过程控制仪表_下

1、 第第3 3章章 过程控制仪表（下）过程控制仪表（下） 过程仪表的定义及作用过程仪表的定义及作用模拟式调节器的局限性越来越明显：模拟式调节器的局限性越来越明显：1）功能单一，灵活性差；）功能单一，灵活性差；2）信息分散，所用仪表多，且监视操作不方便；）信息分散，所用仪表多，且监视操作不方便；3）接线过多，系统维护难度大。）接线过多，系统维护难度大。 电加热锅炉的控制问电加热锅炉的控制问题，先要实现蒸汽流量的题，先要实现蒸汽流量的正确测量，以便实现对锅正确测量，以便实现对锅炉液位的准确控制与安全炉液位的准确控制与安全运行运行 。 pTpTpQfnnf 蒸汽流量与温度、压力蒸汽流量与温度、压力有直

2、接关系，必须对流量进有直接关系，必须对流量进行温度、压力补偿处理。其行温度、压力补偿处理。其运算公式如下：运算公式如下： 3.3.1 数字式控制器的基本构成数字式控制器的基本构成 数字式控制器的硬件电路由主机电路、过程输入通道、过程输出通道、人/机接口电路以及通信接口电路等构成。 1. 数字式控制器的硬件电路数字式控制器的硬件电路 YS100单回路调节器单回路调节器 数字式控制器的硬件电路 （1 1）主机电路）主机电路 主要由微处理器主要由微处理器CPUCPU、只读存储器、只读存储器ROMROM和和EPROMEPROM、随机存储器、随机存储器RAMRAM、定时、定时/ /计数器计数器CTCCT

3、C以及输入以及输入/ /输出输出接口等组成，它是数字控制器的核心，用于数据运算处理接口等组成，它是数字控制器的核心，用于数据运算处理和各组成部分的管理。和各组成部分的管理。（2 2）过程输入通道）过程输入通道 包括模拟量输入通道和开关量输入包括模拟量输入通道和开关量输入通道两部分，其中模拟量输入通道主要由多路模拟开关、通道两部分，其中模拟量输入通道主要由多路模拟开关、采样采样/ /保持器和保持器和A/DA/D转换器等组成，其作用是将模拟量输入转换器等组成，其作用是将模拟量输入信号转换为相应的数字量；而开关量输入通道则将多个开信号转换为相应的数字量；而开关量输入通道则将多个开关输入信号通过输入缓

4、冲器将其转换为能被计算机识别的关输入信号通过输入缓冲器将其转换为能被计算机识别的数字信号。数字信号。 （3 3）过程输出通道）过程输出通道 主要包括模拟量输出通道和开关量主要包括模拟量输出通道和开关量输出通道两部分，其中模拟量输出通道由输出通道两部分，其中模拟量输出通道由D/AD/A转换器、多路转换器、多路模拟开关输出保持器和模拟开关输出保持器和V/IV/I转换器等组成，其作用是将数字转换器等组成，其作用是将数字信号转换为信号转换为1 15V5V模拟电压或模拟电压或4 420mA20mA模拟电流信号。开关模拟电流信号。开关量输出通道则通过输出缓冲器输出开关量信号，以便控制量输出通道则通过输出缓

5、冲器输出开关量信号，以便控制继电器触点或无触点开关等。继电器触点或无触点开关等。 （4）人）人/机联系部件机联系部件 主要包括显示仪表或显示器、主要包括显示仪表或显示器、手动操作装置等，它们被分别置于数字式控制器的正手动操作装置等，它们被分别置于数字式控制器的正面和侧面。正面的设置与常规模拟式控制器相似，有面和侧面。正面的设置与常规模拟式控制器相似，有测量值和设定值显示表、输出电流显示表、运行状态测量值和设定值显示表、输出电流显示表、运行状态切换按钮、设定值增切换按钮、设定值增/减按钮、手动操作按钮等。侧面减按钮、手动操作按钮等。侧面则有设置和指示各种参数的键盘、显示器等。则有设置和指示各种参

6、数的键盘、显示器等。（5）通信部件）通信部件 主要包括通信接口、发送和接收电路主要包括通信接口、发送和接收电路等。通信接口将发送的数据转换成标准通信格式的数等。通信接口将发送的数据转换成标准通信格式的数字信号，由发送电路送往外部通信线路，再由接收电字信号，由发送电路送往外部通信线路，再由接收电路接收并将其转换成计算机能接收的数据。数字通信路接收并将其转换成计算机能接收的数据。数字通信大多采用串行方式。大多采用串行方式。 （1）系统管理软件）系统管理软件 主要包括监控程序和中断处理程主要包括监控程序和中断处理程序两部分，它们是控制器软件的主体。监控程序又包序两部分，它们是控制器软件的主体。监控程

