《仪表与自动化》教学课件-01

《仪表与自动化》教学课件-01湖南工业大学授课班级：机电13级2015.09

《仪表与自动化》教学课件《仪表与与自动化化》教学学课件仪表与自自动化课程学时时：56学时，其其中实验验6学时时。使用教材材：何道清、、谌海云云、张禾禾编《仪仪表与自自动化》》（第二二版）北北京：化化学工业业出版社社,2011参考资料料：【1】厉厉玉鸣编编.化工工仪表及及自动化化.北京京:化学学工业出出版社,,2003【2】杨杨丽明等等编.化化工自动动化及仪仪表.北北京:化化学工业业出版社社,2004【3】愈愈金寿主主编.过过程自动动化及仪仪表.北北京:化化学工业业出版社社,2003【4】何何道清编编.传感感器与传传感器技技术.北北京:科科学出版版社,2004【5】陈陈夕松..汪木木兰.过过程控控制系统统.北北京:科科学出版版社,2005【6】王王可华..张继继峰.石石油仪仪表及自自动化..北京京:石油油工业出出版社，，2006【7】CurtisDJohnson，ProcessControlInstrumentationTechnology【8】西西南石油油大学网网站《仪仪表与自自动化》》网络课课件《仪表与与自动化化》教学学课件仪表与自自动化教学重点点自动控制制系统的的基本概概念及被被控对象象的数学学模型；；自动控制制系统中中的自动动化仪表表（测量量元件及及变送器器，显示示仪表，，自动控控制仪表表，执行行器等））；控制系统统（简单单控制系系统，复复杂控制制系统，，计算机机控制系系统简介介）；控制方案案设计及及典型设设备的控控制方案案设计分分析。考核方法法平时(作作业+考考勤+实实验)30%++期末末考试70%《仪表与与自动化化》教学学课件绪论1自自动控制制系统基基本概念念1.1工工业业自动化化的主要要内容1.2自自动动控制系系统的组组成和分分类1.3自自动动控制系系统方块块图1.4工工艺艺管道及及控制流流程图1.5自自动动控制系系统的过过渡过程程和品质质指标习题与思思考题《仪表与与自动化化》教学学课件2被被控对象象的数学学模型2.1对对象象的特性性及其描描述方法法2.2对对象象数学模模型的建建立2.3描描述述对象特特性的参参数习题与思思考题《仪表与与自动化化》教学学课件3检检测仪表表与传感感器3.1概概述述3.2压压力力检测及及仪表3.3流流量量检测及及仪表3.4物物位位检测及及仪表3.5温温度度检测及及仪表习题与思思考题《仪表与与自动化化》教学学课件4显显示仪表表4.1动动圈圈式显示示仪表4.2自自动动电子电电位差计计4.3自自动动电子平平衡电桥桥4.4数数字字式显示示仪表4.5新新型型显示记记录仪表表习题与思思考题《仪表与与自动化化》教学学课件5自自动控制制仪表5.1概概述述5.2控控制制规律及及其特点点5.3模模拟拟式控制制器5.4数数字字式控制制器习题与思思考题《仪表与与自动化化》教学学课件6执执行器6.1概概述述6.2气气动动执行器器6.3电电动动执行器器6.4电电--气转换换器及电电-气阀阀门定位位器6.5控控制制阀的选选择习题与思思考题《仪表与与自动化化》教学学课件7简简单控制制系统7.1简简单单控制系系统的结结构与组组成7.2被被控控变量的的选择7.3操操纵纵变量的的选择7.4测测量量元件特特性的影影响7.5控控制制器的选选择7.6控控制制器参数数的工程程整定习题与思思考题《仪表与与自动化化》教学学课件8复复杂控制制系统8.1串串级级控制系系统8.2均均匀匀控制系系统8.3比比值值控制系系统8.4前前馈馈控制系系统8.5选选择择性控制制系统8.6分分程程控制系系统8.7多多冲冲量控制制系统8.8新新型型控制系系统习题与思思考题《仪表与与自动化化》教学学课件9典典型设备备控制方方案9.1流流体体输送设设备的自自动控制制9.2传传热热设备的的自动控控制9.3精精馏馏塔的自自动控制制9.4化化学学反应器器的自动动控制习题与思思考题《仪表与与自动化化》教学学课件10计计算机机控制系系统10.1计计算机控控制系统统的原理理与组成成10.2计计算机控控制系统统的分类类与特点点习题与思思考题《仪表与与自动化化》教学学课件———0.