工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)課件

工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)工業(yè)自動(dòng)化儀表的分類常用工業(yè)自動(dòng)化儀表的工作原理典型工業(yè)過(guò)程測(cè)控系統(tǒng)的構(gòu)建一、工業(yè)自動(dòng)化儀表的分類能源分類結(jié)構(gòu)分類信號(hào)類型1、能源分類氣動(dòng)儀表

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、可靠性高、價(jià)格便宜，且在本質(zhì)上是安全防爆的。電動(dòng)儀表

特點(diǎn)：信號(hào)的傳輸、放大、變換處理比氣動(dòng)儀表容易，便于遠(yuǎn)距離監(jiān)視和操作，還易于與計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代技術(shù)工具聯(lián)用。液動(dòng)儀表2、信號(hào)類型分類模擬式

特點(diǎn)：線路較簡(jiǎn)單，操作方便，價(jià)格較低，在設(shè)計(jì)、制造、使用上有較成熟的經(jīng)驗(yàn)。數(shù)字式

特點(diǎn)：以微型計(jì)算機(jī)為核心，功能完善，性能優(yōu)越，編程靈活。3、結(jié)構(gòu)分類基地式控制儀表

以指示、記錄為主體，附加控制機(jī)構(gòu)組成。單元組合式控制儀表

根據(jù)控制系統(tǒng)中各個(gè)組成環(huán)節(jié)的不同功能和使用要求，將整套儀表劃分成獨(dú)立實(shí)現(xiàn)某種功能的若干單元，各單元之間用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)來(lái)聯(lián)系。組裝式綜合控制裝置在單元組合儀表的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種功能分離、結(jié)構(gòu)組件化的成套儀表裝置。集散控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)控制裝置。特點(diǎn)“集中管理、分散控制。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)

全分布式的新型控制網(wǎng)絡(luò)，特點(diǎn)”結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)化和全分散性，系統(tǒng)的開放性，現(xiàn)場(chǎng)儀表的互可操作性和功能自治性，以及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。二、常用工業(yè)自動(dòng)化儀表的工作原理變送器調(diào)節(jié)器執(zhí)行器1、變送器概念：

將各種工藝變量和電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。包括測(cè)量部分（輸入轉(zhuǎn)換部分）、放大器和反饋部分。模擬變送器數(shù)字變送器

