化工仪表及其自动化 复习资料.pdf

第 1 页 第一章自动控制系统基本概念 1 化工自动化的主要内容 自动控制系统 自动化生产中的核心部分 一般分为 生产过程的自动检测 自动控制 自动报警及联锁保护 自动操纵等四大类 2 自动控制系统的组成及常用术语 自动控制系统要代替人来工作 就要有相当于人体器官功能的相应仪表 即 眼 检测 变送器 大脑 控制器 手 执行器 控制系统常用术语控制系统常用术语 1 对象 被控制的物理装置 2 被控变量 对象的某个变量 控制系统的目的通常就是要使该变量与设定值 或给定值相符 控制系统也用该变量的名称来称呼 如温度控制系统 压力控制 系统等 3 调节变量 操纵变量 对被控装置的被控变量具有较强的直接影响且便于 调节的变量 4 干扰 对象中除了调节变量以外 能对被控变量具有影响作用的所有变量 5 偏差 设定值或给定值与测量值之差 6 给定值 也称为设定值或期望值 被控变量的预定值 人们希望控制系统 实现的目标 即被控变量的期望值 它可以是恒定值 也可能按程序变化 控制系统方框图控制系统方框图 第 2 页 控制系统分类控制系统分类 l 如果按被控变量可划分为 温度 T 压力 P 液位 物位 L 流量 F 和成分 A 等控制系统 这是一种常见的分类 2 如果按被控系统中控制仪表及装置所用的动力和传递信号的介质可划分为 气动 电动 液动 机械式 自力式 等控制系统 如图 l 4 所示就是一个机 械式液位控制系统 3 如果按被控制对象可划分为 流体输送设备 传热设备 精馏塔和化学反 应器控制系统 4 按调节器的控制规律可划分为 比例控制 积分控制 微分控制 比例积 分控制 比例微分控制 比例积分微分控制等 5 按系统功能与结构可划分为 单回路简单控制系统 串级 比值 选择性 分程 前馈和均匀等常规复杂控制系统 6 按给定值的变化情况可划分为 定值控制系统 随动控制系统和程序控制 系统 自动控制系统的自动控制系统的过渡过程及品质指标过渡过程及品质指标 1 静态是指该变量不随时间而变化的某个平衡状态 动态 是指该变量随时间而变化的不平衡状态 2 系统受输入信号的作用从一个静态到另一个静态之间从一个静态到另一个静态之间 的变化过程的变化过程 就是过渡过程 系统在过渡过程中 被控变 量是随时间而变化 3 采用阶跃函数作为输入信号的原因采用阶跃函数作为输入信号的原因 信号简单 便于计 算与生成 该信号作用强 危险程度高 控制系统如能 承受这种信号的干扰 也就不怕其他比较缓和的干扰了 过渡过程的类型过渡过程的类型 在阶跃信号的作用下 控制系统的输出变量的过渡过程有可能出现如下几种形式 下图 a 非振荡衰减过程 b 衰减振荡过程 c 等幅振荡过程 d 发散振荡过 程 e 非振荡发散过程 第 3 页 控制系统的品质指标控制系统的品质指标 快速性 稳定性 准确性 快速性 稳定性 准确性 最大偏差 A 超调量 B 衰减比 n 4 1 10 1 余差 C 过渡时间 tS 新稳态 值的 5 或 3 第三章检测仪表与传感器 第一节概述 1 引用误差 也叫允许误差或相对百分误差 是仪表指示值的绝对误差与仪表量 程之比 可表示为 100 max 测下测上 2 仪表的精确度简称精度 也叫准确度 是表示测量结果与真值一致的程度 化 工仪表的精确度常用仪表的精度等级来表示 国家规定的仪表精度等级有 级标准表 0 005 0 02 0 05 级标准表 0 1 0 2 0 35 0 5 一般工业用仪表 1 0 1 5 2 5 4 0 其精度等级值越小 精确度越高 所可能产生的误差越小 灵敏限的数值不应大 于仪表最大允许绝对误差的一半 3 变差 也叫回差 用来表示测量仪表的恒定度 变差说明了仪表的正向 上升 特性与反向 下降 特性的不一致程度 变差一般不能超过仪表的最大允许误差 4 灵敏度 仪表的灵敏度是仪表在稳定状态下 其输出变化量 即仪表指针的线 位移或角位移 与引起这个变化的输入 即被测变量 变化量的比值 仪表灵敏 度的大小反映了仪表对被测量幅值的敏感程度 表示仪表灵敏性能的另一指标是 灵敏限 灵敏限是指能引起仪表指示值发生变化的被测量的最小改变量 单位与 被测量单位相同 一般来说 灵敏限的数值不应大于仪表最大允许绝对误差的一 