过控技术4课件

第四章过程控制装置过程控制装置又称为过程控制仪表，与被控对象构成了过程控制系统。变送器、调节器和执行器(如调节阀)三个环节构成了过程控制装置的硬件。各种控制方案和算法都必须借助过程控制装置才能实现其功能。由于工业过程的复杂性，在进行过程控制系统设计时，过程控制工程师必须根据过程特性和工艺要求，掌握各种过程控制装置的工作原理和性能特点，才能合理选用过程检测控制装置并组成自动控制系统，通过调节器PID参数的整定，使系统运行在最佳状态，从而实现对生产过程的最优控制。1第四章过程控制装置近半个多世纪以来，过程控制装置经历了从液动气动仪表、电动仪表、电子式模拟仪表、数字智能仪表，到计算机集散控制系统(DCS)和现场总线等发展阶段，为过程工业的现代化大规模生产提供了强大的支持。本书第3章对各种传感器检测方法作了系统介绍，本章集中介绍电动仪表的基本知识。

2第四章过程控制装置1、变送器4.1变送器变送器是单元组合仪表中不可缺少的基本单元之一。工业生产过程中，在测量元件将压力、温度、流量、液位等参数检测出来后，需要由变送器将测量元件的信号转换为规定的标准信号（如4～20mA直流电流)，送往显示仪表或调节仪表进行显示、记录或调节。由于生产过程的参数复杂多样，相应的变送器也有多种类型，如压力变送器、差压变送器、温度变送器、流量变送器、液位变送器等。有的变送器中测量和变送单元合为一体(如压力变送器)，而有的变送器则只有变送功能〔如温度变送器)

3第四章过程控制装置1、变送器4.1.1.1力平衡式电动压差变送器基本构成原理：

调零及补偿测量D放大器K反馈部分Fxy(标准信号)5第四章过程控制装置1、变送器

DDZ－Ⅲ型差压变送器是两线制安全火花型变送器，主要用于测量液体、气体或蒸汽的压差、流量、液位等参数.主要性能指标如下:输出信号4－20mA；供电电压24VDC；负载电阻250－350Ω；基本误差±0.5%；变差±0.25%；灵敏度±0.25%。6第四章过程控制装置1、变送器膜片（盒）：将压力转换为力。

Δp╳A＝Fi

矢量机构：F1＝k

╳FiF2＝F1╳tanθ电磁转换：将检测片的位移转换为电信号。θF1F2F37第四章过程控制装置1、变送器电磁反馈装置：将变送器输出电流的一部分转化为反馈力Ff，用于平衡副杠杆的力F2，使副杠杆平衡。检测放大器：

将经检测片转化出的电信号进行放大，使输出信号成为工业标准信号。另外，考虑到变送器都是安装在工业现场的，因此，变送器内部必须采取防爆设计，不能出现电火花。8第四章过程控制装置1、变送器

例：已知被测参数的最大波动范围为4000～5000Pa,按照不进行零点迁移和进行零点迁移分别选择测量传感器，并分析精度为1.0级时的各自的基本误差值和仪表灵敏度。解：当不进行零点迁移时，需选择量程为0～5000Pa的变送器，对应输出为4～20mA;若有迁移，可选用下限为4000、上限为5000Pa的变送器，其量程为1000Pa，迁移量为4000Pa。若变送器精度同为1.0级，不加迁移时，仪表的误差值为5000Pa×1%=50Pa灵敏度为(20-4)mA/5000Pa=0.0032mA/Pa

10第四章过程控制装置1、变送器Adl1/l2tgθl31/ClskkflfI0ΔpM12第四章过程控制装置1、变送器原理：当被测压力信号加在电容传感膜片两侧时，引起膜片变形，从而改变了构成电容器两极板的距离，使电容量发生变化。可见：ΔC与Δp成线性关系14第四章过程控制装置1、变送器

