自动化仪表与过程控制

绪论 自动化仪表指哪一类仪表 什么叫单元组合式仪表 答 a 是由若干自动化元件构成的 具有较完善功能的自动化技术工具 b 由具有不同功能的若干 单元仪表按调节系统具体要求组合而成的自动调节仪表 DDZ II 型与 DDZ III 型仪表的电压 电流信号传输标准是什么 在现场与控制室之间采用直 流电流传输信号有什么好处 答 在 DDZ I 型和 DDZ II 型以表中采用 0 10mA 直流电流作为标准信号 而在 DDZ III 型和 DDZ S 型仪表中 采用国际上统一的 4 20mA 直流电流作为标准信号 这两种标准信号都以直 流电流作为联络信号 采用直流信号的优点是传输过程中易于和交流感应干扰相区别 且不存 在相移问题 可不受传输线中电感 电容和负载性质的限制 采用电流制的优点首先可以不受 传输线及负载电阻变化的影响 适于信号的远距离传送 其次由于电动单元组合仪表很多是采 用力平衡原理构成的 使用电流信号可直接与磁场作用产生正比于信号的机械力 此外 对于 要求电压输入的仪表和元件 只要在电流回路中串联电阻便可得到电压信号 故使用比较灵活 什么叫两线制变送器 它与传统的四线制变送器相比有什么优点 试举例画出两线制变送 器的基本结构 说明其必要的组成部分 答 a 就是将供电的电源线与信号的传输线合并起来 一共只用两根导线 b 1 有利于识别仪表 的断电断线等故障 2 不仅节省电缆布线方便 而且大大有利与安全防爆易抗干扰 3 上限值较 大 有利于抑制干扰 4 上下限的比值为 5 1 与气动仪表信号制对应 便于相互折算 产生较大的 磁力 c 图 什么是仪表的精确度 试问一台量程为 100 100 精确度为 0 5 级的测量仪表 在量程范 围内的最大误差为多少 答 模拟式仪表的合理精确度 应该以测量范围中最大的绝对误差和该仪表的测量范围之比来 衡量 这种比值称为相对百分误差 仪表工业规定 去掉百分误差的 称为仪表精确度 一般选 用相对误差评定 看相对百分比 相对误差越小精度越高 x 100 100 0 5 x 1 1 1 试述热电偶的测温原理 工业上常用的测温热电偶有哪几种 什么热电偶的分度号 在什么情况下要使用补偿导线 答 a 当两种不同的导体或半导体连接成闭合回路时 若两个接点温度不同 回路中就会 出现热电动势 并产生电流 b 铂极其合金 镍铬 镍硅 镍铬 康铜 铜 康铜 c 分度号是用来反应温度传感器在测量温度范围内温度变化为传感器电压或电阻值变化 的标准数列 d 在电路中引入一个随冷端温度变化的附加电动势时 自动补偿冷端温度变化 以保证 测量精度 为了节约 作为热偶丝在低温区的替代品 1 2 热电阻测温有什么特点 为什么热电阻要用三线接法 答 a 在 200 到 500 摄氏度范围内精度高 性能稳定可靠 不需要冷端温度补偿 测温范 围比热电偶低 存在非线性 b 连接导线为铜线 环境温度变化 则阻值变 若采用平衡电桥三线连接 连线 R 使桥 路电阻变化相同 则桥路的输出不变 即确保检流计的输出为被测温度的输出 1 3 说明热电偶温度变送器的基本结构 工作原理以及实现冷端温度补偿的方法 在什么 情况下要做零点迁移 答 a 结构 其核心是一个直流低电平电压 电流变换器 大体上都可分为输入电路 放 大电路及反馈电路三部分 b 工作原理 应用温度传感器进行温度检测其温度传感器通常为热电阻 热敏电阻集成温 度传感器 半导体温度传感器等 然后通过转换电路将温度传感器的信号转换为变准电流 信号或标准电压信号 c 由铜丝绕制的电阻 Rcu 安装在热电偶的冷端接线处 当冷端温度变化时 利用铜丝电阻 随温度变化的特性 向热电偶补充一个有冷端温度决定的电动势作为补偿 桥路左臂由稳 压电压电源 Vz 约 5v 和高电阻 R1 约 10K 欧 