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

1.1 自动化仪表及其应用
$ b8 G, W7 V! B, ~
# {5 S5 s9 h8 A4 F! t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。
: p; R6 n  Y5 F, w
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

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。

  H0 B8 _2 c. F按使用能源不同，可分为气动仪表、电动仪表和液动仪表。
8 W+ C7 D) x+ l% B5 ^
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。
2 `% ?; q0 X$ F* j* X, G" F$ B
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。
7 V* z- c4 a6 y0 I, Z
1.3 自动化控制系统
( J7 b5 Q7 ^: C1 `9 |" ?
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。
9 r1 z$ `: K4 `4 U2 J3 Q5 ?
9 X0 `9 O) S" j7 S2 r, t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。
. C& x  V5 ^! b. @) c
: q1 R) @; _; b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：


' [: P  j1 l1 \2 n$ @: \: g" X9 n! t



/ z/ j+ N& b4 x( t4 H# C
& C$ Q( m7 n- H
" T) Y' X' \0 ?/ B) H! e/ e
9 L1 Q. K: j  a


, V/ ~% r, i" f$ f* @0 ?+ P: N
5 v  t  L1 G' l, |1 K# a' y) U6 v

( M( p: m- c" Z* e: J  @$ f( i


: J5 ]) Y3 U9 l3 E/ A- i* l
! C2 R! i, h6 q

6 P  G/ R' L3 b7 L% H2 d6 i中央控制系统的构成


2 G4 f7 c( m/ Q' Z9 r! u/ I1 [* P



' p& O7 I* b( {) a6 _/ J现场仪表
& y- V& `# @. u9 Y% B
PT

TT
6 N* x& e0 y& M7 v4 @9 N8 c
% o0 L# [( q0 L' P; `5 A: \LT

% ~7 O6 q+ \- W3 d- xFT
( j8 v; l, _$ o; l



* X: W! V, ~, N$ x" \
中央控制系统
; V3 H% r* _2 o, Z: t7 Y) _

0 N: N) i5 g2 E3 s( W3 p9 ^
过程控制系统
& n4 D7 _6 s3 Y2 d! I
PCS
  x, C' y* ^. u, U1 Q$ K

" \3 l3 i" `2 Z7 S
逻辑关断系统
$ G* {$ S+ h" {
" j. D- y4 k8 n) F1 m" {ESD

9 p, k/ f) A, q: f  @

火气系统
8 H. D2 D' x; |" b: u
0 l4 T; i; {5 \- U2 N- ^- H( TF&G

6 v$ J0 [4 s* L8 Q; K
3 J- F, r3 T3 |" d# j! T
9 v, _; z3 ~* S; u, q6 S安全控制系统

SCS
$ y4 I. y; ?" |6 L1 O/ ~; k
0 H$ @) E& J/ s7 k% ^0 j

, i% r7 _9 ^. }* I阀位状态
. M) ~) N. ^4 ]) g
4 k& m- D5 H4 }/ w8 g2 K泵状态及故障信号

  V/ {% W* U/ q& d# p0 Z7 i

, M- z6 o8 b9 Y  K

开关报警信号
1 W, X" \5 x. S  d$ _* m4 l  x5 `4 C
9 c# C' @# s, [* W* G$ b; JPSL

TSL

+ V& f7 N$ I: l  j0 x! W4 iLSL


2 P8 G# \! x5 q0 [0 o. f

9 t5 l4 e, ~5 m' C, R3 B! w0 c5 A
* U( ^- C8 V, k/ i控制阀
1 E( Z) T3 m+ p7 U
2 o  C- @0 K5 l+ o8 a3 M( O
$ O: @3 d( Z7 p
启停泵



声光
( ~) O/ ?! O; M9 S6 ]6 @
报警

, \- B% v6 V$ e

开关报警高高低低信号
- H0 g2 j6 o+ i7 K3 ]! l" S9 ?
2 v. y- p" x  ?! K: x' D- a0 G
% n( e6 Y( o; I+ q
0 @% i% P" `; r' }5 i6 N
9 [3 ?' R# r1 L  j' ?
其它关断信号

