Система управления химико-технологическими процессами

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

 
 
 
 
 
 
А.Ф. Фёдоров, Е.А. Кузьменко 
 
 
 
 
 
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ  
ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 
 
 
Допущено Учебно-методическим объединением по образованию  
в области химической технологии и биотехнологии  
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,  
обучающихся по направлениям «Химическая технология»  
и «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии,  
нефтехимии и биотехнологии» 
 
 
2-е издание 
 
 
 
 
 
 
 
Издательство 
Томского политехнического университета 
2015 

УДК 66.012(075.8) 
ББК  35.115я73 
Ф33 
 
Фёдоров А.Ф.  
Ф33  
Системы управления химико-технологическими процессами : 
учебное пособие / А.Ф. Федоров, Е.А. Кузьменко ; Томский политехнический университет. – 2-е изд. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2015. – 224 с. 
 
ISBN 978-5-4387-0552-9 
 
В учебном пособии дано описание основных принципов и средств контроля 
параметров и управления технологическими процессами, используемыми в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности.  
Предназначено для студентов химических специальностей технических 
вузов. 
 
УДК 66.012(075.8) 
ББК 35.115я73 
 
 
 
 
Рецензенты 

Доктор химических наук, профессор  
заведующий лабораторией Института химии нефти СО РАН 
А.К. Головко 

Доктор технических наук, 
профессор кафедры физических методов исследования 
Томского университета систем управления и радиоэлектроники 
С.В. Смирнов 

 
 
 
 
 
ISBN 978-5-4387-0552-9 
© ГОУ ВПО НИ ТПУ, 2011 
© Фёдоров А.Ф., Кузьменко Е.А., 2011 
© Оформление. Издательство Томского  
политехнического университета, 2015 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ  .......................................................................................................................  5 

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ОБ ИЗМЕРЕНИЯХ 
И СРЕДСТВАХ ПОЛУЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ  .........................................................  7 

2. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ  ...............................................................................  10 
2.1. Основные понятия  ..........................................................................................  10 
2.2. Манометрические термометры  ......................................................................  10 
2.3. Термометры сопротивления  ..........................................................................  12 
2.4. Термоэлектрические термометры  .................................................................  17 
2.5. Пирометры излучения  ....................................................................................  23 
2.6. Преобразователи измерительные (нормирующие)  ......................................  27 

3. СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ  ..........................  31 
3.1. Электрические системы передачи информации  ..........................................  31 
3.2. Пневматические системы передачи информации  ........................................  34 
3.3. Пневмоэлектрические преобразователи  .......................................................  38 
3.4. Электропневматические преобразователи  ...................................................  39 
3.5. Построение измерительных комплектов температуры  ...............................  41 

4. ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ  .......................................................................................  43 
4.1. Жидкостные манометры  .................................................................................  43 
4.2. Деформационные манометры  ........................................................................  45 
4.3. Электрические манометры  .............................................................................  49 
4.4. Защита манометров от вредного воздействия измеряемой среды  .............  50 

5. ИЗМЕРЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА И РАСХОДА ВЕЩЕСТВА  ...................................  51 
5.1. Измерение количества вещества  ...................................................................  51 
5.2. Измерение расхода вещества  .........................................................................  52 

6. ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ ЖИДКОСТЕЙ  ...................................................................  63 
6.1. Поплавковые уровнемеры  ..............................................................................  63 
6.2. Гидростатические уровнемеры  ......................................................................  65 
6.3. Пъезометрические уровнемеры  .....................................................................  67 
6.4. Электрические уровнемеры  ...........................................................................  68 
6.5. Акустические уровнемеры  .............................................................................  69 

7. КОНТРОЛЬ СОСТАВА И ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ  .....................  71 
7.1. Термохимические газоанализаторы  ..............................................................  72 
7.2. Термокондуктометрические газоанализаторы  .............................................  73 
7.3. Термомагнитные газоанализаторы  ................................................................  74 
7.4. Пламенно-ионизационные газоанализаторы  ................................................  75 
7.5. Оптико-абсорбционные газоанализаторы  ....................................................  76 

7.6. Сорбционные газоанализаторы  .....................................................................  80 
7.7. Методы анализа растворов  ............................................................................  81 
7.8. Измерение плотности жидкостей  ..................................................................  87 
7.9. Измерение вязкости жидкостей  .....................................................................  91 
7.10. Измерение влажности газов и сыпучих материалов  ...................................  96 

8. АВТОМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ  .......................................  99 
8.1. Основные понятия и определения  .................................................................  99 
8.2. Математическое описание АСР и их элементов  ........................................  103 
8.3. Преобразования Лапласа  ..............................................................................  110 
8.4. Передаточные и переходные функции  .......................................................  113 
8.5. Соединение звеньев  ......................................................................................  116 
8.6. Типовые звенья АСР  .....................................................................................  117 
8.7. Технологические объекты регулирования  .................................................  125 
8.8. Экспериментальное определение  
динамических характеристик объектов  ......................................................  130 
8.9. Автоматические регуляторы  ........................................................................  131 
8.10. Исполнительные механизмы и регулирующие органы  ............................  141 
8.11. Анализ и синтез одноконтурных АСР  ........................................................  143 

9. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ  ...  157 
9.1. Универсальная система элементов  
промышленной пневмоавтоматики  .............................................................  157 
9.2. Комплекс «Старт»  .........................................................................................  162 
9.3. Электрические системы  ...............................................................................  177 

10. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ  
УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ  ...................................  183 
10.1. Функции АСУ ТП  .........................................................................................  183 
10.2. Разновидности АСУ ТП  ...............................................................................  184 
10.3. Состав АСУ ТП  .............................................................................................  188 
10.4. Современная реализация АСУ ТП  ..............................................................  189 

11. ЭЛЕМЕНТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ  ..............  191 
11.1. Регулирование процессов перемещения  
жидкостей и газов  .........................................................................................  192 
11.2. Регулирование тепловых процессов  ...........................................................  194 
11.3. Регулирование массообменных процессов  ................................................  199 
11.4. Регулирование химических процессов  .......................................................  208 

ПРИЛОЖЕНИЕ ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ  
ПРИБОРОВ И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ 
В СХЕМАХ ПО ГОСТ 21.404–85  ...............................................................................  213 

ЛИТЕРАТУРА  ..............................................................................................................  222 

 

ВВЕДЕНИЕ 

Химико-технологические процессы в абсолютном большинстве 
предназначены для получения продукта из сырья, поступающего в аппарат или группу аппаратов. Кроме того, для осуществления процесса 
в заданном режиме в аппарат подается или отводится энергия (рис. В.1).  
 

 

Управление – это целенаправленное воздействие на технологический процесс с целью обеспечения оптимальных условий его функционирования. Аппарат или группа аппаратов, в которых протекает 
управляемый процесс, называется объектом управления. Изменяя подачу сырья или энергии в объект управления, можно обеспечить оптимальные условия его функционирования. Для оценки состояния объекта 
управления нужна информация о технологических параметрах. Средства получения информации в удобной для передачи форме передают ее 
на средства отображения информации и в устройство управления. Оператор с помощью отсчетных устройств оценивает состояние объекта 
управления. Устройство управления по определенному алгоритму обрабатывает полученную информацию и с помощью исполнительных устройств изменяет подачу массы или энергии в объект. 

