吉林大学过程控制绪论温度

1、1自动化仪表自动化仪表与与过程控制过程控制 过程控制与自动化仪表2l过程控制过程控制-泛指石油、化工、电力、冶金、核能泛指石油、化工、电力、冶金、核能等工业生产中等工业生产中连续的连续的或或按一定周期程序按一定周期程序进行的生产进行的生产过程自动控制，其被控量通常为压力、液位、流量、过程自动控制，其被控量通常为压力、液位、流量、温度、温度、PH值等过程变量，是自动化技术的重要组成值等过程变量，是自动化技术的重要组成部分。部分。l作用作用-在现代工业生产过程自动化中，过程控制在现代工业生产过程自动化中，过程控制技术可实现各种最优的技术经济指标、提高经济效技术可实现各种最优的技术经济指标、提高经济

2、效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。环境卫生等方面起着越来越大的作用。过程控制与自动化仪表3过程控制与自动化仪表4返回过程控制与自动化仪表5l自动化仪表自动化仪表- 用于用于生产过程自动化生产过程自动化的仪器或的仪器或设备，是实现工业企业自动化的必要手段和技术设备，是实现工业企业自动化的必要手段和技术工具。工具。l特点特点- 兼容性、统一标准兼容性、统一标准过程控制与自动化仪表6l教材过程控制及仪表. 邵裕森. 上海交大出版社l参考书1.自动检测技术与装置. 张宏建等. 化学工业出版社. 2004.72.自

3、动化仪表与过程控制. 施仁等. 电子工业出版社. 2009.23.自动检测技术及仪表控制系统. 张毅等. 化学工业出版社. 2005.34.过程控制与自动化仪表.潘永湘等.机械工业出版社. 2008.5过程控制与自动化仪表7 1.课堂测验20%2.课后作业10%3.期末考试70% 过程控制与自动化仪表8系统由被控过程和检测控制仪表组成系统由被控过程和检测控制仪表组成过程控制采用各种检测仪表、控制仪表和计算机等自动化工具，对整个生产过过程控制采用各种检测仪表、控制仪表和计算机等自动化工具，对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制。程进行自动检测、自动监督和自动控制。检测仪表检测仪表把工艺参

4、数转换为电信号或把工艺参数转换为电信号或气信号，反映生产过程状况；气信号，反映生产过程状况；控制仪表控制仪表接受检测信号对过程进行控制。接受检测信号对过程进行控制。被控过程的多样性被控过程的多样性生产规模不同、工艺要求各异、产品品种多样导致过程的结构性、动态特性多生产规模不同、工艺要求各异、产品品种多样导致过程的结构性、动态特性多样。通常被控过程属于样。通常被控过程属于多变量、大惯性、大时延多变量、大惯性、大时延特征，还有非线性与时变特性。特征，还有非线性与时变特性。（锅炉、热交换器、精馏塔）（锅炉、热交换器、精馏塔）控制方案的多样性控制方案的多样性被控对象复杂导致控制方案多样性。单被控对象复

5、杂导致控制方案多样性。单/ /多变量控制系统、常规仪表控制多变量控制系统、常规仪表控制/ /计算计算机集散控制系统、提高控制品质的和实现特定要求的控制系统。单回路、串级、机集散控制系统、提高控制品质的和实现特定要求的控制系统。单回路、串级、前馈、比值、均匀、分程、选择性、大时延、多变量系统，还有先进过程控制前馈、比值、均匀、分程、选择性、大时延、多变量系统，还有先进过程控制系统系统( (自适应、预测、补偿、智能、非线性控制等自适应、预测、补偿、智能、非线性控制等) )。过程控制与自动化仪表9 安全性安全性 针对易燃易爆特点设计；参数越线报警、联锁保护；故障诊针对易燃易爆特点设计；参数越线报警、

6、联锁保护；故障诊断，容错控制。断，容错控制。稳定性稳定性 抑制外界干扰，保证正常运行。抑制外界干扰，保证正常运行。经济性经济性 降低成本提高效率。掌握工艺流程和被控对象静态、动态特降低成本提高效率。掌握工艺流程和被控对象静态、动态特性，运用控制理论和一定的技术手段（计算机、自动化仪表）设性，运用控制理论和一定的技术手段（计算机、自动化仪表）设及合理系统。及合理系统。过程控制与自动化仪表10 测量变送与执行测量变送与执行测量变送装置与执行装置实现测量变送装置与执行装置实现 操作安全与环保操作安全与环保保证生产安全、满足环保要求的设备保证生产安全、满足环保要求的设备（独立运行）（独立运行） 常规与

7、高级控制常规与高级控制实现对过程参数的控制，满足控制要求。实现对过程参数的控制，满足控制要求。 实时优化实时优化实现最优操作工况（时间，成本，设备实现最优操作工况（时间，成本，设备损耗）而设计的方案损耗）而设计的方案 决策与计划调度决策与计划调度对整个过程进行合理计划调度和正确决对整个过程进行合理计划调度和正确决策，使企业利益最大化。策，使企业利益最大化。过程控制与自动化仪表11 20世纪世纪40年代前后年代前后(手工阶段手工阶段)：手工操作状态，凭经验：手工操作状态，凭经验人工控制生产过程，劳动生产率很低。人工控制生产过程，劳动生产率很低。 20世纪世纪50年代前后年代前后(仪表化与局部自动

