仪表自动化理论课件

1、仪表自动化理论目 录一、概述二、仪表分类、结构、原理 和常见仪表故障、分析、判断、处理三、仪表工位号、字母含义 四、仪表控制系统-单回控制五、复杂控制系统-串级控制六、DCS-集散控制系统返回目录第一章 概 述自动化仪表作为一类专门的仪表，最早出现于本世纪40年代初，当时由于石油、化工、电力等工业对自动化的需要，出现了将测量、记录、调节仪表。自动化仪表根据能源的种类，还可以分为电动、气动等仪表。其中气动仪表的出现比电动仪表早，而且价格便宜，结构简单，特别对石油化工等易燃易爆的生产现场，具有本质性的安全防爆性能，因而在相当长的一段时间里，一直处于优势地位。但从60年代起，由于电动仪表的晶体管化和

2、集成电路化，控制功能日益完备，在使用低电压、小电流时，可在电路上及结构上采取严密措施，限制进入易燃易爆场所的能量，从而保证在生产现场不会发生足以引起燃烧或爆炸的“危险火花”。这样，限制电动仪表使用的一个主要障碍被扫除，电信号比气压信号在传送和处理上的优越性就能得到充分的发挥。大家知道，气压信号传递速度慢，传输距离短，管线安装不便。相比之下，电信号传输、放大、变换、测量都比气压信号方便得多，特别是电动仪表容易和电子巡回检测装置和工业控制计算机配合使用，实现生产过程的全盘自动化。因此，近年来电动仪表取得了显著的优势。目前我国电动仪表中并存着两种标准信号制度，在DDZ-和DDZ-型仪表中采用010毫

3、安直流电流作为标准信号，而在DDZ-型仪表中，采用目前国际上统一的420毫安直流电流作为标准信号。从安全防爆、减少损耗、节省能量考虑，信号电流的满度值都希望选小一些。但太小也有困难，起点电流太小将会给两线制仪表带来困难，因为它将要求降低整个仪表在零信号时消耗的总电流。而在目前的元器件水平下，起点电流比4mA再小有时将发生困难。因此，目前国际上采用420mA作为标准信号。有利于识别仪表断电、断线等故障，且为现场变送器实现两线制提供了可能。返回目录第二章仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理1、检测与过程控制仪表（通常称自动化仪表）分类方法很多很多：根据能源分：气动、电动、液动、

4、核能等根据组合：基地式、单元组合式、综合控制根据安装：现场、盘装、架装根据是否可引入计算机：智能、非智能根据仪表信号形式：模拟仪表、数字仪表最通用的分类是按仪表在测量与控制系统中的作用进行划分：检测仪表、显示仪表、调节仪表、执行器 见表返回目录按功能按被测变量按工作原理或结构形式按能源其它检测仪表压力液柱式、弹性式、电气式电、气温度电偶、电阻、辐射、流量节流、转子、靶式、涡电、气物位浮力、静压、声波、光学、辐射电、气成分PH值、色谱、氧分析、红外电、核显示模拟和数字电、气指示和记录调节仪表自力式电、气组装式可编程式电执行器执行机构薄膜工、活塞、长行程、其它电、气、液阀直通、套筒、蝶阀、偏心旋转

5、、三通直线、对数、抛物线、快开表1仪表分类表 返回目录第二章仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理返回目录 1、原理 热电偶温度计是基于热电效应这一原理测量温度的； 它的测温范围很广，可测量-200160O范围内在在特殊情况下，可测至2800 的高温。第二节热电偶 将两种不同的导体或半导体连接成如图所示的闭合回路，如果两个接点的温度不同（TT0),则在回路内会产生热电动势，这种现象称为赛贝克热电效应。图中闭合回路称之为热电偶。导体A和B称之为热电偶的热电丝或热偶丝。热电偶两个接点中，置于温度为t的被测对象中的接点称为测量端，又称工作端，温度为参考温度t0的另一端称之为参考端，

6、又称自由端或冷端。2、特点 测量精度高，测量范围广，构造简单，使用方便，不受大小和形状的限制，外有保护套管，用起来方便。第二章仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理返回目录3、热电偶的类形8种标准化热电偶： S ：铂铑10-铂 201300 B ：铂铑90-铂铑6 3001600 K ：镍铬-镍硅 -501000 J ：铁-康铜 -40750 R ：铂铑13-铂 -01600 E ：镍铬-康铜 -40 1000 T ：铜-康铜 -40 350 4、各种热电偶的分度表均是在参考端即温度t0为0 的条件下得到的热电势与温度之间的关系，因此，热电偶测温时，冷端温度必须为0 ，否则将

