自动化仪表装置

自动化仪表装置四川工程职业技术学院电气化教研室张斌第一章绪论自动化仪表的概念自动化仪表的发展自动化仪表的分类仪表的基本技术指标典型的自动化仪表控制系统第一章绪论自动化仪表的概念 自动化仪表不是指电流表、电压表、示波器这些通用仪表，而是指生产自动化中，特别是连续生产过程自动化中必需的一类专门的仪器仪表。其中包括对工艺参数进行测量的检测仪表、根据测量值对给定值的偏差按一定的调节规律发出调节命令的调节仪表以及根据调节仪表的命令对进出生产装置的物料或能量进行控制的执行器等。这些仪表代替人们对生产过程进行测量、控制、监督和保护，是实现生产过程自动化必不可少的技术工具。第一章绪论第一章绪论自动化仪表的发展

(1)仪表化与局部自动化(20世纪50～60年代)阶段 这个阶段的主要特点是： 采用的过程检测控制仪表为基地式仪表和部分单元组合式仪表，而且多数是气动仪表； 过程控制系统的结构绝大多数是单输入—单输出系统； 被控参数主要是温度、压力、流量和液位四种工艺参数； 控制的目的主要是保持这些工艺参数的稳定、确保生产安全； 过程控制系统分析、综合的理论基础是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论。

第一章绪论(2)综合自动化(20世纪60～70年代中期)阶段 大量采用单元组合仪表(包括气动和电动)和组装式仪表。与此同时，计算机开始应用于过程控制领域，实现了直接数字控制(DirectDigitalControl，DDC)和设定值控制(StatisticalProcessControl，SPC)。在自动化仪表过程控制系统的结构方案方面，相继出现了各种复杂的控制系统，如串级控制、前馈—反馈复合控制、Smith预估控制以及比值、均匀、选择性控制等，一方面提高了控制质量，另一方面也满足了一些特殊的控制要求。自动化仪表控制系统的分析与综合的理论基础，由经典控制理论发展到现代控制理论。控制系统由单变量系统转向多变量系统，以解决生产过程中遇到的更为复杂的问题。

第一章绪论(3)全盘自动化(20世纪70年代中期至今)阶段 开始采用以微处理器为核心的智能单元组合仪表(包括可编程序控制器等)；成分在线检测与数据处理的应用也日益广泛；模拟调节仪表的品种不断增加，可靠性不断提高，电动仪表也实现了本质安全防爆，适应了各种复杂过程控制的要求。在过程控制系统的结构方面，由单变量控制系统发展到多变量系统，由生产过程的定值控制发展到最优控制、自适应控制，由自动化仪表控制系统发展到计算机分布式控制系统等。

第一章绪论

当前，自动化仪表控制已进入了计算机时代，进入了所谓计算机集成过程控制系统(ComputerIntegratedProcessSystem，CIPS)的时代。CIPS利用计算机技术，对整个企业的运作过程进行综合管理和控制，包括市场营销、生产计划调度、原材料选择、产品分配、成本管理，以及工艺过程的控制、优化和管理等全过程。分布式控制系统，先进过程控制策略以及网络技术、数据库技术等将是实现CIPS的重要基础。第一章绪论自动化仪表的分类

一般将自动化仪表分为过程检测仪表和过程控制仪表

一次仪表

过程检测仪表

二次仪表自动化仪表

调节器、可编程调节器 过程控制仪表 执行器 操作器

第一章绪论检测仪表-----将检测元件、变送器及显示装置统称为检测仪表。一次仪表-----一般为将被测量转换为便于计量的物理量所使用的仪表，即为检测元件。二次仪表-----将测得的信号变送转换为可计量的标准电气信号并显示的仪表。即包括变送器和显示装置。第一章绪论自动化控制仪表按使用能源分，有液动仪表、气动仪表和电动仪表；按结构形式分，有基地式仪表、单元组合式仪表和组装式仪表等；按信号类型分，有模拟式仪表和数字式仪表。单元组合式仪表又分为气动单元组合仪表和电动单元组合仪表。第一章绪论仪表的基本技术指标 (1)测量范围、上下限及量程

