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儀表基礎培訓 1 化工自動化儀表基礎知識 工業(yè)儀表廣義概念 是為了工業(yè)生產(chǎn)服務的一類儀器儀表的統(tǒng)稱 按儀表的功能可分為檢測儀表 顯示儀表 報警儀表 調(diào)節(jié)儀表等 下面我們只對化工自動化儀表進行初步學習 1 什么是化工過程自動化 在化工設備上裝配儀表自動裝置 代替操作人員的全部或部分直接勞動 使生產(chǎn)在不同程度上實現(xiàn)自動的進行 這種管理生產(chǎn)過程的方法 就是化工生產(chǎn)自動化 2 化工過程自動化的作用 了解 改善勞動條件 減輕勞動強度 提高生產(chǎn)效率 提高產(chǎn)品產(chǎn)量與質量 提高裝置運行安全性 保證裝置使用壽命 儀表基礎培訓 2 二 化工過程自動化的分類 簡單介紹一下 1 自動檢測系統(tǒng)2 信號報警和聯(lián)鎖保護3 自動開停車運行4 自動控制系統(tǒng)其中自動控制系統(tǒng)能根據(jù)工藝條件的變化 對需要保持的重要工藝參數(shù)進行理想化得調(diào)節(jié)控制 是化工自動化的最重要的組成部分 我們通常說的過程自動化就是指自動控制系統(tǒng) 儀表基礎培訓 3 重點介紹 自動控制系統(tǒng)的構成 結合各單元的作用來介紹一下系統(tǒng)的構成 通常包含三部分 1 測量元件及變送器相當我們的眼睛 幫助我們了解設備當前的狀態(tài)2 控制器相當于大腦的功能 接受測量信息并對測量進行比較計算 并且把計算結果送到執(zhí)行器 3 執(zhí)行器手的功能 執(zhí)行指令 儀表基礎培訓 4 1 測量元件及變送器 工程上的幾個概念 一次元件 現(xiàn)場直接與工藝介質接觸的用于測量的機械元件 比如孔板 一次儀表 現(xiàn)場直接與工藝介質接觸的儀表 獨立完成測量顯示任務 如壓力表二次儀表 儀表示值信號不直接來自工藝介質 而是經(jīng)過變送器送來的 測量儀表按測量參數(shù)主要分溫度 壓力 液位 流量儀表 結合實際圖片 讓大家認識一下焦油加氫裝置區(qū)的一些測量儀表 儀表基礎培訓 5 溫度測量儀表 溫度是表征物體冷熱程度的物理量 溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量 溫度是工業(yè)過程中最常見 最基本的參數(shù)之一 物體的任何物理變化和化學變化都與溫度有關 溫度一般約占全部過程參數(shù)的50 左右 因此溫度檢測在工業(yè)生產(chǎn)中占有很重要的地位 常用的溫標有 攝氏溫標 華氏溫標 熱力學溫標 K 三種 儀表基礎培訓 6 常用的幾種溫度儀表 熱電偶 熱電阻 雙金屬溫度計 儀表基礎培訓 7 常用的幾種溫度儀表 熱電偶 熱電阻 雙金屬溫度計 儀表基礎培訓 8 雙金屬溫度計 測量原理 基于固體受熱膨脹原理 測量溫度通常是把兩片線膨脹系數(shù)差異相對很大的金屬片疊焊在一起 構成雙金屬片感溫元件當溫度變化時 因雙金屬片的兩種不同材料線膨脹系數(shù)差異相對很大而產(chǎn)生不同的膨脹和收縮 導致雙金屬片產(chǎn)生彎曲變形 圖中是雙金屬溫度計原理圖 儀表基礎培訓 9 右圖是雙金屬溫度計的一般結構 雙金屬溫度計的感溫雙金屬元件的形狀有平面螺旋型和直線螺旋型兩大類 其測溫范圍大致為 80 600 精度等級通常為1 5級左右 雙金屬溫度計抗振性好 讀數(shù)方便 但精度不太高 只能用做一般的工業(yè)用儀表 儀表基礎培訓 10 