仪表专业基础知识8.docx
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仪表专业基础知识8
第八章自动控制技术基本知识
第一节 自动控制基础知识
海上采油生产过程的特点是，原油以水、油、气的混合状态，连续地在密闭的管道和容器中进行分离。
操作是在规定的流量、压力、温度下进行的。
这要求必须在生产设备上配置自动化设备（包括计算机等），自动地检测生产运行状况，如流量、液位，压力，温度、油含水量等参数的大小，并根据要求严格地控制这些参数处于规定值，以求优质、高产，安全地进行生产，并大大降低操作人员的劳动强度。
这种用自动化设备管理海上采油生产过程的办法称为海上采油生产过程自动化。
1．1仪表常用缩写字母
英文名称英文缩写中文名称
TEMPERATUREWELLTW温井
TEMPERATUREINDICATORTI温度表
TEMPERATURETRANSMITTERTT温度变送器
TEMPINDICATORCONTROLLERTIC温度显示控制器
TEMPERATURECONTROLVALVETCV温度控制阀
TEMPERATURESWITCHHIGHTSH温度高开关
TEMPERATURESWITCHHIGHHIGHTSHH温度高高开关
TEMPERATURESWITCHLOWTSL温度低开关
TEMPERATURESWITCHLOWLOWTSLL温度低低开关
TEMPERATUREALARMHIGHTAH温度高报警
TEMPERATUREALARMHIGHHIGHTAHH温度高高报警
TEMPERATUREALARMLOWTAL温度低报警
TEMPERATUREALARMLOWLOWTALL温度低低报警
PRESSUREINDICATORPI压力表
PRESSURETRANSIMITTERPT压力变送器
PRESSUREINDICATORCONTROLLERPIC压力显示控制器
PRESSURECONTROLVALVEPCV压力控制阀
PRESSURESWITCHHIGHPSH压力高开关
PRESSURESWITCHHIGHHIGHPSHH压力高高开关
PRESSURESWITCHLOWPSL压力低开关
PRESSURESWITCHLOWLOWPSLL压力低低开关
PRESSUREALARMHIGHPAH压力高报警
PRESSUREALARMHIGHHIGHPAHH压力高高报警
PRESSUREALARMLOWPAL压力低报警
PRESSUREALARMLOWLOWPALL压力低低报警
PRESSUREDIFFERENTSWlCHHIGHPDSH差压高开关
PRESSUREDIFFERENTSWICHLOWPDSL差压低开关
PRESSUREDIFFERENTALARMLOWPDAL差压低报警
PRESSUREDIFFERENTALARMHIGHPDAH差压高报警
LEVELINDICATORLI液位计
LEVELGLASSTUBELG液位玻璃管
LEVELTRANSIMITTERLT液位变送器
LEVELINDICATORCONTROLLERLIC液位显示控制器
LEVELCONTROLVALVELCV液位控制阀
LEVELSWITCHHIGHLSH液位高开关
LEVELSWITCHHIGHH1GHLSHH液位高高开关
LEVELSWITCHLOWLSL液位低开关
LEVELSWITCHLOWLOWLSLL液位低低开关
LEVELALARMHIGHLAH液位高报警
LEVELALARMLOWLOW液位低报警
LEVELALARMHIGHHIGHLAHH液位高高报警
LEVELALARMLOWLOWLALL液位低低报警
FLOWINDICATORFl流量表
FLOWTRNSIMITTERFT流量变送器
FLOWINDICATORCONTROLLERFIC流量显示控制器
FLOWCONTROLVALVEFCV流量控制阀
PRESSURESAFETYVALVEPSV压力安全阀