8、化阶段仪表化与局部自动化阶段)：过程控：过程控制发展的第一个阶段，实现了仪表化和局部自动化。制发展的第一个阶段，实现了仪表化和局部自动化。主要特点：检测和控制仪表主要特点：检测和控制仪表-采用基地式仪表和采用基地式仪表和部分单元组合仪表部分单元组合仪表(多数是气动仪表多数是气动仪表)；过程控制系统结构过程控制系统结构-单输入、单输出系统；单输入、单输出系统；被控参数被控参数-温度、压力、流量和液位参数；温度、压力、流量和液位参数；控制目的控制目的-保持这些参数的稳定，消除或者减少保持这些参数的稳定，消除或者减少对生产过程的主要扰动；对生产过程的主要扰动；理论理论-频率法和根轨迹法的经典控制理论

9、，解决频率法和根轨迹法的经典控制理论，解决单输入单输出的定值控制系统的分析和综合问题。单输入单输出的定值控制系统的分析和综合问题。过程控制与自动化仪表122020世纪世纪6060年代年代( (综合自动化阶段综合自动化阶段) )：检测和控制仪表检测和控制仪表-采用单元组合仪表采用单元组合仪表( (气动、电动气动、电动) )和组装仪表，和组装仪表，实现直接数字控制实现直接数字控制(DDC)(DDC)和设定值控制和设定值控制(SPC)(SPC)；过程控制系统结构过程控制系统结构-多变量系统，各种复杂控制系统，如串级、多变量系统，各种复杂控制系统，如串级、比值、均匀控制、前馈、选择性控制系统。比值、均

10、匀控制、前馈、选择性控制系统。控制目的控制目的-提高控制质量或实现特殊要求。提高控制质量或实现特殊要求。理论理论-除经典控制理论，现代控制理论开始应用。除经典控制理论，现代控制理论开始应用。前馈控制前馈控制-按扰动来控制，在扰动可测的情况下，可以提高控制按扰动来控制，在扰动可测的情况下，可以提高控制质量。质量。选择性控制选择性控制-在生产过程遇到不正常工况或被控量达到安全极限在生产过程遇到不正常工况或被控量达到安全极限事，自动实现的保护性控制。事，自动实现的保护性控制。过程控制与自动化仪表132020世纪世纪7070年代以来年代以来( (全盘自动化阶段全盘自动化阶段) )：发展到现代过程控制的

11、新发展到现代过程控制的新阶段，这是过程控制发展的第三个阶段。主要特点：阶段，这是过程控制发展的第三个阶段。主要特点：检测和控制仪表检测和控制仪表-新型仪表、智能化仪表、微型计算机；新型仪表、智能化仪表、微型计算机；过程控制系统结构过程控制系统结构-由单由单多变量系统，由多变量系统，由PIDPID控制规律控制规律 特特殊控制规律，由定值控制殊控制规律，由定值控制 最优控制、自适应控制，由仪表控制最优控制、自适应控制，由仪表控制系统系统 智能化计算机分布式控制系统；智能化计算机分布式控制系统；理论理论-现代控制理论应用到过程控制领域，如状态空间分析，现代控制理论应用到过程控制领域，如状态空间分析，

12、系统辨识与状态估计，最优滤波与预报。系统辨识与状态估计，最优滤波与预报。集中型计算机控制系统集中型计算机控制系统集散控制系统集散控制系统DCSDCS全盘自动化阶段全盘自动化阶段过程控制与自动化仪表14集中型计算机控制系统集中型计算机控制系统由于当时的计算机体积庞大，价格非常昂贵，为了使计算机控制能由于当时的计算机体积庞大，价格非常昂贵，为了使计算机控制能与常规仪表控制相竞争，试图用一台计算机来控制尽可能多的控制回与常规仪表控制相竞争，试图用一台计算机来控制尽可能多的控制回路。路。外设外设过程控制计算机过程控制计算机AIDIAODO 被控过程（对象）被控过程（对象）被控变量被控变量操作变量操作变

13、量输入子系统输入子系统输出子系统输出子系统优越性：优越性： 从表面上看从表面上看信息集中，集中型计算机控制可以实现各种信息集中，集中型计算机控制可以实现各种更复杂控制功能；便于实现优化控制和优化生产。更复杂控制功能；便于实现优化控制和优化生产。问问 题：题：由于当时计算机总体性能低，容量小，由于当时计算机总体性能低，容量小，容易出现负荷过载容易出现负荷过载，控，控制集中直接导致制集中直接导致危险集中危险集中，高度集中使系统变得十分，高度集中使系统变得十分“脆弱脆弱”。过程控制与自动化仪表15 集散控制系统集散控制系统 DCS 8080年代年代-集散控制系统集散控制系统(DCS) (DCS) 集

14、散控制系统集散控制系统 是集计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术为一体的装置。系统在结构上是分散的(生产过程是分散系统)，但过程控制的监视、管理是集中的。l优点： 将计算机分布到车间或装置。使系统的危险分散，提高系统的可靠性，方便灵活地实现各种新型的控制规律与算法，实现最佳管理。 过程控制与自动化仪表16 控制层网络控制层网络管理层网络管理层网络远程节点远程节点Web服务器服务器Internet 现场设备层现场设备层 操作站操作站 工程师站工程师站DCSDCS的物理层次示意的物理层次示意过程控制与自动化仪表17集散控制系统的结构组成集散控制系统的结构组成：过程输入过程输入- -输出接口

15、输出接口：又叫数据采集站，数据采集与预处理，对实时数据进一步的加工，操作站的显示与打印。过程控制单元过程控制单元：又称基本控制器，是集散控制系统的核心。不同的集散控制系统其差别较大。高速数据通路高速数据通路：实现集散控制系统各处理机之间数据传送。管理(上位)计算机：进行集中管理与最佳控制，实现信息-控制-管理一体化。CRTCRT操作站：操作站：是集散控制系统的人-机接口装置。执行监控操作、系统组态、编程、动态流程图显示以及部分生产管理。过程控制与自动化仪表18 90年代以来年代以来现场总线控制系统现场总线控制系统FCS(fieldbus control system) 是计算机网络技术、通信技

