仪表班讲义(2007)PPT课件.ppt

大庆测控系统学习班讲义 2007年6月 1 自动化仪表应用技术 高庆 2 主要内容 1 仪表基础知识简介 2 仪表测量回路及控制回路的构成 3 火焰监控报警仪工作原理及应用 4 智能数显仪表功能特点及应用 5 加热炉自动点火装置 6 其它自动化控制装置 3 1 仪表基础知识简介 传感器定义 能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置 传感器的分类 按测量物理量分类 可分为位移 力 速度 温度 流量 气体成份等传感器 按工作原理分类 可分为电阻 电容 电感 电压 霍尔 光电 光栅 热电偶等传感器 按输出信号的性质分类 可分为 输出为开关量的两位型传感器 输出为模拟型传感器 输出为脉冲或代码的数字型传感器变送器 能将传感器输出信号转变为一个统一标准的电路组合 4 常用仪表 压力变送器 5 一体化温度变送器 6 浮球液位控制器 7 流量仪表 8 盘装智能化显示 控制仪表 9 2 仪表测量控制回路的构成及应用实例 常用仪表测量回路的构成 常用仪表位式控制的构成 常用仪表 控制的构成 水箱自动补水控制 油田注水站注水泵压力自动控制 双回路温度精密控制 10 利用仪表的回差技术实现的水罐自动补水控制 智能仪表的回差 滞环 概念是指仪表控制限值设定后 为其撤消控制 恢复正常工作状态所设定的一个带宽值 见回差示意图 控制上 下限值的设定为水罐要求控制的高 低水位点 在智能仪表的设置中 应分别将其设定为超高动作和超低动作 两位式水罐自动补水控制见水位控制方案示意图 11 位式控制示意图 12 补水用电动阀门的动作电源通过中间继电器供给 液位变送器测量的水罐液位信号送至智能仪表进行数字显示和光柱液位显示 当测量信号低于控制下限值时 智能仪表控制继电器J1动作 输出电动阀开阀信号 使电动阀门开启 通过供水管线向水罐补水 此时设定的下限回差值宽度 是电动阀开启时间的保证 当测量信号高于控制上限值时 智能仪表控制继电器J2动作 输出电动阀关阀信号 使电动阀门关闭 停止供水管线向水罐补水 此时设定的上限回差值宽度 是电动阀关闭时间的保证 13 在实际使用中 应根据使用要求设定水罐控制点 根据电动阀门的开启 关闭动作时间 以及水罐的容量大小等因素设定仪表回差值 注意应保证两回差区域不得重叠 确保电动阀门可靠开启和关闭 14 利用智能仪表P I D输出实现电机节能控制 异步电动机是石油 化工等生产过程中最主要的动力设备 作为高能耗设备 其输出功率不能随负荷而变化 将造成很大的无功能量损耗 随着变频调速技术的成熟及日益广泛的应用 采用变频调速技术对电动机供配电进行技术改造 已成为节能降耗 提高运行效率的重要手段 我们在异步电动机节能控制上采用了如下控制方案 15 注水泵压力自动控制 16 控制系统由二台控制器 二台测量变送器 一套执行机构与多层切换开关组成 控制器采用智能仪表 变送器根据被控参数为泵出口压力 选用压力变送器 执行机构是与二台电机功率配套的变频调速器 通过切换开关操作 可以实现一套变频调速器在不同时段对二套注水机泵自动控制 控制系统的被控参量经压力变送器测量 信号送至智能仪表 智能仪表将其信号与仪表给定值进行比较 偏差值进行P I D运算 结果送至变频器控制输入端 变频器输出频率的改变使注水泵电机的转速变化后加至被控系统上 从而实现系统的闭环控制 17 为保证注水干线压力稳定 除正确设定智能仪表的P