SHUTDOWNVALVESDV关断阀
BLOWDOWNVALVEBDV排空阀
UNITSHUTDOWNUSD单元关断
PROCESSSHUTDOWNPSD系统关断
EMERGENCYSHUTDOWNESD紧急关断
PROGRAMA．LOGICALCONTROLLERPLC可编程逻辑控制器
一、管线及仪表图（P&I图）
在海洋石油的自动化控制系统设计与使用中，管路及仪表图、仪表回路图、方框图、程序控制梯形逻辑图是操作人员、仪表维修人员必须掌握的知识，下面简单介绍这几种图。
P&I图是用线条、圆形和球形为基础的符号将平台上各设备橇块内的配管及仪表布局和外部接口进行综合描述，P&I图中既表明了物料的流向又标明了所用现场仪表的类型、设点、安装位置及仪表的外接口情况。
图8－1管路标记
1、管路及仪表图
对仪表管路、气动管路、液动管路以及电路所做的标记如图8－1所示；
2、各类仪表的位置标记符号如图8－2所示；
图8－2仪表的位置标记符号
3、与海上平台的管路及仪表图有关的常用符号如控制阀、减压阀等如图8－3所示。
图8－3管路及仪表图常用符号
在仪表回路中，操作标志的第一个字母应根据该回路所测变量来选择。
如P代表压力、T代表温度、F代表流量、L代表液面。
标准的模拟直流信号规定：
电流信号4－20mA直流，电压信号为1-5V直流。
标准的电流信号应该能把额定电流输送到0~600Ω（最小）范围内的任何外部负载。
标准电压输出信号所具有的电阻应不大于250Ω。
除非有特别要求，仪表系统的信号一般是电源的负极。
图8－4给出一典型的管道及仪表流程图。
图8－4典型的管道及仪表流程图
二、仪表回路图
仪表回路图（如图8－5）
是管路及仪表图的延伸。
回路图展示了仪表的横向连接，把仪表控制盘的配线、施工和仪表盘的测试连成一体，表明了现场仪表、现场接线盒、就地控制盘、中央控制系统间的接线情况。
在投产、启动、操作和维修期间，回路图对测试和校准是非常有用的。
对仪表回路图中所有组件都必须做出标记，这些标记也必须符合管线及仪表图的规定。
图8－5仪表回路图
三、方框图
方框图也称为方块图，每个方块表示组成系统的一个“环节”，也代表
一个具体实物，两个方框之间用一条带有箭头的线条表示其相互关系。
箭头表示作用方向，线上的字母表示相互之间的作用信号。
一般方框是单方向作用的，也就是说方块的输入会影响输出，但输出不会反过来影响输入。
还需注意的是，方框与方框之间的连接线，只是代表方框之间的作用关系，并不代表方框之间的物料关系，方块间连接线的箭头也只是代表信号作用的方向，与工艺流程图中物料流向不同。
方块图一般不画出显示仪表。
图8－6方框图
五、梯形逻辑图
梯形逻辑图是实现自动化顺序控制的常用方法。
其实现顺序控制的优点是直观而且符合人们的习惯。
除了集散控制系统（DCS）之外，几乎所有的过程逻辑控制（PLC）均是采用此方法进行顺序控制。
梯形逻辑图（LADDERLOGICDIAGRAM）是随着继电器控制系统的“软件”而产生的一种解释执行程序设计语言。
这些系统中除了包括基本的触点、线圈以及逻辑与、或、非关系，还包括了诸如定时器、计数器、数字算法、寄存器运算、数据转换等。
此外，它还可以方便地将LADDER逻辑控制回路同连续调节控制算法通过数据库连接起来，以实现更复杂的功能。
因为梯形逻辑图是由继电器逻辑电路演变而来，其书写格式也类似于继电器梯形逻辑电路图，PLC梯形从上至下按行绘制，两侧的竖线类似于电器控制电源线，每一行从左至右，左侧是安排输入接点，并且把并接点多的支路靠近最左端。
输入接点不论是外部的按钮，行程开关，还是继电器接点，在图形符号上只用常开和常闭而不关其物理属性。
图8－7是一个典型的梯形逻辑图。
图8－7梯形逻辑图
第二节自动调节系统
一、自动调节系统及其组成
自动调节系统是在人工调节的基础上产生发展起来的。
所以，在开始介绍自动调节的时候，先分析人工操作，并与自动调节加以比较，对了解和分析自动调节系统是有裨益的。
