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1、过程控制第 三 章过 程 控 制 仪 表过程控制3.1 总体概述一、过程控制仪表的分类及特点1、按能源形式分类可分为电动、气动、液动和机械式等几种。工业上普遍使用电动控制仪表和气动控制仪表。 导管、管路板导线、印刷电路板 接线气动元件 电子元器件 构成气压信号 电信号(电流、电压或数字) 传输信号气源（140kPa） 电源(220VAC，24VDC)能源气动仪表电动仪表过程控制2、按信号类型分类 模拟式数字式由模拟元件构成传输信号通常为连续变化的模拟量，如电流信号，电压信号，气压信号等线路较简单，操作方便，使用灵活，价格较低 以微处理器、单片机等大规模集成电路芯片为核心传输信号通常为断续变化的
2、数字量，如脉冲信号可以进行各种数字运算和逻辑判断，其功能完善，性能优越，能解决模拟式仪表难以解决的问题过程控制3、按结构形式分类 单元组合式仪表 基地式仪表 集散型计算机控制系统 现场总线控制系统 过程控制单元组合式仪表：将各种单元进行不同组合，可以构成多种多样、适用于各种不同场合需要的自动检测或控制系统。有电动单元组合仪表（DDZ）和气动单元组合仪表（QDZ）两大类。都经历了I型、II型(010mA) 、III型(420mA, 15v)的三个发展阶段。根据控制系统各组成环节的不同功能和使用要求，将仪表做成能实现一定功能的独立仪表（称为单元），各个仪表之间用统一的标准信号进行联系。过程控制单元
3、组合仪表 变送单元 温度变送器压力变送器差压变送器流量变送器液位变送器 将各种被测参数变换成相应的标准统一信号传送到接收仪表或装置，以供显示、记录或控制 转换单元 直流毫伏转换器频率转换器电气转换器气电转换器 将电压、频率等电信号转换成标准统一信号，或者进行标准统一信号之间的转换，以使不同信号在同一控制系统中使用 过程控制单元组合仪表 控制单元 运算单元 比例积分微分控制器比例积分控制器比例微分控制器具有特种功能的控制器 将变送单元的测量信号与给定信号比较，按偏差给出控制信号，去控制执行器加减器乘除器开方器 显示单元指示仪指示记录仪报警器 过程控制单元组合仪表 给定单元 执行单元 辅助单元输出
4、统一标准信号，作为被控变量的给定值送到控制单元，实现定值控制。给定单元的输出也可以供给其他仪表作为参考基准值。 角行程电动执行器直线行程电动执行器气动薄膜调节阀 按控制器输出的控制信号和手动操作信号，改变控制变量操作器：手动操作及手动/自动的切换作用 阻尼器：压力或流量等信号的平滑、阻尼 限幅器：限制信号的上、下限值 安全栅：将危险场所与非危险场所隔开，起安全防爆作用 过程控制被控对象执行单元检测元件调节单元给定单元操作单元变送单元显示单元工艺介质阀门被调变量自动手动测量值给定值用电动单元组合仪表组成的控制系统 过程控制基地式控制仪表相当于把单元组合仪表的几个单元组合在一起，构成一个仪表。通常
5、以指示、记录仪表为主体，附加控制、测量、给定等部件而构成；其控制信号输出一般为开关量，也可以是标准统一信号；一个基地式仪表具有多种功能，与执行器联用或与变速器联用，便可构成一个简单的控制系统；性能价格比高，适用于单参数的控制系统。 过程控制集散控制系统（DCS系统）：分散控制、集中管理控制站（下位机）操作站（上位机）过程通信网络 数据采集、处理及控制 由DCS系统的基本控制器（包括控制卡、信号输入输出卡、电源等）构成 或由可编程序控制器PLC（包括CPU、I/O、电源等模块）或带有微处理器的数字式控制仪表构成 实现操作站与控制站的连接 提供与企业管理网络的连接 过程信息的集中显示、操作和管理
6、由工业控制计算机、监视器、打印机、鼠标、键盘、通信网卡等组成过程控制现场总线控制系统（FCS系统）现场控制和双向数字通信将传统上集中于控制室的控制功能分散到现场设备中，实现现场控制现场设备与控制室内的仪表或装置之间为双向数字通信。 过程控制二、信号制 信号制即信号标准，是指仪表之间采用的传输信号的类型和数值。气动仪表的信号标准：20kPa 100kPa电动仪表的信号标准 ：420maADC DDZII型电动仪表的信号标准 ： 010maADC 过程控制1、检测元件和变送器的作用检测元件变送器过程变量位移、压力差压、电量等标准信号检测变送环节工作原理模拟仪表：标准信号通常采用420mA、010m