16、术、控制技术和现代仪器仪表技术的最新发展成果。它将具有数字通信能力的现场智能仪表连成网络系统，并同上一层监控级、管理级联系起来成为全分布式的新型控制网络。计算机集成过程控制计算机集成过程控制CIPS (computer intergrated process system) 以企业整体优化为目标（市场营销、生产计划调度、原材料选择、产品分配、成本管理、工艺过程控制与优化），以计算机和网络为主要技术实现管理与控制一体化。过程控制与自动化仪表19现场总线控制系统（现场总线控制系统（FCS）过程控制与自动化仪表20是连接智能现场装置和自动化系统的数字式、双向传输、是连接智能现场装置和自动化系统的数字

17、式、双向传输、多分支结构的通信网络。多分支结构的通信网络。 支持双向、多节点、总线式的支持双向、多节点、总线式的通讯通讯双向数据通信能力避免了反复进行双向数据通信能力避免了反复进行A/DA/D、D/AD/A的转换的转换把控制任务下移到现场设备，以实现测量控制一体化把控制任务下移到现场设备，以实现测量控制一体化 全分散全分散 已成为全世界范围自动化技术发展的热点已成为全世界范围自动化技术发展的热点涉及整个自动化和仪表的工业涉及整个自动化和仪表的工业“革命革命” 过程控制与自动化仪表21现场总现场总线式变线式变送器送器现场总线现场总线式式阀门定阀门定位器位器安安全全防防爆爆工业以工业以太网太网安安

18、全全防防爆爆总总线线非安全防爆总线非安全防爆总线过程控制与自动化仪表22控制室控制室控制台控制台流程图流程图过程控制与自动化仪表23仪表盘仪表盘操作员站操作员站过程控制与自动化仪表24操作员站操作员站CRT工业流程图工业流程图过程控制与自动化仪表25组态软件组态软件 l又称组态监控软件系统软件,SCADA,即 Supervisory Control and Data Acquisition(数据采集与监视控制),它是数据采集与过程控制的专用软件。它们处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件的应

19、用领域很广，可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域 过程控制与自动化仪表26“组态组态”l即为“配置”、“设定”、“设置”等意思，是指用户通过类似“搭积木”的简单方式来完成自己所需要的软件功能，而不需要编写计算机程序，也就是所谓的“组态”。它有时候也称为“二次开发”，组态软件就称为“二次开发平台”。 “监控（Supervisory Control）”，即“监视和控制”，是指通过计算机信号对自动化设备或过程进行监视、控制和管理。 过程控制与自动化仪表27加热炉过程控制系统加热炉过程控制系统冷设计步骤：设计步骤：1.1.确定控制目标确定控制目标 1

20、 1）热油出口温度稳定； 2 2）出口温度与烟道气含氧量稳定； 3 3）温度稳定与热效率最高。2.2.选择被控参数选择被控参数 直接参数（直接参数（油出口温度、烟道气含氧量、燃油压力）间接参数（）间接参数（热效率）3 3 选择控制量选择控制量 燃料油流量还是冷油流量燃料油流量还是冷油流量出口温度出口温度 进风挡板开度还是送风挡板进风挡板开度还是送风挡板含氧量含氧量过程控制与自动化仪表284.4.确定控制方案确定控制方案 控制精度和干扰决定控制精度和干扰决定系统的简单与复杂。系统的简单与复杂。温度、效率、含氧量等多于一个要求温度、效率、含氧量等多于一个要求多输多输入入/ /多输出。多输出。如果温

21、度、含氧量定值控制，还要求效率如果温度、含氧量定值控制，还要求效率最优控制。最优控制。5.5.选择控制策略选择控制策略 多数采用多数采用PIDPID；复杂过程；复杂过程高级过程控制高级过程控制6.6.选择执行器选择执行器 气动与电动，执行期特性与过程特性匹配。气动与电动，执行期特性与过程特性匹配。7.7.设计报警与联锁保护系统设计报警与联锁保护系统 高、低限值；加热炉停车程序：停燃油泵高、低限值；加热炉停车程序：停燃油泵关燃油阀关燃油阀停引风机停引风机切断热油阀切断热油阀8.8.工程化设计工程化设计设计图样资料和文件资料设计图样资料和文件资料表达设计思想表达设计思想主管部门审批主管部门审批施工

22、单位。施工单位。9.9.系统投运、调试和整定参数系统投运、调试和整定参数冷过程控制与自动化仪表29自动化仪表概述自动化仪表概述自动化仪表（自动化仪表（ Automation InstrumentationAutomation Instrumentation）： 用于过程自动化的仪器或设备。过程控制系统是实现生产过程自动化的平台过程控制系统是实现生产过程自动化的平台, ,而自动化仪表而自动化仪表与装置是过程控制系统不可缺少的重要组成部分。与装置是过程控制系统不可缺少的重要组成部分。 调节阀传感器变送器执行器控制器自动化仪表被控过程自动化仪表的构成自动化仪表的构成过程控制与自动化仪表30过程控制仪

23、表的分类及特点 1.现场仪表（一次仪表） 2.控制室仪表（二次仪表） 1.气动控制仪表 2.电动控制仪表 3.液动控制仪表 （少） 1.模拟控制仪表 2.数字控制仪表 1.基地式控制仪表 2.单元组合式控制仪表 3.组装式综合控制装置 4.集中计算机控制仪表 5.集散控制仪表 6.现场总线控制仪表。过程控制与自动化仪表31电动控制仪表电动控制仪表： 优点：优点： 信号快速，远距离传输信号快速，远距离传输 易于实现复杂规律的信号处理易于实现复杂规律的信号处理 易于与其它装置相连易于与其它装置相连 供电用电方便供电用电方便 无需空压机和油泵、水泵无需空压机和油泵、水泵 缺点：缺点： 不天然防爆不天