半 第二节第二节压力检测及仪表仪表 1 压力单位 帕 Pa 兆帕 MPa 2 弹性元件 弹簧管式 a 弹簧管 薄膜式 b 波纹膜片 c 膜盒 和波纹管 式 d 波纹管 等 a b c d 第 4 页 3 弹性压力计是利用各种形式的弹性元件 在被测介质压力的作用下 使弹性元 件受压后产生形变的原理而制成的侧压仪表 压力计的选择及安装压力计的选择及安装 测压仪表的选择应根据工艺生产过程对压力测量的要求 被测介质的性质 现场 环境条件等综合考虑仪表的类型 测量范围和精度等 1 仪表类型的选择 根据工艺生产的需要 2 仪表测量范围的确定 根据操作中被测压力的大小来确定 测量稳定压力时 最大工作压力不应超过量程的 2 3 测量脉动压力时 最大工作压力不应超过 量程的 1 2 测量高压压力时 最大工作压力不应超过量程的 3 5 为了保证 测量值的准确度 仪表的量程又不能选的太大 被测压力的最小值 不应低于量 程的 1 3 3 仪表精度的选取 根据工艺生产中所允许的最大测量误差来确定 流量检测及仪表流量检测及仪表 1 流量包括瞬时流量和累计流量 瞬时流量一般简称流量 它指的是单位时间内 流过管道某截面流体的数量 而累计流量指的是在某一段时间内流过管道的流体 流量的总和 一般简称为总量 2 常用的节流元件有孔板 喷嘴和文丘利管等 3 常用流量单位 吨每小时 t h 千克每小时 kg h 千克每秒 kg s 立方米每小时 m3 h 升每小时 l h 升每分 l min 等 4 转子流量计是由上大下小的锥形圆管和转子组成 转子流量计的工作原理转子流量计的工作原理 当流体沿锥形圆管自下而上地流过转子时 在流体动力的作用下 使转子浮起 转子的外缘 与锥形管之间形成一个环形通道 流体流经环形通道时 由于流通面积突然减小 流体受到 节流作用 使得转子前后流体的静压力产生差异 出现压力差 P P1 P2 在 P 的作用下 转子受到向上的推动力 f1 使其上浮 随着转子在锥形管中上移 环形通道的截面积增大 环隙的平均流速减小 同一流量所产生的压力差将变小 即 f1变小 转子还同时受到一个 向下的力 即自身的重力与介质浮力之差 f2的作用 当 f1 f2时 转子就稳定在某一位置 上 流量与转子的平衡位置相对应 1 液位修正 2 气体修正 椭圆齿轮流量计椭圆齿轮流量计 椭圆齿轮流量计的工作原理如下图所示 它的主 要部件包括测量室 即壳体 和安装在测量室内的 两个互相啮合的椭圆齿轮 A 和 B 两个齿轮分别 绕自己的轴相对旋转 与外壳构成封闭的月牙形 A gV hQ f ft 2 A gV hM fft 2 0 1 0 0 1 1 0 1 Q T T P P Q a b c 第 5 页 空腔 椭圆齿轮每转一周所排出的被测流体的量为月牙形容积的 4 倍 故通过椭圆齿轮流量计的 体积流量 Q 为 Q 4nV0 式中n 椭圆齿轮的转速 V0 月牙形测量室容积 第四节第四节物位检测及仪表物位检测及仪表 1 物位检测包括液体容器中液位的检测及固体颗粒状物料在容器中的堆积高度 即料位 的检测 测量液位的仪表叫液位计 测量料位的仪表叫料位计 测量 两种不同密度的液体分界面的仪表叫界面计 三者统称为物位仪表 2 浮力式液位计 根据其测量原理 浮力式液位计可分为两种 一种是维持浮力 不变 即恒浮力式液位计 另一种是变浮力式液位计 第五节第五节温度检测及仪表温度检测及仪表 温度 分子平均动能大小 检测的基本原理 1 利用热膨胀原理测温 物体受热时体积膨胀 2 利用热电效应原理测温 3 利用热阻效应原理测温 4 利用压力随温度变化的原理测温 在封闭系统中的液体 气体或者低沸点液 体的饱和蒸汽受热后体积膨胀或压力变化 5 利用热辐射原理测温 物体热辐射作用 测温仪表的分类测温仪表的分类 1 按工作原理分 常分为膨胀式温度计 热电偶温度计 热电阻温度计 压力式 温度计 辐射高温计和光学高温计等 2 按感温元件和被测介质接触与否 可分为接触式与非接触式两大类 3 按测温范围来分 常把测量 600 以上温度的仪表叫高温计 而把测量 600 以下温度的仪表叫温度计 热电偶温度计热电偶温度计 由热电偶 测量仪表 导线组成 由热电偶 测量仪表 