《化工仪表及自动化》.ppt

化工仪表及自动化,一、各章节重要的基本概念二、各种自动化仪表的特点、选用和安装注意事项三、各章的基本理论分析、计算与要求1、自动控制系统过渡过程品质指标的分析与计算2、对象特性数学模型（微分方程）的建立与求取3、对象特性参数的分析与求取4、各种自动化仪表的选择与计算（类型、精度和量程）5、各种控制器的分析与计算6、执行器的特点、选择与计算7、自动控制系统控制器参数的工程整定与计算,本课程的基本内容与要求,四、简单控制系统的分析与设计（1）控制系统的设计分析（2）控制系统控制方案的设计确定（3）控制系统方块图的画法（4）控制系统调节阀气关和气开的选择（5）控制系统控制器正、反作用的选择（6）组成自动控制系统各种自动化仪表的选择,五、复杂控制系统的分析与设计（1）串级、均匀、比值控制系统的结构组成（2）复杂控制系统控制方案的分析（3）复杂控制系统方块图的画法（4）控制系统调节阀气关和气开的选择（5）控制系统主、副控制器正反作用的选择,题 型简单填空题分析计算题分析选择题综合设计题,例：如图为某化工厂超细碳酸钙生产中炭化部分简化的工艺管路及控制流程图，试指出图中所示仪表符号的含义。,解：图中各自动化仪表所代表的含义如下：（1）仪表位号FICQ-101表示第一工序第01个流量控制回路（带累积指示），累积指示仪及控制器安装在仪表室仪表盘正面上。（2）仪表位号TI-101表示第一工序第01个温度显示仪表。仪表安装在现场。（3）仪表位号PI-101表示第一工序第01个压力显示仪表。仪表安装在现场。,第一章 自动控制系统基本知识,例某换热器出口温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图所示，试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间（给定值为200）。,解：最大偏差：A230-20030（）；余差：C205-2005（）；第一个波峰值 B230-20525；第二个波峰值 B2102055，故衰减比：n:1=B:B25:55:l；振荡周期 T20-5=15（min）。,过渡时间：它与规定的被控变量限制范围大小有关。本题假定当被控变量进入新稳态值的2%范围时，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为205（2）=4.1，这时，可在新稳态值（205）两侧以宽度为4.1画一区域，图l-22中以画有阴影线的区域表示，只要被控变量进入这一区域且不再越出，过滤过程就可以认为已经结束。因此，从图上可以读出，过渡时间tS=22min。,例已知某化学反应器的特性是具有纯滞后的一阶特性，其时间常数为4.15，放大系数为8.5，纯滞后时间为3.5，试写出描述该对象特性的一阶微分方程式。解:设y为输出变量，x为输入变量,据具有纯滞后的一阶特性微分方程的定义有:Tdy(t+)/dt+y(t+)Kx(t)则该对象一阶微分方程式为:4.15dy(t+3.5)/dt+y(t+3.5)8.5x(t),第二章 过程特性及其数学模型,例3,例4,第三章 检测仪表及传感器,例5,例什么是节流现象?标准的节流体有哪几种?应用最广泛的是哪种?答:流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。标准的节流件有三种：标准孔板、标准喷嘴、标准文丘里管。应用最广泛的是标准孔板。它是世界上应用最广，最成熟测量较准确的测量工具。,例13,例 如图为某储槽水位自动控制系统。已知最高水位为2米，h13000mm,工艺要求水位稳定在1.2米，试回答下列问题：（1）变送器是否存在迁移，何种迁移？迁移量为多少？（2）变送器的量程为多少？（3）变送器的差压范围为多少？