)歷了可編程序矩陣控制器PMC、可編程序順序控制器PSC、可編程序邏輯控制器PLC(英文全稱：Programmable Logic Controller)和可編程序控制器PC幾個(gè)不同時(shí)期。為與個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)相區(qū)別，現(xiàn)在仍然沿用可編程邏輯控制器這個(gè)老名字。1987年國際電工委員會(huì)(International Electrical Committee)頒布的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對PLC做了如下定義：“PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。”
2.可編程邏輯控制器的特點(diǎn)
(1)靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。PLC用軟件代替大量的中間繼電器和時(shí)間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關(guān)的少量硬件，因觸點(diǎn)接觸不良造成的故障大為減少。
高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性，例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無故障時(shí)間高達(dá)30萬小時(shí)。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時(shí)間則更長。從PLC的機(jī)外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編人外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。
(2)硬件配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)。PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品，并且已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進(jìn)行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。PLC的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。PLC有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力，可直接驅(qū)動(dòng)一般的電磁閥和交流接觸器，可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。
(3)易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎。PLC作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門。
(4)容易改造。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量小，維護(hù)方便，容易改造。PLC的梯形圖程序一般采用順序控制設(shè)計(jì)法。這種編程方法很有規(guī)律，很容易掌握。對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，梯形圖的設(shè)計(jì)時(shí)間比設(shè)計(jì)繼電器系統(tǒng)電路圖的時(shí)間要少得多。PLC用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。
(5)體積小，重量輕，能耗低。以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm,僅相當(dāng)于幾個(gè)繼電器的大小，因此可將開關(guān)柜的體積縮小到原來的1/2——1/10。它的重量小于150g,功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。
3.在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用
可編程邏輯控制器在化工中的應(yīng)用也非常廣泛。對化工生產(chǎn)的過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運(yùn)行專用的PID子程序。
(二)分散型控制系統(tǒng)
1.分散型控制系統(tǒng)的概念，
分散型控制系統(tǒng)(Distributed Control System,簡稱DCS),一種控制功能分散、操作顯示集中，采用分級結(jié)構(gòu)的智能網(wǎng)絡(luò)。其目的在于控制或控制管理一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過程或工廠。DCS主要應(yīng)用于連續(xù)生產(chǎn)等模擬量較多、調(diào)節(jié)回路較多的生產(chǎn)過程控制場合。
