仪表自动化培训1

0化工仪表及自动化

1一、基础知识二、压力检测仪表三、流量检测仪表四、温度检测仪表五、物位检测仪表六、气动执行器七、控制系统八、集散型控制系统（DCS）目录2在生产过程中，利用自动化仪表装置来检测、显示、控制生产过程中的重要工艺参数，自动的维持生产过程的正常运行，当工艺参数受到外界干扰的影响而偏离正常状态时，能自动的调回到规定的参数范围内。化工自动化定义一、基础知识3人工控制与自动控制一、基础知识4．测量误差测量误差是指测得值与被测量真值之间的差值.仪表精确度精确度可称精度，又称准确度。精确度和误差可以说是孪生兄弟，因为有误差的存在，才有精确度这个概念.灵敏度是指仪表对被测参数变化的灵敏程度，或者说是对被测的量变化的反应能力反应时间反应时间就是用来衡量仪表能不能尽快反应出参数变化的品质指标。反应时间长，那就不宜用来测量变化频繁的参数。滞后:

一个现象与另一密切相关的现象相对而言的落后迟延;尤指物理上的果没有及时跟着因而出现,或指示器对所记录的改变了的情况反应迟缓。5=人工控制向自动控制人脑眼睛四肢控制器检测仪表执行器人工控制与自动控制一、基础知识6安全防爆的仪表系统现场（危险场所）控制室（非危险场所）1~5V4~20

mAV出I入24VDC4~20mA稳压源I入I出24VDC24VDC信号电源信号电源电源变送器执行器安全栅安全栅控制器7现代的DCS控制系统一、基础知识8

化工自动化目的提高工作效益降低生成成本保证生产安全减轻劳动强度化工自动化目的一、基础知识9化工自动化的基本组成显示控制仪表检测仪表执行器一、基础知识10

仪表类型及信号仪表类型电动仪表气动仪表4~20mADC（1~5VDC）AI——模拟量输入，4~20mA，如压力、液位等；

AO——模拟量输出，4~20mA,如调节阀

DO——开关量输出,如阀开关

DI——开关量输入，如阀位状态、泵状态等

另外还有脉冲信号，以及RTD（热电阻）、TC(热电偶）信号一、基础知识11仪表位号仪表工位号：参数符号+功能符号+数字，如：TIC2310。参数符号：A:分析；C：电导率；D：密度；E：电压；I：电流；J：功率；K：时间；Q:数量；S：速度、频率F:流量；L：液位；P：压力；T：温度；手操；V：振动；W:重量功能符号A：报警；R：记录；C：调节；I：指示；Q：累积；T：变送；CV：自力式G：现场监视V:阀门；S:连锁数字12...9一、基础知识2、压力的测量与变送

在压力测量中，通常有绝对压力，表压力、负压、或真空度等名词。绝对压力是指介质所受的实际压力。表压是指高于大气压的绝对压力与大气压之差，即：

P表=P绝-P大负压与真空度是指大气压力与低于大气压力的绝对压力之差122、压力的测量与变送

压力测量仪表的品种，规格甚多。常用的压力测量方法和仪表有：通过液体产生或传递压力来平衡被测压力的平衡法。属于应于这类方法的仪表有液柱式压力计和活塞式压力计；将被测压力通过一些隔离元件（如弹性元件）转换成一个集中力，并在测量过程中用一个外界力（如电磁力或气动力）来平衡这个未知的集中力，然后通过对外界力的测量而得知被测压力的机械力平衡法。力平衡式压力变送器就是属于应用此法的例子；根据弹性元件受压后产生弹性变型的大小来测量弹性力平衡法。属于这类应用方法的仪表很多，若根据所用弹性元件来分，可分为薄膜式，波纹管式，弹簧管式压力表；能过机械和电子元件将被测压力转换在成各种电量（如电压、电流、频率等）来测量的电测法。例如电容式、电阻式、电感式、应变片式和霍尔片式等变送器应于此法的压力测量仪表。132、压力的测量与变送

目前，石油化工生产中应用中广泛的一种压力测量仪表是弹性元件。根据测压范围不同，常用的测压元件有单圈弹簧管、多圈弹簧管、膜片、膜盒、波纹管等。在被测介质压力的作用下，弹性元件发生弹性变型，而产生相应的位移，能过转换位置，可将位移转换成相应的电信号或气信号，以远传显示，报警或调节用。1415弹簧管压力表

