《化工仪表自动化》.ppt

化工仪表及自动化 目的和意义 在化工等连续性生产设备上 配备一些自动化装置 代替操作人员的部分直接劳动 使生产在不同程度上自动地进行 称为化工自动化 实现化工自动化的目的是 加快生产速度 降低生产成本 提高产品数量和质量 降低劳动强度 改善劳动成本 确保生产安全学习本课程的意义在于 扩大知识面 适应生产现代化需要 扩大就业途径 先为不可胜 而后为可胜 高岭土在不同温度下煅烧时 其化学反应式如下 化工自动化的发展历程 1950 s 1960 s基地式气动单元仪表 基地式电动单元仪表 膜片式仪表 为化工单元操作的发展提供了技术支撑 1970 s 1980 s单元组合 型仪表 QDZ DDZ 1990 s 单元组合 型仪表 QDZ DDZ 本课程主要内容 基本概念控制系统控制对象仪器仪表测量显示调节执行调节系统 简单系统 复杂系统 计算机控制系统 系统构成 接口与转换 主要参考书目 化工仪表及自动化 第三版 厉玉鸣主编 化学工业出版社化工仪表及自动化习题集厉玉鸣主编 化学工业出版社化工过程控制工程 第二版 王骥程祝和云主编 化学工业出版社化工过程控制基础化学工业出版社 第一章自动调节系统基本概念 第一节化工自动化的主要内容第二节自动调节系统的组成第三节自动调节系统的表示方法第四节自动调节系统的分类第五节自动调节的过度过程和系统品质指标 第一节化工自动化的主要内容 自动检测自动保护与报警自动操纵与启停自动调节 第二节自动调节系统的组成 四部分 测量仪表 显示记录仪表 调节器 执行机构 第三节自动调节系统的表示方法 方块图表示方式流程图表示方式 控制流程图符号意义 控制流程图字母意义 第四节自动调节系统的分类 按被调参数分类 流量调节 温度调节 压力调节 物位调节等 按调节规律分类 比例调节 比例微分调节 比例积分调节 比例微分积分调节按被调参数的变化规律分类 定值调节系统 给定值为常数 随动调节系统 给定值为变数 要求跟随变化 程序控制调节系统 按预定时间顺序控制参数 按信号种类分类 气动调节系统 电动调节系统 第五节自动调节的过度过程和系统品质指标 1 控制系统的过渡过程控制系统的过渡过程 在扰动或给定值变化的情况下 被控量偏离给定值和在控制调节作用下 接近给定值或跟随给定值变化的过程 控制系统的动态特性被控参数向给定值变化过程的特性 控制系统的静态特性经过调节作用后 被控参数处于稳定范围时的特性 第五节自动调节的过度过程和系统品质指标 1 控制系统的过渡过程控制系统的过渡过程 在扰动或给定值变化的情况下 被控量偏离给定值和在控制调节作用下 接近给定值或跟随给定值变化的过程 控制系统的动态特性被控参数向给定值变化过程的特性 控制系统的静态特性经过调节作用后 被控参数处于稳定范围时的特性 第五节自动调节的过度过程和系统品质指标 飞升曲线 在单位阶跃输入 因扰动或设定值变化 使被控参数和设定值之间出现阶跃性变化 下 过度参数的变化曲线 输入量 时间t 0 t0 飞升曲线的四种形式 控制系统的品质指标 最大偏差A 衰减比 A C B C 4 1 10 1余差C 过渡时间t 振荡周期T 本章作业 P151 8 9 11 21 第二章调节对象的特性 2 1化工对象的特点及其描述方法 调节效果取决于调节对象 内因 和调节系统 外因 两个方面 外因只有通过内因起作用 内因是最终效果的决定因素 设计调节系统的前提是 正确掌握工艺系统调节作用 输入 与调节结果 输出 之间的关系 对象的特性 对象特性的分类与研究方法 所谓研究对象的特性 就是用数学的方法来描述出对象输入量与输出量之间的关系 数学建模 对象的数学模型 对象特性的数学描述 对象的数学模型可以分为静态数学模型和动态数学模型 静态数学模型描述的是对象在稳定时 静态 的输入与输出关系 动态数学模型描述的是在输入量改变以后输出量跟随变化的规律 动态数学模型是更精确的模型 静态数学模型是动态数学模型在对象达到平衡时的特例 系统的动态特性 对象受到干扰作用或调节作用后 被调参数跟随变化规律 研究系统动态特性的核心是 寻找系统输入与输出之间的 函数 规律 系统输入量 干扰作用 调节作用系统输出量 系统的主要被调参数 副作用数学模型的表示方法 非参量模型 用曲线 图表表示的系统输入与输出量之间的关系 参量模型 用数学方程式表示的系统输入与输出量之间的关系 对象动态特性的研究方法 理论分析根据系统工艺实际过程的数质量关系 分析计算输入量与输出量之间的关系 实验研究有些系统的输入与输出之间的关系是比较难以通过计算来获得的 需要在实际系统或实验系统中 通过一组输入来考察输出的跟随变化规律 反映输入与输出关系的经验曲线和经验函数关系 2 2对象理论数学模型的建立 一阶对象 系统输入 输出关系 动态特性 可以用一阶微分方程来表示的控制对象 积分对象系统动态特性可以用一阶积分方程来表示的控制对象 二阶对象 系统动态特性可以用二阶微分方程来表示的控制对象 示例一 一阶对象 由体积守恒可得 Q1 Q2 dt Adh其中 Q2 h RsRS 局部阻力项由此可得 RSQ1 h ARs dh dt 或 KQ1 h T dh dt