7、序又包含系统初始化、键盘和显示管理、中断管理、自诊断含系统初始化、键盘和显示管理、中断管理、自诊断处理及运行状态控制等模块；中断处理程序则包含键处理及运行状态控制等模块；中断处理程序则包含键处理、定时处理、输入处理和运算控制、通信处理和处理、定时处理、输入处理和运算控制、通信处理和掉电处理等模块。掉电处理等模块。（2）用户应用软件）用户应用软件 用户应用软件由用户自行编制，用户应用软件由用户自行编制，采用采用POL(面向过程语言面向过程语言)编程，因而设计简单、操作编程，因而设计简单、操作方便。在可编程控制器中，这些应用软件以模块或指方便。在可编程控制器中，这些应用软件以模块或指令的形式给出，

8、用户只要将这些模块或指令按一定规令的形式给出，用户只要将这些模块或指令按一定规则进行连接（亦称组态）或编程，即可构成用户所需则进行连接（亦称组态）或编程，即可构成用户所需的各种控制系统。的各种控制系统。 2. 数字式控制器的软件数字式控制器的软件 （1 1）主机电路）主机电路 主机电路主要由主机电路主要由CPUCPU、ROMROM、RAMRAM、D/AD/A转换器和定时器转换器和定时器组成。组成。 （2 2）模拟量输入）模拟量输入/ /输出电路输出电路（结合实物）（结合实物） SLPCSLPC* *E E共有共有，可同时接受，可同时接受5 5路直流信号。输入信号先由路直流信号。输入信号先由RC

9、RC滤波缓冲，经多路选择开关、滤波缓冲，经多路选择开关、A/DA/D转换后，存入系统转换后，存入系统RAMRAM中。中。 有有。其中只有。其中只有Y1Y1输出是输出是1 120mA20mA直流电流信号，可推动执行器工作。另两路输出直流电流信号，可推动执行器工作。另两路输出Y2Y2、Y3Y3为为1 15V5V直流电压信号。输出电流表指示直流电压信号。输出电流表指示Y1Y1的数值。的数值。 （3 3）状态输入）状态输入/ /输出电路输出电路（结合实物）（结合实物） SLPCSLPC* *E E共有共有6 6个状态输入个状态输入/ /输出端子，采用脉冲变压器进输出端子，采用脉冲变压器进行电路隔离。各

10、状态端子可以通过编程方式指定输入、输行电路隔离。各状态端子可以通过编程方式指定输入、输出用途，缺省时指定出用途，缺省时指定1 13 3号端子为输入号端子为输入DIO1DIO1DI03DI03，4 46 6号端子为输入号端子为输入DOO1DOO1DO03DO03。 （4 4）其它电路）其它电路故障处理电路和报警输出电路故障处理电路和报警输出电路 显示器键盘和通信接口电路显示器键盘和通信接口电路 电源电路电源电路 SLPC SLPC具有具有4646功能模块，能完成复杂的函数运算和控制功功能模块，能完成复杂的函数运算和控制功能。其中包括：数据传送模块、基本运算模块、带编号运算能。其中包括：数据传送模

11、块、基本运算模块、带编号运算模块、逻辑功能模块、控制功能模块。其功能如下（控制功模块、逻辑功能模块、控制功能模块。其功能如下（控制功能未列出）：能未列出）： 1)1)、正面板、正面板 1)1)、准备工作、准备工作机芯的拉出机芯的拉出 机芯的取出机芯的取出 机芯表箱的分离机芯表箱的分离 2)2)、运转准备、运转准备（1 1）调节阀动作与显示）调节阀动作与显示板的位置一致。板的位置一致。（2 2）整定板的给定）整定板的给定 （3 3）MODEMODE给定给定用键盘调出用键盘调出MODEMODE，然后按压，然后按压按键进行给定。按键进行给定。 （4 4）SCALESCALE给定给定 3.4 3.4

12、执行器及安全栅执行器及安全栅3.4.1 执行器的构成原理执行器的构成原理执行器由执行器由执行机构执行机构和和调节机构（调节阀）调节机构（调节阀）两部分组成两部分组成。接受调节器输出的控制信号，并转换成直线位移或角位。接受调节器输出的控制信号，并转换成直线位移或角位移来改变调节阀的流通面积，以控制流入或流出被控过程移来改变调节阀的流通面积，以控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。 执行器有自动调节阀门、自动电压调节器、自动电流执行器有自动调节阀门、自动电压调节器、自动电流调节器、控制电机等。其中自动调节阀门是最常见的执行调节

13、器、控制电机等。其中自动调节阀门是最常见的执行器，种类繁多。器，种类繁多。自动调节阀按照工作所用能源形式可分为：自动调节阀按照工作所用能源形式可分为：q电动调节阀电动调节阀：电源配备方便，信号传输快、：电源配备方便，信号传输快、损失小，可远距离传输；但推力较小。损失小，可远距离传输；但推力较小。q气动调节阀气动调节阀：结构简单，可靠，维护方便，：结构简单，可靠，维护方便，防火防爆；但气源配备不方便。防火防爆；但气源配备不方便。q液动调节阀液动调节阀：用液压传递动力，推力最大；：用液压传递动力，推力最大；但安装、维护麻烦，使用不多。但安装、维护麻烦，使用不多。 工业中使用最多的是气动调节阀和电动

