仪表工课件03-00-基本知识.ppt

仪表自控基本知识,1.自动化仪表的发展趋势,气动 电动单元组合仪表 计算机直接控制系统(DDC) 分散控制系统DCS 现场总线控制系统FCS,1.1现场总线技术 P322331,优点： 增加了仪表系统的功能。现场总线可实现就地闭环控制，使控制彻底分散，从而提高了控制系统的可靠性;现场总线使用智能仪表，便于仪表在线维护、调校以及在线设备管理;提高了系统的开放性。 提高了仪表系统的技术性能。由于信号传输的数字化，增强了现场信号的传输及抗干扰能力，使精度从±0.5%提高到±0.1%，增加了信号传输距离及信息量。 节约了仪表系统的建设投资。大量减少了电缆与铺设电缆用的桥架，可以减少一半到三分之二的隔离器、端子柜、I/O终端、I/O卡件、I/O机柜。,现场总线技术是20世纪90年代迅速发展起来的一种用于各种现场自动化设备与其控制系统的网络通信技术，是一种用于各种现场仪表与基于计算机的控制系统之间进行的数据通信系统。,1.2石油化工仪表特点,应用场所：易燃易爆、高温高压、深冷、有毒有害和腐蚀等危险因素。 石油化工仪表必须防爆、抗腐蚀、无泄漏、高可靠性、易维护等特点。,2.仪表主要性能指标 P24,性能指标通常用精确度、变差、灵敏度、重复性、稳定性和可靠性来描述。,2.1精确度,精确度又称精度，指的是仪表测量值与真值接近的准确程度，与误差相对而言，通常用相对百分误差表示。精确度是仪表的一个很重要质量指标，常用精度等级来规范和表示。精度等级就是最大相对误差去掉正负号和，数字越小，说明精度越高。 国家统一规定划分的等级0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.25,0.35,0.5,1.0,1.5,2.5,4等。,2.2变差,变差指的是仪表被测变量（输入信号）多次从不同方向达到同一数值时，仪表指示值之间的最大差值，或是说仪表在外部条件保持不变情况下，被测参数由小到大变化和由大到小变化不一致的程度，两者之差即为仪表的变差。 变差产生主要原因是仪表传动机构的间隙，运动部件的摩擦，弹性元件的滞后等。智能仪表中，变差作为仪表性能指标已是不重要的对象了。 变差=上行程示值-下行程示值,2.3重复性,重复性是指在不同测量条件下，如不同方法，不同观测者，在不同的测量环境对同一被测的量进行检测时，得到测量结果的一致程度。与变差相反，随着智能仪表的发展，重复性将成为仪表的重要性能指标,在规定工作条件下，仪表某些性能随时间保持不变的能力称未稳定性。 化工企业的环境比较恶劣，压力、稳定及腐蚀性因素会使仪表部件随应用时间变长而保持稳定能力降低，仪表稳定性也会下降。,2.4稳定性,2.5可靠性,仪表可靠性是化工企业仪表专业重点关心的另一重要性能指标，仪表可靠性和仪表维护量是成反比的，仪表可靠，则仪表维护量就小。 通常用平均无故障时间（MTBF）来描述仪表可靠性，MTBF越大，仪表可靠性越高。,3.测量误差的知识P12,P1定义：由于测量仪表本身性能、安装使用环境、测量方法及操作人员疏忽等主客观因素的影响，使得测量结果与被测量的真实值之间存在一些偏差，则你之为测量误差。 测量仪表误差分类 P1绝对误差：仪表的测量值与被测变量真实值之差。 C=Cm-Cr P2相对误差：测量蝗绝对误差与被测变量的真实值之比。 Ca=C/Cr P3引用误差：绝对误差与测量范围上限值或测量表的比值（%） Ca=C/(Cmax-Cmin)*100% P3系统误差：成套系统的测量误差。,测量仪表的校验,要点： 校检方法：信号比较法和直接校验法。P4 数据处理方法：P5-6 示例分析。