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1、,工業(yè)自動化儀表與系統(tǒng),工業(yè)自動化儀表的分類 常用工業(yè)自動化儀表的工作原理 典型工業(yè)過程測控系統(tǒng)的構(gòu)建,一、工業(yè)自動化儀表的分類,能源分類 結(jié)構(gòu)分類 信號類型,1、能源分類,氣動儀表 特點：結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、可靠性高、價格便宜，且在本質(zhì)上是安全防爆的。 電動儀表 特點：信號的傳輸、放大、變換處理比氣動儀表容易，便于遠距離監(jiān)視和操作，還易于與計算機等現(xiàn)代技術(shù)工具聯(lián)用。 液動儀表,2、信號類型分類,模擬式 特點：線路較簡單，操作方便，價格較低，在設(shè)計、制造、使用上有較成熟的經(jīng)驗。 數(shù)字式 特點：以微型計算機為核心，功能完善，性能優(yōu)越，編程靈活。,3、結(jié)構(gòu)分類,基地式控制儀表 以指示、記錄為主體，

2、附加控制機構(gòu)組成。 單元組合式控制儀表 根據(jù)控制系統(tǒng)中各個組成環(huán)節(jié)的不同功能和使用要求，將整套儀表劃分成獨立實現(xiàn)某種功能的若干單元，各單元之間用統(tǒng)一的標(biāo)準信號來聯(lián)系。 組裝式綜合控制裝置 在單元組合儀表的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種功能分離、結(jié)構(gòu)組件化的成套儀表裝置。,集散控制系統(tǒng) 計算機控制裝置。特點“集中管理、分散控制。 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 全分布式的新型控制網(wǎng)絡(luò)，特點”結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)化和全分散性，系統(tǒng)的開放性，現(xiàn)場儀表的互可操作性和功能自治性，以及對環(huán)境的適應(yīng)性。,二、常用工業(yè)自動化儀表的工作原理,變送器 調(diào)節(jié)器 執(zhí)行器,1、變送器,概念： 將各種工藝變量和電氣信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的統(tǒng)一標(biāo)準信號。包括測量部分

3、（輸入轉(zhuǎn)換部分）、放大器和反饋部分。 模擬變送器 數(shù)字變送器,（1）模擬變送器的構(gòu)成,（2）數(shù)字變送器組成,傳感器部件 電子部件 由微處理器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、通信器件等組成。,2、調(diào)節(jié)器,概念 調(diào)節(jié)器接收偏差信號后，按一定的運算規(guī)律輸出控制信號，作用于被控對象，以消除擾動對被控變量的影響，從而使被控變量回到給定值上來。 模擬調(diào)節(jié)器 采用模擬技術(shù)，以運算放大器等模擬器件為基本部件。模擬式控制器所傳送的信號形式為連續(xù)的模擬信號，其基本結(jié)構(gòu)包括比較環(huán)節(jié)、反饋環(huán)節(jié)放大器等。比較環(huán)節(jié),比較環(huán)節(jié) 將被控變量的測量值與設(shè)定值進行比較得到偏差。電動控制器是在輸入電路中進行電壓或電流信號的比較。 反

4、饋環(huán)節(jié) 控制器的PID控制規(guī)律是通過反饋環(huán)節(jié)進行的。輸出的電信號通過電阻和電容構(gòu)成的無源網(wǎng)絡(luò)反饋到輸入端。 放大器 放大器實質(zhì)上是一個穩(wěn)態(tài)增益很大的比例環(huán)節(jié)。在電動控制器中可采用高增益的集成運算放大器。,DDZ-型電動單元調(diào)節(jié)器 是模擬式控制器中較為常見的一種，它以來自變送器或轉(zhuǎn)換器的15V直流測量信號作為輸入信號，與15V直流設(shè)定信號相比較得到偏差信號，然后對此信號進行PID運算后，輸出15V或420mA直流控制信號，以實現(xiàn)對工藝變量的控制。 整套儀表可以構(gòu)成安全火花型防爆系統(tǒng)，而且增加了安全柵，實現(xiàn)控制室與危險場所之間的能量限制和隔離。 有軟、硬兩種手動操作方式，軟手動與自動之間相互切換具

