化工儀表自動化基礎(chǔ)知識課件

1、化工儀表及自動化基礎(chǔ)知識孫繼紅DTCO 同煤120萬噸甲醇項目籌備處引入兩個概念控制智能控制內(nèi)容綜述第一章化工儀表自動化的基本概念第二章檢測儀表及傳感器第三章計算機控制系統(tǒng)第四章基本控制理論及專業(yè)特點第一章化工儀表自動化的基本概念1-1化工儀表自動化的主要內(nèi)容 化工生產(chǎn)過程自動化，主要包括自動檢測、自動保護、自動操縱、自動控制等方面內(nèi)容。1.自動檢測系統(tǒng)利用各種檢測儀表對工藝參數(shù)進行測量、指示或記錄稱為自動檢測系統(tǒng)2.自動信號和聯(lián)鎖保護系統(tǒng)在生產(chǎn)中對某些參數(shù)超出允許范圍進入聯(lián)鎖系統(tǒng)采取緊急措施使系統(tǒng)進入安全狀態(tài)稱為自動信號和聯(lián)鎖保護系統(tǒng)。如ESD、SIS3.自動操縱及自動開停車系統(tǒng)(順序控制）

2、根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序自動對生產(chǎn)設(shè)備進行周期性操作的稱為自動操縱及自動開停車系統(tǒng)4.自動控制系統(tǒng)對生產(chǎn)過程進行監(jiān)控使其達到預(yù)期工藝要求的稱為自動控制系統(tǒng)DTCO 1-2自動控制系統(tǒng)的組成1自動化裝置的的三大功能（1）檢測 眼睛（2）運算（思考） 大腦（3）執(zhí)行 手2自動化裝置的三個部分（1）測量元件及變送器（眼睛及神經(jīng))（2）自動控制器（大腦分析發(fā)出指令）（3）執(zhí)行器（手動）DTCO 1-3自動控制系統(tǒng)按工藝過程進行分類1.模擬控制（定值） 要求控制系統(tǒng)使被控對象的工藝參數(shù)保持在一個生產(chǎn)指標(biāo)上不變2.隨動控制 要求所控制的工藝參數(shù)準(zhǔn)確、快速地跟隨給定值的變化3.順序控制 要求生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)按一定的時

3、間程序變化DTCO 第二章檢測儀表及傳感器關(guān)鍵詞：放大、轉(zhuǎn)換 2-1基本概念1、誤差誤差分為絕對誤差和相對誤差， 絕對誤差是測量的給出值與被測參數(shù)的真值之間的差值，公式表示為：=xixt （絕對誤差，xi指示值，xt 真實值）相對誤差是絕對誤差和這一點標(biāo)準(zhǔn)表的指示值之比：y= /x0 2、精度 精度= 3、變差 變差=4、分辨率5、線性度6、反應(yīng)時間DTCO max儀表量程X100% 正反行程最大絕對差值 儀表量程X100% 2-2主要工藝參數(shù)的檢測方法一、壓力 1、 公式： p=F/S 2、 單位：1pa（帕)=1N(牛）/m2（平方米）表1.doc 3、表壓和絕壓 P表壓=P絕對壓力P大氣

4、壓力 P真空度=P大氣壓力P絕對壓力 4、分類按測量壓力的轉(zhuǎn)換原理分四大類液柱式壓力計 如：U型管壓力計、單管壓力計、斜管壓力計彈性壓力計 如：彈簧管壓力計、波紋管壓力計、膜式壓力計電氣式壓力計 如：霍爾微壓傳感器、壓力變送器活塞式壓力計 根據(jù)水壓機液體傳送壓力的原理制成的校驗儀DTCO （1）、速度式流量計（1）節(jié)流裝置包括孔板、噴嘴和文丘管 Q=K*Sqr(P)節(jié)流裝置前后的壓力分布情況 節(jié)流裝置與差壓變送器連接 要使儀表的指示值與通過管道的實際流量相符，必須做到以下幾點 差壓變送器的差壓和顯示儀表流量標(biāo)尺選擇時應(yīng)與節(jié)流裝置孔徑匹配。在測量蒸汽和氣體流量時，遇到工作條件的密度p與設(shè)計時的密