每个用于测量的仪表都有测量范围，它是该仪表按规定的精度进行测量的被测变量的范围。测量范围的最小值和最大值分别称为测量下限和测量上限，简称下限和上限。 仪表的量程可以用来表示其测量范围的大小，是其测量上限值与下限值的代数差，即 量程=测量上限值-测量下限值

第一章绪论

(2)误差

绝对误差：示值与公认的约定真值之差称为绝对误差，即 绝对误差=示值－约定真值

相对误差：绝对误差与约定真值之比称为相对误差，常用百分数表示，即 相对误差（%）=绝对误差/约定真值

引用误差：用绝对误差占约定真值的百分数来衡量仪表的精度比较合理，但仪表多应用在测量接近上限值的量，因而用量程取代约定真值则得到引用误差如下式所示 引用误差（%）=绝对误差/量程 最大引用误差（%）=最大绝对误差/量程第一章绪论

(3)精确度 仪表的精确度通常是用允许的最大引用误差去掉百分号(%)后的数字来衡量的。 按仪表工业规定，仪表的精确度划分成若干等级，简称精度等级，如0.1级、0.2级、0.5级、1.0级、1.5级、2.5级等。由此可见，精度等级的数字越小，精度越高。例：某温度计的刻度由-50℃～200℃，即其测量范围为250℃，若在这个测量范围内，最大测量误差不超过2.5℃，则其相对百分误差δ=2.5/250=1.0%第一章绪论例：某台测温仪表的工作范围为0~500℃，工艺要求测温时测量误差不超过±4℃，试问如何选择仪表的精度等级才能满足要求？ 解根据工艺要求，仪表的最大引用误差为去掉最大引用误差的“±”号和“%”号，其数值为0.8，介于0.5~1.0之间，若选择精度等级为1.0级的仪表，其最大绝对误差为±5℃，超过了工艺上允许的数值，故应选择0.5级的仪表才能满足要求。第一章绪论 小结：在确定一个仪表的精度等级时，要求仪表的允许误差应该大于或等于仪表校验时所得到的最大引用误差；而根据工艺要求来选择仪表的精度等级时，仪表的允许误差应该小于或等于工艺上所允许的最大引用误差。这一点在实际工作中要特别注意。第一章绪论典型的自动化仪表控制系统 这是电动单元组合仪表构成的控制系统第一章绪论过程控制系统的一般框图第二章过程检测仪表2.1温度检测仪表温度与温标测温方法温度变送器温度检测仪表的使用第二章过程检测仪表1、温度与温标温度：表征物体冷热程度的物理量温标：用来量度物体温度数值的标尺经验温标：摄氏温标、华氏温标温标热力学温标摄氏温度和华氏温度的关系：t(oF)=1.8t(℃)+32热力学温标与摄氏温度的关系：t=T−273.15第二章过程检测仪表2、测温的方法接触式测温、非接触式测温第二章过程检测仪表2、测温的方法 电气测温仪表精度高，便于信号传输，应用广泛热电偶、热电阻热电偶温度计 热电偶的测温原理：是利用热电偶的热电效应来测量温度的。 工业常用的热电偶有普通热电偶、铠装热电偶等第二章过程检测仪表2、测温的方法 普通热电偶

1—出线孔密封圈；2—出线孔螺母；3—链条；4—面盖；5—接线柱；6—密封圈；7—接线盒；8—接线座；9—保护管；10—绝缘子；11—热电偶第二章过程检测仪表2、测温的方法 铠装热电偶

1—接线盒；2—金属套管；3—固定装置；4—绝缘材料；5—热电极第二章过程检测仪表2、测温的方法

热电阻温度计 利用导体和半导体的电阻 随温度变化这一性质做成 的温度计称为热电阻温度计

1－出线孔密封圈；2－出线孔螺母； 3－链条；4－面盖；5－接线柱； 6－密封圈；7－接线盒；8－接线座； 9－保护管；10－绝缘子；10－引出线； 11－感温元件；12－感温元件第二章过程检测仪表3、温度变送器

