自动化仪表基础知识培训课程

自动化仪表AutomationInstruments,李金城,ZhengzhouUniversityofLightIndustry,DepartmentofElectrical&InformationEngineering,Telmail:0431hehe,Page:2,2020/6/15,教材：控制仪表及装置主编：吴勤勤化学工业出版社2008年1月第3版ISBN978-7-5025-9923-2,使用教材,Page:3,2020/6/15,课程情况及参考书籍,课程学时：40学时（理论34学时，实验6学时）参考书籍：1厉玉鸣.化工仪表及自动化M.北京:化学工业出版社,20032王玲生.热工检测仪表M.北京:冶金工业出版社,19943龚家彪.热工测量和仪表M.北京:中国工业出版社,19954宋佳霖.电动控制仪表技术原理M.北京:化学工业出版社,20045刘巨良.过程控制仪表M.北京:化学工业出版社,20086王可华.石油仪表及自动化M.北京:石油工业出版社，20067何道清.仪表与自动化M.北京：化学工业出版社,2008,Page:4,2020/6/15,本课程的特点和任务,“自动化仪表”课程主要讲授控制仪表的基本知识，模拟式控制仪表及装置和数字式控制仪表及装置。本课程是自动化专业过控方向一门专业必修课。本课程的主要任务是：掌握各类控制仪表的基本理论。掌握仪表的发展，演变，类型及其在控制系统中的重要作用。掌握模拟式和数字式仪表原理及应用。掌握各种仪表的典型应用，能合理地选择和使用各种调节器及仪表。,Page:5,2020/6/15,自动化仪表是一门理论性与实践性都很强的专业课，涉及的基础理论和实际知识面广，是自动控制理论、现代控制理论、自动控制系统、传感器与检测技术、材料工程、电气测量技术、电路/电子基本理论、电气安全技术等学科知识的综合，所以理论性较强。在掌握基本理论的同时，还要注意培养实验操作技能，因此实践性也较强。鉴于以上原因，为学好自动化仪表这门课，学习时一定要注意理论联系实际。做到上课认真听讲，实验认真完成，,本课程的特点,课程基础CourseFoundation,Page:7,2020/6/15,本节内容,自动化仪表在过程控制中的地位自动化仪表内涵及分类什么是仪表仪器与仪表的区别仪器仪表发展历史仪器仪表种类及发展趋势仪器仪表的主要性能指标控制仪表及自动化仪表工程控制流图的基本画法,Page:8,2020/6/15,自动化仪表在过程控制中的地位,测量元件执行元件通信元件安全元件,Page:9,2020/6/15,自动化仪表内涵及分类,Page:10,2020/6/15,什么是仪表？,在工业控制系统中，一般用来测定温度、气压、电量、流量等仪器的统称。外形似计时的表，能由刻度直接显示数值。,Page:11,2020/6/15,仪器与仪表的区别？,仪器是一种组合意义上的机器；里面一般会至少含有几种仪表。仪表狭义上一般只是用来指示数据用。,Page:12,2020/6/15,仪器仪表能改善、扩展或补充人的感觉器官功能。人们用感觉器官去视、听、尝、摸外部事物，而显微镜、望远镜、酸度计、高温计等仪器仪表，可以改善和扩展人的这些功能；另外，有些仪器仪表如磁强计、射线计数计等可感受和测量到人的感觉器官所不能感受到的物理量；还有些仪器仪表可以超过人的能力去记录、计算和计数，如高速照相机、计算机等。,Page:13,2020/6/15,仪器仪表发展历史,仪器仪表发展已有悠久的历史。中国在战国时期已有了利用天然磁铁制成的指南仪器，称为司南。古代的仪器在很长的历史时期中多属用以定向、计时或供度量衡用的简单仪器。