儀表與自動化電子教案項目開篇

1、儀表與自動化劉書凱 陸建國主編化學工業(yè)出版社 儀表與自動化 儀表與自動化 課程介紹 整體設(shè)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(yè)自動化類專業(yè) 課程介紹直接服務(wù)面基本服務(wù)面 儀表與自動化石油化工、冶金、電力、制藥、輕工等一般工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)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(shè)計，教學過程全部集中在實訓室中完成，真正體現(xiàn)“基于工作過程導向”的教學做一體化課程 。 服務(wù) 儀表與自動化二整體設(shè)計通過本課程的學習和訓練，使學生根據(jù)工藝要求會選用、安裝、調(diào)試、調(diào)校儀表，能集成、調(diào)試、運行典型“簡單”和“復(fù)雜”控制系統(tǒng)。課程目標（1）能夠根據(jù)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(guī)范地繪制常用帶控制點的工藝流程圖。（3）能根據(jù)工藝和控制要求，合理選擇控制規(guī)律。（4）能根據(jù)工藝要求，正確選擇執(zhí)行器并能設(shè)計出簡單控制系統(tǒng)。（5）能根據(jù)被控變量和系統(tǒng)特點，并能設(shè)置合理的PID相關(guān)參數(shù)。 （6）會調(diào)試串級控制系統(tǒng)。（7）會進行DCS控制系統(tǒng)硬件選型、基本組態(tài)和投運。1.能力目標（1）掌握常用工業(yè)過程控制系統(tǒng)的組成、原理與特點，理解被控變量、操縱變量對系統(tǒng)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(jié)構(gòu)與測量原理與使用特點；理解各種PID控制規(guī)律對系統(tǒng)的作用，掌握其使用方法。 （3）

3、掌握DCS系統(tǒng)的基本概念和組成 以及組態(tài)和畫面調(diào)顯方法。2.知識目標（1）認識過程控制技術(shù)學習的基本方法，培養(yǎng)一定的邏輯思維能力，善于從不同的角度發(fā)現(xiàn)問題，積極探索解決問題的方法。 （2）養(yǎng)成獨立思考的學習習慣，能對所學內(nèi)容進行較為全面的分析和比較，總結(jié)和概括，學會舉一反三，靈活應(yīng)用，培養(yǎng)過程控制技術(shù)的綜合應(yīng)用能力。（3）善于借鑒他人經(jīng)驗，發(fā)揮團隊協(xié)作精神，培養(yǎng)學生的團隊意識、組織協(xié)調(diào)能力、創(chuàng)新思維能力。（4）養(yǎng)成“安全生產(chǎn)”的良好習慣。 3.素質(zhì)拓展目標課程內(nèi)容設(shè)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?？己朔桨冈O(shè)置教學過程全部集中在實訓室中完成，真正體現(xiàn)“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(jié)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(jié)合。2.教學過程：以學生為主體，以項目為載體，任務(wù)引領(lǐng)，教師指導，由淺入深，由易到難，訓練學生過程控制技術(shù)的應(yīng)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(yè)生產(chǎn)，特別是石油化工、電力輕紡行業(yè)的生產(chǎn)過程中，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，保證生產(chǎn)正常、安全、高效、低耗地進行，就必須將能影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)過程的壓力（

5、P）、物位（L）、流量（F）、溫度（T）及物質(zhì)成分（A）等幾大熱工變量控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。而工業(yè)生產(chǎn)過程的容器和設(shè)備常常是密閉的；生產(chǎn)條件也更多是高溫、深冷、高壓或真空等超常狀態(tài)；且多數(shù)工藝介質(zhì)還具有易燃、易爆、有毒、有腐蝕性等性質(zhì)。所以，在多數(shù)情況下，化工生產(chǎn)過程的控制是人力難以為之的，從而呼喚對工業(yè)過程的自動控制，也必需要實現(xiàn)自動化。項目開篇在生產(chǎn)設(shè)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(chǎn)在不同程度上自動地進行，即用自動控制裝置來管理生產(chǎn)過程的辦法，稱為生產(chǎn)過程的自動控制，簡稱過程自動化。自動化系統(tǒng)由“生產(chǎn)過程對象”、 “自動化裝置”兩大部分（四大單元）組成，其中：生產(chǎn)