1—弹簧管；2—拉杆；3—扇形齿轮；4—中心齿轮；5—指针；6—面板；7—游丝；8—调整螺丝；9—接头弹簧压力表二、压力检测仪表16二、压力检测仪表弹性式压力计弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件,在被测介质压力的作用下,使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。如图2—9所示，弹性元件分别为弹簧管（a）(b)，膜片(c)，膜盒(d)，波纹管（e）。17普通压力表耐震压力表膜片式压力表电接点压力表弹簧管压力表

二、压力检测仪表压力表的选型按照使用环境和测量介质的性质选择精确度等级的选择外型尺寸的选择测量范围的选择安装附件的选择18压力表的安装测压点的选择，所选择的测压点能反映被测压力的真实情况。导压管铺设压力表的安装压力表的连接处应加装密封垫片1920将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。图2-5电气式压力计组成方框图压力变送器二、压力检测仪表2、压力的测量与变送

21基础振子引伸张力硅膜片过程压力变送器工作原理图22电容式压力变送器

图2-8电容式测量膜盒1—中心感应膜片(可动电极)；2—固定电极；3—测量侧；4—隔离膜片压力变化电容量的变化转变4~20mA输出二、压力检测仪表23智能差压变送器

3051C型智能差压变送器（4～20mA）方框图二、压力检测仪表24压力（差压）变送器

差压变送器压力变送器二、压力检测仪表压力变送器的选型变送器要测量什么样的压力什么样的压力介质变送器需要多大的精度变送器的温度范围以及变送器的封装2526差压式（也称节流式）流量计利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的流量与压力差ΔP的平方根成正比，即Q=K。1，2切断阀；3平衡阀差压计阀组安装示意图

孔板差压式流量计三、流量检测仪表27涡街流量计三、流量检测仪表28漩涡流量计以卡门涡街理论为基础，采用压电晶体检测流体通过管道内三角柱时所产生的旋涡频率，从而测量出流体的流量。

图3-12卡门涡列

漩涡流量计三、流量检测仪表(a)圆柱涡列；(b)三角柱涡列29质量流量计三、流量检测仪表30质量流量计三、流量检测仪表31电磁流量计测量原理是法拉第电磁感应定律,用来测量导电液体。三、流量检测仪表32转子/金属浮子流量计三、流量检测仪表金属管浮子流量计采用可变面积式测量原理，适用于测量液体、气体。

全金属结构，有指示型、电远传型。

玻璃管转子流量计金属浮子流量计转子流量计的主要测量元件为一根垂直安装的下小上大锥形玻璃管和在内可上下移动的浮子。适应温度检测仪表温度是表征物体冷热程度的物理量。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有华氏温标、摄氏温标。

33温度检测仪表

华氏温标（oF）规定：在标准大气压下，冰的熔点为32度，水的沸点为212度，中间划分180等分，每第分为报氏1度，符号为oF。

摄氏温度（℃）规定：在标准大气压下，冰的熔点为0度，水的沸点为100度，中间划分100等分，每第分为报氏1度，符号为℃。T=5/9（t0-32）℃34温度测量仪表温度测量仪表按测温方式可分为接触式和非接触式两大类。

通常来说接触式测温仪表测温仪表比较简单、可靠，测量精度较高；但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交互，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。

非接触式仪表测温是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快；但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，其测量误差较大。3536双金属温度计图5-1双金属片利用液体或固体受热时产生热膨胀的原理,可以制成膨胀式温度计。四、温度检测仪表双金属温度计是利用两种不同金属在温度改变时膨胀程度不同的原理工作的。工业用双金属温度计主要的元件是一个用两种或多种金属片叠压在一起组成的多层金属片。为提高测温灵敏度，通常将金属片制成螺旋卷形状。当多层金属片的温度改变时，各层金属膨胀或收缩量不等，使得螺旋卷卷起或松开。由于螺旋卷的一端固定而另一端和一可以自由转动的指针相连，因此，当双金属片感受到温度变化时，指针即可在一圆形分度标尺上指示出温度来。这种仪表的测温范围是200~650℃，允许误差均为标尺两程的1%左右。这种温度计和棒状的玻璃液体温度计的用途相似，但可使用在机械强度要求更高的条件下。37双金属温度计WSSXN系列耐震双金属温度计是一种测量中低温度的现场检测仪表。可以直接测量各种生产过程中的-80℃～+500℃范围内的液体、蒸汽和气体介质及环境场所恶劣且有振动的温度。该耐震电接点双金属温度计从仪表内部充耐震油,可有效克服机械振动带来的指针抖动.在设计原理及结构上具有防水、防腐蚀、耐震动、直观、易读数、无汞害、坚固耐用等特点，耐震电接点双金属温度计广泛应用于石油、化工、机械、船舶、发电、纺织、印染等工业和科研部门。3839热电阻利用金属的电阻随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。工业上使用的铂电阻主要有分度号为Pt100,它的R0=100Ω。Cu50,它的R0=50Ω四、温度检测仪表热电阻内部结构图电阻体的几种基本结构

