过程控制 第五章

主编倪志莲龚素文机械工业出版社过程控制与自动化仪表1过程控制与自动化仪表第5章过程控制装置熟悉DDZ-Ⅲ型调节器的基本构成及应用特点、调校方法。掌握AI系列数字式调节仪的使用方法。掌握调节阀的类型、特性及使用方法。3了解调节器的分类及主要功能。124了解电-气转换器及阀门定位器的工作原理及适用条件。熟悉安全栅的基本类型及使用方法。562过程控制与自动化仪表5.1控制器在自动控制系统中，检测仪表将被控变量转换成测量信号后，一方面送显示仪表进行显示记录，另一方面送到控制仪表，调节被控变量到预定的数值上。这些控制仪表分为变送器、调节器及执行器等几类，它的发展经历了基地式控制仪表、单元组合式控制仪表及计算机控制系统等阶段。3过程控制与自动化仪表5.1.1基地式调节器和自力式调节器1.基地式调节器用磁电式指示仪表和放大电路组成的基地式调节器，只需配接适当的传感器（如热电偶）和执行器件，就能构成兼有显示功能的简单调节系统。其结构紧凑、使用方便，但是它的被调参数不能改变。4过程控制与自动化仪表XCT系列指示调节仪表主要结构示意图5.1.1基地式调节器和自力式调节器1—动圈2—指针3—标尺4—铝旗5—线圈6—高频振荡电路7—电炉8—加热丝9—测温元件10—调节螺杆11—设定针12—针挡5过程控制与自动化仪表2.自力式调节器5.1.1基地式调节器和自力式调节器6过程控制与自动化仪表比例式液位调节器原理图5.1.1基地式调节器和自力式调节器7过程控制与自动化仪表5.1.2电动单元式调节器单元组合式控制仪表是将整套仪表按照功能划分成若干独立的单元，各单元之间用统一的标准信号连接。单元组合式控制仪表按照连接信号的不同可分为气动单元组合式控制仪表和电动单元组合式控制仪表两类。8过程控制与自动化仪表1.DDZ-Ⅲ型仪表概述DDZ-Ⅲ型仪表是模拟式控制器中较为常见的一种，它用来自变送器或转换器的1～5V直流测量信号作为输入信号，与1～5V直流设定信号相比较得到偏差信号，然后对此信号进行PID运算后，输出1～5V或4～20mA的直流控制信号，从而实现对工艺变量的控制。DDZ-Ⅲ型仪表传输示意图5.1.2电动单元式调节器9过程控制与自动化仪表2.分类与型号（1）分类根据单元功能及结构特点，DDZ-Ⅲ型仪表大体有八个基型品种：①差压型二线制变送器；②温度变送器；③安全栅；④调节器；⑤指示记录仪；⑥计算单元；⑦电-气转换器；⑧电源箱。按使用场所分为危险场所和安全场所两种仪表：按安装方式可分为现场安装、盘面安装和盘后安装三种仪表。按仪表在系统中的作用和特点可分为变送单元、转换单元、显示单元、调节单元、计算单元及辅助单元等。（2）型号Ⅲ型电动仪表以电（Dian）、单（Dan）、组（Zu）三字的汉语拼音字母标志，即DDZ，整套仪表取名为DDZ-Ⅲ型电动单元组合式控制仪表。5.1.2电动单元式调节器10过程控制与自动化仪表3.调节单元结构原理

DDZ-Ⅲ型调节器原理框图5.1.2电动单元式调节器11过程控制与自动化仪表4.DDZ-Ⅲ型电动单元调节器的基本使用方法（1）通电准备（2）用手动操作启动（3）由手动切换到自动（4）自动控制（5）由“自动”切换到“手动”（6）“内”给定与“外”给定的切换5.1.2电动单元式调节器12过程控制与自动化仪表5.1.3数字式控制器数字式控制器以其强大的控制功能、灵活方便的操作手段、清晰直观的数字显示以及安全可靠、性价比高等特点，逐渐得到推广应用。数字式控制器以微处理器为运算和控制核心，可由用户编制程序，组成各种控制规律。数字式控制器有如下主要特点：1）实现了模拟仪表与计算机一体化。2）具有丰富的运算控制功能。3）使用灵活方便，通用性强。