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
. J6 j+ N: u' o- i" C
2 |% J& {& _! [1 H. o0 @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
8 W5 Y  ]* V+ p" o& u
! K3 t/ C* v: F( m* O! m+ y8 q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。
9 H5 ]( n+ a9 F& P
+ ~' d0 _" X9 H3 O5 Y) `! i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。

- J; \# Q2 R5 j$ c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。

" @4 ?4 |6 _" S' V1 O1.3 自动化控制系统
# @% y8 E  N  K4 r+ M
6 z4 b% ], _7 L. S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。
+ A9 p, J% X5 F) Q
4 P4 G. C5 S/ y9 d& u8 W3 ^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。

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：



6 z3 k3 ^; x# i0 o

* V# c  \# H/ c( R' Q+ F
. X0 c$ K( m. Q. K# b
. u! g% S2 E8 f
% M' A) V) K, Q7 x" u. O, Q



3 e. @3 G6 r4 N5 r
) J, [" F3 O% H% Z& e1 d$ W

, O( _4 c9 V5 L& B* t1 C+ @7 G* `
6 w4 M5 N4 Q: R- o: D3 w

4 i3 r; W& f$ q$ d' G7 x3 p


0 `" B5 \. c$ l& G, k中央控制系统的构成



; S: [+ w6 M+ \
5 ~: p- [6 y4 }4 M
2 ]% [0 P1 ~' W4 r8 @- {. x& o; M
现场仪表

PT
  R, G% h& @0 \$ P/ z1 J& n  \
TT

: P0 G5 e, Q1 KLT
# n% i" t1 x( f9 ]
FT
- A: b9 j, ?& J5 {. i8 x1 I* n



: M* a1 N& F2 m
中央控制系统

8 q3 C. I/ q6 [* F) y7 K: W
( L- d5 P% r! f. _
; V, p0 |: l$ y, }过程控制系统
4 w2 j; t. C5 \2 e5 G
PCS

1 R. p% r  ^* ]) c

4 v/ V9 _( W' Z' D; ]逻辑关断系统

ESD
, s6 I  ]7 I6 _! }
5 }4 g; ]1 b1 ]% X0 o1 i! h

# U7 F0 c+ p4 R) q- ~! J火气系统
4 f4 u* I: T; p5 f* [' r) v
# E& p- m; e( C5 _0 y# i2 wF&G

7 A( e6 i! t) M( }4 z! C/ P5 C

" R, M* L% m+ h4 d% i) `9 N( U# y9 Z* p安全控制系统
3 l% H6 w( H( x# F# z
: Z, r0 e. M' f* I1 p7 `4 R' X/ s' gSCS

" O8 h  X1 y5 N

' f3 D6 R2 f7 a6 V$ F' z( {& V阀位状态
) w& @" G8 Z# n0 P/ g
泵状态及故障信号


: `  N3 L2 h% {

9 ~& @4 e% f0 M* t
4 F5 J5 P  L5 I开关报警信号

PSL
6 _4 q0 L# O. D. E( Z' [/ b
TSL

LSL


/ b4 _. C( I8 m3 l

: O& N" J. V( U' c3 [! M  t
控制阀


' j) o+ V. z! k1 x
启停泵
$ A( G5 |4 H$ g: W' q! w+ T

" \8 |6 }$ {5 @" u
声光

" D& b& v# Y* G, c/ c. @报警


( B% v$ i7 o/ s  u2 c0 C; Y; n
开关报警高高低低信号


% n8 V* p( x5 [/ c& ?3 A& V3 L& W

! c! P, f5 V) q% w; Q9 u) r
) N6 V1 J0 o$ z$ b) r其它关断信号
+ i8 \. D+ [3 P) n' j3 j) o; J+ Y



5 |& t& J+ j+ e$ J
- X/ C# A, I1 W6 _状态灯及PA广播
8 j* h! q, l) f! u

- c- `0 Q& n# v, i$ {5 V
关断相应设备
/ A0 B* U  F, \8 }) r


关断相应系统
% G: y! _6 C3 z& j0 C4 {9 r2 S, e: R
. u# t- q/ k; L' r' {; f
7 S: `" p6 L8 n
现场仪表
1 N! Z7 A* _) K% [* [" P) v
* n% i6 |1 r2 D9 iPT
3 h8 V3 b! m; F! I+ _
TT
& c- i% x0 k# w$ m& W
LT
, N" V. H! w4 |! N+ I9 S
! y% s, v% Y" j# IFT
0 M4 e& ]; Z  W4 Z# a- U$ P




