1、儀表與自動化劉書凱 陸建國主編化學工業出版社 儀表與自動化 儀表與自動化 課程介紹 整體設計 課程特色 電子教案 儀表與自動化一課程介紹工藝類專業自動化類專業 課程介紹直接服務面基本服務面 儀表與自動化石油化工、冶金、電力、制藥、輕工等一般工業生產企業將原來過程控制儀表 和工藝過程自動化 課程進行了綜合設計，教學過程全部集中在實訓室中完成，真正體現“基于工作過程導向”的教學做一體化課程 。 服務 儀表與自動化二整體設計通過本課程的學習和訓練，使學生根據工藝要求會選用、安裝、調試、調校儀表，能集成、調試、運行典型“簡單”和“復雜”控制系統。課程目標（1）能夠根據工藝與控制要求合理選擇常用的溫度、

2、壓力、流量和物位檢測儀表。（2）明確工藝要求，能夠讀懂、并能規范地繪制常用帶控制點的工藝流程圖。（3）能根據工藝和控制要求，合理選擇控制規律。（4）能根據工藝要求，正確選擇執行器并能設計出簡單控制系統。（5）能根據被控變量和系統特點，并能設置合理的PID相關參數。 （6）會調試串級控制系統。（7）會進行DCS控制系統硬件選型、基本組態和投運。1.能力目標（1）掌握常用工業過程控制系統的組成、原理與特點，理解被控變量、操縱變量對系統性能的影響，掌握被控變量與操縱變量的合理確定方法。 （2）掌握常用過程檢測儀表的結構與測量原理與使用特點；理解各種PID控制規律對系統的作用，掌握其使用方法。 （3）

3、掌握DCS系統的基本概念和組成 以及組態和畫面調顯方法。2.知識目標（1）認識過程控制技術學習的基本方法，培養一定的邏輯思維能力，善于從不同的角度發現問題，積極探索解決問題的方法。 （2）養成獨立思考的學習習慣，能對所學內容進行較為全面的分析和比較，總結和概括，學會舉一反三，靈活應用，培養過程控制技術的綜合應用能力。（3）善于借鑒他人經驗，發揮團隊協作精神，培養學生的團隊意識、組織協調能力、創新思維能力。（4）養成“安全生產”的良好習慣。 3.素質拓展目標課程內容設計： 本課程共分六個項目進行訓練，每個項目均有詳細考核標準進行過程考核，項目制作共計60分；平時考勤及紀律為10分；理論考試為30

4、分；總分計為100分。考核方案設置教學過程全部集中在實訓室中完成，真正體現“基于工作過程導向”的教學做一體化課程，教學方法是“做中學、學中做”工學結合的課程模式。 課程其他說明 儀表與自動化總評 理論項目訓練平時考核 儀表與自動化三課程特色1.課程模式：“做中學、學中做”工學結合。2.教學過程：以學生為主體，以項目為載體，任務引領，教師指導，由淺入深，由易到難，訓練學生過程控制技術的應用能力。課程特色 儀表與自動化四電子教案 儀表與自動化項目開篇 在工業生產，特別是石油化工、電力輕紡行業的生產過程中，為保證產品質量，保證生產正常、安全、高效、低耗地進行，就必須將能影響產品質量和生產過程的壓力（

5、P）、物位（L）、流量（F）、溫度（T）及物質成分（A）等幾大熱工變量控制在規定的范圍內。而工業生產過程的容器和設備常常是密閉的；生產條件也更多是高溫、深冷、高壓或真空等超常狀態；且多數工藝介質還具有易燃、易爆、有毒、有腐蝕性等性質。所以，在多數情況下，化工生產過程的控制是人力難以為之的，從而呼喚對工業過程的自動控制，也必需要實現自動化。項目開篇在生產設備上配備一些自動控制裝置，代替操作人員的部分直接勞動，使生產在不同程度上自動地進行，即用自動控制裝置來管理生產過程的辦法，稱為生產過程的自動控制，簡稱過程自動化。自動化系統由“生產過程對象”、 “自動化裝置”兩大部分（四大單元）組成，其中：生產

6、過程對象為獨立單元，自動化裝置包括測量變送、控制、執行三個單元。如圖0-1所示： 一、生產過程自動化（一）生產過程對象：需要控制的工藝設備（塔、器、槽等）、機器或生產過程。（二）自動化裝置：包括儀表和新型智能器件。1測量變送單元：是測量變送儀表，工程上用T表示；2控制單元：各種控制儀表及各類計算機，工程上用C表示；3執行器：各種電動、氣動執行儀表，工程上用Z表示。所有單元之間通過國際統一標準信號420 mA DC電流（或20100kPa氣壓）連接。 例如：水槽液位控制系統（如圖0-2所示），其控制的目的使水槽液位維持在其設定值上（滿刻度的50%）的位置上。 圖0-2 水槽液位控制系統示意圖人工

