化工儀表與自動化基礎教材

1、化工儀表與自動化基礎教材第一章 緒論第二章 化工自動化的基本概念 第一節(jié) 化工自動化的主要內容 第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的基本組成 第三節(jié) 識讀管道儀表流程圖（ P&ID ） 第三章 檢測儀表第一節(jié) 檢測儀表的基本性能和分類 第二節(jié) 壓力檢測儀表 第三節(jié) 溫度檢測儀表 第四節(jié) 流量檢測儀表 第五節(jié) 物為檢測儀表第六節(jié) 分析儀表（紅外分析儀表 ,CEMS,COD ） 第七節(jié) 傳動設備檢測儀第四章 顯示儀表 第一節(jié) 數(shù)字顯示儀表 第二節(jié) 無紙記錄儀 第五章 執(zhí)行器 第一節(jié) 概述 第二節(jié) 氣動薄膜調節(jié)閥 第六章 集散控制系統(tǒng) 第一節(jié) 集散控制系統(tǒng)的組成 第二節(jié) 集散控制系統(tǒng)的功能 第三節(jié) 集散控

2、制系統(tǒng)的操作方法 第七章 聯(lián)鎖保護系統(tǒng)第一章 緒論伴隨著科學技術的迅猛發(fā)展， 自動化技術已成為當代舉世矚目的高技術之一。 由于 生產(chǎn)過程連續(xù)化、大型化、復雜化，使得廣大工藝、維修、管理人員需要學習和掌握必 要的監(jiān)測技術和自動化知識， 這是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)高效、 優(yōu)質、 安全、 低耗的基本 條件和重要保證，也是提高企業(yè)綜合競爭實力、提升企業(yè)管理水平的前提。本章的重點： 對自動化、 化工自動化的概念； 實現(xiàn)化工自動化的目的； 化工自動化 發(fā)展的過程。自動化技術的進步推動了工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展， 在促進產(chǎn)業(yè)革命中起著十分重要的 作用。特別是在石油、化工、冶金、輕工等部門，由于采用了自動化儀表和集中控

3、制裝 置，促進了連續(xù)生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展， 大大地提高了勞動生產(chǎn)率， 獲得了巨大的社會 效益和經(jīng)濟效益。化工自動化是化工、 煉油、食品、 輕工等化工類生產(chǎn)過程自動化的簡稱。 在化工設 備上， 配置上一些自動化裝置， 代替操作人員的部分或全部直接勞動， 是生產(chǎn)在不同程 度上自動地進行，這種用自動化裝置來管理化工生產(chǎn)過程的辦法，稱為化工自動化。自動化是提高社會生產(chǎn)力的有力工具之一，實現(xiàn)化工生產(chǎn)自動化的目的如下。1) 加快生產(chǎn)速度，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質量。在生產(chǎn)過程由于人的五官對事物量的測量精度較差，而且許多量值無法用感官進行測量，所 以產(chǎn)品質量難以有效控制；同時由于人的手和腳的速度和力量

4、有限，無法 長時間，高效率、大規(guī)模生產(chǎn)。所以只有利用利用自動化裝置，才能使生 產(chǎn)過程在最佳條件下進行，從而大大加快生產(chǎn)的速度，降低能耗，實現(xiàn)優(yōu) 質高產(chǎn)。2) 減輕勞動強度，改善勞動條件。作為化肥企業(yè)，我公司的生產(chǎn)過程大部分高溫高壓狀態(tài)， 生產(chǎn)系統(tǒng)中的產(chǎn)品和半產(chǎn)品大多具有易燃、 易爆、 易中毒、 有腐蝕性等特點，只有實現(xiàn)自動化控制，才能減少操作人員對生產(chǎn)過程的 直接控制，遠離危險環(huán)境，改善勞動條件。3) 能夠保證工藝生產(chǎn)和設備運行的安全，防止事故的發(fā)生或擴大。生產(chǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)各種不正常的因素如各種壓縮機，由于設備問題引起的軸承溫 度升高；程控系統(tǒng)中的閥門動作不到位；壓力容器由于操作調整不當過引

