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仪表自动化理论 目录 一 概述 二 仪表分类 结构 原理和常见仪表故障 分析 判断 处理 三 仪表工位号 字母含义 四 仪表控制系统 单回控制 五 复杂控制系统 串级控制 六 DCS 集散控制系统 返回目录 第一章概述 自动化仪表作为一类专门的仪表 最早出现于本世纪40年代初 当时由于石油 化工 电力等工业对自动化的需要 出现了将测量 记录 调节仪表 自动化仪表根据能源的种类 还可以分为电动 气动等仪表 其中气动仪表的出现比电动仪表早 而且价格便宜 结构简单 特别对石油化工等易燃易爆的生产现场 具有本质性的安全防爆性能 因而在相当长的一段时间里 一直处于优势地位 但从60年代起 由于电动仪表的晶体管化和集成电路化 控制功能日益完备 在使用低电压 小电流时 可在电路上及结构上采取严密措施 限制进入易燃易爆场所的能量 从而保证在生产现场不会发生足以引起燃烧或爆炸的 危险火花 这样 限制电动仪表使用的一个主要障碍被扫除 电信号比气压信号在传送和处理上的优越性就能得到充分的发挥 大家知道 气压信号传递速度慢 传输距离短 管线安装不便 相比之下 电信号传输 放大 变换 测量都比气压信号方便得多 特别是电动仪表容易和电子巡回检测装置和工业控制计算机配合使用 实现生产过程的全盘自动化 因此 近年来电动仪表取得了显著的优势 目前我国电动仪表中并存着两种标准信号制度 在DDZ 和DDZ 型仪表中采用0 10毫安直流电流作为标准信号 而在DDZ 型仪表中 采用目前国际上统一的4 20毫安直流电流作为标准信号 从安全防爆 减少损耗 节省能量考虑 信号电流的满度值都希望选小一些 但太小也有困难 起点电流太小将会给两线制仪表带来困难 因为它将要求降低整个仪表在零信号时消耗的总电流 而在目前的元器件水平下 起点电流比4mA再小有时将发生困难 因此 目前国际上采用4 20mA作为标准信号 有利于识别仪表断电 断线等故障 且为现场变送器实现两线制提供了可能 返回目录 第二章仪表分类 结构 原理和常见仪表故障 分析 判断 处理 1 检测与过程控制仪表 通常称自动化仪表 分类方法很多很多 根据能源分 气动 电动 液动 核能等根据组合 基地式 单元式 综合控制根据安装 现场 盘装 架装根据是否可引入计算机 智能 非智能根据仪表信号形式 模拟仪表 数字仪表最通用的分类是按仪表在测量与控制系统中的作用进行划分 检测仪表 显示仪表 调节仪表 执行器 见表 返回目录 表1仪表分类表 返回目录 第二章仪表分类 结构 原理和常见仪表故障 分析 判断 处理 返回目录 第一节温度仪表分类温度参数是不能直接测量的 一般只能根据物质的某些特性值与温度之间的函数关系 实现间接测量 温度测量的基本原理是与这些特性值的选择密切相关的 工业上测温的基本原理有 应用热膨胀原理测温应用压力随温度变化的原理测温应用热阻效应测温应用热电效应测温应用热辐射原理测温 按工作原理分 有膨胀式 热电阻 热电偶以及辐射等 按测量方式分 有接触式和非接触式两类 第二章仪表分类 结构 原理和常见仪表故障 分析 判断 处理 返回目录 1 原理热电偶温度计是基于热电效应这一原理测量温度的 它的测温范围很广 可测量 200 160O 范围内在在特殊情况下 可测至2800 的高温 第二节热电偶 将两种不同的导体或半导体连接成如图所示的闭合回路 如果两个接点的温度不同 T T0 则在回路内会产生热电动势 这种现象称为赛贝克热电效应 图中闭合回路称之为热电偶 导体A和B称之为热电偶的热电丝或热偶丝 热电偶两个接点中 置于温度为t的被测对象中的接点称为测量端 又称工作端 温度为参考温度t0的另一端称之为参考端 又称自由端或冷端 