自动化仪表及其应用

wangleiflyinsky

第一章                       自动化仪表在生产过程中的作用
* e! Y9 N3 V3 t7 K
1.1 自动化仪表及其应用

1 `- p+ \8 J* |* O自动化仪表，是指在工业生产过程中对工艺参数进行检测、显示、控制的仪表。自动化仪表大体可分为检测仪表、显示仪表、控制仪表和执行器四大类。检测仪表是利用各种物理、化学效应，实现各种信息参数测量的仪表。显示仪表则用于对各种变量检测、控制及操作状态参数的数据显示和记录，承担人—机联系的任务。有的仪表则集检测与显示一体。控制仪表把来自检测仪表的信号值与所要求的信号值进行比较、综合，按预定控制规律发出控制信号，操纵执行器动作，使被控变量达到预期值。执行器则是实现这种控制作用的终端控制装置。

4 K" P& t# S! m/ e5 T; v工业自动化仪表是实现工业生产过程自动化的一种重要装置。应用自动化仪表和设备，构成各种类型的自动化系统，可以代替人的重复性劳动，实现工艺过程的自动检测、调节和控制。在海洋石油的油气田生产中，为了正确地指导生产操作，保证人员和生产安全，都广泛应用自动化仪表和控制系统。

1.2 自动化仪表的分类
( ~/ R  H0 D- V- k8 ^6 W& \" \
3 g: s9 z( h  F: t$ X; b海洋石油平台使用的自动化仪表类型繁多，因而分类的方法也不同，下面介绍几种常见的分类方法。

# n0 C* D6 M7 X7 P6 I0 }2 }/ ?按使用能源不同，可分为气动仪表、电动仪表和液动仪表。

按所测量参数不同，可分为压力仪表、温度仪表、液位仪表、流量仪表。

按所使用系统不同，可分为生产系统检测仪表和安全系统检测仪表。
! {- Z  ]* y) S
1.3 自动化控制系统
4 p# z8 U! W& G, L! `( U) u0 e
海洋石油平台要求生产和安全管理的自动化程度较高，平台上都设有一套自动化控制系统，即中央控制系统。这套系统是整个平台的控制中心，它能对整个平台的生产和安全进行监控，确保平台及人身安全，保证生产的持续性，保护原油生产系统及其设施。
( ~. t) V  t" F+ s0 |: O
中央控制系统是由生产过程控制系统（PCS）和安全控制系统(SCS)组成。
4 n% Y! x4 w4 J9 g
其中安全控制系统又分为紧急关断系统（ESD）和火气探测系统（F&G）两个相对独立的子系统。如下图所示：
) i/ Z! u8 X' N* R4 \
& E8 ^6 m* n3 @3 |

% Q9 w* Y/ d; ?2 i  r4 }: ~3 P1 P$ {
" l( C- m6 h# `

0 ?' C- `, t- ?
: R) r' R/ h" u, O0 F5 R6 ~

" u+ J/ v9 U( N# d
) ?6 A. P8 B. g/ W8 R6 I
2 W/ E- }& v* ^7 V. b. {4 Z7 x" ^


! I6 G0 ~% |  P! N; b8 R

2 X  M+ p" n7 L2 U. c& v/ z
* f" P  O  o: j0 z7 Y' r
0 O# M5 K. H9 X+ ^


! `1 F6 O" j  a中央控制系统的构成

2 \, p7 f8 \' m% o5 k; y
- F8 H5 `: a3 g% Q5 ^
. T7 A* X1 T$ Z+ x

1 i7 R" j# m, S8 {1 D- J8 ?( @
" G0 N2 O8 n. A. h现场仪表
1 @0 M  F) x" |' w1 n# h+ G, J
PT
9 w: P% ^( e& M) I$ _. x9 G# q
; l+ o$ c" i& F8 R* ~6 iTT
* f& g( ]' ~+ y" V
- T1 o9 U, P; Y- B9 cLT
1 n6 Z8 x; t' Q% S' I' c
FT

