化工儀表及自動(dòng)化(公共課-2)

儀表專業(yè)知識(shí)培訓(xùn)課件（公共課-2）化工儀表與自動(dòng)化2013年10月10日主要內(nèi)容一、概述二、儀表基礎(chǔ)知識(shí)三、常用儀表、控制圖形符號(hào)四、自動(dòng)控制系統(tǒng)五、集散型控制系統(tǒng)一、概述1：化工自動(dòng)化的發(fā)展情況20世紀(jì)40年代以前絕大多數(shù)化工生產(chǎn)處于手工操作狀況，操作工人根據(jù)反映主要參數(shù)的儀表指示情況，用人工來改變操作條件，生產(chǎn)過程單憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行。低效率，花費(fèi)龐大。20世紀(jì)50年代到60年代人們對(duì)化工生產(chǎn)各種單元操作進(jìn)行了大量的開發(fā)工作，使得化工生產(chǎn)過程朝著大規(guī)模、高效率、連續(xù)生產(chǎn)、綜合利用方向迅速發(fā)展。

20世紀(jì)70年代以來

化工自動(dòng)化技術(shù)水平得到了很大的提高。20世紀(jì)70年代

計(jì)算機(jī)開始用于控制生產(chǎn)過程，出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代末至90年代

現(xiàn)場(chǎng)總線和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展。2：化工自動(dòng)化的意義及目的

加快生產(chǎn)速度、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量。減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、改善勞動(dòng)條件。能夠保證生產(chǎn)安全，防止事故發(fā)生或擴(kuò)大，達(dá)到延長設(shè)備使用壽命，提高設(shè)備利用率、保障人身安全的目的。生產(chǎn)過程自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)，能根本改變勞動(dòng)方式，提高工人文化技術(shù)水平，以適應(yīng)當(dāng)代信息技術(shù)革命和信息產(chǎn)業(yè)革命的需要。二、儀表基礎(chǔ)知識(shí)1：儀表的分類：

檢測(cè)與過程控制儀表（通常稱自動(dòng)化儀表）分類方法很多，根據(jù)不同原則可以進(jìn)行相應(yīng)的分類。例如：（1）按儀表所使用的能源分類：分為氣動(dòng)儀表、電動(dòng)儀表、液動(dòng)儀表；（2）按儀表組合形式分類：分為基地式儀表、單元組合儀表、綜合控制裝置；（3）按儀表安裝形式分類：分為現(xiàn)場(chǎng)儀表、盤裝儀表、架裝儀表；

（4）按儀表是否引入微處理器分類：分為智能儀表、非智能儀表；（5）按儀表信號(hào)形式分類：分為模擬儀表、數(shù)字儀表。

檢測(cè)與過程控制儀表最通用的分類是按儀表在測(cè)量與控制系統(tǒng)中的作用進(jìn)行劃分的，一般分為檢測(cè)儀表、顯示儀表、調(diào)節(jié)（控制）儀表、執(zhí)行器等四大類。

檢測(cè)儀表根據(jù)其被測(cè)變量不同，根據(jù)化工生產(chǎn)五大參量又可分為溫度、流量、壓力、物位、分析儀表。12：儀表主要性能指標(biāo)

準(zhǔn)確度是指測(cè)量值與實(shí)際值的一致程度。習(xí)慣上又稱為精確度或精度。是儀表基本誤差的最大允許值。

準(zhǔn)確度等級(jí)是儀表按準(zhǔn)確度高低分成的等級(jí)，習(xí)慣上又稱為精確度等級(jí)或精度等級(jí)。儀表的精度等級(jí)是根據(jù)引用誤差來劃分的。2.1.測(cè)量?jī)x表的準(zhǔn)確度（精確度）

因此影響儀表精度的主要因素是：說明：儀表的測(cè)量誤差可以用絕對(duì)誤差Δ來表示。但是，儀表的絕對(duì)誤差在測(cè)量范圍內(nèi)的各點(diǎn)不相同。因此，常說的“絕對(duì)誤差”指的是絕對(duì)誤差中的最大值Δmax。

