过程控制仪表技术课件

过程控制系统过程控制系统自动化自动化071-4071-4第三章第三章 过程控制仪表过程控制仪表 3 31 1过程控制仪表概述过程控制仪表概述 在在过过程程控控制制中中，常常将将调调节节器器(含含可可编编程程序序控控制制器器)、电电气气转转换换器器、执执行行器器、安安全全栅栅等等称称为为过过程程控控制制仪仪表表，它它们们是是实实现现工工业业生生产产过过程程自自动动化化的的核核心心装装置。置。在在过过程程控控制制系系统统中中，参参数数检检测测仪仪表表将将被被控控量量转转换换成成电电流流(电电压压)信信号号或或气气压压信信号号，一一方方面面通通过过显显示示仪仪表表对对其其进进行行显显示示和和记记录录，另另一一方方面面则则将将其其送送往往调调节节器器与与给给定定信信号号进进行行比比较较产产生生偏偏差差，并并按按照照一一定定的的调调节节规规律律产产生生调调节节作作用用去去控控制制执执行行器器，以以改改变变控控制制介质的流量从而使被控量符合生产工艺要求。介质的流量从而使被控量符合生产工艺要求。DDZDDZ仪表应用举例：仪表应用举例：广泛应用于冶金、电站、建筑、石油、化工等工业部门，现广泛应用于冶金、电站、建筑、石油、化工等工业部门，现以电动单元组合仪表构成的单回路反馈控制系统为例说明其应以电动单元组合仪表构成的单回路反馈控制系统为例说明其应用。如图所示：用。如图所示：控制系统由控制对象与电动单元组合仪表组成控制系统由控制对象与电动单元组合仪表组成，对象的输，对象的输出是被控量，如温度、压力、流量、液位等工艺参数，它经变出是被控量，如温度、压力、流量、液位等工艺参数，它经变送器转换成相应的电信号后，一方面送到显示单元指示或记录，送器转换成相应的电信号后，一方面送到显示单元指示或记录，另一方面送到调节单元，与给定单元送来的给定值进行比较，另一方面送到调节单元，与给定单元送来的给定值进行比较，调节单元按其调节单元按其比较后的偏差，以一定的比较后的偏差，以一定的控制规律发出控制命令，控制规律发出控制命令，控制执行单元动作，以开控制执行单元动作，以开大或关小调节阀的开度，大或关小调节阀的开度，改变控制量，使被控量与改变控制量，使被控量与给定值相等。给定值相等。电动单元电动单元组合仪表组合仪表 目目前前使使用用的的调调节节器器以以电电动动调调节节器器占占绝绝大大多多数数，而而执执行行器器则则以以气气动动为为主主，它它们们之之间间需需要要用用电电气气转转换换器器进进行行信信号号转转换换。此此外外，智智能能式式电电动动执执行行器器将将逐逐渐渐取取代代常常规规的的气气动动执执行行器器而而成成为为执执行行器器新新的发展方向。的发展方向。1 1调节器的功能调节器的功能 一一般般调调节节器器除除了了对对偏偏差差信信号号进进行行各各种种控控制制运运算算外外，还还需需具具备备如下功能：如下功能：(1)(1)偏差显示偏差显示 调调节节器器的的输输入入电电路路接接收收测测量量信信号号和和给给定定信信号号，两两者者相相减减后后的的偏差信号由偏差显示仪表显示其大小和正负。偏差信号由偏差显示仪表显示其大小和正负。(2)(2)输出显示输出显示 调调节节器器输输出出信信号号的的大大小小由由输输出出显显示示仪仪表表显显示示，习习惯惯上上显显示示仪仪表表也也称称阀阀位位表表。阀阀位位表表不不仅仅显显示示调调节节阀阀的的开开度度，而而且且通通过过它它还还可可以观察到控制系统受干扰影响后的调节过程。以观察到控制系统受干扰影响后的调节过程。(3)(3)内内、外外给给定定的的选选择择 当当调调节节器器用用于于定定值值控控制制时时，给给定定信信号号常常由由调调节节器器内内部部提提供供，称称为为内内给给定定；而而在在随随动动控控制制系系统统中中，调调节节器器的的给给定定信信号号往往往往来来自自调调节节器器的的外外部部，则则称称为为外外给给定定。内内、外外给给定定信号由内、外信号由内、外给定开关给定开关进行选择或由软件实现。进行选择或由软件实现。(4)(4)正、反作用的选择正、反作用的选择 工工程程上上，通通常常将将调调节节器器的的输输出出随随反反馈馈输输入入的的增增大大而而增增大大时时，称称为为正正作作用用调调节节器器；而而将将调调节节器器的的输输出出随随反反馈馈输输入入的的增增大大而而减减小小时时，称称为为反反作作用用调调节节器器。为为了了构构成成一一个个负负反反馈馈控控制制系系统统，必必须须正正确确地地确确定定调调节节器器的的正正、反反作作用用，否否则则整整个个控控制制系系统统将将无无法法正正常常运运行行。调调节节器器的的正正、反反作作用用，可可通通过过正正、反反作作用用开开关关进进行行选择或由软件实现。选择或由软件实现。(5)(5)手手动动切切换换操操作作 调调节节器器的的手手动动操操作作功功能能是是必必不不可可少少的的。在在控控制制系系统统投投入入运运行行时时，往往往往先先进进行行手手动动操操作作改改变变调调节节器器的的输输出出，待待系系统统基基本本稳稳定定后后再再切切换换到到自自动动运运行行状状态态；当当自自动动控控制制时时的的工工况况不不正正常常或或调调节节器器失失灵灵时时，必必须须切切换换到到手手动动状状态态以以防防止止系系统统失失控控。通通过过调调节节器器的的手手动动自自动动双双向向切切换换开开关关，可可以以对对调调节节器器进进行行手手动动自自动动切切换换，而而在在切切换换过过程程中中，又又希希望望切切换换操操作作不不会会给给控控制制系统带来扰动，即要求无扰动切换。