过程控制及自动化仪表培训教材.docx

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过程控制及自动化仪表培训教材

第一章自动化仪表的组成和工作原理

一、概述

自动化仪表包括过程变量检测与变送、显示和控制等自动化控制系统中使用的各种仪表单元和系统，其中包括工业企业广泛使用的热工仪表；用于温度、压力、流量、物位和成分等的测量。

由于计算机和网络技术的发展，自动化仪表与工厂自动控制系统成为不可分割的完整系统，在很多现代控制装置中已经完全融为一体。

其发展历程分为以下几个阶段：

前期（20世纪70年代以前）：

自动化仪表划分成各种标准功能单元，按需要可以组合成各种控制系统。

中期（20世纪70年代后）：

1、控制仪表集中在控制室，生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，送往控制室。

操作人员可以在控制室监控生产流程各处的状况。

2、适用于生产规模较大的多回路控制系统。

3、集散控制阶段。

4、计算机的出现，大大简化了控制功能的实现。

最初，人们设想用一台计算机取代所有回路的控制仪表，实现直接数字控制（DDC，DirectDigitalControl）。

5、但DDC系统的故障危险高度集中，一旦计算机出现故障，就会造成所有控制回路瘫痪，使生产过程风险加大。

因此，DDC系统并未得到广泛应用。

当前（20世纪80年代初以来），随着计算机性能提高、体积缩小，出现了内装CPU的数字控制仪表。

基于“集中管理，分散控制”的理念，在数字控制仪表和计算机与网络技术基础上，开发了集中、分散相结合的集散型控制系统（DCS，DistributedControlSystem）。

