工業(yè)自動化儀表與系統(tǒng)課件

工業(yè)自動化儀表與系統(tǒng)工業(yè)自動化儀表的分類常用工業(yè)自動化儀表的工作原理典型工業(yè)過程測控系統(tǒng)的構建一、工業(yè)自動化儀表的分類能源分類結構分類信號類型1、能源分類氣動儀表

特點：結構簡單、性能穩(wěn)定、可靠性高、價格便宜，且在本質上是安全防爆的。電動儀表

特點：信號的傳輸、放大、變換處理比氣動儀表容易，便于遠距離監(jiān)視和操作，還易于與計算機等現(xiàn)代技術工具聯(lián)用。液動儀表2、信號類型分類模擬式

特點：線路較簡單，操作方便，價格較低，在設計、制造、使用上有較成熟的經(jīng)驗。數(shù)字式

特點：以微型計算機為核心，功能完善，性能優(yōu)越，編程靈活。3、結構分類基地式控制儀表

以指示、記錄為主體，附加控制機構組成。單元組合式控制儀表

根據(jù)控制系統(tǒng)中各個組成環(huán)節(jié)的不同功能和使用要求，將整套儀表劃分成獨立實現(xiàn)某種功能的若干單元，各單元之間用統(tǒng)一的標準信號來聯(lián)系。組裝式綜合控制裝置在單元組合儀表的基礎上發(fā)展起來的一種功能分離、結構組件化的成套儀表裝置。集散控制系統(tǒng)

計算機控制裝置。特點“集中管理、分散控制?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

全分布式的新型控制網(wǎng)絡，特點”結構網(wǎng)絡化和全分散性，系統(tǒng)的開放性，現(xiàn)場儀表的互可操作性和功能自治性，以及對環(huán)境的適應性。二、常用工業(yè)自動化儀表的工作原理變送器調節(jié)器執(zhí)行器1、變送器概念：