2 特点测量精度高 测量范围广 构造简单 使用方便 不受大小和形状的限制 外有保护套管 用起来方便 第二章仪表分类 结构 原理和常见仪表故障 分析 判断 处理 返回目录 3 热电偶的类形 8种标准化热电偶 S 铂铑10 铂 20 1300 B 铂铑90 铂铑6300 1600 K 镍铬 镍硅 50 1000 J 铁 康铜 40 750 R 铂铑13 铂 0 1600 E 镍铬 康铜 40 1000 T 铜 康铜 40 350 4 各种热电偶的分度表均是在参考端即温度t0为0 的条件下得到的热电势与温度之间的关系 因此 热电偶测温时 冷端温度必须为0 否则将产生测量误差 而在工业上使用时 要使冷端温度保持在0 是比较困难的 所以 必须根据不同的使用条件和要求的测量精度 对热电偶冷端温度采用一些不同的处理办法 常用的方法有如下几种 补偿导线延伸法冰点法计算修正法仪表零点校正法补偿电桥法 第二章仪表分类 结构 原理和常见仪表故障 分析 判断 处理 5 补偿导线延伸法热电偶做得很长 使冷端延长到温度比较稳定的地方 由于热电偶本身不便于敷设 对于贵金属热电偶也很不经济 因此 采用一种专用导线将热电偶的冷端延伸出来 而这种导线也是由两种不同金属材料制成 在一定温度范围内 100 以下 与所连接的热电偶具有相同或十分相近的热电特性 其材料也是廉价金属 将这种导线称为补偿导线 注意 无论是补偿型还是延伸型 补偿导线本身并不能补偿热电偶冷端温度的变化 只是起到热电偶冷端延伸作用 改变冷位置 在规定的范围内 由于补偿导线热电特性不可能与热电偶完全相同 因而仍存在一定的误差 返回目录 6 计算修正法当热电偶冷温度不是0 而是t0时 测得的热电偶回路中的热电势为E t t0 可采用正式进行修正 E t 0 E t t0 E t0 0 只适用于实验室或临时性测温的情况 而对于现场的连续测量显然是不实用的 第二章仪表分类 结构 原理和常见仪表故障 分析 判断 处理 第二章仪表分类 结构 原理和常见仪表故障 分析 判断 处理 7 常见故障原因及处理 返回目录 返回目录 第二节热电阻 1 测温原理 热电阻温度计是基于金属导体或半导体电阻值与温度成一定函数关系的原理实现温度测量的 2 热电阻材料 目前 使用的金属热电阻材料有铜 铂 镍 铁等 其中因铁 镍提纯比较困难 其电阻与温度的关系线性较差 纯铂丝的各种性能最好 纯铜丝在低温下性能也好 所以实际应用最广的是铜 铂两种材料 并已列入了标准化生产 铂电阻 PT100 200 850 铜电阻 Cu50 Cu100 50 150 镍电阻 Ni100 60 180 热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器 它的主要特点是测量精度高 性能稳定 其中铂电阻的测量精度是最高的 可作为基准仪器 第二章仪表分类 结构 原理和常见仪表故障 分析 判断 处理 返回目录 第二章仪表分类 结构 原理和常见仪表故障 分析 判断 处理 3 常见故障原因及处理 返回目录 第三节压力测量 1 基本概念 在物理概念中 压力是垂直作用在单位面积上的力 是工业生产中的重要参数之一 在压力测量中 常有绝对压力 表压力 负压力和真空度之分 所谓绝对压力是指被测介质作用在容器单位面积上的全部压力 用符号Pj表示 地面上的空气柱所产生的平均压力称为大气压力 用Pq来表示 绝对压力与大气压力之差 称为表压力 有Pb来表示 即Pb Pj Pq 当绝对压力值小于大气压力值时 表压力为负值 即负压力 此负压力值的绝对值 称为真空度 用Pz来表示 P表 P真 P绝 P绝 绝对压力的零线 大气压力线 绝对压力 表压 真空度 的关系 第二章仪表分类 结构 原理和常见仪表故障 分析 判断 处理 