铂热电阻有两线制，三线制，四线制几种，两线制在测量中误差较大，已不使用，现在工业用一般是三线制的，实验室用一般为四线制。

40注意三线制铂热电阻是在电阻的a端并联一个c端，从而实现电阻引出a，b，c三个接线端子，这样，由b导线引入的测量导线本身的电阻，可以由c导线来补偿，使引线电阻不随温度变化而引入的引线电阻误差的影响减小很多。在二次仪表中，均有可变阻值的电桥，根据所配合的铂热电阻的量程不同，可以对二次仪表的电桥中的铂热电阻进行微调，能进行更精确的测量。

热电阻的接线方法

41热电偶两种不同成份的导体两端焊接在一起，当工作端和参比端存在温差时，就在回路中产生热电势，通过热电势的测量就知道对应温度值。工业上使用的热电偶有K型（镍铬-镍硅）、S型（铂铑-铂）等。四、温度检测仪表“热电效应”。热电偶就是利用这一效应来工作的。热电偶冷端的温度补偿

42温度变送器温度变送器为24V供电、二线制的一体化变送器。将热电阻或热电偶的信号放大，并转换成4-20mA的输出电流。四、温度检测仪表43物位检测仪表分类液体颗粒液体液体液位计料位计介面计物位仪表五、物位检测仪表44玻璃板液位计容器连接构联通器，透过玻璃板直接指示容器的液位。

五、物位检测仪表45磁翻板液位计根据浮力原理和磁性耦合作用原理工作的

。当被测容器中的液位升降时，液位计本体管中的磁性浮子也随之升降，浮子内的永久磁钢通过磁耦合传递到磁翻柱指示器，驱动红、白翻柱翻转180°，当液位上升时翻柱由白色转变为红色，当液位下降时翻柱由红色转变为白色，指示器的红白交界处为容器内部液位的实际高度，从而实现液位清晰的指示。

五、物位检测仪表46差压液位变送器五、物位检测仪表47差压式液位计差压式液位计原理图将差压变送器的一端接液相，另一端接气相五、物位检测仪表48雷达液位计雷达式液位计示意图五、物位检测仪表49浮球液位计浮力和静磁场原理浮球式液位变送器浮球式液位变送器由磁性浮球、测量导管、信号单元、电子单元、接线盒及安装件组成。一般磁性浮球的比重小于0.5，可漂于液面之上并沿测量导管上下移动。导管内装有测量元件，它可以在外磁作用下将被测液位信号转换成正比于液位变化的电阻信号，并将电子单元转换成4～20mA或其它标准信号输出。该变送器为模块电路，具有耐酸、防潮、防震、防腐蚀等优点，电路内部含有恒流反馈电路和内保护电路，可使输出最大电流不超过28mA，因而能够可靠地保护电源并使二次仪表不被损坏。50其他液位计电容式液位计超声波液位计

磁致伸缩液位计(电容量的变化)五、物位检测仪表51物位开关

音叉液位开关浮球液位开关阻旋式液位开关五、物位检测仪表52六、气动执行器执行器的分类气动执行器电动执行器液动执行器气动执行器调节阀切断阀53执行器的组成调节机构执行机构辅助机构调节阀的组成六、气动执行器54执行机构气动薄膜气动活塞执行机构的分类六、气动执行器55图11-3正作用式气动薄膜执行机构

1—上膜盖；2—波纹膜片；3—下膜盖；4—支架；5—推杆；6—弹簧；7—弹簧座；8—调节件；9—连接阀杆螺母；10—行程标尺图11-4反作用式气动薄膜执行机构

1—上膜盖；2—波纹膜片；3—下膜盖；4—密封膜片；5—密封环；6—填块；7—支架；8—推杆；9—弹簧；10—弹簧座；11—衬套；12—调节件；13—行程标尺执行机构的作用方式六、气动执行器56调节机构（阀）直通单座阀直通双座阀角形阀蝶阀球阀调节机构的分类六、气动执行器57调节阀的作用方式气开式（FC）气关式（FO）调节阀的作用形式六、气动执行器58

