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仪表及自动化基础 教培中心2011 8 第一节 仪表基础知识一 总体分类 能源种类 气动 电动 液动 很少见 组合形式 基地 单元组合 综合控制 微处理器 智能 非智能 安装形式 现场 盘装 架装 信号形式 模拟 数字 第一节 仪表基础知识二 按作用划分 检测仪表 压力 温度 流量 液位 成分 显示仪表 模拟和数字 指示和记录 其它 执行器 薄膜 活塞 长行程 其它 控制仪表 自力式 组装式 可编程 固定程序 第一节 仪表基础知识三 性能指标 变差 不同方向靠近同一数值时表现出的误差 精度 去掉百分号的相对误差值 0 005 4 可靠性 通常用仪表维护量大小来衡量 稳定性 用仪表零位漂移值来衡量 第一节 仪表基础知识四 图例 连接线 气压信号 电信号 液压信号 二进制等 仪表图形 12mm直径圆圈或六边形 四方形 集散 调节阀 阀体种类 执行机构形式 安装位置 主要监视 现场 辅助监视 第二节 测量仪表及执行器 一 测量参数及原理 1 压力 弹性式 电气式2 物位 浮力式 静压式 超声波 放射性式等3 温度 热电偶Et eAB t eAB t0 热电阻4 流量 速度式 孔板 文丘里管 涡轮 电磁等 容积式 椭圆齿轮 腰轮等 5 组份 烟气氧含量 磁氧 氧化锆 色谱 二 执行器 调节阀 1 分类 气动 薄膜式 活塞式 长行程式电动 直行程 角行程液动 直行程 角行程2 气动执行器的构成 执行机构 把控制信号转换为阀杆的位移调节机构 在执行机构的推动下改变阀门流通面积 第二节 测量仪表及执行器 3 气动薄膜调节阀结构示意图 第二节 测量仪表及执行器 4 气开阀与气关阀气开阀 调节器输出增大时 阀门开度随之增大 膜头无风时阀门关闭 FC 气关阀 调节器输出增大时 阀门开度随之减小 膜头无风时阀门全开 FO 5 调节阀作用的选择原则 调节阀的气开 气关型式的选择主要从工艺生产需要和安全要求考虑 第二节 测量仪表及执行器 6 阀门定位器作用 接受调节器控制 利用反馈原理驱动调节阀 从而改善阀杆行程的线性度 实现正确定位 分类 气动阀门定位器 接受0 02 0 1MPa气动信号 电 气阀门定位器 接受4 20mA直流电信号 第二节 测量仪表及执行器 第三节 化工生产自动化概述 一 化工生产自动化定义 众所周知 石化生产过程有毒 有害 高温高压 生产高度连续 稍有不慎即会酿成重大事故 显然传统的管理无法实现安全生产 借助于自动化装置来管理和操纵石化生产过程的办法即为自动化 二 自动化系统的分类自动检测系统 能自动的将工艺参数的变化连续不断的指示或记录下来 自动信号和连锁保护系统 自动保护 在工艺条件进入某种极限状态时 自动采取安全措施 以免发生生产事故 自动操纵及自动开停车系统 程序控制 该系统能够按照预先规定好的步骤进行某种周期性操作以及将生产过程自动地投运或自动停车 自动控制系统 能自动地排除各种干扰因素对工艺参数的影响 使它们始终保持在期望的数值上 保证生产维持在正常或最佳的工艺操作状态 第三节 化工生产自动化概述 一 自动控制系统的组成被控对象 自动化装置 第四节 自动控制系统概述 二 控制系统的几个名词术语 1 被控对象 需要控制其工艺参数的生产设备 机器 一段管道或设备的一部分 2 被控变量 对象内要进行控制的工艺参数3 操纵变量 受调节器操纵 用以使被控变量保持给定值的物料量或能量 4 干扰f 除操纵变量以外 作用于对象并能引起被控变量变化的因素 也称为扰动作用 第四节 自动控制系统概述 二 控制系统的几个名词术语 续 5 给定值 对象被控变量的目标值 预定值 6 偏差 给定值与测量值之差 7 调节器 把给定值与测量值进行比较并按一定规律 PID 发出控制信号 指挥调节阀动作 8 变送器 对被控变量进行测量并自动转换为可输送并为调节器或显示器可接受的电 气 信号 第四节 自动控制系统概述 一 过渡过程的定义 在自动控制系统中 被控变量 被测参数 在受到外界干扰作用发生变化 进而在调节器的调控下 从原来的一个平衡状态过渡到另外一个平衡状态的动态过程 第五节 自动控制系统概述 二 过渡过程的几种形式 非周期衰减过渡过程衰减震荡过程等幅震荡过程发散震荡过程 第五节 自动控制系统概述 三 过渡过程的主要品质指标 最大偏差衰减比余差过渡时间 第五节 自动控制系统概述 四 