工业仪表与自动化交叉应用技术培训

工业仪表与自动化交叉应用技术2.1 自动化仪表在现代工业生产中，自动化仪表广泛地应用在生产的各个环节。2.1.1 仪表类别单元组合仪表可分为现场安装仪表和控制室安装仪表两大部分。1、一次仪表 一次仪表就是现场安装仪表，主要为测量变送单元和执行单元两类。一次仪表传输信号为420mA直流电流，一般供24V直流电。图2-1为电动单元组合仪表的简单控制系统。图2-1 电动单元组合仪表的简单控制系统框图（1）变送单元变送单元能将各种被测参数如温度、压力流量、液位等物理量转换为对应的420mA直流电流，传送到显示、调节等单元供显示记录或控制。变送单元的主要器件有温度变送器、压力变送器、流量变送器、差压变送器等。（2）执行单元指的是操作阀门之类的执行元件，可以按照控制器输出（如PLC或MCU的D/A）的控制信号改变操纵变量的大小，实现控制目的。主要器件有角行程电动执行器和直行程电动执行器等。角行程电动执行器：它以电源为动力，接受4-20mADC或0-10mADC信号将此转换成与输入信号相对应的转角位移，自动地操纵风门挡板、蝶阀、球阀等调节机构，完成自动调节任务，或者配用电动操作器实现远方手动控制。直行程电动执行器：它以电源为动力，接受统一的标准4-20mADC或0-10mADC信号将此转变成与输入信号相对应的出轴直线位移，自动地操纵调节阀或其它终端机构等完成自动调节任务，或者配用电动操作器实行手动摇控。广泛地用于发电厂、钢铁、石油、化工、轻工等工业部门的调节系统中。2、二次仪表 二次仪表主要是控制室内安装的仪表，主要为转换单元、调节单元、运算单元、显示单元、给定单元和辅助单元。二次仪表之间传输的信号为15V直流电压，一一般须供24VDC电 。（1）转换单元转换单元为电动单元组合仪表与其他类型仪表之间联系的桥梁，将电压、频率等电信号或20200KPa的标准大气压信号转换成相应的420mA直流电流信号，从而与仪表的控制系统连接起来。转换单元主要器件有直流毫伏转换器、频率转换器、气-点转换器。（2）调节单元调节单元主要是将来自变送单元的测量信号（PV值）与给定信号（SP值）进行比较，按照偏差情况给出控制信号，去控制执行器的动作，使测量值（PV）与给定值（SP）相等。调节单元主要器件有比例调节器（P）、比例积分调节器（PI）、比例微调节分器（PD）、比例积分微分调节器（PID）以及具有特殊功能的调节器。（3）运算单元运算单元将几个直流电流信号或电压信号进行加、减、乘、除、乘方、开方等数学运算，适用于多参数综合控制、配比控制、流量信号的温度压力矫正运算等。现集成于PLC或MCU的CPU运算单元。（4）显示单元显示单元对各种参数进行指示、记录、报警和积算，供操作人员监视控制系统的工况使用，目前较多为监控主态画面。（5）给定单元给定单元输出420mA直流电流，作为被控变量的给定值（SP）送到调节单元，实现定制控制。给定单元输出也可以供给其他仪表作为参考基准值。给定单元的主要器件有恒流给定器、比值给定器和时间程序给定器。（6）辅助单元辅助单元有操作器、阻尼器、限幅器、安全栅等。操作器：用于手动操作； 阻尼器：用于压力流量等信号的平滑、阻尼缓冲； 限幅器：用于限制电流电压信号的上、下极限； 安全栅：用于将危险场所与非危险场所隔开，起安全防爆作用。 配电器：主要功能是通过直流转换器为现场安装的两线制变送器提供一个隔离的电源,同时又将两线制变送器输送来的(420)mA DC信号转换成与之隔离的(15)V DC直流电压信号,供给指示表,记录仪,调节器,广泛用于工业生产过程检测与控制系统。图2-2 电动单元组合仪表的组合方式2.1.2 仪表的位号表示在检测、控制系统中，构成一个回路的每个仪表都应有自己的仪表位号。根据HG2050592行业标准，仪表的位号由字母代号组合与阿拉伯数字构成回路号两部分组成。仪表的位号中，第一位字母表示被控变量，后继字母表示仪表的功能。数字回路号由工序号和顺序号组成，一半用35位阿拉伯数字表示。