自动化仪表与DCS第一章_概述_sk

中国石油大学胡长松2012-2内容第一章概述第二章控制单元第三章可编程控制器第四章执行单元第五章电气仪表的防爆知识第六章DCS控制系统第一章概述1.1自动控制系统与自动化仪表1.2自动化仪表的分类1.3仪表信号制和传输方式1.1自动控制系统与自动化仪表自动化：用相应的仪表代替人的感官和操作眼脑手变送器控制器执行器执行器测量变送器－把工艺参数转换成标准统一信号的装置。控制器－对偏差信号按照预先设定好的控制规律进行运算，输出控制信号控制执行器动作。执行器－根据控制器的输出完成对被控对象的控制。1.1自动控制系统与自动化仪表1.1自动控制系统与自动化仪表操纵值（MV）——控制器送给执行器的信号。给定值（SV）——工艺上希望保持的被控变量数值。测量值（PV）——被控变量的实际测量数值，即仪表示值。偏差（DV）——测量值与给定值之差。1.1自动控制系统与自动化仪表被控对象——被控制的工艺生产设备。操纵变量——实现控制作用的参数，一般是执行器控制的物理量。被控变量——要求实施控制的参数，一般是工艺操作的物理量。干扰——引起被控变量发生变化的各种因素。箭头方向表示信号的流向，而不是物料或能量的流向。1.1自动控制系统与自动化仪表过程测量仪表（压力、温度、液位、流量、成分）传感器、变送器过程控制仪表可编程调节器、可编程控制器、DCS、安全栅、操作单元、显示单元、调节阀、电磁阀、变频器……1.1自动控制系统与自动化仪表第一章概述1.1自动控制系统与自动化仪表1.2自动化仪表的分类1.3仪表信号制和传输方式1.2自动化仪表的分类按能源分按信号类型分按结构分按安装地点分气动、电动、液动……模拟的、数字的……基地式、单元组合、集散控制……控制室安装、现场安装……1.2自动化仪表的分类按所用能源形式分气动、电动和液动仪表。工业上主要使用电动和气动控制仪表。电动控制仪表气动控制仪表能源电源（220VAC/24VDC）气源（140kPa）传输信号电信号（电压、电流、数字）气压信号元、器件电子元器件气动元件接线导线导管电磁干扰与防爆受电磁干扰影响须采取抗干扰、防爆措施不受电磁干扰影响本质上安全防爆1.2自动化仪表的分类按所用能源形式分电动仪表能源获取方便，信号传输和处理容易，便于实现集中显示和操作电动仪表的发展过程DDZ-S（80年代初）CPU，集成电路24VDC4～20mA（1-5V）类型DDZ-ⅠDDZ-ⅡDDZ-Ⅲ放大元件电子管晶体管集成电路电源与信号220VAC0～10mA1.2自动化仪表的分类按所用能源形式分气动仪表结构简单、性能稳定、可靠性高、易于维护、安全防爆等特点。特别适用于石油、化工等有爆炸危险的场所。气动仪表的发展过程类型QDZ-ⅠQDZ-ⅡQDZ-Ⅲ主要元件膜片、杠杆、弹簧波纹管、杠杆集成气路气源与信号气源为0.14MPa的洁净压缩空气，标准信号为20kPa－100kPa1.2自动化仪表的分类按能源分按信号类型分按结构分按安装地点分气动、电动、液动……模拟的、数字的……基地式、单元组合、集散控制……控制室安装、现场安装……1.2自动化仪表的分类按信号类型分模拟式和数字式仪表。传输信号为离散的数字量，这类仪表与装置以微型计算机为核心，功能完善，性能优越，能解决模拟仪表难以解决的问题。如可编程调节器、PLC、DCS、FCS等。模拟仪表传输信号为连续变化的模拟量，这类仪表线路较简单,操作方便，价格较低。如气动仪表，电动单元组合仪表Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型等。数字仪表1.2自动化仪表的分类按能源分按信号类型分按结构分按安装地点分气动、电动、液动……模拟的、数字的……基地式、单元组合、集散控制……控制室安装、现场安装……1.2自动化仪表的分类按结构形式分单元组合式、基地式、集散控制系统、现场总线控制系统单元组合式仪表根据控制系统各组成环节的不同功能和使用要求，将仪表做成能实现一定功能的独立仪表（单元），各个仪表之间使用统一的标准信号进行联系，各单元不同组合可构成各种复杂度的控制系统和检测系统。