冶金过程控制基础及应用第四章新汇总课件.ppt

第4章 过程控制装置,生产过程,检测仪表,执行器,调节仪表,显示仪表,集中控制装置,过程控制装置与被控对象构成了过程控制系统的基本要素。过程控制系统设计时，必须根据过程特性和工艺要求，合理选用控制装置组成自动控制系统，并通过调节器PID参数的整定，使系统运行在最佳状态，实现对生产过程的最优控制。本章主要介绍三部分内容：1、变送器 2、调节器 3、执行器,过程控制装置必须由测量变送单元、调节器和执行器（如调节阀）三个环节构成。,4.1 过程控制装置的分类,一、分类1、按能源形式分类 可分为电动、气动、液动和混合式控制仪表四大类。（1）气动控制仪表 气动控制仪表采用1.4102kPa的气压信号作为能源。气动控制仪表的特点是结构简单、性能稳定、工作可靠、防爆、易于维修等特点，特别适用于石油、化工等有爆炸危险的场合。近年来，气动控制仪表在发展速度和生产应用方面仅次于电动控制仪表,（2）液动控制仪表 液动控制仪表也发展较早。它结构简单，工作可靠，但动作速度较低、设备笨重，多用于功率较大的场合，例如目前火电厂的汽轮机调速和水电站中的水轮机调速几乎都采用液动调节。（3）电动控制仪表 电动控制仪表采用交流电源或直流电源作为能源。具有许多优点：电信号无滞后、易于实现快速和远距离传输、易于实现复杂的控制规律、易于集中显示和操作、便于和计算机连用等。,（4）混合式控制仪表 如某些汽轮机、水轮机采用的电液复合调速器，既具有电动仪表能远传信号的特点又具有液动调节仪表输出功率大的特点。2、按结构形式分类 从控制仪表的发展来看，大体上经历下述几个阶段：基地式控制仪表、单元组合式仪表、组装式综合控制装置、集散型控制装置、现场总线控制装置等几类。（1）基地式控制仪表 其结构特点是将检测、转换放大、显示、调节等部件设计成一个整体装置。它基本上是以指示或记录仪表为中心，有时附加一些部件来完成调节任务的。利用一台基地式仪表就能解决一个简单自动控制系统的测量、指示、记录、调节等全部任务，使用方便、价格低廉，因此它适用于单参数、单回路的简单控制系统。,（2）单元组合式控制仪表 按照控制系统中各环节的不同功能和使用要求，将控制仪表分为若干个能独立实现一定功能的单元，各单元之间以统一标准信号互相联系，应用时把几种单元进行不同的组合便可构成形式多样、复杂程度不等的自动控制系统。特点：应用方便灵活，通用性强，便于生产、维护，适合于大、中规模生产自动化的要求，已经成为现代工业生产中相当重要的自动控制仪表。在我国，单元组合式控制仪表有气动单元组合仪表(QDZ)和电动单元组合仪表(DDZ型)两大系列。在DDZ系列中，相继研制开发了型（电子管和磁放大器型，50年代）、型（晶体管型，60年代）、型（集成运算放大器型，70年代）、S型（基于微机技术）电动单元组合仪表。仪表在结构和性能等方面都有明显的改进。,（3）组装式综合控制仪表 在单元组合式仪表的基础上发展起来的成套控制仪表装置。结构特点：将整套仪表的调节、运算和控制功能部分与显示操作功能部分分开，为此，组装式仪表分为控制柜和操作盘两大部分。控制柜中以插接方式密集安装了一块块具有独立功能的“功能组件”，它们是组装式仪表的基本组成件，设置功能组件是这种装置的特征所在。显示操作盘是人机联系部分，集中布置了与监视、操作有关的盘装仪表。这样的结构有利于现代大型企业中组成各种复杂的控制系统及实现集中显示和操作的要求，也利于在仪表制造厂预先根据用户需要组装好整套自控系统，减少现场的安装调试工作量，并且使维护和系统改组工作大大简化。,（4）集散型控制装置（以微处理器为基元的控制装置）以微处理器和微型计算机为核心，对生产过程进行分散控制和集中监视、操作的直接数字控制装置(也称基本控制器)。结构分为四部分：过程监测控制装置、人机接口装置、通信网络和上位机接口装置。集散型综合控制装置的特点是：以微处理器和微型计算机作为过程控制工具，完成目前模拟仪表和小型程控装置的功能；以小型计算机作为上位机，实现数据处理、监督控制；以图象显示为中心的人机接口装置，实现集中显示、操作；用通用电缆将各设备有机地联系起来。集中分散型综合控制装置优点：功能分散、负荷分散、危险分散；操作集中、显示集中、管理集中；运行安全（三分散三集中一安全）。,（5）现场总线控制装置（FCS）组成：现场总线和现场总线装置。3、按信号形式分类 可分为数字式和模拟式仪表两大类。