化工自动化控制仪表.ppt

化工自动化控制仪表作业,4 化工自动化控制仪表,内容提要,4.1自动控制系统的组成及方块图 1、信号和变量 2、自动控制系统方块图 3、自动控制系统的分类4.2 化工工艺流程图 1、图形符号 2、字母代号 3、仪表位号 4、化工生产典型设备的工艺控制流程图,1,内容提要,4.3常用化工自动化仪表 1、化工检测仪表 2、显示仪表 3、自动控制仪表 4、调节阀,2,自动控制系统的组成,3,图7-1 人工操作图,图7-2 液位自动控制图,人工操作与自动控制比较图,4.1.1 自动控制系统的组成,图7-2 液位自动控制,4,4.1.1 自动控制系统的组成,在自动控制系统的组成中,除必须具有前面所述的自动化装置外,还必须具有控制装置所控制的生产设备。,在自动控制系统中,将需要控制其工艺参数的生产设备、机器、一段管道或设备的一部分叫做被控对象,简称对象。,要选择好控制系统的对象,6,变送器 是基于负反馈原理的，包括测量、放大和反馈三部分。其作用是将检测元件的输出信号转换成统一标准信号，送到显示仪表或控制装置进行显示、记录或控制由于变量种类多，因此，变送器的类型也较多温度变送器压力变送器液位变送器流量变送器,4.1.1 自动控制系统的组成,将被控变量的测量值与给定值进行比较得出偏差，然后根据偏差的大小，按照某种运算规律发出控制信号，送往执行器，以实现对被控变量的自动控制。,控制器,被控变量,干扰,操纵变量,操纵变量：影响被控变量，克服干扰使被控变量回到给定值的（调节阀的输出）,4.1.1 自动控制系统的组成,调节阀：调节阀又称控制阀、执行器。在自动控制系统中的作用，就是控制器发出的控制信号，改变调节参数，把被调参数控制在所要求的范围内，从而达到生产过程自动化。按能源形式可分为气动执行器、电动执行器、液动执行器三大类。,4.1.1 自动控制系统的组成,4.1.2 自动控制系统的方块图,一、信号和变量,载有变量信息的物理变量是信号。,输入变量输出变量多输入多数出系统,7,图7-4 简单水槽,8,4.1.2 自动控制系统的方块图,二、自动控制系统方块图在研究自动控制系统时，为了便于对系统分析研究，一般都用方块图来表示控制系统的组成。下页图为液位自动控制系统地方块图每个环节表示组成系统的一个部分，称为“环节”。两个方块之间用一条带有箭头的线条表示其信号的相互关系，箭头指向方块表示为这个环节的输入，箭头离开方块表示为这个环节的输出。线旁的字母表示相互间的作用信号。,9,4.1.2 自动控制系统的方块图,方块图中，x 指设定值；z 指输出信号；e 指偏差信号；p 指发出信号；q 指出料流量信号；y 指被控变量；f 指扰动作用。当x 取正值，z取负值，e=x-z，负反馈；x 取正值，z取正值，e=x+z，正反馈。,图7-6 自动控制系统方块图,10,4.1.2 自动控制系统的方块图,其他控制系统 用同一种形式的方块图可以代表不同的控制系统,当进料流量或温度变化等因素引起出口物料温度变化时，可以将该温度变化测量后送至温度控制器TC。温度控制器的输出送至控制阀，以改变加热蒸汽量来维持出口物料的温度不变。,11,图7-7 蒸汽加热器温度控制系统,4.1.2 自动控制系统的方块图,为了便于分析,有时将控制器以外的各个环节(包括被控对象、测量元件及变送器、控制阀)组合在一起看待,称之为广义对象,这样,整个系统可认为是由控制器与广义对象两者所构成,其方块图可简化。,12,4.1.2 自动控制系统的方块图,4.1.2 自动控制系统的方块图,4.1.3 仪表及自动化系统的分类,化工生产过程中需要测量和控制的参数是多种多样的，主要的有热工量（压力、流量、液位、温度等）和成分（或物性）量。