01.自动化控制与仪表工程

1、自动化控制与仪表安装工程刘学民中国石化工程定额管理站,课程内容,第一章 工程技术基础知识,第二章 定额应用,第三章 施工图预算编制与审查,一、自动化控制与仪表概述,自动化技术是信息科学与技术的一个重要分支，自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。 在现代工业生产过程自动化中，过程控制技术可实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。 实现生产过程自动化必须依靠自动化控制装置与仪表（简称自控仪表）来实现。,人体基能与仪表机能对应关系,1.自控仪表的用途,自动化仪表是用于生产过程自动化的仪器或设备，是实现工业企业

2、自动化的必要手段和技术工具。,2.自控仪表的发展,就地仪表,气动仪表,电动仪表,智能仪表,仪表的发展过程,控制系统的发展过程,2.自控仪表的发展,2.自控仪表的发展,3.自动化控制与仪表工程内容,自控仪表工程,仪表设备安装工程,仪表材料安装工程,安装,调试,单体调试,系统调试,管路,线路,支吊架,4.自控仪表定额项目设置,二、自动化仪表分类及作用,自动化仪表及控制装置工业过程自动化包含两大部分：过程检测和过程控制。 工业自动化仪表是对工业生产过程进行检测、显示、控制、执行、报警等仪表的总称。 控制装置是指对工业生产过程进行控制的功能仪表，兼有监视、显示、控制等功能。 自动化仪表因其用途广泛，国

3、内各行业各工业部门不尽统一，其类别划分也各异。根据石油化工行业特点，按照仪表性能，一般可划分为： 检测仪表（现场一次仪表） 显示仪表（室内盘装二次指示表） 控制仪表（发送控制指令的仪表） 执行器（执行控制信号的仪表）,（一）按安装场地分 1.现场仪表（一次仪表） 2.控制室仪表（二次仪表） （二）按能源形式分： 现阶段仅针对执行器 1.气动控制仪表 2.电动控制仪表 3.液动控制仪表 （少） （三）按信号形式分： 1.模拟控制仪表 2.数字控制仪表 （四）结构形式分： 1.基地式控制仪表 2.单元组合式控制仪表 3.组装式综合控制装置 4.集中计算机控制仪表 5.集散控制仪表 6.现场总线控制

4、仪表。,检测仪表,检测仪表工业过程检测技术涉及内容非常广泛，包括被测变量信息的获得、转换和显示技术。能确定所感受的被测变量大小的仪表称为检测仪表、变送器或传感器，或者兼有检测元件与显示功能的仪表，都可称为检测仪表。 检测元件直接影响被测变量，并转换成适于测量形式的元件或器件。 检测仪表是自动化系统中的感觉器官，是工艺流程过程中信息获得的工具，它能确定所感受的被测（变）量的大小，正确获取各种生产信息。其主要原理是利用物理学（声、光、电磁、热、辐射等）和化学（催化燃烧、电化学氧化、氧化还原等）的各种效用来实现各种信息参数的测量。,检测仪表分类,1温度测量仪表 2压力测量仪表 3流量测量仪表 4物位

5、测量仪表 5成份分析仪表,温度检测仪表,常用温度计的种类及适用温度,温度检测仪表（续）,双金属温度计由两种不同膨胀系数，并且彼此牢固结合在一起的双金属片制成感温元件的温度计。,16,受热物质膨胀产生压力（尺寸）变形。,接触式测温仪表,热电偶简写T/C或TC，利用热电效应原理测量温度的温度计。 热电阻简写RTD，利用电阻与温度呈一定关系的金属导体或半单体材料制成的感温元件测量温度的温度计。,温度检测仪表（续）,一体化温度变送器热电偶或热电阻温度检测元件与温度变送器组合一体的仪表。直接安装方式，输出标准420mA电流信号。,温度检测仪表（续）,温度检测仪表（续）,热电偶测温的基本原理是两种不同成份

6、的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势热电动势 热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。工业测量用金属热电阻材料除铂丝外，还有铜、镍、铁、铁镍、钨、银等。,压力式温度计是膨胀式温度计的一种。利用气体或液体作为感温物质充填于温包、毛细管和弹簧弯管传动机构、标度盘组成的密封系统内，当温包感温后，密封系统压力发生变化，通过传动机构使标度盘上的指针指示。,温度检测仪表（续）,铠装热电偶由热电偶丝、绝缘材料和金属套管组合加工而成的坚

7、实缆状组合体。由电阻丝可制成铠装热电阻。 表面热电偶能测量固体表面温度的热电偶。由感温元件、测量头、连杆、手柄、连接导线和显示仪表组成。 铠装热电阻（偶） 端面温度计,温度检测仪表（续）,辐射式温度计是以热电堆、热敏电阻、硅光电池、光敏电阻、热释电元件作为检出元件的温度计，需要与显示仪表配套使用。辐射式温度计带有轻型或重型辅助装置。 光电比色温度计利用被测对象的两个不同波长（或波段）光谱辐射亮度之比实现辐射测温。 吹气式热电偶用于测量高温的热电偶内装高纯度氧化镁，为了防止热电偶渗氢脆化，吹入空气后防止湿气进入，达到保持干燥的目的。,温度检测仪表（续）,双支热电偶用两支热电偶构成一组热电偶，并安

8、装在外保护管内，测量两点温度。 多点式热电偶用多支不同长度的铠装热电偶构成一组热电偶，并安装在外保护管内，以测量不同位置得到温度。有三对式和六对式两种。 耐磨热电偶保护管的测量端为光洁的圆柱体，具备耐磨条件。适用于高温及高速流动状态下的温度测量。 温度开关又称温度控制器，是一种随温度升高而使电路闭合或断开的电开关。可以是压力式温度开关、热敏电阻式温度开关、电接点双金属温度计或电接点水银温度计与中间继电器或电子继电器配套组成。,温度检测仪表（续）,压力检测仪表,压力仪表测量垂直均匀作用于单位面积上的力的仪表称为压力仪表。压力有绝对压力、表压、负压。测量表压时（绝对压力与大气压力的差值为正值）压力

