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化工仪表及自动化 2011 工程建设部张敏 一 基础知识二 压力检测仪表三 流量检测仪表四 温度检测仪表五 物位检测仪表六 气动执行器七 控制系统八 集散型控制系统 DCS 目录 化工自动化是石油 化工等生产过程自动化的简称 自动化技术的研究开发和应用水平是衡量一个国家发达程度的重要标志 自动化技术的进步推动工业生产的飞速发展 在化工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执行 这种用自动化装置来管理化工生产过程的方法 称为化工自动化 化工自动化定义 一 基础知识 人工控制与自动控制 一 基础知识 机械化 人工控制向自动控制转变 人脑 眼睛 四肢 控制器 检测仪表 执行器 人工控制与自动控制 一 基础知识 1 20世纪40年代手工操作状态 只有少量的检测仪表用于生产过程 2 20世纪40年代末 50年代自动化仪表 采用基地式仪表和部分单元组合仪表 气动 型和电动 型 控制理论 以反馈为中心的经典控制理论控制系统 多为单输入 单输出简单控制系统 化工自动化发展 一 基础知识 3 20世纪50年代 70年代自动化仪表 单元组合仪表 气动 型和电动 型 成为主流产品 60年代后期 出现了专门用于过程控制的小型计算机 直接数字控制系统和监督计算机控制系统开始应用于过程控制领域 控制理论 出现最优控制理论为基本特征的现代控制理论 控制系统 串级 比值 均匀 前馈和选择性等多种复杂控制系统 化工自动化发展 一 基础知识 KFL现场型基地式气动液位指示调节仪 化工自动化发展 一 基础知识 4 20世纪70 80年代自动化仪表 气动 型和电动 型 以微处理器为主要构成单元的智能控制装置 集散控制系统 DCS 可编程逻辑控制器 PLC 工业PC机 工控机 和数字控制器等 已成为控制装置的主流 控制理论 出现最优控制理论为基本特征的现代控制理论 传统的单输入单输出系统发展到多输入多输出系统领域 控制系统 串级 比值 均匀 前馈和选择性等多种复杂控制系统 化工自动化发展 一 基础知识 5 20世纪90年代至今自动化仪表 信息技术飞速发展 现场总线控制系统 FCS 的出现 引起过程控制系统体系结构和功能结构上的重大变革 现场仪表的数字化和智能化 形成了真正意义上的全数字过程控制系统 出现各种智能仪表 变送器 无纸纪录仪 控制理论 人工智能 神经网络控制 控制系统 管控一体化现场 综合自动化是当今生产过程控制的发展方向 化工自动化发展 一 基础知识 早期的DCS控制系统 一 基础知识 现代的DCS控制系统 一 基础知识 化工自动化目的 提高工作效益 降低生成成本 保证生产安全 减轻劳动强度 化工自动化目的 一 基础知识 化工自动化的基本组成 显示控制仪表 检测仪表 执行器 一 基础知识 如仪表的测量范围 400 1200KP则仪表的量程为1600KP 仪表量程 仪表量程 测量上限 测量下限 一 基础知识 精度等级有0 02 0 05 0 1 0 2 0 4 0 5 1 0 1 5 2 5 4 0等 仪表精度 表示测量的准确程度 一 基础知识 仪表类型及标准信号 仪表类型 电动仪表 气动仪表 4 20mADC 1 5VDC 1 远传信号用电流源优于电压源 电流传输 电压接收 2 20mA的选择是基于 安全 实用 功耗 成本的考虑 3 零点为4mA DC 不与机械零点重合 这种 活零点 有利于识别断电和断线等故障 4 两线制 0 02 0 1MPa 20KPa 100KPa 一 基础知识 信号的传递形式 连续变化 0 和 1 组合 两种状态 模拟信号 数字信号 开关信号 信号传递形式 一 基础知识 仪表的名称 在DCS系统中是唯一的 一般不超过8位 如 PV2301 LT2310 TIC2310等 仪表位号 TAG 英文字母 数字 仪表位号 一 基础知识 仪表位号 TAG 仪表工位号 参数符号 功能符号 数字 如 TIC2310 参数符号F 流量 L 液位 P 压力 T 温度 E 电流 H 手操 V 振动 阀门 功能符号A 报警 R 记录 C 调节 