化工仪表及自动化(公共课-2)

1、化工仪表与自动化2013年10月10日主要内容一、概述一、概述二、仪表基础知识二、仪表基础知识三、常用仪表、控制图形符号三、常用仪表、控制图形符号四、自动控制系统四、自动控制系统五、集散型控制系统五、集散型控制系统一、概述1 1：化工自动化的发展情况：化工自动化的发展情况 20世纪40年代以前 绝大多数化工生产处于手工操作状况，操作工人根据反映主要参数的仪表指示情况，用人工来改变操作条件，生产过程单凭经验进行。低效率，花费庞大。 20世纪50年代到60年代 人们对化工生产各种单元操作进行了大量的开发工作，使得化工生产过程朝着大规模、高效率、连续生产、综合利用方向迅速发展。 20世纪70年代以来

2、 化工自动化技术水平得到了很大的提高。 20世纪70年代 计算机开始用于控制生产过程，出现了计算机控制系统。 20世纪80年代末至90年代 现场总线和现场总线控制系统得到了迅速的发展。2 2：化工自动化：化工自动化的意义及目的的意义及目的 加快生产速度、降低生产成本、提高产品产量和质量。 减轻劳动强度、改善劳动条件。 能够保证生产安全，防止事故发生或扩大，达到延长设备使用寿命，提高设备利用率、保障人身安全的目的。 生产过程自动化的实现，能根本改变劳动方式，提高工人文化技术水平，以适应当代信息技术革命和信息产业革命的需要。 二、仪表基础知识1 1：仪表的分类：仪表的分类： 检测与过程控制仪表（通

3、常称自动化仪表）分类方法很多，根据不同原则可以进行相应的分类。例如：（1 1）按仪表所使用的能源分类：按仪表所使用的能源分类：分为气动仪表气动仪表、电动仪表电动仪表、液动仪表液动仪表；（2 2）按仪表组合形式分类：按仪表组合形式分类：分为基地式仪表基地式仪表、单元组合仪表单元组合仪表、综合控制装置综合控制装置；（3 3）按仪表安装形式分类：按仪表安装形式分类：分为现场仪表现场仪表、盘盘装仪表装仪表、架装仪表架装仪表； （4 4）按仪表是否引入微处理器分类：按仪表是否引入微处理器分类：分为智能仪表智能仪表、非智能仪表非智能仪表；（5 5）按仪表信号形式分类：按仪表信号形式分类：分为模拟仪表模拟仪

4、表、数字仪数字仪表表。 检测与过程控制仪表最通用的分类是按仪表在测量与控制系统中的作用进行划分的，一般分为检检测仪表测仪表、显示仪表显示仪表、调节（控制）仪表调节（控制）仪表、执行器等执行器等四大类。 检测仪表根据其被测变量不同，根据化工生产五大参量又可分为温度温度、流量流量、压力压力、物位物位、分析分析仪表仪表。12 2：仪表主要性能指标：仪表主要性能指标 准确度是指测量值与实际值的一致程度。习惯上又称为精确度或精度精确度或精度。是仪表基本误差的最大允许值。 准确度等级准确度等级是仪表按准确度高低分成的等级，习惯上又称为精确度等级或精度等级。 仪表的精度等级是根据引用误引用误差来划分的。2.

5、12.1. .测量仪表的准确度（精确度）测量仪表的准确度（精确度）%100标尺下限值标尺上限值差值仪表允许的最大绝对误引用误差 因此影响仪表精度的主要因素是：说明：仪表的测量误差可以用绝对误差来表示。但是，仪表的绝对误差在测量范围内的各点不相同。因此，常说的“绝对误差”指的是绝对误差中的最大值max。 两大两大影响因素影响因素绝对误差和仪表绝对误差和仪表的的量程量程范围范围 仪表的引用误差越大，表示它的精确度越低；反之，仪表的引用误差越小，表示仪表的精确度越高。将仪表的引用误差去掉“”号及“”号，便可以用来确定仪表的精确度等级。目前常用的精确度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.

