仪表与自动化电子教案项目开篇

1、仪表与自动化刘书凯 陆建国主编化学工业出版社 仪表与自动化 仪表与自动化 课程介绍 整体设计 课程特色 电子教案 仪表与自动化一课程介绍工艺类专业自动化类专业 课程介绍直接服务面基本服务面 仪表与自动化石油化工、冶金、电力、制药、轻工等一般工业生产企业将原来过程控制仪表 和工艺过程自动化 课程进行了综合设计，教学过程全部集中在实训室中完成，真正体现“基于工作过程导向”的教学做一体化课程 。 服务 仪表与自动化二整体设计通过本课程的学习和训练，使学生根据工艺要求会选用、安装、调试、调校仪表，能集成、调试、运行典型“简单”和“复杂”控制系统。课程目标（1）能够根据工艺与控制要求合理选择常用的温度、

2、压力、流量和物位检测仪表。（2）明确工艺要求，能够读懂、并能规范地绘制常用带控制点的工艺流程图。（3）能根据工艺和控制要求，合理选择控制规律。（4）能根据工艺要求，正确选择执行器并能设计出简单控制系统。（5）能根据被控变量和系统特点，并能设置合理的PID相关参数。 （6）会调试串级控制系统。（7）会进行DCS控制系统硬件选型、基本组态和投运。1.能力目标（1）掌握常用工业过程控制系统的组成、原理与特点，理解被控变量、操纵变量对系统性能的影响，掌握被控变量与操纵变量的合理确定方法。 （2）掌握常用过程检测仪表的结构与测量原理与使用特点；理解各种PID控制规律对系统的作用，掌握其使用方法。 （3）

3、掌握DCS系统的基本概念和组成 以及组态和画面调显方法。2.知识目标（1）认识过程控制技术学习的基本方法，培养一定的逻辑思维能力，善于从不同的角度发现问题，积极探索解决问题的方法。 （2）养成独立思考的学习习惯，能对所学内容进行较为全面的分析和比较，总结和概括，学会举一反三，灵活应用，培养过程控制技术的综合应用能力。（3）善于借鉴他人经验，发挥团队协作精神，培养学生的团队意识、组织协调能力、创新思维能力。（4）养成“安全生产”的良好习惯。 3.素质拓展目标课程内容设计： 本课程共分六个项目进行训练，每个项目均有详细考核标准进行过程考核，项目制作共计60分；平时考勤及纪律为10分；理论考试为30

4、分；总分计为100分。考核方案设置教学过程全部集中在实训室中完成，真正体现“基于工作过程导向”的教学做一体化课程，教学方法是“做中学、学中做”工学结合的课程模式。 课程其他说明 仪表与自动化总评 理论项目训练平时考核 仪表与自动化三课程特色1.课程模式：“做中学、学中做”工学结合。2.教学过程：以学生为主体，以项目为载体，任务引领，教师指导，由浅入深，由易到难，训练学生过程控制技术的应用能力。课程特色 仪表与自动化四电子教案 仪表与自动化项目开篇 在工业生产，特别是石油化工、电力轻纺行业的生产过程中，为保证产品质量，保证生产正常、安全、高效、低耗地进行，就必须将能影响产品质量和生产过程的压力（

5、P）、物位（L）、流量（F）、温度（T）及物质成分（A）等几大热工变量控制在规定的范围内。而工业生产过程的容器和设备常常是密闭的；生产条件也更多是高温、深冷、高压或真空等超常状态；且多数工艺介质还具有易燃、易爆、有毒、有腐蚀性等性质。所以，在多数情况下，化工生产过程的控制是人力难以为之的，从而呼唤对工业过程的自动控制，也必需要实现自动化。项目开篇在生产设备上配备一些自动控制装置，代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上自动地进行，即用自动控制装置来管理生产过程的办法，称为生产过程的自动控制，简称过程自动化。自动化系统由“生产过程对象”、 “自动化装置”两大部分（四大单元）组成，其中：生产

6、过程对象为独立单元，自动化装置包括测量变送、控制、执行三个单元。如图0-1所示： 一、生产过程自动化（一）生产过程对象：需要控制的工艺设备（塔、器、槽等）、机器或生产过程。（二）自动化装置：包括仪表和新型智能器件。1测量变送单元：是测量变送仪表，工程上用T表示；2控制单元：各种控制仪表及各类计算机，工程上用C表示；3执行器：各种电动、气动执行仪表，工程上用Z表示。所有单元之间通过国际统一标准信号420 mA DC电流（或20100kPa气压）连接。 例如：水槽液位控制系统（如图0-2所示），其控制的目的使水槽液位维持在其设定值上（满刻度的50%）的位置上。 图0-2 水槽液位控制系统示意图人工

