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自動(dòng)檢測(cè)儀表的設(shè)計(jì)與實(shí)施摘要:現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中,自動(dòng)化儀表檢測(cè)技術(shù)和儀表控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的根底。在過程自動(dòng)化中要通過檢測(cè)元件獲取生產(chǎn)工藝變量,最常見變量是溫度、壓力、流量、物位〔四大參數(shù)〕。檢測(cè)元件又稱為敏感元件、傳感器,它直接響應(yīng)工藝變量,并轉(zhuǎn)化成一個(gè)與之成對(duì)應(yīng)關(guān)系的輸出信號(hào)。這些輸出信號(hào)包括位移、電壓、電流、電阻、頻率、氣壓等。隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn),特別是先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)、現(xiàn)代傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)的出現(xiàn),給傳統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)帶來了新的挑戰(zhàn),并由此引出許多新的開展,如虛擬儀器、軟測(cè)量技術(shù)、數(shù)據(jù)融合理論與方法以及最新開展的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。全文以典型工業(yè)過程控制系統(tǒng)的構(gòu)成為根底,以應(yīng)用自動(dòng)控制理論設(shè)計(jì)過程控制系統(tǒng)為主線,重點(diǎn)介紹了自動(dòng)化檢測(cè)儀表、全刻度指示PID連續(xù)調(diào)節(jié)儀表、數(shù)字控制儀表、執(zhí)行器和防爆柵、智能儀表與虛擬儀器以及自動(dòng)化儀表應(yīng)用實(shí)例。關(guān)鍵詞:儀表、DCS組態(tài)、安裝目錄第一章序言31-1設(shè)計(jì)背景31-2設(shè)計(jì)內(nèi)容及規(guī)劃31-3設(shè)計(jì)意義4第二章自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)及局部檢測(cè)儀表原理介紹42-1自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介42-2PID調(diào)節(jié)規(guī)律及方法6第三章儀表選型及一些儀表介紹123-1轉(zhuǎn)子流量計(jì)123-2FIELDVUEDVC2000系列數(shù)字式閥門控制器133-2SITRANS壓力變送器15第四章DCS系統(tǒng)簡(jiǎn)介184-1霍尼韋爾DCS系統(tǒng)簡(jiǎn)介184-2霍尼韋爾DCS軟、硬件簡(jiǎn)介184-3DCS系統(tǒng)軟硬件的組態(tài)與連接204-4DCS在壓縮機(jī)上的應(yīng)用22結(jié)論24參考文獻(xiàn)25第一章序言1-1設(shè)計(jì)背景半個(gè)多世紀(jì)以來,自動(dòng)化儀表經(jīng)歷了從氣動(dòng)液動(dòng)儀表、電動(dòng)儀表、電子式模擬儀表、數(shù)字智能儀表,到計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)(DCS)等開展階段,為各行各業(yè)的現(xiàn)代化大規(guī)模生產(chǎn)提供了強(qiáng)大的支持。近年來,隨著網(wǎng)絡(luò)通信等相關(guān)技術(shù)的快速開展,自動(dòng)化儀表正處于一場(chǎng)意義重大的變革中,以儀表的全數(shù)字化、開放化、網(wǎng)絡(luò)化為特征的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)正在迅猛開展?,F(xiàn)場(chǎng)總線把從檢測(cè)端到執(zhí)行端的所有自動(dòng)化儀表通過數(shù)字通信方式互相連接起來,從而使控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化,十分有利于工業(yè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)高層次的自動(dòng)化。天津堿廠,是一個(gè)百年老廠,本人正好趕上天津堿廠的搬遷改造工程,并參與了丁辛醇工程的設(shè)計(jì)以及安裝調(diào)試,并且參加了DCS系統(tǒng)的組件。1-2設(shè)計(jì)內(nèi)容及規(guī)劃在去年的一段時(shí)間里,丁辛醇工程DCS系統(tǒng)調(diào)試。主要是儀表控制儀表的一些問題以及所學(xué)專業(yè)的一些問題。首先,要將我們所學(xué)的儀表知識(shí)與丁辛醇現(xiàn)實(shí)結(jié)合起來。其次,應(yīng)用我們學(xué)的東西把儀表和計(jì)算機(jī)結(jié)合起來,編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。再次,確保它長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。在這過程中需要將現(xiàn)場(chǎng)的一些儀表以及控制室的系統(tǒng)協(xié)調(diào)好,是天津堿廠的丁辛醇分廠到達(dá)長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的目標(biāo)。