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
8 S4 }- p" b$ M
) p# V! }- c& Y0 ]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。

1.2 自动化仪表的分类

. k0 _! l) S' Z3 D# d. O" j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。

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。
8 s! J3 f. s7 Y' d. X) q8 f
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。

5 y- |" P. L% r  y; n0 b1.3 自动化控制系统
' m8 d+ e) J- H$ \( g7 {
' p1 x' b" Y$ }- _/ U$ R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 o; G4 ~5 Q, Q6 a
( [% V% n. j( n* d  O; V5 y( L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。
  _3 i1 x0 i5 c2 v* u
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：





/ S/ b$ R' S1 l0 z



" K! J1 f1 }' v
! d+ s4 d% }/ L) e


# ^! Z5 r3 K0 e

4 ]) n' S- {' o

* h' j1 p* d5 |0 s: @0 U
3 p( ?0 S2 l/ Z( r) b
! O6 G4 s, x, F; E) o0 O" m- W
6 H* R( U0 i2 v8 Q) [
' `8 x. U9 _! A" J中央控制系统的构成
. x( z& s% s! ?3 Q& w8 L
) U9 c8 J& z3 x! `; g+ @# w4 N
' {- e- Y5 X; |! Z! r  C
" U4 `) h0 O( S# i' L# N
4 e0 C  w- c- m0 f- i, H  n
: [0 w- x% M% g
现场仪表
; t/ ^3 x& a' ~0 U
0 d1 t+ R. q. I0 K# c/ h1 lPT
$ L% E  w! O6 L* k7 j4 _
. k& i, Z9 p) E, OTT
. |2 f5 R$ C: X. b4 S- M
1 |- P5 f$ I- t3 ?LT

FT
7 y4 k6 G: O. i7 s, w/ n7 `

: a% O. G* h2 M8 \$ m% T* u
$ v8 V/ [) g# l% K0 N  K: |) M
/ M* Y6 D- ^. L, N7 F% a
中央控制系统
) s- u* \* z' A4 ]

1 g; L* K4 ?/ c4 ?
; Z  Q% ~. ^6 o3 j& e6 S过程控制系统

( S6 }" ~4 ^$ APCS
, T6 s& M1 E; X8 J0 i3 c
9 J8 h" l% u. R

& X  P- j1 @2 G: f逻辑关断系统

  Y! p& F. }9 o4 T7 ?& V9 a$ PESD



/ S* g, A/ z* c, G$ G) X2 t火气系统
9 z% p2 ^% }0 t5 Q% o; h# v+ F
+ l% r" J3 {( e$ ^7 f! G# D8 U2 nF&G
" }" A* w2 F" h8 Y) W5 z


安全控制系统

SCS
7 K: X; A$ [( n; N% M

" ]# X+ x2 p* E. c7 H! a2 z
阀位状态
" ^8 ^# @2 S# J1 N9 w( q
泵状态及故障信号

' f& Z+ n; n+ j

/ ?+ p3 c4 m4 C# D, i3 G9 u! k

% u* y( |# \1 o4 q  A2 ~! F$ e开关报警信号
. I/ b' @# ?0 K, A; t. Y2 ~1 x
PSL

. v( f$ Z1 g- C' s8 N3 f2 _0 kTSL

LSL


9 `1 d% X. Y  M9 C7 w6 J* [
2 k; f9 k' F, ^7 p7 p

* |% W) k  W. o& H控制阀
, u) c& D) \* F: S, w& A& u  u6 G, H; O
3 ]0 m6 s% B" b. H7 e: g5 q
9 _" |; K1 J3 i# a. Z( \3 N9 _
启停泵


3 B$ ?! S) l0 Y; z" w# t
声光
+ |7 }/ R; f" H- ]9 y+ _
报警
. k7 m# M9 `& q5 E
, k! F$ }  T, \9 L  w6 f5 \

开关报警高高低低信号
$ l6 z( x0 }- D& ?5 R: e- d! N
7 ~) g0 L3 R; i& r6 O4 j$ W
2 S  X5 Q( x9 I; b" R
, k* G; L. f' f+ E7 B
5 d$ ]1 C0 T( `* N! w; q0 `
8 C* C: c8 W0 v+ |8 H  j. e, S其它关断信号

( f/ _8 B9 |& z/ ]( H# E
# b% c* c7 Q  z1 n/ Z$ D
7 ^3 G+ x+ K4 s0 t! K

状态灯及PA广播
* @% x6 a, C( W5 `; a; e
1 d* T" |9 n; I1 J( ]8 Z
. k, I9 X2 D- s/ l' l9 h
8 K: j- E3 G/ g2 R/ U4 |. Q关断相应设备

: q: A( ^9 g' e

, L2 f' N- z- F/ w( j/ N1 U关断相应系统



现场仪表
* c8 `/ C8 G# i; Z3 e: k
3 D- r+ s: a' PPT
+ t& C  T5 N; l5 A
9 @( D: p. W8 [: K$ _TT
1 o) C; `1 N7 V# i, b% o
LT
- A' {6 z# _2 y, G$ Y  h: H
FT