（1）模擬變送器的構(gòu)成（2）數(shù)字變送器組成傳感器部件電子部件

由微處理器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、通信器件等組成。2、調(diào)節(jié)節(jié)器概念調(diào)節(jié)器接接收偏差差信號(hào)后后，按一一定的運(yùn)運(yùn)算規(guī)律律輸出控控制信號(hào)號(hào)，作用用于被控控對(duì)象，，以消除除擾動(dòng)對(duì)對(duì)被控變變量的影影響，從從而使被被控變量量回到給給定值上上來(lái)。模擬調(diào)節(jié)節(jié)器采用模擬擬技術(shù)，，以運(yùn)算算放大器器等模擬擬器件為為基本部部件。模擬式控控制器所所傳送的的信號(hào)形形式為連連續(xù)的模模擬信號(hào)號(hào)，其基基本結(jié)構(gòu)構(gòu)包括比較環(huán)節(jié)節(jié)、反饋環(huán)節(jié)節(jié)放大器器等。比較環(huán)節(jié)節(jié)比較環(huán)節(jié)節(jié)將被控變變量的測(cè)測(cè)量值與與設(shè)定值值進(jìn)行比比較得到到偏差。。電動(dòng)控控制器是是在輸入入電路中中進(jìn)行電電壓或電電流信號(hào)號(hào)的比較較。反饋環(huán)節(jié)節(jié)控制器的的PID控制規(guī)規(guī)律是通通過(guò)反饋饋環(huán)節(jié)進(jìn)進(jìn)行的。。輸出的的電信號(hào)號(hào)通過(guò)電電阻和電電容構(gòu)成成的無(wú)源源網(wǎng)絡(luò)反反饋到輸輸入端。。放大器放大器實(shí)實(shí)質(zhì)上是是一個(gè)穩(wěn)穩(wěn)態(tài)增益益很大的的比例環(huán)環(huán)節(jié)。在在電動(dòng)控控制器中中可采用用高增益益的集成成運(yùn)算放放大器。。DDZ-Ⅲ型電電動(dòng)單元元調(diào)節(jié)器器是模擬式式控制器器中較為為常見的的一種，，它以來(lái)來(lái)自變送送器或轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的的1～5V直流流測(cè)量信信號(hào)作為為輸入信信號(hào)，與與1～5V直流流設(shè)定信信號(hào)相比比較得到到偏差信信號(hào)，然然后對(duì)此此信號(hào)進(jìn)進(jìn)行PID運(yùn)算算后，輸輸出1～～5V或或4～20mA直流控控制信號(hào)號(hào)，以實(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)工工藝變量量的控制制。整套儀表表可以構(gòu)構(gòu)成安全全火花型型防爆系系統(tǒng)，而而且增加加了安全全柵，實(shí)實(shí)現(xiàn)控制制室與危危險(xiǎn)場(chǎng)所所之間的的能量限制和和隔離。。有軟、硬硬兩種手手動(dòng)操作作方式，，軟手動(dòng)動(dòng)與自動(dòng)動(dòng)之間相相互切換換具有雙雙向無(wú)平平衡無(wú)擾擾動(dòng)特性性，提高高了控制制器的操操作性能能。這是是因?yàn)樵谠谧詣?dòng)與與軟手動(dòng)動(dòng)之間有有保持狀狀態(tài)，此此時(shí)控制制器輸出出可長(zhǎng)期期保持不不變，所所以即使使有偏差差存在，，也能實(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)擾擾動(dòng)切換換。采用國(guó)際際標(biāo)準(zhǔn)信信號(hào)制，，現(xiàn)場(chǎng)傳傳輸信號(hào)號(hào)為4～～20mA直流流電流，，控制室室聯(lián)絡(luò)信信號(hào)為1～5V直流電電壓，信信號(hào)電流流和電壓壓的轉(zhuǎn)換換電阻為為250Ω。由由于電氣氣零點(diǎn)不不是從零零開始，，因此容容易識(shí)別別斷電、、斷線等等故障。。信號(hào)傳傳輸采用用電流傳傳送-電電壓接受受的并聯(lián)聯(lián)方式，，即進(jìn)出出控制室室的傳輸輸信號(hào)為為直流電電流信號(hào)號(hào)（4～～20mA），，將此電電流信號(hào)號(hào)轉(zhuǎn)換成成直流電電壓信號(hào)號(hào)后，以以并聯(lián)形形式傳輸輸給控制制室各儀儀表。控制器的的工作狀狀態(tài)有“自動(dòng)””、“軟軟手動(dòng)””、“硬硬手動(dòng)””及“保持””四種。DDZ-Ⅲ型電電動(dòng)單元元調(diào)節(jié)器器調(diào)節(jié)規(guī)規(guī)律１.比例例調(diào)節(jié)比例控制制的輸出出與輸入入的關(guān)系系為：y＝KpeKP是比比例增益益，它決決定了比比例控制制作用的的強(qiáng)弱。。KP越越大，比比例控制制作用越越強(qiáng)。KP越越小，比比例控制制作用越越弱。特點(diǎn)：及及時(shí)、迅迅速（控控制器的的輸出與與輸入成成正比，，只要有有偏差存存在，控控制器輸輸出就會(huì)會(huì)馬上與與偏差成成比例地地變化））２．比例例積分調(diào)調(diào)節(jié)比例積分分作用的的數(shù)學(xué)表表達(dá)式為為：只要存在在偏差，，積分控控制器的的輸出就就會(huì)不斷斷地隨時(shí)時(shí)間積分分而增大大，只有有當(dāng)偏差差為零時(shí)時(shí)，控制制器才會(huì)會(huì)停止積積分，保保持在一一定的輸輸出值不不變。積分作用用的一個(gè)個(gè)重要優(yōu)優(yōu)點(diǎn)是能能夠消除除余差，，TI：積積分時(shí)間間，積分時(shí)間間是指在在階躍信信號(hào)作用用下，控控制器積積分作用用的輸出出等于比比例作用用的輸出出所經(jīng)歷歷的時(shí)間間。積分時(shí)間間TI是是一個(gè)常常數(shù)，它它可以用用來(lái)表示示積分速速度的大大小和積積分作用用的強(qiáng)弱弱。３．比例例微分調(diào)調(diào)節(jié)比例微分分的輸出出與輸入入信號(hào)的的關(guān)系為為：通常稱微微分控制制為“超超前控制制”。比比例微分分輸出的的大小與與偏差變變化速度度及微分分時(shí)間ＴＴＤ成正正比。