常用的幾種溫度儀表 熱電偶 熱電阻 雙金屬溫度計 儀表基礎培訓 11 熱電偶 測量原理 熱電偶的測溫原理基于熱電效應 將兩種不同的導體A和B連成閉合回路 當兩個接點處的溫度不同時 回路中將產(chǎn)生熱電勢 原因是兩熱電極由于材料不同而具有不同的自由電子密度 而熱電極接點接觸面處就產(chǎn)生自由電子的擴散現(xiàn)象 當達到動態(tài)平衡時 在熱電極接點處便產(chǎn)生一個穩(wěn)定電勢差 通過測量電勢差就可以間接的反應測量溫度 儀表基礎培訓 12 熱電偶的結構 熱電偶是工業(yè)和試驗中溫度測量應用最多的器件 它的特點是測溫范圍寬 可達 200 1600攝氏度 測量精度高 性能穩(wěn)定 結構簡單 且動態(tài)響應較好 輸出直接為電信號 可以遠傳 便于集中檢測和自動控制 在我們這套裝置中式應用最多的測溫儀表 普通工業(yè)用熱電偶熱電偶通常主要由四部分組成 如圖所示 熱電極 絕緣管 保護管和接線盒 儀表基礎培訓 13 熱電偶使用中需要注意的問題 熱電偶冷端溫度補償常用熱電偶的分度表以及顯示儀表 都是以熱電偶參考端的溫度為0 為先決條件的 但在實際測溫過程中 熱電偶的冷端溫度一般不能保持在0 也不易保持恒定 從而給測量帶來誤差 對于材質價格較低的熱電偶采用補償導線法 用熱電性質與熱電偶相近的材料制成導線 用它將熱電偶的冷端延長到需要的地方 而且不會對熱電偶回路引入超出允許的附加測溫誤差 儀表基礎培訓 14 常用的幾種溫度儀表 熱電偶 熱電阻 雙金屬溫度計 儀表基礎培訓 15 熱電阻 測量原理 根據(jù)金屬導體或半導體的電阻值隨溫度變化的性質 將電阻值的變化轉換為電信號 從而達到測溫的目的 用于制造熱電阻的材料 要求電阻率 電阻溫度系數(shù)要大 熱容量 熱慣性要小 電阻與溫度的關系最好近于線性 結構圖 儀表基礎培訓 16 壓力測量儀表 在工程上將垂直而均勻作用在單位面積上的力稱為壓力 單位 Pa 在壓力測量中 常有表壓力 絕對壓力 真空度或負壓之分 它們的關系如圖 絕對壓力 大氣壓 表壓力 絕對壓力零線 真空度 或負壓 儀表基礎培訓 17 壓力測量儀表 表壓 絕壓 當?shù)卮髿鈮赫婵斩?當?shù)卮髿鈮?絕壓因為工業(yè)設備或測量儀表通常都在大氣中 本身承受著大氣壓力 所以工程上通常都用表壓和真空度來衡量壓力的大小 如果不做特殊說明 以后提到的壓力都是指表壓或真空度 儀表基礎培訓 18 工程上由于地域和行業(yè)標準不同 常有很多不同壓力單位出現(xiàn) 它們之間的換算關系就要求大家掌握 1MPa 106Pa1kgf cm2 9 81 104Pa 0 1MPa1MPa 10kgf cm21bar 105Pa 0 1MPa 1kgf cm21mmH2O 9 81Pa1mmHg 13 6mmH2O 133 32Pal托 l 760標準大氣壓 133 32Pa 儀表基礎培訓 19 常用的壓力儀表 壓力變送器 壓力表 儀表基礎培訓 20 常用的壓力儀表 壓力變送器 壓力表 儀表基礎培訓 21 現(xiàn)場壓力表 工業(yè)上的壓力儀表有很多種 下面介紹一下最常見的彈性式壓力測量儀表 測量原理 它是利用各種彈性元件 在受壓力的條件下發(fā)生的彈性機械變形來測量的 彈性元件常用的有彈簧管 膜盒 波紋管 最常見的是彈簧管壓力表 儀表基礎培訓 22 彈簧管壓力表 彈簧管壓力表結構 主要彈性元件是一個弧度270度的空心彈簧管 其它的部件如圖 1彈簧管 2連 3扇形齒輪 4中心齒輪 5指針 6表盤 7游絲8調(diào)整螺釘 9接頭 彈簧管壓力表測量范圍較寬 負壓 微壓 低壓 