过程控制仪表

过程控制仪表及装置湖北科技职业学院朱婷E-MAIL：[e-mail]1.过程控制仪表与控制系统的关系自动控制：是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为过程控制仪表或装置），使被控对象的工作状态或参数（压力、物位、流量、温度、pH值等）自动的按照预定的程序运行。过程控制仪表：是实现工业生产过程自动化的重要工具，它被广泛地应用于石油、化工等各工业部门。在自动控制系统中，过程检测仪表将被控变量转换成电信号或气压信号后，除了送至显示仪表进行指示和记录外，还需送到控制仪表进行自动控制，从而实现生产过程的自动化，使被控变量达到预期的要求。过程控制仪表包括变送器、调节器（也叫控制器）、执行器、操作器，以及可编程调节器等各种新型控制仪表及装置。进料液位变送器控制器操作器显示器出料给定值执行器自动化装置图1储罐液位自动控制系统生产中与生活中通过过程控制实现自动化的例子：卷烟厂的防潮系统家用空调2.过程控制仪表的发展和分类1)发展60年代：就地分散控制检测和控制仪表：普遍采用基地式仪表和部分单元组合仪表（多数是气动仪表）。目的：实现工艺参数的稳定操作。70年代：集中控制（一些工厂、企业实现了车间或大型装置）。使用仪表：DDZ－ⅠDDZ－ⅡDDZ－Ⅲ电动单元组合仪表气动单元组合仪表QDZ－ⅠQDZ－ⅡQDZ－Ⅲ80年代至今：集散控制系统（DCS全名DistributedControlSystem）。特点：集中管理，分散控制。仪表使用：微处理器、微机与传统仪表相结合的过程控制仪表（数字调节器或可编程序调节器）。2)分类控制仪表可按能源、信号类型、结构形式来分类（1）按应用能源分类：气动、液动、液动等气动控制仪表的特点：结构简单，性能稳定可靠，维护方便，价格便宜，并且具有本质安全防爆性能，特别适用于石油、化工等有爆炸危险的场所。电动控制仪表的特点：可以实现无滞后的远距离传送，同时又具有能源简单、便于和计算机配合的特点。由于采取安全火花防爆措施解决了防爆问题，电动仪表同样也能应用于易燃易爆的危险场所，因此在工业生产过程中得到越来越广泛的应用。（2）按信号类型分类：模拟式、数字式数字式它以微型计算机为核心，功能完善，性能优越，能解决模拟式仪表难以解决的问题，满足现代生产过程的高质量控制要求。它可实现连续生产过程、断续生产过程的控制，也可以通过在PLC中加入PID等控制功能，实现批量控制。模拟式传输信号通常为连续变化的模拟量，其线路简单，操作方便，价格较低基地式仪表（3）按结构形式分类：基地式、单元组合式、组装式、数字控制式、集散控制、现场总线控制。以指示、记录仪表为主体，附加某些控制机构而组成。基地式控制仪表特点：—般结构比较简单、价格便宜．它不仅能对某些工艺变量进行指示或记录，而已还具有控制功能，因此它比较适用于单变量的就地控制系统。目前常使用的XCT系列动圈式控制仪表和TA系列简易式调节器即属此类仪表。单元组合式控制仪表将整套仪表划分成能独立实现一定功能的若干单元，各单元之间采用统一信号进行联系。使用时可根据控制系统的需要，对各单元进行选择和组合，从而构成多种多样的、复杂程度各异的自动检测和控制系统。特点：使用灵活，通用性强，同时，使用、维护更作也很方便。它适用于各种企业的自动控制。广泛使用的单元组合式控制仪表有电动单元组合仪表(DDZ型)和气动单元组合仪表(QDZ型)。组装式综合控制装置：单元组合仪表的基础上发展起来的一种成套仪表装置，结构上包括控制机柜和显示操作盘两部分，它的主要特点是功能分离，结构组件化，特别适用于要求组成各种复杂控制和集中显示操作的大、中型企业的过程控制系统。数字式控制仪表以数字计算机为核心的数字控制仪表。其外形结构、面板布置保留了模拟式仪表的一些特征，但其运算、控制功能更为丰富，通过组态可完成各种运算处理和复杂控制。集散控制系统DCS:以CPU为核心，在4C技术（即control、computer、communication、CRT阴极射线管显象技术）迅速发展基础上发展而来。