影响过渡过程品质的主要因素 被控对象的特性 影响很大 干扰形式与大小 受工艺限制 操作中应尽量维持工艺参数的稳定 控制阀的特性 正确使用 调节器的特性 可通过调节改变其特性 控制方案的确定 合理设计 第五节 自动控制系统概述 第六节 控制系统的分类 简单控制系统 单回路反馈控制系统由一个被控对象 一个测量变送器 一个调节器和一个调节阀组成 它是石化行业应用最广的一类系统 复杂调节系统 凡是多参数 具有两个以上的变送器 两个以上调节器或两个以上调节阀组成的多回路控制系统 一 简单控制系统 单回路液位控制系统单回路压力控制系统单回路温度控制系统单回路流量控制系统单回路成分控制系统 氧含量控制 第六节 控制系统的分类 二 复杂控制系统 串级控制系统均匀控制系统分程控制系统自动选择控制系统比值控制系统多冲量调节系统前馈控制系统 第六节 控制系统的分类 一 串级控制系统 定义 利用两个或更多调节器串联在一起进行控制 以更好地稳定一个被控变量 副回路 处在系统方块图内环 负责快调 粗调 主回路 处在系统方块图外环 负责细调 慢调 关键 两个回路为了稳定一个被控变量 仍然属于定值控制系统 特点 能够改善对象特性 提高抗干扰能力 提高了系统的控制精度 第六节 控制系统的分类 二 串级 均匀控制系统 定义 凡是用来保持主 副参数在规定范围内缓慢地 均匀地变化的系统 这种均匀控制系统在结构上仍是两个调节器串联在一起进行控制 但控制的目的不再是保证一个工艺参数的稳定 而是控制两个参数在允许的范围内波动 关键 在于正确理解 均匀 的实质 不能片面地要求某一参数值稳定 而是要借助于正确地整定两个调节器的PID参数 特点 系统中的两个参数控制在允许的范围内均匀 缓慢地变化 不追求某个参数的绝对平稳 以保持生产的平稳进行 但允许有偏重 第六节 控制系统的分类 三 分程控制系统 定义 借助于阀门定位器 让一个调节器分别以其输出的某段信号控制两个或多个控制阀 以满足生产中需要对多股物料进行控制的目的 应用场合 需要用多种物料作操纵介质 用来保证在不同负荷下的正常控制 用以补充控制手段维持安全生产 关键 调整相应控制阀的阀门定位器 使其在某段信号范围内进行全程动作 注意 系统内的控制阀必须 分程 动作 第六节 控制系统的分类 四 自动选择控制系统 取代控制系统 定义 有多个调节器 或多个以上变送器 通过高 低选择器来自动选出能适应生产安全状况的控制信号 对生产进行自动调节 虽然有多个调节器 但不是同时发挥作用 一些运行 一些备用 关键 生产处在危险状态时 自动启用另外一路控制回路确保安全 适当降低生产要求 并逐渐调整生产 使之朝正常工况发展 避免硬性紧急停车 特点 把工艺生产过程的限制条件所构成的逻辑关系选加到自动控制系统中 因而在生产不正常的特殊状况下 通过牺牲系统的控制质量 暂时维持生产并避免事故发生 第六节 控制系统的分类 五 其它调节系统 比值调节系统 凡是用来实现两个或两个以上参数按一定比例关系以达到某种控制要求 多冲量调节系统 系统中有多个参数作用 经过一定的运算后共同控制控制阀 以使某个参数有较高的调节质量 锅炉汽包液位 前馈调节系统 把可测的主要干扰刚刚出现时 调节器就发出调节信号去克服这种干扰 由于前馈调节是开环 所以必须和反馈结合 第六节 控制系统的分类 第七节 集散控制系统简述 一 概述1 定义 DCS DistributedControlSystems 集中分散控制系统 也叫分布式控制系统2 控制过程 通过操作站对整个工艺过程进行集中监视 操作 管理 通过控制站对工艺过程各部分进行分散控制 二 DCS基本构成 1 集中管理部分 包含工程师站 操作站和上位计算机 操作站由微处理器 CRT 键盘 打印机等组成的人机体系 实现集中操作和集中管理工程师站主要用于组态和维护 仪表 上位计算机用于全系统的信息管理和优化控制 第七节 集散控制系统简述 二 DCS基本构成2 分散控制监测部分 包含现场控制站和现场监测站 现场控制站由一个微处理器 存储器 I O输入输出板 A D D A转换器 内部总线 电源和通信接口等组成 它可以控制多个回路 具有较强的运算能力和各种控制算法功能 可自主地完成回路控制任务 实现分散控制现场监测站或叫数据采集装置 它也是微计算机结构 主要是采集非控制变量以进行数据处理 并将某个采集的过程信息经高速数据公路送到上位计算机 第七节 集散控制系统简述 二 DCS基本构成3 