过程装备控制技术及应用2015第四章

1、 过程控制装置与被控对象构成了过程控制系统的基本要素。过程式控制装置必须由测量变送单元、调节器和执行器（如调节阀）三个环节组成 。由于工业过程式的复杂性，在进行过程控制系统设计时，必须根据过程特性和工艺要求，通过合理选用过程检测控制装置组成自动控制系统，并通过调节器 PID 参数的整定，使系统运行在最佳状态，从而实现对生产过程的最优控制。 变送器是单元组合仪表中不可缺少的基本单元之一。在测量元件将压力、温度、流量、液位等参数检测出来后，需要由变送器将测量元件的信号转换为一定的标准信号（如420mA直流电流），送往显示仪表或调节仪表进行显示、记录或调节。变送器的类型很多，主要有：压力变送器、差压

2、变送器、温度变送器、流量变送器、液位变送器等。本章主要分析差压变送器和温度变送器。4.1 变送器变送器的理想输入输出特性成线性关系。如图所示。例 一压力变送器的压力输入范围是0-1.6MPa，输出为4-20mA直流信号，试确定该变送器的输入输出关系。零点迁移 很多工艺参数的测量范围不是从零起始的，在实际应用时为扩大仪表使用范围，提高测量精度，需进行零点迁移，迁移有正向迁移和负向迁移。例 已知被测工艺参量的最大波动范围为4000-5000Pa，按照无迁移和迁移时分别选择测量变送器，并分析精度1.0级时各自变送器的基本误差值仪表灵敏度。解 无迁移选择仪表：精度1.0，量程0-5000Pa，输出4-

3、20mA； 若进行迁移，迁移为4000-5000Pa，量程为1000Pa，迁移量4000Pa。无迁移基本误差： 5000Pa*1%=50Pa无迁移仪表灵敏度： （20-4）mA/（5000Pa）=16/5000;迁移后基本误差： 1000Pa*1%=10Pa迁移后仪表灵敏度： （20-4）mA/（1000Pa）=16/1000; 差压变送器用来把差压、流量、液位等被测参数转换成为统一标准信号，并将此统一信号输送给指示、记录仪表或调节器等，以实现对上述参数的显示、记录或调节。根据敏感元件的类型不同，可分为膜盒式差压变送器、电容式差压变送器等型式。 按照变送器的驱动能源来分有气动变送器和电动变送器

4、，以压缩空气为驱动能源的是气动变送器；以电力为能源的便是电动变送器。4.1.1差压变送器1 构成框图：测量部分测量部分C反馈部分反馈部分F放大器放大器Kxziz0 调零、零点迁移调零、零点迁移yC C 转换系数转换系数K K 放大系数放大系数F F 反馈系数反馈系数2 气动差压变送器 气动差压变送器主要利用了力平衡原理，其敏感元件为膜片或膜盒。主要用于测量液体、气体或蒸汽的压力、差压、流量、液位等物理量。气动差压变送器可以将压力信号 p 成比例地转换成20100kPa的统一标准气压信号，送往气动单元组合仪表的调节器或显示仪表进行调节、指示和记录。3 电动差压变送器 气动差压变送器主要利用了力平

5、衡原理，其敏感元件为膜片或膜盒。主要用于测量液体、气体或蒸汽的压力、差压、流量、液位等物理量。气动差压变送器可以将压力信号转换为420mA的统一标准电流信号，送往单元组合仪表的调节器或显示仪表进行调节、指示和记录。4.1.2 防爆安全栅一 安全防爆基础知识1.爆炸性危险场所的分类与分级 分为气体爆炸危险场所和粉尘爆炸危险场所两类。1）气体爆炸危险场所的区域等级 0级区域：在正常情况下，爆炸性气体混合物连续地、频繁地出现或长时间存在的场所。 1级区域：在正常情况下，爆炸性气体混合物可能出现的场所。 2 2级区域：级区域：在正常情况下，爆炸性气体混合物在正常情况下，爆炸性气体混合物不不能出现能出现

6、，仅在不正常情况下，仅在不正常情况下偶尔或短时间存在偶尔或短时间存在的场所。的场所。 2 2）粉尘爆炸危险场所的区域等级）粉尘爆炸危险场所的区域等级 1010级区域：级区域：在正常情况下，爆炸性粉尘或可燃在正常情况下，爆炸性粉尘或可燃纤维与空气的混合物可能纤维与空气的混合物可能连续地、频繁地出现连续地、频繁地出现或长时间存在的场所。或长时间存在的场所。 1111级区域：级区域：在正常情况下，爆炸性粉尘或可燃在正常情况下，爆炸性粉尘或可燃纤维与空气的混合物纤维与空气的混合物不能出现不能出现，仅在不正常情，仅在不正常情况下况下偶尔短时间出现偶尔短时间出现的场所。的场所。 仪表选用时应根据区域等级选

7、择相应防爆等级的仪表。 例如:0级和10级区域要求使用本质安全型电气设备，1级区域使用隔爆型、增安型电气设备等. 2.爆炸性物质的分级、分组 3.电气设备的防爆等级 本质安全型（i） 隔爆型（d） 增安型（e） 4. 防爆仪表的分类、分级和分组二 本质安全防爆仪表及防爆系统 1.本质安全防爆仪表 也称为安全火花型防爆仪表。 此类仪表包括：两线制现场变送器，电/气转换器，电/气阀门定位器等现场仪表以及安全栅等。 2.本质安全防爆系统 构成原则： 1）现场变送器使用本质安全防爆仪表； 2）现场与控制室之间使用安全栅。 本质安全防爆系统构成框图本质安全防爆系统构成框图变送器变送器安全栅安全栅调节器调

