仪表应知应会知识培训(一)教材

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1、一、自动控制原理 二、检测仪表和传感器 三、控制和执行机构 四、联锁 仪表自动化简介 一、自动控制原理 自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用计算机构成的控制 器替代人脑对执行机构进行调整，使生产过程的某个工作状态或参数自 动地按照预定的目标运行。 自动系统的基本构成： 测量系统：能够直观显示被控参数的实际值 ，目标值和实际值之间的偏差是控制器作出 响应的基本依据. 控制器：类似人的大脑，即根据被控制量的 当前状态判断执行机构该如何调整 执行机构：执行机构的动作能直接导致被控 制量的变化. PV：实际值,由测量装置测量出的被控变量的实际值 SP：被控变量的设定值,即被控变量的目标值 e：偏

2、差,实际值和设定值的差值：PV-SP OP：执行器的输出值 1、简单控制系统 简单控制系统（单回路控制系统）是指由一个受控对象、一个测量 变送器、一个控制器和一个执行机构（控制阀）所组成的闭环控制系统 。 对象 控制器执行器 测量变送装置 干扰 被控变量 给定值偏差 简单控制系统的控制过程： 外界干扰导致被控变量发生变化，实际值偏离设定值，控制器根据测量变送装置测量出的 实际值与设定值进行比较，根据一定的控制算法计算出执行器的动作方式，执行机构依据控 制器的指令对输出OP进行调整，被控量发生相应的变化，实际值回复到目标位置，一个调节 过程完成，周期重复以上过程，使得被控参数始终保持在目标值附近

3、，生产得以自动进行 2、PID控制 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、 微分控制，简称PID控制，又称PID调节，它实际上是一种算法。 PID是以它的三种纠正算法而命名。受控变量是三种算法（比例 、积分、微分）相加后的结果，即为其输出，其输入为误差值（设定值 减去测量值后的结果）或是由误差值衍生的信号。 P比例：误差值和一个正值的常数Kp（表示比例）相乘。若比例增益大，在相同 误差量下，会有较大的输出，但若比例增益太大，会使系统不稳定。相反的，若 比例增益小，若在相同误差量下，其输出较小，因此控制器会较不敏感的。若比 例增益太小，当有干扰出现时，其控制信号可能不够大，无法

4、修正干扰的影响。 2.1、比例控制 不同比例增益Kp下，受控变量对时间的变化（Ki和Kd维持定值） I积分：将误差值过去一段时间和（误差和）乘以一个正值的常数Ki。Ki从过去的 平均误差值来找到系统的输出结果和预定值的平均误差。一个简单的比例系统会 震荡，会在预定值的附近来回变化，因为系统无法消除多余的纠正。通过加上负 的平均误差值，平均系统误差值就会渐渐减少。所以，最终这个PID回路系统会 在设定值稳定下来 2.2、积分控制 不同積分增益Ki下，受控變數對時間的變化（Kp和Kd維持定值 ） D微分：微分控制考虑将来误差，计算误差的一阶导，并和一个正值的常数Kd相 乘。这个导数的控制会对系统的

5、改变作出反应。导数的结果越大，那么控制系 统就对输出结果作出更快速的反应。这个Kd参数也是PID被称为可预测的控制器 的原因。Kd参数对减少控制器短期的改变很有帮助。一些实际中的速度缓慢的 系统可以不需要Kd参数。 2.3、微分控制 不同微分增益 Kd i下，受控变量对时间的变化（Kp和 Ki 维持定值） 2.4、PID参数的整定 在工程实际中，PID控制的难点不是算法，而是控制器的参数整定。参数 整定的关键是正确地理解各参数的物理意义 1、深刻了解比例、积分、微分的在PID控制中的作用，增加和减少相应参数 对控制系统会产生何种影响。 比例参数KP的作用是加快系统统的响应应速度，提高系统统的调

