控制仪表实训报告

1、前 言执行器（final controlling element）是自动化技术工具中接收控制信息并对受控对象施加控制作用的装置。工业上一般用在电厂脱硫，污水处理厂的给排水，造纸厂管道上.很多地方都用，小型的执行器有的是控制小的碟阀截止阀风门.等比如燃烧机在点燃前需炉膛内需要进行给风吹扫，吹扫的时候就可以用电动执行器来控制阀门从开到关或从关到开运行执行器一般分为电动执行器和气动执行器，从控制方式上有分为开关型和调节型开关型是说只是控制阀门从开到关或从关到开而调节型说的是通过执行器可以控制阀门在中间或者某段位置进行来回调节了解执行器的特点，有利于了解工厂的机器运行。过程控制仪表及装置是实现生产过程

2、自动化的工具；是生产过程高效运行的保障，有助于提高生产效率；保证产品质量；减少生产过程的原材料与能量损耗。近年来由于微电子技术、计算机技术和网络技术的发展，过程控制仪表已经进入以DCS和智能仪表为主的时代；同时模拟式控制仪表在我国仍将大量使用。本次实习的目的是将生产过程控制仪表中常用的测量原件及执行器等仪表的结构、工作原理、选用方法、校验方法做一总结，使读者从中了解利用过程控制仪表构成控制系统的手段和方法，理解各控制仪表的工作原理与结构，获得控制仪表的安装、使用、校验、维护、选型等方面的知识与技能。前 言1一、实验仪器31.变送器31.1概念31.2保护作用31.3基本原理41.4种类特点42

3、、控制器42.1基本简介42.2主要分类42.3组合逻辑52.4基本组成52.5工作原理53.执行器63.1基本概念63.2执行器的原理63.3作用73.4 气动、电动、液动执行器的对比7二、仪器调校81、液位检测、压力变送器调校81.1压力变送器的主要技术指标：81.2压力变送器测试框图如下所示。81.3注意事项81.4实验说明及操作步骤92、模拟控制器认识及调校102.1目的102.2内容102.3原理102.4步骤123、执行器调校134、调节阀结构15三、总 结17一、 实验仪器1. 变送器1.1概念变送器（transmitter）是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号（或将传

4、感器输入的非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号源）的转换器。传感器和变送器一同构成自动控制的监测信号源。不同的物理量需要不同的传感器和相应的变送器。变送器的种类很多，用在工控仪表上面的变送器主要有温度变送器、压力变送器、流量变送器、电流变送器、电压变送器等等。变送器应用在工业现场、能输出标准信号的传感器称为变送器。 变送器这个术语有时与传感器通用。在自动控制原理中，变送器是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号的转换器。至于有时候与传感器通用是因为现代的多数传感器的输出信号已经是通用的控制器可以接收的信号，此信号可以不经过变送器的转换直接为控制器所识别。所以，传统意义上的

5、“变送器”意义应该是：“把传感器的输出信号转换为可以被控制器或者测量仪表所接受标准信号的仪器”。在自控中：信号源->传感器->变送器->运算器控制器->执行机构->控制输出。变送器种类很多，总体来说就是由变送器发出一种信号来给二次仪表使二次仪表显示测量数据。将物理测量信号或普通电信号转换为标准电信号输出或能够以通讯协议方式输出的设备。一般分为：温度/湿度变送器，压力变送器，差压变送器，液位变送器，电流变送器，电量变送器，流量变送器，重量变送器等。1.2保护作用1、变送器输入过载保护；2、输出过流限制保护；3、输出电流长时间短路保护；4、两线制端口瞬态感应雷与浪涌电