將各種工藝變量和電氣信號轉換成相應的統(tǒng)一標準信號。包括測量部分（輸入轉換部分）、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轉換器、D/A轉換器、通信器件等組成。2、調節(jié)節(jié)器概念調節(jié)器接接收偏差差信號后后，按一一定的運運算規(guī)律律輸出控控制信號號，作用用于被控控對象，，以消除除擾動對對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。模擬調節(jié)節(jié)器采用模擬擬技術，，以運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形形式為連連續(xù)的模模擬信號號，其基基本結構構包括比較環(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)將被控變變量的測測量值與與設定值值進行比比較得到到偏差。。電動控控制器是是在輸入入電路中中進行電電壓或電電流信號號的比較較。反饋環(huán)節(jié)節(jié)控制器的的PID控制規(guī)規(guī)律是通通過反饋饋環(huán)節(jié)進進行的。。輸出的的電信號號通過電電阻和電電容構成成的無源源網(wǎng)絡反反饋到輸輸入端。。放大器放大器實實質上是是一個穩(wěn)穩(wěn)態(tài)增益益很大的的比例環(huán)環(huán)節(jié)。在在電動控控制器中中可采用用高增益益的集成成運算放放大器。。DDZ-Ⅲ型電電動單元元調節(jié)器器是模擬式式控制器器中較為為常見的的一種，，它以來來自變送送器或轉轉換器的的1～5V直流流測量信信號作為為輸入信信號，與與1～5V直流流設定信信號相比比較得到到偏差信信號，然然后對此此信號進進行PID運算算后，輸輸出1～～5V或或4～20mA直流控控制信號號，以實實現(xiàn)對工工藝變量量的控制制。整套儀表表可以構構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，實實現(xiàn)控制制室與危危險場所所之間的的能量限制和和隔離。。有軟、硬硬兩種手手動操作作方式，，軟手動動與自動動之間相相互切換換具有雙雙向無平平衡無擾擾動特性性，提高高了控制制器的操操作性能能。這是是因為在在自動與與軟手動動之間有有保持狀狀態(tài)，此此時控制制器輸出出可長期期保持不不變，所所以即使使有偏差差存在，，也能實實現(xiàn)無擾擾動切換換。采用國際際標準信信號制，，現(xiàn)場傳傳輸信號號為4～～20mA直流流電流，，控制室室聯(lián)絡信信號為1～5V直流電電壓，信信號電流流和電壓壓的轉換換電阻為為250Ω。由由于電氣氣零點不不是從零零開始，，因此容容易識別別斷電、、斷線等等故障。。信號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，，即進出出控制室室的傳輸輸信號為為直流電電流信號號（4～～20mA），，將此電電流信號號轉換成成直流電電壓信號號后，以以并聯(lián)形形式傳輸輸給控制制室各儀儀表?？刂破鞯牡墓ぷ鳡顮顟B(tài)有“自動””、“軟軟手動””、“硬硬手動””及“保持””四種。DDZ-Ⅲ型電電動單元元調節(jié)器器調節(jié)規(guī)規(guī)律１.比例例調節(jié)比例控制制的輸出出與輸入入的關系系為：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弱。。KP越越大，比比例控制制作用越越強。KP越越小，比比例控制制作用越越弱。特點：及及時、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會馬上與與偏差成成比例地地變化））２．比例例積分調調節(jié)比例積分分作用的的數(shù)學表表達式為為：只要存在在偏差，，積分控控制器的的輸出就就會不斷斷地隨時時間積分分而增大大，只有有當偏差差為零時時，控制制器才會會停止積積分，保保持在一一定的輸輸出值不不變。積分作用用的一個個重要優(yōu)優(yōu)點是能能夠消除除余差，，TI：積積分時間間，積分時間間是指在在階躍信信號作用用下，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)歷歷的時間間。積分時間間TI是是一個常常數(shù)，它它可以用用來表示示積分速速度的大大小和積積分作用用的強弱弱。３．比例例微分調調節(jié)比例微分分的輸出出與輸入入信號的的關系為為：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間ＴＴＤ成正正比。微微分作用用的強弱弱用微分分時間來來衡量。。