I 指示 Q 累积 T 变送器 CV 自力式G 现场监视 数字12 9 一 基础知识 前面2位阿拉伯数字一般代表生产工序 后面2位阿拉伯数字一般代表该工序该参数的序号 TG6101 FQI6227 PIC6502 TIA2217A 仪表位号 TAG 一 基础知识 压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力 工程上的 压力 与力学中的 压力 不表示同一个概念 压力的单位为帕斯卡 简称帕 Pa 二 压力检测仪表 压力的定义及单位 1kgf cm2 105Pa 0 1MPa 1巴 bar 0 1兆帕 MPa 100千帕 KPa 1 0197公斤 平方厘米 二 压力检测仪表 压力的定义及单位 美标法兰和公制法兰压力等级的表示方法 CL150 PN2 0 CL300 PN5 0 CL600 PN11 CL900 PN15 CL1500 PN26 CL2500 PN42 1psi 6 895kpa 0 07kg cm2 0 06895bar PSI英文全称为Poundspersquareinch 在压力测量中 常有表压 绝对压力 负压或真空度之分 当被测压力低于大气压力时 一般用负压或真空度来表示 压力的定义及单位 二 压力检测仪表 弹簧管压力表 二 压力检测仪表 普通压力表 耐震压力表 膜片式压力表 电接点压力表 弹簧管压力表 二 压力检测仪表 将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表 图2 5电气式压力计组成方框图 压力变送器 二 压力检测仪表 电容式压力变送器 压力变化 电容量的变化 转变 4 20mA 输出 二 压力检测仪表 智能差压变送器 3051C型智能差压变送器 4 20mA 方框图 二 压力检测仪表 压力 差压 变送器 差压变送器 压力变送器 二 压力检测仪表 流量 单位时间内流过管道某一截面的流体数量的大小 即瞬时流量 单位 t h kg h L h m3 h等 流量定义 二 流量检测仪表 质量流量M 体积流量Q 如以t表示时间 则流量和总量之间的关系是 质量流量和体积流量 三 流量检测仪表 差压式 也称节流式 流量计利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的流量与压力差 P的平方根成正比 即Q K 1 2切断阀 3平衡阀差压计阀组安装示意图 孔板 差压式流量计 三 流量检测仪表 漩涡流量计 三 流量检测仪表 漩涡流量计以卡门涡街理论为基础 采用压电晶体检测流体通过管道内三角柱时所产生的旋涡频率 从而测量出流体的流量 漩涡流量计 三 流量检测仪表 质量流量计 三 流量检测仪表 质量流量计 三 流量检测仪表 电磁流量计 测量原理是法拉第电磁感应定律 用来测量导电液体 三 流量检测仪表 转子 金属浮子流量计 三 流量检测仪表 金属管浮子流量计采用可变面积式测量原理 适用于测量液体 气体 全金属结构 有指示型 电远传型 玻璃管转子流量计 金属浮子流量计 转子流量计的主要测量元件为一根垂直安装的下小上大锥形玻璃管和在内可上下移动的浮子 适应 温度定义及单位 表示物体冷热程度的物理量 常用的温度单位为热力学温标 T 单位是开尔文 K 摄氏温标 单位摄氏度 华氏温标 单位 T tC 273 16tF 32 1 8tC 四 温度检测仪表 双金属温度计 图5 1双金属片 利用液体或固体受热时产生热膨胀的原理 可以制成膨胀式温度计 四 温度检测仪表 热电阻 利用金属的电阻随温度变化而变化的特性来进行温度测量的 工业上使用的铂电阻主要有分度号为Pt100 它的R0 100 Cu50 它的R0 50 四 温度检测仪表 热电偶 两种不同成份的导体两端焊接在一起 当工作端和参比端存在温差时 就在回路中产生热电势 通过热电势的测量就知道对应温度值 工业上使用的热电偶有K型 镍铬 镍硅 S型 铂铑 铂 等 热电偶温度计测温系统示意图 1 热电偶 2 补偿导线 3 测量仪表 四 温度检测仪表 温度变送器 温度变送器为24V供电 二线制的一体化变送器 将热电阻或热电偶的信号放大 并转换成4 20mA的输出电流 