9、表通常不作说明，如测量绝对压力的（全部作用于物体上的所有压力的和成为绝对压力）则为绝对压力表，测量负压的（绝对压力与大气压力的差值为负值）压力表称为真空表。 弹性压力表基于弹性元件（单圈或多圈弹簧管、模盒、膜片及波纹管等）受压后产生位移与被测压力之间呈一定关系的原理。这类压力表有弹簧压力表、膜片压力表、模盒压力表、压力记录仪、电接点压力表、远传压力表、压力开关、压力差压变送器。,膜片压力表用于腐蚀性、高粘度、易结晶介质压力测量。 电接点压力表对被测值进行位式控制或按需要与声光装置配合发出声光信号。 远传压力表就地监视或远传集中显示压力信号。 压力开关用于被测压力在某预定值发出警报或控制信号。

10、光电编码压力表由单圈弹簧压力表和光电变换装置组成。光电变换装置将压力信号换算为数字脉冲信号，再远传至数字仪表显示。,压力检测仪表（续）,压力检测仪表（续）,压力变送器主要由测压元件传感器（也称作压力传感器）、测量电路和过程连接件三部分组成。它能将测压元件传感器感受到的气体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号（如420mADC等）， 以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。,压力检测仪表（续）,流量检测仪表,流量仪表用于测量、指示、记录、累计物体的体积、重量和质量的仪表。 差压一次元件利用差压原理进行测量的检测仪表，与工艺介质直接接触，采用插入式或法兰连接在工艺管道

11、上。差压一次元件包括节流装置、毕托管、均速管流量计。节流装置有孔板、限流孔板、文丘里管、喷嘴、道尔管、内藏孔板。 限流孔板只起降压和限流作用，不需要测量其前后压力降值，它的压力降是永久压力损失。限流孔板可由多块单孔和多块多孔组成。,标准孔板(Orifice Plate),流量检测仪表（续）,流量检测仪表（续）,限流孔板,标准喷嘴(Nozzle),文丘里管(Venturi Tube),差压计三阀组示安装意图,匀速管流量计又称为阿牛巴流量计，利用差压原理测量流量，正压管测量为全压头，负压管为静压头，差压为流体的平均压头。测量时与差压变送器配套使用。,流量检测仪表（续）,毕托管流量计利用测量流动压力

12、的原理测量流速。是差压式仪表，由测量头、静压孔、支杆、内管、外管组成。 电磁流量计由传感器和转换器组成。传感器利用电磁原理测出管道中导电流体的平均流速。转换器将传感器测出的流速信号转换为标准信号或可测量的信号输出至显示仪表。,流量检测仪表（续）,速度式流量计利用液体的流速冲击叶轮，由机械传动来指示或积算流体总量的流量计。这类流量计有涡轮流量计和水表等。 面积流量计利用流体通过流量计固定的内腔，由机械传动来指示或者计量流体的流通量，如：闸板式面积流量计、活塞式面积流量式、往复活塞泵等。 可变面积流量计流体流经流量计时，产生上下压差而使流量计的可动部分改变位置，直至稳定某一位置是测量流量值。如：圆

13、盘浮子流量计，金属转子流量计，玻璃管转子流量计等。,流量检测仪表（续）,转子流量计,转子流量计基本元件是一根由下向上扩大的垂直锥管和一只随着流体流量变化而可以沿着锥管轴向自由浮动的浮子，能实现流量的指示、积算、记录、控制、远传和报警。 容积式流量计流量计壳体内的运动件在流量计进出口流体的压差或动能的作用下不断地运动，把流体由进口排出出口，运动件通过机械传动机构与积算器或气、电信号发送器进行计量或指示流量。种类有椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、刮板流量计、旋转或往复活塞流量计、湿式流量计、伺服流量计、煤气表等。 椭圆齿轮流量计是容积式流量计，可以指示、积算、远传、发讯，用于测量粘性液态的总量。 流量

14、开关可进行发讯的流量仪表。可以是差压开关、电容式开关等。,流量检测仪表（续）,流量检测仪表（续）,涡轮流量计,超声波流量计好似一种非接触式流量检测仪表。是根据在流动的液体中，超声波在顺流与逆流传播的视在速度之差与被测流体流速有关的原理。 涡轮流量计由变送器（传感器）、前置放大器和显示仪表组成。变送器输出脉冲信号来指示流量和计算总量。 靶式流量计由检出部分和力平衡转换器组成，用于高黏度和带杂质的流体测量。因检出元件靶式环形孔板与力平衡转换器组装在一起直接安装在管道上，因此不需要差压信号管路。 质量流量计可分为直接式和间接式质量流量计，采用组合安装方式，智能质量流量计为一体化插入式安装方式。用于测

15、量流体质量的测量。,流量检测仪表（续）,流量检测仪表（续）,电磁流量计,冲量式流量计由检出部分、整流装置、校验门、校验管路、工作管路及显示部分组成。是以动能原理工作，利用自由落下的固体物料冲击在斜竖的检出板上产生与瞬时重量成正比的冲力来测量固体流量。 漩涡流量计利用流体振荡原理进行流量或流速的测量。强迫振荡的漩涡进行型称为旋进漩涡流量计。依据“卡门涡街”的工作原理的，又称涡列流量计，其原理是利用在流体中放置一非流线型阻挡体，当雷诺数达到一定的范围时，其两侧将交替产生两列内旋的漩涡列，其漩涡的频率与流体的流速成正比，而与流体的温度、压力、成分、黏度和密度等参数无关，因此应用较广泛。 内藏孔板流量

