仪表培训教材2.docx
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仪表培训教材2
氯碱装置仪表专业培训资料
甘肃北方三泰化工有限公司
2007年3月26日
第一章氯碱项目自控仪表选型情况
一、离子膜烧碱装置简介
离子膜氯碱主生产装置：
原盐储运及化盐、一次盐水、二次盐水及电解、氯气处理及冷冻、事故氯处理、高纯盐酸、液氯及包装、罐区、污水处理、循环水装置等都集中在中央控制室内采用DCS进行监视、操作、控制和管理。
高纯盐酸采用远程操作站，与离子膜氯碱装置共用一套DCS系统。
其它辅助生产装置根据工艺需要设置必要的巡回检测，把参数送到DCS，在控制室进行操作、监视和管理。
二、DCS系统选型及功能介绍
1、离子膜烧碱装置DCS系统概述
本装置DCS系统选用的日本横河电机株式会社的CENTUM-CS3000系统，该系统是相对于CENTUM-CS系统而开发的Windows2000/XP环境下的控制系统，它继承了CENTUM-CS系统的高可靠性和高性能的优点，同时具有了Windows2000/XP操作系统的开放性和友好的人机界面，是面向世界的先进的DCS系统。
CS3000系统由人机接口单元（工程师站，操作站等）、现场控制站和通信网络三部分构成，根据要求，具体配置如下：
人机接口：
控制室
配置
数量
控制室
工程师站
1
操作站
6
激光打印机A3
2
激光打印机A4
1
喷墨打印机A4
1
打印机台
2
辅助操作台
1
现场控制站：
FCS是高可靠性，高性能的双重化现场控制站,具有4个CPU冗余容错，电源卡双重化，通讯卡双重化，ESB-BUS（ER-BUS）双重化。
控制I/O采用了双重化配置，所有I/O模块均为隔离。
FCS可以与子系统进行数字通信，设置MODbus协议RS485通讯接口。
DCS系统采用六个操作站。
六个操作站分成二组。
第一组由三个操作站组成，每个操作站都组态了原盐储运及化盐、一次盐水、二次盐水及电解的内容，当其中一台故障时，其它任何一台都能代替其工作。
第二组由三个操作站组成，分别组态了氯气处理及冷冻、事故氯处理、高纯盐酸、液氯及包装、罐区、污水处理及循环水装置的内容。
三台中有一台远程操作站，放在高纯盐酸工段操作室。
同样，其中一台故障时，其它任何一台都能代替其工作。
采用两台A3黑白激光打印机，在控制室有二台，一台打印定时报表，另一台用于随
机报表（如事故、报警、紧急停车、关键点等）；
2、DCS系统功能要求
●过程控制功能
DCS控制站除了应完成基本监测、调节和顺控功能外，还可以按过程需要选用串级、比值、前馈，纯滞后时间补偿等高级控制功能。
此外，还可以运用各种算法组成综合控制算式，实现更复杂的控制要求。
●操作功能
DCS操作站使操作员可在正常或异常情况下对站各设备进行控制，并可监视全线各站的操作数据和状态。
操作键盘至少有以下功能：
选择画面、控制方式（MAA/AUTO/CASA）选择、设定值/输出值的升降、开阀/并阀、机泵起动/停止、顺序启动、选择报警组、报警确认/复位、打印屏幕、指定/选择趋势记录和报表。
●显示功能
DCS操作站应具有下列画面显示功能：
菜单画面（按工艺分区组织）；
流程图画面（带开窗口显示功能）；
控制分组画面；
回路参数画面；
趋势曲线画面；
报警汇总画面。
●报警功能
DCS的系统报警功能应能自动诊断出操作站、现场控制站或通信系统的故障，向操作员发出报警并显示出故障的物理位置和故障的性质。
●制表打印功能
用报表生成软件可以建立和修改报表，并可以报表的各个字段进行组态。
报表功能可以由程序控制、报警控制和操作员控制启动。
报表可以指示任何一台打印完成打印。
系统应能生成以下报表：
实时报表（报警打印）；
定时报表（日报、班报、月报、重要参数的时报）；
报警汇总报表；
操作记录报表；
系统维护报表。
●信息管理功能
根据工艺操作和管理的需要，选用外部存储器将比较重要的信息保存下来。
外部存储器的型式和容量可根据需要保存信息的多少、保存时间的长短以及有足够的裕量来确定。
●系统组态功能
DCS应具有离线及在线系统组态功能。
DCS至少应有如下组态功能：
过程变量的零点、量程及报警限设定；控制回路组态；建立实时和历史数据库；建立显示画面；建立报表；程序编译；组态下装；组态在线修改；过程变量监视；显示和修改所有参数。
三、现场仪表选型
1、温度仪表