,Page:14,2020/6/15,仪器仪表发展历史,1718世纪，欧洲的一些物理学家开始利用电流与磁场作用力的原理制成简单的检流计；利用光学透镜制成的望远镜，奠定了电学和光学仪器的基础。其它一些用于测量和观察的各种仪器也遂逐渐得到了发展。,Page:15,2020/6/15,仪器仪表发展历史,19世纪到20世纪，工业革命和现代化大规模生产促进了新学科和新技术的发展，后来又出现了电子计算机和空间技术等，仪器仪表因而也得到迅速的发展。现代仪器仪表已成为测量、控制和实现自动化必不可少的技术工具。,Page:16,2020/6/15,仪器仪表种类,1.温度仪表温度计、热电偶、热电阻、温度调节器、非接触式温度计等。,Page:17,2020/6/15,仪器仪表种类,2.压力仪表压力表、差压变送器、胎压计、气压/液压自动调节控制仪器等。,Page:18,2020/6/15,仪器仪表种类,3.流量仪表流量计、流量传感器/变送器、水表、煤气表、水位计、液位控制器等。,Page:19,2020/6/15,仪器仪表种类,4.电工仪器仪表电流表、电压表、调压器、电压监测仪、智能电力监测仪等。,Page:20,2020/6/15,仪器仪表种类,5.电子测量仪器LCR测量仪、物位仪、示波器、信号发生器等。,Page:21,2020/6/15,仪器仪表种类,6.分析仪器色谱仪、光度计、水分测定仪、射线式分析仪器、波谱仪、摄影仪器等。,Page:22,2020/6/15,仪器仪表种类,7.光学仪器滤镜、棱镜、色差计、显微镜、望远镜等。,Page:23,2020/6/15,仪器仪表种类,8.工业自动化仪表PID调节器、智能仪表、变频器、各种传感仪器等。,Page:24,2020/6/15,仪器仪表种类,9.执行器电动执行机构、气动执行机构、液压执行机构等。,10.仪器仪表专用电源直流电源、稳压电源、交流电源、开关电源、不间断电源、逆变电源等。,Page:25,2020/6/15,仪器仪表种类,另外仪器仪表还有：汽车仪表、拖拉机仪表、船用仪表、航空仪表、导航仪器、驾驶仪器、无线电测试仪器、载波微波测试仪器、地质勘探测试仪器、建材测试仪器、地震测试仪器、大地测绘仪器、水文仪器、计时仪器、农业测试仪器、商业测试仪器、教学仪器、医疗仪器、环保仪器等。,Page:26,2020/6/15,仪器仪表发展趋势,仪器仪表的发展趋势是不断利用新的工作原理和采用新材料及新的元器件，例如利用超声波、微波、射线、红外线、核磁共振、超导、激光等原理和采用各种新型半导体敏感元件、集成电路、集成光路、光导纤维等元器件。其目的是实现仪器仪表的小型化，减轻重量、降低生产成本和更便于使用与维修等。,Page:27,2020/6/15,仪器仪表发展趋势,另一重要的趋势是通过微型计算机的使用来提高仪器仪表的性能，提高仪器仪表本身自动化、智能化程度和数据处理能力。仪器仪表不仅供单项使用，而且可能过标准接口和数据通道与电子计算机结合起来，组成各种测试控制管理综合系统，满足更高的要求。,Page:28,2020/6/15,仪器仪表发展趋势,总之仪器仪表的大的发展趋势是：新型化数字化智能化网络化多功能化,Page:29,2020/6/15,仪表主要性能指标,1.灵敏度,灵敏度是指仪表对被测参数变化的灵敏程度。灵敏度有时也称“放大比”，增加放大倍数可以提高仪表灵敏度，单纯加大灵敏度并不改变仪表的基本性能，即仪表精度并没有提高，相反有时会出现振荡现象，造成输出不稳定。然而对于仪表用户，诸如化工企业仪表来讲，仪表精度固然是一个重要指标，但在实际使用中，往往更强调仪表的稳定性和可靠性，因为化工企业检测与过程控制仪表用于计量的为数不多，而大量的是用于检测。另外，使用在过程控制系统中的检测仪表其稳定性、可靠性比精度更为重要。