建立的恒值电流 I2 流过铜电阻 Rcu 在 Rcu 上产生一个电压 此电压与热电动势 Et 串联相接 当温度补偿升高时 热电动势 Et 下 降 但由于 Rcu 增值 在 Rcu 两端的电压增加 只要铜电阻的大小选择适当 便可得到满 意的补偿 d 当变送器输出信号 Ymin 下限值 即标准统一信号下限值 与测量范围的下限值不相对 应时要进行零点迁移 1 4 什么叫共模干扰和差模干扰 为什么工业现场常会出现很强的共模干扰 共模干扰为什么 会影响自动化仪表的正常工作 怎样才能抑制其影响 答 共模干扰 电热丝上的工频交流电便会向热电偶泄漏 使热电偶上出现几伏或几十伏的对 地干扰电压 这种在两根信号线上共同存在的对地干扰电压称为 差模干扰 在两根信号线之 间更经常地存在电磁感应 静电耦合以及电阻泄漏引起的差模干扰 工业上会出现共模干扰 是因为现场有动力电缆 形成强大的磁场 造成信号的不稳 共模干扰是同时叠加在两条被测 信号线上的外界干扰信号 是被测信号的地和数字电压表的地之间不等电位 由两个地之间的 电势即共模干扰源产生的 在现场中 被测信号与测量仪器间相距很远 这两个地之间的电位 差会达到几十伏甚至上百伏 对测量干扰很大使仪表不能正常工作有时会损坏仪表 共模干扰 在导线与地 机壳 之间传输 属于非对称性干扰 共模干扰幅度大 频率高 还可以通过导线产 生辐射 所造成的干扰较大 消除共模干扰的方法包括 1 采用屏蔽双绞线并有效接地 2 强电 场的地方还要考虑采用镀锌管屏蔽 3 布线时远离高压线 更不能将高压电源线和信号线捆在 一起走线 4 不要和电控锁共用同一个电源 5 采用线性稳压电源或高品质的开关电源 纹波干 扰小于 50mV 1 7 试述节流式 容积式 涡流式 电磁式 漩涡式流量测量仪表的工作原理 精度范围 及使用特点 答 a 节流式 工作原理 根据流体对节流元件的推力或在节流元件前后形成的压差等可以测定流量的大 小 差压流量计 根据节流元件前后的压差测流量 精度 正负 0 5 到 1 使用特点 保证节流元件前后有足够长直管段 靶式流量计 使用悬在管道中央的靶作为节流元件 精度 2 到 3 使用特点 可用于测量悬浮物 沉淀物的流体流量 转子流量计 以一个可以转动的转子作为节流元件 使用特点 可从转子的平衡位置高低 直接读出流量数值 b 容积式 工作原理 直接安装固定的容积来计量流体 精度 可达 2 较差时亦可保证 0 5 1 使用特点 适用于高黏度流体的测量 c 涡轮式 工作原理 利用导流器保证流体沿轴向推动涡轮 并且根据磁阻变化产生脉冲的输出 精度 0 25 1 使用特点 只能在一定的雷诺数范围内保证测量精度 由于有转子 易被流体中的颗粒及 污物堵住 只能用于清洁流体的流量测量 d 电磁式 工作原理 以电磁感应定律为基础 在管道两侧安放磁铁 以流动的液体当作切割磁力线 的导体 由产生的感应电动势测管内液体的流量 精度 0 5 1 使用特点 只能测导电液体的流量 e 漩涡式 工作原理 根据漩涡产生的频率与流量的关系测定流量 精度 正负 0 2 正负 1 使用特点 量程比达到 30 1 可测液体和气体 1 8 简述液位测量方法 可以采用浮力式液位计 静压式液位计 电容式液位计 超声波液位计 2 3 PID 调节器中 比例度 p 积分时间常数 Ti 微分时间常数 Td 积分增益 Ki 微分增益 Kd 分 别有什么含义 在调节器动作过程中分别产生什么影响 若令 Ti 取 Td 取 0 分别代表 调节器处于什么状态 答 1 在比例积分运算电路中 RI CI 组成输入电路 CM 为反馈元件 1 比例度 P Cm CiX100 表示在只有比例作用的情况下 能使输出量做满量程变化的输入 量变化的百分数 2 积分时间 Ti RICI Ti 愈小 由积分作用产生一个比例调节效果的时间愈短 