24、然防爆 易受电磁干扰易受电磁干扰 功率不易大功率不易大 近年的电动仪表多采用了安全防爆措施，应用更加广泛。近年的电动仪表多采用了安全防爆措施，应用更加广泛。 气动控制仪表气动控制仪表：以压缩空气为能源。以压缩空气为能源。 优点：优点：结构简单，性能稳定，可靠性高，易于维修，天然防爆。结构简单，性能稳定，可靠性高，易于维修，天然防爆。 缺点：缺点：气动信号传输速度极限气动信号传输速度极限 = 声速声速340m/s， 体积庞大。体积庞大。液动仪表液动仪表 ：以高压油和高压水为能源：以高压油和高压水为能源 优点优点：工作可靠，结构简单，功率大，防爆：工作可靠，结构简单，功率大，防爆 缺点缺点：速度传

25、送慢：速度传送慢过程控制与自动化仪表32模拟式控制仪表模拟式控制仪表是传统的仪表，传输信号通常为连续变化的模拟量。如是传统的仪表，传输信号通常为连续变化的模拟量。如电流、电电流、电压、气压压、气压等。模拟式电动控制仪表以模拟电子元件为组成元件，运等。模拟式电动控制仪表以模拟电子元件为组成元件，运算放大器是信息处理的核心部件。这类仪表线路较简单，操作方便，算放大器是信息处理的核心部件。这类仪表线路较简单，操作方便，价格较低，使用上有较成熟的经验。价格较低，使用上有较成熟的经验。数字式控制仪表数字式控制仪表以以微处理器微处理器为核心，传输信号为断续变化的数字量。由于有微处为核心，传输信号为断续变化

26、的数字量。由于有微处理器的存在，任何复杂的信息处理都易实现，硬件不变，软件千变理器的存在，任何复杂的信息处理都易实现，硬件不变，软件千变万化，这类仪表的特色就是高度集成、丰富的功能，易于网络互联。万化，这类仪表的特色就是高度集成、丰富的功能，易于网络互联。它能解决模拟式仪表难以解决的问题，满足现代化生产过程的高质它能解决模拟式仪表难以解决的问题，满足现代化生产过程的高质量控制要求。量控制要求。过程控制与自动化仪表331.基地式控制仪表基地式控制仪表 安装在现场，集检测、指示、控制于一身。安装在现场，集检测、指示、控制于一身。 特点：特点：一般结构比较简单、价格便宜它不仅能对某些工艺变量进行指示

27、或一般结构比较简单、价格便宜它不仅能对某些工艺变量进行指示或记录，而已还具有控制功能，因此它比较适用于单变量的就地控制系统。记录，而已还具有控制功能，因此它比较适用于单变量的就地控制系统。2.单元组合控制仪表单元组合控制仪表 将整套仪表划分成能独立实现一定功能的若干单元，各单元之间采用统一信将整套仪表划分成能独立实现一定功能的若干单元，各单元之间采用统一信号进行联系。使用时可根据控制系统的需要，对各单元进行选择和组合，从而构号进行联系。使用时可根据控制系统的需要，对各单元进行选择和组合，从而构成多种多样的、复杂程度各异的自动检测和控制系统。常用成多种多样的、复杂程度各异的自动检测和控制系统。常

28、用电动单元组合电动单元组合仪表仪表(DDZ(DDZ型型) )和和气动单元组合气动单元组合仪表仪表(QDZ(QDZ型型) )。特点：特点：使用灵活，通用性强，同时，使用、维护更作也很方便。它适用于各种企使用灵活，通用性强，同时，使用、维护更作也很方便。它适用于各种企业的自动控制。业的自动控制。单元组合仪表分为单元组合仪表分为：变送单元、给定单元、控制单元、执行单元、：变送单元、给定单元、控制单元、执行单元、转换单元、运算单元、显示单元和辅助单元。转换单元、运算单元、显示单元和辅助单元。过程控制与自动化仪表342.单元组合控制仪表单元组合控制仪表变送单元：变送单元：把各种被测量（温度、压力、流量、

29、液位）变换成标准输出信号。把各种被测量（温度、压力、流量、液位）变换成标准输出信号。控制单元控制单元：将测量信号和设定信号之差运算后去控制执行单元。将测量信号和设定信号之差运算后去控制执行单元。执行单元：执行单元：按照控制信号按照控制信号 或手动信号去改变控制量大小。或手动信号去改变控制量大小。转换单元：转换单元：实现不同物理信号到标准信号转换，不同标准之间转换。气实现不同物理信号到标准信号转换，不同标准之间转换。气电电运算单元：运算单元：信号加减乘除，信号补偿。信号加减乘除，信号补偿。给定单元：给定单元：输出被控量的设定值输出被控量的设定值。显示单元：显示单元：参数指示、报警、记录。参数指示

30、、报警、记录。辅助单元：辅助单元：特殊需要的（操作器、特殊需要的（操作器、限幅器、安全防爆栅）。限幅器、安全防爆栅）。过程控制与自动化仪表353. 组装式控制仪表组装式控制仪表 一种功能分离、结构组件化的成套仪表装置。工程实际中已很一种功能分离、结构组件化的成套仪表装置。工程实际中已很少使用。少使用。4 .集中计算机控制仪表集中计算机控制仪表 以数字计算机为核心的数字控制仪表。其外形结构、面板布置以数字计算机为核心的数字控制仪表。其外形结构、面板布置保留了模拟式仪表的一些特征，但其运算、控制功能更为丰富，通保留了模拟式仪表的一些特征，但其运算、控制功能更为丰富，通过组态可完成各种运算处理和复杂

