過(guò)程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用2015第四章

1、 過(guò)程控制裝置與被控對(duì)象構(gòu)成了過(guò)程控制系統(tǒng)的基本要素。過(guò)程式控制裝置必須由測(cè)量變送單元、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器（如調(diào)節(jié)閥）三個(gè)環(huán)節(jié)組成 。由于工業(yè)過(guò)程式的復(fù)雜性，在進(jìn)行過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須根據(jù)過(guò)程特性和工藝要求，通過(guò)合理選用過(guò)程檢測(cè)控制裝置組成自動(dòng)控制系統(tǒng)，并通過(guò)調(diào)節(jié)器 PID 參數(shù)的整定，使系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的最優(yōu)控制。 變送器是單元組合儀表中不可缺少的基本單元之一。在測(cè)量元件將壓力、溫度、流量、液位等參數(shù)檢測(cè)出來(lái)后，需要由變送器將測(cè)量元件的信號(hào)轉(zhuǎn)換為一定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（如420mA直流電流），送往顯示儀表或調(diào)節(jié)儀表進(jìn)行顯示、記錄或調(diào)節(jié)。變送器的類(lèi)型很多，主要有：壓力變送器、差壓

2、變送器、溫度變送器、流量變送器、液位變送器等。本章主要分析差壓變送器和溫度變送器。4.1 變送器變送器的理想輸入輸出特性成線(xiàn)性關(guān)系。如圖所示。例 一壓力變送器的壓力輸入范圍是0-1.6MPa，輸出為4-20mA直流信號(hào)，試確定該變送器的輸入輸出關(guān)系。零點(diǎn)遷移 很多工藝參數(shù)的測(cè)量范圍不是從零起始的，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)為擴(kuò)大儀表使用范圍，提高測(cè)量精度，需進(jìn)行零點(diǎn)遷移，遷移有正向遷移和負(fù)向遷移。例 已知被測(cè)工藝參量的最大波動(dòng)范圍為4000-5000Pa，按照無(wú)遷移和遷移時(shí)分別選擇測(cè)量變送器，并分析精度1.0級(jí)時(shí)各自變送器的基本誤差值儀表靈敏度。解 無(wú)遷移選擇儀表：精度1.0，量程0-5000Pa，輸出4-

3、20mA； 若進(jìn)行遷移，遷移為4000-5000Pa，量程為1000Pa，遷移量4000Pa。無(wú)遷移基本誤差： 5000Pa*1%=50Pa無(wú)遷移儀表靈敏度： （20-4）mA/（5000Pa）=16/5000;遷移后基本誤差： 1000Pa*1%=10Pa遷移后儀表靈敏度： （20-4）mA/（1000Pa）=16/1000; 差壓變送器用來(lái)把差壓、流量、液位等被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，并將此統(tǒng)一信號(hào)輸送給指示、記錄儀表或調(diào)節(jié)器等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)上述參數(shù)的顯示、記錄或調(diào)節(jié)。根據(jù)敏感元件的類(lèi)型不同，可分為膜盒式差壓變送器、電容式差壓變送器等型式。 按照變送器的驅(qū)動(dòng)能源來(lái)分有氣動(dòng)變送器和電動(dòng)變送器

4、，以壓縮空氣為驅(qū)動(dòng)能源的是氣動(dòng)變送器；以電力為能源的便是電動(dòng)變送器。4.1.1差壓變送器1 構(gòu)成框圖：測(cè)量部分測(cè)量部分C反饋部分反饋部分F放大器放大器Kxziz0 調(diào)零、零點(diǎn)遷移調(diào)零、零點(diǎn)遷移yC C 轉(zhuǎn)換系數(shù)轉(zhuǎn)換系數(shù)K K 放大系數(shù)放大系數(shù)F F 反饋系數(shù)反饋系數(shù)2 氣動(dòng)差壓變送器 氣動(dòng)差壓變送器主要利用了力平衡原理，其敏感元件為膜片或膜盒。主要用于測(cè)量液體、氣體或蒸汽的壓力、差壓、流量、液位等物理量。氣動(dòng)差壓變送器可以將壓力信號(hào) p 成比例地轉(zhuǎn)換成20100kPa的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)，送往氣動(dòng)單元組合儀表的調(diào)節(jié)器或顯示儀表進(jìn)行調(diào)節(jié)、指示和記錄。3 電動(dòng)差壓變送器 氣動(dòng)差壓變送器主要利用了力平