返回目录 2 压力测量原理 按测量原理分为两种 根据压力的定义直接测量单位面积上受力的大小 例 液柱式 弹性式应用压力作用于物体后所产生的各种物理效应来实现压力 例 电阻式 它是由金属导体或半导体制成的电阻体 其阻值随压力的变化而变化 压电效应 当晶体受压力作用发生机械变形时 在其相对的两个侧面上产生异性电荷的现象 3 压力测量仪表的分类 压力测量原理可分为液柱式 弹性式 电阻式 电容式 电感式和振频式等 弹性式压力计 将被测压力转换成弹性元件变形的位移 类型 弹簧管压力计 波纹管压力计及膜式压力计等 特点 结构简单 使用可靠 读数清晰 价格低廉 在工业上广泛应用 第二章仪表分类 结构 原理和常见仪表故障 分析 判断 处理 返回目录 电气式压力计 通过机械和电气元件将被测压力转换成电量 如电压 电流 频率等 结构分类 各种压力传感器和压力变送器 例 电容式压力变送器它是由检测和变送两个环节组成 检测环节感受被测压力的变化转换成电容量的变化 变送环节则将电容变化量转换成标准电流信号4 20mADC输出 测压点的选择被测介质直管段测量流动介质 取压点与流动方向垂直 测液体压力 取压点在管道下部测气体压力 取压点在管道上部 第二章仪表分类 结构 原理和常见仪表故障 分析 判断 处理 返回目录 第二章仪表分类 结构 原理和常见仪表故障 分析 判断 处理 4 常见故障原因及处理 返回目录 第四节流量仪表 1 基本概念流量是单位时间内流经某一截面的流体数量 流量可用体积流量和质量流量来表示 体积流量 流体量以体积表示时称为体积流量 qv uA质量流量 流体量以质量表示时称为质量流量 qm qv uA2 分类工业上常用的流量仪表可分为两大类 1 速度式流量计 以测量流体在管道中的流速作为测量依据来计算的仪表 2 容积式流量计 它以单位时间内所排出的流体固定容积的数目作为测量依据 流量测量仪表还可以有以下的分类 节流式流量计转子流量计电磁流量计容积式流量计流体振动式流量计超声波流量计质量流量计 第二章仪表分类 结构 原理和常见仪表故障 分析 判断 处理 返回目录 差压式流量计 节流装置与差压变送器配套测量流体的流量 是目前使用最广的一种流量测量仪表 在管道中流动的流体具有动能和位能 在一定条件下这两种能量可以相互转换 但参加转换的能量总和是不变的 节流元件测量流量就是利用这个原理来实现的 在节流装置中 应用最多的是孔板 喷嘴 文丘利管等 根据能量守恒定律及流体连续原理 节流装置的流量公式可以写成 Q k P 第二章仪表分类 结构 原理和常见仪表故障 分析 判断 处理 返回目录 转子流量计转子流量计又称面积式流量计或恒压降式流量计 也是以液体流动时的节流原理为基础的一种流量测量仪表 其特点是可以测量多种介质的流量 压力损失小而且稳定 反应灵敏 量程较宽 结构简单 价格便宜 使用维护方便 但转子流量计的精度受测量介质的温度 密度和粘度的影响 而且仪表必须垂直安装 原理 转子流量计是由一段向上扩大的圆锥形管子和密度大于被测介质密度 且能随被测介质流量大小上下浮动的转子组成的 当液体自下而上流过时 转子因受到液体冲击而向上运动 随着转子的上移 转子与锥形管之间的环形流通面积增大 液体流速减低 冲击作用减弱 直到液体作用在转子上向上的推力与转子在流体中的重力相平衡 此时 转子停留在锥管中某一高度上 如果液体流量再增大 则平衡时转子所处的位置更高 反之则相反 因此 根据转子悬浮的高低就可测知液体流量的大小 第二章仪表分类 结构 原理和常见仪表故障 分析 判断 处理 返回目录 第二章仪表分类 结构 原理和常见仪表故障 分析 判断 处理 3 常见故障原因及处理 返回目录 第五节物位仪表1 概念生产过程中罐 塔 槽等容器中存放的液体表面位置称为液位 把料斗 