第三章 過程控制儀表與裝置

1、第三章 過程控制儀表與裝置教學(xué)要求：掌握基本控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表示形式掌握基本控制規(guī)律對過渡過程的影響 掌握氣動、電動執(zhí)行器的組成和特點了解 DDZ-控制器的組成及特性 掌握工作流量特性和理想流量特性掌握執(zhí)行器的選型、氣開氣閉方式的選擇 了解可編程控制器的編程方法了解可編程控制器的組成、工作過程重 點：基本控制規(guī)律對過渡過程的影響理想流量特性執(zhí)行器氣開、氣閉方式的選擇難 點：基本控制規(guī)律對過渡過程的影響 直線流量特性分析執(zhí)行器氣開、氣閉方式的正確選擇.1 概述一、過程控制儀表與裝置的分類和特點控制儀表-控制器、執(zhí)行器、運算器以及可編程控制器等。按所用能源分類：氣動、電動、液動等。電動儀表和氣動儀表

2、應(yīng)用的最多。按信號類型分類：模擬式和數(shù)字式兩種。氣動控制儀表的特點。電動控制儀表的特點。模擬式 傳輸信號通常為連續(xù)變化的模擬量，其線路簡單，操作方便，價格較低模擬式儀表：基地式單元組合式組件組裝式儀表數(shù)字式 傳輸信號為斷續(xù)變化的數(shù)字量?，F(xiàn)場級數(shù)字儀表可編程調(diào)節(jié)器可編程控制器二、 信號制及供電方式MPa的模擬氣壓信號，作為儀表間的標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)絡(luò)信號。電動控制儀表：010mA（DC）電流信號作為電動型儀表的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)絡(luò)信號， 420mA（DC）電流信號和15V（DC）電壓信號確定為過程控制系統(tǒng)中電動型儀表統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號。電動儀表信號之間的傳輸方式是：進(jìn)出控制室的傳輸信號采用電流信號，控制室內(nèi)部各儀表

3、間聯(lián)絡(luò)信號采用電壓信號，電動儀表的供電方式有交流供電和直流集中供電兩種形式。3.2基本控制規(guī)律及其對控制過程的影響一、基本控制規(guī)律概述1. 控制規(guī)律概述控制規(guī)律是指控制器的輸出信號與輸入偏差信號隨時間變化的規(guī)律。正作用控制器：輸入e與輸出y的變化方向相同；反作用控制器：輸入e與輸出y變化方向相反。本節(jié)中以正作用的控制器為例進(jìn)行研究。工程實際中應(yīng)用最廣泛的控制規(guī)律為比例（P）、積分（I）、微分（D）控制規(guī)律，簡稱PID控制規(guī)律，各種控制器的運算規(guī)律均由這些基本控制規(guī)律組合而成。 PID控制器的一般形式為：yf(e) 幾種常用控制規(guī)律的微分方程表達(dá)式可分別表示為：比例作用（P） 比例積分作用（PI

4、） 比例微分作用（PD） 比例積分微分作用（PID） 二、PID控制規(guī)律對控制過程的影響當(dāng)控制器只具有比例控制規(guī)律時，稱此控制器為比例控制器。比例控制的輸出與輸入的關(guān)系為 yKPe KP是一個重要的系數(shù)，它決定了比例控制作用的強(qiáng)弱。KP越大，比例控制作用越強(qiáng)。 KP越小，比例控制作用越弱。比例作用最大的特點：及時、迅速（控制器的輸出與輸入成正比，只要有偏差存在，控制器輸出就會馬上與偏差成比例地變化）比例積分控制規(guī)律對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響積分作用是指控制器的輸出與輸入的積分成比例的作用。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：只要存在偏差，積分控制器的輸出就會不斷地隨時間積分而增大，只有當(dāng)偏差為零時，控制器才會停止積分，保