将集中于一台计算机完成的任务分派给各个微型过程控制计算机，再配上数字总线以及上一级过程控制计算机，组成各种各样的，能适应于不同过程的、积木式分级分布式计算机控制系统.现场总线控制系统以计算机网络技术、通信技术、控制技术和现代仪器仪表技术的最新发展成果.现场总线控制系统的出现引起了传统技术结构和设备的根本性变革,它将具有数字通信能力的现场智能仪表连成网络系统,并同上一层监控级、管理级连接起来成为全分布式的新型控制网络.3.本课程的任务和学习方法1)本课程的任务2)本课程的学习方法第一章过程控制仪表的基本知识1.1过程控制仪表的信号制式1.2电动仪表信号标准的使用1.3过程控制仪表防爆的基本知识1.4过程控制仪表的型号命名1.5过程控制仪表的分析方法1.1过程控制仪表的信号制式1.1.1信号制式:信号标准,是指仪表之间采用的传输信号的类型和数值.1.1.2信号标准1.气动仪表的信号标准2.电动仪表的信号标准1.2电动仪表信号标准的使用1.2.1采用4~20mADC电流信号传送1.采用直流电流信号的优点（1）直流电流信号比交流电流信号干扰小.交流电流信号容易产生交变电磁场的干扰,对附近仪表和电路有影响,并且如果混入的外界交流干扰信号和有用信号形式相同时难以滤除.另外电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。（2）直流电流信号对负载的要求简单.交流电流信号有频率和相位的问题,对负载的感抗和容抗敏感,使得影响因素增多.（3）电流比电压更利于远传信息.如果采用电压形式传送信息,当负载电阻较小且进行远距离传输时,导线上的电压降会引起误差.2.采用4~20mADC电流信号传送的理由（1）仪表的电器零点是4mA，不与机械零点重合。上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限没有取0mA的原因是为了能检测断线：正常工作时不会低于4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为0。常取2mA作为断线报警值。（2）在现场使用两线制变送器不仅节省电缆，布线方便，而且还便于使用安全栅，有利于安全防爆。两线制的基本知识两线制是指现场变送器与控制室仪表联系仅用两根导线，这两根线既是电源线，又是信号线。两线制与三线制(一根正电源线，两根信号线,其中一根共GND)和四线制(两根正负电源线，两根信号线,其中一根GND)相比，两线制的优点是：1、不易受寄生热电偶和沿电线电阻压降和温漂的影响，可用非常便宜的更细的导线；可节省大量电缆线和安装费用；2、在电流源输出电阻足够大时，经磁场耦合感应到导线环路内的电压，不会产生显著影响，因为干扰源引起的电流极小，一般利用双绞线就能降低干扰；两线制与三线制必须用屏蔽线,屏蔽线的屏蔽层要妥善接地。3、电容性干扰会导致接收器电阻有关误差，对于4～20mA两线制环路，接收器电阻通常为250Ω（取样Uout=1～5V）这个电阻小到不足以产生显著误差，因此，可以允许的电线长度比电压遥测系统更长更远；4、各个单台示读装置或记录装置可以在电线长度不等的不同通道间进行换接，不因电线长度的不等而造成精度的差异，实现分散采集，分散式采集的好处就是：分散采集，集中控制5、将4mA用于零电平，使判断开路与短路或传感器损坏（0mA状态）十分方便。6、在两线输出口非常容易增设一两只防雷防浪涌器件,有利于安全防雷防爆。3.采用直流电流信号需要注意的问题（1）采用电流传送信息，接收端的仪表必须是低阻抗的。如果有多个仪表接受同一个电流信息，它们必须是串联的。（2）串联连接的任何一个仪表在拆离信号回路之前首先要把该仪表的两端短接，否则其他仪表会因电流中断而失去信号。（3）各个接收仪表一般都应悬空工作，否则会引起信号混乱。1.2.2采用1-5VDC电压信号实现控制室内部仪表间联络(1)用电压信号传送的信息可以采用并联连接方式,使同一个电压信号为多个仪表所接收.