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)化儀表與系統(tǒng)工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)能源分類(lèi)結(jié)構(gòu)分類(lèi)信號(hào)類(lèi)型2工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)能源分類(lèi)結(jié)構(gòu)分類(lèi)信號(hào)類(lèi)型2工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)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3工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)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。4工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)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。5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(kāi)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。6工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)變送器調(diào)節(jié)器執(zhí)行器7工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)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

8工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)9工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)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。10工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)概念調(diào)節(jié)器接收偏差信號(hào)后，按一定的運(yùn)算規(guī)律輸出控制信號(hào)，作用于被控對(duì)象，以消除擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響，從而使被控變量回到給定值上來(lái)。模擬調(diào)節(jié)器采用模擬技術(shù)，以運(yùn)算放大器等模擬器件為基本部件。模擬式控制器所傳送的信號(hào)形式為連續(xù)的模擬信號(hào)，其基本結(jié)構(gòu)包括比較環(huán)節(jié)、反饋環(huán)節(jié)放大器等。比較環(huán)節(jié)

11工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)比較環(huán)節(jié)將被控變量的測(cè)量值與設(shè)定值進(jìn)行比較得到偏差。電動(dòng)控制器是在輸入電路中進(jìn)行電壓或電流信號(hào)的比較。反饋環(huán)節(jié)控制器的PID控制規(guī)律是通過(guò)反饋環(huán)節(jié)進(jìn)行的。輸出的電信號(hào)通過(guò)電阻和電容構(gòu)成的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)反饋到輸入端。放大器放大器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)穩(wěn)態(tài)增益很大的比例環(huán)節(jié)。在電動(dòng)控制器中可采用高增益的集成運(yùn)算放大器。

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DDZ-Ⅲ型電動(dòng)單元調(diào)節(jié)器是模擬式控制器中較為常見(jiàn)的一種，它以來(lái)自變送器或轉(zhuǎn)換器的1～5V直流測(cè)量信號(hào)作為輸入信號(hào)，與1～5V直流設(shè)定信號(hào)相比較得到偏差信號(hào)，然后對(duì)此信號(hào)進(jìn)行PID運(yùn)算后，輸出1～5V或4～20mA直流控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝變量的控制。整套儀表可以構(gòu)成安全火花型防爆系統(tǒng)，而且增加了安全柵，實(shí)現(xiàn)控制室與危險(xiǎn)場(chǎng)所之間的能量限制和隔離。有軟、硬兩種手動(dòng)操作方式，軟手動(dòng)與自動(dòng)之間相互切換具有雙向無(wú)平衡無(wú)擾動(dòng)特性，提高了控制器的操作性能。這是因?yàn)樵谧詣?dòng)與軟手動(dòng)之間有保持狀態(tài)，此時(shí)控制器輸出可長(zhǎng)期保持不變，所以即使有偏差存在，也能實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換。采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)制，現(xiàn)場(chǎng)傳輸信號(hào)為4～20mA直流電流，控制室聯(lián)絡(luò)信號(hào)為1～5V直流電壓，信號(hào)電流和電壓的轉(zhuǎn)換電阻為250Ω。由于電氣零點(diǎn)不是從零開(kāi)始，因此容易識(shí)別斷電、斷線等故障。信號(hào)傳輸采用電流傳送-電壓接受的并聯(lián)方式，即進(jìn)出控制室的傳輸信號(hào)為直流電流信號(hào)（4～20mA），將此電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)后，以并聯(lián)形式傳輸給控制室各儀表。13工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)控制器的工作狀態(tài)有“自動(dòng)”、“軟手動(dòng)”、“硬手動(dòng)”及“保持”四種。14DDZ-Ⅲ型電動(dòng)單元調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律１.比例調(diào)節(jié)比例控制的輸出與輸入的關(guān)系為：y＝Kpe

KP是比例增益，它決定了比例控制作用的強(qiáng)弱。KP越大，比例控制作用越強(qiáng)。KP越小，比例控制作用越弱。特點(diǎn)：及時(shí)、迅速（控制器的輸出與輸入成正比，只要有偏差存在，控制器輸出就會(huì)馬上與偏差成比例地變化）２．比例積分調(diào)節(jié)比例積分作用的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

只要存在偏差，積分控制器的輸出就會(huì)不斷地隨時(shí)間積分而增大，只有當(dāng)偏差為零時(shí)，控制器才會(huì)停止積分，保持在一定的輸出值不變。積分作用的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是能夠消除余差，TI：積分時(shí)間，積分時(shí)間是指在階躍信號(hào)作用下，控制器積分作用的輸出等于比例作用的輸出所經(jīng)歷的時(shí)間。積分時(shí)間TI是一個(gè)常數(shù)，它可以用來(lái)表示積分速度的大小和積分作用的強(qiáng)弱。３．比例微分調(diào)節(jié)比例微分的輸出與輸入信號(hào)的關(guān)系為：