5、持在一定的輸出值不變。積分作用的一個重要優(yōu)點是能夠消除余差，TI積分時間TI的物理意義積分時間是指在階躍信號作用下，控制器積分作用的輸出等于比例作用的輸出所經(jīng)歷的時間。積分時間TI是一個常數(shù)，它可以用來表示積分速度的大小和積分作用的強(qiáng)弱。T比例微分控制規(guī)律對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響理想微分控制器的輸出與輸入信號的關(guān)系為： 通常稱微分控制為“超前控制”。比例微分輸出的大小與偏差變化速度及微分時間成正比。TD對過渡過程的影響。微分時間越長，微分作用越強(qiáng)。4. PID控制規(guī)律PID控制規(guī)律是三種控制規(guī)律的線性組合。它吸取了比例控制的快速反應(yīng)功能、積分控制的消除余差功能和微分控制的預(yù)測功能， 3.3 DDZ

6、-型控制器一、 PID控制器的組成原理3.3.2 ID控制器的特性分析1. 輸入電路輸入電路-偏差差動電平移電路。作用-產(chǎn)生與輸入信號和給定信號差值成比例的偏差信號。（是對輸入信號和給定信號進(jìn)行綜合比較，獲得偏差信號并進(jìn)行放大，同時實現(xiàn)電平的移動，把以零伏為基準(zhǔn)的輸入電壓轉(zhuǎn)換成以10V參考電壓為基準(zhǔn)的輸出電壓信號）輸入信號和給定信號均為15V直流電壓信號。 2. PD電路比例微分電路的作用是對輸入電路的輸出信號VO1進(jìn)行比例微分運算。 3. PI電路PI電路的作用是對PD電路的輸出信號VO2進(jìn)行比例積分運算，然后輸出以10V為基準(zhǔn)的15V的電壓信號至輸出電路。4. 輸出電路 型控制器的輸出電路

7、是一個具有電平移動的電壓電流轉(zhuǎn)換器。它的輸入和輸出關(guān)系見控制器組成框圖中輸出電路部分，它的作用是將經(jīng)過PID運算的以VB為基準(zhǔn)的15VDC電壓信號輸出給負(fù)載，并轉(zhuǎn)換成420mA的電流信號進(jìn)行輸出。5. 手動操作電路在控制系統(tǒng)投運過程中，一般總是先手動遙控，待工況正常后，再切向自動。這個過程中應(yīng)該保證控制器的輸出不變，這樣才能保證執(zhí)行器的位置在切換的過程中不發(fā)生突變，從而不會對生產(chǎn)過程產(chǎn)生擾動，這種對生產(chǎn)過程不產(chǎn)生擾動的切換被稱為無擾動切換。 軟手操電路 硬手操電路6. 指示電路控制器輸入信號指示電路和給定信號指示電路相同，指示電路輸入以零伏為基準(zhǔn)的15VDC，輸出以VB為基準(zhǔn)的15mADC電流

8、信號，用0%-100%刻度的雙針指示電流表顯示。 3.4 執(zhí)行器一、概述執(zhí)行器組成：執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)。控制機(jī)構(gòu)又稱控制閥。執(zhí)行器作用：接受控制器輸出的控制信號，并將其轉(zhuǎn)換為直線位移和角位移，操縱控制機(jī)構(gòu)，自動改變操作變量，從而實現(xiàn)對過程變量的自動控制。根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所使用能源的不同，執(zhí)行器可以分為氣動、電動、液動三大類。氣動執(zhí)行器特點。電動執(zhí)行器特點。液動執(zhí)行器特點。執(zhí)行器的選擇和使用將直接影響過程控制系統(tǒng)的安全性和可靠性。二、氣動執(zhí)行器1氣動執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)和原理氣動執(zhí)行器接受10510a的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號， 氣動執(zhí)行器由氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)兩個部分組成。按執(zhí)行機(jī)構(gòu)的差別可分為薄膜式和活塞式兩種。