5、 起設備超壓等現(xiàn)象，如果能夠實現(xiàn)有效的連鎖保護，就可以防止或減少事 故的發(fā)生。4) 生產(chǎn)過程自動化的實現(xiàn)， 能夠改變勞動方式， 提高工人的文化和技術水平?；ぷ詣踊陌l(fā)展大致經(jīng)歷了五個階段：1) 20 世紀 30、40 年代，主要采用是基地式儀表和部分氣動單元組合儀表，被控 量主要集中在溫度、壓力、流量等過程參數(shù)。2) 20 世紀 40、50 年代， 采用儀表仍以基地式為主， 氣動單元儀表開始大量應用， 控制方案主要單回路的定值控制和隨動控制。3) 20 世紀 50、60 年代，氣動和電動單元儀表成為當時控制儀表的主流，控制方 案主要是常用的復雜控制系統(tǒng)如：串級、均勻、前饋等。4) 20 世紀

6、 70 年代開始，直接數(shù)字控制( DDC )實現(xiàn)集中控制，并在后期出現(xiàn)集 散控制系統(tǒng)(DCS),控制方案仍以PID控制為主，再加上一些復雜控制算法， 并沒有充分發(fā)揮計算機的功能和控制水平。5）20 世紀 80 以后，在 DCS 系統(tǒng)上實現(xiàn)了先進控制和優(yōu)化控制。同時隨著計算 機及網(wǎng)絡技術的發(fā)展， 現(xiàn)場總線開始出現(xiàn)， 以此為標準， 實現(xiàn)以微處理器為基 礎的現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)之間進行全數(shù)字、 雙向和多站通訊的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡控 制系統(tǒng)（FCS）。它將對控制系統(tǒng)結構帶來革命性變革，開辟自動控制系統(tǒng)的 新紀元。要有結束語第二章 化工自動化的基本概念第一節(jié) 化工自動化的主要內容本節(jié)的重點： 自動檢測系統(tǒng)、 聯(lián)

7、鎖保護系統(tǒng)、 自動操作系統(tǒng)、 自動控制系統(tǒng)的基本 功能。為了實現(xiàn)化工生產(chǎn)過程自動化， 一般要包括自動檢測、 聯(lián)鎖保護、 自動操作和自動 控制等內容，現(xiàn)分別給予介紹。1， 自動檢測系統(tǒng) 自動檢測系統(tǒng)就是利用各種檢測儀表和電器設備實現(xiàn)對生產(chǎn)過程中的主要參數(shù)進 行測量、指示、記錄等功能總和。它代替了操作人員對工藝參數(shù)的不斷觀察與記錄，起 到了人的眼睛的作用。對于我公司的自動檢測系統(tǒng)主要對溫度、壓力、液位、流量、氣 體成份、水質等參數(shù)進行自動測量。2， 聯(lián)鎖保護系統(tǒng) 生產(chǎn)過程中，有時由于一些偶然性因素的影響，可能導致工藝參數(shù)超出允許的變化 范圍而出現(xiàn)不正常情況，使生產(chǎn)處于危險和事故狀態(tài)。如果不立即采取

8、緊急措施，就有 可能造成生產(chǎn)和設備事故， 此時由聯(lián)鎖系統(tǒng)立即自動采取緊急措施， 如關閉或打開閥門、 停機、停電等。公司內的水煤氣壓縮機、 N/H 氣壓縮機、汽輪機等都有相應的聯(lián)鎖保護 系統(tǒng)。 ESD(emergency shutdown system ) 緊急停車系統(tǒng)、 ETS 汽機跳閘保護功能等都屬 于聯(lián)鎖保護系統(tǒng)的范圍。3， 自動操縱及自動開停車系統(tǒng) 自動操縱系統(tǒng)可以根據(jù)預先設計的時序自動地對生產(chǎn)設備進行周期性的操作。 如變 壓吸附脫碳工藝( PSA-CO2 )，固定床間歇式造氣工藝、熱電的濃相氣力自動輸灰系統(tǒng) 等生產(chǎn)環(huán)節(jié)利用控制系統(tǒng)的強大功能，使生產(chǎn)自動進行，大大的減輕了操作工人的勞動

9、強度，有些系統(tǒng)已經(jīng)達到無人值守。自動開停車系統(tǒng)可以按照預先設定好的步驟，自動將生產(chǎn)過程自動的投入運行，減 少人為失誤，如汽輪機在不同狀態(tài)下的自動升溫開車過程、如冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)、極熱 態(tài)的自動暖機過程，以及過臨界升速率自動控制過程。4， 自動控制過程 生產(chǎn)過程中的各種工藝條件不可能是一成不變的。 尤其像我們這樣工藝復雜、 干擾 因素多的化工企業(yè)， 在連續(xù)生產(chǎn)的過程中各項參數(shù)都或多或少會偏離正常的工藝條件， 為此， 就需要利用一些自動控制裝置， 對生產(chǎn)中某些關鍵性參數(shù)進行自動控制， 使他們在受到外界 干擾的影響而偏離正常狀態(tài)時， 能自動地控制而回到規(guī)定的范圍內， 為此目的而設置的系統(tǒng) 就是自動控