16、计用于测量小流量的差压变送器和节流孔板的组合形流量计。输出标准电流信号或气信号，由电动或气动显示仪表或调节器显示作为调节器的输入信号。,流量检测仪表（续）,流量检测仪表（续）,物位测量(Level Measuring),物位 液位 料位 界面,物位仪表测量容器的液位、料位和相界面位置的仪表。,物位检测仪表（续）,玻璃管（板）液位计是直读式物位计。利用连通管静压平衡的原理工作。有反射式、透光式。,玻璃液位计(Tubular gage glass),玻璃液位计应用实例,物位检测仪表（续）,差压液位变送器-利用液位高差产生不同的压力差测量液位。 法兰式差压变送器用于测量液位，输出010mA和420m

17、A标准信号。有单法兰和双法兰式，单法兰与工艺设备法兰连接，直接插入容器内，双法兰带毛细管。,52,差压式液位变送器,1.工作原理 2.零点迁移问题,差压液位计,差压液位计,物位检测仪表（续）,浮力式液位计是基于液体的浮力使浮子随着液位的变化上升或下降而测量液位。 浮球液位计用于容器内液位或界面控制，信号输出部分作为报警，量程较小。 浮筒液位计分为差动变压器式、电动或气动位移平衡式和力平衡式三种。浮筒液位计的浮筒在介质中，安装在容器内为内浮筒，安装在容器外为外浮筒。浮筒液位计可就地显示、调节或将信号转换变送远传、报警等。,物位检测仪表（续）,浮力式液位计,浮球液位计,UFB系列磁浮球液位变送器,

18、BW25浮筒液位计,根据阿基米德原理进行液位测量的液位计。可用于测量开口和压力容器内的液位，尤其适合在高温高压条件下使用,浮子杠杆液位计,变浮力液位计,钢带液位计是随动式浮力式液位计，根据力平衡式原理、由导向钢丝、浮子、滑轮、穿孔钢带、链轮、钢带收放轮、变速机构、磁耦合器、远传装置等组成。 磁浮子液位计利用磁耦合原理的液位测量仪表。分为弹簧平衡磁耦合式和差动变压器磁跟踪耦合式。 磁翻板液位计由连通管组件、浮子和翻板指示装置组成，翻板由极薄的两面涂以不同颜色的金属片制成，可以醒目显示液位高度，并可串接安装测量大量程的液位。 储罐液位称重仪利用天平称重的原理，当储罐内液位上升或者下降，在杠杆的作用

19、点上产生差压，变送器转换输出信号，用编码方式远传显示或控制。,物位检测仪表（续）,物位检测仪表（续）,磁翻板液位计,磁翻板液位计,浮子钢带液位计(Float and tape),带远传信号的浮球钢带液位计,重锤料位探测计是机械接触式料位计。利用重锤探头与物料面接触时的机械力或重力、摩擦力、正向阻力来实现物位测量。整套由探头、执行机构、转换元件、计数装置和显示仪表组成。 音叉物位计是机械接触式料位计。利用受激励的音叉在其固有频率上振动，在受到物料阻挡是停振的原理。仪表可以报警或控制。 电容式液位计通过测量一个电极和另一个电极之间的电容量变化来测量物位。利用电容量的大小和被测介质的介电常数和物体变

20、化成一定的比例关系。当介电常数不变时，电容量的变化率就是液位变化量。,物位检测仪表（续）,物位检测仪表（续）,重锤,音叉,电容式液位计,（被测介质为导电介质）,电容式液位计,电容式液位计原理,可编程雷达液位计用于储罐液位、温度和压力测量、监视及控制，以实现灌区自动化。雷达波是一种电磁波，可连续收集发射波至罐内产品的表面返回的回波，微波很少受气象环境影响。 放射性液位计是非接触式测量物位的仪表。利用核辐射线穿透物质及在物质中按一定规律减弱的现象来确定物位。常用的射线比、射线穿透能力大。放射源或检出器嵌入式或内置式安装方式。,物位检测仪表（续）,智能雷达液位仪,超声波物位计是非接触测量物位的仪表。

21、超声波是一种机械波，借助媒质传播，利用声波在不同介质的分界面传播史产生辐射、折射现象确定物位的。测量时易受温度、湿度、介质成分等环境影响。 磁致伸缩液位计基于铁或镍磁性浮子在磁场中会产生体积伸缩的物理原理测量液位、液液界面及多点温度。,物位检测仪表（续）,超声液位计,超声液位计,反射式,超声液位计,阻尼式、遮断式,类似原理液位计：核辐射式、激光式、雷达式、光电式、红外式,光纤液位计利用光电原理将液位参数转换成格雷码光电信号输出至二次仪表。整套包括现场测量部分和控制室光导显示仪表。现场测量部分由套筒、信息码带、连接钢带、重锤、浮标及变送器组成。 吹气装置用于高黏度、有悬浮物和腐蚀 性很强的介质测

22、量中，利用洁净的压缩空 气从吹气管的下端鼓泡而出，此时吹气管 的压力基本等于液柱静压，这样可以测量 出液位，或用于流量、重度、温度等参数 的测量。,物位检测仪表（续）,成份分析检测仪表,分析仪表是用于分析被测物质的组成成分、结构或者其物理性质的仪器仪表。根据使用的情况不同可分为实验室分析仪表和过程分析仪表。根据分析仪表的工作原理可分为如下类型： 过程分析仪表一般由取样系统、预处理系统、传感器部分、信号处理部分、指示部分等组成。 工业色谱仪基于色谱分离和检测技术，分离混合物和测定各组分浓度。 过程质谱仪进行在线多组分分析，基于荷电粒子在电场、磁场、电磁结合场或无场漂移空间中的运动规律，从而获得物

