工业自动化仪表与系统课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,工业自动化仪表与系统,工业自动化仪表的分类,常用工业自动化仪表的工作原理,典型工业过程测控系统的构建,一、工业自动化仪表的分类,能源分类,结构分类,信号类型,1、能源分类,气动仪表,特点：结构简单、性能稳定、可靠性高、价格便宜，且在本质上是安全防爆的。,电动仪表,特点：信号的传输、放大、变换处理比气动仪表容易，便于远距离监视和操作，还易于与计算机等现代技术工具联用。,液动仪表,2、信号类型分类,模拟式,特点：线路较简单，操作方便，价格较低，在设计、制造、使用上有较成熟的经验。,数字式,特点：以微型计算机为核心，功能完善，性能优越，编程灵活。,3、结构分类,基地式控制仪表,以指示、记录为主体，附加控制机构组成。,单元组合式控制仪表,根据控制系统中各个组成环节的不同功能和使用要求，将整套仪表划分成独立实现某种功能的若干单元，各单元之间用统一的标准信号来联系。,组装式综合控制装置,在单元组合仪表的基础上发展起来的一种功能分离、结构组件化的成套仪表装置。,集散控制系统,计算机控制装置。特点“集中管理、分散控制。,现场总线控制系统,全分布式的新型控制网络，特点”结构网络化和全分散性，系统的开放性，现场仪表的互可操作性和功能自治性，以及对环境的适应性。,二、常用工业自动化仪表的工作原理,变送器,调节器,执行器,1、变送器,概念：,将各种工艺变量和电气信号转换成相应的统一标准信号。包括测量部分（输入转换部分）、放大器和反馈部分。,模拟变送器,数字变送器,（1）模拟变送器的构成,（2）数字变送器组成,传感器部件,电子部件,由微处理器、A/D转换器、D/A转换器、通信器件等组成。,2、调节器,概念,调节器接收偏差信号后，按一定的运算规律输出控制信号，作用于被控对象，以消除扰动对被控变量的影响，从而使被控变量回到给定值上来。,模拟调节器,采用模拟技术，以运算放大器等模拟器件为基本部件。,模拟式控制器所传送的信号形式为连续的模拟信号，其基本结构包括,比较环节、,反馈环节放大器等,。,比较环节,比较环节,将被控变量的测量值与设定值进行比较得到偏差。电动控制器是在输入电路中进行电压或电流信号的比较。,反馈环节,控制器的PID控制规律是通过反馈环节进行的。输出的电信号通过电阻和电容构成的无源网络反馈到输入端。,放大器,放大器实质上是一个稳态增益很大的比例环节。在电动控制器中可采用高增益的集成运算放大器。,DDZ-型电动单元调节器,是模拟式控制器中较为常见的一种，它以来自变送器或转换器的15V直流测量信号作为输入信号，与15V直流设定信号相比较得到偏差信号，然后对此信号进行PID运算后，输出15V或420mA直流控制信号，以实现对工艺变量的控制。,整套仪表可以构成安全火花型防爆系统，而且增加了安全栅，实现控制室与危险场所之间的能,量限制和隔离。,有软、硬两种手动操作方式，软手动与自动之间相互切换具有双向无平衡无扰动特性，提高了控制器的操作性能。这是因为在自动与软手动之间有保持状态，此时控制器输出可长期保持不变，所以即使有偏差存在，也能实现无扰动切换。,采用国际标准信号制，现场传输信号为420mA直流电流，控制室联络信号为15V直流电压，信号电流和电压的转换电阻为250。由于电气零点不是从零开始，因此容易识别断电、断线等故障。信号传输采用电流传送-电压接受的并联方式，即进出控制室的传输信号为直流电流信号（420mA），将此电流信号转换成直流电压信号后，以并联形式传输给控制室各仪表。,控制器的工作状态有,“自动”、“软手动”、“硬手动”,及,“保持”,四种。,DDZ-型电动单元调节器调节规律,.比例调节,比例控制的输出与输入的关系为：yKpe,KP是比例增益，它决定了比例控制作用的强弱。KP越大，比例控制作用越强。 KP越小，比例控制作用越弱。,特点：及时、迅速（控制器的输出与输入成正比，只要有偏差存在，控制器输出就会马上与偏差成比例地变化）,比例积分调节,比例积分作用的数学表达式为：,只要存在偏差，积分控制器的输出就会不断地随时间积分而增大，只有当偏差为零时，控制器才会停止积分，保持在一定的输出值不变。,积分作用的一个重要优点是能够消除余差，,TI：积分时间，,积分时间是指在阶跃信号作用下，控制器积分作用的输出等于比例作用的输出所经历的时间。,积分时间TI是一个常数，它可以用来表示积分速度的大小和积分作用的强弱。