過(guò)程控制工程ch4課件

1、第4章 過(guò)程控制儀表過(guò)程控制儀表 過(guò)程控制儀表主要包括控制器(含可編程調(diào)節(jié)器)、執(zhí)行器、變頻器、操作器等各種新型控制儀表及裝置。 過(guò)程控制儀表按使用能源不同可分為： 按結(jié)構(gòu)形式不同可分為：按信號(hào)類(lèi)型不同可分為： 氣動(dòng)儀表、電動(dòng)儀表 基地式儀表、單元組合式儀表、組裝式儀表、集散控制裝置 模擬式儀表、數(shù)字式儀表 第4章 過(guò)程控制儀表4.2 DDZ-型控制器 DDZ-型控制器是型電動(dòng)單元組合儀表中的一個(gè)重要單元。它接受變送器或轉(zhuǎn)換器的DC15V或DC420mA測(cè)量信號(hào)為輸入信號(hào)，與DC15V或DC420mA給定信號(hào)進(jìn)行比較，并對(duì)其偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出DC420mA標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)。 第4章 過(guò)程控制

2、儀表圖4-1型控制器框圖 第4章 過(guò)程控制儀表控制單元包括輸入電路、比例微分電路、比例積分電路、輸出電路、軟手動(dòng)與硬手動(dòng)操作電路。指示單元包括輸入信號(hào)指示電路和給定信號(hào)指示電路。 型控制器的輸入信號(hào)與內(nèi)給定信號(hào)都是以零伏為基準(zhǔn)的DC 15V信號(hào)；外給定為DC 420mA電流流過(guò)輸入電路內(nèi)的250精密電阻器轉(zhuǎn)換成的以零伏為基準(zhǔn)的DCl5V電壓信號(hào)。內(nèi)、外給定值信號(hào)由開(kāi)關(guān)S6選定，外給定時(shí)，安裝在面板上的外給定指示燈亮。 第4章 過(guò)程控制儀表圖4.2-2全刻度指示控制器線(xiàn)路示意圖 第4章 過(guò)程控制儀表型控制器有“自動(dòng)”、“保持”、“軟手動(dòng)”、“硬手動(dòng)”四種工作狀態(tài)，并由聯(lián)動(dòng)開(kāi)關(guān)S1、S2進(jìn)行切換。

3、 當(dāng)開(kāi)關(guān)S1、S2處于軟手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，扳動(dòng)軟手動(dòng)操作鍵S4，控制器輸出積分可以根據(jù)需要按快、慢兩種速度線(xiàn)性上升或下降。 當(dāng)S4處于中間位置時(shí)，則控制器的輸出值保持在手指離開(kāi)S4前瞬間的數(shù)值上。 當(dāng)控制器處于硬手動(dòng)操作狀態(tài)時(shí)，移動(dòng)硬手動(dòng)操作桿，使控制器的輸出很快轉(zhuǎn)換到所需要的數(shù)值，操作桿不動(dòng)，其輸出值保持不變。 為了滿(mǎn)足過(guò)程控制工程的需求，型控制器還設(shè)有正、反作用選擇開(kāi)關(guān)S7。 第4章 過(guò)程控制儀表4.3 運(yùn)算器(運(yùn)算單元) 運(yùn)算單元是構(gòu)成儀表復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)(如比值控制、前饋一反饋控制等)時(shí)的不可缺少的重要單元。采用運(yùn)算器可對(duì)一個(gè)或幾個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行加、減、乘、除、平方、開(kāi)方及其復(fù)合運(yùn)算等，用以實(shí)

4、現(xiàn)各種不同的控制方案。 第4章 過(guò)程控制儀表1、加減器DDZ-型加減器可以對(duì)24個(gè)DC15V的輸入信號(hào)進(jìn)行加減運(yùn)算，其輸出(DC15V)正比于各輸入信號(hào)的代數(shù)和。通過(guò)選擇輸入通道和選擇運(yùn)算符號(hào)可實(shí)現(xiàn)多種加減運(yùn)算。 輸出信號(hào)輸入信號(hào)運(yùn)算系數(shù)偏置電壓第4章 過(guò)程控制儀表圖4-16加減器原理框圖 第4章 過(guò)程控制儀表2、乘除器 DDZ-型乘除器可以對(duì)2個(gè)或3個(gè)DC 15V信號(hào)進(jìn)行下列四種運(yùn)算，并以DC 15V或DC 420mA輸出。 乘除運(yùn)算 乘后開(kāi)方 乘法運(yùn)算 除法運(yùn)算 第4章 過(guò)程控制儀表圖4-17 DDZ-型乘除器原理框圖 第4章 過(guò)程控制儀表4.4 可編程調(diào)節(jié)器 可編程調(diào)節(jié)器作為80年代問(wèn)世