14、调节阀。工业中使用最多的是气动调节阀和电动调节阀。 1. 气动执行机构气动执行机构 它由膜片、阀杆和平衡弹簧等组成，是执行器的推动装置。它接受气动调节器或电/气转换器输出的气压信号，经膜片转换成推力并克服弹簧力后，使阀杆产生位移，带动阀芯动作。 1-上盖 2膜片 3一平衡弹簧 4一阀杆 5阀体 6阀座 7阀芯 气动执行机构有正作用和反作用两种形式气动执行机构有正作用和反作用两种形式: :当输入气压信号增加时阀杆向下移动时称当输入气压信号增加时阀杆向下移动时称正作用正作用；当输入气压信号增加时阀杆向上移动时称当输入气压信号增加时阀杆向上移动时称反作用反作用。在工业生产中口径较大的调节阀通常采用正

15、作用方式。在工业生产中口径较大的调节阀通常采用正作用方式。 lKAp 气动薄膜执行机构的静态特性表示平衡状态时输入气动薄膜执行机构的静态特性表示平衡状态时输入的气压的气压p与阀杆位移与阀杆位移l的关系，即的关系，即 A为膜片的有效面积；K为平衡弹簧的弹性系数 气动执行机构的动态特性可近似成一阶惯性环节，其惯气动执行机构的动态特性可近似成一阶惯性环节，其惯性的大小取决于膜头空间的大小与气管线的长度和直径。性的大小取决于膜头空间的大小与气管线的长度和直径。 2. 电动执行机构电动执行机构 电动执行机构根据配用的调节机构不同，其输出方式有电动执行机构根据配用的调节机构不同，其输出方式有直行程、角行程

16、和多转式三种类型，其电气原理完全相同，直行程、角行程和多转式三种类型，其电气原理完全相同，仅减速器不一样。仅减速器不一样。 电动执行机构的组成框图电动执行机构的组成框图 伺服放大器原理图伺服放大器原理图 校正网络原理图校正网络原理图 （1） 直通单座阀直通单座阀流体对阀芯的不平流体对阀芯的不平衡作用力大。一般用在小衡作用力大。一般用在小口径、低压差的场合。口径、低压差的场合。q结构简单、泄漏量小。结构简单、泄漏量小。3调节机构调节机构 调节机构就是阀门，是一个局部阻力可以改变调节机构就是阀门，是一个局部阻力可以改变的节流元件。根据不同的使用要求，阀门的结构型的节流元件。根据不同的使用要求，阀门

17、的结构型式很多。式很多。 正装阀正装阀阀芯下移时，阀芯与阀阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积增大座间的流通截面积增大阀门中的柱式阀芯可以正装，也可以反装。阀门中的柱式阀芯可以正装，也可以反装。 反装阀反装阀阀芯下移时，阀芯与阀阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积减小座间的流通截面积减小（2 2） 直通双座阀直通双座阀 阀体内有两个阀芯和阀座。阀体内有两个阀芯和阀座。q流体流过时，作用在上、下两个阀芯上的推流体流过时，作用在上、下两个阀芯上的推力方向相反且大小相近，可以互相抵消，所以不平力方向相反且大小相近，可以互相抵消，所以不平衡力小。衡力小。q但是，由于加工的但是，由于加工的限制，上下两个

18、阀芯阀限制，上下两个阀芯阀座不易保证同时密闭，座不易保证同时密闭，因此泄漏量较大。因此泄漏量较大。（3）角形控制阀角形控制阀两个接管呈直角形，一般为底进侧出，这种阀的两个接管呈直角形，一般为底进侧出，这种阀的流路简单、对流体的阻力较小。流路简单、对流体的阻力较小。q适用于现场管道适用于现场管道要求直角连接，介质要求直角连接，介质为高粘度、高压差和为高粘度、高压差和含有少量悬浮物和固含有少量悬浮物和固体颗粒状的场合。体颗粒状的场合。 （4 4） 三通控制阀三通控制阀 有三个出入口与工艺管道连接。流通方式有合有三个出入口与工艺管道连接。流通方式有合流型（两种介质混合成一路）和分流型（一种介质流型（

19、两种介质混合成一路）和分流型（一种介质分成两路）两种。适用于配比控制与旁路控制。分成两路）两种。适用于配比控制与旁路控制。（5）隔膜控制阀隔膜控制阀 采用耐腐蚀材料作采用耐腐蚀材料作隔膜，将阀芯与流体隔隔膜，将阀芯与流体隔开。开。q结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其他结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其他种类的阀要大。由于介质用隔膜与外界隔离，故无填种类的阀要大。由于介质用隔膜与外界隔离，故无填料，介质也不会泄漏。料，介质也不会泄漏。q耐腐蚀能力强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性耐腐蚀能力强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也能用于高粘度及悬浮颗粒状介质的控介质的控制，也能用于高粘度及