积分作用愈 强 Ti 越大 积分作用越弱 3 积分增益 Ki CM CIXA A 为放大器增益 Ki 越大 调节静差越小 比例微分运算电路中 由 Rd Cd 及分压器构成无源比例微分电路 4 kd 为比例微分调节器输出地最大跳变值与单纯由比例作用产生的输出变化值之比 5 微分时间 Td KdRdCd 2 Ti 取无穷时 调节器处于 PD 状态 Td 取零时 调节器处于 PI 状态 2 4 什么是 PID 调节器的干扰系数 答 用 PI PD 串联运算获得 PID 调节规律时 在整定参数上存在相互干扰的现象 常用 干扰系数 F 1 Td Ti 表示 3 1 集散控制系统 DCS 也叫分布式控制系统 即控制功能分散 操作监视与管理集中 主要由操 作站 现场控制 通信网络三大部分组成 其中操作站作为人机接口 进行系统的集中监视操作 维护与工程组态 现场控制站则是分散执行控制功能他们几只通过内部的高速通道总线相连 组成计算机的局域网 控制功能分散 操作监视管理集中可以使系统在某个站发生故障时 其 他回路不受影响 不至于系统全部瘫痪 其次 集中控制保证了系统实时性的要求 让操作人员 以最短的时间迅速掌握整个生产过程的状态 及时进行整定调节 集中控制的缺点 随着控制 功能的集中 事故的危险性也集中了 当一台控制几百个回路的计算机发生故障时 整个生产 装置全面瘫痪 3 6 什么是 现场总线 现场总线控制系统与集散控制系统相比 有哪些优点 答 现场总线 fieldbus 是连接智能测量与控制设备的全数字式 双向传输 具有多节点分 支结构的通信链路 它是用于工业自动化领域的许多局域网之一 现场总线技术与传统的 4 20mA 模拟传输技术相比 其优势是明显的 首先 双向数字通信使我们不仅可以从现场纪实读取大量实时信息 而且可以根据需要 实现远程组态与维护 其次 现场总线的网络化结构可以大大节省连接网络 降低安装费用 此外 传统控制器中的标准功能 如 PID 控制算法 输入 输出处理等 均可在现场总线设 备中完成 使控制功能比 DCS 更加分散 可减少硬件设备 降低控制系统的总成本 最后 现场总线设备的一致性与可相互操作性 保证了现场总线系统的开放性 以及在数 字通信条件下 来自不同厂商设备的互换性 4 3 什么是调节阀的固有流量特性和工作流量特性 为什么流量特性的选择对控制系统的工 作至关重要 答 在调节阀前后压差固定的情况下得出的流量特性称为固有流量特性 也叫理想流量 特性 在各种具体的使用条件下 阀芯位移对流量的控制特性 称为工作流量特性 从自动控 制的角度看 调节阀一个最重要的特性是他的流量特性 即调节阀阀芯位移与流量之间的 关系 值得指出调节阀的特性对整个自动调节系统的调节品质有很大的影响 4 6 电动仪表怎样才能用于易燃易爆场所 答 具有一定的防燃防爆措施 安全火花 不会引起引燃 爆炸等事故的火花 4 7 安全火花防爆仪表 设计思想 从电路设计开始就考虑防爆 把电路在短路 开断及误操作等各种状态下可能 发生的火花都限制在爆炸性介质的点火能量之下 是从爆炸发生的根本原因上采取措施解 决防爆问题的 优点 防爆等级比结构防爆仪表高一级 长期使用不降低防爆等级 在危险现场进行带点 测试和检修 全部采用安全火花仪表 不能构成防爆系统 因为对一台安全火花防爆仪表来说 它只能 保证自己内部不发生危险火花 对于从控制室引来的电线是否安全是无法保证的 如果从 控制室引来的电线没有采取限压限流措施 那么 在变送器接线端子上或传输途中发生短 路 开路时 完全可能在现场产生危险火花 引起燃烧或爆炸事故 充分必要条件 1 在危险现场使用的仪表都必须是安全火花型的 2 现场仪表与非危险场所 之间的电路连接必须经过防爆栅 3 从现场仪表到防爆栅的连接线不得形成大的分布电容和 