电容式差压变送器膜片不易受损，测量范围宽、过载能力强，密封性好，精度可达0.2级。154.1.2温度变送器温度变送器与各种热电偶或热电阻配合使用，将被测温度线性地转换为标准工业信号，以便与显示、记录和调节单元配合工作。按照采用的测温传感器的不同类型，温度变送器分为三种类型：直流毫伏变送器、电阻体温度变送器和热电偶温度变送器。这三种变送器在线路结构上都分为量程单元和放大单元两部分，其中放大单元是通用的，量程单元则随变送器的类型及量程范围不同而异。第四章过程控制装置1、变送器16第四章过程控制装置1、变送器直流毫伏型热电阻型17第四章过程控制装置1、变送器热电偶型DDZ-Ⅲ型热电偶温度变送器的主要性能指标:测量范围:最小量程3mV,最大量程60mV;零点迁移量-50～+50mV。基本误差:±0.5%。防爆指标：防爆等级:HⅢe;额定电压:220V。184.1.4变送器的信号标准以及连接方式①标准仪表的信号标准在1960年之前，过程工业仪表统一使用气压信号进行测量和控制信息的传递，范围是20～100kPa。从1960年开始，电动仪表得到广泛应用，曾经应用了1～5mA,4～20mA,0～5V，±10VDC等信号，而且新型变送器和控制器经常多信号输出，例如4～20mA和1～5VDC,但当前大多数模拟仪表统一遵循了4～20mADC的标准信号。②模拟仪表与电源连接的方式随着模拟仪表普遍采用标准信号，电动变送器输出信号与电源的连接方式普遍采用了两线制。第四章过程控制装置1、变送器20第四章过程控制装置1、变送器21

4.1.3防爆安全栅在工业过程的某些生产场合，存在着许多易燃、易爆的气体、粉尘或其它易燃易爆材料。安装在这种场合的现场仪表如果产生火花，就容易引起燃烧或爆炸，造成巨大的人员和财产的损失。因此，在这些场合所安装的一切仪表装置应该具有安全火花防爆性能。气动仪表从本质上说具有防爆性能。但随着工业的复杂化、大型化的发展对自动化要求的提高，电动仪表和装置逐渐占据了工业自动化的统治地位。这种发展趋势的关健技术之一就是解决现场仪表及整个系统的防爆问题。第四章过程控制装置1、变送器23下面简要介绍一些防爆基本知识。（1）危险场所的划分按照我国1987年公布的《中华人民共和国爆炸危险场所电气安全规程(试行)》的规定，将爆炸危险场所划分为两种场所五个级别。①第一种场所指爆炸性气体或可燃蒸气与空气混合形成爆炸性气体混合物的场所。分三个等级：

0级区域(0区):指在正常情况下，爆炸性气体混合物连续地、短时间频繁出现或长时间存在的场所。

1级区域(1区):指在正常情况下，爆炸性气体混合物有可能出现的场所。

第四章过程控制装置1、变送器24（2）爆炸性物质的分类、分级与分组

①分类：通常将爆炸性物质分为三类:I类物质—矿井甲烷;

Ⅱ类物质—爆炸性气体、可燃蒸气;Ⅲ类物质—爆炸性粉尘、易燃纤维。②分级与分组爆炸性气体的分级与分组(I、Ⅱ类):在标准试验条件下，按照其最大试验安全间隙和最小引爆电流比分级，按照其引燃温度值分组。第四章过程控制装置1、变送器26第四章过程控制装置1、变送器27爆炸性粉尘和易燃纤维的分级与分组(班类):第四章过程控制装置1、变送器28隔爆型仪表在安装及维护正常时，处于安全状态。但在揭开仪表表壳时，它就失去了防爆性能。因此，不能在通电运行的情况下打开外壳进行检修或调整。对于组别、级别高的易燃易爆性气体如氢气、乙炔、二硫化碳等，即使是正规厂家生产的隔爆型仪表也不得采用。这是因为一方面对这些气体所要求的隔爆型仪表的表壳在加工上有困难;另一方面，即使能解决加工问题，但经过长期使用后，由于磨损，很难长期保持要求的隔爆间隙，会逐渐失去防爆性能。这些都是隔爆型仪表的弱点。第四章过程控制装置1、变送器30