20、悬浮颗粒状介质的控制。制。 q适用于大口径、适用于大口径、大流量、低压差的场大流量、低压差的场合，也可以用于含少合，也可以用于含少量纤维或悬浮颗粒状量纤维或悬浮颗粒状介质的控制。介质的控制。（6）蝶阀蝶阀又名翻板阀。又名翻板阀。结构简单、重量轻、流阻极小，但泄漏量大。结构简单、重量轻、流阻极小，但泄漏量大。3.4.2 气动执行器的应气动执行器的应用用1. 调节阀的尺寸调节阀的尺寸 通常用公称直径通常用公称直径Dg和阀座直径和阀座直径dg表示，它们的确定是合理应用执行表示，它们的确定是合理应用执行器的前提条件。确定调节阀尺寸的主要依据是流通能力，它定义为调器的前提条件。确定调节阀尺寸的主要依据是

21、流通能力，它定义为调节阀全开、阀前后压差为节阀全开、阀前后压差为0.1MPa、流体重度为、流体重度为1g/cm3时，每小时通时，每小时通过阀门的流体流量（过阀门的流体流量（m3或或kg）。）。 当流体为不可压缩时，通过调节阀的体积流量为当流体为不可压缩时，通过调节阀的体积流量为: 0122()VgqAppr为流量系数，它取决于调节阀的结构形状和流体流动状况，可从有关手册查阅或由实验确定；A0为调节阀接管截面积；g为重力加速度；r为流体重度。 依据流通能力的定义，则有依据流通能力的定义，则有 gAC20流通能力C与调节阀的结构参数有确定的对应关系。这就是确定调节阀尺寸的理论依据。 可得流通能力与

22、流体重度、阀前后压差和介质流量三者的定量关系，即 (335)VrCqpmaxqpmaxCmaxC调节阀尺寸的确定过程为：根据通过调节阀的最大流量，r流体重度以及调节阀的前后压差，先由式（335）求得最大的流通能力，然后选取大于即可依据表32确定出Dg和dg的大小。 的最低级别的C值，公称直径Dg(mm)202532405065阀门直径dg(mm)245678101215202532405065流通能力C单座阀0.080.120.200.320.500.801.22.03.25.0812203256双座阀1016254063公称直径Dg(mm)80100125150200250300阀门直径dg

23、(mm)80100125150200250303流通能力C单座阀80120200280450双座阀10016025040063010001600表3-2 调节阀流通能力C与其尺寸的关系 执行器的“气开、气关”有四种构成方式 序号序号执行机构执行机构作用方式作用方式阀体作用阀体作用方式方式执行器气开、执行器气开、气关形式气关形式a正正正正气关气关b正正反反气开气开c反反正正气开气开d反反反反气关气关3 调节阀的调节阀的流量特性流量特性调节阀的阀芯位移与流量之间的关系，对控制调节阀的阀芯位移与流量之间的关系，对控制系统的调节品质有很大影响。系统的调节品质有很大影响。流量流量特性的定义：特性的定义：

24、被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系称为调节阀的流量特性。度（相对位移）间的关系称为调节阀的流量特性。max( )qlfqLq/qmax 相对流量相对流量 l/L 相对开度相对开度 相对流量相对流量q/qmax 是控制阀某一开是控制阀某一开度流量度流量q与全开时流量与全开时流量qmax之比；之比； 相对开度相对开度l/L 是控制阀某一开度是控制阀某一开度行程行程l与全开行程与全开行程L之比。之比。 调节阀的流量特性不仅与阀门调节阀的流量特性不仅与阀门的结构和开度有关，还与阀前后的的结构和开度有关，还与阀前后的压差有关，必须分开讨

25、论。压差有关，必须分开讨论。max( )qlfqLlq为了便于分析，先将阀前后压差固定，然后为了便于分析，先将阀前后压差固定，然后再引伸到实际工作情况，于是有再引伸到实际工作情况，于是有固有流量特性固有流量特性与与工作流量特性工作流量特性之分。之分。1、固有（固有（理想）理想）流量特性流量特性在将控制阀前后压差固定时得到的流量特性在将控制阀前后压差固定时得到的流量特性称为称为固有固有流量特性。它取决于阀芯的形状。流量特性。它取决于阀芯的形状。（a）快开特性）快开特性（b）直线特性直线特性（c）等百分比特性等百分比特性（1）直线流量特性直线流量特性控制阀的相对流量与相对开度成直线关系，即控制阀的