,解：（1）变送器是否存在迁移分析：正压室：P+=h1g+Hg+P气负压室：P-=P气P=P+-P-=（h1g+Hg+P气）-P气=h1g+Hg 分析：当H=0时，P=h1 g 0则为正迁移，迁移量为：h1g,LC,（2）计算变送器的量程：P量程=Hmaxg=2（m）1000（kg/m3）9.81（m/s2）=1.962104(Pa)则有变送器的量程为：0-1.9625104(Pa),（3）变送器的差压范围计算：Pmin=h1g+Hming=3（m）1000（kg/m3）9.81（m/s2）=2.943 104(Pa)Pmax=h1g+Hmaxg=510009.81=4.905104(Pa)则有变送器的差压范围为：2.943 104-4.905104(Pa),LC,例20,例试述热电偶温度计、热电阻温度计各包括哪些元件和仪表?输入、输出信号各是什么?答：热电偶温度计包括感温元件热电偶、补偿导线及铜线和测量仪表。热电偶温度计是把温度的变化通过测温元件热电偶转化为热电势的变化来测量温度的。所以，其输入信号是温度，输出信号是热电势。热电阻温度计包括感温元件热电阻、连接导线和显示仪表。热电阻温度计是把温度的变化通过测温元件热电阻转换为电阻值的变化来测量温度的。所以，其输入信号是温度，输出信号是电阻值。,第四章 显示仪表,例1,例：有一配E型热电偶测温的动圈式显示仪表，测量最大温度时流过动圈的最大电流为80.4A，已知E型热电偶热电势的灵敏度为0.069mV/，动圈式显示仪表的内阻为500，试求其动圈式显示仪表的量程范围为多少？,E,XCZ-101型,解：据动圈式显示仪表工作原理,可知流过动圈的最大电流为：Imax=Emax/R总=80.4A，有动圈仪表测的最大热电势为:Emax=ImaxR总=80.4（500+15）=41.4mV所以动圈式显示仪表的量程为:Tmax=Emax/0.069mV/=600,例5,第五章 自动控制仪表,例、某台QDZ型比例积分控制器，比例度为100，稳态时，输出为60kPa。某瞬间，输入突然增加了5KPa，经过3 min后，输出变化到75KPa,求此控制器的积分时间为多少？,解：由于=100，则 Kp=1。得比例积分控制器输出变化量为：PPI=KpA+（Kp/TI）At 15=15+（1/TI）5 3 则控制器的积分时间为：TI=1.5（min）,例某换热器的温度控制系统方块图如图所示。系统的被控变量为出口物料温度，操纵变量为加热蒸汽的流量。采用的控制仪表为DDZ型电动单元组合式仪表。(1)说明图中所代表的专业术语内容。(2)说明各仪表的信号范围。(3)选用合适的测温元件。(4)气动执行器的输入、输出各是什么物理量?,电动控制器,电-气转换器,气动执行器,换热器,测量变送器,R,Z,E,I,P,Q,Y,F,-,解：R为给定值，E 为偏差，Q 为操纵变量，Y为被控变量，F为干扰。(2)Z的信号范围为420mA DC，I的信号范围为 420mA DC，P的信号范围为20100KPa。(3)因为温度较低（200），且精度要求较高，宜选用铂电阻体（分度号为Pt100）作为测温元件。(4)气动执行器的输入信号为20100KPa，输出信号为加热蒸汽的流量。,第六章 执行器,例1,例某台控制阀的可调比R=30，流量系数Cmax200。当阀前后压差为1.2MPa、流体密度为0.81gcm3、流动状态为非阻塞流时，问调节阀所能调节的最大流量和最小流量为多少?,解据公式：Cmax10Qmax/（P1-P2）有：Qmax=769.8 m3/h因为控制阀的可调比R=30，所以可控制的最小流量为：Qmin=Qmax/R=769.8/30=25.66 m3/h。,例3,例、如图为某储槽水位自动控制系统。已知最高水位为2米,工艺要求水位稳定在1.2米，且槽内液体不能流空。试完成：（1）选择执行器的气开、气关型式?（2）DDZ-控制器的设定电流值为多少？,解：执行器的气开、气关型式和控制器正反作用的选择：,LC,气关,正,反,正,分析：工艺要求不能流空。,则执行器应选择为,气关型,（2）DDZ-控制器设定电流值为多少？,液位变化范围为：0-2 m。