1-3設(shè)計(jì)意義現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中,自動(dòng)化儀表檢測(cè)技術(shù)和儀表控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的根底隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn),特別是先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)、現(xiàn)代傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技和多媒體技術(shù)的出現(xiàn),給傳統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)帶來了新的挑戰(zhàn),并由此引出許多新的開展如虛擬儀器、軟測(cè)量技術(shù)、數(shù)據(jù)融合理論與方法以及最新開展的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。全文以典型工業(yè)過程控制系統(tǒng)的構(gòu)成為根底,以應(yīng)用自動(dòng)控制理論設(shè)計(jì)過程控制系統(tǒng)為主線,重點(diǎn)介紹了自動(dòng)化檢測(cè)儀表、全刻度指示PID連續(xù)調(diào)節(jié)儀表、數(shù)字控制儀表、執(zhí)行器和防爆柵、智能儀表與虛擬儀器以及自動(dòng)化儀表應(yīng)用實(shí)例。我想信,通過我們的不懈努力,一定會(huì)使我們的百年老廠——天津堿廠再次創(chuàng)出百年奇跡。第二章自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)及局部檢測(cè)儀表原理介紹這章主要說一下自動(dòng)檢測(cè)儀表的知識(shí)并將一些PID參數(shù)調(diào)節(jié)的規(guī)律。2-1自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介我國生產(chǎn)的電動(dòng)單元組合儀表,到目前為止已有三代產(chǎn)品。它們分別為,20世紀(jì)60年代中期生產(chǎn)的以電子管和磁放大器為主要放大元件的DDZ—Ⅰ型儀表;20世紀(jì)70年代初開始生產(chǎn)的以晶體管作為主要放大元件的DDZ—Ⅱ型儀表;以及20世紀(jì)80年代初開始生產(chǎn)的以線性集成電路為主要放大元件、具有平安火花防爆性能的DDZ—Ⅲ型儀表。這里的“DDZ〞是漢語拼音文字中電(Dian)、單(Dan)、組(Zu)三字的第一個(gè)字母的組合。這三代產(chǎn)品雖然電路形式和信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)不同,性能指標(biāo)和單元?jiǎng)澐值姆椒ㄒ膊煌耆粯?,但它們?shí)現(xiàn)的控制功能和根本的設(shè)計(jì)思想是相同的,只要掌握其中一種,其他產(chǎn)品便不難分析。下面將主要對(duì)較有代表性的DDZ—Ⅲ型電動(dòng)單元組合式儀表進(jìn)行討論。如圖2.1所示是使用電動(dòng)單元組合式儀表構(gòu)成簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)系統(tǒng)的例子,從中可以看到單元?jiǎng)澐值脑敲春透鲉卧墓δ?。圖中,被調(diào)量一般是非電的工藝參數(shù),如溫度、壓力等,必須經(jīng)過一定的檢測(cè)元件,將其變換為易于傳送和顯示的物理量。檢測(cè)元件還常稱為敏感元件、傳感器、換能器、一次儀表等。被稱為換能器的理由是工藝參數(shù)在檢測(cè)元件上進(jìn)行了能量形式的轉(zhuǎn)換,例如,在使用熱電偶測(cè)溫時(shí),熱電偶將溫度(熱能)轉(zhuǎn)換成了電壓(電能)。被稱為一次儀表的理由是這些檢測(cè)元件安裝在生產(chǎn)第一線,直接與工藝介質(zhì)相接觸,取得第一次的測(cè)量信號(hào)。由于檢測(cè)元件輸出的能量很小,一般不能直接驅(qū)動(dòng)顯示和調(diào)節(jié)儀表,必須經(jīng)過放大或再一次的能量轉(zhuǎn)換,才能將檢測(cè)元件輸出的微弱信號(hào)變換為能遠(yuǎn)距離傳送的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。圖2.1中,起上述作用的環(huán)節(jié)就是變送單元,或稱變送器,它有假設(shè)干不同的類型,與相應(yīng)的檢測(cè)元件相配合。圖2.1用電動(dòng)單元組合儀表構(gòu)成的調(diào)節(jié)系統(tǒng)由變送單元輸出的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),一方面送到顯示單元供記錄或指示,同時(shí)送到調(diào)節(jié)單元與給定值進(jìn)行比擬。給定值可以由專門的給定單元取得,也可由調(diào)節(jié)單元內(nèi)部取得。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)通常是指由一個(gè)測(cè)量元件、變送器、一個(gè)控制器、一個(gè)控制閥和一個(gè)對(duì)象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的方塊簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的方塊圖簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)由四個(gè)根本環(huán)節(jié)組成,即被控對(duì)象、測(cè)量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。生產(chǎn)過程中希望借助自動(dòng)控制保持恒定值〔或按一定規(guī)律變化〕的變量稱為被控變量。人工操作雖然可以滿足要求,但是,這種操作是既緊張而又頻繁的。目前工業(yè)上常用的控制器主要有三種控制規(guī)律:比例控制規(guī)律P、比例積分控制規(guī)律PI和比例積分微分控制規(guī)律PD。下面介紹一些PID知識(shí)。2-2PID調(diào)節(jié)規(guī)律及方法PID運(yùn)算電路的階躍響應(yīng)可利用傳遞函數(shù)通過拉氏反變換求得,微分調(diào)節(jié)作用的效果主要表達(dá)在階躍信號(hào)輸入的瞬間,而積分調(diào)節(jié)作用的效果那么是隨時(shí)間而增加的。假設(shè)積分時(shí)間Ti比微分時(shí)間Td大得多,那么在階躍信號(hào)剛參加的一段時(shí)間內(nèi)(t<4Td/Kd),微分將起主要作用,而積分分量很小,可以忽略不計(jì);但隨著時(shí)間的推移,積分分量越來越大,微分分量越來越小,最后微分作用可以完全忽略。