7、产生测量误差。而在工业上使用时，要使冷端温度保持在0 是比较困难的，所以，必须根据不同的使用条件和要求的测量精度，对热电偶冷端温度采用一些不同的处理办法，常用的方法有如下几种： 补偿导线延伸法 冰点法 计算修正法 仪表零点校正法 补偿电桥法第二章仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理第二章仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理7、常见故障原因及处理返回目录故障现象可能原因处理方法温度示值偏低或不稳电极短路找出短路原因，如潮湿或绝缘损坏接线柱处积灰清扫补偿导线与热偶极性接反纠正接线补偿导线与热偶极不配套更换相配套的补偿导线冷端补偿不符要求调整冷端补偿达到要求热

8、偶安装位置不当按规定重新安装温度示值偏高补偿导线与热偶极不配套更换相配套的补偿导线有直流干扰信号进入排除直流干扰显示不稳定接线柱处接触不良将接线柱拧紧测量线路绝缘破损，引起断续短路或接地找出故障点，修复绝缘热偶安装不牢或有震动紧固电偶，消除震动热电偶电极将断未断更换热偶外界干扰查出干扰源，采取屏蔽措施显示误差大热电偶电极变质更换热偶热电偶安装位置不当改变安装位置保护管表面积灰清除积灰显示无穷大接线断路找到断点，重新接好热电极断开或损坏更换热电偶返回目录第二节 热电阻1、测温原理： 热电阻温度计是基于金属导体或半导体电阻值与温度成一定函数关系的原理实现温度测量的。2、热电阻材料 目前，使用的金属

9、热电阻材料有铜、铂、镍、铁等，其中因铁、镍提纯比较困难，其电阻与温度的关系线性较差，纯铂丝的各种性能最好，纯铜丝在低温下性能也好，所以实际应用最广的是铜、铂两种材料，并已列入了标准化生产。铂电阻（PT100） -200850铜电阻（Cu50、Cu100） -50150镍电阻（Ni100） -60180 热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂电阻的测量精度是最高的，可作为基准仪器。第二章仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理返回目录第二章仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理3、常见故障原因及处理故障现象可能原因处理

10、方法温度示值偏低或不稳保护管内有金属屑、积灰，接线柱处脏污或短路除去金属屑，清扫灰尘、水滴等，找到短路点，加强绝缘温度示值无穷大热电阻或引线断路更换热电阻，找到断点重新接好温度显示负值热电阻接线有错或有短路现象改正接线，找出短路处，加强绝缘温度显示误差大热电阻丝材料受腐蚀变质更换热电阻返回目录第三节 压力测量1、基本概念 在物理概念中，压力是垂直作用在单位面积上的力。是工业生产中的重要参数之一，在压力测量中，常有绝对压力、表压力、负压力和真空度之分。所谓绝对压力是指被测介质作用在容器单位面积上的全部压力，用符号Pj表示。地面上的空气柱所产生的平均压力称为大气压力，用Pq来表示。绝对压力与大气压

11、力之差，称为表压力，有Pb来表示。即Pb=Pj-Pq。当绝对压力值小于大气压力值时，表压力为负值（即负压力），此负压力值的绝对值，称为真空度，用Pz来表示。 P表P真P绝P绝绝对压力的零线大气压力线绝对压力、表压、（真空度）的关系第二章仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理返回目录 电气式压力计 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）。结构分类：各种压力传感器和压力变送器。 例：电容式压力变送器 它是由检测和变送两个环节组成。检测环节感受被测压力的变化转换成电容量的变化 。变送环节则将电容变化量转换成标准电流信号420mA DC输出。测压点的选择 被测

12、介质直管段测量流动介质：取压点与流动方向垂直。测液体压力：取压点在管道下部测气体压力：取压点在管道上部第二章仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理返回目录第二章仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理4、常见故障原因及处理故障现象可能原因处理方法压力无指示无电源检查电源接线，接通电源信号接线断路检找断点，重新接线压力指示跳动被测介质压力波动大关小阀门开度安装位置震动大可安装减震器或移到震动小的地方显示不变化导压管堵透通导压管导压管切断阀未打开打开切断阀显示误差大变送器与仪表量程设置不一致重新设置量程检测元件损坏更换压力计零点量程调跑了重新调校压力计返回目录第四