就地温度检测选用双金属温度计。
集中温度检测一般选用一体化温度变送器、Pt100热电阻。
温度开关选用压力式温度开关。
在防爆区内选用隔爆型，在防爆区外选用防水型。
就地温度调节选用自力式温度调节阀。
2、压力仪表
就地压力检测一般选用不锈钢压力表，有脉动的场合选用耐震压力表，有腐蚀、粘稠、结晶的场所选用隔膜压力表或隔膜耐震压力表。
要求集中的压力点选用智能压力变送器。
重要压力报警、联锁点选用压力开关，一般选用电接点压力表。
就地压力调节选用自力式压力调节阀。
3、流量仪表
流量就地检测：
小口径一般选用金属管转子流量计，大口径选用椭圆齿轮流量计或电磁流量计；只要累积的场合选用水表。
集中流量检测优先选用孔板和智能差压变送器，对精度要求较高的选用椭圆齿轮流量计、涡轮流量计等。
对一些高精度、易汽化的场合必要时采用质量流量计，气体介质采用热式气体质量流量计。
此外，根据工艺条件还选用了转子流量计、电磁流量计、涡街流量计等。
4、物位仪表
就地液位计一般采用玻璃管、玻璃板液位计或磁式液位计。
需要集中的液位点一般采用智能液位变送器和差压变送器、浮筒液位变送器、射频导纳变送器、超声波料位计、雷达料位计、钢带液位计等。
对地下槽或水池一般采用超声波液位计。
液位开关一般选用浮子式液位开关。
对特殊的场合还将选用吹气法测液位。
就地液位调节采用自力式液位调节阀。
5、分析仪表
对产品质量、安全生产、环境卫生有关的参数进行自动分析。
根据工艺要求，分别采用了如下的分析仪器：
PH计、ORP（游离氯分析仪）、振动式密度计、磁密度计、微量水份分析器、电导仪等。
以上分析仪表都将从国外引进。
环境气体检测设有可燃气体检测器和有毒气体检测器。
6、执行器
调节阀采用气动执行机构，配电/气阀门定位器和空气过滤减压阀。
对腐蚀的场合选用隔膜阀或钢衬F46。
对有毒介质采用波纹管密封结构。
对磨损严重的场合选用钢衬陶瓷调节阀。
二位阀选用气动执行机构。
一般采用O型球阀，当口径≥DN50mm时可选用蝶阀。
ON/OFF阀配有电磁气阀、空气过滤减压阀和限位开关等。
就地调节分别选用自力式压力调节阀、自力式温度调节阀和自力式液位调节阀。
第二章过程控制基本概念
一、过程控制系统的特点
过程控制系统与其他自动控制系统相比，有如下几个特点：
1.生产过程的连续性
在过程控制系统中，大多数被控过程都是以长期的或间歇形式运行，在密闭的设备中被控变量不断的受到各种扰动的影响。
2.被控过程的复杂性
过程控制涉及范围广：
石化过程的精馏塔、反应器；热工过程的换热器、锅炉等。
被控对象较复杂：
动态特性多为大惯性，大滞后形式，且具有非线性、分布参数和时变特性。
3.控制方案的多样性
被控过程对象特性各异，工艺条件及要求不同，过程控制系统的控制方案非常丰富。
包括：
常规PID控制、改进PID控制、串级控制、前馈-反馈控制、解耦控制；
为满足特定要求而开发的比值控制、均匀控制、选择性控制、推断控制；
新型控制系统，如模糊控制、预测控制、最优控制等。
二、过程控制的主要内容
1.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
如：
加热炉温度、压力检测
2.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
如：
反应器温度、压力进入危险限时，加大冷却剂量或关闭进料阀
3.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
如：
合成氨造气车间煤气发生炉，按吹风、上吹、下吹、吹净等
步骤周期性地接通空气和水蒸汽
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
4.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。
（本书介绍的重点内容）
三、过程控制系统的组成
一个过程控制系统一般由两部分组成。
需要控制的工艺设备或机器（被控过程）+自动控制装置
（反应器、精馏塔、换热器、压力罐（控制器、执行器、测量元件及变送器）
储槽、加热炉、压缩机、泵、冷却塔）
几个常用术语：
被控过程（对象）工艺参数需要控制的生产过程设备或机器等。
如锅炉汽包，发酵罐。
被控变量被控对象中要求保持设定值的工艺参数。
如汽包水位、发酵温度。