這樣,微分和積分可以分階段考慮,PID調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)如下圖。從圖中整個(gè)輸出曲線可看成由比例項(xiàng)、積分項(xiàng)及有限制的微分項(xiàng)三局部相加而得的,由于微分增益Kd為有限值,限制了輸出曲線在初始瞬間跳變的幅度;而積分增益Ki的有限性,那么限制了積分輸出的最終幅度。這樣的階躍響應(yīng)說明,當(dāng)調(diào)節(jié)器輸入端出現(xiàn)偏差信號(hào)時(shí),首先由微分和比例作用產(chǎn)生跳變輸出,迅速作出反響;此后如果偏差仍不消失,那么隨著微分作用的衰減,積分效果與時(shí)俱增,直到靜差消除為止。當(dāng)然在實(shí)際生產(chǎn)過程中,偏差總是不斷變化的,因此比例、積分、微分等三種作用在任何時(shí)候都是協(xié)調(diào)配合地工作的。實(shí)際應(yīng)用的PID調(diào)節(jié)器,盡管具體電路和結(jié)構(gòu)有各種各樣,干擾系數(shù)有大有小,但其傳遞函數(shù)總可近似表示為式〔2-1〕的形式。這樣,這類調(diào)節(jié)器的頻率特性不難由此傳遞函數(shù)導(dǎo)出?!?-1〕式中,P——調(diào)節(jié)器的比例度;Ti、Td——積分時(shí)間和微分時(shí)間;Ki、Kd——積分增益和微分增益。將s=jω代入式(2-1)中,兩邊取對(duì)數(shù)且乘以20,求其對(duì)數(shù)幅頻特性〔2-2〕依據(jù)式(2-2)可以繪出實(shí)際的PID調(diào)節(jié)器的對(duì)數(shù)幅頻特性,如圖2-3實(shí)線所示,它由兩段斜線和三段水平線組成,四個(gè)轉(zhuǎn)折頻率分別為其相應(yīng)的相頻特性可用自控理論求得,也可由最小相位系統(tǒng)的幅特性與相特性的關(guān)系推出,如圖2-3中曲線?〔ω〕所示。該圖還用虛線作出了式(3-6)表示的“理想〞PID運(yùn)算裝置的對(duì)數(shù)幅頻特性和相頻特性。圖2-3PID調(diào)節(jié)器的對(duì)數(shù)幅頻特性由圖2-3可知,作為通用型串聯(lián)校正裝置的PID調(diào)節(jié)器參加控制系統(tǒng)后,依靠積分作用,可使系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)在低頻段的增益大大提高,從而把調(diào)節(jié)靜差減小到接近于零。在高頻段,依靠微分作用,可在系統(tǒng)截止頻率附近增加正相移,改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性,并展寬頻帶,提高調(diào)節(jié)動(dòng)作的快速性。在使用中,根據(jù)不同的控制對(duì)象,可方便地通過修改PID參數(shù),滿足絕大多數(shù)控制系統(tǒng)的要求。由于使用方便,概念清晰,PID調(diào)節(jié)器在工業(yè)生產(chǎn)中獲得極為廣泛的應(yīng)用。1、在P調(diào)節(jié)中,調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)與偏差信號(hào)成比例,即式中稱為比例增益(視情況可設(shè)置為正或負(fù))。需要注意的是,上式中的調(diào)節(jié)器輸出實(shí)際上是對(duì)其起始值的增量。因此,當(dāng)偏差為零因而時(shí),并不意味著調(diào)節(jié)器沒有輸出,它只說明此時(shí)有。的大小是可以通過調(diào)整調(diào)節(jié)器的工作點(diǎn)加以改變的。在過程控制中習(xí)慣用增益的倒數(shù)表示調(diào)節(jié)器輸入與輸出之間的比例關(guān)系:中稱為比例帶。具有重要的物理意義。如果直接代表調(diào)節(jié)閥開度的變化量,那么從式(2-4)可以看出,就代表使調(diào)節(jié)閥開度改變100%即從全關(guān)到全開時(shí)所需要的被調(diào)量的變化范圍。只有當(dāng)被調(diào)量處在這個(gè)范圍以內(nèi),調(diào)節(jié)閥的開度(變化)才與偏差成比例。超出這個(gè)“比例帶〞以外,調(diào)節(jié)閥已處于全關(guān)或全開的狀態(tài),此時(shí)調(diào)節(jié)器的輸入與輸出已不再保持比例關(guān)系,而調(diào)節(jié)器至少也暫時(shí)失去其控制作用了。比例調(diào)節(jié)的顯著特點(diǎn)就是有差調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)器動(dòng)作快,對(duì)干擾能及時(shí)和有很強(qiáng)的抑制作用。調(diào)節(jié)器的比例增益〔或比例帶〕的選擇有其兩重性。比例帶越大,調(diào)節(jié)器的動(dòng)作幅度越小,調(diào)節(jié)過程越穩(wěn)定,但被調(diào)量的動(dòng)態(tài)偏差增大;反之,比例帶越小,調(diào)節(jié)器的動(dòng)作幅度越大,調(diào)節(jié)過程易出現(xiàn)振蕩,穩(wěn)定性降低。比例調(diào)節(jié)的殘差隨著比例帶的加大而加大。從這一方面考慮,人們希望盡量減小比例帶。然而,減小比例帶就等于加大調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益,其后果是導(dǎo)致系統(tǒng)劇烈振蕩甚至不穩(wěn)定。穩(wěn)定性是任何閉環(huán)控制系統(tǒng)的首要要求,比例帶的設(shè)置必須保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度。此時(shí),如果殘差過大,圖2-4那么需通過其它的途徑解決。對(duì)于典型的工業(yè)過程,對(duì)于調(diào)節(jié)過程的影響如圖2-4所示。很大意味著調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作幅度很小,因此被調(diào)量的變化比擬平穩(wěn),甚至可以沒有超調(diào),但殘差很大,調(diào)節(jié)時(shí)間也很長(zhǎng)。