過程控制與自動化儀表-第三章-執(zhí)行器、安全柵課件

1、 過程控制儀表執(zhí)行器過程控制儀表 執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）兩部分組成。接受調(diào)節(jié)器輸出的控制信號，并轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移來改變調(diào)節(jié)閥的流通面積，以控制流入或流出被控過程的物料或能量，從而實(shí)現(xiàn)對過程參數(shù)的自動控制。 執(zhí)行器有自動調(diào)節(jié)閥門、自動電壓調(diào)節(jié)器、自動電流調(diào)節(jié)器、控制電機(jī)等。其中自動調(diào)節(jié)閥門是最常見的執(zhí)行器。 執(zhí)行器直接安裝在現(xiàn)場，直接與介質(zhì)接觸，通常在高溫、高壓、高粘度、強(qiáng)腐蝕、易結(jié)晶、易燃易爆等場合下工作。執(zhí)行器過程控制儀表自動調(diào)節(jié)閥按照工作所用能源形式可分為：（1）電動調(diào)節(jié)閥：電源配備方便，信號傳輸快、損失小，可遠(yuǎn)距離傳輸；但推力較小。（2）氣動調(diào)節(jié)閥：結(jié)構(gòu)簡單，可靠，維

2、護(hù)方便，防火防爆；但氣源配備不方便。（3）液動調(diào)節(jié)閥：用液壓傳遞動力，推力最大；但安裝、維護(hù)麻煩，使用不多。工業(yè)中使用最多的是氣動調(diào)節(jié)閥和電動調(diào)節(jié)閥。 氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)過程控制儀表它接受氣動調(diào)節(jié)器或電/氣轉(zhuǎn)換器輸出的氣壓信號，經(jīng)膜片轉(zhuǎn)換成推力并克服彈簧力后，使閥桿產(chǎn)生位移，帶動閥芯動作。 1-上蓋 2膜片 3一平衡彈簧 4一閥桿 5閥體 6閥座 7閥芯 氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)過程控制儀表氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)有正作用和反作用兩種形式:當(dāng)輸入氣壓信號增加時閥桿向下移動時稱正作用；當(dāng)輸入氣壓信號增加時閥桿向上移動時稱反作用。在工業(yè)生產(chǎn)中口徑較大的調(diào)節(jié)閥通常采用正作用方式。1-上蓋 2膜片 3一平衡彈簧 4一閥桿 5閥體

3、6閥座 7閥芯 氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)過程控制儀表氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的靜態(tài)特性表示平衡狀態(tài)時輸入的氣壓p與閥桿位移l的關(guān)系，即 1-上蓋 2膜片 3一平衡彈簧 4一閥桿 5閥體 6閥座 7閥芯 A為膜片的有效面積；k為平衡彈簧的彈性系數(shù) 電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)過程控制儀表 電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)配用的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)不同，其輸出方式有直行程、角行程和多轉(zhuǎn)式三種類型，其電氣原理完全相同，僅減速器不一樣。 來自調(diào)節(jié)器的輸出電流Io為伺服放大器的控制輸入信號，與位置反饋器信號If進(jìn)行比較，差值經(jīng)過放大后控制伺服電動機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，經(jīng)過減速器后輸出位移信號改變調(diào)節(jié)閥開度。 過程控制儀表（3）角形控制閥兩個接管呈直角形。優(yōu)點(diǎn)：流路簡單、對流

4、體的阻力較小。適用：現(xiàn)場管道要求直角連接，介質(zhì)為高粘度、高壓差和含有少量懸浮物和固體顆粒狀的場合。過程控制儀表（4）三通控制閥 有三個出入口與工藝管道連接。流通方式有合流型（兩種介質(zhì)混合成一路）和分流型（一種介質(zhì)分成兩路）兩種。適用于配比控制與旁路控制。過程控制儀表（5）隔膜控制閥采用耐腐蝕材料作隔膜，將閥芯與流體隔開。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、流阻小、流通能力比同口徑的其他種類的閥要大。由于介質(zhì)用隔膜與外界隔離，故無填料，介質(zhì)也不會泄漏。適用：適用于強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的控制，也能用于高粘度及懸浮顆粒狀介質(zhì)的控制。 課堂練習(xí)過程控制儀表某單座調(diào)節(jié)閥全開時其最大流量為0.032 m/s，前后壓差為0