图8－8所示是一个液体贮罐，在生产中常用为一般的容器，从前一工序出来的液体不断地流入罐中，而从罐中流出的液体又送至下一工序进行加工。
生产要求维持罐中液位只能在一小范围内变化，罐上装有玻璃管液位计可供观测罐中液位高低。
我们可以发现这一岗位的操作存在一个问题，即前一工序来的液体流量往往是不恒定的。
当来料流量大的时候，液位上升，来料流量小的时候液位下降。
为了维持液位一定，人工操作的方法是，眼看液位计指示值，发现高时，开大阀门，增加流出量，发现液位低时，关小阀门，减少流出量，从而维持罐中液位一定。
归纳起来操作人员进行的工作是：
①观察玻璃管液位计的指示值，②将指示值与要求值进行比较，算出两者的差值，③根据差值的方向开或关阀门，根据差值的绝对值大小确定开或关阀门的多少，④将上述三步工作不断重复下去，直至液位达到要求值为止，这个过程就叫做调节。
图8－8中调节的指标是液位，所以也叫液位调节。
生产中还有温度调节、压力调节，流量调节等。
由人来直接进行调节的工作，就叫做人工调节。
图8－8液体贮罐图8－9自动调节示意图
假若用一个自动化装置来代替上述人工操作，就叫做液位自动调节。
液体罐和自动化装置一起的全部设备，构成了一个自动调节系统，如图8－8所示。
由图可知自动化装置包括三个部分。
第一部分是测量罐中液位并将液位的高低变成一种特定的信号（如气压、电流、位移等）输出的仪器，这个仪器被称做测量元件和变送器。
第二部分是自动调节器，即根据测量元件或变送器来的信号，与工艺上需要保持的液位高度加以比较，按已设计好的运算规律算出应给阀门的信号大小，把此信号（气压，电流等）传送给阀门。
第三部分是调节阀，它和普通的阀功能相同，只不过它能根据调节器送来的信号值自动地改变阀门开度。
当一套自动化装置具有这三部分仪器后，上述人工调节的工作就能由自动化装置代替。
二、基地式调节仪表和单元组合仪表
测量元件，变送器，调节器是三个不同的仪表，变送器的作用可做如下解释：
假如测量元件发出的测量信号（如位移或力等）与调节器要求的输入信号（如气压或电流）不相符合时，则需要增加一个将测量信号变换为调节器所需输入信号的装置，即变送器。
也可以把测量元件与调节器装在一起，设计制造一台仪器，省掉中间配合的变送器，这种仪表被称为基地式调节仪表。
50年代以前生产的仪表多属这种类型．显然基地式调节仪表运用的局限性较大，如一台基地式液位调节器不能用于温度调节，也不能用于压力调节，更不便于与其他仪
表配合组成复杂的调节系统。
为了克服基地式调节仪表的不足，50年代出现了单元组合仪表系列，该系列中有各式各样的变送器，如温度变送器、压力变送器，差压变送器等，这些变送器的作用是把测量元件的输出转换成规定的统一信号（如直流电流4～20mA或气压0．02～0.1Mpa）。
调节器或其他仪器（显示器、加减器，乘除器等）的输入输出信号均为上述统一信号。
阀门的输入信号也是相同的统一信号。
单元组合仪表的调节仪表可作液位调节也可作温度或其他参数调节，各仪表之间的信号联系都是统一信号，这样可方便地构成复杂的控制系统或运算系统。
这些特点是基地式调节仪表所不具备的。
但基地式仪表，一台仪表完成多种功能（测量、显示、调节等），构成简单调节系统显得便宜、方便、操作简单。
三、自动调节系统的方框图
自动调节系统中的工艺生产设备，如上例中的液体罐，叫做调节对象或简称对象。
而生产中要求保持不变的工艺指标，如上例中的液位高度，称为给定值。
根据调节器输出信号变化而驱动调节对象变化的机构（如阀门）称为执行器．在研究自动调节系统时，为了更清楚地表示出一个自动调节系统各个组成环节间的相互影响和信号联系，一般都用方块图来表示调节系统的组成（方块图也称方框图，在分析电路或复杂仪表时也经常应用此表示方法）。
例如图8－9的液位自动调节系统可以用图8－10的方块图来表示。
每个方块表示组成系统的一个“环节”，两个方块之间用一条带有箭头的线条表示其相互关系，箭头表示进入还是离开这个方块，线上的字母表示相互之间的作用信号。
图8－10自动调节系统