( C- v) Z6 n4 @. Z* @5 N2 E


- M; f  x- k; `7 |% ~
3 \4 |% B" k1 U1 J2 L5 X( `3 R中央控制系统


# I1 u6 s2 R8 f, C( W
. F- e! |/ D, j- k/ ]2 i( h9 ?过程控制系统
. L3 J2 W) ?2 @' Z: t$ c- x
PCS



0 O: G8 g# J5 ?# t3 M( `  D: Z逻辑关断系统
$ i4 l9 M! y" ~" {7 B3 S0 x
4 M7 a5 l0 h8 O) e( o3 IESD


1 _. j6 Z( e1 I# a
火气系统

F&G
. O0 ?$ s; y; }+ @9 x8 @
5 R& I/ I7 [$ `4 `9 p7 Q4 @0 J
" Z8 S$ ~* F  o% \# m
% ~9 q7 H* y" h+ a8 f安全控制系统
5 Q* R* _- L. V6 s* ~
SCS


& ?6 R/ B: e) }9 h0 Y& ]
阀位状态
+ v3 ~: L, |- K  k
& A4 P7 m$ ]$ e5 @泵状态及故障信号
" o; i' a  x) X$ L


( U  e4 o: W$ H3 }3 \8 w
2 c0 x  N) b9 t5 ]' C* |0 e0 m9 N
开关报警信号

PSL

TSL

LSL


( D! H; Y" G( @, t. f- J# ^( |


; w: I; D0 j  M2 _, Y. F( ?" ^控制阀
  Q) V, }" m  p8 V; J
( y5 u1 I: [: X0 F; x* i
. w" F8 |5 c2 K, a8 _
- c9 ~7 d% R9 C启停泵

/ f2 U# X) w0 d" R; M: Y( G

声光
  K6 c4 b  U7 w
报警
8 Z8 k& u& V/ w6 {' V
6 _9 ^! G8 b$ F/ [' L! O/ ~( t

" B2 s: t7 u; ~6 j开关报警高高低低信号
5 j0 R  y; N/ V- F% b

' t* c8 J* F4 C) p
: Y- b0 e  _2 o

其它关断信号

, Z1 q- x7 u, O: }
$ J; ?- D" o8 K


/ Z" x9 c1 C& L+ }# H: w6 D状态灯及PA广播
1 T) T/ x6 N) T/ X: z" s+ K
* m  E3 y! F, k( i! Y

2 m9 H+ Z8 ~6 A) e  D关断相应设备
; N, ?6 n+ p5 O  M' ~
' o+ t& }; a7 G1 W$ M
& j/ Q, o7 t6 P, N2 a% \1 B. V9 L0 S
1 \8 S+ |4 G4 E- L0 C关断相应系统
0 L' C  ^4 x! C' L
; k- g! ]: ?: ]# B" h) ^* g6 |& ?
0 ~' @4 c  ^: N: F6 N
& p1 l( {( I) I# Y0 F9 z' W现场仪表

PT

; f! m) v; ^1 n0 p0 _TT

LT

FT




, Y- h! A. {& t& g) d
$ {% k9 x, b: f中央控制系统

' t4 p# B! X  I, U
* ?8 i! T, {" a- n
& n  V3 \' H' ]6 v过程控制系统

PCS

" p. X9 ~# e% l7 \5 U, o

0 `2 X5 y3 g2 a. N0 _逻辑关断系统
6 f- b4 F' H4 H% o: w2 j
ESD
) l7 u3 A) Q1 B
# e9 \6 n0 x8 j6 g, h

5 {& b! a$ \8 A0 W火气系统
6 X/ I2 |9 s2 |6 m, R" T1 y9 x
7 h- t& P# P# C! y! rF&G



& s# r- t. `0 O3 ]安全控制系统

5 e) p* ]( Q5 N0 s# ~& i$ G9 w* u) @SCS
9 G9 D: V/ x/ t! f9 z
& ~; {* O: n3 p0 |3 M0 ?$ d8 P

阀位状态
3 y; w: t: W- u' w5 _5 p2 M
- f3 H1 s; i7 E泵状态及故障信号
$ ?' T$ \7 q# S$ A

" i) h, W# H$ U
4 |$ P! E9 J0 W" o: |
, O3 p$ e4 ^2 \# @) i& e
* i; B( f1 d& |5 x3 E. V开关报警信号
5 @1 L3 D" s6 x/ p! l; e
PSL

TSL
) ]! {% @5 v0 y: ]" _- |
2 i: E2 _; N2 k0 H7 q! XLSL
# j( e% [' @, L! _" }2 G
% N0 B% ~* u% M: y. C0 g: N
6 z2 f  h7 S8 D" N; P9 v