系统带来扰动，即要求无扰动切换。(6)其他功能其他功能 除除了了上上述述功功能能外外，有有的的调调节节器器还还有有一一些些附附加加功功能能，如如抗抗积积分分饱饱和和、输输出出限限幅幅、输输入入越越限限报报警警、偏偏差差报报警警、软软手手动动抗抗漂漂移移、停停电电对对策策等等，所所有有这这些些附附加加功功能能都都是是为为了了进进一一步步提提高高调调节节器器的的控控制制功能。功能。2执行器的作用执行器的作用 执行器在过程控制中的作用：执行器在过程控制中的作用：接接受受来来自自调调节节器器的的控控制制信信号号，改改变变其其阀阀门门开开度度，从从而而达达到到控控制制介介质质流流量量的的目目的的。因因此此，执执行行器器也也是是过过程程控控制制系系统统中中一一个个重重要要的、必不可少的组成部分。的、必不可少的组成部分。执执行行器器直直接接与与控控制制介介质质接接触触，常常常常在在高高温温、高高压压、深深冷冷、高高粘粘度度、易易结结晶晶、闪闪蒸蒸、汽汽蚀蚀等等恶恶劣劣条条件件下下工工作作，因因而而是是过过程程控控制制系系统统的的最最薄薄弱弱环环节节。如如果果执执行行器器的的选选择择或或使使用用不不当当，往往往往会会给给生生产产过过程程自自动动化化带带来来困困难难，甚甚至至会会导导致致严严重重的的生生产产事事故故。为为此此，对对于于执执行行器器的的正正确确选选用用以以及及安安装装、维维修修等等各各个个环环节节，必必须须给给以以足足够够的重视。的重视。若若执执行行器器是是采采用用电电动动式式的的，则则无无需需电电气气转转换换器器；若若执执行行器器是采用气动式的，则电气转换器是必不可少的。是采用气动式的，则电气转换器是必不可少的。3.3.安全栅安全栅 安全栅是构成安全火花防爆系统的关键仪表，其作用：一方面：一方面：保证信号的正常传输，另另一一方方面面：控制流入危险场所的能量在爆炸性气体或爆炸性混合物的点火能量以下，以确保过程控制系统的安全火花性能。本章重点介绍DDZ-型模拟式调节器、执行器、电气转换器和安全栅等控制仪表。3 32 DDZ-2 DDZ-型模拟式调节器型模拟式调节器 DDZ是电电动动单单元元组组合合仪仪表表汉汉语语拼拼音音的缩写，它经历了以电子管、晶体管和线性集成电路为基本放大元件的I型、型和型系列产品阶段。其中DDZI、型已经停产，这里主要介绍DDZ一型模拟式调节器。在此之前先对调节规律的数学描述及其特性进行一些简单的介绍。有关调节规律对系统调节质量的影响、调节规律的选择和调节器的参数整定将在第5章中进行详细的讨论。3 32 21 1 比例积分微分调节规律比例积分微分调节规律 比例积分微分调节规律是指调节器的输出分别与输入偏差的大小、偏差的积分和偏差的变化率成比例，其英文缩写为PID(proportional integral derivative，PID)。理想PID的增量式数学表达式为 写成传递函数形式，则为 式中，第一项为比例(P)部分，第二项为积分(I)部分，第三项为微分(D)部分；Kc调节器的比例增益；TI积分时间(以s或min为单位)；TD微分时间(也以s或min为单位)。通过改变这三个参数的大小，可以相应改变调节作用的大小及规律。1.比例调节比例调节 当TI 、TD=0时，积分项和微分项都不起作用，上式变为纯比例调节。纯比例调节器的单位阶跃响应特性如图31所示。由图31可见，纯比例调节器的输出与输入偏差成正比，比例增益的大小决定了比例调节作用的强弱，Kc越大，比例调节作用越强。w在工程上，习惯用比例度表示比例调节作用的强弱。w它定义为：它定义为：调节器输入偏差的相对变化量与相应输出的相对变化量之比，用百分数表示为 在DDZ-III型仪表中，由于输入、输出的统一标准信号均为420mA，因而比例度为：比例调节的优点：比例调节的优点：调节及时，反应灵敏，当偏差一旦出现，就能及时产生与之成比例的调节作用，偏差越大，调节作用越强，因而是一种最常用、最基本的调节规律。2比例积分调节比例积分调节 当TD=0时，微分项不起作用，为比例积分调节。比例积分调节器的阶跃响应特性如图3-2所示。图3-2中，实线为理想比例积分调节器的阶跃响应特性，虚线表示实际比例积分调节器的阶跃响应特性；TI为一常数，它表示积分作用的强弱。TI越大，积分作用越弱；反之，积分作用越强。比例积分调节器的输出可以看成比例和积分两项输出的合成，即在阶跃输入的瞬间有一比例输出，随后在比例输出的基础上按同一方向输出不断增大，这就是积分作用。只要输入不为零，输出的积分作用会一直随时间增长，如图中实线所示。而实际的比例积分调节器，由于放大器的开环增益为有限值，输出不可能无限增大，积分作用呈饱和特性，如图中虚线所示。具有饱和特性的PI调节器的传递函数可写成以下的标准形式：KI称为PI调节器的积分增益。它定义为：它定义为：在阶跃信号输入下，其输出的最大值与纯比例作用时产生的输出变化之比。3.比例微分调节比例微分调节 当TI 时，积分项不起作用，为比例微分调节。在阶跃输入下，理想微分作用的输出如图3-3所示。由图可见，在t=t0时加入阶跃输入，在t=t0的瞬间输出为无穷大，而在tt0时输出立即变为零。图33 理想微分器的阶跃响应特性 由实际应用可知，调节器不允许具有理想的微分作用，这是因为具有理想微分作用的调节器缺乏抗干扰能力，即当输入信号中含有高频干扰时，会使输出发生很大的变化，引起执行器的误动作。因此，实际的微分调节器常常具有饱和微分特性。