河南工業(yè)大學過程控制06

1、Process Control System & Instrumentation 主要內(nèi)容n執(zhí)行器n調(diào)節(jié)閥n變頻器n執(zhí)行器的選擇及使用Process Control System & Instrumentation 本節(jié)內(nèi)容在課程中的位置本節(jié)內(nèi)容在課程中的位置n執(zhí)行器執(zhí)行器接受控制器輸出的控制信號，轉(zhuǎn)換成位移（直接受控制器輸出的控制信號，轉(zhuǎn)換成位移（直線或角位移）或速度，線或角位移）或速度，用于用于控制流入或流出被控過程控制流入或流出被控過程的物料或能量，從而實現(xiàn)對過程參數(shù)的自動控制。的物料或能量，從而實現(xiàn)對過程參數(shù)的自動控制。n相當于控制系統(tǒng)的相當于控制系統(tǒng)的“手腳手腳”。Process C

2、ontrol System & Instrumentation 執(zhí)行器的種類執(zhí)行器的種類n1.調(diào)節(jié)閥，在管道流體控制中使用最多。調(diào)節(jié)閥，在管道流體控制中使用最多。n2.變頻器，部分場合可取代調(diào)節(jié)閥，具變頻器，部分場合可取代調(diào)節(jié)閥，具有明顯的優(yōu)勢（可靠、節(jié)能）。有明顯的優(yōu)勢（可靠、節(jié)能）。 n3.其他執(zhí)行設備，如步進電動機、電磁其他執(zhí)行設備，如步進電動機、電磁閥等。功能簡單，過程控制中使用較少。閥等。功能簡單，過程控制中使用較少。Process Control System & Instrumentation 執(zhí)行器對過程控制系統(tǒng)的影響n執(zhí)行器直接影響過程控制系統(tǒng)的控制質(zhì)執(zhí)行器直接影響過程控制系

3、統(tǒng)的控制質(zhì)量（如調(diào)節(jié)閥的口徑大小、流量特性、量（如調(diào)節(jié)閥的口徑大小、流量特性、易堵、振蕩等）。易堵、振蕩等）。n其中，調(diào)節(jié)閥安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，直接與其中，調(diào)節(jié)閥安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，直接與介質(zhì)接觸。通常在高溫、高壓、強腐蝕、介質(zhì)接觸。通常在高溫、高壓、強腐蝕、易燃易爆、劇毒等場合下工作。它是過易燃易爆、劇毒等場合下工作。它是過程控制中程控制中除傳感器外，另除傳感器外，另一種易出現(xiàn)故一種易出現(xiàn)故障的設備障的設備。 Process Control System & Instrumentation 調(diào)節(jié)閥 Process Control System & Instrumentation 氣動執(zhí)行機構(gòu) n1波

4、紋膜片；波紋膜片；n2壓縮彈簧；壓縮彈簧；n3推桿；推桿；n4調(diào)節(jié)件；調(diào)節(jié)件；n5閥桿；閥桿；n6壓板；壓板；n7上閥蓋；上閥蓋；n8閥體；閥體；n9下閥蓋；下閥蓋；n10閥座；閥座；n11閥芯；閥芯；n12填料；填料；n13反饋連桿；反饋連桿；n14反饋凸輪；反饋凸輪；n15氣動放大器；氣動放大器；n16托板；托板；n17波紋管；波紋管；n18噴嘴；噴嘴；n19擋板擋板.123456789101112131415161718 pc pD閥門定位器執(zhí)行機構(gòu)閥氣動薄膜調(diào)節(jié)閥19Process Control System & Instrumentation 電動執(zhí)行機構(gòu) 控制器伺服電動機電動操作

5、器減速器位置發(fā)送器 開度 給定Ii IfmA控制器執(zhí)行單元開度Process Control System & Instrumentation 氣動和電動執(zhí)行機構(gòu)特點比較 類別類別氣動執(zhí)行機構(gòu)氣動執(zhí)行機構(gòu)電動執(zhí)行機構(gòu)電動執(zhí)行機構(gòu)輸入信號輸入信號2020100kPa100kPa4 420mADC20mADC結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單簡單復雜復雜體積體積中中小小信號管線配置信號管線配置較復雜較復雜簡單簡單推力推力中中小小動作滯后動作滯后大大小小維修維修簡單簡單復雜復雜適用場合適用場合適用于防火防爆場合適用于防火防爆場合隔爆型才適用于防火防爆場合隔爆型才適用于防火防爆場合價格價格便宜便宜貴貴Process Con