6、节调节精度 积积分作用参数Ti的一个最主要作用是消除系统统的稳态误稳态误差 微分作用参数Td的作用是改善系统统的动态动态性能 2、区分不同控制对象的不同控制特性，采用经验试错法时通常对温度、压 力、流量、液位等设置相应的经验参数 温度系统：P（%）2060，I（分）310，D（分）0.5-3 流量系统：P（%）40100，I（分）0.11 压力系统：P（%）3070，I（分）0.4-3 液位系统：P（%）2080，I（分）1-5 3、串级控制系统 两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统 1. 用于克服被控过过程较较大的容量滞后 在过程控制系统中，被控过程的容

7、量滞后较大，特别是一 些被控量是温度等参数时，利用串级控制合理构造二次回 路，减小容量滞后对过程的影响，加快响应速度 2. 用于克服被控过过程的纯纯滞后 被控过程中存在纯滞后会严重影响控制系统的动态特性， 使用串级控制系统，在距离调节阀较近、纯滞后较小的位 置构成副回路，把主要扰动包含在副回路中，可以减小纯 滞后对主被控量的影响 3. 用于抑制变变化剧剧烈幅度较较大的扰动扰动 串级控制系统的副回路对于回路内的扰动具有很强的抑制 能力。只要在设计时把变化剧烈幅度大的扰动包含在副回 路中 4. 用于克服被控过过程的非线线性 单回路系统往往不能满足生产工艺的要求，由于串级控制 系统的副回路是随动控制

8、系统，具有一定的自适应性，在 一定程度上可以补偿非线性对系统动态特性的影响。 4、分程控制系统 一只调节器去控制两个以上的阀并且是按输出信号的不同区间去操作不同的阀门 1、提高控制阀的可调比，有效改善控制品质； 2、可以控制两种不同的介质，以满足工艺上的 特殊要求； 3、还可用于一种工艺操作中的安全保护措施， 比如塔或储罐中的氮封，其微正压控制就可以 用分程控制来实现，氮气控制阀为气开，而泄 压用的控制阀用气关阀。 第二章：检测仪表和传感器 化工生产过程涉及的参数有：温度、压力、流量、液位、分析仪表（PH、有 毒和可燃气体）等。 一次测量元件：以自然规律为基础（物理和化学、生物），利用敏感元件

9、将测 量参数的变化转化敏感元件的某一物理（化学）量的变化，也就是将不能直接显 示或处理的参数变为可以直接显示和测量的参数 二次测量元件：对一次测量元件转化后的信号进行处理，直接显示或者输出远 传的标准信号 1、 信号传输过程中常见的问题 干扰导致信号失真 提高仪表抗干扰的能力，使用屏蔽电缆并可靠的接地 距离过长导致信号衰减，尽量缩短安装距离，同时使用优质的导线 距离较近时可以使用电压信号，长距离使用电流信号，传输信号时候，要考 虑到导线上也有电阻，如果用电压传输则会在导线的产生一定的压降，那接收端 的信号就会产生一定的误差了！同时电流对噪声并不敏感。所以使用电流信号作 为变送器的标准传输！电流

10、变送器成本通常大于电压变送器 2、 仪表的信号电流大都为4-20mA，指最小电流为4mA,最大电流为20mA 。 那么为什么选择4-20mA而不是0-20mA呢？为了减少接线的复杂性，传感器选 择2线要比多线简单的多，2线既要传输信号，又要给传感器供电，所以设计者从中 盗窃4mA电流给传感器放大电路供电，这样4-20mA的标准就确定了。 一、温度的测量 使用测温仪表对物体的温度进行定量的测量。测量温度时，总是选择一种在一定温 度范围内随温度变化的物理量作为温度的标志，根据所依据的物理定律，由该物理量的 数值显示被测物体的温度。 温度的特性有范围较宽，常见的测量范围低到零下一百多度和高到上万度，

