过程控制仪表下

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1、 第第3 3章章 过程控制仪表（下）过程控制仪表（下） 过程仪表的定义及作用过程仪表的定义及作用3.3.1 数字式控制器的基本构成数字式控制器的基本构成 模拟式调节器的局限性越来越明显：模拟式调节器的局限性越来越明显：1）功能单一，灵活性差；）功能单一，灵活性差；2）信息分散，所用仪表多，且监视操作不方便；）信息分散，所用仪表多，且监视操作不方便；3）接线过多，系统维护难度大。）接线过多，系统维护难度大。 数字式控制器的硬件电路由主机电路、过程输入通道、过程输出通道、人/机接口电路以及通信接口电路等构成。 1.数字式控制器的硬件电路数字式控制器的硬件电路 YS100单回路调节器单回路调节器 数

2、字式控制器的硬件电路 （1 1）主机电路）主机电路 主要由微处理器主要由微处理器CPUCPU、只读存储器、只读存储器ROMROM和和EPROMEPROM、随机存储器、随机存储器RAMRAM、定时、定时/ /计数器计数器CTCCTC以及输入以及输入/ /输出输出接口等组成，它是数字控制器的核心，用于数据运算处理接口等组成，它是数字控制器的核心，用于数据运算处理和各组成部分的管理。和各组成部分的管理。（2 2）过程输入通道）过程输入通道 包括模拟量输入通道和开关量输入包括模拟量输入通道和开关量输入通道两部分，其中模拟量输入通道主要由多路模拟开关、通道两部分，其中模拟量输入通道主要由多路模拟开关、采

3、样采样/ /保持器和保持器和A/DA/D转换器等组成，其作用是将模拟量输入转换器等组成，其作用是将模拟量输入信号转换为相应的数字量；而开关量输入通道则将多个开信号转换为相应的数字量；而开关量输入通道则将多个开关输入信号通过输入缓冲器将其转换为能被计算机识别的关输入信号通过输入缓冲器将其转换为能被计算机识别的数字信号。数字信号。 （3 3）过程输出通道）过程输出通道 主要包括模拟量输出通道和开关量主要包括模拟量输出通道和开关量输出通道两部分，其中模拟量输出通道由输出通道两部分，其中模拟量输出通道由D/AD/A转换器、多路转换器、多路模拟开关输出保持器和模拟开关输出保持器和V/IV/I转换器等组成

4、，其作用是将数字转换器等组成，其作用是将数字信号转换为信号转换为1 15V5V模拟电压或模拟电压或4 420mA20mA模拟电流信号。开关模拟电流信号。开关量输出通道则通过输出缓冲器输出开关量信号，以便控制量输出通道则通过输出缓冲器输出开关量信号，以便控制继电器触点或无触点开关等。继电器触点或无触点开关等。 （4）人）人/机联系部件机联系部件 主要包括显示仪表或显示器、主要包括显示仪表或显示器、手动操作装置等，它们被分别置于数字式控制器的正手动操作装置等，它们被分别置于数字式控制器的正面和侧面。正面的设置与常规模拟式控制器相似，有面和侧面。正面的设置与常规模拟式控制器相似，有测量值和设定值显示

5、表、输出电流显示表、运行状态测量值和设定值显示表、输出电流显示表、运行状态切换按钮、设定值增切换按钮、设定值增/减按钮、手动操作按钮等。侧面减按钮、手动操作按钮等。侧面则有设置和指示各种参数的键盘、显示器等。则有设置和指示各种参数的键盘、显示器等。（5）通信部件）通信部件 主要包括通信接口、发送和接收电路主要包括通信接口、发送和接收电路等。通信接口将发送的数据转换成标准通信格式的数等。通信接口将发送的数据转换成标准通信格式的数字信号，由发送电路送往外部通信线路，再由接收电字信号，由发送电路送往外部通信线路，再由接收电路接收并将其转换成计算机能接收的数据。数字通信路接收并将其转换成计算机能接收的

6、数据。数字通信大多采用串行方式。大多采用串行方式。 （1）系统管理软件）系统管理软件 主要包括监控程序和中断处理程主要包括监控程序和中断处理程序两部分，它们是控制器软件的主体。监控程序又包序两部分，它们是控制器软件的主体。监控程序又包含系统初始化、键盘和显示管理、中断管理、自诊断含系统初始化、键盘和显示管理、中断管理、自诊断处理及运行状态控制等模块；中断处理程序则包含键处理及运行状态控制等模块；中断处理程序则包含键处理、定时处理、输入处理和运算控制、通信处理和处理、定时处理、输入处理和运算控制、通信处理和掉电处理等模块。掉电处理等模块。（2）用户应用软件）用户应用软件 用户应用软件由用户自行编

7、制，用户应用软件由用户自行编制，采用采用POL(面向过程语言面向过程语言)编程，因而设计简单、操作编程，因而设计简单、操作方便。在可编程控制器中，这些应用软件以模块或指方便。在可编程控制器中，这些应用软件以模块或指令的形式给出，用户只要将这些模块或指令按一定规令的形式给出，用户只要将这些模块或指令按一定规则进行连接（亦称组态）或编程，即可构成用户所需则进行连接（亦称组态）或编程，即可构成用户所需的各种控制系统。的各种控制系统。 2. 数字式控制器的软件数字式控制器的软件 3.3.2 数字式控制器实例数字式控制器实例 目前广泛使用的产品有DK系列的KMM数字调节器、YS-80系列的SLPC数字调