13、节 流量仪表1、基本概念 流量是单位时间内流经某一截面的流体数量。流量可用体积流量和质量流量来表示。 体积流量：流体量以体积表示时称为体积流量。 qv=uA 质量流量：流体量以质量表示时称为质量流量。 qm=qv=uA2、分类 工业上常用的流量仪表可分为两大类 （1）速度式流量计：以测量流体在管道中的流速作为测量依据来计算的仪表。 （2）容积式流量计：它以单位时间内所排出的流体固定容积的数目作为测量依据。流量测量仪表还可以有以下的分类节流式流量计转子流量计电磁流量计容积式流量计流体振动式流量计超声波流量计质量流量计 第二章仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理返回目录差压式流

14、量计 节流装置与差压变送器配套测量流体的流量，是目前使用最广的一种流量测量仪表。在管道中流动的流体具有动能和位能，在一定条件下这两种能量可以相互转换，但参加转换的能量总和是不变的。节流元件测量流量就是利用这个原理来实现的。在节流装置中，应用最多的是孔板、喷嘴、文丘利管等。 根据能量守恒定律及流体连续原理，节流装置的流量公式可以写成： Q=kP第二章仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理返回目录转子流量计 转子流量计又称面积式流量计或恒压降式流量计，也是以液体流动时的节流原理为基础的一种流量测量仪表。其特点是可以测量多种介质的流量，压力损失小而且稳定，反应灵敏，量程较宽，结构简

15、单，价格便宜，使用维护方便。但转子流量计的精度受测量介质的温度、密度和粘度的影响，而且仪表必须垂直安装。 原理：转子流量计是由一段向上扩大的圆锥形管子和密度大于被测介质密度，且能随被测介质流量大小上下浮动的转子组成的。当液体自下而上流过时，转子因受到液体冲击而向上运动。随着转子的上移，转子与锥形管之间的环形流通面积增大，液体流速减低，冲击作用减弱，直到液体作用在转子上向上的推力与转子在流体中的重力相平衡。此时，转子停留在锥管中某一高度上。如果液体流量再增大，则平衡时转子所处的位置更高；反之则相反。因此，根据转子悬浮的高低就可测知液体流量的大小。 第二章仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分

16、析、判断、处理返回目录第二章仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理3、常见故障原因及处理故障现象可能原因处理方法显示偏低正压则切断阀未打开或正导压管堵打开切断阀，透通导压管平衡阀关不严关严平衡阀或更换三阀组显示偏高负压则切断阀未打开或负导压管堵打开切断阀，透通导压管导压管内隔离液被介质置换重新加注隔离液，使两导压管内充满隔离液显示跳动被测介质压力波动大关小阀门开度安装位置震动大可安装减震器或移到震动小的地方显示不变化导压管堵透通导压管导压管切断阀未打开打开切断阀显示误差大变送器与仪表量程设置不一致重新设置量程检测元件损坏更换压力计零点量程调跑了重新调校压力计没有开方运算设置开

17、方运算返回目录 （2）变浮力式液位计 变浮力式液位计的检测元件是沉浸在液体事的浮筒。它随液位变化而产生浮力的变化，去推动气动或电动元件，发出信号给显示仪表，以指示被测液面的值。 图示为位移平衡浮筒式液位变送原理图。当液位发生变化时，浮筒1（又称沉筒）本身的重力与所受的浮力的不平衡力，经杠杆2传至扭力管3，而扭力管产生转角弹性变形，由心轴4传出，经推板5传到霍尔片6，转换成霍尔电势，经功率放大后转换成统一的标准电信号输出，以远传给显示仪表指示。第二章仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理返回目录（3）差压式液位计 差压式液位是利用容器内的液位改变时，液柱产生的静压也相应变化的原

18、理而工作的。 图为差压式液位计测量原理图。当差压计一端接液相，另一端接气相时，根据液体静力学原理，有：Pb=Pa+gH式中 H-液位高度 -被测介质密度 g-被测当地的重力加速度所以有：P=Pb-Pa=gH 在一般情况下，被测介质的密度和重力加速度都是已知的，因此，差压计测得的差压与液位的高度H成正比，这样就把测量液位高度的问题变成了测量差压的问题。第二章仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理返回目录第二章仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理4、常见故障原因及处理故障现象可能原因处理方法显示偏低或不变化沉筒脱落或漏；浮球脱落修复沉筒、浮球或更换沉筒沉筒扭力

19、管被污物卡住清理异物显示偏高筒底部有污物排污显示误差大变送器与仪表量程设置不一致重新设置量程检测元件损坏更换压力计零点量程调跑了重新调校压力计返回目录第二章仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理第六节 执行器 1、概含 执行器常称为调节阀，它由执行机构和调节机构两部分组成。其中执行机构是调节阀的推动部分，它按控制信号的大小产生相应的推力，通过阀杆使调节阀阀蕊产生相应的位移。调节机构是调节阀的调节部分，它与调节介质直接接触，在执行机构的推动下，改变阀蕊与阀座间的流通面积，从而达到调节流量的目的。 2、分类 执行器按其能源形式分气动、电动、液动三大类。 气动执行器按其执行机构形式

