化工仪表及自动化

化工仪表及自动化,主要内容,一、仪表基础知识二、现场仪表三、控制系统基础知识,仪表基础知识,生产过程自动化基本概念在生产过程中，利用自动化仪表装置来检测、显示、控制生产过程中的重要工艺参数，自动的维持生产过程的正常进行，当工艺参数受到外界干扰的影响而偏离正常状态时，能自动的调回到规定的参数范围内。生产过程自动化系统分为以下几类：自动检测系统、自动信号联锁保护系统、自动操作系统、自动调节系统。,仪表基础知识,仪表定义化工仪表，对化工、炼油等生产过程中的各种变量(P、T、L、F、A等)进行自动检测、显示和控制的仪表三、检测及被控对象及变量温度、压力、流量、液位、分析、机组轴系仪表,仪表基础知识,六、仪表的性能指标,仪表基础知识,仪表位号：参数符号+功能符号+数字，如TIC2310A,七、仪表位号组成,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,仪表基础知识,八.仪表信号传输形式AI：模拟量输入（电流、电压信号）AO：模拟量输出（电流、电压信号）DI：数字量输入（开关量）DO：数字量输出（开关量）PI：脉冲量输入（频率信号）PO：脉冲量输出（频率信号数字信号其它,仪表基础知识,九、简单仪表回路组成,仪表基础知识,十、控制回路物理连接,仪表基础知识,十一、控制回路硬件组成：控制层仪表、接线端子、安全栅、继电器、I/O卡、CPU,隔离式安全栅原理,危险场所电路,认证的变压器,认证的元件,能量限制,安全场所接线端,危险场所接线端,电源,安全隔离,安全场所电路,温度检测仪表,一、温度1、定义：温度是表征物体冷热程度的物理量。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量。2、测量方式：接触式和非接触式3、化工企业常用温度仪表：双金属、热电偶、热电阻、温度变送器,温度检测仪表,热电偶,热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表。,热电偶示意图,热电极A,右端称为：自由端（参考端、冷端）,左端称为：测量端（工作端、热端）,热电极B,热电势,热电偶温度计工作原理示意图,温度检测及仪表,温度检测仪表,组成：测温元件补偿导线形式：普通铠装中间导体定律冷端补偿注意：补偿导线型号应与不同分度号热电偶对应，极性不能接反,温度检测仪表,17,表5-2常用热电偶,常见故障原因及处理套管粘东西,温度检测仪表,热电阻测量原理：利用导体（电极）电阻随温度变化而变化适用范围：热电阻温度计适用于测量-200+500铂热电阻铜热电阻（-50-150氧化，失去线性）,温度检测仪表,33,1.铂电阻,金属铂容易提纯,在氧化性介质中具有很高的物理化学稳定性,有良好的复制性。但价格较贵。,要确定Rtt的关系,首先要确定R0的大小。R0不同,Rtt的关系也不同。这种Rtt的关系称为分度表,用分度号来表示。,工业上使用的铂电阻主要有分度号为Pt100,它的R0=100。,温度检测仪表,34,2.铜电阻,金属铜易加工提纯，价格便宜；它的电阻温度系数很大，且电阻与温度呈线性关系；在测温范围为-50+150内，具有很好的稳定性。,在-50+150的范围内，铜电阻与温度的关系是线性的。即,工业上常用的铂电阻有两种，一种是R050，对应的分度号为Cu50。另一种是R0100，对应的分度号为Cu100。,常见故障原因及处理,温度测量仪表,安装1、逆流或正交2、插入深度，末端进入管线中心线，最大流速区,压力检测仪表,二、压力常用压力仪表：压力（差压）变送器、就地压力表、压力或差压开关智能压力变送器单晶硅谐振式电容式组态、校准（误差、精度等级、量程选择）常见故障,压力变送器原理,（1）测压点的选择,要选在被测介质直线流动的管段部分，不要选在管路拐弯、分叉、死角或其他易形成漩涡的地方。测量流动介质的压力时，应使取压点与流动方向垂直，取压管内端面与生产设备连接处的内壁应保持齐平，不应有凸出物或毛刺。