微微分作用用的強(qiáng)弱弱用微分分時(shí)間來(lái)來(lái)衡量。。微分時(shí)時(shí)間越長(zhǎng)長(zhǎng)，微分分作用越越強(qiáng)。（2）數(shù)數(shù)字調(diào)節(jié)節(jié)器包括主機(jī)機(jī)電路、、過(guò)程輸輸入通道道、過(guò)程程輸出通通道、人人機(jī)聯(lián)系系部分和和通信部部件等。。單回路數(shù)數(shù)字控制制器單回路數(shù)數(shù)字控制制器簡(jiǎn)介介概述單回路數(shù)數(shù)字控制制器是以以微處理理機(jī)為核核心，接接收和輸輸出都可可以是4~20mADC標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的、、連續(xù)的的電模擬擬量信號(hào)號(hào)；內(nèi)部部處理信信號(hào)為數(shù)數(shù)字量，，可由用用戶編制制程序，，可組成成多種控控制規(guī)律律的一種種數(shù)字式式過(guò)程控控制裝置置。結(jié)構(gòu)原理:單回路數(shù)字控控制器的基本本組成3、執(zhí)行器概念執(zhí)行器由執(zhí)行行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)節(jié)機(jī)構(gòu)組成，，執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)產(chǎn)生推力或位位移的裝置，，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)直直接改變能量量或物料輸送送量的裝置，，通常稱調(diào)節(jié)節(jié)閥。電動(dòng)執(zhí)行器（（角行程和直直行程）它將輸入的直直流電流信號(hào)號(hào)線性地轉(zhuǎn)換換成位移量。。均是以兩相相交流電機(jī)為為動(dòng)力的位置置伺服機(jī)構(gòu)，，兩者電氣原原理完全相同同，只是減速速器不一樣。。氣動(dòng)執(zhí)行器（（薄膜式和活活塞式）接受電/氣轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器輸出的的氣壓信號(hào)，，并將其轉(zhuǎn)換換為相應(yīng)的推推桿直線位移移，以推動(dòng)調(diào)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作作。（1）電動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器特點(diǎn)：①由于工頻電電源取用方便便，不需增添添專門裝置，，特別是執(zhí)行行器應(yīng)用數(shù)量量不太多的單單位,更為為適宜;②動(dòng)作靈敏、、精度較高、、信號(hào)傳輸速速度快、傳輸輸距離可以很很長(zhǎng)，便于集集中控制;③在電源中斷斷時(shí)，電動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器能保持持原位不動(dòng)，，不影響主設(shè)設(shè)備的安全;④與電動(dòng)控制制儀表配合方方便，安裝接接線簡(jiǎn)單;⑤成本較貴、、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、、維修麻煩，，并只能應(yīng)用用于防爆要求求不太高的場(chǎng)場(chǎng)合。電動(dòng)執(zhí)行器結(jié)結(jié)構(gòu)：（2）氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器氣動(dòng)執(zhí)行器是是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)構(gòu)(閥)兩部部分組成。執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是執(zhí)執(zhí)行器的推動(dòng)動(dòng)裝置，它按按控制信號(hào)壓壓力的大小產(chǎn)產(chǎn)生相應(yīng)的推推力，推動(dòng)控控制機(jī)構(gòu)動(dòng)作作，所以它是是將信號(hào)壓力力的大小轉(zhuǎn)換換成閥桿位移移的裝置?？乜刂茩C(jī)構(gòu)是執(zhí)執(zhí)行器的控制制部分，它直直接與被控介介質(zhì)接觸，控控制流體的流流量。所以它它是將閥桿的的位移轉(zhuǎn)換為為流過(guò)閥的流流量的裝置。。P：調(diào)節(jié)器的的輸出壓力信信號(hào)；A：：薄膜的有效效面積；K：：彈簧彈性系系數(shù)；L：執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿桿位移氣動(dòng)薄膜執(zhí)行行機(jī)構(gòu)組成：：由彈性薄膜膜平衡彈簧和和推桿組成。。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)按推桿位移移的方向有：：正作用形式：：如果當(dāng)輸入入氣壓信號(hào)增增加時(shí)，推桿桿向下移動(dòng)反作用形式：：當(dāng)輸入氣壓壓信號(hào)增加時(shí)時(shí)，推桿向上上移動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)直接接與介質(zhì)接觸觸，通過(guò)改變變閥芯的行程程而改變控制制閥的阻力系系數(shù)，以達(dá)到到控制流量的的目的?？刂崎y有直通通雙座控制閥閥、直通單座座控制閥、蝶蝶閥、三通閥閥、高壓閥、、角形閥、隔隔膜閥等多種種結(jié)構(gòu)形式。。（1）直通單單座閥閥體內(nèi)有一個(gè)個(gè)閥芯、一個(gè)個(gè)閥座，如圖圖（a）所示示。特點(diǎn)：結(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，泄泄漏量小，易易于關(guān)閉，可可將流體完全全切斷。缺點(diǎn)點(diǎn)：流體流動(dòng)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的單單方向的不平平衡力大，尤尤其在高壓差差、大口徑時(shí)時(shí)，不平衡力力更大。