绪论论0绪论0.1仪表自动动化的概概念生产过程程自动化化，就是是在生产产过程中中，采用用自动化化仪表及及装置，，来检测测、显示示、记录录和控制制生产过过程中的的重要工工艺参数数，以代代替操作作人员的的直接操操作，使使整个生生产过程程能自动动地维持持正常状状态；当当受到外外界干扰扰的影响响而偏离离正常状状态时，，又能自自动地调调回到规规定的数数值范围围内。这这种用自自动化仪仪表来控控制生产产过程的的方法，，即生产产过程自自动化。。仪表自动动化技术术是一门门综合性性的技术术学科，，它应用用自动控控制学科科、仪器器仪表学学科及计计算机学学科的理理论与技技术服务务于各类类生产过过程，以以实现生生产过程程的自动动化。生产过程程或设备备的自动动控制，，实现了了生产工工艺参数数从测量量、显示示、记录录到控制制以及对对生产设设备的操操作和保保护等环环节，都都用自动动化仪表表及装置置按设定定的工艺艺过程来来自动完完成，从从而使生生产质量量得以提提高，并并大大地地减轻工工人的劳劳动强度度，同时时，也更更好地保保证生产产安全，，延长设设备使用用寿命，，降低能能量消耗耗和生产产成本，，为生产产企业带带来了良良好的经经济效益益和社会会效益。。《仪表与与自动化化》教学学课件———0.绪论论0.2仪表自动动化技术术的发展展概况自动化发发展主要要特点：：生产的需要、、理论的的开拓与与技术手手段的进进展三者者相互推推动，相相互促进进。自动化发发展主要要阶段:机器生产产→→控控制理理论→→简简单控制制系统→→复复杂杂控制系系统→→现现代代控制系系统(直接数字字控制-DDC，集散控控制系统统-DCS，SCADA系统,等)；或基地式控控制器等等组成的的控制系系统→→单单元元组合仪仪表组成成的控制制系统→→计计算机控控制系统统（DCS）→→二二级级优化控控制系统统。0.3仪表自动动化课程程的性质质、任务务与要求求是一门综综合性、、实践性性较强的的专业技技术课。。应掌握生生产自动动化过程程中各类类检测仪仪表、显显示仪表表、控制制仪表和和执行仪仪器的基基本结构构与工作作原理，，了解仪仪表的特特性、安安装及应应用特点点，以便便在实际际生产过过程中能能正确选选择、使使用常用用仪表，，并具备备简单仪仪表故障障的分析析、处理理能力。。同时，，应熟悉悉自动控控制系统统的结构构组成、、控制特特性、设设计方法法和运行行管理，，使仪表表自动化化技术能能够更好好地在工工业生产产中发挥挥应有的的作用。。《仪表与与自动化化》教学学课件———0.绪论论《仪表与与自动化化》教学学课件———0.绪论论《仪表与与自动化化》教学学课件———1.自动动控制系系统基本本概念1自动动控制系系统基本本概念1.1工工业自自动化的的主要内内容1.1..1自自动检测测系统利用各种种检测仪仪表对主主要工艺艺参数进进行测量量、指示示或记录录的，称称为自动动检测系系统。1.1..2自自动信号号和联锁锁保护系系统对某些关关键性参参数设有有自动信信号联锁锁装置。。当工艺艺参数超超过了允允许范围围，在事事故发生生以前，，信号系系统就自自动地发发出声光光报警信信号，告告诫操作作人员注注意，并并及时采采取措施施。如工工况已到到达危险险状态时时，联锁锁系统立立即自动动采取紧紧急措施施，打开开安全阀阀或切断断某些通通路，必必要时紧紧急停车车，以防防止事故故的发生生和扩大大。它是是生产过过程中的的一种安安全装置置。《仪表与与自动化化》教学学课件———1.自动动控制系系统基本本概念1.1..3自自动操纵纵及自动动开停车车系统自动操纵纵系统可可以根据据预先规规定的步步骤自动动地对生生产设备备进行某某种周期期性操作作。极大大地减轻轻操作工工人的重重复性体体力劳动动。自动开、、停车系系统可以以按照预预先规定定好的步步骤，将将生产过过程自动动地投入入运行或或自动停停车。