DCS主要由操作站、控制站及通訊系統(tǒng)等三大部分組成。
2.分散型控制系統(tǒng)的功能
(1)過程控制功能。分散型控制系統(tǒng)除了可選用基本的反饋控制功能和順序控制功能外，還可按照過程監(jiān)控的實(shí)際需要，正確選用串級、比值、前饋、超馳、純滯后時(shí)間補(bǔ)償?shù)雀呒壙刂乒δ堋４送猓�可運(yùn)用各種運(yùn)算單元組成綜合控制模式，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的控制要求。因此，非常適用于具有化學(xué)反應(yīng)裝置的連續(xù)化生產(chǎn)裝置。
(2)操作功能。根據(jù)操作需要以及各種DCS的操作方式，可選用僅用鍵盤實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程操作的普通操作站，也可以選用鍵盤、鼠標(biāo)等實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程操作的操作站。
(3)報(bào)警功能。DCS的系統(tǒng)報(bào)警功能可自動(dòng)診斷出操作站、現(xiàn)場控制站或者通訊系統(tǒng)等產(chǎn)生的故障，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
DCS的過程報(bào)警功能可檢測出生產(chǎn)過程德異常狀態(tài)，并在顯示屏上顯示報(bào)警信號(hào)。對于很重要的報(bào)警信號(hào)或系統(tǒng)聯(lián)鎖信號(hào)，還可以選用單獨(dú)的報(bào)警盤，還可配制聲響報(bào)警裝置。
(4)信息管理功能。根據(jù)工藝操作和管理的需要，可將比較重要的信息保存下來，以供質(zhì)量控制與安全生產(chǎn)分析之用。
3.與PLC的區(qū)別
(1)DCS在硬件上包括現(xiàn)場控制器、操作員站計(jì)算機(jī)、工程師站計(jì)算機(jī)，以及聯(lián)系他們的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；DCS軟件上是一個(gè)整體方案，解決的是一個(gè)系統(tǒng)的所有技術(shù)問題，系統(tǒng)各部分之間結(jié)合嚴(yán)密。
(2)PLC是一個(gè)裝置，硬件上等同于DCS中的現(xiàn)場控制器；軟件上是一個(gè)局部方案，站與站之間組織松散。
(3)DCS與PLC的區(qū)別，最關(guān)鍵的是兩點(diǎn)，一是DCS是分布式控制，擁有全局?jǐn)?shù)據(jù)庫；二是PLC是順序掃描機(jī)制，DCS是以時(shí)間為基準(zhǔn)的控制。PLC的掃描速度是根據(jù)程序的大小而定的，而DCS的掃描時(shí)間相對時(shí)固定不變的。
(三)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)
1.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)
現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(fieldbus control system,簡稱FCS)是由各種現(xiàn)場儀表通過互聯(lián)與控制室內(nèi)人機(jī)界面所組成的系統(tǒng)。是一個(gè)全分散、全數(shù)字化、全開放和可互操作的生產(chǎn)過程自動(dòng)控制系統(tǒng)。它具有開放性、全數(shù)字化和互操作性的特點(diǎn)，已成為新型工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展方向之一。隨著FCS技術(shù)完善和國際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，其應(yīng)用將日益增加，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的應(yīng)用有很大進(jìn)展，石化系統(tǒng)已有近百家企業(yè)用FCS來控制生產(chǎn)裝置或罐區(qū)系統(tǒng)等。如，賽科年產(chǎn)90萬噸乙烯裂解裝置的FCS是國內(nèi)外最大的現(xiàn)場總線系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括4.7萬個(gè)控制回路、4萬臺(tái)儀表和與世界最大基金會(huì)現(xiàn)場總線設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的1.3萬臺(tái)智能設(shè)備(10套自動(dòng)化控制系統(tǒng)),這10套裝置由一個(gè)中心控制室進(jìn)行高度集中控制。現(xiàn)場總線的PID控制功能在閥門實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)集散控制，提高了可靠性，極大降低了自動(dòng)控制系統(tǒng)和現(xiàn)場控制設(shè)備間數(shù)據(jù)通信負(fù)載，增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性。