h Q1 Q2 示例二 积分对象 由体积守恒可得 Q1 Q2 dt Adh其中 Q2 CC 常数由此可得 Q1 Q2 A dh dt 或 h 1 A Q1 C dt h Q1 Q2 示例三 二阶对象 由体积守恒可得 Q1 Q12 dt A1dh1 Q12 Q2 dt A2dh2由此可得 R2Q1 h2 A1R2 A2R2 dh2 dt A1R2A2R2 d2h2 dt2 或 KQ1 h2 T1 T2 dh2 dt T1T2 d2h2 dt2 h1 Q1 Q12 Q2 h2 2 3描述对象特性的参数 放大倍数K在系统稳定条件下 输入量与输出量之间的对应关系 系统的静态特性 如 h KQ C或 h K QK值越大 系统灵敏度越高 在实际工艺系统中 通常采用比较K值的方法来选择主要控制参数 当然 由于工艺条件和生产成本的制约 实际上并不一定都选择K值最大的因素作为主控参数 2 3描述对象特性的参数 时间常数T在一定的输入作用下 被调参数完成其变化所需时间的参数 当对象受到阶跃输入作用后 被调参数如果保持初始速度变化 达到新的稳定值所须的时间 由于调节量越大 被调参数的变化越大 随着调节作用的进行 相对调节量变小 被调参数的变化减小 所以 在阶跃输入后 被调参数的实际变化速度是越来越小的 因此 被调参数变化到新的稳定值 与新输入量相对应的输出量 所需的时间实际上应该是无限长 2 3描述对象特性的参数 滞后时间 在输入参数变化后 有的输出参数不能立即发生变化 而需要等待一段时间才开始产生明显变化 这个时间间隔称为滞后时间 滞后时间按其产生原因可以分为 传递滞后 滞后期内无变化 新参数的作用结果还没有传递到输出点 容积滞后 滞后期内逐步产生微弱变化 新参数的作用结果受到容积量的缓冲 示例四 一阶对象的放大倍数和时间常数 Q1 Q2 dt Adh其中Q2 h Rs对于任意Q1输入 最终总能形成一定的h 使得 Q1 Q2 h Rs一个Q1对应一个确定的h 参数Rs实际上决定了稳定液位高度与给料量之间的对应关系 比例系数或放大倍数 当某一瞬间Q1从a增加 减少到b时 h需要经过一段时间才能从对应的h1增加 减少到h2 时间常数T即用于描述此过程的快慢 h Q1 Q2 示例五 二阶对象传递滞后与容积滞后 当Q1发生变化后 需要经过时间t1 其新流量才能进入被控系统 传递滞后 Q1变化后的流量进入被控系统后 首先使h1逐步发生变化 经过时间t2后 h1有了较大变化 才引起Q12发生明显变化 并进而导致h2开始发生显著变化 容积滞后 h1 Q1 Q12 Q2 h2 2 4对象特性的实验研究 科学 和 技术 具有不同的范畴许多复杂的过程不能通过理论分析得出显性表达式 理论推导通常忽略一些影响因素 而这些因素对实际结果具有相当的影响 通过实验获得经验方程有时比理论推算更方便 对象特性研究的目的在于获得以下参数 输入与输出的对应关系 对象的静态特性 调节作用的时间常数与滞后时间 对象的动态特性 对象特性的实验研究方法 多点拟合法在调节量的全部变化范围内 按一定规律依次取值实验 分别记录被调参数变化规律 并进而分析各种静态特性和动态特性参数 优点 结果比较准确 缺点 时间长 代价大 阶跃反应曲线法通过调节量的一个阶跃变化寻找对象的动态特性 优点 简单易行 缺点 精度低 周期脉冲法通过调节量的周期变化 矩形波或正弦变化 获取对象的动 静态特性 优点 能反应条件波动时的结果 缺点 不能用于大滞后系统 对象特性实验注意事项 实验应在其它条件相对相对稳定时进行 条件变化与结果记录应同时进行 以便分析滞后时间 实验结果的记录应持续到输出量达到稳定态为止 尽可能增加实验点数 必要时可进行重复实验 以提高精度 对实验数据中的奇异点 要认真分析 尽量排除 注意实验中的异常变化 必要时做好预防措施 以策安全 本章作业 P339 14 第三章测量元件与变换器 3 1概述 一 参数的测量参数检测 将被测参数经过一次或多次能量的交换 获得一种便于显示和传递的信号的过程 根据信号的不同 参数检测仪表可以分为气动检测仪表和电动检测仪表两类 非电量的电测法 将非电量工艺参数 如压力 温度 流量 物位等 转换为电流 电压等电路参数 信号 的检测方法 二 检测仪表的性能 1 准确度与误差准确度 测量值与被测量真值的接近程度 绝对误差 测量值与被测量真值之差 相对误差 绝对误差与被测量真值之比 实际相对误差 绝对误差与被测量真值之比 示值相对误差 绝对误差与仪表指示值之比 引用相对误差 绝对误差与仪表满刻度值之比 允许误差 最大引用相对误差 二 检测仪表的性能 2 指示变差与精密度指示变差 同一仪表对相同的被测参数进行正 反行程测量时 其显示值的差异 精密度 简称精度 仪表检测微小参数变化的能力 仪表精度等级 用允许误差的绝对值表示 常用仪表等级有 0 005 0 02 0 05 0 1 0 2 0 4 0 5 1 0 1 5 2 5 4 0 5 0等 精确度 仪表精密而准确的程度 二 检测仪表的性能 3 灵敏度 灵敏限与分辨率灵敏度 仪表的指示位移变化量与被测参数变化量之比 灵敏限 能引起仪表指针发生位移变化的被测参数的最小变化量 