P6-7,上行程绝对误差 =示值-真值 =119.26-119.40 =-0.14,变差=上行程示值-下行程示值 =119.26-119.51 =0.25,引用误差 =Max(上行绝对误差，下行绝对误差）/量程*100% =-0.14/(175.84-100.00)*100% =-0.18%,最大允许误差 =±(175.84-100.00)*0.5=±0.38 该点示值为最大误差 结论：该表校验合格,4.仪表的防爆和防护,爆爆炸和火灾危险环境电力设计规范(GB 50058),GBT 4208-2008 外壳防护等级（IP代码),爆炸和火灾危险环境电力设计规范(GB 50058),涉及标准,(ISA S12.12) 1区2类危险场所的电气设备,(ISA S12.10) 危险粉尘场所的区域分类,(ISA RP12.1) 危险大气里的电气仪表,(ISA RP12.6) 本安系统在危险区的安装,4.1爆炸性物质的分类、分级与分组 P32,爆炸性物质的分类： 类：矿井甲烷； 类：爆炸性气体、蒸汽； 类：爆炸性粉尘、纤维。 爆炸性气体(含蒸汽和薄雾)的分级与分组 爆炸性气体在标准试验条件下，按其最大试验安全间隙(MESG)和最小点燃电流(MICR)分级。 按其引燃温度分组，分为T1、T2、T3、T4、T5、T6六组。 爆炸性粉尘(含纤维和火炸药)的分级与分组 按其引燃温度分组，分为T11、T12、T13三组。,4.2爆炸危险场所的分类、分级和区域,爆炸危险场所分类：按爆炸性物质的物态，分为气体爆炸危险场所和粉尘爆炸危险场所两类。 爆炸危险场所分级和区域：分级原则是按爆炸性物质出现的频度、持续时间和危险程度而划分为不同的危险等级的区域。 0区：正常情况，爆炸性气体混合物，连续地、短时间频繁地出现或长时间存在的场所。 1区：正常情况，爆炸性气体混合物，有可能出现的场所。 2区：正常情况，爆炸性气体混合物，不能出现，仅在不正常情况下偶尔短时间出现的场所。 10区：正常情况，爆炸性粉尘或可燃纤维与空气混合物，可能连续地、短时间频繁出现或长时间存在的场所。 11区：正常情况，爆炸性粉尘或可燃纤维与空气混合物，不能出现，仅在不正常情况偶尔短时间出现的场所。 注：正常情况是指设备的正常起动、停止、正常运行和维修。不正常情况是指有可能发生设备故障或误操作。,4.2防爆电气设备分类、分级和分组,与爆炸性物质的分类、分级、分组方法相同，其等级参数及符号亦相同。 防爆电气设备最高表面温度： 对隔爆型指外壳表面，对其余各防爆类型指可能与爆炸性混合物接触的表面。 （II类电气设备最高表面温度：T1=450，T2=300，T3=200，T4=135，T5=100，T6=85） 各类防爆型电气设备的特征 隔爆型(d)：是具有能承受内部的爆炸性混合物爆炸而不致受到损坏，而且内部爆炸不致通过外壳上任何结合面或结构孔洞引起外部混合物爆炸的电气设备。 增安型(e)：是在正常时不产生火化、电弧或高温的设备上采取措施以提高安全程度的电气设备。 充油型(q)：是将可能产生电火化、电弧或危险温度的带电零件、部件浸在绝缘油里，使之不能点燃油面上方爆炸性混合物的电气设备。 充砂型(o)：是将细粒状物料充入设备外壳内，令壳内出现的电弧、火焰传播、壳壁温度或粒料表面温度不能点燃壳外爆炸性混合物的电气设备。 本质安全型(ia,ib)：是正常状态下和故障状态下产生的火化或热效应均不能点燃爆炸性混合物的电气设备。 正压型(p)：是向外壳内充入带正压的清洁空气、惰性气体或连续通入清洁空气以阻止爆炸性混合物进入外壳内的电气设备。 无火化型(n)：是在防止危险温度、外壳防护、防冲击、防机械火化、防电缆事故等方面采取措施，以提高安全程度的电气设备。 特殊型(s)：是上述各种类型以外的或由上述两种以上型式组合成的电气设备。