热电偶、热电阻是用于温度信号检测的一次元件，它需要和显示单元、控制单元配合，来实现对温度或温差的显示和控制。（1）标准电信号 显示和控制都采用标准的电信号，1973年4月国际电工委员会(I.E.C)通过的标准规定，过程控制系统的模拟信号为DC4mA～20mA，电压信号为DC1V～5V，我国的DDZ—Ⅲ型仪表规定，现场传输信号用DC4mA～20mA，控制室内各仪表间的联络信号用DC1V～5V。第二章过程检测仪表3、温度变送器 为什么采用直流电流信号？(资料P6) 两线制变送器：所谓两线制变送器就是将供电的电源线与信号的传输线合并起来，一共只用两根导线

采用两线制的优点?(资料P6)第二章过程检测仪表3、温度变送器 DDZ-III型温度变送器 一体化温度变送器 智能型温度变送器第二章过程检测仪表4、温度检测仪表的使用（1）温度检测仪表的选择原则必须满足生产工艺要求。根据测温范围和精度等级确定仪表量程及其精度等级；必须注意仪表的工作环境。（2）接线方式

第二章过程检测仪表4、温度检测仪表的使用（2）接线方式

第二章过程检测仪表变送器的调整 量程调整、零点调整

工程应用中变送器进行零点迁移与量程调整可以提高其灵敏度

量程调整（满度调整）-----目的是使变送器的输出信号的上限值(Ⅲ型变送器为20mADC)与测量范围的上限值相对应，即提高测量精度。量程调整相当于改变变送器的输入输出特性的斜率第二章过程检测仪表变送器的调整

零点调整和零点迁移-----其目的都是使变送器输出信号的下限值ymin(即标准统一信号下限值)与测量范围的下限值xmin相对应。在xmin＝0时为零点调整；在xmin≠0时为零点迁移。正迁移、负迁移。第二章过程检测仪表2.2压力检测仪表 压力的概念和表示方法 压力的检测方法和压力检测仪表 压力检测仪表的选用和安装 压力检测仪表实例 新型检测仪表(无纸记录仪、多路巡检仪）第二章过程检测仪表1、压力的概念和表示方法 在工程上将垂直而均匀作用在单位面积上的力称为压力，两个测量压力之间的差值称为压力差或压差，工程上习惯叫差压。

压力单位：牛顿/米2，帕斯卡（Pa）,千帕(kPa)，兆帕(MPa)，巴(bar)，磅/英寸2(psi)绝对压力、表压和负压（真空度）的关系 绝对压力是指作用在单位面积上的全部压力 高于大气压的绝对压力与大气压力之差称为表压 低于大气压力的被测压力称为负压或真空度

第二章过程检测仪表2、压力的检测方法和压力检测仪表 目前工业上常用的压力检测方法和压力检测仪表很多，根据敏感元件和转换原理的不同，一般分为四类： 液柱式压力检测： 弹性式压力检测：薄膜式弹性元件和波纹管式弹性元件多用于测量微压和低压。尤其是波纹管在压力作用下易于变形，位移大，它测量的压力一般不超过1MPa。 电气式压力检测： 活塞式压力检测：常用压力计： 弹性压力计

电气式压力计（应变片式压力计、霍尔片式压力计）第二章过程检测仪表压力检测仪表实物

第二章过程检测仪表压力检测仪表实物CWSP100数字压力表可以广泛的使用在：油田采油、回注及污水处理、石油物探、钻井、车载压力测量、天然气石油管道输送、热电厂高温介质压力测量、铁路列车液压称重、煤气管道施工检漏、各类计量室、实验室。 测量范围：-0.1MPa0~0.01MPa~260MPa范围内各种量程