23、质的质量谱图的原理，常用是磁式单聚焦质谱仪和四极质谱仪。,成分测量,气体成分分析仪 液体成分分析仪 酸碱度分析仪表 密度计 湿度计、水分仪 粘度计 尘量计、烟量计及雾量计 石油产品的成分及特性测定仪表 金属分析仪器,红外线气体分析仪是光学分析仪，利用气体分子在某一特定光谱辐射作用下吸收或发射、干涉、衍射、共振等物理特性分析物质成分或结构的仪表。 电化学分析仪由一个或多个敏感元件构成的传感器和电子单元组成的分析仪。是由传感器的敏感元件检测的电信号与待测组分的某种化学物质存在一定的关系电化学式分析仪。 电导式分析仪基于电解质溶液电导与待测组分浓度之间的关系，从而取得组分浓度的数据。按测量对象和电导

24、池形式分为：接触式电导式分析仪、不接触式电导式液体分析仪以及电导式气体分析仪几类。 PH分析仪又称PH酸度计，是应用离子选择膜电极作为测量电极而测量液体介质中氢离子和其他离子。PH传感器由PH指示电极、参比电极、盐桥、容器和导线组成。PH传感器的形式有侵入式和流通式。,成份分析检测仪表（续）,氧化还原测定仪是水质分析仪表，采用惰性氧化还原电极，测量还原性物质的活度与氧化性物质的活性之比。用于污水处理系统。用氧化态或还原态物质的相对含量表示水质的总状态。 原电池总需氧量是水质分析仪表，用于监测工业排放废水和污水处理排放水的总需氧量，以确定有机含量。采用间歇取样的自动分析方式。 化学需氧量是水质分

25、析仪表，利用化学药剂强制性氧化测定。 热化学式分析仪是热学式分析仪。基于被测的可燃气体在有触媒存在的情况下产生化学反应，并根据反应中生成的反应热进行测量。一般用于测定气体样品中可燃气体或微量氧的含量。 磁导分析仪是一种物理分析法，利用物质的顺磁性进行分析。如O2、NO、NO2为顺磁性气体，其中氧气磁化率最大，其他未反磁性物质。 氧化锆氧量分析仪氧化锆是固体电解质，在高温下具有传到氧离子的特性。测量氧浓度。,成份分析检测仪表（续）,红外气体分析仪,不同组分对不同波长的红外线具有选择性吸收的特性,红外气体分析仪测量原理,伯朗贝尔定律：I 随介质的浓度和厚度按指数规律衰减。 选择适合所测组分对应波长

26、的红外光源。测量透出光强，用BB定律换算组分浓度。,红外气体分析仪结构原理,色谱分析仪,混合物在色谱柱中的分离作用。 移动相是液态的称为液相色谱；移动相是气态的则称为气相色谱。,色谱分析仪工艺流程原理,在线分析仪表,工业色谱分析仪,硫含量分析仪,在线分析仪表,氧气分析仪,在线分析仪表,红外气体分析仪,在线分析仪表硫化氢在线分析仪 露点仪,显示仪表,显示仪表是指示、记录、调节现场被测工艺参数变化的仪表系统。使生产操作、管理者了解生产过程的全部情况。可以分为模拟显示仪表、数字显示仪表、光柱显示仪表、字符图形显示器等。显示仪表有动圈式指示（调节及记录）仪、单点数字显示（报警）仪、数字显示调节(报警)

27、仪、多显示（报警）数字仪、智能多通道多功能记录仪、平衡电桥（指示、记录、调节、报警）仪、函数记录仪、无笔记录仪等。,指示仪表指示被测变量瞬时值的仪表。 巡回检测仪表按一定的时间对各个变量，包括对变送器输入的信号进行扫描显示。输入信号巡回扫描显示可达几百点。 积算仪表显示任何一段时间内被测变量累计值的仪表。 记录仪表记录被测变量值的仪表。 多笔记录仪可以输入多信号，每个输入信号具有单独记录笔的仪表。 多针指示仪多个输入信号，每个输入信号具有单独指针的指示仪表。,显示仪表（续）,控制仪表,按结构形式可划分为基地式调节仪表、单元组合仪表、组装式综合控制装置、工业控制计算机等几类。 1基地式调节仪表：

28、是集测量、指示、记录、调节等功能单元于一体的仪表，其结构简单，适用于单参数的就地控制。 2单元组合仪表：是根据工艺参数的不同要求，将不同功能的单元组合成不同的检测、控制回路，从而不同程度的满足生产中工艺各种参数控制需要的仪表。按能源划分可分为电动单元组合仪表、气动单元组合仪表、液动单元仪表。, 电动单元组合仪表：简称DDZ型仪表。其系统组成及单元可划分为如下几类： 变送单元：转换单元：显示单元：计算单元：给定单元：调节单元：执行单元：辅助单元： 气动单元组合仪表：是以压缩空气为工作能源，按照调节系统的要求，由若干独立单元组合成不同回路，从而完成参数显示、调节的仪表。 液动单元仪表：是以高压液体

29、为工作能源的仪表，主要应用于高压及超高压的工艺系统，具体的仪表体现形式主要是以液动高压或超高压执行机构体现。其系统组成主要是由液压油单元、油过滤器、液压执行机构、电液转换器、回油装置等。,控制仪表（续）,3组装式综合控制装置：其结构分为两部分，一是控制柜，二是操作台。控制柜内设有若干组件箱，每个组件箱内又可以插入一些组件板。组件板高密度安装，插接方便。操作台利用数字逻辑技术、顺控技术、CRT显示技术进行集中显示和操作，不但缩小了体积，也改善了人机联系，更加易于操作和监视。 4工业控制计算机： 是一种高度自动化，能进行快速运算和逻辑判断的控制系统。它主要包括主机、外部设备、接口单元、数据通道、通

30、信网络及反映生产过程输入输出信息的外围设备等。现应用的主要工业控制计算机系统有可编程序控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统等，上述系统的具体结构参见第六项（工业计算机系统简介）内容。,控制仪表（续）,上述控制仪表属于广义性分类，根据其内容包括了检测仪表、显示仪表、调节仪表等仪表元器件。 根据现阶段石化工程的仪表选型，控制仪表可理解为调节器或工业计算机。,控制仪表（续）,执行器,执行器在控制系统中的作用是根据调节器的命令，直接控制能量或物料等介质的输送量，从而达到调节温度、压力、流量、物位等工艺参数的目的。执行器的结构一般由执行机构、调节机构两部分组成。根据所用的能源种类可划分为气动、电动、

