1、第三章建筑设备自动化中的监控设 控制器3.13.23.2传感器与变送器 执行器3.33.3调 调节阀的选择与计算3.43.43.1传感器与变送器此章在相关课程已经讲授，本课程可以不做教学内容。3.2控制器3.2.1自动控制仪表的分类1.按使用能源分类l以电作为能源及传送信号的仪表,传送距离远,便于与计算机配合,在生产自动化中被广泛应用；l电动仪表又分为电气(又称电动机械)式和电子式两大类。u电动仪表l液动仪表的能源是水或油；l液动仪表具有推力大、动作平稳、作用可靠等特点,但附加设备多,目前已不常使用。u液动仪表不需要附加能源,只是传感器从被控介质中取得能量,就足以推动执行器动作。u自力式自动控
2、制仪表l基地式仪表l单元式组合仪表l组装电子式调节仪表2.按结构形式分类3.按输入参数分类l单参数式控制器单参数式控制器只需通过传感器(或变送器)给控制器输入一个信号。l多参数式控制器多参数式控制器则需要通过多个传感器(或变送器)给控制器输入多个信号,例如,补偿式控制器、串级控制器等。l现场仪表现场仪表指安装在生产现场的仪表。l盘装仪表盘装仪表是嵌入在仪表盘面上的,一般具有指示、记录、操作、报警功能的仪表。l架装仪表架装仪表是安装在盘后框架上的,一般具有信号隔离、转换、计算等功能的仪表。4.按安装形式分类3.2.2模拟控制器u模拟控制器有电动和气动之分；l电气式不使用电子元器件,仅利用传感器从
3、被控介质中取得能量,然后推动微动开关之类的电触点动作来控制执行器;l电子式是利用电子元器件,按模拟电子技术构成的控制器,故而得名。u电动模拟控制器分类：1.自力式温度控制器供暖系统散热器恒温控制阀结构1调节旋钮(给定值)2传感器3反力弹簧4阀芯5阀座自力式温度控制器常用于供暖系统散热器上,它集传感器、控制器与调节阀为一体进行控制,也称恒温控制阀。2.电气式模拟控制器u电气式温度控制器压力感温式温度控制器结构1感温包2微动开关3杠杆4偏心轮u电气式压力控制器波纹管式压力控制器1给定弹簧2给定旋钮3微动开关4杠杆5波纹管6支点3.电子式模拟控制器u组成：由电子元器件、电子放大器等组成的。u特点：电
4、子式模拟控制器不但测量精度高,还因采用了电子反馈放大器,可以对输入信号进行多种运算,因而可实现多种调节规律,提高控制系统的控制品质。u按照控制器输出信号的形式可分为类：n断续输出的电子式模拟控制器l两位式电子模拟控制器组成：由测量电路、给定电路、电子放大电路和开关电路等部分组成。两位式电子模拟控制器原理框图原理e(I)时,控制器输出P=1;e(I)-,P=0;2为两位式控制器的呆滞区(在呆滞区内虽然传感器信号变化,但控制器不动作。l三位式电子模拟控制器组成：由测量电路、给定电路、电子放大电路和开关电路等部分组成。三位式电子模拟控制器原理框图1：1K继电器工作,2K继电器不工作;0:1K、2K继
5、电器都不工作;-1:1K继电器不工作、2K继电器工作。20范围为三位控制器的不灵敏区或中间区。三位式电子模拟控制器特性图a)理想特性b)实际特性原理：三位式电子模拟控制器的输出有三种状态(1,0,-1),p一般使用的断续输出的三位PI补偿控制器。p室外温度补偿式控制器原理：在夏季工况,室温给定值能自动地随着室外温度的上升按一定比例关系而上升。这样,既可以节省能量,又可以消除由于室内外温差大所产生的冷热冲击,从而提高舒适感。在冬季工况,当室外温度较低时,为了补偿建筑物冷辐射对人体的影响,室温给定值将自动随着室外温度的降低而适当提高。位式输出的补偿式控制器室外温度补偿特性1G室温初始给定值(基准值
