工业自动化仪表与系统

1、工业自动化仪表与系统工业自动化仪表的分类常用工业自动化仪表的工作原理典型工业过程测控系统的构建一、工业业自动化化仪表的的分类能源分类类结构分类类信号类型型1、能源源分类气动仪表表特点：结结构简单单、性能能稳定、可靠性性高、价价格便宜宜，且在在本质上上是安全全防爆的的。电动仪表表特点：信信号的传传输、放放大、变变换处理理比气动动仪表容容易，便便于远距距离监视视和操作作，还易易于与计计算机等等现代技技术工具具联用。液动仪表表2、信号号类型分分类模拟式特点：线线路较简简单，操操作方便便，价格格较低，在设计计、制造造、使用用上有较较成熟的的经验。数字式特点：以以微型计计算机为为核心，功能完完善，性性能

2、优越越，编程程灵活。3、结构构分类基地式控控制仪表表以指示、记录为为主体，附加控控制机构构组成。单元组合合式控制制仪表根据控制制系统中中各个组组成环节节的不同同功能和和使用要要求，将将整套仪仪表划分分成独立立实现某某种功能能的若干干单元，各单元元之间用用统一的的标准信信号来联联系。组装式综综合控制制装置在单元组组合仪表表的基础础上发展展起来的的一种功功能分离离、结构构组件化化的成套套仪表装装置。集散控制制系统计算机控控制装置置。特点点“集中中管理、分散控控制。现场总线线控制系系统全分布式式的新型型控制网网络，特特点”结结构网络络化和全全分散性性，系统统的开放放性，现现场仪表表的互可可操作性性和

3、功能能自治性性，以及及对环境境的适应应性。二、常用用工业自自动化仪仪表的工工作原理理变送器调节器执行器1、变送送器概念：将各种工工艺变量量和电气气信号转转换成相相应的统统一标准准信号。包括测测量部分分（输入入转换部部分）、放大器器和反馈馈部分。模拟变送送器数字变送送器 （1）模模拟变送送器的构构成（2）数数字变送送器组成成传感器部部件电子部件件由微处理理器、A/D转转换器、D/A转换器器、通信信器件等等组成。2、调节节器概念调节器接接收偏差差信号后后，按一一定的运运算规律律输出控控制信号号，作用用于被控控对象，以消除除扰动对对被控变变量的影影响，从从而使被被控变量量回到给给定值上上来。模拟调节

4、节器采用模拟拟技术，以运算算放大器器等模拟拟器件为为基本部部件。模拟式控控制器所所传送的的信号形形式为连连续的模模拟信号号，其基基本结构构包括比较环节节、反馈环节节放大器器等。比较环节节比较环节节将被控变变量的测测量值与与设定值值进行比比较得到到偏差。电动控控制器是是在输入入电路中中进行电电压或电电流信号号的比较较。反馈环节节控制器的的PID控制规律律是通过过反馈环环节进行行的。输输出的电电信号通通过电阻阻和电容容构成的的无源网网络反馈馈到输入入端。放大器放大器实实质上是是一个稳稳态增益益很大的的比例环环节。在在电动控控制器中中可采用用高增益益的集成成运算放放大器。DDZ-型电动单单元调节节器

5、是模拟式式控制器器中较为为常见的的一种，它以来来自变送送器或转转换器的的15V直流测量量信号作作为输入入信号，与15V直流设定定信号相相比较得得到偏差差信号，然后对对此信号号进行PID运算后，输出15V或420mA直流控制制信号，以实现现对工艺艺变量的的控制。整套仪表表可以构构成安全全火花型型防爆系系统，而而且增加加了安全全栅，实实现控制制室与危危险场所所之间的的能量限制和和隔离。有软、硬硬两种手手动操作作方式，软手动动与自动动之间相相互切换换具有双双向无平平衡无扰扰动特性性，提高高了控制制器的操操作性能能。这是是因为在在自动与与软手动动之间有有保持状状态，此此时控制制器输出出可长期期保持不不

