儀表與自動(dòng)化電子教案項(xiàng)目開(kāi)篇

1、儀表與自動(dòng)化劉書(shū)凱 陸建國(guó)主編化學(xué)工業(yè)出版社 儀表與自動(dòng)化 儀表與自動(dòng)化 課程介紹 整體設(shè)計(jì) 課程特色 電子教案 儀表與自動(dòng)化一課程介紹工藝類專業(yè)自動(dòng)化類專業(yè) 課程介紹直接服務(wù)面基本服務(wù)面 儀表與自動(dòng)化石油化工、冶金、電力、制藥、輕工等一般工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)將原來(lái)過(guò)程控制儀表 和工藝過(guò)程自動(dòng)化 課程進(jìn)行了綜合設(shè)計(jì)，教學(xué)過(guò)程全部集中在實(shí)訓(xùn)室中完成，真正體現(xiàn)“基于工作過(guò)程導(dǎo)向”的教學(xué)做一體化課程 。 服務(wù) 儀表與自動(dòng)化二整體設(shè)計(jì)通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，使學(xué)生根據(jù)工藝要求會(huì)選用、安裝、調(diào)試、調(diào)校儀表，能集成、調(diào)試、運(yùn)行典型“簡(jiǎn)單”和“復(fù)雜”控制系統(tǒng)。課程目標(biāo)（1）能夠根據(jù)工藝與控制要求合理選擇常用的溫度、

2、壓力、流量和物位檢測(cè)儀表。（2）明確工藝要求，能夠讀懂、并能規(guī)范地繪制常用帶控制點(diǎn)的工藝流程圖。（3）能根據(jù)工藝和控制要求，合理選擇控制規(guī)律。（4）能根據(jù)工藝要求，正確選擇執(zhí)行器并能設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。（5）能根據(jù)被控變量和系統(tǒng)特點(diǎn)，并能設(shè)置合理的PID相關(guān)參數(shù)。 （6）會(huì)調(diào)試串級(jí)控制系統(tǒng)。（7）會(huì)進(jìn)行DCS控制系統(tǒng)硬件選型、基本組態(tài)和投運(yùn)。1.能力目標(biāo)（1）掌握常用工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的組成、原理與特點(diǎn)，理解被控變量、操縱變量對(duì)系統(tǒng)性能的影響，掌握被控變量與操縱變量的合理確定方法。 （2）掌握常用過(guò)程檢測(cè)儀表的結(jié)構(gòu)與測(cè)量原理與使用特點(diǎn)；理解各種PID控制規(guī)律對(duì)系統(tǒng)的作用，掌握其使用方法。 （3）

3、掌握DCS系統(tǒng)的基本概念和組成 以及組態(tài)和畫(huà)面調(diào)顯方法。2.知識(shí)目標(biāo)（1）認(rèn)識(shí)過(guò)程控制技術(shù)學(xué)習(xí)的基本方法，培養(yǎng)一定的邏輯思維能力，善于從不同的角度發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，積極探索解決問(wèn)題的方法。 （2）養(yǎng)成獨(dú)立思考的學(xué)習(xí)習(xí)慣，能對(duì)所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行較為全面的分析和比較，總結(jié)和概括，學(xué)會(huì)舉一反三，靈活應(yīng)用，培養(yǎng)過(guò)程控制技術(shù)的綜合應(yīng)用能力。（3）善于借鑒他人經(jīng)驗(yàn)，發(fā)揮團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)、組織協(xié)調(diào)能力、創(chuàng)新思維能力。（4）養(yǎng)成“安全生產(chǎn)”的良好習(xí)慣。 3.素質(zhì)拓展目標(biāo)課程內(nèi)容設(shè)計(jì)： 本課程共分六個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行訓(xùn)練，每個(gè)項(xiàng)目均有詳細(xì)考核標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行過(guò)程考核，項(xiàng)目制作共計(jì)60分；平時(shí)考勤及紀(jì)律為10分；理論考試為30