四 温度检测仪表 物位检测仪表分类 液体 颗粒 液体 液体 液位计 料位计 介面计 物位仪表 五 物位检测仪表 玻璃板液位计 容器连接构联通器 透过玻璃板直接指示容器的液位 五 物位检测仪表 磁翻板液位计 根据浮力原理和磁性耦合作用原理工作的 当被测容器中的液位升降时 液位计本体管中的磁性浮子也随之升降 浮子内的永久磁钢通过磁耦合传递到磁翻柱指示器 驱动红 白翻柱翻转180 当液位上升时翻柱由白色转变为红色 当液位下降时翻柱由红色转变为白色 指示器的红白交界处为容器内部液位的实际高度 从而实现液位清晰的指示 五 物位检测仪表 差压液位变送器 五 物位检测仪表 差压式液位计 差压式液位计原理图 因此 将差压变送器的一端接液相 另一端接气相 五 物位检测仪表 雷达液位计 雷达式液位计示意图 五 物位检测仪表 其他液位计 电容式液位计 超声波液位计 浮球液位计 浮力和静磁场原理 磁致伸缩液位计 电容量的变化 五 物位检测仪表 物位开关 音叉液位开关 浮球液位开关 阻旋式液位开关 五 物位检测仪表 五 物位检测仪表 六 气动执行器 执行器的分类 气动执行器 电动执行器 液动执行器 气动执行器 调节阀 切断阀 执行器的组成 调节机构 执行机构 辅助机构 调节阀的组成 六 气动执行器 执行机构 气动薄膜 气动活塞 执行机构的分类 六 气动执行器 执行机构的作用方式 六 气动执行器 调节机构 阀 直通单座阀 直通双座阀 角形阀 蝶阀 球阀 调节机构的分类 六 气动执行器 调节阀的作用方式 气开式 FC 气关式 FO 调节阀的作用形式 六 气动执行器 主要从工艺生产上安全要求出发 信号压力中断时 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 选择要求 压力信号增加时 阀关小 压力信号减小时阀开大的为气关式 反之 为气开式 气开式与气关式的选择 六 气动执行器 表11 1组合方式表 图11 11组合方式图 六 气动执行器 调节阀的流量特性 直线 等百分百 快开 抛物线 流量特性的分类 六 气动执行器 电气阀门定位器 电磁阀 辅助机构 六 气动执行器 人工操作与自动控制比较图 七 控制系统 图12 3简单控制系统的方块图 负反馈是控制系统的基石 七 控制系统 基本控制规律 比例控制 P 积分控制 I 微分控制 D 七 控制系统 常用的控制规律 比例控制 P 比例积分控制 PI 比例微分控制 PD 比例积分微分控制 PID 七 控制系统 简单控制系统组成 测量元件 控制器 调节阀 对象 七 控制系统 液位控制系统 温度控制系统 七 控制系统 简单控制系统 简单控制系统的方块图 七 控制系统 简单控制系统 通过这套串级控制系统 能够在塔釜温度稳定不变时 蒸汽流量能保持恒定值 而当温度在外来干扰作用下偏离给定值时 又要求蒸汽流量能作相应的变化 以使能量的需要与供给之间得到平衡 从而保持釜温在要求的数值上 七 控制系统 串级控制系统 在上例中 选择的副变量就是操纵变量 加热蒸汽量 本身 这样 当干扰来自蒸汽压力或流量的波动时 副回路能及时加以克服 以大大减少这种干扰对主变量的影响 使塔釜温度的控制质量得以提高 七 控制系统 串级控制系统 串级控制系统典型方块图 七 控制系统 串级控制系统 串级控制系统的结构 串级控制系统有两个闭合回路 主回路是个定值控制系统 副回路是个随动系统 在串级控制系统中 主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺参数 副变量的引入往往是为了提高主变量的控制质量 它是基于主 副变量之间具有一定的内在关系而工作的 七 控制系统 七 控制系统 比值控制系统 工业上为了保持两种或两种以上物料的比值为一定的控制叫比值控制 七 控制系统 开环比值控制 从物料量Q2与主物料量Q1的比值关系为 开环比值控制 七 控制系统 结构简单 只需一台纯比例控制器 其比例度可以根据比值要求来设定 主 副流量均开环 这种比值控制方案对从物料量Q2本身无抗干扰能力 所以这种系统只能适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合 特点 