,比例微分调节,比例微分的输出与输入信号的关系为：,通常称微分控制为“超前控制”。比例微分输出的大小与偏差变化速度及微分时间成正比。微分作用的强弱用微分时间来衡量。微分时间越长，微分作用越强。,（2）数字调节器,包括主机电路、过程输入通道、过程输出通道、人机联系部分和通信部件等。,单回路数字控制器,单回路数字控制器简介,概述,单回路数字控制器是以微处理机为核心，接收和输出都可以是420mA DC标准的、连续的电模拟量信号；内部处理信号为数字量，可由用户编制程序，可组成多种控制规律的一种数字式过程控制装置。,结构原理:,单回路数字控制器的基本组成,3、执行器,概念,执行器由执行机构和调节机构组成，执行机构产生推力或位移的装置，调节机构直接改变能量或物料输送量的装置，通常称调节阀。,电动执行器（角行程和直行程）,它将输入的直流电流信号线性地转换成位移量。均是以两相交流电机为动力的位置伺服机构，两者电气原理完全相同，只是减速器不一样。,气动执行器（薄膜式和活塞式）,接受电/气转换器输出的气压信号，并将其转换为相应的推杆直线位移，以推动调节机构工作。,（1）电动执行器,特点：,由于工频电源取用方便，不需增添专门装置，特别是执行器应用数量不太多的单位, 更为适宜;,动作灵敏、精度较高、信号传输速度快、传输距离可以很长，便于集中控制;,在电源中断时，电动执行器能保持原位不动，不影响主设备的安全;,与电动控制仪表配合方便，安装接线简单;,成本较贵、结构复杂、维修麻烦，并只能应用于防爆要求不太高的场合。,电动执行器结构：,（2）气动执行器,气动执行器是由执行机构和控制机构(阀)两部分组成。执行机构是执行器的推动装置，它按控制信号压力的大小产生相应的推力，推动控制机构动作，所以它是将信号压力的大小转换成阀杆位移的装置。控制机构是执行器的控制部分，它直接与被控介质接触，控制流体的流量。所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置。,P：调节器的输出压力信号； A：薄膜的有效面积；K：弹簧弹性系数；L：执行机构推杆位移,气动薄膜执行机构组成：由弹性薄膜平衡弹簧和推杆组成。,气动执行机构按推杆位移的方向有：,正作用形式：如果当输入气压信号增加时，推杆向下移动,反作用形式：当输入气压信号增加时，推杆向上移动,调节机构直接与介质接触，通过改变阀芯的行程而改变控制阀的阻力系数，以达到控制流量的目的。,控制阀有直通双座控制阀、直通单座控制阀、蝶阀、三通阀、高压阀、角形阀、隔膜阀等多种结构形式。,（1）直通单座阀,阀体内有一个阀芯、一个阀座，如图（a）所示。特点：结构简单，泄漏量小，易于关闭，可将流体完全切断。缺点：流体流动时产生的单方向的不平衡力大，尤其在高压差、大口径时，不平衡力更大。适用场合：它只适用于低压差的场合。,（2）直通双座阀,阀体内有两个阀芯和阀座，如图（b）所示。流体从左侧进入，通过上、下阀芯后，再汇合在一起，由右侧流出。特点：流体流过的时，作用在上、下两个阀芯上的推力方向相反，大小近于相等，可以相互抵消，不平衡力小。缺点：受加工的限制，上下两个阀芯阀座不易保证同时关严，泄漏量较大。流通能力较大大。适用场合：适用于低粘度、不含纤维、悬浮颗粒的洁净介质及高压差、高静压且允许有泄漏的场合。,（3）角形阀,（c）为角形阀。它的阀体为直角形，其他结构与直通单座阀相似。其阀芯为单导向结构，只能正装。特点：角形阀的流路简单，阻力小，适用场合：适用于高压差、高粘度、含悬浮物和颗粒状物质流体的控制，可避免堵塞和结焦，便于自净和清洗。,（4）三通阀,有三个出入口与管道相连，按作用方式分为分流式和合流式,如图（d）和（e）所示。分流阀是一进两出，合流阀是两进一出。阀芯移动时，流体一路增加，另一路减小。但总量不变。,（3）,液动执行器,在易燃易爆的工作环境中，常常使用气动执行器；而在大型高压压缩机控制系统中常用液动执行器。和气动执行器相比,液动执行器具有如下特点：,（1） 控制精度高、性能好。,（2） 输出推力大。,（3） 响应速度快。,图10-11 电液伺服控制系统,（4） 动作平稳、无振荡和噪音。,电液伺服控制系统,（4）,控制阀的流量特性,概念：,是指流体通过阀门的相对流量，与阀门相对开度之间的关系，即：,（1） 直线流量特性,直线流量特性是指控制阀的相对开度与相对流量间成直线关系，直线流量特性的控制阀在小开度时，其相对流量变化大，控制作用太强，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，会造成控制作用不够及时。