,二、自动控制仪表的信号制 组成工业自动控制系统的仪表一般包括以下几类；检测仪表和变送器；显示及记录仪表；信号处理仪表(包括运算、调节、监控等功能)；执行器。变送器和执行器一般直接安装在生产现场，其它仪表安装在控制室内。为了把这些过程控制装置连接起来，构成功能各异的控制系统，在过程控制装置之间应该有一个统一的标准联络信号和适当的传输方式。,信号制：是指在成套仪表系列中，各个仪表的输入、输出采用何种统一联络信号的问题。采用统一信号不仅使各仪表间的任意联用成为可能，而且还有以下好处：(1)通用性强。由于各种被测参数转换为统一信号，显示、记录仪表单一化，同时便于与巡回检测装置、顺序控制装置、控制计算机等现代技术工具配合使用；(2)扩大使用范围。采用统一信号，可以通过各种转换器如电气转换器、气电转换器等将电动仪表和气动仪表联系起来，混合使用，从而扩大仪表的使用范围。,目前过程控制装置使用的联络信号有：模拟信号（气动、电动）、数字信号、频率信号、脉宽信号。气动模拟信号：仪表的输入、输出信号统一采用0.020.1MPa压力信号。电信号有电模拟信号、数字信号、频率信号、脉冲信号等四类。目前工业自控仪表中绝大部分是模拟仪表，因此用得最多的是电模拟信号。,电模拟信号的种类有直流电流、直流电压、交流电流和交流电压四种。目前大都采用直流信号作为统一的联络信号。不同的过程控制装置，所取的信号上、下限是不同的。国际电工委员会(IEC)规定了国际统一信号，即过程控制系统的模拟直流电流信号为4-20mA,DC；模拟直流电压信号为15V,DC。我国的DDZ-型仪表采用了国际统一信号，而DDZ-型仪表采用010mA,DC信号。,三、DDZ型仪表的分类和命名规则 1、按单元分类 按照DDZ型仪表各单元在自动检测与控制系统中的作用与特点，可将整套仪表分为八大类。变送单元。将各种被测参数转换成010mA，DC统一标准信号，传送到显示单元和调节单元，以实现对各种参数的指示、记录和调节。调节单元。将变送单元送来的测量信号与给定位值信号进行比较，根据所得偏差信号按一定调节规律输出连续的调节信号，来控制执行单元工作。执行单元。根据调节单元送来的调节信号或手动操作信号，操作调节机构(如阀门、挡板)开大或关小，以达到调节的目的。显示单元。接受变送单元或其它单元送来的信号对被测参数进行指示、记录、积算和报警，供运行人员监视、分析系统工况。,计算单元。能对几个仪表输出的010mA,DC信号进行数学计算(如加、减、乘、除、平方、开方)，适用于信号的校正计算、多参数综合调节等。给定单元。输出010mA,DC作为被控参数的给定值送到调节单元实现定值控制或时间程序控制。给定单元的输出也可供给其它仪表作为参考基准值。转换单元。它是DDZ-型仪表与其它系列仪表之间联系的桥梁。它能将毫伏电势、频率和气动单元组合仪表的气动信号转换成010mA,DC。辅助单元。配合各单元在自动检测和控制系统中起附加和补充作用，以增加系统组合的灵活性及系统远行的安全性，如手动操作、信号限幅、报警和平滑阻尼。,2、命名规则 根据各单元的特点和习惯用语，将指示、记录单元称为指示仪、记录仪，其余各单元均称为器，如变送器、转换器、调节器、执行器、给定器等。整套仪表以电(DIAN)、单(DAN)、组(ZU)三字的汉语拼音第一个大写字母组合为命名，即DDZ，代表电动单元组合仪表，罗马数字代表整套仪表为晶体管型。DDZ-型仪表（集成运算放大器型）命名类似型仪表，其采用统一信号4-20mA,DC。,4.2 变送器,变送器是单元组合仪表中不可缺少的基本单元之一。工业生产过程中，测量元件将压力、温度、流量、液位等参数检测出来后，需要由变送器将测量元件的信号转换为一定的标准信号(010mA，DC或420mA，DC)，送往显示仪表或调节仪表进行显示、记录或调节。注意：变送器（变送）和传感器（测量和变送）的差别。,变送器分类1、按功能分类 压力变送器、差压变送器、温度变送器、流量变送器、液位变送器等。2、按照变送器的驱动能源来分：气动变送器和电动变送器。以压缩空气为驱动能源的是气动变送器；以电力为驱动能源的便是电动变送器。,4.2.1 差压变送器,作用：差压变送器用来把差压、流量、液位等被测参数转换成为统一标准信号，并将此统一信号输送给指示、记录仪表或调节器等，以实现对上述参数的显示、记录或调节。发展历程：单杠杆式、双杠杆式、矢量机构式、微位移式（电容、电感等）、智能式等阶段。下面以力平衡式（QDZ型气动差压变送器和DDZ-III型电动差压变送器）和电容式差压变送器的结构和工作原理进行介绍。