8、节器、FC系列的PMK数字调节器以及Micro760/761数字调节器等，由于它们的运算与控制功能是靠组态或编程实现的，且只控制一个回路，所以又常将它们称为单回路可编程数字调节器。以SLPC数字调节器为例。 1.SLPC可编程数字调节器的硬件构成可编程数字调节器的硬件构成 具有基本的PID、微分先行PID、采样PI、批量PID、带可变滤波器设定的PID等多种控制功能，还可构成串级、选择性、非线性等多种复杂的过程控制系统，并具有自整定、自诊断、通信等许多特殊功能 SLPC可编程控制器的硬件电路 各部分电路的具体构成及其功能简述如下：（1） 主机电路主机电路 主机电路中的CPU采用8085AHC芯

9、片,时钟频率为10MHz；系统ROM为64KB,用于存放监控程序和各种功能模块；用户ROM为2KB,用于存放用户程序;RAM为16KB。（2） 过程输入过程输入/输出通道输出通道 具有如下特点： 1）输入通道中有5路模拟量输入和6路开关量输入。模拟量输入由RC滤波器、多路开关、PC648D型高速12位D/A转换器和比较器等组成，通过CPU反馈编码，实现比较型模/数转换。 2）输出通道中有3路模拟量输出和6路开关量输出。模拟量输出中有1路输出为420mA.DC直流电流，可驱动现场执行器；另两路输出为15V.DC直流电压，提供给控制室的其它模拟仪表。 3）用一片PC648D型12位高速D/A芯片，

10、将CPU输出的数字量转换为模拟量输出，在CPU的程序支持下，通过比较器将模拟量输入转换成数字量输出；开关量输入与开关量输出共用同一通道，其选择由使用者用程序确定；所有开关量输入/输出通道与内部电路之间均用高频变压器隔离。 4）在过程输入）在过程输入/输出通道中分别设计了输出通道中分别设计了“故障故障/保持保持/软手动软手动”功能。功能。 模拟输入信号经滤波后分为两路，一路经模数转换后进入模拟输入信号经滤波后分为两路，一路经模数转换后进入CPU;另一路另一路则送往故障则送往故障/PV开关。当仪表工作不正常时，由开关。当仪表工作不正常时，由CPU的自检程序通过的自检程序通过WDT电路发出故障报警信

11、号，并自动将电路发出故障报警信号，并自动将“故障故障/PV”开关切换到故障位开关切换到故障位置，直接显示被控量；与此同时，故障输出信号则将模拟量输出中的置，直接显示被控量；与此同时，故障输出信号则将模拟量输出中的输出电流切换成保持状态，以便进行软手动操作。输出电流切换成保持状态，以便进行软手动操作。（3）人）人/机联系部件机联系部件 SLPC的人的人/机联系部件的正面面板与模拟式调节机联系部件的正面面板与模拟式调节器类似，其不同之处是测量值与给定值显示器有模拟动圈式和数字式器类似，其不同之处是测量值与给定值显示器有模拟动圈式和数字式两种；此外，还设置了给定值增两种；此外，还设置了给定值增/减按

12、键、串级减按键、串级/自动自动/软手动切换软手动切换/操作操作按键、故障显示和报警显示灯等。它的侧面面板设置有触模式键盘和按键、故障显示和报警显示灯等。它的侧面面板设置有触模式键盘和数字显示器、正数字显示器、正/反作用开关以及编程器和写入程序的芯片插座等，可反作用开关以及编程器和写入程序的芯片插座等，可以很方便地进行数据修改、参数整定等操作。以很方便地进行数据修改、参数整定等操作。（4）通信接口电路）通信接口电路 SLPC的通信接口电路由的通信接口电路由8251型可编程通信接口型可编程通信接口芯片和光电隔离电路组成。该电路采用半双工、串行异步通信方式，芯片和光电隔离电路组成。该电路采用半双工、

13、串行异步通信方式，一方面将发送信号转换成标准通信格式的数字信号，另一方面则将外一方面将发送信号转换成标准通信格式的数字信号，另一方面则将外部通信信号转换成部通信信号转换成CPU能接受的数据能接受的数据. 为便于用户编程，为便于用户编程，SLPC为用户提供的是采用为用户提供的是采用面向问题、面向过程的面向问题、面向过程的“自然语言自然语言”编程平台。生编程平台。生产商预先将常用的运算控制功能编制成标准程序模产商预先将常用的运算控制功能编制成标准程序模块块 ，以指令命名。使用时将所需运算模块和控制模，以指令命名。使用时将所需运算模块和控制模块块“组态组态”，实现控制功能。，实现控制功能。SLPC的

14、用户的用户基本指令共基本指令共46种分三类种分三类数据传输类指令两种：数据传输类指令两种：LD，ST结束指令：结束指令：END功能指令：功能指令：43种种2. SLPC可编程数字调节器的软件可编程数字调节器的软件 1) 基本运算模块基本运算模块 11个个 有有运算；运算；、 E运算（小信号切除点运算（小信号切除点固定的开方、小信号切除点可变的开方）；取绝对固定的开方、小信号切除点可变的开方）；取绝对值运算；高选、低选；高、低限幅。值运算；高选、低选；高、低限幅。2) 函数运算模块函数运算模块 13个个折线函数、一阶惯性、微分运算、纯滞后运算、折线函数、一阶惯性、微分运算、纯滞后运算、变化率运算

15、、变化率限幅、移动平均运算、状态变变化率运算、变化率限幅、移动平均运算、状态变化监测、计时、程序设定、脉冲计数、积算脉冲输化监测、计时、程序设定、脉冲计数、积算脉冲输出。出。3) 条件判断运算模块条件判断运算模块 14个个上下限报警、逻辑运算、转移指令、转子指令、上下限报警、逻辑运算、转移指令、转子指令、子程序块、比较指令、信号切换子程序块、比较指令、信号切换4) 运算寄存器位移指令运算寄存器位移指令 CHG ROD 5) 控制模块控制模块 3种种（1）基本控制模块基本控制模块BSC内含内含1个调节单元个调节单元CNT1，相当于，相当于模拟仪表中的模拟仪表中的1台台PID调节器，其功能调节器，