5、衡原理，其敏感元件為膜片或膜盒。主要用于測(cè)量液體、氣體或蒸汽的壓力、差壓、流量、液位等物理量。氣動(dòng)差壓變送器可以將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為420mA的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，送往單元組合儀表的調(diào)節(jié)器或顯示儀表進(jìn)行調(diào)節(jié)、指示和記錄。4.1.2 防爆安全柵一 安全防爆基礎(chǔ)知識(shí)1.爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所的分類(lèi)與分級(jí) 分為氣體爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所和粉塵爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所兩類(lèi)。1）氣體爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的區(qū)域等級(jí) 0級(jí)區(qū)域：在正常情況下，爆炸性氣體混合物連續(xù)地、頻繁地出現(xiàn)或長(zhǎng)時(shí)間存在的場(chǎng)所。 1級(jí)區(qū)域：在正常情況下，爆炸性氣體混合物可能出現(xiàn)的場(chǎng)所。 2 2級(jí)區(qū)域：級(jí)區(qū)域：在正常情況下，爆炸性氣體混合物在正常情況下，爆炸性氣體混合物不不能出現(xiàn)能出現(xiàn)

6、，僅在不正常情況下，僅在不正常情況下偶爾或短時(shí)間存在偶爾或短時(shí)間存在的場(chǎng)所。的場(chǎng)所。 2 2）粉塵爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的區(qū)域等級(jí)）粉塵爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的區(qū)域等級(jí) 1010級(jí)區(qū)域：級(jí)區(qū)域：在正常情況下，爆炸性粉塵或可燃在正常情況下，爆炸性粉塵或可燃纖維與空氣的混合物可能纖維與空氣的混合物可能連續(xù)地、頻繁地出現(xiàn)連續(xù)地、頻繁地出現(xiàn)或長(zhǎng)時(shí)間存在的場(chǎng)所?；蜷L(zhǎng)時(shí)間存在的場(chǎng)所。 1111級(jí)區(qū)域：級(jí)區(qū)域：在正常情況下，爆炸性粉塵或可燃在正常情況下，爆炸性粉塵或可燃纖維與空氣的混合物纖維與空氣的混合物不能出現(xiàn)不能出現(xiàn)，僅在不正常情，僅在不正常情況下況下偶爾短時(shí)間出現(xiàn)偶爾短時(shí)間出現(xiàn)的場(chǎng)所。的場(chǎng)所。 儀表選用時(shí)應(yīng)根據(jù)區(qū)域等級(jí)選

7、擇相應(yīng)防爆等級(jí)的儀表。 例如:0級(jí)和10級(jí)區(qū)域要求使用本質(zhì)安全型電氣設(shè)備，1級(jí)區(qū)域使用隔爆型、增安型電氣設(shè)備等. 2.爆炸性物質(zhì)的分級(jí)、分組 3.電氣設(shè)備的防爆等級(jí) 本質(zhì)安全型（i） 隔爆型（d） 增安型（e） 4. 防爆儀表的分類(lèi)、分級(jí)和分組二 本質(zhì)安全防爆儀表及防爆系統(tǒng) 1.本質(zhì)安全防爆儀表 也稱(chēng)為安全火花型防爆儀表。 此類(lèi)儀表包括：兩線(xiàn)制現(xiàn)場(chǎng)變送器，電/氣轉(zhuǎn)換器，電/氣閥門(mén)定位器等現(xiàn)場(chǎng)儀表以及安全柵等。 2.本質(zhì)安全防爆系統(tǒng) 構(gòu)成原則： 1）現(xiàn)場(chǎng)變送器使用本質(zhì)安全防爆儀表； 2）現(xiàn)場(chǎng)與控制室之間使用安全柵。 本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)構(gòu)成框圖本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)構(gòu)成框圖變送器變送器安全柵安全柵調(diào)節(jié)器調(diào)