Автоматизация технологических процессов подразумевает замену 
человека самодействующими устройствами, которые выполняют функции управления. 
Первые опыты такой замены относятся ко второй половине ХVIII в. 
Первый промышленный регулятор питания парового котла построил 
в 1765 г. И.И. Ползунов в г. Барнауле, а в 1784 г. английский механик 
Дж. Уатт взял патент на усовершенствование центробежного регулятора 
с использованием его для регулирования скорости паровой машины. 
Эти работы положили начало внедрению регуляторов в промышленные 
технологические процессы. Многие неудачи имели место потому, что 
конструирование регуляторов осуществлялось без учета свойств объектов и без теоретических исследований систем. 
Основы теории регулирования были разработаны русским ученым 
И.А. Вышнеградским. Им были опубликованы статьи «Об общей теории регуляторов» (1876) и «О регуляторах прямого действия» (1877). 
И.А. Вышнеградский рассмотрел регулятор и объект как единую систему, динамические свойства которой описываются дифференциальными 
уравнениями. Предложив для исследования таких систем метод малых 
колебаний и линеаризовав нелинейные дифференциальные уравнения, 
он сформулировал возможности математического исследования систем 
различной физической природы, заложил основы теории устойчивости 
линейных систем и предложил алгебраические критерии и диаграммы 
для оценки устойчивости систем третьего порядка. 
Большой вклад в развитие теории регулирования внесли Дж. Максвелл, А. Стодола, А. Гурвиц, Х. Найквист, Н.Е. Жуковский, который 
является автором первого русского учебника «Теория регулирования 
хода машин» (1909). Следует отметить большой вклад в развитие теории регулирования русских ученых В.С. Кулебакина, Ю.Г. Корнилова, 
Н.М. Крылова, Н.Н. Боголюбова, И.Н. Вознесенского, А.В. Михайлова, 
В.В. Солодовникова, А.М. Ляпунова, А.А. Андронова, Я.З. Цыпкина, 
А.А. Фельдбаума, Л.С. Понтрягина, Н.Н. Красовского и многих других. 
Известно, что развитие химической промышленности в СССР на-
чалось во второй половине ХХ в. Для разработки и внедрения систем 
регулирования был создан Центральный научно-исследовательский институт комплексной автоматизации, построены заводы по производству 
средств контроля и регулирования технологических процессов. 
Использование цифровых вычислительных машин открыло новую 
эру в управлении технологическими процессами и проектировании систем 
управления. Прикладные пакеты программ (Control-C, PC-Matlab, ORACL, 
MATRIX x , Program CC и др.) позволяют рядовому инженеру проектировать современные системы управления технологическими процессами. 

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ОБ ИЗМЕРЕНИЯХ  

И СРЕДСТВАХ ПОЛУЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ 

Измерение – это процесс сравнения с помощью технических 
средств измеряемой величины с другой величиной, принятой за единицу измерения: 

 
,
qU
Q =
 
(1.1) 

где Q – результат; q – числовой эквивалент; U – единица измерения.  
Измерения выполняются с помощью измерительных приборов 
и измерительных преобразователей. 
Измерительным прибором будем называть средство измерений, 
служащее для выработки измерительной информации в форме, 
доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. 
Для измерения технологических параметров используется большое 
количество измерительных приборов, построенных по единой схеме 
(рис. 1.1). 
 

 

Первичный преобразователь (ПП) находится в контакте с измеряемой средой и преобразует измеряемую величину в другую физическую 
величину, удобную для передачи по каналу связи. Каналом связи, в зависимости от физической природы сигнала, может служить контрольный кабель, трубка или кинематическая схема. Так как пришедший по 
каналу связи сигнал имеет малую мощность, то его усиливают в усилителе мощности (УМ) и передают на измерительное устройство (ИУ), где 
происходит сравнение измеряемой величины с единицей измерения. Результат измерения передается на отсчетное устройство (ОУ), позволяющее наблюдателю считывать результат измерения (показание прибора) и регистрировать на ленточной или дисковой диаграмме. 
Отсчетное устройство представляет собой шкалу со стрелкой или цифровое табло. Шкалы бывают равномерные и неравномерные, так как 
уравнения, связывающие показания прибора с измеряемой величиной, 

могут быть линейные и нелинейные. Шкала характеризуется нижним и 
верхним пределом измерения и ценой деления. Усилитель, измерительное устройство и отсчетное устройство располагаются в одном корпусе, 
монтируемом на щите контроля. Таким образом, измерительный прибор 
состоит из трех элементов: первичного преобразователя, канала связи 
и прибора вторичного. 
Измерительный преобразователь – средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации 
в форме, удобной для передачи и дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не воспринимающейся непосредственно наблюдателем.  
Основными элементами измерительного преобразователя являются 
первичный преобразователь (ПП), промежуточный преобразователь 
(ПрП) и передающий преобразователь (ППр), рис. 1.2. 

 

Промежуточный преобразователь предназначен для выполнения 
необходимых преобразований сигнала, поступающего с первичного 
преобразователя (усиление, выпрямление и т. п.). 
Передающий преобразователь предназначен для дистанционной 
передачи сигнала измерительной информации. В соответствии с требованиями Государственной системы приборов (ГСП) все средства измерений имеют унифицированные входные и выходные сигналы. 
 
