第4讲自动化仪表及过程控制第四章过程控制仪表

第四章过程控制仪表
⏹本章提要
1.过程控制仪表概述
2.DDZ-Ⅲ型调节器
3.执行器
4.可编程控制器
⏹授课内容
第一节概述
✧过程控制仪表---是实现工业生产过程自动化的重要工具，它被广泛地应
用于石油、化工等各工业部门。

在自动控制系统中，过程检测仪表将被控
变量转换成电信号或气压信号后，除了送至显示仪表进行指示和记录外，
还需送到控制仪表进行自动控制，从而实现生产过程的自动化，使被控变
量达到预期的要求。

➢过程控制仪表包括调节器（也叫控制器）、执行器、操作器，以及可编程调节器等各种新型控制仪表及装置。

➢过程控制仪表的分类：
●按能源形式分类：液动控制仪表、气动控制仪表和电动控制仪表。

●按结构形式分类：基地式控制仪表、单元组合式控制仪表、组件组装式控
制仪表、集散控制装置等。

[基地式控制仪表]以指示、记录仪表为主体，附加某些控制机构而组成。

基地式控制仪表特点：—般结构比较简单、价格便宜．它不仅能对某些工艺变量进行指示或记录，而已还具有控制功能，因此它比较适用于单变量的就地控制系统。

目前常使用的XCT系列动圈式控制仪表和TA系列简易式调节器即属此类仪表。

[单元组合式控制仪表]将整套仪表划分成能独立实现一定功能的若干单元，各单元之间采用统一信号进行联系。

使用时可根据控制系统的需要，对各单元进行选择和组合，从而构成多种多样的、复杂程度各异的自动检测和控制系统。

特点：使用灵活，通用性强，同时，使用、维护更作也很方便。

它适用于各种企业的自动控制。

广泛使用的单元组合式控制仪表有电动单元组合仪表(DDZ型)和气动单元组合仪表(QD2型)。

[组件组装式控制仪表]是一种功能分离、结构组件化的成套仪表(或装置)。

它以模拟器件为主，兼用模拟技术和数字技术。

整套仪表(或装置)在结构上由控制柜和操作台组成，控制柜内安装的是具有各种功能的组件板，采用高密度安装，结构紧凑。

这种控制仪表(或装置)特别适用于要求组成各种复杂控制和集中显示操作的大、中型企业的自动控制系统。

其中国产的TF型、MZ—Ⅲ型以及SPEC200等组装仪表即属此类控制仪表。

●按信号形式分类：模拟控制仪表和数字控制仪表两大类。

其中DDZ型仪表
和QDZ型仪表都属于模拟控制仪表；SLPC可编程调节器、KMM可编程调节
器、PMK可编程调节器等都属于数字控制仪表。

➢过程控制仪表的发展：
过程控制仪表的主体是气动控制仪表和电动控制仪表，它们的发生和发展分别经历了基地式、单元组合式(Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型)、组装式及数字智能式等几个阶段。

➢过程控制仪表的信号制与传输方式：
为方便有效地把自动化系统中各类现场仪表与控制室内的仪表和装置连接起来，构成各种各样的控制系统，仪表之间应有统—的标准信号进行联络和合适的传输。

➢调节器（控制器）分类：
●按能源形式可分电动、气动等
●按信号类型可以分为模拟式和数字式两大类
●按结构形式可分为基地式、单元组合式、组装式以及集散控制系统。

第二节DDZ-Ⅲ型调节器（模拟式控制器）
1.有关DZZ-Ш型电动单元调节器的概述
➢控制器（调节器）-----是控制系统的核心，它在闭环控制系统中根据设定目标和检测信息作出比较、判断和决策命令，控制执行器的动作。

控制器使用是否得当，直接影响控制质量。

➢控制器特性-----是指控制器的输出与输入之间的关系。

分析控制器的特性，也就是分析控制器的输出信号u(t)随输入情号e(t)变化的规律，即控制器的控制规律。

➢控制器的基本控制规律有比例、积分和微分等几种。

工业上所用的控制规律是这些基本规律之间的不同组合。

➢DDZ—Ш型电动单元调节器-----是模拟式控制器个较为常见的一种，它以来自变送器或转换器的1～5V直流测量信号作为输入信号，与1～5V直流设定值早相比较得到偏差信号，然后对此信号进行PID运算后，输出l～5V或4～20mA 直流控制信号，以实现对工艺变量的控制。

