《石油化工自动化控制系统》课件

课程概述课程目标掌握石油化工自动化控制系统基本原理学习内容从基础测量到先进控制技术全面覆盖考核方式第一章：石油化工自动化概述1定义利用自动化技术实现石化生产过程的控制与优化2发展历程从机械式→电气式→电子式→计算机控制系统3重要性石油化工自动化的特点复杂性工艺流程多变，控制关系复杂连续性生产过程常年连续不间断运行高风险性自动化控制系统的基本组成检测单元测量工艺参数，如温度、压力、流量等控制单元处理数据，执行控制算法，生成控制信号执行单元接收控制信号，调节工艺过程第二章：石油化工过程参数测量温度反映物质热状态的物理量压力单位面积上的作用力流量单位时间通过的介质体积或质量液位容器中液体的高度温度测量热电偶基于热电效应，测量范围广热电阻基于电阻温度效应，精度高红外测温非接触式，适用于高温或移动物体压力测量压力变送器测量绝对压力或表压差压变送器测量两点间压力差压力表现场直观显示压力值流量测量流量计类型测量原理适用介质差压式流量计压力差与流量关系液体、气体涡街流量计卡门涡街频率低粘度流体质量流量计科里奥利力要求高精度场合液位测量1浮球式液位计利用浮力原理，简单可靠2差压式液位计测量液柱压力确定液位3雷达液位计电磁波反射时间测量，非接触式第三章：自动控制系统基础控制系统的分类按结构、功能、控制方式等多维度划分开环控制与闭环控制有无反馈是关键区别反馈控制原理测量→比较→控制→执行→反馈循环PID控制微分控制预测偏差变化趋势积分控制消除静态误差比例控制控制输出与偏差成比例PID参数整定整定方法试错法、临界比例法、衰减曲线法参数影响分析比例增大响应快但易震荡实际应用案例温度控制、压力控制等实例第四章：分散控制系统（DCS）1985年中国首套DCS标志自动化控制系统现代化99.99%系统可用率高可靠性设计要求1000+控制点数大型装置常见规模DCS硬件组成控制器系统核心，执行控制算法I/O模块连接现场设备，信号转换操作员站人机交互界面，过程监控DCS软件组成系统配置软件硬件组态，网络配置应用程序控制逻辑，连锁保护人机界面软件图形界面，趋势显示，报警管理DCS网络结构数据网络连接上层管理系统控制网络连接控制器和操作站现场总线连接智能仪表和I/O第五章：安全仪表系统（SIS）特性SISDCS主要功能安全保护过程控制可靠性要求极高高响应时间极短一般冗余设计必须选配SIS系统结构传感器子系统检测危险状态，高可靠性要求逻辑解算子系统处理安全逻辑，决策判断执行机构子系统执行安全动作，如紧急停车SIS的设计原则独立性：与基本控制系统分离多样性：不同设备和技术实现同一功能冗余性：多重备份确保可靠性SIS在石油化工中的应用紧急停车系统异常情况下安全停车保护火气检测系统检测火灾和可燃气体泄漏高完整性压力保护系统防止设备超压破裂第六章：先进过程控制（APC）APC与传统PID控制的区别多变量、预测性、优化能力APC优势提高产品质量稳定性降低能耗提高装置产能减少排放模型预测控制（MPC）PID控制MPC控制MPC控制效果更平稳，波动较小多变量控制多变量控制的概念处理多输入多输出系统多变量控制策略解耦控制，协调优化应用案例分析蒸馏塔控制，反应器温度控制神经网络控制神经网络基础模拟人脑结构的算法模型过程控制应用复杂非线性过程建模控制案例分析催化裂化装置产品质量预测控制第七章：过程优化生产计划优化资源配置，长期规划调度优化短期生产计划，任务分配实时优化操作条件即时调整实时优化技术静态优化稳态模型，寻找最优操作点动态优化考虑时变因素，优化过程轨迹优化算法线性规划，非线性规划，启发式算法调度优化不同优化方法效率提升百分比对比生产计划优化优化方法适用场景优势线性规划资源配置求解速度快整数规划设备选择处理离散决策非线性规划复杂工艺处理非线性关系第八章：工业以太网和现场总线工业以太网高速通信，TCP/IP协议现场总线数字通信，减少接线通信协议Modbus、Profibus、FoundationFieldbus工业以太网特点高速率开放性好支持多种拓扑拓扑结构星型环形树形应用场景DCS通信网络MES系统接入远程监控PROFIBUS总线PROFIBUS-DP高速现场设备通