因此，在使用直线流量特性的控制阀时，应尽量避免控制阀工作在此区域内。,（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位移变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量成正比。等百分比流量特性控制阀相对流量和相对行程的关系是非线性的，相对开度较小时，流量变化较小；在相对开度较大时，流量变化较大。因此它在全行程范围内相对流量的百分比变化率相同。所以控制过程平稳，适用范围较广，更适用于负荷变化大的工艺对象。,（3） 快开流量特性,这种流量特性在小开度时流量就比较大，随着开度的增大，流量很快达到最大，故称为快开流量特性。,（5）控制阀气开、气关形式,气开阀,是指输入气压信号p0.02Mpa时，控制阀开始打开，也就是说“有气”时阀打开。当输入气压信号p=0.1Mpa时，控制阀全开。当气压信号消失或等于0.02Mpa时，控制阀处于全关闭状态。,气关阀,是指输入气压信号p0.02Mpa时，控制阀开始关闭，也就是说“有气”时阀关闭。当p=0.1Mpa时，控制阀全关。当气压信号消失或等于0.02Mpa时，控制阀处于全开状态。,执行机构有正、反两种作用形式，控制阀也有正装和反装两种形式。因此，实现控制阀气开、气关有四种组合 ：,（a）气关 （b）气开 c）气开 （d）气关,阀的气源信号发生故障或控制系统某环节失灵时，阀处于全开的位置安全，还是处于全关的位置安全，要由具体的生产工艺来决定。选择原则： （1） 首先要从生产安全出发，即当气源供气中断，或控制器出故障而无输出，或控制阀膜片破裂而漏气等而使控制阀无法正常工作以致阀芯回复到无能源的初始状态（气开阀回复到全关，气关阀回复到全开），应能确保生产工艺设备的安全，不致于发生事故。（2）从保证产品质量出发，当发生控制阀处于无能源状态而回复到初始位置时，不应降低产品的质量。（3）从降低原料、成品、动力消耗来考虑。（4）从介质的特点考虑。,三、典型工业过程测控系统的构建,简单控制系统,复杂控制系统,串级控制系统,均匀控制系统,比值控制系统,分程控制系统,1、简单控制系统,是指由一个受控对象、一个测量变送器、一个控制器和一个执行机构（控制阀）所组成的闭环控制系统。对象控制器执行器测量变送装置干扰被控变量给定值偏差,2、复杂控制系统,串级控制系统,例如加热炉温度控制系统：,T,M,C,T,S,C,T,S,T,T,M,T,出口温度,TM,被加热原料,燃料,加热炉温度控制系统方框图,串级控制系统方框图,串级控制系统的作用,1. 改善了对象特征，起了超前控制的作用,2. 改善了对象动态特性，提高了工作频率,3. 提高了控制器总放大倍数，增强了抗干扰能力,4. 具有一定的自适应能力，适应负荷和操作条件的变化,2、比值控制系统,两种物料或两种以上的物理保持一定的比例关系。,单闭环比值控制系统，能够克服副流量的波动，能随主流量的变化而变化，使F,M,与F,S,保持比值关系。但只适用于主流量没有必要进行控制的场合。,3、均匀控制系统,当前一设备的出料是后一设备的进料，而后者的出料又源源不断的输送给其他设备做进料。解决前后工序供求矛盾，使液面和流量的变化互相兼顾均匀变化，这就是均匀控制系统。,简单的均匀控制和串级均匀控制,简单均匀控制适用于扰动较小，对流量的均匀程度要求较低的场合,串级均匀控制系统适用于控制阀前后压力干扰和自衡作用较显著而且对流量的平衡要求又较高的场合,4、分程控制系统,一个调节器的输出信号同时送给两个调节阀。,分程控制系统有两个调节阀,分程控制方案中，阀的开闭形式，可分同向和异向两种 。,同向调节阀：气开气开和气闭气闭,异向调节阀：气闭气开和气开气闭,四 控制系统的质量指标,质量指标的表现：阶跃响应曲线,特征参数,峰值时间tp；最大偏差A；衰减比n；超调量,；,过渡时间ts； 余差C。,谢谢！,本,PPT,为可编辑版本，您看到以下内容请删除后使用，谢谢您的理解,【解析】【解答】（,1,）氯化钠是由钠离子和氯离子构成的；金刚石是由碳原子构成的；干冰是由二氧化碳分子构成的；（,2,）质子数为,11,的是钠元素，钠元素原子的最外层电子数,1,，在化学反应中容易失去一个电子形成阳离子；（,3,）化学变化是生成新分子的变化，其实质是分子分解成原子，原子重新组合形成新的分子，故该反应中没有变的是碳原子和氧原子。