: i  b" H- K3 @+ ^( i
控制阀
8 J. t) m8 [7 l9 \% S/ ^

; q$ w! v9 \$ w4 D' H
9 I# K9 f2 [7 R  b5 m& |启停泵



声光
* h8 D; h9 R7 M0 X( C
报警
: `3 X/ p4 i: @. w8 a+ e  ]
: ]8 R  O, |- d/ o4 O

开关报警高高低低信号
, c. l3 I' L1 `. G: v

  i4 q, @; D& D+ [9 M. z2 x" s; q2 d

. O9 @3 g: P( A  T3 @
6 Z) Z4 ]' A# W+ V7 `火气探头及火灾手动站
0 q. Y$ ]: F+ o" n1 u6 r
- R+ r3 G1 V' A  j2 R8 T
* M& Q' H1 T: E+ V5 Z, M. e9 a


其它关断信号
0 q# w6 Z8 D$ p: W; S



2 U% K: d& H& w: y
. X- {9 e8 j! v  ~9 `, r! v其它检测信号
4 K9 o7 @0 G3 B4 w: c

" m( T- T7 F9 x! D* c. o; b
状态灯及PA广播



消防泵及喷淋阀和CO2系统
0 s" _4 @  }2 z! a2 F
& k) o- X8 ~* f& o/ c/ A/ }

关断相应设备

% n# D1 C3 i' C+ j
% P3 J' p, e6 K+ `$ `. K( _
关断相应系统


3 H; ?+ ~( y# Q) X% Q% Z
- a+ k+ s; K* c3 b



0 R/ m( @3 L" w: P" @
# p. u6 G/ q' B  o$ u2 z






7 d( y/ g; g4 I
1 k* x1 E) R6 W5 V7 \% v




8 F" [* [" I/ c# g+ q0 Y& e6 ^

6 R. c# n/ S% a3 u  ?: N& Y





! p9 i% U$ Y" q9 w3 l

! I# k: C, D: i' x
! p) m' I6 {& M4 i7 C
# ?' c& i- I% T* M# \  n


1 R) _7 R2 f" N; w+ F' [& t6 }




# E3 Z& n. Z2 r) t  m& L5 {0 M- w

4 P' w2 Z2 I9 O# y5 s
) _8 E) ?' b" Z: W. R& q/ r$ `
% c8 W0 E/ r7 V0 N* a: @
0 f2 a$ Z. h2 v
6 Z& Y! i; P' F
+ _5 R/ s5 J1 y5 b4 w$ y5 w
" ?  W3 H; N2 _' X" H$ ?9 o

# T9 T  ]9 w' i0 W% \7 ]
5 }  |. h0 Q% k: g


: C4 K# N8 {) ?) M
$ s- `; Q2 o- J- M) [' c
+ i: F1 g4 M9 p  @, `" i3 F


1 n! s& ~" k  L% y4 ^
8 O5 c5 i& v6 l& X- e4 z

8 N, |# h( x# N! l+ m

# K2 l6 w- \9 a' \

4 l6 E3 x  C$ N; c

3 O" U& ]* V8 k& a% h' Y8 @+ K
  q, {7 [" u9 L3 l
9 U- r5 I! t+ u8 k! `



                  
+ Y3 \6 M+ y1 |& n* M) |

: H& C% [5 W& n( y+ j+ g$ |! ^, V
      
4 I4 x* H1 V( H3 Q9 K
第二章                       压力检测仪表

5 B) W+ B. X- A) B

, [9 D4 R3 \" S  {% o7 a压力（包含差压和真空度）是工业生产中最重要的参数之一。它决定着生产过程能否正常进行，关系到设备和人身的安全等。

) f7 s9 h/ ^# G) b) }) B: [2.1 压力的定义及单位
5 }& x  ~7 Q1 |- Q: e  B
垂直作用在物体单位面积上的力称为压力。它的数值由两个因素决定，即受力面积和垂直作用力的大小。
. q  o* E! h6 v# V1 h  @
5 T% C# q$ M; f7 Q在国际单位制中其单位为牛顿/米2，即：帕斯卡，其表示的符号为：Pa ，简称“帕”，帕这个单位很小，约为0.1mm水柱所产生的压力。Pa、kPa 、MPa是法定的压力计量单位。在工程中常用单位还有工程大气压（kgf/cm2）、物理大气压（atm）、毫米汞柱（mmHg）、毫米水柱（mmH2O）、磅/英寸2（psi）、巴（bar）等，工程大气压（kgf/cm2）、物理大气压（atm）和巴（bar）压力等级基本相同。1巴≈1公斤力≈100KPa≈14.5psi，相当于10米水柱的压力。它们之间的常用换算见表2-1 各压力单位间的换算。
/ {, E, j+ j0 ~4 e: e) ]* i: ]
" J$ t$ H, U- h; I4 D# H. G表 2-1 各压力单位间的换算
" k) Y8 }; a4 ]7 I帕