导线组成 热电偶的工作原理 如果将热电偶中的两种不同成分的导体 A 和 B 连接成一个闭合回路 如上图所示 且两接点的温度为 t t0 由于两 导体内部的自由电子密度不同 在接点 1 和 2 处就分别产生了两个大小 不等 方向相反的热电势 EAB t 和 EAB t0 称为接触电势 同时 在同一导体 A 或 B 内部 由于其两端温度不同 也会产生一个相应的 电势 称为温差电势 但由于温差电势远小于接触电势 因此可以忽略 不计 此时 闭合回路中的总热电势 EAB t t0 可表示为 EAB t t0 EAB t EAB t0 或EAB t t0 EAB t EBA t0 图 热电偶测温系统 A B 热电偶 C 导线 D 显示仪表 t 热端 t0 冷端 第 6 页 引入第三种导体引入第三种导体 C C 的情况的情况 由于热电偶作为传感器 在与显示仪表相连时回路中必定要引入第三种导体 C 根据能量守恒定律推导可知 当回路中接入第三种导体后 只要保证该导体两端 温度相同 热电偶回路中所产生的总热电势不变 即与没有接入第三种导体时所 产生的总热电势相同 所以当热电偶回路接入各种显示仪表 变送器及连接导线 时 不会影响热电偶所产生的热电势值 第一种情况 B 线中间断开接第三种导线 如图 6 8 P103 3 4 两接点温度同为 t1 故总 电势为 EABC t t0 EAB t EBC t1 ECB t1 EBA t0 EAB t EBA t0 第二种情况 将冷端 A B 接点断开 接入第三种导线 如图 c 使 2 3 点的温度同为 t0 则总电势为 EABC t t0 EAB t EBC t0 ECA t0 因为回路内各接点温度相同时 总的热电势应为零 EAB t0 EBC t0 ECA t0 0 即EBC t0 ECA t0 EAB t0 代入上式得 EABC t t0 EAB t EAB t0 EAB t t0 热电偶的结构热电偶的结构 1 热电偶一般由热电极 绝缘管 保护套管和接线盒等部分组成 但外形确可能 差别很大 2 工业常用热电偶 铂铑 10 铂 分度号 S 铂铑 30 铂铑 6 分度号 B 镍铬 镍硅 分度号 K 热电阻温度计热电阻温度计 1 测温原理 热电阻温度计是基于导体或半导体材料的电阻值随温度而变化的性 质 通过测量其电阻值及改变值 间接测量温度 2 常用热电阻 a 铂电阻铂电阻 工业用铂电阻分度号有 Pt10 和 Pt100 两种 其 0 时的电阻值分别 为 10 和 100 Pt10 铂电阻的电阻丝较粗 主要用于 600 以上的温度测量 b 铜电阻铜电阻 铜电阻一般用于 50 150 范围内的温度测量 目前常用的铜电 阻有两种 Cu50 R0 50 和 Cu100 R0 100 第 7 页 显示仪表显示仪表 1 显示仪表是用来指示 记录或累积生产过程中各种参数的仪表 2 目前使用的显示仪表种类很多 按所用能源可分为电动显示仪表和气动显示仪 表 按照显示方式可分为模拟式 数字式和图像显示三类 3 XCZ 101 型动圈式显示仪表是与热电偶热电偶配套构成热电阻温度计 4 XCZ 102 型动圈式显示仪表是与热电阻热电阻配套构成热电阻温度计 第五章第五章自动控制仪表自动控制仪表 在自动化系统中 检测仪表将被控变量转换成测量信号后 一方面送显示仪 表进行显示记录 另一方面还送到控制仪表 调节被控变量到预定的数值上 此 处的控制仪表包括调节器 变送器 运算器 执行器等 它的发展经历了基地式 控制仪表 单元组合式控制仪表 组装式综合控制装置 计算机控制系统等阶段 单元组合式控制仪表是将整套仪表按照功能划分成若干独立的单元 各单元之间 用统一的标准信号 电 气信号 连接 单元组合式控制仪表按照连接信号的不 同可分为气动单元组合式 QDZ 控制仪表和电动单元组合式 DDZ 控制仪表两 类 DDZ 型 型 0 10mA 信号 信号 DDZ 型 型 4 20mA 信号信号 控制器的基本控制规律控制器的基本控制规律 1 所谓控制器的控制规律是指控制器输出信号p与输入信号e z x之间的函数关 系 在研究控制器的控制规律时 经常是假定控制器的输入信号 e 是一个阶跃信 号 然后来研究控制器的输出信号 p 