②本质安全防爆型是指在正常状态下和故障状态下，由电路及设备产生的火花能量和达到的温度都不能引起易燃易爆性气体或蒸气爆炸的防爆类型。正常状态指在设计规定条件下的工作状态，如设计规定的断开和闭合电路动作所产生的火花。具有本质安全防爆的系统包括两种电路:A安装在危险场所中的本质安全电路；B安装在非危险场所中的非本质安全电路。为了防止非本质安全电路中过大的能量传入危险场所中的本质安全电路中，在两者之间采用了防爆安全栅，使整个仪表系统具有本质安全防爆性能。第四章过程控制装置1、变送器31第四章过程控制装置1、变送器32本质安全防爆系统的性能主要由以下措施来保证:首先，本质安全防爆仪表采用低的工作电压和小的工作电流。如正常工作时电压不大于24VDC，电流不大于20mADC;故障电压不大于35VDC，电流不大于35mADC。限制仪表所用电阻、电容和电感参数的大小，以保证在正常及故障条件时所产生的火花能量不足以点燃爆炸性混合物。其次，用防爆安全栅将危险场所和非危险场所的电路隔开。再次，在现场仪表到控制室仪表之间的连接导线不得形成过大的分布电感和电容。第四章过程控制装置1、变送器33防爆仪表在铭牌上都有标明防爆检验合格证号和防爆类型、等级等标志。典型的标志铭牌上的防爆标志一般分为四段:ExABC。Ex表明此仪表为防爆仪表;A段防爆类型，如d、ia、ib等;B段为防爆仪表的类和级，如I级、IIA、IIB、IIC;C段为防爆仪表的表面温度组别，也是其能够适用的危险物质的自燃温度组别，如T1~T6。例如ExdiaIICT6表示兼有隔爆和本质安全功能、可在IIC级T6组以下级别中使用的防爆仪表。本质安全型防爆仪表的性能是靠电路设计和规范安装来实现和保证的。第四章过程控制装置1、变送器34

（4）防爆安全栅防爆安全栅放在安全场所的入口处，它不会影响仪表的正常工作，只会起到防止危险能量由安全场所进人危险场所的作用。这样，只需对设置在危险场所的本质安全型防爆仪表和防爆安全栅进行防爆鉴定，而对设置在安全场所的仪表则可不受此限制，只要求它们所使用的最高电压低于防爆安全栅的额定电压。目前用得最多的防爆安全栅有齐纳安全栅与变压器隔离式安全栅。第四章过程控制装置1、变送器35齐纳安全栅：它利用在本质安全电路与非本质安全电路之间串接的电阻R来限制进入本质安全电路的电流，利用齐纳二极管VD1及VD2来限制进入本质安全电路的电压，并用快速熔断丝FU保护齐纳二极管。变压器隔离式安全栅：是通过隔离、限压、限流等措施，限制流入危险场所的能量，来保证安全防爆性能的。它是用变压器作为隔离器件，通过电磁转换的方式来传输信号。目前，国产隔离安全栅多数都使用变压器隔离式。第四章过程控制装置1、变送器36第四章过程控制装置1、变送器374.2调节器调节器又称控制器，其作用是将工艺参数测量值和规定的参数值(给定值)相比较后，得出被调量的偏差，再根据一定的调节规律产生输出信号，从而推动执行器工作，对生产过程进行自动调节。按调节方式分类：假如测量值增加时，调节器的输出信号也增加，则称为正作用调节器;如果测量值增加时，输出信号减小的则称为反作用调节器。按仪表所用能源分类：利用被条介质本身作为能源工作的，称直接作用调节器（自力式调节器）;使用外加电源工作的，称间接作用调节器，常用的有电动调节器、气动调节器、液动调节器。第四章过程控制装置2、调节器384.2.1调节器调节规律的实现：从调节规律来讲，PID调节器是模拟调节器中最完善的调节器。使PID调节器的积分时间TI→∞时，即得到了PD调节器;使微分时间TD=0时，即成为PI调节器;同时使TI→∞和TD=0时，则成为P调节器。可见，PID、PI,PD和P调节器的组成是基本相同的，它们之间只是运算电路部分有所不同。PID调节器实际上是一个运算装置，实现对输入信号的比例、积分、微分等各种运算功能。在电动调节器中，用得最多的是采用运算放大器与阻容(RC)电路相结合的方法实现。第四章过程控制装置2、调节器39第四章过程控制装置2、调节器40第四章过程控制装置2、调节器集成运算放大器具有高增益、高输入阻抗、低输出阻抗等特点，因此各种运算规律可直接由加接到线性运算放大器的负反馈回路来实现。41第四章过程控制装置2、调节器反向输入电路42第四章过程控制装置2、调节器434.2.2PID调节器的硬件结构(1)PID调节器的组成及原理从整定方式来分，调节器有普通型和电压整定型两种。普通型和电压整定型调节器的基本组成是相同的，区别只是在参数整定电路方面。在普通型调节器中，参数的整定只能就地进行，可以用调整电位器的阻值或用波段开关切换电阻或电容来改变整定参数；在电压整定型调节器中，整定参数P、TI、TD受外加电压控制。因此可以做到远程整定、第三参数整定、自整定等。下面围绕普通型PID调节器进行分析讨论。第四章过程控制装置2、调节器44第四章过程控制装置2、调节器45

