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
* H) Q, D% S, T/ M; T7 d% F# Z/ O
$ O: S7 m; H* i/ S* L- q1.1 自动化仪表及其应用
0 U& I9 `9 j0 C' j
( Q& Z, j- _* a* Q% E% T( k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。

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。
% `, F* h* o  P( @$ n, @: d
) l. r( d4 r% r7 G" p1.2 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。

0 d; _% o3 I3 @( |+ a按使用能源不同，可分为气动仪表、电动仪表和液动仪表。

7 t; R  g8 Z/ }- P8 Q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。
! W3 r' G& u2 P
" @; w/ y2 h) V" Z  S+ ~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。

9 b' }9 V% s. l5 ?! @1.3 自动化控制系统

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。
8 F# g- g6 U" n! ]$ H' q
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。
) [. J- a, @3 X$ v- [; \0 B
5 M1 j* s' f# k# F/ v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：
# v6 E: {( @$ Y5 B' ]2 w
) h  u2 M$ U$ i% A! D& `0 x
. e) v" b4 S% Q- A  X4 {
' s; X# `# y6 B$ [
  Y& n% ^# {2 Y6 H+ T. n

* M9 ]* o  Q$ @; K
# ]# P" i+ l8 R7 [4 Q/ t

! q7 [- ~: @3 F" [. n; x: L& q3 j





* K) {* `6 ]2 u$ H5 J& m; L


8 ~" |2 e+ Z1 `- @  E4 ?# B3 E


  f- ]4 [5 ~8 }) R: r# n) k中央控制系统的构成


- t9 i3 j* \) Z& N
- W; R, M- Z( G3 J( N
" a) C8 O8 X8 j

6 n% }# O5 C/ d+ T  h/ F现场仪表

PT
# ]; s5 l* m2 t" Q! c$ I
TT
/ D. Y/ k. h% `! I
- S8 {5 d! e: W) Q- [* }) aLT

0 ~' _8 a8 _: q, |FT





中央控制系统
8 b2 k. n& y! `
# _( f; R( z$ P4 [; Q. q" _
+ ?( L- d% f: J
5 q' |$ M! T. G过程控制系统
' @0 U( J5 Q/ W+ B6 {% }
PCS
1 P# m4 x: a3 S$ }4 G
; _5 D* w/ j1 ~
. i8 X+ }6 t# Q8 [& n
逻辑关断系统
/ ~! ]& [+ |, i# B6 a9 n7 x- J
ESD
) p+ n. w5 M2 k8 H
, a0 L+ A8 R1 Y4 L/ w7 g

! R8 Z0 ]5 W. W) M火气系统

F&G
* s- ~% {; c/ {. g) T


安全控制系统

5 k7 Z; _0 f0 LSCS



4 l1 O) U; X" E  Q% J& U$ k4 P阀位状态

泵状态及故障信号

  p$ k. l" T( a: K/ h* t: O' C+ u

$ p! Z8 a6 h. r: S5 K& V( I% \/ e0 s  s  O
3 O+ r, S( [; T$ M9 j' ~* q$ I" O6 P* w0 U
! {7 U% c/ ?3 K% M4 G开关报警信号
- s4 I2 A$ O' h3 T
' [0 l3 F$ R" B1 {/ `$ YPSL

TSL

; w, s: X, I: N8 {LSL

3 o$ i5 d) X% o+ p: `0 ~6 [& h
. q. `8 b! O7 C: [" R  ^
: q' B; [' v2 U, _; W

控制阀
) K- i, [" Y9 U+ q# f' @
; K; _2 u7 `% e! y! }

启停泵
: D6 E5 }/ W5 w


# V/ _$ R5 T" }: ]% j声光

报警



开关报警高高低低信号
7 N9 L: A0 a' Y. d: o4 I
8 M! S+ ^* |# \8 z. x1 T& h6 P9 x8 K


$ p* y3 y& o7 Y6 [( T! Q# l
9 O$ R* Z8 u3 S% ]9 _9 G0 ^, I# x其它关断信号
# _( `0 w' X) s/ w4 |
0 i) [) n, q0 ]; C
1 D' x) l: T' r* m/ H8 g
8 t  N9 S" q: z