具有饱和微分特性的比例微分调节器的传递函数为式中，KD称为PD调节器的微分增益，它定义为：它定义为：在阶跃信号输入下，其输出的最大跳变值与纯比例作用时产生的输出变化之比。具有饱和特性的比例微分调节器的阶跃响应特性如图3-4所示。4PID调节调节 同时具有比例、积分、微分作用的调节器称为PID调节器，理想PID调节规律的传递函数如前所示，而实际PID调节器的积分和微分作用都具有饱和特性，其传递函数为 理想PID调节器的阶跃响应特性如图35中实线所示；而实际PID调节器的阶跃响应特性如图35中虚线所示。在生产过程自动化的发展进程中，PID调节规律是应用时间最长、生命力最强的一种控制方式。在20世纪40年代前后，除在最简单的情况下采用开关式控制外，它是唯一被采用的控制方式。此后，随着控制理论和科学技术的发展，虽然出现了许多新的控制方式，然而截至目前为止，PID调节方式依然被广泛地采用。据有关资料统计，目前世界上90以上的过程控制系统采用的依然是PID调节或基于PID调节的各种改进型控制方式。wPID调节的主要优点体现在以下几个方面：1）PID调节模拟了人脑的部分思维，原理简单、容易理解与实现，使用方便。2）应用范围广。）应用范围广。它能广泛应用于化工、热工、冶金、炼油以及造纸、建材等各种控制过程。按照PID控制方式工作的自动调节器产品早已标准化和系列化，即使在过程计算机控制中，其基本的控制方式也依然采用的是PID调节或新型PID调节。3）鲁棒性强。）鲁棒性强。由PID调节规律构成的控制系统当被控过程的特性发生改变时，只要重新整定调节器的有关参数，即可使系统的控制性能不会产生明显的变化。3.2.2 DDZ-III3.2.2 DDZ-III型型PIDPID基型调节器基型调节器 DDZ一III型PID基型调节器有两个品种，即全刻度指示调节器和偏差指示调节器。它们的电路结构基本相同，仅指示电路有差异。这里仅介绍全刻度指示调节器。3 32 22 21 1 全刻度指示调节器的技术参数及外形全刻度指示调节器的技术参数及外形 DDZIII型全刻度指示调节器的主要技术参数有：测量信号：15V DC；外给定信号：420mA DC；内给定信号：15V DC；测量与给定信号的指示精度：1；输入阻抗影响：满刻度的0.1；输出信号：420mA DC；负载电阻：250750。输出保持特性：-0.1h；调节精度：0.5；DDZ-III型全刻度指示调节器的外形如图3-6所示。3.2.2.23.2.2.2全刻度指示调节器的构成原理全刻度指示调节器的构成原理 全刻度指示调节器的构成框图如图3-7所示。由图3-7（P77)可知，调节器由控制单元和指示单元组成。控制单元包括：输入电路、PD与PI电路、输出电路、软手动与硬手动操作电路；指示单元包括：输入信号指示电路和给定信号指示电路。调节器的作用：调节器的作用：将变送器送来的将变送器送来的1 15V5VDCDC的测量信号，与的测量信号，与1 15V5VDCDC的的给定信号进行比较得到偏差信号，然后再将其偏差信号进行给定信号进行比较得到偏差信号，然后再将其偏差信号进行PIDPID运算，输出运算，输出4 420mA20mADCDC信号，最后通过执行器，实现对过程信号，最后通过执行器，实现对过程参数的自动控制。参数的自动控制。全刻度指示调节器框图：全刻度指示调节器框图：调节器的测量输入信号与内给定输入信号均是以零伏为基准的l5V DC信号，而外给定则是由420mA DC通过250精密电阻转换成以零伏为基准的15V DC信号，内、外给定由开关S6进行选择。调节器有自动、软手动和硬手动三种工作状态，并通过联动开关进行切换。一、输入电路一、输入电路 V Vo1o1=-2(v=-2(vi i-v-vs s)()(正作用）正作用）作用：作用：（1 1）用来获得与输入信号用来获得与输入信号v vi i和给定信号和给定信号v vs s之差成比例的偏差信号。之差成比例的偏差信号。(输入电路的输出电压是偏差电压的两倍输入电路的输出电压是偏差电压的两倍）（2 2）对偏差信号实现电平移动对偏差信号实现电平移动(将两个以零伏为基准的输入电压，将两个以零伏为基准的输入电压，转换成以电平转换成以电平V VB B(10v)10v)为基准的偏差电压输出，从而实现了电为基准的偏差电压输出，从而实现了电平移动。平移动。)其电路图如图其电路图如图4-34-3所示。所示。若不采用电平移动，若不采用电平移动，即即v vB B=0v=0v时，则时，则V VF F=V=VT T=1/3v=1/3vs s因因v vs s=1=15v5v，显然不能满足运算放，显然不能满足运算放大器共模电压允许的范大器共模电压允许的范围的要求围的要求2 219v19v二、输出电路：二、输出电路：实际上是一个具有电平移动的电压电流转换器。实际上是一个具有电平移动的电压电流转换器。当当v vo3o3=1=15v5v时，输出电流时，输出电流I I0 0=4=420mA20mA三、手动操作电路三、手动操作电路 附加在比例积分电路中附加在比例积分电路中软手动操作电路：软手动操作电路：指调节器的指调节器的输出电流输出电流与与手动输入电压信号手动输入电压信号成成积分积分 关系。关系。硬手动操作电路：硬手动操作电路：指调节器的指调节器的输出电流与手动输入电压信号成比例输出电流与手动输入电压信号成比例 关系。关系。