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。
如锅炉给水量和发酵罐冷却水量。
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。
如蒸汽负荷的变化、冷却水温度的变化等。
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。
四、过程控制系统的两种表示形式
方框图
方框图是控制系统或系统中每个环节的功能和信号流向的图解表示，是控制系统进行理论分析、设计中常用到的一种形式。
1.方框图组成
方框----每一个方框表示系统中的一个组成部分（也称为环节），方框内添入表示其自身特性的数学表达式或文字说明；
信号线---信号线是带有箭头的直线段，用来表示环节间的相互关系和信号的流向；作用于方框上的信号为该环节的输入信号，由方框送出的信号称为该环节的输出信号。
比较点----比较点表示对两个或两个以上信号进行加减运算，“+”号表示相加，“-”号表示相减；
引出点----表示信号引出，从同一位置引出的信号在数值和性质方面完全相同。
带有输入输出信号的方框比较点分支点
图1.3方框的组成单元示意图
系统中的每一个环节用一个方框来表示，四个方框分别表示：
被控对象（锅炉汽包）、测量变送装置、控制器和执行器。
每个方框都分别标出各自的输入、输出变量。
如被控对象环节，给水流量变化会引起汽包水位的变化，因此给水流量（操纵变量）作为输入信号作用于被控对象，而汽包水位（被控变量）则作为被控对象的输出信号；引起被控变量（汽包水位）偏离设定值的因素还包括蒸汽负荷的变化和给水管压力的变化等扰动量，它们也作为输入信号作用于被控对象。
图1.4控制系统方框图
2.负反馈概念：
反馈——通过测量变送装置将被控变量的测量值送回到系统的输入端，这种把系统的输出信号直接或经过一些环节引回到输入端的做法叫做反馈。
分为和
反馈-----负反馈（引回到输入端的信号是减弱输入端作用的称为负反馈）用“-”号表示
正反馈（引回到输入端的信号是增强输入端作用的称为正反馈）用“+”号表示。
在绘制方框图时应注意
1.方框图中每一个方框表示一个具体的实物。
2.方框之间带箭头的线段表示它们之间的信号联系，与工艺设备间物料的流向无关。
方框图中信号线上的箭头除表示信号流向外，还包含另一种方向性的含义，即所谓单向性。
对于每一个方框或系统，输入对输出的因果关系是单方向的，只有输入改变了才会引起输出的改变，输出的改变不会返回去影响输入。
例如冷水流量会使汽包水位改变，但反过来，汽包水位的变化不会直接使冷水流量跟着改变。
3.比较点不是一个独立的元件，而是控制器的一部分。
为了清楚的表示控制器比较机构的作用，故将比较点单独画出。
管道及仪表流程图
管道及仪表流程图是自控设计的文字代号、图形符号在工艺流程图上描述生产过程控制的原理图，是控制系统设计、施工中采用的一种图示形式。
该图在工艺流程图的基础上，按其流程顺序，标出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与连锁保护系统等。
由工艺人员和自控人员共同研究绘制。
在管道及仪表流程图的绘制过程中所采用的图形符号、文字代号应按照有关的技术规定进行。
下面结合化工部《过程检测和控制系统用文字代号和图形符号》HG20505-92，介绍一些常用的图形符号和文字代号。
1．图形符号
过程检测和控制系统图形符号包括测量点、连接线（引线、信号线）和仪表圆圈等。
⑴测量点
（2）连接线
（a）（b）（c）
（3）仪表
常规仪表图形符号是直径为12mm（或10mm）的细实线圆圈。
⑷执行器
执行器的图形符号是由执行机构和调节机构的图形符号组合而成。
2.仪表位号
在检测、控制系统中，构成回路的每个仪表（或元件）都用仪表位号来标识。
仪表位号由字母代号组合和回路编号两部分组成。
仪表位号中的第一个字母表示被测变量，后继字母表示仪表的功能；回路的编号由工序
号和顺序号组成，一般用三位至五位阿拉伯数字表示，如下例所示：
顺序号（一般用两位数字，也可以用三位数字）
工序号（一般用一位数字，也可以用两位数字）
功能字母代号
被测变量字母代号
在管道及仪表流程图中，仪表位号的标注方法是：
字母代号填写在仪表圆圈的上半圆中；回路编号填写在下半圆中。
TRC
101