5、度pc不相同，必須對示數(shù)進行修正。顯示儀表測量值(差壓信號)要經(jīng)開方運算線性化處理后再送顯示儀表。節(jié)流裝置應(yīng)正確安裝。接至差壓變送器的差壓應(yīng)該與節(jié)流裝置前后差壓相一致，這就需要正確安裝差壓信號管路。（如后面圖示） (2)靶式流量計FK*Q 靶式流量計示意圖 (3)轉(zhuǎn)子流量計轉(zhuǎn)子流量計示意圖 (4)渦輪流量計 渦輪流量計示意圖 (5)電磁流量計 電磁流量計工作原理圖 (6)旋渦流量計q=f/k 旋渦發(fā)生原理圖 (7)超聲波流量計t2Lv/c2超聲波測速原理圖 三、物位檢測及儀表測量兩相物料的分界面的位置，叫物位測量(例如測量氣相液相間分界面稱液體測量)，完成這種測量任務(wù)的儀表叫做物位計。按其工作

6、原理分類如下：直讀式物位儀表 如：玻璃管液位計、玻璃板液位計 差壓式物位儀表 利用液體或物料堆積對定點產(chǎn)生壓力的原理 浮力式物位儀表 利用浮子隨液位變化的原理 電磁式物位儀表 利用物位的變化轉(zhuǎn)換成電信號測量物位，有電阻式、電容式和電感式等 核輻射式物位儀表 利用核輻射透過物料其強度隨厚度變化的原理 聲波式物位儀表 利用物位變化引起聲阻抗的變化原理 光學(xué)物位儀表 利用物位對光波遮斷和反射的原理DTCO (1)差壓式液位計 利用靜壓原理來測量 靜壓式液位測量原理 液位測量的正遷移 常用物位檢測儀表 正遷移:當(dāng)差壓式液位計的取壓口低于儲槽底部 P1=PB+ hopg =PA+ hg +hog P2=

7、PA P=P1-P2= hg +hog液位測量的負遷移 負遷移:當(dāng)差壓式液位計的取壓口高于儲槽底部 P1=PA+ h1g +ho2g P2=PA +h12g P=P1一P2= h1g -（h1-ho）2g利用差壓式液位計還可以測量液體的分界面 P1=h02g+(h1+h2)1g P2=(h2+h1+h0)lg p=Pl-P2= 0g(2-1) 用差壓式液位計測分界面原理圖 P1=PA+hg P2=PA P=Pl-P2=hg 四、溫度檢測及儀表溫度是表征物體冷熱程度的物理量，根據(jù)測溫方式分為接觸式和非接觸式兩種 1、接觸式溫度測量儀表 膨脹式溫度計 利用熱脹冷縮原理，如玻璃管溫度計、雙金屬溫度計

8、 壓力式溫度計 根據(jù)封閉系統(tǒng)的液體、氣體受熱體積膨脹壓力升高的原理制成，再用壓力表測量壓力得到相對應(yīng)的溫度值 熱電偶溫度計 基于熱電效應(yīng)原理，適合500以上 熱電阻溫度計 利用金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的特性，適合500以下 2、非接觸式溫度測量儀表 輻射式光學(xué)高溫計 基于物體熱輻射作用 紅外線光學(xué)測溫儀 通過測量物體的紅外線強度測量溫度 熱電偶介紹(a)熱電偶熱電效應(yīng) EAB(，0)=EAB()一EAB (0) EAB(，0)=f()一C =() （b）熱電偶測溫回路工業(yè)常用熱電偶外形結(jié)構(gòu) 普通型熱電偶鎧裝熱電偶 多點式熱電偶隔爆型熱電偶表面型熱電偶 普通型熱電偶基本結(jié)構(gòu)圖 鎧裝熱電偶