31、液动三种。实际应用的主要执行机构有如下几类：气动长行程执行机构、气动活塞式执行机构、气动薄膜式执行机构、电动直行程（角行程）执行机构等。,电动控制仪表： 优点： 信号快速，远距离传输 易于实现复杂规律的信号处理 易于与其它装置相连 供电用电方便 无需空压机和油泵、水泵 缺点： 不天然防爆 易受电磁干扰 功率不易大 近年的电动仪表多采用了安全防爆措施，应用更加广泛。,气动控制仪表：以压缩空气为能源。 优点：结构简单，性能稳定，可靠性高，易于维修，天然防爆。 缺点：气动信号传输速度极限 = 声速340m/s， 体积庞大。,液动仪表 ：以高压油和高压水为能源 优点：工作可靠，结构简单，功率大，防爆

32、缺点：速度传送慢,气动执行器以压缩空气作动力源，改变操纵变量的终端元件。 电动执行器以电为动力源，改变操纵变量的终端元件。 执行机构接受控制信号，并将信号转换成位移，以驱动调节机构的仪表。 活塞执行机构根据作用在活塞组件上的流体压力决定输出轴位置的调节机构。常用气动活塞执行机构操作压力大，一般为0.50.7Mpa。 薄膜执行机构根据作用在薄膜组件上的气动压力信号拖动阀输出轴位置的机构。接受0.020.1Mpa 气信号。 长行程执行机构具有行程长（200-400mm）和输出力矩大的特点。长行程执行机构分为气动和电动，并将气动信号、电流或电压信号转换成相应的转角或位移，以推动调节阀门。用于需要大转

33、矩的蝶阀、风门、挡板等场合。,执行器（续）,电动执行机构接受电控制信号，并将电信号转换成位移，驱动调节机构的仪表。分为角行程、直行程和多转式电动执行机构。 液动执行机构以纯净的油或水作为驱动能源的调节机构。能在现场液压手动操作或在控制室遥控。具有反映较灵敏、推力大的优点。 调节机构由执行机构驱动，直接操纵变量的仪表，又称为调节阀。 调节阀阀相当于一个可变节流元件，由电动执行驱动称为电动调节阀，由气动执行机构驱动，称为气动调节阀。调节阀按照压力信号的大小，通过改变阀芯行程来改变阀的阻力系数，达到调节流量的目的。阀的类型很多，根据结构和用途不同分为直通双座调节阀、低温阀、套筒阀、三通阀、隔膜阀、偏

34、心旋转阀、气动分离阀、小流量阀、低噪音阀、蝶阀、开关阀、球形阀等。,执行器（续）,电磁阀是常用的、结构简单的二位式电动执行器，是依靠电磁力工作的。按用途或使用场合由很多种类。安装在工艺管道上的成为在线电磁阀，与工艺介质直接接触，进行二位是控制。还有是作为仪表气路二位式通断控制的电磁阀。 自力式调节阀又称直接作用调节阀。它不需要外加能源，直接依靠被调介质的能量带动调节机构。调节阀的结构简单、使用可靠、价格便宜。具有代表性的有带重锤的、带指挥器的自力压力调节阀、自力式流量调节阀和自力式温度调节阀。 伺服放大器接受调节器的输出信号（010mA或420mA）经与执行机构的位置反馈信号相比较，将所得的偏

35、差信号进行放大，输出足够的功率以驱动执行结构反正转或停转。 调节阀附件与调节阀成套的元件部件，有手轮、过滤器减压阀、阀门定位器、气动保位阀、阀位传送器、行程开关等。,执行器（续）,阀门定位器是调节阀的主要附件。按能源形式和配用的执行机构分为电气阀门定位器、电动阀门定位器、气动阀门定位器。阀门定位器的作用是提高阀杆位移线性度，增加执行机构的动作速度，实现分程控制，正反作用。电气阀门定位器还具有电气转换器的作用。 阀位传送器在气动调节器中，把阀门的位移量的大小转换为0.020.1Mpa的输出压力，供遥测阀门位置或用作阀门反馈。 气动保位阀又称自锁装置。当仪表气源发生故障或低于规定值时，能自动切断调

36、节阀与阀门之间的通道，使阀门保持在原来的位置，实现自锁，是安全保护装置。 空气过滤器减压阀用于仪表供气、除油、除水、除尘、调节压力值和自动稳压。,执行器（续）,行程开关用于显示阀门工作状态或事故状态下调节阀上下限行程，从而可发出阀位触点信号，以用于报警或联锁。 接近开关又称趋进开关，是无触点开关，可与计算机进行通讯。是一种位移、数字开关信号转换器，可将阀位的微小位移转换为二进制的开关信号输出，起到控制作用。接近开关可分为电感式和电容式，多用于电动蝶阀、两位式开关阀等。,执行器（续）,4-1 气动调节阀的结构,气动调节阀由执行机构和阀两部分组成,一 气动执行机构,气动执行机构有薄膜式和活塞式两种

37、常见的气动执行机构均为薄膜式，它结构简单，价廉，输出行程小,气动薄膜式执行机构作用型式：,正作用: 信号压力增加时，推杆向下移动 (ZMA) 反作用: 信号压力增大时，推杆向上移动 (ZMB),执行机构作用：将气压p-阀杆位移L,执行机构: 按照控制信号的大小产生相应的输出力, 带动阀杆移动,阀: 直接与介质接触, 通过改变阀芯与阀座间的节流面积调节流体介质,的流量,u(t): 控制器输出( 420 或 010 mA DC) pc : 调节阀气动控制信号； l: 阀杆相对位置； f : 相对流通面积； q : 受调节阀影响的管路相对流量。,二 阀,阀(或称阀体组件)是一个局部阻力可变的节流元件