微分時時間越長長，微分分作用越越強。（2）數(shù)數(shù)字調節(jié)節(jié)器包括主機機電路、、過程輸輸入通道道、過程程輸出通通道、人人機聯(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)字控制制器簡介介概述單回路數(shù)數(shù)字控制制器是以以微處理理機為核核心，接接收和輸輸出都可可以是4~20mADC標標準的、、連續(xù)的的電模擬擬量信號號；內部部處理信信號為數(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)字式式過程控控制裝置置。結構原理: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)行行機構和調節(jié)節(jié)機構組成，，執(zhí)行機構產(chǎn)產(chǎn)生推力或位位移的裝置，，調節(jié)機構直直接改變能量量或物料輸送送量的裝置，，通常稱調節(jié)節(jié)閥。電動執(zhí)行器（（角行程和直直行程）它將輸入的直直流電流信號號線性地轉換換成位移量。。均是以兩相相交流電機為為動力的位置置伺服機構，，兩者電氣原原理完全相同同，只是減速速器不一樣。。氣動執(zhí)行器（（薄膜式和活活塞式）接受電/氣轉轉換器輸出的的氣壓信號，，并將其轉換換為相應的推推桿直線位移移，以推動調調節(jié)機構工作作。（1）電動執(zhí)執(zhí)行器特點：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)行行器應用數(shù)量量不太多的單單位,更為為適宜;②動作靈敏、、精度較高、、信號傳輸速速度快、傳輸輸距離可以很很長，便于集集中控制;③在電源中斷斷時，電動執(zhí)執(zhí)行器能保持持原位不動，，不影響主設設備的安全;④與電動控制制儀表配合方方便，安裝接接線簡單;⑤成本較貴、、結構復雜、、維修麻煩，，并只能應用用于防爆要求求不太高的場場合。電動執(zhí)行器結結構：（2）氣動執(zhí)執(zhí)行器氣動執(zhí)行器是是由執(zhí)行機構構和控制機構構(閥)兩部部分組成。執(zhí)執(zhí)行機構是執(zhí)執(zhí)行器的推動動裝置，它按按控制信號壓壓力的大小產(chǎn)產(chǎn)生相應的推推力，推動控控制機構動作作，所以它是是將信號壓力力的大小轉換換成閥桿位移移的裝置?？乜刂茩C構是執(zhí)執(zhí)行器的控制制部分，它直直接與被控介介質接觸，控控制流體的流流量。所以它它是將閥桿的的位移轉換為為流過閥的流流量的裝置。。P：調節(jié)器的的輸出壓力信信號；A：：薄膜的有效效面積；K：：彈簧彈性系系數(shù)；L：執(zhí)執(zhí)行機構推桿桿位移氣動薄膜執(zhí)行行機構組成：：由彈性薄膜膜平衡彈簧和和推桿組成。。氣動執(zhí)行機構構按推桿位移移的方向有：：正作用形式：：如果當輸入入氣壓信號增增加時，推桿桿向下移動反作用形式：：當輸入氣壓壓信號增加時時，推桿向上上移動調節(jié)機構直接接與介質接觸觸，通過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構形式。。（1）直通單單座閥閥體內有一個個閥芯、一個個閥座，如圖圖（a）所示示。特點：結結構簡單，泄泄漏量小，易易于關閉，可可將流體完全全切斷。缺點點：流體流動動時產(chǎn)生的單單方向的不平平衡力大，尤尤其在高壓差差、大口徑時時，不平衡力力更大。適用用場合：它只只適用于低壓壓差的場合。。（2）直通雙雙座閥閥體內有兩個個閥芯和閥座座，如圖（b）所示。流流體從左側進進入，通過上上、下閥芯后后，再匯合在在一起，由右右側流出。特特點：流體流流過的時，作作用在上、下下兩個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。缺點點：受加工的的限制，上下下兩個閥芯閥閥座不易保證證同時關嚴，，泄漏量較大大。流通能力力較大大。適適用場合：適適用于低粘度度、不含纖維維、懸浮顆粒粒的潔凈介質質及高壓差、、高靜壓且允允許有泄漏的的場合。（3）角形閥閥（c）為角形形閥。它的閥閥體為直角形形，其他結構構與直通單座座閥相似。其其閥芯為單導導向結構，只只能正裝。特特點：角形閥閥的流路簡單單，阻力小，，適用場合：：適用于高壓壓差、高粘度度、含懸浮物物和顆粒狀物物質流體的控控制，可避免免堵塞和結焦焦，便于自凈凈和清洗。（4）三通閥閥有三個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。分流流閥是一進兩兩出，合流閥閥是兩進一出出。閥芯移動動時，流體一一路增加，另另一路減小。。但總量不變變。