手动作用：手动作用：（1 1）控制系统在投运之前一般先采用手动控制（现场人工控制执行）控制系统在投运之前一般先采用手动控制（现场人工控制执行器）。当工艺操作过程比较稳定后，再从手动控制切换到自动控器）。当工艺操作过程比较稳定后，再从手动控制切换到自动控制。制。（2 2）当系统出现故障或需要停车时，调节器也需要由自动控制切换）当系统出现故障或需要停车时，调节器也需要由自动控制切换到手动控制。在相互切换的过程中应实现无扰动切换。到手动控制。在相互切换的过程中应实现无扰动切换。积分上升：积分上升：S S4-14-1、S S4-24-2积分下降：积分下降：S S4-34-3、S S4-44-4快速：快速：S S4-14-1、S S4-34-3慢速：慢速：S S4-24-2、S S4-44-4RMR四四 指示电路指示电路 将以将以0v0v为基准的为基准的1 15V5VDCDC输入信号转换为以输入信号转换为以v vB B为基为基准的准的1 15mA5mADCDC电流信号。电流信号。五五 正反作用开关正反作用开关s s7 7 1 1 当置于正作用时，随着测量信号的增加，调节器的输当置于正作用时，随着测量信号的增加，调节器的输出也增加；出也增加；(正作用调节器）正作用调节器）2 2 当置于反作用时，随着测量信号的增加，调节器的输当置于反作用时，随着测量信号的增加，调节器的输出减少。出减少。（反作用调节器）（反作用调节器）正反作用的选择，由执行器和调节对象的特性决定。正反作用的选择，由执行器和调节对象的特性决定。-+第二节第二节 执行器执行器一一 概述概述1 1 组成组成 ：执行机构执行机构 调节机构（调节阀）调节机构（调节阀）2 2 作用：作用：接受调节器输出的控制信号，并转换成直线位移或角接受调节器输出的控制信号，并转换成直线位移或角位移来改变调节阀的流通面积，以控制流入或流出被控过位移来改变调节阀的流通面积，以控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。3 3 分类：分类：根据使用能源不同，执行器可分为三大类：根据使用能源不同，执行器可分为三大类：1 1）气动执行器：）气动执行器：以压缩空气为能源以压缩空气为能源,输入信号为输入信号为2020100KPa 100KPa 优点：优点：结构简单、工作可靠、价格便宜、维护方便、防火防爆等，结构简单、工作可靠、价格便宜、维护方便、防火防爆等，在过程控制中获得最广泛的应用。在过程控制中获得最广泛的应用。2 2）电动执行器：）电动执行器：以电为能源以电为能源,输入信号为输入信号为0 010mA10mADC(DDZ-IIDC(DDZ-II型型)或或4 420mA20mADC(DDZ-IIIDC(DDZ-III型型)优点：优点：能源取用方便、信号传输速度快和便于远传。能源取用方便、信号传输速度快和便于远传。缺点：缺点：结构复杂、价格贵、适用于防爆要求不高及缺乏气源的场所。结构复杂、价格贵、适用于防爆要求不高及缺乏气源的场所。3 3）液动执行器：）液动执行器：以高压液体为能源。以高压液体为能源。推力最大，但目前使用不多。推力最大，但目前使用不多。二、电动执行机构（实验）二、电动执行机构（实验）三、气动执行机构三、气动执行机构 1 1 结构：结构：由膜片、推杆和平衡弹簧等部分组成。由膜片、推杆和平衡弹簧等部分组成。2 2 作用：作用：接受气动调节器接受气动调节器或电气阀门定位器输出或电气阀门定位器输出的气压信号，经膜片转的气压信号，经膜片转换成推力，克服弹簧力换成推力，克服弹簧力后，使推杆产生位移，后，使推杆产生位移，同时带动阀芯动作。同时带动阀芯动作。3 3 气动执行机构作用形式：气动执行机构作用形式：正作用正作用:当输入气压信号增加时，推杆向下移动时称正作用。当输入气压信号增加时，推杆向下移动时称正作用。反作用：反作用：当输入气压信号增加时，推杆向上移动时称反作用。当输入气压信号增加时，推杆向上移动时称反作用。四四 调节阀调节阀1 1 类型：类型：直通双座调节阀、直通单座调节阀、碟阀、三通阀、隔膜直通双座调节阀、直通单座调节阀、碟阀、三通阀、隔膜阀、角形阀等。阀、角形阀等。蝶阀：蝶阀：适用于大流量、大管径、低压差，但泄漏量大适用于大流量、大管径、低压差，但泄漏量大角形阀：角形阀：单导向结构，气开式，必须采用反作用执行机构才能实现。单导向结构，气开式，必须采用反作用执行机构才能实现。2 2 特性：特性：局部阻力可变的局部阻力可变的节流元件通过改变阀芯节流元件通过改变阀芯的行程而改变调节阀的的行程而改变调节阀的阻力系数，以达到控制阻力系数，以达到控制流量的目的。流量的目的。分流阀合流阀五五 气动执行器的选用气动执行器的选用1 1 调节阀的尺寸选择调节阀的尺寸选择 调节阀的尺寸通常用公称直径调节阀的尺寸通常用公称直径D Dg g和阀座直径和阀座直径d dg g表示，选择其大小的主要依据是流通能力表示，选择其大小的主要依据是流通能力C C。流通能力定义：流通能力定义：调节阀全开，阀前后压差为调节阀全开，阀前后压差为0.1MPa0.1MPa，流体重度为，流体重度为1g/cm1g/cm3 3时，每小时通过阀门的流体流量时，每小时通过阀门的流体流量m m3 3或或kgkg。设流体是不可压缩的，则设流体是不可压缩的，则式中，式中，为流量系数；为流量系数；A A0 0为调节阀接管截面积；为调节阀接管截面积；g g为重力加速度为重力加速度;r;r为流体重度为流体重度;pp为调节阀前后压差为调节阀前后压差,p=P1-P2Q为流体的体积流量为流体的体积流量令令则有则有 可见，流通能力可见，流通能力C表示了调节阀的结构参数。