兩大影響因素絕對(duì)誤差和儀表的量程范圍

儀表的引用誤差越大，表示它的精確度越低；反之，儀表的引用誤差越小，表示儀表的精確度越高。將儀表的引用誤差去掉“±”號(hào)及“％”號(hào)，便可以用來確定儀表的精確度等級(jí)。目前常用的精確度等級(jí)有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。小結(jié)2.2、變差

變差（也叫回差）是儀表被測(cè)變量在外界條件不變的情況下，在被測(cè)參數(shù)由小到大的正行程和由大到小的反行程中，對(duì)同一個(gè)參數(shù)卻指示出不同的數(shù)值，兩讀數(shù)只差即稱為該點(diǎn)的變差。

變差=｜上行程示值–下行程示值｜

造成變差的原因很多：如傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間隙過大、運(yùn)動(dòng)部件的摩擦、彈性元件的滯后的影響等。

工業(yè)測(cè)量?jī)x表的變差規(guī)定不得超過該儀表本身的精確度等級(jí)，否則應(yīng)予以檢修。

2.3、靈敏度

靈敏度是表達(dá)儀表對(duì)被測(cè)參數(shù)變化的靈敏程度。它是指儀表達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)以后，其輸出增量與輸入增量之比。比值越大，儀表越靈敏。三、常用儀表、控制圖形符號(hào)1：圖形符號(hào)1.1.測(cè)量點(diǎn)測(cè)量點(diǎn)是由過程設(shè)備或管道符號(hào)引導(dǎo)儀表圓圈的連接引線的起點(diǎn)，一般無特定的圖形符號(hào)，如圖1-2-1（a)所示。

若測(cè)量點(diǎn)位于設(shè)備中的位置時(shí)，可在引線的起點(diǎn)加一個(gè)直徑為2mm的小圓圈或加虛線，如圖1-2-1（b)所示。

1.2.連接線圖形符號(hào)

儀表圓圈與過程測(cè)量點(diǎn)的連接引線，通用的儀表信號(hào)線和能源線的符號(hào)是細(xì)實(shí)線。當(dāng)通用儀表信號(hào)線為細(xì)實(shí)線可能造成混淆時(shí)，通用信號(hào)線符號(hào)可在細(xì)實(shí)線上加斜短劃線（斜短劃線與細(xì)實(shí)線成45°角）。11.3.儀表圖形符號(hào)

儀表圖形符號(hào)是直徑為12mm（或10mm）的細(xì)實(shí)線圓圈。儀表位號(hào)的字母或阿拉伯?dāng)?shù)字較多，圓圈內(nèi)不能容納時(shí)，可以斷開。如圖1-2-2（a)所示，處理兩個(gè)或多個(gè)變量，或處理一個(gè)變量但有多個(gè)功能的復(fù)式儀表，可用相切的儀表圓圈表示，如圖1-2-2（b)所示。當(dāng)兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)引到一臺(tái)復(fù)式儀表上，而兩個(gè)測(cè)點(diǎn)在圖紙上距離較遠(yuǎn)或不在同一張紙上，則分別用兩個(gè)相切的實(shí)線圓圈和虛線圓圈表示，如圖1-2-2（c)所示。

分散控制系統(tǒng)（又稱集散型控制系統(tǒng)DCS）儀表圖形符號(hào)是直徑為12mm（或10mm）的細(xì)實(shí)線圓圈，外加與圓圈相切的細(xì)實(shí)線方框，如圖1-2-3（a）所示。作為分散控制系統(tǒng)一個(gè)部件的計(jì)算機(jī)功能圖形符號(hào)，是對(duì)角線長為12mm（或10mm）細(xì)實(shí)線六邊形，如圖1-2-3（b）所示。分散控制系統(tǒng)內(nèi)部連接的可編程序邏輯控制器（即PLC）功能圖形符號(hào)，如圖1-2-3（c）所示。1.4.表示儀表安裝位置圖形符號(hào)1.5.控制閥體圖形符號(hào)、風(fēng)門圖形符號(hào)1.6.執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖形符號(hào)1.7.執(zhí)行機(jī)構(gòu)能源中斷時(shí)控制位置的圖形符號(hào)注：上述圖形符號(hào)中，若不用箭頭、橫線表示，也可以在控制閥體下部標(biāo)注下列縮寫詞：