10、制系統(tǒng)。綜上所述，自動檢測系統(tǒng)只能完成了解生產(chǎn)過程所處的狀態(tài)；聯(lián)鎖保護系統(tǒng)只能在工藝 條件進入某種極限狀態(tài)時， 采取安全措施， 以避免生產(chǎn)事故的發(fā)生； 自動操作系統(tǒng)只能按照 預先規(guī)定的步驟進行周期性操作； 只有擁有了自動控制系統(tǒng)才能自動的排除各種干擾因素的 影響，使工藝參數(shù)始終保持在預先設定的數(shù)值上。第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)是在人工控制的基礎上產(chǎn)生和發(fā)展起來的。 所以， 在開始介紹自動控 制的時候， 先分析人工操作， 并與自動控制加以比較， 這種分析方法對了解自動控制系 統(tǒng)是有裨益的。圖 1-2 所示是一個液體儲槽， 在生產(chǎn)中常用來作為一般的中間容器。 從前一個工序來的 物料連續(xù)

11、不斷的流入槽中， 而槽中的液體又送至下一個工序進行加工或儲存。 當流入量Qi（或流出量 Qo）波動時就會引起槽內液位的波動，嚴重時會溢出或抽空，解決這個問 題的最簡單辦法是以儲槽液位為操作指標， 以改變出口閥門開度為控制手段， 如圖 1-2a 所示。當液位上升時，將出口閥門開大，液位上升越多，閥門開的越大；反之，當液位 下降時， 則關小出口閥門， 液位下降越多， 閥門關的越小。 為了使液位上升和下降都有 足夠的余地， 選擇玻璃管液位計指示中間的某一點為正常工作時的液位高度，通過改變出口閥門開度而使液位保持在這一高度上，這樣就不會出現(xiàn)儲槽內液位過高而溢出槽 外， 或使儲槽內液體抽空而發(fā)生事故的現(xiàn)

12、象。 歸納起來， 操作人員所進行的工作有三個 方面，如圖 1-2b 所示。（1）檢測：用眼睛觀察玻璃管液位計中的液位高低，并通過神經(jīng)系統(tǒng)告訴大腦。（2）運算（思考）、命令：大腦根據(jù)眼睛看到的液位高度，加以思考并與要求的液位 值進行比較，得出偏差的大小和正負，然后根據(jù)經(jīng)驗，經(jīng)思考、決策后發(fā)出命 令。（3）執(zhí)行：根據(jù)大腦發(fā)出的命令，通過手去改變閥門開度，以改變出口流量Qo，從而使液位保持在所需高度上。眼、腦、手三個器官，分別擔負了監(jiān)測、運算和執(zhí)行三個作用，來完成測量、求偏差、 操縱閥門以糾正偏差的全過程。 由于人工控制受到人的生理上的限制， 因此在控制速度 和精度上都滿足不了大型現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。

13、 為了提高控制精度和減輕勞動強度， 可以 用一套自動化裝置來代替上述人工操作， 這樣就由人工控制變?yōu)樽詣涌刂屏恕?液體儲槽 和自動化裝置一起構成了一個自動化控制系統(tǒng)，如圖 1-3 所示。為了完成人的眼、 腦、手三個器官的任務， 自動化裝置一般至少包括三個部分， 分別來模擬人的眼、腦和手的功能。如圖 1-3 所示，自動化裝置的三個部分分別是：（ 1） 測量元件與變送器 它的功能是測量液位并將液位的高低轉化為一種特定的、 統(tǒng) 一的輸出信號（如電壓、電流信號等） ；（ 2） 自動控制器 它接受變送器送來的信號， 與工藝需要保持的液位高度相比較得出 偏差，并按某種運算規(guī)律算出結果，然后將此結果用特定信