对应电动差压变送器的输出为：4 20 mA对应电动()控制器输入和输出信号也都为:4 20 mA.,当液位稳定在1.2 m时，则设定电动()控制器给定值为：I给=4+（1.2/2）16=13.6 mA,LC,例1：如图所示发酵温度控制系统，请选择调节阀气关气开和调节器正反作用？（1）当罐内温度过高时产品易分解，调节介质为过热蒸汽时；（2）当罐内温度过低时易析出结晶，调节介质为过热蒸汽时；,解：（1）调节阀为气开型，控制器为反作用形式。（2）调节阀为气关型，控制器为正作用形式。,气开,反,正,气关,正,正,第七章 习题与思考题（P167）,12.,解：执行器选择气开式。控制器选择反作用。,+,气开,反,13.,+,气开,反,气开,正,解：选择流入量Q1为操纵变量时，,+,气开,反,选择流入量Q2为操纵变量时，,气关,反,14.,第5题 图850所示为聚合釜温度控制系统。冷却水通入夹套内，以移走聚合反应所产生的热量。试问：（1）这是一个什么类型的控制系统？试画出它的方块图。（2）如果聚合温度不允许过高，否则易发生事故，试确定控制阀的气开、气关型式。,（3）确定主、副控制器的正、反作用。（4）简述当冷却水压力变化时控制过程。（5）如果冷却水的温度是经常波动的，上述系统应如何改进？（6）如果选择夹套内的水温作为副变量构成串级控制系统，试画出它的方块图，并确定主、副控制器的正、反作用。,第八章 习题与思考题（P198-199）,解：（1）这是一个以聚合温度为主变量、冷却水流量为副变量的聚合温度流量串级控制系统，方块图如图所示。,聚合釜温度-流量串级控制系统方块图,f2,f1,（2）如果聚合温度不允许过高，否则易发生事故，则控制阀应选 型。,气关,反,气 关,（3）确定主、副控制器的正、反作用。按照先主、后副的原则。先确定主控制器的正、反作用,增加,增加,阀关小,动作方向相反,阀开大,正,主控制器应为正作用,（3）确定主、副控制器的正、反作用。按照先主、后副的原则。后确定副控制器的正、反作用。,正,副控制器应为正作用,对象：正,气关阀,反,正,正,FT,（4）简述当冷却水压力变化时的控制过程。当冷却水压力（主要干扰）增加时，使得冷却水流量增加，则FC的输出也增加（因为FC为正作用），结果使气关阀关小，冷却水流量减小，起着快速稳定副变量的控制作用。如果由于某种原因使聚合釜温度增加，则TC的输出也增加（因为TC是正作用的）。由于TC的输出就是FC的给定，FC给定增加时，其输出是降低的（因为FC为正作用）；这样一来，控制阀就开大，冷却水流量增加，使聚合釜温度增加下降，起着稳定聚合釜温度的作用。,（5）如果冷却水的温度经常波动的，上述系统应如何改进？,如果冷却水的温度是经常波动的，上述系统应改进设计为聚合釜温度与夹套温度串级控制系统。,T2C,T1C,聚合釜温度温度串级控制系统,（6）如果选择夹套内的水温作为副变量构成串级控制系统，试画出它的方块图，并确定主、副控制器的正、反作用。,T1C,T2C,夹 套,反应器,T2,T1,聚合釜温度夹套内温度串级控制系统方块图,聚合釜温度与夹套温度串级控制系统主、副控制器正、反作用的选择分析如下：,T2C,T1C,按照先副、后主的原则。先确定副控制器正、反作用。,副控制器为反作用,对象：反,气关阀,反,反,正,聚合釜温度与夹套温度串级控制系统主、副控制器正、反作用的选择分析如下：,T2C,T1C,主控制器正、反作用的确定。先确定主控制器正、反作用。,增加,增加,阀开大,动作方向一致,阀开大,反,主控制器为反作用,例、图所示为换热器温度控制系统。试完成：（1）这是一个什么类型的控制系统？试画出它的方块图。（2）如果工艺要求温度不允许过高，否则易发生事故，试确定控制阀的气开、气关型式。（3）确定主、副控制器的正、反作用。,解（1）是一个冷物料出口温度流量串级控制系统。（2）副回路的分析：控制阀选择的气开型式。副控制器选择为反作用。,气开,正,反,正,正,解（1）是一个冷物料出口温度流量串级控制系统。（2）主回路的分析：主控制器选择为反作用。,反,增加,阀关小,增加,阀关小,动作反向相同,解：如图所示。,气开,反,反,增加,阀关小,增加,阀开大,