26、相对流量与相对开度成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数。用数学式单位位移变化所引起的流量变化是常数。用数学式表示为：表示为：KlldqqdmaxmaxmaxmaxqlKCql积分C为积分常数 可调比可调比R为调节阀所能为调节阀所能控制的最大流量与最小流量控制的最大流量与最小流量的比值。的比值。 其中其中qmin不是指阀门全关时的泄漏量，而是阀不是指阀门全关时的泄漏量，而是阀门能平稳控制的最小流量，约为最大流量的门能平稳控制的最小流量，约为最大流量的24%一般阀门的可调比一般阀门的可调比R=30。maxmax11(1)qlqRlRmaxmin1qRqC控制力：阀门开度改变时，相对流量

27、的改变比值。控制力：阀门开度改变时，相对流量的改变比值。 例如在不同的开度上，再分别增加例如在不同的开度上，再分别增加10%开度，开度，相对流量的变化比值为相对流量的变化比值为10时：时：（20-10）/10100%=100%50时：时：（60-50）/50100%=20%80时：时：（90-80）/80100%=12.5%Q/Q100L/Lmaxs=1 v直线阀的流量放大系数在任何一点上都是相同直线阀的流量放大系数在任何一点上都是相同的，但其对流量的控制力却是不同的。的，但其对流量的控制力却是不同的。 （2） 等百分比（对数）流量特性等百分比（对数）流量特性单位相对行程变化所引起的相对流量变

28、化与单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系：此点的相对流量成正比关系：v曲线斜率（放大系数）曲线斜率（放大系数）随行程的增大而增大。流量随行程的增大而增大。流量小时，流量变化小；流量大小时，流量变化小；流量大时，流量变化大。时，流量变化大。VKqqKlldqqdmax1maxmax1max1maxlnCllKqq1maxmaxllRqqv等百分比阀在各流量点的放大系数不同，但对等百分比阀在各流量点的放大系数不同，但对流量的控制力却是相同的。流量的控制力却是相同的。10%处：处：（6.58%-4.68%）/4.68%41%50%处：处：（25.7%-18.2%）/18.2

29、%41%80%处：处：（71.2%-50.6%）/50.6%41% 同样以同样以10、50及及80三点为例，分别增加三点为例，分别增加10%开度，相对流量变化的比值为：开度，相对流量变化的比值为：Q/Q100L/Lmaxs=1（3）快开特性快开特性开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流量很快就达到最大，故称为快开特性。适用于迅速量很快就达到最大，故称为快开特性。适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。启闭的切断阀或双位控制系统。1max2maxmaxqqKlldqqd2/1max2max1) 1(1llRRqq积分2、调节阀的工作流量特性调节阀的工作流量

30、特性实际使用时，调节阀装在具有阻力的管道系统实际使用时，调节阀装在具有阻力的管道系统中。管道对流体的阻力随流量而变化，阀前后压差中。管道对流体的阻力随流量而变化，阀前后压差也是变化的，这时流量特性会发生畸变。也是变化的，这时流量特性会发生畸变。1) 管道串联时的工作流量特性管道串联时的工作流量特性如图，管道如图，管道系统总压力系统总压力P等于管路系统的压降等于管路系统的压降PG与控制阀的压降与控制阀的压降PT之和。之和。结论结论q串联管道使调节阀的流量特性发生畸变。串联管道使调节阀的流量特性发生畸变。q串联管道使调节阀的流量可调范围降低，最串联管道使调节阀的流量可调范围降低，最大流量减小。大流

31、量减小。q串联管道会使调节阀的放大系数减小，调节串联管道会使调节阀的放大系数减小，调节能力降低，能力降低，s值低于值低于0.3时，调节阀能力基本丧失。时，调节阀能力基本丧失。2) 与管道并联工作时的流量特性与管道并联工作时的流量特性 图中图中S=1时，旁路阀关闭，工时，旁路阀关闭，工作流量特性即为理想流量特性。作流量特性即为理想流量特性。随着旁路阀逐渐打开，值逐渐随着旁路阀逐渐打开，值逐渐减小，调节阀的可调范围也将减小，调节阀的可调范围也将大大降低，从而使调节阀的控大大降低，从而使调节阀的控制能力大大下降，影响控制效制能力大大下降，影响控制效果。根据实际经验，值不能低果。根据实际经验，值不能低

32、于于0.8。 图图3 337 37 并联管道时调节阀工作流量特性并联管道时调节阀工作流量特性a)直线阀直线阀 b)对数阀对数阀（3）流量特性的选择）流量特性的选择 调节阀流量特性的选择有理论分析法和经验法。前者还在研究中，调节阀流量特性的选择有理论分析法和经验法。前者还在研究中，目前较多采用经验法。一般可从以下几方面考虑。目前较多采用经验法。一般可从以下几方面考虑。 1）依据过程特性选择。）依据过程特性选择。 一个过程控制系统，在负荷变动的情况下，要使系统保一个过程控制系统，在负荷变动的情况下，要使系统保持期望的控制品质，则必须要求持期望的控制品质，则必须要求系统总的放大系数在整个系统总的放大