6、trol System & Instrumentation 調(diào)節(jié)閥的工作機理n調(diào)節(jié)閥本質(zhì)上是一個節(jié)流調(diào)節(jié)閥本質(zhì)上是一個節(jié)流元件，通過改變閥芯行程元件，通過改變閥芯行程從而改變調(diào)節(jié)閥的開度從而改變調(diào)節(jié)閥的開度（OpeningOpening），達到控制），達到控制流量的目的。流量的目的。n行程的變化對流量的影響行程的變化對流量的影響與與閥門前后的壓差、閥的閥門前后的壓差、閥的開度（流通截面）、開度（流通截面）、閥芯閥芯的流量特性有關(guān)。的流量特性有關(guān)。Process Control System & Instrumentation 調(diào)節(jié)閥的流量特性 n指介質(zhì)流過閥門的相對流量與相對開度指介質(zhì)流過閥門

7、的相對流量與相對開度之間的關(guān)系之間的關(guān)系 n 相對流量，即調(diào)節(jié)閥某一開度的流相對流量，即調(diào)節(jié)閥某一開度的流量與全開流量之比；量與全開流量之比； n 相對開度，即調(diào)節(jié)閥某一開度的行相對開度，即調(diào)節(jié)閥某一開度的行程與全行程之比。程與全行程之比。 LlfqqvvmaxmaxvvqqLlProcess Control System & Instrumentation 理想流量特性理想流量特性 n調(diào)節(jié)閥前后壓差不變時，得到的流量特調(diào)節(jié)閥前后壓差不變時，得到的流量特性，它完全取決于閥芯的形狀。性，它完全取決于閥芯的形狀。n理想流量特性有：理想流量特性有：n1.1.直線直線n2.2.等百分比等百分比n3.3

8、.拋物線拋物線n4.4.快開快開Process Control System & Instrumentation 直線流量特性直線流量特性 n調(diào)節(jié)閥的相對流量與閥調(diào)節(jié)閥的相對流量與閥心的相對開度成直線關(guān)心的相對開度成直線關(guān)系，即調(diào)節(jié)閥相對開度系，即調(diào)節(jié)閥相對開度變化所引起的相對流量變化所引起的相對流量變化是常數(shù)。變化是常數(shù)。 n 為調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍，為調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍，LlRRqqvv111maxminmax/vvqqR RProcess Control System & Instrumentation 直線流量特性特點直線流量特性特點n閥芯相同開度變化所引起的閥芯相同開度變化所引起的流量變化

9、是相等的流量變化是相等的n流量相對變化量（流量變化流量相對變化量（流量變化量與原有流量之比）是不同量與原有流量之比）是不同的：的：n在小開度時，流量相對變化在小開度時，流量相對變化量大；量大；n在大開度時，其流量相對變在大開度時，其流量相對變化最小?；钚　直線流量特性調(diào)節(jié)閥在小開直線流量特性調(diào)節(jié)閥在小開度時，控制作用強，但易引度時，控制作用強，但易引起振蕩；在大開度時，調(diào)節(jié)起振蕩；在大開度時，調(diào)節(jié)作用弱，控制緩慢。作用弱，控制緩慢。 Process Control System & Instrumentation 等百分比流量特性等百分比流量特性 n其數(shù)學表達式其數(shù)學表達式 n行程變化相同

10、的百分數(shù)，流行程變化相同的百分數(shù)，流量在原來基礎(chǔ)上變化的相對量在原來基礎(chǔ)上變化的相對百分數(shù)是相等的，即具有等百分數(shù)是相等的，即具有等百分比流量特性。百分比流量特性。n等百分比流量特性特點：等百分比流量特性特點：n調(diào)節(jié)閥在小開度時，控制緩調(diào)節(jié)閥在小開度時，控制緩和平穩(wěn)和平穩(wěn)n調(diào)節(jié)閥在大開度時，控制靈調(diào)節(jié)閥在大開度時，控制靈敏有效。敏有效。1maxLlvvRqqProcess Control System & Instrumentation 拋物線流量特性拋物線流量特性 n相對流量與相對開度成相對流量與相對開度成拋物線關(guān)系，即平方根拋物線關(guān)系，即平方根關(guān)系：關(guān)系：n它介于直線與等百分比它介于直線與

11、等百分比流量特性之間，也稱近流量特性之間，也稱近似等百分比流量特性。似等百分比流量特性。 2max) 1(1 1LlRRqqvvProcess Control System & Instrumentation 快開流量特性快開流量特性 n在小開度時流量就比在小開度時流量就比較大，隨著開度的增較大，隨著開度的增大流量很快就達到最大流量很快就達到最大：大：n主要適用于位式控制。主要適用于位式控制。 2/12max) 1(1 1LlRRqqvvProcess Control System & Instrumentation 調(diào)節(jié)閥的選擇調(diào)節(jié)閥的選擇 n調(diào)節(jié)閥的選擇主要包括調(diào)節(jié)閥的選擇主要包括公稱直徑