中央控制系统



过程控制系统

, N: `+ K) [1 c" n3 v$ |; x. RPCS



逻辑关断系统
! f! C/ K$ n# Z, P
ESD

8 D$ _6 @* U4 T. Z9 A2 d* [( o2 \, ~: n

! w( r* h& H) Y; v# c5 z, |8 B7 `2 F火气系统
7 R3 [9 H2 ^8 I6 r5 M% i6 s( H3 H
# w4 _  a& f# H; nF&G



安全控制系统

SCS
# l, {- D% _/ X- ]" W% E$ M

; F3 r/ e) J8 g) I8 ]  u) J
5 s4 M& O& i2 d: ?! ^阀位状态
$ H, N4 c  ?8 Q( O! M
泵状态及故障信号

/ Q* N% @0 }* q2 w
% {& i, Z6 D- @/ O


+ K0 _* K. ~8 W# H  ~2 W, N开关报警信号
7 I8 m" J& S! G
( C( F: k2 }/ e# W4 z. w% ?1 l7 ~- iPSL

! _' s+ P0 m, TTSL

# E! S. p1 K) ]- L* P. V! iLSL
, C+ J* m& m# t# z




控制阀



1 \9 q% ^+ d: B! P0 v启停泵

7 A/ W6 P8 q. z6 V4 r; K) {8 l
! [6 B) @: G. l% F: m9 Y
' E1 _+ S+ r. T1 d0 k8 Z9 F; s, G! j声光

9 {7 |# T+ u1 E& b) I5 m# ~报警


, {( r8 D, h% Z3 r2 ?
开关报警高高低低信号
/ B( y; D( u7 h/ @




6 W$ @" E$ E/ a+ x9 Z" L  y1 j火气探头及火灾手动站


* f9 c+ s" B! z6 b
8 @/ Y. x5 X, o9 U: I% c% t$ R

8 [+ h5 ]; k. {. ~( x其它关断信号
' H& F; A" H2 r6 F0 G
( T* t; U6 N& @1 q2 y

% w4 b, q" X5 {, O2 ]0 U) j* B

3 {6 Z4 d4 T5 V# t+ b8 D, z其它检测信号
# u* }0 A' a6 I! G  {. g$ V% S
0 R6 T/ N$ a& f6 N3 _

状态灯及PA广播
5 V/ Q9 G3 ]! Y  `9 y* l: E' E; S+ F

, n8 O' y. B) U8 c; q8 e; l
消防泵及喷淋阀和CO2系统
/ @$ C6 R% v" j1 N
( ^( V, {& ^4 [) O

关断相应设备



% `8 ~  x( K, d, v关断相应系统

* w+ J0 W$ c( C5 ~) J$ Q7 f
% q5 l0 M& ]0 L& E

) [* V- Y! z& c* |! W! l4 N! p



& T) X1 Z+ z( g" V) S
! [( A# A, g0 a% I# n& b7 I2 ~7 ^



7 z5 D! i3 K; X1 M% @
9 ~9 k0 a- \" i% Z
2 S8 L2 t' y; N  D: Z& B
8 D6 c. k. G+ W% o$ Q7 b
" S% b( c& j$ m: m9 J, p

, O! p: H$ A4 T5 z6 n1 v, l
5 B( q! N4 ]9 h" i/ w" C; M1 D# G! Y
/ h/ A4 U, A5 z0 q) q$ J9 O0 @9 c


% f% D1 g/ K, Z. |: I

  c: k2 U/ m" u- I
# }6 N1 O$ |& ]

% I" w8 G2 T; I1 L) w


# }( _4 ~+ @% U( m3 I: g% L5 i+ l
: L/ x  \/ z- z8 }- c

5 i$ C3 \0 l0 _" G, \! Y
. H- J9 J1 r/ w6 c! O& q) ]) g

% G, W- C) B0 t  }


: i# j/ |/ `& J5 G9 p" F8 \

* u1 m0 u. G3 k1 l. K5 b, I  s
& O' V/ c4 B1 c  Z4 N' G
& |, m7 P" n9 c0 ~' v

) ?. B& _/ i% F- h3 e* Y8 t5 ^6 T/ }
: ]# A9 O# M$ ~! L: J( d- [

; H2 W+ e6 o! u2 v& a; G


0 \. C, H3 q8 M3 D' I
# _! v1 w; ^$ W( a, z

8 F: H4 r* Z, w

! G! a* K& ?6 d
4 \/ D3 M7 u8 X! J. _1 M

6 Z; V! k1 V. m9 g
7 l( w; f5 Y2 F, _5 E


- H  \; X6 O+ B- o# [( g6 X



1 I: U" g, P- {% |9 o5 J' s5 w


' `  Y" U5 H7 T
/ m1 Z- \4 S* ?% B& i, F

                  
0 o; G) B1 M( C' d+ s* D
# @5 o9 w4 W# l# X4 y- O( N

      