38、普通阀包括阀芯,阀座和阀杆等,根据流体通过调节阀时对阀芯作用方向分为流开阀和流闭阀 流开：介质的流动方向有推动阀门打 开的趋势，称流开 流闭：介质的流动方向有推动阀门关 闭的趋势，则称流闭.,阀的作用: 阀杆位移L-调节流量Q,流开阀稳定性好,有利于调节,一般多采用流开阀,阀芯的正装和反装： 正装阀：阀芯下移，阀芯与阀座间的流通截面积减小 反装阀：阀芯下移，阀芯与阀座间的流通截面积增大,阀的开关方式： 气开式：阀的开度随气压的增大而增大: p f 气关式：阀的开度随气压的增大而减小: p f,执行机构与阀门的配合 根据执行机构正、反作用型式以及阀芯的正装、反装可以实现调节阀的气开、气关方式：,

39、无气压时关闭,阀门定位器,气动薄膜调节阀,执行机构,阀体,电动调节阀,“气开”与“气关”的选择原则,基本原则: 根据安全生产的要求选择控制阀的气开气关。 若无气源时, 希望阀全关, 则应选择气开阀; 若无气源时,希望阀全开,则应选择气关阀. 实际应用： 当气源中断或电源中断时， 进入装置的原料、热源应切断: 进料阀选气开 切断装置向外输出产品: 出料阀选气开 精馏塔回流应打开: 回流阀选气关,电气转换器 Electric to Pneumatic Converter,电气转换器原理,阀门定位器,Value Positioner,带阀门定位器的气动调节阀,电动调节阀,电动阀执行机构,直行程调节阀

40、 角行程调节阀 多圈行程调节阀 电磁阀,电动阀工作原理框图,其它仪表,是指上述各仪表类型不能包含的仪表，这些仪表在生产过程中起着同样重要的作用。如：电子称，位移、震动、速度、热膨胀、挠度检测以及巡回检测仪、闪光报警器等仪表。,防爆栅（安保器、安全栅）,安全栅使用连接,齐纳型安全栅原理,齐纳二极管又称稳压二极管，是一种特殊的面接触型硅晶体二极管。由于它有稳定电压的作用，经常应用在稳压设备和一些电子线路中。,隔离型安全栅原理,三、自控系统简介,自控仪表系统是由多个仪表系统回路构成的，每一个回路均是由现场测量仪表和室内监视或调节仪表构成。根据传送信号的不同可分为模拟量、开关量及其它信号仪表系统回路。

41、 自控调节系统分类一般有两种方法：一种是按控制方式分类；一种是按控制工艺参数的个数分类。按控制方式分有：手动控制、自动控制；按控制工艺参数的个数划分有：对一个参数进行测量、控制的简单调节系统和对两个或两个以上参数进行测量、控制的复杂调节系统。 简单调节系统可按工艺参数分为：温度调节、压力调节、流量调节、液（物）位调节、成分调节。,按自动化装置的不同分类：有常规仪表控制系统、工业计算机控制系统。,单闭环简单调节系统图,回路构成系统图,典型单回路控制系统,液位变送器,液位控制器,执行器,LC,复杂调节系统,一般包括：串级调节、均匀调节、比值调节、分程调节、多冲量调节、选择调节、前馈调节等。 例如：

42、单闭环比值调节系统图2.6.2,工业计算机控制系统简介, 集散控制系统的发展 集散系统又称分布式控制系统（Distributed Control System简称DCS）是以微处理器为基础，充分利用计算机技术、信息通讯技术、过程控制技术、CRT显示技术的成果，采用集中控制（操作、监视）分散控制（负荷分散、功能分散、控制权分散）模式。它既发展和继承了历代模拟仪表控制和中央计算机控制的优点，又克服了他们的缺点，因此在各个领域均得到了广泛的应用。,集散系统的组成简介（详见见图2.6.3）,集散系统的组成简介,1各制造公司生产的集散系统（DCS）虽然存在着差别，各部分的名称存在不同，但其结构基本是相同

43、的。其结构主要有以下四部分组成： 控制站：它采集现场信号，经运算后将结果送回现场执行器而对生产过程进行控制。 操作显示站：主要履行过程站的人-机接口功能及打印制表功能。 数据通信部分：使用高速数据公路或局域网络。 管理计算机：履行优化运算及管理（调度）决策职责。 系统供电盘：负责整套DCS系统的供电装置。,TANGNAN,135,DCS的数字通信网络,通信网络包括传输电缆和通信模块两部分。 通信电缆有同轴电缆、屏蔽双绞线、光缆等多种型式。 通信模块中主要含有调制解调器、网络适配器等主要部分。,2各部分的分类及功能, 控制站有如下几类： 过程控制站：对工艺系统进行检测和过程控制的装置，可配置扩展

44、端子柜； 双重化控制站：是为了系统的安全可靠从CPU到输入输出卡件及电源都是冗余的，是可靠性很高的现场控制站，也可配置扩展端子柜； 数据采集及监视站：主要用于监视现场信号不会出现剧烈变化的检测回路，特别适用于收集来自热电偶、热电阻的温度信号。 操作站可分为操作员站、工程师站（工程技术站）等。其组成及功能见下图2.6.4： 数据通信部分（数据通信网络）是集散系统的重要支柱，它把大、中、小规模不同系统的现场控制站、操作站和上位机连成一个完整的网络体系。通信网络系统是由同轴电缆、双绞线或光缆以及耦合器、分路器、中继器、电源设备等构成。,控制站基本组成,CPU 电源 通信接口 I/O通道,CFCD2插