七 控制系统 单闭环比值控制 单闭环比值控制系统是为了克服开环比值控制方案的不足 在开环比值控制系统的基础上 通过增加一个副流量的闭环控制系统而组成的 单闭环比值控制 这种方案的优点是结构简单 能确保两流量比值不变 是应用最多的方案 七 控制系统 分程控制就是由一只调节器的输出信号控制两只或更多只控制阀 每只控制阀在控制器输出信号的某段范围内工作 分程控制示意框图 七 控制系统 分程控制系统 从控制系统的结构来看 分程控制属于单回路的定值控制系统 其控制过程与简单控制系统一样 1 生产中需用多种物料作调节介质的过程 图13 20热交换器温度分程控制 采用热水与蒸汽两种不同物料作为调节介质 在一般控制系统中难于实现 但在分程控制系统中 不仅充分利用了热水 而且节省了蒸汽 七 控制系统 分程控制系统应用场合 有时生产过程负荷变化很大 要求有较大范围的流量变化 若用一个控制阀 由于控制阀的可调范围R是有限的 当最大流量和最小流量相差太悬殊时 就会降低控制系统的控制质量 这时可采用分程控制系统 阀门动作示意图 分程控制 七 控制系统 分程控制系统应用场合 2 用来保证在不同负荷下的正常控制 七 控制系统 控制系统投用 工艺人员 仪表人员 1 现场仪表 阀门校验 2 控制器正反作用检查 3 控制阀气开 气关检查 4 1 阀门动作方向 2 参数设定 3 控制器手 自动切换 4 七 控制系统 八 集散型控制系统 DCS 计算机控制系统的定义 计算机控制是关于计算机技术如何应用于工业生产过程自动化的一门综合性学问 计算机控制系统是融计算机技术与工业过程控制于一体的综合性技术 它是在常规仪表控制系统的基础上发展起来的 计算机控制系统的发展1965年以前是试验阶段 1946年第一台数字计算机问世 1959年 美国Texaco 德士古 公司的炼油厂安装了第一个计算机闭环控制系统 1960年 美国Monsanto 孟山都 公司的氨厂实现了第一个计算机监督控制系统 1962年 美国Monsanto 孟山都 公司的乙烯厂实现了第一个直接数字计算机控制系统 特点 1 采用电子管 运算速度慢 2 价格贵 体积大 可靠性差 八 集散型控制系统 DCS 计算机控制系统的发展1965年到1969年是实用阶段 半导体技术与集成电路技术的发展 出现了专用于工业过程控制的高性能价格比的小型计算机 特点 1 硬件可靠性不够高 2 且所有的监视和控制任务都由一台计算机来完成 故使得危险也集中化 2 常常要另外设置一套备用的模拟式控制系统或备用计算机 3 系统的投资过高 八 集散型控制系统 DCS 计算机控制系统的发展1970年以后计算机控制系统的应用逐渐走向成熟阶段 随着大规模集成电路技术的发展 1972年生产出运算速度快 可靠性高 价格便宜和体积很小的微型计算机 从而开创了计算机控制技术的新时代 即从传统的集中控制系统革新为集散控制系统 DCS 1975年美国Honeywell公司的推出世界上第一套真正意义的集散型控制系统TDC 2000系统 八 集散型控制系统 DCS 计算机控制系统的发展20世纪80年代 计算机向着超小型化 控制智能化方向发展 20世纪80年代末出现将控制 管理和经营融为一体的新型集散控制系统 当代现场总线控制系统 FCS 八 集散型控制系统 DCS 八 集散型控制系统 DCS 硬件 躯体 1 主机 2 常规外部设备 3 过程输入 输出设备 4 操作台和通信设备 软件 灵魂 1 系统软件 2 应用软件 计算机控制系统 八 集散型控制系统 DCS 计算机控制系统的硬件组成 八 集散型控制系统 DCS 计算机控制系统的分类 数据采集系统 是计算机应用于生产过程控制最早 也是最基本的一种类型 代替大量的常规显示 记录和报警仪表 对整个生产过程进行集中监视 八 集散型控制系统 DCS 计算机控制系统的分类 操作指导控制系统 基于数据采集系统的一种开环系统 计算机根据采集到的数据以及工艺要求进行最优化计算 计算出的最优操作条件 并不直接输出控制生产过程 而是显示或打印出来 操作人员据此去改变各个控制器的给定值或操作执行器 八 集散型控制系统 DCS 计算机控制系统的分类 直接数字控制系统 生产过程的闭环控制 