2.FCS的主要特點(diǎn)
(1)開放式系統(tǒng)。現(xiàn)場總線工作站同時(shí)掛在現(xiàn)場總線和局域網(wǎng)兩層網(wǎng)絡(luò)，通過后者可與其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高速信息交換，以實(shí)現(xiàn)資源共享。另外，現(xiàn)場總線的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是對所有制造商和用戶公開的，可實(shí)現(xiàn)技術(shù)共享。
(2)全數(shù)字化通信。FCS智能型現(xiàn)場儀表及其A/D轉(zhuǎn)換器其數(shù)字信號(hào)在傳送出儀表之前可得到補(bǔ)償，因此，提高了系統(tǒng)的測量和控制精確度。由于采用雙向數(shù)字通信，不僅系統(tǒng)的可靠性高，而且系統(tǒng)組態(tài)和調(diào)試也很方便。
(3)可互操作性。現(xiàn)場總線智能儀表按統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，不同廠家的產(chǎn)品，只要遵守相同的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)就可互連互換，統(tǒng)一組態(tài)，即插即用，以方便設(shè)備更新或系統(tǒng)擴(kuò)展。
(4)控制分散度高。現(xiàn)場總線智能儀表除具有基本功能外，還有控制和運(yùn)算等功能，可實(shí)現(xiàn)徹底分散控制。每條總線連接多臺(tái)現(xiàn)場儀表，可節(jié)省電纜，大幅度節(jié)省了用于系統(tǒng)安裝、調(diào)試和維修的費(fèi)用。
二、緊急停車系統(tǒng)
(一)緊急停車系統(tǒng)的概念與作用
所謂緊急停車系統(tǒng)(Emergency Shut Down,ESD),是對生產(chǎn)裝置可能發(fā)生的危險(xiǎn)或不采取措施將繼續(xù)惡化的狀態(tài)進(jìn)行響應(yīng)和保護(hù)，使生產(chǎn)裝置進(jìn)人一個(gè)預(yù)定的安全停車工況，從而使危險(xiǎn)降低到最低程度，以保證人員、設(shè)備、生產(chǎn)和裝置或工廠周邊社區(qū)安全的系統(tǒng)。
根據(jù)國際安全系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)原則，安全系統(tǒng)應(yīng)與過程控制系統(tǒng)分開，獨(dú)立設(shè)置。它完全獨(dú)立于DCS控制系統(tǒng)之外，且安全級別高于DCS控制系統(tǒng)。在正常情況下，ESD系統(tǒng)是處于靜態(tài)的，不需要人為干預(yù)，且中間環(huán)節(jié)少，它凌駕于過程控制之上，是安全保護(hù)系統(tǒng)。ESD系統(tǒng)永遠(yuǎn)在線，當(dāng)生產(chǎn)處于緊急情況時(shí)，發(fā)出保護(hù)信號(hào)，使保護(hù)范圍內(nèi)的生產(chǎn)裝置能夠及時(shí)做出響應(yīng)，處于安全狀態(tài)。
(二)緊急停車系統(tǒng)的基本組成
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，ESD緊急停車控制系統(tǒng)的設(shè)備配置也不斷更新?lián)Q代，由簡單到復(fù)雜，由低級到高級。但不管怎么變化，其基本組成大致可分為三部分：傳感器單元、邏輯運(yùn)算單元、最終執(zhí)行單元。
(1)檢測單元采用多臺(tái)儀表或系統(tǒng)，將控制功能與安全聯(lián)鎖功能隔離，即檢測單元分開獨(dú)立配置的原則，做到ESD儀表系統(tǒng)與過程控制系統(tǒng)的實(shí)體分離。
(2)執(zhí)行單元是ESD儀表系統(tǒng)中危險(xiǎn)性最高的設(shè)備。由于ESD儀表系統(tǒng)在正常工況時(shí)是靜態(tài)的，如果ESD控制系統(tǒng)輸出不變，則執(zhí)行單元一直保持在原有的狀態(tài)，很難確認(rèn)執(zhí)行單元是否有危險(xiǎn)故障，所以執(zhí)行單元儀表的安全度等級的選擇十分重要。
(3)邏輯運(yùn)算單元包括輸人模塊、控制模塊、診斷回路、輸出模塊四部分，依據(jù)邏輯運(yùn)算單元自動(dòng)進(jìn)行周期性故障診斷，基于自診斷測試的ESD儀表系統(tǒng)，系統(tǒng)具有特殊的硬件設(shè)計(jì)，借助于安全性診斷測試技術(shù)保證安全性。