12、、流量特性和開關(guān)型公稱直徑、流量特性和開關(guān)型式式的選擇。的選擇。n公稱直徑的選擇主要考慮工藝管道的直徑，滿足工藝公稱直徑的選擇主要考慮工藝管道的直徑，滿足工藝生產(chǎn)要求。生產(chǎn)要求。n流量特性的選擇，目前均基于工程經(jīng)驗，不同的過程流量特性的選擇，目前均基于工程經(jīng)驗，不同的過程控制系統(tǒng)有相對成熟的選擇經(jīng)驗供參考?？刂葡到y(tǒng)有相對成熟的選擇經(jīng)驗供參考。 n氣開、氣關(guān)選擇。所謂氣開式，即當信號壓力增加時，氣開、氣關(guān)選擇。所謂氣開式，即當信號壓力增加時，閥門開大；氣關(guān)式則相反，即信號壓力增加時，閥門閥門開大；氣關(guān)式則相反，即信號壓力增加時，閥門關(guān)小。關(guān)小。 主要出于以下考慮：主要出于以下考慮：n考慮事故狀態(tài)

13、時人身、工藝設備的安全；考慮事故狀態(tài)時人身、工藝設備的安全；n考慮在事故狀態(tài)下減少經(jīng)濟損失，保證產(chǎn)品質(zhì)量?？紤]在事故狀態(tài)下減少經(jīng)濟損失，保證產(chǎn)品質(zhì)量。Process Control System & Instrumentation 氣開、氣關(guān)形式選擇舉例氣開、氣關(guān)形式選擇舉例n受壓容器，采用改變受壓容器，采用改變氣體排出量以維持容氣體排出量以維持容器內(nèi)壓力恒定，試問器內(nèi)壓力恒定，試問調(diào)節(jié)閥應選擇氣開式調(diào)節(jié)閥應選擇氣開式還是氣關(guān)式？還是氣關(guān)式？ PC氣 體Process Control System & Instrumentation 氣開、氣關(guān)形式選擇舉例氣開、氣關(guān)形式選擇舉例n受壓容器，采用

14、改變受壓容器，采用改變氣體排出量以維持容氣體排出量以維持容器內(nèi)壓力恒定，試問器內(nèi)壓力恒定，試問調(diào)節(jié)閥應選擇氣開式調(diào)節(jié)閥應選擇氣開式還是氣關(guān)式？還是氣關(guān)式？ n答：氣關(guān)式。答：氣關(guān)式。PC氣 體Process Control System & Instrumentation 變頻器n將頻率、電壓固定的交將頻率、電壓固定的交流電變換成頻率、電壓流電變換成頻率、電壓連續(xù)可調(diào)的三相交流電連續(xù)可調(diào)的三相交流電源。源。 n變頻技術(shù)用于交流鼠籠變頻技術(shù)用于交流鼠籠式異步電動機的調(diào)速，式異步電動機的調(diào)速，其性能已經(jīng)勝過以往的其性能已經(jīng)勝過以往的交流調(diào)速方式。交流調(diào)速方式。 Process Control Sy

15、stem & Instrumentation 通用變頻器原理（交通用變頻器原理（交- -直直- -交）交）A/D輸入接口輸出接口顯示ASICDSPROMRAM電流檢測串行通信串行通信溫度檢測接上位機頻率設定信號控制輸入信號正反轉(zhuǎn)啟動多級速度設定控制輸出信號異常信號多功能集電極開路輸出多功能脈沖輸出多功能模擬輸出IM電流檢測參數(shù)設定遙控器面板主電路檢測電路控制電路驅(qū)動信號RB制動電阻TB泵生電壓限制LdCdR1K電壓檢測Process Control System & Instrumentation 變頻控制方法及元件變頻控制方法及元件n變頻控制方法有標量控制、矢量控制（變頻控制方法有標量控制、

16、矢量控制（Vector Control）和直接轉(zhuǎn)矩控制（）和直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control）。）。過程控制中多采用標量控制過程控制中多采用標量控制。n常用的電力電子元件主要有普通晶閘管常用的電力電子元件主要有普通晶閘管SCR、可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管GTO、大功率晶體管、大功率晶體管GTR、絕緣、絕緣柵晶體管柵晶體管IGBT、大功率、大功率MOS管管Power MOSFET和門控晶閘管和門控晶閘管MCT。其中。其中IGBT應用應用相當廣泛。相當廣泛。 Process Control System & Instrumentation 變頻器在過程控制中的典型應用 n變頻