7、控制（图0-2（a）：进水量增加时，导致水位增加，人眼睛观察玻璃液面计中的水位变化，并通过神经系统传给大脑，经与大脑中的设定值（50%）比较后，确定水位偏高（或偏低），故发出信息，让手开大（或关小）阀门，调节出水量，使液位变化。这样反复进行，直到液位重新稳定到设定值上，从而实现了液位的人工控制。自动控制（图0-2（b）：现场的液位变送器LT检测出水槽液位，转换成统一的标准信号传送给控制室内的控制器LC，与控制器LC中预先输入的设定信号进行比较后形成偏差，继而将偏差信号按预先确定的某种控制规律（比例、积分、微分的某种组合）进行运算后，产生输出信号给控制阀，使控制阀改变开启度，控制出水量。这样反复

8、进行，直到水槽液位恢复到设定值为止，从而实现水槽液位的自动控制，实现了生产过程自动化。二、过程控制系统的分类过程控制系统一般分为：生产过程自动检测系统、自动控制系统、自动报警联锁系统和自动操纵系统等四大类。（一）过程自动检测系统利用各种检测仪表自动连续地对相应的工艺变量进行检测，并能自动指示或记录的系统，称为过程自动检测系统。自动检测系统由两部分组成：检测对象和检测装置。如图0-3所示：二、过程控制系统的分类若检测装置仅由检测部分、转换放大和就地显示环节构成，则为就地显示检测仪表。如：单圈弹簧管压力表、玻璃温度计等。若检测装置由检测部分、转换放大和数据处理环节与远传显示仪表（或计算机系统）组成

9、，则将检测、转换、数据处理环节称为“传感器”（如：霍尔传感器、热电偶、热电阻等），它将被测变量转换成规定信号送给远传显示仪表（或计算机系统）进行显示处理。传感器输出信号为国际统一标准信号420 mA DC电流(或20 100kPa气压)时，称其为变送器(如:压力变送器、温度变送器等)。二、过程控制系统的分类（二）过程自动控制系统用自动控制装置对生产过程中的某些重要变量进行自动控制，使工业过程的工艺变量在受到外界干扰影响偏离正常状态后，又自动回复到规定的数值范围的系统。过程的自动控制系统可分为：定值控制系统、程序控制系统、随动控制系统三种，生产过程中“定值控制系统”使用最多，故常以定值控制系统为

10、例来讨论过程自动控制系统，其系统组成框图如图0-4所示： 二、过程控制系统的分类 由图0-4可知：定值控制系统是将生产过程对象中能影响产品质量和生产过程的压力（P）、物位（L）、流量（F）、温度（T）及物质成分（A）等几大工艺变量（控制工程上通称为被控变量Y）经检测元件和变送器，转化为被控变量Y的测量信号（简称测量值）Z，通过比较机构将被控变量Y的工艺规定指标（简称设定值）X比较并产生偏差值信号e；由控制器根据偏差e的正负、大小及变化情况，按预定的控制规律实施控制作用，目的是将生产过程的工艺变量（即被控变量Y）始终稳定在其工艺给定指标X上。 二、过程控制系统的分类生产过程稳定后，由于在运行过程

11、中，常由于随机因素（称其为扰动，用f表示），影响被控变量Y变化而偏离工艺给定指标（设定值X ）。工业上通过检测元件和变送器控制器执行器形成“闭环负反馈系统”，作用于“对象”的操纵变量q，使被控变量Y重新回到其设定值X上。为便于联系，单元之间通过国际统一标准信号420 mA DC电流（或20100kPa气压）连接。1操纵变量q 控制器操纵执行器之信号，能使被控变量恢复到设定值的物理量或能量。如上例中的出水量。2扰动f 除操纵变量外，作用于生产过程对象，引起被控变量变化的随机因素。如进料量的波动。 二、过程控制系统的分类（三）过程自动报警与联锁保护系统为确保生产安全，常对一些关键的生产变量设有自动

12、信号报警与联锁保护系统。当变量接近临界数值时，系统会发出声、光报警，提醒操作人员注意。如果变量进一步接近临界值、工况接近危险状态时，联锁系统立即采取紧急措施，自动打开安全阀或切断某些通路，必要时，紧急停车，以防止事故的发生和扩大。 二、过程控制系统的分类（四）过程的自动操纵系统按预先规定的程序步骤，自动地对生产设备进行周期性操作的系统。过程控制的应用水平是衡量一个企业先进程度的重要标准，也是衡量一个国家发达程度的主要标志。三、过程仪表的分类过程仪表是实现过程控制的工具，种类繁多，从不同的角度可以有不同的分类方法。（一）按功能不同 可分为检测仪表、显示仪表、控制仪表和执行器。1检测仪表 ： 包括