主要从工艺生产上安全要求出发。信号压力中断时，应保证设备和操作人员的安全。如果阀处于打开位置时危害性小，则应选用气关式，以使气源系统发生故障，气源中断时，阀门能自动打开，保证安全。反之阀处于关闭时危害性小，则应选用气开阀。选择要求压力信号增加时，阀关小、压力信号减小时阀开大的为气关式。反之，为气开式。

气开式与气关式的选择六、气动执行器59调节阀的流量特性直线等百分百快开流量特性的分类六、气动执行器60电气阀门定位器电磁阀辅助机构六、气动执行器61控制与控制系统控制是指为达到预先给定的目的，作用于系统的有目的的动作。控制系统是指由被控对象和控制装置所构成的，能够对被控对象的工作状态进行调节、使之具有一定的状态和性能的系统。例如：

62控制与控制系统组成：(1)传感器:将贮槽液位信息转为特定信号(如U、I等)，并传送到控制器，相当于人工控制时眼睛的作用。(2)控制器:接受变送器送来的信号，与由生产工艺要求确定的给定液位信号比较得出偏差，按某种运算规则算出结果，并将此结果转换为特定信号发送到执行器，相当于人工控制时大脑的作用。(3)执行器:即此处的控制阀2，它根据控制器送来的信号大小自动调节阀门的开启度，相当于人工控制时手和阀的组合63图12-3简单控制系统的方块图利用系统框图可清楚、方便地表示自动控制系统中各个组成部分之间的相互关系，在研究自动控制系统时，通常用方框图表示控制系统的组成。七、控制系统64基本控制规律比例控制（P）积分控制（I）微分控制（D）七、控制系统65常用的控制规律比例控制（P）比例积分控制（PI）比例微分控制（PD）比例积分微分控制（PID）七、控制系统66

PID参数说明任何闭环控制系统的首要任务是要稳(稳定)、快(快速)、准(准确)的响应命令。PID调整的主要工作就是如何实现这一任务。P：比例（度）带加快系统的响应，它的作用于输出值较快，但不能很好稳定在一个理想的数值，不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响，但有余差出现，比例度越小，会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。比例度越大，比例效果越弱，反之越强。I：积分能在比例的基础上消除余差，它能对稳定后有累积误差的系统进行误差修整，减小稳态误差。积分时间越长，积分效果越弱，反之越强。D：微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分参与控制，在微分项设置得当的情况下，对于提高系统的动态性能指标，有着显著效果，它可以使系统超调量减小，稳定性增加，动态误差减小。微分时间越长，微分效果越强，反之越弱。综上所述，P---比例控制系统的响应快速性，快速作用于输出，好比“现在”(现在就起作用，快);I---积分控制系统的准确性，消除过去的累积误差，好比“过去”(清除过去，回到准确轨道);D---微分控制系统的稳定性，具有超前控制作用，好比“未来”(放眼未来，未雨绸缪，稳定才能发展)。调整的时候，所要做的任务就是在系统结构允许的情况下，在这三个参数之间权衡调整，达到最佳控制效果，实现稳快准的控制特点。67PID整定口决PID整定口决参数整定找最佳，从小到大顺序查先是比例后积分，最后再把微分加曲线振荡很频繁，比例度盘要放大曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳曲线偏离回复慢，积分时间往下降曲线波动周期长，积分时间再加长曲线振荡频率快，先把微分降下来动差大来波动慢。微分时间应加长理想曲线两个波，前高后低4比1一看二调多分析，调节质量不会低68PID参数整定方法

在自动调节系统中，E=SP-PV。其中，E为偏差、SP为给定值、PV为测量值。当SP大于PV时为正偏差，反之为负偏差。比例调节作用的动作与偏差的大小成正比；当比例度为100时，比例作用的输出与偏差按各自量程范围的1：1动作。当比例度为10时，按10：1动作。即比例度越小，比例作用越强。比例作用太强会引起振荡。太弱会造成比例欠调，造成系统收敛过程的波动周期太多，衰减比太小。其作用是稳定被调参数。积分调节作用的动作与偏差对时间的积分成正比。即偏差存在积分作用就会有输出。它起着消除余差的作用。积分作用太强也会引起振荡，太弱会使系统存在余差。微分调节作用的动作与偏差的变化速度成正比。其效果是阻止被调参数的一切变化，有超前调节的作用。对滞后大的对象有很好的效果。但不能克服纯滞后。适用于温度调节。使用微分调节可使系统收敛周期的时间缩短。微分时间太长也会引起振荡。69液位控制系统温度控制系统七、控制系统简单控制系统70锅炉水位系统的三冲量控制