,1、气动元件及组件 常见的气动元件有气阻、气容。常见的组件有组容藕合组件、喷嘴挡板机构、功率放大器等。（1）气阻 气体流过节流元件时，会受到一定的阻力，这种节流元件叫做气阻。气阻的作用和电阻相似，起阻碍气体的流动、降压和限流的作用。气阻按其结构特点和工作特性可分为恒气阻与变气阻两类。气阻对空气的阻碍程度，一般用气阻值R表示，其大小为每增加单位体积流量的气体所需要增加的压力差。即：Rp/qv 化工仪表也有用质量流量表示：Rp/M,一、气动差压变送器 气动差压变送器主要利用了力平衡原理。其敏感元件为膜片或膜盒。主要用于测量液体、气体或蒸汽的压力、差压、流量、液位等物理量。气动差压变送器可以将压力信号成比例地转换成20-100 kPa的统一标准气压信号，送往气动单元组合仪表的调节器或显示仪表进行调节、指示和记录。其杠杆系统形式有三种：单杠杆、双杠杆和矢量机构。,恒气阻是指流通截面积不能调整的节流元件，其气阻值不可改变。恒气阻的结构一般有三种形式。,变气阻是指流通截面积可以调整的节流元件，其气阻值可以随意改变。变气阻的结构形式很多。,（2）气容 凡是在气路中能贮存或释放出气体的气室称为气容。气容在气动仪表中起缓冲、防止振荡的作用，与电容作用相类似。通常用气容C来定量表示气室贮存空气量的能力。所谓气容就是指改变单位压力所需要的气体的体积流量。可表示为气容分为固定气容（容积不变）和弹性气容（压力容积均变）两种。,（3）组容耦合组件 常见的组容耦合组件有节流通室和节流盲室。,节流通室是由变气阻、流通气室与恒气阻串联而成的组件。节流盲室由一个变气阻和一个气室串联在一起所构成的组件。,节流通室,在稳态情况下，节流通室的入口压力与出口压力成比例。即类似比例环节。,节流盲室,节流盲室特性方程（充气过程气室压力P2与时间的关系）见上式，类似惯性环节。即：（a）若输入压力P1为阶跃信号，则气容压力P2随时间的变化规律呈指数曲线变化。即先快后慢。（b）当t=T时，P20.632P1；TRC称为时间常数，其等于P1阶跃变化时，气容压力P2上升到P1的63.2时所需的时间。（c）T反映气容中压力P2的变化速度，T越大，表示P2变化速度越慢。,（4）喷嘴挡板机构(符号)是由恒气阻、气容（喷嘴背压室）和喷嘴挡板型变气阻串联而成的节流通室，其结构如下图。喷嘴挡板机构的作用是把输入的微小位移（挡板相对喷嘴的距离）转换成相应的气压信号作为其输出。喷嘴背压室的压力就是喷嘴挡板机构的输出压力，称P背。,工作原理：来自气源的压缩空气（约0.14 MPa），经恒气阻1进入被压室2后，再由喷嘴3和挡板4之间的间隙排入大气。恒节流孔径很小，它对压缩空气的流动造成很大阻力。挡板和喷嘴组成的变气阻与两者之间的间隙h有关，当挡板靠近喷嘴，气阻增大，背压室内的气体不易排出，则P背上升；反之，挡板离开喷嘴，气阻减小，背压室内的气体容易排出，则P背下降。从而实现挡板的微小位移转换成气压信号的任务。喷嘴挡板机构的输出信号P背与输入信号（挡板位移）之间的关系，即为喷嘴挡板机构的静态特性。如上图所示。h与P背之间的关系在较小范围内才是线性的。因此其一般工作在中间区段（0.025-0.13MPa）。,（5）功率放大器(符号)功率放大器的作用就是将气动信号进行压力和流量的放大，使其能驱动显示和执行机构。功率放大器按原理分为两类：力平衡式和节流式（见下图）。节流式功放的输入是喷嘴挡板机构的输出。它在进行气体的流量放大的同时，也满足气体的压力放大，实现气体压力和流量同时放大。,2、单杠杆式气动差压变送器 基本工作原理：气动差压变送器是根据力矩平衡原理工作的，它可将压力信号 P 成比例地转换成 0.02-0.1 MPa的统一标准气压信号，送往调节器或显示仪表进行调节、指示或记录。其由测量部分和气动转换部分组成，包括测量部分（膜盒）、杠杆系统、放大器和反馈机构等部分组成，如图所示。,（1）测量部分 测量部分由轴封膜片、敏感元件、机座、主杠杆及连接部件组成，结构如图所示。其作用是把被测差压pi（p1-p2）转换成作用于主杠杆下端的输入力Fi，当p2接大气，则pi相当于p1的表压。输入力Fi与pi之间的关系用下式表示，即：Fip1A1-p2A2=piAd式中，A1、A2为膜盒正、负压室膜片的有效面积（制造时经严格选配使A1A2Ad）因膜片工作位移只有几十微米，可以认为膜片的有效面积在测量范围内保持不变，即保证了Fi只与P之间的线性关系。轴封膜片为主杠杆的支点，同时它又起密封作用。