➢Ш型调节器的特点：
●采用高增益、高阻抗线性集成电路组件，提高了仪表精度、稳定性相可靠
性，降低了功耗。

●采用集成电路扩展了功能，在基型调节器的基础上可增加各种功能。

如非
线性调节器可以解决严重非线性过程的自动控制问题，前馈调节器可以解
决大扰动及大滞后过程的控制，还可以根据需要在调节器上附加一些单元，
如偏差报警、输出双向限幅及其他功能的电路。

●整套仪表可以构成安全火花型防爆系统．而且增加了安全单元——安全栅，
实现控制室与危险场所之间的能量限制和隔离。

●有软、硬两种手动操作方式，软手动与自动之间相互切换具有双向无平衡
无忧动特性，提高了调节器的操作性能。

这是因为在自动与软手动之间有
保持状态，此时调节器输出可长期保持不变，所以即使有偏差存在，也能
实现无扰动切换。

所谓无扰动切换，是指调节器在不同操作方式切换瞬间
保持输出值不变，这样调节阀的开度也将保持不变，不会内于调节器不同
操作方式的切换引起被控变量发生变化，即不会产生干扰。

●采用国际标准信号制，现场传输信号为4～20mA直流电流，控制室联络信
号为1～5V直流电压，信号电流和电压的转换电阻为250Ω。

➢Ш型调节器中的基型调节器类型：全刻度指示调节器、偏差指示调节器基型全刻度指示调节器的原理方框图：
基型全刻度指示调节器的原理线路图：
➢调节器结构组成：控制单元、指示单元
●控制单元：输入电路(偏差差动和电平移动电路)、PID运算电路(由PD与
PI运算电路串联)、输出电路(电压、电流转换电路)以及硬、软手操电路；
●指示单元：测量信号指示电路、设定信号指示电路、内设定电路。

➢调节器的信号：
●输入信号、内设定信号：1～5V直流电压；
●外设定信号：4～20mA直流电流，（它经过250Ω精密电阻转换成1～5V
直流电压）
➢ 调节器的工作状态：有“自动”、“软手动”、“硬手动”及“保持”四种。

● “自动”状态：测量信号与设定信号通过输入电路进行比较，由比例微分
电路、比例积分电路对其偏差进行PD 和PI 运算后，再经过电路转换为4～20mA 直流电流，作为调节器的输出信号去控制执行器。

● “软手动”状态：可以通过选择键位调节器处于“保持’’(即它的输出保
持切换前瞬间的数值)状态，或使输出电流可按快或慢两种速度线性地增加或减小，以对工艺过程进行手动控制。

● “硬手动”状态：调节器的输出与手操电压成比例，即输出值与硬手动操
作杆的位置一一对应。

➢ 调节器的“正”、“反”作用：
✧ 正偏差-----调节器中将偏差e 定义为测量值与设定值之差（e ＝y －r ），在测
量值大于设定值时。

✧ 负偏差-----测量值小于设定值。

✧ “正”作用-----调节器的输出随着正偏差的增加而增加。

若是负偏差，情
况相反。

✧ “反”作用-----调节器的输出随着正偏差的增加而减小。

若是负偏差，情
况相反。

2. 输入电路
➢ 作用：
● 一是将测量信号V i 和设定信号V s 相减，得到偏差信号，再将偏差放大两
倍后输出；（其输出信号将送至比例微分电路。

）
● 二是电平移动，将以零伏为基准的V i 和V s 转换成以电平V B （10V ）为基
准的输出信号V O1。

➢ 电路图：
➢ 电路分析：
输入电路的传递函数：
2)
()()
(1-=-s V s V s V s i o
3.比例微分电路（PD）
➢作用：
●接收以10V电平为基准的偏差信号V O1，进行比例微分运算，其输出电压
信号V O2送给比例积分电路。

➢电路图：
➢电路分析：
比例微分电路是由无源比例微分网络和比例运算放大器两部分组成的。

RC环节对输入信号进行比例微分运算，比例运算放大器起比例放大作用。

比例微分电路的传递函数：
4.比例积分电路（PI）
➢作用：
●接收以10V为基准的PD电路的输出信号V O2，进行PI运算后，输出以10V
为基准的l～5V电压V O3，送至输出电路。