第二章                       压力检测仪表
3 X3 M& K/ Z% g+ H
* A3 H" @0 X+ V' t7 f" }; E
+ G+ [+ }$ h  S" v9 w
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。

( C# L3 g, S" t4 f- A; K2.1 压力的定义及单位

  e8 x/ B. m8 f3 P* @5 r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。
0 k' s, y) m* ^( S2 g. v
5 |! W( |2 g3 y. }表 2-1 各压力单位间的换算
! E/ C8 ^7 i* u+ Z帕
0 \0 Y& ]7 ?5 F( M6 `
% \" W3 a. s8 d0 ]5 q! m) `$ ]; qPa

- P& k: M: v% K7 d千帕
; ^+ y& U, d* e6 Y/ x
/ [% W6 \9 o8 g9 w# s5 C. NKPa

大气压     
" I$ E) j( m( A# Z
2 y- i& W) y2 @(kgf/cm2)

1 V2 {* q& ]( c7 Z6 L1 Q* @毫米水柱
! F$ r& X* B+ y
, i: V% _4 G3 \mmH20

磅/英寸2            Ib/in2 (psi)

巴             bar


1

% Y8 F( Y* Q$ }# h0 h1×10-3

8 O+ O8 u9 u  _* C1.02×10-5

2 l  F- o" ~% b0 m- A1.02×10-1

* x3 c4 ~* P# S' @" R1.45×10-4

7 q# s6 }) U* ~2 [& P+ }  E( w1×10-5

% @4 X; e+ i2 K# a3 O5 `
1×103

* x" J5 i+ w' u# D( @% T, ?- h* J1

1.02×10-2
0 f9 f  j/ z; w% }% t8 _1 C
1.02×102
" ]9 k6 @  L' m8 p! R& s
1.45×10-1
5 F9 H. F; I0 E3 @5 D7 P- S* E$ u
) Z# H1 ]8 R" Y/ t7 P+ ]9 e$ I1×10-2

, ?4 I  v+ V2 S$ }7 V  U1 ~
9.8×104
7 M' V( ]3 d( ]  D4 E  E) P; @! K  R: ?2 y
4 j% e: w/ m. o) [8 ?3 e9.8×10
& }: q2 [3 g( y4 b3 ]' {
4 H3 B" S7 f. l- T& U& `- Z5 _  B1
3 f2 d# Z& }2 l% d+ x+ O7 q2 [
1×104

14.22
9 U* l. U5 Q* {8 h3 h  e" ^
0.98


; V, Z1 t+ _$ v  `" D% P9.8
6 Q3 R" h% T0 e/ e; z% e4 d
9.8×10-3

! N$ z6 ?# J! B: [: H: K- M. I0 ^; d1×10-4
( i2 P& x+ F: g$ [' W) G% _
4 S4 ]4 E* t# Z. C1

. J9 |. W3 k3 C: F1.4×10-3
! F* S6 K+ l2 ~0 p
/ z5 z4 ^- z! h* q) H9.8×10-5
* O8 T0 l& }! D) Y# u5 c

6.9×103
& q9 U5 X. u# v
6.9

& u6 c; q+ ?1 C0 @! g0.07

0.7×103
0 C; [  g% q0 C+ W2 m3 x$ o) V
$ J# ]) _8 b4 b% f& H& r1

  k, M3 |! N4 v& i9 Y9 t! t" A# R0.069


( Q; o; |- `- ], {1×105

& f* h3 V4 A) O100
* C8 e% U8 d4 X1 _" m
; u5 h" m- @8 u9 }& Q1.02

10.2×103
# I. r1 M6 o2 U" @3 Y# |
# H  i) p7 Y; P1 @6 S7 Z14.5

1 G# v4 Z% `& y0 E7 ?1



* d& q+ p8 y' l5 M$ m

2.2 压力的分类


绝对压力的零线

1 L  M( X! b! l: W$ _6 `

P表压

6 ~/ s/ K+ S6 h& j+ Z7 x7 b, H

大气压力线