45、件箱,电源插件,通信插件,I/O插件,双重化冗余备用,提高系统可靠性的措施：,DCS操作站基本功能,工程功能 操作功能 通信功能,DCS的生成开发,系统组态 画面生成 控制回路组态 仪表组态 数据生成 报表生成,集散系统（DCS）的规模划分,过程控制站的大、中、小规模与选用的系统、所使用的输入输出点多少及控制回路的多少有着密切的关系，全国统一安装工程预算定额的划分是按照所有控制站实际应用的控制回路数量之和确定的，划分如下： 1中小规模：控制回路128个以下； 2大规模：控制回路128个以上。, 可编程控制器系统介绍,1可编程序控制器的结构 可编程序控制器是以微处理器为基础，综合计算机技术和自动

46、化技术发展起来的一种工业控制器。可编程控制器简称PC，利用此系统的工业计算机产品有可编程逻辑控制器PLC、可编程顺序控制器PSC、可编程序矩阵控制器PMC等。可编程序控制器是对生产过程进行控制（顺序控制与闭环过程控制等）及各类所需信息进行传送、处理的数字式电子装置。可编程序控制器实际上是一种专用计算机，因而其结构形式与计算机基本上相似，也是由中央处理器、存储器、I/O接口组件等部分构成（详见图2.6.5）,2可编程序控制器的规模划分,可编程序控制器的规模划分由不同的分类规则，如按功能划分，按I/O点划分，按内存容量划分等。目前没有一个统一的权威划分，现仅能进行粗略的划分。 小规模可编程序控制器

47、内存容量在16K以下，I/O控制点在256点以下； 中规模可编程序控制器内存容量在16K-64K之间，I/O控制点在2048点以下； 大规模可编程序控制器内存容量在64K以上，I/O控制点在2048点以上。,现场总线控制系统（FCS）,1.现场总线控制系统结构图,现场总线的结构形式,FCS是连接智能现场装置和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。,特性是支持双向、多节点、总线式的全数字通讯,特点是双向数据通信能力避免了反复进行A/D、D/A的转换；把控制任务下移到现场设备，以实现测量控制一体化全分散,2.FCS控制系统特性,现场总线控制系统由于采用了现场总线设备，能够把原先DCS

48、系统中处于控制室的控制模块、输入输出模块置于现场总线设备，加上现场总线设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行器直接传送信号，因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。由于采用数字信号替代模拟信号，因而可实现一对电线上传输多个信号(包括多个运行参数值、多个设备状态、故障信息)，同时又为多个现场总线设备提供电源；现场总线设备以外不再需要A/D、D/A转换部件。这样就为简化系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。,FCS和DCS的详细对比,通信方式,DCS采用层次化的体系结构，通信网络分布于各层并采用数字通信方

49、式，唯有生产现场层的常规模拟仪表仍然是一对一模拟信号(如420 mA DC)传输方式，DCS是一个“半数字信号”系统。 FCS采用全数字化、双向传输的通信方式。从最底层的传感器、变送器和执行器就采用现场总线网络，逐层向上直到最高层均为通信网络互联。多条分支通信线延伸到生产现场，用来连接现场数字仪表，采用一对N连接。,分散控制,在DCS中，生产现场的多台模拟仪表集中接于输入输出单元，而与控制有关的输入、输出、控制、运算等功能块都集中于DCS的控制站内。DCS只是一个“半分散”系统。 FCS废弃了DCS的输入输出单元，由现场仪表取而代之，即把DCS控制站的功能化整为零，功能块分散地分配给现场总线上

50、的数字仪表，实现彻底的分散控制。,互操作性,DCS系统的现场级设备都是各制造商自行研制开发的，不同厂商的产品由于通信协议的专有与不兼容，彼此难以互联、互操作。 而FCS的现场设备只要采用同一总线标准，不同厂商的产品既可互联也可互换，并可以统一组态，从而彻底改变传统DCS控制层的封闭性和专用性。具有很好的可集成性。,可靠性、易维护,FCS采用总线连接方式替代传统的DCS一对一的I/O连线，对于大规模的I/O系统来说，减少了DCS由接线点造成的不可靠因素。同时，数字化的现场设备替代模拟仪表，FCS具有现场设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、参数修改等工作，因而增强系统

51、的可维护性。,第四级,第三级,第二级,第一级,现场设备,经营 管理级,生产管理级,过程管理级,直接控制级,连续控制 过程,批量过程,离散过程,工业机的四层结构模式,（四）工业机系统的各层功能,1.现场设备,设备：控制器、变送器、传感器、执行器,网络结构：星形、树形、总线形,2.过程装置控制级,设备：过程控制装置、I/O模块,3.车间管理级,设备：中央控制室操作站（人机界面）,4.优化和调度管理级,作用：,（五）集散控制系统的软件体系,一个计算机系统的软件一般包括系统软件和应用软件两部分。由于集散控制系统采用分布式结构，在其软件体系中既包括了上述两种软件，还增加了诸如通信管理软件、组态生成软件及

52、诊断软件等。,1 集散控制系统的系统软件,集散控制系统的系统软件是一组支持开发、生成、测试、运行和维护程序的工具软件，它与一般应用对象无关，主要由实时多任务操作系统、面向过程的编程语言和工具软件等部分组成。,2 集散控制系统的组态软件,DCS组态是指根据实际生产过程控制的需要，利用DCS所提供的硬件和软件资源，预先将这些硬件设备和软件功能模块组织起来，以完成特定的任务。这种设计过程习惯上称作组态或组态设计。从大的方面讲，DCS的组态功能主要包括硬件组态(又叫配置)和软件组态两个方面。,DCS软件一般采用模块化结构。系统的图形显示功能、数据库管理功能、控制运算功能、历史存储功能等都有成熟的软件模