適用用場(chǎng)合：它只只適用于低壓壓差的場(chǎng)合。。（2）直通雙雙座閥閥體內(nèi)有兩個(gè)個(gè)閥芯和閥座座，如圖（b）所示。流流體從左側(cè)進(jìn)進(jìn)入，通過(guò)上上、下閥芯后后，再匯合在在一起，由右右側(cè)流出。特特點(diǎn)：流體流流過(guò)的時(shí)，作作用在上、下下兩個(gè)閥芯上上的推力方向向相反，大小小近于相等，，可以相互抵抵消，不平衡衡力小。缺點(diǎn)點(diǎn)：受加工的的限制，上下下兩個(gè)閥芯閥閥座不易保證證同時(shí)關(guān)嚴(yán)，，泄漏量較大大。流通能力力較大大。適適用場(chǎng)合：適適用于低粘度度、不含纖維維、懸浮顆粒粒的潔凈介質(zhì)質(zhì)及高壓差、、高靜壓且允允許有泄漏的的場(chǎng)合。（3）角形閥閥（c）為角形形閥。它的閥閥體為直角形形，其他結(jié)構(gòu)構(gòu)與直通單座座閥相似。其其閥芯為單導(dǎo)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，只只能正裝。特特點(diǎn)：角形閥閥的流路簡(jiǎn)單單，阻力小，，適用場(chǎng)合：：適用于高壓壓差、高粘度度、含懸浮物物和顆粒狀物物質(zhì)流體的控控制，可避免免堵塞和結(jié)焦焦，便于自凈凈和清洗。（4）三通閥閥有三個(gè)出入口口與管道相連連，按作用方方式分為分流流式和合流式式,如圖（d）和（e））所示。分流流閥是一進(jìn)兩兩出，合流閥閥是兩進(jìn)一出出。閥芯移動(dòng)動(dòng)時(shí)，流體一一路增加，另另一路減小。。但總量不變變。（3）液動(dòng)執(zhí)行器在易燃易爆的的工作環(huán)境中中，常常使用用氣動(dòng)執(zhí)行器器；而在大型型高壓壓縮機(jī)機(jī)控制系統(tǒng)中中常用液動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器。和氣氣動(dòng)執(zhí)行器相相比,液動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器具有如如下特點(diǎn)：（1）控制制精度高、性性能好。（2）輸出出推力大。（3）響應(yīng)應(yīng)速度快。圖10-11電液伺服服控制系統(tǒng)（4）動(dòng)作作平穩(wěn)、無(wú)振振蕩和噪音。。電液伺服控制制系統(tǒng)（4）控制閥的流量量特性概念：是指流體通過(guò)過(guò)閥門的相對(duì)對(duì)流量，與閥閥門相對(duì)開度度之間的關(guān)系系，即：（1）直線線流量特性直線流量特性性是指控制閥閥的相對(duì)開度度與相對(duì)流量量間成直線關(guān)關(guān)系，直線流流量特性的控控制閥在小開開度時(shí)，其相相對(duì)流量變化化大，控制作作用太強(qiáng)，易易引起超調(diào)，，產(chǎn)生振蕩；；而在大開度度工作時(shí)，其其相對(duì)流量的的變化小，控控制作用太弱弱，會(huì)造成控控制作用不夠夠及時(shí)。因此此，在使用直直線流量特性性的控制閥時(shí)時(shí)，應(yīng)盡量避避免控制閥工工作在此區(qū)域域內(nèi)。（2）等百百分比（對(duì)數(shù)數(shù)）流量特性性等百分分比流量特性性是指單位相相對(duì)位移變化化所引起的相相對(duì)流量變化化與該點(diǎn)的相相對(duì)流量成正正比。等百分分比流量特性性控制閥相對(duì)對(duì)流量和相對(duì)對(duì)行程的關(guān)系系是非線性的的，相對(duì)開度度較小時(shí)，流流量變化較小??；在相對(duì)開開度較大時(shí)，，流量變化較較大。因此它它在全行程范范圍內(nèi)相對(duì)流流量的百分比比變化率相同同。所以控制制過(guò)程平穩(wěn)，，適用范圍較較廣，更適用用于負(fù)荷變化化大的工藝對(duì)對(duì)象。（3）快開開流量特性這種流量特性性在小開度時(shí)時(shí)流量就比較較大，隨著開開度的增大，，流量很快達(dá)達(dá)到最大，故故稱為快開流流量特性。（5）控制閥閥氣開、氣關(guān)關(guān)形式氣開閥是指輸入氣壓壓信號(hào)p＞0.02Mpa時(shí)，控制制閥開始打開開，也就是說(shuō)說(shuō)“有氣”時(shí)時(shí)閥打開。當(dāng)當(dāng)輸入氣壓信信號(hào)p=0.1Mpa時(shí)時(shí)，控制閥全全開。當(dāng)氣壓壓信號(hào)消失或或等于0.02Mpa時(shí)時(shí)，控制閥處處于全關(guān)閉狀狀態(tài)。氣關(guān)閥是指輸入氣壓壓信號(hào)p＞0.02Mpa時(shí)，控制制閥開始關(guān)閉閉，也就是說(shuō)說(shuō)“有氣”時(shí)時(shí)閥關(guān)閉。當(dāng)當(dāng)p=0.1Mpa時(shí)，，控制閥全關(guān)關(guān)。當(dāng)氣壓信信號(hào)消失或等等于0.02Mpa時(shí)，，控制閥處于于全開狀態(tài)。。執(zhí)行機(jī)構(gòu)有正正、反兩種作作用形式，控控制閥也有正正裝和反裝兩兩種形式。因因此，實(shí)現(xiàn)控控制閥氣開、、氣關(guān)有四種種組合：（a）氣關(guān)（（b）氣氣開c）氣開開（（d）氣關(guān)閥的氣源信號(hào)號(hào)發(fā)生故障或或控制系統(tǒng)某某環(huán)節(jié)失靈時(shí)時(shí)，閥處于全全開的位置安安全，還是處處于全關(guān)的位位置安全，要要由具體的生生產(chǎn)工藝來(lái)決決定。選擇原原則：（（1）首首先要從生產(chǎn)產(chǎn)安全出發(fā)，，即當(dāng)氣源供供氣中斷，或或控制器出故故障而無(wú)輸出出，或控制閥閥膜片破裂而而漏氣等而使使控制閥無(wú)法法正常工作以以致閥芯回復(fù)復(fù)到無(wú)能源的的初始狀態(tài)（（氣開閥回復(fù)復(fù)到全關(guān)，氣氣關(guān)閥回復(fù)到到全開），應(yīng)應(yīng)能確保生產(chǎn)產(chǎn)工藝設(shè)備的的安全，不致致于發(fā)生事故故。

