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第4章 执行器和防爆栅,自动化仪表与过程控制,第4章 执行器和防爆栅,第1部分-执行器,4.1 执行器,-是调节系统四个基本组成部分之一，形象称为自动化的手脚。 （四个基本组成部：调节对象、检测仪表、调节器、执行器） 执行器的作用-根据调节器的命令控制传送、调节温度、压力、流量等工艺参数。 执行器的组成（分为两部分） （1）执行结构-执行器的驱动部分，按照调节器的信号产生推力或位移； （2）调节机构-执行器的调节部分，常见有调节阀等，在执行机构操纵下调节工艺介质的流量。 执行器的影响-是调节系统中的薄弱环节，质量可能导致不能正常工作或影响调节品质。,4.1.1 气动执行器,-以压缩空气为动力的执行器，由气动执行结构和调节阀组成。 类型原理： （1）薄膜式，弹性膜片将输入气压转变为推力，结构简单、价格便宜、应用广； （2）活塞式，由气缸活塞输出推力，允许压力高、有较大推力、行程长。 典型气动执行机构原理RF-P-176-FIG4-1,薄膜式原理说明,活塞式现场应用演示,调节阀的形式： （1）分为单座阀和双座阀，以阀芯阀座的套数决定，单座一套，双座两套（RF-FIG-4-3）；（2）分为气开和气闭，气开：气压增加阀趋于开，气闭：气压增加阀趋于闭。 调节阀的优缺点及适用场合： 单座：易改装、结构简单、无同步问题；被调气流对阀芯有作用力，可能影响正常工作。 双座：作用力可大致抵消，不平衡力小；两组阀芯不易同时关闭，关闭泄漏量比单座阀大。 选用气开、气关的原则：主要从安全角度考虑。事故状态下阀门打开危险性小，选启闭；反之选气开。 调节阀的重要性：调节阀的特性对整个自动调节系统的调节品质有何大影响。 调节阀的流量：与阀的开度和阀的前后压差均有关。 阀特性研究：分两种方法阀前后压差固定和实际工作变压差。,下半部分为调节阀,上半部分是产生推力的薄膜式执行机构,推杆,关闭阀芯 （气闭式）,调节阀的形式及优缺点分析,直通单座阀,直通双座阀,流体对阀芯的作用力,调节阀的优缺点及适用场合,单座：易改装、结构简单、无同步问题；被调气流对阀芯有作用力，可能影响正常工作。 双座：作用力可大致抵消，不平衡力小；两组阀芯不易同时关闭，关闭泄漏量比单座阀大。 选用气开、气关的原则：主要从安全角度考虑。事故状态下阀门打开危险性小，选启闭；反之选气开。 调节阀的重要性：调节阀的特性对整个自动调节系统的调节品质有何大影响。 调节阀的流量：与阀的开度和阀的前后压差均有关。 阀特性研究：分两种方法阀前后压差固定和实际工作变压差。,1.固有流量特性,在前后压差不变的情况下得出的流量特性或称为理想流量特性，通常有三种典型形式： （1）直线特性流量与阀芯位移成直线关系； （2）对数特性流量与阀芯位移成对数关系，即引起的流量变化的百分比相等； （3）快开特性开度较小时流量变化较大，随开度增大很快达到最大值。 三种典型固有流量特性的比较：,2.工作流量特性,调节阀和管道阻力串联的情况,实际使用时，阀前后压力变化，对应具体使用条件阀芯位移对水流的控制特性，影响因素较多，分析例：设调节阀管路外加压力Po恒定。阀的开度增加，Q 增加，管道压降 Pg 与流量 Q 平方成正比。,结论：（1）在同样的阀芯位移下，阀芯前后压差变化，非恒压差。 （2）与恒压差相比，流量开始变化较缓慢，阀开始的反应较迟钝。,直线阀、对数阀的实际工作特性（考虑管道阻力）,直线阀、对数阀的实际工作特性（考虑管道阻力）,其中：以 S 表示管道阻力下的压差比，即： 分析： S = 1相当于管道压力为0，实际工作特性与固有流量特性相同。 S 1 （1）阀开度大时流量减小，原因：管道设备压降增加。 （2）阀开度大时控制灵敏度降低。 注：可借鉴电位器负载特性（电流大小）对输出的影响分析。 （3）对数阀随开度的变化，其流量趋势与直线阀相反。,调节阀和控制对象特性的非线性补偿,阀和对象特性的非线性互相补偿,依据： 实际使用时有管道设备压差（对象）会引起非线性，不同形式的调节阀门也可以引起非线性，两者特性适当配合的合成特性可以是线性关系。,调节阀口径的选择方法,选择的目的：保证工艺操作正常进行，准确控制阀门的流量能力。 选择不当时可能出现的问题（主要原因是阀门口径选择不当）： （1）口径过大：在小开度位置工作调剂质量不高。 （2）口径过小：无法满足正常生产的需求。,调节阀选择依据的计算过程,电-气转换器,作用：将调节器输出的标准电流信号转换为20100kPa的标准气压信号。 电-气转换器（力平衡式）的工作原理 组成：RF-FIG-4-9 涉及：调节器输出电流I、电磁铁线圈、杠杆、喷嘴挡板机构、气动功率放大器支撑弹簧、波纹管、重锤、气源等。 工作过程： 调节器输出电流I-电磁铁线圈吸力-杠杆左端-挡板压缩喷嘴-喷嘴间隙-气动功率放大器输出功率P-杠杆波纹管充气-杠杆左端-形成反馈力达到平衡,电-气转换器工作原理图,调整方法： 弹簧调整输出零点，波纹管粗条量程，永久磁体磁分路螺丝细调量程，重锤调节平衡。 转换器指标： 精度0.5级、气源压力14014kPa、输出气压信号， 20 100kPa。,核心部件-喷嘴挡板机构的构造和特性,核心部件-喷嘴挡板机构,主要组成： 背压室、恒节流阀孔、喷嘴、挡板、气压信号输出孔 工作原理： 当挡板与喷嘴间隙有微小位移将会被转换为气压信号P输出，作为气动功率放大器的输入信号。,阀门定位器,任务：与执行机构配合使用确保精确定位。 用途：用于执行机构工作条件差和要求调节质量要求高的场合。 影响精确定位因素：填料、压差、黏度产生的附加力。 方法：借助阀杆位移负反馈是调节阀能按照输入信号精确地确定开度。,带定位器的气动执行器的信号流程框图,组成：RF-P183-FIG-4-12 气动阀门定位器与执行机构的配合示意图 主要动作涉及： （1）锥阀-控制排气， （2）阀球-控制进气， （3）波纹管（Pi输入）-给定值， （4）推杆-凸轮-反馈值 （5）P -执行机构的控制气压-定位器的输出量 工作原理： 挡板移近喷嘴-A室气压-膜片推动锥阀（间隙）排气量-球阀（间隙）进气量-C室气压-控制气压P-推杆-凸轮顺时针转动-挡板移出喷嘴-系统平衡,电气阀门定位器与执行机构的配合,一体化电气阀门定位器： 结构原理：RF-P184-FIG-4-13 工作原理： 输入电流I-杠杆上部右转喷嘴间隙-控制压力P-推杆-凸轮顺时针转动挡板移出喷嘴杠杆下部右转系统平衡,信号电流通入力矩马达1的线圈时，它与永久磁钢作用后，对主杠杆产生一个力矩,于是挡板靠近喷嘴,经放大器放大后,送入薄膜气室使杠杆向下移动,并带动反馈杆绕其支点4转动,连在同一轴上的反馈凸轮也作逆时针方向转动,通过滚轮使副杠杆绕其支点偏转,拉伸反馈弹簧,当反馈弹簧对主杠杆的拉力与力矩马达作用在主杠杆上的力两者力矩平衡时，仪表达到平衡状态，此时，一定的信号电流就对应于一定的阀门位置。,电-气阀门定位器的安全防爆,防爆要求：防爆电路示意框图RF-184-FIG-4-14,防爆工作原理说明（目的-断线时对高储能元件进行隔爆处理） （1）VD3、VD4限制力线圈的储能， （2）VD1、VD2限制力线圈的电流输出， （3）硅橡胶灌封。,电动执行器,作用：将调节器输出的420mA信号转换成直线或角度位移。 组成：执行机构和调节阀（同一般执行器） 特点：执行器使用电动执行机构-利用电动机等启闭调节阀。,电动执行器方案及配用类型： 直行程-直线电磁阀； 角行程-旋转蝶阀； 多转式-多转感应调压器。