分辨率 测试仪表数字显示器的最末位数字间隔所代表的被测参数变化量 二 检测仪表的性能 4 线性度与反应时间线性度 测量仪表在全量程范围内实际校准值与理论对应值的吻合程度 反应时间 显示值变化相对于实际值变化的滞后时间 被测变量 仪表显示值 三 检测系统的构成 被测参数 敏感元件 信号变换 信号传输 信号测量 显示 记录 控制 A D PLC 3 2压力的测量与变送一 压力的表示与单位 压力的表示 绝对压力单位面积所受到的力相对压力 表压 绝对压力与大气压之差真空度大气压与绝对压力之差 绝对压力 绝对压力 真空度 表压 标准大气压 压力 压强 的单位 压强 俗称压力 单位面积所受到的垂直作用力 工程上的 压力 与力学中的 压力 不表示同一个概念 二 压力计的分类与工作原理 工业压力计通常按敏感元件的类型进行分类 液柱式压力计活塞式压力计弹性式压力计电气式压力计 1 液柱式压力计 测量原理 P h 所以h P 2 活塞式压力计 测量原理 P G S所以G P S精确度高常用作标准仪表 检验其它压力计 3 弹性式压力计与常用压力表 工作原理 采用弹性元件将压强大小转换为位移量 再通过机械传动和放大 推动指针偏移 根据敏感元件形式的不同可以分为以下3类 弹簧管式压力计薄膜式压力计波纹管式压力计 4 电气式压力计与信号转换 电气式压力计 实际上是将弹性元件 液柱式压力计所产生的微小位移或活塞式压力计所产生的力转换为电信号输出的一类压力计 电气式压力计通常两部分组成 一次仪表 压力探头 将压力转换为微弱电参数 二次仪表 将微弱电参数转换为标准电信号 电气式压力计一次探头 常用电参数有 电阻 电感 电容 电压等 常见压力变换器 压力探头 有 应变式压力变换器 压电电阻式压力变换器 电感式压力变换器 电容式压力变换器 霍尔片式压力变换器 电阻应变式压力计一次探头 电线的电阻为 R L S当电线受到拉 应 力作用时 L变大 S变小 R变大 当粘一组串联平行细导线 电阻应变片 的金属 弹性元件 因压力变化而发生微小变形 应变 时 细导线的电阻随之发生变化 从而 将压力参数转化为电阻参数 压力变化 弹性变形 电阻变化 电感式压力计一次探头 磁路的磁阻与铁芯的间隙相关 所以 当衔铁或铁芯的位置发生变化时 其电感也随之发生变化 从而 可以将位移量转化为电感量 电容式压力计一次探头 电容器的电容量 C S d当S或d发生变化时 电容量发生变化 霍尔式压力计一次探头 霍尔半导体在垂直电流和磁场的作用下 会产生侧向电压 UH RHBI N S 电气压力计前置放大器 传感元件的参量变化通常是非常微弱的 不能进行远距离传送 需要进行初步放大 电阻和电容传感器一般采用电桥放大 以电压方式输出 电感式传感器一般采用振荡电路放大 以频率方式输出 电压传感器一般采用直流放大器 以电压或电流方式输出 电气压力计前置放大器 电气压力计二次仪表 作用 将传感器信号转换为标准通讯信号 DDZ 型仪表标准通讯信号为 4 20mA 智能型压力传感器在二次仪表中另外附加一些功能 如 模 数转换与数据通讯 工程单位转换 信号 变化 阻尼 故障诊断等 三 压力计的选型 选型内容 类型选择功能 显示 报警 记录 传送 数字 模拟 介质条件 温度 腐蚀性 粘度 脏污程度等 如 氨气表防腐 氧气表禁油 环境条件 温度 震动 电磁场等 量程与盘面大小 工作压力不小于1 3量程 不大于2 3 1 2 量程 盘面大小应方便安装和观察 精度等级 根据工艺需要确定 常见压力传感器外形 三 压力计的安装 安装事项 取压位置 由工艺条件确定 尽量避免涡流影响 避免流速影响 避免导压管产生压差 隔离 温度隔离 采用铜管散热 腐蚀性隔离 采用隔离箱 凝液管 脏污隔离 采用空气包 3 3流量的测量与变送 按测量途径分类 速度式流量计通过测量过流速度 用过流面积换算成流量 容积式流量计采用固定溶剂空间逐次衡量过流容积 质量流量计计量可压缩流体的质量通过量 一 速度式流量计 根据测速方法可以分为以下几类 压差流量计转子流量计电磁流量计超声波流量计涡轮流量计堰式流量计 1 压差流量计 由流体力学知识可知 流体通过孔板节流装置后 会产生一定的压降 根据流速和压降的关系可以推导出下列方程 通过测量孔板前后压差即可计算出流速和流量 p1 p2 2 转子流量计 垂直流道中的金属转子在压差力和重力的共同作用下平衡 压差与流速有关 流速取决于转子的位置 由转子高度可直接读取通过的流量 测量转子位置可进一步获得相应的电气信号 3 电磁流量计 当流道两侧有磁场作用时 导电流体在流动过程中切割磁力线 产生感应电动势 Ex BDv 10 12所以有 Q KEx EX1 EX2 3 电磁流量计 电磁流量计由两部分组成 电磁流量变换器由带激磁线圈的绝缘测量管产生电势信号 二次仪表作用 提供激磁电源 将变换器输出的微弱电势信号进行放大 并输出相应的电流信号 组成 前置放大 主放大 相敏检波 功率放大 霍尔反馈 克服电源波动 电源等 4 超声波流量计 多普勒效应 当一束波射向移动的物质并产生散射时 其散射波的频率会产生变化 频移 且频率变化量与物质的运动速度成正比 超声波流量计的特点 