自動化儀表與過程控制：概述

自動化儀表與過程控制

（第五版）

自動化儀表

過程控制自動化儀表與過程控制

本課程為控制類專業(yè)的一門專業(yè)課，分為上、下兩篇，共九章。檢測儀表調(diào)節(jié)儀表DCS、FCS執(zhí)行器和防爆柵調(diào)節(jié)對象特性及測定單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設計常用及復雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的應用實例主要參考書ShinskeyF.G.ProcessControlSystem,3rded,McGraw-Hill,1988金以慧，《過程控制》清華大學出版社，1993向婉成，《控制儀表與裝置》機械工業(yè)出版社，1999侯志林，《過程控制與自動化儀表》機械工業(yè)出版社，2002陽憲惠《現(xiàn)場總線技術(shù)及其應用》清華大學出版社，1999

自動化儀表概述0.1自動化儀表及其發(fā)展概況0.1.1儀表及計、器、儀、裝置我國古代勞動人民和學者曾創(chuàng)造過多種計量方法和器具。早在戰(zhàn)國時代，就有了度量衡標準。度：為長度的計量；量：為容積的計量；衡：為質(zhì)量的計量。在工程實用方面，對物理量進行“測量”或?qū)δ硞€參數(shù)進行“檢測”，其實質(zhì)是被測物理量計量單位=“值”/“測量單位”測量結(jié)果所用的設備，稱為“儀表”“計”“儀”“表”“器”具有指示或紀錄裝置沒有指示或指示不作為主要功能但儀表中的某些部件有時也稱為“器”，如放大器，計數(shù)器，濾波器等，就不一定是儀表了。具有多種功能或多種儀表組成的總體儀表“裝置”或“機”可見“儀表”一詞決不限于指示或紀錄為唯一功能的設備，其范圍較寬。0.1.2自動化儀表儀表連續(xù)生產(chǎn)過程中不必人工參與，自動完成檢測、調(diào)節(jié)、顯示等功能西安儀表廠四川儀表公司上海儀表公司西安儀表廠歷史上三大儀表廠揚子石化揚子石化石油化工