17、器與籠型電動機的結(jié)合是交流電動變頻器與籠型電動機的結(jié)合是交流電動機調(diào)速系統(tǒng)的最佳選擇。特點：機調(diào)速系統(tǒng)的最佳選擇。特點：n較高的控制精度及較寬的調(diào)速范圍；較高的控制精度及較寬的調(diào)速范圍；n顯著的節(jié)能效果；顯著的節(jié)能效果；n易于實現(xiàn)自動控制及遠程控制等性能易于實現(xiàn)自動控制及遠程控制等性能 。n在以風機、泵為調(diào)節(jié)手段的過程控制中，在以風機、泵為調(diào)節(jié)手段的過程控制中，已被變頻逐步取代。已被變頻逐步取代。Process Control System & Instrumentation 常規(guī)泵池液位控制常規(guī)泵池液位控制n控制原理：根據(jù)液位控制原理：根據(jù)液位LT，由，由LC控制調(diào)節(jié)控制調(diào)節(jié)閥。閥。n存在問

18、題：存在問題：n閥易磨損，特別是液閥易磨損，特別是液體含有顆粒雜質(zhì)時。體含有顆粒雜質(zhì)時。n備品備件多，經(jīng)濟性備品備件多，經(jīng)濟性差，使用和維護成本差，使用和維護成本高。高。Process Control System & Instrumentation 泵池液位變頻控制泵池液位變頻控制n控制原理：根據(jù)液位控制原理：根據(jù)液位LT，由，由LC控制拖動控制拖動泵的變頻器。泵的變頻器。n優(yōu)點：優(yōu)點：n無易損件，維護工作無易損件，維護工作量少，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。量少，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。n具有極佳的節(jié)能效果！具有極佳的節(jié)能效果！Process Control System & Instrumentation 泵變頻

19、節(jié)能的原因泵變頻節(jié)能的原因n泵流量、揚程、功率泵流量、揚程、功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系：與轉(zhuǎn)速關(guān)系：n流量：流量：n揚程：揚程：n功率：功率：n可見，當通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來控制流量（一般都在基頻以可見，當通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來控制流量（一般都在基頻以下）時，功率呈立方關(guān)系降低，節(jié)能效果十分顯著。下）時，功率呈立方關(guān)系降低，節(jié)能效果十分顯著。eeNNQQ2eeNNHH3eeNNPPProcess Control System & Instrumentation 二氧化硫風機壓力變頻控制二氧化硫風機壓力變頻控制 n硫酸生產(chǎn)工藝中，要求硫酸生產(chǎn)工藝中，要求SO2主主風機的出口壓力基本維持為風機的出口壓力基本維持為一常數(shù)，為此

20、可通過調(diào)整鼓一常數(shù)，為此可通過調(diào)整鼓風量從而使得生產(chǎn)能夠處于風量從而使得生產(chǎn)能夠處于最佳的運行狀態(tài)。最佳的運行狀態(tài)。 n以前通過調(diào)節(jié)主風機的進風以前通過調(diào)節(jié)主風機的進風蝶閥來改變蝶閥來改變SO2流量，采用變流量，采用變頻控制后，具有如下效果：頻控制后，具有如下效果：n將蝶閥全部打開，通過調(diào)節(jié)速將蝶閥全部打開，通過調(diào)節(jié)速度改變流量，無易損件；度改變流量，無易損件；n具有顯著的節(jié)能效果；具有顯著的節(jié)能效果；n無需軟啟動器，簡化了硬件電無需軟啟動器，簡化了硬件電路。路。 Process Control System & Instrumentation 濃縮池濃度變頻控制濃縮池濃度變頻控制 n冶金行業(yè)

21、選礦工藝中，冶金行業(yè)選礦工藝中，以前采用手動調(diào)整渣以前采用手動調(diào)整渣漿泵的出口閥通過調(diào)漿泵的出口閥通過調(diào)節(jié)泵的排出量以控制節(jié)泵的排出量以控制濃度。濃度。n自動控制設計在卸料自動控制設計在卸料口礦漿管路上安裝濃口礦漿管路上安裝濃度計，根據(jù)濃度的變度計，根據(jù)濃度的變化對泵的轉(zhuǎn)速進行變化對泵的轉(zhuǎn)速進行變頻調(diào)節(jié)。頻調(diào)節(jié)。 Process Control System & Instrumentation 濃縮池濃度變頻控制原理圖濃縮池濃度變頻控制原理圖Process Control System & Instrumentation 執(zhí)行器主要供應商執(zhí)行器主要供應商n調(diào)節(jié)閥：調(diào)節(jié)閥：nEmerson/Fisher RosemountnRotorknHoneywelln上海中泰上海中泰n變頻器：變頻器：nABBnSiemensnABn富士富士Process Control Syste