DCS系统实行分层结构，将控制故障风险分散、管理功能集中。

得到广泛应用。

随着CPU进入检测仪表和执行器，自动化仪表彻底实现了数字化、智能化。

控制系统也出现了由智能仪表构成的现场总线控制系统（FCS，FieldbusControlSystem）。

FCS系统把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能仪表便可实现生产过程的检测、控制。

而用开放的、标准化的通信网络——现场总线，将分散在现场的控制系统的通信连接起来，实现信息集中管理。

在现代自动化程度较高的工业企业，随着网络技术的发展和大量虚拟仪器的使用，控制系统与检测仪表之间的界限在进一步的缩小。

按照传统仪表的概念，可以将自动化仪表分为检测与变送仪表、控制仪表和执行控制单元三个部分。

检测与变送仪表用于将现场的过程变量值转换为标准的过程信号，提供给控制仪表，实现各种控制功能；PID控制、比值控制、智能化控制等。

执行器则是将控制单元的信号转换为具体的控制运动，最终完成自动调节的控制功能。

早期的DDZ系列控制仪表就是这样的控制单元，虽然它的应用在逐步的萎缩，但在控制原理和控制概念上却是较好的素材。

二、检测与变送仪表

要控制一个生产过程，首先必须实时检测生产过程中的有关参数。

例如温度、压力、流量、液位等。

用来检测这些参数的工具称为检测仪表，其中包括测量指示仪表及将被测参数转换成标准信号输出的测量变送器。

1、检测仪表的基本技术指标

检测仪表种类繁多，但目的都是快速、准确地测量某种物理量。

因此，对于检测仪表的性能有一套通用的评价指标。

（1）.绝对误差

检测仪表的指示值X与被测量真值Xt之间存在的差值称为绝对误差Δ。

表示为：

Δ=X－Xt

由于真值是无法得到的理论值。

实际计算时，可用精确度较高的标准表所测得的标准值X0代替真值Xt，表示为：

Δ=X－X0

仪表在其标尺范围内各点读数的绝对误差中最大的绝对误差称为最大绝对误差Δmax。

2．基本误差

基本误差是一种简化的相对误差，又称引用误差或相对百分误差。

定义为：

而：

仪表量程=测量上限－测量下限

仪表的基本误差表明了仪表在规定的工作条件下测量时，允许出现的最大误差。

3．精确度（精度）

为了便于量值传递，国家规定了仪表的精确度（精度）等级系列。

如0.5级，1.0级，1.5级等。

仪表精度的确定方法：

将仪表的基本误差去掉“±”号及“％”号，套入规定的仪表精度等级系列。

例如某台仪表的基本误差为±1.0％，则确认该表的精确度等级符合1.0级；如果某台仪表的基本误差为±1.3％，则该表的精确度等级符合1.5级。

例1某台测温仪表的测温范围为－100～700℃，校验该表时测得全量程内最大绝对误差为＋5℃，试确定该仪表的精度等级。

解：

该仪表的基本误差为：

将该表的δ去掉“十”号与“％”号，其数值为0.625。

由于国家规定的精度等级中没有0.625级仪表，而该仪表的误差超过了0.5级仪表所允许的最大绝对误差。

故：

这台测温仪表的精度等级为1.0级。

目前，我国生产的仪表常用的精确度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5等。

精度等级数值越小，就表征该仪表的精确度等级越高，也说明该仪表的精确度越高。

0.05级以上的仪表，常用来作为标准表；工业现场用的测量仪表，其精度大多为0.5级以下。

仪表的精度等级一般用符号标志在仪表面板上。

如

3、压阻式压力传感器应用实例

利用半导体材料的压阻效应将压力转换为电信号。

压压阻效应—受压时电阻率发生变化。

图1-1扩散硅压力传感器传感部件

如图1-1所示是一种扩散硅压力测压传感部件。

在杯状单晶硅膜片的表面上，沿一定的晶轴方向和位置扩散着四个长条形电阻。

半导体扩散电阻在受应力作用时，材料内部晶格之间的距离发生变化，使禁带宽度以及载流子浓度和迁移率改变，导致半导体材料电阻率ρ发生强烈的变化，其灵敏度约比金属应变电阻高100倍左右。

这种传感器称为扩散硅压力传感器。

当硅膜片上下两侧出现压差时，膜片内部产生应力，使扩散电阻的阻值发生变化。

实验表明，圆形硅膜片在受压力变形时，其圆心区域和边缘区域受力性质不一样。

以半径63.2%为界，圆心区域受拉应力，边缘区域受压应力。

受拉时，扩散电阻阻值增大；受压时，扩散电阻阻值减小。

四个电阻可以构成全桥电路。

图1-2全刻度指示调节器框图

图1-2（a）是四个长条形电阻组成的电路形式，硅膜片上扩散四个阻值相等的电阻，接成全桥式输出电路，不但可以提高电桥灵敏度，还可以获得温度补偿，抵消半导体电阻随温度变化引起的误差。

