工业自动化仪表与系统

工业自动化仪表与系统工业自动化仪表的分类常用工业自动化仪表的工作原理典型工业过程测控系统的构建一、工业自动化仪表的分类能源分类结构分类信号类型1、能源分类气动仪表特点：结构简单、性能稳定、可靠性高、价格便宜，且在本质上是安全防爆的。电动仪表特点：信号的传输、放大、变换处理比气动仪表容易，便于远距离监视和操作，还易于与计算机等现代技术工具联用。液动仪表2、信号类型分类模拟式特点：线路较简单，操作方便，价格较低，在设计、制造、使用上有较成熟的经验。数字式特点：以微型计算机为核心，功能完善，性能优越，编程灵活。3、结构分类基地式控制仪表以指示、记录为主体，附加控制机构组成。单元组合式控制仪表根据控制系统中各个组成环节的不同功能和使用要求，将整套仪表划分成独立实现某种功能的若干单元，各单元之间用统一的标准信号来联系。组装式综合控制装置在单元组合仪表的基础上发展起来的一种功能分离、结构组件化的成套仪表装置。集散控制系统计算机控制装置。特点“集中管理、分散控制。现场总线控制系统全分布式的新型控制网络，特点”结构网络化和全分散性，系统的开放性，现场仪表的互可操作性和功能自治性，以及对环境的适应性。二、常用工业自动化仪表的工作原理变送器调节器执行器调节器执行器对象测量变送给定值x偏差e测量值z被控对象y干扰1、变送器概念：将各种工艺变量和电气信号转换成相应的统一标准信号。包括测量部分（输入转换部分）、放大器和反馈部分。模拟变送器数字变送器)(10ZCxKFKy（1）模拟变送器的构成测量部分C放大部分K反馈部分F调零、零点迁移XZi+Z0eZf_y（2）数字变送器组成传感器部件电子部件由微处理器、A/D转换器、D/A转换器、通信器件等组成。2、调节器概念调节器接收偏差信号后，按一定的运算规律输出控制信号，作用于被控对象，以消除扰动对被控变量的影响，从而使被控变量回到给定值上来。模拟调节器采用模拟技术，以运算放大器等模拟器件为基本部件。模拟式控制器所传送的信号形式为连续的模拟信号，其基本结构包括比较环节、反馈环节放大器等。比较环节比较环节将被控变量的测量值与设定值进行比较得到偏差。电动控制器是在输入电路中进行电压或电流信号的比较。反馈环节控制器的PID控制规律是通过反馈环节进行的。输出的电信号通过电阻和电容构成的无源网络反馈到输入端。放大器放大器实质上是一个稳态增益很大的比例环节。在电动控制器中可采用高增益的集成运算放大器。DDZ-Ⅲ型电动单元调节器是模拟式控制器中较为常见的一种，它以来自变送器或转换器的1～5V直流测量信号作为输入信号，与1～5V直流设定信号相比较得到偏差信号，然后对此信号进行PID运算后，输出1～5V或4～20mA直流控制信号，以实现对工艺变量的控制。整套仪表可以构成安全火花型防爆系统，而且增加了安全栅，实现控制室与危险场所之间的能量限制和隔离。有软、硬两种手动操作方式，软手动与自动之间相互切换具有双向无平衡无扰动特性，提高了控制器的操作性能。这是因为在自动与软手动之间有保持状态，此时控制器输出可长期保持不变，所以即使有偏差存在，也能实现无扰动切换。采用国际标准信号制，现场传输信号为4～20mA直流电流，控制室联络信号为1～5V直流电压，信号电流和电压的转换电阻为250Ω。由于电气零点不是从零开始，因此容易识别断电、断线等故障。信号传输采用电流传送-电压接受的并联方式，即进出控制室的传输信号为直流电流信号（4～20mA），将此电流信号转换成直流电压信号后，以并联形式传输给控制室各仪表。测量信号指示电路给定信号指示电路输入电路PD电路PI电路硬手操电路软手操电路输出电路250ΩUi1~5V外内1~5VU01U02U034~20mA输出指示S6Is4~20mAI0基型调节器方框图控制器的工作状态有“自动”、“软手动”、“硬手动”及“保持”四种。DDZ-Ⅲ型电动单元调节器调节规律１.比例调节比例控制的输出与输入的关系为：y＝KpeKP是比例增益，它决定了比例控制作用的强弱。