,（2）杠杆系统 气动转换部分包括杠杆系统、放大器和反馈机构等部分，关键部分是杠杆系统。杠杆系统的作用是进行力的传递和力矩比较。杠杆系统受力分析：输入力Fi（被测差压pi经膜盒转换作用于主杠杆下端力），产生一个输入力矩Mi，使主杠杆以轴封膜片为支点而顺时针偏转；反馈力Ff（Abp0）：由变送器的输出信号产生，在主杠杆上形成逆时针方向的力矩Mf，当Mf和Mi适当时，主杠杆重新达到平衡。此时其关系为：FiL1=FfL2,（3）整机特性（变送器静特性）工作原理：根据力矩平衡原理可得单杠杆气动差压变送器平衡时输出P0与输入pi之间的关系：,可见P0与pi之间具有固定的比例关系。式中K为变送器的放大系数，改变K就可以改变变送器的量程范围。当变送器结构确定后，唯一可变的是通过移动量程支点6来改变l2。当l2变大（负反馈力矩变大），K变小，在输出范围（0.02-0.1MPa）相同时，量程就可以变大。反之，量程变小。,二、电动差压变送器 DDZ型电动差压变送器能将压力信号成比例地转换成420mA的DC 直流电流统一标准信号，送往调节器或显示仪表进行指示、记录和调节。它具有反应速度快、便于远距离输送等特点。电动差压变送器有多种型式，DDZ型差压变送器是两线制安全火花型变送器，主要用于测量液体、气体或蒸气的差压、流量、液位、相对密度等物理量。它的反馈部分采用电磁反馈装置，放大器采用低频位移检测放大器，杠杆系统采用矢量机构的形式。其结构图如下：,（1）测量部分 测量部分类似单杠杆差压变送器，其作用是把被测差压pi（p1-p2）转换成作用于主杠杆下端的输入力Fi，即：Fip1A1-p2A2=piAd式中，A1、A2为膜盒正、负压室膜片的有效面积制造时经严格选配使A1A2Ad。（2）主杠杆系统 主杠杆系统的作用是进行力的传递和力矩比较。主杠杆把被测差压pi经膜盒将其转换成作用于主杠杆下端的输入力Fi，使主杠杆以轴封膜片为支点进行顺时针偏转，并以F1的方向推动矢量机构。Fi与F1的关系为：FiL1=F1L2,（3）矢量机构 矢量机构由厚金属板及可挠曲的弹性片组成，其传动比用tg表示。其作用是对F1进行矢量分解，将输入力F1转换为作用于副杠杆上的力F2，其结构如图4-4(a)所示。F3被U型板A、C固定点平衡。（b）为矢量机构的力分析矢量图，由此可得出如下关系：F2F1tg,（4）电磁反馈装置其作用是把变送器的输出电流I0转换成电磁反馈力Ff。该装置由反馈动圈和永久磁钢等组成。反馈动圈固定在副杠杆8上，并且处于永久磁钢的磁场中，可在其中左右移动。当输出电流I0经过反馈动圈时，就产生一个电磁反馈力Ff，它们之间的关系为：,Kf为电磁反馈装置的转换系数。（5）低频位移检测放大器实质上是一个位移/电流转换器。其作用是将幅杠杆上位移检测片的微小位移S转换成4-20mA直流电流输出。其由差动变压器、低频振荡器、整流滤波电路及功率放大器组成。,（6）副杠杆 由主杠杆传来的推力被矢量机构分解为两个分力F2和F3。F3沿着矢量板方向，不起任何作用；F2垂直向上作用于幅杠杆上，使其以支点M为中心逆时针偏转，带动幅杠杆上的位移检测片靠近差动变压器，两者之间距离的变化量通过位移检测放大器转换为420mA的直流电流I0作为变送器的输出信号；同时，该电流又流过电磁反馈装置，产生电磁反馈力Ff使副杠杆顺时针偏转。当Fi与Ff对杠杆系统所产生的力矩Mi、Mf达到平衡时，变送器便达到一个新的稳定状态。反馈力Ff与变送器输出电流I0之间的关系可以记为：FfKfI0 注意调零弹簧的张力Fz也作用在幅杠杆，并与Fi和Ff一起构成一个力矩平衡系统，其输入力矩Mi、反馈力矩Mf和调零力矩Mz分别为：MiF2L3;Mf=FfLf;Mz=FzLz,（7）整机系统把双杠杆差压变送器的各基本环节按信号传递关系用方框图表示，可得到整机框图为,三、量程调整、零点调整和迁移 上述分析可知，变送器包括测量、放大和反馈三个部分，其工作原理：负反馈原理。如果考虑量程、零点迁移的情况，则变送器框图可简化为下图4-2：,变送器的原理框图,根据前图可得，变送器输入与输出的关系为：,当KF1时，,变送器的输入输出特性,输入输出特性：,式中：K放大器的放大系数 F反馈部分的反馈系数 C测量部分的转换系数,变送器的量程、零点迁移,量程迁移：目的是使变送器输出信号的上限值与测量范围的上限值相对应。由量程调整螺钉进行。,变送器量程调整前后的输入输出特性,改变反馈系数F的大小可以实现量程调整。F大则量程大；F小则量程小。,零点迁移：目的是使变送器输出信号的下限值与测量范围的下限值相对应。