1、第第4 4章章 过程控制仪表过程控制仪表过程控制仪表主要包括过程控制仪表主要包括控制器控制器(含可编程调节器含可编程调节器)、执执行器行器、变频器变频器、操作器操作器等各种新型控制仪表及装置。等各种新型控制仪表及装置。过程控制仪表按使用能源不同可分为：过程控制仪表按使用能源不同可分为：按结构形式不同可分为：按结构形式不同可分为：按信号类型不同可分为：按信号类型不同可分为：气动仪表、电动仪表气动仪表、电动仪表 基地式仪表、单元组合式仪表、组装式仪表、集散基地式仪表、单元组合式仪表、组装式仪表、集散控制装置控制装置 模拟式仪表、数字式仪表模拟式仪表、数字式仪表 第第4 4章章 过程控制仪表过程控制
2、仪表4.2 DDZ-型控制器型控制器 DDZ-型控制器是型控制器是型型电动单元组合仪表电动单元组合仪表中的一个中的一个重要单元。它接受变送器或转换器的重要单元。它接受变送器或转换器的DC15V或或DC420mA测量信号为输入信号测量信号为输入信号，与，与DC15V或或DC420mA给定信号进行比较，并对其偏差进行给定信号进行比较，并对其偏差进行PID运算，运算，输出输出DC420mA标准统一信号标准统一信号。第第4 4章章 过程控制仪表过程控制仪表图图4-1型控制器框图型控制器框图 第第4 4章章 过程控制仪表过程控制仪表控制单元控制单元包括包括输入电路输入电路、比例微分电路比例微分电路、比例
3、积分电路比例积分电路、输出电路输出电路、软手动与硬手动操作电路软手动与硬手动操作电路。指示单元指示单元包括包括输入信号指示电路输入信号指示电路和和给定信号指示电路给定信号指示电路。型控制器的型控制器的输入信号与内给定信号输入信号与内给定信号都是以零伏为基准都是以零伏为基准的的DC 15V信号信号；外给定为外给定为DC 420mA电流电流流过输入流过输入电路内的电路内的250 精密电阻器转换成的以零伏为基准的精密电阻器转换成的以零伏为基准的DCl5V电压信号电压信号。内、外给定值信号由开关内、外给定值信号由开关S6选定，外给定时，安装在面选定，外给定时，安装在面板上的外给定指示灯亮。板上的外给定
4、指示灯亮。第第4 4章章 过程控制仪表过程控制仪表图图4.2-2全刻度指示控制器线路示意图全刻度指示控制器线路示意图 第第4 4章章 过程控制仪表过程控制仪表型控制器有型控制器有“自动自动”、“保持保持”、“软手动软手动”、“硬硬手动手动”四种工作状态，并由联动开关四种工作状态，并由联动开关S1、S2进行切换。进行切换。当开关当开关S1、S2处于软手动状态时，扳动软手动操作键处于软手动状态时，扳动软手动操作键S4，控制器输出积分可以根据需要按快、慢两种速度线性上升或下控制器输出积分可以根据需要按快、慢两种速度线性上升或下降。降。当当S4处于中间位置时，则控制器的输出值保持在手指离开处于中间位置
5、时，则控制器的输出值保持在手指离开S4前瞬间的数值上。前瞬间的数值上。当控制器处于硬手动操作状态时，移动硬手动操作杆，使控当控制器处于硬手动操作状态时，移动硬手动操作杆，使控制器的输出很快转换到所需要的数值，操作杆不动，其输出值制器的输出很快转换到所需要的数值，操作杆不动，其输出值保持不变。保持不变。为了满足过程控制工程的需求，为了满足过程控制工程的需求，型控制器还设有正、反作用选择开关型控制器还设有正、反作用选择开关S7。第第4 4章章 过程控制仪表过程控制仪表4.3 运算器运算器(运算单元运算单元)运算单元运算单元是构成仪表复杂过程控制系统是构成仪表复杂过程控制系统(如比值控如比值控制、前