状态灯及PA广播


3 g- {& f  ~6 R; e# h( F
关断相应设备


& a6 A% a0 U  c$ \0 I: n0 H0 g
$ U6 }4 H9 Y' M+ J关断相应系统

9 M5 {( R* U. y7 M: w

现场仪表
. K7 }  V0 W/ X5 K4 P* u
PT

  X$ X( k' M! ~4 bTT

LT

FT
$ g  ?4 ~9 y! c6 s5 h& `" D
/ k/ v/ m5 ?: V2 a: ~' Y& M
5 a: U% Y" j: A8 |


. ]4 c4 |* m8 g$ P) C中央控制系统

3 A% a1 p$ p0 d9 E$ e) f/ S

过程控制系统

; [  }" N+ v3 J4 x0 n7 oPCS

3 I- F! M$ a/ H/ a/ S+ d  I, O1 X- n

逻辑关断系统

0 b4 G! C, @# D, fESD


8 ?- Q- g; \+ J  k/ P* F" {! N' v
火气系统

F&G
. C; ?$ `/ I  s3 Y% c$ x
+ F1 G  d. q$ W

2 Q% `& Y6 T" R$ X: e! W安全控制系统
1 G' z( |5 ?. M+ V
SCS
  D( E0 Z5 I& y3 g

: t+ I1 H# J- G0 k3 A- h
阀位状态

1 l0 C* z6 u1 Y+ z# Y; b0 R9 o- V泵状态及故障信号

8 m- S9 f5 t1 X, N

' y4 Y: l7 n9 @: B7 Q4 b1 E( H3 `

开关报警信号

1 L- O6 B% u, e1 I+ UPSL
( {) d" D% p; m- m- x, F% N1 C
TSL
6 Z- H  N0 b) x% w: r, d5 L
7 v4 u& ?6 M% _LSL


! `8 C# @* C0 Y2 r1 O4 K% T' K


控制阀

5 ?- N7 L7 G# a! X% v1 w+ z4 [

启停泵
2 W2 y; P1 k3 k7 Y& m


声光
" K' Q  e# _- V! p& d5 D" L
报警


0 k+ f' N! \1 I* F0 V' i" @
开关报警高高低低信号



! }% g8 ^) p- u2 A  ]% Q3 c

火气探头及火灾手动站




7 N) v9 W6 u* B) P  g5 n9 Z6 {7 O
# K. ?0 f" o& e其它关断信号
! y) C# h, O$ q

; ~( P- E* k4 B


其它检测信号
# e5 ]+ l% ]) J! L9 `9 B" Q

( i. l9 ~, r: y* g
状态灯及PA广播

* E& |  q, Y  h: b% X

消防泵及喷淋阀和CO2系统
& w. a% ?" T; M, W! N" S
% k$ j3 b' \+ {7 f. |

- b, l7 R7 b7 D$ A: a, r& T关断相应设备


; t1 \' Y. M& p$ U% k  w' h
关断相应系统




0 x& @6 ?" x5 `% K; t% D$ a2 M) v
* X2 f- O$ S+ g. x8 ?' x



4 v' |% B+ D  f  q

9 R" i9 z* L  g( r. g2 s" n3 J" I
7 |$ B4 W% \/ z/ _( ~0 x+ l+ I

- I4 |6 c9 a/ s: X0 H6 h
  B& \; Z( D. I7 U' D
2 [: k, @3 R1 d7 _0 g" {

$ c  v1 s7 T8 ^/ b5 i. |


0 ^+ q9 R* M2 }% I/ w* y) r/ |

# E# ?$ f1 {$ v# v1 H) H4 c
9 H* ~  V2 e; E  Q1 g

& U3 }3 n" C1 Q! U; t

+ r2 A* e7 Y% h' B0 k

0 ?! j+ P3 A/ e" j" t
6 ~% e+ I5 [4 a+ ^7 Z& {




/ U- v& w( m4 z, @9 O

. Y; L2 g* I( w( p: A, w8 W* _4 t$ P
( h! u; u* K+ N: N


: _* J1 D  l, V2 ^& r# ^* u

: z: u9 ~' F- T

  m+ A, K% ^' w  u

$ M" `4 a' Y- P+ \. A, |7 c* S+ u
* A4 U( j: U: w2 {3 V


4 s6 _0 l! X, l( f, G
# G2 w$ s3 E8 F, c& k# n$ d
! D0 ]/ p" x, p% @- }, R; o$ O
, g) {, c6 E8 M$ @
5 S% r, X8 m4 t4 L



/ F' q4 g+ X9 }

9 c% X0 ^& r- ^" i  o) j
$ X5 P) ^( b! H, d( q* a% f: F# p

+ u& _  u# b& |7 d9 p


4 ^5 {/ g7 X( b5 ?