13、各种变量的检测元件、传感器和变送器；2显示仪表 ： 有模拟量和数字量及屏幕显示形式；3控制仪表 ： 包括气动、电动控制仪表和计算机控制装置；4执行器 ：有气动、电动、液动等类型。这些仪表之间的关系如图0-5所示。图0-5 过程控制仪表的关系图 三、过程仪表的分类（二）按使用的能源不同 可分为气动仪表和电动仪表。1气动仪表 ：以压缩空气为能源，性能稳定、可靠性高、防爆性能好且结构简单。特别适合于石油、化工等有爆炸危险的场所。2电动仪表： 以电为能源，信息传递快，传送距离远，是实现远距离集中显示和控制的理想仪表。 三、过程仪表的分类（三）按结构形式分 可分为基地式仪表、单元组合仪表、组件组装式仪表

14、等。1基地式仪表 ：这类仪表集检测、显示、记录和控制等功能于一体。功能集中，价格低廉，适合于单变量的就地控制系统。2单元组合仪表 ： 所谓单元组合仪表是根据检测系统和控制系统中各组成环节的不同功能和使用要求，将整套仪表划分成能独立实现一定功能的若干单元（有变送、控制、显示、执行、设定、计算、辅助、转换等八大单元），各单元之间采用统一信号进行联系（气动仪表标准信号为2040kPa，电动仪表标准信号为420mADC）。使用时可根据控制系统的需要，对各单元进行选择和组合，从而构成多种多样的、复杂程度各异的检测系统和控制系统。单元组合仪表也称作积木式仪表。3组件组装式仪表 ： 是一种功能分离、结构组件

15、化的成套仪表（或装置）。三、过程仪表的分类（四）按信号形式分 可分为模拟仪表和数字仪表。1模拟仪表 ：模拟仪表的外部传输信号和内部处理的信号均为连续变化的模拟量（如420mA电流，15V电压等）。前文中提及的单元组合仪表均属模拟仪表。2数字仪表： 数字仪表的外部传输信号有模拟信号和数字信号两种，但内部处理信号都是数字量（0，1），如可编程调节器等。四、仪表及过程自动化的发展 伴随着过程控制系统的发展，实现过程控制的工具也同样在不断地更新换代。 过程控制仪表逐步趋于成熟，工业自动化水平不断提高。70年代中期的DDZ-型仪表，以集成运算放大器为主要放大元件，以24V DC为能源，采用420mA.D

16、C为统一标准信号制的组合型仪表。它在体积基本不变的情形下，大大增加了仪表的功能，其工作在现场的仪表均为安全火花型防爆仪表，配上安全栅后，构成安全火花防爆系统，相当安全，在化工、炼油等行业得到了广泛的应用，并曾一度占主导地位，一些中小企业及大企业的部分装置至今仍在使用。进入80年代后，由于微处理器的发展，出现了DDZ-S型智能式单元组合仪表，它以微处理器为核心，能源、信号都同于DDZ-型，其可靠性、准确性、功能都远远优于DDZ-型仪表。四、仪表及过程自动化的发展 80年代开始，世界进入了知识爆炸时期，由于各种高新技术的飞速发展，以微型计算机为核心，控制功能分散、显示操作集中，集控制、管理于一体的

17、分散型控制系统（DCS），从而将过程控制仪表及装置推向高级阶段。与此同时，可编程序控制器（PLC）也从逻辑控制领域向过程控制领域伸出触角，以其优良的技术性能和良好的性能/价格比在过程控制领域中占据了一席之地。 四、仪表及过程自动化的发展 如今，现场总线（Field Bus）这种用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种开放式、全分散、全数字化、智能、双向、多变量、多点、多站的通信系统，除使现场设备能除完成过程的基本控制功能外，还增加了非控制信息监视的可能性，日益受到控制人员的欢迎。 四、仪表及过程自动化的发展 换热器是化工、石油、轻工、动力等许多工业部门使用的一种通用设备。在整个生产过程中占有相当重要的地位。据资料统计，在一般石油化工企业中，各种换热设备约占全厂设备总数的40%左右。由于化工生产中对换热器有不同的要求，换热设备有各种形式。按冷、热流体间热量交换的方式，可将换热器分成间壁式、直接混合式和蓄热式三种