5、有雙向無平衡無擾動特性，提高了控制器的操作性能。這是因為在自動與軟手動之間有保持狀態(tài)，此時控制器輸出可長期保持不變，所以即使有偏差存在，也能實現(xiàn)無擾動切換。 采用國際標(biāo)準信號制，現(xiàn)場傳輸信號為420mA直流電流，控制室聯(lián)絡(luò)信號為15V直流電壓，信號電流和電壓的轉(zhuǎn)換電阻為250。由于電氣零點不是從零開始，因此容易識別斷電、斷線等故障。信號傳輸采用電流傳送-電壓接受的并聯(lián)方式，即進出控制室的傳輸信號為直流電流信號（420mA），將此電流信號轉(zhuǎn)換成直流電壓信號后，以并聯(lián)形式傳輸給控制室各儀表。,控制器的工作狀態(tài)有“自動”、“軟手動”、“硬手動”及“保持”四種。,DDZ-型電動單元調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律 .比

6、例調(diào)節(jié) 比例控制的輸出與輸入的關(guān)系為：yKpe KP是比例增益，它決定了比例控制作用的強弱。KP越大，比例控制作用越強。 KP越小，比例控制作用越弱。 特點：及時、迅速（控制器的輸出與輸入成正比，只要有偏差存在，控制器輸出就會馬上與偏差成比例地變化） 比例積分調(diào)節(jié) 比例積分作用的數(shù)學(xué)表達式為： 只要存在偏差，積分控制器的輸出就會不斷地隨時間積分而增大，只有當(dāng)偏差為零時，控制器才會停止積分，保持在一定的輸出值不變。 積分作用的一個重要優(yōu)點是能夠消除余差， TI：積分時間，積分時間是指在階躍信號作用下，控制器積分作用的輸出等于比例作用的輸出所經(jīng)歷的時間。 積分時間TI是一個常數(shù)，它可以用來表示積分

7、速度的大小和積分作用的強弱。 比例微分調(diào)節(jié) 比例微分的輸出與輸入信號的關(guān)系為： 通常稱微分控制為“超前控制”。比例微分輸出的大小與偏差變化速度及微分時間成正比。微分作用的強弱用微分時間來衡量。微分時間越長，微分作用越強。,（2）數(shù)字調(diào)節(jié)器,包括主機電路、過程輸入通道、過程輸出通道、人機聯(lián)系部分和通信部件等。 單回路數(shù)字控制器,單回路數(shù)字控制器簡介,概述 單回路數(shù)字控制器是以微處理機為核心，接收和輸出都可以是420mA DC標(biāo)準的、連續(xù)的電模擬量信號；內(nèi)部處理信號為數(shù)字量，可由用戶編制程序，可組成多種控制規(guī)律的一種數(shù)字式過程控制裝置。,結(jié)構(gòu)原理:,單回路數(shù)字控制器的基本組成,3、執(zhí)行器,概念 執(zhí)

8、行器由執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)組成，執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生推力或位移的裝置，調(diào)節(jié)機構(gòu)直接改變能量或物料輸送量的裝置，通常稱調(diào)節(jié)閥。 電動執(zhí)行器（角行程和直行程） 它將輸入的直流電流信號線性地轉(zhuǎn)換成位移量。均是以兩相交流電機為動力的位置伺服機構(gòu)，兩者電氣原理完全相同，只是減速器不一樣。 氣動執(zhí)行器（薄膜式和活塞式） 接受電/氣轉(zhuǎn)換器輸出的氣壓信號，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的推桿直線位移，以推動調(diào)節(jié)機構(gòu)工作。,（1）電動執(zhí)行器,特點： 由于工頻電源取用方便，不需增添專門裝置，特別是執(zhí)行器應(yīng)用數(shù)量不太多的單位, 更為適宜; 動作靈敏、精度較高、信號傳輸速度快、傳輸距離可以很長，便于集中控制; 在電源中斷時，電動執(zhí)行器能保持