5、.1MPa，流體重度為1000kg/m，求其流通能力，試選取適當(dāng)?shù)墓Q直徑和閥座直徑。氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的應(yīng)用過程控制儀表2、執(zhí)行器的氣開、氣關(guān)氣開：當(dāng)氣壓信號P大于0.02MPa時，閥由關(guān)閉至打開；氣關(guān)：當(dāng)氣壓信號P大于0.02MPa時，閥由全開至關(guān)閉。 調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)的選擇，主要從工藝生產(chǎn)的安全來考慮。即當(dāng)發(fā)生斷電或其他故障引起的控制信號中斷時，執(zhí)行器的工作狀態(tài)應(yīng)避免損壞設(shè)備和傷害操作人員。過程控制儀表一般的加熱器，當(dāng)控制信號中斷時，需要執(zhí)行器處于關(guān)閉狀態(tài)，停止加熱，使設(shè)備不至于因溫度過高而發(fā)生事故或危險(xiǎn)，這時應(yīng)選擇氣開還是氣關(guān)？燒水所用鍋爐的進(jìn)水執(zhí)行器，當(dāng)控制信號中斷時，需要執(zhí)行器處于打開狀

6、態(tài)，保證有水進(jìn)入鍋爐，不至于產(chǎn)生燒干導(dǎo)致爆炸事故，這時應(yīng)選擇氣開還是氣關(guān)？過程控制儀表執(zhí)行機(jī)構(gòu)有正反作用，閥體也有正反兩種形式，故氣開氣關(guān)有四種構(gòu)成過程控制儀表1）直線流量特性當(dāng)可調(diào)范圍R一定時，呈線性關(guān)系。且規(guī)定，當(dāng)l/lmax=0時，q/qmax=3.3%;當(dāng)l/lmax=100%時，q/qmax=100%。過程控制儀表2）對數(shù)流量特性 單位相對行程變化所引起的相對流量變化與此點(diǎn)的相對流量成正比關(guān)系：過程控制儀表2）對數(shù)流量特性曲線斜率（放大系數(shù)）隨行程的增大而增大。流量小時，流量變化?。涣髁看髸r，流量變化大。過程控制儀表3）快開流量特性開度較小時就有較大流量，隨開度的增大，流量很快就達(dá)到

7、最大，故稱為快開特性。適用于迅速啟閉的切斷閥或雙位控制系統(tǒng)。過程控制儀表3）快開流量特性過程控制儀表（2）工作流量特性實(shí)際使用時，調(diào)節(jié)閥裝在具有阻力的管道系統(tǒng)中。管道對流體的阻力隨流量而變化，閥前后壓差也是變化的，這時流量特性會發(fā)生畸變。1）管道串聯(lián)調(diào)節(jié)閥前后差壓是總差壓的一部分，當(dāng)總差壓一定時，隨著閥門開度的增加，流量隨之增加，閥前后差壓減小，理想流量特性變異。過程控制儀表 工程上常用阻力系數(shù)S表征串聯(lián)阻力對流量特性的影響。qmax表示串聯(lián)管道阻力為零、調(diào)節(jié)閥全開時的流量；S則定義為閥全開時閥前后壓差PVmin與系統(tǒng)總壓差的比值，即 S= PVmin / PS=1時，理想流量特性S1時，流量

8、特性畸變，直線閥變?yōu)榭扉_閥，對數(shù)閥變?yōu)橹本€閥。實(shí)際應(yīng)用中，S不低于0.30.5過程控制儀表2）管道并聯(lián) 在現(xiàn)場使用中，調(diào)節(jié)閥一般都裝有旁路管道和手動閥，以便于手動操作和維護(hù)。過程控制儀表 圖中S=1時，旁路閥關(guān)閉，工作流量特性即為理想流量特性。隨著旁路閥逐漸打開，S值逐漸減小，調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍也將大大降低，從而使調(diào)節(jié)閥的控制能力大大下降，影響控制效果。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，S值不能低于0.8。 圖337 并聯(lián)管道時調(diào)節(jié)閥工作流量特性a)直線閥 b)對數(shù)閥力平衡式電氣轉(zhuǎn)換器過程控制儀表 I 吸力Fi 杠桿偏轉(zhuǎn) 擋板與噴嘴間隙 背壓 放大器輸入 輸出壓力P 杠桿的反饋力Ff 杠桿平衡 PI負(fù)反饋磁鐵調(diào)零F