8、节器安全栅安全栅执行器执行器非危险场所非危险场所（控制室）（控制室）危险场所危险场所（现场）（现场）危险场所危险场所（现场）（现场）电源箱电源箱4.1.34.1.3 温度变送器温度变送器直流直流- -交流交流变换器变换器整流滤波整流滤波输入回路输入回路反馈回路反馈回路电压放大电压放大功率放大功率放大隔离隔离输出输出量程单元量程单元放大单元放大单元Uz zUf fUi iEt tIo oUo o四线制温度变送器构成框图 调节器又称控制器，是自动控制系统的核心仪表，属于控制仪表。4.2 4.2 调节器调节器模拟式调节器模拟式调节器数字式调节器数字式调节器可编程控制器可编程控制器控制仪表控制仪表DD

9、Z-型调节器KMM可编程调节器主要功能接收信号：1-5V DC信号。实现偏差检测：将接收信号与给定值信号进行比较，得到偏差信号。PID计算：将偏差信号进行PID运算，产生相应的4-20mA控制信号。指示:具备相应值的指示功能。4.2.1 DDZ-型调节器19构成原理由两大部分由两大部分构成构成20构成原理由两大部分由两大部分构成构成21控制单元的内外给定值功能：控制单元的内外给定值功能：22控制器的正反作用功能：控制器的正反作用功能：2324构成4.2.2 KMM可编程调节器硬件部分： p主机部分p模拟量输入-输出通道p数字量输入-输出通道p通信接口p正面板，侧面板软件部分：p系统程序和用户程

10、序KMM正面板上控制方式选择: 手动方式（M） 自动方式（A） 串级方式（C)4.3 执行器概述 执行器：过程执行仪表，简称执行器。执行器的作用：执行器是自动控制系统的终端执行部件，其作用是接受控制器送来的控制信号，并根据信号的大小直接改变操纵量，从而达到对被控变量进行控制的目的。 在连续生产过程中，使用最多的 执行器就是各种调节阀（及开关阀）。执行器的组成：执行器由执行机构和调节机构组成。执行机构：是执行器的推动装置，根据控制信号的大小，产生相应的推力或扭矩，从而使调节机构产生相应的开度变化。调节机构：是执行器的调节部件，直接与被控介质接触，当其开度发生变化时，被控介质流量将被改变，从而实现

11、自动控制。执行器的分类：执行器按其所使用的能源，可分为： 气动执行器； 电动执行器； 液动执行器。 在实际应用中，使用最多的是气动执行器，其次是电动执行器，最少的是液动执行器。 气动执行器是以压缩空气为能源的执行器。使用最多的是气动薄膜执行器。这类执行器具有结构简单、动作可靠、安装方便及本质防爆等特点，而且价格较为便宜。气动薄膜执行器由气动薄膜执行机构和调节机构两部分构成。电动执行器是以电为能源的执行器。与气动执行器比较，具有能源取用方便、信号传输速度快、传递距离远、灵敏度及精度高等特点。结构复杂、不易于维护、防爆性能不如气动执行器。液动执行器是以加压液体为能源的执行器，使用较少。4.3.1

12、执行机构一、气动执行机构p气动执行机构分类：薄膜式执行机构活塞式执行机构长行程执行机构滚筒膜片式执行机构1、薄膜执行机构p执行机构按动作方式可分为正作用和反作用： 输入信号增大，阀杆下移，为正作用阀；输入信号增大，阀杆上移，为反作用阀。2、活塞式执行机构p活塞式执行机构的最大操作压力可达500kPa，因此具有较大的推力。主要做大口径、高静压、高压差阀和蝶阀等的推动装置。p活塞式执行机构的结构如图所示。p活塞式执行机构活塞式执行机构正作用正作用反作用反作用二、电动执行机构p电动执行机构按其输出形式可分为角行程和直行程执行机构两大类。p角行程将控制信号转换为输出轴的转角输出。p直行程将控制信号转换

13、为输出轴的直线位移输出。4.3.2 调节机构p调节机构，也称作阀组件，简称为阀，是一个局部阻力可以改变的节流部件。p调节机构是按照节流原理来工作的。阀401、直通双座阀阀体内有两个阀芯和两个阀座。阀芯可以正装或者反装，如图所示。正装：阀芯下移，流通面积减小；反装：阀芯下移，流通面积增大p气开气开：是指随着执行器输入信号的增大，阀的流通：是指随着执行器输入信号的增大，阀的流通截面积也增大；截面积也增大；p气关气关：是指随着执行器输入信号的增大，阀的流通：是指随着执行器输入信号的增大，阀的流通截面积减小。截面积减小。利用执行机构的正、反作用和调节机构阀芯的正、利用执行机构的正、反作用和调节机构阀芯的正、反装来实现执行器的气开或气关。有四种组合方式，反装来实现执行器的气开或气关。有四种组合方式，如图所示。如图所示。气开、气关概念气开、气关