自动化仪表课件

自动化仪表主讲人：二0一八年八月主要内容：1.传感器简介及应用2.转速元件及设备3.液位元件及设备4.振动元件及设备5.同期装置6.变送器及表计7.压力、流量元件及设备8.继电器自动化元器件一般说来，凡是用于系统设备的数据采集、处理以及对设备实施控制的元件和设备，均属于自动化元件设备的范畴。对于一个电站，是指机组开机、运行、停机、事故停机及事故报警等所用的自动化装置，主要指温度、转速、液位、物位、压力、流量、压差、振动等非电量的监测、转换、操作等所使用的装置，一般不包括电气二次回路、发电机继电保护等电量监测、保护及操作的装置；有时也不考虑电站中央集控室中所需要的自动化装置及元器件。若干个自动化元件设备可组成一个系统，完成某一共同功能。非电量与电量检测在水电站计算机控制过程中，需要检测的物理参数通常有两大类。一类是与水电站运行有关的非电量，例如水位、油位、流量、压力、位移、应力、转速、导叶开度、湿度、噪声等。另一类是与机组运行有关的电量，例如电压、电流、有功功率、无功功率、频率、相位、功率因数等。非电量的检测一般都需要先把非电量转换成为相应的电信号，经过模—数变换后再送给计算机进行处理。水电站计算机控制要求对电站的有关非电量进行连续的测量，由计算机及时地进行计算、分析，并显示给运行人员，使运行人员能及时地对水电站运行情况进行调节控制；同时，计算机还将检测结果通过计算机通讯网络传送到上一级控制系统。非电量检测过程一般由自动化元器件来完成的。1.传感器简介及应用传感器的基本组成敏感元件变换器放大处理电路敏感元件敏感元件又称为预变换器。传感器之所要以设置敏感元件，是因为在非电信号向电信号转换过程中，并不是所有的非电信号都可以直接转换为电信号，往往要经过一个中间转换，即首先将被测的非电信号预先变成另一种便于转换成为电量的信号，然后再借助其它设备把这个非电信号变换成为电信号。例如压力传感器，它首先把压力转换成为位移，然后再利用位移变成为电信号，电容压力传感器就是根据这个原理制造的。需要指出的是，并不是所有的传感器都需要设置变换器，有些被测的非电量也能直接变成电量，例如热电偶，它可以将温度的变化直接变成电压。变换器变换器又称变换元件，这是传感器中不可缺少的组成部分，它能将感受的非电量直接变换成为电信号。例如利用变换元件的位移直接推动电位器的滑动臂而输出相应的电压，构成位移电阻式传感器；又如可以直接把温度的变化转换成为电信号的热电偶元件，等等。传感器的分类按输入的物理量分类按工作原理分类按传感器输出性质分类按输入的物理量分类按输入的物理量分类是从使用的角度进行划分的。对工程技术人员来说，最重要的是要了解输入的是什么物理量，要求输出的是什么电信号，选择什么传感器才能满足工程上的要求。因此，按输入的物理量命名传感器是容易接受的。水电站中，常常需要测量液位、流量、温度、压力、速度、转速等物理量，因而把这些非电量的转换装置分别称为位移传感器、液位传感器、流量传感器、温度传感器、压力传感器就是十分自然的了。按工作原理分类按照传感器敏感元件将非电量转换为电量的原则，传感器可以分为电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、热电式传感器、光电式传感器，等等。例如位移与电信号之间的转换，可以利用位移去改变电位器的滑臂，使输出的电压与位移值相对应，这样的传感器，就是电阻式传感器，而将压力变成相应的电信号，可以利用压力去改变电容器两极板的距离，两极板的距离改变，电容器的电容量就改变，输出电压也就跟着改变，即输出电压随压力的变化而变化，这种传感器，就是电容式传感器，等等。按传感器输出性质分类按传感器输出信号的性质分类可分为：输出为开关量（“１”和０”或“开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟量的模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器水电站常用的传感器电阻式传感器热电阻式传感器电感式传感器电容式传感器霍尔式传感器热电动势式温度传感器电阻式传感器这种传感器多用于液位测量。