零点调整和迁移分别由调零弹簧和零点迁移弹簧进行。,零点调整：xmin=0零点迁移：xmin 0 xmin 0 正迁移 xmin 0 负迁移,变送器零点迁移前后的输入输出特性,例2、已知被测参数最大波动范围4-5KPa，按照不进行零点迁移和进行零点迁移分别选择变送器，分析精度为1.0级时各变送器的基本误差值和仪表灵敏度。解：不加零点迁移，选量程0-5000Pa的变送器，对应输出4-20mA DC；1.0级仪表的误差为：5000Pa1%=50Pa；灵敏度：(20-4)mA/5000Pa=16mA/5000Pa;有零点迁移，选量程4000-5000Pa的变送器，量程1000Pa,对应输出4-20mA DC；1.0级仪表的误差为：1000Pa1%=10Pa；灵敏度：(20-4)mA/1000Pa=16mA/1000Pa;可见，进行零点迁移后，测量精度和灵敏度提高了5倍。,变送器（零点）的正迁移和负迁移 变送器的迁移指将变送器的测量点人为地由零点移至某个定值上，测量起始值大于零，称为变送器正迁移；起始值小于零，称为变送器负迁移。变送器迁移的目的：1、通过变送器正迁移，提高测量精度和灵敏度，改善调节系统的质量；2、通过变送器负迁移，使工作范围跨入负压区，扩展变送器的功能 3、变送器迁移可平衡安装高度不同给变送器带来的静压力 变送器迁移后测量下限的绝对值，应不大于量程代号的测量上限（如：量程代号4应不能低于-37.4kPa),在大气压下，不得超过一个工程大气压。举例说明变送器的正迁移：如变送器的量程为0-25kPa,变送器正迁移至5-30kPa，起调校步骤如下：1、将变送器调校在量程0-25kPa 2、在变送器高压侧加5kPa的压力，再调整变送器的零位直到输出为4mA。注意：不能调整变送器量程。举例说明变送器的负迁移：如变送器的量程为0-25kPa,变送器负迁移至-30kP-5kPa，起调校步骤如下：1、将变送器调校在量程0-25kPa 2、在变送器低压侧加30kPa的压力，再调整变送器的零位直到输出为4mA。注意：不能调整变送器量程。,四、电容式差压变送器,目前市场广泛使用1151和3051型电容差压变送器。电容式压差变送器先将压力变化转化为电容量的变化，然后进行测量。它由两部分组成：1）从压差到电气参数（电容量）的传感，称压差-电容传感头；2）从电容到标准化输出电流的变换。电容式差压变送器的结构框图：,（1）测量元件结构：,测量元件工作原理 被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在两侧隔离膜片上，通过隔膜片和元件内的填充液传到测量膜片两侧，测量膜片与两侧绝缘体上的电极各组成一个电容器，在无压力通入或两压力均等时测量膜片处于中间位置，两侧两电容器的电容量相等，当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容就不等，通过检测，放大转换成4-20mA的二线制电流信号。压力变送器工作原理和差压变送器相同，不同的是低压室压力是大气压。,（2）转换放大电路作用：将差动电容的相对变化值转换成标准的电流输出信号；此外，还要实现零点调整、正负前移、量程调整、阻尼调整等功能。电路包括电容-电流转换电路及放大电路两部分。,（3）电容式差压变送器线路连接图：,1151系列电容式变送器特点1）精度高，可达0.2级；稳定性好2）采用二线制工作方式3）敏感元件采用固体化结构，小型坚固，抗振能力强。与力矩平衡式相比，电容式没有杠杆机构，不存在杠杆穿出测压室，因而尺寸紧凑。4）通用性强，主要部件可与1151同类产品进行互换5）过载能力强，过载不易损坏，恢复能力强,4.2.2 防爆安全栅,本部分可参照GB3836.1-15-2000，为国标部分内容；工业现场常常存在着许多易燃、易爆的气体、粉尘或其他易燃易爆材料。安装在这种场合的仪表如果产生火花，就容易引起燃烧或爆炸，造成巨大的人员和财产的损失。因此，在这些场合所安装的一切仪表装置应该具有安全火花防爆性能。所谓安全火花是指该火花的能量不足以对其周围可燃介质构成点火源。若仪表在正常或事故状态所产生的火花均为安全火花，则称为安全火花型防爆仪表。气动仪表本质具有防爆性能。,随着自动化要求的提高，电动仪表和装置占据了工业自动化的统治地位。这种趋势的关键技术之一就是解决现场仪表及整个系统的防爆问题。