电感 5 飞升曲线 把反应曲线叫做对象的飞升曲线 自恒特性 对象在扰动作用破坏其平衡工况后 在没有操作人员或调节器的干预下自动恢 复平衡的特性 滞后 指被调量的变化落后于扰动的发生和变化 6 3PID 控制规律及特点 P 加快系统的动作速度 减小超调 克服震荡减小系统的稳态误差 提高稳态精度但是系统存在 静差 虽然增大比例系数可以减小静差 但是不能消除静差 I 积分作用是消除静差 但是积分时 间常数太大积分作用不明显 太小可能引起震荡 时系统不稳定 增大系统的调节时间动态品 质变坏 D 微分作用 加快系统的响应速度 较小调节时间 减小超调量 但系统抗干扰的能力变 弱单独的微分有严重的不足 就是对静差毫无抑制的能力 因此不能单独使用 6 4 何谓单回路调节系统 单回路调节系统适用于哪些场合 答 单回路调节系统 一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数恒定 而调 节器只接收一个测量信号 其输出也只是控制一个执行机构 在一般连续生产过程中 单 回路调节系统可以满足大多数工业生产的要求 因此它的用量很大 只有在单回路调节系 统不能满足生产的更高要求的情况下 才用复杂的调节系统 6 5 试分析对象的干扰通道和控制通道特性对控制性能的影响 答 干扰通道的放大系数 Kf 影响着干扰加在系统上的幅值 若调节系统是有差系统 则干 扰通道 控制系统的静差也愈大 干扰通道时间常数 Tf 的影响 如果干扰通道是一阶惯性环节 其时间常数为 Tf1 则阶跃 干扰通过惯性环节 其过渡过程的动态分量被滤波而幅值减小了 这样一来 使控制过程 最大偏差随着 Tf1 的增大而减小 从而提高了调节质量 当干扰作用点的位置离测量点近 则动态偏差大 反之 干扰离测量点远 则动态偏差小 调节质量高 6 6 简述调节器参数三种实验整定方法 三种方法的优缺点比较及其适用 场所 稳定边界法又称临界比例度法 即在生产工艺容许的情况下 用试验方法找出 当一个比 例调节系统的被调量作等幅振荡时 按经验公式求出调节器的整定参数 反应曲线法 用反应曲线法整定调节器的参数应先测定对象的动特性 即对象输入量作单 位阶跃变化时被调量的反应曲线 亦即飞升特性 根据飞升特性曲线定出几个能代表该调 节对象动态特性的参数 然后可直接按这个数据定出调节器最佳整定参数 衰减曲线法 是在总结 稳定边界法 和其他一些方法的基础上 经过反复实验得出来的 反应曲线法的优点是进行飞升特性实验比其他两种方法的实验容易掌握 做实验所需时间 比其他方法短些 缺点是在实际生产中做飞升曲线试验 往往不太容易 这个方法适用于 被调量允许变化较大的对象 稳定边界法的优点是 在稳定边界的条件下 调节器的比例度 P 较小 动作很快 结果被 调量的波动幅度很小 一般生产过程是允许的 缺点是 对于比例度特别小的系统和调节 对象 T 值很大 时间常数 T 也很大的系统不适用 该方法适用于一般的流量 压力 液 面和温度调节系统 衰减曲线法的优点是 被调量偏离工作点不大 也不需要把调节系统推进到稳定的边界 因而比较安全 且容易掌握 能适用于各种类型的调节系统 缺点是 整个实验很浪费时 间 7 3 简述串级控制系统的设计原则 答 主被控参数和主回路的选择主参数 主回路设计与单回路设计基本相同 凡直接 或间接反映生产过程的产品质量和产量 并可测量的参数作为主被控参数 所构成的回路 为主回路 副被控参数的选择和副回路设计串级控制系统的所有优点是该系统具有副 回路 因此副回路设计尤为重要 副被控参数的选择应使副回路的时间常数 纯滞后小 以保证控制通道短和快速性 副被控参数须对住被控参数有足够的灵敏度 控制参数应对 副被控参数影响快 副回路必须包括生产过程中变化剧烈 频繁 幅度大的干扰 并且 尽可能多的干扰