过程控制装置.ppt

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第1篇过程控制装置第1章绪论1.1过程控制系统及其特点自动化技术是信息科学与技术的一个重要分支。

自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。

过程控制（processcontrol）通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，它是自动化技术的重要组成部分。

从控制的角度出发，可以把工业分成三类：

连续型、离散型和混合型。

（1）对象复杂多样

（2）对象存在滞后（3）对象特性的非线性（4）控制系统较复杂1.2过程控制系统的发展概况生产过程自动化的发展，大体上可以分为三个阶段。

（1）仪表自动化阶段

（2）计算机控制阶段（3）综合自动化阶段1.3过程控制系统的组成及分类图1.1锅炉水位控制原理图1蒸汽阀门；2过热器；3锅筒；4省煤器；5给水阀1.3.1过程控制系统的组成常规仪表过程控制系统由以下几部分组成：

（1）被控对象

（2）传感器和变送器（3）控制器图1.2过程控制系统方框图（4）执行器（5）控制阀1.3.2过程控制系统的分类

（1）定值控制系统

（2）随动控制系统（3）程序控制系统1.4过程控制系统的性能指标图1.3几种不同的过渡过程1.4.1递减比图1.4过渡过程的品质指标1.4.2最大动态偏差1.4.3调整时间Tc1.4.4静态偏差C1.4.5性能准则

（1）误差积分（IE）在比例积分控制器中，控制器的输出u为：

两个输出相减得:

化简上式得:

以IE表示由于负荷变化u引起的误差积分：

单位负荷变化的误差积分称为负荷响应准则：

（2）绝对误差积分（IAE）（3）平方误差积分（ISE）对瞬时误差先平方再积分，得：

（4）偏差绝对值与时间乘积积分（ITAE）第2章过程控制仪表与装置概述2.1控制仪表与装置的分类及发展过程控制仪表与装置的分类可按安装场地、能源形式、结构形式和信号类型来分。

2.2控制仪表与装置的信号与供电2.2.1控制仪表与装置的供电

（1）交流供电

（2）直流集中供电2.2.2模拟仪表的信号制

（1）直流电流信号直流电流信号传输有如下两个缺点：

图2.1电流信号传输模型若回路中有一个断点，则n台接收仪表均不能接收信号，因此，可靠性受到影响。

各接收仪表输入端会逐级电位升高，引起系统设计与维护的不便。

图2.2电压信号传输模型在实际应用中则有:

（2）直流电压信号信号传输所产生的误差：

在应用中，ri很大，一般都满足：

2.2.3数字仪表与装置的信号制2.3控制系统的安全防爆2.3.1安全防爆的基本概念

（1）危险环境划分

（2）爆炸性物质划分爆炸性物质被分为三类：

类矿井甲烷。

类爆炸性气体、可燃蒸气。

类爆炸性粉尘、易燃纤维。

图2.3爆炸性物质的分级分组实验（3）防爆仪表划分图2.4本质安全防爆系统构成图2.3.2本质安全型防爆仪表的设计要点

（1）限制本安电路中的能量图2.5三种储能电路参数容许值关系曲线1甲烷与空气混合物；2丙烷与空气混合物；3乙烯与空气混合物；4氢气与空气混合物

（2）安全措施1）续流二极管与钳位二极管图2.6续流二极管与钳位二极管2）限流电阻3）隔离电容4）电源变压器电源变压器向本安电路供电的绕组与其他绕组应分开布置，或者在采用下列措施之一时，向本安电路供电的绕组与其他绕组可内外分布：

a.它们之间有加强绝缘。

b.它们之间有铜质接地屏蔽层隔离。

5）多重化的保护措施（3）信号传输线路分布电容、电感的校验2.3.3防爆安全栅基本原理图2.7齐纳式防爆栅图2.8非线性电阻电路2.3.4本质安全系统防爆的认证2.3.5安全防爆控制系统

（1）传统的控制系统的安全防爆图2.9安全防爆的常规控制系统

（2）一种安全防爆的现场总线系统图2.10一种安全防爆的现场总线控制系统（3）光纤式本质安全防爆现场总线图2.11防爆I/O安全栅结构图图2.12光纤式FCS结构第3章变送器和转换器3.1概述3.1.1控制系统的发展3.1.2信号传输及供电的四线制与两线制3.1.3一种两线制芯片XTR101XTR101的性能指标如下：