防爆知识简介如下：1、危险场所的划分 按照中国1987年公布的爆炸危险场所电气安全规程的规定，将爆炸危险场所划分为两种场所五个级别。第一种场所 指爆炸性气体或可燃蒸气与空气混合形成爆炸性气体混合物的场所。按照其危险程度的大小分为三个区域等级。0级区域(0区)：指在正常情况下，爆炸性气体混合物连续地、短时间频繁出现或长时间存在的场所。1级区域(1区)：指在正常情况下，爆炸性气体混合物有可能出现的场所。2级区域(2区)：指在正常情况下，爆炸性气体混合物不能出现，而仅在非正常情况下偶尔短时间出现的场所。,第二种场所 指爆炸性粉尘或易燃纤维与空气混合形成爆炸性混合物的场所。按照其危险程度的大小分为两个区域等级。10级区域(10区)：指在正常情况下，爆炸性粉尘或易燃纤维与空气的混合物可能连续地、短时间频繁出现或长时间存在的场所。11级区域(1I区)：指在正常情况下，爆炸性粉尘或易燃纤维与空气的混合物不能出现，仅在不正常情况下偶尔短时间出现的场所。,2、爆炸性物质的分类、分级与分组分类 通常将爆炸性物质分为三类：类物质矿井甲烷；类物质爆炸性气体、可燃蒸气；类物质爆炸性粉尘、易燃纤维。分级与分组 爆炸性气体的分级与分组(、类)：在标准试验条件下，按照其最大试验安全间隙和最小引爆电流比分级；按照其引燃温度值分组。（P140 表4-1）爆炸性粉尘和易燃纤维的分级与分组(类)：爆炸性粉尘和易燃纤维按照其物理性质分级；按照其自燃温度分组。（P140 表4-2）,3、防爆仪表的分类、分级和分组 自动化仪表属于低压电气仪表，用于危险场合时，应按照电气设备防爆规程管理。按照规定，防爆电气设备可制成隔爆型、本质安全型、增安型、浇封型等10种结构类型。其设备的分类、分级、分组与爆炸性物质的分类、分级、分组方法相同，其等级参数及符号也相同。自动化仪表的防爆结构主要有两种类型：隔爆型，标志为“d”；本质安全型，标志为“i”。,隔爆型 防爆型仪表的特点是：仪表的电路和接线端子全部置于隔爆壳体中，表壳的强度足够大，表壳结合面间隙足够深，最大的间隙宽度又足够窄。即使仪表因事故产生火花，也不会引起仪表外部的可燃性物质发生爆炸。注意不能运行时维修。本质安全防爆型 是指在正常状态下和故障状态下，由电路及设备产生的火花能量和达到的温度都不能引起易燃易爆性气体或蒸气爆炸的防爆类型。正常状态指在设计规定条件下的工作状态，如设计规定的断开和闭合电路动作所产生的火花。故障状态指因事故而发生短路、断路等情况。,具有本质安全防爆的系统包括两种电路：安装在危险场所中的本质安全电路及安装在非危险场所中的非本质安全电路。为了防止非本质安全电路中过大的能量传入危险场所中的本质安全电路中，在两者之间采用了防爆安全栅，使整个仪表系统具有本质安全防爆性能。,本质安全防爆系统的性能主要由下列措施保证：采用低的工作电压和小的工作电流。如正常工作电压不大于24V DC，电流不大于20mA DC;故障电压不大于35V DC，电流不大于35mA DC；限制仪表所用电阻、电容电感参数的大小；用防爆安全栅将危险场所和非危险场所的电路隔开；在现场仪表到控制室之间的连接导线不得形成过大的分布电容和电感。本质安全防爆仪表安所用场所的安全程度分为ia和ib两个级别。ia级适用0区，ib适用1区，ia比ib的安全级别高。,防爆仪表铭牌：标明防爆检验合格证号和防爆类型、等级等标志。一般铭牌标志分4段：ExABC；Ex表示仪表为防爆仪表 A段填写防爆类型 B段填写防爆仪表的类和级 C段为防爆仪表的温度度组别,4、防爆安全栅 防爆安全栅放在安全场所的入口处，它不会影响仪表的正常工作，只会起到防止危险能量由安全场所进入危险场所的作用。这样，只需对设置在危险场所的本质安全型防爆仪表和防爆安全栅进行防爆鉴定，而对设置在安全场所的仪表则可不受此限制，只要求它们所使用的最高电压低于防爆安全栅的额定电压。目前用得最多的防爆安全栅有齐纳安全栅与变压器隔离式安全栅。,齐纳安全栅的原理图如下。它利用在本质安全电路与非本质安全电路之间串接的电阻R来限制进入本质安全电路的电流，利用齐纳二极管VD1和VD2来限制进入本质安全电路的电压，并用快速熔断丝FU保护齐纳二极管。在正常工作时，齐纳二极管不影响正常的工作电流值。现场发生事故时如危险场所形成短路时，则由R限制过大电流进入危险场所。安全栅的端电压V1高于齐纳二极管的击穿电压V0时，齐纳二极管击穿，进入危险场所的电压将被限制在V0值上。同时快速熔断器快速熔断，把高压与危险场所隔断，也保护了齐纳二极管。（具有限压限流的功能）,具体防爆方面的规定可以参考GB 38362000。