,4.3电气设备外壳防护等级,电机和低压电器的外壳防护包括两种： 防护是对固体异物进入内部以及对人体触及内部带电部分或运动部分的防护。 防护是对水进入内部的防护。 外壳防护等级按如下方法标志： IP ,4.4安全栅,安全栅是构成安全火花防爆系统的关键仪表，安装在控制室内，是控制室仪表和现场仪表之间的关联设备。其作用是：系统正常时保证信号的正常传输；故障时限制进入危险场所的能量，确保系统的安全火花性能。 目前常用的安全栅有：电阻式、齐纳式、中间放大式和隔离式安全栅。,4.4.1齐纳式安全栅,1. 齐纳式安全栅的工作原理 齐纳安全栅是基于齐纳二极管反向击穿特性工作的。由限压电路、限流电路和熔断器三部分组成。其原理电路如图所示：图中R为限流电阻，VZ1、VZ2为齐纳二极管，FU为快速熔断器。,齐纳式安全栅的工作原理 系统正常工作时， 安全侧电压U1 齐纳二极管的击穿电压U0，齐纳二极管截止，安全栅不影响正常的工作电流。 但现场发生事故，如短路，利用电阻R进行限流，避免进入危险场所的电流过大；当U1U0时，齐纳二极管击穿，进入危险场所的电压被限制在U0上，同时安全侧电流急剧增大，快速熔断器FU很快熔断，从而将可能造成危险的高电压立即和现场断开，保证了现场的安全。并联两个齐纳二极管是增加安全栅的可靠性。,注意事项,齐纳安全栅优点是采用的器件非常少，体积小，价格便宜。 缺点是齐纳式安全栅必须本安接地，且接地电阻必须小于1； 危险侧本安仪表必须是隔离型的；齐纳安全栅对供电电源电压响应非常大，电源电压的波动可能会引起齐纳二极管的电流泄漏，从而引起信号的误差或者发出错误电平，严重时会使快速熔断器烧断。,二线制变送器和齐纳安全栅的连用,齐纳安全栅和电气转换器的连用,4.4.2隔离式安全栅,隔离式安全栅利用变压器或电流互感器将供电电源、信号输入端和信号输出端进行电气隔离，同时通过电子电路(限能器)限制进入危险场所的能量。 隔离式安全栅分为检测端安全栅（输入式安全栅）和操作端安全栅（输出式安全栅）两种。,检测端安全栅,结构及原理（略） 把来自现场变送器的420mADC电流经隔离变压器1:1地转换成15V DC信号或420mA DC信号输出至控制室仪表（计算机）。 为现场两线制变送器提供24V DC直流电源。 利用限流、限压电路使得任何情况下送往危险场所的电压不超过30V DC、电流不超过30mADC ，从而保证了危险场所的安全。,操作端安全栅,把来自控制室仪表的420mA DC电流经隔离变压器1:1地转换成15V DC直流电压信号或420mA DC直流电流信号输出至现场执行器。 利用限流、限压电路使得任何情况下送往危险场所的电压不超过30V DC、电流不超过30mADC ，从而保证了危险场所的安全。,作 业 判断题 在防暴区域，电缆沿工艺管道设时，当工艺介质的密度大于空气时，电缆应在工艺管道上方。 本安型仪表的特点是在正常状态下和故障状态下电路系统产生的火花和达到的温度都不会引燃爆炸性混合物。 选择题 我国的防爆标志一般由五部分组成其中防爆总标志Ex表示该设备为（ ）。 A、防爆设备 B、正压型设备 C、普通设备 D、特殊设备 我国防爆电气设备其防爆结构形式有（ ）种。 A、6 B、5 C、8 D、2 本安型仪表有ia、ib两种，其中在ia等级的电路中工作电流被限制在（ ）以下。 A、2A B、20mA C、100mA D、1A 一台仪表的防爆标志为ExdBT4，其中B代表 （ ）。 A、结构形式 B、防爆级别 C、类别 D、温度组别 可燃性气体蒸汽与空气的混合物浓度高于其（ ）时或低于其爆炸下限时都不会发生爆炸。 A、爆炸上限 B、上限的50% C、上限的80% D、上限的30% 气体爆炸危险场所可分为（ ）级 A、0级、1级和2级 B、1级、2级和3级 C、10级、11级和12级,4.5化工仪表的防腐 P16,化工生产过程通常伴随着物理化学反应、生化反应、相变过程，物质与能量的转换和传递是一个十分复杂的工业大系统。