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自动化仪表讲义第一章自动化仪表在生产过程中的作用1.1自动化仪表及其应用1.2自动化仪表的分类1.3自动化控制系统第一章自动化仪表在生产过程中的作用1.1自动化仪表及其应用自动化仪表，是指在工业生产过程中对工艺参数进行检测、显示、控制的仪表。自动化仪表大体可分为检测仪表、显示仪表、控制仪表和执行器四大类。检测仪表是利用各种物理、化学效应，实现各种信息参数测量的仪表。显示仪表则用于对各种变量检测、控制及操作状态参数的数据显示和记录，承担人—机联系的任务。有的仪表则集检测与显示一体。控制仪表把来自检测仪表的信号值与所要求的信号值进行比较、综合，按预定控制规律发出控制信号，操纵执行器动作，使被控变量达到预期值。执行器则是实现这种控制作用的终端控制装置。工业自动化仪表是实现工业生产过程自动化的一种重要装置。应用自动化仪表和设备，构成各种类型的自动化系统，可以代替人的重复性劳动，实现工艺过程的自动检测、调节和控制。在海洋石油的油气田生产中，为了正确地指导生产操作，保证人员和生产安全，都广泛应用自动化仪表和控制系统。1.2自动化仪表的分类海洋石油平台使用的自动化仪表类型繁多，因而分类的方法也不同，下面介绍几种常见的分类方法。按使用能源不同，可分为气动仪表、电动仪表和液动仪表。按所测量参数不同，可分为压力仪表、温度仪表、液位仪表、流量仪表。按所使用系统不同，可分为生产系统检测仪表和安全系统检测仪表。1.3自动化控制系统海洋石油平台要求生产和安全管理的自动化程度较高，平台上都设有一套自动化控制系统，即中央控制系统。这套系统是整个平台的控制中心，它能对整个平台的生产和安全进行监控，确保平台及人身安全，保证生产的持续性，保护原油生产系统及其设施。中央控制系统是由生产过程控制系统（PCS）和安全控制系统(SCS)组成。其中安全控制系统又分为紧急关断系统（ESD）和火气探测系统（F&G）两个相对独立的子系统。如下图所示：现场仪表PTTTLTFT中央控制系统过程控制系统PCS逻辑关断系统ESD火气系统F&G安全控制系统SCS阀位状态泵状态及故障信号开关报警信号PSLTSLLSL控制阀启停泵声光报警开关报警高高低低信号其它关断信号状态灯及PA广播关断相应设备关断相应系统现场仪表PTTTLTFT中央控制系统过程控制系统PCS逻辑关断系统ESD火气系统F&G安全控制系统SCS阀位状态泵状态及故障信号开关报警信号PSLTSLLSL控制阀启停泵声光报警开关报警高高低低信号火气探头及火灾手动站其它关断信号其它检测信号状态灯及PA广播消防泵及喷淋阀和CO2系统关断相应设备关断相应系统第二章压力检测仪表2.1压力的定义及单位2.2压力的分类2.3压力检测方法2.4压力表2.5压力变送器2.6压力开关2.7压力检测仪表选择、校验和安装压力（包含差压和真空度）是工业生产中最重要的参数之一。它决定着生产过程能否正常进行，关系到设备和人身的安全等。2.1压力的定义及单位垂直作用在物体单位面积上的力称为压力。它的数值由两个因素决定，即受力面积和垂直作用力的大小。在国际单位制中其单位为牛顿/米2，即：帕斯卡，其表示的符号为：Pa，简称“帕”，帕这个单位很小，约为0.1mm水柱所产生的压力。Pa、kPa、MPa是法定的压力计量单位。在工程中常用单位还有工程大气压（kgf/cm2）、物理大气压（atm）、毫米汞柱（mmHg）、毫米水柱（mmH2O）、磅/英寸2（psi）、巴（bar）等，工程大气压（kgf/cm2）、物理大气压（atm）和巴（bar）压力等级基本相同。1巴≈1公斤力≈100KPa≈14.5psi，相当于10米水柱的压力。它们之间的常用换算见表2-1各压力单位间的换算。