6、2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。小结2.22.2、变差、变差 变差（也叫回差）是仪表被测变量在外界条件不变的情况下，在被测参数由小到大的正行程和由大到小的反行程中，对同一个参数却指示出不同的数值，两读数只差即称为该点的变差。 变差变差 = 上行程示值上行程示值 下行程示值下行程示值 造成变差的原因很多：如传动机构间隙过大、运动部件的摩擦、弹性元件的滞后的影响等。 工业测量仪表的变差规定不得超过该仪表本身的精确度等级，否则应予以检修。 2.32.3、灵敏度、灵敏度 灵敏度是表达仪表对被测参数变化的灵敏程度。它是指仪表达到稳定状态以后，其输出增量与输入增量之比。比值越大，仪表

7、越灵敏。三、常用仪表、控制图形符号1 1：图形符号：图形符号1.1. 1.1. 测量点测量点 测量点是由过程设备或管道符号引导仪表圆圈的连接引线的起点，一般无特定的图形符号，如图1-2-1（a)所示。 若测量点位于设备中的位置时，可在引线的起点加一个直径为2mm的小圆圈或加虚线，如图1-2-1（b)所示。 1.2.1.2.连接线图形符号连接线图形符号 仪表圆圈与过程测量点的连接引线，通用的仪表信号线和能源线的符号是细实线。当通用仪表信号线为细实线可能造成混淆时，通用信号线符号可在细实线上加斜短划线（斜短划线与细实线成45角）。11.3. 1.3. 仪表图形符号仪表图形符号 仪表图形符号是直径为

8、12mm（或10mm）的细实线圆圈。仪表位号的字母或阿拉伯数字较多，圆圈内不能容纳时，可以断开。如图1-2-2（a)所示，处理两个或多个变量，或处理一个变量但有多个功能的复式仪表，可用相切的仪表圆圈表示，如图1-2-2（b)所示。当两个测量点引到一台复式仪表上，而两个测点在图纸上距离较远或不在同一张纸上，则分别用两个相切的实线圆圈和虚线圆圈表示，如图1-2-2（c)所示。 分散控制系统（又称集散型控制系统DCS）仪表图形符号是直径为12mm（或10mm）的细实线圆圈，外加与圆圈相切的细实线方框，如图1-2-3（a）所示。作为分散控制系统一个部件的计算机功能图形符号，是对角线长为12mm（或10

9、mm）细实线六边形，如图1-2-3（b）所示。分散控制系统内部连接的可编程序逻辑控制器（即PLC）功能图形符号，如图1-2-3（c）所示。1.4.1.4.表示仪表安装位置图形符号表示仪表安装位置图形符号1.5.1.5.控制阀体图形符号、风门图形符号控制阀体图形符号、风门图形符号1.6.1.6.执行机构图形符号执行机构图形符号1.7.1.7.执行机构能源中断时控制位置的图形符号执行机构能源中断时控制位置的图形符号注：注：上述图形符号中，若不用箭头、横线表示， 也可以在控制阀体下部标注下列缩写词： FOFO-能源中断时阀门打开 FCFC-能源中断时阀门关闭 FLFL-能源中断时阀门保持原位 FIF

10、I-能源中断时阀门在任意位置 2 2：字母代号：字母代号2.1.2.1.被测变量和仪表功能的字母代被测变量和仪表功能的字母代号2.2.2.2.仪表位号（仪表位号（TAG)TAG)：2.2.1.2.2.1.仪表位号组成仪表位号组成 在检测、控制系统中，构成一个回路的每个仪表（或元件）都应有自己的仪表位号。仪表位号仪表位号由字母代号组合和回路编号两部分组成。仪表位号中，第一个字母表示被测变量，后续字母表示仪表的功能；回路编号可以按装置或工段（区域）进行编制，一般用三至五位数字表示。如下图所示： T T RCRC 1 1 0101 序号（一般用两位数字，也可用三位数字）序号（一般用两位数字，也可用三