图1-2（b）是膜片表面的应力分布示意图。

一般的检测仪表都附加有变送器，除因为高温和腐蚀性气体、液体等原因，尽量使变送器靠近检测单元，防止信号的干扰。

变送器的功能是将检测信号转换为标准的4-20mA电流信号或1-5V的电压信号，还可以将检测信号通过网络发送出去，实现信号的可靠传输与隔离。

图1-3中是压力传感器和变送器电路原理图，应变电阻的电压信号经放大后变换为标准的4-20mA电流信号输出。

图1-4是AD590温度变送器的电路原理图。

图1-3扩散硅压力传感器变送器电路

图1-4AD590温度变送器电路原理图

三、调节控制仪表

1、DDZ-Ⅲ型调节器简介

调节控制仪表分为传统式，例如DDZ-Ⅲ型调节器。

主要由模

拟调节器组成。

调节器的作用

调节器将来自变送器的测量信号与调节器的内给定或外给定

信号进行比较，得到其偏差，即

然后调节器对该偏差信号按某一规律进行运算，输出调节信号控制执行机构的动作，以实现对被控参数如温度、压力、流量或液位等的自动控制作用。

DDZ-Ⅲ型全刻度指示调节器的原理框图如图1-5所示，其内部电路原理如图1-6所示。

图1-5全刻度指示调节器框图

图1-6所示。

图1-6全刻度指示调节器原理图

调节器由控制单元和指示单元组成

（1）控制单元包括输入电路、PD和PI运算电路、V/I转换电路、软手操和硬手操电路；

（2）指示单元包括测量信号指示和给定信号指示电路。

2、改进型调节器

随着生产过程的复杂化和严格要求，出现各种复杂的调节系统，而采用基型调节器往往达不到生产过程所要求的控制指标。

因此要求调节器的功能在基型调节器基础上进一步扩大。

实现方法是在基型调节器内部增加各种附加单元，以改善其性能。

（1）抗积分饱和调节器

（2）微分先行PID调节器

（3）比例微分先行PID调节器

（4）非线性PID调节器

3、数字式调节器

数字式调节器的优点：

（1）开发周期短，性能价格比高；

（2）具有自检自诊断的异常报警功能和通信功能；

（3）控制精度高，性能稳定，工作可靠；

（4）使用和维护方便。

数字式调节器目前已在各行各业的自动控制系统中得到广泛的应用。

DDZⅢ调节器是模拟式调节器，它利用电子电路进行连续的PID运算。

数字式调节器以微计算机为核心进行有关控制规律的运算，所有控制规律的运算都是周期性的进行，即数字式调节器是离散系统。

因此，用于连续系统的PID控制规律必须进行离散化后方可应用于数字式调节器。

控制算法：

完全微分PID算法（理想PID算法）

不完全微分PID算法（实际PID算法）

实现形式：

位置型、增量型、速度型和偏差型

（1）完全微分PID算法

位置型：

增量型：

速度型：

偏差型：

完全微分PID算法的缺点：

微分作用过于灵敏，微分作用持续时间短，容易引起控制系统振荡，降低控制品质；阀门开度时间与调节器的输出信号时间不相对应。

（2）不完全微分PID算法

不完全微分PID调节器：

在完成微分PID的输出端串联一阶惯性环节，如图1-7所示。

图1-7不完全微分PID算法调节器组成原理框图

不完全微分PID位置型算法：

不完全微分PID增量型算法：

不完全微分PID算法的输出在较长时间内仍有微分作用，可获得较好的控制效果，在数字式调节器广泛应用。

（3）抗积分饱和算法

数字调节器最简单的抗积分饱和方法是积分分离法，其基本原理是，在偏差较小时加入积分作用；而较大时取消积分作用。

这样便减轻积分累计的饱和程度，以达到抗积分饱和的目的。

对于理想PID算法的增量形式：

首先判断偏差的绝对值是否趋于预先设定的偏差限定值A，然后确定是否投入积分作用，即：

四、数字式调节器的组成

数字式调节器的组成如图1-8所示，其核心器件是CPU单元，具有智能化特点。

包括微机单元、输入电路、输出电路和人机对话单元。

专家自整定调节器如图图1-9所示。

虚拟调节仪表如图图1-10所示。

图1-8数字式调节器的组成框图

图1-9专家自整定调节器原理框图

图1-10虚拟调节器原理框图

五、现代智能化调节器的组成

现代智能化调节器是在数字化调节器（测量仪表）的基础上增加了通信功能。

不同的厂家的仪表采用不同的通讯协议，例如：

HART协议、PROFIBUS协议等。

六、检测变送仪表

检测变送单元实际上包括两部分内容，首先是将被控参数检测出来，然后变送器将其变换成统一标准信号。

由于利用单元组合仪表能方便灵活地组成各种难易程度的过程控制系统，因此，它在过程控制系统中应用极为广泛。

单元组合仪表有气动单元组合仪表和电动单元组合仪表两大系列。

表1-1是DDZ-Ⅱ型和DDZ-Ⅲ型仪表的性能比较。

表1-1DDZ-Ⅱ型与DDZ-Ⅲ型仪表的性能比较

系列

DDZ-Ⅱ

DDZ-Ⅲ

信号、

传输方式、

供电

信号

DC0～10mA

DC4～20mA、DC1～5V

传输方式

串联制（电流传送电流接收）

并联制（电流传送电压

接收）

现场变送器连接方式

四线制

三线制

供电

AC220V单独

供电

DC24V集中供电并有断

电备用电源

防爆型式和电气

元件开关

防爆型式

防爆型

安全火花型

安全栅

无

有

电气元件

分立元件