6、流TVS抑制保护；5、工作电源过压极限保护35V；6、工作电源反接保护。1.3基本原理变送器是中文名字，英文是：TRANSMITTER顾名思义，变送器含有“变”和“送”之意。所谓“变”，是指将各种从传感器来的物理量，转变为一种电信号。比如：利用热电偶，将温度转变为电势；利用电流互感器，将大电流转换为小电流。由于电信号最容易处理，所以，现代变送器，均将各种物理信号，转变成电信号。因此，我们说的变送器，通常都变成了“电”。所谓“送”，是指将各种已变成的电信号，为了便于其他仪表或控制装置接收和传送，又一次通过电子线路，将传感器来的电信号，统一化（比如4-20MA）。方法是通过多个运算放大器来实现。这

7、种“变”+“送”，就组成了现代最常用的变送器。比如：SST3-AD 就是一种将电流互感器的输出电流，转变成标准的4-20MA的电流变送器；再比如：SST4-LD，可以将重量传感器来的重量信号，转变成标准的4-20MA的重量变送器。1.4种类特点变送器的种类很多，用在工控仪表上面的变送器主要有温度变送器，压力变送器，流量变送器，电流变送器，电压变送器等等。变送器在仪器、仪表和工业自动化领域中起着举足轻重的作用。与传感器不同，变送器除了能将非电量转换成可测量的电量外，一般还具有一定的放大作用。压力变送器也称差变送器，主要由测压元件传感器、模块电路、显示表头、表壳和过程连接件等组成。它能将接收的气体

8、、液体等压力信号转变成标准的电流电压信号，以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。压力变送器测量原理是：流程压力和参考压力分别作用于集成硅压力敏感元件的两端，其差压使硅片变形（位移很小，仅m级），以使硅片上用半导体技术制成的全动态惠斯登电桥在外部电流源驱动下输出正比于压力的mV级电压信号。由于硅材料的强性极佳，所以输出信号的线性度及变差指标均很高。工作时，压力变送器将被测物理量转换成mV级的电压信号，并送往放大倍数很高而又可以互相抵消温度漂移的差动式放大器。放大后的信号经电压电流转换变换成相应的电流信号，再经过非线性校正，最后产生与输入压力成线性对应关系的标准电流电

9、压信号。压力变送器根据测压范围可分成一般压力变送器（0.001MPa20MPa）和微差压变送器（030kPa）两种。2、控制器2.1基本简介控制器是按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置。 2.2主要分类控制器分组合逻辑控制器和微程序控制器，两种控制器各有长处和短处。组合逻辑控制器设计麻烦，结构复杂，一旦设计完成，就不能再修改或扩充，但它的速度快。微程序控制器设计方便，结构简单，修改或扩充都方便，修改一条机器指令的功能，只需重编所对应的微程序；要增加一条机器指令，只需在控制存储器中增加一段微程序，但是，它是通过执行一段微程序。具体

10、对比如下：组合逻辑控制器又称硬布线控制器，由逻辑电路构成，完全靠硬件来实现指令的功能。2.3组合逻辑设计步骤设计机器的指令系统：规定指令的种类、指令的条数以及每一条指令的格式和功能。初步的总体设计：如寄存器设置、总线安排、运算器设计、部件间的连接关系等。绘制指令流程图：标出每一条指令在什么时间、什么部件进行何种操作。编排操作时间表：即根据指令流程图分解各操作为微操作，按时间段列出机器应进行的微操作。列出微操作信号表达式，化简，电路实现。2.4基本组成（1）指令寄存器用来存放正在执行的指令。指令分成两部分：操作码和地址码。操作码用来指示指令的操作性质，如加法、减法等；地址码给出本条指令的操作数地

11、址或形成操作数地址的有关信息(这时通过地址形成电路来形成操作数地址)。有一种指令称为转移指令，它用来改变指令的正常执行顺序，这种指令的地址码部分给出的是要转去执行的指令的地址。（2）操作码译码器：用来对指令的操作码进行译码，产生相应的控制电平，完成分析指令的功能。（3）时序电路：用来产生时间标志信号。在微型计算机中，时间标志信号一般为三级：指令周期、总线周期和时钟周期。微操作命令产生电路产生完成指令规定操作的各种微操作命令。这些命令产生的主要依据是时间标志和指令的操作性质。该电路实际是各微操作控制信号表达式(如上面的AL表达式)的电路实现，它是组合逻辑控制器中最为复杂的部分。（4）指令计数器：