,故答案为：氯化钠；失去；,D,。,【分析】物质有微粒构成，构成物质的微粒有原子、分子、离子是那种，金属、稀有气体由原子构成；常见气体由分子构成；碱和盐由离子构成。在化学变化中，原子种类、质量、数目保持不变。,26.,用微粒的观点解释下列现象：,（,1,）今年我国要求,“,公共场所全面禁烟,”,非吸烟者往往因别人吸烟而造成被动吸烟。,（,2,）夏天钢轨间的缝隙变小。,【答案】（,1,）分子是在不断的运动的,.,（,2,）夏天温度高，铁原子间的间隔变小,.,【考点】物质的微粒性,【解析】【解答】（,1,）吸烟生成烟雾，烟雾分子因为运动，扩散到空气中，使非吸烟者被动吸入烟雾分子，造成被动吸烟；,（,2,）钢轨由铁原子构成,.,每两根钢轨间都有一定的间隙，夏天由于气温高，使得钢轨中铁原子的间隔变大，表现为钢轨的体积膨胀，则钢轨间的间隙变小,.,故答案为：（,1,）分子是在不断运动的；（,2,）夏天高温，铁原子间的间隔变小,.,【分析】微粒观点的主要内容：物质是由分子（或原子构成），分子间有间隔，分子处于永停息的运动状态中,.,（,1,）烟雾分子属气体分子，在空气中扩散较快，使非吸烟者被动吸烟；,（,2,）铁原子间有一定的间隔，温度升高，则铁原子间间隔变大，反之则变小，夏天高温状态下，铁原子间间隔变大，使得钢轨体积膨胀，则钢轨间的缝隙变小,.,【考点】物质的微粒性,【解析】【解答】（,1,）铁属于金属单质，是由铁原子直接构成；氯化钠是由钠离子和氯离子构成的；二氧化碳是由二氧化碳分子构成的（,2,）,当质子数,=,核外电子数，为原子，,a=2+8=10,，该粒子是原子原子序数,=,质子数,=10,当,a=8,时，质子数,=8,，核外电子数,=10,，质子数核外电子数，为阴离子。,故答案为：原子；离子；分子；,10,；,10,；阴离子。,【分析】物质有微粒构成，构成物质的微粒有原子、分子、离子是那种，金属、稀有气体由原子构成；常见气体由分子构成；碱和盐由离子构成。当核电荷数等于核外电子数，表示原子，小于时表示阴离子，大于时表示阳离子。,25.,初中化学学习中，我们初步认识了物质的微观结构。,（,3,）升高温度分子运动速度就加快，只要能说明温度高了运动速度快了的例子都可以，例如阳光下或者温度高衣服干得快，温度高水蒸发的快，糖在热水里比在冷水里溶解的快等；,（,4,）由于注射器装入的药品少，现象明显，又是封闭状态，所以可以控制体积节省药品、可以减少气体挥发造成的污染等,故答案为：（,1,）固体；,（,2,）分子的质量大小或者相对分子质量大小（合理即给分）；,（,3,）阳光下或者温度高衣服干得快，温度高水蒸发的快，糖在热水里比在冷水里溶解的快等；,（,4,）可以控制体积节省药品、可以减少气体挥发造成的污染等,【分析】（,1,）根据实验现象判断氯化铵的状态；（,2,）根据它们的相对分子质量的区别考虑；（,3,）根据温度与运动速度的关系考虑；（,4,）根据注射器的特点考虑,【解析】【解答】,A,、向一定质量的盐酸和氯化钙的混合溶液中逐滴加入碳酸钠溶液至过量的过程中，生成氯化钠的质量不断增大，当碳酸钠与盐酸和氯化钙完全反应时，氯化钠的质量不再增大，,A,符合题意；,B,、向稀硫酸中加水，溶液的,pH,逐渐增大至接近于,7,，,B,不符合题意；,C,、向一定质量的稀硫酸中逐滴加入氢氧化钡溶液至过量的过程中，氢氧化钡不断和硫酸反应生成硫酸钡沉淀和水，溶质的质量减小，质量分数也减小，当氢氧化钡和稀硫酸完全反应时，继续滴加氢氧化钡溶液时，质量分数应该由小变大，,C,不符合题意；,D,、加热高锰酸钾时，当温度达到一定程度时，高锰酸钾开始分解生成锰酸钾、二氧化锰和氧气，随着反应的进行，剩余固体的质量不断减少，当高锰酸钾完全反应时，剩余固体的质量不再变化，,D,符合题意。【解析】【解答】,A,、可燃物的在着火点是一定的，不会降低，故说法错误，可选；,B,、爆炸是物质在有限的空间内，发生急剧燃烧，短时间内聚集大量的热，使周围的气体的体积膨胀造成的可见爆炸需要氧气的参与，可使燃烧处于暂时缺氧状态，达到灭火的目的故说法正确，不可选；【解析】【解答】燃烧需要同时满足三个条件：一是要有可燃物，二是可燃物要与氧气接触，三是温度要达到可燃物的着火点；以上三个条件都能满足时，可燃物才能发生燃烧。灭火的原理就是破坏燃烧的条件。根据描述，自动灭火陶瓷砖会喷出氦气和二氧化碳，故灭火的原理是隔绝氧气。