其爆炸性气体环境用电气设备的总题目下包括15部分：GB 3836.1-2000 爆炸性气体环境用电气设备 第1部分:通用要求GB 3836.2-2000爆炸性气体环境用电气设备 第2部分:电气设备隔爆外壳结构和试验GB 3836.3-2000爆炸性气体环境用电气设备 第3部分:增安型”e”GB 3836.4-2000爆炸性气体环境用电气设备 第4部分:本质安全”I”GB 3836.14-2000 爆炸性气体环境用电气设备第14部分:危险场所分类GB 3836.15-2000 爆炸性气体环境用电气设备第15部分:危险场所电气安装(煤矿除外),5、GB 38362000,4.2.3 温度变送器,温度变送器与各种热电偶或热电阻配合使用，将被测温度线性地转换为010mA或420 mA DC电流信号，以便与显示、记录和调节单元配合工作。按照采用的测温传感器的不同类型，温度变送器分为三种类型：直流毫伏变送器、电阻体温度变送器和热电偶温度变送器。这三种变送器在线路结构上都分为量程单元和放大单元两部分，其中放大单元是通用的，量程单元则随变送器的类型及量程范围不同而异。它们的方框图如下：,图中双线箭头和单线箭头分别表示供电回路和信号回路,温度变送器的反馈部分有两种形式：一种是线性电阻网络，即线性反馈结果保证输入电压与输出电流之间成线性关系，一般在直流毫伏变送器中采用；另一种是反馈回路具有与测温元件相类似的特性，即非线性反馈，结果使被测温度与输出电流之间成线性关系，在热电偶和热电阻变送器的反馈电路里就采用这种形式。采用DDZ-型温度变送器在性能方面有一些主要优点：（1）采用了低漂移、高增益的线性集成电路，提高了仪表的可靠性、稳定性及各项技术性能；（2）在热电偶与热电阻的温度变送器中采用了线性化电路，信号与被测温度信号保持了线性关系；（3）线路中采取了安全火花防爆措施，兼有安全栅的功能，可用在危险场所中的温度或直流毫伏信号测量。,DDZ-型热电偶温度变送器 热电偶温度变送器与热电偶配套使用，将温度转换成420mA和15V的统一标准信号，实现对温度的显示或控制。热电偶温度变送器由输入回路和放大回路组成。,1）输入回路（电桥）主要起两个作用：热电偶冷端温度补偿、零点调整。2）反馈电路 在 温度变送器中，为了使变送器的输出信号直接与测定温度成线性关系，必须对热电偶的非线性给予修正，又因为热电偶产生的热电势太小，不宜在输入电路中修正，因而在温度变送器的反馈回路中加入线性化电路进行修正。3）放大电路 由于热电偶产生的热电势数值很小，一般只有几十或十几毫伏，因此将经过多级放大后才能变换为高电平输出，故一般其放大系数K很大。,4.2.4 变送器与电源的传输方式,变送器大都安装在现场，它的电源一般是从控制室中送来，而输出信号需送到控制室中去。输出信号与电源的传输方式通常有两种：(1)四线制传输。变送器的供电电源与输出信号分别用两根导线传输，输出0-10mA DC。这样的变送器称为四线制变送器。若变送器的一个输出端与电源的负端相连，则构成了三线制传输方式。(2)二线制传输。对于二线制变送器，同变送器连接的导线只有两根，这两根导线同时传输供电电源和输出信号，采用二线制变送器不仅可节省大量电缆和安装费用，而且有利于安全防爆。,一只两线制变送器，必须满足如下三个条件：变送器的正常工作电流I必须等于或小于变送器输出电流的最小值 通常，两线制变送器输出电流下限值为4mA，在此条件下，变送器才能够正常工作。凡输出电流采用010mA的型仪表是不能采用两线制的。,4.3 调节器,调节器：又称控制器，是控制系统的心脏。它是将参数测量值Z（变送器输出）和规定的参数值(给定值X)相比较后，得出被调量的偏差e，再根据一定的调节规律产生输出信号u，从而推动执行器工作，对生产过程进行自动调节。调节器发展三阶段：基地式控制仪表(液位控制），单元组合式仪表中的控制单元（如DDZ型）和以微处理器为基元的控制装置（单回路数字控制器、PLC和微计算机系统等）。,按照调节仪表测量值和输出信号的关系，调节器可以分为正作用调节器和反作用调节器两类：假如被调参数的测量值增加时，调节器的输出信号也增加，则称为正作用调节器；测量值增加时输出信号减小，则称为反作用调节器。正作用：变送器输出Z调节器输出u;被调量偏差e=Z-Xu;给定值Xu反作用：Zu;e=Z-Xu;Xu 按照调节规律的不同分比例调节器、比例积分调节器、比例微分调节器和三作用调节器。,按照仪表所用能源，调节器可以分为两类。