堆场仓库等储存的固体块 颗粒 粉料等的堆积高度和表面位置称为料位 两种互一相溶的物质的界面位置称为界位 液位 料位以及界位总称为物位 用来测量物位的仪表称为物位仪表 2 分类物位测量仪表的种类很多 按液位 料位和界位来可分 1 液位仪表 浮力式 浮筒 浮球 浮标 沉筒 静压式 压力式 差压式 电容式 电感式 电阻式 超声波式 微波式等 2 界位仪表 浮力式 差压式 电极式 超声波式等 3 料位仪表 重锤探测式 音叉式 超声波式 激光式 放射性式等 3 浮力式液位计浮力式液位计有两种 一种是维持浮力不变的液位计 称为恒浮力式液位计 如浮球 浮标式液位计等 另一种是在检测过程中浮力是发生变化的 称为变浮力式液位计 如沉筒式液位计等 1 恒浮力式液位计恒浮力式液位计是利用浮子本身的重量和所受的浮力均为定值 并使浮子始终漂浮在液面上 并随液面的变化而变化的原理来测量液位的 第二章仪表分类 结构 原理和常见仪表故障 分析 判断 处理 返回目录 2 变浮力式液位计变浮力式液位计的检测元件是沉浸在液体事的浮筒 它随液位变化而产生浮力的变化 去推动气动或电动元件 发出信号给显示仪表 以指示被测液面的值 图示为位移平衡浮筒式液位变送原理图 当液位发生变化时 浮筒1 又称沉筒 本身的重力与所受的浮力的不平衡力 经杠杆2传至扭力管3 而扭力管产生转角弹性变形 由心轴4传出 经推板5传到霍尔片6 转换成霍尔电势 经功率放大后转换成统一的标准电信号输出 以远传给显示仪表指示 第二章仪表分类 结构 原理和常见仪表故障 分析 判断 处理 返回目录 3 差压式液位计差压式液位是利用容器内的液位改变时 液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的 图为差压式液位计测量原理图 当差压计一端接液相 另一端接气相时 根据液体静力学原理 有 Pb Pa gH式中H 液位高度 被测介质密度g 被测当地的重力加速度所以有 P Pb Pa gH在一般情况下 被测介质的密度和重力加速度都是已知的 因此 差压计测得的差压与液位的高度H成正比 这样就把测量液位高度的问题变成了测量差压的问题 第二章仪表分类 结构 原理和常见仪表故障 分析 判断 处理 返回目录 4 翻板液位计翻板液位计的翻板是由导磁的薄铁皮制成 垂直排列 并各自能绕框架上的小轴翻转 如图 翻板一面涂红漆 另一面涂银灰色漆 工作时 液位计的连通管经法兰与容器相连通 构成一连通器 连通器中间有浮标 它随液位的变化而变化 浮标中间有一磁钢 其位置正好与液面一致 当液位上升时 磁钢将吸引翻板 并将它们逐个翻转 使红的一面在外边 下降时 又将它们翻过来 使银灰的一面在外边 即以颜色表示液位高低 十分醒目 返回目录 第二章仪表分类 结构 原理和常见仪表故障 分析 判断 处理 返回目录 第二章仪表分类 结构 原理和常见仪表故障 分析 判断 处理 4 常见故障原因及处理 返回目录 第二章仪表分类 结构 原理和常见仪表故障 分析 判断 处理 第六节执行器1 概含执行器常称为调节阀 它由执行机构和调节机构两部分组成 其中执行机构是调节阀的推动部分 它按控制信号的大小产生相应的推力 通过阀杆使调节阀阀蕊产生相应的位移 调节机构是调节阀的调节部分 它与调节介质直接接触 在执行机构的推动下 改变阀蕊与阀座间的流通面积 从而达到调节流量的目的 2 分类执行器按其能源形式分气动 电动 液动三大类 气动执行器按其执行机构形式分薄膜式 活塞式和长行程式 电动和液动执行器按执行机构的运行方式分为直行程和角行程两类 目前在石化工业中普遍采用气动执行器 返回目录 第二章仪表分类 结构 原理和常见仪表故障 分析 判断 处理 3 执行机构气动薄膜执行机构是应用最广泛的执行机构 它接受0 02 