16、其功能框图如图所示。框图如图所示。（2）串级控制模块串级控制模块CSC 内含两个调节单元内含两个调节单元CNT1和和CNT2，根据串级开关状态，根据串级开关状态，CNT2可接受可接受CNT1的输出作为的输出作为设定信号，组成双回路串级设定信号，组成双回路串级控制系统，也可直接接受另控制系统，也可直接接受另一设定信号一设定信号SV2，实现副回路，实现副回路的单独控制。的单独控制。 （3）选择控制模块选择控制模块SSC内部包含两个并行工作的内部包含两个并行工作的PID调节单元调节单元CNTI和和CNT2，另，另有一自动选择单元有一自动选择单元CNT3。CNT3的控制规律为三选一：的控制规律为三选一

17、：CNT3 = 0 为低选为低选CNT3 = 1 为高选为高选编程举例：编程举例：例例1 把两个输入变量把两个输入变量X1 、X2相加后，从相加后，从Y1端口端口 输出。输出。 程序：程序： LD X1 （读入（读入X1 数据）数据） LD X2 （读入（读入X2数据）数据） + （对（对X1 、X2求和）求和） ST Y1 (将结果送往将结果送往Y1) END (结束程序结束程序)用户程序的写入和调试用户程序的写入和调试1) 利用编程器逐句健入用户程序：利用编程器逐句健入用户程序： 移入移入ROM插座插座主程序（主程序（MPR） 子程序（子程序（SBP） 指定指定DIO功能功能 指定控制字指

18、定控制字CNT1CNT5 其它参数其它参数 END2) 程序的调试程序的调试仿真调试仿真调试 真实对象调试真实对象调试 写入写入EPROM3.4 3.4 执行器及安全栅执行器及安全栅3.4.1 执行器的构成原理执行器的构成原理执行器由执行器由执行机构执行机构和和调节机构（调节阀）调节机构（调节阀）两部分组成两部分组成。接受调节器输出的控制信号，并转换成直线位移或角位。接受调节器输出的控制信号，并转换成直线位移或角位移来改变调节阀的流通面积，以控制流入或流出被控过程移来改变调节阀的流通面积，以控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。的物料或能量，从而实现对过程参数的自动

19、控制。 执行器有自动调节阀门、自动电压调节器、自动电流执行器有自动调节阀门、自动电压调节器、自动电流调节器、控制电机等。其中自动调节阀门是最常见的执行调节器、控制电机等。其中自动调节阀门是最常见的执行器，种类繁多。器，种类繁多。自动调节阀按照工作所用能源形式可分为：自动调节阀按照工作所用能源形式可分为：q电动调节阀电动调节阀：电源配备方便，信号传输快、：电源配备方便，信号传输快、损失小，可远距离传输；但推力较小。损失小，可远距离传输；但推力较小。q气动调节阀气动调节阀：结构简单，可靠，维护方便，：结构简单，可靠，维护方便，防火防爆；但气源配备不方便。防火防爆；但气源配备不方便。q液动调节阀液动

20、调节阀：用液压传递动力，推力最大；：用液压传递动力，推力最大；但安装、维护麻烦，使用不多。但安装、维护麻烦，使用不多。 工业中使用最多的是气动调节阀和电动调节阀。工业中使用最多的是气动调节阀和电动调节阀。 1. 气动执行机构气动执行机构 它由膜片、阀杆和平衡弹簧等组成，是执行器的推动装置。它接受气动调节器或电/气转换器输出的气压信号，经膜片转换成推力并克服弹簧力后，使阀杆产生位移，带动阀芯动作。 1-上盖 2膜片 3一平衡弹簧 4一阀杆 5阀体 6阀座 7阀芯 气动执行机构有正作用和反作用两种形式气动执行机构有正作用和反作用两种形式: :当输入气压信号增加时阀杆向下移动时称当输入气压信号增加时

21、阀杆向下移动时称正作用正作用；当输入气压信号增加时阀杆向上移动时称当输入气压信号增加时阀杆向上移动时称反作用反作用。在工业生产中口径较大的调节阀通常采用正作用方式。在工业生产中口径较大的调节阀通常采用正作用方式。 lKAp 气动薄膜执行机构的静态特性表示平衡状态时输入气动薄膜执行机构的静态特性表示平衡状态时输入的气压的气压p与阀杆位移与阀杆位移l的关系，即的关系，即 A为膜片的有效面积；K为平衡弹簧的弹性系数 气动执行机构的动态特性可近似成一阶惯性环节，其惯气动执行机构的动态特性可近似成一阶惯性环节，其惯性的大小取决于膜头空间的大小与气管线的长度和直径。性的大小取决于膜头空间的大小与气管线的长

22、度和直径。 2. 电动执行机构电动执行机构 电动执行机构根据配用的调节机构不同，其输出方式有电动执行机构根据配用的调节机构不同，其输出方式有直行程、角行程和多转式三种类型，其电气原理完全相同，直行程、角行程和多转式三种类型，其电气原理完全相同，仅减速器不一样。仅减速器不一样。 电动执行机构的组成框图电动执行机构的组成框图 伺服放大器原理图伺服放大器原理图 校正网络原理图校正网络原理图 （1） 直通单座阀直通单座阀流体对阀芯的不平流体对阀芯的不平衡作用力大。一般用在小衡作用力大。一般用在小口径、低压差的场合。口径、低压差的场合。q结构简单、泄漏量小。结构简单、泄漏量小。3调节机构调节机构 调节机