4）具有通信功能，便于系统扩展。5）可靠性高，维护方便。13过程控制与自动化仪表5.1.3数字式控制器AI系列人工智能调节仪是国内数字显示仪表中的典型代表，内部采用高性能ASIC芯片和先进的模块化结构，适合温度、压力、流量、液位及湿度等的精确控制，其通用性强，功能强大；采用AC85～264V输入范围的开关电源或DC24V电源供电，输入采用数字校正系统，内置常用热电偶及热电阻非线性校正表格，测量精确稳定；采用先进的AI人工智能调节算法，无超调，具备自整定（AT）功能。14过程控制与自动化仪表5.1.3数字式控制器1.主要技术参数（1）输入参数有多种信号输入方式。（2）测量范围（3）测量准确度（4）分辨率（5）响应时间（6）调节方式（7）输出参数（模块化）（8）报警功能（9）手动功能（10）电源（11）使用环境15过程控制与自动化仪表5.1.3数字式控制器2.仪表接线AI系列智能仪表调节仪仪表接线图16过程控制与自动化仪表5.1.3数字式控制器3.面板及显示状态说明AI系列智能仪表调节仪面板8-数据增加键9-光柱10-给定值显示窗11-测量值显示窗1-调节输出指示灯2-报警1指示灯3-报警2指示灯4-AUX辅助接口工作指示灯5-显示转换6-数据移位7-数据减少键17过程控制与自动化仪表5.1.3数字式控制器AI系列智能仪表调节仪的显示状态18过程控制与自动化仪表5.1.3数字式控制器4.基本使用操作（1）显示转换（2）修改数据（3）手动／自动切换（4）设置参数5.AI仪表主要参数设置

19过程控制与自动化仪表5.2执行器执行器在自动控制系统中接受调节器的控制号，改变操纵变量，使生产过程按预定要求正常执行。执行器由执行机构和控制机构两部分组成。执行器按其能源形式分为液动、气动和电动三大类。20过程控制与自动化仪表5.2.1气动执行器气动执行器通常称为气动调节阀、气动控制阀，是以被压缩的空气作为能源来操纵控制机构的。气动执行器外形21过程控制与自动化仪表１.气动执行器的结构与分类（1）执行机构气动执行机构主要分为薄膜式和活塞式两种。（2）控制机构控制机构即调节阀、控制阀，是一个局部阻力可以改变的节流元件。气动执行器结构示意图1—薄膜（波纹膜片）2—阀杆3—阀芯4—阀座5.2.1气动执行器22过程控制与自动化仪表控制阀的结构类型阀体内只有一个阀芯与阀座角形阀的两个接管呈直角形，一般为底进侧出阀体内有两个阀芯和阀座5.2.1气动执行器23过程控制与自动化仪表控制阀的结构类型三通阀共有三个出入口与工艺管道连接。其流通方式有合流（两种介质混合成一路）型和分流（一种介质分成两路）型两种。采用耐腐蚀衬里的阀体和隔膜又名翻板阀5.2.1气动执行器24过程控制与自动化仪表控制阀的结构类型又名套筒形调节阀，它的阀体与一般的直通单座阀相似。又名偏心旋转阀，它的阀芯呈扇形球面状，与挠曲臂及轴套一起铸成，固定在转动轴上。球阀的阀芯与阀体都呈球形，转动阀芯使之与阀体处于不同的相对位置时，就具有不同的流通面积，以达到流量控制的目的。球阀阀芯有Ｖ形和Ｏ形两种开口形式。5.2.1气动执行器25过程控制与自动化仪表2.调节阀的流量特性调节阀的流量特性是指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）之间的关系，即相对流量相对开度5.2.1气动执行器26过程控制与自动化仪表（1）调节阀的理想流量特性在不考虑调节阀前后压差变化时得到的流量特性称为理想流量特性。它取决于阀芯的形状，主要有直线、等百分比（对数）、抛物线及快开等几种。