图2-3 仪表位号结构图 如图2-4 仪表位号的标注方法（1）在管道仪表流程图（也称P&D图）和系统图中，仪表位号的标注方法是：字母代号填写在仪表圆圈的上半圆中，回路编号填写在下半圆圈中，如图2-4 仪表位号的标注方法（2）如果同一仪表回路中有两个以上相同的仪表，可用仪表位号附加尾缀（大写英文字母）的方法加以区别。例如：FT-101A、FT-101B表示同一回路内的两台流量变送器;FV-101A、FV-101B表示同一回路内的两台控制阀。（3）当属于不同工序的多个检测元件共用一台显示仪表时（比如上位机监控组态画面），显示仪表位号在回路中不表示工序号，只编制顺序号。在显示仪表回路编号后加阿拉伯数字顺序号尾缀方法表示检测元件的仪表位号。例如：多点温度仪表位号为TI-1，相应的检测元件的仪表位号为TE-1-1、TE-1-2、。（4）当一台仪表有两个或多个回路共用时，各回路的仪表位号都应标注。例如：一台双笔记录仪记录流量和压力时，仪表位号为FR-1011/PR-1012；若用于记录两个回路的压力时，仪表位号为PR-1011/PR1012或PR1011/1012。（5）仪表位号的第一位字母代号（或者是被测变量和修饰词字母组合）只能按被测量变量来选用，而不能按照仪表的结构或被控变量来选用。例如：被测变量为流量时，差压式记录仪应标注FR ，而不是PDR，控制阀应标注FV；当被测变量为差压时，差压式记录仪应标注PDR，控制阀应标注PDV。（6）仪表位号中表示功能的后继字母，是按照读出（输入）或输出功能而不是按照被测变量选用的，后继字母因按照IRCTQSA的顺序标注。（7）仪表位号的功能字母代号最多不要超过4个字母。a一台仪表具有指示、记录功能时，仪表位号的功能字母代号只能标注“R”，而不是字母“I”。b一台仪表具有开关、报警功能时，字母功能代号只能是“A”而不能是“S”。当字母“SA”出现时，表示这台仪表具有联锁和报警功能。c一台仪表具有多功能时，可以用多功能代码“U”标注，也可将仪表功能字母代码分组进行标注。例如：一个温度控制器带有温度开关，则可用两个相切的圆圈，分别填入TIC-2011和TS-2011来表示，如图2-5 多功能温度控制器仪表位号（8）在允许简的化设计文件中，构成一个仪表贿赂的一组仪表可以用主要仪表的仪表位号来表示。例如：T-1011可以代表一个温度控制回路；F-1012则可以代表一个流量检测回路。（9）随设备成套供应的仪表，在管道仪表流程图（P&D图）上也应标注仪表位号，但在仪表位号圆圈外标注“WE”（随设备），如图2-6 随设备成套供应的仪表位号标注：表2-1仪表位号中表示被测变量和仪表功能的字母代号项目第一位字母后继字母被测变量或初始变量（引发变量）修饰词读出/输入功能输出功能修饰词A分析报警B烧嘴、火焰供选用供选用供选用C电导率控制D密度差E电压（电动势）检测元件F流量比（分数）G尺度视镜；观察H手动高I电流指示J功率扫描K时间、时间程序变化率自动-手动操作器L物位指示灯低M水分或湿度瞬动中、中间N应力（供选用）示波器（供选用）供选用供选用O供选用节流孔P压力、真空连接点、测试点Q数量积算、累计R放射性、核辐射记录S速度、频率安全开关、联锁T温度传送，变送U多变量多功能多功能多功能V振动、机械量监视、黏度阀、风门、挡板、百叶窗W重量、力套管X未分类X轴未分类未分类未分类Y事件、状态Y轴继电器、计算器、转换器Z位置、尺寸Z轴表2-1说明：“供选用”的字母，指的是可在个别设计中用户可以自行定义用比如“N”、“O”等，而在表2-1中未予规定。“未分类”的字母，在表2-1中未予规定，适用于在一个设计中仅用一次或有限的几次使用，它在不同地点作为第一字母或后继字母均可有任何含义，例如XR-1可以是应力记录，XX-2则可以是应力示波器，但要求在圆圈之外注明“未分类”字母的含义。图2-7 未分类字母的使用后继字母的确切含义，根据实际的需要可以有不同的解释。被测变量的任何第一位字母与修饰字母D（差）、F（比）、M（瞬间）、K（变化速率）、Q（积算或累计）中的任何一个组合在一起，则表示另外一种含义的被测变量。