1.1..4自动控制制系统对生产中中某些关关键性参参数进行行自动控控制，使使它们在在受到外外界干扰扰（扰动动）的影影响而偏偏离正常常状态时时，能自自动地控控制而回回到规定定的数值值范围内内，为此此目的而而设置的的系统就就是自动动控制系系统。自动检测测系统只能完成成“了解解”生产产过程进进行情况况的任务务；信号联锁锁保护系系统只能在工工艺条件件进入某某种极限限状态时时，采取取安全措措施，以以避免生生产事故故的发生生；自动操纵纵系统只能按照照预先规规定好的的步骤进进行某种种周期性性操纵；；只有自动控制制系统才能自动动地排除除各种干干扰因素素对工艺艺参数的的影响，，使它们们始终保保持在预预先规定定的数值值上，保保证生产产维持在在正常或或最佳的的工艺操操作状态态。《仪表与与自动化化》教学学课件———1.自动动控制系系统基本本概念1.2自自动控控制系统统的组成成和分类类1.2..1人人工控制制与自动动控制（1）液位人工工控制：：检测—眼眼；运算（思思考）、、命令——脑；执行—手手。

图1-1液位人工工控制《仪表与与自动化化》教学学课件———1.自动动控制系系统基本本概念

（2）液位自动动控制：：测量元件件及变送送器—眼；控制器—脑；执行器—手。1.2..2自动控制制系统组组成：《仪表与与自动化化》教学学课件———1.自动动控制系系统基本本概念简单控制制系统实实例图1-3简单液位位控制系系统组成成示意图图《仪表与与自动化化》教学学课件———1.自动动控制系系统基本本概念1.2..3自动控制制系统的的分类：：按被控变量量分：温度控制制系统、压力控制制系统、流量控制制系统、液位控制制系统、成分控制制系统等等；按控制规律律分：比例控制系统统、比例积积分控制系统统、比例微微分控制系统统、比例积分分微分控制系统统等；按基本结构分：开环控制系统统、闭环控制系统统；按信号特点分：：定值控制制、随动控制制、顺序（程程序）控控制。《仪表与与自动化化》教学学课件———1.自动动控制系系统基本本概念1.2..4工业自动动化仪表表的分类类：（1）按仪表表使用的的能源分分类：①电动仪仪表（电电能）；；②气动动仪表（（压缩空空气）；；③液动动仪表（（少用））。（2）按信息息的获得得、传递递、反映映和处理理的过程程分类：：①检测仪仪表；②②显示仪仪表；③③集中控控制装置置；④控控制仪表表；⑤执执行器。。（3）按仪表表的组成成形式分分类：①基地式式仪表：：基地式式仪表集集变送、、显示、、控制各各部分功功能于一一体，单单独构成成一个固固定的控控制系统统；②单单元组合合仪表：：单元组组合式仪仪表将变变送、控控制、显显示等功功能制成成各自独独立的仪仪表单元元，各单单元间用用统一的的输入、、输出信信号相联联系。《仪表与与自动化化》教学学课件———1.自动动控制系系统基本本概念单元组合合仪表命命名与性性能：①QDZ（“气””、“单单”、““组”））－气动动单元组组合仪表表统一标准准气源压压力：0.14MPa；统一标准准信号：：0.02~0..1MPa(20~100kPa))；气路导管管：Φ61紫铜管、、塑料管管、尼龙龙单管和和管缆；；精度：1.0级、1.5级。②DDZ（“电””、“单单”、““组”））Ⅱ－Ⅱ型电动单单元组合合仪表统一标准准电源：：交流220V；统一标准准信号：：现场传传输信号号0~10mA；控制室室联络信信号0~2V；精度：0.5级、1.0级、1.5级。③DDZ（“电””、“单单”、““组”））Ⅲ－Ⅲ型电动单单元组合合仪表统一标准准电源：：24V直流；统一标准准信号：：现场传传输信号号4~20mA；控制室室联络信信号1~5V；精度：0.2级、0.5级、1.0级、1.5级。《仪表与与自动化化》教学学课件———1.自动动控制系系统基本本概念（4）按防爆爆能力分分类①普通型型：凡是未采采取防爆爆措施的的仪表，，只能应应用在非非危险场场所。②隔爆型型：采取隔离离措施以以防止引引燃引爆爆事故的的仪表。。