表示了调节阀的结构参数。对于不同口径、不同结构形式的调节阀，其流通能对于不同口径、不同结构形式的调节阀，其流通能力力C也不同。也不同。根据调节所需的物料量根据调节所需的物料量Qmax、Qmin，流体重度，流体重度r以及调节阀上的压降以及调节阀上的压降PP，可以求得最大流量、最小，可以求得最大流量、最小流量时的流量时的Cmax和和Cmin值，再根据值，再根据Cmax，在所选用产品，在所选用产品型式的标准系列中，型式的标准系列中，选取大于选取大于Cmax并最接近一级的并最接近一级的C值，值，最后查出最后查出Dg和和dg。2 2 调节阀气开、气关形式的选择调节阀气开、气关形式的选择(1)(1)所谓气开式，即当气压信号所谓气开式，即当气压信号P0.02MPaP0.02MPa时，阀由关闭时，阀由关闭状态逐渐打开；状态逐渐打开；气关式，即气压信号气关式，即气压信号P0.02MPaP0.02MPa时时,阀由全开状态阀由全开状态逐渐关闭。逐渐关闭。（信号压力范围（信号压力范围0.020.020.1MPa)0.1MPa)(2)(2)由于执行机构有正、反两种作用形式，调节阀也有由于执行机构有正、反两种作用形式，调节阀也有正装和反装两种形式。所以，实现气动调节阀的气开、正装和反装两种形式。所以，实现气动调节阀的气开、气关时，有四种组合方式，如图气关时，有四种组合方式，如图4-224-22和表和表4-24-2所示。所示。序序号号执行执行机构机构阀体阀体气动调节阀气动调节阀a正正正正气关气关b正正反反气开气开c反反正正气开气开d反反反反气关气关(3)(3)调节阀气开、气关的选择：调节阀气开、气关的选择：主要从工艺生产的安全来考虑：主要从工艺生产的安全来考虑：当发生断电或其他事故引起信号压力中断时当发生断电或其他事故引起信号压力中断时,调节阀的开闭调节阀的开闭状态应避免损坏设备和伤害操作人员。状态应避免损坏设备和伤害操作人员。例如：例如：一般蒸汽加热器选用一般蒸汽加热器选用气开式气开式，一旦气源中断，阀门处于全关，一旦气源中断，阀门处于全关状态，停止加热，使设备不致因温度过高而发生事故或危险。状态，停止加热，使设备不致因温度过高而发生事故或危险。锅炉进水的调节阀则选用锅炉进水的调节阀则选用气关式气关式，当气源中断时，仍有水进，当气源中断时，仍有水进入锅炉，不致产生烧干或爆炸事故。入锅炉，不致产生烧干或爆炸事故。3 3 单座阀和双座阀的选择：单座阀和双座阀的选择：大口径的阀一般选用双座阀大口径的阀一般选用双座阀 当阀的口径较小时，一般选用单座阀。当阀的口径较小时，一般选用单座阀。（泄漏量小，阀前后压降较低）（泄漏量小，阀前后压降较低）4 4 流量特性的选择流量特性的选择 调节阀的流量特性，系指介质流过阀门的相对流量与阀门相调节阀的流量特性，系指介质流过阀门的相对流量与阀门相对开度之间的关系，即对开度之间的关系，即式中，式中，Q/QQ/Qmaxmax为相对流量，即某一开度的流量与全开流量为相对流量，即某一开度的流量与全开流量Q Qmaxmax之比；之比；l/L l/L为相对开度，即某一开度行程为相对开度，即某一开度行程l l与全行程之比。与全行程之比。（1 1）理想流量特性）理想流量特性 当当调节阀前后压差一定调节阀前后压差一定的情况下得到的流量特性，称之为理的情况下得到的流量特性，称之为理想流量特性，它仅取决于阀芯的形状。想流量特性，它仅取决于阀芯的形状。(它是一个调节阀固有的流量特性）它是一个调节阀固有的流量特性）w在目前常用的调节阀中，有三种典型的固有流量特性，即在目前常用的调节阀中，有三种典型的固有流量特性，即直线直线流量特性流量特性、快开流量特性快开流量特性和和等百分比流量特性等百分比流量特性，其阀芯形状和，其阀芯形状和相应的特性曲线示于图相应的特性曲线示于图4 42424和图和图4 42525中。中。1）直线流量特性：）直线流量特性：直线流量特性调节阀在小开度工作时，其相对流量变化太大，直线流量特性调节阀在小开度工作时，其相对流量变化太大，控制作用太强，容易引起超调，产生振荡；而在大开度工作时，控制作用太强，容易引起超调，产生振荡；而在大开度工作时，其相对流量的变化小，控制作用太弱，造成控制作用不及时。其相对流量的变化小，控制作用太弱，造成控制作用不及时。2 2）对数（或称等百分比）流量特性：）对数（或称等百分比）流量特性：在小开度时在小开度时KvKv小，控制缓和平稳；在大开度时小，控制缓和平稳；在大开度时KvKv大，控制及大，控制及时有效。时有效。3 3）快开流量特性：）快开流量特性：在小开度时流量就比较大，随着开度的增大，流量很快达到最在小开度时流量就比较大，随着开度的增大，流量很快达到最大，故称为快开特性。大，故称为快开特性。(2)(2)工作流量特性工作流量特性 在实际使用时，调节阀安装在管道上，或者与其他设备串在实际使用时，调节阀安装在管道上，或者与其他设备串联，或者与旁路管道并联，因而联，或者与旁路管道并联，因而调节阀前后的压差是变化的调节阀前后的压差是变化的。此。此时，调节阀的相对流量与阀芯相对开度之间的关系称为工作流量时，调节阀的相对流量与阀芯相对开度之间的关系称为工作流量特性。特性。说明：说明：调节阀的可调范围调节阀的可调范围R R：调节阀所能控制的流量上限和流量下限之比。调节阀所能控制的流量上限和流量下限之比。