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过程控制仪表

第四章过程控制仪表

⏹本章提要

1.过程控制仪表概述

2.DDZ-Ⅲ型调节器

3.执行器

4.可编程控制器

⏹授课内容

第一节概述

✧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。

Ø过程控制仪表包括调节器（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。

Ø过程控制仪表的分类：

●按能源形式分类：

液动控制仪表、气动控制仪表和电动控制仪表。

●按结构形式分类：

基地式控制仪表、单元组合式控制仪表、组件组装式控制仪表、集散控制装置等。

[基地式控制仪表]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（QD2型）。

[组件组装式控制仪表]是一种功能分离、结构组件化的成套仪表（或装置）。

它以模拟器件为主，兼用模拟技术和数字技术。

整套仪表（或装置）在结构上由控制柜和操作台组成，控制柜内安装的是具有各种功能的组件板，采用高密度安装，结构紧凑。

这种控制仪表（或装置）特别适用于要求组成各种复杂控制和集中显示操作的大、中型企业的自动控制系统。

其中国产的TF型、MZ—Ⅲ型以及SPEC200等组装仪表即属此类控制仪表。

●按信号形式分类：

模拟控制仪表和数字控制仪表两大类。

其中DDZ型仪表和QDZ型仪表都属于模拟控制仪表；SLPC可编程调节器、KMM可编程调节器、PMK可编程调节器等都属于数字控制仪表。

Ø过程控制仪表的发展：

过程控制仪表的主体是气动控制仪表和电动控制仪表，它们的发生和发展分别经历了基地式、单元组合式（Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型）、组装式及数字智能式等几个阶段。

Ø过程控制仪表的信号制与传输方式：

为方便有效地把自动化系统中各类现场仪表与控制室内的仪表和装置连接起来，构成各种各样的控制系统，仪表之间应有统—的标准信号进行联络和合适的传输。

Ø调节器（控制器）分类：

●按能源形式可分电动、气动等

●按信号类型可以分为模拟式和数字式两大类

●按结构形式可分为基地式、单元组合式、组装式以及集散控制系统。

第二节DDZ-Ⅲ型调节器（模拟式控制器）

1.有关DZZ-Ш型电动单元调节器的概述

Ø控制器（调节器）-----是控制系统的核心，它在闭环控制系统中根据设定目标和检测信息作出比较、判断和决策命令，控制执行器的动作。

控制器使用是否得当，直接影响控制质量。

Ø控制器特性-----是指控制器的输出与输入之间的关系。

分析控制器的特性，也就是分析控制器的输出信号u（t）随输入情号e（t）变化的规律，即控制器的控制规律。

Ø控制器的基本控制规律有比例、积分和微分等几种。

工业上所用的控制规律是这些基本规律之间的不同组合。

ØDDZ—Ш型电动单元调节器-----是模拟式控制器个较为常见的一种，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直流设定值早相比较得到偏差信号，然后对此信号进行PID运算后，输出l～5V或4～20mA直流控制信号，以实现对工艺变量的控制。

ØШ型调节器的特点：

●采用高增益、高阻抗线性集成电路组件，提高了仪表精度、稳定性相可靠性，降低了功耗。

●采用集成电路扩展了功能，在基型调节器的基础上可增加各种功能。

如非线性调节器可以解决严重非线性过程的自动控制问题，前馈调节器可以解决大扰动及大滞后过程的控制，还可以根据需要在调节器上附加一些单元，如偏差报警、输出双向限幅及其他功能的电路。

●整套仪表可以构成安全火花型防爆系统．而且增加了安全单元——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忧动特性，提高了调节器的操作性能。

这是因为在自动与软手动之间有保持状态，此时调节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。

所谓无扰动切换，是指调节器在不同操作方式切换瞬间保持输出值不变，这样调节阀的开度也将保持不变，不会内于调节器不同操作方式的切换引起被控变量发生变化，即不会产生干扰。

●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。

ØШ型调节器中的基型调节器类型：

全刻度指示调节器、偏差指示调节器

基型全刻度指示调节器的原理方框图：

基型全刻度指示调节器的原理线路图：

Ø调节器结构组成：

控制单元、指示单元

●控制单元：

输入电路（偏差差动和电平移动电路）、PID运算电路（由PD与PI运算电路串联）、输出电路（电压、电流转换电路）以及硬、软手操电路；

●指示单元：

测量信号指示电路、设定信号指示电路、内设定电路。

Ø调节器的信号：

●输入信号、内设定信号：

1～5V直流电压；

●外设定信号：

4～20mA直流电流，（它经过250Ω精密电阻转换成1～5V直流电压）

Ø调节器的工作状态：

有“自动”、“软手动”、“硬手动”及“保持”四种。

●“自动”状态：

测量信号与设定信号通过输入电路进行比较，由比例微分电路、比例积分电路对其偏差进行PD和PI运算后，再经过电路转换为4～20mA直流电流，作为调节器的输出信号去控制执行器。