減小就加大了調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作幅度,引起被調(diào)量來回波動(dòng),但系統(tǒng)仍可能是穩(wěn)定的,殘差相應(yīng)減小。具有一個(gè)臨界值,此時(shí)系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界的情況,進(jìn)一步減小系統(tǒng)就不穩(wěn)定了。的臨界值,可以通過試驗(yàn)測(cè)定出來;如果被調(diào)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型,那么不難根據(jù)控制理論計(jì)算出來。對(duì)于比例調(diào)節(jié)過程的影響。由于P調(diào)節(jié)器只是一個(gè)簡(jiǎn)單的比例環(huán)節(jié),因此不難理解的大小只取決于被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。根據(jù)乃氏穩(wěn)定準(zhǔn)那么可知,在穩(wěn)定邊界上有即其中為廣義被控對(duì)象在臨界頻率下的增益。P調(diào)節(jié)器的相角為零,因此被控對(duì)象在臨界頻率下必須提供-180°相角,由此可以計(jì)算出臨界頻率。2、積分調(diào)節(jié)(I調(diào)節(jié))在I調(diào)節(jié)中,調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)的變化速度與偏差信號(hào)成正比,即或式中稱為積分速度,可視情況取正值或負(fù)值。上式說明,調(diào)節(jié)器的輸出與偏差信號(hào)的積分成正比。圖2-5積分速度對(duì)于調(diào)節(jié)過程的影響圖2-6P與I調(diào)節(jié)過程的比擬I調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是能消除靜態(tài)偏差。因?yàn)楸徽{(diào)量存在偏差,調(diào)節(jié)作用便隨時(shí)間不斷的加強(qiáng)直至偏差為零。在被調(diào)量偏差消除后,由于積分規(guī)律的特點(diǎn),執(zhí)行機(jī)構(gòu)將停留在新的與負(fù)荷變化相適應(yīng)的位置上[3]。單純的積分調(diào)節(jié)作用也有它的缺點(diǎn),積分調(diào)節(jié)作用比比例調(diào)節(jié)作用緩慢,在改善靜態(tài)品質(zhì)的同時(shí)惡化了動(dòng)態(tài)品質(zhì),使過度過程的振蕩加劇,造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分速度對(duì)于調(diào)節(jié)過程有一定的影響。當(dāng)采用I調(diào)節(jié)時(shí),控制系統(tǒng)的開環(huán)增益與積分速度成正比。因此,增大積分速度將會(huì)降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度,直到最后出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程,積分速度對(duì)調(diào)節(jié)過程的影響如圖2-5所示。這從直觀上也是不難理解的,因?yàn)橛?,那么調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作愈快,就愈容易引起和加劇振蕩。但與此同時(shí),振蕩頻率將愈來愈高,而最大動(dòng)態(tài)偏差那么愈來愈小。被調(diào)量最后都沒有殘差,這是I調(diào)節(jié)的特點(diǎn)。對(duì)于同一被控對(duì)象假設(shè)分別采用P調(diào)節(jié)和I調(diào)節(jié),并調(diào)整到相同的衰減率,那么它們?cè)谪?fù)荷擾動(dòng)下的調(diào)節(jié)過程如圖2-6中曲線P和I所示。它們清楚地顯示出兩種調(diào)節(jié)規(guī)律的不同特點(diǎn)。3、比例積分調(diào)節(jié)(PI調(diào)節(jié))PI調(diào)節(jié)就是綜合P、I兩種調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn),利用P調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響,同時(shí)利用I調(diào)節(jié)消除殘差。它的調(diào)節(jié)規(guī)律為或式中為比例帶,可視情況取正值或負(fù)值;圖2-7為積分時(shí)間。和是PI調(diào)節(jié)器的兩個(gè)重要參圖2-7是PI調(diào)節(jié)器的階躍,響應(yīng)它是由比例動(dòng)作和積分動(dòng)作兩局部組成的。在施加階躍輸入的瞬間,調(diào)節(jié)器立即輸出一個(gè)幅值為的階躍,然后以固定速度。變化。當(dāng)時(shí),調(diào)節(jié)器的總輸出為。這樣,就可以根據(jù)圖2-4確定和的數(shù)值。還可以注意到,當(dāng)時(shí),輸出的積分局部正好等于比例局部。由此可見,可以衡量積分局部在總輸出中所占的比重:愈小,積分局部所占的比重愈大。圖為PI調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)。比例積分調(diào)節(jié)器兼有比例調(diào)節(jié)作用和積分調(diào)節(jié)作用的特點(diǎn),由比例作用保證調(diào)節(jié)過程的穩(wěn)定性,增大值,可以削弱振蕩傾向,但過大,將削弱調(diào)節(jié)作用,使調(diào)節(jié)過程的時(shí)間拖長(zhǎng);增大值使比例作用相對(duì)增強(qiáng),也能削弱振蕩傾向,但不宜過大,因?yàn)檫^大,調(diào)節(jié)作用的積分成分將過小,調(diào)節(jié)過程時(shí)間將很長(zhǎng)。具有積分作用的調(diào)節(jié)器,只要被調(diào)量與設(shè)定值之間有偏差,其輸出就會(huì)不停的變化。如果由于某種原因,被調(diào)量偏差一時(shí)無法消除,然而調(diào)節(jié)器還是要試圖校正這個(gè)偏差,結(jié)果經(jīng)過一段時(shí)間后,調(diào)節(jié)器輸出將進(jìn)入深度飽和狀態(tài),這種現(xiàn)象稱為積分飽和。