自動(dòng)化儀表與過程控制：概述

自動(dòng)化儀表與過程控制

（第五版）

自動(dòng)化儀表

過程控制自動(dòng)化儀表與過程控制

本課程為控制類專業(yè)的一門專業(yè)課，分為上、下兩篇，共九章。檢測(cè)儀表調(diào)節(jié)儀表DCS、FCS執(zhí)行器和防爆柵調(diào)節(jié)對(duì)象特性及測(cè)定單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)常用及復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例主要參考書ShinskeyF.G.ProcessControlSystem,3rded,McGraw-Hill,1988金以慧，《過程控制》清華大學(xué)出版社，1993向婉成，《控制儀表與裝置》機(jī)械工業(yè)出版社，1999侯志林，《過程控制與自動(dòng)化儀表》機(jī)械工業(yè)出版社，2002陽(yáng)憲惠《現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用》清華大學(xué)出版社，1999

自動(dòng)化儀表概述0.1自動(dòng)化儀表及其發(fā)展概況0.1.1儀表及計(jì)、器、儀、裝置我國(guó)古代勞動(dòng)人民和學(xué)者曾創(chuàng)造過多種計(jì)量方法和器具。早在戰(zhàn)國(guó)時(shí)代，就有了度量衡標(biāo)準(zhǔn)。度：為長(zhǎng)度的計(jì)量；量：為容積的計(jì)量；衡：為質(zhì)量的計(jì)量。在工程實(shí)用方面，對(duì)物理量進(jìn)行“測(cè)量”或?qū)δ硞€(gè)參數(shù)進(jìn)行“檢測(cè)”，其實(shí)質(zhì)是被測(cè)物理量計(jì)量單位=“值”/“測(cè)量單位”測(cè)量結(jié)果所用的設(shè)備，稱為“儀表”“計(jì)”“儀”“表”“器”具有指示或紀(jì)錄裝置沒有指示或指示不作為主要功能但儀表中的某些部件有時(shí)也稱為“器”，如放大器，計(jì)數(shù)器，濾波器等，就不一定是儀表了。具有多種功能或多種儀表組成的總體儀表“裝置”或“機(jī)”可見“儀表”一詞決不限于指示或紀(jì)錄為唯一功能的設(shè)備，其范圍較寬。0.1.2自動(dòng)化儀表儀表連續(xù)生產(chǎn)過程中不必人工參與，自動(dòng)完成檢測(cè)、調(diào)節(jié)、顯示等功能西安儀表廠四川儀表公司上海儀表公司西安儀表廠歷史上三大儀表廠揚(yáng)子石化揚(yáng)子石化石油化工