信速率：12Mbps用于离散控制PROFIBUS-PA过程自动化应用本质安全设计两线制供电通信应用案例石化装置现场总线网络减少70%接线量故障诊断能力强FoundationFieldbusFF-H131.25kbps，用于连接现场仪表FF-HSE100Mbps，高速以太网标准应用优势分布式控制，减少中央控制器负担应用案例炼油厂过程控制网络HART协议HART原理：数字信号调制在4-20mA模拟信号上HART设备：变送器、控制阀、分析仪器等应用优势：兼容传统系统，远程配置诊断第九章：仪表选型与安装仪表选型原则满足工艺需求，考虑环境适应性防爆要求基于危险区域等级选择适当防爆型式安装规范遵循行业标准，确保安全可靠仪表选型考虑因素测量范围覆盖工艺正常范围与异常范围精度要求满足控制精度与质量要求环境条件温度、湿度、振动、腐蚀等成本效益初始投资与全生命周期成本防爆仪表3种主要防爆型式隔爆型、本质安全型、增安型2区危险区域分级0区最危险，2区相对安全IIC气体分组IIC级别最危险，适用所有场合仪表安装规范管道安装符合流体力学原理，避免沉积仪表间距便于维护，避免干扰接地要求防静电，抗干扰，安全保护第十章：控制阀控制阀类型单座阀、双座阀、角阀、蝶阀等控制阀特性快开特性、线性特性、等百分比特性控制阀选型基于工况、流体特性、控制需求常见控制阀类型单座阀双座阀蝶阀球阀其他控制阀特性曲线快开特性阀开度小时流量变化大适用于开关控制线性特性流量与开度成正比适用于液位控制等百分比特性开度变化产生与当前流量成比例的流量变化适用于压力、温度控制控制阀选型考虑因素流量系数Cv值，表征阀流通能力压降控制阀上下游压力差，能量消耗调节比最大流量与最小可控流量之比材质选择基于介质腐蚀性和工作温度第十一章：数据采集与监控系统（SCADA）SCADA功能数据采集、监视控制、报警管理2SCADA系统结构主站、通信网络、远程终端SCADA定义远程监控分散场站的自动化系统SCADA硬件组成远程终端单元（RTU）现场数据采集处理，执行控制命令主站系统中心，数据处理，人机交互通信系统光纤、无线电、卫星等多种方式SCADA软件功能数据采集采集现场数据，历史存储报警管理异常检测，分级报警趋势分析数据趋势显示，预测分析远程控制远程操作现场设备SCADA在石化行业的应用1油气管道监控压力、流量监测，泄漏检测2储罐管理液位监测，温度控制，库存管理3生产数据统计产量统计，能耗分析，性能评估第十二章：石化装置自动化控制系统设计1设计流程需求分析→方案设计→详细设计→实施2系统架构分层设计：设备层→控制层→监控层→管理层3控制策略PID控制、先进控制、安全保护系统自动化系统设计流程需求分析工艺需求、控制目标、操作要求概念设计系统架构、主要功能、技术路线详细设计硬件选型、软件开发、通信协议实施与调试安装配置、联调测试、试运行系统架构设计管理层生产管理、数据分析、决策支持监控层过程监视、报警处理、数据记录3控制层过程控制、保护功能、逻辑控制典型控制回路设计温度控制加热炉温度控制反应器温度控制冷却系统控制压力控制管道压力控制容器压力控制压缩机控制流量控制进料流量控制产品流量控制循环流量控制第十三章：自动化系统的运行维护日常维护定期检查，预防性维护故障诊断故障定位，原因分析系统升级软硬件更新，功能扩展日常维护内容硬件检查电源检查接线检查设备清洁冗余切换测试软件备份系统配置备份应用程序备份历史数据归档系统性能监测CPU负载内存使用率通信质量响应时间常见故障及诊断方法故障类型可能原因诊断方法传感器故障接线松动，传感器损坏信号测试，替换法控制器故障电源问题，程序错误指示灯检查，程序校验执行机构故障机械卡死，驱动电路异常手动操作测试，信号追踪系统升级注意事项兼容性分析确保新旧系统兼容性升级计划制定详细步骤，应急预案升级后的测试验证功能测试，性能验证第十四章：石化自动化技术发展趋势智能化人工智能和机器学习的广泛应用网络化工业互联网实现全连接集成化IT与OT深度融合人工智能在石化自动化中的应用专家系统知识库+推理机，辅助决策机器学习数据驱动，自适应模型3深度学习多层神经网络，复杂模式识别工业互联网设备连接数据分析远程运维优化控制决策