SES棗莊綜合氣體項目（FCS）福建煉油乙烯一體化項目（FCS）中海油南海殼牌乙烯項目（CSPC）檢測儀表對工藝參數(shù)進行測量調(diào)節(jié)儀表根據(jù)測量值與給定值的偏差按一定調(diào)節(jié)規(guī)律發(fā)出調(diào)節(jié)命令執(zhí)行器根據(jù)調(diào)節(jié)儀表命令對進出生產(chǎn)裝置的物料或能量進行控制顯（指）示儀表顯（指）示測量值或給定值這些儀表代替人們對生產(chǎn)過程進行測量、控制、監(jiān)督和保護，因而是自動控制系統(tǒng)的必要組成部分。0.1.3自動化儀表的發(fā)展概況（1）基地式儀表（第一代）安裝生產(chǎn)設備現(xiàn)場、只具備簡單測控功能其信號僅在本儀表內(nèi)起作用，一般不能傳送給別的儀表或系統(tǒng)，無法與外界溝通信息操作人員在現(xiàn)場的巡視，了解生產(chǎn)過程的狀況，進行控制適用于生產(chǎn)規(guī)模較小的系統(tǒng)按功能劃分單元，按需要組合成復雜控制系統(tǒng)操作人員可以坐在控制室縱觀生產(chǎn)流程各處的狀況DDZ-Ⅱ電動儀表DDZ-Ⅱ氣動儀表（2）單元組合式儀表（第二代）DDZ-Ⅲ電動儀表一對一的物理連接算法簡單、精度差抗干擾能力較差生產(chǎn)現(xiàn)場各處的參數(shù)通過統(tǒng)一的模擬信號，送往集中控制室適用于生產(chǎn)規(guī)模較大的復雜系統(tǒng)（3）計算機集中式控制系統(tǒng)（第三代）人們開始尋求用數(shù)字信號取代模擬信號，出現(xiàn)了“直接數(shù)字控制儀表”。模擬儀表的局限性人們企圖用一臺計算機取代控制室的幾乎所有的儀表盤，出現(xiàn)了集中式數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)。但由于當時計算機的可靠性還較差，一旦計算機出現(xiàn)某種故障，就會造成所有控制回路癱瘓，這種危險的集中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很難為生產(chǎn)過程所接受。（4）計算機集散控制系統(tǒng)（第四代）80年代初，隨著計算機可靠性的提高，價格的大幅度下降，出現(xiàn)了數(shù)字調(diào)節(jié)器、可編程控制器（PLC）以及由多個計算機遞階構(gòu)成的集中、分散相結(jié)合的集散控制（DCS）系統(tǒng)。系統(tǒng)中，測量變送儀表一般為模擬儀表，是一種模擬數(shù)字混合系統(tǒng)。這種系統(tǒng)在功能、性能上較模擬儀表、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)有了很大進步，可在此基礎上實現(xiàn)裝置級、車間級的優(yōu)化控制。但是，在DCS系統(tǒng)形成的過程中，各廠家的產(chǎn)品自成系統(tǒng)，難以實現(xiàn)互換與互操作，組成更大范圍信息共享的網(wǎng)絡系統(tǒng)存在很多困難。（5）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（第五代）新型的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)則突破了DCS系統(tǒng)中通信由專用網(wǎng)絡的封閉系統(tǒng)來實現(xiàn)所造成的缺陷，把基于封閉、專用的解決方案變成了基于公開化、標準化的解決方案，即可以把來自不同廠商而遵守同一協(xié)議規(guī)范的自動化“智能儀表”，通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡連接成系統(tǒng)，實現(xiàn)綜合自動化的各種功能，同時把DCS集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，變成了新型全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，依靠現(xiàn)場智能儀表本身便可實現(xiàn)基本檢測、控制功能。資產(chǎn)管理維護站過程控制工程站HSE控制網(wǎng)絡H1過程網(wǎng)絡操作工08年最新推出傳統(tǒng)繼承單元化結(jié)構(gòu)變送器定位器轉(zhuǎn)換器儀表選型基本相同降低工程施工費用減少控制室二次儀表布線簡單雙向、多點、串行的網(wǎng)絡無需專用電纜CourtesyofShellDeerParkCourtesyofShellDeerParkCourtesyofShellDeerParkCourtesyofShellDeerParkCourtesyofCargillCourtesyofCargill人機友好基于視窗系統(tǒng)功能塊的選擇和鏈接，即可完成控制策略預定義控制模板注釋和說明存儲并打印即插即用系統(tǒng)自動識別在線設備選用基金會注冊設備，保證系統(tǒng)可以操作儀表安裝靈活離線組態(tài)，遠程調(diào)校、診斷，在線下裝儀表可就近、就地安裝0.2電動單元組合儀表及其控制系統(tǒng)的組成0.2.1我國DDZ儀表的發(fā)展60年代中DDZ-Ⅰ電子管和磁放大器為主要放大元件70年代初DDZ-Ⅱ晶體管為主要放大元件80年代初DDZ-ⅢIC為主要放大元件，具有本安性0.2.2DDZ簡單調(diào)節(jié)（控制）系統(tǒng)1過熱蒸汽過熱器3TC2TT煙囪減溫器冷水4汽鼓爐膛圖0-0鍋爐過熱蒸汽溫度控制示意圖圖0-0為采用DDZ-Ⅲ儀表構(gòu)成的發(fā)電廠鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)。用熱電阻1檢測過熱蒸汽的溫度經(jīng)溫度變送器2將測量信號送至調(diào)節(jié)器3的輸入端．并與代表蒸汽溫度的給定值（圖中未畫）進行比較調(diào)節(jié)器按此偏差發(fā)出控制命令，來控制調(diào)節(jié)閥4的開度，從而改變減溫水流量，達到控制過熱蒸汽溫度的目的圖0-1為單元組合儀表構(gòu)成的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。被調(diào)量：一般是非電的工藝參數(shù)，如溫度、壓力、流量、液位等檢測元件：將非電信號轉(zhuǎn)換為電信號。通常稱為敏感元件、傳感器，換能器、一次儀表等變送單元：或稱變送器，將檢測元件輸出的微弱信號進行放大、處理，變換為能遠距離傳送的統(tǒng)一標準信號顯示單元：將變送單元輸出的統(tǒng)一標準信號，進行記錄或指示。調(diào)節(jié)（器）單元：將測量信號與給定信號進行比較，按一定的調(diào)節(jié)規(guī)律發(fā)出調(diào)節(jié)信號執(zhí)行單元：根據(jù)調(diào)節(jié)信號改變閥門的開度，控制進入調(diào)節(jié)對象的工藝介質(zhì)的流通量，達到自動調(diào)節(jié)的目的0.2.3信號制（1）單元組合儀表必須有統(tǒng)一的聯(lián)絡信號，采用直流電流作為標準信號。采用直流信號的優(yōu)點是：傳輸過程中易于和交流感應干擾相區(qū)別不存在相移問題不受傳輸線中電感、電容和負載性質(zhì)的限制采用電流制的優(yōu)點：不受傳輸線及負載電阻變化的影響，適于信號的遠距離傳送使用電流信號可直接與磁場作用產(chǎn)生正比于信號的機械力使用電流信號可方便得到電壓信號（2）電動單元組合儀表中并存著兩種標準信號制度，在DDZ-Ⅰ和DDZ-Ⅱ型儀表中采用0～10