（3）液動執(zhí)行器在易燃易爆的的工作環(huán)境中中，常常使用用氣動執(zhí)行器器；而在大型型高壓壓縮機機控制系統(tǒng)中中常用液動執(zhí)執(zhí)行器。和氣氣動執(zhí)行器相相比,液動執(zhí)執(zhí)行器具有如如下特點：（1）控制制精度高、性性能好。（2）輸出出推力大。（3）響應應速度快。圖10-11電液伺服服控制系統(tǒng)（4）動作作平穩(wěn)、無振振蕩和噪音。。電液伺服控制制系統(tǒng)（4）控制閥的流量量特性概念：是指流體通過過閥門的相對對流量，與閥閥門相對開度度之間的關系系，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開度度與相對流量量間成直線關關系，直線流流量特性的控控制閥在小開開度時，其相相對流量變化化大，控制作作用太強，易易引起超調，，產(chǎn)生振蕩；；而在大開度度工作時，其其相對流量的的變化小，控控制作用太弱弱，會造成控控制作用不夠夠及時。因此此，在使用直直線流量特性性的控制閥時時，應盡量避避免控制閥工工作在此區(qū)域域內。（2）等百百分比（對數(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位移變化化所引起的相相對流量變化化與該點的相相對流量成正正比。等百分分比流量特性性控制閥相對對流量和相對對行程的關系系是非線性的的，相對開度度較小時，流流量變化較小?。辉谙鄬﹂_開度較大時，，流量變化較較大。因此它它在全行程范范圍內相對流流量的百分比比變化率相同同。所以控制制過程平穩(wěn)，，適用范圍較較廣，更適用用于負荷變化化大的工藝對對象。（3）快開開流量特性這種流量特性性在小開度時時流量就比較較大，隨著開開度的增大，，流量很快達達到最大，故故稱為快開流流量特性。（5）控制閥閥氣開、氣關關形式氣開閥是指輸入氣壓壓信號p＞0.02Mpa時，控制制閥開始打開開，也就是說說“有氣”時時閥打開。當當輸入氣壓信信號p=0.1Mpa時時，控制閥全全開。當氣壓壓信號消失或或等于0.02Mpa時時，控制閥處處于全關閉狀狀態(tài)。氣關閥是指輸入氣壓壓信號p＞0.02Mpa時，控制制閥開始關閉閉，也就是說說“有氣”時時閥關閉。當當p=0.1Mpa時，，控制閥全關關。當氣壓信信號消失或等等于0.02Mpa時，，控制閥處于于全開狀態(tài)。。執(zhí)行機構有正正、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，實現(xiàn)控控制閥氣開、、氣關有四種種組合：（a）氣關（（b）氣氣開c）氣開開（（d）氣關閥的氣源信號號發(fā)生故障或或控制系統(tǒng)某某環(huán)節(jié)失靈時時，閥處于全全開的位置安安全，還是處處于全關的位位置安全，要要由具體的生生產(chǎn)工藝來決決定。選擇原原則：（（1）首首先要從生產(chǎn)產(chǎn)安全出發(fā)，，即當氣源供供氣中斷，或或控制器出故故障而無輸出出，或控制閥閥膜片破裂而而漏氣等而使使控制閥無法法正常工作以以致閥芯回復復到無能源的的初始狀態(tài)（（氣開閥回復復到全關，氣氣關閥回復到到全開），應應能確保生產(chǎn)產(chǎn)工藝設備的的安全，不致致于發(fā)生事故故。

（2））從保證產(chǎn)品品質量出發(fā)，，當發(fā)生控制制閥處于無能能源狀態(tài)而回回復到初始位位置時，不應應降低產(chǎn)品的的質量。（（3）從降低低原料、成品品、動力消耗耗來考慮。（（4）從介介質的特點考考慮。三、典型工業(yè)業(yè)過程測控系系統(tǒng)的構建簡單控制系統(tǒng)統(tǒng)復雜控制系統(tǒng)統(tǒng)串級控制系統(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、簡單控制制系統(tǒng)是指由一個受受控對象、一一個測量變送送器、一個控控制器和一個個執(zhí)行機構（（控制閥）所所組成的閉環(huán)環(huán)控制系統(tǒng)。。對象控制器器執(zhí)行器測量量變送裝置干干擾被控變量量給定值偏差差2、復雜控制制系統(tǒng)串級控制系統(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)方框框圖串級控制系統(tǒng)統(tǒng)方框圖串級控制系統(tǒng)統(tǒng)的作用1.改善了了對象特征，，起了超前控控制的作用2.改善了了對象動態(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)，增增強了抗干擾擾能力4.具有一一定的自適應應能力，適應應負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，，能隨主流流量的變化化而變化，