(2)电动调节器目前在工业上广泛应用的DDZ-Ⅲ电动调节仪表采用线性集成电路作为线路中的核心组件，采取防爆设计，具有先进可靠的防爆结构。DDZ-Ⅲ型调节器按照功能不同，可分成基型调节器和特殊调节器两类，而基型调节器有两个品种，一种是全刻度指示调节器，另一种是偏差指示调节器。它们的电路相同，只是指示电路有些差异。下面主要讨论DTZ-2100型全刻度指示调节器。第四章过程控制装置2、调节器46DTZ-2100型全刻度指示调节器是最基本的一种调节器，它除了具有PID运算功能外，还具有被调参数的显示、给定值的显示及表示阀门位置的显示功能。基型调节器具有以下主要特点。采用了高增益、高阻抗线性集成电路组件，提高了仪表的精度、稳定性和可靠性，降低了功耗。有软、硬两种手动操作方式，软手动与自动之间由于有保持状态而使调节器输出能够长期保持。便于功能扩展。在基型调节器基础上可增加各种不同的功能组件，如前馈调节、自动选择调节等。采用标准信号。能与计算机联用。第四章过程控制装置2、调节器47第四章过程控制装置2、调节器48调节器有三种主要工作状态：

“自动”状态变送器来的1～5VDC输入电压信号与给定值信号相比较后的偏差信号，由“PD回路”和“PI回路”组成的PID运算回路进行运算，再由输出回路转换成驱动信号，控制执行器动作。

软手动操作手动改变调节器的输出信号实现操作。

硬手动操作直接操作硬手动操作杆改变调节器的输出信号实现操作。

第四章过程控制装置2、调节器49第四章过程控制装置2、调节器50第四章过程控制装置2、调节器51第四章过程控制装置2、调节器52第四章过程控制装置2、调节器说明书53第四章过程控制装置2、调节器+

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mAV+-热电偶热电阻二线变送器DC24V~220VNLRLKMmAVRLNLSCR三线变送器输入输出54第四章过程控制装置2、调节器VA(D+)B(D-)GNDRS485RS232RS232USB转RS232线RS484转RS232智能PID调节器554.3执行器执行器的作用是接受调节器送来的控制信号，自动地改变操纵量(如介质流量、热量等)，达到对被调参数(如压力、温度、液位等)进行调节的目的。因此是自动调节系统的终端部件，而调节阀则是执行器中最广泛使用的形式。执行器一般分为三大类：气动执行器、电动执行器和液动执行器。4.3.1气动执行器气动执行器是以压缩空气为能源的执行器(习惯上指气动调节阀)，它的主要特点是:结构简单、动作可靠、性能稳定、故障率低、价格便宜、维修方便、本质防爆、容易做成大功率等。第四章过程控制装置3、执行器56它不仅能与气动单元组合仪表配套使用，而且可以通过电－气转换器或电－气阀门定位器，能与电动调节仪表或控制计算机配套使用。与电动执行器相比，性能优越得多，故广泛应用于石油、化工、冶金、电力、纺织等工业部门中。