6、馈一反馈控制等制、前馈一反馈控制等)时的不可缺少的重要单元。时的不可缺少的重要单元。采用运算器可对一个或几个输入信号进行加、减、采用运算器可对一个或几个输入信号进行加、减、乘、除、平方、开方及其复合运算等，用以实现各乘、除、平方、开方及其复合运算等，用以实现各种不同的控制方案。种不同的控制方案。第第4 4章章 过程控制仪表过程控制仪表1、加减器、加减器DDZ-型加减器可以对型加减器可以对24个个DC15V的输入信号的输入信号进行加减运算，其输出进行加减运算，其输出(DC15V)正比于各输入信号正比于各输入信号的代数和。的代数和。通过选择输入通道和选择运算符号可实现通过选择输入通道和选择运算符号
7、可实现多种加减运算多种加减运算。o1i12i23i34i4P(1)(1)(1)(1)UN UN UN UN UU输出输出信号信号输入输入信号信号运算运算系数系数偏置偏置电压电压第第4 4章章 过程控制仪表过程控制仪表图图4-16加减器原理框图加减器原理框图 第第4 4章章 过程控制仪表过程控制仪表2、乘除器、乘除器 DDZ-型乘除器可以对型乘除器可以对2个或个或3个个DC 15V信号进行下信号进行下列列四种运算四种运算，并以，并以DC 15V或或DC 420mA输出。输出。乘除运算乘除运算 乘后开方乘后开方 乘法运算乘法运算 除法运算除法运算 i1i22oi33(1)()1UUKUNUKoi1
8、i22(1)()1UN UUKoi1i22(1)()14NUUUKi1oi33141UUNUK第第4 4章章 过程控制仪表过程控制仪表图图4-17 DDZ-型乘除器原理框图型乘除器原理框图 第第4 4章章 过程控制仪表过程控制仪表4.4 可编程调节器可编程调节器 可编程调节器可编程调节器作为作为80年代问世的一种新型数字式控年代问世的一种新型数字式控制仪表。当时从国外引进或组装的产品有：制仪表。当时从国外引进或组装的产品有：DK系列系列的的KMM、YS-80系列的系列的SLPC、FC系列的系列的PMK和和VI系列的系列的VI87MA-E等。等。由于上述产品均控制一个回路，由于上述产品均控制一个
9、回路，因此习惯上又称之为单回路调节器。因此习惯上又称之为单回路调节器。今天虽然大多今天虽然大多数场合被数场合被可编程控制器（可编程控制器（PLC）替代，替代，但是作为至但是作为至今仍然在中小企业使用的智能控制仪表的基础，对今仍然在中小企业使用的智能控制仪表的基础，对其学习仍然具有代表性。其学习仍然具有代表性。第第4 4章章 过程控制仪表过程控制仪表 KMM可编程调节器的主要特点可编程调节器的主要特点 兼容性好兼容性好 运算、控制功能丰富运算、控制功能丰富 安全、可靠性高安全、可靠性高 通用性强，使用维护方便通用性强，使用维护方便 系统设计简便系统设计简便 第第4 4章章 过程控制仪表过程控制仪
10、表 KMM可编程调节器的主要性能指标可编程调节器的主要性能指标(1)(1)模拟量输入模拟量输入DC 1DC 15V5V，5 5点。点。(2)(2)模拟量输出模拟量输出DC 1DC 15V5V，3 3点；点；DC 4DC 420mA20mA，1 1点点(3)(3)数字量输入数字量输入可编程，可编程，4 4个；外部联锁，个；外部联锁，1 1点点(只有控制器有此只有控制器有此信号信号OFFOFF时为联锁时为联锁)。(4)(4)数字量输出数字量输出可编程，可编程，3 3点；准备状态输出，点；准备状态输出，1 1点。点。(5)(5)运算周期运算周期100100500ms500ms。(6)(6)运算式运算
11、式(模块模块)种类种类4545种。种。(7)(7)可编程模块可编程模块3030个。个。(8)(8)自诊断功能自诊断功能可对可对ROMROM，RAMRAM、扫描周期、扫描周期、A/DA/D转换、转换、D/AD/A转换转换进行诊断等。进行诊断等。(9)(9)保护功能保护功能 若自诊断中发生故障，可自动切换到紧急手动状态若自诊断中发生故障，可自动切换到紧急手动状态(后后备手动操作器开始工作备手动操作器开始工作)。(10)(10)电源电源 (11)(11)环境温度、湿度环境温度、湿度 0 05050，10%10%90%RH(90%RH(相对湿度相对湿度)。+15%10%24第第4 4章章 过程控制仪表