Таблица 1.1 
Основные виды унифицированных аналоговых сигналов 

Электрические сигналы 
Пневматический 
сигнал,  
кПа 

Постоянный ток, 
мА 
Напряжение  
постоянного тока, мВ
Напряжение  
переменного тока, В

0÷5 
(–5)÷(+5) 
0÷20 
(–20)÷(+20) 
4÷20 

0÷10 
(–10)÷0÷(+10) 
0÷20 
0÷50 
0÷1000 
(–1000)÷0÷(+1000) 
0÷5000 
0÷10000 

0÷2 
(–1)÷0÷(+1) 
20÷100 

Точностные свойства средств измерений определяются приведенной погрешностью (классом точности): 

 
100
max ⋅
Δ
=
N
a
K
, 
(1.2)  

где 
max
a
 – максимальная абсолютная погрешность, определяемая как 
разность между показанием прибора и истинным значением измеряемой 
величины; 
N
Δ
= 
max
N
– 
min
N
 – диапазон шкалы прибора. 
Значения приведенной погрешности присваиваются измерительным 
средствам из ряда следующих чисел: (1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0)⋅10n, 
где n = 1; 0; –1; –2 и т. д. 
Проверка соответствия измерительного устройства присвоенному 
классу точности осуществляется в процессе поверки, проводимой государственными и ведомственными метрологическими службами. 
Значение класса точности указывается на шкале прибора. 
Статической характеристикой измерительного прибора или 
преобразователя называется зависимость выходного сигнала от 
входного в статическом режиме. Статические характеристики могут 
быть представлены в виде уравнения 
)
(x
f
y =
 или в виде графиков. 
В зависимости от вида уравнения статические характеристики могут 
быть линейные и нелинейные. Приборы с линейными статическими характеристиками имеют линейную шкалу, удобную для снятия показания, поэтому более предпочтительны. 
При измерении параметров в нестационарных (динамических) режимах на результат измерения оказывают влияние динамические свойства устройства измерения. 
Динамической характеристикой измерительного прибора или 
преобразователя называется зависимость выходного сигнала от 
входного во времени 
).
,
(
τ
=
x
f
y
 Динамические характеристики могут 
быть представлены в виде дифференциальных уравнений, передаточных 
и переходных функций или в виде графиков. Если статическая характеристика прибора линейная, то динамическая характеристика описывается обыкновенным дифференциальным уравнением. Более подробно статические и динамические характеристики элементов и систем будут 
рассмотрены в разд. 8.2.  
Измерения бывают прямые, когда результат измерения определяют 
непосредственно по шкале прибора, и косвенные, когда результат определяется по известной зависимости от результатов прямых измерений. 
 

2. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ 

2.1. Основные понятия 

Температура характеризует степень нагретости тела, определяемую внутренней кинетической энергией теплового движения 
молекул. 
Для измерения температуры используются термодинамическая 
шкала температур, предложенная в 1848 г. Кельвином на основе второго закона термодинамики, и международная практическая температурная шкала, названная шкалой Цельсия. Связь между температурой по термодинамической шкале и температурой по международной 
практической шкале определяется соотношением T = t + 273,15. 
Приборы для измерения температуры называют термометрами или пирометрами. 
Промышленные приборы для измерения температуры в зависимости от принципа действия классифицируются на следующие группы. 
Манометрические термометры, действие которых основано на зависимости давления рабочего вещества в замкнутом объеме от температуры. 
Термоэлектрические термометры, действие которых основано 
на зависимости термоэлектродвижущей силы, возникающей в спае двух 
разнородных материалов, от температуры. 
Термометры сопротивления, действие которых основано на зависимости электрического сопротивления проводников от температуры. 
Пирометры излучения, действие которых основано на зависимости интенсивности электромагнитного излучения нагретого тела от 
температуры. 

2.2. Манометрические термометры  
Манометрический термометр (см. рис. 2.1) состоит из термобаллона 1, капиллярной трубки 2 и манометра 3. Внутренняя полость термометра заполняется рабочим веществом. 
В зависимости от применяемого рабочего вещества манометрические термометры делятся: 
• на газозаполненные (газовые), в которых система заполнена газом; 
• жидкозаполненные (жидкостные), в которых система заполнена 
жидкостью; 
• конденсационные (парожидкостные), в которых термобаллон 
частично заполнен легкокипящей жидкостью, а остальное пространство системы заполнено парами этой жидкости. 