,电动执行器原理框图,常用电动执行器的要求：能够频繁启动、能长期处于过载状态。 具体措施：采用专用异步机，转子电阻大-启动电小、堵转时温升不超限。,伺服电机电路工作原理: 对应RF-P-154-FIG-6-45,伺服放大器的原理示意图,带制动机构的两相伺服电动机,伺服电机电路工作原理叙述,原理叙述： a+ 、b-，a -、b+分别对应上下交流开关导通，直接导通供电的一路交流不 倒相，经分相电容的一路移相90，两交流开关的切换决定电机转动的方向。 带制动结构的两相伺服电机 主要目的：防止惯性精确定位。 （1）定子带电，衔铁吸合，簧片变形，制动盘推离，转子活动。 （2）定子失电，衔铁还原，簧片恢复，弹簧弹起，制动盘推入，转子固定。 （3）拉起把手，手工脱离，解除制动。,超声波伺服电机USM概述,Appendix The nameplate of USR60 USM Drive frequency 40-44 kHz Drive voltage 100-130 Vrms Drive current 53mA Rated torque 0.4 Nm Rated power 4 W Rated speed 10 rad/s Holding torque =800mNm Rotor inertia 7.2 106 kg/m2 Weight 0.23 kg The equivalent circuit parameters of USR60 USM Cd = 9 nF rd = 20 k Lm = 0.1 H r0 = 150 Cm = 168 pF 168,第4章 执行器和防爆栅,第2部分-防爆栅,1. 安全防爆基础知识 2. 隔离式防爆栅的电路原理及性能 3. 防爆栅在现场总线中的应用,4.2 防爆栅,4.2.1 安全火花防爆系统的概念 防爆栅的设计思路： 传统-包括充油型、充气型、隔爆型等，将可能产生火花的电路从结构上与爆炸性气体隔开； 新型-（安全火花型）电路设计上考虑防爆，将电路在短路、开断及误操作下产生的火花限制在爆炸性气体的点燃能量之下。 归类：属于本质安全防爆仪表，比结构防爆仪表高一等级。,防爆仪表与防爆系统,性质-安全火花防爆仪表和安全火花防爆系统属于两个不同的概念； 内容-防爆仪表只保证仪表内部不产生危险火花，不包括外部引线（电源线、信号线等-注：系统与仪表的区别）。 定义-由安全火花仪表和经过防爆栅连接组成的工业控制系统。（自）,安全火花防爆系统的基本结构（注意：防爆栅的作用）,防爆栅：安全保持器，用途-限制送往现场单元的电压、电流，保证进入现场的电功率在安全范围之内。 防爆栅的局限性：只能限制进入现场的瞬时功率，必须与安全火花型仪表配合。 安全火花防爆系统的充分必要条件： （1）在危险现场的仪表必须是安全火花型； （2）现场仪表与非危险场所之间的电路连接必须经过防爆栅。,防爆栅的定义及局限性,4.2.2 安全火花防爆的等级（安全火花防爆的实质限制火花的能量）,爆炸性混合物的最小引爆电流（条件：直流电压30V）TAB-4-1,安全火花防爆栅参考资料,4.2.3 防爆栅的基本工作原理,齐纳式,改进型齐纳式,主要种类：电阻式、齐纳式、隔离式（4.2.4介绍）。 （1）电阻式：电阻串联于电源线或信号线限制进入危险现场的电流，缺点：电源、信号受衰减。 （2）齐纳式： 利用串联电阻限流、利用并联齐纳稳压管限压。,过流限制分析,4.2.4 隔离式防爆栅,（1）检测端防爆栅,DDZ-防爆栅的隔离方案: 具体措施-变压器作为输入输出电源隔离；晶体管截止限压、限流截止式控制电路。 两处隔离-变送器配合使用的检测端防爆栅，执行其配合使用的执行端防爆栅。