所以化工自动化仪表按功能不同，大致分为四类：检测仪表（各种参数的测量和变送）；显示仪表（模拟量显示和数字量显示）；控制仪表（气动、电动控制仪表及数字式控制器）；执行器（气动、电动、液动等执行器）。利用上述各类仪表，可以构成自动检测、自动操纵、自动保护和自动控制这样四种自动化系统，他们的作用如下：,1.自动检测系统 利用各种仪表对生产过程中主要工艺参数进行测量、指示或记录的，称为自动检测系统。它代替了操作人员对工艺参数的不断观察与记录，因此起到对过程信息的获取与记录作用。这在生产过程自动化中是最基本的也是十分重要的内容。自动检测系统中主要的自动化装置是敏感元件、传感器和显示仪表。敏感元件也称检测元件，作用是对被测变量作出响应，把它转换成适合测量的物理量。传感器可以对检测元件输出的物理量信号作进一步信号转换，当转换后的信号为标准的统一信号（如010mA、420mA、0.020.1Mpa等）时，此时的传感器一般成为变送器。显示仪表的作用是将检测结果以指针位移、数字、图象等形式准确地指示、记录或储存，使操作人员能正确了解工艺操作情况和状态。,2.自动信号联锁保护系统 生产过程中有时由于一些偶然因素的影响导致工艺参数超出允许的变化范围而出现不正常情况时就有可能引起事故。为此，长对某些关键性参数设有自动信号联锁保护装置。当工艺参数超过了允许范围，在事故即将发生以前，信号系统就自动地发出声光信号警报，告戒操作人员注意，并及时采取措施。自动信号联锁保护电路按其主要构成元件的不同，可分为有触点式和无触点式两类（有时可采用混合式）。有触点式电路是由各种继电器、按钮、开关等电器组成的继电线路，依靠各种电器的触点开合完成电路的通断和切换。无触点式电路利用由二极管、晶体管及集成电路等电子器件构成具有一定功能的电子线路，利用电子器件的导通或阻断特性来实现自动信号的报警和联锁保护作用。,3.自动操纵及自动开停车系统 自动操纵系统可以根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作。自动开停车系统可以按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。4.自动控制系统 生产过程中各种工艺条件不可能一成不变，特别是化工生产，大多数是连续生产，各设备相互关联，当其中某一设备工艺条件发生变化时，都可能引起其他设备中某些参数的波动，偏离正常工艺条件。为此，需要用自动控制装置对生产中某些关键性参数进行自动控制，使它们在受到外界干扰的影响而偏离正常状态时，能自动地调回到规定的数值范围内。,各系统间的相互关系,自动检测系统只能完成“了解”生产过程进行情况的任务；自动信号联锁保护系统只能在工艺条件进入某种极限状态时采取安全措施以免发生生产事故；自动操纵系统只能按照预先规定好的步骤进行某种周期性操作；只有自动控制系统才能自动地排除各种干扰因素对工艺参数的影响，使它们始终保持在预先规定的数值上，保证生产维持在正常或最佳的工艺操作状态。所以，自动控制系统是自动化生产中的核心部分。,4.2 化工工艺控制流程图,工艺流程和控制方案的确定后，根据工艺设计给出的流程图，按其流程顺序标注出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与联锁保护系统等，便成了工艺管道及控制流程图（PID图）。,33,PID图,图形符号1.测量点（包括检出元件、取样点）,35,检试点是由工艺设备轮廓线或工艺管线引到仪表圆圈的连接线的起点，一般无特定的图形符号，如下图所示。必要时，检测元件也可以用象形或图形符号表示。,图1-13 测试点的一般表示方法,4.2 化工工艺控制流程图,2.连接线,36,通用的仪表信号线均以细实线表示。连接线表示交叉及相接时，采用下图的形式。必要时也可用加箭头的方式表示信号的方向。在需要时，信号线也可按气信号、电信号、导压毛细管等采用不同的表示方式以示区别。