9、氣動活塞式執(zhí)行結(jié)構(gòu)主要適用于大口徑、高壓降控制閥或蝶閥的推動裝置，工業(yè)上薄膜式應(yīng)用最多。氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由彈性薄膜平衡彈簧和推桿組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是執(zhí)行器的推動裝置，即它接受標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號后，經(jīng)膜片轉(zhuǎn)換成推力，使推桿產(chǎn)生位移，同時帶動閥芯動作，使閥芯產(chǎn)生相應(yīng)位移，改變閥的開度。氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)按推桿位移的方向有：正作用形式：如果當(dāng)輸入氣壓信號增加時，推桿向下移動反作用形式：當(dāng)輸入氣壓信號增加時，推桿向上移動控制機(jī)構(gòu)直接與介質(zhì)接觸，其結(jié)構(gòu)、材料、和性能將直接影響過程控制系統(tǒng)的安全性、可靠性和系統(tǒng)的控制質(zhì)量。根據(jù)流體力學(xué)的觀點，控制閥是一個局部阻力可變的節(jié)流元件。通過改變閥芯的行程而改變控制閥的阻力系數(shù)

10、，以達(dá)到控制流量的目的。根據(jù)不同的使用要求，控制閥有直通雙座控制閥、直通單座控制閥、蝶閥、三通閥、高壓閥、角形閥、隔膜閥等多種結(jié)構(gòu)形式。2控制閥的流量特性控制閥的流量特性是指介質(zhì)流過控制閥閥門的相對流量與相對開度（即閥的相對位移）之間的關(guān)系。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 從過程控制的角度看，流量特性是控制閥最重要的特性，它對整個過程控制系統(tǒng)的品質(zhì)有很大影響。一般來說，通過改變控制閥閥芯與閥座間的流通截面積，便可實現(xiàn)對流量的控制。 理想流量特性當(dāng)控制閥閥前后壓差固定不變時得到的流量特性就叫做理想流量特性，理想流量特性取決于閥芯的形狀，不同的閥芯曲面得到的理想特性是不同的。理想流量特性主要有直線、對數(shù)、拋物線

11、和快開四種。直線流量特性控制閥的相對流量與閥芯的相對開度成直線關(guān)系。直線流量特性小開度時，流量相對變化量大，在大開度時，流量相對變化量小。 對數(shù)（等百分比）流量特性閥桿的相對位移變化所引起的相對流量變化與該點的相對流量成正比，即控制閥的放大系數(shù)隨相對流量的增加而增大。對數(shù)流量特性的曲率是隨著流量的增大而增大的，但是相對行程變化引起的流量相對變化值是相等的。由于對具有對數(shù)流量特性的控制閥而言，小開度時，放大系數(shù)較小，控制平穩(wěn)緩和，大開度時，放大系數(shù)較大，控制及時有效，因此，從過程控制看，利用對數(shù)流量特性是有利的。拋物線流量特性相對流量與閥桿的相對開度成拋物線關(guān)系，即平方關(guān)系。 快開流量特性在小開

12、度時流量就比較大，隨著開度的增大，流量很快達(dá)到最大。工作流量特性實際應(yīng)用中，控制閥與其他設(shè)備串聯(lián)或并聯(lián)安裝在管道中，其前后的壓差是變化的，此時的流量特性稱為工作特性。理想流量特性會因控制閥前后壓差遭受阻力損失而畸變成工作流量特性。 3. 控制閥的選擇控制閥的選擇，主要是流量特性、流通能力以及氣開、氣關(guān)形式和結(jié)構(gòu)的選擇。選擇時要根據(jù)流體性質(zhì)、工藝條件和控制要求，參考各種控制閥的特點，選擇合適的結(jié)構(gòu)形式。 控制閥結(jié)構(gòu)與特性的選擇控制閥的結(jié)構(gòu)形式主要根據(jù)工藝條件來進(jìn)行選擇，如考慮介質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)，以及溫度壓力等條件?？刂崎y的結(jié)構(gòu)形式確定后，接下來需要確定其流量特性?？刂崎y流量特性的選擇一般分兩步

13、進(jìn)行。首先按照過程控制系統(tǒng)的要求，確定工作流量特性，再根據(jù)流量特性曲線的畸變程度以及工藝要求和工藝配管情況，確定理想流量特性。 控制閥作用方式的選擇有壓力信號時閥關(guān)，無壓力信號時閥開為氣關(guān)式執(zhí)行器；反之，則為氣開式。氣開、氣關(guān)的選擇主要是考慮在不同生產(chǎn)工藝條件下安全生產(chǎn)的要求?？紤]的原則是：信號壓力中斷時，應(yīng)保證設(shè)備和工作人員的安全。 控制閥口徑的選擇 3.5可編程序控制器一、概述可編程序控制器是一種以微處理器為核心的新一代工業(yè)自動化控制裝置，簡稱PLC。PLC的基本功能 邏輯控制功能邏輯控制是PLC最基本的應(yīng)用。它可以取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置，也可取代順序控制和程序控制。邏輯控制功能實際上就是