不同流量特性的阀芯形状1—快开2—直线3—抛物线4—等百分比理想流量特性1—快开2—直线3—抛物线4—等百分比5.2.1气动执行器27过程控制与自动化仪表（2）调节阀的工作流量特性在实际生产中，调节阀前后压差总是变化的，这时的流量特性称为工作流量特性。１）串联管道的工作流量特性。串联管道的情况管道串联时调节阀压差变化情况系统总压差Δp管路系统（除调节阀外的全部设备和管道的各局部阻力之和）的压差Δp2调节阀的压差Δp1+=5.2.1气动执行器28过程控制与自动化仪表管道串联时调节阀的工作特性Ｓ表示调节阀全开时阀上压差与系统总压差（即系统中最大流量时压力损失总和）之比。5.2.1气动执行器29过程控制与自动化仪表2）并联管道的工作流量特性。并联管道的情况管路的总流量Ｑ+=并联管道时调节阀的工作特性旁路流量Ｑ２调节阀流量Ｑ１x代表并联管道时控制阀全开时的流量Q1max与总管最大流量Qmax之比5.2.1气动执行器30过程控制与自动化仪表综合串、并联管道的情况，可得如下结论：1）串、并联管道都会使阀的理想流量特性发生畸变，串联管道的影响尤为严重。2）串、并联管道都会使调节阀的可调范围降低，并联管道尤为严重。3）串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流量增加。4）串、并联管道会使调节阀的放大倍数减小，即输入信号变化引起的流量变化值减少。串联管道时调节阀若处于大开度，则Ｓ值的降低对放大倍数影响更为严重；并联管道时调节阀若处于小开度，则ｘ值降低对放大倍数影响更为严重。5.2.1气动执行器31过程控制与自动化仪表3.调节阀的选择（1）调节阀结构与特性的选择

调节阀的结构形式主要根据工艺条件，如温度、压力及介质的物理、化学特性（如腐蚀性、粘度等）来选择。（2）气开式与气关式的选择气动执行器有气开式与气关式两种形式。气开、气关组合方式5.2.1气动执行器32过程控制与自动化仪表（3）调节阀口径的选择调节阀口径选择是否合适将直接影响到控制效果。调节阀口径的选择是由调节阀流量系数Ｃ决定的。流量系数Ｃ的定义为：在给定的行程下，当阀两端压差为100kPa，流体密度为1g/cm3时，流经调节阀的流体流量（以m3/h表示）。调节阀的流量系数C表示调节阀容量的大小，是表示调节阀流通能力的参数。Ｑ是流经阀的流量（m3/h

）ρ是流体密度（g/cm3）p1-p2是阀前后的压差（kPa）5.2.1气动执行器33过程控制与自动化仪表4.气动执行器的安装和维护１）为便于维护检修，气动执行器应安装在靠近地面或楼板的地方。２）气动执行器应安装在环境温度不高于＋60℃和不低于－40℃的地方，并应远离振动较大的设备。３）阀的公称通径与管道公称通径不同时，两者之间应加一段异径管。４）气动执行器应该是正立垂直安装于水平管道上。５）通过调节阀的流体方向在阀体上有箭头标明，不能装反，正如孔板不能反装一样。６）调节阀前后一般应各装一只切断阀，以便修理时拆下调节阀。考虑到调节阀发生故障或维修时，不影响工艺生产的继续进行，一般应装旁路阀。７）调节阀安装前，应对管路进行清洗，排去污物和焊渣。８）在日常使用中，要对调节阀经常维护和定期检修。5.2.1气动执行器34过程控制与自动化仪表5.2.2电动执行器电动执行器与气动执行器一样，也是控制系统中常用的执行器。它接收来自控制器的0～10mA或4～20mA的直流电流信号，并将其转换成相应的角位移或直行程位移，去操纵阀门、挡板等控制机构，从而实现自动控制。电动执行器按执行机构的不同可分为角行程、直行程和多转式等类型。35过程控制与自动化仪表1.基本结构（1）执行机构的基本结构电动执行器的外形图智能电动执行机构5.2.2电动执行器36过程控制与自动化仪表（2）调节阀的基本结构电动执行器中的调节阀与气动执行器基本相同。