Если термобаллон 1 поместить в измеряемую среду, то при повышении температуры давление рабочего вещества в 
замкнутом объеме будет увеличиваться. 
Давление по капилляру 2 передается на 
трубчатый манометр 3, шкала которого отградуирована в градусах международной 
практической шкалы. 
Манометрические газовые термометры обычно заполняются азотом и применяются для измерения температуры от 0 до 
+600 °С. При этом зависимость давления 
газа от температуры линейная: 
 
tp  = 
0
p
(
)
[
]
0
1
t
t −
β
+
, 
(2.1) 

где β = 1/273,15 – температурный коэффициент расширения газа; 

0t  и t  – начальная и конечная температура; 
0
p  – давление рабочего вещества при температуре 0t . 
Шкала прибора равномерная. 
К недостаткам газовых термометров можно отнести большие размеры термобаллона, что затрудняет измерение температуры в небольших сосудах и трубопроводах малых диаметров. Из-за низкого коэффициента теплообмена между стенками термобаллона и рабочим газом 
наблюдается большая инерция измерения температуры. Возможны нарушение герметичности газовых термометров и утечка газа, поэтому 
необходима их частая проверка. 
Манометрические жидкостные термометры обычно заполняются 
силиконовыми жидкостями, ртутью, толуолом, ксилолом, пропиловым 
спиртом c начальным давлением 1,47÷1,96 МПа и применяются для измерения температуры от –150 до +300 °С. При повышении температуры 
термобаллона жидкость расширяется и частично вытесняется в капилляр и манометрическую трубку, что приводит к деформации манометрической трубки и перемещению её свободного конца. Объем вытесненной из термобаллона жидкости 
 
)
)(
3
(
н
к
ж
t
t
V
V
−
α
−
β
=
Δ
, 
(2.2) 

где V  – объем термобаллона; 
ж
β  – температурный коэффициент объемного расширения жидкости; α  – коэффициент объемного расширения материала термобаллона. Так как изменение объема жидкости при 
нагревании линейно зависит от температуры, то жидкостные термометры имеют равномерную шкалу. 

Конденсационные манометрические термометры частично заполняются легкокипящей жидкостью (пропан, этиловый эфир, ацетон, толуол и т. д.), а над поверхностью жидкости в термобаллоне находится 
насыщенный пар этой же жидкости. При изменении температуры изменяется давление насыщенного пара, измеряемое манометром, шкала которого отградуирована в градусах Международной практической шкалы. Шкала прибора неравномерная. 

2.3. Термометры сопротивления 

Измерение температуры термометрами сопротивления основано на свойстве проводников изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры 
tR  = 
).
(t
f
 
Термометры сопротивления изготавливаются из платиновой или 
медной проволоки, намотанной на специальный каркас и помещенной 
в защитный чехол. Выбор металла для изготовления термометров сопротивления обусловлен рядом требований: стабильностью градуировочной 
характеристики; воспроизводимостью, обеспечивающей взаимозаменяемость термометров; линейной функцией 
tR  = 
)
(t
f
; высоким значением 
температурного коэффициента электрического сопротивления; большим 
удельным сопротивлением и невысокой стоимостью материала. Чехлы изготавливаются из нержавеющей стали, латуни, меди и алюминия. 
Платиновые термометры сопротивления используются для измерения температуры в диапазоне от –200 до +650 °С.  
Зависимость 
tR  = 
)
(t
f
 слабо нелинейная: 
• в диапазоне температур от 0 до +650 °С 

 
tR  = 
0
R (1 + at  + 
2
bt ); 
(2.3) 

• в диапазоне температур от –200 до 0 °С 

 
tR  = 
0
R (1 + at  + 
2
bt  + 
3
)
100
(
t
t
c
−
), 
(2.4) 

где 
0
R  – сопротивление платины при температуре 0 °С; 
c
b
a
,
,
 – постоянные коэффициенты. 
Промышленностью выпускаются термометры сопротивления платиновые (ТСП) с 
0
R  = 10 Ом (градуировка 20), 46 Ом (градуировка 21) 
и 100 Ом (градуировка 22). 
Медные термометры сопротивления используются для измерения 
температуры в диапазоне от –50 до +200 °С.  
Зависимость 
tR  = 
)
(t
f
 линейная: 

 
tR = 
0
R (1 + 
)t
α
, 
(2.5) 
где α  – температурный коэффициент электрического сопротивления меди.