化工仪表自动化基础知识

化工仪表及自动化根底知识孙继红DTCO同煤120万吨甲醇工程筹备处引入两个概念控制智能控制内容综述第一章化工仪表自动化的根本概念第二章检测仪表及传感器第三章计算机控制系统第四章根本控制理论及专业特点第一章化工仪表自动化的根本概念1-1化工仪表自动化的主要内容

化工生产过程自动化，主要包括自动检测、自动保护、自动操纵、自动控制等方面内容。

1.自动检测系统

利用各种检测仪表对工艺参数进行测量、指示或记录称为自动检测系统2.自动信号和联锁保护系统在生产中对某些参数超出允许范围进入联锁系统采取紧急措施使系统进入平安状态称为自动信号和联锁保护系统。如ESD、SIS

3.自动操纵及自动开停车系统(顺序控制〕

根据预先设定的程序自动对生产设备进行周期性操作的称为自动操纵及自动开停车系统4.自动控制系统

对生产过程进行监控使其到达预期工艺要求的称为自动控制系统DTCO1-2自动控制系统的组成1自动化装置的的三大功能〔1〕检测眼睛〔2〕运算〔思考〕大脑〔3〕执行手2自动化装置的三个局部〔1〕测量元件及变送器〔眼睛及神经)〔2〕自动控制器〔大脑分析发出指令〕〔3〕执行器〔手动〕DTCO1-3自动控制系统按工艺过程进行分类1.模拟控制〔定值〕要求控制系统使被控对象的工艺参数保持在一个生产指标上不变2.随动控制要求所控制的工艺参数准确、快速地跟随给定值的变化3.顺序控制要求生产技术指标按一定的时间程序变化DTCODTCO1-4化工生产过程主要参数化工生产过程要检测的主要参数有：温度、压力、流量、液位等。过程参数仪表位号的字母代号如下：

字母

第一位字母

后继字母

被测变量或初始变量

修饰词

功能

A分析

报警B喷嘴火焰

取样冷却器、冷端补偿器C电导率

控制，调节D密度或重度差

E电压（电动势）

检测元件F流量比（分数）

G尺度（尺寸）

玻璃H手动

I电流

指示J功率扫描

K时间或时间程序

操作器L物位

灯M水份或湿度

N浓度

气源，电源P压力或真空

试验点（接头）Q数量或件数积分累计积分累计R放射性

记录或打印S速度或频率安全开关或联锁T温度

传送U多变量

多功能V拈度

阀，风门W重量或力

套管Z位置

驱动，执行或未分类的执行器，电磁阀等第二章检测仪表及传感器关键词：放大、转换2-1根本概念1、误差误差分为绝对误差和相对误差，绝对误差是测量的给出值与被测参数的真值之间的差值，公式表示为：△=xi—xt〔△——绝对误差，xi——指示值，xt——真实值〕相对误差是绝对误差和这一点标准表的指示值之比：y=△/x02、精度精度=3、变差变差=4、分辨率5、线性度6、反响时间DTCO△max仪表量程X100%正反行程最大绝对差值仪表量程X100%2-2主要工艺参数的检测方法一、压力1、公式：p=F/S2、单位：1pa〔帕)=1N(牛〕/m2〔平方米〕表1.doc3、表压和绝压P表压=P绝对压力—P大气压力P真空度=P大气压力—P绝对压力4、分类按测量压力的转换原理分四大类①液柱式压力计如：U型管压力计、单管压力计、斜管压力计②弹性压力计如：弹簧管压力计、波纹管压力计、膜式压力计③电气式压力计如：霍尔微压传感器、压力变送器④活塞式压力计根据水压机液体传送压力的原理制成的校验仪DTCO5、着重介绍：电气式压力计组成：压力传感器、测量电路、信号处理装置传感器四种类①、霍尔片式压力传感器〔利用霍尔元件将由压力引起的位移转成霍尔电势〕②、应变式压力传感器〔电阻应变原理〕③、压阻式压力传感器〔单晶硅式的压阻效应〕④、力矩平衡式压力传感器〔力矩平衡矢量负反响〕⑤、电容式压力传感器〔压力变化转化为电容量的变化〕智能式压力传感器〔增加了智能化组态、量程修改、自校准、自诊断〕与手操器配合，可远离生产现场，尤其是危险或不易到达的地方，运行维护带来方便。DTCO2、常用压力检测仪表