7、A、15v电流或电压信号，20100kPa 气压信号；将工业生产过程的参数(流量、压力、温度、物位、成分等)经检测、变送单元转换为标准的电或气信号。变送器输出的是被控变量的测量值，它被送到显示和控制装置，用于显示和控制。现场总线仪表：标准信号是数字信号3.2 检测变送环节一、检测变送环节的性能过程控制2、对检测变送单元的基本要求准确：检测元件和变送器能正确反映被控或被测变量，误差小；迅速：及时反映被控或被测变量的变化；可靠：能在环境工况下长期稳定运行。3、选用时的基本考虑首先考虑元件能否适应工业生产过程中的高低温、高压、腐蚀性、粉尘和爆炸性环境，能否长期稳定运行；仪表精度和量程的选择 选用仪表
8、的精度要合适：应符合工业检测要求 仪表测量误差：仪表本身误差、环境工况引入的误差、动态误差 量程选择：量程的改变会引起最大读数误差变化和增益变化。 考虑仪表和变送器的线性特性过程控制4、动态特性 Km小，增大控制器的增益，有利于克服扰动对影响； Km的线性度与整个闭环控制系统输入输出的线性度有关； 选择合适的测量范围可改变检测变送环节Km对Km的考虑： 作为广义对象的组成，应考虑与Tp和Tv的匹配，及增大最大时间常数与次大时间常数之间的比值；对Tm的考虑：过程控制 相对于Tp ，Tm是较小的。但有例外： 成分检测变送环节的时间常数和时滞会很大； 气动仪表的时间常数较电动仪表要大； 采用保护套温
9、度计检测温度要比直接与被测介质接触检测温度有更大的时间常数。 应考虑时间常数随过程运行而变化的影响： 保护套结垢，造成时间常数增大； 保护套磨损，造成时间常数减小。减小Tm的措施：检测点位置的合理选择； 选用小惯性检测元件；缩短气动管线长度，减小管径；正确使用微分单元； 选用继动器或放大器等。过程控制对m的考虑 ( m = l / v ) ： 与Tm一起考虑，应使m / Tm小 通常在温度、过程成分的检测变送中要考虑 减小m的途径： 选择合适的检测点位置； 减小传输距离l； 选用增压泵、抽气泵等装置，提高传输速度v；过程控制 热电偶检测温度时，由于产生的热电偶不仅与热端温度有关，也与冷端温度有
10、关，因此需要进行冷端温度补偿；二、对检测变送信号的处理1、信号补偿 热电阻到检测变送仪表之间的距离不同，连接导线的类型和规格不同，导致线路电阻不同，因此需要进行线路电阻补偿； 气体流量检测时，由于检测点温度、压力与设计值不一致，因此需要进行温度和压力的补偿； 精馏塔内介质成分与温度、塔压有关，正常操作时，塔压保持恒定，可直接用温度进行控制；当塔压变化时，需要用塔压对温度进行补偿。过程控制2、线性化 硬件组成非线性环节进行线性化处理，例如采用开方器对差压进行开方运算； 也可用软件实现线性化处理。3、信号滤波目的： 由于存在随机噪声，引起检测信号波动； 计算机控制时，由于信号是采样输入，因此，引入
11、噪声 方法： 硬件滤波：RC电路、气阻气容等组成滤波线路 数字滤波：数字低通、高通、带通等滤波程序。算法有：一阶低通滤波、一阶高通滤波、递推平均滤波、程序判别滤波过程控制4、数学运算5、信号报警当检测信号与被控变量之间有一定的函数关系时，需要进行数学运算获得实际的被控变量数值。如果检测变送信号超出工艺过程的运行范围，就要进行信号报警和连锁处理。6、数字变换例如快速傅里叶变换、小波变换；在计算机控制系统中，模数转换和数模转换时经常使用的。过程控制形象地称执行器为实现生产过程自动化的“手脚”3.3 执行器一、概述执行器安装在生产现场，直接与介质接触，常常在高压、高温等恶劣的状况下工作，因此，它是控