变送单元执行单元控制单元转换单元运算单元显示单元给定单元辅助单元1.2自动化仪表的分类按结构形式分单元组合式、基地式、集散控制系统、现场总线控制系统单元组合式仪表变送单元：将各种被测参数，如温度、压力、流量、液位等物理量变换成相应的标准统一信号（4~20mA，0~10mA或20~100kPa）传送到接收仪表或装置，以供指示、记录或控制。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1.2自动化仪表的分类按结构形式分单元组合式、基地式、集散控制系统、现场总线控制系统单元组合式仪表转换单元：将电压、频率等电信号转换成标准统一信号，或者进行标准统一信号之间的转换，以使不同信号可以在同一控制系统中使用直流毫伏转换器频率转换器电/气转换器气/电转换器1.2自动化仪表的分类按结构形式分单元组合式、基地式、集散控制系统、现场总线控制系统单元组合式仪表控制单元：将来自变送单元的测量信号与给定信号进行比较，按照偏差给出的控制信号，去控制执行器的动作比例积分微分控制器比例积分控制器微分控制器具有特种功能的控制器1.2自动化仪表的分类按结构形式分单元组合式、基地式、集散控制系统、现场总线控制系统单元组合式仪表运算单元：将几个标准统一信号进行加、减、乘除开方、平方等运算，适用于多种参数的综合控制、比值控制、流量信号的温度压力补偿计算等加减器、乘除器和开方器1.2自动化仪表的分类按结构形式分单元组合式、基地式、集散控制系统、现场总线控制系统单元组合式仪表显示单元：对各种被测参数进行指示、记录、报警和计算，供操作人员监视控制系统和生产过程工况之用指示仪、指示记录仪、报警器、比例积算器和开方积算器1.2自动化仪表的分类按结构形式分单元组合式、基地式、集散控制系统、现场总线控制系统单元组合式仪表恒流给定器、定值器、比值给定给定单元：输出标准统一信号作为被控变量的给定值送到控制单元，实现定值控制。给定单元的输出也可以供给其它仪表作为参考基准值。1.2自动化仪表的分类按结构形式分单元组合式、基地式、集散控制系统、现场总线控制系统单元组合式仪表辅助单元：为了满足自动控制系统某些要求而增设的仪表操作器：用于手动操作，同时又起手动/自动的双向切换作用；阻尼器：用于压力或流量等信号的平滑、阻尼；限幅器：用于限制信号的上下限值；安全栅：用来将危险场所与非危险场所隔开，起安全防爆作用1.2自动化仪表的分类按结构形式分单元组合式、基地式、集散控制系统、现场总线控制系统基地式仪表把单元组合仪表的几个单元组合在一起，构成一个仪表，通常以指示、记录仪表为主体，附加控制、测量和给定等部件而构成适合用于单参数的控制系统1.2自动化仪表的分类按结构形式分单元组合式、基地式、集散控制系统、现场总线控制系统集散控制系统（DCS）或可编程控制器（PLC）以计算机为核心，集控制技术（Control）、计算机技术（Computer)、通信技术（Communication)、屏幕显示技术（CRT）等4C技术为一体的计算机控制装置，实现分散控制和集中管理。集：集中——集中监视、集中操作和管理整个生产过程散：分散——由多台专用微机分散地控制各个回路，可使系统运行安全可靠1.2自动化仪表的分类按结构形式分单元组合式、基地式、集散控制系统、现场总线控制系统集散控制系统（DCS）或可编程控制器（PLC）以计算机为核心，集控制技术（Control）、计算机技术（Computer)、通信技术（Communication)、屏幕显示技术（CRT）等4C技术为一体的计算机控制装置，实现分散控制和集中管理。将控制单元、显示单元、运算单元、给定单元组合，完成控制、显示、运算等功能。