6、)();Ks夏季补偿度,1=1G-Kw22室外温度变化值(),2=2-2C;Kw冬季补偿度。1=1G+Ks21室温变化值(),1=1-1G;2室外温度变化值(),2=2-2A。室外温度补偿特性p控制器组成：变送单元、补偿单元、PI运算单元、输出单元和给定单元五部分组成,属三位PI控制器。p工作原理：室外温度传感器R2经输入电桥将电阻信号变为电压信号,再经放大器变换为标准电压信号DC 0 10V。此信号除参加补偿运算外,既可供显示、记录仪使用,也可供其他需要室外温度信号的仪表使用。补偿单元接受室外温度变送器2的DC 010V信号与补偿起始点给定信号的差值信号,改变补偿单元放大器的放大倍数,以获得
7、所希望的补偿度。有比例P、比例积分PI、比例积分微分PID等控制规律,输出信号为DC 010mA、DC 420mA、DC 010V等。n连续输出的电子式控制器p控制器组成连续式电子控制器一般由测量变送电路、放大电路、PID反馈电路等部分组成。p工作原理测量变送电路将传感器来的热工参数转变为电量,与给定值进行比较发出偏差信号,偏差信号加在PID运算放大器的输入端,PID运算放大器实现PID控制规律的运算。l常规的连续输出的电子式控制器连续式电子控制器组成框图连续输出的补偿式控制器的结构与位式输出的补偿式控制器相似,但其区别在于输出是连续信号。l连续输出的补偿式控制器组成：主变送器、主控制器、副变
8、送器、副控制器、信号选择与输出电路组成。工作原理：主控制器的输出,作为副控制器的给定值信号,而副控制器的输出则控制执行器。作为空调专用仪表,有的控制器尚有高低值限值和最小信号选择功能。其中主控制器为比例控制规律,其DC 010V输出进入高、低值限值电路,与给定的低限值比较决定送风温度的最小值;与高限值比较限制送风温度的最高值。高低值限值电路的输出作为副控制器的给定信号,副控制器是比例积分控制规律。副控制器的输出送至最小信号选择电路,当在最小信号选择电路输入端有信号输入时,本控制器的输出为副控制器的输出与最小信号输入的信号两者中最小值。当最小信号选择电路输入端无信号时,本控制器的输出即为副控制器
9、的输出。l连续输出的串级控制器连续式串级控制器焓值控制器是空调节能专用仪表,是多参数输入仪表。有4个输入信号:室内温度与湿度、室外温度与湿度。利用温度、湿度计算出焓值,进行室内外焓值的比较,进行比例运算后与选择信号进行比较,然后输出DC 010V焓比较信号。l焓值控制器焓值控制器原理示意图3.2.3软件控制器在仪表内已加入了由单片机构成的智能化单元,控制器在程序操作下工作,故这种仪表称为软件控制器。1.直接数字控制器(DDC)u直接数字控制器是一种多回路的数字控制器,它以计算机微处理器为核心,加上过程输入、输出通道组成。uDDC系统特点:l计算机运算速度快,能分时处理多个生产过程(被控参数),
10、代替几十台模拟控制器,实现多个单回路的PID控制；l计算机运算能力强,可以实现各种比较复杂的控制规律,如串级、前馈、选择性、解耦控制及大滞后补偿控制等。DDC系统组成框图uDDC系统组成：被控对象(生产过程)、检测变送器、执行器和工业计算机组成。l输入通道A-D:把传感器或变送器送来的反映被控参数的模拟量(电阻、电流、电压信号),转换为数字信号送往计算机。l采样器:在时序控制器作用下,以一定的速度按顺序把输入信号送入放大器,然后选择送到A-D转换器,变成数字信号送入计算机。u控制过程l显示报警:直接数字控制器系统很容易实现的一个重要功能,它能对生产过程的工况进行监控,以供操作人员监视。l输出通
11、道D-A:把经过计算机计算输出的数字信号转换成能控制执行器动作的模拟信号AO或数字信号DO。2.计算机控制系统的基本控制算法uPID控制算法按照偏差信号的比例P、积分I和微分D进行控制的PID算法,以其形式简单、参数易于整定、便于操作而成为目前控制工程领域应用最为广泛、经验丰富、技术成熟的基本控制算法。l在模拟控制系统中,PID控制算法的表达式为dttdeTdtteTteKtuDtIp)()(1)()(0模拟PID控制系统原理图l在计算机控制系统中，位置型PID控制算式nkDIpTkekeTkeTTkeKku0)1()()()()(位置型PID控制系统原理图3.可编程序控制器(PLC)uPLC