- R1 @4 \. d8 _! `, \: c1 Y
- ?% V( E" B6 m! N1 p0 Q0 T

+ C- X/ s% b" v2 S

                  

$ f, t* \/ c0 V( g8 z: r

      
, S4 A* K6 ?5 I& n' d
" ?6 Y, K, b( ]第二章                       压力检测仪表
5 t9 @6 P% p* A


+ G* ]/ e3 w1 i+ H% v; T5 `, v) B$ T# H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。
2 U/ l1 Z, P5 O
2.1 压力的定义及单位
; D  p  ^2 D0 W# A2 ?( m
, ]6 ?; c- ~; O* ?/ V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。

. ]" L. \8 R% U: @2 M( Z7 W$ R! [' r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

Pa
+ q- {" g' M9 U5 B
4 O+ U: ]+ @; w/ t4 R千帕

KPa

- w9 j0 L+ G& ]- X1 L4 J# f- F大气压     

(kgf/cm2)

毫米水柱

mmH20
5 t8 p& l1 A$ B2 T
" b. A* v& A! A磅/英寸2            Ib/in2 (psi)
9 T1 n- l: k) @1 `
巴             bar
6 L+ G, C+ U+ Q5 j" N

& |2 E6 g# d( g) u. d  ^4 p* a2 d1

1×10-3
* I3 t/ n& _* d% E) f% S3 `% |
1.02×10-5
% I4 D/ k( N( V! a$ b# O- c$ v, W8 d
! h. w% L; A+ n$ l; N) v1.02×10-1
. v$ {3 u+ \5 m! r+ l. `
1.45×10-4

( t- ?% Y4 \8 Z# X1×10-5
& Q4 |# p( L2 _; l; ~

1×103

1
9 S& U6 z! G5 l) V+ k8 ^
1.02×10-2

1.02×102
$ w/ e2 m' k; |8 B1 U6 L5 M
0 o" b) b/ A" W1 L. G6 C+ A1.45×10-1
9 f$ R6 `4 {7 D1 C) B1 o0 p2 L
$ x( n$ {" i. b1 k1×10-2
/ c% {* d  e" }$ h$ S
3 Q+ ?! q0 O5 f1 d! i
) S+ [6 i# X: q9 f; A  s0 e; D; ^9.8×104

9.8×10
+ e, ~  z+ f) P) C1 I! ~2 m
! E8 N% P  p* B1 K/ Z1 y0 p+ W1
" f- R9 G' v- ^0 t' g# {+ R6 p% A
3 G# u0 r9 N: B( r% z1×104
  l; n+ T2 H) L( O
3 _; P( |7 o' O  {, s2 _1 V1 A) I14.22
3 \. O$ M& `: `  n; J: e: j
0.98


5 ~1 @* X  ~) _' D' M. u+ N9.8

9.8×10-3

1×10-4

1
: n" t8 L7 x% O8 D
+ ]& d. y/ k( p; G6 H1 w$ F1.4×10-3

' }+ }' {, d' E3 F' |9 z$ z, A+ y. j9.8×10-5


6 Z" L" O2 n6 ^0 o6.9×103
4 i! }# `; ]1 d; ^; F- l/ y( c6 x
. r& M; m7 f- q  S8 ^8 n" l& S' m6.9
3 ?7 @% A# ~$ }3 W# q
/ _) m* v, S8 m+ v! b, \0.07
& o0 }. q6 x+ ?. A" E! N
) j( D/ I. I. y, n; Y/ \( `0.7×103
* j4 J: c# U, v  \. n
1
1 q" k' }  \! z$ u  O* }8 O4 }
0.069


1×105

100
8 f" {+ S1 s4 \1 L! b
1.02

10.2×103
3 K; p! e2 \3 j# x2 e7 z  H
14.5

% r  n9 n& ]  @/ m. n7 T( ~1
  Q; C# K+ j4 `2 {+ q
/ z& U1 b5 b/ h! ]0 z

; y" j' J& I, `& s; l
5 J- T6 F+ i% V9 J
2.2 压力的分类
) r/ N- H6 B% H# Y) f2 \$ L  i

绝对压力的零线
) G# O$ V# D; u8 w3 _6 I


P表压
: \7 f& L' s6 J) U

; n. |( O7 y: s, v3 m0 N
大气压力线