11、根据不 同的测量范围我们必须选择合适的温度仪表，譬如我们常用的热电阻和热电偶属于接触 式测量，则温度范围一般不超过800度，过高的温度则需要采用红外或者光谱之类的非 接触式测量方式 温度测量的另一个特性是温度的传导需要一个过程，当温度变化传导到温度计并被 测量读数时已经经过了一个较长时间的传导，这期间实际温度可能已经产生了变化 根据不同的测量原理，温度测量的种类有热电阻、热电偶、红外线、双金属片 1. 热电阻 热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量 的。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜。 pt100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。

12、PT后的100即表示它在0 时阻值为100欧姆，在100时它的阻值约为138.5欧姆。它的阻值会随着温度上升而成 近似匀速的增长。 1.1 热电阻的测量 热电阻的原理决定了要测量温度实际是测量电阻值，再根据电阻值查对应的分度表 ，从而获得实际的温度测量值。 测量电阻率通常采用电桥来测量，根据所需的精度可以采用两线和三线接线 精度要求特别高时，采用4线制，4线制不属于电桥法 1.3 热电阻分度表和温度阻值曲线： pt100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而 改变。PT后的100即表示它在0时阻值为100欧姆，在 100时它的阻值约为138.5欧姆。它的阻值会随着温 度上升而成近似匀速的增长。

13、 2. 热电偶： 由两种不同成分的导体两端接合成回路时，当两接合点热电偶温度不同时，就会 在回路内产生热电流。如果热电偶的工作端与参比端存有温差时，显示仪表将会指 示出热电偶产生的热电势所对应的温度值。热电偶的热电动热将随着测量端温度升 高而增长，它的大小只与热电偶材料和两端的温度有关，与热电极的长度、直径无 关。 常用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一 的标准分度表的热电偶。标准化热电偶全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、 K、R、J、T七种标准化热电偶为中国统一设计型热电偶。 热电偶分度号热电极材料 正极负极 S铂铑 10纯铂 R铂铑 13纯铂 B

14、铂铑 30铂铑 6 K镍铬镍硅 T纯铜铜镍 J铁铜镍 N镍铬硅镍硅 E镍铬铜镍 2.1 热电偶的测量 热电偶补偿导线 由于热电偶的材料一般都比较贵重，而测温点到仪表的距离都很远，为了节省 热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度 比较稳定的控制室内。实际上是2根材料化学成分不同的导线，与配接的热电偶有一 致的热电特性，价格相对热电偶的电极材质更便宜 热电偶的冷端补偿 分度表是自由端温度在0时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表 。而被补偿导线延长到控制室的冷端温度肯定不是0度，因此需要对冷端的温度进行 修正，测量出冷端的实际温度，再此基础上修正 3 温度

15、测量的常见故障 断线和短路 热电阻和热电偶由于大都接触高温，所以由高温导致的热电阻断线或者短路是最 常见的故障，这种故障的检修只有更换，对于铠装温度计来说，可以仅仅更换同 型号的内芯即可 温度安全栅故障 温度安全栅的作用主要有两点：1、隔离安全区域和非安全区域，保护控制系统 安全；2、线性化温度曲线，由于分度表为非线性，安全栅能够获得量程内的线 性输出，使得后续的控制系统得以简化 温度安全栅使用前需要经过专用软件设置测量类型、量程、补偿方式等信息后 才能正常使用 4. 双金属温度计： 双金属温度计是一种测量中低温度的现场检测仪表。可以直接测量各种生产过程 中的-80-+500范围内液体蒸汽和气体介质温度。工业用双金属温度计主要的元件 是一个用两种或多种金属片叠压在一起组成的多层金属片，利用两种不同金属在温度 改变时膨胀程度不同的原理工作的。是基于绕制成环性弯曲状的双金属片组成。一端 受热膨胀时，带动指针旋转，工作仪表便显示出热电势所应的温度值。 二 压力的测量 压力和差压是工业生产过程中常见的过程参数之一。在许多场合需要直接检测、控 制的压力参数。此外，还有一些不易直接测量的参数，如液位、流量等参数往往需要 通过压力或差压的检