生产过程还伴随着十分苛刻的生产条件和环境，如高温、高压、高粘度、强腐蚀、易结晶、易燃、易爆、有毒等特性，给检测计量仪表带来了许多困难。 柳化的腐蚀工序：氯碱、硫酸、硝酸是典型的强腐蚀化工行业，主要是强酸、强碱和腐蚀性气体造成设备部件腐蚀而危害安全生产。,化工仪表的防腐蚀技术措施,用耐腐蚀材料：对于典型腐蚀环境中仪表耐腐蚀材料的选用，主要应考虑以下两个因素:第一，腐蚀介质对材质的腐蚀特性；第二，在选用耐腐蚀材料时,主要考虑仪表用材料的性能，仪表工作环境的腐蚀性质、成本及要求使用的年限等。 对仪表零部件进行喷涂、电镀、渗镀、包复、衬各种防腐蚀金属或非金属。 膜片隔离：用F4 （聚四氟乙烯）或F46（ 聚全氟乙丙烯）膜片粘附或喷涂在压力表普通弹簧管上或压力（差压）变送器的波纹管上，使这些弹性传感元件与腐蚀介质隔离。 液体隔离：在氯气、氯化氢气、氧化氮气等介质测量中，选用全氟三丁胺作充灌隔离液（在隔离罐内），也有选用其它隔离液体的。 用吹气法测量腐蚀介质液面。 利用非接触检测手段,其它：,防震 防潮 防尘,5.过程自动化基础知识,5.1仪表分类 可分为四部分： 检测仪表、显示仪表、调节仪表、执行器,5.2过程控制,自动检测系统 利用各种检测仪表对工艺参数进行测量、指示或记录，加热炉温度、压力检测 自动信号和联锁保护系统 自动信号系统：当工艺参数超出要求范围，自动发出声光信号 联锁保护系统：达到危险状态，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车 自动操纵及自动开停车系统 自动操纵系统：根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作 自动开停车系统：按预先规定好的步骤将生产过程自动的投入运行或自动停车 自动控制系统： 利用自动控制装置对生产中某些关键性参数进行自动控制，使他们在受到外界扰动的影响而偏离正常状态时，能自动的回到规定范围。,5.3控制系统的组成,实例-锅炉汽包水位控制,眼 检测元件（变送器） 要想实现对汽包水位的控制，首先应随时掌握水位的变化情况 脑 控制器 控制器将接收到的测量信号与预先规定的水位高度进行比较。 如果两个信号不相等，表明实际水位与规定水位有偏差，此时控制器将根据偏差的大小向执行器输出一个控制信号， 手 执行器 执行器即可根据控制信号来改变阀门的开度，从而使进入锅炉的水量发生变化，达到控制锅炉汽包水位的目的。,控制系统组成：被控对象、测量元件及变送器、控制器、执行器。,被控对象：工艺参数需要控制的生产过程设备。 被控变量：被控对象中要求保持设定值的工艺参数。 操纵变量：受控制器操纵，用以克服扰动的影响使被控变量保持设定值的物料量或能量。 扰动量：除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。 设定值：被控变量的预定值。 偏 差(e)：被控变量的设定值与实际值之差。在实际控制系统中，能够直接获取的信息是被控变量的测量值而不是实际值，因此，通常把设定值与测量值之差作为偏差。,按系统功能-温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统、流量控制系统等； 按系统性能-线性系统和非线性系统、连续系统和离散系统、定常系统和时变系统； 按被控变量的数量-单变量控制系统和多变量控制系统； 按采用的控制装置-常规仪表控制系统、计算机控制系统； 按控制系统基本结构形式-闭环控制系统和开环控制系统。