工业自动化仪表与系统课件

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、工业自动化仪表的分类能源分类结构分类信号类型1、能源分类气动仪表

特点：结构简单、性能稳定、可靠性高、价格便宜，且在本质上是安全防爆的。电动仪表

特点：信号的传输、放大、变换处理比气动仪表容易，便于远距离监视和操作，还易于与计算机等现代技术工具联用。液动仪表2、信号类型分类模拟式

特点：线路较简单，操作方便，价格较低，在设计、制造、使用上有较成熟的经验。数字式

特点：以微型计算机为核心，功能完善，性能优越，编程灵活。3、结构分类基地式控制仪表

以指示、记录为主体，附加控制机构组成。单元组合式控制仪表

根据控制系统中各个组成环节的不同功能和使用要求，将整套仪表划分成独立实现某种功能的若干单元，各单元之间用统一的标准信号来联系。组装式综合控制装置在单元组合仪表的基础上发展起来的一种功能分离、结构组件化的成套仪表装置。集散控制系统

计算机控制装置。特点“集中管理、分散控制。现场总线控制系统

全分布式的新型控制网络，特点”结构网络化和全分散性，系统的开放性，现场仪表的互可操作性和功能自治性，以及对环境的适应性。二、常用工业自动化仪表的工作原理变送器调节器执行器1、变送器概念：