23、构就是阀门，是一个局部阻力可以改变调节机构就是阀门，是一个局部阻力可以改变的节流元件。根据不同的使用要求，阀门的结构型的节流元件。根据不同的使用要求，阀门的结构型式很多。式很多。 正装阀正装阀阀芯下移时，阀芯与阀阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积增大座间的流通截面积增大阀门中的柱式阀芯可以正装，也可以反装。阀门中的柱式阀芯可以正装，也可以反装。 反装阀反装阀阀芯下移时，阀芯与阀阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积减小座间的流通截面积减小（2 2） 直通双座阀直通双座阀 阀体内有两个阀芯和阀座。阀体内有两个阀芯和阀座。q流体流过时，作用在上、下两个阀芯上的推流体流过时，作用在上、下两个阀芯上的

24、推力方向相反且大小相近，可以互相抵消，所以不平力方向相反且大小相近，可以互相抵消，所以不平衡力小。衡力小。q但是，由于加工的但是，由于加工的限制，上下两个阀芯阀限制，上下两个阀芯阀座不易保证同时密闭，座不易保证同时密闭，因此泄漏量较大。因此泄漏量较大。（3）角形控制阀角形控制阀两个接管呈直角形，一般为底进侧出，这种阀的两个接管呈直角形，一般为底进侧出，这种阀的流路简单、对流体的阻力较小。流路简单、对流体的阻力较小。q适用于现场管道适用于现场管道要求直角连接，介质要求直角连接，介质为高粘度、高压差和为高粘度、高压差和含有少量悬浮物和固含有少量悬浮物和固体颗粒状的场合。体颗粒状的场合。 （4 4）

25、 三通控制阀三通控制阀 有三个出入口与工艺管道连接。流通方式有合有三个出入口与工艺管道连接。流通方式有合流型（两种介质混合成一路）和分流型（一种介质流型（两种介质混合成一路）和分流型（一种介质分成两路）两种。适用于配比控制与旁路控制。分成两路）两种。适用于配比控制与旁路控制。（5）隔膜控制阀隔膜控制阀 采用耐腐蚀材料作采用耐腐蚀材料作隔膜，将阀芯与流体隔隔膜，将阀芯与流体隔开。开。q结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其他结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其他种类的阀要大。由于介质用隔膜与外界隔离，故无填种类的阀要大。由于介质用隔膜与外界隔离，故无填料，介质也不会泄漏。料，介质也不会泄漏。q

26、耐腐蚀能力强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性耐腐蚀能力强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也能用于高粘度及悬浮颗粒状介质的控介质的控制，也能用于高粘度及悬浮颗粒状介质的控制。制。 q适用于大口径、适用于大口径、大流量、低压差的场大流量、低压差的场合，也可以用于含少合，也可以用于含少量纤维或悬浮颗粒状量纤维或悬浮颗粒状介质的控制。介质的控制。（6）蝶阀蝶阀又名翻板阀。又名翻板阀。结构简单、重量轻、流阻极小，但泄漏量大。结构简单、重量轻、流阻极小，但泄漏量大。3.4.2 气动执行器的应气动执行器的应用用1. 调节阀的尺寸调节阀的尺寸 通常用公称直径通常用公称直径Dg和阀座直径和阀座直径dg表示，

27、它们的确定是合理应用执行表示，它们的确定是合理应用执行器的前提条件。确定调节阀尺寸的主要依据是流通能力，它定义为调器的前提条件。确定调节阀尺寸的主要依据是流通能力，它定义为调节阀全开、阀前后压差为节阀全开、阀前后压差为0.1MPa、流体重度为、流体重度为1g/cm3时，每小时通时，每小时通过阀门的流体流量（过阀门的流体流量（m3或或kg）。）。 当流体为不可压缩时，通过调节阀的体积流量为当流体为不可压缩时，通过调节阀的体积流量为: 0122()VgqAppr为流量系数，它取决于调节阀的结构形状和流体流动状况，可从有关手册查阅或由实验确定；A0为调节阀接管截面积；g为重力加速度；r为流体重度。

28、依据流通能力的定义，则有依据流通能力的定义，则有 gAC20流通能力C与调节阀的结构参数有确定的对应关系。这就是确定调节阀尺寸的理论依据。 可得流通能力与流体重度、阀前后压差和介质流量三者的定量关系，即 (335)VrCqpmaxqpmaxCmaxC调节阀尺寸的确定过程为：根据通过调节阀的最大流量，r流体重度以及调节阀的前后压差，先由式（335）求得最大的流通能力，然后选取大于即可依据表32确定出Dg和dg的大小。 的最低级别的C值，公称直径Dg(mm)202532405065阀门直径dg(mm)245678101215202532405065流通能力C单座阀0.080.120.200.320

29、.500.801.22.03.25.0812203256双座阀1016254063公称直径Dg(mm)80100125150200250300阀门直径dg(mm)80100125150200250303流通能力C单座阀80120200280450双座阀10016025040063010001600表3-2 调节阀流通能力C与其尺寸的关系 执行器的“气开、气关”有四种构成方式 序号序号执行机构执行机构作用方式作用方式阀体作用阀体作用方式方式执行器气开、执行器气开、气关形式气关形式a正正正正气关气关b正正反反气开气开c反反正正气开气开d反反反反气关气关3 调节阀的流量特性调节阀的流量特性调节阀的阀

30、芯位移与流量之间的关系，对控制调节阀的阀芯位移与流量之间的关系，对控制系统的调节品质有很大影响。系统的调节品质有很大影响。流量特性的定义：流量特性的定义：被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系称为调节阀的流量特性。度（相对位移）间的关系称为调节阀的流量特性。max( )qlfqLq/qmax 相对流量相对流量 l/L 相对开度相对开度 相对流量相对流量q/qmax 是控制阀某一开是控制阀某一开度流量度流量q与全开时流量与全开时流量qmax之比；之比； 相对开度相对开度l/L 是控制阀某一开度是控制阀某一开度行程行程l与全开行程与全