,5.4控制系统分类,5.4.1开环控制系统,控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向联系的控制系统。操纵变量可以通过控制对象去影响被控变量，但被控变量不会通过控制装置去影响操纵变量。从信号传递关系上看，未构成闭合回路。,1.按设定值进行控制,控制方式的原理：需要控制的是被控对象中的被控变量，而测量的只是设定值。,换热器的工作原理是：冷物料与载热体（蒸汽）在换热器中进行热交换，使冷物料出口温度上升至工艺要求的数值。因此，系统中被控变量为冷物料出口温度，操纵变量为蒸汽流量。操纵变量与设定值保持一定的函数关系，当设定值变化时，操纵变量随之变化进而改变被控变量。,2.按扰动进行控制,控制方式的原理-需要控制的仍然是被控对象中的被控变量，而测量的是破坏系统正常进行的扰动量。利用扰动信号产生控制作用，以补偿扰动对被控变量的影响，故称按扰动进行控制。,由于测量的是扰动量，这种控制方式只能对可测的扰动进行补偿。对于不可测扰动及对象，各功能部件内部参数的变化对被控变量造成的影响，系统自身无法控制。因此控制精度仍然受到原理上的限制。,闭环控制系统是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的控制系统。 优点:不管任何扰动引起被控变量偏离设定值，都会产生控制作用去克服被控变量与设定值的偏差。因此闭环控制系统有较高的控制精度和较好的适应能力，其应用范围非常广泛。 缺点:闭环控制系统的控制作用只有在偏差出现后才产生，当系统的惯性滞后和纯滞后较大时，控制作用对扰动的克服不及时，从而使其控制质量大大降低。,5.4.2闭环控制系统,定值控制系统 特点：设定值是固定不变 作用：保证在扰动作用下使被控变量始终保持在设定值上。 随动控制系统 特点：设定值是一个未知的变化量。 作用：保证在各种条件下系统的输出（被控变量）以一定的精度跟随设定值的变化而变化。 程序控制系统。 特点：设定值是一个按一定时间程序变化的时间函数。 作用：保证在各种条件下系统的输出（被控变量）以一定的精度跟随设定值的变化而变化。,5.5.1过程控制系统的过渡过程,在扰动或给定值变化的情况下，被控量偏离给定值和在控制调节作用下，接近给定值或跟随给定值变化的过程。系统将从原来的平衡状态经历一个过程进入另一个新的平衡状态。 常见典型信号:阶跃信号、斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号等。 阶跃信号：在单位阶跃输入（因扰动或设定值变化，使被控参数和设定值之间出现阶跃性变化）下，过度参数的变化曲线。,易产生 对系统输出影响大 便于分析和计算,在阶跃信号作用下，被控变量随时间的变化有以下几种形式。 发散振荡过程 曲线所示，它表明系统受到扰动作用后，被控变量上下波动，且幅度越来越大，即被控变量偏离设定值越来越远，以致超越工艺允许的范围。 非振荡衰减过程 曲线所示。它表明被控变量受到扰动作用后，产生单调变化，经过一段时间最终能稳定下来。 等幅振荡过程 曲线所示。 它表明系统受到扰动作用后，被控变量做上下振幅稳定的振荡，即被控变量在设定值的某一范围内来回波动。 衰减振荡过程 曲线所示，它表明系统受到扰动作用后，被控变量上下波动，且波动的幅度逐渐减小，经过一段时间最终能稳定下来。 非振荡发散过程 曲线所示。它表明系统受到扰动作用后，被控变量单调变化偏离设定值越来越远，以致超出工艺设计的范围。,5.5.2过程控制系统的质量指标,最大偏差A：指被控变量第一个波峰值与设定值的差。表示被控变量偏离设定值的程度。A(或)愈大，表示偏离生产规定的状态愈远。 衰减比：表示衰减过程响应曲线衰减程度的指标。