,图1-14 联系线的表示法,4.2 化工工艺控制流程图,4.2 化工工艺控制流程图,3、仪表（检测、显示、控制）的图形符号 仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约10mm，对于不同的仪表安装位置的图形符号如下表所示。,37,4.2 化工工艺控制流程图,38,表1-1 仪表安装位置的图形符号表示,4.2 化工工艺控制流程图,39,对于处理两个或两个以上被测变量，具有相同或不同功能的复式仪表时，可用两个相切的圆或分别用细实线圆与细虚线圆相切表示（测量点在图纸上距离较远或不在同一图纸上），如下图所示。,图1-15 复式仪表的表示法,执行机构图形符号1,4、调节阀的图形符号,执行机构图形符号2,4、调节阀的图形符号,字母代号,在控制流程图中，用来表示仪表的小圆圈的上半圆内，一般写有两位（或两位以上）字母，第一位字母表示被测变量，后继字母表示仪表的功能，常用字母代号见下表。,40,表1-2 被测变量和仪表功能的字母代号,41,4.2 化工工艺控制流程图,42,举例,以脱乙烷塔控制流程图，来说明如何以字母代号的组合来表示被测变量和仪表功能。,塔顶的压力控制系统中的PIC-207，其中第一位字母P表示被测变量为压力，第二位字母I表示具有指示功能，第三位字母C表示具有控制功能，因此，PIC的组合就表示一台具有指示功能的压力控制器。该控制系统是通过改变气相采出量来维持塔压稳定的。,4.2 化工工艺控制流程图,回流罐液位控制系统中的LIC-201是一台具有指示功能的液位控制器，它是通过改变进入冷凝器的冷剂量来维持回流罐中液位稳定的。塔下部的温度控制系统中的TRC-210表示一台具有记录功能的温度控制器，它是通过改变进入再沸器的加热蒸汽量来维持塔底温度恒定的。,塔底的液位控制系统中的LICA-202代表一台具有指示、报警功能的液位控制器，它是通过改变塔底采出量来维持塔釜液位稳定的。,43,4.2 化工工艺控制流程图,4.2.3 仪表位号,44,仪表位号是由字母代号组合和阿拉伯数字编号两部分组成。阿拉伯数字编号写在圆圈的下半部，其第一位数字表示工段号，后续数字（二位或三位数字）表示仪表序号。,仪表位号的表示方法,1、仪表位号组成 在检测、控制系统中，构成一个回路的每个仪表（或元件）都应有自己的仪表位号。仪表位号由字母代号组合和回路编号两部分组成。示例：T RC-1 01,2、带控制点流程图和仪表系统图上表示方法,仪表位号表示方法：字母代号填写在圆圈上半圈中；回路编号填写在圆圈下半圈中。,根据图形符号、文字代号以及仪表位号表示方法，可以绘制仪表系统图。,34,图1-12脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图举例,右图是乙烯生产过程中脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图,举例,4.2.4 化工生产典型设备的工艺控制流程图,化工检测仪表 检测仪表的主要作用是获取信息，并进行适当的转换。在生产过程中，检测仪表主要用来测量某些工艺参数，如温度、压力、流量、物位以及物料的成分、物性等，将被测参数的大小成比例地转换成电的信号或气压信号。,4.3 常用化工自动仪表,4.3 常用化工自动仪表,化工检测仪表分类所测参数不同，分为：检测仪表、流量检测仪表、物位检测仪表、温度检测仪表等。按表达示数的方式可分为指示型、记录型、信号型、远传指示型、累积型等。功能可分为检测仪表、回路显示仪表、调节仪表和执行器等；按精度：实用仪表、范型仪表和标准仪表按形式：现场仪表、盘装仪表和架装仪表。按传递信号：模拟式仪表和数字仪表。