通信部分或叫高速数据通路 它是实现分散控制和集中管理的关键连接DCS的操作站 工程师站 上位计算机 控制站和监测站等各部分 完成数据 指令及其它数据的传递 第七节 集散控制系统简述 三 DCS的特点 1 控制功能多样化 具有几十种运算控制算法或其它数学和逻辑功能 2 操作简便 配备了灵活且功能强的人机接口 便于监视 操作 打印 3 系统便于扩展 部件设计采用积木式的结构 可以通过通讯链路进行系统扩展 4 维护方便 标准化 积木化 系列化的设计 配有智能诊断程序 5 可靠性高 监视集中而控制分散 连锁保护 自诊断功能 冗余措施等 6 便于与其它计算机联用 配备有不同速率和不同模式的通讯接口 系统的开放性 第七节 集散控制系统简述 四 国内外主要DCS产品 1 浙大中控2 日本横河 CENTOMCS 3000 3 美国霍尼韦尔 HONEYWELLTDC3000 4 美国福克斯波罗 FOXBOROI ASERESSYSTEM 5 美国西屋 WESTINGHOUSEWDPF 第七节 集散控制系统简述 感谢分享欢迎交流 调节阀的气开气关的选择原则 当输入到气动执行器的气压信号由于某种原因 例如气源故障 堵塞 泄漏等 而中断时 应保证设备和操作人员的安全 如果阀处于打开位置时危害性小 则应选用气关式 以使气源系统发生故障 气源中断时 阀门能自动打开 保证安全 反之阀处于关闭时危害性小 则应选用气开阀 举例 加热炉的燃料气或燃料油一般应选用气开式控制阀 即当信号中断时应切断进炉燃料 以免炉温过高造成事故 控制进入设备易燃气体的调节阀 应选用气开式 以防设备爆炸 若介质为易结晶物料 则一般应选用气关式 以防堵塞 自动化装置的组成 检测仪表 对被调参数进行测量并转换为可输送 可接受的信号 显示仪表 对被调参数加以显示 纪录调节器 把给定值与测量值进行比较并按一定规律发出控制信号 指挥调节阀动作 执行器 调节阀 根据调节器输出信号自动地调节开度 满足工艺需要 调节器的正反作用的选择 调节器的正反作用 必须根据具体的控制方案 沿着控制系统流程图 在仔细分析了操纵变量对被控变量的影响之后 方可确定 对于复杂控制系统 一般先确定副回路调节器的正反作用 再确定主回路的调节器的正反作用 过渡过程的几种过程 非周期衰减过程 衰减过程 等幅振荡过程 发散振动过程 过渡过程的品质指标 最大偏差 偏离给定值的最大数值 其中 称为超调量衰减比 前后两个相邻峰值的比 余差 过渡过程终了时新的稳定值与给定值之间的偏差 过渡时间 略 调节器的基本控制规律 控制特性 调节器的输出与输入之间的关系位式控制 调节器的输出只有两个 或三个 极限数值 最大或最小 比例控制 调节器的输出的变化量与偏差信号e成比例 即 p Kce积分控制 调节器的输出的变化量与偏差信号e的积分成比例 即 p K edt微分控制 调节器的输出变化与输入偏差变化的速度成比例 p T de dt 位式控制的特点 特点 测量偏差达到一定数值时 发出控制信号 适用场合 控制要求不高 被控变量允许有一定的波动 调节频率较低的场合 回流罐水包脱水泵 比例控制规律的特点 特点 它依据 偏差的大小 来进行控制 简单 控制及时 但有余差 适用场合 干扰小 滞后较小而时间常数并不太小 控制精度要求不高的对象 参数影响 K 值大 比例度 小 控制作用强 但若K值大到一定程度 由于控制作用过强 会引起系统振荡 同样 若K 值小到一定程度 由于控制作用过弱 会引起被控量的变化及其缓慢 积分控制规律的特点 特点 它依据 偏差是否存在 来进行控制 积分控制能消除余差 但积分控制缓慢 动态偏差大 控制时间长 适用场合 控制精度要求较高的场合 不允许有残余偏差 参数影响 具有两重性 I增大 积分作用增强 表征消除余差的能力增强 消除余差的时间缩短 但积分作用增强的同时也会引起过程振荡加剧 温度对象 I要设大些 微分控制规律的特点 特点 它依据 偏差变化速度 来进行控制 有超前控制的作用 对滞后大的对象有很好的效果 使控制过程动态偏差减小 时间缩短 余差减小 但不能消除 适用场合 滞后较大的对象 特别适合温度对象 参数影响 D越小 表征消除余差的时间越短 积分作用越强 但微分作用太强也会引起振荡 对象特性参数 放大系数K 对象的放大系数越大 表示对象的输入量有一定变化时 对输出量的影响越大 一般选择对被控变量放大系数较大的量作为操纵变量 时间常数T 对象的时间常数越大 表示在输入作用下 