14、位處理功能。在PLC中一個邏輯位的狀態(tài)可以無限次的使用，邏輯關(guān)系的變更和修改也十分的方便。 閉環(huán)控制功能PLC具有D/A、A/D轉(zhuǎn)換、算術(shù)運算以及PID運算等功能，可以方便地完成對模擬量的處理。 定時控制功能PLC中有許多可供用戶使用的定時器，定時器的設(shè)定值可以在編程時設(shè)定，也可在運行過程中根據(jù)需要進(jìn)行修改，使用方便靈活。 計數(shù)控制功能這是PLC最基本的功能之一。PLC為用戶提供了許多計數(shù)器，計數(shù)器的設(shè)定值可以在編程時設(shè)定，也可在運行過程中根據(jù)需要進(jìn)行修改，PLC據(jù)此可完成對某個工作過程的計數(shù)控制。 數(shù)據(jù)處理功能PLC可以實現(xiàn)算術(shù)運算、數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)傳送、移位、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、譯碼、編碼等操作，有的

15、還可實現(xiàn)對開方、PID運算、浮點運算等操作。除此之外，PLC還有步進(jìn)控制功能、通訊聯(lián)網(wǎng)功能、監(jiān)控功能以及停電記錄功能和故障診斷功能等， 二、 PLC的基本組成和工作過程PLC的硬件組成PLC采用典型的計算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要由中央處理器、存儲器、輸入/輸出模塊、功能模塊、電源、編程器等幾個部分組成，如圖所示。中央處理單元 編程器 外部設(shè)備 存儲器 輸入模塊輸出模塊電源用戶輸入設(shè)備 用戶輸出設(shè)備 PLC的軟件系統(tǒng)系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序是PLC賴以工作的基礎(chǔ)，采用匯編語言編寫，固化在ROM型系統(tǒng)程序存儲器中，不需要用戶干預(yù)。系統(tǒng)程序分為系統(tǒng)監(jiān)控程序和解釋程序。系統(tǒng)監(jiān)控程序用于監(jiān)視并控制PLC的工作，解釋程序用于

16、把用戶的程序解釋成微處理器能夠執(zhí)行的程序。用戶程序又稱為應(yīng)用程序，是用戶為完成某一特定的控制任務(wù)而利用PLC的編程語言編制的程序。用戶程序通過編程器輸入到PLC的用戶程序存儲器中。為便于程序修改，一般在用戶程序編制和調(diào)試以及試運行階段選用電池支持式型用戶程序存儲器好；而在程序定型后，宜選用EEPROM型用戶程序存儲器，這樣既能對程序進(jìn)行少量調(diào)整，又避免了更換電池，可長期使用。編程語言各種型號的PLC都有自己的編程語言。通常使用的有梯形圖、語句表、邏輯符號圖、順序功能圖以及高級編程語言等。 梯形圖。梯形圖語言是類似于繼電器控制線路圖的一種編程語言。 語句表。這是一種與匯編語言類似的助記符編程語言。其表達(dá)方式為：操作碼操作數(shù) （指令）（數(shù)據(jù)）PLC的工作過程輸入端子 輸出映射區(qū) 輸出端子 輸入映射區(qū) 輸出鎖存 PLC的工作過程一般可分為三個主要階段：輸入采樣（處理）階段、程序執(zhí)行階段和輸出刷新（處理）階段。如圖所示。輸入采樣 程序執(zhí)行 輸出刷新 用 戶程 序 輸出信號 輸入信號 . . . . .三、 PLC的選型和應(yīng)用PLC的選型和應(yīng)用是工程設(shè)計中的重要一環(huán)。目前，適用于工程應(yīng)用的PLC種類繁多，性能各異。在實際工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)什么進(jìn)行系統(tǒng)的硬件設(shè)計