1)1)串联管道时的工作流量特性：串联管道时的工作流量特性：调节阀与其他设备串联工作时调节阀与其他设备串联工作时(如图如图4 426a26a所示所示)调节阀上的压差是调节阀上的压差是其总压差的一部分。当总压差其总压差的一部分。当总压差 P P一定，随着阀门的开大，阀前后的压差一定，随着阀门的开大，阀前后的压差将逐渐减小。将逐渐减小。为了衡量调节阀实际工作流量特性相对于理想流量特性的变化程度，为了衡量调节阀实际工作流量特性相对于理想流量特性的变化程度，可用阻力比这个系数可用阻力比这个系数S S来表示：来表示：分析：分析：S=1S=1时，管道压降为零，调节阀前后时，管道压降为零，调节阀前后压差等于系统的总压差，故工作流量压差等于系统的总压差，故工作流量特性即为理想流量特性。特性即为理想流量特性。式中式中 Pvmin调节阀全调节阀全开时阀门前后的压差开时阀门前后的压差 P 系统总压差系统总压差S1S1时，由于串联管道阻力的影响，使流量特性产生两个变化：时，由于串联管道阻力的影响，使流量特性产生两个变化：阀全开时流量减小，即阀的可调范围变小。阀全开时流量减小，即阀的可调范围变小。使阀在大开度时的控制灵敏度降低。使阀在大开度时的控制灵敏度降低。随着随着S S值的减小，直线特性趋于快开特性，等百分比特性趋值的减小，直线特性趋于快开特性，等百分比特性趋向于直线特性。向于直线特性。结论：结论：在实际使用中，一般希望在实际使用中，一般希望S S值不低于值不低于0.30.30.50.5。2)并联管道时的工作流量特性：并联管道时的工作流量特性：在现场使用中，调节阀一般都装有旁路阀在现场使用中，调节阀一般都装有旁路阀(如图如图428所示所示)，以便于手动操作和维护。并联管道时的工作流量特性如图以便于手动操作和维护。并联管道时的工作流量特性如图429所所示：示：图中图中s为阀全开时流量与总管最大流量之比。为阀全开时流量与总管最大流量之比。当当s1时，旁路阀关闭，工作流量特性即为理想流量特性，随着时，旁路阀关闭，工作流量特性即为理想流量特性，随着旁路阀逐渐打开，旁路阀逐渐打开，s值逐渐减小，调节阀的可调范围也将大大下降，值逐渐减小，调节阀的可调范围也将大大下降，从而使调节阀的控制能力大大下降，影响控制效果。从而使调节阀的控制能力大大下降，影响控制效果。根据实际经验，根据实际经验，s值不能低于值不能低于0.8。(3)(3)调节阀流量特性的选择调节阀流量特性的选择 理论分析法：理论分析法：还在研究中还在研究中 经验法：经验法：目前较多采用。目前较多采用。一般可从下述几方面来考虑。一般可从下述几方面来考虑。1)1)依据过程特性选择：依据过程特性选择：一个过程控制系统，在负荷变动的情况下，要使系统保持预一个过程控制系统，在负荷变动的情况下，要使系统保持预定的控制品质，则必须要求系统总的放大系数在整个操作范围内定的控制品质，则必须要求系统总的放大系数在整个操作范围内保持不变。保持不变。一般变送器、调节器一般变送器、调节器(已整定好已整定好)、执行机构等放大系数基本、执行机构等放大系数基本上是不变的，但过程的特性则往往是非线性的。上是不变的，但过程的特性则往往是非线性的。为此，必须合理选择调节阀的特性，以补偿过程的非线性，其为此，必须合理选择调节阀的特性，以补偿过程的非线性，其选择原则为：选择原则为：K Kv vK Ko o常数常数其中，其中，K Kv v为调节阀的放大系数；为调节阀的放大系数；K Ko o为过程的放大系数。为过程的放大系数。当过程的特性为线性时，则应选择直线特性的调节阀，否则当过程的特性为线性时，则应选择直线特性的调节阀，否则就选择等百分比特性的调节阀。就选择等百分比特性的调节阀。2)2)依据配管情况选择：依据配管情况选择：在现场使用中，调节阀总是与设备和管道连在一起的，由在现场使用中，调节阀总是与设备和管道连在一起的，由于系统配管情况不同，调节阀的工作特性和理想特性也有差异。于系统配管情况不同，调节阀的工作特性和理想特性也有差异。因此，首先应根据过程特性来选择工作特性，然后再考虑配因此，首先应根据过程特性来选择工作特性，然后再考虑配管情况来选择相应的理想特性。管情况来选择相应的理想特性。（制造厂所标明的流量特性是理想特性）（制造厂所标明的流量特性是理想特性）选择原则如下表：选择原则如下表：配管状况配管状况S=10.6S=0.60.3工作特性工作特性直线直线等百分比等百分比直直 线线等百分比等百分比理想特性理想特性直线直线等百分比等百分比等百分比等百分比等百分比等百分比表表34 依据配管状况选择表依据配管状况选择表 3)3)依据负荷变化情况选择：依据负荷变化情况选择：在负荷变化较大的场合，宜选用等百分比调节阀。在负荷变化较大的场合，宜选用等百分比调节阀。因为等百分比调节阀放大系数是随阀芯位移的变化而变因为等百分比调节阀放大系数是随阀芯位移的变化而变化的，其相对流量变化率是不变的，因而能适应负荷的化的，其相对流量变化率是不变的，因而能适应负荷的变化情况。变化情况。当调节阀经常工作在小开度时，宜选用等百分比调当调节阀经常工作在小开度时，宜选用等百分比调节阀。节阀。因为直线调节阀在小开度时，相对流量变化率很因为直线调节阀在小开度时，相对流量变化率很大，不宜进行微调。大，不宜进行微调。六六 电电-气转换器与阀门定位器气转换器与阀门定位器1.1.