7 l3 ~  `  |/ i: O# r7 }



3 {+ z. O$ Z8 X6 {5 n& X  M状态灯及PA广播
1 r- K2 ~! Z; Z6 I

7 {4 d) ?  S/ f4 d/ P7 C: x5 b, ]
关断相应设备


. F3 }5 \. T" ]  h) T- Y' @
关断相应系统

: j; S7 F) j3 q. M3 @6 r0 Z

+ K1 f, k* ~8 s; ~; w现场仪表

PT
  I3 R1 R' I3 \
TT
* y7 ?4 ~3 E/ X' w; g2 E: Q9 t
LT

FT
1 r1 o7 k/ i+ c1 r8 G1 K
' I( i- N6 f% s" c0 p& I$ U
# a7 v$ I, ~( L

; K$ L1 a$ a  O' @0 v- X* E
: `( G7 x: r( t+ u中央控制系统
: c7 o4 M4 X; I3 i6 J) r


; W( |; ~, O( e$ X* v1 Y4 g过程控制系统

0 o$ J5 D; H" g- O* cPCS



3 A) p- N) x( x. o2 h逻辑关断系统
1 I6 D( v6 j+ ]* p4 h
ESD

1 y' R* q( V/ }. Y$ z

' q6 [2 g: e8 `  Q2 ~, ]0 o, G火气系统

F&G
7 @; e" Y- s% M8 \2 a  m
8 u, B- D& l5 i; F& [
7 y) L1 ?, t, t* t5 g) g
安全控制系统
# w& q+ B. F4 w) L3 c; W3 Z
; U# d! y0 k+ }1 }( wSCS
. u- o1 g& Z" n: U
% D+ }9 p( O8 L6 x& Y

4 d+ s& g  H1 P+ k$ A- C阀位状态
8 O, H% ^9 X' g2 u. @
泵状态及故障信号
+ \6 r6 u! d+ l% D1 P



5 r2 M1 X- o& {5 H5 D/ R
) C6 J/ X2 i# F, C7 s+ }开关报警信号
% s! m/ ~, m. r4 b+ b# I0 W& g
4 o, N; H! e' R' L3 T7 zPSL
3 o4 L. r) q3 N7 k1 c
8 `+ w. V1 F  J6 N3 e6 x/ ^- S9 q0 xTSL
7 n( o# V* t* S& @3 ]+ z! e0 h4 m
LSL
4 Q' ]& p/ d/ ?3 W/ k! D$ r

8 M: ?1 v3 l% ]' m% _; B

3 U5 {; `2 X4 t* ?) p4 L# s  C% P
控制阀


) p# O6 C0 o- L$ i! X
启停泵



# x3 R; i' d9 z9 ?声光

% V  ]8 T! X3 [报警



; [. h. t6 B8 C3 V& m. {开关报警高高低低信号

  L) u/ O; o9 n
+ q& _% Y3 v. c+ B6 c9 y* k
  q6 n) Z! u' D& d* L8 X+ r4 C

$ f' t$ G+ Q7 v/ T火气探头及火灾手动站
" l. Q( n7 B, g4 Q

' y$ A0 \  T) q( c. W8 O/ q

- M9 Z0 Z( x/ ~
其它关断信号



$ w$ n. k. Z& o1 T( G" b
" z0 S1 n$ r4 c0 l
9 y6 d& P; q0 H; A8 t2 T其它检测信号

9 |; {) f/ V9 X2 x+ s9 |8 c

! b5 u6 I+ ]- Q( h状态灯及PA广播
1 e. N) l0 N" T# ^) V  ?/ B


/ ~( H! |! Y; R2 E消防泵及喷淋阀和CO2系统
  G  T* ^& D3 T) w- U* K
! `2 x) p! k2 M, }$ d
. Q5 o" `# u% N& Q; }" U
关断相应设备

7 t  w5 a% G0 D% [5 E
, J0 A3 y5 _* \$ Q
& y2 U# Z; c9 {: J! P' ^0 `关断相应系统


/ _  I$ T' r& s& _, f
( G" J1 \5 N2 Q

) k" K$ P/ V0 L/ E6 t
7 Q$ d. E* @7 ~2 X2 A2 G6 @
; d6 @3 d% u3 D/ _3 w

" `* [; Z" B, v, y' y
3 D) V6 f+ S  f& P" d% |

# R( g  ~3 G' ^, _1 b+ u4 [* t
3 O$ s  |# h" r; U  o! H% e5 \
+ W/ {1 K8 I/ A% s6 Q
$ ~/ W) n; ]; {) k3 t
: s% F2 u# i$ p+ U" q7 D# A
, ]/ f% s3 a1 b$ o/ X