最常用的是直通单座阀和直通双座阀两种。（3）控制器的结构5.2.2电动执行器37过程控制与自动化仪表2.执行机构的工作原理电动执行机构是以伺服电动机为驱动源、以直流电流为控制及反馈信号。5.2.2电动执行器38过程控制与自动化仪表3.线路连接与调试（１）线路连接只需两路线———电源线和控制线。执行机构电气连接图5.2.2电动执行器39过程控制与自动化仪表（2）调试执行机构在出厂前都进行了整定，一般使用时不需要再调试。实际使用中可能需要对调节阀的开度进行整定。１）基本原则。三位同步：调节阀位置、限位开关位置和对应信号位置。２）整定方法。5.2.2电动执行器40过程控制与自动化仪表4.智能控制器的使用（1）面板说明智能控制器操作面板图①阀门位置自动定位指示灯，简称自整定AT指示灯②执行器输出轴朝上运动指示灯③执行器输出轴朝下运动指示灯④手动控制指示灯⑤自动控制指示灯⑥报警指示灯⑦参数设置键（兼参数显示操作）⑧数据键（兼手动朝上操作）⑨数据键（兼手动朝下操作）⑩数据修改移位键（兼手动/自动切换操作）。⑾控制值显示窗/故障信息显示窗（前三位数值）⑿阀位值显示窗（后三位数值）5.2.2电动执行器41过程控制与自动化仪表（2）数码显示状态1）正常显示状态。2）故障显示状态。（3）操作说明1）基本操作。2）阀门位置自动定位操作（4）主要参数功能5.2.2电动执行器42过程控制与自动化仪表5.电动调节阀的安装和使用注意事项1）电动调节阀最好是正立垂直安装在水平管道上，特殊需要时也可任意安装（除使电动调节阀倒置外）。在阀自重较大和有振动场合倾斜安装时应加支承架。2）安装时，应使介质的流通方向和阀体标定箭头方向一致，电动调节阀一般应设置旁通管路。阀的口径与管路直径不一致时，应采用渐缩管件。电动调节阀的安装地点应留有足够的空间，以便调试与维修。3）安装电动调节阀时应避免给阀带来附加应力，当调节阀安装在管道较长的地方时，应安装支承架；安装在振动剧烈的场合时，应采取相应的避振措施。4）在安装电动调节阀前，应清洗管道，清除污物，安装后使阀全开，再对管路、阀进行清洗及检查各连接处的密封性。5.2.2电动执行器43过程控制与自动化仪表5）注意防潮，应防止灰尘加快阀杆与填料的磨损，引起填料处泄露。另外，若安装在露天场合，应加装保护罩，以防暴晒雨淋。6）打开电动执行机构外罩即可进行外部接线，在执行机构和阀开始工作之前，以及移开外壳之前，应切断执行机构的主电源。7）将AC220V电源相线连接执行机构的到“9”端，中性线连接到“10”端；接地线连接到接地端。8）为避免冷凝水进入执行机构，在环境温度变化较大或湿度较大的情况下，需要安装加热电阻。9）手轮操作：必须先断电源，再手动操作手轮。10）在安装电动调节阀时，不要直接采用电焊，以免损坏内部电子电路。5.2.2电动执行器44过程控制与自动化仪表5.3其他辅助仪表当采用电动仪表或计算机进行控制时，就要配用电-气转换器或电-气阀门定位器，将电信号转换为标准气压信号，以便和薄膜式气动调节阀或活塞式气动调节阀配套使用。电-气转换示意图45过程控制与自动化仪表5.3.1电-气转换器一种力平衡式的电-气转换器原理图。电-气转换器的原理图46过程控制与自动化仪表5.3.2阀门定位器1）用于高压差的场合.2）用于高压、高温或低温介质的场合。3）用于介质中含有固体悬浮物或黏性流体的场合。4）用于调节阀口径较大的场合。5）用于实现分程控制。6）用于改善调节阀的流量特性。阀门定位器的作用图47过程控制与自动化仪表2.电-气阀门定位器的工作原理5.3.2阀门定位器由调节器来的4～20mA信号输入线圈后，动铁磁化而产生磁场；同时，动铁又位于永久磁钢所产生的磁场之中。