33、系数在整个操作范围内保持不变。操作范围内保持不变。一般变送器、已整定好的调节器、一般变送器、已整定好的调节器、执行机构等放大系数基本上是不变的，但过程特性则往往执行机构等放大系数基本上是不变的，但过程特性则往往是非线性的，其放大系数随负荷而变。因此，必须通过合是非线性的，其放大系数随负荷而变。因此，必须通过合理选择调节阀的工作特性，以补偿过程的非线性，其选择理选择调节阀的工作特性，以补偿过程的非线性，其选择原则为原则为 0vK K 常数调节阀的放大系数 被控过程的放大系数 2）依据配管情况选择。）依据配管情况选择。 在根据过程特性进行选择之后，再按照配管情况进在根据过程特性进行选择之后，再按照

34、配管情况进行进一步的选择，其选择原则可参照表行进一步的选择，其选择原则可参照表3-4进行。进行。 配管状况配管状况S=1-0.6S=0.6-0.3工作特性工作特性直线直线等百分比等百分比直线直线等百分比等百分比理想特性理想特性直线直线等百分比等百分比等百分比等百分比等百分比等百分比3）依据负荷变化情况选择。）依据负荷变化情况选择。 在负荷变化较大的场合，宜选用对数调节阀，因为在负荷变化较大的场合，宜选用对数调节阀，因为对数调节阀的放大系数可随阀芯位移的变化而变化，对数调节阀的放大系数可随阀芯位移的变化而变化，但它的相对流量变化率则是不变的，所以能适应负荷但它的相对流量变化率则是不变的，所以能适

35、应负荷变化大的情况；此外，当调节阀经常工作在小开度时，变化大的情况；此外，当调节阀经常工作在小开度时，则宜选用对数调节阀。因为直线调节阀工作在小开度则宜选用对数调节阀。因为直线调节阀工作在小开度时，其相对流量的变化率很大，不宜进行微调。时，其相对流量的变化率很大，不宜进行微调。 将将420mA的电的电流信号流信号转换成转换成20100KPa的标准气压的标准气压信号。信号。1 1 电电/ /气转换器气转换器 为了使气动调节阀能够接收电动调节器的输出为了使气动调节阀能够接收电动调节器的输出信号，必须把标准电流信号转换为标准气压信号。信号，必须把标准电流信号转换为标准气压信号。 电电/气转换器作用：

36、气转换器作用：3.4.3 电电/气转换器与阀门定位器气转换器与阀门定位器 I 吸力吸力Fi 杠杆偏转杠杆偏转 挡板与喷嘴间隙挡板与喷嘴间隙 背压背压 放大器输入放大器输入 输出压力输出压力P 杠杆杠杆的反馈力的反馈力Ff 杠杆平衡杠杆平衡 PI力平衡式电力平衡式电/气转换器的原理图气转换器的原理图负反馈负反馈磁铁磁铁调零调零FiFf背压背压1. 智能电动执行器的特点智能电动执行器的特点 与常规电动执行器相比,智能电动执行器有如下特点： 1）具有智能化和高精度的控制功能。可直接接收变送器信号，按设定值自动进行PID调节，控制流量、压力和温度等过程变量。通过组态可按折线形成多种形状的非线性流量特性

37、，实现对过程非线性特性的补偿，以提高系统的控制精度，同时也摆脱了长期以来依靠改变阀芯形状来改变流量特性的落后状况；2) 一体化的结构设计思想。将位置控制器、PID控制器、伺服放大器、电-气转换器、阀位变送器等装在一台现场仪表中，减少了信号传输中的泄漏和干扰等因素对系统控制精度的影响；还采用电制动和断续调节技术代替机械摩擦制动技术，以提高整机的可靠性； 3) 具有智能化的通信功能。与上位机或控制系统之间可通过现场总线按规定的通信协议进行双向数字通信，并构成所需要的控制系统，这是智能执行器与常规电动执行器的重要区别之一。 3.4.4智能式电动执行器智能式电动执行器 4) 具有智能化的自诊断与保护功

38、能。当电源、气动部件、具有智能化的自诊断与保护功能。当电源、气动部件、机械部件、控制信号、通信或其它方面出现故障时，均能机械部件、控制信号、通信或其它方面出现故障时，均能迅速识别并能有效采取保护措施，确保控制系统及生产过迅速识别并能有效采取保护措施，确保控制系统及生产过程的安全。程的安全。 5）具有灵活的组态功能，）具有灵活的组态功能，“一机多用一机多用”，提高了经济效，提高了经济效益。例如，对于输入信号，可通过软件组态来选择合适的益。例如，对于输入信号，可通过软件组态来选择合适的信号源；对于执行器的运行速度和行程，也可通过组态软信号源；对于执行器的运行速度和行程，也可通过组态软件进行任意设置