中壓和高壓都可測量 且精度最高可達到0 15級 儀表基礎培訓 23 常用的壓力儀表 壓力變送器 壓力表 儀表基礎培訓 24 壓力變送器 壓力變送器是把現(xiàn)場壓力送到控制室的電氣式壓力儀表 它檢測出現(xiàn)場壓力數(shù)值后 轉換成標準的電壓或電流信號送到控制室用以顯示 記錄 控制 電氣式壓力變送器有很多型式 電阻式 電感式 電容式 壓阻式 壓電式 應變式 振頻式 霍爾式 電容式壓力變送器現(xiàn)在比較常用的 下面介紹一下它的原理 儀表基礎培訓 25 工作原理 位于傳感器中心的測量膜片是恒彈性元件 介質壓力通過隔離膜片和灌充油傳遞給中心測量膜片使之變形 位移 其位移量與兩側壓差成正比 位移量由傳感器兩側的電容極板檢測 經(jīng)電子電路轉換成與被測壓力 差壓成線性關系的二線制 4 20 mADC信號輸出 儀表基礎培訓 26 壓力變送器的應用 當今時代各行業(yè)應用的壓力變送器 其測量范圍很寬 從幾十帕的微壓到上百兆帕都可以測量 并且可以測量差壓 作為差壓式的液位計和流量計的使用 可以滿足各種苛刻工況的要求 能達到很好的防爆標準 且精度很高 很多品牌的壓力變送器精度可達千分之一 比較先進的智能壓力變送器 有專用的通訊協(xié)議 使用通訊器可進行在線組態(tài) 并且有故障自診斷功能 儀表基礎培訓 27 液位儀表 雙法蘭 浮筒液位計 直讀玻璃板液位計 儀表基礎培訓 28 液位的定義 首先說一下 物位 物位 一詞統(tǒng)指設備和容器中液體或固體物料的表面位置 對應不同性質的物料又有以下的定義 1 液位指設備和容器中液體介質表面的高低 2 料位指設備和容器中所儲存的塊狀 顆粒或粉末狀固體物料的堆積高度 3 界位指相界面位置 容器中兩種互不相溶的液體 因其重度不同而形成分界面 為液 液相界面 容器中互不相溶的液體和固體之間的分界面 為液 固相界面 液 液 液 固相界面的位置簡稱界位 物位是液位 料位 界位的總稱 對物位進行測量的儀表稱物位檢測儀表 下面介紹一下液體測量方面應用較多的儀表 儀表基礎培訓 29 直讀式現(xiàn)場液位儀表 直讀是現(xiàn)場液位儀表業(yè)有很多種 用的多的有玻璃板液位計 磁翻板液位計 玻璃板液位計是基于連通器原理工作的 內(nèi)部結構很簡單 只要與容器內(nèi)部介質相連就可以 磁翻板液位計是在連通器內(nèi)加一個磁浮漂與翻板內(nèi)磁力耦合 原理圖 液體 直讀液位計 儀表基礎培訓 30 液位儀表 雙法蘭 浮筒液位計 直讀磁翻板液位計 儀表基礎培訓 31 液位變送器 浮力式液位計依據(jù)阿基米德浮力定律原理設計而成的液位測量儀表 漂浮于液面上的浮子或浸沒在液體中的浮筒 在液位發(fā)生變化時其浮力發(fā)生相應的變化 這類液位檢測儀表有浮子式 浮球式 浮筒式 浮筒式液位計不但能測量液位 還可以應用于界位的測量 儀表基礎培訓 32 浮筒液位計的結構 當液位發(fā)生變化時 浮筒產(chǎn)生的位移量 即彈簧變形程度 與液位高度成正比 檢測彈簧變形有很多轉換方法 常用的有差動變壓器式 扭力矩力平衡式等 在浮筒的連桿上安裝一鐵心 并隨浮筒一起上下移動 通過差動變壓器使輸出電壓與位移成正比關系 也可將浮筒所收到的浮力通過扭力管達到力矩平衡 把浮筒的位移量變成扭力矩的角位移 進一步用其他轉換元件轉換為電信號 構成一個完整的液位計 儀表基礎培訓 33 壓力式液位變送器 工作原理 壓力式液位計是根據(jù)液體在容器內(nèi)的液位與液柱高度產(chǎn)生的靜壓力成正比的原理進行工作的 將壓力計與容器底部相連 根據(jù)流體靜力學原理 所測壓力與液位的關系為 