➢电路图：
➢电路分析：
5.整机PID电路传递函数
➢调节器的PID电路由输入电路、PD电路和PI电路三个环节串联组成。

其传递函数应是这三个环节传递函数的乘积。

➢调节器各项参数的取值范围：（略）
➢由于相互干扰系数F的存在，实际的整定参数与刻度值之间存在换算关系。

6.输出电路
➢作用：将PID电路输出的l～5V直流电压信号转换成4—20mA直流电流输出，
它实际上是一个具有电平移动的电压—电流转换器。

➢电路图：
➢电路分析：（略）
7.手动操作电路
➢手动操作电路分为硬手动操作和软手动操作两种形式，是在比例积分电路中附加手操电路实现的。

➢电路图：
➢电路分析：（略）
8.指示电路
➢输入信号的指示电路与设定值信号的指示电路完全一样。

调节器采用双针电表，全量程地指示测量值和设定值。

偏差的大小有两个指针间的距离反映出来，在两针重合时，偏差为零。

➢电路图：
➢电路分析：（略）
第三节执行器
1.有关执行器的概述
➢执行器作用：接受调节器的控制信号，改变操纵变量，使生产过程按预定要求正常进行。

执行器安装在生产现场直接与介质接触。

➢执行器组成：由执行机构和调节机构组成。

执行机构是指根据调节器控制信号产生推力或位移的装置，调节机构是根据执行机构输出信号去改变能量或物料输送量的装置，通常指调节阀。

➢执行器分类（按能源形式）：气动、电动、液动
气动应用最广，电动次之。

气动：输入信号为0.02～0.1MPa的压力信号，其结构简单，维修方便，价格便宜，防火防爆，可以与QDZ、DDZ仪表配用，因而广泛使用。

电动：动作迅速，其信号便于远传，并便于与计算机配合使用，但不适用于防火防爆等生产场合。

上述三种执行器除执行机构不同外，所用的调节机构(调节阀)都相同。

2.电动执行机构
➢电动执行器有直行程和角行程执行器两类。

➢电动执行机构的组成框图：
➢电动执行机构的工作原理：
来自调节器的I i作为伺服放大器的输入信号，它与位置反馈信号I f进行比较，其差值经放大后控制两相伺服电动机正转或反转，再经减速器减速后，改变输出轴即调节阀的开度(或挡板的角位移)。

与此同时，输出轴的位移又经位置发送器转换成电流信号，作为阀位指示与反馈信号I f。

当I f与I i相等时，两相电动机停止转动，这时调节阀的开度就稳定在与调节器输出(即执行器的输入)信号I i成比例的位置上。

➢电动伺服放大器：它由前置级磁放大器、触发器、交流可控硅开关、校正回路和电源等组成。

➢伺服电动机：包括永磁低速同步电动机、位置发送器和减速器等。

3.气动执行机构
➢结构组成：膜片、推杆、平衡弹簧
➢作用：是执行器的推动装置，推动调节机构动作。

它接受气动调节器或电—气阀门定位器输出的气压信号，经膜片转换成推力，克服弹簧力后，使推杆产生位移，同时可带动阀芯动作。

➢气动执行机构有正作用和反作用两种形式。

➢气动执行机构有薄膜式和活塞式等。

在工程上气动薄膜式应用最广。

➢气动执行的结构示意图：
4. 气动调节机构（调节阀）
➢ 工作原理：
根据流体力学的观点，调节阀是一个局部阻力可变的节流元件。

通过改变阀芯的行程可以改变调节阀的阻力系数，达到控制流量的目的。

➢ 种类：
直通双座调节阀、直通单座调节阀、高压调节阀、低温调节阀、套筒调节阀、三通调节阀、角形调节阀、隔膜调节阀、蝶阀、小流量调节阀、球阀、低噪音调节阀等。

5. 气动执行器的选用
应根据介质的特点和工艺要求等来合理选用执行器。

具体选用时应考虑以下几个主要问题：
➢ 调节阀的尺寸选择：
调节阀的尺寸通常用公称直径D g 和阀座直径d g 来表示。

D g 、d g 是根据计算出来的流通能力C 来查表选择。

p
Q
C ∆=γ
流体重度调节阀前后压差；体积流量；----∆--γp Q
➢ 气开式、气关式阀的选择
气开、气关式阀示意图：
在生产过程中，调节阀气开、气关形式的选择，主要是从工艺生产的安全来考虑。

例：蒸气加热器选用气开阀；锅炉进水的调节阀则选用气关式。

➢ 单座阀和双座阀的选择
单座阀-----只有一个阀芯的调节阀。

（适用小口径的调节阀，D g <25mm ）。

阀关闭时泄漏小。

双座阀-----有两个阀芯的调节阀。

（适用大口径的调节阀）。

阀关闭时泄漏大。

➢ 流量特性的选择
✧ 调节阀的流量特性-----指介质流过阀门的相对流量与阀门相对开度之间的关系即：)(max L
l f Q Q ，它是调节阀最重要的特性。

m ax
Q Q -----相对流量，即调节阀某一开度流量Q 与全开流量Q max 之比 L
l -----相对开度，即调节阀某一开度行程l 与全行程L 之比 理想流量特性-----就是在调节阀前后压差一定的情况下(△p ＝常数)得到的流量特性。

