化工仪表与自动化基础教材

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1、化工仪表与自动化基础教材第一章 绪论第二章 化工自动化的基本概念第一节 化工自动化的主要内容第二节 自动控制系统的基本组成第三节 识读管道仪表流程图（P&ID）第三章 检测仪表第一节 检测仪表的基本性能和分类第二节 压力检测仪表第三节 温度检测仪表第四节 流量检测仪表第五节 物为检测仪表第六节 分析仪表（红外分析仪表,CEMS,COD）第七节 传动设备检测仪第四章 显示仪表第一节 数字显示仪表第二节 无纸记录仪第五章 执行器第一节 概述第二节 气动薄膜调节阀第六章 集散控制系统第一节 集散控制系统的组成第二节 集散控制系统的功能第三节 集散控制系统的操作方法第七章 联锁保护系统第一章 绪论伴随

2、着科学技术的迅猛发展，自动化技术已成为当代举世瞩目的高技术之一。由于生产过程连续化、大型化、复杂化，使得广大工艺、维修、管理人员需要学习和掌握必要的监测技术和自动化知识，这是现代化工业生产实现高效、优质、安全、低耗的基本条件和重要保证，也是提高企业综合竞争实力、提升企业管理水平的前提。本章的重点：对自动化、化工自动化的概念；实现化工自动化的目的；化工自动化发展的过程。自动化技术的进步推动了工业生产的飞速发展，在促进产业革命中起着十分重要的作用。特别是在石油、化工、冶金、轻工等部门，由于采用了自动化仪表和集中控制装置，促进了连续生产过程自动化的发展，大大地提高了劳动生产率，获得了巨大的社会效益和

3、经济效益。化工自动化是化工、炼油、食品、轻工等化工类生产过程自动化的简称。在化工设备上，配置上一些自动化装置，代替操作人员的部分或全部直接劳动，是生产在不同程度上自动地进行，这种用自动化装置来管理化工生产过程的办法，称为化工自动化。自动化是提高社会生产力的有力工具之一，实现化工生产自动化的目的如下。1） 加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量。在生产过程由于人的五官对事物量的测量精度较差，而且许多量值无法用感官进行测量，所以产品质量难以有效控制；同时由于人的手和脚的速度和力量有限，无法长时间，高效率、大规模生产。所以只有利用利用自动化装置，才能使生产过程在最佳条件下进行，从而大大加快生

4、产的速度，降低能耗，实现优质高产。2） 减轻劳动强度，改善劳动条件。作为化肥企业，我公司的生产过程大部分高温高压状态，生产系统中的产品和半产品大多具有易燃、易爆、易中毒、有腐蚀性等特点，只有实现自动化控制，才能减少操作人员对生产过程的直接控制，远离危险环境，改善劳动条件。3） 能够保证工艺生产和设备运行的安全，防止事故的发生或扩大。生产过程中经常出现各种不正常的因素如各种压缩机，由于设备问题引起的轴承温度升高；程控系统中的阀门动作不到位；压力容器由于操作调整不当过引起设备超压等现象，如果能够实现有效的连锁保护，就可以防止或减少事故的发生。4） 生产过程自动化的实现，能够改变劳动方式，提高工人的

5、文化和技术水平。化工自动化的发展大致经历了五个阶段：1） 20世纪30、40年代，主要采用是基地式仪表和部分气动单元组合仪表，被控量主要集中在温度、压力、流量等过程参数。2） 20世纪40、50年代，采用仪表仍以基地式为主，气动单元仪表开始大量应用，控制方案主要单回路的定值控制和随动控制。3） 20世纪50、60年代，气动和电动单元仪表成为当时控制仪表的主流，控制方案主要是常用的复杂控制系统如：串级、均匀、前馈等。4） 20世纪70年代开始，直接数字控制（DDC）实现集中控制，并在后期出现集散控制系统（DCS），控制方案仍以PID控制为主，再加上一些复杂控制算法，并没有充分发挥计算机的功能和控

6、制水平。5） 20世纪80以后，在DCS系统上实现了先进控制和优化控制。同时随着计算机及网络技术的发展，现场总线开始出现，以此为标准，实现以微处理器为基础的现场仪表与控制系统之间进行全数字、双向和多站通讯的现场总线网络控制系统（FCS）。它将对控制系统结构带来革命性变革，开辟自动控制系统的新纪元。 要有结束语第二章 化工自动化的基本概念第一节 化工自动化的主要内容本节的重点：自动检测系统、联锁保护系统、自动操作系统、自动控制系统的基本功能。为了实现化工生产过程自动化，一般要包括自动检测、联锁保护、自动操作和自动控制等内容，现分别给予介绍。1， 自动检测系统自动检测系统就是利用各种检测仪表和电器

