1、自动化仪表

1、一、 自动化仪表的基本知识 二、 信号制及仪表信号标准的使用 三、 控制仪表的防爆知识 四、 自动化仪表的型号命名,一、自动化仪表的基本知识,在自动化生产中，特别是连续生产过程自动化中必须的一类专门的仪器仪表。,1.自动化仪表,检测变送仪表、控制仪表、执行器等。,代替人工操作，对生产过程进行测量、控制、监督和保护 。,主要作用:,自动化仪表及其分类,2. 自动化仪表的分类,能源形式 信号类型 功能划分,（一）按能源形式分：,按能源形式分类主要可分为：,电动自动化仪表； 气动自动化仪表； 液动自动化仪表； 机械式自动化仪表。,电动控制仪表的特点： 信号传送速度快、传送距离远、易于与计算机联用。,

2、气动控制仪表的特点： 结构简单、性能稳定、安全防爆、易于维修。,按信号类型分类可分为：,模拟式自动化仪表； 数字式自动化仪表。,（二）按信号类型分：,模拟式仪表 传输信号通常为连续变化的模拟量。这类仪表线路较简单，操作方便，价格较低使用上均有较成熟的经验。,数字式仪表 传输信号通常为断续变化的数字量。这些仪表和装置是以微型计算机为核心，其功能完善，性能优越，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。,（三）结构形式分：,1.基地式控制仪表 以指示、记录仪表为主体，附加某些控制机构。,2.单元组合控制仪表 电动单元组合仪表： DDZ型 ；DDZ型 ；DDZ型 电源：2

3、20V AC ；24V DC ； 电信号：电流010mA DC ； 420mA DC； Vo：15V DC 气动单元组合仪表：气源：140 kPa； 气信号：20100 kPa,3. 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。,4 .数字控制仪表 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控制。可和计算机配合使用，以构成不同规模的分级控制系统。,多功能自动化仪表； 单元组合式自动化仪表。,按功能划分主要可分为：,多功能仪表,将测量、记录、调节仪表组合在一起的多功能自动化仪表。,单元

4、组合式仪表,若干种能独立完成一定功能的标准单元，根据需要，构成复杂程度不同的控制系统。,自动化仪表与过程控制系统,过程控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为过程控制仪表或装置），使被控对象的工作状态或参数（压力、物位、流量、温度、PH值等）自动地按照预定的规律运行。,什么是过程控制?,自动控制是在人工控制的基础上发展起的。 锅炉是电厂、化工厂里常见的生产蒸汽的设备。,锅炉汽包水位过低会影响蒸汽产生量，并很容易将汽包中的水烧干而发生严重事故。汽包水位过高将使蒸汽带水滴并有溢出的危险。因此，维持锅炉汽包水位在设定的标准高度值上是保证锅炉正常运行的重要条件。 图（a）所示为人工

5、控制。人的眼、脑、手三个器官分别担负了检测、判断和运算、执行三个作用，来完成测量、求偏差、再控制以及纠正偏差的过程，保持汽包水位的恒定。 图（b）所示为自动控制。液位测量变送器将汽包视为高低的物理量测量出来并转换为工业仪表间的标准统一信号。控制器接受液位测量变送器送来的标准统一信号，与锅炉工艺要求保持的标准水位高度信号相比较得出偏差，按某种运算规律输出标准统一信号。控制阀接受控制器的控制信号改变阀门的开度控制给水量，最终达到控制汽包水位稳定。,过程控制系统举例,手动控制的步骤： (1)观察水位数值； (2)把观察到的实际数值与设定值加以比较，根据偏差的大小及变化情况做出判断，并发布命令。 (3

6、)根据命令操作给水阀，使水位回到设定值。,锅炉汽包水位控制系统,水位控制系统,过程控制系统是实现生产过程自动化的平台, 而自动化仪表是过程控制系统不可缺少的重要组成部分。,自动化仪表与控制系统关系：,过程控制仪表及其控制系统的组成,过程控制系统框图,控制器,被控对象,变送器,z,x,e = x-z,-,p,q,y,干扰,温度（压力、液位、流量）变送器、在线成分分析仪 （通常输出：420mA、 05V等标准信号）液位开关、料位开关、接近开关 (通常输出on/off信号)传感器（Pt100、热电偶）,通常安装 于控制室,通常安装 于 现场,显示 仪表,四个基本环节：被控对象、检测仪表、控制器、执行

7、器（显示仪表根据需要可选）,阀门：调节阀、电磁阀、气动蝶阀 泵：开关泵、变频泵,控制阀,被控对象 需要调节其工艺参数的生产设备。 变送器 把工艺参数转换成标准统一信号的装置。 控制器 将来自变送器的测量值与给定信号相比较后产生的偏差信号, 按照预先设定好的控制规律进行运算后，输出一个控制信号去执行器。 执行器 把控制器的输出信号转换成直线位移或角位移，以控制阀门的开度。 此外，根据需要还可设有显示、转换、计算、辅助、给定装置。,压力 变送器,压力 变送器,常用的仪表及装置,测量膜合,差压 变送器,双法兰差压送器,无纸 记录仪,测量精确值,Better Control 可编程 调节器,输出精确值