,显示仪表,1 显示仪表概述,本章内容：,2 模拟式显示仪表,3 数字式显示仪表,4 新型显示仪表,功能：对各种检测变量进行显示、记录类型：模拟式显示仪表、数字式显示仪表、新型显 示仪表,1 显示仪表概述,(1)模拟式显示仪表,原理：检测元件和变送器将被测变量（物理量或化 学量）变换成另一物理量，此物理量随被测 变量的变化作相应变化，这种变化是对被测 变量的模拟。方式：利用标尺、指针、曲线等方法,(2)数字式显示仪表,功能：直接用数字量显示或以数字形式记录打印被测变量值的仪表。可以和多种传感器配合测量、显示各种工艺参数，并且可以进行巡回检测、越限报警及实现生产过程自动控制。方式：数字式,(3)新型显示仪表,特点：涉及微处理技术、新型显示技术、记录技 术、数据存储技术和控制技术，把信号检 测处理、显示、记录、数据存储、通讯、控制、复杂数学运算等多个或全部功能集 合于一体。,模拟显示的特点：直观,光柱也属于模拟显示,光柱显示的特点：一目了然,数字式仪表,数字式仪表的特点：准确，但最后一位经常跳动不止。,热敏电阻,LED亮度高、耐振动；LCD耗电省、集成度高，但不利于夜间观察。,LED、LCD的特点：,带背光板的LCD可以在夜间观看,图像显示,特点:能显示复杂的图形和曲线，但价格昂贵。,带RS-232接口的万用表及图像显示,特点:能在计算机中存储测量到的波形及数据，可随时重放，价格适中。,记录仪,主要用来记录被检测对象的动态变化过程。,无纸记录仪,主要用来记录和存储被检测对象的动态变化过程。,数据处理装置,数据处理装置主要是指计算机，将复杂的系统用到频谱分析仪。,电子电位差计配热电偶,功能：与温度、流量、压力、差压、成分等变送器配接，可以测量和显示能转换成毫伏及直流电压信号的工艺变量。原理：电压补偿原理型号：用XW系列来命名，X表示显示仪表，W表示直流电位差计。XW-类型：小型长图显示、大型长图显示、圆图显示等。,2 模拟式显示仪表,图8.3 电位差计的原理线路,一、手动电位差计,工作电流的回路,校准工作电流的回路,测量回路,电位差计实物图,1)工作原理,工作状态，U=0，即Et=EAB;,XW系列电子电位差计测量桥路原理,二、自动电位差计,4.2.2 电子自动平衡电桥配热电阻,功能：对能转换成电阻值的各种变量进行测量、显示、记录。原理：电桥平衡原理型号：根据输出电压 XD系列交流平衡电桥 XQ系列直流平衡电桥,特点：1）清晰直观，读数方便，不会产生视差。2）线路简单，可靠性好，耐振性强。3）采用模块化设计方法，便于制造、调试和维修，降 低生产成本。4）品种繁多，配接灵活。5）具有非线性校正及开方运算电路，配接热电偶测温 时具有冷端温度补偿功能，配接热电阻时考虑了外 线电阻的补偿，配接差压变送器测流量时可直接显 示流量值。,3 数字式显示仪表,概述,分类:(1)按功能：显示型、显示报警型、显示调节型、巡回检测型(2)按输入信号形式：电压型、频率型(3)按输入信号的点数：单点和多点(4)按显示位数：3位半、4位半等多种。半位显示是指最高位是0或1。(5)按测量速率：低速型（每秒钟测量几次到几十次）、中速型（每秒钟测量几十次到几百次）、高速型（每秒钟测量千次以上）。,2)数字式显示仪表的主要指标,-1999+1999（,基本组成,数显仪表的组成框图,4.3.3 模-数转换（A/D）,模-数转换（A/D），非电量电压数字（A/D）,转换方法：直接比较型、间接比较型和复合型三大类。,包括采样和量化两个过程,采样是将模拟量转换成数字量,量化是用近似值表示信号精确值的过程；产生量化误差,A/D位数8位 00000000B（00H，0D）11111111B（0FFH，255D）A/D分辨力（率）分辨力：（8位）Vmax/255分辨率 1/255显示器分辨力,（1）直接比较型A/D转换,直接比较型A/D转换的原理是基于电位差计的电压比较原理。