输出信号：4-20mA；RS485或频率信号；

精度等级：0.05级或0.1级或0.16级或0.2级或0.25级

稳定性：＜0.05%FS／年 显示方式：4位数字显示＋汉字提示(CWSP100精密数字压力表)

5位数字显示＋汉字提示(CWY精密数字压力表) 供电电源：3.6V高能锂电池，(0.5级)

介质温度：–45～85℃

工作环境：温度：-30℃～70℃；湿度：＜85%

温度补偿范围：-30℃～85℃

防爆级别：ExiaIICT6,ExdIIBT4

电气接口：M20×1.5（内螺纹）

过程接口：M20×1.5（外螺纹）

第二章过程检测仪表3、压力检测仪表的选用和安装（1）压力检测仪表的选用

压力检测仪表的选择主要包括仪表的型式、量程范围、精度与灵敏度、外形尺寸以及是否需要远传和其他功能，如指示、记录、报警控制等。确定仪表量程：根据被测压力的大小来确定仪表的量程。选用仪表的精度：根据生产上所允许的最大测量误差来确定压力表的精度。选择时，应在满足生产要求的情况下尽可能选用精度较低、经济实用的压力表。仪表类型的选择：考虑被测介质的性质，考虑现场环境条件，必须满足工艺生产提出的要求

第二章过程检测仪表3、压力检测仪表的选用和安装（2）压力检测仪表的安装 压力表正确安装与否，直接影响到测量结果的准确性和压力表的使用寿命，因此,安装压力表要考虑以下的一些因素: a、压力表应安装在易观察、检修的地方。 b、安装地点力求避免振动和高温影响。 c、测量蒸汽压力时应加凝液管，以防止高压蒸汽直接和测压元件接触。测量有腐蚀性介质压力时，应加装有中性介质的隔离管。 d、压力表的连接处应加密封垫片。 为安全起见，测量高压的压力表除选用有通气孔的外，安装时表壳应向墙壁或无人通过的地方，以防止发生意外。第二章过程检测仪表无纸记录仪

第二章过程检测仪表无纸记录仪

第二章过程检测仪表无纸记录仪 KH300Ｇ彩色无纸记录仪能输入十六个通道。仪表具有全隔离万能输入功能，集热电偶信号、热电阻信号、标准电压、标准电流、脉冲频率信号于一体。输出采用模块化结构，可提供报警、馈电、变送、打印、通讯等功能。仪表具有强大的显示功能，高精度棒图显示、实时曲线显示、历史曲线追忆、报警状态显示，同时可直接查询某年、月、日、时、分、秒的数据，快捷方便。可外接U盘转存功能，大大提高了数据转移的方便性。直接连接微型打印机，可打印指定时间的实时数据、历史数据和曲线数据；使用RS485通讯，可与组态王、MCGS等专业软件进行组态。

第二章过程检测仪表多路巡检仪可与1-16路相同的热电阻、热电偶、压力、差压变送器等传感器配接，适用于温度、压力、流量、液位、物位、湿度等各种信号的多通道巡回显示、变送和报警。2、功能特点：最多16路巡检点输入，对于电流、电压输入信号，可对每路巡检点单独设置量程对热电偶输入信号，自动冷端补偿可任意跳过巡检点（第一路不可跳过）在工作中随时切换为巡检显示或定点显示可对各路巡检点的最大值、平均值模拟输出可对连续三路巡检点分别模拟输出16个双色LED指示灯分别指示每个点的上限报警状态或下限报警状态高速的巡检，每路的巡检采样速度为60ms支持RS485通讯

第二章过程检测仪表KH105--8路巡检仪 KH105多路巡检仪适用于多点测量显示及控制，集多台仪表功能于一体，可巡回检测和显示多路信号，与各类传感器、变送器配合使用，可对多路温度、压力、液位、流量、重量等工业过程参数进行巡回检测、报警控制（报警方式可任意组态设定）、变送输出、数据采集打印及通讯。