39、，所有这些都无需更换硬件。这样一来，件进行任意设置，所有这些都无需更换硬件。这样一来，只要用少量类型的智能执行器就能够满足各种工业过程的只要用少量类型的智能执行器就能够满足各种工业过程的不同需求，从而大大提高了制造商和用户的经济效益。不同需求，从而大大提高了制造商和用户的经济效益。3.5 3.5 安全栅安全栅安全栅（又称防爆栅）是防止危险电能从控制安全栅（又称防爆栅）是防止危险电能从控制系统信号线进入现场仪表的安全保护器。系统信号线进入现场仪表的安全保护器。 1 安全防爆的基本概念安全防爆的基本概念在大气条件下，气体蒸汽、簿雾、粉尘或纤维在大气条件下，气体蒸汽、簿雾、粉尘或纤维状的易燃物质与空

40、气混合，点燃后燃烧将在整个范状的易燃物质与空气混合，点燃后燃烧将在整个范围内传播的混和物，称为围内传播的混和物，称为爆炸性混合物爆炸性混合物。含有爆炸性混合物的环境，称为含有爆炸性混合物的环境，称为爆炸性环境爆炸性环境。 按爆炸性混合物出现的频度、持续时间和危险按爆炸性混合物出现的频度、持续时间和危险程度，又可将危险场所划分成不同级别的危险区。程度，又可将危险场所划分成不同级别的危险区。 对于对于类电气设备，电路电压限制在类电气设备，电路电压限制在30VDC时，各时，各种爆炸性混合物按最小引爆电流分为三级。种爆炸性混合物按最小引爆电流分为三级。爆炸性混合物的最小引爆电流爆炸性混合物的最小引爆电

41、流级级 别别最小引爆电流（最小引爆电流（mA）爆炸性混合物种类爆炸性混合物种类 i120120甲烷、乙烷、汽油、甲醇、乙醇、丙酮、氨、一氧化碳甲烷、乙烷、汽油、甲醇、乙醇、丙酮、氨、一氧化碳 7070i120120乙烯、乙醚、丙烯晴等乙烯、乙醚、丙烯晴等 i7070氢、乙炔、二硫化碳、市用煤气、水煤气、焦炉煤气等氢、乙炔、二硫化碳、市用煤气、水煤气、焦炉煤气等不同的危险等级对电气设备的防爆要求不同，不同的危险等级对电气设备的防爆要求不同，煤矿井下用电气设备属煤矿井下用电气设备属类设备；有爆炸性气体的类设备；有爆炸性气体的工厂用电气设备属工厂用电气设备属类设备；有爆炸性粉尘的工厂类设备；有爆炸性

42、粉尘的工厂用电气设备属用电气设备属类设备。类设备。 2 安全火花防爆系统安全火花防爆系统 电动仪表存在电路打火的可能。如果从电路设计电动仪表存在电路打火的可能。如果从电路设计就开始考虑防爆，把电路在短路、开路及误操作等各就开始考虑防爆，把电路在短路、开路及误操作等各种状态下可能发生的火花都限制在爆炸性气体的点火种状态下可能发生的火花都限制在爆炸性气体的点火能量之下，则此仪表称为能量之下，则此仪表称为安全火花防爆仪表安全火花防爆仪表。 安全火花防爆仪表只能保证本仪表内部不发生危安全火花防爆仪表只能保证本仪表内部不发生危险火花，对其它仪表通过信号线传入的能量是否安全险火花，对其它仪表通过信号线传入

43、的能量是否安全则无法保证。如果在与其它仪表的电路连线之间设置则无法保证。如果在与其它仪表的电路连线之间设置安全栅，防止危险能量进入，则完全做到了安全火花安全栅，防止危险能量进入，则完全做到了安全火花防爆。防爆。构成安全火花防爆系统的二要素：构成安全火花防爆系统的二要素： 在危险现场使用的仪表必须是安全火花防在危险现场使用的仪表必须是安全火花防爆仪表（本安仪表）。爆仪表（本安仪表）。 现场仪表与危险场所之间的电路连接必须现场仪表与危险场所之间的电路连接必须经过安全栅（防爆栅）。经过安全栅（防爆栅）。安全仪表系统安全仪表系统一、一、 安全仪表系统的基本概念安全仪表系统的基本概念 安全仪表系统安全仪

44、表系统 (Safety Interlocking System(Safety Interlocking System，SISSIS），），也称紧急停车系统也称紧急停车系统 (Emergency Shut Down System(Emergency Shut Down System，ESD)ESD)，或仪表保护系统（或仪表保护系统（IPSIPS）是对石油化工等生产装置可能发生）是对石油化工等生产装置可能发生的危险或不采取措施将继续恶化的状态进行自动响应和干的危险或不采取措施将继续恶化的状态进行自动响应和干预，从而保障生产安全，避免造成重大人身伤害及重大财预，从而保障生产安全，避免造成重大人身伤害