（2））從保證產(chǎn)品品質(zhì)量出發(fā)，，當(dāng)發(fā)生控制制閥處于無(wú)能能源狀態(tài)而回回復(fù)到初始位位置時(shí)，不應(yīng)應(yīng)降低產(chǎn)品的的質(zhì)量。（（3）從降低低原料、成品品、動(dòng)力消耗耗來(lái)考慮。（（4）從介介質(zhì)的特點(diǎn)考考慮。三、典型工業(yè)業(yè)過(guò)程測(cè)控系系統(tǒng)的構(gòu)建簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)統(tǒng)均勻控制系統(tǒng)統(tǒng)比值控制系統(tǒng)統(tǒng)分程控制系統(tǒng)統(tǒng)1、簡(jiǎn)單控制制系統(tǒng)是指由一個(gè)受受控對(duì)象、一一個(gè)測(cè)量變送送器、一個(gè)控控制器和一個(gè)個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（（控制閥）所所組成的閉環(huán)環(huán)控制系統(tǒng)。。對(duì)象控制器器執(zhí)行器測(cè)量量變送裝置干干擾被控變量量給定值偏差差2、復(fù)雜控制制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)統(tǒng)例如加熱爐溫溫度控制系統(tǒng)統(tǒng)：TMCTSCTSTTMT出口溫度TM被加熱原料燃料加熱爐溫度控控制系統(tǒng)方框框圖串級(jí)控制系統(tǒng)統(tǒng)方框圖串級(jí)控制系統(tǒng)統(tǒng)的作用1.改善了了對(duì)象特征，，起了超前控控制的作用2.改善了了對(duì)象動(dòng)態(tài)特特性，提高了了工作頻率3.提高了了控制器總放放大倍數(shù)，增增強(qiáng)了抗干擾擾能力4.具有一一定的自適應(yīng)應(yīng)能力，適應(yīng)應(yīng)負(fù)荷和操作作條件的變化化2、比值控制制系統(tǒng)兩種物料或兩兩種以上的物物理保持一定定的比例關(guān)系系。單閉環(huán)比值值控制系統(tǒng)統(tǒng)，能夠克克服副流量量的波動(dòng)，，能隨主流流量的變化化而變化，