53、块。但不同的应用对象，对这些内容的要求有较大的区别。因此，一般的DCS具有一个(或一组)功能很强的软件工具包(即组态软件)，该软件具有一个友好的用户界面，使用户在不需要什么代码程序的情况下便可以生成自己需要的应用“程序”。,操作系统是一组程序的集合，用来控制计算机系统中用户程序的执行顺序，为用户程序 与系统硬件提供接口软件，并允许这些程序 ( 包括系统程序和用户程序 ) 之间交换信息。用户程序也称为应用程序，用来完成某些应用功能。在实时工业计算机系统中，应用程序用来完成功能规范中所规定的功能，而操作系统则是控制计算机自身运行的系统软件。,第二节 自控仪表工程常识,自控仪表工程施工程序,自控仪表

54、工程安装内容,自控仪表工程调试内容,一、自控工程一般施工程序, 仪表施工前应具备的条件 施工图及技术资料、仪表说明书齐全；施工图纸的设计交底及汇审结束；主要施工方案、施工图预算和施工用料预算已经编制审批；仪表设备及附件全部配套订货,其中主要仪表已到货,安装材料能保证施工的连续进行；施工现场的施工临时设施已建成；土建工程、工艺设备和钢结构的安装已基本结束；控制室内土建、暖通等工作已安装完毕；施工人员已进行必要的技术培训和技术交底；施工机具准备齐全。 仪表工程主要施工程序 仪表工程现场安装的全面施工宜在工艺管道完成百分之七十时进行；对于仪表的取源部件安装应在工艺设备制造或工艺管道预制、安装的同时进

55、行；仪表与其它工种必须交叉施工的作业应及时给予配合。,二、自动化控制与仪表安装工程项目,盘、箱、柜的安装 设备安装 1.温度仪表安装 2. 压力仪表安装 3. 流量仪表安装（配合安装） 4. 物位仪表安装 5. 在线分析及气体检测仪表安装 6. 调节阀及其辅助设备安装,（三）工业机安装事项, 集中分散型计算机控制系统(简称集散系统)必须在控制室内的土建、电气工程、空调等全部完工后安装； 集散系统安装前,施工单位应会同建设单位检查控制室和机房,共同确认安装必须具备的以下条件:机柜基础支架安装完毕；地板、顶棚、地面、门窗等均已施工完毕,室内杂物清理干净；空调系统安装调试完毕,处于正常运转状态,室内

56、温度、湿度均达到系统要求；系统电源及室内照明已全部施工完毕,投入正常运行；接地极及接地系统总线施工完毕,接地电阻符合设计规定； 集散系统设备出库运输时应选择平整的运输道路。运输过程中,车速不宜快,并应防止剧烈冲击与振动； 在设备吊装与搬运过程中,应保持平稳,设备开箱前,应对周围地板、桌椅、工具等采取消除静电措施； 开箱检验应在厂商代表在场的情况下会同建设单位代表共同进行,检验后应签署检验记录； 设备开箱前,应检查外包装是否完整,开箱后,应检查内包装是否破损、有无积水,防潮、防水、防震措施是否齐备,是否失效；, 设备开箱应使用适当工具,按层次顺序打开包装,严禁猛烈敲打； 开箱检验应按装箱单逐一清

57、点,并应符合以下规定:所有硬件、备件,随机工具的数量、型号、规格均应与装箱单一致；设备及备件外观良好,无变形、破损、油漆脱落、受潮锈蚀等缺陷；资料齐全； 设备安装应由远及近,在控制室和机房内搬运或移动时,不得损坏地面,就位后应及时固定； 机柜和操作台安装应符合下列规定： 仪表盘与基础型钢之间应采用防锈螺栓连接；单个安装的仪表盘、操作台安装应、垂直、平正、牢固；垂直度允许偏差为 1.5/1000；水平方向的倾斜度允许偏差为 1/1000 。成排的仪表盘(操作台)安装,还应符合相邻两盘(操作台)顶部高度允许偏差为 2mm；当盘间连接超过两处时,其顶部高度最大允许偏差为 2mm；相邻两盘(操作台)正

58、面接缝的平面度允许偏差为 1mm；当盘间连接超过 5 处时,盘正面的平面度最大允许偏差为 5mm；相邻两盘(操作台),间接缝的间隙不大于 2mm； 系统安装后应经常保持室内清洁,定期用吸尘器除尘,如需拖洗地面,则不宜过湿。,二、自动化控制与仪表调试项目,仪表调试是指使用标准精度高的仪器加入一个输入信号和/或读取一个输出信号。仪表调试特别应该验证输入输出的精度、 量程线性及滞后度是否符合规范并在出厂的精度范围之内。 仪表调试有以下几种方式： a.离线调试：即仪表在安装之前在调试间内进行调试。 b.在线调试：即仪表安装之后在工艺位置上进行调试。 c.现场调试：即接收时已安装好的仪表，如盘装表、分析

59、屋等，在现场就地调试。 离线调试是首选的方式，在调试间内调试设备、工具及设施更加容易获取，且能够避免调试设备的损坏。在线调试是对特殊仪表整体性能的调试。,仪表设备调试,1. 调试设备 以下为常用的仪表调试设备，根据项目的规模大小决定调试设备的数量。 气动调试设备 电子调试设备,2. 调试标准,调试设备应该经过校验，并且依照国家标准定期进行检验，出示检验报告，使其达到自己的校验精度。项目中的仪表设备应该分单元、分区域进行调试，每台仪表设备必须保留调试记录。 用于调试仪表或其它任何目的液体必须符合仪表的工艺介质的要求，调试时应充满液体，调试之后必须从仪表本体内倒出来。 仪表设备在安装之前应该进行离线调试，调试时间应该记录在调试记录上。 对于开关设备，应根据仪表数据表上的设定值来增加/减小输入信号，使开关设备设定在断开/闭合的状态，在全量程内进行重复性的调试，复位之前的死区应记录在调试记录上。,模拟仪表应该校验3点（0%、50%、100%），对于设计指定的仪表（如计量表）应校验5点（0%、25%、50%、75%、100%）。 每台仪表设备都应该被单独调试，使用标准输入标定输出。有时可以一起调试两台或两台以上的仪