P gh如果是密閉容器 可以用雙法蘭液位計 通過測量差壓換算成液位 所用到的壓力變送器在前面已經(jīng)介紹過了 不再重復 儀表基礎培訓 34 幾種常見的流量儀表 孔板電磁流量計轉子流量計 儀表基礎培訓 35 流量的測量 流量在單位時間內(nèi)通過管道或設備中某一通道截面的流動介質的數(shù)量 流量按體積計算的叫體積流量或容積流量 用Q表示 流量按質量計算的叫質量流量 用M表示 Q VAM QV 流體的平均流速A 管道的橫截面積 流體的密度g 當?shù)氐闹亓铀俣?儀表基礎培訓 36 幾種常見的流量儀表 孔板電磁流量計轉子流量計 儀表基礎培訓 37 節(jié)流式流量檢測儀表 節(jié)流式流量計基本原理 充滿管道的流體 當它流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流件時 如圖 流速將在節(jié)流件處形成局部收縮 因而流速增加 靜壓力降低 于是在節(jié)流件前后便產(chǎn)生了壓差 流體流量愈大 產(chǎn)生的壓差愈大 這樣可依據(jù)壓差來衡量流量的大小 這種測量方法是以流動連續(xù)性方程 質量守恒定律 和伯努利方程 能量守恒定律 為基礎的 壓差的大小不僅與流量還與其他許多因素有關 例如當節(jié)流裝置形式或管道內(nèi)流體的物理性質 密度 粘度 不同時 在同樣大小的流量下產(chǎn)生的壓差也是不同的 儀表基礎培訓 38 節(jié)流式流量計的構成 節(jié)流式流量計主要由節(jié)流裝置 信號管路 差壓變送器組成 節(jié)流裝置將被測流體的流量轉換成差壓信號 信號管路把差壓信號傳輸?shù)讲顗鹤兯推骰虿顗河?差壓計對差壓信號進行測量并顯示出來 差壓變送器將差壓信號轉換為與流量相對應的標準電信號或氣信號 通過顯示儀表進行顯示 記錄與控制 差壓變送器的工作原理在前面已經(jīng)闡述 1節(jié)流元件2導壓管3排放閥4平衡法5差壓變送器 儀表基礎培訓 39 幾種常見的流量儀表 電磁流量計 儀表基礎培訓 40 電磁流量計 電磁流量計原理 電磁流量計是利用法拉第電磁感應定律制成的一種測量導電液體體積流量的儀表 即導體在磁場中切割磁力線運動時在其兩端產(chǎn)生感應電動勢 導電性液體在垂直于磁場的非磁性測量管內(nèi)流動 與流動方向垂直的方向上產(chǎn)生與流量成比例的感應電勢 根據(jù)感應電動勢的大小來測量流量 儀表基礎培訓 41 容積式流量計 這種流量計的殼體內(nèi)裝有兩個轉子 直接或間接地相互嚙合 在流量計進口與出口之間的壓差作用下產(chǎn)生轉動 通過齒輪的旋轉 不斷地將充滿在齒輪與殼體之間的 計量空間 中的流體排出 通過測量齒輪轉動次數(shù) 可得到通過流量計的流體量 儀表基礎培訓 42 儀表基礎培訓 43 轉子流量計 金屬浮子流量計 儀表基礎培訓 44 轉子流量計 金屬浮子流量計 結構 轉子流量計由兩個部件組成 一是從下向上逐漸擴大的錐形管 另一件是置于錐形管中且可以沿管的中心線上下自由移動的轉子 測量原理 被測流體從錐形管下端流入 流體的流動沖擊著轉子 并對它產(chǎn)生一個作用力 這個力的大小隨流量大小而變化 當流量足夠大時 所產(chǎn)生的作用力將轉子托起 并使之升高 當被測流體流動時對轉子的作用力 正好等于轉子在流體中的重量時 稱為顯示重量 轉子受力處于平衡狀態(tài)而停留在某一高度 觀測轉子在錐形管中的位置高度 就可以求得相應的流量值 儀表基礎培訓 45 衡量測量儀表性能的參數(shù) 以上介紹的幾種儀表都是測量儀表 那怎樣衡量一塊儀表的好壞呢 