FO-----能源中斷時(shí)閥門打開

FC-----能源中斷時(shí)閥門關(guān)閉

FL-----能源中斷時(shí)閥門保持原位

FI-----能源中斷時(shí)閥門在任意位置

2：字母代號(hào)2.1.被測(cè)變量和儀表功能的字母代號(hào)2.2.儀表位號(hào)（TAG)：2.2.1.儀表位號(hào)組成

在檢測(cè)、控制系統(tǒng)中，構(gòu)成一個(gè)回路的每個(gè)儀表（或元件）都應(yīng)有自己的儀表位號(hào)。儀表位號(hào)由字母代號(hào)組合和回路編號(hào)兩部分組成。儀表位號(hào)中，第一個(gè)字母表示被測(cè)變量，后續(xù)字母表示儀表的功能；回路編號(hào)可以按裝置或工段（區(qū)域）進(jìn)行編制，一般用三至五位數(shù)字表示。如下圖所示：

T

RC–1

01

序號(hào)（一般用兩位數(shù)字，也可用三位數(shù)字）

工序代號(hào)（可以一位，也可以用兩位數(shù)字）

功能字母代號(hào)（記錄、調(diào)節(jié)控制）

被測(cè)變量字母代號(hào)（溫度）2.2.2.分類與編號(hào)

儀表位號(hào)按被測(cè)變量進(jìn)行分類，即同一個(gè)裝置（或工段）的相同被測(cè)變量的儀表位號(hào)中數(shù)字編碼是連續(xù)的，但允許中間有空號(hào)；不同被測(cè)變量的儀表位號(hào)不能連續(xù)編號(hào)。如果同一個(gè)儀表回路中有兩個(gè)以上具有相同功能的儀表，可用儀表位號(hào)后附加尾綴（大寫英文字母）加以區(qū)別，例如：PT-202A、PT-202B表示同一回路內(nèi)的兩臺(tái)變送器等。2.2.3.帶控制點(diǎn)流程圖和儀表系統(tǒng)圖上表示方法

儀表位號(hào)表示方法是：字母代號(hào)填寫在圓圈上半圈中，回路編號(hào)填寫在圓圈下半圈中。集中儀表盤面安裝儀表，圓圈中有一橫，如下圖（a)中所示，就地安裝儀表中間沒有一橫，如下圖（b)中所示。

TRCTI

（a)101

101(b）

在帶控制點(diǎn)流程圖上表示方法

根據(jù)圖形符號(hào)、文字代號(hào)以及儀表位號(hào)表示方法，可繪制儀表系統(tǒng)圖，見表1-2-14所示：四、自動(dòng)控制系統(tǒng)1：控制系統(tǒng)的原理及組成

自動(dòng)控制系統(tǒng)由被控對(duì)象、檢測(cè)元件（包括變送器）、控制器和調(diào)節(jié)閥等四部分組成。自動(dòng)控制系統(tǒng)組成方塊圖如下圖：控制器控制閥對(duì)象測(cè)量元件變送器給定值偏差控制器輸出操縱變量被控變量測(cè)量值干擾作用SVPV-SVMVPV人工操作圖液位自動(dòng)控制圖人工操作與自動(dòng)控制比較圖控制速度和精度不能滿足大型現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要

2：控制系統(tǒng)中常用的名詞術(shù)語

被控對(duì)象：自動(dòng)控制系統(tǒng)中，工藝參數(shù)需要控制的生

產(chǎn)過程、設(shè)備或機(jī)器等。

被控變量:

被控對(duì)象內(nèi)要求保持設(shè)定數(shù)值的工藝

參數(shù)。操縱變量:

受控制器操縱的，用以克服干擾的影

響，使被控變量保持設(shè)定值的物料量

或能量。

擾動(dòng)量：除操縱變量外，作用于被控對(duì)象并引

起被控變量變化的因素。

設(shè)定值：被控變量的預(yù)定值。

偏差：被控變量的設(shè)定值與實(shí)際值之差。

3：控制系統(tǒng)的分類3.1.開環(huán)控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的輸出信號(hào)（被控變量）不反饋到系統(tǒng)的輸入端，因而也不對(duì)控制系統(tǒng)作用產(chǎn)生影響的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。如右圖（a)所示：3.2.閉環(huán)控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的輸出（被控變量）通過測(cè)量變送環(huán)節(jié)，又返回到系統(tǒng)的輸入端，與給定信號(hào)比較，以偏差的形式進(jìn)入控制器，對(duì)系統(tǒng)起控制作用，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)封閉的反饋回路，這種控制系統(tǒng)被稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，或稱為反饋控制系統(tǒng)。如右圖（c) 所示：