12、一种数字运算的电子操作系统,专门用于工业环境的控制。它采用可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数运算等操作指令,并通过数字式和模拟式的输入、输出信号,控制各种生产过程。PLC的基本组成uPLC与计算机控制系统的组成相似,也具有中央处理器、存储器、输入输出接口、电源等3.3执行器3.3.2电磁阀u作用：用来实现对管道内流体的截止控制的,它是受电气控制的截止阀,通常用作两位控制器的执行器,或者作为安全保护元件。它具有两位特性,即打开或关闭阀门。u分类：电磁阀有常开型与常闭型。常开型指电磁阀线圈通电时,阀门关闭;线圈断电,阀门打开。常闭型指电磁阀线圈通电时,阀门打
13、开;线圈断电,阀门关闭。u如果按结构来分,有直接作用型(也称直动式)和间接作用型(也称导压式)。3.3.3电动调节阀u作用：电动调节阀接受电动、电子式调节器或DDC控制器输出的调节信号,切断或调节输送管道内流动介质的流量,以达到自动调节被控参数的目的。电动调节阀结构图1执行机构2调节机构u基本结构：一般由电动执行机构和调节机构两大部分组成,可以集成为一体,也可以分装成电动执行机构或调节机构。u按出入口分类：二通电动调节阀、三通通电动调节阀；1.电动执行机构u电动执行机构的种类：一般可分为直行程、角行程和多转式。u电动执行机构一般可接收来自控制器的两种信号:一是模拟信号AO;另一种是断续的开关信
14、号,即两个DO信号；有的执行机构带有阀位信号,可通过通信集中显示。2.调节阀l电动调节阀以阀芯形式分类：有平板形、柱塞形、窗口形和套筒形等；l电动调节阀以阀座或进出口分类：、有直通双座阀、直通单座阀和三通调节阀。u分类u直通双座阀l流体从左侧进入,通过上下阀座再汇合在一起由右侧流出。由于阀体内有两个阀芯和两个阀座,所以叫做直通双座阀。l特点：阀芯所受的不平衡力很小,因而允许使用在阀前、后压差较大的场合；双座阀的流通能力比同口径的单座阀大；由于受加工精度的限制,双座的上、下两个阀芯不易保证同时关闭,所以关闭时的泄漏量较大。直通双座阀(正装式)1阀杆2阀座3阀芯4阀体l分类：双座阀有正装和反装两种
15、u直通单座阀l结构：阀体内只有一个阀芯和一个阀座。l单座阀的特点：单阀芯结构,容易达到密封,泄漏量小;流体对阀芯推力是单向作用,不平衡力大,所以单座阀仅适用阀前后低压差的场合。直通单座阀三通阀a)合流阀b)分流阀u三通调节阀l分类：三个出入口与管道相连,有合流阀和分流阀两种形式。l合流阀：两种流体A和B流入混合为A+B流体流出,当阀门关小一个入口的同时,就开大另一个入口。l分流阀：有一个入口,两个出口,即流体由一路进来然后分为两路流出。3.3.4电动调节风阀u组成：电动机执行机构和风阀u风阀分类：有多叶型和单叶型u单叶型的风阀单叶型风阀结构示意图a)蝶式风阀b)菱形风阀l特点：结构简单,密封性
16、能好。u多叶风阀l分类：平行叶片式和对开叶片式及菱形式等。l平行叶片式和对开叶片式风阀是通过叶片转角大小来调节风量的。l菱形风阀通过改变菱形叶片的张角来调节风量。多叶型风阀结构示意图a)平行叶片风阀b)对开叶片风阀c)菱形风阀3.3.5阀门定位器u作用：u分类：电动阀门定位器具有正、反作用的给定,阀门开度随输入电压增加而加大时称为正作用,反之则称为反作用。l电动阀门定位器接受控制器传输过来的DC 010V连续控制信号,对以AC 24V供电的执行机构的位置进行控制,使阀门位置与控制信号呈线性关系,从而起到控制阀门定位的作用。l电动阀门定位器装在执行器壳内,电动阀门定位器可以在控制器输出的0100
