化工仪表及自动化教案第10章.docx

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化工仪表及自动化教案第10章

第十章自动控制仪表

内容提要:

1.控制仪表的作用和分类

2.模拟式控制仪表

3.数字式控制仪表

1.控制仪表的作用和分类

控制仪表经历三个发展阶段

基地式控制仪表

单元组合式仪表中的控制单元

以微处理器为基元的控制装置

2.模拟式控制仪表

在模拟式控制器中，所传送的信号形式为连续的模拟信号。

目前应用的模拟式控制器主要是电动控制器

基本构成原理及部件

控制器基本构成

比较环节：

将给定信号与测量信号进行比较，产生一个与它们的偏差成比例的偏差信号。

放大器：

是一个稳态增益很大的比例环节。

反馈环节：

通过正、负反馈来实现比例、积分、微分等控制规律。

DDZ-Ⅲ型电动调节器

Ⅲ型仪表统一由电源箱供给24VDC电源，并有蓄电池作为备用电源

优点：

各单元省掉了电源变压器，没有工频电源进入单元仪表，既解决了仪表发热问题，又为仪表的防爆提供了有利条件。

在工频电源停电时备用电源投入，整套仪表在一定时间内仍可照常工作，继续进行监视控制作用，有利于安全停车。

结构合理，比之Ⅱ型有许多先进之处。

表现在：

基型控制器有全刻度指示控制器和偏差指示控制器两个品种，指示表头为100mm刻度纵形大表头，指示醒目，便于监视操作。

自动、手动的切换以无平衡、无扰动的方式进行，并有硬手动和软手动两种方式。

面板上设有手动操作插孔，可和便携式手动操作器配合使用。

结构形式适于单独安装和高密度安装。

有内给定和外给定两种给定方式，并设有外给定指示灯，能与计算机配套使用，可组成SPC系统实现计算机监督控制，也可组成DDC控制的备用系统。

DDZ-Ⅲ型控制器结构方框图

主要由输入电路、给定电路、PID运算电路、自动与手动（包括硬手动和软手动两种）切换电路、输出电路及指示电路等组成。

3.数字式控制仪表

数字式控制器的主要特点

（1）实现了模拟仪表与计算机一体化。

（2）具有丰富的运算控制功能。

（3）使用灵活方便，通用性强。

（4）具有通讯功能，便于系统扩展。

（5）可靠性高，维护方便

数字式控制器的硬件电路

主机电路

主机电路是数字式控制器的核心，用于实现仪表数据运算处理及各组成部分之间的管理。

过程输入通道

过程输入通道包括模拟量输入通道和开关量输入通道，模拟量输入通道用于连接模拟量输入信号，开关量输入通道用于连接开关量输入信号。

过程输出通道

过程输出通道包括模拟量输出通道和开关量输出通道，模拟量输出通道用于输出模拟量信号，开关量输出通道用于输出开关量信号。

人／机联系部件

人／机联系部件一般置于控制器的正面和侧面。

通信接口电路

通信接口将欲发送的数据转换成标准通信格式的数字信号，经发送电路送至通信线路（数据通道）上；同时通过接收电路接收来自通信线路的数字信号，将其转换成能被计算机接收的数据。

数字式控制器的软件

系统程序

系统程序是控制器软件的主体部分，通常由监控程序和功能模块两部分组成。

用户程序

用户程序是用户根据控制系统的要求，在系统程序中选择所需要的功能模块，并将它们按一定的规则连接起来的结果。

作用

使控制器完成预定的控制与运算功能。

用户程序的编程通常采用面向过程POL语言。

通常有组态式和空栏式语言两种，组态式又有表格式和助记符式之分。

控制器的编程工作是通过专用的编程器进行的，有“在线”和“离线”两种编程方法。

KMM型可编程序调节器：

是一种单回路的数字控制器。

KMM型调节器正面布置图

1～7—指示灯；8，9—按钮；10～13—指针

可以接收五个模拟输入信号，四个数字输入信号，输出三个模拟信号，输出三个数字信号。

优点：

功能强大；

能用于单回路的简单控制系统与复杂的串级控制系统；

控制精度高、使用方便灵活；

有自我诊断的功能，维修方便；可与电子计算机联用。

调节器的启动步骤

（1）调节器在启动前，要预先将“后备手操单元”的“后备／正常”运行方式切换开关扳到“正常”位置。

另外，还要拆下电池表面的两个止动螺钉，除去绝缘片后重新旋紧螺钉。

（2）使调节器通电，调节器即处于“联锁手动”运行方式，联锁指示灯亮。

（3）用“数据设定器”来显示、核对运行所必需的控制数据，必要时可改变PID参数。

（4）按下“R”键（复位按钮），解除“联锁”。

这时就可进行手动、自动或串级操作。

第十一章执行器

内容提要:

1.气动执行器

2.阀门定位器与电-气转换器

3.电动执行器

1.气动执行器

气动执行器的结构与分类

执行机构

薄膜式：

结构简单、价格便宜、维修方便，应用广泛。

活塞式：

推力较大，用于大口径、高压降控制阀或蝶阀的推动装置。

长行程：

行程长、转矩大，适于输出转角（60°～90°）和力矩。

气动薄膜式执行机构有正作用和反作用两种形式。

控制机构

根据不同的使用要求，控制阀的结构形式主要有以下几种。

直通单座控制阀

阀体内只有一个阀芯与阀座。

特点：

结构简单、泄漏量小，易保证关闭，甚至完全切断。

缺点：

在压差大的时候，流体对阀芯上下作用的推力不平衡，这种不平衡力会影响阀芯的移动。

直通单座阀

直通双座控制阀

阀体内有两个阀芯和阀座。

特点：

流体流过的时候，不平衡力小。

缺点：

容易泄漏。

直通双座阀

根据阀芯与阀座的相对位置：

可分为正作用式与反作用式两种形式。

角形控制阀

角形阀的两个接管呈直角形，一般为底进侧出。

特点：

流路简单、阻力较小，适于现场管道要求直角连接，介质为高黏度、高压差和含有少量悬浮物和固体颗粒状的场合。

角形阀

三通控制阀

共有三个出入口与工艺管道连接。

按照流通方式分：

合流型和分流型两种

三通阀

隔膜控制阀

采用耐腐蚀衬里的阀体和隔膜。

特点：

结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其他种类的阀要大。

不易泄漏。

耐腐蚀性强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也能用于高黏度及悬浮颗粒状介质的控制。

隔膜阀

蝶阀

特点：

结构简单、重量轻、价格便宜、流阻极小。

缺点：

泄漏量大。

蝶阀

控制阀的流量特性

控制阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系，即

控制阀的理想流量特性

不同流量特性的阀芯形状

1—快开；2—直线；3—抛物线；4—等百分比

在不考虑控制阀前后压差变化时得到的流量特性称为理想流量特性。

它取决于阀芯的形状

（1）直线流量特性

指控制阀的相对流量与相对开度成直线关系。

（2）等百分比（对数）流量特性

等百分比流量特性是指单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系。

（3）抛物线流量特性

（4）快开特性

这种流量特性在开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流量很快就达到最大。

快开特性的阀芯形式是平板形的，适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。

控制阀的选择

控制阀结构与特性的选择

结构形式选择

主要根据工艺条件，如温度、压力及介质的物理、化学特性（如腐蚀性、黏度等）来选择。

特性选择

先按控制系统的特点来选择阀的希望流量特性，然后再考虑工艺配管情况来选择相应的理想流量特性。

气开式与气关式的选择

有压力信号时阀关、无信号压力时阀开的为气关式。

反之，为气开式。

选择要求

主要从工艺生产上安全要求出发。

信号压力中断时，应保证设备和操作人员的安全。

如果阀处于打开位置时危害性小，则应选用气关式，以使气源系统发生故障，气源中断时，阀门能自动打开，保证安全。

反之阀处于关闭时危害性小，则应选用气开阀。

气动执行器的安装和维护

（1）为便于维护检修，气动执行器应安装在靠近地面或楼板的地方。

（2）气动执行器应安装在环境温度不高于+60℃和不低于-40℃的地方，并应远离振动较大的设备。

（3）阀的公称通径与管道公称通径不同时，两者之间应加一段异径管。

（4）气动执行器应该是正立垂直安装于水平管道上。

特殊情况下需要水平或倾斜安装时，除小口径阀外，一般应加支撑。

即使正立垂直安装，当阀的自重较大和有振动场合时，也应加支撑。

（5）通过控制阀的流体方向在阀体上有箭头标明，不能装反。

（6）控制阀前后一般要各装一只切断阀，以便修理时拆下控制阀。

考虑到控制阀发生故障或维修时，不影响工艺生产的继续进行，一般应装旁路阀。

（7）控制阀安装前，应对管路进行清洗，排去污物和焊渣。

安装后还应再次对管路和阀门进行清洗，并检查阀门与管道连接处的密封性能。

当初次通入介质时，应使阀门处于全开位置以免杂质卡住。

（8）在日常使用中，要对控制阀经常维护和定期检修。

2．阀门定位器与电-气转换器

电-气转换器可以把电动变送器来的电信号变为气信号，送到气动控制器或气动显示仪表；也可把电动控制器的输出信号变为气信号去驱动气动控制阀，此时常用电气阀门定位器，它具有电-气转换器和气动阀门定位器两种作用。

电-气转换器原理结构图

1—喷嘴挡板；2—调零弹簧；3—负反馈波纹管；4—十字弹簧；5—正反馈波纹管；6—杠杆；7—测量线圈；8—磁钢；9—铁芯；10—放大器

电-气阀门定位器

作用

具有电-气转换器的作用，可用电动控制器输出的0～10mADC或4～20mADC信号去操纵气动执行机构；

具有气动阀门定位器的作用，可以使阀门位置按控制器送来的信号准确定位。

改变图中反馈凸轮5的形状或安装位置，还可以改变控制阀的流量特性和实现正、反作用。

电-气阀门定位器

1—力矩马达；2—主杠杆；3—平衡弹簧；4—反馈凸轮支点；5—反馈凸轮；6—副杠杆；7—副杠杆支点；8—薄膜执行机构；9—反馈杆；10—滚轮；11—反馈弹簧；12—调零弹簧；13—挡板；14—喷嘴；15—主杠杆支点

3.电动执行器

电动执行器接收来自控制器的0～10mA或4～20mA的直流电流信号，并将其转换成相应的角位移或直行程位移，去操纵阀门、挡板等控制机构，以实现自动控制。

分类：

角行程、直行程、多转式

角行程电动执行机构

角行程执行机构的组成示意图

主要由伺服放大器、伺服电动机、减速器、位置发送器和操纵器组成。

位置发送器

是能将执行机构输出轴的位移转变为0～10mADC（或4～20mADC）反馈信号的装置，它的主要部分是差动变压器。

差动变压器原理图

小结：

电动执行机构不仅可与控制器配合实现自动控制，还可通过操纵器实现控制系统的自动控制和手动控制的相互切换。

当操纵器的切换开关置于手动操作位置时，由正、反操作按钮直接控制电机的电源，以实现执行机构输出轴的正转或反转，进行遥控手动操作。