非接触式测量 流体中需要有散射粒子 微泡或颗粒 二 容积式流量计 容积式流量计主要包括两类 齿轮式流量计一对紧密啮合的齿轮与壳体之间形成固定的间隙空间 齿轮每旋转一周 有固定流体通过间隙输送通过 流体通过量与齿轮转数成正比 活塞式流量计利用活塞的每一次往复运动输送定量的流体 计量泵 用外力推动容积式流量计即可定量输送流体容积式流量计的最大特点是对被测流体的粘度不敏感 常用于测量重油等粘稠流体 三 质量流量计 间接式质量流量计分别测量体积流量和密度再用乘法计算出质量流量 直接式质量流量计利用科氏力的作用使弯曲的弹性管道两侧产生震动相位差质量流量计结构比较复杂 只用于压力变化较大的可压缩流体 3 4物位的测量与变送 物位 液位 容器中液体表面的高低 料位 容器中固体的堆积高度 界面 两相物质的交界面 物位计的分类 直读式物位计浮力式物位计压差式物位计电磁式物位计核辐射式物位计超声波物位计光电式物位计 一 直读式物位计 用带有刻度的透明物质 如玻璃 有机玻璃 作为容器壁的一部分或连通管 可以直接显示容器内液位的高低 二 浮力式物位计 利用浮子高度随液面或液体界面变化而变化的原理工作 三 压差式物位计 利用物料内静压力与物料深度或堆积高度成正比的关系进行测量 液体密闭容器 液体敞开容器 固体称重仓 四 电容式物位计 圆柱形电容器的电容量的表达式为 电极间充入高度为H的介质前后电容量的变化值为 由此可见 电容量的变化量与充料高度成正比 测量电容量变化即可知料位的变化 四 电容式物位计 电容式液位计 电容 绳 式料位计 主要用于测量不导电流体 五 电极式物位计 利用物料的导电性能测量高低液位 也可以用于导电性较弱的液体和潮湿固体 六 核辐射式物位计 放射线通过介质时 其强度衰减与物质的吸收系数和介质层厚度有关 目前 工业上使用的放射线物位计有连续式和间断式两种 七 超声波物位计 利用声波在空气中传播速度不变的原理 通过检测声波发射和反射全过程的时间间隔可以计算出物料界面到探头的距离 从而得到物位的高低 注意事项 确保反射波能回到探头 防止物料对声波的吸收 如表面泡沫漂浮 3 4温度的测量与变送 温度是化工过程中最普遍而重要的操作参数 所有的过程都是在一定的温度条件下进行的 温度决定一些反应能否进行和反应方向 温度决定一些反应的进程程度 温度显示反应的能量变化 温度不能直接测量 温度的测量都是通过温度传递到敏感元件后 其物理性质随温度变化而进行的 常用温度计的种类及适用温度 一 膨胀式温度计 玻璃液体温度计利用液体受热膨胀并沿玻璃毛细管延伸而直接显示温度双金属温度计不同金属受热膨胀不同 双金属片在受热情况下发生弯曲而显示温度 t t0 t t0 二 压力式温度计 利用液体的蒸发或气体的膨胀而引起的压力变化进行测量 温包 传热 容纳膨胀介质 毛细管 传递压力 弹簧管 显示压力 温度 三 辐射式温度计 通过特定波长光波的强度或热辐射强度来确定光源温度 辐射式温度计 测定热辐射强度 光学温度计 采用光学分频法 测定不同频率光波的强度比值 比色法 直接通过可见光颜色的对比 确定光源温度 辐射式温度计 通常用于测量高温条件 特别是光学温度计和比色温度计需要利用物体在高温下发射的可见光进行检测 四 热电偶温度计1 热电偶工作原理 不同金属具有不同的电子密度 两种金属接触面因为电子的扩散作用而产生电场 热电现象 电子在扩散作用和电场力作用下最终达到平衡 电子的扩散与温度相关 温度越高 扩散作用越强 扩散作用 电场作用 金属A 金属B 2 热电偶的材质与选择 热电偶的材质要求 单位温度变化的热电势大 且尽量接近线性关系 热电性质稳定 化学稳定性好 高温下抗氧化 抗腐蚀 具有较好的延展性 易于加工 复现性好 便于批量生产和互换 不同材质的热电偶有不同的特性 应根据实际需要选择测量范围 放大系数 以分度值表示 测量精度 抗腐蚀能力 价格等 3 热电偶的结构 热电极工作部分绝缘子防止电极与电极 套管短路保护套管保护接线盒 4 热电偶回路 不同金属连接在一起都构成热电偶作用 热电偶回路电动势为各接点热电势的总和 对于有外接导线的热电偶回路 其总电动势为热端与冷端热电动势之差 A B C C 热电偶测量的关键是如何保证冷端的温度 5 热电偶的补偿 热电偶的导线补偿用廉价材料将冷端延伸到温度相对稳定的控制室内 冷端温度补偿将冷端浸泡在恒温的冰水中 采用电路差减法消除冷端热电势 补偿导线 测量电路 热电偶 补偿导线应与热电偶的电极材料配合使用 补偿导线的材质不同 接线时应特别注意不能接错 五 热电阻温度计 测量原理利用金属电阻随温度变化的规律进行测量 测量金属在不同温度下电阻值的变化 工业热电阻温度计主要有两种材质 铂电阻 0 650 C Pt10 Pt100铜电阻 50 150 C Cu50 Cu100结构 普通型 铠装型 薄膜型 六 电动温度计的二次仪表 功能 对信号进行放大和转换 信号的线性化 组成部分 输入电桥 放大器 反馈电路 电源电路 热电偶或热电阻 输入电桥 放大电路 反馈电路 电源电路 被测温度 七 测温元件的安装注意事项 确保测温元件与被测材料有充分的接触 保持接线盒清洁干燥 