12、用来形成下一条要执行的指令的地址。通常，指令是顺序执行的，而指令在存储器中是顺序存放的。所以，一般情况下下一条要执行的指令的地址可通过将现行地址加1形成，微操作命令“ 1”就用于这个目的。如果执行的是转移指令，则下一条要执行的指令的地址是要转移到的地址。该地址就在本转移指令的地址码字段，因此将其直接送往指令计数器。微程序控制器的提出是因为组合逻辑设计存在不便于设计、不灵活、不易修改和扩充等缺点。2.5工作原理有两种由于设计方法不同因而结构也不同的控制器。微操作是指不可再分解的操作，进行微操作总是需要相应的控制信号(称为微操作控制信号或微操作命令)。一台数字计算机基本上可以划分为两大部分-控制部

13、件和执行部件。控制器就是控制部件，而运算器、存储器、外围设备相对控制器来说就是执行部件。控制部件与执行部件的一种联系就是通过控制线。控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令，通常这种控制命令叫做微命令，而执行部件接受微命令后所执行的操作就叫做微操作。控制部件与执行部件之间的另一种联系就是反馈信息。执行部件通过反馈线向控制部件反映操作情况，以便使得控制部件根据执行部件的状态来下达新的微命令，这也叫做“状态测试”。微操作在执行部件中是组基本的操作。由于数据通路的结构关系，微操作可分为相容性和相斥性两种。在机器的一个CPU周期中，一组实现一定操作功能的微命令的组合，构成一条微指令。一般的微指令格

14、式由操作控制和顺序控制两部分构成。操作控制部分用来发出管理和指挥全机工作的控制信号。其顺序控制部分用来决定产生下一个微指令的地址。事实上一条机器指令的功能是由许多条微指令组成的序列来实现的。这个微指令序列通常叫做微程序。既然微程序是有微指令组成的，那么当执行当前的一条微指令的时候。必须指出后继微指令的地址，以便当前一条微指令执行完毕以后，取下一条微指令执行。3.执行器3.1基本概念执行器是自动化工具中接收控制信息并对受控对象施加控制作用的装置，也是控制系统正向通路中直接去改变操纵变量的仪表，在过程控制系统中，执行器由执行机构和调节机构两部分组成。调节机构通过执行元件直接改变生产过程的参数，使生

15、产过程满足预定的要求。执行机构则接受来自控制器的控制信息把它转换为驱动调节机构的输出（如角位移或直线位移输出）。它也采用适当的执行元件，但要求与调节机构不同。执行器与变送器等仪表不同，它直接安装在生产现场，与生产过程相接触，并且对生产过程施加影响。换句话说，执行器要工作在高温、高压、腐蚀、振动等恶劣的现场环境中，同时要有足够的功率以影响生产过程。我们有必要了解执行器的结构原理及性能指标，以便对其恰当地选择和使用，保证控制系统安全、正常、高效地运行，以能保持正常工作直接影响自动调节系统的安全性和可靠性。执行器是构成自动控制系统不可缺少的重要部分。它在系统中的作用是接收控制器的输出信号，直接控制能

16、量或物料等，调节介质的输送量，达到控制温度、压力、流量、液位等工艺参数的目的。由于执行器代替了人的操作，所以人们形象地成之为实现生产自动化的“手脚”。执行器的主要产品为调节阀。3.2执行器的原理 在齿轮级，发动机的转速可通过两套齿轮传送到输出杆上。主减速器由行星齿轮完成，副减速器由蜗轮实现，它被一套绷紧的弹簧固定在中心位置。在发生过载的情况下，也就是输出杆超过了弹簧的设定转矩时，中央蜗轮会发生轴向位移，对开关及信号装置进行微调，为系统提供保护。 受由外部变化控制杆操纵的耦合的作用，输出杆在发动机工作时与蜗轮耦合，在手动操作时与手轮耦合。当发动机不工作时，可以很容易地断掉电机驱动，并且只需压一下