KP越大，比例控制作用越强。KP越小，比例控制作用越弱。特点：及时、迅速（控制器的输出与输入成正比，只要有偏差存在，控制器输出就会马上与偏差成比例地变化）２．比例积分调节比例积分作用的数学表达式为：只要存在偏差，积分控制器的输出就会不断地随时间积分而增大，只有当偏差为零时，控制器才会停止积分，保持在一定的输出值不变。积分作用的一个重要优点是能够消除余差，TI：积分时间，积分时间是指在阶跃信号作用下，控制器积分作用的输出等于比例作用的输出所经历的时间。积分时间TI是一个常数，它可以用来表示积分速度的大小和积分作用的强弱。３．比例微分调节比例微分的输出与输入信号的关系为：通常称微分控制为“超前控制”。比例微分输出的大小与偏差变化速度及微分时间ＴＤ成正比。微分作用的强弱用微分时间来衡量。微分时间越长，微分作用越强。)1(0dteTeKpytIdtdeKpTKpeyD（2）数字调节器包括主机电路、过程输入通道、过程输出通道、人机联系部分和通信部件等。单回路数字控制器单回路数字控制器简介概述单回路数字控制器是以微处理机为核心，接收和输出都可以是4~20mADC标准的、连续的电模拟量信号；内部处理信号为数字量，可由用户编制程序，可组成多种控制规律的一种数字式过程控制装置。结构原理:数据设定器用户ROM输入接口输出接口ROMRAMCPU通讯口显示器A/D及D/A多路开关模拟输入多路开关模拟输出手操电路电源面板开关输入数字输入数字输出单回路数字控制器的基本组成3、执行器概念执行器由执行机构和调节机构组成，执行机构产生推力或位移的装置，调节机构直接改变能量或物料输送量的装置，通常称调节阀。电动执行器（角行程和直行程）它将输入的直流电流信号线性地转换成位移量。均是以两相交流电机为动力的位置伺服机构，两者电气原理完全相同，只是减速器不一样。气动执行器（薄膜式和活塞式）接受电/气转换器输出的气压信号，并将其转换为相应的推杆直线位移，以推动调节机构工作。（1）电动执行器特点：①由于工频电源取用方便，不需增添专门装置，特别是执行器应用数量不太多的单位,更为适宜;②动作灵敏、精度较高、信号传输速度快、传输距离可以很长，便于集中控制;③在电源中断时，电动执行器能保持原位不动，不影响主设备的安全;④与电动控制仪表配合方便，安装接线简单;⑤成本较贵、结构复杂、维修麻烦，并只能应用于防爆要求不太高的场合。电动执行器结构：伺服放大器操作器伺服电机减速器位置发送器位置反馈θ4~20mAIiIf阀位显示电动执行机构方框图iKI（2）气动执行器气动执行器是由执行机构和控制机构(阀)两部分组成。执行机构是执行器的推动装置，它按控制信号压力的大小产生相应的推力，推动控制机构动作，所以它是将信号压力的大小转换成阀杆位移的装置。控制机构是执行器的控制部分，它直接与被控介质接触，控制流体的流量。所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置。KLPAP：调节器的输出压力信号；A：薄膜的有效面积；K：弹簧弹性系数；L：执行机构推杆位移•气动薄膜执行机构组成：由弹性薄膜平衡弹簧和推杆组成。•气动执行机构按推杆位移的方向有：正作用形式：如果当输入气压信号增加时，推杆向下移动反作用形式：当输入气压信号增加时，推杆向上移动•调节机构直接与介质接触，通过改变阀芯的行程而改变控制阀的阻力系数，以达到控制流量的目的。控制阀有直通双座控制阀、直通单座控制阀、蝶阀、三通阀、高压阀、角形阀、隔膜阀等多种结构形式。（1）直通单座阀阀体内有一个阀芯、一个阀座，如图（a）所示。特点：结构简单，泄漏量小，易于关闭，可将流体完全切断。缺点：流体流动时产生的单方向的不平衡力大，尤其在高压差、大口径时，不平衡力更大。适用场合：它只适用于低压差的场合。（2）直通双座阀阀体内有两个阀芯和阀座，如图（b）所示。流体从左侧进入，通过上、下阀芯后，再汇合在一起，由右侧流出。