将各种工艺变量和电气信号转换成相应的统一标准信号。包括测量部分（输入转换部分）、放大器和反馈部分。模拟变送器数字变送器

（1）模拟变送器的构成（2）数字变送器组成传感器部件电子部件

由微处理器、A/D转换器、D/A转换器、通信器件等组成。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控制规规律是通通过反馈馈环节进进行的。。输出的的电信号号通过电电阻和电电容构成成的无源源网络反反馈到输输入端。。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-Ⅲ型电电动单元元调节器器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1～5V直流流测量信信号作为为输入信信号，与与1～5V直流流设定信信号相比比较得到到偏差信信号，然然后对此此信号进进行PID运算算后，输输出1～～5V或或4～20mA直流控控制信号号，以实实现对工工艺变量量的控制制。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4～～20mA直流流电流，，控制室室联络信信号为1～5V直流电电压，信信号电流流和电压压的转换换电阻为为250Ω。由由于电气气零点不不是从零零开始，，因此容容易识别别断电、、断线等等故障。。信号传传输采用用电流传传送-电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（4～～20mA），，将此电电流信号号转换成成直流电电压信号号后，以以并联形形式传输输给控制制室各仪仪表。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-Ⅲ型电电动单元元调节器器调节规规律１.比例例调节比例控制制的输出出与输入入的关系系为：y＝KpeKP是比比例增益益，它决决定了比比例控制制作用的的强弱。。KP越越大，比比例控制制作用越越强。KP越越小，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））２．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：积积分时间间，积分时间间是指在在阶跃信信号作用用下，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。３．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ＴＴＤ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为核核心，接接收和输输出都可可以是4~20mADC标标准的、、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:单回路数字控控制器的基本本组成3、执行器概念执行器由执行行机构和调节节机构组成，，执行机构产产生推力或位位移的装置，，调节机构直直接改变能量量或物料输送送量的装置，，通常称调节节阀。电动执行器（（角行程和直直行程）它将输入的直直流电流信号号线性地转换换成位移量。。均是以两相相交流电机为为动力的位置置伺服机构，，两者电气原原理完全相同同，只是减速速器不一样。。气动执行器（（薄膜式和活活塞式）接受电/气转转换器输出的的气压信号，，并将其转换换为相应的推推杆直线位移移，以推动调调节机构工作作。（1）电动执执行器特点：①由于工频电电源取用方便便，不需增添添专门装置，，特别是执行行器应用数量量不太多的单单位,更为为适宜;②动作灵敏、、精度较高、、信号传输速速度快、传输输距离可以很很长，便于集集中控制;③在电源中断断时，电动执执行器能保持持原位不动，，不影响主设设备的安全;④与电动控制制仪表配合方方便，安装接接线简单;⑤成本较贵、、结构复杂、、维修麻烦，，并只能应用用于防爆要求求不太高的场场合。电动执行器结结构：（2）气动执执行器气动执行器是是由执行机构构和控制机构构(阀)两部部分组成。执执行机构是执执行器的推动动装置，它按按控制信号压压力的大小产产生相应的推推力，推动控控制机构动作作，所以它是是将信号压力力的大小转换换成阀杆位移移的装置。控控制机构是执执行器的控制制部分，它直直接与被控介介质接触，控控制流体的流流量。所以它它是将阀杆的的位移转换为为流过阀的流流量的装置。。P：调节器的的输出压力信信号；A：：薄膜的有效效面积；K：：弹簧弹性系系数；L：执执行机构推杆杆位移气动薄膜执行行机构组成：：由弹性薄膜膜平衡弹簧和和推杆组成。。气动执行机构构按推杆位移移的方向有：：正作用形式：：如果当输入入气压信号增增加时，推杆杆向下移动反作用形式：：当输入气压压信号增加时时，推杆向上上移动调节机构直接接与介质接触触，通过改变变阀芯的行程程而改变控制制阀的阻力系系数，以达到到控制流量的的目的。控制阀有直通通双座控制阀阀、直通单座座控制阀、蝶蝶阀、三通阀阀、高压阀、、角形阀、隔隔膜阀等多种种结构形式。。（1）直通单单座阀阀体内有一个个阀芯、一个个阀座，如图图（a）所示示。特点：结结构简单，泄泄漏量小，易易于关闭，可可将流体完全全切断。缺点点：流体流动动时产生的单单方向的不平平衡力大，尤尤其在高压差差、大口径时时，不平衡力力更大。适用用场合：它只只适用于低压压差的场合。。（2）直通双双座阀阀体内有两个个阀芯和阀座座，如图（b）所示。流流体从左侧进进入，通过上上、下阀芯后后，再汇合在在一起，由右右侧流出。特特点：流体流流过的时，作作用在上、下下两个阀芯上上的推力方向向相反，大小小近于相等，，可以相互抵抵消，不平衡衡力小。缺点点：受加工的的限制，上下下两个阀芯阀阀座不易保证证同时关严，，泄漏量较大大。流通能力力较大大。适适用场合：适适用于低粘度度、不含纤维维、悬浮颗粒粒的洁净介质质及高压差、、高静压且允允许有泄漏的的场合。（3）角形阀阀（c）为角形形阀。它的阀阀体为直角形形，其他结构构与直通单座座阀相似。其其阀芯为单导导向结构，只只能正装。特特点：角形阀阀的流路简单单，阻力小，，适用场合：：适用于高压压差、高粘度度、含悬浮物物和颗粒状物物质流体的控控制，可避免免堵塞和结焦焦，便于自净净和清洗。（4）三通阀阀有三个出入口口与管道相连连，按作用方方式分为分流流式和合流式式,如图（d）和（e））所示。分流流阀是一进两两出，合流阀阀是两进一出出。阀芯移动动时，流体一一路增加，另另一路减小。。但总量不变变。（3）液动执行器在易燃易爆的的工作环境中中，常常使用用气动执行器器；而在大型型高压压缩机机控制系统中中常用液动执执行器。和气气动执行器相相比,液动执执行器具有如如下特点：（1）控制制精度高、性性能好。（2）输出出推力大。（3）响应应速度快。图10-11电液伺服服控制系统（4）动作作平稳、无振振荡和噪音。。电液伺服控制制系统（4）控制阀的流量量特性概念：是指流体通过过阀门的相对对流量，与阀阀门相对开度度之间的关系系，即：（1）直线线流量特性直线流量特性性是指控制阀阀的相对开度度与相对流量量间成直线关关系，直线流流量特性的控控制阀在小开开度时，其相相对流量变化化大，控制作作用太强，易易引起超调，，产生振荡；；而在大开度度工作时，其其相对流量的的变化小，控控制作用太弱弱，会造成控控制作用不够够及时。因此此，在使用直直线流量特性性的控制阀时时，应尽量避避免控制阀工工作在此区域域内。（2）等百百分比（对数数）流量特性性等百分分比流量特性性是指单位相相对位移变化化所引起的相相对流量变化化与该点的相相对流量成正正比。等百分分比流量特性性控制阀相对对流量和相对对行程的关系系是非线性的的，相对开度度较小时，流流量变化较小小；在相对开开度较大时，，流量变化较较大。因此它它在全行程范范围内相对流流量的百分比比变化率相同同。所以控制制过程平稳，，适用范围较较广，更适用用于负荷变化化大的工艺对对象。（3）快开开流量特性这种流量特性性在小开度时时流量就比较较大，随着开开度的增大，，流量很快达达到最大，故故称为快开流流量特性。（5）控制阀阀气开、气关关形式气开阀是指输入气压压信号p＞0.02Mpa时，控制制阀开始打开开，也就是说说“有气”时时阀打开。当当输入气压信信号p=0.1Mpa时时，控制阀全全开。当气压压信号消失或或等于0.02Mpa时时，控制阀处处于全关闭状状态。气关阀是指输入气压压信号p＞0.02Mpa时，控制制阀开始关闭闭，也就是说说“有气”时时阀关闭。当当p=0.1Mpa时，，控制阀全关关。当气压信信号消失或等等于0.02Mpa时，，控制阀处于于全开状态。。执行机构有正正、反两种作作用形式，控控制阀也有正正装和反装两两种形式。因因此，实现控控制阀气开、、气关有四种种组合：（a）气关（（b）气气开c）气开开（（d）气关阀的气源信号号发生故障或或控制系统某某环节失灵时时，阀处于全全开的位置安安全，还是处处于全关的位位置安全，要要由具体的生生产工艺来决决定。选择原原则：（（1）首首先要从生产产安全出发，，即当气源供供气中断，或或控制器出故故障而无输出出，或控制阀阀膜片破裂而而漏气等而使使控制阀无法法正常工作以以致阀芯回复复到无能源的的初始状态（（气开阀回复复到全关，气气关阀回复到到全开），应应能确保生产产工艺设备的的安全，不致致于发生事故故。