表2-1各压力单位间的换算帕Pa千帕KPa大气压(kgf/cm2)毫米水柱mmH20磅/英寸2Ib/in2(psi)巴bar11×10-31.02×10-51.02×10-11.45×10-41×10-51×10311.02×10-21.02×1021.45×10-11×10-29.8×1049.8×1011×10414.220.989.89.8×10-31×10-411.4×10-39.8×10-56.9×1036.90.070.7×10310.0691×1051001.0210.2×10314.512.2压力的分类在压力检测中，压力常分为表压、绝压、负压或真空度、差压或压差。绝对压力是液体、气体或蒸汽所处空间的全部压力和。表压和真空度是相对大气压力而言的，大气压力即地球表面空气柱重量所产生的压力。工业上所用的压力指示值常为表压，表压是当绝对压力高于大气压力时，绝对压力和大气压力之差；真空度是当绝对压力小于大气压力时，大气压力和绝对压力之差。差压力是任意两个压力相比较时的差值。它们之间的关系如图2-1各种压力间的关系。图2-1各种压力间的关系绝对压力的零线P表压大气压力线P绝压P绝压1100P负压·真空2.3压力检测方法压力的检测方法多种多样，在海洋采油工艺主要采用弹性变形测压力和电测法测量压力。用弹性变形测压法测量压力时，当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件便产生相应的形变，根据形变的大小便可测出压力的大小。常用的弹性元件有三类：薄膜式、波纹管式和弹簧管式。弹簧管又分为单管式和多管式两种，平台的压力表一般都采用单管式。2.4压力表从图2-2中可以看出，弹簧管受压后其形变位移和受力的大小具有比例关系。因此，生产中，我们大多采用弹簧管作为弹性元件来测压，经常使用单弹簧管和多弹簧管，以单弹簧管应用为最多。弹簧管压力表是工业生产上应用最为广泛的一种测压仪表。图2-2单簧管压力表内部结构2.4.1弹簧管的测压原理单弹簧管是弯成圆弧形的空心管子，其截面积呈扁圆形或椭圆形，如图2-2单簧管压力表内部结构。被测压力由弹簧管的固定端引入，由于椭圆形截面积在压力作用下会趋向圆形，因此弹簧管的自由端就产生一定的位移。弹簧管就这样把压力转变为位移。但是，弹簧管输出位移很小，因此一般都选用各种杠杆式或齿轮式的传动放大机构，把微小位移放大并转换成角位移传送给显示部分的指针。如图2-3压力表测压原理。由于弹簧管自由端的位移与被测压力的大小具有比例关系，因此弹簧管压力表的刻度标尺是线性的。图2-3压力表测压原理由上得出：它的原理是在压力作用下，弹簧管就要产生变形，自由端产生位移，通过拉杆带动扇形齿轮转一角度，经机芯带动指针偏转在刻度盘上指示出来，位移大小与输入的测量压力成正比，此时指针在刻度盘上的位置就是被测出来压力的量值.。2.4.2弹簧管压力表的结构弹簧管压力表的结构如图2-4弹簧管压力表所示。1-弹簧管2-拉杆3-扇形齿轮4-中心齿轮5-指针6-面板7-游丝8-调整螺钉9-接头压力表外观见图2-5。被测压力由接头9通入，迫使弹簧管1的自由端B向上方扩张。自由端B的弹性变形位移由拉杆2使扇形齿轮3作逆时针偏转，于是指针5通过同轴的中心齿轮4的带动而作顺时针偏转，从而在面板6的刻度尺上显示出被测压力P的数值。由于自由端的位移与被测压力之间具有比例关系，因此弹簧管压力表的刻度标尺是线性的。游丝7是用来克服因扇形齿轮和中心齿轮的间隙所产生的仪表变差的。改变调整螺钉8的位置（即改变机械传动的放大系数），可以实现压力表量程的调整。2.5压力变送器以上介绍的是就地显示的压力计，既压力表。在生产中，我们还需要将压力转换成气动信号或电动信号进行控制和远传。这些把压力转换成气动信号或电动信号的设备就是压力变送器。压力变送器分为气动压力变送器和电动压力变送器。2.5.1气动压力变送器气动压力变送器中应用最多的是力矩平衡式压力变送器，下面就以气动差压变送器为例对气动力矩平衡式压力变送器的结构原理进行简单分析。如图2-6气动差压变送器的原理图。图2-6气动差压变送器原理图1正压室；2-负压室；3-膜片；4-出轴密封膜片；5-主杠杆；6-反馈支点（量程支点）；7-反馈波纹管；8-喷嘴；9-挡板；10-放大器；11-调零弹簧图2-6气动差压变送器原理图气动差压变送器的原理是：以膜片3为感测元件，与正压室1和负压室2组成变送器的测量部分。