6、過程對象為獨立單元，自動化裝置包括測量變送、控制、執(zhí)行三個單元。如圖0-1所示： 一、生產(chǎn)過程自動化（一）生產(chǎn)過程對象：需要控制的工藝設(shè)備（塔、器、槽等）、機器或生產(chǎn)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(zhí)行器：各種電動、氣動執(zhí)行儀表，工程上用Z表示。所有單元之間通過國際統(tǒng)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(tǒng)（如圖0-2所示），其控制的目的使水槽液位維持在其設(shè)定值上（滿刻度的50%）的位置上。 圖0-2 水槽液位控制系統(tǒng)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(jīng)系統(tǒng)傳給大腦，經(jīng)與大腦中的設(shè)定值（50%）比較后，確定水位偏高（或偏低），故發(fā)出信息，讓手開大（或關(guān)小）閥門，調(diào)節(jié)出水量，使液位變化。這樣反復(fù)進行，直到液位重新穩(wěn)定到設(shè)定值上，從而實現(xiàn)了液位的人工控制。自動控制（圖0-2（b）：現(xiàn)場的液位變送器LT檢測出水槽液位，轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標準信號傳送給控制室內(nèi)的控制器LC，與控制器LC中預(yù)先輸入的設(shè)定信號進行比較后形成偏差，繼而將偏差信號按預(yù)先確定的某種控制規(guī)律（比例、積分、微分的某種組合）進行運算后，產(chǎn)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(fù)

8、進行，直到水槽液位恢復(fù)到設(shè)定值為止，從而實現(xiàn)水槽液位的自動控制，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程自動化。二、過程控制系統(tǒng)的分類過程控制系統(tǒng)一般分為：生產(chǎn)過程自動檢測系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、自動報警聯(lián)鎖系統(tǒng)和自動操縱系統(tǒng)等四大類。（一）過程自動檢測系統(tǒng)利用各種檢測儀表自動連續(xù)地對相應(yīng)的工藝變量進行檢測，并能自動指示或記錄的系統(tǒng)，稱為過程自動檢測系統(tǒng)。自動檢測系統(tǒng)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(tǒng)的分類若檢測裝置僅由檢測部分、轉(zhuǎn)換放大和就地顯示環(huán)節(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換放大和數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)與遠傳顯示儀表（或計算機系統(tǒng)）組成

9、，則將檢測、轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)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(zhuǎn)換成規(guī)定信號送給遠傳顯示儀表（或計算機系統(tǒng)）進行顯示處理。傳感器輸出信號為國際統(tǒng)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(tǒng)的分類（二）過程自動控制系統(tǒng)用自動控制裝置對生產(chǎn)過程中的某些重要變量進行自動控制，使工業(yè)過程的工藝變量在受到外界干擾影響偏離正常狀態(tài)后，又自動回復(fù)到規(guī)定的數(shù)值范圍的系統(tǒng)。過程的自動控制系統(tǒng)可分為：定值控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)三種，生產(chǎn)過程中“定值控制系統(tǒng)”使用最多，故常以定值控制系統(tǒng)為

10、例來討論過程自動控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)組成框圖如圖0-4所示： 二、過程控制系統(tǒng)的分類 由圖0-4可知：定值控制系統(tǒng)是將生產(chǎn)過程對象中能影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)過程的壓力（P）、物位（L）、流量（F）、溫度（T）及物質(zhì)成分（A）等幾大工藝變量（控制工程上通稱為被控變量Y）經(jīng)檢測元件和變送器，轉(zhuǎn)化為被控變量Y的測量信號（簡稱測量值）Z，通過比較機構(gòu)將被控變量Y的工藝規(guī)定指標（簡稱設(shè)定值）X比較并產(chǎn)生偏差值信號e；由控制器根據(jù)偏差e的正負、大小及變化情況，按預(yù)定的控制規(guī)律實施控制作用，目的是將生產(chǎn)過程的工藝變量（即被控變量Y）始終穩(wěn)定在其工藝給定指標X上。 二、過程控制系統(tǒng)的分類生產(chǎn)過程穩(wěn)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(shè)定值X ）。工業(yè)上通過檢測元件和變送器控制器執(zhí)行器形成“閉環(huán)負反饋系統(tǒng)”，作用于“對象”的操縱變量q，使被控變量Y重新回到其設(shè)定值X上。為便于聯(lián)系，單元之間通過國際統(tǒng)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(zhí)行器之信號，能使被控變量恢復(fù)到設(shè)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(chǎn)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(tǒng)的分類（三）過程自動報警與聯(lián)鎖保護系統(tǒng)為確保生產(chǎn)安全，常對一些關(guān)鍵的生產(chǎn)變量設(shè)有自動