31、开行程L之比。之比。 调节阀的流量特性不仅与阀门调节阀的流量特性不仅与阀门的结构和开度有关，还与阀前后的的结构和开度有关，还与阀前后的压差有关，必须分开讨论。压差有关，必须分开讨论。max( )qlfqLlq为了便于分析，先将阀前后压差固定，然后为了便于分析，先将阀前后压差固定，然后再引伸到实际工作情况，于是有再引伸到实际工作情况，于是有固有流量特性固有流量特性与与工作流量特性工作流量特性之分。之分。1、固有（固有（理想）理想）流量特性流量特性在将控制阀前后压差固定时得到的流量特性在将控制阀前后压差固定时得到的流量特性称为称为固有固有流量特性。它取决于阀芯的形状。流量特性。它取决于阀芯的形状。

32、（a）快开特性）快开特性（b）直线特性直线特性（c）等百分比特性等百分比特性（1）直线流量特性直线流量特性控制阀的相对流量与相对开度成直线关系，即控制阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数。用数学式单位位移变化所引起的流量变化是常数。用数学式表示为：表示为：KlldqqdmaxmaxmaxmaxqlKCql积分C为积分常数 可调比可调比R为调节阀所能为调节阀所能控制的最大流量与最小流量控制的最大流量与最小流量的比值。的比值。 其中其中qmin不是指阀门全关时的泄漏量，而是阀不是指阀门全关时的泄漏量，而是阀门能平稳控制的最小流量，约为最大流量的门能平稳控制的最小流

33、量，约为最大流量的24%一般阀门的可调比一般阀门的可调比R=30。maxmax11(1)qlqRlRmaxmin1qRqC控制力：阀门开度改变时，相对流量的改变比值。控制力：阀门开度改变时，相对流量的改变比值。 例如在不同的开度上，再分别增加例如在不同的开度上，再分别增加10%开度，开度，相对流量的变化比值为相对流量的变化比值为10时：时：（20-10）/10100%=100%50时：时：（60-50）/50100%=20%80时：时：（90-80）/80100%=12.5%Q/Q100L/Lmaxs=1 v直线阀的流量放大系数在任何一点上都是相同直线阀的流量放大系数在任何一点上都是相同的，但

34、其对流量的控制力却是不同的。的，但其对流量的控制力却是不同的。 （2） 等百分比（对数）流量特性等百分比（对数）流量特性单位相对行程变化所引起的相对流量变化与单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系：此点的相对流量成正比关系：v曲线斜率（放大系数）曲线斜率（放大系数）随行程的增大而增大。流量随行程的增大而增大。流量小时，流量变化小；流量大小时，流量变化小；流量大时，流量变化大。时，流量变化大。VKqqKlldqqdmax1maxmax1max1maxlnCllKqq1maxmaxllRqqv等百分比阀在各流量点的放大系数不同，但对等百分比阀在各流量点的放大系数不同，但对流

35、量的控制力却是相同的。流量的控制力却是相同的。10%处：处：（6.58%-4.68%）/4.68%41%50%处：处：（25.7%-18.2%）/18.2%41%80%处：处：（71.2%-50.6%）/50.6%41% 同样以同样以10、50及及80三点为例，分别增加三点为例，分别增加10%开度，相对流量变化的比值为：开度，相对流量变化的比值为：Q/Q100L/Lmaxs=1（3）快开特性快开特性开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流量很快就达到最大，故称为快开特性。适用于迅速量很快就达到最大，故称为快开特性。适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。启

36、闭的切断阀或双位控制系统。1max2maxmaxqqKlldqqd2/1max2max1) 1(1llRRqq积分2、调节阀的工作流量特性调节阀的工作流量特性实际使用时，调节阀装在具有阻力的管道系统实际使用时，调节阀装在具有阻力的管道系统中。管道对流体的阻力随流量而变化，阀前后压差中。管道对流体的阻力随流量而变化，阀前后压差也是变化的，这时流量特性会发生畸变。也是变化的，这时流量特性会发生畸变。1) 管道串联时的工作流量特性管道串联时的工作流量特性如图，管道系统总压力如图，管道系统总压力P等于管路系统的压降等于管路系统的压降PG与控制阀的压降与控制阀的压降PT之和。之和。从串联管道中调节阀两端

37、压差从串联管道中调节阀两端压差PT的变化曲线的变化曲线可看出，调节阀全关时阀上压理最大，基本等于系可看出，调节阀全关时阀上压理最大，基本等于系统总压力；调节阀全开时阀上压力降至最小。统总压力；调节阀全开时阀上压力降至最小。为了表示调节阀两端压差为了表示调节阀两端压差PT的变化范围，以的变化范围，以阀权度阀权度s表示调节阀全开时，阀前后最小压差表示调节阀全开时，阀前后最小压差PTmin与总压力与总压力 P之比。之比。s = PTmin / Pv流量特性畸变：流量特性畸变：以以qmax表示串联管道阻力为零时表示串联管道阻力为零时(s=1)，阀全，阀全开时达到的最大流量。可得串联管道在不同开时达到的

38、最大流量。可得串联管道在不同s值时，值时，以自身以自身qmax作参照的工作流量特性。作参照的工作流量特性。对数阀变为直线阀对数阀变为直线阀 直线阀变为快开阀直线阀变为快开阀s 图图3 333 33 调节阀的流量特性曲线调节阀的流量特性曲线a)a)直线；直线；b)b)对数（等百分比）对数（等百分比）结论结论q串联管道使调节阀的流量特性发生畸变。串联管道使调节阀的流量特性发生畸变。q串联管道使调节阀的流量可调范围降低，最串联管道使调节阀的流量可调范围降低，最大流量减小。大流量减小。q串联管道会使调节阀的放大系数减小，调节串联管道会使调节阀的放大系数减小，调节能力降低，能力降低，s值低于值低于0.3