防止热量散失 使用规定的补偿导线 并确保正确接线 一次仪表与二次仪表间的信号线尽量不要有接头 信号线尽量单独穿管敷设 本章习题 P921 3 4 9 21 41 48 60 第四章显示仪表 4 1概述 用于参数的指示 记录 累积的仪表显示仪表的分类 4 2动圈式显示仪表 动圈式显示仪表的实质就是指针式电流 电压表 其核心部件是一个磁电式毫安计 动圈式显示仪表通过一定的内置电路可以直接用来作为热电偶 热电阻 以及电流或电压的显示 部分显示表还附带有模拟量输出 以实现简单的控制功能 一 动圈显示基本原理 磁场中 一个用弹性张丝悬挂的线圈 当线圈有电流通过时 线圈在电磁力的作用下发生偏转 在电磁力矩与张丝的弹性力矩平衡时 线圈达到最大偏转角并稳定下来 指针与线圈相连 指示电流大小 部分动圈仪表采用螺旋弹簧 游丝 代替张丝作为弹性体 N S 动圈的内部结构 温补与调整 温度补偿采用热敏电阻抵消线圈热效应 调零调整张丝或游丝的固定点 校准调整内部电阻 阻尼采用并联电阻短路感应电动势 RT R1 R2 R3 R4 二 动圈式显示计 热电偶温度显示 电压与电流显示 校准后的动圈就是一个包含内阻r的电流表 毫安计 毫安计串联一个可调小电阻 使回路总电阻一定时 即可用于测量小电压 热电偶的输出 毫安计串联一个大电阻 使回路其它电阻忽略不计时 即可用于测量大电压 普通电压表 毫安计并联一个小电阻 使毫安计内阻r忽略不计时 即可用于测量大电流 普通电流表 三 电桥与电阻测定 热电阻温度计的显示 电桥的输出电压可以表示为 对于等臂电桥 并忽略高阶小项后可以表示为 电桥具有 邻减对加 的特性 R1 R2 R3 R4 三 电桥与电阻测定 热电阻温度计的显示 对于热电阻温度变换器 考虑到导线电阻随温度的变化 其输出电压可以表示为 四 动圈式显示仪表测温注意事项 型号意义XCZ 显示 磁电 指示XCT 显示 磁电 控制注意配套使用适当调整外接电阻运输时 短路保护 4 3自动电子电位差计 当电路中有两个电位相反的电源时 总电势为两个电源电势之差 如果两个电源的电动势相等 则回路电流为零 电桥输出为零的条件为 从电流表并联出信号并放大驱动可逆电机即可实现自动平衡 R R R R E 热电偶 自动电位差计测温系统构造 热电偶 测量电桥 放大器 可逆电机 指示机构 记录机构 同步电机 稳压电源 热电阻 自动电位差计测温系统 RT R R R 热电阻 测量电桥 放大器 可逆电机 指示机构 记录机构 同步电机 稳压电源 两个系统比较 4 4DDZ 光柱显示报警器 信号 直流电压 1 5V电流 4 20mA电源 直流 24V交流 220V 上限 下限 上限设定 下限设定 DDZ光柱显示报警器工作原理 4 5A D转换与数字显示仪 模拟量信号 以连续变化的物理量的大小模拟实际参数的大小 数字量信号 以脉冲数表达的实际参数的大小 数字显示仪的主要功能 将模拟量信号转换为数字量信号 并用数字符号显示出来 数字显示仪有单独的标准化 DDZ 系列 仪表 有些测试仪表的二次仪表也附带内置的数字显示仪 一 数字式显示仪表的分类 数字显示仪表 电压型 频率型 单点式 多点式 单点式 多点式 显示仪 显示报警仪 显示输出仪 显示记录仪 显示报警输出记录仪 二 数字式显示仪表结构原理 检测变送 模拟信号 A D转换 数字信号 电子计数器 寄存器 电子译码器 显示器 1 A D转换 功能 将电压信号转换为数字脉冲信号 输入与输出电位隔离 构成 低精度时直接用集成芯片转换 单芯片精度取决于输出位数 高精度时分段采用集成芯片转换 对以电流方式输入的信号 先转换成电压信号 2 电子计数器 功能 将A D转换输出或测试仪表的数字输出按10进制进行分段 构造与工作原理 一般由多个双稳态触发器串联组成 通过依次触发 实现进位 3 寄存器 功能 暂时储存电子计数器输出结果 隔断计数器非信号输出 根据后续请求定时输出数字信号 结构 一般直接采用RAM芯片构成 4 译码器 功能 将数字信号翻译为十个数字状态 将每个数字翻译为对应管脚信号 构造 通常由与显示器配套的专用芯片实现 5 显示器 功能 显示数字分类辉光数码管发光二极管液晶显示器 2 3 1 2 3 1 2 3 1 温度 560 C压力 3 1MPa 4 6无笔无纸记录仪 无纸 无笔显示记录仪实际上是一台简化的计算机系统 主要配置 CPU 工业专用微处理器 主板 专用 包括 ROM RAM 时钟电路接口电路 键盘控制器 接面板膜式键盘 显示控制器 接液晶显示器 打印控制器 接微型打印机 通讯控制器 外接计算机 PC A D转换器 接测试仪表 模拟量 无笔无纸记录仪主要功能 显示柱状图显示 数字显示 实时变化趋势曲线设定极限 报警 时间 单位简易编程 组态具有格式化的简易编程功能历史记录通讯 本章作业 P128 1291 13 14 第五章自动控制仪表 5 1概述 一 控制系统按被调参数的变化规律分类 定值调节系统 给定值为常数 随动调节系统 给定值为变数 要求跟随变化 程序控制调节系统 按预定时间顺序控制参数 二 控制目的的实现 通过人为设定或计算机程序直接给出一定的输出 简单 