8、節(jié)器安全柵安全柵執(zhí)行器執(zhí)行器非危險(xiǎn)場(chǎng)所非危險(xiǎn)場(chǎng)所（控制室）（控制室）危險(xiǎn)場(chǎng)所危險(xiǎn)場(chǎng)所（現(xiàn)場(chǎng)）（現(xiàn)場(chǎng)）危險(xiǎn)場(chǎng)所危險(xiǎn)場(chǎng)所（現(xiàn)場(chǎng)）（現(xiàn)場(chǎng)）電源箱電源箱4.1.34.1.3 溫度變送器溫度變送器直流直流- -交流交流變換器變換器整流濾波整流濾波輸入回路輸入回路反饋回路反饋回路電壓放大電壓放大功率放大功率放大隔離隔離輸出輸出量程單元量程單元放大單元放大單元Uz zUf fUi iEt tIo oUo o四線(xiàn)制溫度變送器構(gòu)成框圖 調(diào)節(jié)器又稱(chēng)控制器，是自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心儀表，屬于控制儀表。4.2 4.2 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器模擬式調(diào)節(jié)器模擬式調(diào)節(jié)器數(shù)字式調(diào)節(jié)器數(shù)字式調(diào)節(jié)器可編程控制器可編程控制器控制儀表控制儀表DD

9、Z-型調(diào)節(jié)器KMM可編程調(diào)節(jié)器主要功能接收信號(hào)：1-5V DC信號(hào)。實(shí)現(xiàn)偏差檢測(cè)：將接收信號(hào)與給定值信號(hào)進(jìn)行比較，得到偏差信號(hào)。PID計(jì)算：將偏差信號(hào)進(jìn)行PID運(yùn)算，產(chǎn)生相應(yīng)的4-20mA控制信號(hào)。指示:具備相應(yīng)值的指示功能。4.2.1 DDZ-型調(diào)節(jié)器19構(gòu)成原理由兩大部分由兩大部分構(gòu)成構(gòu)成20構(gòu)成原理由兩大部分由兩大部分構(gòu)成構(gòu)成21控制單元的內(nèi)外給定值功能：控制單元的內(nèi)外給定值功能：22控制器的正反作用功能：控制器的正反作用功能：2324構(gòu)成4.2.2 KMM可編程調(diào)節(jié)器硬件部分： p主機(jī)部分p模擬量輸入-輸出通道p數(shù)字量輸入-輸出通道p通信接口p正面板，側(cè)面板軟件部分：p系統(tǒng)程序和用戶(hù)程

10、序KMM正面板上控制方式選擇: 手動(dòng)方式（M） 自動(dòng)方式（A） 串級(jí)方式（C)4.3 執(zhí)行器概述 執(zhí)行器：過(guò)程執(zhí)行儀表，簡(jiǎn)稱(chēng)執(zhí)行器。執(zhí)行器的作用：執(zhí)行器是自動(dòng)控制系統(tǒng)的終端執(zhí)行部件，其作用是接受控制器送來(lái)的控制信號(hào)，并根據(jù)信號(hào)的大小直接改變操縱量，從而達(dá)到對(duì)被控變量進(jìn)行控制的目的。 在連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中，使用最多的 執(zhí)行器就是各種調(diào)節(jié)閥（及開(kāi)關(guān)閥）。執(zhí)行器的組成：執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)：是執(zhí)行器的推動(dòng)裝置，根據(jù)控制信號(hào)的大小，產(chǎn)生相應(yīng)的推力或扭矩，從而使調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的開(kāi)度變化。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)：是執(zhí)行器的調(diào)節(jié)部件，直接與被控介質(zhì)接觸，當(dāng)其開(kāi)度發(fā)生變化時(shí)，被控介質(zhì)流量將被改變，從而實(shí)現(xiàn)