正压室通入被测差压的高压信号P1，负压室通入低压信号P2。差压通过膜片变成F测作用在比较环节——杠杆5上。杠杆5的支点是输出轴密封膜片4。杠杆5受压差产生的力的作用，绕支点“O”旋转，使挡板9相对喷嘴移动，喷嘴背压变化，引起功率放大器10的输出压力P出变化，输出压力P出引入仪表的反馈环节——波纹管7，转换成力F反，作为负反馈信号在支点6处也作用到杠杆5上。输入F测与F反通过杠杆5和支点“O”达到平衡，即：F测×l测=F反×l反由F测=A测（P1–P2）;F反=P出·A反可知P出=（P1–P2）A测l测/A反l反式中：A测是膜片3的有效面积，A反为反馈波纹管的有效面积图2-6气动差压变送器原理图由于l测、l反、A测、A反均为固定值，可见差压变送器将输入压差成比例的转换成了气动信号P出。输出信号为20~100Kpa的气压信号，可将输出信号送往调节器或显示仪表进行调节、指示或记录。但由于受远传时压力降低和滞后的影响，气动压力变送器主要用于现场调节回路的组成。2.5.2电动压力变送器电动压力变送器是将一定范围的压力信号转换成标准电流或电压信号的压力仪表。海洋采油生产中大多采用电容式压力变送器。电容式压力变送器的工作原理简单的说就是将弹性测压元件的位移转换成电容的变化，再经一定的转换电路输出标准电流或电压信号。海洋采油平台上常用到的电动压力变送器的输出标准信号一般为4-20mA电流信号，其输出信号为连续的模拟信号，常用作远传信号。海洋平台上常用到电动压力变送器主要是：ROSEMOUNT1151、2088、3051等系列模拟型和智能型压力变送器；FOXBOROI/A系列智能型压力变送器以及少量其它厂家的压力变送器。随着科学技术和海洋石油的发展，现在采油平台上的模拟型压力变送器已经逐步被智能型压力变送器替代.。下面以1151系列电动变送器为例详细叙述电动变送器的结构及性能等。1、概述1151系列电容式压力变送器具有安装使用方便、精度高、体积小、调整方便、稳定性高、单向过载能力好等特点。1151系列压力变送器是将相对真空的绝对压力或相对某标准的相对压力转换成为4～20mA或10～50mA直流电流信号，电流信号与被测压力成线性关系。1151系列压力变送器是采用两线制串联工作方式，如图2-91151压力变送器控制回路接线图所示。2、结构从总体结构来说，1151系列压力变送器可以分为两部分。一部分是敏感元件部分，它是由δ室和两个法兰组成；另一部分是电图2-9.1151压力变送器控制回路接线图1-1151压力变送器；2-记录仪；3-电源；4-调节器；5-指示器气部分，它包括接线端子、电子线路及端盖δ室是感受被测压力并转变成电容的变化，两端的法兰是固定、和保护δ室的，并且传送压力到δ室。电子线路板分为两块。一块是放大板；一块是刻度板。图2-91151压力变送器控制回路接线图1-1151压力变送器；2-记录仪；3-电源；4-调节器；5-指示器3、主要性能指标1151系列分A、B、E、G四种型号。A、B为测量绝对压力，E、G为测量相对压力A、E输出为4～20mA；B、G输出为10～50mA。测量对象为液体、气体、汽体。零点迁移与输出无关。精度包括线性度、变差、重复性误差在内，为刻度范围的+0.25%。稳定性在6个月内精度保证为量程上限的+0.25%。2.6压力开关压力开关是另外一种压力检测仪表，如图2-10。压力开关检测的是压力的变化，它利用弹性元件由于受压而产生的形变来驱动开关动作。压力开关分为高压开关和低压开关，高压开关是当压力升高至设定压力时，开关动作；低压开关是压力降低至设定压力时，开关动作。压力开关的输出信号是一个开关量，因此，压力开关的输出信号常用来作为报警关停信号。图2-10压力开关大多数压力开关都提供两组触点：常开点（NO）和常闭点（NC）。在压力开关不受压（放空）的情况下，与公共端（C）不相通的触