8、,输出百分值,测量百分值,气动阀门定位器,气动执行机构,电动执行机构,直通单、双座控制阀,直通单、双座控制阀,闸阀,球阀,三通阀,蝶阀,角阀,二、信号制及仪表信号标准的使用,一、 控制仪表的信号制,信号制即信号标准，是指仪表之间采用的传输信号的类型和数值。 目的：达到通用性和相互兼容性的要求，以便不同系列或不同厂家生产的仪表能够共同使用在同一控制系统中，实现系统的功能。,信号标准,我国国家标准GB777化工自动化仪表模拟气动信号规定了气动仪表信号的下限值和上限值，如表所示，该标准与国际IEC382是一致的。,1、气动仪表的信号标准,序号1的规定与国际标准IEC381 A一致。序号2考虑到DDZ

9、-系列单元组合仪表当时仍在广泛使用而设置的。,2、电动仪表的信号标准(GB339),过程控制系统的模拟标准信号为直流电流420mA，直流电压15V。,国际电工委员会规定：,我国DDZ型仪表采用的标准信号：,DDZ-型和DDZ-型仪表： 010mA DDZ-型仪表： 420mA,（1）采用电流信号的优点：,电流不受传输线及负载电阻变化的影响，适于远距离传输；,对于要求电压输入的受信仪表和元件，只要在回路中串联电阻便可得到电压信号。,电动单元组合仪表很多是采用力平衡原理构成，使用电流信号可直接与磁场作用产生正比于信号的机械力；,电流不受传输线及负载电阻变化的影响，适于远距离传输；,F 磁场作用力

10、B 磁感应强度 I 通过导线的电流 l 通过磁场的导线长度, 磁场与导线夹角,1.直流信号传输过程中易于和交流感应干扰相区别，且不存在移相问题；,（2）采用直流信号的优点：,2.直流信号不受传输线中电感、电容和负载性质的限制。,（3）活零点,在DDZ-型仪表中，以20mA表示信号的满度值，而以此满度值的20%即4mA表示零信号。这就称为活零点安排。,A、信号下限从某值开始（活零点）便于检验仪表是否断电，并可实现两线制。,被测压力为零； 仪表的某个位置断线。,B、在目前的元器件水平下，起点电流小于4mA时仪表工作将会发生困难。因此，目前国际上采用420mA作为标准信号。,为什么采用活零点,信号下

11、限从零开始有利于模拟量运算。信号下限从某值开始（活零点）便于检验仪表、线路是否断电，并可实现两线制。 信号上限高，产生的电磁平衡力大；信号上限低有利于减少功率损耗和仪表防爆。,四线制变送器,两线制变送器,变送器与控制室仪表间的信号传输,两线制,四线制,要实现两线制，必须采用活零点的电流信号。因电源线和信号线公用，电源供给变送器的功率是通过信号电流提供的。变送器输出电流为下限值时，应保证它内部的半导体器件仍能正常工作。故信号电流下限值不能过低。,二、 仪表信号标准的使用,1、现场与控制室仪表之间采用直流电流信号 优点： 直流比交流干扰少 直流信号对负载的要求简单 电流比电压更利于远传信息 要求：

12、接收仪表输入电阻小。,缺点： 多个仪表接收同一电流信息，它们必须串联。 任何一个仪表在拆离信号回路之前首先要把该仪表的两个输入端短接，否则其它仪表将会因电流中断而失去信号 仪表无公共接地点，须浮空工作,2、控制室内部仪表之间采用直流电压信号,优点： 任何一个仪表拆离信号回路都不会影响其它仪表的运行。 各个仪表具有公共接地点，可以共用一个直流电源。 要求：接收仪表的输入阻抗要足够高,控制系统仪表之间典型联接方式,Io：发送仪表的输出电流 Ro：发送仪表的输出电阻 Ri：接收仪表的输入电阻 R ：电流电压转换电阻，Io=420mA时R取250。,三、自动化仪表的防爆知识,爆炸危险场所的区域划分,依

13、据：爆炸性气体出现的频繁程度和持续时间 0区(Zone 0) 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区(Zone 1) 在正常情况下，爆炸性气体混合物有可能出现的场所。 2区(Zone 2) 在正常情况下，爆炸性气体混合物不可能出现，或即使出现也是短时间存在的场所。,1、安全防爆基本知识, 爆炸性气体的分级,按最大试验安全间隙MESG(火焰不能传播的最大间隙)和最小点燃电流比MICR来分级：可分为A、B、C 三级。, 爆炸性物质的分组 按引燃温度可分为六组：, 防爆电气设备的分类、分组,防爆电气设备分为两大类： 类：煤矿用电气设备 类：工厂用电气设备 类电气设