6、变，所所以即使使有偏差差存在，也能实实现无扰扰动切换换。采用国际际标准信信号制，现场传传输信号号为420mA直流电流流，控制制室联络络信号为为15V直流电压压，信号号电流和和电压的的转换电电阻为250。由于电电气零点点不是从从零开始始，因此此容易识识别断电电、断线线等故障障。信号号传输采采用电流流传送-电压接受受的并联联方式，即进出出控制室室的传输输信号为为直流电电流信号号（420mA），将此此电流信信号转换换成直流流电压信信号后，以并联联形式传传输给控控制室各各仪表。控制器的的工作状状态有“自动”、“软软手动”、“硬硬手动”及“保持”四种。DDZ-型电动单单元调节节器调节节规律.比例调节节比

7、例控制制的输出出与输入入的关系系为：yKpeKP是比例增增益，它它决定了了比例控控制作用用的强弱弱。KP越大，比比例控制制作用越越强。KP越小，比比例控制制作用越越弱。特点：及及时、迅迅速（控控制器的的输出与与输入成成正比，只要有有偏差存存在，控控制器输输出就会会马上与与偏差成成比例地地变化）比例例积分调调节比例积分分作用的的数学表表达式为为：只要存在在偏差，积分控控制器的的输出就就会不断断地随时时间积分分而增大大，只有有当偏差差为零时时，控制制器才会会停止积积分，保保持在一一定的输输出值不不变。积分作用用的一个个重要优优点是能能够消除除余差，TI：积分时时间，积分时间间是指在在阶跃信信号作用

8、用下，控控制器积积分作用用的输出出等于比比例作用用的输出出所经历历的时间间。积分时间间TI是一个常常数，它它可以用用来表示示积分速速度的大大小和积积分作用用的强弱弱。比例例微分调调节比例微分分的输出出与输入入信号的的关系为为：通常称微微分控制制为“超超前控制制”。比比例微分分输出的的大小与与偏差变变化速度度及微分分时间成正正比。微微分作用用的强弱弱用微分分时间来来衡量。微分时时间越长长，微分分作用越越强。（2）数数字调节节器包括主机机电路、过程输输入通道道、过程程输出通通道、人人机联系系部分和和通信部部件等。单回路数数字控制制器单回路数数字控制制器简介介概述单回路数数字控制制器是以以微处理理机

9、为核核心，接接收和输输出都可可以是420mADC标准的、连续的的电模拟拟量信号号；内部部处理信信号为数数字量，可由用用户编制制程序，可组成成多种控控制规律律的一种种数字式式过程控控制装置置。结构原理理:单回路数数字控制制器的基基本组成成3、执行行器概念执行器由由执行机机构和调调节机构构组成，执行机机构产生生推力或或位移的的装置，调节机机构直接接改变能能量或物物料输送送量的装装置，通通常称调调节阀。电动执行行器（角角行程和和直行程程）它将输入入的直流流电流信信号线性性地转换换成位移移量。均均是以两两相交流流电机为为动力的的位置伺伺服机构构，两者者电气原原理完全全相同，只是减减速器不不一样。气动执

10、行行器（薄薄膜式和和活塞式式）接受电/气转换换器输出出的气压压信号，并将其其转换为为相应的的推杆直直线位移移，以推推动调节节机构工工作。（1）电电动执行行器特点：由于工工频电源源取用方方便，不不需增添添专门装装置，特特别是执执行器应应用数量量不太多多的单位位,更更为适宜宜;动作灵灵敏、精精度较高高、信号号传输速速度快、传输距距离可以以很长，便于集集中控制制;在电源源中断时时，电动动执行器器能保持持原位不不动，不不影响主主设备的的安全;与电动动控制仪仪表配合合方便，安装接接线简单单;成本较较贵、结结构复杂杂、维修修麻烦，并只能能应用于于防爆要要求不太太高的场场合。电动执行行器结构构：（2）气气动