③安全火火花型仪仪表：这类仪表表采用低低压直流流小功率率电源供供电，并并且对电电路中的的储能元元件(例如电容容、电感感)严加限制制，使电电路在故故障下所所产生的的火花微微弱到不不足以点点燃周围围的易燃燃气体。。此外，，危险区区以外发发生电路路的混触触，也有有可靠的的措施，，使高电电压、大大电流不不能进入入危险区区。《仪表与与自动化化》教学学课件———1.自动动控制系系统基本本概念1.3自动控制制系统方方块图由传递方方块（环环节、装装置）、、带箭头头的信号号线、综综合点、、分支构构成的表表示控制制系统组组成和作作用的图图形。如如图1-4所示带箭头的的信号线线表示方方块间的的相互关关系及信信号的流流向。图1-4自动控制制系统方方块图《仪表与与自动化化》教学学课件———1.自动动控制系系统基本本概念例：蒸汽汽加热器器温度控控制系统统图1-5蒸汽加热热器温度度控制系系统《仪表与与自动化化》教学学课件———1.自动动控制系系统基本本概念作业:1-3，，1-7，1--8，1-11图1-4贮槽液位位控制系系统与蒸蒸汽加热热器温度度控制系系统《仪表与与自动化化》教学学课件———1.自动动控制系系统基本本概念1.4工艺管道道及控制流程程图在控制方方案确定定后，根根据工艺艺设计给给出的流程图，按其流流程顺序序标注出出相应的的测量点点、控制制点、控控制系统统及自动动信号与与联锁保保护系统统等的图图形，即即工艺管管道及控制流程程图(PID图)。图1-6所示是简化了的的乙烯生生产过程程中脱乙乙烷塔的的管道及及控制流流程图，工艺管道道及控制流流程图上上设备间间的工艺艺管线，，表示物物料的流流动方向向。《仪表与与自动化化》教学学课件———1.自动动控制系系统基本本概念图1-6脱乙烷塔塔工艺管管道及控控制流程程图《仪表与与自动化化》教学学课件———1.自动动控制系系统基本本概念1.4..1图图形符号号测量点，，连接线线，仪表表，见表表1-1。图1-7测测量点的的一般表表示方法法图图1-8连连接接线的表表示方法法表1-1仪仪表安装装位置的的图形符符号表示示《仪表与与自动化化》教学学课件———1.自动动控制系系统基本本概念1.4..2字字母代号号第一位字字母表示示被测变变量，后后续字母母表示仪仪表的功功能。表1-2被测变量量和仪表表功能的的字母代代号字母第一位字母后续字母被测变量修饰词功能ACDEFHIKLMPQRSTVWYZ分析电导率密度电压流量手动电流时间或时间程序液位（物位）水分或湿度压力或真空数量或件数放射性速度或频率温度黏度力供选用位置、尺寸差比（分数）变化速率积算、累积安全Y轴X轴

报警控制（调节）检测元件指示自动-手动操作器灯连接点、测试点记录开关、联锁传送阀、挡板、百叶窗套管继电器或计数器驱动器、执行机构或未分类的终端执行器

《仪表与与自动化化》教学学课件———1.自动动控制系系统基本本概念1.4..3仪仪表位位号第一位数数字表示示工段号号，后续续数字表表示仪表表序号。。在图1-6中，PIC--207，表示示工段号号为2、、仪表序序号为07、集集中仪表表盘面安安装的一一台具有有指示功功能的压压力控制制仪表。。1.5自动控制制系统的的过渡过程程及其品品质指标标1.5..1控制系统统的静态态与动态态系统的被被控变量量不随时时间变化化的平衡衡状态称称为系统统的静态。系统的的“静态态”是自自动控制制系统的的目标。。系统的被被控变量量随时间间变化的的不平衡衡状态称称为系统统的动态。系统的的“动态态”是自自动控制制系统的的研究的的重点，，因为由由于干扰扰的客观观存在，，系统总总是处于于“动态态”过程程中，自自动化装装置总是是不断地地施加控控制作用用去对抗抗或抵消消干扰作作用的影影响，从从而使被被控变量量保持在在工艺生生产所要要求控制制的技术术指标（（平衡状状态）上上。《仪表与与自动化化》教学学课件———1.自动动控制系系统基本本概念1.5..2控制系统统的过渡渡过程系统从一一个平衡衡状态过过渡到另另一个平平衡状态态的过程程称为系系统的过渡过程程。