特点：流体流过的时，作用在上、下两个阀芯上的推力方向相反，大小近于相等，可以相互抵消，不平衡力小。缺点：受加工的限制，上下两个阀芯阀座不易保证同时关严，泄漏量较大。流通能力较大大。适用场合：适用于低粘度、不含纤维、悬浮颗粒的洁净介质及高压差、高静压且允许有泄漏的场合。（3）角形阀（c）为角形阀。它的阀体为直角形，其他结构与直通单座阀相似。其阀芯为单导向结构，只能正装。特点：角形阀的流路简单，阻力小，适用场合：适用于高压差、高粘度、含悬浮物和颗粒状物质流体的控制，可避免堵塞和结焦，便于自净和清洗。（4）三通阀有三个出入口与管道相连，按作用方式分为分流式和合流式,如图（d）和（e）所示。分流阀是一进两出，合流阀是两进一出。阀芯移动时，流体一路增加，另一路减小。但总量不变。（3）液动执行器在易燃易爆的工作环境中，常常使用气动执行器；而在大型高压压缩机控制系统中常用液动执行器。和气动执行器相比,液动执行器具有如下特点：（1）控制精度高、性能好。（2）输出推力大。（3）响应速度快。图10-11电液伺服控制系统（4）动作平稳、无振荡和噪音。电液伺服控制系统（4）控制阀的流量特性概念：是指流体通过阀门的相对流量，与阀门相对开度之间的关系，即：LlfQQmax（1）直线流量特性直线流量特性是指控制阀的相对开度与相对流量间成直线关系，直线流量特性的控制阀在小开度时，其相对流量变化大，控制作用太强，易引起超调，产生振荡；而在大开度工作时，其相对流量的变化小，控制作用太弱，会造成控制作用不够及时。因此，在使用直线流量特性的控制阀时，应尽量避免控制阀工作在此区域内。（2）等百分比（对数）流量特性等百分比流量特性是指单位相对位移变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量成正比。等百分比流量特性控制阀相对流量和相对行程的关系是非线性的，相对开度较小时，流量变化较小；在相对开度较大时，流量变化较大。因此它在全行程范围内相对流量的百分比变化率相同。所以控制过程平稳，适用范围较广，更适用于负荷变化大的工艺对象。（3）快开流量特性这种流量特性在小开度时流量就比较大，随着开度的增大，流量很快达到最大，故称为快开流量特性。（5）控制阀气开、气关形式气开阀是指输入气压信号p＞0.02Mpa时，控制阀开始打开，也就是说“有气”时阀打开。当输入气压信号p=0.1Mpa时，控制阀全开。当气压信号消失或等于0.02Mpa时，控制阀处于全关闭状态。气关阀是指输入气压信号p＞0.02Mpa时，控制阀开始关闭，也就是说“有气”时阀关闭。当p=0.1Mpa时，控制阀全关。当气压信号消失或等于0.02Mpa时，控制阀处于全开状态。执行机构有正、反两种作用形式，控制阀也有正装和反装两种形式。因此，实现控制阀气开、气关有四种组合：（a）气关（b）气开c）气开（d）气关阀的气源信号发生故障或控制系统某环节失灵时，阀处于全开的位置安全，还是处于全关的位置安全，要由具体的生产工艺来决定。选择原则：（1）首先要从生产安全出发，即当气源供气中断，或控制器出故障而无输出，或控制阀膜片破裂而漏气等而使控制阀无法正常工作以致阀芯回复到无能源的初始状态（气开阀回复到全关，气关阀回复到全开），应能确保生产工艺设备的安全，不致于发生事故。（2）从保证产品质量出发，当发生控制阀处于无能源状态而回复到初始位置时，不应降低产品的质量。（3）从降低原料、成品、动力消耗来考虑。（4）从介质的特点考虑。三、典型工业过程测控系统的构建简单控制系统复杂控制系统串级控制系统均匀控制系统比值控制系统分程控制系统1、简单控制系统调节器执行器对象测量变送器给定值x偏差e测量值z被控对象y干扰-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2、复杂控制系统串级控制系统例如加热炉温度控制系统：TMCTSCTSTTMT出口温度T