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)場總線和現(xiàn)場總線控制系統(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。

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

檢測儀表根據(jù)其被測變量不同，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.測量儀表的準(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）是儀表被測變量在外界條件不變的情況下，在被測參數(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)測量儀表的變差規(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.測量點(diǎn)測量點(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)測量點(diǎn)引到一臺(tái)復(fù)式儀表上，而兩個(gè)測點(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、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)按被測變量進(jìn)行分類，即同一個(gè)裝置（或工段）的相同被測變量的儀表位號(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；但如果測量噪聲較大，則應(yīng)先對(duì)測量信號(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：簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(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?？刂品綁K圖如下：主調(diào)節(jié)器執(zhí)行器副對(duì)象主測量、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，