通常稱(chēng)微分控制為“超前控制”。比例微分輸出的大小與偏差變化速度及微分時(shí)間ＴＤ成正比。微分作用的強(qiáng)弱用微分時(shí)間來(lái)衡量。微分時(shí)間越長(zhǎng)，微分作用越強(qiáng)。15工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)包括主機(jī)電路、過(guò)程輸入通道、過(guò)程輸出通道、人機(jī)聯(lián)系部分和通信部件等。單回路數(shù)字控制器16工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)概述單回路數(shù)字控制器是以微處理機(jī)為核心，接收和輸出都可以是4~20mADC標(biāo)準(zhǔn)的、連續(xù)的電模擬量信號(hào)；內(nèi)部處理信號(hào)為數(shù)字量，可由用戶(hù)編制程序，可組成多種控制規(guī)律的一種數(shù)字式過(guò)程控制裝置。17工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)單回路數(shù)字控制器的基本組成18工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)概念執(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)產(chǎn)生推力或位移的裝置，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)直接改變能量或物料輸送量的裝置，通常稱(chēng)調(diào)節(jié)閥。電動(dòng)執(zhí)行器（角行程和直行程）它將輸入的直流電流信號(hào)線性地轉(zhuǎn)換成位移量。均是以?xún)上嘟涣麟姍C(jī)為動(dòng)力的位置伺服機(jī)構(gòu)，兩者電氣原理完全相同，只是減速器不一樣。氣動(dòng)執(zhí)行器（薄膜式和活塞式）接受電/氣轉(zhuǎn)換器輸出的氣壓信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的推桿直線位移，以推動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作。19工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)特點(diǎn)：

①由于工頻電源取用方便，不需增添專(zhuān)門(mén)裝置，特別是執(zhí)行器應(yīng)用數(shù)量不太多的單位,更為適宜;②動(dòng)作靈敏、精度較高、信號(hào)傳輸速度快、傳輸距離可以很長(zhǎng)，便于集中控制;③在電源中斷時(shí)，電動(dòng)執(zhí)行器能保持原位不動(dòng)，不影響主設(shè)備的安全;④與電動(dòng)控制儀表配合方便，安裝接線簡(jiǎn)單;⑤成本較貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修麻煩，并只能應(yīng)用于防爆要求不太高的場(chǎng)合。20工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)21工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)

氣動(dòng)執(zhí)行器是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)(閥)兩部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是執(zhí)行器的推動(dòng)裝置，它按控制信號(hào)壓力的大小產(chǎn)生相應(yīng)的推力，推動(dòng)控制機(jī)構(gòu)動(dòng)作，所以它是將信號(hào)壓力的大小轉(zhuǎn)換成閥桿位移的裝置?？刂茩C(jī)構(gòu)是執(zhí)行器的控制部分，它直接與被控介質(zhì)接觸，控制流體的流量。所以它是將閥桿的位移轉(zhuǎn)換為流過(guò)閥的流量的裝置。22工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)P：調(diào)節(jié)器的輸出壓力信號(hào)；A：薄膜的有效面積；K：彈簧彈性系數(shù)；L：執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿位移23

氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成：由彈性薄膜平衡彈簧和推桿組成。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按推桿位移的方向有：正作用形式：如果當(dāng)輸入氣壓信號(hào)增加時(shí)，推桿向下移動(dòng)反作用形式：當(dāng)輸入氣壓信號(hào)增加時(shí)，推桿向上移動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)直接與介質(zhì)接觸，通過(guò)改變閥芯的行程而改變控制閥的阻力系數(shù)，以達(dá)到控制流量的目的?？刂崎y有直通雙座控制閥、直通單座控制閥、蝶閥、三通閥、高壓閥、角形閥、隔膜閥等多種結(jié)構(gòu)形式。24（1）直通單座閥閥體內(nèi)有一個(gè)閥芯、一個(gè)閥座，如圖（a）所示。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，泄漏量小，易于關(guān)閉，可將流體完全切斷。缺點(diǎn)：流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的單方向的不平衡力大，尤其在高壓差、大口徑時(shí)，不平衡力更大。適用場(chǎng)合：它只適用于低壓差的場(chǎng)合。（2）直通雙座閥閥體內(nèi)有兩個(gè)閥芯和閥座，如圖（b）所示。流體從左側(cè)進(jìn)入，通過(guò)上、下閥芯后，再匯合在一起，由右側(cè)流出。特點(diǎn)：流體流過(guò)的時(shí)，作用在上、下兩個(gè)閥芯上的推力方向相反，大小近于相等，可以相互抵消，不平衡力小。缺點(diǎn)：受加工的限制，上下兩個(gè)閥芯閥座不易保證同時(shí)關(guān)嚴(yán)，泄漏量較大。流通能力較大大。適用場(chǎng)合：適用于低粘度、不含纖維、懸浮顆粒的潔凈介質(zhì)及高壓差、高靜壓且允許有泄漏的場(chǎng)合。（3）角形閥（c）為角形閥。它的閥體為直角形，其他結(jié)構(gòu)與直通單座閥相似。其閥芯為單導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，只能正裝。特點(diǎn)：角形閥的流路簡(jiǎn)單，阻力小，適用場(chǎng)合：適用于高壓差、高粘度、含懸浮物和顆粒狀物質(zhì)流體的控制，可避免堵塞和結(jié)焦，便于自?xún)艉颓逑础＃?）三通閥有三個(gè)出入口與管道相連，按作用方式分為分流式和合流式,如圖（d）和（e）所示。分流閥是一進(jìn)兩出，合流閥是兩進(jìn)一出。閥芯移動(dòng)時(shí)，流體一路增加，另一路減小。但總量不變。25工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)