4：基本控制規(guī)律基本控制規(guī)律比例控制（P）積分控制（I）微分控制（D）1常用的控制規(guī)律比例控制（P）比例積分控制（PI）比例微分控制（PD）比例積分微分控制（PID）5：控制器參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響及控制規(guī)律的選擇5.1.常用的幾種控制規(guī)律

位式控制適用于對(duì)控制質(zhì)量要求不高，被控對(duì)象是單容量的、且容量較大、滯后較小、負(fù)荷變化不大也不太激烈，工藝允許被控變量波動(dòng)范圍較寬的場(chǎng)合。

比例控制

優(yōu)點(diǎn)：比例控制克服干擾能力強(qiáng)、控制及時(shí)、過渡時(shí)間短。缺點(diǎn)：在過渡過程終了時(shí)存在余差適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝允許被控變量存在余差的場(chǎng)合。

比例微分控制優(yōu)點(diǎn)：利用微分超前的作用，在被控對(duì)象具有較大滯后的場(chǎng)合下，將會(huì)有效地改善擔(dān)制質(zhì)量。缺點(diǎn)：有可能會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，嚴(yán)重時(shí)使系統(tǒng)失控而發(fā)生事故。

比例積分微分控制比例積分微分控制綜合了比例、積分、微分控制規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)。適用于容量滯后較大、負(fù)荷變化大、控制要求高的場(chǎng)合。

比例積分控制優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)在過渡過程結(jié)束時(shí)無余差缺點(diǎn)：系統(tǒng)的超調(diào)量、振蕩周期都會(huì)相應(yīng)增大，過渡時(shí)間也會(huì)相應(yīng)增加。適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝不允許被控變量存在余差的場(chǎng)合。

●控制器增益Kc或比例度δ:

增益Kc的增大（或比例度δ下降），使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用增強(qiáng)，但穩(wěn)定性下降；●積分時(shí)間Ti

積分作用的增強(qiáng)（即Ti下降），使系統(tǒng)消除余差的能力加強(qiáng)，但控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降；●微分時(shí)間Td

微分作用增強(qiáng)（即Td增大），可使系統(tǒng)的超前作用增強(qiáng)，穩(wěn)定性得到加強(qiáng)，但對(duì)高頻噪聲起放大作用，主要適合于特性滯后較大的廣義對(duì)象，如溫度對(duì)象等。5.2.PID參數(shù)對(duì)控制性能的影響5.3.工業(yè)PID控制器的選擇*1：當(dāng)工業(yè)對(duì)象具有較大的滯后時(shí)，可引入微分作用；但如果測(cè)量噪聲較大，則應(yīng)先對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行一階或平均濾波。5.4.控制器正、反作用的選擇：●保證整個(gè)控制系統(tǒng)形成負(fù)反饋?！裨诳刂葡到y(tǒng)中，控制器、被控對(duì)象、測(cè)量元件及執(zhí)行器都有各自的作用方向，一般被控對(duì)象、測(cè)量元件及執(zhí)行器的作用方向是固定的，因此為了使系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋，應(yīng)對(duì)控制器的正反作用進(jìn)行調(diào)整。

所謂作用方向，就是指輸入變化后，輸出的變化方向。當(dāng)輸入增加時(shí)，輸出也增加，則稱該環(huán)節(jié)為“正作用”方向；反之，當(dāng)環(huán)節(jié)的輸人增加時(shí)，輸出減小，則稱該環(huán)節(jié)為“反作用”方向。何謂“正”、“反”作用？控制器正反作用選擇的基本原則:5.5.控制器正反作用選擇的步驟●