9、原位不動，不影響主設(shè)備的安全; 與電動控制儀表配合方便，安裝接線簡單; 成本較貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修麻煩，并只能應(yīng)用于防爆要求不太高的場合。,電動執(zhí)行器結(jié)構(gòu)：,（2）氣動執(zhí)行器,氣動執(zhí)行器是由執(zhí)行機構(gòu)和控制機構(gòu)(閥)兩部分組成。執(zhí)行機構(gòu)是執(zhí)行器的推動裝置，它按控制信號壓力的大小產(chǎn)生相應(yīng)的推力，推動控制機構(gòu)動作，所以它是將信號壓力的大小轉(zhuǎn)換成閥桿位移的裝置?？刂茩C構(gòu)是執(zhí)行器的控制部分，它直接與被控介質(zhì)接觸，控制流體的流量。所以它是將閥桿的位移轉(zhuǎn)換為流過閥的流量的裝置。,P：調(diào)節(jié)器的輸出壓力信號； A：薄膜的有效面積；K：彈簧彈性系數(shù)；L：執(zhí)行機構(gòu)推桿位移,氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)組成：由彈性薄膜平衡彈簧和推

10、桿組成。 氣動執(zhí)行機構(gòu)按推桿位移的方向有： 正作用形式：如果當(dāng)輸入氣壓信號增加時，推桿向下移動 反作用形式：當(dāng)輸入氣壓信號增加時，推桿向上移動 調(diào)節(jié)機構(gòu)直接與介質(zhì)接觸，通過改變閥芯的行程而改變控制閥的阻力系數(shù)，以達到控制流量的目的。 控制閥有直通雙座控制閥、直通單座控制閥、蝶閥、三通閥、高壓閥、角形閥、隔膜閥等多種結(jié)構(gòu)形式。,（1）直通單座閥 閥體內(nèi)有一個閥芯、一個閥座，如圖（a）所示。特點：結(jié)構(gòu)簡單，泄漏量小，易于關(guān)閉，可將流體完全切斷。缺點：流體流動時產(chǎn)生的單方向的不平衡力大，尤其在高壓差、大口徑時，不平衡力更大。適用場合：它只適用于低壓差的場合。 （2）直通雙座閥 閥體內(nèi)有兩個閥芯和閥座

11、，如圖（b）所示。流體從左側(cè)進入，通過上、下閥芯后，再匯合在一起，由右側(cè)流出。特點：流體流過的時，作用在上、下兩個閥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。缺點：受加工的限制，上下兩個閥芯閥座不易保證同時關(guān)嚴，泄漏量較大。流通能力較大大。適用場合：適用于低粘度、不含纖維、懸浮顆粒的潔凈介質(zhì)及高壓差、高靜壓且允許有泄漏的場合。 （3）角形閥 （c）為角形閥。它的閥體為直角形，其他結(jié)構(gòu)與直通單座閥相似。其閥芯為單導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，只能正裝。特點：角形閥的流路簡單，阻力小，適用場合：適用于高壓差、高粘度、含懸浮物和顆粒狀物質(zhì)流體的控制，可避免堵塞和結(jié)焦，便于自凈和清洗。 （4）三通閥 有

12、三個出入口與管道相連，按作用方式分為分流式和合流式,如圖（d）和（e）所示。分流閥是一進兩出，合流閥是兩進一出。閥芯移動時，流體一路增加，另一路減小。但總量不變。,（3）液動執(zhí)行器,在易燃易爆的工作環(huán)境中，常常使用氣動執(zhí)行器；而在大型高壓壓縮機控制系統(tǒng)中常用液動執(zhí)行器。和氣動執(zhí)行器相比,液動執(zhí)行器具有如下特點： （1） 控制精度高、性能好。 （2） 輸出推力大。 （3） 響應(yīng)速度快。圖10-11 電液伺服控制系統(tǒng) （4） 動作平穩(wěn)、無振蕩和噪音。,電液伺服控制系統(tǒng),（4）控制閥的流量特性,概念： 是指流體通過閥門的相對流量，與閥門相對開度之間的關(guān)系，即：,（1） 直線流量特性 直線流量特性是指

13、控制閥的相對開度與相對流量間成直線關(guān)系，直線流量特性的控制閥在小開度時，其相對流量變化大，控制作用太強，易引起超調(diào)，產(chǎn)生振蕩；而在大開度工作時，其相對流量的變化小，控制作用太弱，會造成控制作用不夠及時。因此，在使用直線流量特性的控制閥時，應(yīng)盡量避免控制閥工作在此區(qū)域內(nèi)。 （2） 等百分比（對數(shù)）流量特性 等百分比流量特性是指單位相對位移變化所引起的相對流量變化與該點的相對流量成正比。等百分比流量特性控制閥相對流量和相對行程的關(guān)系是非線性的，相對開度較小時，流量變化較??；在相對開度較大時，流量變化較大。因此它在全行程范圍內(nèi)相對流量的百分比變化率相同。所以控制過程平穩(wěn)，適用范圍較廣，更適用于負荷變