SES棗莊綜合氣體項(xiàng)目（FCS）福建煉油乙烯一體化項(xiàng)目（FCS）中海油南海殼牌乙烯項(xiàng)目（CSPC）檢測(cè)儀表對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行測(cè)量調(diào)節(jié)儀表根據(jù)測(cè)量值與給定值的偏差按一定調(diào)節(jié)規(guī)律發(fā)出調(diào)節(jié)命令執(zhí)行器根據(jù)調(diào)節(jié)儀表命令對(duì)進(jìn)出生產(chǎn)裝置的物料或能量進(jìn)行控制顯（指）示儀表顯（指）示測(cè)量值或給定值這些儀表代替人們對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行測(cè)量、控制、監(jiān)督和保護(hù)，因而是自動(dòng)控制系統(tǒng)的必要組成部分。0.1.3自動(dòng)化儀表的發(fā)展概況（1）基地式儀表（第一代）安裝生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)、只具備簡(jiǎn)單測(cè)控功能其信號(hào)僅在本儀表內(nèi)起作用，一般不能傳送給別的儀表或系統(tǒng)，無法與外界溝通信息操作人員在現(xiàn)場(chǎng)的巡視，了解生產(chǎn)過程的狀況，進(jìn)行控制適用于生產(chǎn)規(guī)模較小的系統(tǒng)按功能劃分單元，按需要組合成復(fù)雜控制系統(tǒng)操作人員可以坐在控制室縱觀生產(chǎn)流程各處的狀況DDZ-Ⅱ電動(dòng)儀表DDZ-Ⅱ氣動(dòng)儀表（2）單元組合式儀表（第二代）DDZ-Ⅲ電動(dòng)儀表一對(duì)一的物理連接算法簡(jiǎn)單、精度差抗干擾能力較差生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各處的參數(shù)通過統(tǒng)一的模擬信號(hào)，送往集中控制室適用于生產(chǎn)規(guī)模較大的復(fù)雜系統(tǒng)（3）計(jì)算機(jī)集中式控制系統(tǒng)（第三代）人們開始尋求用數(shù)字信號(hào)取代模擬信號(hào)，出現(xiàn)了“直接數(shù)字控制儀表”。模擬儀表的局限性人們企圖用一臺(tái)計(jì)算機(jī)取代控制室的幾乎所有的儀表盤，出現(xiàn)了集中式數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)。但由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)的可靠性還較差，一旦計(jì)算機(jī)出現(xiàn)某種故障，就會(huì)造成所有控制回路癱瘓，這種危險(xiǎn)的集中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很難為生產(chǎn)過程所接受。（4）計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)（第四代）80年代初，隨著計(jì)算機(jī)可靠性的提高，價(jià)格的大幅度下降，出現(xiàn)了數(shù)字調(diào)節(jié)器、可編程控制器（PLC）以及由多個(gè)計(jì)算機(jī)遞階構(gòu)成的集中、分散相結(jié)合的集散控制（DCS）系統(tǒng)。系統(tǒng)中，測(cè)量變送儀表一般為模擬儀表，是一種模擬數(shù)字混合系統(tǒng)。這種系統(tǒng)在功能、性能上較模擬儀表、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)有了很大進(jìn)步，可在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)裝置級(jí)、車間級(jí)的優(yōu)化控制。但是，在DCS系統(tǒng)形成的過程中，各廠家的產(chǎn)品自成系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)互換與互操作，組成更大范圍信息共享的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)存在很多困難。（5）現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（第五代）新型的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)則突破了DCS系統(tǒng)中通信由專用網(wǎng)絡(luò)的封閉系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)所造成的缺陷，把基于封閉、專用的解決方案變成了基于公開化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，即可以把來自不同廠商而遵守同一協(xié)議規(guī)范的自動(dòng)化“智能儀表”，通過現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)連接成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化的各種功能，同時(shí)把DCS集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，變成了新型全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)，依靠現(xiàn)場(chǎng)智能儀表本身便可實(shí)現(xiàn)基本檢測(cè)、控制功能。資產(chǎn)管理維護(hù)站過程控制工程站HSE控制網(wǎng)絡(luò)H1過程網(wǎng)絡(luò)操作工08年最新推出傳統(tǒng)繼承單元化結(jié)構(gòu)變送器定位器轉(zhuǎn)換器儀表選型基本相同降低工程施工費(fèi)用減少控制室二次儀表布線簡(jiǎn)單雙向、多點(diǎn)、串行的網(wǎng)絡(luò)無需專用電纜CourtesyofShellDeerParkCourtesyofShellDeerParkCourtesyofShellDeerParkCourtesyofShellDeerParkCourtesyofCargillCourtesyofCargill人機(jī)友好基于視窗系統(tǒng)功能塊的選擇和鏈接，即可完成控制策略預(yù)定義控制模板注釋和說明存儲(chǔ)并打印即插即用系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別在線設(shè)備選用基金會(huì)注冊(cè)設(shè)備，保證系統(tǒng)可以操作儀表安裝靈活離線組態(tài)，遠(yuǎn)程調(diào)校、診斷，在線下裝儀表可就近、就地安裝0.2電動(dòng)單元組合儀表及其控制系統(tǒng)的組成0.2.1我國(guó)DDZ儀表的發(fā)展60年代中DDZ-Ⅰ電子管和磁放大器為主要放大元件70年代初DDZ-Ⅱ晶體管為主要放大元件80年代初DDZ-ⅢIC為主要放大元件，具有本安性0.2.2DDZ簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)（控制）系統(tǒng)1過熱蒸汽過熱器3TC2TT煙囪減溫器冷水4汽鼓爐膛圖0-0鍋爐過熱蒸汽溫度控制示意圖圖0-0為采用DDZ-Ⅲ儀表構(gòu)成的發(fā)電廠鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)。用熱電阻1檢測(cè)過熱蒸汽的溫度經(jīng)溫度變送器2將測(cè)量信號(hào)送至調(diào)節(jié)器3的輸入端．并與代表蒸汽溫度的給定值（圖中未畫）進(jìn)行比較調(diào)節(jié)器按此偏差發(fā)出控制命令，來控制調(diào)節(jié)閥4的開度，從而改變減溫水流量，達(dá)到控制過熱蒸汽溫度的目的圖0-1為單元組合儀表構(gòu)成的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。被調(diào)量：一般是非電的工藝參數(shù)，如溫度、壓力、流量、液位等檢測(cè)元件：將非電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。通常稱為敏感元件、傳感器，換能器、一次儀表等變送單元：或稱變送器，將檢測(cè)元件輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大、處理，變換為能遠(yuǎn)距離傳送的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)顯示單元：將變送單元輸出的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，進(jìn)行記錄或指示。調(diào)節(jié)（器）單元：將測(cè)量信號(hào)與給定信號(hào)進(jìn)行比較，按一定的調(diào)節(jié)規(guī)律發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)執(zhí)行單元：根據(jù)調(diào)節(jié)信號(hào)改變閥門的開度，控制進(jìn)入調(diào)節(jié)對(duì)象的工藝介質(zhì)的流通量，達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的0.2.3信號(hào)制（1）單元組合儀表必須有統(tǒng)一的聯(lián)絡(luò)信號(hào)，采用直流電流作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。采用直流信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)是：傳輸過程中易于和交流感應(yīng)干擾相區(qū)別不存在相移問題不受傳輸線中電感、電容和負(fù)載性質(zhì)的限制采用電流制的優(yōu)點(diǎn)：不受傳輸線及負(fù)載電阻變化的影響，適于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳送使用電流信號(hào)可直接與磁場(chǎng)作用產(chǎn)生正比于信號(hào)的機(jī)械力使用電流信號(hào)可方便得到電壓信號(hào)（2）電動(dòng)單元組合儀表中并存著兩種標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)制度，在DDZ-Ⅰ和DDZ-Ⅱ型儀表中采用0～10