31、控制。过组态可完成各种运算处理和复杂控制。测量变送与执行单元采用测量变送与执行单元采用模拟仪表，调节单元采用数字仪表。模拟仪表，调节单元采用数字仪表。QDZ QDZ QDZ DDZ DDZ DDZ 单元组合式仪表单元组合式仪表发发 展展 阶阶 段段过程控制与自动化仪表365.集散型控制仪表集散型控制仪表 将集中一台计算机完成的任务分派给各个微型过程控制计算机，将集中一台计算机完成的任务分派给各个微型过程控制计算机，再配上数字总线以及上一级过程控制计算机，组成各种各样的、能再配上数字总线以及上一级过程控制计算机，组成各种各样的、能适应于不同过程的积木式分级分布计算机控制系统。实现了适应于不同过程

32、的积木式分级分布计算机控制系统。实现了“控制控制分散分散”或或“危险分散危险分散”，管理高度集中。，管理高度集中。测量变送与执行单元采用测量变送与执行单元采用模拟仪表，调节单元采用数字仪表。模拟仪表，调节单元采用数字仪表。6.现场总线控制仪表现场总线控制仪表 是计算机网络技术、通信技术、控制技术和现代仪器仪表技术是计算机网络技术、通信技术、控制技术和现代仪器仪表技术的最新发展成果。它将具有数字通信能力的现场智能仪表连成网络的最新发展成果。它将具有数字通信能力的现场智能仪表连成网络系统，并同上一层监控级、管理级联系起来成为全分布式的新型控系统，并同上一层监控级、管理级联系起来成为全分布式的新型控

33、制网络。制网络。 采用全数字化、双向传输、多分支的通信网络。通信协议规范采用全数字化、双向传输、多分支的通信网络。通信协议规范化、标准化、公开化，使各种控制系统通过总线实现互联、互换和化、标准化、公开化，使各种控制系统通过总线实现互联、互换和互操作。互操作。过程控制与自动化仪表37压力压力变送器变送器压力压力变送器变送器常用的控制仪表及装置 过程控制与自动化仪表38模拟模拟仪表的信号制仪表的信号制气动信号标准气动信号标准 根据国际电工委员会根据国际电工委员会IEC384IEC384制定了我国标准制定了我国标准GB777GB777工业自动化仪表用模拟气动工业自动化仪表用模拟气动信号信号规定规定统

34、一使用统一使用0.02M Pa(0.2Kgf/cm0.02M Pa(0.2Kgf/cm2 2) )0.1M Pa (1.0Kgf/cm0.1M Pa (1.0Kgf/cm2 2) )的模拟气压信号。的模拟气压信号。电动信号标准电动信号标准 直流电流、直流电压、交流电流、交流电压直流电流、直流电压、交流电流、交流电压直流比交流信号优越直流比交流信号优越 直流信号不受交流感应影响，因此抗干扰能力强。直流信号不受交流感应影响，因此抗干扰能力强。 直流信号传输不受线路电感电容等影响，无相移问直流信号传输不受线路电感电容等影响，无相移问 题。题。 直流信号便于模数转换并与数字仪表相接直流信号便于模数转换

35、并与数字仪表相接 容易获得基准电压容易获得基准电压过程控制与自动化仪表39电动信号标准电动信号标准模拟模拟仪表的信号制仪表的信号制电流信号优于电压信号电流信号优于电压信号 电流信号可远距离传输（线路电阻上压降太多，则信号耗损）。电流信号可远距离传输（线路电阻上压降太多，则信号耗损）。 例例 4 420 mA 20 mA 用用0.6mm0.6mm直径双绞线可传输直径双绞线可传输1km1km电流信号电流信号4 420 mA20 mA不从不从 0mA 0mA 起，可判别是否断路或停电。起，可判别是否断路或停电。数字数字式仪表的通信标准式仪表的通信标准数字或智能仪表与计算机之间采用数字通讯模式多种，如

36、数字或智能仪表与计算机之间采用数字通讯模式多种，如RS232RS232、RS485RS485、USBUSB、 PROFIBUS PROFIBUS 、 Control Net Control Net 、CANCAN 、HartHart、ModbusModbus。数字比模拟信号的优势：数字比模拟信号的优势： 1 1、提高信号传输精度、提高信号传输精度 抗干扰能力强。抗干扰能力强。 2 2、传输信息丰富，可传测量值及厂家信息。、传输信息丰富，可传测量值及厂家信息。 3 3、减少布线复杂性和费用。、减少布线复杂性和费用。电流信号 4-20mA，负载电阻250 电压信号1-5v过程控制与自动化仪表40交

37、流供电：交流供电： 380V 380V 220V220V交流点交流点降压降压整流整流滤波滤波稳压稳压直流集中供电的优点直流集中供电的优点： 1 1）体积）体积、重量、重量、温升、温升 2 2）防停电能力增强）防停电能力增强 3 3）无交流，易于防爆）无交流，易于防爆 过程控制与自动化仪表41安全防爆仪表与防爆系统安全防爆仪表与防爆系统仪表的防爆性能：仪表的防爆性能： 防爆性能：本质安全防爆性能与非本质安全防爆性能。防爆性能：本质安全防爆性能与非本质安全防爆性能。 气动仪表本质上是防爆的，因为它不会产生电火花。气动仪表本质上是防爆的，因为它不会产生电火花。电动仪表防爆方案电动仪表防爆方案结构型防