因此，两个磁场相互作用，使动铁产生以支点为中心的偏转电磁力矩。在动铁的一端固定有挡板，所以动铁的偏转改变了喷嘴与挡板之间的间隙，从而引起气动功率放大器背压的变化，背压的变化经气动功率放大器放大后，得到20~100kPa的气压信号，驱动气动薄膜调节阀的阀杆动作。利用调节阀推杆的位移，带动比例臂，使比例臂另一端的反馈凸轮轴转动，凸轮推动反馈杆，通过反馈弹簧给动铁以反馈力矩，使动铁达到力的平衡，从而实现输入电流与阀位的比例关系。

48过程控制与自动化仪表3.电-气阀门定位器的调校阀门定位器调校连接图1—过滤器2—减压器3—电-气阀门定位器4—百分表5—百分表架6—0.5级压力表7—气动薄膜调节阀8—0.5级毫安表9—恒流给定器（0～20mA）5.3.2阀门定位器49过程控制与自动化仪表5.3.3安全火花防爆系统及安全栅1.安全火花防爆系统的概念（1）仪表防爆基本知识

安全火花防爆的实质就是限制火花的能量。在纯电阻电路中，这种能量主要取决于电压和电流的数值。当电路的电压限制在直流30V时，各种爆炸性混合物可按其最小引爆电流分为三级。级别最小引爆电流/mA爆炸性混合物种类Ⅰi120甲烷、乙烷、汽油、甲醇、乙醇、丙酮、氨、一氧化碳等Ⅱ70i120乙烯、乙醚、丙烯腈等Ⅲi≤70氢、乙炔、二硫化碳、市用煤气、水煤气、焦炉煤气等50过程控制与自动化仪表5.3.3安全火花防爆系统及安全栅我国对危险场所危险性的划分爆炸性物质区域定义国家标准气体（CLASSⅠ）在正常情况下，爆炸性气体混合物连续或长时间存在的场所0区在正常情况下，爆炸性气体混合物有可能出现的场所1区在正常情况下，爆炸性气体混合物不可能出现，仅仅在不正常情况下，偶尔或短时间出现的场所2区粉尘或纤维（CLASSⅡ/Ⅲ）在正常情况下，爆炸性粉尘或可燃纤维与空气的混合物可能连续、短时间频繁地出现或长时间存在的场所10区在正常情况下，爆炸性粉尘或可燃纤维与空气的混合物不可能出现，仅仅在不正常情况下，偶尔或短时间出现的场所11区51过程控制与自动化仪表5.3.3安全火花防爆系统及安全栅根据可能引爆的最小火花能量，我国和欧洲国家及世界上大部分国家和地区将爆炸性气体分为四个危险等级。工况类别气体分类代表性气体最小引爆火花能量/mJ矿井下Ⅰ甲烷0.280矿井外的工厂ⅡA丙烷0.180ⅡB乙烯0.060ⅡC氢气0.01952过程控制与自动化仪表（2）安全火花防爆仪表与结构防爆仪表相比，安全火花防爆仪表的优点如下：1）防爆等级比结构防爆仪表高一级，可用于后者所不能胜任的氢气、乙炔等最危险的场所。2）长期使用不会降低防爆等级。3）可用安全火花型测试仪器在危险现场进行带电测试和检修5.3.3安全火花防爆系统及安全栅本质安全型仪表设备按安全程度和使用场所不同，可分为Exia和Exib两类。Exia的防爆级别高于Exib。Exia级本质安全仪表在正常工作状态下以及电路中存在两起故障时，电路元件不会发生燃爆。在ia型电路中，工作电流被限制在100mA以下。Exib级本质安全仪表在正常工作状态下以及电路中存在一起故障时，电路元件不发生燃爆。在ib型电路中，工作电流被限制在150mA以下。

53过程控制与自动化仪表（3）安全火花防爆系统本质安全型仪表适用于一切危险场所和一切爆炸性气体、蒸气混合物，并可以在通电的情况下进行维修和调校。但是它不能单独使用，必须和本质安全型关联设备（安全栅）、外部配线一起组成本质安全型防爆系统，才能发挥防爆功能。安全火花防爆系统的基本结构图5.3.3安全火花防爆系统及安全栅54过程控制与自动化仪表2.安全栅安全栅又称为安全保持器。目前使用的安全栅