额定工作温度范围：

-40+85供电电压范围：

11.640失调电压：

30温漂：

0.75非线性误差：

0.01%

（1）XTR101工作原理图3.1XTR101应用原理图Rs为量程调整电阻，芯片的输入输出关系为：

（2）设计要点1）输入偏置图3.2外接晶体管与失调补偿电路2）零点调整3）减少芯片的功耗和温度影响4）电源与负载的匹配图3.3毫伏信号变送器（3）设计举例3.2压力变送器3.2.1压力变送器概述差压变送器常见性能指标有：

测量范围量程设定范围（如0.1URV140kPa、0.1LRV140kPa）精度（如0.5、0.25、0.1）量程比（仪表可调的最大量程与最小量程之比。

如11.491、271、4001）电源电压与负载的关系（如图3.4所示）可调阻尼时间零点迁移范围图3.4电源负载关系3.2.2电容式压力变送器

（1）电容式变送器工作原理图3.5差压变送器框图图3.6检测机构结构示意图由平板电容器原理可得：

（2）电容式压力变送器电路原理图3.7电容式压力变送器框图图3.8差动电容检测电路等效图图3.91151压力变送器电源理图图3.10电流控制放大器电路图（3）智能电容式变送器3.2.3扩散硅压力变送器图3.11电容式智能变送器组成框图图3.12扩散硅压力变送器原理图3.3温度检测及变送器3.3.1温度检测原理

（1）直接测温法1）电阻测温金属铂在0630.74范围内时：

在-1900范围内时：

2）热电偶测温图3.13热敏电阻的特性曲线图3.14热电偶回路3）PN结测温图3.15热电偶静态特性曲线图3.16PN结冷端补偿电路4）石英晶体温度传感器图3.17二极管温度传感器应用电路

（2）不接触测温法3.3.2集成温度传感器

（1）AD590图3.18AD590测温放大器

（2）单片集成温度传感器DS18201）内部结构及原理64位激光ROM构成如下：

图3.19DS1820内部构造较高精度的温度值计算公式：

2）DS1820指令简介图3.20寄生电源供电电路CPU必须首先用以下5个命令之一作为初始化命令：

读ROM；ROM匹配；搜寻ROM；跳过ROM；搜寻警报。

3）DS1820的读写时序图3.21DS1820时序图（a）DS1820初始化脉冲；（b）写入DS1820脉冲；（c）读出DS1820脉冲上拉电阻提升CPU驱动-DS1820驱动3.3.3用两线制芯片实现温度变送器

（1）热电偶温度变送器图3.22热电偶温度变送器1）量程调节电阻Rs的计算2）冷端补偿分压电阻R5与R6的计算3）固定温度的冷端补偿R4的计算

（2）热电阻温度变送器1）量程调节电阻Rs的计算图3.23热电阻温度变送器2）零点调整电阻R4的计算图3.24多路温度测控电路原理图3.3.4DS1820组成的多点温度测控系统图3.2551主机对DS1820操作的总体流程图3.4流量检测及变送3.4.1流量检测原理

（1）流量孔板图3.26流量孔板工作原理

（2）靶式流量计图3.27靶式流量计的工作原理在管道内流体的垂直冲击下，靶受力为:

体积流量与质量流量与力F的关系为：

（3）涡街流量计图3.28卡曼涡街形成原理示意图3.4.2卡曼涡街流量变送器图3.29应力检测传感示意图图3.30应力检测法放大整形电路3.5成分分析及变送3.5.1成分分析原理

（1）检测图3.31灵巧型涡街流量变送器

（2）信号处理（3）取样及预处理3.5.2红外线气体分析仪

（1）工作原理图3.32CO2、CO气体的红外吸收特性

（2）红外线气体分析仪的分类图3.33红外线气体分析仪分类图（3）正式红外线气体分析仪结构及原理图3.34正式红外线气体分析仪结构框图1同步电动机；2工作光源；3参比光源；4切光片；5干扰滤光室；6测量室；7参比室；8薄膜电容接收器；9放大器；10指示记录仪3.6信号转换器3.6.1电压/电流转换器

（1）电压/电流转换器图3.35薄膜电容接收器结构

（2）可调偏置的电压/电流转换器图3.36电压/电流转换电路图3.37可调偏置的电压/电流转换电路3.6.2数字量/电流转换器图3.38数字信号/电流转换器（a）数字信号/电流转换电路；（b）I/O特性