45、及重大财产损失的控制系统。产损失的控制系统。 1 1安全等级及标准安全等级及标准安全仪表系统主要的通用安全标准安全仪表系统主要的通用安全标准 1)DIN V 19250 1)DIN V 19250 标准是德国的标准，在这个标准中建标准是德国的标准，在这个标准中建立了一个概念：安全系统的设计等级必须符合生产过程现立了一个概念：安全系统的设计等级必须符合生产过程现场的危险性等级场的危险性等级AK1AK1AK8AK8（1 18 8级）。级）。 2)IEC 61508 2)IEC 61508 是国际电工委员会制定的国际标准。本标准是国际电工委员会制定的国际标准。本标准根据发生故障的可能性来分为根据发生

46、故障的可能性来分为4 4个个SILSIL等级。等级。 3)ANSI/ISA S84.01-1996 3)ANSI/ISA S84.01-1996 是美国对于工业过程的安全系是美国对于工业过程的安全系统所制定的标准。它沿用了统所制定的标准。它沿用了IEC61508 IEC61508 标准并保留了标准并保留了DIN V DIN V 1925019250标准，标准，ANSI/SIA S84.01-1996ANSI/SIA S84.01-1996标准不包括标准不包括SIL 4SIL 4这一这一最高级别。最高级别。 2 2安全系统的常用指标安全系统的常用指标1 1）平均故障间隔时间）平均故障间隔时间平均

47、故障间隔时间（平均故障间隔时间（Mean Time Between FailureMean Time Between Failure，MTBFMTBF）是指各次故障间隔时间是指各次故障间隔时间titi的平均值，即各段连续工作时的平均值，即各段连续工作时间的平均值。间的平均值。 nthMTBFnii1)(MTBFMTBF是一个经过多次采样检测，长期统计后求出的平均是一个经过多次采样检测，长期统计后求出的平均数值。数值。2)2)平均故障修复时间平均故障修复时间 平均故障修复时间（平均故障修复时间（Mean Time To RepairMean Time To Repair，MTTRMTTR）是）是

48、指设备或系统经过维修，恢复功能并投入正常运行所需要指设备或系统经过维修，恢复功能并投入正常运行所需要的平均时间的平均时间 nthMTTRnii1)( MTTR MTTR也是一个统计值，它远小于也是一个统计值，它远小于MTBFMTBF。MTBFMTBF越大，越大，MTTRMTTR越小的系统可靠性越高。越小的系统可靠性越高。 平均失效时间（平均失效时间（MTTFMTTF）是指大宗相同部件（或系统）中）是指大宗相同部件（或系统）中该部件（或系统）期望发生故障的时间。该部件（或系统）期望发生故障的时间。 3)3)平均失效时间平均失效时间4)4)可用性可用性 可用性（可用性（A A）是一个概率，指系统在

49、任何情况下都可）是一个概率，指系统在任何情况下都可使用的工作期，用百分数计算。使用的工作期，用百分数计算。 5)5)可靠性可靠性 可靠性（可靠性（R R）是一个概率，指系统在规定时间间隔）是一个概率，指系统在规定时间间隔（t t）内发生故障的概率。）内发生故障的概率。 tMTTFtR)1(exp)(6)6)容错容错 容错容错(Fault Tolerance)(Fault Tolerance)是指对失效的控制系统元件进是指对失效的控制系统元件进行认识和补偿，并允许在继续完成分配的任务、不中断过行认识和补偿，并允许在继续完成分配的任务、不中断过程的情况下进行修复的能力。容错是通过冗余和故障屏蔽程的

50、情况下进行修复的能力。容错是通过冗余和故障屏蔽的结合来实现。的结合来实现。 7)7)表决表决 表决（表决（VotingVoting）是指系统中用多数原则将每个支路的）是指系统中用多数原则将每个支路的数据进行比较和修正的一种机理。如数据进行比较和修正的一种机理。如1 OO 21 OO 2（1 OUT OF 21 OUT OF 2）表示表示2 2取取1 1表决，表决，2 OO 22 OO 2（2 OUT OF 22 OUT OF 2）表示）表示2 2取取2 2表决，表决，2 2 OO 3OO 3（2 OUT OF 32 OUT OF 3）表示）表示3 3取取2 2表决等。表决等。 8)8)故障安全

51、故障安全 故障安全是指故障安全是指ESDESD系统发生故障时，被控过程能做到安系统发生故障时，被控过程能做到安全停车。正常工况时处于励磁状态，故障工况时处于非全停车。正常工况时处于励磁状态，故障工况时处于非励磁状态。励磁状态。9)9)安全完整性级别安全完整性级别 安全完整性级别（安全完整性级别（Safety Integrity LevelSafety Integrity Level，SILSIL）是指定性分析是指定性分析ESDESD系统故障对生产装置和周围的人员的系统故障对生产装置和周围的人员的伤害程度。伤害程度。 二、安全仪表系统的基本组成及设计要求二、安全仪表系统的基本组成及设计要求 装置在运行过程中，安全仪表系统时刻监视工艺过程装置在运行过程中，安全仪表