進(jìn)入深度飽和的調(diào)節(jié)器,要等被調(diào)量偏差反向以后才慢慢從飽和狀態(tài)中退出來,重新恢復(fù)控制作用。微分調(diào)節(jié)器的輸出與被調(diào)量或其偏差對(duì)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)成正比,即微分調(diào)節(jié)作用是超前的調(diào)節(jié)作用,又利于克服動(dòng)態(tài)偏差。但是,當(dāng)調(diào)節(jié)過程結(jié)束后,執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置最后總是回復(fù)到原來的數(shù)值。單純按上述規(guī)律動(dòng)作的調(diào)節(jié)器是不能工作的。這是因?yàn)閷?shí)際的調(diào)節(jié)器都有一定的失靈區(qū),如果被控對(duì)象的流入、流出量只相差很少以致被調(diào)量只以調(diào)節(jié)器不能發(fā)覺的速度緩慢變化時(shí),調(diào)節(jié)器并不會(huì)動(dòng)作。但是經(jīng)過相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間以后,被調(diào)量偏差卻可以積累到相當(dāng)大的數(shù)字而得不到校正。這種情況當(dāng)然是不能容許的。因此微分調(diào)節(jié)只能起輔助的調(diào)節(jié)作用,它可以與其它調(diào)節(jié)動(dòng)作結(jié)合成PD和PID調(diào)節(jié)動(dòng)作。4、比例微分調(diào)節(jié)規(guī)律PD調(diào)節(jié)器的動(dòng)作規(guī)律是或式中,為比例帶,可視情況取正值或負(fù)值;為微分時(shí)間。按照上式,PD調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)應(yīng)為但嚴(yán)格式動(dòng)作的調(diào)節(jié)器在物理上是不能實(shí)現(xiàn)的。工業(yè)上實(shí)際采用的PD調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)是式中稱為微分增益。工業(yè)調(diào)節(jié)器的微分增益一般在5~10范圍內(nèi)。與上式相對(duì)應(yīng)的單位階躍響應(yīng)為圖給出了相應(yīng)的響應(yīng)曲線。式中共有、、等三個(gè)參數(shù),它們都可以從圖2-8中的階躍響應(yīng)確定出來。圖2-81-比例調(diào)節(jié);2-積分調(diào)節(jié);3-比例積分調(diào)節(jié)4-比例微分調(diào)節(jié);5-比例積分微分調(diào)節(jié)在一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)投運(yùn)時(shí),控制器的參數(shù)必須整定,才能獲得滿意的控制質(zhì)量。同時(shí),在生產(chǎn)進(jìn)行的過程中,如果工藝操作條件改變,或負(fù)荷有很大變化,被控對(duì)象的特性就要改變,因此,控制器的參數(shù)必須重新整定。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大,模擬控制盤越來越長(zhǎng),這給集中監(jiān)視和操作帶來困難;而計(jì)算機(jī)采用分時(shí)操作,用一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以代替許多臺(tái)常規(guī)儀表,在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上操作與監(jiān)視那么方便了許多。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),由于其所實(shí)現(xiàn)功能的軟件化,復(fù)雜控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)或控制方案的修改可能只需修改程序、重新組態(tài)即可實(shí)現(xiàn)。第三章儀表選型及一些儀表介紹儀表的選型對(duì)工藝的影響很大。工藝的狀況也會(huì)有所不同,并要根據(jù)介質(zhì)和工藝條件的不同,需要選擇不同類型的儀表。有一些工藝介質(zhì)粘稠,如果測(cè)量液位或是流量那么必須選擇儀表安裝狀況要求較低的儀表。以免影響測(cè)量,尤其是在化工企業(yè)單位,要求會(huì)更加嚴(yán)厲。有一些工藝要求測(cè)量精度很高,那么那么需要選擇精密的測(cè)量?jī)x表。這些都必須建立在對(duì)工藝熟練掌握的前提下,并要經(jīng)過理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。經(jīng)過理論知識(shí)的學(xué)習(xí),下面我簡(jiǎn)單介紹一些儀表的原理及結(jié)構(gòu)3-1轉(zhuǎn)子流量計(jì)1、轉(zhuǎn)子流量計(jì)的結(jié)構(gòu)示意:緊固卡④高溫型加長(zhǎng)部件墊片⑤緊固螺釘墊圈⑥定位銷2、原理:它也是利用了浮子原理。當(dāng)液體流過是產(chǎn)生浮力,拖動(dòng)筒中的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),再根據(jù)磁感應(yīng)的原理,感應(yīng)指針的變化來到達(dá)測(cè)量的目的。3、接線:如下圖此類儀表屬于DDZ-Ⅲ儀表,經(jīng)過平安柵等,能給控制室平安穩(wěn)定的信號(hào)。優(yōu)點(diǎn):轉(zhuǎn)子流量計(jì)原理簡(jiǎn)單,經(jīng)濟(jì)實(shí)用,操作比擬容易,并且安裝方便。但是它受工藝介質(zhì)的影響,它不能安裝在工藝介質(zhì)比擬粘稠的管線上,容易發(fā)生“卡死〞現(xiàn)象,但從性價(jià)比來講,還是比擬優(yōu)越。3-2FIELDVUEDVC2000系列數(shù)字式閥門控制器1、費(fèi)希爾數(shù)字閥門的結(jié)構(gòu)示意:2、根本設(shè)置和校驗(yàn):DVC2000系列數(shù)字式閥門控制器可使用本地操作界面。