〔1〕弹性式压力表①膜片②波纹管波纹管③弹簧管弹簧管平薄膜波纹膜波纹管单圈弹簧管

多圈弹簧管

(2)压力传感器

①应变片式压力传感器②压电式压力传感器③压阻式压力传感器④电容式压力传感器⑤集成式压力传感器弹簧管压力表

箔式应变片压电式压力传感器结构示意图

压阻式压力传感器结构示意图

电容式压力传感器示意图压阻式集成传感器检测元件示意图二.流量检测及仪表分类1、速度式流量计〔差压式流量计、转子式流量计、电磁流量计、涡轮流量计、堰式流量计〕2、容量式流量计〔椭圆齿轮流量计〔罗茨〕、活塞式流量计〕3、质量流量计4、热导式流量计DTCO〔1〕、速度式流量计〔1〕节流装置—包括孔板、喷嘴和文丘管Q=K*Sqr(∆P)节流装置前后的压力分布情况

节流装置与差压变送器连接要使仪表的指示值与通过管道的实际流量相符，必须做到以下几点①差压变送器的差压和显示仪表流量标尺选择时应与节流装置孔径匹配。②在测量蒸汽和气体流量时，遇到工作条件的密度p与设计时的密度pc不相同，必须对示数进行修正。③显示仪表测量值(差压信号)要经开方运算线性化处理后再送显示仪表。④节流装置应正确安装。⑤接至差压变送器的差压应该与节流装置前后差压相一致，这就需要正确安装差压信号管路。〔如后面图示〕(2)靶式流量计F≈K*Q

靶式流量计示意图

(3)转子流量计转子流量计示意图

(4)涡轮流量计

涡轮流量计示意图

(5)电磁流量计电磁流量计工作原理图

(6)旋涡流量计q=f/k旋涡发生原理图

(7)超声波流量计∆t≈2Lv/c2超声波测速原理图

三、物位检测及仪表测量两相物料的分界面的位置，叫物位测量(例如测量气相液相间分界面称液体测量)，完成这种测量任务的仪表叫做物位计。按其工作原理分类如下：

①直读式物位仪表如：玻璃管液位计、玻璃板液位计②差压式物位仪表利用液体或物料堆积对定点产生压力的原理③浮力式物位仪表利用浮子随液位变化的原理④电磁式物位仪表利用物位的变化转换成电信号测量物位，有电阻式、电容式和电感式等⑤核辐射式物位仪表利用核辐射透过物料其强度随厚度变化的原理⑥声波式物位仪表利用物位变化引起声阻抗的变化原理⑦光学物位仪表利用物位对光波遮断和反射的原理DTCO

(1)差压式液位计

——利用静压原理来测量

静压式液位测量原理液位测量的正迁移常用物位检测仪表

正迁移:当差压式液位计的取压口低于储槽底部

P1=PB+hopg=PA+hρg+hoρgP2=PAΔP=P1-P2=hρg+hoρg液位测量的负迁移负迁移:当差压式液位计的取压口高于储槽底部P1=PA+hρ1g+hoρ2gP2=PA+h1ρ2gΔP=P1一P2=hρ1g-〔h1-ho〕ρ2g利用差压式液位计还可以测量液体的分界面

P1=h0ρ2g+(h1+h2)ρ1gP2=(h2+h1+h0)ρlg

Δp=Pl-P2=ρ0g(ρ2-ρ1)

用差压式液位计测分界面原理图

P1=PA+hρgP2=PAΔP=Pl-P2=hρg

(2)电容式物位计

电容式物位计原理图(3)超声波物位计

H=(1/2)vt(1—26)超声波液位检测原理

(4)核辐射式物位计射线方法检测物位示意图(5)磁翻转式液位计磁翻转式液位计示意图四、温度检测及仪表温度是表征物体冷热程度的物理量，根据测温方式分为接触式和非接触式两种1、接触式温度测量仪表①膨胀式温度计利用热胀冷缩原理，如玻璃管温度计、双金属温度计②压力式温度计根据封闭系统的液体、气体受热体积膨胀压力升高的原理制成，再用压力表测量压力得到相对应的温度值③热电偶温度计基于热电效应原理，适合500℃以上④热电阻温度计利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性，适合500℃以下2、非接触式温度测量仪表①辐射式光学高温计基于物体热辐射作用②红外线光学测温仪通过测量物体的红外线强度测量温度

热电偶介绍(a)热电偶热电效应EAB(θ，θ0)=EAB(θ)一EAB(θ0)EAB(θ，θ0)=f(θ)一C=Φ(θ)