(三)ESD的故障安全原則
故障安全原則是指當(dāng)外部或內(nèi)部原因使ESD緊急停車控制系統(tǒng)失效時(shí)，被保護(hù)的對象應(yīng)按預(yù)定的順序安全停車，自動(dòng)轉(zhuǎn)人安全狀態(tài)。具體內(nèi)容如下：
(1)現(xiàn)場開關(guān)儀表選用常閉觸點(diǎn)，工藝生產(chǎn)正常時(shí)，觸點(diǎn)閉合，達(dá)到報(bào)警或聯(lián)鎖極限時(shí)觸點(diǎn)斷開，觸發(fā)聯(lián)鎖或報(bào)警動(dòng)作。為了提高安全性可以采用“二選一”、“二選二”、“三選二”配置。
(2)電磁閥采用正常勵(lì)磁，報(bào)警或聯(lián)鎖沒有動(dòng)作時(shí)，電磁閥線圈帶電，觸點(diǎn)閉合；報(bào)警或聯(lián)鎖動(dòng)作時(shí)，電磁閥線圈失電，觸點(diǎn)斷開。
(3)送往電氣配電室的開關(guān)觸點(diǎn)應(yīng)用中間繼電器隔離，其勵(lì)磁電路應(yīng)為故障安全型。
(4)所謂控制裝置的故障安全是指當(dāng)其自身出現(xiàn)故障而不是工藝或設(shè)備超過極限指標(biāo)時(shí)，控制裝置應(yīng)該聯(lián)鎖動(dòng)作同時(shí)按照預(yù)定的順序安全停車，從而確保設(shè)備和人身的安全。
(四)ESD系統(tǒng)的可靠性影響
ESD系統(tǒng)的可靠性會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)裝置停車次數(shù)增多，化工裝置中停車可能造成重大經(jīng)濟(jì)損失，片面強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的可靠性會(huì)降低系統(tǒng)的可用性，因此，對具體生產(chǎn)裝置設(shè)置ESD系統(tǒng)，應(yīng)結(jié)合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，與工藝專業(yè)一起仔細(xì)分析裝置對ESD系統(tǒng)可用性與可靠性的要求。綜合考慮各種因素，選擇結(jié)構(gòu)合適的ESD系統(tǒng)，并合理地進(jìn)行系統(tǒng)配置，做到合理兼顧ESD系統(tǒng)的可靠性及可用性，使ESD系統(tǒng)在化工行業(yè)中的發(fā)揮出真正的安全保護(hù)作用。
(五)ESD緊急停車系統(tǒng)和DCS控制系統(tǒng)的區(qū)別
ESD與DCS系統(tǒng)在石油、石化生產(chǎn)過程中分別起著不同的作用。在過程控制系統(tǒng)中，要設(shè)置一套安全儀表系統(tǒng)，對過程進(jìn)行監(jiān)測和保護(hù)，把發(fā)生惡性事故的可能性降到最低，最大限度地保護(hù)生產(chǎn)裝置和人身安全，避免惡性事故的發(fā)生，構(gòu)成了生產(chǎn)裝置最穩(wěn)固、最關(guān)鍵的最后一道防線。因此控制系統(tǒng)與安全儀表系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中所起的作用是截然不同的。DCS和ESD是兩種功能上不同情況是：
(1)DCS用于過程連續(xù)測量、常規(guī)控制、操作控制管理，保證生產(chǎn)裝置平穩(wěn)運(yùn)行。ESD用于監(jiān)視生產(chǎn)裝置的運(yùn)行狀況，對出現(xiàn)異常工況迅速進(jìn)行處理，使故障發(fā)生的可能性降到最低，使人和裝置處于安全狀態(tài)
(2)DCS是“動(dòng)態(tài)”系統(tǒng)，它始終對過程變量連續(xù)進(jìn)行檢測、運(yùn)算和控制，對生產(chǎn)過程動(dòng)態(tài)控制，確保產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量ESD是靜態(tài)系統(tǒng)，在正常工況下，它始終監(jiān)視裝置的運(yùn)行，系統(tǒng)輸出不變，對生產(chǎn)過程不產(chǎn)生影響，在異常工況下，它將按著預(yù)先設(shè)計(jì)的策略進(jìn)行邏輯運(yùn)算，使生產(chǎn)裝置安全停車。
(3)DCS可進(jìn)行故障自動(dòng)顯示ESD必須測試潛在故障。
(4)DCS對維修時(shí)間的長短要求不算苛刻，ESD維修時(shí)間非常關(guān)鍵，否則會(huì)造成裝置全線停車。
(5)DCS可進(jìn)行自動(dòng)/手動(dòng)切換。ESD永遠(yuǎn)不允許離線運(yùn)行，否則生產(chǎn)裝置將失去安全保護(hù)屏障，
(6)DCS系統(tǒng)只做一般聯(lián)鎖、泵的開停、順序等控制，安全級別沒有ESD高。ESD與DCS相比，在可靠性、可用性上要求更嚴(yán)格，原則上二者硬件獨(dú)立設(shè)置。