38、爆：结构上隔离产生火花的电路和爆炸气 体（类型有充油型、充气型、隔爆型）。安全火花型防爆：把仪表电路在短路、断路及误操作各种状态下可能产生的火花限制在爆炸气体的点火能量之下（具有本质安全防爆性能）。过程控制与自动化仪表42安全防爆仪表与防爆系统安全防爆仪表与防爆系统安全火花型防爆等级：安全火花型防爆等级： 限制限制火花能量火花能量，不同的气体，不同的气体不同的能量。电压不同的能量。电压30V DC时时, 不不同爆性物最小引爆电流：同爆性物最小引爆电流：级级别别最小引爆电流最小引爆电流（mAmA）爆炸性混合物种类爆炸性混合物种类i i120120甲烷，乙烷，汽油，甲醇，乙醇，丙酮，氨，甲烷，乙烷

39、，汽油，甲醇，乙醇，丙酮，氨，一氧化碳等一氧化碳等7070i120i120乙烯，乙醚，丙烯腈等乙烯，乙醚，丙烯腈等i70i70氢，乙炔，二硫化碳，市用煤气，水煤气等氢，乙炔，二硫化碳，市用煤气，水煤气等仪表表面温度仪表表面温度过高可能产生自燃引起爆炸。易燃易爆气体自燃温过高可能产生自燃引起爆炸。易燃易爆气体自燃温度分度分5组。组。a、b、c、d、e，其中，其中e组最低（组最低（100）。）。 仪表防爆等级标志仪表防爆等级标志 He：安全火花型、：安全火花型、i70mA（30VDC）、）、 100安全安全过程控制与自动化仪表43安全防爆仪表与防爆系统安全防爆仪表与防爆系统安全火花型防爆系统 条件

40、:现场仪表为安全火花型；安全防爆栅隔离。过程控制与自动化仪表44l参数检测与变送概述l温度检测与变送l压力检测与变送l流量检测与变送l液位检测与变送l成分分析与变送第二篇第二篇 过程参数检测与变送过程参数检测与变送 过程控制与自动化仪表45参数控制参数检测仪表（性能、原理）传感器定义： 国标GB7665-87规定：能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件：直接感受或影响被测量的部分。转换元件：敏感元件感受的被测量适宜传输或测量。（微弱） 热电偶敏感、转换元件合一信号调理与转换电路：放大、转换。参数检测与变送概述参数检测与变送概

41、述检测仪表检测仪表转换元件敏感元件信号调理与转换电路电源 被测量 输入量 测量电路 电量 输出量过程控制与自动化仪表46l真值：参数检测与变送概述参数检测与变送概述过程控制与自动化仪表47最大绝对误差指的是绝对误差中的最大值max。l相对误差参数检测与变送概述参数检测与变送概述过程控制与自动化仪表48参数检测与变送概述参数检测与变送概述%)100%(100 xxa%100minmaxxx过程控制与自动化仪表49l测量误差按其产生原因的不同,可以分为三类：克服办法：负反馈结构统计计算、滤波消除系统误差系统误差 ；随机误差；疏忽误差；随机误差；疏忽误差过程控制与自动化仪表50固有特性：固有特性：参

42、数检测与变送概述参数检测与变送概述仪表基本特性仪表基本特性%100)(%100max0baxx仪表量程绝对误差的最大值仪表精度仪表精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。在工业上应仪表精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。在工业上应用时用时, ,对检测仪表精确度的要求对检测仪表精确度的要求, ,应根据生产操作的实际情况和该应根据生产操作的实际情况和该参数对整个工艺过程的影响程度所提供的误差允许范围来确定参数对整个工艺过程的影响程度所提供的误差允许范围来确定, ,这样才能保证生产的经济性和合理性。这样才能保证生产的经济性和合理性。 过程控制与自动化仪表51%8 . 0%1002007004

43、举例例1-1某台测温仪表的测温范围为200700，校验该表时得到的最大绝对误差为4，试确定该仪表的引用相对百分误差与准确度等级。 解解 该仪表的引用相对误差为该仪表的引用相对误差为 如果将该仪表的如果将该仪表的去掉去掉“”号与号与“”号，其数值为号，其数值为0.80.8。由于国家规定的精度等级中没有由于国家规定的精度等级中没有0.80.8级仪表，同时，该仪表的误级仪表，同时，该仪表的误差超过了差超过了0.50.5级仪表所允许的最大误差，所以，这台测温仪表的级仪表所允许的最大误差，所以，这台测温仪表的精度等级为精度等级为1.01.0级。级。 参数检测与变送概述参数检测与变送概述仪表基本特性仪表基

44、本特性过程控制与自动化仪表52%100max仪表量程ff非线性误差（非线性误差（线性度线性度）非线性误差（非线性误差（）是表征线性刻度仪表的输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度。通常总是希望测量仪表的输出与输入之间呈线性关系。 线性度示意图 式中式中，f为线性度（又称非线性误差）；fmax为校准曲线对于理论直线的最大偏差（以仪表示值的单位计算）。 过程控制与自动化仪表53%100标尺下限值标尺上限值最大绝对差值变差 变差变差是指在外界条件不变的情况下，用同一仪表对被测量在仪表是指在外界条件不变的情况下，用同一仪表对被测量在仪表全部测量范围内进行正反行程（即被测参数逐渐由小到大和逐渐

45、由全部测量范围内进行正反行程（即被测参数逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，被测量值正行和反行所得到的两条特性曲线之间大到小）测量时，被测量值正行和反行所得到的两条特性曲线之间的差值。的差值。 测量仪表的变测量仪表的变差差参数检测与变送概述参数检测与变送概述仪表基本特性仪表基本特性过程控制与自动化仪表54灵敏度灵敏度是指仪表指针的线位移或角位移，与引起这个位移的被测参是指仪表指针的线位移或角位移，与引起这个位移的被测参数变化量的比值。即数变化量的比值。即xS 式中，式中，S S为仪表的灵敏度；为仪表的灵敏度；为指针的线位移或角位移；为指针的线位移或角位移；x x为引起为引起所需的被测参数变化量