随时间的变化规律 2 控制器的基本控制规律有位式控制位式控制 其中以双位控制比较常用 比例控制比例控制 P 积分控制积分控制 I 和微分控制微分控制 D 实际应用中常用的是比例控制 P 及它们的 组合形式 比例积分控制 PI 比例微分控制 PD 和比例积分微分控制 PID 3 比例度 积分时间 微分时间对控制过程的影响 所谓比例度就是指控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值之比 的百分数 可表示为 式中e 输入变化量 p 相应的输出变化量 xmax xmin 输入的最大变化量 即仪表的量程 pmax pmin 输出的最大变化量 即控制器输出的工作范围 比例度就是使控制器的输出变化满刻度时 也就是控制阀从全关到全开或 相反 相应的仪表测量值变化占仪表测量范围的百分数 或者说 使控制器输 出变化满刻度时 输入偏差变化对应于指示刻度的百分数 整理可得下式 第 8 页 由上式可以看出 比例度 与放大倍数 KP成反比 这就是说 控制器的比 例度 越小 它的放大倍数 KP就越大 它将偏差 控制器输入 放大的能力越 强 反之亦然 因此比例度 和放大倍数 KP都能表示比例控制器控制作用的强 弱 只不过 KP越大 表示控制作用越强 而 越大 表示控制作用越弱 第六章第六章执行器执行器 1 1 气动薄膜调节阀气动薄膜调节阀 控制阀控制阀 类型类型 直通单座调节阀 直通双座调节阀 角形调 节阀 隔膜调节阀 三通调节阀 蝶阀 球阀 凸轮挠曲阀 笼式阀 共九种 2 2 调节阀调节阀 控制阀控制阀 的流量特性的流量特性 调节阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相 对流量与阀门的相对开度 相对位移 间的关系 3 控制阀的理想流量特性 主要有直线流量特性 等百分比 对数 流量特性 抛物线流量特性及快开特性等几种 4 气开式控制阀 FC 气关式控制阀 FO 第七章第七章简单控制系统简单控制系统 1 简单控制系统是由一个调节器 一个变送器 测量仪表 一个执行器 调节 阀 和一个被控制物理对象所组成的控制系统 由于控制系统信号流只有一个回 路 因此也称为单回路控制系统 被控变量的选择被控变量的选择 生产过程中希望借助自动控制保持恒定值 或按一定规律变化 的变量称为被控 变量 要正确地选择被控变量 必须了解工艺过程和工艺特点对控制的要求 仔 细分析各变量之间的相互关系 选择被控变量时 一般要遵循以下原则 l 被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态 一般都是 工艺过程中比较重要的变量 2 被控变量在工艺操作过程中经常要受到一些干扰影响而变化 为维持被控 变量的恒定 需要较频繁的调节 3 尽量采用直接指标作为被控变量 当无法获得直接指标信号 或其测量和 变送信号滞后很大时 可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变 量 4 被控变量应能被测量出来 并具有足够大的灵敏度 5 选择被控变量时 必须考虑工艺合理性和国内仪表产品现状 6 被控变量应是独立可控的 调节 操纵 变量的选择调节 操纵 变量的选择 在选定被控变量之后 要进一步确定控制系统的调节变量或操纵变量 实际上 被控变量与调节变量是放在一起综合考虑的 调节变量的选取应遵循下列原则 l 调节变量必须是工艺上允许调节的变量 2 调节变量应该是系统中所有输入变量中对被控变量影响最大的一个 调节 通道的放大系数 K 要尽量大一些 时间常数 T 适当小些 滞后时间尽量小 3 不宜选择代表生产负荷的变量作为调节变量 以免引起产量波动 第 9 页 投运前的准备投运前的准备 l 熟悉被控对象和整个控制系统 检查所有仪表及连接管线 电源 气源等 以保证投运时能及时正确的操作 故障能及时查找 2 现场校验所有的仪表 保证仪表能正常使用 3 根据经验或估算 设置 KP TI 和 TD 或者先将调 节器设置为纯比例作用 比例度放在较大的位置 4 确认调节阀的气开 气关作用 5 确认调节器的正 反作用 6 根据前述所有选择 