〔b〕热电偶测温回路工业常用热电偶外形结构

普通型热电偶铠装热电偶多点式热电偶隔爆型热电偶外表型热电偶

普通型热电偶根本结构图铠装热电偶热电阻分类☆金属热电阻

工业用热电阻的结构型式有普通型、皑装型和专用型等型式

a)铜电阻b)铂电阻c)电阻体的外肜

普通热电阻结构

☆半导体热敏电阻a)珠形b)棒形c)管形

半导体热敏电阻结构

2-3二次仪表将检测仪表及传感器的信号进行转化、显示、控制、输出的单一组合仪表统称为二次仪表。具体由显示仪表和控制仪表组成。二次仪表按信号分为气动和电动两大类：国产气动控制仪表有QDZ—Ⅰ〔膜片式〕QDZ—Ⅱ〔波纹管式〕，采用20~100KPa气动标准信号。电动显示控制仪表有DDZ—Ⅱ型〔0~10mA〕，DDZ—Ⅲ型〔4~20mA〕。进而开展成由微处理器完成上述功能的智能化显示控制仪表，如无纸记录仪、可编程回路控制仪等。2-4执行器接收控制器来的控制信号，改变被控介质流量，到达对流量、压力、温度、液位、平衡等的控制的设备称为执行器。按动力形式分为气动、电动、液动三大类按作用方式分为调节阀和程控阀气动调节阀：程控阀：电—气转换器电—气阀门定位器执行机构控制阀门开度电信号电磁阀气源液动〔气动〕先导阀执行机构电信号控制阀门开关一、执行机构

〔一〕气动执行机构气动薄膜执行机构图

(a)l一上膜盖；2一波纹薄膜；3一下膜盖；4一支架；5一推杆；6一压缩弹簧；7一弹簧座；8一调节件；9一螺母；10～行程标尺(b)1一上膜盖；2～波纹薄膜；3一下膜盖；4一密封膜片；5一密封环；6一填块；7一支架；8一推杆；9一压缩弹簧；10一弹簧座；ll一衬套；12一调节件；13一行程标尺

(1)薄膜式

①传统型(a〕正作用(b)反作用

②侧装式气动执行机构

(a〕正作用——气关(b)反作用——气开

侧装式气动执行机构③轻型气动执行机构

直行程反作用式

采用双重弹簧的轻型执行机构图

活塞式执行机构结构图

电动执行机构一般可以分为直行程、角行程、多转式三种。

直行程电动执行机构通常用来推动单座、双座、三通、套筒等控制阀。

角行程电动执行机构常用来推动蝶阀、球阀、偏心旋转阀等转角式控制阀。

多转式电动执行机构通常用于推动问阀或由执行电动机带动旋转式的调节机构，如各种泵等。二、控制阀

〔二〕电动执行机构(2)活塞式〔一〕控制阀结构控制阀机构示意

控制阀是一个局部阻力可以改变的节流元件控制阀的正反作用由于执行机构有正、反两种作用方式，控制阀也有正、反两种作用方式，因此就可以有四种组合方式组成气开或气关型式

气动控制阀气开、气关组合方式图

关键词：灵活、可靠第三章计算机控制系统3.1概述计算机控制系统种类：DCSPLCFCSESDSISITCC等DCS：集散控制系统DistributionControlSystemPLC：可编程控制器ProgramableLogicControlESD：紧急停车系统EmergencyShouDownFSC：故障平安控制FaultSaftControlFCS：现场总线控制系统FieldbusControlSystemSIS：平安仪表系统safetyinstrumentsystemITCC:综合透平压缩机控制系统integratedturbine﹠compressorcontrolsystemDTCO主要控制系统PLC、DCS简介1968年美国GM〔通用汽车〕公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable

Controller〔PC〕。

个人计算机〔简称PC〕开展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable

Logic

Controller〔PLC〕DCS是继1969年PLC问世后，由HONEYWELL公司在1975年首先推出的系统DCS是分散控制系统〔DistributedControlSystem〕的简称，国内一般习惯称为集散控制系统。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机〔Computer〕、通讯〔Communication〕、显示〔CRT〕和控制〔Control〕等4C技术，其根本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。3.2PLC、DCS控制系统的特点和差异分析PLC和DCS由于在早期开发时，是由两种技术人员开发的，面向不同的控制对象。PLC主要针对于汽车制造，模拟量极少甚至没有，开发人员主要是电气技术人员，它用计算机的逻辑运算代替继电器逻辑。稍晚一点推向市场的是DCS，它是由原来的仪表技术人员开发的，它在运算放大器的根底上用计算机的模拟运算代替原来的模拟运算。这两者所研究的内容不同，DCS首先应用在石化系统，后来两者都想占有市场，PLC增加了模拟量的运算，DCS开发了逻辑运算。但两者在新开发的局部都存在有一些缺陷，PLC开发的模拟量运算功能块少，编程较为复杂，价格也比较昂贵。DCS开发的逻辑运算一个与非门的运算需要几十毫秒，而PLC只要零点几毫秒。DTCO3.3DCS系统DCS系统组成：包括三大局部：带I/O部件的控制器、通讯网络和人机接口。人机接口包括操作站、工程师站和历史站。控制器I/O部件和生产过程相联接，操作站和人相联系，通讯网络把这两局部联成系统。DCS的设计思想：分散控制，集中管理DCS的特点：(1)高可靠性由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失。此外，由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。

(2)开放性DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采用局域网方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。

(3)灵活性通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态，即确定测量与控制信号及相互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用根本图形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。

(4)易于维护功能单一的模块华结构，支持在线插拔，具有维护简单、方便的特点，当某一局部件出现故障时，可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换，迅速排除故障。

(5)协调性各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共享，协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。

(6)控制功能齐全控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地参加所需的特殊控制算法。DCS的构成方式十分灵活，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成，也可由通用的效劳器、工业控制计算机和可编程控制器构成。处于底层的过程控制级一般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制，并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机。生产监控级对来自过程控制级的数据进行集中操作管理，如各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等。随着计算机技术的开展，DCS可以按照需要与更高性能的计算机设备通过网络连接来实现更高级的集中管理功能，如方案调度、仓储管理、能源管理等。

DTCO可组态下拉菜单可组态工具条操作导航区报警画面的调用登入不同的权限最近未确定的最紧急报警标签式显示

组态画面流程图画面3、4紧急停车系统ESD紧急停车系统ESD〔emergencyshutdowndevice〕是一种独立于生产过程控制系统的用于大型装置的平安联锁保护系统。在正常情况下，通过平安保护系统实时在线监测装置的平安，当装置出现紧急情况时直接发出保护联锁信号对工艺流程实行联锁保护或紧急停车。车，以防止危险扩散造成巨大损失。ESD系统是基于三重模块冗余TMR〔threemoduleredund〕结构的容错控制器。它将3路〔每路称为一个分电路〕相互隔离、并行的和具有广泛的自诊断功能的控制系统集成为一个系统，用三取二表决电路来提供高度完善、无过失、不间断的过程操作，不会因为单点的故障而导致系统失效。第四章根本控制理论及专业特点4.1根本控制理论1、PID控制的原理和特点在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。公式：p=Kp(e+∫edt+Td)其中PID参数为比例放大系数Kp、积分时间Ti、微分时间Td1、比例参数Kp的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。

2、积分作用参数Ti的一个最主要作用是消除系统的稳态误差。Ti越大系统的稳态误差消除的越快，。在控制系统的前向通道中只要有积分环节总能做到稳态无静差。

3、微分作用参数Td的作用是改善系统的动态性能，其主要作用是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。

1___Tide___dt2、简单控制回路组成：测量元件、变送器、控制器、控制阀和被控对象方框图其他复杂控制：串级控制、均匀控制、比值控制、前馈控制等控制器执行器被控对象测量变送装置给定值+偏差—干扰被控变量COMPCPUSYNCCPUBUFFERCOMPCPUSYNCCPUBUFFER控制侧备用侧INPUTOUTPUTBUFFERBUFFER3、冗余容错技术甲醇工程涉及的典型控制顺序控制：加煤控制模拟控制：锅炉汽包给水三冲量控制1、加煤控制煤粉贮存在煤粉贮仓中，当煤粉锁斗处于常压状态时，关闭煤粉锁斗出口的下阀，翻开煤粉锁斗进口的上阀，使煤粉贮仓的煤粉自流进入煤粉锁斗，料满后关闭上阀，通入高压氮气加压后翻开下阀使煤粉自流进入煤粉给料仓中，卸完后关闭下阀，排出氮气降至常压，再循环上述过程。煤粉给料仓中的煤粉由管道通过高压CO2送往气化炉喷嘴。开始〔原始状态〕翻开锁斗进口上阀翻开锁斗进口下阀锁斗料满否关闭锁斗进口上阀锁斗进口上阀关闭否氮气加压关闭锁斗进口下阀是是否否等待计时超时报警返回2、锅炉汽包给水三冲量控制锅炉三冲量控制原理图