46、。所需的被测参数变化量。提高仪表的灵敏度可采提高仪表的灵敏度可采用增加放大部分的用增加放大部分的放大倍数放大倍数来实现。不过仪表的性能主要取决来实现。不过仪表的性能主要取决于仪表的基本误差。于仪表的基本误差。 分辨力又称灵敏限分辨力又称灵敏限是指能引起仪表指针发生动作的被测参数的最小是指能引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量。通常仪表灵敏限的数值应不大于仪表允许绝对误差的一半。变化量。通常仪表灵敏限的数值应不大于仪表允许绝对误差的一半。 注意：注意：上述指标仅适用于指针式仪表。在数字式仪表中，上述指标仅适用于指针式仪表。在数字式仪表中，往往用分辨率表示。往往用分辨率表示。 参数检测与变送

47、概述参数检测与变送概述仪表基本特性仪表基本特性过程控制与自动化仪表55漂移漂移 ：时漂与温漂时漂与温漂动态误差动态误差 ： 干扰作用下处于变动状态下仪表输出值与参数实际值的差异。干扰作用下处于变动状态下仪表输出值与参数实际值的差异。 产生原因：产生原因： 惯性和纯滞后惯性和纯滞后minminminmaxminmax)(yxxxxyyy检测仪表的工作特性检测仪表的工作特性：适应参数测量和系统运行的需要具有的输入：适应参数测量和系统运行的需要具有的输入/输出特性输出特性理想工作特性理想工作特性：过程控制与自动化仪表56minx零点零点: :被测参数的下限值被测参数的下限值 或对应仪表输出下限值或对

48、应仪表输出下限值的被测参数最大值。的被测参数最大值。零点调整：零点调整：使仪表的测量下限值为零的过程。（使使仪表的测量下限值为零的过程。（使 ）零点迁移：零点迁移：使仪表的测量下限值不为零的过程。（使使仪表的测量下限值不为零的过程。（使 ）参数检测与变送概述参数检测与变送概述仪表基本特性仪表基本特性未迁移未迁移 正迁移正迁移 负迁移负迁移minyminxmin0 xmin0 x过程控制与自动化仪表57量程量程：是指与检测仪表规定的输出范围相对应的输入范围：是指与检测仪表规定的输出范围相对应的输入范围. .量程调整量程调整：是指在零点不变时将输出上限值与输入上限值相对应：是指在零点不变时将输出上

49、限值与输入上限值相对应；量程调节前后输入量程调节前后输入输出特性输出特性参数检测与变送概述参数检测与变送概述仪表基本特性仪表基本特性量程调整相当于改变变送器的输入输出特性的斜率。 过程控制与自动化仪表58实例实例 某测温仪表的量程为某测温仪表的量程为0 0500500，输出信号为输出信号为4 420mA20mA ，现欲测量现欲测量20020010001000应如何调整？应如何调整？ 调量程调量程 零点迁移零点迁移参数检测与变送概述参数检测与变送概述仪表基本特性仪表基本特性过程控制与自动化仪表59模拟式变送器构成模拟式变送器构成：测量、放大、反馈、零点调整与迁测量、放大、反馈、零点调整与迁移。移

50、。测 量 部 分iK零 点 迁 移x放 大 器K反 馈 回 路fKy0zizfz原理说明原理说明：将输入的各种被测参将输入的各种被测参数（如温度、压力、流量、液位、数（如温度、压力、流量、液位、成分等）转换成统一标准的模拟成分等）转换成统一标准的模拟信号。信号。参数检测与变送概述参数检测与变送概述变送器的构成原理变送器的构成原理模拟式变送器的构成框图模拟式变送器的构成框图变送器：变送器：传感器信号种类多信号弱传感器信号种类多信号弱统一标准信号。统一标准信号。模拟变送器、数字变送器模拟变送器、数字变送器011zKKKxKKKKyffi输入输入/ /输出关系输出关系01, 1zKxKKyKKffi

51、f理想线性特性：理想线性特性：测量系数反馈测量系数反馈系数比值为常值时，具有线性系数比值为常值时，具有线性比例关系比例关系过程控制与自动化仪表60过程控制与自动化仪表61 存 储 器x传 感 器 组 件A/D转 换 器CPU通 信 电 路FSK 信 号D/A转 换 器数字式变送器的构成原理（数字式变送器的构成原理（基于基于CPUCPU的硬件电路、系统程序和功能模块的软件的硬件电路、系统程序和功能模块的软件）（1 1）数字式变送器的硬件构成数字式变送器的硬件构成（2 2）软件构成软件构成系统程序：硬件管理，其基本功能为模系统程序：硬件管理，其基本功能为模/ /数转换、数据通讯、自检；数转换、数据

52、通讯、自检；功能模块：用户组态各种功能。功能模块：用户组态各种功能。参数检测与变送概述参数检测与变送概述变送器的构成原理变送器的构成原理过程控制与自动化仪表62四线制和二线制方式四线制和二线制方式二线制满足的条件：min00II)2(maxmax0minrRIEVLT)(maxmin0minmin0minLRIEIP参数检测与变送概述参数检测与变送概述变送器的信号传输方式变送器的信号传输方式二线制优点：节省连接电缆、有利于安二线制优点：节省连接电缆、有利于安全防爆和抗干扰全防爆和抗干扰 正常正常工作电流工作电流输出电流的最小值输出电流的最小值： 输出端输出端电压电压：最小有效功率最小有效功率：