9、 熱電阻分類金屬熱電阻 工業(yè)用熱電阻的結(jié)構(gòu)型式有普通型、皚裝型和專用型等型式 a)銅電阻 b)鉑電阻 c)電阻體的外肜 普通熱電阻結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體熱敏電阻a)珠形 b)棒形 c)管形 半導(dǎo)體熱敏電阻結(jié)構(gòu) 2-3二次儀表將檢測儀表及傳感器的信號進行轉(zhuǎn)化、顯示、控制、輸出的單一組合儀表統(tǒng)稱為二次儀表。具體由顯示儀表和控制儀表組成。二次儀表按信號分為氣動和電動兩大類： 國產(chǎn)氣動控制儀表有QDZ（膜片式） QDZ（波紋管式），采用20100KPa 氣動標(biāo)準(zhǔn)信號。電動顯示控制儀表有DDZ型（010mA），DDZ型（420mA）。進而發(fā)展成由微處理器完成上述功能的智能化顯示控制儀表，如無紙記錄儀、可編程回路控

10、制儀等。2-4執(zhí)行器接收控制器來的控制信號，改變被控介質(zhì)流量，達到對流量、壓力、溫度、液位、平衡等的控制的設(shè)備稱為執(zhí)行器。按動力形式分為氣動、電動、液動三大類 按作用方式分為調(diào)節(jié)閥和程控閥氣動調(diào)節(jié)閥：程控閥：電氣轉(zhuǎn)換器電氣閥門定位器執(zhí)行機構(gòu)控制閥門開度電信號電磁閥氣源液動（氣動）先導(dǎo)閥執(zhí)行機構(gòu)電信號控制閥門開關(guān)一、執(zhí)行機構(gòu) （一）氣動執(zhí)行機構(gòu) 氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)圖 (a)l一上膜蓋；2一波紋薄膜；3一下膜蓋；4一支架；5一推桿；6一壓縮彈簧；7一彈簧座；8一調(diào)節(jié)件；9一螺母；10行程標(biāo)尺(b)1一上膜蓋；2波紋薄膜；3一下膜蓋；4一密封膜片；5一密封環(huán)；6一填塊；7一支架；8一推桿；9一壓縮彈簧

11、；10一彈簧座；ll一襯套；12一調(diào)節(jié)件；13一行程標(biāo)尺 (1)薄膜式 傳統(tǒng)型(a）正作用 (b)反作用 側(cè)裝式氣動執(zhí)行機構(gòu) (a）正作用氣關(guān) (b)反作用氣開 側(cè)裝式氣動執(zhí)行機構(gòu) 輕型氣動執(zhí)行機構(gòu) 直行程反作用式 采用雙重彈簧的輕型執(zhí)行機構(gòu)圖 活塞式執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖 電動執(zhí)行機構(gòu)一般可以分為直行程、角行程、多轉(zhuǎn)式三種。 直行程電動執(zhí)行機構(gòu)通常用來推動單座、雙座、三通、套筒等控制閥。 角行程電動執(zhí)行機構(gòu)常用來推動蝶閥、球閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥等轉(zhuǎn)角式控制閥。 多轉(zhuǎn)式電動執(zhí)行機構(gòu)通常用于推動問閥或由執(zhí)行電動機帶動旋轉(zhuǎn)式的調(diào)節(jié)機構(gòu)，如各種泵等。 二、控制閥 （二）電動執(zhí)行機構(gòu) (2)活塞式（一）控制閥結(jié)構(gòu)

12、控制閥機構(gòu)示意 控制閥是一個局部阻力可以改變的節(jié)流元件 控制閥的正反作用 由于執(zhí)行機構(gòu)有正、反兩種作用方式，控制閥也有正、反兩種作用方式，因此就可以有四種組合方式組成氣開或氣關(guān)型式 氣動控制閥氣開、氣關(guān)組合方式圖 關(guān)鍵詞：靈活、可靠第三章計算機控制系統(tǒng) 3.1概述 計算機控制系統(tǒng)種類：DCS PLC FCS ESD SIS ITCC等 DCS：集散控制系統(tǒng) Distribution Control System PLC：可編程控制器 Programable Logic Control ESD：緊急停車系統(tǒng) Emergency ShouDown FSC：故障安全控制 Fault Saft Con

13、trol FCS：現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) Fieldbus Control System SIS：安全儀表系統(tǒng) safety instrument system ITCC:綜合透平壓縮機控制系統(tǒng) integrated turbinecompressor control systemDTCO 主要控制系統(tǒng)PLC、 DCS簡介 1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱ProgrammableController（PC）。個人計算機（簡稱PC）發(fā)展起來后，