5、的一種新型數(shù)字式控制儀表。當(dāng)時(shí)從國(guó)外引進(jìn)或組裝的產(chǎn)品有：DK系列的KMM、YS-80系列的SLPC、FC系列的PMK和VI系列的VI87MA-E等。由于上述產(chǎn)品均控制一個(gè)回路，因此習(xí)慣上又稱(chēng)之為單回路調(diào)節(jié)器。今天雖然大多數(shù)場(chǎng)合被可編程控制器（PLC）替代，但是作為至今仍然在中小企業(yè)使用的智能控制儀表的基礎(chǔ)，對(duì)其學(xué)習(xí)仍然具有代表性。 第4章 過(guò)程控制儀表 KMM可編程調(diào)節(jié)器的主要特點(diǎn) 兼容性好 運(yùn)算、控制功能豐富 安全、可靠性高 通用性強(qiáng)，使用維護(hù)方便 系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便 第4章 過(guò)程控制儀表 KMM可編程調(diào)節(jié)器的主要性能指標(biāo) (1)模擬量輸入DC 15V，5點(diǎn)。(2)模擬量輸出DC 15V，3點(diǎn)；D

6、C 420mA，1點(diǎn)(3)數(shù)字量輸入可編程，4個(gè)；外部聯(lián)鎖，1點(diǎn)(只有控制器有此信號(hào)OFF時(shí)為聯(lián)鎖)。(4)數(shù)字量輸出可編程，3點(diǎn)；準(zhǔn)備狀態(tài)輸出，1點(diǎn)。(5)運(yùn)算周期100500ms。(6)運(yùn)算式(模塊)種類(lèi)45種。(7)可編程模塊30個(gè)。(8)自診斷功能可對(duì)ROM，RAM、掃描周期、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換進(jìn)行診斷等。(9)保護(hù)功能若自診斷中發(fā)生故障，可自動(dòng)切換到緊急手動(dòng)狀態(tài)(后備手動(dòng)操作器開(kāi)始工作)。(10)電源 (11)環(huán)境溫度、濕度050，10%90%RH(相對(duì)濕度)。 第4章 過(guò)程控制儀表KMM可編程調(diào)節(jié)器的主要功能可歸納為： 輸入處理功能 運(yùn)算處理功能 輸出處理功能 自動(dòng)平衡功能 自

7、診斷功能和通信功能第4章 過(guò)程控制儀表4.5 執(zhí)行器 執(zhí)行器作用：接收控制器輸出的控制信號(hào)，改變操縱變量，使生產(chǎn)過(guò)程按預(yù)定要求正常進(jìn)行。第4章 過(guò)程控制儀表調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥電動(dòng)調(diào)節(jié)閥液動(dòng)調(diào)節(jié)閥第4章 過(guò)程控制儀表執(zhí)行器組成：執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是指根據(jù)控制器控制信號(hào)產(chǎn)生推力或位移的裝置。 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)：調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出信號(hào)去改變能量或物料輸送量的裝置，通常指控制閥。 現(xiàn)場(chǎng)有時(shí)就將執(zhí)行器稱(chēng)為控制閥。第4章 過(guò)程控制儀表執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能就是把控制器輸出的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或直線(xiàn)位移。 第4章 過(guò)程控制儀表氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1薄膜 2平衡彈簧 3閥桿 4閥芯

8、5閥體 6閥座PO123456氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要分為兩大類(lèi)： 薄膜式與活塞式1、氣動(dòng)薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu) 當(dāng)信號(hào)壓力通入薄膜氣室時(shí)，在膜片上產(chǎn)生一個(gè)推力，壓縮平衡彈簧，當(dāng)彈簧的反作用力與信號(hào)壓力在膜片上產(chǎn)生的推力相平衡時(shí)，推桿穩(wěn)定在一個(gè)新的位置，推桿的位移（行程）即為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出。 氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程規(guī)格有10、16、25、40、60、100mm等。薄膜有效面積有200、280、400、630、1000、1600cm2等六種規(guī)格。有效面積越大，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移和推力也越大。 第4章 過(guò)程控制儀表P1P2基本部件：活塞和氣缸活塞在氣缸內(nèi)隨活塞兩側(cè)壓差而移動(dòng)兩側(cè)可以分別輸入一個(gè)固定信號(hào)和一

9、個(gè)變動(dòng)信號(hào)，或兩側(cè)都輸入變動(dòng)信號(hào)。它的輸出特性有比例式及兩位式兩種。兩位式是根據(jù)輸入執(zhí)行活塞兩側(cè)的操作壓力的大小，活塞從高壓側(cè)推向低壓側(cè)，使推桿從一個(gè)位置移到另一極端位置比例式是在兩位式基礎(chǔ)上加有閥門(mén)定位器后，使推桿位移與信號(hào)壓力成比例關(guān)系。 氣動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu) 第4章 過(guò)程控制儀表調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（閥）調(diào)節(jié)閥又稱(chēng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，它在執(zhí)行機(jī)構(gòu)推力的作用下，調(diào)節(jié)閥的閥芯產(chǎn)生一定的位移或轉(zhuǎn)角，從而直接調(diào)節(jié)流體的流量，從而達(dá)到調(diào)節(jié)工藝變量、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。 閥的分類(lèi)按結(jié)構(gòu)形式分為：普通閥、角形閥、蝶閥、三通閥、隔膜閥等。按閥座數(shù)目分為：?jiǎn)巫y、雙座閥。第4章 過(guò)程控制儀表由于氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有正、反兩種作用方式，