53、二线二线制变制变送器送器RLErrIo+VTRL四线四线制变制变送器送器Io电源过程控制与自动化仪表63参数检测与变送概述参数检测与变送概述变送器的信号变送器的信号传输方式传输方式 HARTHART（Highway Addressable Remote TransducerHighway Addressable Remote Transducer）协议是一）协议是一种过渡性协议，它采用频移键控种过渡性协议，它采用频移键控FSKFSK技术，在技术，在4 420mA20mA过程测量模拟过程测量模拟信号上叠加了一个频率信号，使模拟信号与数字双向通讯能同时进信号上叠加了一个频率信号，使模拟信号与数字双

54、向通讯能同时进行，即行，即在一条电缆上同时传输在一条电缆上同时传输4 420mA20mA的模拟信号和数字信号，的模拟信号和数字信号，互互不干扰。我国目前工业现场中不干扰。我国目前工业现场中4 420mA20mA标准的模拟仪表仍大量存在，标准的模拟仪表仍大量存在，HARTHART协议起到了承前启后的作用，在我国得到了广泛的应用。协议起到了承前启后的作用，在我国得到了广泛的应用。 这种被称为可寻址远程传感高速通道最早由这种被称为可寻址远程传感高速通道最早由RosemountRosemount公司开公司开发并得到发并得到8080多家著名仪表公司的支持多家著名仪表公司的支持 , ,于于19931993

55、年成立了年成立了HARTHART通信基通信基金会。金会。 HARTHART通信协议是依照国际标准化组织通信协议是依照国际标准化组织(ISO)(ISO)的开放式系统互连的开放式系统互连(OSI)(OSI)参考模型，简化并引用其中三层：参考模型，简化并引用其中三层： 物理层物理层 数据链路层数据链路层 应用层应用层HARTHART通讯协议通讯协议 : :过程控制与自动化仪表64HARTHART（Highway Addressable Transducer)Highway Addressable Transducer)协议传输方式协议传输方式信号传输：信号传输：基于基于Bell 202 Bell 2

56、02 通讯标准，采用频移键控通讯标准，采用频移键控FSKFSK方法，在方法，在4 420mA20mA基础上叠加幅度为基础上叠加幅度为0.5mA0.5mA的正弦调制波作为数字信号的正弦调制波作为数字信号 模拟信号和基于频移键控（模拟信号和基于频移键控（FSK)FSK)的叠加的叠加传输速率为传输速率为1200bit/s1200bit/s参数检测与变送概述参数检测与变送概述变送器的信号变送器的信号传输方式传输方式过程控制与自动化仪表65参数检测与变送参数检测与变送温度的检测与变送温度的检测与变送测量温度的方法：（从测量体与被测介质接触与否来分）（从测量体与被测介质接触与否来分）接触式测量接触式测量:

57、即通过测量体与被测介质的接触来测量物体的温度即通过测量体与被测介质的接触来测量物体的温度. .特点：简单、可靠、测量精度较高。但由于要达到热平衡，因而特点：简单、可靠、测量精度较高。但由于要达到热平衡，因而产生了滞后。而且可能与被测介质产生化学反应。不能应用于很产生了滞后。而且可能与被测介质产生化学反应。不能应用于很高温度的测量。高温度的测量。非接触式测量非接触式测量:即通过接收被测物体发出的辐射热来判断温度。即通过接收被测物体发出的辐射热来判断温度。特点：其测温范围很广，其测温上限原则上不受限制；测温速度特点：其测温范围很广，其测温上限原则上不受限制；测温速度比较快，而且可以对运动体进行测量

58、，但一般测温误差较大。比较快，而且可以对运动体进行测量，但一般测温误差较大。 电的测温仪表精度高，信号又便于传输。因此热电偶和热电电的测温仪表精度高，信号又便于传输。因此热电偶和热电阻在工业生产和科学研究领域得到了广泛应用。阻在工业生产和科学研究领域得到了广泛应用。过程控制与自动化仪表66基于热阻效应， 常用测温元件参数检测与变送参数检测与变送温度的检测与变送温度的检测与变送CCCCCCCCCCCCCCC2000200:35000:1700900:3200700:2000400:15050:600200:60050:100050:16000:2500:60020:60030:60080:600

59、50:热电式光电式红外线比色光辐射热辐射辐射式非接触式、铜热电阻：铂考铜镍铬镍硅镍铬铂铂铑热电偶蒸汽气体液体压力式双金属玻璃液体膨胀式接触式温度计过程控制与自动化仪表67接触式测温测温元件测温元件测温原理测温原理测温范围测温范围/主要特点主要特点热电偶热电偶热电效应热电效应0 016001600测温范围广，测量精度高，便于远距离、多测温范围广，测量精度高，便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应用广泛；需进点、集中检测和自动控制，应用广泛；需进行冷端温度补偿，低温测量精度低。行冷端温度补偿，低温测量精度低。铂电阻铂电阻热阻效应热阻效应200200600600测温范围广，测量精度高，便于远距离、

60、多测温范围广，测量精度高，便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应用广泛；不能点、集中检测和自动控制，应用广泛；不能测高温。测高温。铜电阻铜电阻5050150150半导体热半导体热敏电阻敏电阻5050150150灵敏度高，体积小，结构简单，使用方便；互灵敏度高，体积小，结构简单，使用方便；互换性较差，测量范围有一定限制。换性较差，测量范围有一定限制。工业常用测温元件参数检测与变送参数检测与变送接触式测温接触式测温过程控制与自动化仪表68受热物质膨胀产生压力（尺寸）变形。参数检测与变送参数检测与变送接触式测温接触式测温过程控制与自动化仪表691)1) 金属热电阻金属热电阻：2030020000(