电电/气转换器气转换器 由于气动执行器具有一系列的优点，绝大部分使用电由于气动执行器具有一系列的优点，绝大部分使用电动调节仪表的系统也使用气动执行器，为使气动执行器能够动调节仪表的系统也使用气动执行器，为使气动执行器能够接受电动调节器的命令，必须把调节器输出的标准电流信号接受电动调节器的命令，必须把调节器输出的标准电流信号转换为转换为2020100kPa100kPa的标准气压信号。这个工作是由电一气转的标准气压信号。这个工作是由电一气转换器完成的。换器完成的。电气转换器的作用：电气转换器的作用：把把0 010mA.DC10mA.DC或或4 420mA.DC20mA.DC的电信号转换成的电信号转换成2020100kPa100kPa的气压信号的气压信号,该信号可用来直接推动气动执行机构或作该信号可用来直接推动气动执行机构或作较远距离的传送。较远距离的传送。由电动调节器送来的电流由电动调节器送来的电流I通入线圈通入线圈2，该线圈能在永，该线圈能在永久磁铁的气隙中自由地上下久磁铁的气隙中自由地上下移动。当输入电流移动。当输入电流I增大时，增大时，线圈与磁铁产生的吸力增大，线圈与磁铁产生的吸力增大，使杠杆使杠杆1作逆时针方向转动，作逆时针方向转动，并带动安装在杠杆上的挡板并带动安装在杠杆上的挡板3 靠近喷嘴靠近喷嘴4，改变喷嘴和挡板，改变喷嘴和挡板之间的间隙。之间的间隙。当挡板当挡板3靠近喷嘴靠近喷嘴4，使喷嘴挡板机构的背压升高，这个压，使喷嘴挡板机构的背压升高，这个压力经过气动功率放大器力经过气动功率放大器9的放大，产生输出压力的放大，产生输出压力P，作用于波，作用于波纹管纹管6，对杠杆产生向上的反馈力。它对支点，对杠杆产生向上的反馈力。它对支点O形成的力矩与形成的力矩与电磁力矩相平衡；构成闭环系统，于是，输出压力与电磁力矩相平衡；构成闭环系统，于是，输出压力与I成正比成正比例，例，010mADC或或420mADC的电信号就转换成的电信号就转换成20 100KPa的气压信号，该信号可用来直接推动气动执行机构的气压信号，该信号可用来直接推动气动执行机构或作较远距离的传送。或作较远距离的传送。2.阀门定位器（阀门定位器（P102)3.4.4 智能式电动执行器 自20世纪90年代以来，随着微电子技术、微处理机技术、计算机网络技术和机电一体化技术的迅速发展和现场总线控制的迫切需要，符合现场总线的智能执行器便应运而生。目前，智能执行器已有诸多产品，表35（P102)列出了部分目录。1智能电动执行器的特点智能电动执行器的特点 与常规电动执行器相比，智能电动执行器有如下特点：1）具有智能化和高精度的控制功能。）具有智能化和高精度的控制功能。智能执行器可直接接收变送器信号，按设定值自动进行PID调节，控制流量、压力和温度等过程变量。通过组态可按折线形成多种形状的非线性流量特性，实现对过程非线性特性的补偿，以提高系统的控制精度。同时也摆脱了长期以来依靠改变阀心形状来改变流量特性的落后状况。2）一体化的结构设计思想。）一体化的结构设计思想。智能执行器将位置控制器、PID控制器、伺服放大器、电气转换器、阀位变送器等装在一台现场仪表中，减少了信号传输中的泄漏和干扰等因素对系统控制精度的影响；与此同时，还采用电制动和断续调节技术代替机械摩擦制动技术，以提高整机的可靠性。3）具有智能化的通信功能。）具有智能化的通信功能。智能执行器与上位机或控制系统之间可通过现场总线按规定的通信协议进行双向数字通信，并构成所需要的控制系统，这是智能执行器与常规电动执行器的重要区别之一，也是它突出的优点之一。4）具有智能化的自诊断与保护功能。）具有智能化的自诊断与保护功能。当电源、气动部件、机械部件、控制信号、通信或其他方面出现故障时，均能迅速识别并能有效采取保护措施，确保控制系统及生产过程的安全。5）具有灵活的组态功能，）具有灵活的组态功能，“一机多用一机多用”，提高了经济效益。，提高了经济效益。例如，对于输入信号，可通过软件组态来选择合适的信号源；对于执行器的运行速度和行程，也可通过组态软件进行任意设置，所有这些都无需更换硬件。这样一来，只要用少量类型的智能执行器就能够满足各种工业过程的不同需求，从而大大提高了制造商和用户的经济效益。2智能电动执行器的实例简介智能电动执行器的实例简介 表35表明，智能电动执行器的种类很多，但其结构原理功能却大同小异。现以美国Valtek公司生产的Starpac智能执行器为例加以说明。Starpac智能执行器的基本结构和功能如图341所示。如图所示，阀体的进、出口部位和内部均装有压力、温度检测器；阀杆内装有阀位检测器；执行机构进、出口装有空气压力检测器。所有这些检测器的输出信号都被送往Starpac执行器内装的微处理器中。在调节阀的运行过程中，微处理器根据这些参数的变化，分析调节阀的工作状况，实时进行调整、校准和故障诊断，使阀门的控制精度和可靠性得到了极大的提高。与上位机或控制系统的连接用420mA DC模拟信号或RS485串行数字信号的通信方式，二者可任选，但与PC连接进行组态、校准、数据检索或故障诊断时，必须采用数字通信方式。3.5 安全栅安全栅 安全火花型防爆系统必须具备两个条件：安全火花型防爆系统必须具备两个条件：1.现场仪表必须设计成安全火花型；2.现场仪表与非危险场所(包括控制室)之间必须经过安全栅(又称防爆栅)，以便对送往现场的电压、电流进行严格的限制，从而保证进入现场的电功率在安全范围之内。由此可见，安全栅是构成安全火花防爆系统极其重要的过程控制仪表之一。