直接作用调节器(自力式调节器)这种调节器不用外加能源，利用被调介质本身能源工作。这种调节器多用于调压、稳流等要求不很严的就地调节系统。结构简单，价格低廉。间接作用调节器 这种调节器利用外加能源，按照外加能源的不同，有电动调节器、气动调节器及液动调节器。在化工生产中以电动及气动应用得多。具有性能稳定、便于远距离传送等特点。,1、调节器的调节规律 调节规律是把调节器和系统断开后，调节器的输出信号u与输入信号e间随时间变化的规律。通常研究阶跃信号的输出信号变化规律。调节器的基本调节规律有位式调节（其中以双位调节比较常用）、比例调节（P）、积分调节（l）、微分调节（D）及其组合形式，如比例积分调节（PI）、比例微分调节（PD）和比例积分微分调节（PID）。,1.1 位式调节规律 理想的双位调节规律的数学表达式为：,图2-16 理想双位调节规律,1.2 比例调节规律（P）,（1）比例放大倍数(K)比例关系：比例调节器的输出变化量u(t)与输入信号e(t)成比例关系 式中KP称为比例增益或比例放大倍数.比例调节规律的输出特性(图2-20)特点：优点具有控制及时、克服偏差有力。缺点是调节结果有余差。,（2）比例度 工业上调节器常常采用比例度来表示比例作用的强弱。比例度是指调节器的输入相对变化量与相应输出的相对变化量之比的百分数。,对于单元组合式仪表，输入输出信号都是统一标准信号的调节器，比例度与比例放大倍数互为倒数关系，,即调节器的比例度越小，则比例放大倍数越大，比例控制作用越强。,P控制（比例控制）比例控制器的时域关系：u(t)=KP(t)传递函数为：,比例控制器实质上是一种增益可调的放大器;比例控制器对系统性能的影响：Kp1时1）开环增益加大，稳态误差减小。即改善了系统的稳态性能2）幅值穿越频率c增大，过渡过程时间ts缩短。即改善了系统的快速性3）稳定裕量减小甚至可能为负值。即系统稳定性变差,1.3 比例积分调节规律积分控制的作用：力图消除余差。积分时间的理解：积分时间表征积分作用的强弱，TI越小，积分速率越大，积分作用越强。其大小为在阶跃偏差输入作用下，调节器的输出达到比例输出两倍时所经历的时间。积分时间对过渡过程的影响 在PI控制系统中，积分时间对过渡过程有双重影响，一方面积分作用的引入消除了系统的余差，而另一方面却降低了系统的其他品质指标。,1.4 比例微分调节规律(PD)理想数学表达式为,实际采用的PD调节规律是比例作用与近似微分作用的组合，其数学表达式如下,式中，KD为微分增益。,微分控制的作用：力图阻止被控变量的变化，适当微分，有抑制振荡的效果。但是微分过强，反而不利系统稳定。适用场合：适用时间常数较大或容量滞后较大的被控对象。,微分时间对过渡过程的影响 在比例微分控制系统中，若保持调节器的比例度不变，微分时间对过渡过程的影响如图所示。微分时间TD太小，对系统的品质指标影响甚微，如图中的曲线1，随着微分时间的增加，微分作用增强；当TD适当时，控制系统的品质指标将得到全面的改善，如图中的曲线2；但若微分作用太强，反而会引起系统振荡，如图中的曲线3。可见，微分作用的强弱用微分时间来衡量，对于控制系统TD要适当。,1.5 比例积分微分调节规律(PID)理想PID数学表达式为,工业上实际PID调节器（DDZ）传递函数表达式为：,式中带*的量为调节器参数实际值，不带*的值为参数的刻度值。,工业PID调节器的阶跃响应曲线如图,PID控制作用对过渡过程的影响 P作用是基本控制作用；I作用能消除系统余差；D作用能改善系统的稳定性；从输出特性曲线看，在过渡过程的前期，PD起主要作用，能抑制系统振荡；过程后期，PI起主要作用，用于消除系统的余差。,1.6 调节规律的选取 控制规律的选取可参考如下几点。简单控制系统适用于控制负荷变化较小的被控对象，如果负荷变化较大，无论选择那种调节规律，简单控制系统都很难得到满意的控制质量，此时，应选用复杂控制系统。在一般的控制系统中，比例控制是必不可少的。当广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化较小，而工艺要求不高时，可选择单纯的比例（P）调节规律。当广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化较小，而工艺要求无余差时，可选用比例积分（PI）调节规律。当广义对象控制通道时间常数较大或容量滞后较大时，应引入微分作用。若工艺允许有余差，可选取比例微分（PD）调节规律；如工艺要