9、iFf背壓智能式電動執(zhí)行器過程控制儀表智能式電動執(zhí)行器過程控制儀表與常規(guī)電動執(zhí)行器相比有如下特點(diǎn)：1）具有智能化和高精度的控制功能。2）一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想。3）具有智能化的通信功能。4）具有智能化的自診斷與保護(hù)功能。5）具有靈活的組態(tài)功能，“一機(jī)多用”，提高了經(jīng)濟(jì)效益。安全火花防爆系統(tǒng)過程控制儀表構(gòu)成安全火花防爆系統(tǒng)的二要素： 在危險(xiǎn)現(xiàn)場使用的儀表必須是安全火花防爆儀表（本安儀表）。 現(xiàn)場儀表與危險(xiǎn)場所之間的電路連接必須經(jīng)過安全柵（防爆柵）。過程控制儀表 安全柵（又稱防爆柵）是防止危險(xiǎn)電能從控制系統(tǒng)信號線進(jìn)入現(xiàn)場儀表的安全保護(hù)器。 不同的危險(xiǎn)等級對電氣設(shè)備的防爆要求不同，煤礦井下用電氣設(shè)備屬

10、類設(shè)備；有爆炸性氣體的工廠用電氣設(shè)備屬類設(shè)備；有爆炸性粉塵的工廠用電氣設(shè)備屬類設(shè)備。 簡單齊納式安全柵過程控制儀表基本原理：簡單齊納式安全柵是利用齊納二極管的反向擊穿特性進(jìn)行限壓、用固定電阻進(jìn)行限流 。不足：（1）固定的限流電阻其大小難以選擇 （2）接地不合理改進(jìn)型齊納式安全柵過程控制儀表（1）由四個齊納二極管和四個快速熔斷絲組成雙重限壓電路，取消了直接接地點(diǎn)。當(dāng)輸入出現(xiàn)過電壓，二極管導(dǎo)通，對過電壓進(jìn)行限制。（2）雙重晶體管限流電路代替固定電阻，以達(dá)到近似理想的限流效果。改進(jìn)后的齊納式安全柵齊納式安全柵過程控制儀表優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜。缺點(diǎn)：過載能力低，難以解決熔絲的熔斷時間和可靠性之間的

11、矛盾，熔絲為一次性元件，燒壞后需更換，對控制系統(tǒng)的自動化程度帶來不利影響。隔離式安全柵過程控制儀表 用變壓器作為隔離元件，分別將輸入、輸出和電源進(jìn)行隔離，可以對二線制變送器進(jìn)行隔離供電。因而分檢測端安全柵和執(zhí)行端安全柵。1、檢測端安全柵 檢測端安全柵在向變送器提供電源的同時，將變送器的測量信號經(jīng)隔離變壓器傳給控制室儀表。過程控制儀表1、檢測端安全柵（1）能量傳輸通道（2）信號傳輸通道：整個信號傳輸系數(shù)為1過程控制儀表2、執(zhí)行端安全柵用于控制室中調(diào)節(jié)器和現(xiàn)場執(zhí)行器之間，是420mA調(diào)節(jié)信號送往現(xiàn)場的安檢通道。與檢測端安全柵的區(qū)別： 信號傳輸方向相反， 不需給現(xiàn)場供電。過程控制儀表隔離式安全柵與齊納式安全柵相比較，發(fā)見有如下優(yōu)點(diǎn)： 1）可以在危險(xiǎn)區(qū)或安全區(qū)認(rèn)為合適的任何一個地方接地，使用方便，通用性強(qiáng)；2）隔離式安全柵的電源、信號輸入、信號輸出均可通過