,基本原理框图,简化电路原理图,分为检测端和执行端防爆栅,隔离示意图,信号隔离,电源隔离,涉及内容：（1）电路组成；（2）信号流程分析；（3）调制解调原理,检测端防爆栅的简化原理图,分析内容：（1）DC-AC转换原理；（2）调制原理；（3）解调放大原理,原理框图,原理描述,基本工作原理描述, 信号流向：由变送器输入，经限压、限流电路，经调制电路，经隔离防爆栅，经解调电路至控制室。 供电电源：+24V电源接通，VT1 、VT2得电，产生推挽振荡，DC-AC转换，输出3路。 a. 为420mA产生电路供电； b. 作为调制开关切换控制信号； c. 为限压、限流保护电路供电。 限压限流：过压VD15、VD16击穿，VT3、VT5导通，VT4、VT6截至，信号通道关断。 调制电路：调制开关VD13、VD14轮流切换变送器引入信号，分时流过调制变压器T2原边上、下绕组，将电平信号转换为交变信号。 解调电路：副边信号时VT7、VT8，VT9、VT10轮流导通，导通程度由原边420mA电平决定，对施加电源控制后还原420mA信号。,简化原理图,限压限流电路原理及特性曲线,检测端防爆栅简化原理图,限压限流特性曲线,调制解调电路工作原理,调制和解调放大电路原理图,斩波 供电,（2）执行端防爆栅,执行端防爆栅电路原理图,执行端防爆栅工作原理,防爆栅在现场总线中的应用,参考资料,现场总线的常规应用,现场,控制室,控制系统,24Vdc,24Vdc,电源调节器,OR,安全区,现场接线器,现场总线在危险区的应用,现场,控制室,24Vdc,控制系统,危险区,基金会现场总线设备,现场接线器,?,保护 ?,FISCO Solution,Fieldbus Intrinsic Safety Concept 用于总线本质安全的一种新的技术 以IEC61158-2现场总线装置物理层标准的概念为基础. 与较早的 Entity 模型相比, 可以向本安型主干提供更的的电流,因此可以连接更多的设备. 不需要电缆参数的计算 减少设备清单中的安全文件 不需要检查安全文件即可增加设备 允许使用更大电容的更长的电缆,FISCO power supply,Field,Control room,Control system,FISCO field devices,Zone 1 Division 1,24Vdc,24Vdc,Ex i Trunk Live-workable,Ex i spur Live-workable,FISCO 可应用于Zone1或Zone0的环境,现场接线器,可连接多少现场设备?,MTL5053 (Entity), IIC/IIB Gas Groups,FISCO, IIC Gas Groups,FISCO, IIB Gas Groups,80mA available, typically 4 or 5 devices,120mA available, typically 8 devices,265mA available, typically 17 devices,Zone 1/Division 1,假设每台设备15 mA,Field,Control room,Ex i spur Live-workable,Control system,FISCO or Entity field devices,Zone 2/Zone 1,Ex e Trunk,24Vdc,Power conditioner,Zone 0/Zone 1,24Vdc,24Vdc,现场隔离安全栅,Ff基金会现场总线应用在Zone 1的易燃易爆环境中？,EXd/Exe隔爆/增安 （不可带电维护） Entity （已不常用） FISCO （可带电维护） FieldBarrier现场隔离安全栅（接线盒不可带电维护，现场仪表可带电维护）,