它的工作是把液位的直线位移转变成为与电位器相关连的连杆的变化，从而改变电位器的电阻，使输出的电压与液位的变化成比例，即把液位的变化转变为电压的变化。热电阻式传感器这种传感器可以用来测量温度或流量。它是利用铂、铜这类物质受热后，其电阻值的变化与温度呈线性关系的特点，制成温度敏感元件。利用这种元件可以制成热电阻温度变送器，用来测量温度。还可以利用这种元件制成热电阻式流量传感器，其基本原理是：将热电阻放在被测流量的管道中的适当位置，利用热电阻上热量的耗散与液体流速的关系，来实现对流量的测量。PT100主要用来测量机组各轴承油温，瓦温，如：推力，上导，下导，水导，主轴密封等。同时，为满足控制需要，还配置了少量的温控元件，如温控开关、温控阀等.电感式传感器这种传感器用于远距离的水位测量、油位测量，也可以用于压力测量。这种传感器一般由一个可动衔铁、一个带铁芯的线圈组成。可动衔铁受液位或压力的控制。当液位或压力发生变化时，改变了衔铁与带铁芯线圈的距离，从而引起线圈电感的变化，电感的变化又进一步引起线圈中电压的变化。因而只要找出位移的变化与线圈中电压变化的关系，便可实现非电量向电量的变换。电容式传感器这种传感器可以用于压力、位移、角度、加速度、荷重等非电量的测量。它的工作原理是：利用上述这些非电量去改变电容器两极板的距离d，使电容器的电容C（C=）发生变化，进而使电容器上的电压发生变化，这样，便将上述非电量的变化转变成为电量的变化，实现对非电量的测量。SIEMENSTYPE:pointekcls200安装位置及应用动作原则水淹厂房浮子1.报警：五取一2.跳机：二取一且三取二霍尔式传感器这种传感器可以用来测量磁感应强度、有功功率、无功功率、电能、相位以及位移、压力等。霍尔传感器是利用霍尔效应制成的。所谓霍尔效应，就是一块通有电流的半导体，在外磁场作用下，半导体中的截流子受洛仑兹力的作用，这块半导体两侧因异性电荷的积累而形成电位差UH。霍尔传感器就利用这一效应制成。霍尔传感器通常有两个线圈，其中一个线圈给半导体块通入电流；另一个线圈线形成磁场，这个线圈的电流受被测非电量的控制，非电量的改变使外磁场也发生改变，半导体中载流在半导体两侧的聚集也发生改变，测量半导体两侧的电位差值，就能反映相应的非电量值。例如利用负载线路的电压去控制半层体块中的电流，利用负载线路的电流去形成外磁场，就可以制成霍尔式有功功率传感器和无功功率传感器；而利用压力去控制外磁场强度，给半导体通入某一定值电流，找出霍尔电位差UH与压力的关系，就可以制成霍尔式压力传感器，等等。霍尔式传感器是一种很有发展前途的传感器。热电动势式温度传感器这种传感器多用于温度测量。它是利用传感元件的接触电势与温差电势随温度的变化而变化的特点来测量温度的。热电偶传感器是这种传感器的典型代表。电阻式温度传感器电阻式温度传感器是利用半导体的电阻值随温度变化而变化的特性来测量温度的，这类传感器又称为热敏电阻。热敏电阻根据温度系数的不同，分为：NTC：负温度系数PTC：正温度系数，适用的温度范围宽，励磁变采用。CTR：负温度系数，在某一范围内电阻值会发生急剧的变化，适用于作温度开关。传感器基本特性传感器的特性一般指输入、输出特性。它有静态、动态之分。传感器动态特性包括动态稳定性、时域响应和频带宽度等方面，相对复杂，下面仅介绍其静态特性的一些指标。1．灵敏度。灵敏度是指传感器在稳态下输出变化值与输入变化值之比。对线性传感器，灵敏度为一常数；对非线性传感器，灵敏度随输入量的变化而变化。2．分辨率。分辨率是指传感器能检出被测信号的最小变化量。当被测量的变化小于分辨率时，传感器对输入量的变化无任何反应3．线性度。线性度是指传感器实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差和传感器满量程输出之百分比4．迟滞。