17、%范围内,任意选择执行器的起始点;在控制器输出的20%100%范围内,任意选择全行程的间隔。l电动阀门定位器与连续输出的控制器配套可实现分程控制。u电动阀门定位器组成R1起始点调整电位器,R2全行程间隔调整电位器,R3阀门位置反馈电位器。前置放大器(和)、触发器、双向晶闸管电路、位置发送器等3.4调节阀的选择与计算3.4.3调节阀的选择u调节阀的流量特性调节阀的流量特性 调节阀的流量特性是指流过调节阀介质的相对流量与调节调节阀的流量特性是指流过调节阀介质的相对流量与调节阀的相对开度之间的关系。阀的相对开度之间的关系。相对流量，即调节阀某一开度下的流量与全开相对流量，即调节阀某一开度下的流量与全
18、开 流量之比。流量之比。相对开度，即调节阀某一开度下的行程与全开相对开度，即调节阀某一开度下的行程与全开时行程之比。时行程之比。maxmaxLLfQQmaxQQmaxLLu流量特性分类流量特性分类：l理想流量特性：理想流量特性：指在阀前后压差恒定情况下的流量特性；指在阀前后压差恒定情况下的流量特性；l工作流量特性：工作流量特性：工作流量特性是指调节阀在实际工作中的流量特性，工作流量特性是指调节阀在实际工作中的流量特性，阀前后压差是变化的。阀前后压差是变化的。1.理想流量特性u阀门的理想流量特性由阀芯的形状所决定,阀芯形状有柱塞阀和开口形阀两类。1直线特性阀芯(柱塞)2等百分比特性阀芯(柱塞)3
19、快开特性阀芯(柱塞)4抛物线特性阀芯(柱塞)5等百分比特性阀芯(开口形)6直线特性阀芯(开口形)u典型的理想流量特性分类：有直线流量特性、等百分比(或称对数)流量特性、抛物线特性和快开特性。直通调节阀理想流量特性n直通阀流量特性l直线流量特性Klldqqdmaxmaxp直线流量特性是指调节阀的相对流量与相对开度成直线关系,即单位行程变化所引起的流量变化是常数。p直线特性的阀门适用于负荷变化小的场合。调节阀的放大系数K积分并设置边界条件 maxmxqlKCqlminmax11,11qCKCqRR R调节阀所能控制的最大流量qmax与最小流量qmin的比值,称为调节阀的可调比或可调范围。C积分常数
20、。l等百分比流量特性（对数流量特性）：等百分比流量特性（对数流量特性）：其单位相对开度的变化所引起的相对流量变化与此点的相其单位相对开度的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成比例关系。对流量成比例关系。等百分比特性的阀门适合于负荷变化大的场合。等百分比特性的阀门适合于负荷变化大的场合。maxmaxmaxQQKLLdQQdl快开流量快开流量特性特性具有快开流量特性的阀门流量随开度增加很快，具有快开流量特性的阀门流量随开度增加很快，而在阀行程的后面部分，流量变化不大，故此种流而在阀行程的后面部分，流量变化不大，故此种流量特性的阀不可用作调节阀。量特性的阀不可用作调节阀。快开特性的阀芯形式是平
21、板的快开特性的阀芯形式是平板的,适用于迅速启闭适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统的切断阀或双位控制系统。放大系数与相对流量成反比。放大系数与相对流量成反比。l抛物线流量抛物线流量特性特性单位相对开度的变化所引起的相对流量变化与该单位相对开度的变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量值的平方根成正比。点的相对流量值的平方根成正比。介于直线和等百分比特性之间。l快开流量快开流量特性特性具有快开流量特性的阀门流量随开度增加很快，具有快开流量特性的阀门流量随开度增加很快，而在阀行程的后面部分，流量变化不大，故此种流而在阀行程的后面部分，流量变化不大，故此种流量特性的阀不可用作调节阀。量特性的阀不可用