（2））从保证产品品质量出发，，当发生控制制阀处于无能能源状态而回回复到初始位位置时，不应应降低产品的的质量。（（3）从降低低原料、成品品、动力消耗耗来考虑。（（4）从介介质的特点考考虑。三、典型工业业过程测控系系统的构建简单控制系统统复杂控制系统统串级控制系统统均匀控制系统统比值控制系统统分程控制系统统1、简单控制制系统是指由一个受受控对象、一一个测量变送送器、一个控控制器和一个个执行机构（（控制阀）所所组成的闭环环控制系统。。对象控制器器执行器测量量变送装置干干扰被控变量量给定值偏差差2、复杂控制制系统串级控制系统统例如加热炉温温度控制系统统：TMCTSCTSTTMT出口温度TM被加热原料燃料加热炉温度控控制系统方框框图串级控制系统统方框图串级控制系统统的作用1.改善了了对象特征，，起了超前控控制的作用2.改善了了对象动态特特性，提高了了工作频率3.提高了了控制器总放放大倍数，增增强了抗干扰扰能力4.具有一一定的自适应应能力，适应应负荷和操作作条件的变化化2、比值控制制系统两种物料或两两种以上的物物理保持一定定的比例关系系。单闭环比值值控制系统统，能够克克服副流量量的波动，，能随主流流量的变化化而变化，