,图8-9 直接比较原理示意图,通过不断比较，不断鉴别，并在比较鉴别的同时就将参考电压转换为数字输出，实现了A/D转换。,标准的可调参考电压UR被测电压UX，,比较,平衡,UR=UX,（2）间接比较型A/D转换,所谓间接比较型就是被测电压不是直接转换成数字量，而是转换成某一中间量，然后再将中间量整量化转换成数字量。,U-T型或U-F型,把被测电压转换成时间间隔的方法有：积分比较（双积分）法、积分脉冲调宽法和线性电压比较法。,图8-10 双积分型A/D转换原理框图,1)模拟式线性化,模拟式线性化可采用开环或闭环的方式进行,开环式线性化原理图,利用线性化器的非线性静特性来补偿检测元件或传感器的非线性，使A/D转换之前的U0与x之间具有线性关系。,闭环式线性化就是利用反馈补偿原理，引入非线性的负反馈环节，用负反馈环节本身的非线性特性来补偿检测元件或传感器的非线性，使U0和x之间关系具有线性特性。,2）A/D转换线性化（非线性A/D转换）,通过A/D转换直接进行线性化处理的一种方法,3）数字式线性化,基本原则仍然是“以折代曲”。将不同斜率的斜线乘上不同的系数变为同一斜率的线段而达到线性化的目的。,图 8-13 数字线性化原理示意图,4.3.5 信号标准化及标度变换,将这些不同性质的信号与不同电平的信号统一起来，这就叫输入信号的规格化，或者称为参数信号的标准化。,我国目前采用的统一直流信号电平有以下几种：010mV，030 mV，040.95 mV，050 mV等。,量纲还原问题，通常称之为“标度变换”,模拟标度变换，数字量标度变换。,数字仪表的标度变换,y=S1S2S3x=Sx,（1）模拟量标度变换,（2）电势信号的标度变换,（3）电流信号的标度变换,当前的显示仪表是涉及微处理技术、新型显示技术、记录技术、数据存储技术和控制技术，把信号检测处理、显示、记录、数据储存、通讯、控制、复杂数学运算等多个或全部功能集合于一体的新型仪表。它使用方便，观察直观，功能丰富，可靠性高。,4 新型显示仪表,概述,4.4.1 显示仪表,4.4.2 屏幕显示仪表,4.4.3 虚拟显示仪表 特点：利用计算机来完成显示仪表所有的工作。在计算机屏幕上完全模仿实际使用中的各种仪表，如仪表面盘、操作盘、接线端子等。用户通过计算机键盘、鼠标或触摸屏进行操作。,4.3.3 自动控制仪表,自动控制仪表作用将被控变量（被调参数）的测量值与给定值相比较，产生一定的偏差，根据该偏差进行一定的数学运算，并将运算结果以一定的信号形式送往执行器，以实现对被控变量的自动控制。,控制仪表的分类：基地式控制仪表检测、控制、显示组合在一起的一类仪表。单元组合式控制仪表是单元组合式仪表,与各单元间以统一的标准信号相互联系。以微处理器为基元的控制装置其控制功能丰富、操作方便，信号采集、数据处理功能强，很容易构成各种复杂控制系统。有总体分散控制装置、单回路数字控制器、可编程数字控制器（PLC）和微计算机系统。,4.3.3 自动控制仪表,UTQ-111气动浮筒液位调节变送器,分类,单元组合仪表主要分为气动单元组合仪表和电动单元组合仪表。,在电动单元组合仪表中还包括执行单元(K)。,7,单元组合仪表,控制仪表的信号形式,控制仪表的信号：模拟式和数字式 模拟式信号是连续的 数字式信号是断续的,4.3.4 调节器,3,作用,接受控制器的输出信号,直接控制能量或物料等调节介质的输送量,达到控制温度、压力、流量、液位等工艺参数的目的。,按能源形式分类,气动执行器 电动执行器 液动执行器,从结构来说,执行机构 调节机构,第一节 气动执行器（调节器）,5,一、气动执行器的组成与分类,1.组成,气动执行器,图11-2 气动薄膜控制阀外形图,6,气动执行器,7,2.执行机构的分类,结构,第一节 气动执行器,8,END,