該界面包含一個(gè)液晶顯示屏〔LCD〕,四個(gè)按鈕和一個(gè)閥位變送器設(shè)置開關(guān)。該界面支持七種語言,包括英語、法語、德語、意大利語、西班牙語、漢語和日語??梢园凑誃asicSetup〔根本設(shè)置〕一章中的介紹設(shè)定語言類型。該儀器需要在不低于8.5V電壓和3.5mA電流下運(yùn)行該本地界面。在執(zhí)行某些程序時(shí)需要超過20mA的電流。并且要注意的是在接觸接線端子和按鈕時(shí),必須采取正確的靜電釋放保護(hù)措施。沒有采取適當(dāng)?shù)谋Wo(hù)措施可能會(huì)引起閥門的不當(dāng)移動(dòng),造成閥門/執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不穩(wěn)定。第一次在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上安裝DVC2000系列數(shù)字式閥門控制器時(shí),快速設(shè)置程序會(huì)自動(dòng)地對(duì)儀表進(jìn)行校驗(yàn)和整定。校驗(yàn)時(shí),閥門將運(yùn)動(dòng)至全行程。為防止由于壓力或過程流體釋放引起的人員傷害與財(cái)產(chǎn)損失,對(duì)工藝過程應(yīng)采取一些臨時(shí)的控制措施。改變整定參數(shù)會(huì)引起閥門/執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不穩(wěn)定。如果使用了可選的限位開關(guān),必須通過快速設(shè)置程序來為限位開關(guān)電路提供電源。3、優(yōu)點(diǎn):抗干擾性強(qiáng)設(shè)置、操作比擬容易,而且學(xué)做人的范圍比擬寬泛,對(duì)工藝介質(zhì)的要求不是很高,所以比擬實(shí)用。輸入特性函數(shù)的默認(rèn)值是LINEAR〔線性〕。還可以選擇QUICKOPEN〔快開〕、EQUAL%〔等百分比〕、或CUSTOM〔自定義〕函數(shù)。但是自定義函數(shù)的初始設(shè)置是線性函數(shù),可用基于HART的主機(jī)進(jìn)行自定義函數(shù)的重新設(shè)置。自定義函數(shù)的設(shè)置可以選擇,但是不能用本地界面修改曲線。Transmitter——設(shè)定了閥門行程和閥位變送器輸出信號(hào)的關(guān)系。CLOSED〔關(guān)閉〕,變送器會(huì)在閥門關(guān)閉時(shí)發(fā)送4mA。如果選擇了OPEN〔閥開〕,變送器會(huì)在閥門全開時(shí)發(fā)送4mA。所以說費(fèi)希爾閥應(yīng)用比擬廣泛,尤其是在化工行業(yè)。3-2SITRANS壓力變送器1、結(jié)構(gòu)及概述:7MF4\33系列SITRANSP-DSIII壓力/差壓變送器,此型儀表用于非腐蝕性和腐蝕性氣體,蒸汽和液體的壓力測(cè)量。允許測(cè)量范圍1kPa〔0.01bar〕到40Mpa〔400bar〕。2、電路原理:傳感器產(chǎn)生的信號(hào)被信號(hào)放大器〔2〕放大后,經(jīng)模–數(shù)轉(zhuǎn)換器〔3〕轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。在微處理器中,經(jīng)線性和溫度校正后,再經(jīng)數(shù)–模轉(zhuǎn)換器〔5〕轉(zhuǎn)換成直流4-20mA輸出信號(hào)。一個(gè)二極管電路〔10〕提供反向極性保護(hù),外部指示〔電壓降<0.5v〕也可以連接到這個(gè)電路上。涉及測(cè)量元件的電子數(shù)據(jù)和變送器功能參數(shù)數(shù)據(jù)被存貯在兩個(gè)EEPROM中〔6〕。你可以通過3個(gè)輸入調(diào)整鍵〔8〕直接在測(cè)量點(diǎn)對(duì)變送器進(jìn)行參數(shù)調(diào)整,可以在數(shù)字顯示〔9〕中讀取測(cè)量結(jié)果、故障信息和工作方式。也可以通過HART調(diào)制解調(diào)器〔7〕,按照HART協(xié)議進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。壓力Pe由測(cè)量元件〔2〕的取壓接口〔3〕引入表內(nèi),經(jīng)密封膜片〔4〕和內(nèi)充液〔5〕傳遞到硅壓力傳感器〔6〕,導(dǎo)致膜片變形。粘貼在膜片上的四個(gè)電橋電路中的壓敏電阻值隨膜片的變形而變化,電阻值的變化使電橋輸出電壓和輸入壓力成比值關(guān)系。測(cè)量范圍≤6.3Mpa〔63bar〕的變送器以大氣壓作為測(cè)量壓力的參考?jí)毫?,測(cè)量范圍≥16Mpa〔160bar〕的以絕對(duì)真空作為參考?jí)毫Α2顗航?jīng)過密封膜片〔7〕和內(nèi)充液傳遞給硅壓力傳感器〔5〕,當(dāng)壓力超過測(cè)量極限時(shí),過載保護(hù)膜片〔6〕產(chǎn)生變形,直到使一側(cè)的密封膜片貼到測(cè)量元件〔4〕的內(nèi)壁上,以保護(hù)硅壓力傳感器,防止被過壓損壞。粘貼在測(cè)量膜片上的四個(gè)電橋電路中的壓電電阻隨壓力變化改變電阻值,使電橋輸出電壓和差成比值關(guān)系變化。做為一個(gè)獨(dú)立的儀表,選用適當(dāng)?shù)碾娫春缶涂梢宰鳛楹芏鄰?fù)雜控制系統(tǒng)〔如IMATICS7〕的組成局部使用。所有根本設(shè)定值可以通過儀表自身配備的三個(gè)輸入調(diào)整鍵直接設(shè)定。采用HART協(xié)議,變送器可實(shí)現(xiàn)完全的通信〔在線參數(shù)調(diào)整〕通過HART接口可任意實(shí)現(xiàn)與以下設(shè)備的通信:西門子三型儀表可以與DCS系統(tǒng)通訊。第四章:DCS系統(tǒng)簡(jiǎn)介在這里我們用的是霍尼韋爾DCS的中控系統(tǒng)——EPKS4-1霍尼韋爾DCS系統(tǒng)簡(jiǎn)介與任何一種新興技術(shù)一樣,Experion系統(tǒng)也催生了一系列的新詞匯、以及為一些舊詞匯參加了新的意義,以便說明該系統(tǒng)的獨(dú)特特性。在大多數(shù)情況下,這些詞匯將形式和內(nèi)容與功能清楚地聯(lián)系在一起,這樣,您就可以直觀地了解其含義。本節(jié)將對(duì)ControlBuilder的相關(guān)詞匯的一些根底概念進(jìn)行介紹。