通常一塊儀表有這些重要參數(shù) 1 量程儀表測量被測參數(shù)的最高值和最低值 分別稱為儀表測量的范圍的上限和下限 測量范圍的上限值和下限值的代數(shù)差即為儀表的量程 2 絕對誤差儀表的指示值與被測量的真值之間的代數(shù)差稱為儀表的絕對誤差 3 引用誤差儀表的絕對誤差與儀表量程的比值 稱為引用誤差 常用百分數(shù)表示 儀表基礎培訓 46 衡量測量儀表性能的參數(shù) 4 精度等級儀表在出廠檢驗時 其示值的最大引用誤差不能超過規(guī)定的允許值 此值稱為允許引用誤差 并規(guī)定允許引用誤差去掉 號后的數(shù)字來表示精度等級 5 分辨率是指儀表示值發(fā)生變化的最小輸入變化值 6 變差是當輸入量上升和下降時 對同一輸入值的儀表兩相應輸出示值之間的代數(shù)差 7 漂移保持儀表輸入量不變時 輸出示值隨時間或溫度的改變而緩慢變化稱為漂移 儀表基礎培訓 47 控制儀表 小型的氣動 電動控制器 分為擅長開關量邏輯控制的控制器 PLC 基于微處理器4C技術的集散系統(tǒng) DCS 基于總線通訊技術的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) FCS 我們這套工藝有一套集散控制系統(tǒng) 并且會有若干的小型的PLC 控制儀表的主要作用就是接受現(xiàn)場變送器送來的介質工況數(shù)據(jù) 再按設計的控制算法進行計算后 給現(xiàn)場調(diào)節(jié)閥一個對應的控制信號 使工藝參數(shù)能到達理想的狀態(tài) 同時可以把這些接受與送出的信號進行對應的顯示 記錄 報警等處理 儀表基礎培訓 48 DCS介紹 DCS DistributedControlSystem 集散控制系統(tǒng) 也有的稱為分布式控制系統(tǒng) DCS是計算機技術 控制技術和網(wǎng)絡技術高度結合的產(chǎn)物 能實現(xiàn)分散控制 集中管理 特點 有計算機控制系統(tǒng)控制算式先進 精度高 響應速度快的優(yōu)點 又有儀表控制系統(tǒng)安全可靠 維護方便的要求 基本軟 硬件組成 1 面向現(xiàn)場的控制站 硬件包括 機柜 電源模塊 控制器 I O通道模塊 1 控制器由CPU 數(shù)據(jù)輸入輸出通道 存儲器組成 負責過程數(shù)據(jù)的處理 傳送工作 I O通道模塊負責采集 轉換 傳遞現(xiàn)場檢測及控制的各種信號 儀表基礎培訓 49 軟件功能組成 1 將工廠過程數(shù)據(jù)進行采集并數(shù)字化 形成對應過程點數(shù)據(jù)庫的實時 2 可完成各種方式的控制方案 具備基本的算術運算及工廠過程復雜運算方法 3 通過網(wǎng)絡將控制站與操作站進行實時信息通訊 儀表基礎培訓 50 DCS控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡和硬件構成 外部信息網(wǎng) 操作站 過程控制網(wǎng)絡 I O單元 機柜 儀表基礎培訓 51 2操作員站 硬件 操作臺 主機及顯示器軟件功能 顯示全部的過程變量及有關參數(shù)操作所有控制回路的參數(shù) 如改變設定點 工作方式 回路輸出 調(diào)整PID參數(shù)等報警顯示過程流程圖顯示趨勢顯示 實時的和歷史的 報告和報表系統(tǒng)診斷報告 儀表基礎培訓 52 DCS控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡和硬件構成 