,Page:30,2020/6/15,仪表主要性能指标,2.精确度,仪表精确度科称精度，又称准确度。精确度和误差可以说是孪生兄弟，因为有误差的存在，才有精确度这个概念。仪表精确度简言之就是仪表测量值接近真值的准确程度，通常用相对百分误差表示。要提高仪表精确度，就要进行误差分析。误差通常可以分为疏忽误差、缓变误差、系统误差和随机误差。,Page:31,2020/6/15,精确度反应仪表（传感元件）测量结果与真值的接近程度。它与误差的大小相对应，误差小则精度高，反之则低。精度又分为精密度、正确度和准确度。,精密度表示多次重复测量中，传感器测得的值彼此之间的重复性或分散性大小的程度。它反映随机误差的大小，随机误差越小，测得的值就越密集，重复性越好，精密度越高。,正确度表示多次重复测量中，传感器测得值的算术平均值与真值的接近程度。它反映系统误差的大小，系统误差愈小，测得值的算术平均值就愈接近真值，正确度愈高。,准确度表示多次重复测量中，传感器测得值与真值的一致的程度。它反映随机误差和系统误差的综合大小，只有当随机误差和系统误差都小时，准确度才高。准确度也简称精度。,Page:32,2020/6/15,对于具体的仪表（传感元件），精密度高时，正确度不一定高，而正确度高时，精密度也不一定高，但准确度高时，则精密度和正确度都高，在消除系统误差情况下，精密度与准确度才是一致的。下面我们就以打靶结果来说明仪表（传感元件）精度的高低。,Page:33,2020/6/15,a表示系统误差大而随机误差小，即精密度高而正确度低；b表示系统误差小而随机误差大，即精密度低而正确度高；c表示系统误差和随机误差都小，精密度合正确度都高，这是我们最希望得到的结果。,Page:34,2020/6/15,精确度常用精确度等级来表示，例如0.1级、0.2级、0.5级、1.0级、1.5级等。0.1级表示总的误差不超过0.1%范围。精确度等级数小，说明仪表的系统误差和随机误差都小，也就是这种仪表精密。,Page:35,2020/6/15,仪表主要性能指标,3.复现性,测量复现性是在不同测量条件下，如不同的方法，不同的观测者，在不同的检测环境对同一被检测的量进行重复检测时，其测量结果一致的程度。测量复现性也是仪表的重要性能指标之一。,Page:36,2020/6/15,复现性表示输入量x按同一方向变化，仪表（传感元件）在全量程范围内重复进行测量时所得到各特性曲线的重复程度。,Page:37,2020/6/15,重复性一般采用输出最大不重复误差的绝对值Rmax与满量程输出值YFS的百分比表示，即：,Page:38,2020/6/15,仪表主要性能指标,4.稳定性,在规定工作条件内，仪表某些性能随时间保持不变的能力称为稳定性。仪表稳定性是自动化仪表十分关心的一个性能指标。由于工业使用仪表的环境相对比较恶劣，被测量的介质温度、压力变化也相对比较大，在这种环境中投入仪表使用，仪表的某些部件随时间保持不变的能力会降低，仪表的稳定性会下降。,Page:39,2020/6/15,仪表主要性能指标,5.可靠性,仪表可靠性是工业自动化仪表所追求的另一重要性能指标。可靠性和仪表维护量是相反相成的，仪表可靠性高说明仪表维护量小，反之仪表可靠性差，仪表维护量就大。随着仪表更新换代，特别是微电子技术引入仪表制造行业，使仪表可靠性大大提高。仪表生产厂商对这个性能指标也越来越重视，通常用平均无故障时间MTBF来描述仪表的可靠性。,Page:40,2020/6/15,仪表主要性能指标,6.响应时间,响应时间是指仪表输入一个阶跃量时，其输出由初始值第一次到达最终稳定值的时间间隔，一般规定以到达稳定值的95%时的时间为准。