0 1MPa气动信号 它正作用和反作用两种形式 当信号压力增加时推杆向下移动的叫正作用执行机构 信号压力增加时推杆向上移动的叫反作用执行机构 气动薄膜 有弹簧 的薄膜的有效面积越大 执行机构的推力和位移也越大 气动活塞式 无弹簧 执行机构随气缸两侧压差而移动 因为没有反力弹簧抵消推力 所以有很大的输出推力 适用于高静压 高差压的工艺场合 返回目录 第二章仪表分类 结构 原理和常见仪表故障 分析 判断 处理 4 调节机构调节机构又称阀 种类很多 根据结构 用途来分 其基本形式是直通单座阀 直通双座阀 蝶阀 三通阀 偏心旋转阀 套筒阀 角形阀等 1 直通单座阀 阀体内只有一个阀蕊和阀座 阀杆带动阀蕊上下移动来改变阀蕊与阀座之间的相对位置 从而改变流体流量 其主要优点是泄漏量小 2 直通双座阀 阀体内只有两个阀蕊和阀座 阀杆带动阀蕊上下移动来改变阀蕊与阀座之间的相对位置 从而改变流体流量 其主要优点是适用压差比同口径单座阀大 返回目录 第二章仪表分类 结构 原理和常见仪表故障 分析 判断 处理 3 蝶阀 又称翻板阀 由于阀板在阀体内旋转的角度不同 使阀的流通面积不同 从而调节流体流量 其主要优点是适用于大口径 大流量和浓稠浆液及悬浮粒的场合 4 偏心旋转阀 又称凸轮挠曲阀 简称偏心阀 球面阀蕊6连在柔臂7上与轮毂8相接 轮毂与转轴4用键滑配 转轴带动球面阀蕊旋转改变流体流量 工作时转轴的运动是由气动执行机构驱动的 推杆的运动通过曲柄传给转轴 其主要优点是流路阻力小 可调比大 适用大压差 严密封的场合和粘度大及有颗粒介质的场合 很多场合可以取代直单 双座阀 返回目录 第二章仪表分类 结构 原理和常见仪表故障 分析 判断 处理 5 套筒阀 也叫笼式阀 它的阀体与一般直通单座阀相似 阀内有一个圆柱形套筒 也叫笼子 阀蕊可在套筒中上下移动 利用套筒导向 阀蕊在套筒中移动 改变了套筒的节流孔面积 形成了各种特性并实现流量的调节 由于套筒阀采用了平衡阀蕊结构 阀蕊上 下受压相同 不平衡力小 并且阀蕊利用套筒侧面导向 所以它的稳定性好 不易振荡 阀蕊也不易人损坏 它的优点前后压差大和液体出现闪蒸或空化的场合 稳定性好 噪声低 可取代大部分直通单 双座阀 但它不适用于含颗粒介质的场合 5 调节阀的气开 气关气动执行器的气开式与气关式两种形式 气开式 有压力信号时阀开 无压力信号时阀关 气关式反之 气开 气关选择依据 工艺生产安全 节约能源以及从介质特性等 返回目录 第二章仪表分类 结构 原理和常见仪表故障 分析 判断 处理 5 阀门定位器阀门定位器是调节阀的主要附件 可分为气动阀门定位器和电 气阀门定位器 动阀门定位器接受气动信号0 02 0 1MPa 输出0 02 0 1MPa 电 气阀门定位器将4 20mADC的电信号 转换成0 02 0 1MPa的气压 并按气动阀门定位器的功能进行工作 阀门定位器接受调节器输出的控制信号 去驱动调节阀动作 并利用阀杆的位移进行反馈 将位移信号直接与阀位比较 改善阀杆行程的线性度 克服阀杆的各种附加摩擦力 消除被调介质在阀上产生的不平衡力的影响 从而使阀位对应于调节器的控制信号 实现正确定位 返回目录 第三章仪表工位号 字母含义 返回目录 第四章仪表控制系统 单回控制 1 控制系统中常用的名词术语被控对象 自动控制系统中 工艺参数需要控制的生产过程 设备或机器等 被控变量 被控对象内要求保持设定数值的工艺参数 如锅炉水位 操纵变量 受控制器操纵的 用以克服干扰的影响 使被控变量保持设定值的物料量或能量 如锅炉给水 扰动量 除操纵变量外 作用于被控对象并引起被控变量变化的因素 设定值 被控变量的预定值 偏差 被控变量的设定值与实际值之差 2 分类控制系统具有各种各样的形式 但总的来可分为两大类 即开环系统和闭环系统 