测量液体压力时，取压点取压点应在管道下部，使导压管内不积存气体；测量气体时，取压点应在管道上方，使导压管内部积存液体。测量蒸汽压力时，应加装凝液管，以防止高温蒸汽直接与测压元件接触对于有腐蚀性介质的压力测量，应加装有中性介质的隔离罐，当被测压力较小，而压力表与取压口又不在同一高度时，对由此高度而引起的测量误差应按pHg进行修正。式中H为高度差，为导压管中介质的密度，g为重力加速度。,压力变送器,注意事项安装,（2）导压管铺设,导压管粗细要合适，一般内径为610mm，长度应尽可能短，最长不超过50m，以减少压力指示的迟缓和滞后。导压管水平安装时应保证有1:101:20的倾斜度，以利于积存于其中之液体（或气体）的排出。当被测介质易冷凝或冻结时，必须加设保温伴热管线。取压口到压力计之间应装有切断阀，以备检修压力表时使用。切断阀应装设在靠近取压口的地方。,压力检测及仪表,流量（瞬时流量）：单位时间内流过管道某一截面的流体的数量。累积流量（总流量）：某一时段内流过的流体的总合。瞬时流量在某一时段的累积量。质量流量(M)：单位时间内流过某截面的流体的质量。单位：（t/h、kg/h、kg/s）体积流量(Q)：单位时间内流过某截面的流体的体积。（工作状态下）单位：（m3/h、L/h、L/min）,一、流量的基本概念,流量检测及仪表,流量检测及仪表,二、流量计的使用,流量检测及仪表,一、差压式流量计测量原理组成流量与压力差的平方根成正比,流量检测及仪表,安装,测量液体流量时的取压点位置,常见故障及处理方法,流量检测及仪表,二、转子流量计测量原理结构适用于测量通过管道直径D150mm的小流量，也可以测量腐蚀性介质的流量。使用时流量计必须安装在垂直走向的管段上，流体介质自下而上地通过转子流量计。垂直度要优于2度安装入口不小于5D，出口不小于250MM直管段，如果介质压力或流速不稳需安装阻尼器，有固体及磁性物质应加装磁率器及过滤网常见故障：流量不稳（流速波动、密度变化、有杂质等）指示不动或不起量,转子位置信号的引出,锥形管是玻璃的，直接目视转子的位置。在转子内安装磁铁，锥形管外安装磁环随转子上下移动，触发显示。在转子内安装磁铁，锥形管外安装双霍尔磁场传感器，测出磁场的水平分量和垂直分量，可确定转子位置。在转子上方安装一导磁棒，使差动变压器输出随转子位置变化。,流量检测及仪表,流量检测及仪表,三、电磁流量计原理：利用某些流体的导电性质，根据电磁感应原理制成的测量流量的装置，称为电磁流量计,流量检测及仪表,NOTE:只适用于导电的液体介质，对导电率下限有要求，介质中不允许含有气泡，另外应远离电磁干扰源，做好接地,电磁流量计的特点,可以测量各种导电液体的流量，如酸、碱、盐溶液，流体可以含有固体颗粒、悬浮物或纤维等。专用输出信号与流量之间的关系不受流体的物理性质（例温度、压力、粘度等）变化和流动状态的影响。流量计管内无阻力元件，压力损失小，可以测量含有颗粒及悬浮物的流体，测量范围宽，测量反应速度快，可以测量脉动流体,流量检测及仪表,一、仪表无流量信号输出这类故障在使用过程中较为常见，原因一般有：（1）仪表供电不正常；（2）电缆连接不正常；（3）液体流动状况不符合安装要求（正反向，有气泡）；（4）传感器零部件损坏或测量内壁有附着层（定期清理）；（5）转换器元器件损坏。二、输出值波动（震动、不满管、有气泡）三、流量测量值与实际值不符（有气泡流通面积产生变化，参数设置不正确，保证管道内被测液体的流速在最低流量界限值之上，零点校验）四、零点不稳管道未充满液体或液体中含有气泡皆为工艺原因，此时应请求工艺人员确认，工艺正常后，输出值可恢复正常。管道内有微量流动，这不是电磁流量计故障。若杂质沉积测量管内壁或在测量管内壁结垢，或电极被污染，均有可能出现零点变动，此时必须清洗；若零点变动不大，也可尝试重新调零。,流量检测及仪表,四、质量流量计其它流量计都是测体积的，受到温度压力影响较大，测量原理计量、贸易结算特点不受管内流动状态的影响，从而在流量计的前后不必设置很长的直管段；安装位置应使管道内流体满管，尽可能安装在静压高的位置，以防止空穴和汽蚀的发生。