第0章自动化仪表概述.

1自动化仪表与过程控制施仁刘文江郑辑光编著主讲教师：孙虹Email：[e-mail]2•课程简介:本课程是电气、自动化、测控技术与仪器等本科专业的专业主干课。自动化仪表主要介绍工业生产过程中常用的自动化仪表与控制装置的工作原理、组成结构、整机特性及其构成测量和控制系统的正确使用方法；过程控制主要介绍对象动态特性的测试方法、单回路及复杂调节系统的工作原理及设计整定方法，最后介绍各种调节系统在生产过程控制中的应用实例。3•课程目的和任务通过本课程的学习，为学生从事生产过程自动化的实际工作和科学研究打下必要的基础；使学生能够达到从事过程控制系统的分析、设计、运行及研究；培养学生工程实践能力和创新能力。通过拓宽知识面，使学生进一步了解本专业发展趋势及动向。•课程教学的基本要求通过本课程的学习，学生应具有较丰富的自动化仪表与过程控制理论的基本知识，了解自动化仪表和过程控制装置的发展概况及基本知识，能正确处理过程控制方面出现的工程简单问题，能根据工艺要求与技术人员共同讨论和设计出合理的自动控制系统方案，并在生产过程中投入运营。4目录:第0章自动化仪表概述第1章检测仪表第2章调节器第3章集散控制系统与现场总线控制系统第4章执行器和防爆栅第5章调节对象的特性及实验测定第6章单回路调节系统的设计第7章复杂调节系统第8章自动调节系统再生产过程中的应用5主要参考书侯志林，《过程控制与自动化仪表》机械工业出版社，2002历玉鸣，《化工仪表与自动化》化学工业出版社，2003刘元杨，《自动检测和过程控制》冶金工业出版社，2003金以慧，《过程控制》清华大学出版社，19986自动化仪表与过程控制概述自动化仪表---是实现工业生产过程自动化的重要工具，它被广泛地应用于石油、化工等各工业部门。在自动控制系统中，自动化仪表将被控变量转换成电信号或气压信号后，除了送至显示仪表进行指示和记录外，还需送到控制仪表进行自动控制，从而实现生产过程的自动化，使被控变量达到预期的要求。过程控制仪表包括检测仪表、调节仪表（也叫控制器）、执行器，以及可编程调节器等各种新型控制仪表及装置。一、自动化仪表及其分类1.概述7图1为人工控制室温。假设在冬季，室内加温是通过热水加热器，将送风加热后源源不断送往恒温室。为保证恒温室温符合要求，操作人员要随时观察温度计的指示值，并随时判断和决定如何操作阀门来保证恒温要求，然后进行操作。在此人的作用可分为三步：眼看脑想手动送风回风恒温室温度计阀门图1室温人工控制示意图8眼看——用传感器或变送器将温度信号转换为控制器可接受的信号。脑想——控制器将输入的实测温度信号和要求值进行比较（相减求偏差),并按偏差值计算出控制量。手动——人工阀门换成控制阀，按控制信号自动改变开度。人工控制受制于人的经验和注意力，控制不精确。而自动控制按设定好的方案进行计算控制，可以做到精确的、恰当的控制。9过程控制系统的定义：为实现对某个工艺参数的自动控制，由相互联系、制约的一些仪表、装置及工艺对象、设备构成的一个整体。图2为室温自动控制系统，自动化仪表代替了人。回风恒温室23送风热水M回水41图2室温自动控制系统示意图1—热水加热器；3—控制器；2—传感变送器；4—执行器TCTT10在讨论控制系统工作原理时，为清楚地表示自动控制系统各组成部分的作用及相互关系，一般用原理框图来表示控制系统。如图2的室温控制系统是由温度变送器、控制器、电动调节阀和加热器及房间组成。给定值被控变量干扰f控制器变送器调节阀加热器及房间+e实测值－11用通用名称表示为：给定值被控变量干扰f控制器变送器执行器被控对象+e实测值－过程控制系统的主要任务是：对生产过程中的重要参数（温度、压力、流量、物位、成分、湿度等）进行控制，使其保持恒定或按一定规律变化。过程控制系统原理方框图122.自动化仪表的分类能源形式信号类型功能划分一、自动化仪表及其分类13电动自动化仪表；气动自动化仪表；液动自动化仪表；机械式自动化仪表。