14、备可进一步分为A、B、C三级。,工厂用电气设备防爆型式有以下八种： 隔爆型(d)、本质安全型(i)、增安型(e)、正压型(p)、充油型(o)、充砂型(q)、浇封型(m)和无火花型(n)。 本质安全型设备又可以分为ia和ib两个等级。, 防爆标志及其含义,防爆标志由以下5个部分构成： 标志 EX 表示该设备为防爆电气设备。 结构型式 表明该设备采用何种措施进行防爆，如 d为隔爆型，i为本安型等。 设备类别 I为煤矿井下用电设备，II为工厂用设备。 防爆级别 为A、B、C三级，表明防爆能力强弱。 温度组别 为T1T6六组，说明该设备的最高表面 温度允许值。 例如 EXiaIICT5 表示II类本质

15、安全型ia等级B级T5组。,隔爆型仪表,具有隔爆外壳，仪表的电路和接线端子全部置于防爆壳体内。它能承受仪表内部因故障产生爆炸性气体混合物的爆炸压力。这类仪表适用于1区、2区危险场所。,本质安全型仪表,本安仪表的全部电路均为本质安全电路，电压和电流被限制在允许的范围内，保证仪表产生的电火花和热效应不致于引爆其周围爆炸性气体混合物。 ia等级的本安仪表适用于0区危险场所，ib等级的本安仪表只适用于1区和2区危险场所。,2、 常用防爆型控制仪表,3、 控制系统的防爆措施,本安防爆系统,本安防爆系统应满足的两个条件： 在危险场所使用本安防爆仪表 控制室仪表和危险场所仪表之间设置安全栅,四、自动化仪表的

16、型号命名,（8）执行单元：气动执行器、电气阀门定位器等。,按过程控制仪表在系统中的作用和特点分为八类,（1）变送单元：温度变送器、差压变送器、液位变送器、 压力变送器等。,（2）调节单元：基型控制器、特种控制器。,（3）给定单元：恒流给定器、比值给定器。,（4）转换单元：电/气转换器、电流转换器。,（5）计算单元：加减器、乘除器、开方器等。,（6）显示单元：积算器、记录仪等。,（7）辅助单元：安全栅、配电器、操作器等。,DDZ-型仪表的型号及命名,DDZ-型仪表各单元的型号由三部分组成，各部分之向用短横线隔开，格式如下。,第一部分由三个汉语拼音大写字母所组成。,第一个字母均为D，表示属于电动单

17、元组合仪表。,D-,第二个字母代表仪表大类，字母含意如下： B-变送单元； T-调节单元；X-显示单元； J-计算单元；Z-转换单元； K-执行单元； G-给定单元； F-辅助单元。,在变送单元中： W-温度和温差；Y-压力； C-差压。 在调节单元中：L-连续； D-断续。 在运算单元中： J-加减； S-乘除；K-开方。 在显示单元中： Z-指示； J-记录；B-报警； S-积算。 在执行单元中： Z-直行程；J-角行程。,第三个字母代表各大类中的产品小类，同一字母在不同大类中有不同的含义，如：,例如,DBC-2310为一台差压变送器的型号规格。其中第一位数字“2”表示工作压力为400kP

18、a，第二位数字“3”表示测量范围为0600Pa至04kPa，第三位数字“l”表示带单平法兰，第四位数字“0”表示序号。,第二部分由四位阿拉伯数字组成，这四位数字代表产品的种类、规格和结构特征。,第三部分由一个或数个汉语拼音大写字母组成，标志产品的特殊用途。,例如,安全火花防爆（A）、隔离防爆（B）、防腐（F）、船用（C）等。当具备一个以上特殊用途时，按字母顺序排列。,第三个字母表示测量参数或仪表品种,QDZ型仪表的型号及命名,QDZ型仪表型号格式为Q-，,第二个字母代表仪表大类，字母含义同DDZ-型仪表,最后一个部分是阿拉伯数字，用以表示产品系列、规格、结构特征等编号。,检测变送仪表,在过程自

19、动化中要通过检测元件获取生产工艺变量，最常见变量是温度、压力、流量、物位（四大参数）。 检测元件又称为敏感元件、传感器，它直接响应工艺变量，并转化成一个与之成对应关系的输出信号。这些输出信号包括位移、电压、电流、电阻、频率、气压等。,一、检测变送的重要性,由于检测元件的输出信号种类繁多，且信号较弱不易察觉，一般都需要将其经过变送器处理，转换成标准统一的电气信号（如420mA 或 010mA直流电流信号 ,20100KPa气压信号）送往显示仪表，指示或记录工艺变量，或同时送往控制器对被控变量进行控制。有时将检测元件、变送器及显示装置统称为检测仪表, 或者将检测元件称为一次仪表，将变送器和显示装置

20、称为二次仪表。,检测实施正确控制的第一步,变送将检测元件输出的各种信号、微弱信号转化成统一(标准)的电气信号。,静态：正确y(t)正确反映c(t)的值 可靠长期工作,动态：迅速y(t)迅速反映c(t)的变化,过程控制对检测仪表要求：,测量误差,(1) 绝对误差：仪表的指示值与被测量的真值之间的差值。,(2) 相对误差,测量误差：检测仪表获得的被测值与实际被测变量真实值之间的差距。,理论上：,实际上：,(3)引用误差,(4) 附加误差,由于外界环境条件变化以及仪表波动等外界因素引起的误差。,绝对误差与仪表的量程之比。,允许误差（最大引用误差）,仪表性能指标,精确度（精度） 表示仪表测量结果的可靠