17、控制杆即可连上手轮。由于电机驱动优先于手动操作，因此当发动机再次启动时，会自动发生反向动作。这样就可以避免当发动机运转时还开启手轮，有利于保护系统。由于手轮直接与输出杆耦合，因此可以保证在内部齿轮失灵或损坏时阀门的正常手动操作。安装在齿轮上的开关与信号装置是一个密封外壳，保护其内部的元件实现以下功能:1.本地或远程显示阀门位置2.执行器/阀门的过载保护3.限定阀门行程范围4.电气接口执行器在不同型号阀门上的安装是通过输出杆来完成的，它可适用于现有的多种阀杆组态。3.3作用双作用双作用执行机构的选用以DA系列气动执行机构为例。齿轮条式执行机构的输出力矩是活塞压力(气源压力所供)乘上节圆半径(力臂

18、)所得，如图4所示。且磨擦阻力小效率高。如图5所示，顺时针旋转和逆时针旋转时输出力矩都是线性的。在正常操作条件下，双作用执行机构的推荐安全系数为25-50%单作用单作用执行机构的选用以SR系列气动执行机构为例在弹簧复位的应用中，输出力矩是在两个不同的操作过程中所得，根据行程位置，每一次操作产生两个不同的力矩值。弹簧复位执行机构的输出力矩由力(空气压力或弹簧作用力)乘上力臂所得第一种状况:输出力矩是由空气压力进入中腔压缩弹簧后所得，称为"空气行程输出力矩"在这种情况下，气源压力迫使活塞从0度转向90度位置，由于弹簧压缩产生反作用力，力矩从起点时最大值逐渐递减直至到第二种状况:

19、输出力矩是当中腔失气时弹簧恢复力作用在活塞上所得，称为"弹簧行程输出力矩"在这种情况下，由于弹簧的伸长，输出力矩从90度逐渐递减直0度如以上所述，单作用执行机构是根据在两种状况下产生一个平衡力矩的基础上设计而成的。3.4 气动、电动、液动执行器的对比调节阀所用执行器不外乎气动、电动、液动(电液动)这三种，其使用性能各有优劣，下面分述之。1、气动执行机构:现今大多数工控场合所用执行器都是气动执行机构，因为用气源做动力，相较之下，比电动和液动要经济实惠，且结构简单，易于掌握和维护。由维护观点来看，气动执行机构比其它类型的执行机构易于操作和校定，在现场也可以很容易实现正反左右的互

20、换。它最大的优点是安全，当使用定位器时，对于易燃易爆环境是理想的，而电讯号如果不是防爆的或本质安全的则有潜在的因打火而引发火灾的危险。所以现在电动调节阀应用范围越来越广。但是在化工领域上，气动调节阀还是占据着绝对的市场优势。气动执行机构的主要缺点就是:响应较慢，控制精度欠佳，抗偏离能力较差，这是因为气体的可压缩性，尤其是使用大的气动执行机构时，空气填满气缸和排空需要时间。但这应该不成问题，因为许多工况中不要求高度的控制精度和极快速的响应以及抗偏离能力。2、电动执行机构:电动执行机构主要应用于动力厂或核动力厂，因为在高压水系统需要一个平滑、稳定和缓慢的过程。电动执行机构的主要优点就是高度的稳定和

21、用户可应用的恒定的推力，最大执行器产生的推力可高达225000kgf，能达到这么大推力的只有液动执行器，但液动执行器造价要比电动高很多。电动执行器的抗偏离能力是很好的，输出的推力或力矩基本上是恒定的，可以很好的克服介质的不平衡力，达到对工艺参数的准确控制，所以控制精度比气动执行器要高。如果配用伺服放大器，可以很容易地实现正反作用的互换，也可以轻松设定断信号阀位状态(保持/全开/全关)，而故障时，一定停留在原位，这是气动执行器所作不到，气动执行器必须借助于一套组合保护系统来实现保位。电动执行机构的缺点主要有:结构较复杂，更容易发生故障，且由于它的复杂性，对现场维护人员的技术要求就相对要高一些;电