; g" P$ O/ g$ J8 v* @5 e' r9 }: G


3 F2 L/ f; m% n$ ?4 x3 l

: f% Q- `$ J( b: v9 J




" i( W6 R/ @1 I7 L* A+ p





0 L6 F% {& r# N( ^' @. X0 B
$ z+ o$ U8 L/ T# R' F9 j3 B( ?+ r

. u! x  T& e2 P* g/ }



1 B& W2 Y3 v; q; j+ q
! r5 U/ S$ d2 v( N$ P5 C# y, S9 E. ~


  ]: S4 \6 D* F
; x! Y5 ]+ B+ _3 V5 F
# o2 O' p' R5 T



! p$ N' |( l% O1 c- f* O

; C7 _6 x) v# r$ [


$ A/ c! E- e+ a. G

& u% A: g. `, M% G1 [1 B- Y

0 a6 \) N3 f0 I4 U

+ b: W' L0 r! x8 M! e7 c
# A# ?1 M$ U: D  \, V
! M( ~* j1 g+ y. d2 q
# V* l- W  R1 O7 N5 |/ |( E
% H' ?9 _5 v* r. e: i2 c7 T7 ^6 A




& H+ J( e. D2 p) a
7 Q1 Q$ {9 F0 b- w                  


! q2 z+ A# ~) Q( @
( ^* i6 I2 e7 o      

第二章                       压力检测仪表
& G2 B5 u. p! U1 ?9 H6 E8 l


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。

3 E& u, r2 w$ m" j( ~2.1 压力的定义及单位

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。

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。

表 2-1 各压力单位间的换算
帕
9 z) t. L( d1 K+ D! j7 H
# P9 G7 f" X1 N: @$ b& f* J' |Pa
! {  C8 ]5 S! x
" I0 k8 o" B; S千帕
1 P. X9 l9 `) d+ p; y0 c7 u& L
KPa

* y7 I. D* o, V6 D0 C" T/ D大气压     
3 w4 z- b7 _7 _
(kgf/cm2)

( X$ A' }3 j* _" G1 W) [. Y) u8 F# T毫米水柱

( \5 `. Z* h1 P& ZmmH20
5 W$ E% I* ]$ z
磅/英寸2            Ib/in2 (psi)

巴             bar

# q! O+ e+ k' B" v2 t
1
5 f) m0 H5 |  C" }5 a* \# g
1×10-3
9 V& {5 A( G/ R: S( M7 L$ R2 [
5 p" A0 V  `7 Z* u4 ^1.02×10-5
3 ~6 T# a; U/ n, ]* O6 i0 R, |
1.02×10-1

1.45×10-4

1×10-5

4 a$ g/ D+ }6 h6 ^; a
1×103

1

1.02×10-2
9 a& j1 {, `9 u0 b. [1 G
% q4 G, X" _  `* r3 g5 ]1.02×102
( |  J) A7 ^) _/ S2 _
7 j) p2 y8 ?4 w( a1.45×10-1
* g/ ^1 Y6 x4 l5 N
1×10-2
- a! _. _* C! D. s0 T

9.8×104

3 ?& u1 s1 f, V4 e% Z7 d% g5 [8 Z5 k9.8×10

) i! M7 S6 `+ w1
1 _( D1 |+ A  K
1×104

14.22

2 |$ R9 ^7 n3 K* M. d9 P3 ~7 }0.98
1 Y7 T, q4 T  P

; l: |3 c- @" n: D$ [& `9.8

9.8×10-3
( Y1 u2 c- U$ v$ j4 @+ d
1×10-4

1

1.4×10-3

9.8×10-5

# ]. w$ c) u- J1 V4 S4 ?2 }5 ?# n
6.9×103
; ~. C) l. D) o. K
0 e$ c  P2 L, |8 l( @$ |% y, D6.9

0.07

0.7×103

' k9 e1 r2 H5 i. D8 n1 p' ]1

# N& }" |/ z# V- G- E( X! T0.069
- x' p8 b' b! `# e, |
! |6 F/ b4 |# k" P% L1 h
1×105
& ~& C/ @( h3 m, h
; Y3 ^1 r+ N. ~' b100

8 S$ M  a' L5 n; q+ C% G1.02

10.2×103

4 y. G. Y+ i! s3 _5 b) {7 K) H3 a/ n% e, f14.5
9 _5 @5 W& X# R3 S1 `  o8 {8 d4 ^
2 ?: p  p- j+ X1
% c" ]8 s! e; R; B) Q

' `2 m+ u2 P+ u( X& `) P
: i& C% D5 F* E- B4 _; x, _

2.2 压力的分类


绝对压力的零线
9 e1 Y; f& z2 d( L, P
# Q7 N5 z- k( {
( [2 B1 }7 b3 t# s) X( t8 y
P表压
# f* ?7 r* q( U- E% V, }! |6 R

1 o. U: n' A4 _" i5 F( m
; b' L. k+ J, f大气压力线