7、设备实现对生产过程中的主要参数进行测量、指示、记录等功能总和。它代替了操作人员对工艺参数的不断观察与记录，起到了人的眼睛的作用。对于我公司的自动检测系统主要对温度、压力、液位、流量、气体成份、水质等参数进行自动测量。2， 联锁保护系统生产过程中，有时由于一些偶然性因素的影响，可能导致工艺参数超出允许的变化范围而出现不正常情况，使生产处于危险和事故状态。如果不立即采取紧急措施，就有可能造成生产和设备事故，此时由联锁系统立即自动采取紧急措施，如关闭或打开阀门、停机、停电等。公司内的水煤气压缩机、N/H气压缩机、汽轮机等都有相应的联锁保护系统。ESD(emergency shutdown syste

8、m )紧急停车系统、ETS汽机跳闸保护功能等都属于联锁保护系统的范围。3， 自动操纵及自动开停车系统自动操纵系统可以根据预先设计的时序自动地对生产设备进行周期性的操作。如变压吸附脱碳工艺（PSA-CO2），固定床间歇式造气工艺、热电的浓相气力自动输灰系统等生产环节利用控制系统的强大功能，使生产自动进行，大大的减轻了操作工人的劳动强度，有些系统已经达到无人值守。自动开停车系统可以按照预先设定好的步骤，自动将生产过程自动的投入运行，减少人为失误，如汽轮机在不同状态下的自动升温开车过程、如冷态、温态、热态、极热态的自动暖机过程，以及过临界升速率自动控制过程。4， 自动控制过程 生产过程中的各种工艺条

9、件不可能是一成不变的。尤其像我们这样工艺复杂、干扰因素多的化工企业，在连续生产的过程中各项参数都或多或少会偏离正常的工艺条件，为此，就需要利用一些自动控制装置，对生产中某些关键性参数进行自动控制，使他们在受到外界干扰的影响而偏离正常状态时，能自动地控制而回到规定的范围内，为此目的而设置的系统就是自动控制系统。 综上所述，自动检测系统只能完成了解生产过程所处的状态；联锁保护系统只能在工艺条件进入某种极限状态时，采取安全措施，以避免生产事故的发生；自动操作系统只能按照预先规定的步骤进行周期性操作；只有拥有了自动控制系统才能自动的排除各种干扰因素的影响，使工艺参数始终保持在预先设定的数值上。第二节

10、自动控制系统的组成自动控制系统是在人工控制的基础上产生和发展起来的。所以，在开始介绍自动控制的时候，先分析人工操作，并与自动控制加以比较，这种分析方法对了解自动控制系统是有裨益的。图1-2所示是一个液体储槽，在生产中常用来作为一般的中间容器。从前一个工序来的物料连续不断的流入槽中，而槽中的液体又送至下一个工序进行加工或储存。当流入量Qi(或流出量Qo)波动时就会引起槽内液位的波动，严重时会溢出或抽空，解决这个问题的最简单办法是以储槽液位为操作指标，以改变出口阀门开度为控制手段，如图1-2a所示。当液位上升时，将出口阀门开大，液位上升越多，阀门开的越大；反之，当液位下降时，则关小出口阀门，液位下

11、降越多，阀门关的越小。为了使液位上升和下降都有足够的余地，选择玻璃管液位计指示中间的某一点为正常工作时的液位高度，通过改变出口阀门开度而使液位保持在这一高度上，这样就不会出现储槽内液位过高而溢出槽外，或使储槽内液体抽空而发生事故的现象。归纳起来，操作人员所进行的工作有三个方面，如图1-2b所示。（1） 检测：用眼睛观察玻璃管液位计中的液位高低，并通过神经系统告诉大脑。（2） 运算（思考）、命令：大脑根据眼睛看到的液位高度，加以思考并与要求的液位值进行比较，得出偏差的大小和正负，然后根据经验，经思考、决策后发出命令。（3） 执行：根据大脑发出的命令，通过手去改变阀门开度，以改变出口流量Qo，从而