I D参数外 执行部件的变频器参数设定也十分重要 其中 变频器最低运行频率的设定值与输入信号对应的最低频率设定值应设为一致 保证控制信号与变频器输出值的线性对应关系 参数值根据使用经验 应为该泵正常运行时频率下限值的80 为宜 此时 当注水系统发生扰动时 控制系统可快速跟踪其变化 调整注水泵电机的转速 使注水系统压力稳定 18 控制系统已在油田注水站应用 由于二套注水机泵共用一套变频调速器 可节省大量设备投资 控制系统根据注水管网干线压力和注水量的变化 实时调节注水泵电机转速 使注水机泵运行在最佳工作状态 从而达到了节能目的 此控制方案可广泛用于油田的输油 供水及其它自动化生产过程中 19 双回路温度精密控制 在石油 化工领域 为保证产品品质的稳定 生产过程经常需要温度的精密控制 我们利用智能仪表的主 辅控输出 对生产过程进行双回路闭环P I D调节控制 以达到温度的快速稳定调节 智能仪表的主 辅控输出特性为单向P I D特性 既当测量值小于给定值时主控输出 辅控没有输出 当测量值大于给定值时则反之 换热器温度精密控制示意图 20 21 示例中 被加热介质在换热器中流过 智能仪表主 辅控输出分别连接至V1 V2电动调节阀 控制换热器高温蒸汽和冷却水的阀门开度 智能仪表的输入信号来自安装在被加热介质出液管线上的温度变送器 该信号为被控参量 它与控制给定值比较 确定主 辅控两路中的一路对执行部件进行操作输出 实现被控参量的稳定 由于温度参量变化较缓慢 在进行仪表P I D设置时 除设定比例 积分项外 应加入微分作用 22 火焰监控报警仪工作原理及应用 火焰监控报警仪用途 火焰监控报警仪是油田锅炉 加热炉等燃烧设备上使用的安全监控仪表 用于炉内火焰的监测和熄火保护 能够实现其它功能安全保护 火焰监控报警仪构成及相关部件 1 火焰传感探头 2 指示报警仪 3 电磁阀 相关部件 见下图 23 HKB 1型火焰监控报警仪 24 HKB 2型火焰监控报警仪 25 HKB 3型火焰监控报警仪 26 火焰监控报警仪在油田各采油厂应用分布图 27 火焰监控报警仪工作原理 火焰监控报警仪由光敏探头输入电路 放大电路 停泵停输输入电路 报警判别电路 报警类别显示电路 控制电路 声光驱动电路 输出电路等组成 见下图 当火焰传感器对准火焰时 紫外光敏管受火焰紫外光照射 产生光电流信号 信号经放大后驱动控制电路 使二次表绿灯亮 表示火焰正常 当火焰熄灭后 光电流消失 控制电路产生熄火指示信号 绿灯灭 报警红灯闪烁 并发出报警声音 28 停泵 停输状态为外部输入的开关信号 当外接信号为闭合时 控制电路也将显示停泵 停输状态信号 绿灯灭 报警红灯闪烁 并发出报警声音 燃料供给电磁阀由开启状态变为关闭状态 切断燃料供给 防止事故发生 29 火焰监控报警仪组成框图 光敏探头输入电路 停泵 停输输入电路 HKB 2 3无 电源电路 报警类别显示 声光驱动电路 HKB 2 3只有熄火报警显示 电磁阀 报警 接点驱动输出控制电路 HKB 2 3只有报警输出 手动 有源AC220V 无源接点复位电路 HKB 2无源复位 HKB 3有源复位 放大 状态显示 报警判别等电路 30 目前 对火焰燃烧状态进行全程监控管理 普遍采用将火焰燃烧中的紫外光进行接收 转换 如何把火焰燃烧中的紫外光转换成火焰监控报警仪的输入信号 将成为火焰监控报警仪的技术关键 现普遍采用紫外光敏管接收技术将火焰燃烧中的紫外光转换成稳定的微电流信号 31 