20、分薄膜式、活塞式和长行程式。 电动和液动执行器按执行机构的运行方式分为直行程和角行程两类。 目前在石化工业中普遍采用气动执行器。 返回目录第二章仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理3、执行机构 气动薄膜执行机构是应用最广泛的执行机构，它接受0.020.1MPa气动信号。它正作用和反作用两种形式，当信号压力增加时推杆向下移动的叫正作用执行机构。信号压力增加时推杆向上移动的叫反作用执行机构。 气动薄膜（有弹簧）的薄膜的有效面积越大，执行机构的推力和位移也越大。 气动活塞式（无弹簧）执行机构随气缸两侧压差而移动。因为没有反力弹簧抵消推力，所以有很大的输出推力，适用于高静压、高差压

21、的工艺场合。返回目录第二章仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理4、调节机构 调节机构又称阀。种类很多，根据结构、用途来分，其基本形式是直通单座阀、直通双座阀、蝶阀、三通阀、偏心旋转阀、套筒阀、角形阀等。 （1）直通单座阀：阀体内只有一个阀蕊和阀座，阀杆带动阀蕊上下移动来改变阀蕊与阀座之间的相对位置，从而改变流体流量。其主要优点是泄漏量小。（2）直通双座阀：阀体内只有两个阀蕊和阀座，阀杆带动阀蕊上下移动来改变阀蕊与阀座之间的相对位置，从而改变流体流量。其主要优点是适用压差比同口径单座阀大。返回目录第二章仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理（3）蝶阀：又称翻

22、板阀，由于阀板在阀体内旋转的角度不同，使阀的流通面积不同，从而调节流体流量。其主要优点是适用于大口径、大流量和浓稠浆液及悬浮粒的场合。（4）偏心旋转阀：又称凸轮挠曲阀，简称偏心阀。球面阀蕊6连在柔臂7上与轮毂8相接，轮毂与转轴4用键滑配，转轴带动球面阀蕊旋转改变流体流量。工作时转轴的运动是由气动执行机构驱动的，推杆的运动通过曲柄传给转轴。其主要优点是流路阻力小，可调比大，适用大压差、严密封的场合和粘度大及有颗粒介质的场合。很多场合可以取代直单、双座阀。返回目录第二章仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理（5）套筒阀：也叫笼式阀，它的阀体与一般直通单座阀相似，阀内有一个圆柱形套

23、筒，也叫笼子。阀蕊可在套筒中上下移动，利用套筒导向。阀蕊在套筒中移动，改变了套筒的节流孔面积，形成了各种特性并实现流量的调节。由于套筒阀采用了平衡阀蕊结构，阀蕊上、下受压相同，不平衡力小，并且阀蕊利用套筒侧面导向，所以它的稳定性好，不易振荡，阀蕊也不易人损坏。它的优点前后压差大和液体出现闪蒸或空化的场合，稳定性好，噪声低，可取代大部分直通单、双座阀，但它不适用于含颗粒介质的场合。5、调节阀的气开、气关气动执行器的气开式与气关式两种形式。气开式：有压力信号时阀开、无压力信号时阀关；气关式反之。气开、气关选择依据：工艺生产安全、节约能源以及从介质特性等。返回目录第二章仪表分类、结构、原理 和 常见

24、仪表故障、分析、判断、处理5、阀门定位器 阀门定位器是调节阀的主要附件，可分为气动阀门定位器和电-气阀门定位器。动阀门定位器接受气动信号0.020.1MPa，输出0.020.1MPa。电-气阀门定位器将420mA DC的电信号，转换成0.020.1MPa的气压，并按气动阀门定位器的功能进行工作。 阀门定位器接受调节器输出的控制信号，去驱动调节阀动作，并利用阀杆的位移进行反馈，将位移信号直接与阀位比较，改善阀杆行程的线性度，克服阀杆的各种附加摩擦力，消除被调介质在阀上产生的不平衡力的影响，从而使阀位对应于调节器的控制信号，实现正确定位。返回目录第三章仪表工位号、字母含义 返回目录第四章仪表控制系