将设定值与实测值进行比较 以其差值大小控制调节器动作 直至差值达到允许的误差范围 第五章自动控制仪表 5 1概述 三 控制仪表的分类 基地式控制仪表检测 控制 显示组合在一起的一类仪表 单元组合式控制仪表在系统规定的统一的通讯方式下 按要求给出相应的控制信号 计算机控制系统以计算机为中心控制单元 以测试仪表 执行机构等单元为外围设备的系统 5 2基本控制规律 控制规律 控制系统输入与输出之间的关系 按控制目标分类 限位控制 在输出超出设定的上下限时控制器改变输出状态 连续控制 根据测量值与设定值的差异 差值 连续调整输出 控制参数 一 限位控制 控制规律AB断开 低位 开启阀门 AC导通 高位 关闭阀门 控 控制结果 将液位限制在BC之间 A B C 限位控制的过渡曲线 p t y t yH yL 限位控制器电路举例 24VDC 0 A B C 控 A B C AB断开 阀门开启 AC接通 阀门关闭 C B 电磁阀 二 连续控制 PID控制 根据输入量与设定值差异的大小连续调整输出量的大小 分类 P控制 比例控制PI控制 比例积分控制PD控制 比例微分控制PID控制 比例微分积分控制 1 P调节 输出量与被控量的差值成正比 P KP e放大倍数KP 输出量与被控量的差值的比例系数 比例度 控制器输入变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数 放大倍数KP与比例度 成反比 KP 值的影响 KP值过大 值过小 系统反应过于灵敏 容易造成过度调节 产生大幅振荡 KP值过小 值过大 系统反应过于迟钝 调节时间长 余差大 KP值 值 适中经过少数几个减幅振荡后 逐渐趋于稳定 有一定的余差 2 PI调节 加入积分调节的目的 缩短大偏差的调节时间 消除余差 积分调节方法 输出量与输入偏差对时间的积分成正比 对于较大的偏差 容易导致调节时间过长 调节量过大而出现超调 因而通常与比例调节共同使用 积分时间Ti的影响 Ti值过小系统反应过于灵敏 容易造成过度调节 产生大幅振荡 Ti值过大积分作用不明显 调节时间长 余差大 Ti值适中经过少数几个减幅振荡后 逐渐趋于稳定 无余差 3 PD调节 加入微分调节的目的 防止出现超调现象 积分调节方法 输出量与输入偏差对时间的微分成正比 根据被控参数变化的快慢进行调节 属超前控制 对于固定的偏差 没有输出 因而不能消除余差 通常与比例调节共同使用 微分时间TD的影响 TD值过大系统反应过于灵敏 调节时间长 余差大 有时甚至会出现大幅振荡 TD值过小积分作用不明显 超调量大 TD值适中经过少数几个明显减幅振荡后 逐渐趋于稳定 特别是对有较大滞后的系统作用尤为明显 4 PID调节 同时采用比例 积分 微分调节方法 通过适当调整比例常数 积分时间 微分时间等三个参数的大小 确定各种调节作用的强弱 采用比例积分微分 PID 调节 既能快速进行控制 又能消除余差 对反应较慢的系统也能进行有效的控制 因而具有较好的控制性能 PID控制方法是目前参数连续控制系统中普遍采用的控制方法 几种调节方法的比较 P调节PI调节PD调节PID调节 5 2模拟量PID控制器 一 基本构成比较环节将测量值与设定值进行比较 电流 电压 气压相减 产生偏差信号 放大器将偏差信号 反馈信号 载波信号叠加后进行放大 反馈环节将输出信号通过一定的运算关系反馈到放大器的输入端 以实现比例 积分 微分等控制规律 给定信号 比较环节 测量信号 偏差 放大器 输出信号 反馈环节 二 DDZ 电动控制器1 仪表的特点 采用国际电工委员会 IEC 推荐的统一标准信号 4 20mADC或1 5VDC 信号电流与电压的转换电阻为250 高度集成化 可靠性高 维修量少 全系统统一采用24VDC电源供电 单元仪表无须单独设置电源 功能齐全 结构合理 具有本安 本质安全 性能 二 DDZ 电动控制器2 基本功能 控制功能自动控制 针对偏差 按PID规律自动调整输出 手动控制 由人工直接设定输出值 遥控执行器 软手动 输出随时间按一定的速度增加或减小 硬手动 瞬间直接改变输出值 显示功能输入显示 设定值显示 手动给定显示 输出显示 输出 限位报警 调整功能给定输入调整 控制参数整定 无干扰切换 在不同的控制方式相互切换过程中 输出参数和系统状态不发生突变 无干扰切换的实现 在切换前 调节手动输出参数或设定值 使输出值与自动输出值保持一致 二 DDZ 电动控制器3 结构原理 输入电路 PD电路 PI电路 输出电路 软手动电路 硬手动电路 显示电路 内给定电路 给定显示 外给定值 测量信号 输出信号 二 DDZ 电动控制器4 外形结构 仪表整体为长方体 伸入控制箱 盘 内部PID参数设定位于仪表内部 拉开整个仪表 可用螺丝刀调整变阻器 炉温控制 5 3数字量控制器 通过A D D A转换 可以实现模拟量与数字量之间的相互转化 数字量控制器的基本结构原理为 A D AIO DIO I O 模拟量信号 模拟量信号 CPU 计算电路 D A AIO DIO I O 模拟量信号 模拟量信号 数字量控制器的分类 单回路数字控制器为适应DDZ系列单元模式 功能 外形 