12、使液位保持在所需高度上。 眼、脑、手三个器官，分别担负了监测、运算和执行三个作用，来完成测量、求偏差、操纵阀门以纠正偏差的全过程。由于人工控制受到人的生理上的限制，因此在控制速度和精度上都满足不了大型现代化生产的需要。为了提高控制精度和减轻劳动强度，可以用一套自动化装置来代替上述人工操作，这样就由人工控制变为自动控制了。液体储槽和自动化装置一起构成了一个自动化控制系统，如图1-3所示。 为了完成人的眼、脑、手三个器官的任务，自动化装置一般至少包括三个部分，分别来模拟人的眼、脑和手的功能。如图1-3所示，自动化装置的三个部分分别是：（1） 测量元件与变送器 它的功能是测量液位并将液位的高低转化为

13、一种特定的、统一的输出信号（如电压、电流信号等）；（2） 自动控制器 它接受变送器送来的信号，与工艺需要保持的液位高度相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用特定信号值来改变阀门的开启度。（3） 执行器 通常指控制阀，它与普通阀门的功能一样，只不过它能自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门的开启度。由上可知，自动化装置具有人工控制中操作人员的眼睛、大脑、手脚的部分功能，因此它自动的完成储槽液位的控制。图（）第三节 识读管道仪表流程图任何一个产品的工业生产，都经历了将原材料逐次加工到半产品乃至成品的过程。整个生产过程的表述方法是多样的，但管道仪表流程图（P&ID：Piping a

14、nd Instrument Diagram）在表达部分或整个生产工艺无疑是最为直观和简捷的途径。管道仪表流程图是工艺、设备、管理人员学习掌握生产过程的首选教材，也是其设计施工的重要依据。管道仪表流程图就是过去所说的带控点的工艺流程图，是借助统一规定的图形符号和文字代号，用图示的方法把建立化工工艺装置所需的全部设备、仪表、管道、阀门及主要管件，按其各自功能以及工艺要求组合起来，以起到描述工艺装置的结构和功能的作用。因此，管道仪表流程图不仅表达了部分或整个生产过程的工艺、设备、仪表等的设置状况，更重要的是体现了对该工艺过程相互联系、及所实施的控制方案，是编制试压、吹除、联动试车等操作方案的基础。一

15、、 仪表位号 仪表位号由仪表功能标志和仪表回路编号两部分组成，如TIR-1106,PT-1203等，常用的仪表功能字母代号如下表：字母代号被测变量后继字母A分析（Analytical）报警(Alarm)C控制（Control）D差（Differential）F流量(Flow)L物位(Level)灯（Light）I指示(Indicating)P压力、真空(Press Vacuum)Q累计（Totalize）R记录(Recorder)T温度(Temperature)传送(Transmit)V阀、风门(Valve Damper)例：表示具有记录和累计功能的流量仪表，编号为；表示压力指示仪表，编号为表

16、示用于液位控制的调节阀，编号为二、 工艺流程图设备及管件代号常用设备字母代号如下表：序号设备符号设备名称序号设备符号设备名称压缩机塔换热器容器加热器其他设备泵分离器反应器计量罐管道编号一般由原料代号，主项编号，管道顺序好，管道公称通径，管道压力等级，隔热隔音代号；管道等级分别由管道材质类别，管道工程压力，管道主要的密封形式，管道垫片形式1,材质类别分别用英文字母代表如下：铸铁和硅铁管；碳钢管；普通低合金管；合金钢管；不锈钢管；有色金属管2,管道压力用阿拉伯数字表示公称压力0.005MPa0.6MPa1.0MPa1.6Mpa2.5MPa4.0MPa6.3Mpa10MPa压力代号000123456

17、3,用英文字母表示该管道主要的一种密封形式光滑面梯形槽凸凹面管螺纹连接榫槽面承插连接4,用阿拉伯表示管道垫片形式钢制法兰用石棉橡胶板垫片钢制法兰用柔性石墨复合垫片钢制法兰用聚四氟乙烯包覆垫片钢制法兰用缠绕式垫片钢制法兰用齿形组合垫片，隔热及隔音代号用英文字母保温保冷人身防护隔音例如：碳钢蒸汽管线，公称直径，公称压力2.5MPa，主要采用平面法兰，垫片用石棉橡胶板垫片，做保温处理。三、 管道仪表流程图读图步骤， 从左到右依次识读各类设备，分清东设备和静设备，理解各设备的功能，如换热器、分离器、泵、压缩机等。， 在熟悉工艺设备的基础上，根据管道中所标注的介质名称、特性、流向等分析工工艺流程。， 了