因此应把被测变量字母与修饰字母的组合视为一体看待。例如：TDI和TI分别为温度差指示和温度指示。这些修饰字母仅在特定情况下使用。分析变量的字母“A”，当有必要表明具体的分析项目时，仪表圆圈中仍写“A”，一般在圆圈外右上方写出具体分析项目（附加标注）。例如分析CO2的含量AQ-1011参看图2-8，不能用CO2代替圆圈内的字母“A”。 图2-8 CO2的累计含量分析第一位字母的“U”表示多变量，用来表示代替多个变量的字母组合。后继字母“U”表示多功能，用来表示代替多个功能的字母组合。修饰字母“S”表示“安全”，仅用于紧急保护的检测仪表或检测元件及最终控制元件。例如：“PSV”表示非常态下起保护作用的压力泻放阀或切断阀也可用于故障压力条件下进行安全保护的阀门；而爆破膜则用“PSE”来标识（此符号不表示专业分工，仅用来说明符号的使用。后继字母“G”表示用于过程的检测观察无标度的仪表。例如视镜、电视监视器。后继字母“I”适用于可读出模拟量或数字被测值的场合，比如手动操作器，它可以用于标度盘，或设定值指示。它不是用于无被测量输入的标尺。后继字母“L”表示单独设置的指示灯，用于显示正常的工作状态，不同于表示故障状态“A”的报警灯。如果“L”指示灯是回路的一部分，则应与第一位字母组合使用。例如：表示一个时间周期终了的指示灯应标注为“KQL”。如果不是回路的一部分可单独用一个字母“L”标注。例如：电动机指示灯，若电压是被测量变量，则可记为“EL”；若用来监视运行状态则为“YL”。“未分类”变量“X”，仅在有限的场合使用。不要用“XL”来表示电动机的指示灯，允许由用户定义的“供选用的字母“N”或“O”来表示电动机的运行指示灯。用来接通、断开、选择或切换一个或多个支路的装置，可以是开关、继电器、位式控制器或控制阀，其具体功能取决于应用。用于控制流体装置，若不是手动操作的切断阀，则将其标注为控制阀。自力式控制阀应使用后继字母“CV”标注，以区别于一般控制阀。用于非流体的场合，凡是自动的，但在回路中不是检测装置，其动作是由开关或微控制器带动的，则用术语“继动器”或“继电器”。后继字母“Y”表示继动或计算功能时，应在仪表圆圈外（一般右上方）标注它的具体功能（附加标注），但如果功能明显时，也可以不加标注。例如: 执行机构信号线上的电磁阀就无需辅加标注。后继字母修饰词H（高）、M（中）、L（低）可分别写在仪表圆圈外的右上方作为附加标注。H、M、L应与被测量值相对应，而并非与仪表输出的型号值对应。当表示有H（高）和HH（高高）、L（低）和LL（低低）两级时，则H（高）和L（低）可以省略不再标注。当H（高）和L（低）用来表示阀或其他开关装置时，“H”表示阀在全开或接近全开位置，“L”表示阀在全关或接近全关位置。后继字母“R”适用于能用任何方法进行检索的，并且以任何形式的信息长期存储。第一位字母“V”表示振动或机械量监视，除振动外应将所监视的机械量在仪表圆圈外右上方加附加标注。第一位字母“Y”表示有事件驱动的控制或监视（不同于时间或时间程序驱动），也可存在或状态。修饰字母“K”在于第一位字母L、T或W组合时，表示测量或初始测量变量的变化速率。例如：WKIC可表示重率控制器。后继字母“K”表示位置在控制回路内的自动-手动操作器。例如：流量控制回路的自动-手动操作器为“FK”，它不同于“HC”手动操作器。2.1.3 仪表连接的信号线图形 如表2-2。表2-2 信号线的图形符号序号信号线类别图形符号备注1气压信号线斜短线与细实线成45角2电信号线3导压毛细管4液压信号管5电磁、辐射、热、光、声波等信号线（有导向）6内部系统链7机械链8二进制电信号9二进制气信号*2.1.4 不同控制系统得仪表图形符号 如图2-9。