（a）就地安装（b）集中盘面安装
1.字母代号
仪表信号中表示被测变量和仪表功能的字母代号见P9表1.3。
管道及仪表流程图实例
图1.8和图1.9图、1.10为简化的某化工生产的管道及仪表流程图。
精浆液
表示为第一工序第01个流量控制回路（带累计指示），累计指示仪及控制器安装在控制室。
表示为第一工序第01个带指示的手动控制回路，手动控制器（手操器）安装在控制室。
LIC
101
表示为第一工序第01个带指示的液位控制回路，液位指示控制器安装在控制室。
表示为第一工序第01、02个温度检测回路，温度指示仪安装在现场。
表示为第一工序第01、02个压力检测回路，压力指示仪安装在现场。
五、过程控制系统的主要类型
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。
闭环控制系统
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。
闭环控制系统优点----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。
在闭环控制系统中，根据设定值的不同形式，又可分为定值控制系统，随动控制系统和程序控制系统。
1.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
2.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。
3.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。
如：
机械行业的数控车床、间歇生产过程中化学反应器的温度控制等都属于这类控制系统。
程序控制系统可以看成是随动控制系统的特殊情况，其分析研究方法与随动控制系统相同。
开环控制系统
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。
如图1.12（a）所示的换热器。
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。
（a）（b）
图1.12按设定值控制的开环控制系统
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。
六、过渡过程的几种形式
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。
如图1.15所示。
图中，Y表示被控变量。
1.发散振荡过程
如图1.15中曲线①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。
2.非振荡衰减过程
如图1.15中曲线②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。
3.等幅振荡过程
如图1.15中曲线③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。
4.衰减振荡过程
如图1.15中曲线④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。
5.非振荡发散过程
如图1.15中曲线⑤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。
图1.15过渡过程的基本形式
上面五种过程形式中，非振荡衰减过程和衰减振荡过程是稳定过程，能基本满足控制要求。
常见的典型信号
控制系统在其运行的过程中，不断受到各种扰动的影响，这些扰动不仅形式各异，对被控变量的影响也各不相同。
为了便于对系统进行分析、研究，通常选择几种具有确定性的典型信号来代替系统运行过程中受到的大量的无规则随机信号。
有：
阶跃信号、斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号等。
其中阶跃信号对被控变量的影响最大，且阶跃扰动最为常见。
（1.1）
当A=1时称为单位阶跃信号。
第三章
过程参数的检测
一、检测过程及误差
1．检测过程
检测过程的实质在于被测参数都要经过能量形式的一次或多次转换，最后得到便于测量的信号形式，然后与相应的测量单位进行比较，由指针位移或数字形式显示出来。
检测误差