12、信號報警與聯(lián)鎖保護系統(tǒng)。當變量接近臨界數(shù)值時，系統(tǒng)會發(fā)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(tài)時，聯(lián)鎖系統(tǒng)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(fā)生和擴大。 二、過程控制系統(tǒng)的分類（四）過程的自動操縱系統(tǒng)按預(yù)先規(guī)定的程序步驟，自動地對生產(chǎn)設(shè)備進行周期性操作的系統(tǒng)。過程控制的應(yīng)用水平是衡量一個企業(yè)先進程度的重要標準，也是衡量一個國家發(fā)達程度的主要標志。三、過程儀表的分類過程儀表是實現(xiàn)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(zhí)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(shù)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(zhí)行器 ：有氣動、電動、液動等類型。這些儀表之間的關(guān)系如圖0-5所示。圖0-5 過程控制儀表的關(guān)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(wěn)定、可靠性高、防爆性能好且結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(jié)構(gòu)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(tǒng)。2單元組合儀表 ： 所謂單元組合儀表是根據(jù)檢測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)中各組成環(huán)節(jié)的不同功能和使用要求，將整套儀表劃分成能獨立實現(xiàn)一定功能的若干單元（有變送、控制、顯示、執(zhí)行、設(shè)定、計算、輔助、轉(zhuǎn)換等八大單元），各單元之間采用統(tǒng)一信號進行聯(lián)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(jù)控制系統(tǒng)的需要，對各單元進行選擇和組合，從而構(gòu)成多種多樣的、復(fù)雜程度各異的檢測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。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(jié)構(gòu)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(shù)字儀表。1模擬儀表 ：模擬儀表的外部傳輸信號和內(nèi)部處理的信號均為連續(xù)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(shù)字儀表： 數(shù)字儀表的外部傳輸信號有模擬信號和數(shù)字信號兩種，但內(nèi)部處理信號都是數(shù)字量（0，1），如可編程調(diào)節(jié)器等。四、儀表及過程自動化的發(fā)展 伴隨著過程控制系統(tǒng)的發(fā)展，實現(xiàn)過程控制的工具也同樣在不斷地更新?lián)Q代。 過程控制儀表逐步趨于成熟，工業(yè)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(tǒng)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(xiàn)場的儀表均為安全火花型防爆儀表，配上安全柵后，構(gòu)成安全火花防爆系統(tǒng)，相當安全，在化工、煉油等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，并曾一度占主導地位，一些中小企業(yè)及大企業(yè)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(fā)展，出現(xiàn)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(yōu)于DDZ-型儀表。四、儀表及過程自動化的發(fā)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(shù)的飛速發(fā)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(tǒng)（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(lǐng)域向過程控制領(lǐng)域伸出觸角，以其優(yōu)良的技術(shù)性能和良好的性能/價格比在過程控制領(lǐng)域中占據(jù)了一席之地。 四、儀表及過程自動化的發(fā)展 如今，現(xiàn)場總線（Field Bus）這種用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種開放式、全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、多變量、多點、多站的通信系統(tǒng)，除使現(xiàn)場設(shè)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(jiān)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(fā)展 換熱器是化工、石油、輕工、動力等許多工業(yè)部門使用的一種通用設(shè)備。在整個生產(chǎn)過程中占有相當重要的地位。據(jù)資料統(tǒng)計，在一般石油化工企業(yè)中，各種換熱設(shè)備約占全廠設(shè)備總數(shù)的40%左右。由于化工生產(chǎn)中對換熱器有不同的要求，換熱設(shè)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