21、程度。 仪表的精度等级是按国家统一规定的允许误差大小来划分成若干等级的。仪表精度等级数值越小，说明仪表测量准确度越高。 精度等级：最大引用误差去掉“”号及“%”后，系列化圆整后的数值。,仪表的精度等级以一定的符号形式表示在仪表标尺板上，如1.0外加一个圆圈或三角形。精度等级1.0，说明该仪表允许误差为1.0%。,目前我国生产的仪表的精度等级有： 0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等,例1 某台测温仪表的量程是600-1100，其最大绝对误差为4 ，试确定该仪表的精度等级。,由于国家规定的精度等级中没有0.8级仪表，而该仪表的最大引用误

22、差超过了0.5级仪表的允许误差，所以这台仪表的精度等级应定为1.0级。,解 仪表的最大允许误差为,例2 某台测温仪表的量程是600-1100，工艺要求该仪表指示值的误差不得超过4 ，应选精度等级为多少的仪表才能满足工艺要求。,0.8%介于允许误差0.5%与1.0%之间，如果选择允许误差为1.0%,则其精度等级应为1.0级。量程为6001100，精确度为1.0级的仪表，可能产生的最大绝对误差为5，超过了工艺的要求。所以只能选择一台允许误差为0.5%，即精确度等级为0.5级的仪表，才能满足工艺要求。,解 根据工艺要求，仪表的最大允许误差为,二、变送器,变送器在自动检测和控制系统中的作用，是将各种工

23、艺参数，如温度、压力、流量、液位、成分等物理量转换成统一的标准信号，以供显示、记录或控制之用,1、分类 按照被测参数分类,差压变送器,压力变送器,温度变送器,液位变送器,流量变送器等,变送器的理想输入输出特性,x,y,xmin,xmax,ymin,ymax,xmin 可能0，也可能0,2、变送器的构成原理,测量部分,放大器,反馈部分,x,测量部分 Ki,变送器的组成 ：,zi,放大器 Ko,y,反馈部分 Kf,zf,+,零点调整 零点迁移,+,z0,关键环节：,2、压力测量仪表,测量压力或真空度的仪表按照其转换原理的不同，分为四类。 （1）.液柱式压力计 它根据流体静力学原理，将被测压力转换成

24、液柱高度进行测量 按其结构形式的不同 有U形管压力计、单管压力计等 优点 这类压力计结构简单、使用方便 缺点 其精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等 因素的影响，测量范围较窄，一般用来测量较低压力、真空度或压力差。,（2）.弹性式压力计 它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。 （3）.电气式压力计 它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量（如电压、电流、频率等）来进行测量的仪表。 （4）.活塞式压力计 它是根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。,3、测温仪表的分类 温度不能直接测量，只能借助于冷热不同物体之间的热交换，以及物体的某些

25、物理性质随冷热程度不同而变化的特性来加以间接测量。,温度检测仪表的分类 根据敏感元件与被测介质接触与否 接触式 传感器和被测对象直接接触，进行充分的热交换，达到热平衡后，敏感元件与被测对象具有相同温度，传感器的输出即反映了被测温度的高低。 传导换热 非接触式 利用被测对象的热辐射能量随温度的变化而变化的原理，通过测量一定距离处被测物体发出的热辐射强度来确定被测对象的温度。 辐射换热（传感器不需和被测对象接触）,接触式测温： 测温元件与被测对象接触，依靠传热和对流进行热交换。 优点：结构简单、可靠，测温精度较高。 缺点：由于测温元件与被测对象必须经过充分的热交换且达到平衡后才能测量，这样容易破坏

26、被测对象的温度场，同时带来测温过程的延迟现象，不适于测量热容量小的对象、极高温的对象、处于运动中的对象。 不适于直接对腐蚀性介质测量。,非接触式测温： 测温元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，或测温元件接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能大小推出被测对象的温度。 优点：从原理上讲测量范围从超低温到极高温，不破坏被测对象温度场。非接触式测温响应快，对被测对象干扰小，可用于测量运动的被测对象和有强电磁干扰、强腐蚀的场合。 缺点：容易受到外界因素的干扰，测量误差较大，且结构复杂，价格比较昂贵。,按工作原理不同可分为 膨胀式、压力式、热电偶、热电阻及辐射式温度计等 按测温范围不同可分为

27、超低温、低温、中温、高温和超高温温度测量。 超低温一般是指010K 低温指10800K 中温指8001900K 高温指19002800K的温度 2800K以上被认为是超高温 按用途不同可分为 标准温度计和工业用温度计。,应用热膨胀原理测温,双金属片,利用液体或固体受热时产生热膨胀的原理,可以制成膨胀式温度计。,.测温原理及结构,应用压力随温度变化的原理测温,.压力式温度计1温包2毛细管 3弹簧管4指针 5传动机构6刻度盘 7感温介质,特点及应用 1)压力式温度计应在规定的测量范围、环境温度和湿度下使用，使用时温包应全部浸入被测介质中。 2)压力式温度计的毛细管容易被折断或渗漏，除加保护套管外，