数值上等于同方向两个相邻波峰值之比 n=(A-C)/(B-C)；n=1为等幅振荡；n1为衰减振荡。为保持系统有足够的稳定程度，工程上常取衰减比为4:110:1。 余差C：指过渡过程终了时新稳态值与设定值之差。它是反映控制系统控制精度的静态指标，一般希望它为零或不超过工艺设计的范围。 过渡时间t：指控制系统受到扰动作用后，被控变量从过渡状态恢复到新的平衡状态所经历的最短时间。 振荡周期T：相邻两个波峰之间的时间。,选择题： 1 用于仪表防腐以（ ）不锈钢为主且大量用于仪表变送器、调节阀、孔板等。 A、Cr15Ni16Ti B、Cr18Ni9Ti C、Cr18Ni12Mo2Ti D、Ni70Cu30 2在下列防腐漆中，以防大气腐蚀为主的油漆主要是（ ）。 A. 沥青漆 B. 红丹防锈漆 C. 过氯乙烯漆 D. 环氧漆 3安全栅的安装位置应在( )一侧，并应可靠接地. 安全场所 B. 危险场所 C. 安全与危险场所之间 D. 以上答案均不是 4在调节系统中，控制器的输入是指( ). A. 给定值 B. 测量值 C. 给定值与测量值的偏差 D. 干扰 5 在衡量自动调节系统的工作品质时，最大偏差指（ ）。 A. 被调参数在过渡过程中偏离给定值的最大幅度 B. 余差,6自动调节系统的过渡过程是指调节系统在受干扰作用后，在 ( )的控制下，被调参数随时间而变化的过程. A. 调节器 B. 调节阀 C. 测量变送器 D. 受控对象 7在自动调节系统中，给定值是( )。 A. 调节阀的输出值 B. 生产中要求保持的工艺指标 C. 变送器测量的值 D. 测量值与工艺指标的差值 8下列控制系统中，（ ）是开环控制？ 定值控制 B. 随动控制 C. 前馈控制 D. 程序控制。 9 单回路控制系统方框图中，四个环节的输入输出变量中，e表示（ ）。 A.设定值 B. 偏差 C. 测量值 D. 受控变量。 10（ ）提法在概念上不是严密的。 A. 自动调节又称自动控制 B. 自动监视系统包括自动测量和信号报警等 C. 自动操纵系统包括顺序控制和自动联锁系统，属于定性控制，是开环系统 D. 自动调节属于定量控制，它不一定是闭环控制。,11以下对开环控制系统理解不正确的是（ ）。 A. 开环控制系统是指控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向控制 B. 开环控制系统能够自动觉察被控变量的变化情况 C. 开环控制系统不能判断操纵变量的改变是否适合实际需要 D. 开环控制系统从信号传递关系上看，未构成闭合回路。 12控制系统受到扰动后，被控变量从原稳定状态回复到新的平衡状态所经历的最短时间称为（ ）。 A. 过渡时间 B. 滞后时间 C. 微分时间 D. 积分时间。 13被调参数的给定值在调节过程中基本保持不变的系统称为（ ）。 A. 定值调节系统 B. 随动调节系统 C. 程序调节系统 D. 前馈调节系统。 14自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备、机器等统称为（ ）。 A. 被控对象 B. 被控变量 C. 操纵变量 D. 扰动量。,判断题： 1自动控制不包括顺序控制和自动联锁系统。 2在控制系统组成中,单回路系统一般包含以下四个环节:控制器,控制阀,测量变送器和受控对象。 3自动调节系统是具有反馈的闭环调节系统。 4开环调节系统的控制信号取决于给定值和测量值之差。 5反馈是把系统的输出信号，不断直接地或经过中间变换后返回输入端。 6。在自动调节系统中，最大偏差是指被调参数的新稳定值与给定值之差。 7在自动调节系统中，给定值是测量值与工艺指标的差值。 8偏差信号的含义在单独讨论调节器时和讨论自动化系统时是不同时。,本篇结束，谢谢！,