11、位数字） 工序代号（可以一位，也可以用两位数字工序代号（可以一位，也可以用两位数字） 功能字母代号功能字母代号（记录、调节控制）（记录、调节控制） 被测变量字母代号被测变量字母代号（温度）（温度）2.2.2.2.2.2.分类与编号分类与编号 仪表位号按被测变量进行分类，即同一个装置（或工段）的相同被测变量的仪表位号中数字编码是连续的，但允许中间有空号；不同被测变量的仪表位号不能连续编号。如果同一个仪表回路中有两个以上具有相同功能的仪表，可用仪表位号后附加尾缀（大写英文字母）加以区别，例如：PT-202A、PT-202B表示同一回路内的两台变送器等。2.2.3.2.2.3.带控制点流程图和仪表系

12、统图上表示方法带控制点流程图和仪表系统图上表示方法 仪表位号表示方法是：字母代号填写在圆圈上半圈中，回路编号填写在圆圈下半圈中。集中仪表盘面安装仪表，圆圈中有一横，如下图（a)中所示，就地安装仪表中间没有一横，如下图（b)中所示。 TRCTRC T I T I （a) 101a) 101 101 (b101 (b） 在带控制点流程图上表示方法在带控制点流程图上表示方法 根据图形符号、文字代号以及仪表位号表示方法，可绘制根据图形符号、文字代号以及仪表位号表示方法，可绘制仪表系统图，见表仪表系统图，见表1-2-141-2-14所示：所示：四、自动控制系统1 1：控制系统的原理及组成：控制系统的原理

13、及组成 自动控制系统由被控对象、检测元件（包括变送器）、控制器和调节阀等四部分组成。自动控制系统组成方块图如下图：控制器控制器控制阀控制阀对象对象测量元件测量元件变送器变送器给定值给定值偏差偏差控制器输出控制器输出操纵变量操纵变量被控变量被控变量测量值测量值干扰作用干扰作用SVPV-SVMVPV人工人工操作图操作图液液位自动控制图位自动控制图人工操作与自动控制比较图人工操作与自动控制比较图控制速度和精度不能满足大型现代化生产的需要 2 2：控制系统中常用的名词术语：控制系统中常用的名词术语 被控对象：被控对象：自动控制系统中，工艺参数需要控制 的生 产过程、设备或机器等。 被控变量被控变量:

14、被控对象内要求保持设定数值的工艺 参数。 操纵变量操纵变量: 受控制器操纵的，用以克服干扰的影 响，使被控变量保持设定值的物料量 或能量。 扰动量：扰动量： 除操纵变量外，作用于被控对象并引 起被控变量变化的因素。 设定值：设定值： 被控变量的预定值。 偏差：偏差： 被控变量的设定设定值与实际实际值之差。 3 3：控制系统的分类：控制系统的分类3.1.3.1.开环控制系统开环控制系统 控制系统的输出信号（被控变量）不反馈到系统的输入端，因而也不对控制系统作用产生影响的系统称为开环控制系统。开环控制系统。如右图（a)所示：3.2.3.2.闭环控制系统闭环控制系统 系统的输出（被控变量）通过测量变

15、送环节，又返回到系统的输入端，与给定信号比较，以偏差的形式进入控制器，对系统起控制作用，整个系统构成一个封闭的反馈回路，这种控制系统被称为闭环控制系统，或称为闭环控制系统，或称为反馈控制系统。反馈控制系统。如右图（c) 所示： 4 4：基本控制规律：基本控制规律基本控基本控制规律制规律比例控制比例控制 （P）积分控制积分控制（I）微分控制微分控制（D）1 1常常用用的的控控制制规规律律比例控制（比例控制（P）比例积分控制（比例积分控制（PI）比例微分控制（比例微分控制（PD）比例积分微分控制（比例积分微分控制（PID）5 5：控制器控制器参数对系统控制质量的影响及控制参数对系统控制质量的影响及