常见故障,流量检测及仪表,流量检测及仪表,靶式流量计,便于某些黏度较高或含有悬浮物介质的流量检测。,40,五、其它流量计靶式流量计、超声波流量计、涡街流量计,流量检测及仪表,物位检测的意义及主要类型,2,几个概念,液位料位界位液位计料位计界面计,按其工作原理分为,直读式物位仪表差压式物位仪表浮力式物位仪表电磁式物位仪表核辐射式物位仪表声波式物位仪表光学式物位仪表雷达液位计,差压式液位计雷达液位计浮筒（变）、浮球液位计（恒）（常见故障、原理）伺服液位计其它液位计（直读式）,液位检测仪表,差压式液位计,5,一、工作原理a)P=gh侧压力的液位。用差压变送器来测量。利用液柱所产生的静压。二、使用及迁移a)敞口容器液位测量1、变送器正压室接取压口，负压室通大气即可。2、如果变送器与最低液位处于同一水平位置上，则变送器的输出反映真实情况，此时不用调整。3、如果变送器不于容器最低液面处于同一水平位置时，当变送器低于最低液面，则必须进行正迁移。4、正常情况下是输出信号420mA，如果不做正迁移，因为初始值不是0MPa，所以输出电信号不是从4mA开始的而是大于4mA。所以要把初始电压调到4mA。,液位检测仪表,a)密闭容器,差压式液位计,举例,某差压变送器的测量范围为05000Pa，当压差由0变化到5000Pa时，变送器的输出将由4mA变化到20mA，这是无迁移的情况，如左图中曲线a所示。负迁移如曲线b所示，正迁移如曲线c所示。迁移和零点,7,一般型号后面加“A”的为正迁移；加“B”的为负迁移。,差压式液位计,用法兰式差压变送器测量液位,8,为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及黏度大、易凝固等液体液位时引压管线被腐蚀、被堵塞的问题，应使用法兰式差压变送器，如下图所示。,原理安装常见故障,雷达液位计,控制阀,3,作用,接受控制器的输出信号,直接控制能量或物料等调节介质的输送量,达到控制温度、压力、流量、液位等工艺参数的目的。,按能源形式分类,气动电动液动,执行器,5,执行器是接收调节器输出的信号，并完成相应操作，以达到它影响调节对象参数目的的装置执行器可以是步进电机、调节阀、变频调速器等调节阀是自动控制系统中的一种主要执行器，绝大多数系统的调节手段都是流量，调节阀是用于改变流体流量的一种执行器调节阀有电动、气动、液压调节阀调节阀一般由执行机构和调节机构组成,执行机构,5,执行机构的作用就是将调节器来的信号转变为相应的推理和位移，用于带动调节机构完成调节动作。根据所用能源不同，执行机构气动、液动、电动和自力式等，气动执行机构是压缩空气供风，特点是结构简单、安全防爆、低成本。液动执行机构以液压力为动力，特点是功率大、动作快，但使用成本高，结构复杂。电动执行机构由电源和控制信号驱动伺服电机来动作，这种仪表与电动仪表连接，功率大，动作快，但应注意在防爆场合下的使用，自力式执行机构依靠被调介质本身的能量来动作，有介质的压力带动,控制阀,5,电动执行机构,控制阀,5,气动薄膜执行机构由上膜盖、波纹膜片、推杆、弹簧、行程标迟等部件组成在20-100KPA压缩空气的压力作用下，产生对应的行程和推力阀门定位器作用构成一个以调节器操作值为给定值，以推杆的实际行程为被调参数的自动调节系统阀门加装阀门定位器可以克服阀杆的反作用力，实现推杆准确到位，同时可利用定位器的凸轮形状来调整阀门的流量特性,控制阀,6,控制阀,9,流量特性,调节机构,10,（2）直通双座控制阀,阀体内有两个阀芯和两个阀座。,直通双座阀,调节机构,（5）三通控制阀,共有三个出入口与工艺管道连接。,13,（A）分流型（B）合流型,调节机构,18,（6）笼式阀,笼式阀,调节机构,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,36,控制阀,37,组合方式表,控制阀,控制阀的安装和维护,38,（1）为便于维护检修，阀门应安装在靠近地面或楼板的地方。,（2）高温阀门安装散热片,（3）阀的公称通径与管道公称通径不同时，两者之间应加一段异径管。