11、执行行器气动执行行器是由由执行机机构和控控制机构构(阀)两部分分组成。执行机机构是执执行器的的推动装装置，它它按控制制信号压压力的大大小产生生相应的的推力，推动控控制机构构动作，所以它它是将信信号压力力的大小小转换成成阀杆位位移的装装置。控控制机构构是执行行器的控控制部分分，它直直接与被被控介质质接触，控制流流体的流流量。所所以它是是将阀杆杆的位移移转换为为流过阀阀的流量量的装置置。P：调节节器的输输出压力力信号； A：薄膜的的有效面面积；K：弹簧簧弹性系系数；L：执行行机构推推杆位移移气动薄膜膜执行机机构组成成：由弹弹性薄膜膜平衡弹弹簧和推推杆组成成。气动执行行机构按按推杆位位移的方方向有：

12、正作用形形式：如如果当输输入气压压信号增增加时，推杆向向下移动动反作用形形式：当当输入气气压信号号增加时时，推杆杆向上移移动调节机构构直接与与介质接接触，通通过改变变阀芯的的行程而而改变控控制阀的的阻力系系数，以以达到控控制流量量的目的的。控制阀有有直通双双座控制制阀、直直通单座座控制阀阀、蝶阀阀、三通通阀、高高压阀、角形阀阀、隔膜膜阀等多多种结构构形式。（1）直直通单座座阀阀体内有有一个阀阀芯、一一个阀座座，如图图（a）所示。特点：结构简简单，泄泄漏量小小，易于于关闭，可将流流体完全全切断。缺点：流体流流动时产产生的单单方向的的不平衡衡力大，尤其在在高压差差、大口口径时，不平衡衡力更大大。适

13、用用场合：它只适适用于低低压差的的场合。（2）直直通双座座阀阀体内有有两个阀阀芯和阀阀座，如如图（b）所示示。流体体从左侧侧进入，通过上上、下阀阀芯后，再汇合合在一起起，由右右侧流出出。特点点：流体体流过的的时，作作用在上上、下两两个阀芯芯上的推推力方向向相反，大小近近于相等等，可以以相互抵抵消，不不平衡力力小。缺缺点：受受加工的的限制，上下两两个阀芯芯阀座不不易保证证同时关关严，泄泄漏量较较大。流流通能力力较大大大。适用用场合：适用于于低粘度度、不含含纤维、悬浮颗颗粒的洁洁净介质质及高压压差、高高静压且且允许有有泄漏的的场合。（3）角角形阀（c）为为角形阀阀。它的的阀体为为直角形形，其他他结

14、构与与直通单单座阀相相似。其其阀芯为为单导向向结构，只能正正装。特特点：角角形阀的的流路简简单，阻阻力小，适用场场合：适适用于高高压差、高粘度度、含悬悬浮物和和颗粒状状物质流流体的控控制，可可避免堵堵塞和结结焦，便便于自净净和清洗洗。（4）三三通阀有三个出出入口与与管道相相连，按按作用方方式分为为分流式式和合流流式,如如图（d）和（e）所所示。分分流阀是是一进两两出，合合流阀是是两进一一出。阀阀芯移动动时，流流体一路路增加，另一路路减小。但总量量不变。（3）液动执行行器在易燃易易爆的工工作环境境中，常常常使用用气动执执行器；而在大大型高压压压缩机机控制系系统中常常用液动动执行器器。和气气动执行