具备万能输入功能，自动巡检、手动定检可自由切换，巡检通道切换时间及通道有效数可任意设定。良好的软件平台，具备二次开发能力，以满足特殊的功能。先进的模块化结构可安装四个输出模块，配合功能强大的仪表芯片，功能组合、系统升级非常方便。多重保护、隔离设计、抗干扰能力强、可靠性高

第三章过程控制仪表过程控制仪表概述DDZ-Ⅲ型调节器（模拟式控制器）数字调节器

第三章过程控制仪表1、过程控制仪表概述

控制仪表------控制器、执行器、运算器以及可编程控制器等。 按所用能源分类：气动、电动、液动等。电动仪表和气动仪表应用的最多。 按信号类型分类：模拟式和数字式两种。

气动单元组合仪表，简称QDZ仪表。它采用140kPa压缩空气为能源，以20kPa～100kPa为标准统一联络信号。由于QDZ仪表结构简单、价格便宜、性能稳定、工作可靠，具有安全、防火、防爆等特点，所以特别适用于石油、化工等易燃易爆的场合。

电动单元组合仪表，简称DDZ仪表,DDZ—Ⅲ型以DC24V为电源，以DC4mA～20mA为现场传输信号，以DC1V～5V和DC4mA～20mA为控制室联络信号采取了安全防爆措施，能应用于易燃易爆场合， 模拟式

传输信号通常为连续变化的模拟量，其线路简单，操作方便，价格较低 模拟式仪表：基地式 单元组合式 组件组装式仪表 数字式

传输信号为断续变化的数字量。 现场级数字仪表 可编程调节器 可编程控制器第三章过程控制仪表 控制器：是控制系统的核心，它在闭环控制系统中根据设定目标和检测信息作出比较、判断和决策命令，控制执行器的动作。控制器使用是否得当，直接影响控制质量。

控制器特性-----是指控制器的输出与输入之间的关系。分析控制器的特性，也就是分析控制器的输出信号u(t)随输入情号e(t)变化的规律，即控制器的控制规律。

控制器的基本控制规律有比例、积分和微分等几种。工业上所用的控制规律是这些基本规律之间的不同组合第三章过程控制仪表2、DDZ-Ⅲ型调节器（模拟式控制器）

是模拟式控制器个较为常见的一种，它以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直流设定值早相比较得到偏差信号，然后对此信号进行PID运算后，输出l～5V或4～20mA直流控制信号，以实现对工艺变量的控制。 Ш型调节器中的基型调节器类型：全刻度指示调节器、偏差指示调节器第三章过程控制仪表2、DDZ-Ⅲ型调节器（模拟式控制器）

基型全刻度指示调节器的原理方框图第三章过程控制仪表2、DDZ-Ⅲ型调节器（模拟式控制器）

基型全刻度指示调节器的原理线路图第三章过程控制仪表2DDZ-Ⅲ型调节器（模拟式控制器）

调节器结构组成：控制单元、指示单元 控制单元：输入电路(偏差差动和电平移动电路)、PID运算电路(由PD与PI运算电路串联)、输出电路(电压、电流转换电路)以及硬、软手操电路； 指示单元：测量信号指示电路、设定信号指示电路、内设定电路。

调节器的信号： 输入信号、内设定信号：1～5V直流电压； 外设定信号：4～20mA直流电流，（它经过250Ω精密电阻转换成1～5V直流电压）第三章过程控制仪表实例

DTZ-2100型全刻度指示调节器是DDZ-III系列仪表中调节单元的基型品种，它接受变送器经信号分配器送来的信号与给定信号进行比较，对其差值进行比例、积分、微分运算，以电流输出控制执行机构。可对温度、压力、流量、液压等工艺参数进行自动调节。第三章过程控制仪表3、数字控制仪表