图8－8中的液罐可用一个“对象”方块表示，其液位就是生产过程中所要保持定值的参数，称为被调参数，这里用y表示。
在方块图中被调参数就是对象的输出信号。
在本例中影响被调参数液位的因素来自进料流量的改变，这种引起被调参数波动的外来因素在自动调节系统中称为干扰作用，在方块图中用f表示。
干扰作用是作用于对象的输入信号，所以箭头是指向对象的。
与此同时，出料流量的改变也是影响液位的因素，所以也是作用于对象的输入信号，它在方块图中把调节阀（执行器）和对象连接在一起。
液位信号是测量元件及变送器的输入，而变送器的输出信号Z（如气动液位变送器输出为气压）进入比较机构，与给定值信号x进行比较，得出偏差信号e（e=x—z），并被送往调节器。
比较机构实际上是调节器的一部分，而不是独立元件，在图中把它单独画出来为的是说明其比较作用。
给定值是人为事先规定的要求的被调参数值（这个例中为液位），给定值在一般调节器中均由附加的给定机构产生，有些单元组合仪表是由专用给定器产生，此时给定器是另一仪器，其输出为统一信号。
调节器可接收此信号。
调节器按照偏差信号e发出信号p（如气动调节器的输出气压变化），送至调节阀，使阀动作克服干扰影响，阀的输出q（流出液量）的变化为调节作用，具体实现调节作用的参数叫做调节参数，如图8－9中流过调节阀的出料流量q就是调节参数。
四、负反馈系统
从图8－10调节系统的组成来看，要进行调节，就需要不断地把输出量又送回到输入端（与给定值比较后送入调节器），这种将输出反送回来又作为输入的系统，称为反馈系统，反送回来的信号称为反馈作用。
由于这一反馈作用，把系统各环节连系起来，形成图8－10所示的封闭系统，故称此种系统为闭环系统或闭路系统。
调节作用就是靠反馈形成的，必须恰当地选择反馈才能保证调节的质量。
首先，反馈必须有正确的方向，就是当干扰变化使被调参数（输出量）增加时，则通过反馈作用必须使输出量减少，反之，当干扰使输出量减少时，通过反馈作用必须使输出量增加，这样才能起到调节作用。
这种反馈作用引起输出量下降，称为负反馈作用。
显然一个自动调节系统必须是一个负反馈系统。
如果一个闭环系统没采用负反馈作用，而采用了正反馈作用，那么在干扰作用下输出量上升，反馈量Z上升，由于是正反馈，Z上升引起输出量上升，这样下去，会使生产遭到破坏，起不到稳定被调参数的作用。
总之，自动调节系统是具有被调参数负反馈的闭环系统，它与自动操纵，自动信号报警等开环系统有本质差别，关键就在于调节系统有负反馈。
图8－11所示是一个开环系统的方块图，如化肥厂的造气自动机自动控制系统就是典型开环系统的例子。
自动机在操作的时候，不管煤气发生炉有气或无气，也不管炉子是否已灭火，自动机仍然是周而复始的运转不停。
自动机不能了解炉子的情况，只是盲目地不断操纵生产运行，这是开环系统工作的缺点。
反过来说，调节系统具有负反馈是它的优点，它可以随时了解对象的情况，有针对性地而不是盲目地进行调节。
图8－11自动操纵系统方块图
五、自动调节系统的分类
自动调节系统有多种分类方法，可以按工艺参数如压力，流量，温度等分类，也可以按调节规律等分类。
每一种分类方法都只反映了自动调节系统的某一特点。
但是，在分析自动调节系统特性时，给定值的形式不同会涉及到不同的分析方法，所以一般将调节系统按给定值的不同情况来分类，这样可将自动调节系统分为三类，即定值调节系统，随动调节系统和程序调节系统。
（一）定值调节系统
所谓定值就是恒定给定值的简称。
工艺生产中要求调节系统的被调参数保持在一个生产技术指标上不变，这个技术指标就是给定值。
化工石油生产中大多要求这种类型的系统，因此本书讨论的系统多属定值调节系统。
（二）随动调节系统（也称跟踪系统）
这类系统的特点是给定值在不断地变化，并要求系统的输出跟着变化。
如各种变送器均可看作一个随动系统，它的输出（指示值）应严格地及时地随着输入（被测值）而变化，这样才能既测得准又测得快。
（三）程序调节系统