0 h4 V: Y0 i" l! ]+ Y: D

中央控制系统



过程控制系统
! a5 |- `/ |0 a" v
+ t5 O  l3 J- O1 [' KPCS


& \" D5 I6 ^; j% B7 C) M# B2 P8 F
& x) d3 w* j+ |; Z: P逻辑关断系统

- t3 d+ v) G9 T) a( _! P- ]ESD
& N" V& i; ]  Q! u* e4 R6 Y2 n


8 e- j; e; C& b$ K6 @7 p6 e9 P, {" R火气系统

F&G
) }; S' e, Z5 B% c6 n& ^


& z- i, G5 i5 u9 X8 J8 \% a( m; ^安全控制系统
7 c  u& M) p$ N* ?
SCS


* C/ F* ?5 ]& V* ]& \
阀位状态
2 d4 N9 p  R! b5 U5 ~* w* B8 H
泵状态及故障信号

% |# M+ r8 o4 [6 Q4 U- i+ o


" D8 b( g- R- D: A  q7 M" @
/ M: a0 T9 y; @6 r$ Z& R开关报警信号
& |3 I8 o3 ?0 O: M) W" c6 S1 ]! P
PSL
: h9 c$ s1 |% F/ R
TSL

8 q; ]& @: u4 |4 c( r2 B" KLSL
6 f6 P$ `% X( P; C' ~1 Z
0 H" s" R% P3 T; b

, m- M$ u: s- D5 z" {( b

控制阀
1 e- @! F3 E' t7 h. w1 y' w


  D9 j) `2 |8 E7 d启停泵
; c2 R" W( M, ]" l! s


声光
- T  k, U6 T& C: F; r! m/ m
报警
3 }( d' X9 k7 G& L7 x! |

- s( Y6 x3 g7 q# D  r* j
开关报警高高低低信号
& S+ T% T+ l7 K$ n' H9 |, }
* T1 ]$ O! {# B$ k2 F
0 A( \1 R& v* x2 K( T


火气探头及火灾手动站
9 C. p& }1 r% J$ f




, X& C# p2 F1 {2 ?( ~9 |: ]# V其它关断信号

; m- P# T: f7 [
+ o  q! C/ g' _7 ^! y
8 A4 W5 U5 Y- K% B6 V

/ e+ X& R9 C4 T7 x3 e" i' R+ _其它检测信号
% a) s: E/ ?8 }0 M/ K( w* s

$ h  d3 g9 N( f: C
7 i; C9 N# K- t" x% h状态灯及PA广播
, P2 m8 _# v1 W: L" s
& n! }8 t) C" Q

消防泵及喷淋阀和CO2系统



关断相应设备
# V3 S% o& f* G


% [9 C, _$ u. v, f9 ?) q关断相应系统
8 t" H; k/ g5 m. H+ f


2 A+ ], b, z$ J  H  C
+ q: Q0 ]. E6 D
) }  I% M1 ?, b% W& G/ d( G



) W$ s; }1 K3 l1 v1 L& M; U4 o0 m



6 O6 d) M; r) z0 n



& B* }1 r" x# V0 y6 U

6 v6 o: f0 F9 m: {+ g8 i



/ n- q. N( R3 g( G) f
# @8 R* J8 w. b4 F# H6 V! f! |- l


; |% ^9 L. V# R2 H: ?

6 E9 Z9 I/ B0 \. }
2 S3 f6 d7 m# X, g1 G2 [- \
) u4 P* t; M( _+ o

+ u/ e, y& k# T: K8 H/ ?6 l
* B4 ?+ A) S1 Q6 ]/ d

3 d% o4 Z3 G$ H0 X1 |


4 Q, R' A# F- O& {
4 o( t0 \9 U% |! r, j* o
8 {. K" K* k; u- Q9 Z  s9 G
: F' \9 k9 \* J3 t0 ]" F% ~
! n1 X7 }, |3 K8 g0 z* D; E5 s
; \1 o! f2 l- x& }. J: H
: {+ r+ {! Z% O

) M/ Y$ F2 a  M, |; `$ ?, K

# n2 R" R* {! k  C7 J
) S( H, z% B2 `" J* Y. C# U, \
* J& G& r/ ~0 v" V# y
/ Y7 @1 p& Y9 x+ v( X6 X2 p


1 r  v+ }# ?; g# p2 n: V2 R
& F% J6 e# n8 P/ ~



, ^4 H2 G! c& ]4 b5 j
- ]# O2 Y! _/ j7 B. x7 z


- M4 g5 b& {9 D7 [2 w
3 `  U  |$ }8 U/ K$ K
" i6 h- f5 Y' h# _: K


; F/ M  W" \* a+ o* s
! ~1 [1 ]( M; z( H: E+ [
+ q( l3 a: x, \9 N5 ?" U' ]