4、分；總分計(jì)為100分?？己朔桨冈O(shè)置教學(xué)過(guò)程全部集中在實(shí)訓(xùn)室中完成，真正體現(xiàn)“基于工作過(guò)程導(dǎo)向”的教學(xué)做一體化課程，教學(xué)方法是“做中學(xué)、學(xué)中做”工學(xué)結(jié)合的課程模式。 課程其他說(shuō)明 儀表與自動(dòng)化總評(píng) 理論項(xiàng)目訓(xùn)練平時(shí)考核 儀表與自動(dòng)化三課程特色1.課程模式：“做中學(xué)、學(xué)中做”工學(xué)結(jié)合。2.教學(xué)過(guò)程：以學(xué)生為主體，以項(xiàng)目為載體，任務(wù)引領(lǐng)，教師指導(dǎo)，由淺入深，由易到難，訓(xùn)練學(xué)生過(guò)程控制技術(shù)的應(yīng)用能力。課程特色 儀表與自動(dòng)化四電子教案 儀表與自動(dòng)化項(xiàng)目開(kāi)篇 在工業(yè)生產(chǎn)，特別是石油化工、電力輕紡行業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，保證生產(chǎn)正常、安全、高效、低耗地進(jìn)行，就必須將能影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)過(guò)程的壓力（

5、P）、物位（L）、流量（F）、溫度（T）及物質(zhì)成分（A）等幾大熱工變量控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。而工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的容器和設(shè)備常常是密閉的；生產(chǎn)條件也更多是高溫、深冷、高壓或真空等超常狀態(tài)；且多數(shù)工藝介質(zhì)還具有易燃、易爆、有毒、有腐蝕性等性質(zhì)。所以，在多數(shù)情況下，化工生產(chǎn)過(guò)程的控制是人力難以為之的，從而呼喚對(duì)工業(yè)過(guò)程的自動(dòng)控制，也必需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。項(xiàng)目開(kāi)篇在生產(chǎn)設(shè)備上配備一些自動(dòng)控制裝置，代替操作人員的部分直接勞動(dòng)，使生產(chǎn)在不同程度上自動(dòng)地進(jìn)行，即用自動(dòng)控制裝置來(lái)管理生產(chǎn)過(guò)程的辦法，稱為生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制，簡(jiǎn)稱過(guò)程自動(dòng)化。自動(dòng)化系統(tǒng)由“生產(chǎn)過(guò)程對(duì)象”、 “自動(dòng)化裝置”兩大部分（四大單元）組成，其中：生產(chǎn)

6、過(guò)程對(duì)象為獨(dú)立單元，自動(dòng)化裝置包括測(cè)量變送、控制、執(zhí)行三個(gè)單元。如圖0-1所示： 一、生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化（一）生產(chǎn)過(guò)程對(duì)象：需要控制的工藝設(shè)備（塔、器、槽等）、機(jī)器或生產(chǎn)過(guò)程。（二）自動(dòng)化裝置：包括儀表和新型智能器件。1測(cè)量變送單元：是測(cè)量變送儀表，工程上用T表示；2控制單元：各種控制儀表及各類計(jì)算機(jī)，工程上用C表示；3執(zhí)行器：各種電動(dòng)、氣動(dòng)執(zhí)行儀表，工程上用Z表示。所有單元之間通過(guò)國(guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)420 mA DC電流（或20100kPa氣壓）連接。 例如：水槽液位控制系統(tǒng)（如圖0-2所示），其控制的目的使水槽液位維持在其設(shè)定值上（滿刻度的50%）的位置上。 圖0-2 水槽液位控制系統(tǒng)示意圖人工

7、控制（圖0-2（a）：進(jìn)水量增加時(shí)，導(dǎo)致水位增加，人眼睛觀察玻璃液面計(jì)中的水位變化，并通過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)傳給大腦，經(jīng)與大腦中的設(shè)定值（50%）比較后，確定水位偏高（或偏低），故發(fā)出信息，讓手開(kāi)大（或關(guān)?。╅y門(mén)，調(diào)節(jié)出水量，使液位變化。這樣反復(fù)進(jìn)行，直到液位重新穩(wěn)定到設(shè)定值上，從而實(shí)現(xiàn)了液位的人工控制。自動(dòng)控制（圖0-2（b）：現(xiàn)場(chǎng)的液位變送器LT檢測(cè)出水槽液位，轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)傳送給控制室內(nèi)的控制器LC，與控制器LC中預(yù)先輸入的設(shè)定信號(hào)進(jìn)行比較后形成偏差，繼而將偏差信號(hào)按預(yù)先確定的某種控制規(guī)律（比例、積分、微分的某種組合）進(jìn)行運(yùn)算后，產(chǎn)生輸出信號(hào)給控制閥，使控制閥改變開(kāi)啟度，控制出水量。這樣反復(fù)