,【解析】【解答】解：,A,、从题目中表格知，,H,2,体积分数为,10%,70%,的,H,2,和空气混合气体，点燃时会发生爆炸，故,A,正确；,B,、收集的,H,2,能安静燃烧，说明,H,2,的纯度大于等于,80%,，故,B,项错误；,C,、用向下排空气法收集,H,2,， 保持试管倒置移近火焰，如果没有听到任何声音，表示收集的,H,2,纯度大于等于,80%,，故,C,项错误；,D,、氢气和空气的混合气体点燃不一定发生爆炸，只有在爆炸极限范围内才会发生爆炸，故,D,项错误,故选,A,【分析】可燃物质（可燃气体、蒸气和粉尘）与空气（或氧气）在一定的浓度范围内均匀混合，遇着火源可能会发生爆炸，这个浓度范围称为爆炸极限可燃性混合物能够发生爆炸的最低浓度和最高浓度，分别称为爆炸下限和爆炸上限，在低于爆炸下限时不爆炸也不着火，在高于爆炸上限同样不燃不爆因此可燃性气体在点燃前需要先检验气体的纯度，以防发生爆炸【解析】【解答】,A,、通过实验可以知道烧杯中的白磷没有燃烧，说明烧杯中的白磷虽然温度达到着火点，但没有与氧气接触，所以不能燃烧，从而可以判断烧杯中的热水不仅仅是只起到加热的作用，故,A,说法正确；,B,、铜片上白磷燃烧是温度达到了着火点且与氧气接触，满足燃烧的条件，故,B,说法正确；,C,、铜片上的红磷没有燃烧是温度过低没有达到其着火点，没有满足燃烧的条件，故,C,说法正确；,D,、烧杯中的白磷通入空气（氧气）就会燃烧，出现,“,水火相容,”,的奇观，故,D,说法错误,故选,D,24.,能源、环境、安全已成为人们日益关注的问题,（,1,）三大化石燃料包括煤、,_,、天然气等；它们都是,_,（填,“,可再生,”,或,“,不可再生,”,）能源,（,2,）控制反应的条件可使燃料充分燃烧燃煤发电时，将煤块粉碎成煤粉的目的是,_,（,3,）天然气主要成分为甲烷，写出甲烷充分燃烧的化学方程式,_,下列有关天然气（或甲烷）的说法正确的是,_,（填字母）,A,沼气中的主要成分是甲烷,B,甲烷气体不会产生温室效应,C,用天然气代替煤作燃料，有利于减少酸雨形成,You and your friends are leaving a concert on a Friday night. When you get outside, your ears are ringing. You have to shout to be heard.,36,So no harm doneright?,Not quite. Temporary buzzing may be easy to ignore, but repeated exposure to loud noise will eventually cause serious- and irreversible(,无法治愈的,)- hearing loss. A new study conducted by researchers at Brigham and Womens Hospital in Boston shows that one in five people between the ages of 12 and 19 are experiencing slight hearing loss, and one in 20 have mild hearing loss.,37,But the good news is that there plenty of ways you can protect your ears from further damage and still listen to the music you love:,Ask around.,Put your earbuds in or your headphones on, and then ask a friend next to you whether or not he or she can hear what youre listening to.,38,Turn it down.,Buy noise-canceling headphones.,A pair of earbuds or headphones that fits comfortably will limit outside noise so that you can hear your music better at lower volumes.,