18、解各工艺介质间的能量转换关系，各介质所处的相态。， 根据仪表设置情况了解控制方案和调节过程。第三章 检测仪表在化工生产过程中，为了正确地指导生产操作、保证生产安全、提高产品质量和实现生产过程的自动化，一项不可少的工作是准确而及时地检测出生产过程中的各个有关参数，例如压力、流量、液位、温度等。用来监测这些参数的技术工具称为检测仪表。本章将对这些仪表的基本特性进行简要介绍。第一节检测仪表的基本性能和分类一、 仪表的性能指标我们通常所说的仪表“准”与“不准”，反映“灵敏”与“滞后”等都是仪表性能指标的一个通俗说法，但不够准确也不全面，下面我们具体说明仪表一些基本性能。， 精确度（简称精度）任何测量过

19、程都存在一定的误差，因此“准”与“不准”都是相对的，要正确的估计测量结果与真实值的差距，就必须知道仪表的精确程度。某种仪表的最大绝对误差max测量值真实值其允许的最大相对误差为max（测量范围上限值测量范围下限值）100%根据仪表的使用要求，规定在一个正常情况下允许的最大误差，这个允许的最大误差就就叫允许误差。允许误差一般用相对百分比误差来表示，即一台仪表的允许误差是指在规定的正常情况下允许的相对百分比误差的最大值，即允max（测量范围上限值测量范围下限值）100%仪表的允越大，表示它的精确度越低；反之，仪表的允越小，表示仪表的精确度越高。将仪表的允许的最大相对百分误差去掉“”及“”号，便是仪

20、表的精确等级。国家规定的仪表等级有0.005,0.5,0.2,0.5,1.0,1.6,2.5,4.0等，我们现场使用的仪表一般为0.2级到2.5级之间。例某台测温仪表的测温范围为，其精度等级为2.5级，其允许误差为多少？解：由允max（测量范围上限值测量范围下限值）100%得max2502.5%=6.25另外还有一些指标如变差、分辨力、线性度、反应时间等指标，因为这些指标现场使用不多，这里就不做介绍了。二、 仪表的分类工业仪表种类繁多，结构形式各异，根据不同的原则，可以进行相应的分类。， 按仪器使用的能源分类可分为气动仪表、电动仪表和液动仪表。， 按信息的获得、传递、反映、处理的过程可分为：检

21、测仪表、显示仪表、集中控制装置、控制仪表、执行器等。（1），检测仪表的主要作用是获取信息，并进行适当的转换。在生产过程中，检测仪表主要主要用来测量某些工艺参数，如温度、压力、流量、物位以及物料的成分、物性等，并将被测参数的大小成比例的转换成电的信号（电压、电流、频率等）或气压信号。（2），显示仪表的作用是将由检测仪表获得的信息显示出来，包括各种模拟量、数字量的指示仪、记录仪和计算器，以及工业电视、图像显示器等。（3），集中控制装置如可编程控制器、集散控制器等，它能够完成除检测仪表、执行仪表以外所有功能。（4）控制仪表可以根据需要对输入信号进行各种运算和转换，例如放大、积分、微分等运算，电气转换

22、、电液转换。控制仪表包括各种电动、气动的控制器以及用来代替模拟控制仪表的微处理器等。（5）执行器 执行器可以接受控制仪表的输出信号或直接来自操作人员的指令，对生产过程进行操作或控制。执行器包括各种气动、电动、液动执行器和控制阀。他们之间的关系可用下图来表示：集中控制装置显示仪表生产过程检测仪表执行器控制仪表第三章 检测仪表第一节 压力检测仪表压力检测是化工生产过程中监控的最为重要的参数之一。合成氨生产过程中要将只有24Kpa的版半水煤气逐步加压升高到20MPa以上，压力相差1000倍，如果不进行对压力进行准确测量将无法组织生产，也无法保证产品质量，同时准确的压力生产还是保证设备安全的前提。此外

23、，压力测量的意义还不局限于它自身，有许多种类的流量、液位、密度等测量仪表也是通过对压力的直接测量来间接的反应其参数的大小。所以掌握压力测量仪表的运行原理非常重要。一、 压力的单位工业中常用的压力国际单位有Pa、Mpa、Kpa等，另外还有一些非标准单位如大气压、公斤/厘米2等，各单位之间的换算关系如下表：另外在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分，其关系可以见下图工程上所用的压力指示值，大多数为表压。表压是绝对压力和大气压力之差，即P表压=P绝对压力-P大气压力当被测压力低于大气压力时，一般采用负压或真空度来表示，它是大气压与绝对压力之差，即P真空度=P大气压力-P绝对压力因为各种工艺设备和测量仪表通常是处于大气之中，本来就承受着大气压力，所以除特别说明外，提到的压力均指表压或真空度。P表P真P绝P绝大气压线