mA，而在DDZ—Ⅲ型儀表中，采用目前國(guó)際上通一的4～20

mA直流電流作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。4～20mA直流電流信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)是：有利于識(shí)別儀表斷電、斷線等故障為現(xiàn)場(chǎng)變送器實(shí)現(xiàn)兩線制提供了可能性，節(jié)省電纜，布線方便且大大有利于安全防爆能提供較大的電磁力上限值較大，有利于抑制干擾上限值與下限值之比為5：1，與通用氣動(dòng)儀表的信號(hào)制（0.2～1Pa）對(duì)應(yīng)，便于相互折算。0.3儀表的基本技術(shù)指標(biāo)0.3.1測(cè)量范圍上限、下限與量程按規(guī)定精度測(cè)量被測(cè)量的范圍，稱為“測(cè)量范圍”，其最高值與最低值，分別稱為（范圍）上限和（范圍）下限。上限值和下限值的代數(shù)差，稱為“量程”。0.3.2零點(diǎn)遷移和量程遷移輸入輸出100%100%0圖0-2儀表的標(biāo)尺特性以被測(cè)量相對(duì)于量程的百分?jǐn)?shù)作為儀表的輸入，以指針位移或轉(zhuǎn)角相對(duì)于標(biāo)尺長(zhǎng)度的百分?jǐn)?shù)作為儀表的輸出，分別用橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)表示，可用曲線把“標(biāo)尺特性”描繪出來，如圖0-2所示。線性標(biāo)尺為直線，非線性標(biāo)尺為曲線。輸入輸出100%75%100%-25%0圖0-3儀表的零點(diǎn)遷移和量程遷移125%①②③若保持直線斜率不變：①變?yōu)棰?，稱為“零點(diǎn)遷移”。量程仍為[75-(-25)]%=100%。若起點(diǎn)不變，改變直線斜率：①變?yōu)棰?，稱為“量程遷移”。相對(duì)誤差=

0.3.3精確度絕對(duì)誤差=示值–約定真值儀表工業(yè)規(guī)定，取（相對(duì)百分誤差），去掉式中的“%”，稱為儀表的精確度。它劃分成若干等級(jí)，如，0.1級(jí)，0.2級(jí)，0.5級(jí)，1.0級(jí)，2.0級(jí)，2.5級(jí)，5.0等。0.3.4靈敏度和靈敏限靈敏度表示測(cè)量?jī)x表對(duì)被測(cè)參數(shù)變化的敏感程度，常以儀表輸出（如指示裝置的直線位移或角位移）與引起此位移的被測(cè)參數(shù)變化量之比表示，即儀表的靈敏限——指儀表能感受并發(fā)生動(dòng)作的輸入量的最小值。靈敏度=0.3.5變差在外界條件不變的情況下，使用同一儀表對(duì)被測(cè)參量進(jìn)行反復(fù)測(cè)量（正行程和反行程）時(shí)，所產(chǎn)生的最大差值與測(cè)量范圍之比稱為變差。?ymaxyOxmin

xmaxx圖0-4儀表的變差變差=

0.4儀表的圖形符號(hào)在繪制控制流程圖時(shí)，圖中所采用的圖例符號(hào)要按有關(guān)的技術(shù)規(guī)定進(jìn)行，可參見化工部設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)HGJ7—87《化工過程檢測(cè)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)符號(hào)統(tǒng)一規(guī)定》。儀表的圖形符號(hào)是一個(gè)細(xì)實(shí)線圓圈，直徑約10mm，對(duì)于不同的安裝位置儀表的圖形符號(hào)，略有區(qū)別。用來表示儀表的小圓圈的上半圓內(nèi)，一般寫有兩位(或兩位以上)字母，第一位字母表示被測(cè)變量，后繼字母表示儀表的功能。TC204第1位字母表示被測(cè)變量后續(xù)字母表示儀表的功能第1位數(shù)字表示工段號(hào)后續(xù)數(shù)字表示儀表序號(hào)阿拉伯?dāng)?shù)字編號(hào)寫在圓圈的下半部，其第一位數(shù)字表示工段號(hào)，后續(xù)數(shù)字(二位或三位數(shù)字)表示儀表序號(hào)。字母首位字母含義后續(xù)字母含義A分析報(bào)警C電導(dǎo)率控制（調(diào)節(jié)）E電壓檢測(cè)元件F流量I電流指示L物位P壓力或真空T溫度傳送R放射性記錄或打印