14、為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器定名為ProgrammableLogicController（PLC） DCS是繼1969年P(guān)LC問世后，由HONEYWELL公司在1975年首先推出的系統(tǒng) DCS是分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System）的簡稱，國內(nèi)一般習(xí)慣稱為集散控制系統(tǒng)。它是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，綜合了計算機 （Computer）、通訊（Communication）、顯示（CRT）和控制（Control）等4C技術(shù)，其基本思想是分散控制、集中操作、分級 管理、配置靈活、組態(tài)方便。3.2 PL

15、C、DCS控制系統(tǒng)的特點和差異分析 PLC和DCS由于在早期開發(fā)時，是由兩種技術(shù)人員開發(fā)的，面向不同的控制對象。PLC主要針對于汽車制造，模擬量極少甚至沒有，開發(fā)人員主要是電氣技術(shù)人 員，它用計算機的邏輯運算代替繼電器邏輯。稍晚一點推向市場的是DCS，它是由原來的儀表技術(shù)人員開發(fā)的，它在運算放大器的基礎(chǔ)上用計算機的模擬運算代替 原來的模擬運算。這兩者所研究的內(nèi)容不同，DCS首先應(yīng)用在石化系統(tǒng)，后來兩者都想占有市場，PLC增加了模擬量的運算，DCS開發(fā)了邏輯運算。但兩者在 新開發(fā)的部分都存在有一些缺陷，PLC開發(fā)的模擬量運算功能塊少，編程較為復(fù)雜，價格也比較昂貴。DCS開發(fā)的邏輯運 算一個與非門

16、的運算需要幾十毫秒，而PLC只要零點幾毫秒。 DTCO 3.3DCS系統(tǒng)DCS系統(tǒng)組成：包括三大部分：帶I/O部件的控制器、通訊網(wǎng)絡(luò)和人機接口。人機接口包括操作站、工程師站和歷史站。控制器I/O部件和生產(chǎn)過程相聯(lián)接，操作站和人相聯(lián)系，通訊網(wǎng)絡(luò)把這兩部分聯(lián)成系統(tǒng)。DCS的設(shè)計思想：分散控制，集中管理DCS的特點： (1)高可靠性 由于DCS將系統(tǒng)控制功能分散在各臺計算機上實現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用容錯設(shè)計，因此某一臺計算機出現(xiàn)的故障不會導(dǎo)致系統(tǒng)其它功能的喪失。此外，由于系統(tǒng)中各臺計算機所承擔(dān)的任務(wù)比較單一，可以針對需要實現(xiàn)的功能采用具有特定結(jié)構(gòu)和軟件的專用計算機，從而使系統(tǒng)中每臺計算機的可靠性也得到提高

17、。 (2)開放性 DCS采用開放式、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化設(shè)計，系統(tǒng)中各臺計算機采用局域網(wǎng)方式通信，實現(xiàn)信息傳輸，當(dāng)需要改變或擴充系統(tǒng)功能時，可將新增計算機方便地連入系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)或從網(wǎng)絡(luò)中卸下，幾乎不影響系統(tǒng)其他計算機的工作。 (3)靈活性 通過組態(tài)軟件根據(jù)不同的流程應(yīng)用對象進行軟硬件組態(tài)，即確定測量與控制信號及相互間連接關(guān)系、從控制算法庫選擇適用的控制規(guī)律以及從圖形庫調(diào)用基本圖形組成所需的各種監(jiān)控和報警畫面，從而方便地構(gòu)成所需的控制系統(tǒng)。 (4)易于維護 功能單一的模塊華結(jié)構(gòu)，支持在線插拔，具有維護簡單、方便的特點，當(dāng)某一局部件出現(xiàn)故障時，可以在不影響整個系統(tǒng)運行的情況下在線更換，迅速排除故