25、统-单回控制 1、控制系统中常用的名词术语 被控对象：自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。 被控变量：被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。如锅炉水位。 操纵变量：受控制器操纵的，用以克服干扰的影响， 使被控变量保持设定值的 物料量或能量。如锅炉给水。 扰动量：除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。 设定值：被控变量的预定值。 偏差：被控变量的设定值与实际值之差。 2、分类 控制系统具有各种各样的形式，但总的来可分为两大类，即开环系统和闭环系统。 开环系统的输出信号不反馈到系统的输入端，因而也不对控制作用产生影响的系统，称为开环控制系统。 闭环系统的输出通

26、过测量变送环节，又反回系统的输入端，与给定信号比较，以偏差的形式进入调节器，对系统起控制作用，整个系统构成一个封闭的反馈回路，这种控制系统被称为闭环控制系统。返回目录3、简单控制系统 简单控制系统又称单回路控制系统，是指由一个被控对象、一个测量变送器、一个调节器一个调节阀所组成的单回路闭合控制系统。4、调节器 调节器是将变送器来的测量信号与给定值进行比较后，对偏差信号按一定的调节规律进行运算，并将运算的结果以统一的信号输出，去控制执行器动作。调节器最基本的调节规律有： 比例调节规律 、积分调节规律、微分调节规律、比例积分调节规律、比例微分调节规律、比例积分微分调节规律。第四章仪表控制系统-单回

27、控制返回目录（1）比例调节规律 其输出信号p与输入偏差信号e之间成比例关系，即p=kPe 比例度与放大倍数kP成反比, kP 越大，比例作用越强。 优点：控制及时。 缺点：存在余差，所谓余差就是指过渡时间终了时，被控变量所达到的新的稳态值与设定值之间的差值。余差的值随着调节器的放大倍数Kp的增大而减小，但是余差不能靠放大倍数的增大而完全消除。为了消除余差，必须引进积分作用。 （2）积分调节规律 其输出信号p与输入偏差信号e的积分成正比。 积分时间Ti=1/ K I 越短，积分作用越强，消除余差越快， Ti太小，系统振荡加剧。 优点：消除余差。 缺点：控制不及时,常与比例组合起来用。（3）微分调

28、节规律 控制器的输出信号与偏差信号的变化速度成正比， 微分时间TD越大，微分作用越强。 优点：超前控制。 缺点：其输出不能反映偏差的大小，不能单独用在比例作用的基础上增加微分作用就提高了系统的稳定性。加入适当的微分作用是有好处的，但微分作用不能加得过分，否则反应速度过快，反而会引起过分的振荡，这是不利的。由于这时的Kp值较纯比例作用时的Kp为大，所以余差比纯比例作用时为小。这就是说，微分作用只能使余差减小，而不能消除余差。 第四章仪表控制系统-单回控制返回目录5、调节器控制规律的选择目前工业上用的控制器主要有三种控制规律： 比例控制控制规律（P） 比例积分控制规律（PI） 比例积分微分控制规律

29、（PID）选择控制规律主要根据控制器的特性和工艺要求来决定。比例比例积分比例微分比例积分微分第四章仪表控制系统-单回控制返回目录6、控制器正、反作用 正作用：当给定值不变，被控变量测量值增加时，控制器的输出也增加；或者当测量值不变，给定值减小时，控制器的输出增加的称正作用。 反作用：反之，如果测量值增加（或给定值减小）时，控制器的输出减小。 控制器的作用方向确定：先确定阀的气开、气关，再用物理分析法。第四章仪表控制系统-单回控制返回目录7、控制器参数的工程整定 所谓控制器参数的整定，就是按照已定的控制方案，求取使控制质量最好时的控制器参数值。具体来说，就是确定最合适的控制器比例度、积分时间Ti

30、和微分时间Td。参数整定方法临界比例度法衰减曲线法经验凑试法控制器参数的经验数据表控制对象对象特性比例 积分 微分流量参数波动40100 0.31 温度 滞后大 2060 310 0.53压力3070 0.43液位于2080第四章仪表控制系统-单回控制8、控制系统的投运返回目录准备工作仪表检查检查控制器的正、反作用及控制 阀的气开、气关型式控制阀的投运控制器的手动和自动的切换控制器参数的整定第四章仪表控制系统-单回控制第五章复杂控制系统返回目录1、 基本概念 通常复杂控制系统是多变量的，具有两个以上变送器、控制器或执行器所组成的多个回路的控制系统，所以又称为多回路控制系统。2、分类串级控制系统均匀控制系统比值控制系统 开环比值控制 单闭环比值控制 双闭环比值控制 变比值控制带逻辑提量的比值调节系统前馈控制系统自动选择性调节系统第五章复杂控制系统返回目录3、串级控制系统 串