●“软手动”状态：

可以通过选择键位调节器处于“保持’’（即它的输出保持切换前瞬间的数值）状态，或使输出电流可按快或慢两种速度线性地增加或减小，以对工艺过程进行手动控制。

●“硬手动”状态：

调节器的输出与手操电压成比例，即输出值与硬手动操作杆的位置一一对应。

Ø调节器的“正”、“反”作用：

✧正偏差-----调节器中将偏差e定义为测量值与设定值之差（e＝y－r），在测量值大于设定值时。

✧负偏差-----测量值小于设定值。

✧“正”作用-----调节器的输出随着正偏差的增加而增加。

若是负偏差，情况相反。

✧“反”作用-----调节器的输出随着正偏差的增加而减小。

若是负偏差，情况相反。

2.输入电路

Ø作用：

●一是将测量信号Vi和设定信号Vs相减，得到偏差信号，再将偏差放大两倍后输出；（其输出信号将送至比例微分电路。

）

●二是电平移动，将以零伏为基准的Vi和Vs转换成以电平VB（10V）为基准的输出信号VO1。

Ø电路图：

Ø电路分析：

输入电路的传递函数：

3.比例微分电路（PD）

Ø作用：

●接收以10V电平为基准的偏差信号VO1，进行比例微分运算，其输出电压信号VO2送给比例积分电路。

Ø电路图：

Ø电路分析：

比例微分电路是由无源比例微分网络和比例运算放大器两部分组成的。

RC环节对输入信号进行比例微分运算，比例运算放大器起比例放大作用。

比例微分电路的传递函数：

4.比例积分电路（PI）

Ø作用：

●接收以10V为基准的PD电路的输出信号VO2，进行PI运算后，输出以10V为基准的l～5V电压VO3，送至输出电路。

Ø电路图：

Ø电路分析：

5.整机PID电路传递函数

Ø调节器的PID电路由输入电路、PD电路和PI电路三个环节串联组成。

其传递函数应是这三个环节传递函数的乘积。

Ø调节器各项参数的取值范围：

（略）

Ø由于相互干扰系数F的存在，实际的整定参数与刻度值之间存在换算关系。

6.输出电路

Ø作用：

将PID电路输出的l～5V直流电压信号转换成4—20mA直流电流输出，它实际上是一个具有电平移动的电压—电流转换器。

Ø电路图：

Ø电路分析：

（略）

7.手动操作电路

Ø手动操作电路分为硬手动操作和软手动操作两种形式，是在比例积分电路中附加手操电路实现的。

Ø电路图：

Ø电路分析：

（略）

8.指示电路

Ø输入信号的指示电路与设定值信号的指示电路完全一样。

调节器采用双针电表，全量程地指示测量值和设定值。

偏差的大小有两个指针间的距离反映出来，在两针重合时，偏差为零。

Ø电路图：

Ø电路分析：

（略）

第三节执行器

1.有关执行器的概述

Ø执行器作用：

接受调节器的控制信号，改变操纵变量，使生产过程按预定要求正常进行。

执行器安装在生产现场直接与介质接触。

Ø执行器组成：

由执行机构和调节机构组成。

执行机构是指根据调节器控制信号产生推力或位移的装置，调节机构是根据执行机构输出信号去改变能量或物料输送量的装置，通常指调节阀。

Ø执行器分类（按能源形式）：

气动、电动、液动

气动应用最广，电动次之。

气动：

输入信号为0.02～0.1MPa的压力信号，其结构简单，维修方便，价格便宜，防火防爆，可以与QDZ、DDZ仪表配用，因而广泛使用。

电动：

动作迅速，其信号便于远传，并便于与计算机配合使用，但不适用于防火防爆等生产场合。

上述三种执行器除执行机构不同外，所用的调节机构（调节阀）都相同。

2.电动执行机构

Ø电动执行器有直行程和角行程执行器两类。

Ø电动执行机构的组成框图：

Ø电动执行机构的工作原理：

来自调节器的Ii作为伺服放大器的输入信号，它与位置反馈信号If进行比较，其差值经放大后控制两相伺服电动机正转或反转，再经减速器减速后，改变输出轴即调节阀的开度（或挡板的角位移）。

与此同时，输出轴的位移又经位置发送器转换成电流信号，作为阀位指示与反馈信号If。

当If与Ii相等时，两相电动机停止转动，这时调节阀的开度就稳定在与调节器输出（即执行器的输入）信号Ii成比例的位置上。

Ø电动伺服放大器：

它由前置级磁放大器、触发器、交流可控硅开关、校正回路和电源等组成。

Ø伺服电动机：

包括永磁低速同步电动机、位置发送器和减速器等。

3.气动执行机构

Ø结构组成：

膜片、推杆、平衡弹簧

Ø作用：

是执行器的推动装置，推动调节机构动作。

它接受气动调节器或电—气阀门定位器输出的气压信号，经膜片转换成推力，克服弹簧力后，使推杆产生位移，同时可带动阀芯动作。

Ø气动执行机构有正作用和反作用两种形式。

Ø气动执行机构有薄膜式和活塞式等。

在工程上气动薄膜式应用最广。

Ø气动执行的结构示意图：

4.气动调节机构（调节阀）

Ø工作原理：

根据流体力学的观点，调节阀是一个局部阻力可变的节流元件。

通过改变阀芯的行程可以改变调节阀的阻力系数，达到控制流量的目的。

Ø种类：

直通双座调节阀、直通单座调节阀、高压调节阀、低温调节阀、套筒调节阀、三通调节阀、角形调节阀、隔膜调节阀、蝶阀、小流量调节阀、球阀、低噪音调节阀等。

5.气动执行器的选用

应根据介质的特点和工艺要求等来合理选用执行器。

具体选用时应考虑以下几个主要问题：

Ø调节阀的尺寸选择：

调节阀的尺寸通常用公称直径Dg和阀座直径dg来表示。

Dg、dg是根据计算出来的流通能力C来查表选择。

Ø气开式、气关式阀的选择

气开、气关式阀示意图：

在生产过程中，调节阀气开、气关形式的选择，主要是