18、障。 (5)協(xié)調(diào)性 各工作站之間通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送各種數(shù)據(jù)，整個系統(tǒng)信息共享，協(xié)調(diào)工作，以完成控制系統(tǒng)的總體功能和優(yōu)化處理。 (6)控制功能齊全 控制算法豐富，集連續(xù)控制、順序控制和批處理控制于一體，可實現(xiàn)串級、前饋、解耦、自適應(yīng)和預(yù)測控制等先進控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。 DCS的構(gòu)成方式十分靈活，可由專用的管理計算機站、操作員站、工程師站、記錄站、現(xiàn)場控制站和數(shù)據(jù)采集站等組成，也可由通用的服務(wù)器、工業(yè)控制計算機和可編程控制器構(gòu)成。 處于底層的過程控制級一般由分散的現(xiàn)場控制站、數(shù)據(jù)采集站等就地實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制，并通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)傳送到生產(chǎn)監(jiān)控級計算機。生產(chǎn)監(jiān)控級對來自過程控制級的

19、數(shù)據(jù)進行集中操作管理，如各種優(yōu)化計算、統(tǒng)計報表、故障診斷、顯示報警等。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，DCS可以按照需要與更高性能的計算機設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接來實現(xiàn)更高級的集中管理功能，如計劃調(diào)度、倉儲管理、能源管理等。 DTCO 可組態(tài)下拉菜單可組態(tài)工具條操作導(dǎo)航區(qū)報警畫面的調(diào)用登入不同的權(quán)限最近未確定的最緊急報警標(biāo)簽式顯示 組態(tài)畫面流程圖畫面3、4緊急停車系統(tǒng)ESD緊急停車系統(tǒng)ESD（emergency shutdown device）是一種獨立于生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的用于大型裝置的安全聯(lián)鎖保護系統(tǒng)。在正常情況下，通過安全保護系統(tǒng)實時在線監(jiān)測裝置的安全，當(dāng)裝置出現(xiàn)緊急情況時直接發(fā)出保護聯(lián)鎖信號對工藝流程實行

20、聯(lián)鎖保護或緊急停車。車，以避免危險擴散造成巨大損失。ESD系統(tǒng)是基于三重模塊冗余TMR（three moduleredund）結(jié)構(gòu)的容錯控制器。它將3 路（每路稱為一個分電路）相互隔離、并行的和具有廣泛的自診斷功能的控制系統(tǒng)集成為一個系統(tǒng)，用三取二表決電路來提供高度完善、無差錯、不間斷的過程操作，不會因為單點的故障而導(dǎo)致系統(tǒng)失效。第四章基本控制理論及專業(yè)特點4.1基本控制理論 1、PID控制的原理和特點 在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制 規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而 成為工

21、業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必 須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。 公式： p= Kp(e+ edt + Td ) 其中PID 參數(shù)為比例放大系數(shù)Kp、積分時間Ti、微分時間Td 1、比例參數(shù)Kp的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。2、積分作用參數(shù)Ti的一個最主要作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。Ti越大系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差消除的越快，。在控制系統(tǒng)的前

22、向通道中只要有積分環(huán)節(jié)總能做到穩(wěn)態(tài)無靜差。3、微分作用參數(shù)Td的作用是改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，其主要作用是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進行提前預(yù)報。1_Tide_dt2、簡單控制回路組成：測量元件、變送器、控制器、控制閥和被控對象方框圖其他復(fù)雜控制：串級控制、均勻控制、比值控制、前饋控制等控制器執(zhí)行器被控對象測量變送裝置給定值+偏差干擾被控變量COMPCPUSYNCCPUBUFFERCOMPCPUSYNCCPUBUFFER控制側(cè)備用側(cè)INPUTOUTPUTBUFFERBUFFER3、冗余容錯技術(shù)甲醇項目涉及的典型控制順序控制：加煤控制模擬控制：鍋爐汽包給水三沖量控制1、加煤控制煤粉貯存在煤粉貯倉中，當(dāng)煤粉鎖斗處于常壓狀態(tài)時，關(guān)閉煤粉鎖斗出口的下閥，打開煤粉鎖斗進口的上閥，使煤粉貯倉的煤粉自流進入煤粉鎖斗，料滿后關(guān)閉上閥，通入高壓氮氣加壓后打開下閥使煤粉自流進入煤粉給料倉中，卸完后關(guān)閉下閥，排出氮氣降至常壓，再循環(huán)上述過程。煤粉給料倉中的煤粉由管道通過高壓CO2送往氣化爐噴嘴。開始（原始狀態(tài)）打開鎖斗進口上閥打開鎖斗進口下閥鎖斗料滿否關(guān)閉鎖斗進口上閥鎖斗進口上