误差-------测量值和真实值之间的差值
误差产生的原因：
选用的仪表精确度有限，实验手段不够完善、环境中存在各种干扰因素，以及检测技术水平的限制等原因，
根据误差的性质及产生的原因，误差分为三类。
（1）系统误差
------------在同一测量条件下，对同一被测参数进行多次重复测量时，误差的大小和符号保持不变或按一定规律变化
特点：
有一定规律的，一般可通过实验或分析的方法找出其规律和影响因素，引入相应的校正补偿措施，便可以消除或大大减小。
误差产生的原因：
系统误差主要是由于检测仪表本身的不完善、检测中使用仪表的方法不正确以及测量者固有的不良习惯等引起的。
（2）疏忽误差
------------明显地歪曲测量结果的误差，又称粗差，
特点：
无任何规律可循。
误差产生的原因：
引起的原因主要是由于操作者的粗心（如读错、算错数据等）、不正确操作、实验条件的突变或实验状况尚未达到预想的要求而匆忙测试等原因所造成的。
（3）随机误差
----------在相同条件下多次重复测量同一量时，误差的大小、符号均为无规律变化，又称偶然误差。
特点：
变化难以预测，无法修正
误差产生的原因：
随机误差主要是由于测量过程中某种尚未认识的或无法控制的各种随机因素（如空气扰动、噪声扰动、电磁场等）所引起的综合结果。
随机误差在多次测量的总体上服从一定统计规律，可利用概率论和数理统计的方法来估计其影响。
二、检测仪表的基本技术性能指标
1．精度
检测仪表的精度反映测量值接近真实值的准确程度，一般用一系列误差来衡量。
（1）绝对误差
绝对误差指仪表指示值与被测参数真值之间的差值，即
实际上通常采用多次测量结果的算术平均值或用精度较高的标准表的指示值作为约定真值。
则绝对误差可用下式表示：
（2）引用误差
把绝对误差折合成标尺范围的百分数表示，即
（3）精度等级
按仪表工业规定，去掉最大引用误差的“±”号和“%”号，称为仪表的精度等级，目前已系列化。
只能从下列数系中选取最接近的合适数值作为精度等级，即0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。
例1有两台测温仪表，它们的测温范围分别为0~100℃和100~300℃，校验表时得到它们的最大绝对误差均为2℃，试确定这两台仪表的精度等级。
解这两台仪表的最大引用误差分别为
去掉最大引用误差的“%”号，其数值分别为2和1，由于国家规定的精度等级中没有2级仪表，同时该仪表的误差超过了1级仪表所允许的最大误差，所以这台仪表的精度等级为2.5级，而另一台仪表的精度等级正好为1级。
由此可见，两台测量范围不同的仪表，即使它们的绝对误差相等，它们的精度等级也不相同，测量范围大的仪表精度等级比测量范围小的高。
例2某台测温仪表的工作范围为0~500℃，工艺要求测温时测量误差不超过±4℃，试问如何选择仪表的精度等级才能满足要求？
解根据工艺要求，仪表的最大引用误差为
去掉最大引用误差的“±”号和“%”号，其数值为0.8，介于0.5~1.0之间，若选择精度等级为1.0级的仪表，其最大绝对误差为±5℃，超过了工艺上允许的数值，故应选择0.5级的仪表才能满足要求。
小结：
在确定一个仪表的精度等级时，要求仪表的允许误差应该大于或等于仪表校验时所得到的最大引用误差；而根据工艺要求来选择仪表的精度等级时，仪表的允许误差应该小于或等于工艺上所允许的最大引用误差。
这一点在实际工作中要特别注意。
2．灵敏度与灵敏限
（1）灵敏度
灵敏度表示仪表对被测参数变化反应的能力，是指仪表达到稳态后输出增量与输入增量之比，即
灵敏限
灵敏限是指引起仪表指针发生可见变化的被测参数的最小变化量。
一般，仪表的灵敏限数值不大于仪表允许误差绝对值的一半。
3．回差
在外界条件不变的情况下，当被测参数从小到大（正行程）和从大到小（反行程）时，同一输入的两个相应输出值常常不相等。
两者绝对值之差的最大值和仪表量程Μ之比的百分数称为回差，也称变差即
回差产生原因：
由于传动机构的间隙、运动件的摩擦、弹性元件的弹性滞后等。
回差越小，仪表的重复性和稳定性越好。
应当注意，仪表的回差不能超过仪表引用误差，否则应当检修。
第四章压力检测方法及仪表
一、压力检测的基本知识
1．压力的概念及单位
2．压力的表示方法
二、
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