第四章过程控制装置3、执行器57气动执行器由气动执行机构和调节机构(阀体)两部分组成。执行机构是执行器的推动装置，它按调节器输出气压信号(20-100kPa)的大小产生相应的推力，推动调节机构动作。气动执行器根据需要还可以配上阀门定位器和手轮机构等辅助装置。第四章过程控制装置3、执行器58气动执行器的结构简介：

(1)执行机构气动执行机构有多种结构形式，主要分为薄膜执行机构、活塞执行机构、长行程执行机构和滚动膜片执行机构。实际应用中广泛采用的是薄膜执行机构和活塞执行机构。

①气动薄膜执行机构是最常用的一种气动执行机构，按动作方式可分为正作用式和反作用式。气动薄膜执行机构的行程规格有10、16、25、40、60、100mm等。薄膜的有效面积有200、280、400、630、1000、1600cm2六种规格。弹簧和膜片是影响执行机构线性特性的关键零件。一般为为了得到较大推力就要使用较大的薄膜。第四章过程控制装置3、执行器59

活塞执行机构：也属于强力气动执行机构。由于气缸允许操作压力高达0.5MPa，且无弹簧抵消推力，因此具有很大的输出推力，特别适用于高静压、高压差、管道口径较大的场合。它的输出特性有两位式和比例式。两位式活塞行程一般为25-100mm,适用于双位调节的控制系统中。比例式是指推杆的行程与输入压力信号成比例关系。它带有阀门定位器，特别适用于调节质量要求较高的控制系统。第四章过程控制装置3、执行器60(2)调节机构（调节阀）调节机构习惯上称为调节阀，是执行器的调节部分。调节阀根据阀芯的动作形式，可分为直行程式和转角式两大类。直行程式阀主要包括直通双座阀、直通单座阀、角阀、三通阀、高压阀、隔膜阀、阀体分离阀等;转角式阀有碟阀、凸轮阀、球阀等。第四章过程控制装置3、执行器61调节阀有正作用和反作用两种。当阀芯向下位移时，阀芯与阀座之间的流通截面积减少时，称为正作用式或正装；反之，则称为反作用式或反装。对于阀芯直径DN<25mm的结构为单导向，只能是正装。第四章过程控制装置3、执行器62

第四章过程控制装置3、执行器63(3)调节阀的流量特性调节阀的流量特性是指被调介质的流量与阀门的相对开度之间的关系。第四章过程控制装置3、执行器64在实际使用调节阀时，由于调节阀串联在管路中或与旁路阀并联，因此阀前后的压差总在变化。

串联管道工作流量特性：△P＝△P1+△Pvs＝△Pv/△P

当s=1时，管道阻力损失为零，系统总压降全落在阀上，工作特性与理想特性一致。随着s值的减小，管道阻力损失增加，调节阀流量特性发生畸变，实际可调比减小。通常希望s值不低于0.3~0.5。第四章过程控制装置3、执行器65并联管道的工作流量特性当x=1时，表示旁路阀全关，调节阀特性为理想流量特性。随着x值的减小，即旁路阀的逐渐开大，调节阀的可调比大大降低。因此，实际使用中要尽量避免开通旁路阀的调节方式，以保证调节阀有足够的可调比。若要打开旁路阀，旁路流量q2最多只能为总流量q的百分之十几。第四章过程控制装置3、执行器66(4)调节阀的流量系数和口径计算通过调节阀的流量与阀芯阀座的结构、阀前后的压差、流体的性质等因素有关。通常用流量系数表示通过调节阀的流体流通能力。为了使各类调节阀在比较时有一个共同的基础，我国规定的流量系数定义为：在给定行程下，阀两端的压差为0.1MPa,流体密度为1000kg/m3时每小时流经调节阀的流量数(m3/h)，以C表示。当调节阀全开时的流量系数称为额定流量系数，以C100表示。C100反应了调节阀容量大小，是确定调节阀口径大小的主要依据，由阀门制造厂提供给用户。工程计算中都通过计算流量系数来确定调节阀的公称通径。第四章过程控制装置