而设计的简易计算机控制系统 PLC控制器具有大量I O接口的专用计算机系统 通常使用专门的编程语言 商用计算机基于高性能商用CPU的计算机系统 可使用多种高级语言 具有普通家用计算机的全部功能 本章作业 P1531 2 17 18 19 第六章执行器 执行器得作用 将控制器的输出转化为对被操作对象的实际操作 动作 根据动作能源的不同 执行器可以分为以下三类 气动执行器 以气压为动力 推动机构动作 电动执行器 以电动机作为动力源 推动机构动作 液动执行器 以液压站提供的流体 液压油 高压为动力源 推动机构动作 6 1气动执行器 执行机构执行器的推动装置 薄膜执行机构 气压推动薄膜并带动连杆运动 活塞执行机构 气压推动活塞并带动连杆运动 控制机构直接作用于对象 并使对象的运动发生改变的装置 气 气 一 气动执行机构 输入信号空气压力 0 02 0 1MPa输出 按连杆最大位移 行程确定规格 10 16 25 40 60 100mm气动弹簧执行机构在薄膜或活塞上增加弹簧 使其行程与气压成正比 常用于连续变化量的调节 无薄膜气动执行机构 常用于开关方式调节 二 控制机构1 作用与分类 作用 直接作用于对象 并使对象的运动 如流量 发生变化 由于被控对象千差万别 控制机构的形式也各不相同 如调节阀 调压变压器 变速器 振动给料机等等 化工系统中最常用的控制机构为各种形式的控制阀 2 各种形式的控制阀 插板阀 浆液阀单座 双座控制阀隔膜控制阀蝶阀球阀旋转阀套筒阀 3 控制阀的理论流量特性 被控介质流过阀门的相对流量与阀门相对开度 相对位移 间的关系 Q Qmax f l L 直线特性 Q Qmax K l L C对数特性 Q Qmax R l L 1 抛物线特性 快开特性 4 控制阀的实际流量特性 控制阀在调节过程中 同时将引起管道工况点的变化 进而使阀门两端压差发生变化 阀门两端压差的变化又反过来影响通过阀门流体的流量 因此 除非是简单的两端恒压 如水池放水阀 阀门的实际流量特性通常是十分复杂的 例水泵出口阀门的调节特性 Q 0 H s 1 s 0 9 s 0 5 s 0 2 5 控制阀的选择 结构与特性选择结构选择 依据工艺条件 温度 压力等 和介质的物理 化学性质 腐蚀性 黏度等 进行选择 流量特性选择 依据工艺需要并结合整个管路系统的工况点 管路流量特性 选择 气开式与气关式的选择依据气源断开的安全性结合执行机构形式选择 阀门口径的选择依据实际流量调节范围选择 三 气动执行机构的安装与维修保养 位置选择应注意方便安装维修 环境温度 60 C 40 C尽量直立安装在水平管道上 其它安装方式应加设支撑架 控制阀前后一般应安装手动截止阀 以便维修 安装前应进行清洗 定期维护检修 注意观察密封与磨损情况 四 电 气转换 在电控系统中 使用气动执行机构必须进行电 气转换 将控制器输出的直流电信号转换为气压信号 将执行器的位置信号 气压 转换为电信号 反馈给控制器 以便控制器能准确的进行控制 6 2电动执行器 以电动机为核心动力源 将控制器输出的直流电信号直接转换成相应的角位移或直线行程的机构 电动执行机构的分类 角行程电动执行机构 使输出轴产生0 90 角位移 直线行程电动执行机构 多转式电动执行机构 电动执行器的结构原理 伺服放大器 伺服电动机 减速机 位置发送器 输入信号 操作器 输出轴 离合器 手轮 电动执行器的选择 电动执行器与气动执行器的差异主要执行机构 其控制机构基本相同 电动执行器的选择 根据控制机构选择执行机构 根据扭矩选择角行程执行器 根据轴位移选择直线行程执行器 根据阀门型号选择多转式执行器 6 3电 液执行器 以直流电信号为控制信号 以液压为动力的执行器 主要用途 与大功率 大位移控制机构配套 用于大型设备的控制 如 大型高压阀门的控制 通常 防爆性能较差 不能用于易燃 易爆及高温场所 电 液执行器的结构原理 液压系统 电控系统 输入信号 反馈信号 位置发送器 输出轴 本章作业 P165 1661 4 17 18 第七章简单控制系统 本章主要介绍以下主要内容 简单控制系统的概念及其构成 被控变量与操纵变量的选择 控制方法及仪表的选择 系统参数的整定 7 1简单控制系统的定义与组成 定义 由一个测量仪表 测量元件 变送器 一个控制器和一个执行机构所组成的控制一个对象参数的 单闭环 控制系统 简单控制系统又称单环控制系统 简单控制系统是构成复杂控制系统的基本单元 7 3被控变量的选择 工艺过程的重要参数 在工艺系统中易受干扰变化 需要经常调节的参数 尽可能选用直接指标作为被控参数 必要时可用与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量 被控变量应方便检测 并有足够的灵敏度 适当考虑系统测控代价 被控变量应是独立可控的 7 3操纵变量的选择 操纵变量 在自动控制系统中 用于调节被控变量的参数 称为操纵变量 操纵变量的选择原则 操纵变量必须是工艺上允许调节的变量 操纵变量应具有较高的调节灵敏度 较大的放大倍数K0 较短的滞后时间 符合工艺的合理性和生产的经济性 7 4系统的滞后 