16、控制规律的选择规律的选择5.1.5.1.常用常用的几种控制规律的几种控制规律 位式控制位式控制 适用于对控制质量要求不高，被控对象是单容量的、且容适用于对控制质量要求不高，被控对象是单容量的、且容量较大、滞后较小、负荷变化不大也不太激烈，工艺允许被量较大、滞后较小、负荷变化不大也不太激烈，工艺允许被控变量波动范围较宽的场合。控变量波动范围较宽的场合。 比例控制比例控制 优点：比例控制克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。优点：比例控制克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。 缺点：在过渡过程终了时存在余差缺点：在过渡过程终了时存在余差 适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺允许被控适用于控制

17、通道滞后较小、负荷变化不大、工艺允许被控变量存在余差的场合。变量存在余差的场合。 比例微分控制比例微分控制 优点：利用微分超前的作用，在被控对象具有较大滞后的场合下，将会优点：利用微分超前的作用，在被控对象具有较大滞后的场合下，将会有效地改善担制质量。有效地改善担制质量。 缺点：有可能会使系统产生振荡，严重时使系统失控而发生事故。缺点：有可能会使系统产生振荡，严重时使系统失控而发生事故。 比例积分微分控制比例积分微分控制 比例积分微分控制综合了比例、积分、微分控制规律的优点。适用于容比例积分微分控制综合了比例、积分、微分控制规律的优点。适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制要求高的场合。量滞后较

18、大、负荷变化大、控制要求高的场合。 比例积分控制比例积分控制 优点：系统在过渡过程结束时无余差优点：系统在过渡过程结束时无余差 缺点：系统的超调量、振荡周期都会相应增大，过渡时间也会相应增加。缺点：系统的超调量、振荡周期都会相应增大，过渡时间也会相应增加。 适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺不允许被控变量存在余适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺不允许被控变量存在余差的场合。差的场合。 控制器控制器增益增益 Kc或比例度或比例度: 增益 Kc 的增大（或比例度下降），使系统的调节作用增强，但稳定性下降； 积分积分时间时间Ti 积分作用的增强（即Ti 下降），使系统消除余差的能力加

19、强，但控制系统的稳定性下降； 微分微分时间时间Td 微分作用增强（即Td 增大），可使系统的超前作用增强，稳定性得到加强，但对高频噪声起放大作用，主要适合于特性滞后较大的广义对象，如温度对象等。5.2. 5.2. PIDPID参数对控制性能的影响参数对控制性能的影响5.3.5.3.工业工业PIDPID控制器的选择控制器的选择*1：当工业对象具有较大的滞后时，可引入微分作用；但如果测量噪声较大，则应先对测量信号进行一阶或平均滤波。5.4.5.4.控制器控制器正、反作用的选择：正、反作用的选择： 保证保证整个控制系统形成负反馈。整个控制系统形成负反馈。 在在控制系统中，控制器、被控对象、测量元件及

20、执行器都有各自的控制系统中，控制器、被控对象、测量元件及执行器都有各自的作用方向，一般被控对象、测量元件及执行器的作用方向是固定的，因作用方向，一般被控对象、测量元件及执行器的作用方向是固定的，因此为了使系统构成负反馈，应对控制器的正反作用进行调整。此为了使系统构成负反馈，应对控制器的正反作用进行调整。 所谓所谓作用方向，就是指输入变化后，输出的变化方向。当输入增加作用方向，就是指输入变化后，输出的变化方向。当输入增加时，输出也增加，则称该环节为时，输出也增加，则称该环节为“正作用正作用”方向；反之，当环节的输人增方向；反之，当环节的输人增加时，输出减小，则称该环节为加时，输出减小，则称该环节