15、行器相比比,液动动执行器器具有如如下特点点：（1）控控制精精度高、性能好好。（2）输输出推推力大。（3）响响应速速度快。图10-11电电液伺伺服控制制系统（4）动动作平平稳、无无振荡和和噪音。电液伺服服控制系系统（4）控制阀的的流量特特性概念：是指流体体通过阀阀门的相相对流量量，与阀阀门相对对开度之之间的关关系，即即： （1） 直线线流量特特性直线流量量特性是是指控制制阀的相相对开度度与相对对流量间间成直线线关系，直线流流量特性性的控制制阀在小小开度时时，其相相对流量量变化大大，控制制作用太太强，易易引起超超调，产产生振荡荡；而在在大开度度工作时时，其相相对流量量的变化化小，控控制作用用太弱，

16、会造成成控制作作用不够够及时。因此，在使用用直线流流量特性性的控制制阀时，应尽量量避免控控制阀工工作在此此区域内内。（2） 等百百分比（对数）流量特特性等等百分分比流量量特性是是指单位位相对位位移变化化所引起起的相对对流量变变化与该该点的相相对流量量成正比比。等百百分比流流量特性性控制阀阀相对流流量和相相对行程程的关系系是非线线性的，相对开开度较小小时，流流量变化化较小；在相对对开度较较大时，流量变变化较大大。因此此它在全全行程范范围内相相对流量量的百分分比变化化率相同同。所以以控制过过程平稳稳，适用用范围较较广，更更适用于于负荷变变化大的的工艺对对象。（3） 快开开流量特特性这种流量量特性在

17、在小开度度时流量量就比较较大，随随着开度度的增大大，流量量很快达达到最大大，故称称为快开开流量特特性。（5）控控制阀气气开、气气关形式式气开阀是指输入入气压信信号p0.02Mpa时，控制阀阀开始打打开，也也就是说说“有气气”时阀阀打开。当输入入气压信信号p=0.1Mpa时，控控制阀全全开。当当气压信信号消失失或等于于0.02Mpa时，控制阀阀处于全全关闭状状态。气关阀是指输入入气压信信号p0.02Mpa时，控制阀阀开始关关闭，也也就是说说“有气气”时阀阀关闭。当p=0.1Mpa时，控控制阀全全关。当当气压信信号消失失或等于于0.02Mpa时，控制阀阀处于全全开状态态。执行机构构有正、反两种种作

18、用形形式，控控制阀也也有正装装和反装装两种形形式。因因此，实实现控制制阀气开开、气关关有四种种组合：（a）气气关（b）气气开c）气气开（d）气关阀的气源源信号发发生故障障或控制制系统某某环节失失灵时，阀处于于全开的的位置安安全，还还是处于于全关的的位置安安全，要要由具体体的生产产工艺来来决定。选择原原则：（1）首首先要要从生产产安全出出发，即即当气源源供气中中断，或或控制器器出故障障而无输输出，或或控制阀阀膜片破破裂而漏漏气等而而使控制制阀无法法正常工工作以致致阀芯回回复到无无能源的的初始状状态（气气开阀回回复到全全关，气气关阀回回复到全全开），应能确确保生产产工艺设设备的安安全，不不致于发发

19、生事故故。（2）从从保证产产品质量量出发，当发生生控制阀阀处于无无能源状状态而回回复到初初始位置置时，不不应降低低产品的的质量。（3）从降降低原料料、成品品、动力力消耗来来考虑。（4）从介介质的特特点考虑虑。三、典型型工业过过程测控控系统的的构建简单控制制系统复杂控制制系统串级控制制系统均匀控制制系统比值控制制系统分程控制制系统1、简单单控制系系统是指由一一个受控控对象、一个测测量变送送器、一一个控制制器和一一个执行行机构（控制阀阀）所组组成的闭闭环控制制系统。对象控控制器执执行器测测量变送送装置干干扰被控控变量给给定值偏偏差2、复杂杂控制系系统串级控制制系统例如加热热炉温度度控制系系统： TMCTSCTSTTMT出口温度TM被加热原料燃料加热炉温温度控制制系统方方框图 串级控制制系统方方框图串级控制制系统的的作用1.改改善了对对象特征征，起了了超前