研究方法法:阶跃干扰扰作用,观测控制制系统被被控变量量的变化化规律。。图1-12阶跃干扰扰作用《仪表与与自动化化》教学学课件———1.自动动控制系系统基本本概念过渡过程程的基本本形式(控制系统统在阶跃跃干扰下下的响应应曲线)图1-13过渡过程程的几种种基本形形式《仪表与与自动化化》教学学课件———1.自动动控制系系统基本本概念过渡过程程的基本本形式：：（在阶跃跃干扰作作用下））非周期衰衰减过程程(图1-13(a)))（单调衰衰减过程程）衰减振荡荡过程(图1-13(b)))(自动控制制系统主主要采用用的过渡渡过程)等幅振荡荡过程(图1-13(c)))发散振荡荡过程(图1-13(d)))单调发散散过程(图1-13(e)))发散过程程稳定过程程《仪表与与自动化化》教学学课件———1.自动动控制系系统基本本概念1.5..3控控制系系统的品品质指标标：（衰减振振荡过程程）最大偏差差A；超调量B=AC；余差C；衰减比n=B:B=(4~10)式中，B—第一个波波峰值，，B—第二个波波峰值；；（n1衰减振荡荡过程,n=1等幅振荡荡过程,n1发散过程程）；振荡周期期T；频率f；过渡时间间ts振荡次数数；上升时间间。图1-4衰减振荡荡过渡过过程《仪表与与自动化化》教学学课件———1.自动动控制系系统基本本概念例1-2某发酵过过程工艺规定定操作温度度为(40±±2)℃℃。考虑到到发酵效效果，控控制过程程中温度度偏离给给定值最最大不能能超过6℃。现设计计一定值值控制系系统，在在阶跃扰扰动作用用下的过过渡过程程曲线如如图1-5所示。试试确定该该系统的的最大偏偏差、衰衰减比、、余差、、过渡时时间(按被控变变量进入入±2％新稳态态值即达达到稳定定来确定定)和振荡周周期等过过渡过程程指标，，并回答答该系统统能否满满足工艺艺要求。。最大偏差差A=4540=5（℃）6℃衰减比B=4541=4（℃）；；B=4241=1(℃)n=B:B=4:1=4余差C=4140=1（℃）振荡周期期T=185=13（min）过渡时间间被控变量量进入新新稳态值值2%，就认为过过渡过程程已结束束，那么么限制范范围是41(2%)=0.82℃，所以过过渡时间间ts=23min。控制系统统满足工艺要求求《仪表与与自动化化》教学学课件———1.自动动控制系系统基本本概念1.5..4影影响控控制系统统过渡过过程品质质的主要要因素一个自动动控制系系统可以以概括成成两大部部分，即即工艺过过程部分分（被控控对象））和自动动化装置置部分。。工艺过程程部分不不是泛指指整个工工艺流程程，而是是指与该该自动控控制系统统有关的的部分。。以图1-5所所示的热热交换器器温度控控制系统统为例，，其工艺艺过程部部分指的的是与被被控变量量温度T有关的的工艺参参数和设设备结构构、材质质等因素素。自动化装装置部分分指的是是为实现现自动控控制所必必需的自自动化仪仪表设备备，通常常包括测测量与变变送装置置、控制制器和执执行器三三部分。。对于一个个自动控控制系统统，过渡渡过程品品质的好好坏，在在很大程程度上取取决于对对象的性性质。如如前述温温度控制制系统中中，属于于对象性性质的主主要因素素有：换换热器的的负荷大大小，换换热器的的结构、、尺寸、、材质等等，换热热器内的的换热情情况、散散热情况况及结垢垢程度等等。自动化装装置应按按对象性性质加以以选择和和调整，，两者要要很好配配合。自自动化装装置的选选择和调调整不当当，也会会直接影影响控制制质量。。此外，，在控制制系统运运行过程程中，自自动化装装置的性性能一旦旦发生变变化，如如阀门失失灵、测测量失真真，也要要影响控控制质量量。总之，影影响自动动控制系系统过渡渡过程品品质的因因素是很很多的，，在系统统设计和和运行过过程中都都应充分分注意。。作业：1-5，1-9，1-12，1-19，1-20《仪表与与自动化化》教学学课件———1.自动动控制系系统基本本概念补充1：控制系系统基本本概念系统——按照某种种划分得得到的若若干元