其输出达到稳态值所需的时间也越长 滞后时间 对象的滞后时间大表示对象在输入作用后 其输出要经历一段时间后才发生明显变化 这对控制极为利 会造成较大的偏差 几种常见对象的相关参数 压力对象 不大 T也属中等液位对象 很小 而T稍大流量对象 和T都很小温度对象 和T都较大 控制阀的特性 控制阀的流量特性直接影响到控制系统的质量和稳定性 尤其是其可调范围不可以相差太悬殊 根据介质特性和控制要求 选择合适尺寸和符合工艺需求的结构 使用阀门定位器 电 气转换 改善控制阀的定位精度和提高灵敏度 如果不是确因工艺需要 不要轻易使用上 下游截止阀节流 也不要轻易使用旁路阀调节流量 这样做会降低控制阀的流量特性 气动薄膜控制阀结构示意图 调节器的基本控制规律 控制特性 调节器的输出与输入之间的关系位式控制 调节器的输出只有两个 或三个 极限数值 最大或最小 比例控制 调节器的输出的变化量与偏差信号e成比例 即 p Kce积分控制 调节器的输出的变化量与偏差信号e的积分成比例 即 p K edt微分控制 调节器的输出变化与输入偏差变化的速度成比例 p T de dt 位式控制的特点 特点 测量偏差达到一定数值时 发出控制信号 适用场合 控制要求不高 被控变量允许有一定的波动 调节频率较低的场合 回流罐水包脱水泵 比例控制规律的特点 特点 它依据 偏差的大小 来进行控制 简单 控制及时 但有余差 适用场合 干扰小 滞后较小而时间常数并不太小 控制精度要求不高的对象 参数影响 K 值大 比例度 小 控制作用强 但若K值大到一定程度 由于控制作用过强 会引起系统振荡 同样 若K 值小到一定程度 由于控制作用过弱 会引起被控量的变化及其缓慢 积分控制规律的特点 特点 它依据 偏差是否存在 来进行控制 积分控制能消除余差 但积分控制缓慢 动态偏差大 控制时间长 适用场合 控制精度要求较高的场合 不允许有残余偏差 参数影响 具有两重性 I减小 积分作用增强 表征消除余差的能力增强 消除余差的时间缩短 但积分作用增强的同时也会引起过程振荡加剧 温度对象 I要设大些 微分控制规律的特点 特点 它依据 偏差变化速度 来进行控制 有超前控制的作用 对滞后大的对象有很好的效果 使控制过程动态偏差减小 时间缩短 余差减小 但不能消除 适用场合 滞后较大的对象 特别适合温度对象 参数影响 D越小 表征消除余差的时间越短 积分作用越强 但积分作用太强也会引起振荡 参数的过程整定 定义 所谓调节器参数的整定 就是按照己定的控制方案 求取使控制质量最好时的调节器参数值 即确定最合适的调节器比例度 或放大倍数 积分时间 和微分时间 以获得过渡过程具有较好的稳定性和快速性 常用的几种整定方法 临界比例度法 衰减曲线法 经验凑试法 临界比例度法 在纯比例作用下实验 适用于一般的控制系统 分别为系统发生临界振荡时对应的比例度和振荡周期 衰减曲线法 在纯比例作用下实验 4 1衰减曲线10 1衰减曲线 经验凑试法 根据经验值逐步凑试 关键 看曲线 调参数 控制方案的确定 控制方案 选择什么作为被控变量 什么作为操纵变量 选用哪些仪表 构成怎么样的控制回路 控制方案确定原则 现场实践 摸清工艺 掌握内在联系 看准主要干扰 关键是控制好质量指标 多分析 多比较 被控变量的选择 必须了解工艺过程和工艺特点对控制的要求 仔细分析各变量间的相互关系 从中选出影响生产的关键变量 选择被控变量时 一般要遵循下列原则 被控变量应能代表一定的工作操作指标或能反映工艺的操作状态 一般都是工艺过程中比较重要的变量 被控变量在工艺操作过程中常常要受到一些干扰影响而变化 为维持被控变量的恒定 需要较频繁的控制 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 被控变量应比较容易测量 并具有小的滞后和足够大的灵敏度 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 被控变量应是独立可控的 操纵变量的选择 要认真分析对象特性 以提高控制系统的控制品质 选择操纵变量的一般原则 操纵变量应是可控的 即工艺上允许控制的变量 操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏 注意 在影响被控变量的诸多因素中 确定了其中一种因素作为操纵变量后 其余的因素都自然成了影响被控变量变化的干扰因素 在选择操纵变量时 除了