28、在安装时要注意其弯曲半径不要小于50mm，并避开高温热源。 3)当液体压力式温度计的温包和表头不在同一水平面上时，两者间的液柱静压差会产生附加系统误差，因此需对温度计进行调零或数值修正。 4)蒸汽压力式温度计在使用过程中，当周围环境温度常低于被测温度时，应考虑蒸汽在毛细管和弹簧管内冷凝所产生的液柱静压对测量带来的影响。,应用热阻效应测温,测温原理金属导体或半导体的电阻值随温度变化而变化，这种物理现象称为热阻效应。热电阻温度计正是利用这一效应来实现温度测量的。,热电阻温度计,特点 1)测温范围广，一般为2001800。2)结构简单、准确可靠、性能稳定、维护方便。3)由于热电偶将温度转换为电动势，

29、故信号可以远距离传输，便于集中检测和控制。4)特殊结构的热电偶，其热容量和热惯性都很小，能用于快速测量。测温原理 热电效应,应用热电效应测温,热电偶温度计,非接触式测温原理非接触式温度计是利用物体的热辐射能随温度的变化而变化的原理制成的。 辐射式测温的基本方法 全辐射法亮度法比色法,应用热辐射原理测温,二、热电偶测温 1、热电效应 两种不同导体（或半导体）连接成闭合回路时，若两个结点温度 不同，则回路中将产生热电势。这种把热能转换成电能的现象称 为热电效应。,热端 测量端,冷端 参比端,当热电偶两个结点的温差小的时候，电动势较小；两个结点的温差越大，电动势就越大；当热端的温度低于冷端时，毫伏数

30、为负值。,二、热电偶测温,热电偶,热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表。,热电偶温度计由三部分组成：热电偶；测量仪表；连接热电偶和测量仪表的导线。,热电偶示意图,补偿导线 为节约贵重金属热电极材料，选择一对价格低廉的金属丝作为补偿导线来延长热电偶的冷端，使之远离高温区。补偿导线在冷端温度范围内，产生的热电势与主热电偶的热电势相同。 解决参比端温度的恒定问题。 补偿导线要求： 价格便宜，0100范围内的热电性质与要补偿的热电偶的热电性质几乎完全一样,1）补偿导线与热电偶热电极的两个接点温度 必须相同；2）补偿导线只能与相应型号的热电偶配用；3）必须在规定的温度范围内使用；4）极性切勿接反。,

31、使用注意,3.1 概述,3.4 阀门定位器,3.2 执行机构,3.3 调节机构,3、 执行器,3.7 执行器的安装与维护,3.5 执行器的选择,3.6 气动薄膜控制阀性能测试,3.1 概述：,一、执行器的结构组成 组成： 执行机构 调节机构 二、执行器的分类,气动执行器 PLQ 按能源分： 电动执行器 IiLQ 液动执行器,直行程 角行程,三种执行器的特点比较,电动执行器,气动执行器,3.2 执行机构,1. 特点 它是以140kP的压缩空气为能源，以20 100kP气压信号为输入控制信号； 具有结构简单、动作可靠、性能稳定、输出推力大、维修方便、本质安全防暴和价格低廉等特点。 2.构成原理,（

32、一）结构组成： 执行机构 P L Q 调节机构,一、气动执行器,气动薄膜控制阀,外形,反装阀,气开式 执行器,正作用执行机构,P入,正作用式气动薄膜控制阀,阀芯的正装与反装形成气开、气关,正装,反装,反作用式气动薄膜控制阀,结构原理,气关式 控制阀,O型环,气开式 执行器,反作用执 行机构,P入,四种组合,气关式,气关式,气开式,气开式,反装阀,反装阀,正装阀,正装阀,P入,P入,P入,P入,Q,Q,Q,Q,Q,气动活塞式执行机构按其作用方式可分成比例式和两位式两种。 比例式是指输入信号压力与推杆的行程成比例关系，这时它必须与阀门定位器配用。 两位式是根据输入执行机构活塞两侧的操作压力差来完成

33、的。活塞由高压侧推向低压侧，就使推杆由一个极端位置推移至另一个极端位置。,气动活塞式执行机构,二、电动执行器,电动执行机构由伺服放大器和执行机构两部分组成。执行机构又包括两相伺服电动机、减速器和位置发送器,伺服放大器：前置磁放大器、触发器，可控硅主回路及电源等部分。 作用：综合输入信号和反馈信号，并将该结果信号加以放大，使之有足够大的功率来控制伺服电动机的转动。 根据综合后结果信号的极性，放大器应输出相应极性的信号，以控制电动机的正、反运转。,1.伺服放大器,操作器：是用来完成手动自动之间的切换、远方操作和自动跟踪无扰动切换等任务,2.执行机构,伺服电机：是执行机构的动力部分,减速器 ：将高转