8、進(jìn)行，直到水槽液位恢復(fù)到設(shè)定值為止，從而實(shí)現(xiàn)水槽液位的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化。二、過(guò)程控制系統(tǒng)的分類過(guò)程控制系統(tǒng)一般分為：生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、自動(dòng)報(bào)警聯(lián)鎖系統(tǒng)和自動(dòng)操縱系統(tǒng)等四大類。（一）過(guò)程自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)利用各種檢測(cè)儀表自動(dòng)連續(xù)地對(duì)相應(yīng)的工藝變量進(jìn)行檢測(cè)，并能自動(dòng)指示或記錄的系統(tǒng)，稱為過(guò)程自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)由兩部分組成：檢測(cè)對(duì)象和檢測(cè)裝置。如圖0-3所示：二、過(guò)程控制系統(tǒng)的分類若檢測(cè)裝置僅由檢測(cè)部分、轉(zhuǎn)換放大和就地顯示環(huán)節(jié)構(gòu)成，則為就地顯示檢測(cè)儀表。如：?jiǎn)稳椈晒軌毫Ρ?、玻璃溫度?jì)等。若檢測(cè)裝置由檢測(cè)部分、轉(zhuǎn)換放大和數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)與遠(yuǎn)傳顯示儀表（或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)）組成

9、，則將檢測(cè)、轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)稱為“傳感器”（如：霍爾傳感器、熱電偶、熱電阻等），它將被測(cè)變量轉(zhuǎn)換成規(guī)定信號(hào)送給遠(yuǎn)傳顯示儀表（或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)）進(jìn)行顯示處理。傳感器輸出信號(hào)為國(guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)420 mA DC電流(或20 100kPa氣壓)時(shí)，稱其為變送器(如:壓力變送器、溫度變送器等)。二、過(guò)程控制系統(tǒng)的分類（二）過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)用自動(dòng)控制裝置對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的某些重要變量進(jìn)行自動(dòng)控制，使工業(yè)過(guò)程的工藝變量在受到外界干擾影響偏離正常狀態(tài)后，又自動(dòng)回復(fù)到規(guī)定的數(shù)值范圍的系統(tǒng)。過(guò)程的自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為：定值控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)三種，生產(chǎn)過(guò)程中“定值控制系統(tǒng)”使用最多，故常以定值控制系統(tǒng)為

10、例來(lái)討論過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)組成框圖如圖0-4所示： 二、過(guò)程控制系統(tǒng)的分類 由圖0-4可知：定值控制系統(tǒng)是將生產(chǎn)過(guò)程對(duì)象中能影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)過(guò)程的壓力（P）、物位（L）、流量（F）、溫度（T）及物質(zhì)成分（A）等幾大工藝變量（控制工程上通稱為被控變量Y）經(jīng)檢測(cè)元件和變送器，轉(zhuǎn)化為被控變量Y的測(cè)量信號(hào)（簡(jiǎn)稱測(cè)量值）Z，通過(guò)比較機(jī)構(gòu)將被控變量Y的工藝規(guī)定指標(biāo)（簡(jiǎn)稱設(shè)定值）X比較并產(chǎn)生偏差值信號(hào)e；由控制器根據(jù)偏差e的正負(fù)、大小及變化情況，按預(yù)定的控制規(guī)律實(shí)施控制作用，目的是將生產(chǎn)過(guò)程的工藝變量（即被控變量Y）始終穩(wěn)定在其工藝給定指標(biāo)X上。 二、過(guò)程控制系統(tǒng)的分類生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定后，由于在運(yùn)行過(guò)程