判斷被控對(duì)象的正反作用方向，由工藝機(jī)理確定；●判斷執(zhí)行器的正反作用方向，由工藝安全條件選定，其選擇原則是：控制信號(hào)中斷時(shí)，應(yīng)保證設(shè)備和操作人員的安全；●確定廣義對(duì)象的正反作用方向，一般測(cè)量變送環(huán)節(jié)為正作用方向，根據(jù)被控對(duì)象和執(zhí)行器的作用方向，確定廣義對(duì)象的正反作用方向；●確定控制器的正反作用方向，廣義對(duì)象正作用方向，則控制器應(yīng)選擇為反作用，反之亦然。被控變量控制器執(zhí)行器被控對(duì)象測(cè)量變送環(huán)節(jié)干擾偏差設(shè)定值＋－廣義對(duì)象控制器正、反作用的選擇原則：使整個(gè)單回路構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)---乘積為負(fù)。

控制閥：氣開式為“＋”，氣關(guān)式為“-”；控制器：正作用為“＋”，反作用為“-”；被控對(duì)象：物料或能量增加時(shí)，被控參數(shù)隨之增加為“＋”，隨之減少為“-”；變送器：一般為“＋”；

控制器正、反作用選擇的判別式：

(控制器“±”)(控制閥“±”)(對(duì)象“±”)=“-”燃料氣TC加熱爐出口溫度控制5.6.控制器正反作用選擇的實(shí)例:液位控制6：簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)又稱反饋控制系統(tǒng)。是指由一個(gè)被控對(duì)象、一個(gè)測(cè)量變送器、一個(gè)控制器和一臺(tái)調(diào)節(jié)閥所組成的單回路比和控制系統(tǒng)?？刂品綁K圖如下：簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)圖例液位控制系統(tǒng)

溫度控制系統(tǒng)7：幾種常見的復(fù)雜控制系統(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)前饋控制系統(tǒng)選擇控制系統(tǒng)三沖量控制系統(tǒng)7.1.串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)是由其結(jié)構(gòu)上的特征而得名的。它是由主、副兩個(gè)調(diào)節(jié)器串接工作的。主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器的輸出去操縱調(diào)節(jié)閥，以實(shí)現(xiàn)對(duì)主變量的定值控制。控制方塊圖如下：主調(diào)節(jié)器執(zhí)行器副對(duì)象主測(cè)量、變送給定值干擾作用副調(diào)節(jié)器主對(duì)象干擾作用副測(cè)量、變送副對(duì)象主對(duì)象7.2.分程控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)就是一個(gè)調(diào)節(jié)器同時(shí)控制兩個(gè)或者兩個(gè)以上的調(diào)節(jié)閥，每一個(gè)調(diào)節(jié)閥根據(jù)工藝的要求在調(diào)節(jié)器輸出的一段信號(hào)范圍內(nèi)動(dòng)作。分程控制系統(tǒng)的主要目的：

擴(kuò)大可調(diào)范圍。正因?yàn)槟軘U(kuò)大可調(diào)范圍，所以能滿足特殊調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求。如：⑴改善調(diào)節(jié)品質(zhì)，改善調(diào)節(jié)閥的工作條件。⑵滿足開停車時(shí)小流量和正常生產(chǎn)時(shí)的大流量的要求，使之都能有較好的調(diào)節(jié)質(zhì)量。⑶滿足正常生產(chǎn)和事故狀態(tài)下的穩(wěn)定性和安全性。7.3.比值控制系統(tǒng)

比值控制系統(tǒng)（流量比值控制系統(tǒng)）即為實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或者兩個(gè)以上的參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)。

主要變量包括主動(dòng)量（主流量）和從動(dòng)量（副流量）。需要保持比例關(guān)系的兩種物料中，稱為主導(dǎo)地位的物料稱為主動(dòng)量（主流量）；按主動(dòng)量進(jìn)行配比變化的物料，在控制過程中隨主物料而變化，稱為從動(dòng)量（副流量）。FCKF2CKF1C五、集散型控制系統(tǒng)1：什么是集散控制系統(tǒng)

集散控制系統(tǒng)（集中分散型綜合控制系統(tǒng)）是集計(jì)算機(jī)技術(shù)（Computer）、通訊技術(shù)（Communication）、控制技術(shù)（Control）和CRT顯示技術(shù)于一體的綜合性高技術(shù)控制裝置，