34、速、低转矩变成低转速、高转矩,位置发送器：根据差动变压器的工作原理，利用输出轴的位移来改变铁芯在差动线圈中的位置，以产生反馈信号和位置信号。,一、控制阀的结构特点,直通,3.3 调节机构,角形,三通控制阀：合流；分流,蝶阀,角行程式阀芯,凸轮挠曲阀,蝶阀,球阀,1、控制阀的节流原理,二、控制阀的流量系数,2、阀门的流量系数C的定义,P入,Q,Q,P1,P2,流量方程： 实用流量方程：,C称为流量系数，在控制阀中又称为为阀的流通能力。 流通能力C被定义为：当控制阀全开时，阀前后压差P为0.1Mpa、流体重度为1g/cm3时，每小时通过控制阀流体的流量数。 控制阀的尺寸通常用公称直径Dg和阀座直径

35、dg来表示。主要依据是计算出流通能力C来进行选择 。,二、控制阀的流量系数,三、控制阀的可调比,控制阀的可调比就是控制阀所能控制的最大流量与最小流量之比。可调比也称为可调范围，用R表示。,1.理想可调比 当控制阀上压差一定时，这时的可调比称为理想可调比。 2.实际可调比 控制阀在实际工作时，与管路系统相串联或与旁路阀相并联，此时的可调比就称为实际可调比。,(1)串联管道时的可调比,Pmax为控制阀全关时阀前后的压差（近似等于系统的总压差）； Pmin为控制阀全开时阀前后的压差； S为控制阀全开时阀前后压差与系统总压差之比,(2)并联管道时的可调比,四、控制阀的流量特性,式中： 相对流量，即某一

36、开度的流量与全开流量之比 相对开度，即某一开度下的行程与全行程之比,1.理想流量特性,2.工作流量特性,在实际使用时，控制阀安装在管道上，与其它设备串联，或者与旁路管道并联，因而控制阀前后的压差是变化的。此时，控制阀的相对流量与阀芯相对开度之间的关系称为工作流量特性。,串联管道的工作流量特性,并联管道的工作流量特性,图中S为阀全开时的工作流量与总管最大流量之比。 根据实际经验，S的值不能低于0.8,3.4 阀门定位器,提高阀杆位置的线性度，克服阀杆的摩擦力，消除被控介质压力变化与高压差对阀位的影响； 增加执行机构的动作速度，改善控制系统的动态特性； 可用20100kPa的标准信号压力去操作40

37、200kPa的非标准号压力的气动执行机构； 可实现分程控制，用一台控制仪表去操作两台控制阀 ；,用途：,3.4 阀门定位器,可实现反作用动作； 可修正控制阀的流量特性； 可使活塞执行机构和长行程执行机构的两位式动作变为比例式动作； 采用电/气阀门定位器后，可用420mADC电流信号去操作气动执行机构，一台电/气阀门定位器具有电/气转换器和气动阀门定位器的双重作用。,用途：,一、气动阀门定位器,气动阀门定位器接受由气动控制器或电/气转换器转换的控制器的输出信号，然后产生和控制器输出信号成比例的气压信号，用以控制气动执行器。,阀门定位器与气动执行器连接,一、气动阀门定位器,1-波纹管 2-主杠杆

38、3-迁移弹簧 4-凸轮支点 5-凸轮 6-副杠杆7-支点 8-执行机构 9-反馈杆 10-滚轮 11-反馈弹簧 12-调零弹簧 13-挡板 14-喷嘴 15主杠杆支点 16-放大器,力矩平衡式气动阀门定位器,二、电/气阀门定位器,电/气阀门定位器实际上是电气转换器和阀门定位器的组合。,先看电气转换器的动作原理,二、电/气阀门定位器,电/气阀门定位器将来自控制器或其它单元的420mADC电流信号转换成气压信号去驱动执行机构。同时，从阀杆的位移取得反馈信号，构成具有阀位负反馈的闭环系统，因而不仅改善了执行器的静态特性，使输入电流与阀杆位移之间保持良好的线性关系；而且改善了气动执行器的动态特性，使阀

39、杆的移动速度加快，减少了信号的传递滞后。,二、电/气阀门定位器,1喷嘴 2 挡板 3 杠杆 4 调零弹簧 5 永久磁钢 6、7 线圈 8 反馈弹簧 9 夹子 10 拉杆 11 固定螺钉 12 放大器 13 反馈轴 14反馈压板 15 调量程支点 16 反馈机体,4.5 执行器的选择,执行器的选择应从四方面来考虑： 控制阀结构型式及材料的选择 控制阀口径的选择 控制阀气开、气关形式的选择 控制阀流量特性的选择,4.5 执行器的选择,一、执行器结构形式选择,首先应根据生产工艺要求选择控制阀的结构型式，然后再选择执行机构的结构型式。控制阀结构形式的选择要根据控制介质的工艺条件，如压力、流量等和被控介