在控制室内部,各仪表之间的距离不远,适合采用1-5VDC电压作为仪表之间的相互联络信号.(2)任何一个仪表拆离信号回路都不会影响其他仪表的运行.(3)各个仪表既然并联在同一信号线上,当信号源负极接地时,各仪表内部电路对地有同样电位,这不仅解决了接地问题,而且各仪表可共用一个直流电源.1.2.3控制系统仪表之间的典型连接方式稳压电源信号信号4-20mA4-20mA转换器1-5VDC现场控制室图1.1控制系统仪表之间的典型连接方式1.3过程控制仪表防爆的基本知识防爆的意义:在石油、化工等工业部门中,某些生产场所存在着易燃易爆的固体粉尘、气体或蒸汽,它们与空气混合成为具有火灾或爆炸危险的混合物,使其周围空间成为具有不同程度爆炸危险的场所.安装在这些场所的检测仪表和执行器,如果产生的火花火热效应能量点燃危险混合物,则会引起火灾或爆炸.因此,用于这些场所的仪表和控制系统,必须具有防爆性能.1.3.1防爆仪表的标准防爆表必须符合国家标准GB3836.1—2000《爆炸性气体环境用电气设备第一部分:通用要求》的规定.1.防爆表的分类按照国家标准的规定,防爆电气设备分为两大类.Ⅰ类:煤矿用电器设备.Ⅱ类:除煤矿外的其他爆炸性气体环境用电气设备.其中Ⅱ类电气设备又分为八种类型.这八种类型及其标志为:d-隔爆型;e-增安全型;i-本质安全型;p-正压型;o充油型;q-充沙型;n-无火花型;s-特殊型.电动仪表主要有隔爆型(d)和本质安全型(i)两种.2.防爆表的分级和分组引起爆炸的原因:(1)仪表产生能量过高的电火花或仪表内部因故障产生火焰通过表壳的缝隙引燃仪表外的气体或蒸汽;(2)仪表过高的表面温度.根据原因对Ⅱ类防爆仪表进行了分级和分组(表1.1)对隔爆型的电气设备,易燃易爆气或蒸汽按最大试验间隙进行分级;对于本质安全型的,按照最小点燃电流与实验室用甲烷的小点燃电流的比值进行分级.最大试验安全间隙;maximumexperimentalsafetygap;(MESG)在规定试验条件下，两个经长25mm的间隙连通的容器，一个容器内燃爆时不致引起另一个容器内燃爆的最大连通间隙。中国规定气体、蒸气危险物质按最大试验安全间隙分为ⅡA级，ⅡB级和ⅡC级。甲烷(I类爆炸危险物质)的最大试验安全间隙为1.14mm。最大试验安全间隙≤1.14mm，0.0mm的为ⅡA级；≤0.9mm，0.5mm的为ⅡB级；≤0.5mm的为ⅡC级。最小点燃电流比;minimumignitioncurrentratio;MICR在规定试验条件下，气体、蒸气爆炸性混合物的最小点燃电流与甲烷爆炸性混合物的最小点燃电流之比。中国规定气体、蒸气危险物质按最小点燃电流比分为ⅡA级，ⅡB级和ⅡC级。最小点燃电流比≤1.0，0.8的为ⅡA级；≤0.8，0.45的为ⅡB级；≤0.45的为ⅡC级。例如，乙烷、乙烯、乙炔分别为ⅡA级，ⅡB级，ⅡC级危险物质。3.防爆表的标志防爆仪表的防爆标志为”Ex”;仪表的防爆等级标志的顺序为:防爆型式,类别,级别,温度组别.举例:iaⅡCT5表明此仪表为本质安全型的a类,易燃易爆气体的等级为ⅡC最高表面温度级别为T5⑴控制仪表和控制系统有什么关系？答：过程控制系统是实现生产过程自动化的平台,而过程控制仪表是过程控制系统不可缺少的重要组成部分。⑵什么是信号制？控制系统仪表之间采用何种连接方式最佳？为什么？答：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。控制系统仪表之间采用4～20mADC直流电流信号传送，现场变送器和控制室仪表之间采用串联连接方式。电流信号便于远距离传送，不仅节省电缆、布线方便，而且还便于使用安全栅，有利于安全防爆。采用1～5VDC直流电压信号实现控制室内部仪表间联络。用电压信号传送的信息可以采用并联连接方式，使同一个电压信号为多个仪表所接收。在控制室内，各仪表之间的距离不远，适合采用1～5VDC直流电压作为仪表之间的互相联络信号；任何一个仪表拆离信号回路都不会影响其它仪表的运行；各个