检测系统特性的影响主要表现为时间滞后的作用 造成系统滞后的主要原因有 被测对象滞后 测量点不能及时反映参数的变化 存在容积滞后和 或传递滞后 检测元件滞后 因热容 热阻等惯性因素的影响 导致检测仪表的输出不能及时反映参数的变化 信号传递滞后 主要是气动信号传递较慢导致系统反映滞后 7 5控制方案与控制规律 控制系统按信号来源 系统结构 分类反馈控制前馈控制复合控制 工艺过程 测量 调节 执行 输入 输出 测量 调节 执行 控制规律与环节的正反作用 常用控制一般都采用PID控制 通过适当调节比例常数 积分时间和微分时间常数可以实现多种控制规律 实际控制系统的每个环节都有正反作用规律 测量环节 间接指标可能与直接指标反向对应 控制环节 可以用被测参数减去设定值 也可以用设定值减去被测参数 执行环节 控制信号的加大可以导致执行结果的加大 如气开阀 或减少 如气关阀 7 5控制器参数的工程整定 控制器参数的工程就是选择适宜的比例度Kp 放大倍数 积分时间Ti和微分时间TD 控制器的整定可以采用两种方法 理论计算法 通过理论计算 寻找控制关系 工程整定法 通过实际试验或经验规律选择控制参数 1 临界比例度法 具体方法 在纯比例控制 Ti 0 TD 条件下通过试验获得临界比例度 K 再根据经验公式计算实际参数值 Ti TD 使用条件 临界比例法广泛应用于放大倍数较小 即控制器输出范围较小的系统 使用临界比例法必须是工艺系统允许短时间震荡的情形 2 衰减曲线法 具体方法 在纯比例控制 Ti 0 TD 条件下通过试验选择适宜的比例度 s使系统呈现4 1的衰减比 再根据所得的比例度和衰减周期通过经验公式计算实际参数值 Ti TD 使用条件 干扰作用不太频繁 干扰作用的规律性较强 3 经验凑试法 具体方法 根据一般经验选择适宜的控制参数 Ti TD 在实际运行过程中对参数进行适当的调整 使用条件 干扰作用频繁 干扰作用的规律性较差 本章作业 P1811 4 6 13 17 22 第八章复合控制系统 复合控制系统是由两个及两个以上简单控制系统组合起来的控制一个或同时控制多个参数的控制系统 常见复合控制系统主要有以下几种 串级控制系统均匀控制系统比值控制系统选择性控制系统分程控制系统多冲量控制系统 8 1串级控制系统 串级控制系统是指 在对象滞后较大 干扰作用强烈而且频繁的主控制系统中 对局部参数 副参数 进行预先控制以提高系统总体控制水平的复合控制系统 串级控制系统通常包括 主控制系统 系统目标参数控制系统 副控制系统 为实现目标参数控制而设置的辅助参数控制系统 例 管式加热炉的控制 主参数 目标参数 出口温度操纵变量 燃料量副变量 炉温 出口温度 炉温 燃料量 原料 原料量变化 炉温变化 出口温度变化 通过燃料量调节炉温 通过出口温度调节炉温设定值 串级控制的特点 两个回路 主回路 副回路两个变量 主变量 副变量改善了对象的特性 有效地克服了滞后具有一定的自适应能力 可应用于负荷和操作条件变化较大的场合 自适应 自动调整设定值 以保证系统整体具有较好的控制质量 串级控制系统中副回路的确定 主 副回路应有一定的内在联系副回路应尽可能多地包含干扰因素主要干扰应包含在副回路中 在可能条件下 使副回路包含较多的次要干扰 注意主 副回路的时间匹配 防止 共振 尽量使副回路包含较少的滞后时间 控制规律与正反作用 控制规律主回路 无余差 PI PID控制副回路 快速反应 纯P控制 正反作用主回路 根据主 副变量的关系确定正反作用 副回路 根据系统安全性确定正反作用 如考虑运行中切除副回路 则副控制器应选用反作用 设定值加大相当于输入信号减小 8 2均匀控制系统 当系统中具有两个相互关联的参数 其中任意一个参数的稳定必然导致另一个参数的大幅度变化 而工艺上需要两者兼顾时 可采用均匀控制 均匀控制的目标 两个参数都是变化的 且变化缓慢 两个参数的变化范围都要尽可能小 均匀控制方案 简单均匀控制采用简单控制系统 选择适宜的控制参数 降低单个参数的控制精度 减小放大倍数 延长积分时间 不用微分控制 串级均匀控制通过两个参数的控制制约调和两个参数的矛盾 串级均匀控制的主 副回路一般都采用低精度快反应的纯比例控制 要求高精度时可适当加入积分作用 8 3比值控制系统 比值控制系统 实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统 比值控制方案开环比值控制系统 以一个参数的测定值控制另一个参数 单闭环比值控制系统 以一个参数的测定值计算出另一个参数闭环控制的设定值 双闭环比值控制系统 以一个单闭环参数的测定值计算另一个参数闭环控制的设定值 变比值控制系统 以第三个参数的大小决定上述控制系统的比值 8 4选择性控制系统 两种系统保护措施硬保护 极限情况下 声光报警 转入人工控制或停车 软保护 极限情况下 转入另一种控制模式 进行自动处理 选择性控制系统 根据处理方法不同 选择性控制系统可以分为三类 开关型选择性控制系统 由限位信号切断控制器输出 连续型选择性控制系统 由限位信号切换为另一个控制器输出给执行器 混合型选择性控制系统 采用两个限制信号 同时进行上述两种控制