40、质的流体特性等进行全面考虑。,电动执行器,气动执行器,1、执行机构的选择,依据：各种控制阀结构类型及特点,2、气开气关的选择原则,气关式,气开式,P入,P入,Q,Q,控制阀的流通形式不同,3、控制阀的结构种类的选择,直通单座阀,单座角形阀,3、控制阀的结构种类的选择,直通双座阀,蝶阀,三通： 合流 分流,3、控制阀的结构种类的选择,执行机构的静态特性和动态特性,执行器结构形式选择,执行机构结构型式的选择一般要考虑下列因素：,执行机构的输出动作规律,执行机构的输出动作方式和行程,当采用气动仪表时，应选用气动执行机构。,执行器结构形式选择,根据各种执行机构的特点，一般按下列原则进行选择：,控制信号

41、为连续模拟量时，选用比例式执行机构，而控制信号为断续（开/关）形式时，应选择积分式执行机构。,当系统中要求程序控制时，可选用能接受断续信号的电动执行机构。,执行器分气开式和气关式两种。一般根据生产上安全要求选择。如果供气系统发生故障时，控制阀处于全开位置造成的危害较小，则选用气关式，反之选用气开式。,执行器结构形式选择,根据各种执行机构的特点，一般按下列原则进行选择：,对于具有爆炸危险或环境条件比较恶劣的场所，可选用气动执行机构。,二、 控制阀的流量特性选择,控制阀的流量特性，在生产中常用的是直线、等百分比和快开三种。而快开特性主要用于两位式控制及程序控制中，因此，在考虑控制阀流量特性选择时通

42、常是指如何合理选择直线和等百分比流量特性。,二、 控制阀的流量特性选择,控制阀流量特性的选择目前较多采用经验法。 一般可以从下面的几个方面来考虑： 根据过程特性选择 根据配管情况选择 根据负荷变化情况选择,三、控制阀口径的确定,控制阀口径的选择需经以下几个步骤： 计算流量的确定 计算压差的确定 流通能力的计算 流通能力C 值的选用 控制阀开度验算 控制阀实际可调比的验算 控制阀口径的确定,控制阀口径的大小决定于流通能力C,4.6 气动薄膜控制阀性能测试,一、气动薄膜控制阀主要性能指标,二、性能测试方法,1.非线性偏差 测试装置如图,2.正反行程变差 测试装置与方法：和非线性偏差的测试装置与方法

43、相同。 要求：同一信号压力值下的阀杆正反位移值的最大差值，不应超过表中所列指标。 3.灵敏限 测试装置：和非线性偏差的测试装置相同。 要求：所需要的信号压力变化值不得超过表中所列指标,1定值器；2压力表；3百分表,4.流通能力 测试装置如图所示，与一般流量校验装置相似。,5.流量特性 测试装置如流通能力测试图所示 测试方法：按流通能力的测试方法进行，分别测取相对开度为5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%时的相对应流通能力，即由此得到控制阀的实测流量特性。 要求：实测流量特性与理论流量特性最大偏差不应超过表中所列指标。,6.允许泄漏 在薄膜气室中

44、输入规定的气压，使阀关闭，并将室温的水以规定的压力按流开方向输入阀中，测量阀另一端流出的泄漏量。允许的泄漏量不能超过表中所规定的数值。,1高位槽；2压力表；3定值器；4计量槽,4.7 执行器的安装与维护,执行器最好是正立垂直安装于水平管道上。 执行器应安装在靠近地面或楼板的地方，在其上、下方应留有足够的间隙。 选择执行器的安装位置时，应采取其前后有不小于10D（D为管道直径）的直管段。,执行器应安装在便于调整、检查和拆卸的地方。在保证安全生产的同时也应该考虑节约投资、整齐美观。这里介绍一些安装的原则。,一、执行器的安装,控制阀安装在管道上时，阀体上的箭头方向与管道中流体流动方向应相同。如果控制

45、阀的口径与管道的管径不同时，两者之间应加一个渐缩管来连接。 为防止执行机构的薄膜老化，执行器应尽量安装在远离高温、振动、有毒、及腐蚀严重的场地。,一、执行器的安装,当生产现场有检测仪表时，控制阀应尽量与其靠近，以利于调整。外要注意工艺过程对控制阀位置的要求。 为了安全起见，控制阀应加旁通管路，并装有切断阀及旁路阀。以便在控制阀发生故障或维修时，通过旁路使生产过程继续进行。,一、执行器的安装,旁路组合的形式较多，现举常用的四种方案如图所示。,(a)是过去习惯采用的方案，旁路可以自动放空，但由于两个切断阀与控制阀在一根管线上，难于拆卸、安装，且所占空间大。 (b)这种方案比较好，布置紧凑，占地面积

46、小，便于拆卸。 (c)这种形式也比较好，便于拆卸，但占地面积比(b)大一些。 (d)这种方案只适用于小口径控制阀，否则执行器安装位置高，拆装不便。,一、执行器的安装,二、 执行器的维护,阀体内壁 阀座 阀芯 膜片和“O”形密封 密封填料,执行器的正常工作与维护检修有很大关系。日常维护工作主要是观察阀的工作状态，使填料密封部分保持良好的润滑状态。定期检修能够及时发现问题并更换零件。维护检修时重点检查的部位是：,执行器小结,执行器按能源形式分有气动执行器、电动执行器和液动执行器三大类。 执行器由执行机构和调节机构两个部分组成，各类执行器调节机构的种类和构造大致相同，主要是执行机构不同。 执行机构是