14、號值來改變閥門的 開啟度。（ 3） 執(zhí)行器 通常指控制閥， 它與普通閥門的功能一樣， 只不過它能自動地根據(jù)控制 器送來的信號值來改變閥門的開啟度。由上可知，自動化裝置具有人工控制中操作人員的眼睛、大腦、手腳的部分功能， 因此它自動的完成儲槽液位的控制。圖（）第三節(jié)識讀管道儀表流程圖任何一個產(chǎn)品的工業(yè)生產(chǎn)，都經(jīng)歷了將原材料逐次加工到半產(chǎn)品乃至成品的過程。整個生產(chǎn)過程的表述方法是多樣的，但管道儀表流程圖(P&ID : Piping and InstrumentDiagram )在表達部分或整個生產(chǎn)工藝無疑是最為直觀和簡捷的途徑。管道儀表流程圖 是工藝、設備、管理人員學習掌握生產(chǎn)過程的首選教

15、材，也是其設計施工的重要依據(jù)。管道儀表流程圖就是過去所說的帶控點的工藝流程圖，是借助統(tǒng)一規(guī)定的圖形符號和文字代號，用圖示的方法把建立化工工藝裝置所需的全部設備、儀表、管道、閥門及主要管件，按其各自功能以及工藝要求組合起來，以起到描述工藝裝置的結構和功能的作用。因此，管道儀表流程圖不僅表達了部分或整個生產(chǎn)過程的工藝、設備、儀表等的設置狀況，更重要的是體現(xiàn)了對該工藝過程相互聯(lián)系、及所實施的控制方案，是編制試壓、吹除、聯(lián)動試車等操作方案的基礎。一、儀表位號儀表位號由儀表功能標志和儀表回路編號兩部分組成，如TIR-1106,PT-1203等，常用的儀表功能字母代號如下表：字母代號被測變量后繼字母A分析

16、(Analytical )報警(Alarm)C控制(Control)D差( Differential )F流量(Flow)L物位(Level)燈(Light)I指示(Indicating)P壓力、真空(Press Vacuum)Q累計(Totalize)R記錄(Recorder)T溫度(Temperature)傳送(Transmit)V閥、風門(ValveDamper)例：F IRQ1106表示具有記錄和累計功能的流量儀表，編號為1106;PI- 1 2 0 3表示壓力指示儀表，編號為1203LV1001表示用于液位控制的調節(jié)閥，編號為1001二、工藝流程圖設備及管件代號 常用設備字母代號如下

17、表：序號設備付號設備名稱序號設備付號設備名稱1C壓縮機6T塔2E換熱器7V容器3F加熱器8Z其他設備4P泵9S分離器5R反應器10M計量罐管道編號一般由1原料代號，2主項編號，3管道順序好，4管道公稱通徑，5管道壓力等級，6隔熱一隔音代號；XX XX XXXX XXXXX123456管道等級XXXX分別由管道A材質類別，E管道工程壓力，C管道主要的密封形式,D管道墊片形式1, 材質類別分別用英文字母代表如下：A鑄鐵和硅鐵管；E碳鋼管；C普通低合金管；D合金鋼管；E不銹鋼管； F有色金屬管2,管道壓力用阿拉伯數(shù)字表示公稱壓力0.005MPa0.6MPaI.OMPa1.6Mpa2.5MPa4.0M

18、Pa6.3Mpa10MPa壓力代號0001234563,用英文字母表示該管道主要的一種密封形式F光滑面 R梯形槽 M 凸凹面 T管螺紋連接G榫槽面 S承插連接4, 用阿拉伯表示管道墊片形式1- 鋼制法蘭用石棉橡膠板墊片2- 鋼制法蘭用柔性石墨復合墊片3 鋼制法蘭用聚四氟乙烯包覆墊片4鋼制法蘭用纏繞式墊片5 -鋼制法蘭用齒形組合墊片5, 隔熱及隔音代號用英文字母H保溫 C保冷P人身防護 N 隔音例如：LS101 25 B3F1H碳鋼蒸汽管線， 公稱直徑25 mm, 公稱壓力2.5MPa，主要采用平面法蘭，墊片用石棉橡膠板墊片，做保溫處理。三、管道儀表流程圖讀圖步驟1, 從左到右依次識讀各類設備，