它取决于阀芯的形状。

阀芯形状有快开、直线、抛物线、等百分比四种，相应有四种流量特性。

工作流量特性-----实际工作时调节阀前后的压差是变化的，此时调节阀的相对流量与阀芯相对位移之间的关系称为工作流量特性。

调节阀流量特性选择考虑的方面：
● 过程控制系统的控制质量指标：一般要求（K v K o =常数），故当过程的K o
为线性时应选择直线特性的调节阀，否则就选择等百分比特性的调节阀。

● 配管情况：
● 负荷变化情况：在负荷变化较大的场合，选择等百分比调节阀为宜。

当调
节阀经常工作在小开度时，宜选用等百分比调节阀。

常用的调节阀流量特性选择：（见下表）
➢调节阀的结构形式和材料的选择
调节阀的结构形式和材料可根据不同的工艺操作条件和使用要求(如温度、压力及介质的物理、化学特性)来选用。

调节阀的多种结构形式：
各种国产调节阀的特性参数、使用场合见书P123～124
6.阀门定位器
➢阀门定位器-----是气动执行器的主要附件。

利用负反馈原理来改善调节阀的定位精度和提高灵敏度，从而使调节阀能按调节器来的控制信号实现准确定位。

➢阀门定位器的主要功能：
●实现准确定位
●改善调节阀的动态特性
●改变调节阀的流量特性
●实现分程控制
7.电-气转换器
➢作用：是气动单元组合仪表的一个转换单元。

它能将电动单元组合仪表的标准统一信号(0～10mADC或4—20mADC)转换为气动单元组合仪表的统一标准信号(0.02～0.1MPa)。

➢工作原理：按力矩平衡原理工作
➢原理图：
第四节可编程调节器（数字式控制器）
1.有关可编程调节器的概述
➢可编程调节器-----是数字式控制仪表中较为新型的一种。

可编程调节器是以微处理机为运算和控制核心，可由用户编制程序，组成各种调节规律的数字式控制仪表。

➢目前，我国从国外引进或组装、并广泛使用的产品有DK系列的KMM调节器、YS-80系列的SLPC调节器、FC系列的PMK调节器、VI系列的VI87MA-E调节器等。

由于上述产品均控制一个回路，因此习惯上称之为“单回路调节器”。

➢DK系列仪表包括：KMM可编程调节器、KMS固定程序调节器、KMB批量混合调节器、KMP可编程运算器、KMK100程序装入器、KMF指示器、KMR记
录仪、KMH手动操作器、KMA辅助仪表。

➢可编程调节器的主要特点：
●与模拟仪表兼容
●具有极其丰富的运算、控制功能：调节器具有30个运算单元(运算模块)和
45种运算式子(即45种子程序)。

根据生产实际的需要，用户只要选用相应
的模块进行组态，即可实现多种运算处理和各种过程控制，除PID控制外，
能实现前馈控制、采样控制、选择性控制、时延控制和自适应控制等。

●具有通信功能
●具有通用性强、可靠性高、使用维护方便的特点
➢KMM调节器的面板结构
➢KMM调节器的接线端子
各端子的作用见书表4-10（P128）
2.KMM可编程调节器的硬件系统
➢KMM可编程调节器硬件构成原理框图：
➢硬件各部分组成：
●CPU（中央处理单元）：是KMM调节器的核心。