这类系统的给定值也是变的，但它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定的时间程序变化．如制造胶鞋的硫化罐的温度调节系统和冶金工业金属退火炉的温度调节系统都是这类系统的例子，在一般石油化工生产中较少碰到程序调节的要求。
这类系统的给定值常用凸轮或曲线板来实现，图8－12所示就是一个例子，图中曲线（a）是工艺要求的温度变化规律，图（b）是给定凸轮形状。
图8－12程序给定示意图
（a）时间程序曲线（b）时间程序给定凸轮
第三节自动调节系统的过渡过程
一、系统的静态和动态
在自动化领域内，把被调参数不随时间变化的平衡状态称为系统的静态，而把被调参数随时间而变化的不平衡状态称为系统的动态。
当一个自动调节系统的输入（给定和干扰）恒定不变时，生产过程处于平衡状态，整个系统就处于一种相对的平衡状态，系统的各个环节如变送器，调节器和执行器都暂不动作，它们的输出信号都处于相对静止状态，这种状态就是静态。
注意这里所指的静态与习惯中所讲的静态不同，习惯所说静态都指静止不动，而在自动化领域中的静态是指各参数（或信号）的变化率为零，即参数保持常数不变。
因为自动调节系统在静态时，生产还在进行，物料和能量仍然有进有出，只是平稳进行，没有改变就是了，如图8－2中的液位调节系统，当流入量等于流出量时，液位就不改变，此时就达到了平衡状态，亦即处于静态。
但物料流动仍在进行。
假若一个系统原来处于相对平衡状态即静态，由于干扰加入或给定值改变，破坏了这种平衡状态，被调参数就会变化，从而调节器等自动化设备就起调节作用，并力图使系统恢复平衡状态。
从给定或干扰的变化开始，经过调节，直到系统重新建立平衡，在这一段时间中整个系统的各个环节和参数都处于变化状态之中．所以这种状态叫动态。
必须指出，在自动化工作中，了解系统的静态是必要的，但是了解系统的动态更为重要。
因为干扰或给定变化引起系统变化以后，需要知道系统的动态情况，并搞清系统究竟能否建立新的平衡和怎样去建立平衡。
平衡和静态是暂时的、相对的、有条件的，不平衡和动态才是普遍的、绝对的，无条件的。
干扰作用不断地发生，调节作用也就不断地去克服干扰的影响，所以自动调节系统总是一直处于运动状态之中。
因此研究自动调节系统重点要研究系统的动态。
二、自动调节系统的过渡过程
当自动调节系统在动态阶段中，被调参数是不断变化的，它随时间而变化的过程称为自动调节系统的过渡过程。
也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。
给定值变化或新的干扰的引入都会出现这种过程。
一般希望被调参数的过渡过程始终保持与给定值一致，但在实际过程中难于实现，在这个过程中被调参数往往是经过一段时间变化之后逐渐接近给定值，自然希望这一段变化中被调参数偏离给定值的幅度越小越好，过渡过程所需时间越短越好。
为了对过渡过程的好坏有个统一的衡量方法，研究调节系统的学者们为衡量过渡过程的优劣规定了几个指标，称之为过渡过程的品质指标。
另一方面过渡过程变化的情况
与干扰（给定值变化也是一种干扰）加入的形式有关，所以提出过渡过程品质指标应明确指出是在什么形式干扰之下的指标。
现在一般使用的指标是在阶跃干扰下过渡过程的指标。
所谓阶跃输入是指在平衡状态下产生阶梯性跳变干扰，如图8－13所示。
图中f。
与x。
表示初始平衡状态的干扰量与给定值，△f与△x表示阶跃变化的干扰量与给定值。
t代表时间。
图8－13
在干扰作用下过渡过程的形式一般有图1－3－2表示的几种，稳定的生产是（c）（d）二种，而（a）（b）是不希望的情况，所以被调参数过渡过程的指标是指类似于（c）（d）情况下的指标。
图8－14过渡过程的几种基本形式
图8－14是衰减振荡过渡过程的示意图，其中（a）是阶跃干扰作用影响下的过程，（b）是给定值阶跃变化作用下的过程。
前者是定值调节系统的过程，后者是随动调节系统的过程。
用过渡过程衡量系统质量时，习惯上用下述几个指标。
（一）衰减比
虽然前面已提及一般希望得到衰减振荡的过渡过程，但是衰减到什么程度为适当呢?