mA，而在DDZ—Ⅲ型儀表中，采用目前國際上通一的4～20

mA直流電流作為標準信號。4～20mA直流電流信號的優(yōu)點是：有利于識別儀表斷電、斷線等故障為現(xiàn)場變送器實現(xiàn)兩線制提供了可能性，節(jié)省電纜，布線方便且大大有利于安全防爆能提供較大的電磁力上限值較大，有利于抑制干擾上限值與下限值之比為5：1，與通用氣動儀表的信號制（0.2～1Pa）對應，便于相互折算。0.3儀表的基本技術(shù)指標0.3.1測量范圍上限、下限與量程按規(guī)定精度測量被測量的范圍，稱為“測量范圍”，其最高值與最低值，分別稱為（范圍）上限和（范圍）下限。上限值和下限值的代數(shù)差，稱為“量程”。0.3.2零點遷移和量程遷移輸入輸出100%100%0圖0-2儀表的標尺特性以被測量相對于量程的百分數(shù)作為儀表的輸入，以指針位移或轉(zhuǎn)角相對于標尺長度的百分數(shù)作為儀表的輸出，分別用橫坐標和縱坐標表示，可用曲線把“標尺特性”描繪出來，如圖0-2所示。線性標尺為直線，非線性標尺為曲線。輸入輸出100%75%100%-25%0圖0-3儀表的零點遷移和量程遷移125%①②③若保持直線斜率不變：①變?yōu)棰?，稱為“零點遷移”。量程仍為[75-(-25)]%=100%。若起點不變，改變直線斜率：①變?yōu)棰?，稱為“量程遷移”。相對誤差=

0.3.3精確度絕對誤差=示值–約定真值儀表工業(yè)規(guī)定，?。ㄏ鄬Π俜终`差），去掉式中的“%”，稱為儀表的精確度。它劃分成若干等級，如，0.1級，0.2級，0.5級，1.0級，2.0級，2.5級，5.0等。0.3.4靈敏度和靈敏限靈敏度表示測量儀表對被測參數(shù)變化的敏感程度，常以儀表輸出（如指示裝置的直線位移或角位移）與引起此位移的被測參數(shù)變化量之比表示，即儀表的靈敏限——指儀表能感受并發(fā)生動作的輸入量的最小值。靈敏度=0.3.5變差在外界條件不變的情況下，使用同一儀表對被測參量進行反復測量（正行程和反行程）時，所產(chǎn)生的最大差值與測量范圍之比稱為變差。?ymaxyOxmin

xmaxx圖0-4儀表的變差變差=

0.4儀表的圖形符號在繪制控制流程圖時，圖中所采用的圖例符號要按有關(guān)的技術(shù)規(guī)定進行，可參見化工部設計標準HGJ7—87《化工過程檢測、控制系統(tǒng)設計符號統(tǒng)一規(guī)定》。儀表的圖形符號是一個細實線圓圈，直徑約10mm，對于不同的安裝位置儀表的圖形符號，略有區(qū)別。用來表示儀表的小圓圈的上半圓內(nèi)，一般寫有兩位(或兩位以上)字母，第一位字母表示被測變量，后繼字母表示儀表的功能。TC204第1位字母表示被測變量后續(xù)字母表示儀表的功能第1位數(shù)字表示工段號后續(xù)數(shù)字表示儀表序號阿拉伯數(shù)字編號寫在圓圈的下半部，其第一位數(shù)字表示工段號，后續(xù)數(shù)字(二位或三位數(shù)字)表示儀表序號。字母首位字母含義后續(xù)字母含義A分析報警C電導率控制（調(diào)節(jié)）E電壓檢測元件F流量I電流指示L物位P壓力或真空T溫度傳送R放射性記錄或打印