22、作调节阀。放大放大系数与相对流量成反比。系数与相对流量成反比。n三通调节阀的理想流量直线特性的三通调节阀在任何开度时,流过两阀芯流量之和不变,即总流量不变;等百分比特性的三通调节阀总流量是变化的,在50%开度处总流量最小;抛物线特性介于两者之间。三通调节阀的理想流量特性1直线流量特性2等百分比流量特性3抛物线流量特性2.工作流量特性串联管道可调比特性a)管道串联b)压降特性S阀门能力R调节阀的实际可调比l直通调节阀与管道和设备串联,串联管道时调节阀的特性为工作流量特性。，l调节阀安装在串联管道系统中串联管道系统的阻力与通过管道的介质流量成平方关系。实际的流量特性实际的流量特性概念：调节阀在阀前
23、后压差概念：调节阀在阀前后压差随流量变化条件下，调节阀随流量变化条件下，调节阀的相对流量与相对开度之间的相对流量与相对开度之间的关系称为实际流量特性。的关系称为实际流量特性。当系统总压差为一定时当系统总压差为一定时,调节调节阀一旦动作阀一旦动作,随着流量的增大随着流量的增大,串联设备和管道的阻力也增串联设备和管道的阻力也增大大,这就使调节阀上压差减小这就使调节阀上压差减小，结果引起流量特性的改变结果引起流量特性的改变,理理想流量特性就变为工作流量想流量特性就变为工作流量特性。特性。S S为阀全开时为阀全开时,阀上的压差与系统阀上的压差与系统总压差之比值总压差之比值,称称S S为阀门能力为阀门能
24、力2111PmPPPPSmmmP1调节阀全开时阀上的压差。调节阀全开时阀上的压差。串联管道可调比特性a)管道串联b)压降特性阀门能力对流量特性的影响S=1S=1，工作流量特性等于理想，工作流量特性等于理想流量特性；流量特性；S S减小，流量特性减小，流量特性发生畸变，当发生畸变，当S S小于某一个值小于某一个值时，直线流量特性趋向于快开；时，直线流量特性趋向于快开；S=1S=1，工作流量特性等于理想，工作流量特性等于理想流量特性；流量特性；S S减小，流量特性减小，流量特性发生畸变，当发生畸变，当S S小于某一个值小于某一个值时，等百分比流量特性趋向于时，等百分比流量特性趋向于直线；直线；串联
25、管道时直通调节阀工作流量特性(以q100为参比值)a)直线流量特性 b)等百分比流量特性3.4.2调节阀的流通能力u调节阀流通能力是衡量阀门流量控制能力的另一个重要的物理量,其定义为阀两端压差为105Pa、流体密度为=1g/cm3时,调节阀全开时的流量(m3/h）。W流体流量(m3/h)p阀两端压差(Pa);流体密度(g/cm3)。316WCpu液体液体C C值的计算值的计算u气体、蒸汽气体、蒸汽C C值的计算值的计算 临界状态临界状态12212210102mmPCPPPP12212121014.142KPKPKPmmPCPPPP由于蒸汽密度在阀的前后是不一样的,必须考虑密度的变化。根据实际、
26、工程情况,一般认为采用阀后密度法较为可行。m阀门的蒸汽流量(kg/h);p1、p2阀门进出口绝对压力(Pa);2在p2压力及t1温度(p1压力下的饱和蒸汽温度)时的蒸汽密度(kg/m3);2KP超临界流动状态(p10.5p2)时,阀出口截面上的蒸汽(kg/m3),通常可 压力及t1温度时的蒸汽密度。3.4.3调节阀的选择1.流量特性选择u原则：为了使系统保持良好的调节品质,希望开环总放大系数与各环节放大系数之积保持为常数。例如，当加热器的放大系数随负荷增加而变小时,曲线1所示的热水加热器特性,则应选择类似曲线2等百分比流量特性的调节阀。若加热器特性是直线特性,应选择抛物线流量特性的调节阀,因为