Experion系統(tǒng)也催生了一系列的新詞匯、以及為一些舊詞匯參加了新的意義,以便說明該系統(tǒng)的獨(dú)特特性。Experion擁有一個(gè)面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)環(huán)境,這是Experion的特點(diǎn)之一。這就是說,Experion建立在對(duì)象鏈接和嵌入〔OLE〕技術(shù)的根底上;該技術(shù)可以對(duì)多個(gè)子系統(tǒng)間的各種功能進(jìn)行分區(qū)。ControlBuilder是Experion功能的核心。其中包含有多個(gè)對(duì)象的庫;操作人員可以以圖形的方式、很容易地對(duì)這些對(duì)象庫進(jìn)行配置,以便對(duì)通信驅(qū)動(dòng)器、控制數(shù)據(jù)處理器和輸入/輸出接口的一般控制操作進(jìn)行模擬,并進(jìn)行監(jiān)控。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各種操作進(jìn)行控制。用戶通過“過程窗口〔window-on-the-process〕〞,以及控制器功能的配置。通??梢蕴峁┎煌?jí)別的訪問,以便查看和修改與過程有關(guān)的參數(shù),例如:過程變量〔PV〕、設(shè)定點(diǎn)〔SP〕、輸出〔OP〕、細(xì)調(diào)常數(shù),以及警報(bào)條件,此外,操作人員可以對(duì)控制器的配置數(shù)據(jù)庫中的條目進(jìn)行查查看;但是如果需要進(jìn)行更改,那么一般會(huì)受到鍵盤鎖〔keylock〕或密碼的限制。4-2霍尼韋爾DCS軟、硬件簡(jiǎn)介在對(duì)Experion的相關(guān)概念進(jìn)行復(fù)習(xí)之前,我們首先快速地復(fù)習(xí)一下單環(huán)控制器的操作,以此作為一個(gè)參考點(diǎn)。一個(gè)單環(huán)控制器一般包含以下的過程控制相關(guān)的功能,以一種形式或另一種形式存在,如以下圖:控制數(shù)據(jù)控制數(shù)據(jù)處理器通向/來自通向/來自現(xiàn)場(chǎng)裝置輸入/輸出接口輸入/輸出接口通信驅(qū)動(dòng)器人機(jī)界面下面中對(duì)這些功能進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹功能描述人機(jī)界面用戶的“過程窗口〔window-on-the-process〕〞,以及控制器功能的配置。通??梢蕴峁┎煌?jí)別的訪問,以便查看和修改與過程有關(guān)的參數(shù),例如: 過程變量〔PV〕 設(shè)定點(diǎn)〔SP〕 輸出〔OP〕 細(xì)調(diào)常數(shù),以及 警報(bào)條件此外,操作人員可以對(duì)控制器的配置數(shù)據(jù)庫中的條目進(jìn)行查查看;但是如果需要進(jìn)行更改,那么一般會(huì)受到鍵盤鎖〔keylock〕或密碼的限制。通信驅(qū)動(dòng)器通信驅(qū)動(dòng)器的功能相當(dāng)于一個(gè)轉(zhuǎn)換器〔translator〕,對(duì)在人機(jī)界面和控制數(shù)據(jù)處理或功能之間流動(dòng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通信處理器能夠?qū)⑿盘?hào)轉(zhuǎn)換為正確的顯示數(shù)據(jù)或控制動(dòng)作??刂茢?shù)據(jù)處理器控制數(shù)據(jù)處理器對(duì)控制器的工作特性進(jìn)行定義,這些特定一般作為控制器的配置數(shù)據(jù)庫被存儲(chǔ)在內(nèi)存中。輸入/輸出接口輸入/輸出接口將通向控制數(shù)據(jù)處理器的所有模擬和數(shù)字輸入/輸出連接起來,以便與現(xiàn)場(chǎng)裝置進(jìn)行通信。輸入/輸出接口可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種形式的轉(zhuǎn)換、對(duì)輸入和輸出進(jìn)行調(diào)節(jié),以便供處理器或現(xiàn)場(chǎng)裝置使用。如果我們必須要使用一個(gè)詞匯來對(duì)Experion的ControlBuilder的應(yīng)用程序進(jìn)行總結(jié),這個(gè)詞匯是功能塊〔FunctionBlock〕。本質(zhì)上,一個(gè)功能塊是一個(gè)可執(zhí)行的軟件對(duì)象;這個(gè)對(duì)象可以執(zhí)行一個(gè)特定的任何。ControlBuilder帶有功能塊的庫,通過這些庫,您可以以圖形的形式構(gòu)建您的過程所需確實(shí)切的控制操作。一共有三種主要類型的塊,下表中列出了這三種塊。塊類型描述ControlBuilder中的

范例塊的名稱容器一個(gè)容器塊可以“包含〞其他的組件塊。在ControlBuilder中,其顯示為一個(gè)圖表,其他組件被放置在其中??刂颇K〔CM〕

順序控制模塊〔SCM〕組件一種模塊,這種模塊僅以組件或容器塊的形式存在。其顯示為一個(gè)普通的、經(jīng)過命名的塊,帶有可配置的參數(shù),位于ControlBuilder中的一個(gè)容器塊的內(nèi)部。請(qǐng)注意:一個(gè)組件塊可能同樣被稱為一個(gè)根本功能塊,或僅僅被成為一個(gè)根本塊。PID〔ControlBuilder中的CM和SCM庫中所列出的所有塊,當(dāng)然,不包括CM和SCM?!匙粤⑹健不颡?dú)立式〕一個(gè)可以獨(dú)立存在的塊。這種塊既不是其他塊的一個(gè)容器,也不是一個(gè)容器塊的一個(gè)組件。在ControlBuilder的菜單區(qū)域中,這種塊顯示為一個(gè)圖標(biāo)。TC-IAH061〔輸入/輸出模塊〔IOM〕中所列出的所有塊,以及ControlBuilder中的導(dǎo)軌輸入/輸出和脈沖輸入庫中的所有相關(guān)塊?!矯PMCEERM在本文件中,我們將“功能塊〞用作一個(gè)一般性的詞匯,用于表示上文中列出的所有三種類型的塊。當(dāng)您開始使用ControlBuilder應(yīng)用程序以后,您將會(huì)很容易地將各個(gè)功能塊的類型和其用于表示這些功能塊的圖形標(biāo)志聯(lián)系起來。注意的是HANDLER塊為組件類型塊,盡管其確實(shí)包含有STEP和TRANSITION功能塊。