串级控制系统适用于时间常数及纯滞后较大的对象.串级系统与单回路系统的区别在于前者可获得可测中间变量,并利用它构成副反馈回路,对影响中间变量的干扰进行预先调节,从而改善整个系统的动态品质,

。七、控制系统串级控制系统71影响汽包水位的主要参数是蒸汽流量和给水流量，即称三冲量在正常的操作运行中，一般外界对液位调节系统的干扰有两个。一是蒸汽负荷变化对液位的影响。当系统管网蒸汽用量突然增大时，系统管网蒸汽压力下降，蒸汽流量增加引起汽包内压力减小，汽化强度增大，蒸发面以下产生的汽泡增多，气泡挤占蒸发面下水的空间，造成水位不仅不下降反而上升的“虚假水位”。为了克服“虚假水位”的影响，水位控制器输出回路中引入了蒸汽流量前馈信号，使水位控制回路产生一个令给水量与蒸汽量同方向变化的信号，减少或抵消了“虚假水位”可能引起的给水量调节误动作。二是给水流量变化对液位的影响。由于给水温度较低，当给水量增加后，使汽包内汽泡量减少，即使给水量突然增加，汽包的水位一开始也不会增加，而要经过一段时间后，液位才能上升。水位控制与给水流量控制采用串级控制，给水流量控制作为水位串级控制回路中的付回路，可以超前于水位快速和有效地克服来自给水流量本身所产生的波动，减少了调节滞后时间，提高了调节品质，保证汽包水位在正常范围内操作。这种控制方案是传统的汽包三冲量复杂控制，属于前馈加串级的控制系统

七、控制系统串级控制系统72串级控制系统典型方块图七、控制系统串级控制系统73

串级控制系统的结构串级控制系统有两个闭合回路。主回路是个定值控制系统,副回路是个随动系统。在串级控制系统中,主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺参数。副变量的引入往往是为了提高主变量的控制质量,它是基于主,副变量之间具有一定的内在关系而工作的。七、控制系统74在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路，不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而且对作用于主对象上的干扰也能加速克服过程。副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。因此，在串级控制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补充，充分发挥了控制作用，大大提高了控制质量。小结七、控制系统75比值控制系统工业上为了保持两种或两种以上物料的比值为一定的控制叫比值控制。几个概念主物料、主动信号从物料、从动信号七、控制系统76开环比值控制从物料量Q2与主物料量Q1的比值关系为开环比值控制七、控制系统77

结构简单，只需一台纯比例控制器，其比例度可以根据比值要求来设定。主、副流量均开环；这种比值控制方案对从物料量Q2本身无抗干扰能力。所以这种系统只能适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合。

特点七、控制系统78单闭环比值控制

单闭环比值控制系统是为了克服开环比值控制方案的不足，在开环比值控制系统的基础上，通过增加一个副流量的闭环控制系统而组成的。

单闭环比值控制这种方案的优点是结构简单,能确保两流量比值不变,是应用最多的方案。七、控制系统79

分程控制就是由一只调节器的输出信号控制两只或更多只控制阀,每只控制阀在控制器输出信号的某段范围内工作。分程控制示意框图七、控制系统分程控制系统从控制系统的结构来看,分程控制属于单回路的定值控制系统,其控制过程与简单控制系统一样。80

1.生产中需用多种物料作调节介质的过程图13-20热交换器温度分程控制采用热水与蒸汽两种不同物料作为调节介质,在一般控制系统中难于实现,但在分程控制系统中,不仅充分利用了热水,而且节省了蒸汽。七、控制系统分程控制系统应用场合81有时生产过程负荷变化很大,要求有较大范围的流量变化。若用一个控制阀,由于控制阀的可调范围R是有限的,当最大流量和最小流量相差太悬殊时,就会降低控制系统的控制质量,这时可采用分程控制系统。阀门动作示意图分程控制七、控制系统分程控制系统应用场合2.用来保证在不同负荷下的正常控制82复杂控制系统串级控制系统

均匀控制系统比值控制系统分程控制系统

前馈控制系统

选择控制系统

三冲量控制系统

七、控制系统83控制系统投用工艺人员仪表人员1、现场仪表、阀门校验2、控制器正反作用检查3、控制阀气开、气关检查4、。。1、阀门动作方向2、参数设定…3、控制器手/自动切换4、..七、控制系统84八、集散