47、执行器的推动装置，它根据控制信号的大小，产生相应的推力，推动调节机构动作。 气动执行机构常用的有薄膜执行机构和活塞执行机构。电动执行机构由伺服放大器和执行机构两部分组成。,调节阀是执行器的调节部分，在执行机构推力的作用下，调节阀通过阀芯行程的改变，也就是改变阀门的开度，直接调节流体的流量。 阀门定位器是执行器的一种辅助仪表，它与执行器配套使用。 执行器在控制系统中处于重要的地位，使用时主要考虑结构形式的选择、流量特性的选择和口径的选择等问题。 气动执行器有始点偏差、终点偏差、非线性偏差、正反行程变差、灵敏限、全行程偏差、流通能力误差、流量特性误差、薄膜气室或汽缸的气密性、调节阀的密封性、阀座关

48、闭时允许的泄漏量等技术性能指标。,4、 安全栅,安全栅是构成安全火花防爆系统的关键仪表，安装在控制室内，是控制室仪表和现场仪表之间的关联设备。其作用是：系统正常时保证信号的正常传输；故障时限制进入危险场所的能量，确保系统的安全火花性能。 目前常用的安全栅有：齐纳式安全栅和变压器隔离式安全栅。,安全栅的品种:,安全栅又称安全保持器,安全栅 的作用 （1）信号的传输 （2）能量的传输 （3）限流、限压,变 送 器,执 行 器,检测端 安全栅,操作端 安全栅,调节器 计算机,危险场所:现场,非危险场所:控制室,420 mA,15 V,420 mA,V出,I入,24V DC,420 mA,稳 压 源,

49、I入,I出,24V DC,24V DC,信号,能源,信号,能源,能源,能源,V30V DC I30mA DC,进液,出料量,非安全火花型自动控制系统,气动 执行器,差压式 液位变送器,V,420 mA,15 V,控 制 器,Q出,Q进,L,P气,420 mA,V,I,I,I,显示 仪表,危险场所: 现场,非危险场所: 控制室,P,液位,配电器,I,24V DC,24V DC,进液,出料量,气动 执行器,差压式 液位变送器,V,420 mA,15 V,Q出,Q进,L,P气,420 mA,420 mA,V,I,I,操作端 安全栅,I,显示 仪表,危险场所: 现场,非危险场所: 控制室,P,液位,检

50、测端 安全栅,24V DC,24V DC,24V DC,安全火花型防爆系统,控 制 器,V30V DC I30mA DC,I,有关计算机控制系统内容小结 集散控制系统的体系结构 现场总线控制系统,5、 计算机控制系统,计算机控制系统 的产生背景,计算机技术的发展,控制技术的发展,计算机控制系统 的组成,概念,硬件系统,自动控制,控制,被控对象,被控参数,计算机控制,软件系统,用计算机取代,蒸汽加热器的计算机控制原理方框图,有关计算机控制系统内容小结,蒸汽加热器的计算机控制原理方框图,有关计算机控制系统内容小结,组态软件,操作系统、诊断程序,有关计算机控制系统内容小结,按被控对象分,离散,连续,

51、按控制算法分,常规PID,智能控制,按系统所完成的功能分,数据采集系统（DAS）,直接数字控制（DDC）,有关计算机控制系统内容小结,计算机控制系统的分类,PID算法及控制作用分析 PID参数整定（临界比例带法） 积分饱和及其抑制,按系统组成的结构分,集中结构,分散结构,按系统所使用的计算机分,单片机,工控机,PLC,有关计算机控制系统内容小结,2.按系统组成结构 （1）集中结构,概念：由单一计算机完成控制系统的所有功能和对所有 被控对象实施控制的一种系统结构。 特点：对计算机的可靠性和处理能力要求极高。 优点：系统的整体性、协调性好。 缺点：危险集中,有关计算机控制系统内容小结,概念：由多个

52、计算机分别完成控制系统的所有功能和对 所有被控对象的控制。 优点：控制分散、危险分散 缺点：整体性、协调性不好 分类：集散控制系统（DCS）、现场总线控制系统（FCS）,2.按系统组成结构 （2）分散结构,有关计算机控制系统内容小结,监控计算机,工程师站,操作员站,管理计算机,管理计算机,eb服务器,Internet,路由器,管理计算机,集散控制系统的体系结构,监控计算机,工程师站,操作员站,管理计算机,管理计算机,eb服务器,Internet,路由器,管理计算机,现场控制级,组成：各种传感器、变送器、执行器 功能：（1）将现场的各种参数变成电信号 （2）接收过程控制站的指令信号,集散控制系统的体系结构,监控计算机,工程师站,操作员站,管理计算机,管理计算机,eb服务器,Internet,路由器,管理计算机,过程控制级,组成：控制站、逻辑站、数据采集站