39、时，调节阀能力基本丧失。时，调节阀能力基本丧失。2) 与管道并联工作时的流量特性与管道并联工作时的流量特性 图中图中S=1时，旁路阀关闭，工时，旁路阀关闭，工作流量特性即为理想流量特性。作流量特性即为理想流量特性。随着旁路阀逐渐打开，值逐渐随着旁路阀逐渐打开，值逐渐减小，调节阀的可调范围也将减小，调节阀的可调范围也将大大降低，从而使调节阀的控大大降低，从而使调节阀的控制能力大大下降，影响控制效制能力大大下降，影响控制效果。根据实际经验，值不能低果。根据实际经验，值不能低于于0.8。 图图3 337 37 并联管道时调节阀工作流量特性并联管道时调节阀工作流量特性a)直线阀直线阀 b)对数阀对数阀

40、（3）流量特性的选择）流量特性的选择 调节阀流量特性的选择有理论分析法和经验法。前者还在研究中，调节阀流量特性的选择有理论分析法和经验法。前者还在研究中，目前较多采用经验法。一般可从以下几方面考虑。目前较多采用经验法。一般可从以下几方面考虑。 1）依据过程特性选择。）依据过程特性选择。 一个过程控制系统，在负荷变动的情况下，要使系统保一个过程控制系统，在负荷变动的情况下，要使系统保持期望的控制品质，则必须要求持期望的控制品质，则必须要求系统总的放大系数在整个系统总的放大系数在整个操作范围内保持不变。操作范围内保持不变。一般变送器、已整定好的调节器、一般变送器、已整定好的调节器、执行机构等放大系

41、数基本上是不变的，但过程特性则往往执行机构等放大系数基本上是不变的，但过程特性则往往是非线性的，其放大系数随负荷而变。因此，必须通过合是非线性的，其放大系数随负荷而变。因此，必须通过合理选择调节阀的工作特性，以补偿过程的非线性，其选择理选择调节阀的工作特性，以补偿过程的非线性，其选择原则为原则为 0vK K 常数调节阀的放大系数 被控过程的放大系数 2）依据配管情况选择。）依据配管情况选择。 在根据过程特性进行选择之后，再按照配管情况进在根据过程特性进行选择之后，再按照配管情况进行进一步的选择，其选择原则可参照表行进一步的选择，其选择原则可参照表3-4进行。进行。 配管状况配管状况S=1-0.

42、6S=0.6-0.3工作特性工作特性直线直线等百分比等百分比直线直线等百分比等百分比理想特性理想特性直线直线等百分比等百分比等在分比等在分比等百分比等百分比3）依据负荷变化情况选择。）依据负荷变化情况选择。 在负荷变化较大的场合，宜选用对数调节阀，因为在负荷变化较大的场合，宜选用对数调节阀，因为对数调节阀的放大系数可随阀芯位移的变化而变化，对数调节阀的放大系数可随阀芯位移的变化而变化，但它的相对流量变化率则是不变的，所以能适应负荷但它的相对流量变化率则是不变的，所以能适应负荷变化大的情况；此外，当调节阀经常工作在小开度时，变化大的情况；此外，当调节阀经常工作在小开度时，则宜选用对数调节阀。因为

43、直线调节阀工作在小开度则宜选用对数调节阀。因为直线调节阀工作在小开度时，其相对流量的变化率很大，不宜进行微调。时，其相对流量的变化率很大，不宜进行微调。 将将420mA的电的电流信号流信号转换成转换成20100KPa的标准气压的标准气压信号。信号。1 1 电电/ /气转换器气转换器 为了使气动调节阀能够接收电动调节器的输出为了使气动调节阀能够接收电动调节器的输出信号，必须把标准电流信号转换为标准气压信号。信号，必须把标准电流信号转换为标准气压信号。 电电/气转换器作用：气转换器作用：3.4.3 电电/气转换器与阀门定位器气转换器与阀门定位器 I 吸力吸力Fi 杠杆偏转杠杆偏转 挡板与喷嘴间隙挡

44、板与喷嘴间隙 背压背压 放大器输入放大器输入 输出压力输出压力P 杠杆杠杆的反馈力的反馈力Ff 杠杆平衡杠杆平衡 PI力平衡式电力平衡式电/气转换器的原理图气转换器的原理图负反馈负反馈磁铁磁铁调零调零FiFf背压背压2 2 阀门定位器阀门定位器气动调节阀中，阀杆的位气动调节阀中，阀杆的位移是由薄膜上气压推力与弹簧移是由薄膜上气压推力与弹簧反作用力平衡确定的。反作用力平衡确定的。为了防止阀杆处的泄漏要为了防止阀杆处的泄漏要压紧填料，使阀杆摩擦力增大，压紧填料，使阀杆摩擦力增大，且个体差异较大，这会影响输且个体差异较大，这会影响输入信号入信号P P的执行精度。的执行精度。 解决措施解决措施 在调节

45、阀上加装阀在调节阀上加装阀门定位器，引入阀杆位门定位器，引入阀杆位移负反馈。使阀杆能按移负反馈。使阀杆能按输入信号精确地确定自输入信号精确地确定自己的开度。己的开度。电电/ /气阀门定位器气阀门定位器 实际应用中，常把电实际应用中，常把电/气转换器和阀门定位器结气转换器和阀门定位器结合成一体，组成电合成一体，组成电/气阀门定位器。气阀门定位器。 I杠杆上端右移杠杆上端右移挡板挡板靠近喷嘴靠近喷嘴 P压力压力阀杆下移阀杆下移反馈凸轮反馈凸轮右转右转 反馈弹簧右拉反馈弹簧右拉杠杆平衡杠杆平衡1. 智能电动执行器的特点智能电动执行器的特点 与常规电动执行器相比,智能电动执行器有如下特点： 1）具有智