开环系统的输出信号不反馈到系统的输入端 因而也不对控制作用产生影响的系统 称为开环控制系统 闭环系统的输出通过测量变送环节 又反回系统的输入端 与给定信号比较 以偏差的形式进入调节器 对系统起控制作用 整个系统构成一个封闭的反馈回路 这种控制系统被称为闭环控制系统 返回目录 3 简单控制系统简单控制系统又称单回路控制系统 是指由一个被控对象 一个测量变送器 一个调节器一个调节阀所组成的单回路闭合控制系统 4 调节器调节器是将变送器来的测量信号与给定值进行比较后 对偏差信号按一定的调节规律进行运算 并将运算的结果以统一的信号输出 去控制执行器动作 调节器最基本的调节规律有 比例调节规律 积分调节规律 微分调节规律 比例积分调节规律 比例微分调节规律 比例积分微分调节规律 第四章仪表控制系统 单回控制 返回目录 1 比例调节规律其输出信号p与输入偏差信号e之间成比例关系 即p kPe比例度与放大倍数kP成反比 kP越大 比例作用越强 优点 控制及时 缺点 存在余差 所谓余差就是指过渡时间终了时 被控变量所达到的新的稳态值与设定值之间的差值 余差的值随着调节器的放大倍数Kp的增大而减小 但是余差不能靠放大倍数的增大而完全消除 为了消除余差 必须引进积分作用 2 积分调节规律其输出信号p与输入偏差信号e的积分成正比 积分时间Ti 1 KI越短 积分作用越强 消除余差越快 Ti太小 系统振荡加剧 优点 消除余差 缺点 控制不及时 常与比例组合起来用 3 微分调节规律控制器的输出信号与偏差信号的变化速度成正比 微分时间TD越大 微分作用越强 优点 超前控制 缺点 其输出不能反映偏差的大小 不能单独用在比例作用的基础上增加微分作用就提高了系统的稳定性 加入适当的微分作用是有好处的 但微分作用不能加得过分 否则反应速度过快 反而会引起过分的振荡 这是不利的 由于这时的Kp值较纯比例作用时的Kp为大 所以余差比纯比例作用时为小 这就是说 微分作用只能使余差减小 而不能消除余差 第四章仪表控制系统 单回控制 返回目录 5 调节器控制规律的选择 目前工业上用的控制器主要有三种控制规律 比例控制控制规律 P 比例积分控制规律 PI 比例积分微分控制规律 PID 选择控制规律主要根据控制器的特性和工艺要求来决定 比例 比例积分 比例微分 比例积分微分 第四章仪表控制系统 单回控制 返回目录 6 控制器正 反作用 正作用 当给定值不变 被控变量测量值增加时 控制器的输出也增加 或者当测量值不变 给定值减小时 控制器的输出增加的称正作用 反作用 反之 如果测量值增加 或给定值减小 时 控制器的输出减小 控制器的作用方向确定 先确定阀的气开 气关 再用物理分析法 第四章仪表控制系统 单回控制 返回目录 7 控制器参数的工程整定 所谓控制器参数的整定 就是按照已定的控制方案 求取使控制质量最好时的控制器参数值 具体来说 就是确定最合适的控制器比例度 积分时间Ti和微分时间Td 参数整定方法 临界比例度法衰减曲线法经验凑试法 控制器参数的经验数据表 控制对象对象特性比例积分微分流量参数波动40 1000 3 1温度滞后大20 603 100 5 3压力30 700 4 3液位于20 80 第四章仪表控制系统 单回控制 8 控制系统的投运 返回目录 准备工作仪表检查检查控制器的正 反作用及控制阀的气开 气关型式控制阀的投运控制器的手动和自动的切换控制器参数的整定 第四章仪表控制系统 单回控制 第五章复杂控制系统 返回目录 1 基本概念通常复杂控制系统是多变量的 具有两个以上变送器 控制器或执行器所组成的多个回路的控制系统 所以又称为多回路控制系统 2 分类串级控制系统均匀控制系统比值控制系统开环比值控制单闭环比值控制双闭环比值控制变比值控制带逻辑提量的比值