12、制系统的薄弱环节 作用：控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。直接影响过程控制系统的质量。过程控制执行机构调节机构控制器输出p0,I0推力、位移操纵变量流量接受调节器输出的控制信号，转换成直线位移或角位移，来改变调节阀的流通截面积。过程控制根据执行机构使用的能源种类，执行器可分为气动、电动、液动三种。气动执行器：结构简单、工作可靠、价格便宜、维护方便、防火防爆等优点电动执行器：能源取用方便，信号传输速度快和传输距离远，动作较快；缺点是结构复杂、推力小、价格贵，适用于防爆要求不高及缺乏气源的场所液动执行器： 推力最大，但目前使用不多调节机构有单座、双座、偏心旋转、套筒
13、、蝶阀等。过程控制1、气动执行器典型的气动执行器的结构示意图 p执行机构调节机构阀杆阀芯阀座膜片平衡弹簧气动执行机构有薄膜式和活塞式两种。二、执行器结构过程控制调节机构（控制阀体）作用：是一个局部阻力可以变化的节流元件。流量方程调节原理当口径A和差压(P1-P2)一定时，流量Q仅随阻尼的变化而变 化。改变阀门的开启程度，可改变流通阻力而控制介质流量。过程控制2、电动执行器 电动执行器也由执行机构和调节机构两部分组成。 最简单的电动执行器称为电磁阀 其它连续动作的电动执行器都使用电动机作动力元件，将调节阀的信号转变为阀的开度 电动执行机构的构成框图伺服放大器伺服电动机减速器位置发生器+其中调节机
14、构和气动执行器是通用的，不同的只是电动执行器使用电动执行机构，即使用电动机等电的动力启闭调节阀。 过程控制气开阀：在有信号压力输入时阀打开、无信号压力时阀全关1、执行机构与调节机构的组合三、调节阀的气开和气关气关阀：在有信号压力时阀关闭，无信号压力时阀全开 从控制系统角度出发，气开阀为正作用，气关阀为反作用过程控制正作用执行机构：当输入气压信号增大时，阀杆向下移动正作用执行机构反作用执行机构反作用执行机构：当输入气压信号增大时，阀杆向上移动过程控制正体阀反体阀正体阀：阀杆下移时流量减小反体阀：阀杆下移时流量增大过程控制气关型气开型气开型气关型过程控制2、选择原则基本原则：根据安全生产的要求选择
15、调节阀的气开和气关考虑事故状态时人身、工艺设备的安全。当过程控制系统发生故障（如气源中断，控制器损坏或调节阀坏了）时，调节阀所处的状态不致影响人身和工艺设备的安全。考虑事故状态下减少经济损失，保证产品质量。考虑介质的性质。对装有易结晶、易凝固物料的装置，蒸汽流量调节阀需选用气关式，一旦事故发生，使其处于全开状态，以防止物料结晶、凝固和堵塞给重新开工带来麻烦，甚至损坏设备。过程控制1、理想流量特性调节阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度之间的关系，即： ：相对流量，即调节阀某一开度时流量与全开流量之比：相对开度，即调节阀某一开度行程与全开行程之比。 四、调节阀的流量特性理想
16、流量特性：在阀前后压差为一定的情况下（p=常数）得到的流量特性。过程控制取决于阀芯的形状。不同的阀芯曲面得到不同的理想流量特性。理想流量特性曲线1、快开 2、直线 3、抛物线 4、对数1432过程控制直线流量特性曲线：K：常数，即执行器的放大系数调节阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是一个常数。 边界条件：当l=0时，q=qmin当l=L时，q=qmax调节阀的可调比 ，R=30 过程控制调节阀的相对开度与相对流量(R=30)8499.0371.290.390100705745352618127.33.3抛物线10096.1391.384.575.865.252.638.121.73.3快开10050.836.225.618.313.09.266.584.673.3对数10080.671.061.351.742.032.322.713.03.3直线10080706050403020100b a a：l/L(%)b：q/qmax(%)过程控制只要阀芯位移量相同，则流量变化也总是相同的，即单位行程变换所引起的流量变化是相等的。 在10%开度时： 在50%开度时