46、能化和高精度的控制功能。可直接接收变送器信号，按设定值自动进行PID调节，控制流量、压力和温度等过程变量。通过组态可按折线形成多种形状的非线性流量特性，实现对过程非线性特性的补偿，以提高系统的控制精度，同时也摆脱了长期以来依靠改变阀芯形状来改变流量特性的落后状况；2) 一体化的结构设计思想。将位置控制器、PID控制器、伺服放大器、电-气转换器、阀位变送器等装在一台现场仪表中，减少了信号传输中的泄漏和干扰等因素对系统控制精度的影响；还采用电制动和断续调节技术代替机械摩擦制动技术，以提高整机的可靠性； 3) 具有智能化的通信功能。与上位机或控制系统之间可通过现场总线按规定的通信协议进行双向数字通信

47、，并构成所需要的控制系统，这是智能执行器与常规电动执行器的重要区别之一。 3.4.4智能式电动执行器智能式电动执行器 4) 具有智能化的自诊断与保护功能。当电源、气动部件、具有智能化的自诊断与保护功能。当电源、气动部件、机械部件、控制信号、通信或其它方面出现故障时，均能机械部件、控制信号、通信或其它方面出现故障时，均能迅速识别并能有效采取保护措施，确保控制系统及生产过迅速识别并能有效采取保护措施，确保控制系统及生产过程的安全。程的安全。 5）具有灵活的组态功能，）具有灵活的组态功能，“一机多用一机多用”，提高了经济效，提高了经济效益。例如，对于输入信号，可通过软件组态来选择合适的益。例如，对于

48、输入信号，可通过软件组态来选择合适的信号源；对于执行器的运行速度和行程，也可通过组态软信号源；对于执行器的运行速度和行程，也可通过组态软件进行任意设置，所有这些都无需更换硬件。这样一来，件进行任意设置，所有这些都无需更换硬件。这样一来，只要用少量类型的智能执行器就能够满足各种工业过程的只要用少量类型的智能执行器就能够满足各种工业过程的不同需求，从而大大提高了制造商和用户的经济效益。不同需求，从而大大提高了制造商和用户的经济效益。2. 智能电动执行器的实例简介智能电动执行器的实例简介 美国美国Valtek公司生产的公司生产的STARPAC智能执行器智能执行器 3.5 3.5 安全栅安全栅安全栅（

49、又称防爆栅）是防止危险电能从控制安全栅（又称防爆栅）是防止危险电能从控制系统信号线进入现场仪表的安全保护器。系统信号线进入现场仪表的安全保护器。 1 安全防爆的基本概念安全防爆的基本概念在大气条件下，气体蒸汽、簿雾、粉尘或纤维在大气条件下，气体蒸汽、簿雾、粉尘或纤维状的易燃物质与空气混合，点燃后燃烧将在整个范状的易燃物质与空气混合，点燃后燃烧将在整个范围内传播的混和物，称为围内传播的混和物，称为爆炸性混合物爆炸性混合物。含有爆炸性混合物的环境，称为含有爆炸性混合物的环境，称为爆炸性环境爆炸性环境。 按爆炸性混合物出现的频度、持续时间和危险按爆炸性混合物出现的频度、持续时间和危险程度，又可将危险

50、场所划分成不同级别的危险区。程度，又可将危险场所划分成不同级别的危险区。 对于对于类电气设备，电路电压限制在类电气设备，电路电压限制在30VDC时，各时，各种爆炸性混合物按最小引爆电流分为三级。种爆炸性混合物按最小引爆电流分为三级。爆炸性混合物的最小引爆电流爆炸性混合物的最小引爆电流级级 别别最小引爆电流（最小引爆电流（mA）爆炸性混合物种类爆炸性混合物种类 i120120甲烷、乙烷、汽油、甲醇、乙醇、丙酮、氨、一氧化碳甲烷、乙烷、汽油、甲醇、乙醇、丙酮、氨、一氧化碳 7070i120120乙烯、乙醚、丙烯晴等乙烯、乙醚、丙烯晴等 i7070氢、乙炔、二硫化碳、市用煤气、水煤气、焦炉煤气等氢、

51、乙炔、二硫化碳、市用煤气、水煤气、焦炉煤气等不同的危险等级对电气设备的防爆要求不同，不同的危险等级对电气设备的防爆要求不同，煤矿井下用电气设备属煤矿井下用电气设备属类设备；有爆炸性气体的类设备；有爆炸性气体的工厂用电气设备属工厂用电气设备属类设备；有爆炸性粉尘的工厂类设备；有爆炸性粉尘的工厂用电气设备属用电气设备属类设备。类设备。 2 安全火花防爆系统安全火花防爆系统 电动仪表存在电路打火的可能。如果从电路设计电动仪表存在电路打火的可能。如果从电路设计就开始考虑防爆，把电路在短路、开路及误操作等各就开始考虑防爆，把电路在短路、开路及误操作等各种状态下可能发生的火花都限制在爆炸性气体的点火种状态