11、中，常由于隨機(jī)因素（稱其為擾動(dòng)，用f表示），影響被控變量Y變化而偏離工藝給定指標(biāo)（設(shè)定值X ）。工業(yè)上通過(guò)檢測(cè)元件和變送器控制器執(zhí)行器形成“閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)”，作用于“對(duì)象”的操縱變量q，使被控變量Y重新回到其設(shè)定值X上。為便于聯(lián)系，單元之間通過(guò)國(guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)420 mA DC電流（或20100kPa氣壓）連接。1操縱變量q 控制器操縱執(zhí)行器之信號(hào)，能使被控變量恢復(fù)到設(shè)定值的物理量或能量。如上例中的出水量。2擾動(dòng)f 除操縱變量外，作用于生產(chǎn)過(guò)程對(duì)象，引起被控變量變化的隨機(jī)因素。如進(jìn)料量的波動(dòng)。 二、過(guò)程控制系統(tǒng)的分類（三）過(guò)程自動(dòng)報(bào)警與聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)為確保生產(chǎn)安全，常對(duì)一些關(guān)鍵的生產(chǎn)變量設(shè)有自動(dòng)

12、信號(hào)報(bào)警與聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)。當(dāng)變量接近臨界數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲、光報(bào)警，提醒操作人員注意。如果變量進(jìn)一步接近臨界值、工況接近危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，聯(lián)鎖系統(tǒng)立即采取緊急措施，自動(dòng)打開(kāi)安全閥或切斷某些通路，必要時(shí)，緊急停車(chē)，以防止事故的發(fā)生和擴(kuò)大。 二、過(guò)程控制系統(tǒng)的分類（四）過(guò)程的自動(dòng)操縱系統(tǒng)按預(yù)先規(guī)定的程序步驟，自動(dòng)地對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行周期性操作的系統(tǒng)。過(guò)程控制的應(yīng)用水平是衡量一個(gè)企業(yè)先進(jìn)程度的重要標(biāo)準(zhǔn)，也是衡量一個(gè)國(guó)家發(fā)達(dá)程度的主要標(biāo)志。三、過(guò)程儀表的分類過(guò)程儀表是實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制的工具，種類繁多，從不同的角度可以有不同的分類方法。（一）按功能不同 可分為檢測(cè)儀表、顯示儀表、控制儀表和執(zhí)行器。1檢測(cè)儀表 ： 包括

13、各種變量的檢測(cè)元件、傳感器和變送器；2顯示儀表 ： 有模擬量和數(shù)字量及屏幕顯示形式；3控制儀表 ： 包括氣動(dòng)、電動(dòng)控制儀表和計(jì)算機(jī)控制裝置；4執(zhí)行器 ：有氣動(dòng)、電動(dòng)、液動(dòng)等類型。這些儀表之間的關(guān)系如圖0-5所示。圖0-5 過(guò)程控制儀表的關(guān)系圖 三、過(guò)程儀表的分類（二）按使用的能源不同 可分為氣動(dòng)儀表和電動(dòng)儀表。1氣動(dòng)儀表 ：以壓縮空氣為能源，性能穩(wěn)定、可靠性高、防爆性能好且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。特別適合于石油、化工等有爆炸危險(xiǎn)的場(chǎng)所。2電動(dòng)儀表： 以電為能源，信息傳遞快，傳送距離遠(yuǎn)，是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離集中顯示和控制的理想儀表。 三、過(guò)程儀表的分類（三）按結(jié)構(gòu)形式分 可分為基地式儀表、單元組合儀表、組件組裝式儀表