11、自動(dòng)控制。執(zhí)行器的分類(lèi)：執(zhí)行器按其所使用的能源，可分為： 氣動(dòng)執(zhí)行器； 電動(dòng)執(zhí)行器； 液動(dòng)執(zhí)行器。 在實(shí)際應(yīng)用中，使用最多的是氣動(dòng)執(zhí)行器，其次是電動(dòng)執(zhí)行器，最少的是液動(dòng)執(zhí)行器。 氣動(dòng)執(zhí)行器是以壓縮空氣為能源的執(zhí)行器。使用最多的是氣動(dòng)薄膜執(zhí)行器。這類(lèi)執(zhí)行器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠、安裝方便及本質(zhì)防爆等特點(diǎn)，而且價(jià)格較為便宜。氣動(dòng)薄膜執(zhí)行器由氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分構(gòu)成。電動(dòng)執(zhí)行器是以電為能源的執(zhí)行器。與氣動(dòng)執(zhí)行器比較，具有能源取用方便、信號(hào)傳輸速度快、傳遞距離遠(yuǎn)、靈敏度及精度高等特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易于維護(hù)、防爆性能不如氣動(dòng)執(zhí)行器。液動(dòng)執(zhí)行器是以加壓液體為能源的執(zhí)行器，使用較少。4.3.1

12、執(zhí)行機(jī)構(gòu)一、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)p氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)分類(lèi)：薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)長(zhǎng)行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)滾筒膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)1、薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)p執(zhí)行機(jī)構(gòu)按動(dòng)作方式可分為正作用和反作用： 輸入信號(hào)增大，閥桿下移，為正作用閥；輸入信號(hào)增大，閥桿上移，為反作用閥。2、活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)p活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大操作壓力可達(dá)500kPa，因此具有較大的推力。主要做大口徑、高靜壓、高壓差閥和蝶閥等的推動(dòng)裝置。p活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖所示。p活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)正作用正作用反作用反作用二、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)p電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按其輸出形式可分為角行程和直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大類(lèi)。p角行程將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出軸的轉(zhuǎn)角輸出。p直行程將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換

13、為輸出軸的直線(xiàn)位移輸出。4.3.2 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)p調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，也稱(chēng)作閥組件，簡(jiǎn)稱(chēng)為閥，是一個(gè)局部阻力可以改變的節(jié)流部件。p調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是按照節(jié)流原理來(lái)工作的。閥401、直通雙座閥閥體內(nèi)有兩個(gè)閥芯和兩個(gè)閥座。閥芯可以正裝或者反裝，如圖所示。正裝：閥芯下移，流通面積減??；反裝：閥芯下移，流通面積增大p氣開(kāi)氣開(kāi)：是指隨著執(zhí)行器輸入信號(hào)的增大，閥的流通：是指隨著執(zhí)行器輸入信號(hào)的增大，閥的流通截面積也增大；截面積也增大；p氣關(guān)氣關(guān)：是指隨著執(zhí)行器輸入信號(hào)的增大，閥的流通：是指隨著執(zhí)行器輸入信號(hào)的增大，閥的流通截面積減小。截面積減小。利用執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正、反作用和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)閥芯的正、利用執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正、反作用和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)閥芯的正、反裝來(lái)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器的氣開(kāi)或氣關(guān)。有四種組合方式，反裝來(lái)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器的氣開(kāi)或氣關(guān)。有四種組合方式，如圖所示。如圖所示。氣開(kāi)、氣關(guān)概念氣開(kāi)、氣關(guān)