,控制阀,（5）通过控制阀的流体方向在阀体上有箭头标明，不能装反。,（4）气动执行器应该是正立垂直安装于水平管道上。特殊情况下需要水平或倾斜安装时，除小口径阀外，一般应加支撑。即使正立垂直安装，当阀的自重较大和有振动场合时，也应加支撑。,（6）不影响工艺生产的继续进行，一般应装旁路阀。,39,控制阀,40,（7）控制阀安装前，应对管路进行清洗，排去污物和焊渣。安装后还应再次对管路和阀门进行清洗，并检查阀门与管道连接处的密封性能。当初次通入介质时，应使阀门处于全开位置以免杂质卡住。,（8）在日常使用中，要对控制阀经常维护和定期检修。,控制阀,40,常见故障,自控系统基础知识,40,一、自动控制系统的组成自动控制系统是由自动控制装置和被控对象组成自动控制装置：变送器、调节器、调节阀被控对象：需要调节工艺参数的生产设备或其中的某一部分,自控系统基础知识,40,一、自动控制系统方块图自动控制系统是由自动控制装置和被控对象组成自动控制装置：变送器、调节器、调节阀被控对象：需要调节工艺参数的生产设备或其中的某一部分,自控系统基础知识,二、自动控制系统方块图,自控系统基础知识,三、反馈反馈：把系统输出参数直接或经过一定环节返回到输入端的过程反馈类型：正反馈是使输入信号增大，负反馈反之自动调节系统是负反馈负反馈的作用：使系统稳定，负反馈使系统产生偏差DV=PV-SV，调节器根据偏差DV产生调节作用，控制执行器动作，使被调参数相应的减小或增大,自控系统基础知识,四、控制系统类型1、按被调参数分：温度、压力、流量、液位等控制系统2、按具有的调节规律分：P、PI、PD、PID3、按给定值形式分：定值随动程序控制,自控系统基础知识,五、比例调节规律1、比例调节规律及特点调节器输出与输入信号（偏差）成比例的调节规律。具有比例调节规律的调节器称为比例调节器调节器输出变化值：MV=KPDVKP表示调节器的比例作用，比例系数是可调的比例调节器是放大倍数可调的放大器，KP可大于1，也可小于1，KP越大，输出变化越大，调节作用越强2、比例度及其调节过程的影响比例度就是指调节器输入的相对变化量与输出相对变化量之比的百分数PB=1/KP*100%PB可调范围：5%-250%,自控系统基础知识,3、比例度对调节过程的影响：PB小，调节作用强，过程波动大，不易稳定，出现等幅或发散振荡（KP很大，稍有偏差，输出很大，不易稳定）PB适当时，最大偏差和余差均不大PB太大时，KP太小，作用弱，调节过程缓慢比例作用特点：1、比例调节作用及时，作用强2、阶跃干扰作用下余差，即调节精度不高，只能用于干扰较小（负荷变化不大）以及允许有余差的对象。,自控系统基础知识,六、积分及比例积分调节积分就是随时间进行累计积分调节是指对偏差DV的积分作用MV=1/TIDVDTTI称为积分时间；1TI称为积分速度积分作用取决于偏差的存在与否，偏差存在，即使很小，只要存在时间足够长，积分输出也可以很大，偏差不存在时输出停止变化，因此积分作用能消除余差，偏差越大，输出变化越快积分时间TI表示积分作用的大小TI减小，则积分作用增大积分作用的特点1、输出变化量与偏差的积分成正比,自控系统基础知识,2、可消除余差：只要DV存在，MV就随时间增加，直至DV=03、调节作用较比例调节慢，所以积分作用不单独使用，一般与比例作用合在一起二、比例积分调节规律调节器输出即具有调节及时，克服偏差有力的特点，又具有能克服余差的性能三积分时间及其对过度过程的影响输入一阶跃偏差DV后，当PI调节器积分部分输出jife与比例部分输出相等时，所需的时间为积分时间TITI大小可改变，TI对调节过程的影响：TI太小，积分作用太强，过程振荡，不稳TI太大，积分作用太弱，余差消除得很慢，积分作用会加强系统的振荡，滞后大的对象更为明显，采用PI调节时，PB比纯比例调节时稍大一些，以保证系统稳定性,自控系统基础知识,微分和比例微分调节按偏差变化速度来产生调节作用，超前客服预计的偏差，采取过量调节方法，它能较有效地改善过度滞后较大的调节对象的调节质量一、理想微分调节MV=TDDVDTTD为微分时间输