完全取代了多个模拟调节器 控制方案上 不改变硬件只通过改变程序就能有效地实现各种各样的复杂控制 因此 DDC系统是计算机在工业生产过程中最普遍的一种应用方式 八 集散型控制系统 DCS 计算机控制系统的分类 计算机监督控制系统 计算机监督控制系统是操作指导系统 SCC 与常规仪表控制系统或DDC系统综合而成的两级系统 八 集散型控制系统 DCS 计算机控制系统的分类 集散型控制系统 DCS 随着生产规模的扩大 信息量的增多 控制和管理的关系日趋密切 对于大型企业生产的控制和管理 不可能只用一台计算机来完成 于是 人们研制出以多台微型计算机为基础的分散控制系统 DistributedControlSystem DCS DCS采用分散控制 集中操作 分级管理 分而自治和综合协调的设计原则 自下而上可以分为若干级 如过程控制级 控制管理级 生产管理级和经营管理级等 DCS又称分布式或集散式控制系统 集散控制系统 DistributedControlSystem DCS 是计算机控制系统的一种结构形式 八 集散型控制系统 DCS 危险分散 管理集中 集散型控制系统 DCS系统发展历程 第一代DCS 初创期 1975年Honeywell公司TDC2000系统 第二代DCS 成熟期 1980年Honeywell公司TDGC3000 特点引入了局域网 LAN 作为系统骨干 第三代DCS 扩展期 1987年Honeywell公司的TDC 3000 UCN Yokogawa公司的Centum CS1000系列 特点增加了上层网络 新一代DCS 现场总线技术的成熟与应用 八 集散型控制系统 DCS 人机接口 通信网络 现场控制站 DCS基本结构 八 集散型控制系统 DCS 集散控制系统基本构成图 八 集散型控制系统 DCS 控制技术 计算机技术 通信技术 图形显示技术 DCS系统的技术基础 八 集散型控制系统 DCS 监视操作方便 控制功能丰富 系统扩展灵活 安装维护方便 系统可靠性高 信息数据共享 DCS系统的特点 人机接口 通信网络 现场控制站 DCS基本结构 八 集散型控制系统 DCS 通信模块 处理器模块 输入输出模块 电源模块 控制站软件 现场控制站的构成 八 集散型控制系统 DCS 现场控制站 RAM E2PROM ROM 存放CPU的运算结果和I O信号 存放用功能块连成的控制方案 操作系统 功能块库 通信软件 现场控制站内存及作用 八 集散型控制系统 DCS 八 集散型控制系统 DCS 控制器是DCS的核心部件 它相当于一台PC机 控制器中安装有操作系统 功能块组态软件和通讯软件 组态按照工艺要求 把功能块连接起来形成控制方案 把控制方案存在E2PROM中 因为E2PROM可以擦写 组态要随工艺改变而改变为了系统安全运行 闭环控制器一定是冗余运行的 一用一备 并且是热备 为了使冗余成功 应注意以下几点 两个控制器的硬件 软件版本必需一致 检查发送 接收的芯片是否完好 冗余的芯片是否完好 两个模件的设定是否一样 还要检查有没有带手操站等 通信功能 控制策略实现 信号采集 转换 现场控制站的功能 八 集散型控制系统 DCS 现场控制站的功能 操作员站 工程师站 人机接口站 八 集散型控制系统 DCS 人机接口站 操作员站的功能 操作功能 监视功能 手 自动 串级切换 给点值修改 PID参数的调整 PID参数的调整 调节阀阀位的改变 机泵启停 报警 联锁确认 流程图画面 总貌画面 报警画面 趋势画面 报表 数据处理 报表打印 八 集散型控制系统 DCS 系统生成 控制策略实现 系统管理 工程师站的功能 八 集散型控制系统 DCS 工程师站的功能 组态软件 控制层软件 监控软件 八 集散型控制系统 DCS DCS软件 DCS软件 DCS主要供应商及产品 国外公司1 HONEYWELL公司 美国 TDC2000 TDC3000 LCN PKS系统 2 YOKOGAWA公司 日本 CENTUM CS1000 CS3000系统 3 Emerson公司 美国 DeltaV系统 国内厂家1 浙大中控公司 中国 WebFieldECX 100 2 和利时公司 中国 HOLLIASMACS系统 八 集散型控制系统 DCS Y