19、分清東設備和靜設備， 理解各設備的功能， 如換熱器、分離器、泵、壓縮機等。2, 在熟悉工藝設備的基礎上，根據(jù)管道中所標注的介質名稱、特性、流向等分析工工藝流程。3, 了解各工藝介質間的能量轉換關系，各介質所處的相態(tài)。根據(jù)儀表設置情況了解控制方案和調節(jié)過程。第三章 檢測儀表在化工生產(chǎn)過程中， 為了正確地指導生產(chǎn)操作、 保證生產(chǎn)安全、 提高產(chǎn)品質量和實現(xiàn)生產(chǎn)過 程的自動化， 一項不可少的工作是準確而及時地檢測出生產(chǎn)過程中的各個有關參數(shù)， 例如壓 力、流量、液位、溫度等。用來監(jiān)測這些參數(shù)的技術工具稱為檢測儀表。本章將對這些儀表 的基本特性進行簡要介紹。第一節(jié) 檢測儀表的基本性能和分類、儀表的性能指標

20、我們通常所說的儀表“準”與“不準” ，反映“靈敏”與“滯后”等都是儀表性能指標的 一個通俗說法，但不夠準確也不全面，下面我們具體說明儀表一些基本性能。1,精確度（簡稱精度） 任何測量過程都存在一定的誤差，因此“準”與“不準”都是相對的，要正確的估計測 量結果與真實值的差距,就必須知道儀表的精確程度。某種儀表的最大絕對誤差 mae測量值-真實值其允許的最大相對誤差為S = max/（測量范圍上限值測量范圍下限值）x 100%根據(jù)儀表的使用要求, 規(guī)定在一個正常情況下允許的最大誤差, 這個允許的最大誤差就即一臺儀表的允許誤差是指在100%3 允越小,表示儀表的精確度越就叫允許誤差。 允許誤差一般用

21、相對百分比誤差來表示, 規(guī)定的正常情況下允許的相對百分比誤差的最大值,即3允=±A max/（測量范圍上限值測量范圍下限值）x 儀表的3允越大，表示它的精確度越低；反之，儀表的將儀表的允許的最大相對百分誤差去掉“±”及“”號,便是儀表的精確等級。國家規(guī)定的儀表等級有 0.005,0.5,0.2,0.5,1.0,1.6,2.5,4.0等,我們現(xiàn)場使用的儀表一般為 0.2 級到 2.5 級之間。例 某臺測溫儀表的測溫范圍為0 2 5 0 C, 其精度等級為2.5級，其允許誤差為多少？解：由3允=±A max/（測量范圍上限值測量范圍下限值）x100%得 max=

22、77; 250 x 2.5%=± 6.25 C另外還有一些指標如變差、 分辨力、 線性度、 反應時間等指標, 因為這些指標現(xiàn)場 使用不多,這里就不做介紹了。、儀表的分類 工業(yè)儀表種類繁多,結構形式各異,根據(jù)不同的原則,可以進行相應的分類。1, 按儀器使用的能源分類可分為氣動儀表、電動儀表和液動儀表。2, 按信息的獲得、傳遞、反映、處理的過程可分為：檢測儀表、顯示儀表、集中控制裝置、控制儀表、執(zhí)行器等。 （ 1 ） ,檢測儀表的主要作用是獲取信息,并進行適當 的轉換。在生產(chǎn)過程中, 檢測儀表主要主要用來測量某些工藝參數(shù), 如溫度、 壓力、 流量、物位以及物料的成分、 物性等, 并將被測

23、參數(shù)的大小成比例的轉換成電的信 號（電壓、電流、頻率等）或氣壓信號。（2）,顯示儀表的作用是將由檢測儀表獲得的信息顯示出來, 包括各種模擬量、 數(shù)字量的指示儀、 記錄儀和計算器, 以及工 業(yè)電視、圖像顯示器等。 （3）,集中控制裝置如可編程控制器、集散控制器等,它 能夠完成除檢測儀表、 執(zhí)行儀表以外所有功能。 （ 4）控制儀表可以根據(jù)需要對輸入 信號進行各種運算和轉換,例如放大、積分、微分等運算,電氣轉換、電液轉換。 控制儀表包括各種電動、氣動的控制器以及用來代替模擬控制儀表的微處理器等。(5)執(zhí)行器 執(zhí)行器可以接受控制儀表的輸出信號或直接來自操作人員的指令,生產(chǎn)過程進行操作或控制。執(zhí)行器包括各種氣動、電動、液動執(zhí)行器和控制閥。他們之間的關系可用下圖來表示:第二章檢測儀表第一節(jié)壓力檢測儀表壓力檢測是化工生產(chǎn)過程中監(jiān)控的最為重要的參數(shù)之一。合成氨生產(chǎn)過程中要將只有24Kpa的版半水煤氣逐步加壓升高到20MPa以上