12、过程控制仪表KMM可编程调节器的主要功能可归纳为：可编程调节器的主要功能可归纳为：输入处理功能输入处理功能 运算处理功能运算处理功能 输出处理功能输出处理功能 自动平衡功能自动平衡功能 自诊断功能和通信功能自诊断功能和通信功能第第4 4章章 过程控制仪表过程控制仪表4.5 4.5 执行器执行器 执行器执行器作用：接收控制器输出的控制信号，改变操作用：接收控制器输出的控制信号，改变操纵变量，使生产过程按预定要求正常进行。纵变量，使生产过程按预定要求正常进行。第第4 4章章 过程控制仪表过程控制仪表调节阀调节阀气动调节阀气动调节阀电动调节阀电动调节阀液动调节阀液动调节阀第第4 4章章 过程控制仪表
13、过程控制仪表执行器组成：执行器组成：执行机构执行机构和和调节机构调节机构 执行机构：执行机构：执行机构是指根据控制器控制信号产生执行机构是指根据控制器控制信号产生推力或位移的装置。推力或位移的装置。调节机构：调节机构：调节机构是根据执行机构输出信号去改调节机构是根据执行机构输出信号去改变能量或物料输送量的装置，通常指控制阀。变能量或物料输送量的装置，通常指控制阀。现场有时就将执行器称为现场有时就将执行器称为控制阀控制阀。第第4 4章章 过程控制仪表过程控制仪表执行机构执行机构 执行机构的功能就是把控制器输出的控制信号转换执行机构的功能就是把控制器输出的控制信号转换为为角位移或直线位移角位移或直
14、线位移。第第4 4章章 过程控制仪表过程控制仪表气动薄膜调节阀的内部结构气动薄膜调节阀的内部结构1 1薄膜薄膜 2 2平衡弹簧平衡弹簧 3 3阀阀杆杆 4 4阀芯阀芯 5 5阀体阀体 6 6阀座阀座PO123456气动执行机构气动执行机构气动执行机构主要分为两大类：气动执行机构主要分为两大类：薄膜式薄膜式与与活塞式活塞式1 1、气动薄膜式执行机构、气动薄膜式执行机构 当信号压力通入薄膜气室时，在膜当信号压力通入薄膜气室时，在膜片上产生一个推力，压缩平衡弹簧，片上产生一个推力，压缩平衡弹簧，当弹簧的反作用力与信号压力在膜当弹簧的反作用力与信号压力在膜片上产生的推力相平衡时，推杆稳片上产生的推力相
15、平衡时，推杆稳定在一个新的位置，推杆的位移定在一个新的位置，推杆的位移（行程）即为执行机构的输出。（行程）即为执行机构的输出。气动薄膜执行机构的行程规格有气动薄膜执行机构的行程规格有1010、1616、2525、4040、6060、100mm100mm等。薄膜有等。薄膜有效面积有效面积有200200、280280、400400、630630、10001000、1600cm1600cm2 2等六种规格。有效面积越大，等六种规格。有效面积越大，执行机构的位移和推力也越大。执行机构的位移和推力也越大。第第4 4章章 过程控制仪表过程控制仪表P P1 1P P2 2基本部件：基本部件：活塞和气缸活塞和
16、气缸活塞在气缸内随活塞两侧压差而移动两活塞在气缸内随活塞两侧压差而移动两侧可以分别输入一个固定信号和一个变侧可以分别输入一个固定信号和一个变动信号，或两侧都输入变动信号。动信号，或两侧都输入变动信号。它的输出特性有它的输出特性有比例式比例式及及两位式两位式两种。两种。两位式两位式是根据输入执行活塞两侧的操是根据输入执行活塞两侧的操作压力的大小，活塞从高压侧推向低压作压力的大小，活塞从高压侧推向低压侧，使推杆从一个位置移到另一极端位侧，使推杆从一个位置移到另一极端位置置比例式比例式是在两位式基础上加有阀门定是在两位式基础上加有阀门定位器后，使推杆位移与信号压力成比例位器后，使推杆位移与信号压力成