采用8位微处理器，完成
接受指令、数据传送、运算处理和控制功能。

●系统ROM（只读存储器）：容量为10K，存放系统程序。

系统程序由制造
厂家编制，用来管理用户程序、功能子程序、人机接口及通讯等，一般用
户是无法改变的。

●用户ROM：容量2K，采用EPROM芯片，存放用户编制的程序。

●RAM（随机存储器）：容量1K，用来存放调节器输入数据、显示数据、运
算的中间值和结果等。

●WDT（监视定时器）：用来监视调节器的运行状态，一旦CPU出现异常情
况，则立即用软件使其暂停，并发出报警信号，使调节器进入手动操作。

●CTC（定时／计数器）：有定时／计数功能。

定时功能用来确定调节器的采
样周期，产生串行通讯接口所需的时钟脉冲；计数功能主要对外部事件进
行计数。

●模拟量输入电路：由缓冲器、A／D转换电路等构成。

有5个模拟输入信
号(1～5VDC)，它们经过缓冲器，在CPU的控制下由多路开关输入A／D
转换成数字量信号。

●模拟量输出电路：由D／A转换器、多路开关和保持器等组成。

数字信号
经D／A转换输出1～5V DC和4～20mADC模拟信号，同时还输出PV、
SP模拟电压值至面板供测量和设定值显示之用。

●数字量输入电路：由晶体管阵列和门控电路组成。

面板按钮和外部数字量
信号经晶体管阵列和门控电路送入输入接口。

●数字量输出电路：包括锁存器和晶体管阵列。

来自输出接口的数字信号通
过锁存器和晶体管阵列送至外部开关电路。

此外还引至面板供各种信号灯
用。

●I／O（输入输出接口）：由软件设定其工作方式，分别用作D／A的输入口、
数字信号的输入口和输出口，而且还输入、输出各种逻辑信号。

●键盘显示接口：由软件设定键盘扫描和显示方式，用于数据设定器的数据
修改和LED数码管显示。

3.KMM可编程调节器的软件系统
KMM调节器软件包括系统程序和用户程序（应用程序）。

➢系统程序
系统程序包括基本程序、输入处理程序、运算式程序和输出处理程序等：
●基本程序：是程序的主体部分．由监控程序和中断处理程序等组成。

●输入处理程序：包括折线处理、温度压力补偿、开方处理和数字滤波处理
等子程序。

●运算式程序：包括算术运算、逻辑运算、PID运算等45种子程序。

每个子
程序完成一种特定的运算功能，称之为一个“运算模块”，用户最多能从中
选择30种运算模块进行组态。

➢用户程序（应用程序）
用户程序又称控制数据，由用户自行编制。

KMM调节器采用表格式组态语言（POL）编制程序。

用户程序的控制数据种类：（7类）
●基本数据F001（用来指定调节器的类型、运算周期、是否与上位机连接等）
●输入处理数据F002（指明输入处理的种类等）
●PID运算数据F003（确定PID运算的类型、控制参数等）
●折线数据F004（决定折线表形式）
●可变参数F005（确定运算处理中使用系数、常数等）
●运算模块数据F101～F130（指定运算种类、运算单元的连接方式等）
●输出处理数据F006（指定输出信号）
控制数据由四部分组成，结构如下：
各种控制数据的构成及代码见书P130～P132。

4.KMM可编程调节器的功能
KMM可编程调节器具有输入处理功能、运算处理功能、输出处理功能、自动平衡功能、自诊断功能和通信功能。

●模拟量输入处理功能：KMM调节器可对5个模拟输入信号进行处理-----
折线处理(TBL)、温度补偿(T．COMP)、压力补偿(P．C0MP)、开平方(SQRT)
和数字滤波(D.F)。

●运算处理功能：KMM调节器的运算功能是依靠运算模块、运算单元和内
部信号的组合连接来实现的。

它有45种运算模块，用户可选择其中的30
个进行组合。

KMM有118种内部信号。

一个运算单元可以放置任何一种运算式。

每个运算单元原则上有4个输入端子（H1、H2、P1、P2）和一个输出端子U o，运算式不同使用的端子数亦不同。

内部信号是指运算单元软端子(虚拟代号如Hl、H2、Pl、P2等)之间的联系信号。

●输出处理功能：
●自动平衡功能：
KMM调节器控制类型分为0型、1型、2型和3型共4种。

编程时要将所选类型填入“基本数据表（F001）”中。

KMM调节器还有自动平衡功能，可以实现手动M、自动A、串级C之间无平衡无扰动切换。

●自诊断功能
KMM调节器在每一个运算周期内都要对各个回路和各种处理功能进行故障检查。

一旦调节器发生异常情况就立即由自动切换到连锁手动(IM)或准备(S)状态。

●通信功能
与上位机进行信息交换有三种不同的通信类型：0型——不用通信、l型——一与上位机有通信，但上位机不能对调节器进行操作控制、2型——与上位机有通信，上位机可对调节器进行操作控制。

用户使用哪一种通信类型，应在填写“基本数据表(F001)”时确定。

5.KMM可编程调节器的编程方法
编程的流程：
6.KMM可编程调节器的工业应用举例
➢天然气压力控制（见书P143～149）控制流程图：
组态图：。