紫外光 光的短波长有紫外线 简称UV 区域 波长范围100 400nm 紫外线也称紫外光 国际照明委员会 CIE 对紫外线辐射给出了明确的波段定义 UV A 315 400nmUV B 280 315nmUV C 100 280nm根据光子能E h 式 h常数 光波长 波长越短光子能越高 能量较低的UV A具有光化学作用 所以也称化学线 用于有机物的合成 涂料或粘接剂的UV固化等领域 UV B对生物的作用效果大 所以也称生物线 UV C是远紫外线 因为波长短能量大 具有杀菌作用 能分解分子的结合 固体表面和水中污染物的光处理 UV C具有强的作用效果 利用UV C段253nm的紫外线杀菌灯和210nm紫外线的火焰燃烧检测应用较多 32 紫外光接收与转换物质在燃烧过程有大量的紫外光产生 火焰中的紫外光 可使紫外光敏管的电极激发出离子 产生微小的光电流 专用的紫外光敏管可有效的接收到紫外线信号 紫外光敏管在燃烧火焰中的紫外光照射下产生微小的光电流 电流经整流电路后变为脉动直流 为提高转换电路的输入阻抗 我们在设计中选用场效应晶体管做为输入级 场效应晶体管 FET 简称场效应管 见下图 具有极高的输入阻抗 是一种电压控制半导体器件 即管子的电流受控于栅极电压 33 场效应晶体管 FET 简称场效应管 见下图 具有极高的输入阻抗 是一种电压控制半导体器件 即管子的电流受控于栅极电压 场效应管有三个引出管脚 分别为源极 S 漏极 D 栅极 G 当栅极开路时 源极漏极间相当于一个电阻 其阻值一般为数百欧姆到数千欧姆 当源极和漏极间加上电压VDS时 就有漏电流ID流过 ID随VDS增加而增大 如果在栅极加上负偏压时 源极漏极间电阻将加大 随着反向偏压的加大 使ID减小 甚至场效应管会完全截止 场效应晶体管管脚及转移特性曲线见下图 34 IDSS 饱和漏源电流 零偏压 VDS 0 时的漏极电流 VP 夹断电压 在源极接地时 为使漏源电流输出为零的栅源电压 35 在紫外光照射下 光敏管电极激发出离子 产生的微小电流 经场效应管输入组件中整流管整流为脉动直流 对回路积分电路充电 通过回路电阻保证场效应管的夹断电压的稳定 场效应管漏源电流为零 保证放大转换组件中放大管截止 使输出组件继电器吸合 带动电磁阀工作 36 紫外光接收转换电路 37 火焰监控报警仪安装 传感器探头安装在加热炉或锅炉炉口上 应对准火焰 采用焊接安装接头方法连接 二次表安装在控制室仪表盘上 保护用电磁阀安装在燃气管路上 电磁阀前后应加装截止阀 及控制回路旁通阀 火焰监控报警仪使用操作及注意事项 点炉时 应使用旁通阀门供气 当火焰正常时 可将控制回路阀门打开 通过按下火焰监控报警仪面板上复位按键 使电磁阀打开 在关闭旁通阀门 此时火焰监控报警仪投入正常检测控制工作状态 38 注意事项 由于紫外光的穿透能力极弱 火焰传感探头安装时 必须正对燃烧的火焰 不得有任何遮挡 在粉尘较大的环境中使用 火焰传感探头 紫外光敏管前端应加装透紫石英玻璃 其透紫外光范围应与紫外光敏管接收紫外光范围一致 39 智能数显仪表功能特点及应用 微电子和计算机技术的不断发展 引发了仪表功能和仪表设计的根本变革 以各类嵌入式微控制器MCU 或称之为单片机 及专用芯片为主体 将计算机技术和检测技术有机结合 组成了新一代 智能化仪表 在测量过程自动化 测量数据处理及功能多样化方面 与传统仪表的常规测量电路相比较 取得了巨大进展 40 智能仪表不仅能解决传统仪表不易或不能