1.2自动化仪表的分类按结构形式分单元组合式、基地式、集散控制系统、现场总线控制系统现场总线控制系统（FCS）基于现场总线技术的计算机控制系统特点：现场控制和双向数字通讯，将传统上集中于控制室的控制功能分散到现场设备中，实现现场控制，而现场设备与控制室内的仪表或装置之间为双向数字通讯。1.2自动化仪表的分类按能源分按信号类型分按结构分按安装地点分气动、电动、液动……模拟的、数字的……基地式、单元组合、集散控制……控制室安装、现场安装……1.2自动化仪表的分类按安装地点分控制室安装、现场安装控制室安装仪表控制单元、显示单元、辅助单元、运算单元、给定单元、DCS（控制器）、PLC（控制器）现场安装仪表变送单元、执行单元、转换单元1.2自动化仪表的分类按安装地点分控制室安装、现场安装控制室安装现场安装1.2自动化仪表的分类按安装地点分控制室1.2自动化仪表的分类按安装地点分控制室1.2自动化仪表的分类按安装地点分控制室1.2自动化仪表的分类按安装地点分控制室1.2自动化仪表的分类按安装地点分现场1.2自动化仪表的分类按安装地点分现场第一章概述1.1自动控制系统与自动化仪表1.2自动化仪表的分类1.3仪表信号制和传输方式1.3仪表信号制和传输方式意义：有利于通用性和相互兼容性方便不同系列或不同厂家的仪表互传信息信号制（信号标准）指仪表之间采用的传输信号的类型和数值范围。1.3仪表信号制和传输方式信号制（信号标准）气动仪表的信号标准电流信号:4~20mA,0~10mA；电压信号:1~5V；数字；20~100kPa电动仪表的信号标准信号下限从零开始有利于模拟量运算。信号下限从某值开始（活零点）便于检验仪表是否断电，并可实现两线制。信号上限高，产生的电磁平衡力大；信号上限低有利于减少功率损耗和仪表防爆。1.3仪表信号制和传输方式信号传输方式直流电流传输接收仪表R0I0IiRiRiRcm发送仪表为减小传输误差，要求：R0足够大；Rcm及Ri应比较小优点：适于远距离传输；回路中串入一电阻取压方便缺点：回路中增减接收仪表会影响其它仪表的工作1.3仪表信号制和传输方式信号传输方式直流电压传输为减小传输误差，要求：R0和Rcm尽量小，Ri大些。优点：增加或取消某个接收仪表不影响其他仪表的工作。各接收仪表可设置公共接地点，可和计算机联用。缺点：引线电阻上产生电压降,信号受一定损失因接收仪表输入阻抗很高，易于引入干扰，所以电压信号不适于远距离传输。接收仪表RiRcm／２发送仪表R0U0Rcm／２IiRiRi信号传输方式现场与控制室仪表之间采用直流电流信号传输；控制室内部仪表之间采用直流电压信号传输。1.3仪表信号制和传输方式信号传输方式四线制变送器电源装置变送器现场控制室接收仪表变送器与控制室之间的连接形式多见DDZ-II型仪表，标准信号为0~10mA，电源为220V或24V。1.3仪表信号制和传输方式信号传输方式二（两）线制变送器变送器与控制室之间的连接形式多见DDZ-III型及以上的仪表，标准信号为4~20mA，电源24V变送器现场电源装置控制室接收仪表要实现两线制，必须采用活零点的电流信号。因电源线和信号线公用，电源供给变送器的功率是通过信号电流提供的。变送器输出电流为下限值时，应保证它内部的半导体器件仍能正常工作。故信号电流下限值不能过低。1.3仪表信号制和传输方式本课程的学习内容■控制单元PID调节规律；可编程调节器■可编程控制器西门子S7-200■执行单元气动执行器；电气阀门定位器；电动执行器■电气仪表的防爆知识■DCS系统本课程的学习方法和参考资料■学习方法1、以上课内容为主，做好笔记2、注重原理、工程概念和规范■参考资料1、自动化仪表与DCS，胶印教材，耿艳峰等编写2、控制装置与仪表，陆会明，机械工业出版社3、控制仪表及装置，吴勤勤，化学工业出版社4、控制仪表与计算机控制装置，周泽魁，化学工业出版社