按能源形式分类主要可分为：一、自动化仪表及其分类14一、自动化仪表及其分类电动自动化仪表气动自动化仪表能源传输信号构成接线电源220VAC24VDC电信号电子元器件导线，印刷电路板气源140kPa气压信号气动元件导管，管路板15按信号类型分类可分为：模拟式自动化仪表；数字式自动化仪表。一、自动化仪表及其分类16多功能自动化仪表；单元组合式自动化仪表。按功能划分主要可分为：多功能仪表将测量、记录、调节仪表组合在一起的多功能自动化仪表。单元组合式仪表若干种能独立完成一定功能的标准单元，根据需要，构成复杂程度不同的控制系统。一、自动化仪表及其分类17二、电动单元组合仪表及其控制系统的组成18我国目前的三代电动单元组合仪表：DDZ-Ⅰ：DDZ-Ⅱ：DDZ-Ⅲ：电子管和磁放大器为主要放大元件；晶体管作为主要放大元件；集成线路为主要放大元件。二、电动单元组合仪表及其控制系统的组成19二、电动单元组合仪表及其控制系统的组成反应器反应温度自动调节系统20温度变送器调节器反应器反应温度自动调节系统21调节对象检测元件变送单元显示单元给定单元调节单元执行单元被调量测量值给定值阀门1.电动单元组合仪表单元组合仪表22变送单元有：——温度变送器；——压力变送器；——差压变送器；——流量变送器；——液位变送器等。①变送单元变送单元将各种被测参数变换成相应的标准统一信号传送到接受仪表或装置，以供指示、记录或控制。二、电动单元组合仪表及其控制系统的组成23调节对象检测元件变送单元显示单元给定单元调节单元执行单元被调量测量值给定值阀门二、电动单元组合仪表及其控制系统的组成24②给定单元给定单元输出标准信号，作为被控变量的给定值送到调节单元，实现定值调节。给定单元有：——恒流给定器；——定值器；——比值给定器；——时间程序给定器等。二、电动单元组合仪表及其控制系统的组成25调节对象检测元件变送单元显示单元给定单元调节单元执行单元被调量测量值给定值阀门二、电动单元组合仪表及其控制系统的组成26③调节单元调节单元将来自变送单元的测量信号与给定信号进行比较，按照偏差以一定的调节规律给出调节信号，去控制执行器的动作。调节单元有：——比例积分微分调节器；——比例积分调节器；——比例微分调节器；——具有特种功能的调节器等。二、电动单元组合仪表及其控制系统的组成27调节对象检测元件变送单元显示单元给定单元调节单元执行单元被调量测量值给定值阀门二、电动单元组合仪表及其控制系统的组成28④执行单元执行单元将按照调节单元发出的信息改变阀门的开度，控制进入调节对象的工艺介质流量。执行单元有：——角行程电动执行器；——直行程电动执行器；——气动薄膜调节阀等。二、电动单元组合仪表及其控制系统的组成29反应器反应温度自动调节系统30阻尼器、限幅器、安全栅等。⑤辅助单元二、电动单元组合仪表及其控制系统的组成312.标准信号制度过程控制系统的模拟标准信号为直流电流4~20mA，直流电压1~5V。国际电工委员会规定：我国DDZ型仪表采用的标准信号：DDZ-Ⅰ型和DDZ-Ⅱ型仪表：0~10mADDZ-Ⅲ型仪表：4~20mA二、电动单元组合仪表及其控制系统的组成32我国DDZ型仪表的两个标准信号与国际标准信号有什么异同？我国的DDZ型仪表采用的是直流电流信号作为标准信号。二、电动单元组合仪表及其控制系统的组成5分钟33采用电流信号的优点：电流不受传输线及负载电阻变化的影响，适于远距离传输；IiViVoCRIo二、电动单元组合仪表及其控制系统的组成34采用电流信号的优点：电流不受传输线及负载电阻变化的影响，适于远距离传输；电动单元组合仪表很多是采用力平衡原理构成，使用电流信号可直接与磁场作用产生正比于信号的机械力；二、电动单元组合仪表及其控制系统的组成35θBIlFsinF磁场作用力B磁感应强度I通过导线的电流l通过磁场的导线长度θ磁场与导线夹角二、电动单元组合仪表及其控制系统的组成36采用电流信号的优点：电流不受传输线及负载电阻变化的影响，适于远距离传输；对于要求电压输入的受信仪表和元件，只要在回路中串联电阻便可得到电压信号。