17、比例关系。关系。气动活塞式执行机构气动活塞式执行机构 第第4 4章章 过程控制仪表过程控制仪表调节机构（阀）调节机构（阀）调节阀又称调节阀又称调节机构调节机构，它在执行机构推力的作用下，它在执行机构推力的作用下，调节阀的阀芯产生一定的位移或转角，从而直接调节调节阀的阀芯产生一定的位移或转角，从而直接调节流体的流量，从而达到调节工艺变量、实现自动调节流体的流量，从而达到调节工艺变量、实现自动调节的目的。的目的。阀的分类阀的分类按结构形式分为：普通阀、角形阀、蝶阀、三通阀、按结构形式分为：普通阀、角形阀、蝶阀、三通阀、隔膜阀等。隔膜阀等。按阀座数目分为：单座阀、双座阀。按阀座数目分为：单座阀、双座
18、阀。第第4 4章章 过程控制仪表过程控制仪表由于气动执行机构有正、由于气动执行机构有正、反两种作用方式，而阀反两种作用方式，而阀也有正装和反装两种方也有正装和反装两种方式，因此，实现气动调式，因此，实现气动调节阀的气开、气关就有节阀的气开、气关就有四种组合方式。四种组合方式。气关气关 反反反反d d气开气开正正反反c c气开气开反反正正 b b气关气关 正正正正 a a气动执气动执行器行器 阀阀 执行执行机构机构 序序号号 第第4 4章章 过程控制仪表过程控制仪表阀门定位器阀门定位器 阀门定位器是气动执行器的一种辅助装置，根据调节阀门定位器是气动执行器的一种辅助装置，根据调节器来的气动信号控制
19、气动调节阀的阀门部件，使阀开器来的气动信号控制气动调节阀的阀门部件，使阀开度处于度处于精确位置精确位置。阀门定位器接受调节器的阀门定位器接受调节器的输出信号后，去控制气动输出信号后，去控制气动执行器；当气动执行器动执行器；当气动执行器动作时，阀杆的位移又通过作时，阀杆的位移又通过机械装置负反馈到阀门定机械装置负反馈到阀门定位器，因此定位器和执行位器，因此定位器和执行器组成了一个闭环回路。器组成了一个闭环回路。第第4 4章章 过程控制仪表过程控制仪表 阀门定位器的主要功能和作用：阀门定位器的主要功能和作用：（1 1）提高调节阀的定为精度和可靠性；）提高调节阀的定为精度和可靠性；（2 2）改善调节
20、阀的动态特性；）改善调节阀的动态特性；（3 3）克服流体对阀芯的不平衡例，减小行程误差；）克服流体对阀芯的不平衡例，减小行程误差；（4 4）克服时滞；）克服时滞；（5 5）克服阀杆移动阻力；）克服阀杆移动阻力；（6 6）改善调节阀的流量特性；）改善调节阀的流量特性；（7 7）实现分程控制。）实现分程控制。第第4 4章章 过程控制仪表过程控制仪表1.理想流量特性（固有流量特性）理想流量特性（固有流量特性）控制阀的理想流量特性主要有快开、直线、抛物控制阀的理想流量特性主要有快开、直线、抛物线、等百分比（对数）等四种形式线、等百分比（对数）等四种形式。直线直线等百分比等百分比快开快开抛物线抛物线第第
21、4 4章章 过程控制仪表过程控制仪表控制阀理想流量特性曲线控制阀理想流量特性曲线1直线直线 2等百分比等百分比 3快开快开 4一抛物线一抛物线 直线流量特性的相对流量与相对位移间呈直线关系，两者之比直线流量特性的相对流量与相对位移间呈直线关系，两者之比为常数；对数流量特性的相对流量与相对位移之比随开度增大为常数；对数流量特性的相对流量与相对位移之比随开度增大而增大；而快开流量特性阀的两者之比则随开度增大而减小而增大；而快开流量特性阀的两者之比则随开度增大而减小,其阀芯的有效行程很短，一般很少使用；抛物线流量特性处于其阀芯的有效行程很短，一般很少使用；抛物线流量特性处于直线流量特性与对数流量特性