在易燃易爆的工作環(huán)境中，常常使用氣動(dòng)執(zhí)行器；而在大型高壓壓縮機(jī)控制系統(tǒng)中常用液動(dòng)執(zhí)行器。和氣動(dòng)執(zhí)行器相比,液動(dòng)執(zhí)行器具有如下特點(diǎn)：（1）控制精度高、性能好。（2）輸出推力大。（3）響應(yīng)速度快。圖10-11電液伺服控制系統(tǒng)（4）動(dòng)作平穩(wěn)、無(wú)振蕩和噪音。26工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)27工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)概念：是指流體通過(guò)閥門(mén)的相對(duì)流量，與閥門(mén)相對(duì)開(kāi)度之間的關(guān)系，即：

28（1）直線流量特性直線流量特性是指控制閥的相對(duì)開(kāi)度與相對(duì)流量間成直線關(guān)系，直線流量特性的控制閥在小開(kāi)度時(shí)，其相對(duì)流量變化大，控制作用太強(qiáng)，易引起超調(diào)，產(chǎn)生振蕩；而在大開(kāi)度工作時(shí)，其相對(duì)流量的變化小，控制作用太弱，會(huì)造成控制作用不夠及時(shí)。因此，在使用直線流量特性的控制閥時(shí)，應(yīng)盡量避免控制閥工作在此區(qū)域內(nèi)。（2）等百分比（對(duì)數(shù)）流量特性等百分比流量特性是指單位相對(duì)位移變化所引起的相對(duì)流量變化與該點(diǎn)的相對(duì)流量成正比。等百分比流量特性控制閥相對(duì)流量和相對(duì)行程的關(guān)系是非線性的，相對(duì)開(kāi)度較小時(shí)，流量變化較??；在相對(duì)開(kāi)度較大時(shí)，流量變化較大。因此它在全行程范圍內(nèi)相對(duì)流量的百分比變化率相同。所以控制過(guò)程平穩(wěn)，適用范圍較廣，更適用于負(fù)荷變化大的工藝對(duì)象。（3）快開(kāi)流量特性這種流量特性在小開(kāi)度時(shí)流量就比較大，隨著開(kāi)度的增大，流量很快達(dá)到最大，故稱(chēng)為快開(kāi)流量特性。29工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)氣開(kāi)閥是指輸入氣壓信號(hào)p＞0.02Mpa時(shí)，控制閥開(kāi)始打開(kāi)，也就是說(shuō)“有氣”時(shí)閥打開(kāi)。當(dāng)輸入氣壓信號(hào)p=0.1Mpa時(shí)，控制閥全開(kāi)。當(dāng)氣壓信號(hào)消失或等于0.02Mpa時(shí)，控制閥處于全關(guān)閉狀態(tài)。氣關(guān)閥是指輸入氣壓信號(hào)p＞0.02Mpa時(shí)，控制閥開(kāi)始關(guān)閉，也就是說(shuō)“有氣”時(shí)閥關(guān)閉。當(dāng)p=0.1Mpa時(shí)，控制閥全關(guān)。當(dāng)氣壓信號(hào)消失或等于0.02Mpa時(shí)，控制閥處于全開(kāi)狀態(tài)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)有正、反兩種作用形式，控制閥也有正裝和反裝兩種形式。因此，實(shí)現(xiàn)控制閥氣開(kāi)、氣關(guān)有四種組合：（a）氣關(guān)（b）氣開(kāi)c）氣開(kāi)（d）氣關(guān)30工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)31工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)均勻控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)32工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)是指由一個(gè)受控對(duì)象、一個(gè)測(cè)量變送器、一個(gè)控制器和一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（控制閥）所組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。對(duì)象控制器執(zhí)行器測(cè)量變送裝置干擾被控變量給定值偏差33工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)例如加熱爐溫度控制系統(tǒng)：

TMCTSCTSTTMT出口溫度TM被加熱原料燃料34工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)

35工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)的作用1.改善了對(duì)象特征，起了超前控制的作用2.改善了對(duì)象動(dòng)態(tài)特性，提高了工作頻率3.提高