电动单元组合仪表很多是采用力平衡原理构成，使用电流信号可直接与磁场作用产生正比于信号的机械力；二、电动单元组合仪表及其控制系统的组成371.直流信号传输过程中易于和交流感应干扰相区别，且不存在移相问题；采用直流信号的优点：tOItIO381.直流信号传输过程中易于和交流感应干扰相区别，且不存在移相问题；采用直流信号的优点：2.直流信号不受传输线中电感、电容和负载性质的限制。二、电动单元组合仪表及其控制系统的组成39tOI电阻电容电感二、电动单元组合仪表及其控制系统的组成40我国DDZ型仪表采用的标准信号：DDZ-Ⅰ型和DDZ-Ⅱ型仪表：0~10mADDZ-Ⅲ型仪表：4~20mA二、电动单元组合仪表及其控制系统的组成413.活零点在DDZ-Ⅲ型仪表中，以20mA表示信号的满度值，而以此满度值的20%即4mA表示零信号。这就称为活零点安排。二、电动单元组合仪表及其控制系统的组成424mA恒流电路P250Ω24VAVT+-VD2I（0~16）mAV=1~5VRP1V12I（4~20）mA0Rf给仪表内的检测和放大电路供电3.活零点二、电动单元组合仪表及其控制系统的组成43P250Ω24VAVT+-VD2I（0~16）mARP1V12Rf请同学们讨论造成电流表一显示为零的原因电流表一二、电动单元组合仪表及其控制系统的组成44P250Ω24VAVT+-VD2I（0~16）mARP1V12Rf1.被测压力为零；2.仪表的某个位置断线。二、电动单元组合仪表及其控制系统的组成电流表一454mA恒流电路P250Ω24VAVT+-VD2I（0~16）mAV=1~5VRP1V12I（4~20）mA0Rf电流表一电流表二二、电动单元组合仪表及其控制系统的组成464mA恒流电路P250Ω24VAVT+-VD2I（0~16）mAV=1~5VRP1V12I（4~20）mA0Rf两线制变送器的组成原理二、电动单元组合仪表及其控制系统的组成47传感器变送器4～20mA24V四线制变送器传感器变送器4～20mA24V两线制变送器在目前的元器件水平下，起点电流小于4mA时仪表工作将会发生困难。因此，目前国际上采用4~20mA作为标准信号。说明二、电动单元组合仪表及其控制系统的组成48电流型变送器将物理量转换成4~20mA电流输出，必然要有外电源为其供电。最典型的是变送器需要两根电源线，加上两根电流输出线，总共要接4根线，称之为四线制变送器。当然，电流输出可以与电源公用一根线（公用VCC或者GND），可节省一根线，称之为三线制变送器。其实4-20mA电流本身就可以为变送器供电，如图1C所示。变送器在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于变送器的耗电电流在4~20mA之间根据传感器输出而变化。显示仪表只需要串在电路中即可。这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。工业电流环标准下限为4mA，因此只要在量程范围内，变送器至少有4mA供电。这使得两线制传感器的设计成为可能。问题：两线制变送器与传统的四线制、三线制变送器相比有何什么优点？49三、过程控制的发展概况过程控制的发展历程，就是过程控制装置（自动化仪表）与系统的发展历程。1.过程控制装置与系统的发展过程1.1局部自动化阶段（20世纪50～60年代）自动化仪表安装在现场生产设备上，只具备简单的测控功能。适用于小规模、局部过程控制。50特点：自动化仪表划分成各种标准功能单元，按需要可以组合成各种控制系统。控制仪表集中在控制室，生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，送往控制室。操作人员可以在控制室监控生产流程各处的状况。适用于生产规模较大的多回路控制系统。1.2模拟单元仪表控制阶段（20世纪60～70年代）51巴基斯坦贾姆肖罗电厂521.3集散控制阶段（20世纪70年代中期至今）计算机的出现，大大简化了控制功能的实现。最初，人们设