  X7 @! d# E5 s' Z# o+ g

7 a& j, q0 `& L+ a) |/ v) K0 u6 {                  
; F9 g- |" \5 p  Y4 H' K
# H- p" n$ [5 z; o/ |, N8 Z

      
! o$ _! J# @* K0 ]/ c6 H. R
第二章                       压力检测仪表
: V$ A. P$ `$ y( M

; V, e7 @/ O# D0 ]0 @. f
: g& U  O: n: Q! S0 O0 I8 T# N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。

4 g$ c9 ~3 T: O8 ^: x3 h2.1 压力的定义及单位
  f7 M* ~5 D( g( u
( E# T$ Q" K$ z# ~% _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。
9 {4 r* f8 ^% Q% r9 H
; o" U9 A# M7 \1 S. _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

. F2 a/ z% t, i; A& F3 L( E7 p千帕
4 B2 ?' P/ A) h( k
KPa
! o: x) ^) X  q" i( F
* y: q9 m/ u; n! W大气压     
/ ]$ }9 r0 E5 w  s/ k- Y
(kgf/cm2)
$ \  e# D% K' ^* m6 w; z* ?
毫米水柱

mmH20

磅/英寸2            Ib/in2 (psi)

  z* u4 `: F: M/ ]$ \! B9 ^巴             bar


5 ^3 v& E' l6 h* p( C) _% ?1

; x; j* {0 U) |0 j3 o5 ^6 ]1×10-3

1.02×10-5
- u, ^. y. d* N0 y
1.02×10-1
/ l& |1 R/ D) @' h* o
; j% U5 F' ~$ ]2 }1.45×10-4
8 f2 F& H$ h% W) c6 h# B  D
2 m4 b2 F/ N. A5 k5 Q4 H; N1 k1×10-5
5 g1 @. T" Z# T7 U6 H6 P

1 b6 |2 H% a% |% M1×103

1
- P( O# x7 I4 Q0 T, P
1.02×10-2
$ y! \; |+ z. B% D7 w. Y) M
1.02×102
+ L/ b* t6 ~# M4 i" q. E
( h7 T6 M7 t  Z1.45×10-1

1×10-2
' G5 d6 J8 t! h! a7 g

9.8×104

9.8×10

' e# g5 ~- |9 T3 Z2 O" V1

1×104
; ^) r+ X6 B, |1 c$ I! f% m" c/ k
14.22
4 U2 x3 R2 I) N8 A  a8 b. `
4 k8 U' Q, M) q6 a; A$ f4 R0.98
3 X7 j1 C" P: b& t4 {. v- e( ~( n
  J5 ]# f9 u; X; Z* n
7 D5 }) Y7 J6 Z( W. I8 H% t9.8
& f4 f( d. ?' r; L; x% S4 x
" W2 w' v, Z4 x- g9.8×10-3
1 m9 m. z) V, r
1×10-4
! C- Q8 F) U  E  a8 n9 |8 }% c: v( u
1

/ v8 P0 J, E, F1 U2 l. M  G. ~1.4×10-3
' w- c. E" e9 I  @( x6 e2 ~  B
0 g1 i: }# M( t$ Q! \# x9.8×10-5
3 a% _* ]6 Q/ Y' S8 ^, e3 G4 i
/ [- e. Y! }5 G6 k  M+ O
4 T$ k3 ]% j6 k, S9 k# y; j  n: m6.9×103

6.9
2 X& A6 r6 _/ o3 H% {
4 f* D: S" o% n2 ?9 ?0.07
7 ?3 ?  W# K7 n5 c
0.7×103
+ H1 V8 ~  j9 l$ W
4 h. E  P1 k' Z2 L' {1
! v8 X6 P1 K0 a" H8 l7 x2 Y' L0 @
0.069


$ s/ S; o& Z9 U) |1 N  j1×105
1 b6 Q% w$ z. D5 `' R5 i- E
100
6 `+ ~8 N5 a3 O# k) p! P9 {, e" `
1.02

1 s  T5 a  p  C" d2 u10.2×103
) ]5 |" i6 N( w0 p
7 `8 m. \, S. G* [6 [# T4 Q) X; }  E14.5
% m9 k: q# o# ?5 u/ s) O
$ L% _- N7 J1 V1


" }* I$ [' ?5 Y' p2 x5 q8 K/ H$ z
# C  S/ g  P$ d% {8 @# q3 A( H9 W5 f
) M1 t1 P: f/ t- G8 g4 b, V3 t/ R5 h
/ s! Y( G' h$ Y$ j- g7 R2.2 压力的分类


+ [$ d& X6 F/ x  [绝对压力的零线
2 W4 Q. x5 ?8 q5 X! n/ v

7 l% i8 ?# N% ]4 u( n8 V
P表压



3 k9 M8 x; l8 E: r; ^' |/ d) x大气压力线