图2-9 不同控制系统得仪表图形符号表2-3 不同系统仪表图形符号控制系统名称仪表图形符号图形符号规格常规仪表图形符号图2-9（a）12mm或10mm分散控制系统（DCS）图2-9（b）12mm或10mm计算机功能图形符号图2-9（c）12mm或10mmPLC功能图形符号图2-9（d）12mm或10mm说明：传统的DCS（Discrete Control System）分散控制系统的检测、变送和执行等现场仪表主要是模拟信号（420mA DC）连接，无法满足直接进入上位机的系统对现场仪表信号的要求。限制了控制过程的视野，阻碍上位机系统的功能。FCS(Fieldbus Control System)，连接现场变送器、传感器及执行机构等智能化现场仪表的通信网络，比如德国西门子Profiebus（Programmale Fieldbus）。2.1.5 阀门、风门、执行机构表2-4 控制阀体图形符号、风门图形符号名称图形符号名称图形符号截止阀旋塞阀角阀其他类型的阀门（X代表某种类型）三通阀隔膜阀四通阀风门、挡板球阀闸阀蝶阀止回阀表2-5 执行机构图形符号名称图形符号名称图形符号带弹簧的薄膜执行机构电磁执行机构不带弹簧的薄膜执行机构带手轮的手动薄膜执行机构电动执行机构带气动阀门定位器的气动薄膜执行机构数字执行机构带电动阀门定位器的气动薄膜执行机构活塞执行机构单作用带人工复位的执行机构（以电磁执行机构为例）活塞执行机构双作用带远程复位装置的执行机构（以电磁执行机构为例）表2-6 执行机构能源中断时控制阀的图形符号名称图形符号不带箭头、横线能源中断时阀门开启FO能源中断时,阀开启能源中断时阀门关闭 FC能源中断时,阀关闭能源中断时三通阀流体流通方向AC能源中断时四通阀流体流动方向AC和DB能源中断时阀门保持原位FL能源中断时,阀保持原位能源中断时阀门不定位FI能源中断时,阀任意位置注：若图形符号中，不带箭头或横线，也可以在控制阀体下部标注。1、工艺流程（一）分析图2-10为某精馏塔液位、温度、流量、压力控制流程。（1）TICA-1011与FRQC-1011组成精馏塔温度与加热蒸汽流量串级控制回路，TICA：温度（指示、控制、报警）为主变量，FRQC：流量（记录、积算、制）为副变量。（2）ARC-1011与FRC-1012组成的塔顶产品浓度与回流量串级控制回路，ARC：产品浓度（记录、控制）为主变量，FRC：流量（记录、控制）为副变量。说明：串级控制回路的主变量与副变量主变量：在工艺控制中起主导控制作用的变量，比如（1）中的TICA主要控制精馏塔的温度，同时还要克服精馏塔的蒸汽压力的波动，所以为主控制变量，即主变量。副变量：相对Slave状态的控制变量为副变量，比如（1）中的TICA的FRQC。主变量与副变量关系：一般主变量的输出是副变量的给定。（3）LICA-1013提馏段液位控制回路，具有液位指示、控制、报警功能。（4）LIC-1011进料罐液位控制回路，具有液位指示、控制功能。（5）LRC-1012回流罐液位控制回路，具有液位记录、控制功能。（6）PRC-1012塔顶压力控制回路，具有液位记录、控制功能。图2-10 精馏塔工艺流程图 参看图2-11：2、工艺流程（二）分析参看图2-11：（1）温度TRC-213位主变量，流量FRC-213副变量，它们组成串级控制回路213。（2）温度与流量的测量值共用一台记录仪（TR-213-1与FR-213-2）。（3）仪表位号的圆圈或连接线用虚线，代表显示记录元件不在现场，为二次仪表的显示。图2-11 蒸馏塔温度与流量串级控制流程2.1.6 相识工程上常用压力单位：表2-7 常用压力单位与换算单位名称单位符号与Pa的关系毫巴mbar100Pa巴Bar0.1MPa托Toor133.322Pa标准大气压atm101.325Pa工程大气压at98.0665Pa达因每平方厘米Dyn/cm20.1Pa毫米汞柱mmHg133.322Pa毫米水柱mmH2O9.80665Pa千克力每平方米Kgf/m29.80665Pa千克力每平方厘米Kgf/cm298.0665kPa大气压：大气压强分为当地大气压（标准大气压）和工程大气压，两者略有不同，前者随高程及气象条件变化。一个标准大气（Patm）为101.3kN/m2（kPa）。