,Page:41,2020/6/15,控制仪表,自动控制系统中被控变量的仪表。控制仪表将测量信号与给定值比较后，对偏差信号按一定的控制规律进行运算，并将运行结果以规定的信号输出。工程上将构成一个过程控制系统的各个仪表统称为控制仪表。,Page:42,2020/6/15,自动化仪表,自动化仪表（AutomationInstruments）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。它一般同时具有几种功能，如测量、显示、记录或测量、控制、报警等。自动化仪表本身是一个系统，又是整个自动化系统中的一个子系统。自动化仪表是一种“信息机器”，其主要功能是信息形式的转换，将输入信号转换成输出信号。信号可以按时间域或频率域表达，信号的传输则可调制成连续的模拟量或断续的数字量形式。,Page:43,2020/6/15,自动化仪表发展趋势,控制目标由实现过程工艺参数的稳定运行发展为以最优质量为指标的最优控制。控制方法由模拟的反馈控制发展为数字式的开环预测控制；由传统的手动定值调节器、PID调节器以及各种顺序控制装置，发展为以微型机构成的数字调节器和自适应调节器。,Page:44,2020/6/15,仪表自动化概念,生产过程自动化，就是在生产过程中，采用自动化仪表及装置来检测、显示、记录和控制生产过程中的重要工艺参数，以代替操作人员的直接操作，使整个生产过程能自动地维持正常状态；当受到外界干扰的影响而偏离正常状态时，又能自动地调回到规定的数值范围内。这种用自动化仪表来控制生产过程的方法，即生产过程自动化。仪表自动化技术是一门综合性的技术学科，它应用自动控制学科、仪器仪表学科及计算机学科的理论与技术服务于各类生产过程，以实现生产过程的自动化。,Page:45,2020/6/15,仪表自动化技术的发展概况,自动化发展主要特点：生产的需要、理论的开拓与技术手段的进展三者相互推动，相互促进。自动化发展主要阶段:机器生产控制理论简单控制系统复杂控制系统现代控制系统(直接数字控制-DDC，集散控制系统-DCS，SCADA系统等)；或基地式控制器等组成的控制系统单元组合仪表组成的控制系统计算机控制系统二级优化控制系统。,Page:46,2020/6/15,仪表及自动化发展状况,生产过程自动化的意义：1、加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量；2、减轻劳动强度，改善劳动条件；3、保证生产安全，防止事故发生和扩大，延长设备使用寿命，提高设备利用能力；4、改变劳动方式，提高职工科学技术水平，逐步消除体力劳动和脑力劳动间差别。,Page:47,2020/6/15,生产过程自动化主要内容,自动检测系统工况参数自动检测；自动保护系统工况参数超限自动联锁保护；自动操纵系统按设定工艺步骤自动操纵和自动开停车；自动控制系统工况参数偏离正常工艺条件，自动调整到正常状态。,Page:48,2020/6/15,仪表自动化系统组成,1液位人工控制：检测眼；运算（思考）、命令脑；执行手。,Page:49,2020/6/15,仪表自动化系统组成,2、液位自动控制：测量元件及变送器眼；控制器脑；执行器手。,Page:50,2020/6/15,自动控制系统的组成,组成,自动化装置,被控对象,测量元件与变送器,自动控制器,执行器,Page:51,2020/6/15,实例,Page:52,2020/6/15,控制系统分类,按结构特点分：单回路负反馈控制系统，串接控制系统，前馈控制系统，复合控制系统等；按信号特点分：定值控制，随动控制，顺序（程序）控制；按被控参数分：温度控制系统，压力控制系统，流量控制系统，液位控制系统，成分控制系统等,Page:53,20