外部信息網(wǎng) 操作站 過程控制網(wǎng)絡 I O單元 機柜 53 儀表基礎培訓 3連接各站點的信息網(wǎng)絡 硬件 網(wǎng)絡接口 交換機 網(wǎng)線 DCS系統(tǒng)主要的網(wǎng)絡 1 外部信息網(wǎng)以太網(wǎng) 管理層信息 歷史數(shù)據(jù)的保存等2 過程控制網(wǎng)工業(yè)標準通訊網(wǎng)絡 負責控制站與操作站間的實時通訊 拓撲形式通常有總線結構 星型結構 儀表基礎培訓 54 DCS控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡和硬件構成 外部信息網(wǎng) 操作站 過程控制網(wǎng)絡 I O單元 機柜 儀表基礎培訓 55 4工程師站硬件 通常是筆記本電腦軟件功能 工程功能的全部組態(tài) 簡單列舉幾個 1測量點及控制點的位號 量程 報警設置等 2流程圖的建立3控制方案的組建設定4報表輸出的建立5操作修改權限設定 儀表基礎培訓 56 機柜操作臺 儀表基礎培訓 57 機柜操作臺 儀表基礎培訓 58 執(zhí)行器 控制閥 執(zhí)行器起著十分重要的作用 是自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中不可缺少的組成部分 執(zhí)行器的作用是接受調(diào)節(jié)器送來的控制信號 自動的改變操縱量 達到對被調(diào)參數(shù)進行自動調(diào)節(jié)的目的 按動力源種類可分為電動 氣動 液動執(zhí)行器 我們裝置區(qū)的執(zhí)行器基本都是氣動執(zhí)行器 也就是通常說的氣動調(diào)節(jié)閥 儀表基礎培訓 59 氣動調(diào)節(jié)閥氣動切斷閥 儀表基礎培訓 60 氣動調(diào)節(jié)閥氣動切斷閥 儀表基礎培訓 61 調(diào)節(jié)閥工作原理及結構 如圖是常見的氣動薄膜調(diào)節(jié)閥 來自調(diào)節(jié)器的氣壓信號進入膜室后轉換成推力 通過推桿推動閥門 調(diào)節(jié)被控對象中的流量 調(diào)節(jié)閥的結構分為上部執(zhí)行機構與下部與介質接觸的閥門本體組成 儀表基礎培訓 62 過程控制的實現(xiàn) 介紹了測量儀表 有顯示功能的控制儀表 執(zhí)行器 那么工藝過程中是怎樣通過這些儀表實現(xiàn)控制的呢 首先需要了解這個概念 閉環(huán)控制就是反饋控制系統(tǒng) 由檢測變送單元作為反饋信號構成一個閉合回路 所以稱為閉環(huán)控制系統(tǒng) 過程控制采用的就是閉環(huán)控制系統(tǒng) 以下是一個簡單控制回路的構成框圖 儀表基礎培訓 63 給定值 被控變量的目標值 我們希望達到的理想值 偏差 被控變量與實際值之差 干擾 作用與對象并能一起被控變量變化的因素 可以看出 一個簡單的控制回路就是由一個測量變送器 一個控制器 一個執(zhí)行器 調(diào)節(jié)閥 和一個被控對象組成的有負反饋閉環(huán)回路 只要了解了單回路的構成 就很容易學習其他復雜回路的控制原理 因為復雜回路都是又簡單回路構成的 儀表基礎培訓 64 分程控制 分程控制是一種特殊的單回路 它的控制特點是整個回路只有一個控制器 它輸出的調(diào)節(jié)信號被分成若干段后 由兩個或多于兩個的執(zhí)行器 調(diào)節(jié)閥 來分段執(zhí)行 從而達到預期的控制目的 應用場合 1 擴大控制閥的可調(diào)范圍2 控制