Pa

千帕
( V, H* T) H( h! j9 i
# g6 \1 P, U; m: f/ ?) [KPa

3 Z' G) e5 |" t9 B$ l+ W6 o, f大气压     

(kgf/cm2)
( O" K  {; y, }( {' `
毫米水柱
% i: j5 p0 ~9 b% u
+ A: g8 y8 K8 d+ ~. M. MmmH20
% [8 T2 y: _$ ]5 {8 V' l/ x9 ~
磅/英寸2            Ib/in2 (psi)
" v" F" n( e. ?% A
  G8 x: p& t/ N+ M巴             bar
+ ~  i( ?/ U8 E- i; w! n+ z
% |0 M: X5 f1 Q4 ?
7 _+ J; `8 w# v% _0 U$ T+ _1

1×10-3

# Q5 P" E1 Y5 c4 `1.02×10-5
5 ?5 w4 z. E' C- e2 J$ X7 N
$ N/ ?6 K! q/ Y1 L5 p+ T6 D/ Y4 f1.02×10-1
) |( r) P: s) P9 X. ]& S
* e+ Q+ y$ ~: k3 o9 q6 H4 a% U1.45×10-4

1 Q% ^# R* z6 l) h& Z1×10-5
2 A- ~/ w  N* o9 p/ t: r

1×103

1

1.02×10-2
' _8 U6 b! F9 w' }, `
1.02×102

1.45×10-1

$ V6 `& ~. _( @1×10-2

9 |1 s/ l, v3 P" {& }7 G6 O$ X, e; O
8 K8 o: Y3 X! n, z  M6 q3 J) S9.8×104

9.8×10

1
7 a: k( v, ]; B# S8 h, _  D
1×104
4 q8 ~$ M. K) T4 B8 g
14.22

0.98
/ z* F8 F6 k7 p0 \9 L/ l

( S! [: J- I" K4 u" j* V9.8
# {0 j0 h" R5 `* o% X
9.8×10-3
4 V- g, |8 [9 \
. h& Y: b6 h6 \$ E8 |( w1×10-4

4 ~# k9 U6 k' J) a1

# A* ]+ _% K7 y6 u1.4×10-3
! k/ L$ d% L. u+ W+ z: Q2 w+ O3 j
7 l7 x5 T( M; {. A' s+ w9.8×10-5
7 c. r8 x- h8 r. |: y. \
/ g7 t9 Z, z) t' {' x! c4 C
6.9×103

6.9
/ `8 `1 i* k1 z; L% K# J
0.07
3 p/ \+ b" W+ }7 M
0.7×103

$ H$ j* N# }+ V9 S" ~1 ^, I, h7 H1
+ H5 n0 n! r: i  [; H
0.069
5 Q& Q9 y1 ?6 M, U- [# z

1×105
! y& E6 x/ I! W" P" j" `" p
100

. Y* A+ O- J$ A! I$ {# R1.02
8 v: K8 n, ?+ M% k6 M" g
) y8 W9 U6 o( r+ R10.2×103
# \. N7 s2 f* k; x  ^  S+ [; n
5 a" T$ s, R# A$ K. h14.5
0 k5 `8 B' H) e% `
1
) p+ D  s; x: ^

1 j0 p8 P, K( S! ^4 t, |
" A' o. J) l3 J
7 @- F+ c4 e/ r7 e
2.2 压力的分类
* G3 S& `1 B$ ^- p6 |

绝对压力的零线

/ C8 f! Z# f+ x

% a9 |7 }! L. f5 uP表压

0 z* V/ s/ N' e* L8 e; @: C. c# \
1 i, |5 i; A2 E0 ^( {0 T
, ^: x( k) h. Y" a大气压力线