表示衰减程度的指标是衰减比，也就是前后两个峰值的比，在图3-3中衰减比是B：
B’，习惯上表示为n：
1。
衰减比为1时是等幅振荡，是一种不平稳的生产情况，一般生产中不允许出现这种情况。
如果n很大则接近非振荡过程，调节过程显得工作迟钝，不灵敏，通常也不是大家欢迎的。
一般以n为3～10之间为宜。
图3－3中的曲线就是接近4：
1的。
因为衰减比在3：
1到10：
1之间时，过渡过程开始阶段的变化速度比较快，被调参数在受到干扰的影响和调节作用的校正后，能比较快地达到一个峰值，然后就马上下降又较快地达到一个低峰值。
当操作人员看到这种情况后，心里就很安定。
因为他知道被调参数再振荡数次就会稳定下来，并且最终的稳定值必然是在高低峰值之间，决不会出现太高或太低的现象，更不会出现造成事故的数值。
尤其是在反应比较缓慢的情况下，衰减振荡过程的这一特点尤为重要。
对于这种系统，假若过渡过程是非振荡过程，很可能操作人员在较长时间内都只能看到被调参数一直上升（或下降），似乎很自然地会怀疑参数是否会继续上升（或下降）不止。
由于这种焦急的心情．很可能会导致拨动给定指针或仪表上的其他旋钮。
假若一旦出现这种情况，那么这样的拨动指针或旋钮，等于施加入人为的干扰，结果必然使被调参数离开给定值更远，这就可能造成恶性循环，使系统处于不可控制的状态。
选择衰减振荡的过渡过程并规定衰减比为3：
1到10：
1之间，完全是多年来操作经验的总结。
（二）余差
余差就是过渡过程终了时的残余偏差，在图8－15中以C表示，它也就是被调参数的稳定值与给定值的差，其值可以是正也可以是负。
在生产中给定值是生产的技术指标，所以被调参数越接近给定值越好，亦即余差越小越好。
但是在实际工作中也并不需要每个系统的余差都很小，如一般的液位调节，要求就不高。
这种系统往往允许液位有较大的变化范围，余差就可以大一些。
又如化学反应器的温度调节要求就比较高（一般温度与产品质量有关），应当尽量消除余差。
消除余差的方法在以后的内容中介绍。
图8－15过渡过程质量指标示意图
（a）阶跃干扰作用时（b）阶跃给定作用时
有余差的调节过程称为有差调节，相应的系统称为有差系统。
没有余差的调节过程称为无差调节，相应的系统称为无差系统。
（三）最大偏差
前已述及偏差是被调参数的指示值与给定值的差。
对于衰减振荡过程，最大偏差是第一个波的峰值，在图8－15中以A表示。
最大偏差表示系统瞬时偏离给定值的最大程度，若偏离越大，偏离的时间越长，系统离开规定的生产情况就越远，对生产越不利。
因此，最大偏差可以作为衡量质量的一个指标。
对于一些有危险限制的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限，触媒烧结温度极限，加热炉炉膛温度极限等，都有限制允许最大偏差的条件。
同时考虑到干扰会不断出现，偏差是叠加的，这就更限制了最大偏差的允许值．所以在决定最大偏差允许值时，要根据生产情况慎重考虑。
有时也用超调量来表征被调参数的偏离程度，在图8－15中超调量用B表示，从图看出
它是第一个峰值与新稳定值之差，并A＝B+C
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