22、机运行要产生热，如果调节太频繁，容易造成电机过热，产生热保护，同时也会加大对减速齿轮的磨损;另外就是运行较慢，从调节器输出一个信号，到调节阀响应而运动到那个相应的位置，需要较长的时间，这是它不如气动、液动执行器的地方。3、液动执行机构:当需要异常的抗偏离能力和高的推力以及快的形成速度时，我们往往选用液动或电液执行机构。因为液体的不可压缩性，采用液动执行器的优点就是较优的抗偏离能力，这对于调节工况是很重要的，因为当调节元件接近阀座时节流工况是不稳定的，越是压差大，这种情况越厉害。另外，液动执行机构运行起来非常平稳，响应快，所以能实现高精度的控制。电液动执行机构是将电机、油泵、电液伺服阀集成于一体

23、，只要接入电源和控制信号即可工作，而液动执行器和气缸相近，只是比气缸能耐更高的压力，它的工作需要外部的液压系统，工厂中需要配备液压站和输油管路，相比之下，还是电液执行器更方便一些。液动执行机构的主要缺点就是造价昂贵，体检庞大笨重，特别复杂和需要专门工程，所以大多数都用在一些诸如电厂、石化等比较特殊的场合。二、仪器调校1、液位检测、压力变送器调校1.1压力变送器的主要技术指标：测量范围06Kpa输出电流420mA负载能力250300工作电源24（1±5%）V DC1.2压力变送器测试框图如下所示。图3-1 压力变送器接线原理图1.3注意事项1.本实验采用的压力变送器是两线制仪表，应串入

24、24伏直流电源。接线时，注意电源极性。接线完毕后，应检查接线是否正确，并请指导教师确认无误后，方能通电。2.没通电、不加压；先卸压、再断电。3.进行量程调整时，应注意调整电位器的调整方向。4.小心操作，切勿生扳硬拧，严防损坏仪表。5.一般仪表应通电预热15分钟后再进行校验，以保证校验的准确性。1.4实验说明及操作步骤1.压力变送器的零点及量程调校。（1）零点调整 在水箱没水时，观察输出电流表的读数是否为4mA，如果不对，则调整调零电位器，直至读数为4mA。（2）满量程调整 零点调好后，给水箱加水，液位增加到水箱满刻度处。将液位变送器的输出接到控制器（控制器中测量范围上限参数值设置为450）。根

25、据实际刻度与控制器显示的读数之间的差值调整，直到两者一致。（3）满量程调整后会影响零点，因此零点、满量程需反复多次调整。直至满足要求为止。2. 校验液位计精度。（1）根据液位量程，确定校验点（全量程内均匀取57点）。（2）正行程校验：根据确定校验点从小到大稳定液位，对输出电流读取并记录。（3）反行程校验：由大到小按（2）过程校验各确定点并数据记录。3数据记录及处理输入液位刻度分值（cm）012.52537.550输出输出信号标准值IO（mA）48121620输出信号实测值IO（mA）正行程47.9011.8015.8020.0反行程47.8211.8016.020.0误差绝对误差正行程00.1

26、0.20.20反行程00.180.200绝对变差00.0800.20基本误差（%）1.25变差（%）1.25精度等级1.5记录及处理实验数据时应注意的问题：（1）实验前拟好实验记录表格，见上表。（2）实验时一定等现象稳定后再读数、记录。否则因滞后现象会给实验结果带来较大的误差。（3）误差计算公式 绝对误差= IO实IO标 引用误差=±/（IO上IO下）×100% 基本误差=±MAX /（IO上IO下）×100%变差=| IO正-IO反|MAX/（IO上IO下）×100%IO标 某点输出信号的标准值，单位mA。IO实 某点输出信号的实际值，单位m