27、该阀的实际工作流量特性接近直线特性。改变阀的放大系数使系统总的放大系数不变1对象2调节阀3合成配管状态S=10.6S=0.60.3S0.3实际工作流量特性 直线等百分比直线等百分比调节不适宜所选流量特性直线等百分比等百分比等百分比u根据管道系统压降变化情况来选择,见表3-1。表3-1根据管道系统压降选择调节阀特性u根据负荷变化情况来选择。l当系统负荷变化幅度较大时,选择等百分比特性的调节阀;l当所选调节阀经常工作在小开度时,也宜选等百分比特性的调节阀,便于微调,不易引起振荡；l当系统很稳定,而阀位移动范围较小,阀的特性对系统影响很小时,可选直线特性或等百分比特性的调节阀。2.调节阀结构形式的选
28、择n在选用时要考虑被测介质的工艺条件、流体特性及生产流程；n当阀前后压差较小,要求泄漏量也较小时,应选直通单座阀,例如,末端装置所用的调节阀；n当阀前后压差较大,并允许有较大泄漏量时,应选直通双座阀。例如,在冷源水系统中,送、回水总管间的压差控制旁通阀多采用此种阀。在比值控制或旁路控制时,应选三通调节阀;n当介质为高压时,应选高压调节阀；n双座阀所受到的力比单座阀小,所以其允许压差大,在冷源水系统中,送、回水总管间的压差控制旁通阀多采用此种阀。n电动调节阀有电开与电关两种形式。电开式的调节阀是在有信号时,阀打开;而电关式的调节阀是在有信号时,阀关闭。n调节阀开闭形式的选择主要从生产安全角度考虑
29、。一般在能源中断时,应使调节阀切断进入被控制设备的原料或热能,停止向设备外输出流体。n调节阀的开、关形式是由执行机构的正、反作用和阀芯的正、反安装所决定的,可组合成4种方式。3.调节阀开闭形式的选择n介质种类在建筑环境与设备工程中,调节阀通常用于水和蒸气,这些介质本身对阀件无特殊的要求,因而一般通用材料制作的阀件都是可用的。对于其他流体,则要认真考虑阀件材料,如杂质较多的液体,应采用耐磨材料;腐蚀性流体,应采用耐腐蚀材料等。n工作压力和温度工作压力和温度也和阀的材质有关,使用时实际工作压力和温度应不超过厂家生产样本中额定的工作压力和温度值。4.阀门工作范围的选择调节阀的口径是根据工艺要求的流通
30、能力来确定的,先计算出C值后,查调节阀的产品规格说明书,确定调节阀的公称直径(口径)、阀芯直径。5.调节阀口径的计算3.4.4调节风阀的选择1.风阀的流量特性n固有特性风阀的固有特性为在等压降和无外部阻力部件(过滤器、盘管等)条件下,风阀叶片开度和通过风阀风量之间的关系。多叶对开阀型风阀的特性类似等百分比流量特性,多叶平行型风阀的特性近似直线流量特性。两者之间在风量上有很大的差别。n风阀的工作特性风阀的工作特性又称为安装特性,其与调节水阀一样。多叶调节风阀流量特性a)平行多叶阀特性b)对开多叶阀特性2.风阀的性能n漏风量调节风阀的漏风量是指风阀在承受静压的条件下,风阀全关状态的泄漏量。风阀的漏
31、风量与风阀的结构及静压有关。n额定温度调节风阀的最大运行温度是指风阀能完成正常功能的最高环境温度。n额定压力调节风阀的额定压力是指在叶片关闭时,作用在风阀前后的最大允许静压差。n额定风速调节风阀的额定风速是指风阀处于全开状态时,气流进入风阀时的最大速度,也称为最大流入速度。n力矩要求风阀正常开关运行的力矩需求直接影响到执行器的选择。n电动风阀执行器,又称为直联式电动风阀执行器,是一种专门用于风阀驱动的电动执行机构。n按控制方式,风阀电动执行器分为开关式与连续调节式两种,其旋转角度为90或95,电源为AC 220V、AC 24V及DC 24V,控制信号为DC 210V。3.风阀执行器谢谢！制作：武汉科技大学 李玉云二o一六年八月