安全栅的种类很多，有电阻式安全栅、中继放大式安全栅、齐纳式安全栅、光电隔离式安全栅、变压器隔离式安全栅等。目前应用最多的是齐纳式安全栅和变压器隔离式安全栅。351齐纳式安全栅齐纳式安全栅 1简单齐纳式安全栅简单齐纳式安全栅 简单齐纳式安全栅是利用齐纳二极管的反向击穿特性进行限压、用固定电阻进行限流，其基本电路原理如图342所示。由图可知，该安全栅可以限制流过的电压与电流，不让它们超过安全值，即当输入电压 Vi在正常范围(24V)内时，齐纳二极管VD不导通；当电压Vi高于24V并达到齐纳二极管的击穿电压(约28V)时，齐纳二极管导通，在将电压钳制在安全值以下的同时，安全侧电流急剧增大，使快速熔丝FU很快熔断，从而将可能造成事故的高压与危险场所隔断。固定电阻固定电阻R的作用的作用限制流往现场的电流。w这种简单的齐纳式安全栅存在两点不足：1）固定的限流电阻其大小难以选择，选小了起不到很好的限流作用，选大了又影响仪表的恒流特性。理想的限流电阻应该是可变的，即电流在安全范围内其阻值要足够小，而当电流超出安全范围时其电阻要足够大。2）接地不合理，通常一个信号回路只允许一点接地，若有两点以上接地会造成信号通过大地短路或形成干扰。因此，希望安全栅的接地点在正常信号通过时要对地断开。2改进型齐纳式安全栅改进型齐纳式安全栅 针对简单齐纳式安全栅存在的两点不足，进行了改进。改进后的齐纳式安全栅如图343所示。其中：其中：改进改进1：由四个齐纳二极管和四个快速熔丝组成双重限压电路，并取消了直接接地点，改为背靠背连接的齐纳二极管中点接地。这样，在正常工作范围内，这些二极管都不导通，安全栅是不接地的；当输入出现过电压时，这些齐纳二极管导通，对输入过电压进行限制，并通过中间接地点使信号线对地电压不超过一定的数值。改进改进2：用双重晶体管限流电路(还有一套电路未画出)代替固定电阻，以达到近似理想的限流效果。该限流电路的工作原理为：该限流电路的工作原理为：场效应管VT3工作于零偏压，作为恒流源向晶体管VT1提供足够的基极电流，保证VT1在信号电流为420mA的正常范围内处于饱和导通状态，使安全栅的限流电阻很小；如果信号电流超过24mA，则电阻R1上的压降将超过0.6V，于是晶体管VT2导通，分流了恒流管VT3的电流，使VT1的基极电流减小，VT1将退出饱和，使安全栅的限流电阻随信号电流的增大而迅速增大，起到很好的限流作用。缺点：缺点：齐纳式安全栅虽然结构简单、价格便宜，但由于齐纳二极管过载能力低，且难以解决熔丝的熔断时间和可靠性之问的矛盾，更何况熔丝是一次性使用元件，一旦熔断，必须更换后才能重新工作，从而给控制系统的自动化程度带来不利影响。3.5.2 隔离式安全栅隔离式安全栅 隔离式安全栅采用变压器变压器作为隔离元件，将危险场所的本质安全电路与安全场所的非本质安全电路进行电气隔离。在正常情况下，只允许电源能量及信号通过隔离变压器，同时切断安全侧的高压窜入危险场所的通道。当出现偶然事故时，可用晶体管限压限流电路，对事故状况下的过电压或过电流作出截止式的控制。隔离式安全栅有两种，一种是和变送器配合使用的检测端安全栅，另一种则是和执行器配合使用的执行端安全栅。1检测端安全栅检测端安全栅 检测端安全栅一方面为二线制变送器提供直流电源电压，另一方面把来自变送器的420mA DC电流信号，转换为与之电气隔离的420mA DC电流输出信号或15V DC电压信号。检测端安全栅构成原理框图如图3-44所示。图中，各部分之间的传输通道分为信号传输通道和能量传输通道，前者用虚线表示，后者用实线表示。(1)能量传输通道能量传输通道 24V直流电源电压经直流交流变换器变为交流电压，经变压器T1将其耦合到二次侧，然后分两路传输，一路经整流滤波为解调放大器供电；另一路一方面为调制器提供调制电压，一方面则经整流滤波和限压限流电路为变送器提供24V DC电源。(2)信号传输通道信号传输通道 一方面，由二线制变送器送来的420mA直流电流信号经限压限流电路送往调制器，被调制成交流电流信号，再由变压器变压器T2耦合至解调放大器，解调放大器又将其恢复成420mA直流电流信号并输出给控制室仪表，整个信号传输系数为l。利用调制解调的目的在于用T2实现安全侧与危险侧的电气隔离。2执行端安全栅执行端安全栅 执行端安全栅把来自安全场所的电流输入信号转换为电气隔离的电流输出信号，送至危险场所。其构成原理框图如图3-46所示。同检测端安全栅一样，各部分之间也存在信号传输通道和能量传输通道。(1)信号传输通道信号传输通道 由控制室调节器来的420mA直流电流信号经调制器变成交流方波，通过电流互感器通过电流互感器耦合到解调放大电路，经解调恢复为与原来相等的420mA直流信号，经限压限流输出给现场的执行器。(2)能量传输通道能量传输通道 24V直流电源经磁耦合多谐振荡器将其变成交流方波电压，通过隔离变压器分成两路，一路供给调制解调器，作为420mA信号电流的斩波电压；另一路则经整流滤波后恢复成直流电压，作为解调放大器、限压限流电路的电源电压。p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe写在最后谢谢你的到来学习并没有结束，希望大家继续努力Learning Is Not Over.I Hope You Will Continue To Work Hard演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日