27、A。MAX各校验点绝对误差的最大值，单位mA。IO上-IO下仪表的输出量程，单位mA 。|IO正-IO反|MAX各检验点正反行程实测值的最大绝对变差，单位mA。2、模拟控制器认识及调校2.1目的1熟悉模拟控制器的整体结构，了解各部分的作用。2掌握模拟控制器测量针的校验方法。3知道模拟控制器的工作方式，学会进行各工作方式之间的无扰动切换。4掌握模拟控制器控制参数比例度、积分时间的测定方法。2.2内容1熟悉模拟控制器（电型或EK）正、侧面板布置，了解各种开关的用途及主要部件在电路板的位置。2检查模拟控制器是否正常。3进行测量指针的起点、终点、中间刻度校验。4按照实验步骤进行各控制参数的测定和校验。

28、2.3原理实验接线如图3-2所示。图3-2模拟控制器开环校验接线图由恒流给定器的输出作为控制器的测量信号，当控制器的给定为某一数值时，改变测量信号，产生一个偏差阶跃输入，此时，分别测出比例度、积分时间的实际值，与控制器上的刻度值比较，计算出误差，最后判断各参数是否满足技术指标要求。控制参数的测试原理：(1)比例度（2）微分时间TD时间常数：TD的测定（参看图3-3）： 图5-3 比例微分作用响应曲线比例度100%，在阶跃信号输入下，（如U01变化10%（1.6mA），输出为U01，当输出从U01开始下降了微分作用的63.2%（ ）所需要的时间再乘以KD即为TD。（3）积分时间TI 图3-4 比

29、例积分作用响应曲线2.4步骤（1）按图接线，经检查无误后接通电源，预热30分钟。（2）测量指示刻度校验将控制器正面、侧面板上各开关置于如下位置： 工作方式切换开关： 软手动测量标定切换开关： 测量给定开关： 内给正反作用开关： 正 比例度： 最大积分时间TI 最大微分时间TD 关起点、终点刻度校验：由恒流给定器从端子、分别输入4mA、20mA电流信号，测量针应分别指示0%、100%。当误差超过±1%时，应调整机械零点和指示单元的测量指示量程电位器。中间刻度校验：把测量标定切换开关置于“标定”位置，这时，测量针和给定针都应指示50%，当误差超过±1%时，应调整指示单元中的“标

30、定电压调整”电位器，此时，标定电压为3V。将整个范围分为四等分，按0%、25%、50%、75%、100逐点输入相应的电流值，此时，记录下相应的指针位置,为方便读数，可以对准指针0%、25%、50%、75%、100的位置，记录相应的输入电流值，然后计算出误差。数据处理及实验结果 序号 项目0 255075100刻度值48121620实际值48.312.416.420误差00.30.40.40（3）控制参数测试比例度的测试：将控制器侧面板上，测量标定切换开关置于“测量”位置，其余开关位置不变。a控制控制器正面板上的给定，使给定指示50%，再调节恒流给定器使测量指示50%（12mA），调节软手动手杆

31、使控制器输出电流Io为10mA。b将比例刻度盘对准要测试的点的位置，如100%的位置，迅速将工作方式切换开关切向“自动”，控制器输出应保持10mA不变，用恒流给定迅速加入一个大小适当的输入偏差信号，此时，记录下控制器的输出电流值。 c再选择其它刻度点如：2%、500%进行上述操作，记录下相应的输出电流值，将刻度值和实际比例度值比较，计算出误差。计算公式如下： 实际比例度：误差=数据处理及实验结果： 序号 项目100300500刻度值（%）4.43.53.7实际值（%）4.361.40.62误差（%）0.916.719.2 d100%比例刻度校验：重复a、b操作后，用螺丝刀调节比例刻度盘，使刻度盘对准真正的100%的位置，不是原来的校验位置。如：偏差变化2mA（假设测量值增加2mA