微电子技术、计算机技术和通信技术的迅猛发展，为数字控制系统的发展和应用创造了物质条件。

作为数字控制系统的重要组成部分，数字控制仪表也得到了迅速发展。根据控制系统和被控对象的特殊要求，数字控制仪表正在向着专用化、小型化、灵巧化的方向发展，逐渐形成了若干主流机型。它不仅仅是常规模拟仪表的简单数字化，而是根据要求重新设计和制造的新兴仪表，具有和常规仪表区别很大的新特性。

数字控制系统的常用机型 数字调节器、可编程控制器(PLC)、单片机第三章过程控制仪表

数字调节器，又称可编程调节器或智能调节器，其主要组成部件有微处理器(MPU)单元、过程I/O单元、通信单元、面板单元、硬手操单元和编程单元等。作为一种仪表化的超小型控制计算机，数字调节器采用了传统仪表面板的人机界面，使现场人员无需接受大量培训接受就可以顺利操作；又能够发挥计算机在运算速度、处理能力方面的优势，采用丰富的算法灵活地构成各种过程控制系统。 使用数字调节器设计控制系统可以无需考虑常见的硬件接口问题、信号传输和转换问题，软件调试问题，使系统设计过程得到很大的简化。这得益于数字调节器在硬件上采用了标准过程输入输出通道、在信号上采用了标准DDZ—Ⅲ型信号、在软件上采用了面向问题的组态语言。这种组态语言为用户提供了几十种常用的运算函数和控制模块。用户只需要通过对运算函数和控制模块的调用就能组织成各种复杂的控制过程第三章过程控制仪表实例：SLPC可编程指示控制器是一个基于微处理器的用户可编程仪器，能够将强大的运算功能与控制功能相结合。SLPC内置了一系列包括适应自调整功能在内的可供用户选择的控制算法。智能自调整型可以自动优化PID参数。通过将计算器指令及功能(包括I/O指令如“读取模拟输入”、“设定触点状态输出”，运算功能与信号处理功能如“低电平信号切断”的平方根，以及线性与死区补偿)与控制模块相结合，用户可以实现复杂编程。同时还支持传统分支程序与子程序。共有六个状态I/O点；用户可以将其自定义为输入或输出。支持远程设定，前馈控制与输出跟踪等功能。通过可调节的设定点滤波，能够优化对设定点更改的响应。通过通信功能，SLPC控制器可以与中央CRT显示操作站一起使用。还可以进行DDC或SPC操作。SLPC控制器还可以与SCMS可编程运算操作器结合使用。集成了I/O信号电平检验与自诊断。第三章过程控制仪表3-2过程控制仪表的使用控制仪表的选用控制仪表的安装工程实例（油田掺稀泵压力控制）控制仪表的操作第三章过程控制仪表1、控制仪表的选用被控参数 温度控制仪表,压力控制仪表….使用环境 是否要求防爆?室内还是户外?就地安装还是安装在仪表盘上?等等电源输入信号以及测量范围输出控制方式仪表精度安装尺寸:96mm×96mm；48mm×96mm（竖）；96mm×48mm（横）；160mm×80mm（横）；80mm×160mm（竖）；72mm×72mm;48mm×48mm第三章过程控制仪表2、控制仪表的安装户外安装室内安装布线:信号线一般都用屏蔽线 铺设布线管道、接线盒等第三章过程控制仪表3、工程实例：

油田每一口井都有一台掺稀泵，要求当泵压达到11MPa时，泵停止工作。一般一个井场都会有几口油井。怎么来实现？ 用户要求：

（1）压力达到11MPa时，泵停止工作； （2）在现场应该可以看到压力显示； （3）在控制室可以看到压力显示，当压力达到11MPa时，有声光报警提示工作人员； （4）在一个井场，有的只有一口井，有的是两口井，最多的一个井场有8口井。第三章过程控制仪表工程实例：

方案一：用压力开关配现场安装压力表 方案二：现场安装压力显示表，用压力变送器将信号传送到控制室，控制室内安装一个小型的控制屏，安装显示仪表，报警指示灯，蜂鸣器，操