21、为“反作用反作用”方向。方向。何谓何谓“正正”、“反反”作用？作用？控制器正控制器正 反作用选择的反作用选择的基本原则基本原则: :5.5.5.5.控制器控制器正正 反作用选择的步骤反作用选择的步骤 判断判断被控对象的正反作用方向，由工艺机理确定被控对象的正反作用方向，由工艺机理确定 ； 判断判断执行器的正反作用方向，由工艺安全条件选定，其选择执行器的正反作用方向，由工艺安全条件选定，其选择原则原则 是是：控制信号中断时，应保证设备和操作人员的安全；：控制信号中断时，应保证设备和操作人员的安全； 确定确定广义对象的正反作用方向，一般测量变送环节为正作用方向，广义对象的正反作用方向，一般测量变送

22、环节为正作用方向，根据被控对象和执行器的作用方向，确定广义对象的正反作用方向；根据被控对象和执行器的作用方向，确定广义对象的正反作用方向； 确定确定控制器的正反作用方向，广义对象正作用方向，则控制器应控制器的正反作用方向，广义对象正作用方向，则控制器应选择为反作用，反之亦然。选择为反作用，反之亦然。被控变量被控变量控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量变送环节测量变送环节干扰干扰偏差偏差设定值设定值广义对象广义对象原则原则：使整个单回路构成负反馈系统-乘积为负。 控制阀：控制阀：气开式为“”，气关式为“ - ”； 控制器控制器：正作用为“”，反作用为“ - ”； 被控对象被控对象：物料或

23、能量增加时，被控参数随之增加为 “”，随之减少为“- ”； 变送器变送器：一般为“”； 控制器控制器正、反作用选择的判别式：正、反作用选择的判别式： ( (控制器控制器“”)()(控制阀控制阀“”)()(对象对象“”)=)=“ - - ”燃料气燃料气TC加热炉加热炉出口温度出口温度控制控制5.6.5.6.控制器控制器正正 反作用选择的反作用选择的实例实例: :液位控制液位控制6 6：简单控制系统：简单控制系统 简单控制系统又称反馈控制系统。是指由一个被控对象、一个测量变送器、一个控制器和一台调节阀所组成的单回路比和控制系统。控制方块图如下：简单控制系统图例简单控制系统图例液位控制系统液位控制系

24、统 温度控制系统温度控制系统复杂控制系统复杂控制系统串级串级控制控制系统系统 均匀均匀控制控制系统系统比值比值控制控制系统系统分程分程控制控制系统系统 前馈前馈控制控制系统系统 选择选择控制控制系统系统 三冲量三冲量控制系控制系统统 7.1.7.1.串级控制系统串级控制系统 串级控制系统是由其结构上的特征而得名的。它是由主、副两个调节器串接工作的。主调节器的输出作为副调节器的给定值，副调节器的输出去操纵调节阀，以实现对主变量的定值控制。控制方块图如下：执行器执行器副对象副对象主测量、变送主测量、变送给定值给定值干扰作用干扰作用副调节器副调节器主对象主对象干扰作用干扰作用副测量、变送副测量、变送

25、副对象副对象主对象主对象7.2. 分程控制分程控制系统系统 分程控制系统就是一个调节器同时控制两个或者两个以上的调节阀，每一个调节阀根据工艺的要求在调节器输出的一段信号范围内动作。分程控制系统的主要目的：分程控制系统的主要目的： 扩大可调范围。正因为能扩大可调范围，所以能满足特殊调节系统的要求。如：改善调节品质，改善调节阀的工作条件。满足开停车时小流量和正常生产时的大流量的要求，使之都能有较好的调节质量。满足正常生产和事故状态下的稳定性和安全性。7.3. 比值控制系统比值控制系统 比值控制系统（流量比值控制系统）即为实现两个或者两个以上的参数符合一定比例关系的控制系统。 主要变量包括主动量（主流量）和从动量（副流量）。需要保持比例关系的两种物料中，称为主导地位的物料称为主动量（主流量）；按主动量进行配比变化的物料，在控制过程中随主物料而变化，称为从动量（副流量）。FCKF2CKF1C五、集散型控制系统1 1：什么是集散控制系统什么是集散控制系统 集散控制系统（集中分散型