22、之间。直线流量特性与对数流量特性之间。maxminRQQ可调比，国产可调比，国产阀一般为阀一般为30 第第4 4章章 过程控制仪表过程控制仪表2.工作流量特性工作流量特性 串联管系调节阀的工作流量特性串联管系调节阀的工作流量特性在相同阀芯位移即相同流通截面积下实际流过控制阀的流量将在相同阀芯位移即相同流通截面积下实际流过控制阀的流量将比理想时减小比理想时减小,实际的流量特性将偏离理想的流量特性，我们把实际的流量特性将偏离理想的流量特性，我们把这种偏差称为这种偏差称为畸变畸变。畸变后的特性总是在理想特性的下方。畸变后的特性总是在理想特性的下方。第第4 4章章 过程控制仪表过程控制仪表畸变系数畸变
23、系数S值得定义为：值得定义为：min=vnpSp控制阀全开时阀两端压差系统恒定的总压差由于控制阀全开时两端的压差等于系统恒定的总由于控制阀全开时两端的压差等于系统恒定的总压差减去全开时管线及设备压力总损失，因此值压差减去全开时管线及设备压力总损失，因此值越小，说明损失越大，畸变程度就越严重，畸变越小，说明损失越大，畸变程度就越严重，畸变后向下偏离理想曲线就越远，控制阀的实际可调后向下偏离理想曲线就越远，控制阀的实际可调比就越小。比就越小。实际可调比实际可调比 sRR S第第4 4章章 过程控制仪表过程控制仪表图图4-45 串联管系中压降分配比与工作流量特性的关系串联管系中压降分配比与工作流量特
24、性的关系（a）直线阀）直线阀 （b）对数阀）对数阀 第第4 4章章 过程控制仪表过程控制仪表 并联管系调节阀的工作流量特性并联管系调节阀的工作流量特性图图4-46 控制阀与管道并联工作示意图控制阀与管道并联工作示意图 第第4 4章章 过程控制仪表过程控制仪表图图4-47 并联管道控制阀工作流量特性并联管道控制阀工作流量特性 在实际工作中，始终存在串联管道阻力的影响，因此并联管在实际工作中，始终存在串联管道阻力的影响，因此并联管道工作的流量特性还将叠加有串联管道的影响，这将使控制道工作的流量特性还将叠加有串联管道的影响，这将使控制阀所能控制的流量范围更小，严重时可能几乎失去控制作用。阀所能控制的
25、流量范围更小，严重时可能几乎失去控制作用。所以，用打开旁路增加总流量的控制方案是不可取的。所以，用打开旁路增加总流量的控制方案是不可取的。根据根据现场使用经验，旁路流量一般为总流量的现场使用经验，旁路流量一般为总流量的20%即并联畸变系即并联畸变系数值不能低于数值不能低于0.8。第第4 4章章 过程控制仪表过程控制仪表4.64.6变频器变频器 变频器变频器（Variable Frequency Drive，简称，简称VFD）是）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。频率方式来控制交流电动机的电力控制
26、设备。变频器靠内部功率半导体器件的开断来调整输出电源变频器靠内部功率半导体器件的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到的电源电压，进而达到节能节能、调速调速的目的，另外，变的目的，另外，变频器还有很多的频器还有很多的保护功能保护功能，如过流、过压、过载保护，如过流、过压、过载保护等等。等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。到了非常广泛的应用。第第4 4章章 过程控制仪表过程控制仪表变频器的主电路可分为两类：变频器的主电路可分为两类：电压型电压型 电流型电流型 电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波器件是电容。流回路的滤波器件是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波器件是电感。其直流回路滤波器件是电感。第第4 4章章 过程控制仪表过程控制仪表变频器功能变频器功能:变频节能变频节能 功率因数补偿节能功率因数补偿节能 软启动节能软启动节能 第第4 4章章 过程控制仪表过程控制仪表