假设被控变量受干扰有一个增 加 看控制系统能否克服干扰的影响 第八章第八章复杂控制系统复杂控制系统 1 复杂控制系统包括串级 均匀 比值 选择性 分程 前馈 取代和多冲量等 2 串级控制方框图 第 10 页 第九章第九章典型化工单元的控制方案典型化工单元的控制方案 离心泵的控制方案离心泵的控制方案 1 控制泵的出口阀门开度2 控制泵的出口旁路阀 改变回流量 离心泵的出口节流法 改变泵出口阻力控制流量 3 改变泵的转速 往复泵的控制方案往复泵的控制方案 1 改变原动机的转速2 控制泵的出口旁路 第 11 页 典型例题 典型例题 1 如图 15 11 所示为一加热炉出口温度控制系 统示意图 试画出该控制系统的方块图 确定调 节阀的气开 气关型式和调节器的正反作用 并 简述物料流量突然增加时该控制系统的调节过 程 解 该控制系统的方块图如图 15 12 所示 当调节阀上的气源中断时 为了防止炉温过高 烧坏炉子 应关闭阀门 不再通入燃料气 因此采用气开阀 在该控制系统中 当燃料气流 量增加时 加热炉出口温度升高 因此 加热炉为 正作用 对象 测量变送元件的作用方向也为 正 方向 调节阀为气开阀 也属于 正作用 方向 为了保证系统具 有负反馈 调节器应为 反作用 方向 当物料流量突然增加时 物 料出口温度会下降 使温度测量变 送元件的输出信号下降 该测量信 号送至调节器作为输入信号 由于 调节器是反作用的 故其输出信号升高 该调节信号送至调节阀作为输入信号 由于调节阀 是正作用的 故其输出信号升高 即阀门开度增加 通过阀门的燃料气流量增加 由于加热 炉为正作用对象 故其输出增加 即物料出口温度增加 这样 由物料流量增加所引起的出 口温度下降得到了克服 物料出口温度可维持在恒定的数值上 2 用 4 l 衰减曲线法整定一个控制系统的调节器参数 已测得 s 40 Ts 4min 如 果调节器采用 PI PID 作用 试确定调节器的参数值 解 根据 4 1 衰减曲线法调节器参数计算表得 PI 作用时 比例度 1 2 s 48 积分时间 TI 0 5 Ts 2 min PID 作用时 比例度 0 8 s 32 积分时间 TI 0 3Ts 1 2 min 微分时间TD 0 1Ts 0 4 min 3 如图 15 一 16 所示的反应器为温度控制系统 它通过调节进入反应器的冷却水的流量来保持 反应器温度的稳定 要求 画出该控制系统的方块图 并说明它是什么 类型的控制系统 若反应器温度不能过高 否则会发生事故 试确定调节阀的气开气关型式 确定主调节器和副调节器的正反作用 若冷却水压力突然升高 试简述该控制系统 第 12 页 的调节过程 解 本系统是串级控制系统 其方块图如图 15 一 17 所示 因为反应器温度不能过高 调节阀在气源中断时应是打开的 因此采用气关阀 先确定副调节器 因为副对象是正作用对象 调节阀是反作用方向 为了保证副环 为负反馈 副调节器采用正作用 再确定主调节器 把整个副环看成一个正作用环节 主对象为反作用对象 为了保证主 环为负反馈 主调节器采用正作用 从副环来看 当冷却水压力升高时 冷却水的流量增加 由于副调节器是正作用 其输出增加 又由于调节阀是气关阀 故其输出减小 因而冷却水流量减少 从而很及时地 克服了由于压力升高所引起的流量增加 使冷却水压力的波动几乎不影响到反应器温度 从主环来看 若副环对冷却水压力的波动不能完全克服 而使反应器温度有了微小的降低 这时 由于主调节器是正作用调节器 其输出减小 即副调节器的给定值减小 相当于副调 节器的测量值增加 所以其输出增加 调节阀开度减小 冷却水流量减少 使反应器温度回 升 这样 主环和副环同时作用 很及时地克服了冷却水压力的影响 4 设有一台精度等级为 0 5 级的电子电位差计 量程为 0 l000 在正常情况下进行检 验 测得的最大绝对误差为十 6 问该电子电位差计是否合格 解 仪表允许的最大绝对误差为 Tmax N 允 1000 0 5 5 现测得的最大绝对误差为 6 5 故该电子电位差计不合格 5 如图 15 24 所示的两种测温方法 问 A 表和 B 表的 指示值哪一个高 为什么 答 A 表指示与 B 表指示值一样高 图中热电偶的热 端温度为 3