迟滞是指传感器正向特性和反向特性的不一致程度。5．静态稳定性。静态稳定性包含稳定度和环境影响量两个方面。稳定指的是检测仪器仪表在所有条件都恒定不变的情况下，在规定的时间内能维持其指示值不变的能力。2.转速元件及设备在机组顺序控制中，转速信号是一个重要信号，准确的转速信号与机组安全可靠运行密切相关。我厂机组转速信号除了取自发电机出口PT外，还配置了两套齿盘测速装置，每套装置主要由齿盘和测速探头及辅助信号处理设备组成。其中180齿齿盘测速信号主要用于机组蠕动转速探测及背靠背起动控制；而6齿齿盘测速信号主要用于PMU（功角测量），同时提供机组顺控所需的速度开关量。为确保机组安全运行，除设置了电气过速外，在大齿测速装置上安装了4对硬接点，直接起动机构过速保护。转向检测器静止检测器转速显示/比较器发电机内电势功角测量（PMU）简介发电机功角是电网扰动和失稳轨迹的重要记录数据PMUPMUPMU可通过安装GPS控制的PMU进行同步采集，功角测量的关键在于同步测量测量Eq与Ug的角度。直接测量Eq的相位较困难，但转子位置与Eq存在着固定的相位关系，故可以采用转子位置代替Eq。名词定义发电机内电势当同步发电机转子以同步速率旋转时，主磁场就在气隙中形成一个旋转磁场，它“切割”定子绕组后，就将在定子绕组内感应出频率为f的一组对称三相电动势，称为发电机内电势。发电机功角发电机内电势和机端电压正序相量之间的夹角称为发电机功角。发电机初相角在采用键相脉冲直接测量发电机转子位置，来等效发电机内电势的相角，但由于转子机械安装位置（机械角）与内电势相角有较大的角差。在发电机空载情况下，发电机空载内电势与机端电压同相位，我们定义发电机空载内电势与机械角之间的夹角称为发电机初相角键相信号---以前主要用于对发电机转子轴振动进行监测，在发电机转子转到固定位置时，发出一定幅度的脉冲。目前机组该脉冲为每转1个脉冲。通过测量该信号，结合发电机的转速，可以得到转子的实际位置PMU现场调试3.液位元件及设备在蓄能机组控制中，液位控制信号主要有推力、上下导、水导轴承油位以及尾水管和上下库的水位。其自动化元件主要是浮子开关，相应不同的安装位置作用于报警或跳机；我厂采用的浮子多为磁翻板式及磁浮球式的浮子开关，这种开关原理简单，安装方便，但抗振性能太差，容易误动。而改造后的尾水水位浮子是电导率式浮子，是一种新型原理的浮子，不存在抗振性问题，运行可靠。尾水水位浮子水导油位浮子开关上下水库水位及拦污栅压差监测则相对复杂，分别采用了一套独立的水位测量系统。两套系统配置基本相同，以下对该系统作简单介召绍系统主要由空压机及其辅助设备、压力压差元件设备、数据处理及显示单元三大部分组成。其基本工作原理为在整个测量过程中测量装置不直接与被测液物接触，而是通过气压平衡来传送压力（压差）给测量装置，并由数据处理单元将传送的压力（压差）转换成水位信号，最后生成模拟量和开关量送给监控系统。同时，为确保上库安全运行，还设置了独立于水位测量系统的高水位浮子开关，保证高水位切泵功能的可靠性。4振动元件及设备为监测运行机组各轴承、机架的振动及大轴摆度情况，配置了相应的振动探头和信号处理系统。振动测量分绝对振动测量和相对振动测量两种。不同测量方式采用不同的振动探头和信号处理单元（卡件）。下面对振动探头作简单介绍非接触式电涡流探头，它主要利用被测转轴表面与探头端部间的间隙变化来测量振动，其主要特点有：①非接触式测量②线性测量范围宽，在线性范围内灵敏度不随初始间隙而变化③动态响应好④可连续长期可靠工作⑤长线转输抗干扰能力强。非接触式电涡流探头可对振动的振幅、频率、振型、偏心等进行测量。压电式加速度探头，它是利用某些晶体材料的正压电效应作为机电变换器而制成的加速度传感器。一般具有极宽的频带，动态范围很大，适全测量高速旋转机械的轴承座及壳体振动的加速度测量。加速度传感器工作原理：传感器内的惯性质量和压电晶体构成一个质量弹簧系统，压电晶体相当于弹簧。当传感器安装在机壳或轴承座上，由于惯性质量、压电晶体组成的系统具有极高的频率，一般在20k