10、而閥也有正裝和反裝兩種方式，因此，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)就有四種組合方式。 氣關(guān) 反反d氣開(kāi)正反c氣開(kāi)反正 b氣關(guān) 正正 a氣動(dòng)執(zhí)行器 閥 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 序號(hào) 第4章 過(guò)程控制儀表閥門(mén)定位器 閥門(mén)定位器是氣動(dòng)執(zhí)行器的一種輔助裝置，根據(jù)調(diào)節(jié)器來(lái)的氣動(dòng)信號(hào)控制氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥門(mén)部件，使閥開(kāi)度處于精確位置。 閥門(mén)定位器接受調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)后，去控制氣動(dòng)執(zhí)行器；當(dāng)氣動(dòng)執(zhí)行器動(dòng)作時(shí)，閥桿的位移又通過(guò)機(jī)械裝置負(fù)反饋到閥門(mén)定位器，因此定位器和執(zhí)行器組成了一個(gè)閉環(huán)回路。第4章 過(guò)程控制儀表 閥門(mén)定位器的主要功能和作用：（1）提高調(diào)節(jié)閥的定為精度和可靠性；（2）改善調(diào)節(jié)閥的動(dòng)態(tài)特性；（3）克服流體對(duì)閥芯的不平衡例

11、，減小行程誤差；（4）克服時(shí)滯；（5）克服閥桿移動(dòng)阻力；（6）改善調(diào)節(jié)閥的流量特性；（7）實(shí)現(xiàn)分程控制。第4章 過(guò)程控制儀表1.理想流量特性（固有流量特性） 控制閥的理想流量特性主要有快開(kāi)、直線(xiàn)、拋物線(xiàn)、等百分比（對(duì)數(shù)）等四種形式 。直線(xiàn)等百分比快開(kāi)拋物線(xiàn)第4章 過(guò)程控制儀表控制閥理想流量特性曲線(xiàn)1直線(xiàn) 2等百分比 3快開(kāi) 4一拋物線(xiàn) 直線(xiàn)流量特性的相對(duì)流量與相對(duì)位移間呈直線(xiàn)關(guān)系，兩者之比為常數(shù)；對(duì)數(shù)流量特性的相對(duì)流量與相對(duì)位移之比隨開(kāi)度增大而增大；而快開(kāi)流量特性閥的兩者之比則隨開(kāi)度增大而減小,其閥芯的有效行程很短，一般很少使用；拋物線(xiàn)流量特性處于直線(xiàn)流量特性與對(duì)數(shù)流量特性之間。 可調(diào)比，國(guó)產(chǎn)

12、閥一般為30 第4章 過(guò)程控制儀表2.工作流量特性 串聯(lián)管系調(diào)節(jié)閥的工作流量特性在相同閥芯位移即相同流通截面積下實(shí)際流過(guò)控制閥的流量將比理想時(shí)減小,實(shí)際的流量特性將偏離理想的流量特性，我們把這種偏差稱(chēng)為畸變。畸變后的特性總是在理想特性的下方。 第4章 過(guò)程控制儀表畸變系數(shù)S值得定義為： 由于控制閥全開(kāi)時(shí)兩端的壓差等于系統(tǒng)恒定的總壓差減去全開(kāi)時(shí)管線(xiàn)及設(shè)備壓力總損失，因此值越小，說(shuō)明損失越大，畸變程度就越嚴(yán)重，畸變后向下偏離理想曲線(xiàn)就越遠(yuǎn)，控制閥的實(shí)際可調(diào)比就越小。 實(shí)際可調(diào)比 第4章 過(guò)程控制儀表圖4-45 串聯(lián)管系中壓降分配比與工作流量特性的關(guān)系（a）直線(xiàn)閥 （b）對(duì)數(shù)閥 第4章 過(guò)程控制儀表

13、 并聯(lián)管系調(diào)節(jié)閥的工作流量特性圖4-46 控制閥與管道并聯(lián)工作示意圖 第4章 過(guò)程控制儀表圖4-47 并聯(lián)管道控制閥工作流量特性 在實(shí)際工作中，始終存在串聯(lián)管道阻力的影響，因此并聯(lián)管道工作的流量特性還將疊加有串聯(lián)管道的影響，這將使控制閥所能控制的流量范圍更小，嚴(yán)重時(shí)可能幾乎失去控制作用。所以，用打開(kāi)旁路增加總流量的控制方案是不可取的。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)驗(yàn)，旁路流量一般為總流量的20%即并聯(lián)畸變系數(shù)值不能低于0.8。 第4章 過(guò)程控制儀表4.6變頻器 變頻器（Variable Frequency Drive，簡(jiǎn)稱(chēng)VFD）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變電機(jī)工作電源頻率方式來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。 變頻器靠?jī)?nèi)部功率半導(dǎo)體器件的開(kāi)斷來(lái)調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來(lái)提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另