14、等。1基地式儀表 ：這類儀表集檢測(cè)、顯示、記錄和控制等功能于一體。功能集中，價(jià)格低廉，適合于單變量的就地控制系統(tǒng)。2單元組合儀表 ： 所謂單元組合儀表是根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)中各組成環(huán)節(jié)的不同功能和使用要求，將整套儀表劃分成能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)一定功能的若干單元（有變送、控制、顯示、執(zhí)行、設(shè)定、計(jì)算、輔助、轉(zhuǎn)換等八大單元），各單元之間采用統(tǒng)一信號(hào)進(jìn)行聯(lián)系（氣動(dòng)儀表標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)為2040kPa，電動(dòng)儀表標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)為420mADC）。使用時(shí)可根據(jù)控制系統(tǒng)的需要，對(duì)各單元進(jìn)行選擇和組合，從而構(gòu)成多種多樣的、復(fù)雜程度各異的檢測(cè)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。單元組合儀表也稱作積木式儀表。3組件組裝式儀表 ： 是一種功能分離、結(jié)構(gòu)組件

15、化的成套儀表（或裝置）。三、過(guò)程儀表的分類（四）按信號(hào)形式分 可分為模擬儀表和數(shù)字儀表。1模擬儀表 ：模擬儀表的外部傳輸信號(hào)和內(nèi)部處理的信號(hào)均為連續(xù)變化的模擬量（如420mA電流，15V電壓等）。前文中提及的單元組合儀表均屬模擬儀表。2數(shù)字儀表： 數(shù)字儀表的外部傳輸信號(hào)有模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩種，但內(nèi)部處理信號(hào)都是數(shù)字量（0，1），如可編程調(diào)節(jié)器等。四、儀表及過(guò)程自動(dòng)化的發(fā)展 伴隨著過(guò)程控制系統(tǒng)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制的工具也同樣在不斷地更新?lián)Q代。 過(guò)程控制儀表逐步趨于成熟，工業(yè)自動(dòng)化水平不斷提高。70年代中期的DDZ-型儀表，以集成運(yùn)算放大器為主要放大元件，以24V DC為能源，采用420mA.D

16、C為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)制的組合型儀表。它在體積基本不變的情形下，大大增加了儀表的功能，其工作在現(xiàn)場(chǎng)的儀表均為安全火花型防爆儀表，配上安全柵后，構(gòu)成安全火花防爆系統(tǒng)，相當(dāng)安全，在化工、煉油等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，并曾一度占主導(dǎo)地位，一些中小企業(yè)及大企業(yè)的部分裝置至今仍在使用。進(jìn)入80年代后，由于微處理器的發(fā)展，出現(xiàn)了DDZ-S型智能式單元組合儀表，它以微處理器為核心，能源、信號(hào)都同于DDZ-型，其可靠性、準(zhǔn)確性、功能都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于DDZ-型儀表。四、儀表及過(guò)程自動(dòng)化的發(fā)展 80年代開(kāi)始，世界進(jìn)入了知識(shí)爆炸時(shí)期，由于各種高新技術(shù)的飛速發(fā)展，以微型計(jì)算機(jī)為核心，控制功能分散、顯示操作集中，集控制、管理于一體的

17、分散型控制系統(tǒng)（DCS），從而將過(guò)程控制儀表及裝置推向高級(jí)階段。與此同時(shí)，可編程序控制器（PLC）也從邏輯控制領(lǐng)域向過(guò)程控制領(lǐng)域伸出觸角，以其優(yōu)良的技術(shù)性能和良好的性能/價(jià)格比在過(guò)程控制領(lǐng)域中占據(jù)了一席之地。 四、儀表及過(guò)程自動(dòng)化的發(fā)展 如今，現(xiàn)場(chǎng)總線（Field Bus）這種用于現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種開(kāi)放式、全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、多變量、多點(diǎn)、多站的通信系統(tǒng)，除使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能除完成過(guò)程的基本控制功能外，還增加了非控制信息監(jiān)視的可能性，日益受到控制人員的歡迎。 四、儀表及過(guò)程自動(dòng)化的發(fā)展 換熱器是化工、石油、輕工、動(dòng)力等許多工業(yè)部門(mén)使用的一種通用設(shè)備。在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中占有相當(dāng)重要的地位。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，在一般石油化工企業(yè)中，各種換熱設(shè)備約占全廠設(shè)備總數(shù)的40%左右。由于化工生產(chǎn)中對(duì)換熱器有不同的要求，換熱設(shè)備有各種形式。按冷、熱流體間熱量交換的方式，可將換熱器分成間壁式、直接混合式和蓄熱式三種