7、控制（圖0-2（a）：進水量增加時，導致水位增加，人眼睛觀察玻璃液面計中的水位變化，并通過神經系統傳給大腦，經與大腦中的設定值（50%）比較后，確定水位偏高（或偏低），故發出信息，讓手開大（或關小）閥門，調節出水量，使液位變化。這樣反復進行，直到液位重新穩定到設定值上，從而實現了液位的人工控制。自動控制（圖0-2（b）：現場的液位變送器LT檢測出水槽液位，轉換成統一的標準信號傳送給控制室內的控制器LC，與控制器LC中預先輸入的設定信號進行比較后形成偏差，繼而將偏差信號按預先確定的某種控制規律（比例、積分、微分的某種組合）進行運算后，產生輸出信號給控制閥，使控制閥改變開啟度，控制出水量。這樣反復

8、進行，直到水槽液位恢復到設定值為止，從而實現水槽液位的自動控制，實現了生產過程自動化。二、過程控制系統的分類過程控制系統一般分為：生產過程自動檢測系統、自動控制系統、自動報警聯鎖系統和自動操縱系統等四大類。（一）過程自動檢測系統利用各種檢測儀表自動連續地對相應的工藝變量進行檢測，并能自動指示或記錄的系統，稱為過程自動檢測系統。自動檢測系統由兩部分組成：檢測對象和檢測裝置。如圖0-3所示：二、過程控制系統的分類若檢測裝置僅由檢測部分、轉換放大和就地顯示環節構成，則為就地顯示檢測儀表。如：單圈彈簧管壓力表、玻璃溫度計等。若檢測裝置由檢測部分、轉換放大和數據處理環節與遠傳顯示儀表（或計算機系統）組成

9、，則將檢測、轉換、數據處理環節稱為“傳感器”（如：霍爾傳感器、熱電偶、熱電阻等），它將被測變量轉換成規定信號送給遠傳顯示儀表（或計算機系統）進行顯示處理。傳感器輸出信號為國際統一標準信號420 mA DC電流(或20 100kPa氣壓)時，稱其為變送器(如:壓力變送器、溫度變送器等)。二、過程控制系統的分類（二）過程自動控制系統用自動控制裝置對生產過程中的某些重要變量進行自動控制，使工業過程的工藝變量在受到外界干擾影響偏離正常狀態后，又自動回復到規定的數值范圍的系統。過程的自動控制系統可分為：定值控制系統、程序控制系統、隨動控制系統三種，生產過程中“定值控制系統”使用最多，故常以定值控制系統為

10、例來討論過程自動控制系統，其系統組成框圖如圖0-4所示： 二、過程控制系統的分類 由圖0-4可知：定值控制系統是將生產過程對象中能影響產品質量和生產過程的壓力（P）、物位（L）、流量（F）、溫度（T）及物質成分（A）等幾大工藝變量（控制工程上通稱為被控變量Y）經檢測元件和變送器，轉化為被控變量Y的測量信號（簡稱測量值）Z，通過比較機構將被控變量Y的工藝規定指標（簡稱設定值）X比較并產生偏差值信號e；由控制器根據偏差e的正負、大小及變化情況，按預定的控制規律實施控制作用，目的是將生產過程的工藝變量（即被控變量Y）始終穩定在其工藝給定指標X上。 二、過程控制系統的分類生產過程穩定后，由于在運行過程

11、中，常由于隨機因素（稱其為擾動，用f表示），影響被控變量Y變化而偏離工藝給定指標（設定值X ）。工業上通過檢測元件和變送器控制器執行器形成“閉環負反饋系統”，作用于“對象”的操縱變量q，使被控變量Y重新回到其設定值X上。為便于聯系，單元之間通過國際統一標準信號420 mA DC電流（或20100kPa氣壓）連接。1操縱變量q 控制器操縱執行器之信號，能使被控變量恢復到設定值的物理量或能量。如上例中的出水量。2擾動f 除操縱變量外，作用于生產過程對象，引起被控變量變化的隨機因素。如進料量的波動。 二、過程控制系統的分類（三）過程自動報警與聯鎖保護系統為確保生產安全，常對一些關鍵的生產變量設有自動

12、信號報警與聯鎖保護系統。當變量接近臨界數值時，系統會發出聲、光報警，提醒操作人員注意。如果變量進一步接近臨界值、工況接近危險狀態時，聯鎖系統立即采取緊急措施，自動打開安全閥或切斷某些通路，必要時，緊急停車，以防止事故的發生和擴大。 二、過程控制系統的分類（四）過程的自動操縱系統按預先規定的程序步驟，自動地對生產設備進行周期性操作的系統。過程控制的應用水平是衡量一個企業先進程度的重要標準，也是衡量一個國家發達程度的主要標志。三、過程儀表的分類過程儀表是實現過程控制的工具，種類繁多，從不同的角度可以有不同的分類方法。（一）按功能不同 可分為檢測儀表、顯示儀表、控制儀表和執行器。1檢測儀表 ： 包括