工程上常用瓜皮帽过程大气压（Pat）或简写为Pa替代当地大气压。一个工程大气压（相当于海拔200m处正常大气压）为98kN/m2（kPa），因两者较为接近，鼓工程大气压代替当地大气压足以满足工程上的要求。2.2 电气知识点滴插说2.2.1 常用电气符号：表2-8 常用电气符号名称符号名称符号直流或正极交流负极交直流接地一般符号中性线接机壳或接地板或2.2.2 数字万用表伴随你完电控成工程的调试数字万用表是你工程调试过程的最棒的武器，爱惜他，用好它。1、数字万用表的显示能力判定数字万用表的位数：a 能够显示从09所有的数字的位是整数位；b 分位数的数值是以显示值中的最高位的数字为分子，而用满量程时最高位的数字作分母。例如：数字万用表的最大值为19999，该仪表有4个整数位，最高位为1，满量程计数值为20000，最高位为2，所以这块表就成为，即4位半。再如：最大显示2999，则称，同理，最大显示39999成为。2、使用数字万用表应注意哪些问题（1）首先检查数字万用表的电池和熔丝及导线的绝缘是否良好。（2）在进行测量时，特别注意表笔位置是否插对，功能开关（电流、电压或电阻等）是否置于相应的挡位上，特别是测量220V以上的交流电压须更加小心，否则稍有麻痹-表笔位置不对或功能开关位置不对，便损坏仪表。（3）测量时如果无法估计所测量值得大小（特别是电流、电压）时，应将量程拨至最高量限上进行测量，然后再根据实际情况选择合适的量程。（4）有的数字万用表有溢出功能，即在最高位显示 “1”，其它位均消隐，表明其已发生过载，此时应更换更大的量程。（5）数字万用表在电路上虽然有较完善的保护功能，但在操作时仍必须避免出现错误操作。例如：用电阻挡去侧电压、电流，用电流挡测量电压或将带电的电容器插入电容插孔进行测量等，都将损坏仪表。（6）正确使用万用表读书保持功能键（HOLD），若对数据不需要长时间的读取或记录，尤其是进行连续测量时，就不用此键。如果测量过程中出现显示数据不随测量值变化，可能是无按此键了，松开HOLD键读数一般就正常了。（7）使用数字电压表时，要注意插孔旁边所注明的危险标记数据，该数据表示该插孔所能输入的电压、电流的极限值，使用时如果超过此值就可能损害仪表，甚至击伤使用者。（8）数字万用表在测量时，会出现读数的跳动现象，等显示值稳定后再读数。（9）每次使用完万用表后，应将量程开关拨至最高电压挡，把电源关掉。3、使用数字万用表的电压挡应注意哪些问题（1）两支表笔要并联在被电路；（2）通过点试选择合适的测量量程。（3）选电压挡并当两支表笔处在开路状态时，在万用表的低位上出现无规律变化的数字跳跃现象是正常现象，这是无穷大的随机数。（4）使用电压挡测量较高电压时，无论交直流电压，都禁止在线切换量程，否则高压产生电火花，烧坏电路或量程开关的触点。（5）在数字万用表的面板上，在直流挡及交流电压挡的旁边都标有量值符号，如“750V”“1000V”，表示测量电压时不要超过所标的示的最高值。（6）在测量交流电压时，最好把黑表笔接到被测电压的低电位端（如220V的零线端，被测交流信号的公共端），这样有利于万用表输入端对地分布电容的影响，以减少测量误差。（7）在直流电压时，红正极、黑负极，可减少误差。（8）数字万用表的适应频率一般为500Hz以下。（9）当测量电压较高时，不要用手接触表笔的金属部分。（10）用电压挡测量直流电压或交流电压时，因忽视用直流电压挡测交流电压、或用交流电压挡测直流电压，万用表显示“000”或数字跳跃，及时更换挡位。4、使用数字万用表的电阻挡应注意哪些问题（1）在2000电阻挡两支表笔短接，一般显示0.10.3，测其他电阻时，可减去此时两表笔的阴线电阻，测20020M，时，表笔引线电阻可以忽略不计。（2）使用2M或以上电阻挡时，显示值有跳跃现象，等稳定在读数。（3）使用200M电阻挡时，因在1M有零点误差，测量值应减去1M的零点误差值。（4）测量电阻时，被测电路不能通电。（5）测电阻时，两手不能同时接触表笔的金属部分。（6）测电阻时，显示“1”，说明过载。（7