52、下可能发生的火花都限制在爆炸性气体的点火能量之下，则此仪表称为能量之下，则此仪表称为安全火花防爆仪表安全火花防爆仪表。 安全火花防爆仪表只能保证本仪表内部不发生危安全火花防爆仪表只能保证本仪表内部不发生危险火花，对其它仪表通过信号线传入的能量是否安全险火花，对其它仪表通过信号线传入的能量是否安全则无法保证。如果在与其它仪表的电路连线之间设置则无法保证。如果在与其它仪表的电路连线之间设置安全栅，防止危险能量进入，则完全做到了安全火花安全栅，防止危险能量进入，则完全做到了安全火花防爆。防爆。构成安全火花防爆系统的二要素：构成安全火花防爆系统的二要素： 在危险现场使用的仪表必须是安全火花防在危险现场

53、使用的仪表必须是安全火花防爆仪表（本安仪表）。爆仪表（本安仪表）。 现场仪表与危险场所之间的电路连接必须现场仪表与危险场所之间的电路连接必须经过安全栅（防爆栅）。经过安全栅（防爆栅）。基本原理：基本原理：简单齐纳式安全栅是利用齐纳二极管的反向击穿特性进简单齐纳式安全栅是利用齐纳二极管的反向击穿特性进行限压、用固定电阻进行限流行限压、用固定电阻进行限流 。3.5.1 齐纳式安全栅齐纳式安全栅 安全栅的种类很多，有电阻式安全栅、中继放大式安全栅、齐安全栅的种类很多，有电阻式安全栅、中继放大式安全栅、齐纳式安全栅、光电隔离式安全栅、变压器隔离式安全栅等。纳式安全栅、光电隔离式安全栅、变压器隔离式安全

54、栅等。 当输入电压当输入电压Vi在正常范围（在正常范围（24V）内时，齐纳二极管）内时，齐纳二极管VD不导通；不导通；当电压高于当电压高于24V并达到齐纳二极管的击穿电压（约并达到齐纳二极管的击穿电压（约28V）时，齐纳二）时，齐纳二极管导通，在将电压钳制在安全值以下的同时，安全侧电流急剧增大，极管导通，在将电压钳制在安全值以下的同时，安全侧电流急剧增大，使快速熔断丝使快速熔断丝FU很快熔断，从而将可能造成事故的高压与危险现场很快熔断，从而将可能造成事故的高压与危险现场隔断。固定电阻隔断。固定电阻R的作用是限制流往现场的电流。的作用是限制流往现场的电流。 两点不足：两点不足： 一、固定的限流电

55、阻其大小难以选择，选小了起一、固定的限流电阻其大小难以选择，选小了起不到很好的限流作用，选大了又影响仪表的恒流特不到很好的限流作用，选大了又影响仪表的恒流特性，理想的限流电阻应该是可变的，即电流在安全性，理想的限流电阻应该是可变的，即电流在安全范围内其阻值要足够小，而当电流超出安全范围时范围内其阻值要足够小，而当电流超出安全范围时其电阻要足够大；其电阻要足够大； 二、接地不合理，通常一个信号回路只允许一点二、接地不合理，通常一个信号回路只允许一点接地，若有两点以上接地会造成信号通过大地短路接地，若有两点以上接地会造成信号通过大地短路或形成干扰。或形成干扰。 （2）由）由VD1VD4和和F1 F

56、2组成限压电路。背组成限压电路。背靠背的齐纳管中点接地，改直接接地为保护时接地。靠背的齐纳管中点接地，改直接接地为保护时接地。（1）用晶体管限流电路取代固定电阻。）用晶体管限流电路取代固定电阻。VT3工工作于零偏压，作为恒流源向作于零偏压，作为恒流源向VT1提供足够的基极电流，提供足够的基极电流，保证信号在保证信号在420mA范围内范围内VT1处于饱和状态。处于饱和状态。 改进后的齐纳式安全栅改进后的齐纳式安全栅正常时正常时VT1饱和导通饱和导通 VR1 = 0.1 0.5V VT2不通不通过流时过流时VR 1 0.6V VT2导通，分流导通，分流VT3的电流的电流 VT1退饱和退饱和 Vce

57、1呈现较高的电阻呈现较高的电阻v要求要求快速熔快速熔断丝熔断丝熔断时间断时间 0.6VVT3导通，分流导通，分流 VT4退饱和退饱和 Vce4 限流限流 限流特性限流特性限压特性限压特性（3）调制解调电路）调制解调电路调制：调制： VD13、VD14交替工作交替工作送往送往变变送器的送器的DC420mA 交替通过交替通过T2原边原边解调：解调： T2副边副边1：1耦合耦合复合管复合管VT7VT10整流整流 -2 执行端安全栅执行端安全栅 用于控制室中调节器和现场执行器之间，是用于控制室中调节器和现场执行器之间，是420mA调节信号送往现场的安检通道。调节信号送往现场的安检通道。与检测端安与检测

58、端安全栅的区别：全栅的区别： 信号传输方向相反，信号传输方向相反， 不需给现场供电。不需给现场供电。电路原理基本相似。电路原理基本相似。 隔离式安全栅与齐纳式安全栅相比较，发见有如下隔离式安全栅与齐纳式安全栅相比较，发见有如下优点：优点： 1）可以在危险区或安全区认为合适的任何一个地）可以在危险区或安全区认为合适的任何一个地方接地，使用方便，通用性强；方接地，使用方便，通用性强； 2）隔离式安全栅的电源、信号输入、信号输出均）隔离式安全栅的电源、信号输入、信号输出均可通过变压器耦合，实现信号的输入、输出完全隔可通过变压器耦合，实现信号的输入、输出完全隔离，使安全栅的工作更加安全可靠；离，使安全栅的工作更加安全可靠； 3）隔离式安全栅由于信号完全浮空，大大增强了）隔离式安全栅由于信号完全浮空，大大增强了信号的抗干扰能力，提高了控制系统正常运行的可信号的抗干扰能力，提高了控制系统正常运行的可靠性。靠性。 本章结束，谢谢！本章结束，谢谢！