14、化大的工藝對象。 （3） 快開流量特性 這種流量特性在小開度時流量就比較大，隨著開度的增大，流量很快達到最大，故稱為快開流量特性。,（5）控制閥氣開、氣關(guān)形式,氣開閥 是指輸入氣壓信號p0.02Mpa時，控制閥開始打開，也就是說“有氣”時閥打開。當(dāng)輸入氣壓信號p=0.1Mpa時，控制閥全開。當(dāng)氣壓信號消失或等于0.02Mpa時，控制閥處于全關(guān)閉狀態(tài)。 氣關(guān)閥 是指輸入氣壓信號p0.02Mpa時，控制閥開始關(guān)閉，也就是說“有氣”時閥關(guān)閉。當(dāng)p=0.1Mpa時，控制閥全關(guān)。當(dāng)氣壓信號消失或等于0.02Mpa時，控制閥處于全開狀態(tài)。 執(zhí)行機構(gòu)有正、反兩種作用形式，控制閥也有正裝和反裝兩種形式。因此，

15、實現(xiàn)控制閥氣開、氣關(guān)有四種組合 ： （a）氣關(guān) （b）氣開 c）氣開 （d）氣關(guān),閥的氣源信號發(fā)生故障或控制系統(tǒng)某環(huán)節(jié)失靈時，閥處于全開的位置安全，還是處于全關(guān)的位置安全，要由具體的生產(chǎn)工藝來決定。選擇原則： （1） 首先要從生產(chǎn)安全出發(fā)，即當(dāng)氣源供氣中斷，或控制器出故障而無輸出，或控制閥膜片破裂而漏氣等而使控制閥無法正常工作以致閥芯回復(fù)到無能源的初始狀態(tài)（氣開閥回復(fù)到全關(guān)，氣關(guān)閥回復(fù)到全開），應(yīng)能確保生產(chǎn)工藝設(shè)備的安全，不致于發(fā)生事故。（2）從保證產(chǎn)品質(zhì)量出發(fā)，當(dāng)發(fā)生控制閥處于無能源狀態(tài)而回復(fù)到初始位置時，不應(yīng)降低產(chǎn)品的質(zhì)量。（3）從降低原料、成品、動力消耗來考慮。（4）從介質(zhì)的特點考慮。,

16、三、典型工業(yè)過程測控系統(tǒng)的構(gòu)建,簡單控制系統(tǒng) 復(fù)雜控制系統(tǒng) 串級控制系統(tǒng) 均勻控制系統(tǒng) 比值控制系統(tǒng) 分程控制系統(tǒng),1、簡單控制系統(tǒng),是指由一個受控對象、一個測量變送器、一個控制器和一個執(zhí)行機構(gòu)（控制閥）所組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。對象控制器執(zhí)行器測量變送裝置干擾被控變量給定值偏差,2、復(fù)雜控制系統(tǒng),串級控制系統(tǒng) 例如加熱爐溫度控制系統(tǒng)：,加熱爐溫度控制系統(tǒng)方框圖,串級控制系統(tǒng)方框圖,串級控制系統(tǒng)的作用 1. 改善了對象特征，起了超前控制的作用 2. 改善了對象動態(tài)特性，提高了工作頻率 3. 提高了控制器總放大倍數(shù)，增強了抗干擾能力 4. 具有一定的自適應(yīng)能力，適應(yīng)負荷和操作條件的變化,2、比值控制系統(tǒng),兩種物料或兩種以上的物理保持一定的比例關(guān)系。,單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，能夠克服副流量的波動，能隨主流量的變化而變化，使FM 與FS保持比值關(guān)系。但只適用于主流量沒有必要進行控制的場合。,3、均勻控制系統(tǒng),當(dāng)前一設(shè)備的出料是后一設(shè)備的進料，而后者的出料又源源不斷的輸送給其他設(shè)備做進料。解決前后工序供求矛盾，使液面和流量的變化互相兼顧均勻變化，這就是均勻控制系統(tǒng)。,簡單的均勻控制和串級均勻控制,簡單