在CEE內(nèi)部,它們被當(dāng)作SCM塊的組件〔而不是容器類型快〕實(shí)現(xiàn)。與其他的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序相類似,ControlBuilder使用了一個(gè)獨(dú)特的命名方案,以便與對(duì)Experion系統(tǒng)的信息進(jìn)行識(shí)別。在這種情況下,標(biāo)簽名稱PIDA是控制模塊的獨(dú)立名稱CM724或CM725的一個(gè)依賴名稱,以便被系統(tǒng)識(shí)別。4-3DCS系統(tǒng)軟硬件的組態(tài)與連接DCS系統(tǒng)軟硬件的組態(tài)與連接需要建立系統(tǒng)的框架和流程,把軟件和硬件統(tǒng)一起來然后建立統(tǒng)一的通道及組態(tài)。當(dāng)您開始使用ControlBuilder應(yīng)用程序以后,您將會(huì)很容易地將各個(gè)功能塊的類型和其用于表示這些功能塊的圖形標(biāo)志聯(lián)系起來。下面是丁辛醇分廠的一些回路控制圖。這是1#羰基合成反響個(gè)的DCS控制系統(tǒng)的電腦人機(jī)界面的反映圖。在這個(gè)圖中,霍尼韋爾的DCS控制系統(tǒng)控制著整個(gè)羰基合成反響的過程變量。例如圖中的R101罐的變送TIC-080304它反映了R101罐的溫度,經(jīng)過DCS控制系統(tǒng)。根據(jù)工藝操作具體要求,來實(shí)現(xiàn)溫度的控制。當(dāng)R101溫度過高時(shí),變送器根據(jù)要求,經(jīng)過計(jì)算,使得所控制的閥翻開,增加流量,使液體循環(huán)來到達(dá)降低溫度的作用。這是消防噴淋系統(tǒng)在DCS系統(tǒng)顯示畫面。在整個(gè)生產(chǎn)過程中,幾乎全部都是用集散控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的實(shí)時(shí)控制??梢栽谂c同一個(gè)效勞器建立網(wǎng)絡(luò)連接的多個(gè)C300控制處理器模塊〔CPM〕中的CEE之間實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。也可以將點(diǎn)對(duì)點(diǎn)功能作為兩個(gè)CPM之間的一組連接進(jìn)行視覺化。這樣,位于不同的控制執(zhí)行環(huán)境〔CEE〕中的多個(gè)功能塊就可以通過用戶配置的參數(shù)連接來分享數(shù)據(jù)??刂茢?shù)據(jù)訪問〔CDA〕效勞將會(huì)負(fù)責(zé)對(duì)所有的連接進(jìn)行維護(hù)。對(duì)于屬于容錯(cuò)以太網(wǎng)〔FTE〕或以太網(wǎng)中的同一個(gè)系統(tǒng)效勞器的多個(gè)應(yīng)用控制環(huán)境〔ACE〕監(jiān)督控制器,也可以在它們之間實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。通過一個(gè)通向ControlNet監(jiān)督網(wǎng)絡(luò)的可選連接,ACE監(jiān)督控制器可以與多個(gè)C300CPM中的CEE實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。以下的示意圖中顯示了可能的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信拓?fù)?。其中顯示了以太網(wǎng)中的多個(gè)ACE監(jiān)督控制器之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、ControlNet監(jiān)督網(wǎng)絡(luò)中的C300過程控制器和ACE監(jiān)督控制器之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、以及監(jiān)督網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)C300過程控制器之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)。4-4DCS在壓縮機(jī)上的應(yīng)用在學(xué)習(xí)中,主要是儀表的控制系統(tǒng),還有SIMENSS7—300PLC的應(yīng)用。先簡(jiǎn)單的介紹DCS中的一些知識(shí)。DCS控制系統(tǒng)是集散控制系統(tǒng)的縮寫。及疏散控制系統(tǒng)可以更好的處理日常出現(xiàn)的問題,并且它的操作界面更適合控制人員的使用,簡(jiǎn)單、方便、快捷??删幊炭刂破?PLC)西門子S7-300H是壓縮機(jī)控制單元的核心。PLC記錄所有的測(cè)量點(diǎn),計(jì)算出需要的反響和順序,然后必要地運(yùn)行執(zhí)行器。特別是報(bào)警和停車的測(cè)量的極限被連續(xù)約束。設(shè)備監(jiān)視系統(tǒng)〔BentlyNevada)觀察渦輪壓縮機(jī)所有的振動(dòng)和軸向徑向位移。伍德505渦輪控制器控制渦輪的速度和開始停止順序。伍德505的速度設(shè)定點(diǎn)能被轉(zhuǎn)換到自動(dòng)切換到手控,同時(shí)在手控模式下能巧妙地處理增加或減少按鈕。所有數(shù)據(jù)通過ModbusRTU通信接口被連續(xù)不斷的傳送到集散控制系統(tǒng)。在實(shí)習(xí)的過程中在透平壓縮機(jī)上有SIMENSS7—300PLC的應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)的自動(dòng)控制。整個(gè)控制系統(tǒng)符合以下功能:1、冗余的控制系統(tǒng)2、壓縮機(jī)的性能控制3、喘振保護(hù)和防喘振控制旁路閥4、壓縮機(jī)的啟停順序控制5、渦輪轉(zhuǎn)速控制和渦輪超速保護(hù)6、像潤(rùn)滑油系統(tǒng)的輔助驅(qū)動(dòng)控制7、通過設(shè)備的ESD系統(tǒng)平安停車8、機(jī)器監(jiān)控通過——加油的管理、軸承溫度的管理、防喘振的保護(hù)、軸向的振動(dòng)和位移管理、蒸汽渦輪機(jī)的管理9、手控或自控模式下的控制器的操作HMI和操作原理。

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