13、各種變量的檢測元件、傳感器和變送器；2顯示儀表 ： 有模擬量和數字量及屏幕顯示形式；3控制儀表 ： 包括氣動、電動控制儀表和計算機控制裝置；4執行器 ：有氣動、電動、液動等類型。這些儀表之間的關系如圖0-5所示。圖0-5 過程控制儀表的關系圖 三、過程儀表的分類（二）按使用的能源不同 可分為氣動儀表和電動儀表。1氣動儀表 ：以壓縮空氣為能源，性能穩定、可靠性高、防爆性能好且結構簡單。特別適合于石油、化工等有爆炸危險的場所。2電動儀表： 以電為能源，信息傳遞快，傳送距離遠，是實現遠距離集中顯示和控制的理想儀表。 三、過程儀表的分類（三）按結構形式分 可分為基地式儀表、單元組合儀表、組件組裝式儀表

14、等。1基地式儀表 ：這類儀表集檢測、顯示、記錄和控制等功能于一體。功能集中，價格低廉，適合于單變量的就地控制系統。2單元組合儀表 ： 所謂單元組合儀表是根據檢測系統和控制系統中各組成環節的不同功能和使用要求，將整套儀表劃分成能獨立實現一定功能的若干單元（有變送、控制、顯示、執行、設定、計算、輔助、轉換等八大單元），各單元之間采用統一信號進行聯系（氣動儀表標準信號為2040kPa，電動儀表標準信號為420mADC）。使用時可根據控制系統的需要，對各單元進行選擇和組合，從而構成多種多樣的、復雜程度各異的檢測系統和控制系統。單元組合儀表也稱作積木式儀表。3組件組裝式儀表 ： 是一種功能分離、結構組件

15、化的成套儀表（或裝置）。三、過程儀表的分類（四）按信號形式分 可分為模擬儀表和數字儀表。1模擬儀表 ：模擬儀表的外部傳輸信號和內部處理的信號均為連續變化的模擬量（如420mA電流，15V電壓等）。前文中提及的單元組合儀表均屬模擬儀表。2數字儀表： 數字儀表的外部傳輸信號有模擬信號和數字信號兩種，但內部處理信號都是數字量（0，1），如可編程調節器等。四、儀表及過程自動化的發展 伴隨著過程控制系統的發展，實現過程控制的工具也同樣在不斷地更新換代。 過程控制儀表逐步趨于成熟，工業自動化水平不斷提高。70年代中期的DDZ-型儀表，以集成運算放大器為主要放大元件，以24V DC為能源，采用420mA.D

16、C為統一標準信號制的組合型儀表。它在體積基本不變的情形下，大大增加了儀表的功能，其工作在現場的儀表均為安全火花型防爆儀表，配上安全柵后，構成安全火花防爆系統，相當安全，在化工、煉油等行業得到了廣泛的應用，并曾一度占主導地位，一些中小企業及大企業的部分裝置至今仍在使用。進入80年代后，由于微處理器的發展，出現了DDZ-S型智能式單元組合儀表，它以微處理器為核心，能源、信號都同于DDZ-型，其可靠性、準確性、功能都遠遠優于DDZ-型儀表。四、儀表及過程自動化的發展 80年代開始，世界進入了知識爆炸時期，由于各種高新技術的飛速發展，以微型計算機為核心，控制功能分散、顯示操作集中，集控制、管理于一體的

17、分散型控制系統（DCS），從而將過程控制儀表及裝置推向高級階段。與此同時，可編程序控制器（PLC）也從邏輯控制領域向過程控制領域伸出觸角，以其優良的技術性能和良好的性能/價格比在過程控制領域中占據了一席之地。 四、儀表及過程自動化的發展 如今，現場總線（Field Bus）這種用于現場儀表與控制系統和控制室之間的一種開放式、全分散、全數字化、智能、雙向、多變量、多點、多站的通信系統，除使現場設備能除完成過程的基本控制功能外，還增加了非控制信息監視的可能性，日益受到控制人員的歡迎。 四、儀表及過程自動化的發展 換熱器是化工、石油、輕工、動力等許多工業部門使用的一種通用設備。在整個生產過程中占有相當重要的地位。據資料統計，在一般石油化工企業中，各種換熱設備約占全廠設備總數的40%左右。由于化工生產中對換熱器有不同的要求，換熱設備有各種形式。按冷、熱流體間熱量交換的方式，可將換熱器分成間壁式、直接混合式和蓄熱式三種