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

0 b2 {5 k- B0 B6 ?8 ]6 {3 N0 S- |9 h1.1 自动化仪表及其应用
& M4 G+ y8 t/ V  o& T  X
! b" N, R' B; y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。

3 P: q/ |2 a% x1 Q$ [+ P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。

' L( T2 h1 N/ M: r4 Q  S0 Q  D1.2 自动化仪表的分类
- J2 e  M( n) f5 N- C/ `; V
+ z2 }1 e; ?5 L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 q) w$ k; D, H9 p# T9 w1 P/ j
# |$ p9 Q6 a; ]. m' S# G1 x6 }1 t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。
! V" t% G" v1 o# o/ {' e
3 ?- E& @7 C  a3 X5 g1.3 自动化控制系统
* O1 J- ?5 C2 u! I
+ f$ L$ U: ]6 b9 Y5 t/ x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。
: q  S% \7 ^( K* B
0 B, u  h  y* g! k7 c/ Y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。

( E1 J$ }" k4 e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：
/ s7 d5 f* y; ]& J" |) n! `% q
# a: I& U2 A8 h

/ M. F/ H. f5 z* ~6 q3 E



' E* D2 x$ G4 A  S) U





, B* F4 Y) \% l


, H7 _6 P) Z8 s  O( I( `
: D  S7 v# m9 ^3 |( |! g7 x

; b9 r; ~! t9 H6 `& M  I' F; ?8 I- {

  W8 r$ v" ?1 R% g7 @% w: l中央控制系统的构成

: v2 ], [# Q* J7 w. {

+ G) ^8 A' X/ s% a9 c% p


现场仪表
3 S4 I# {5 h, C9 o' g
PT

TT

4 _; Y! R9 X; @+ U5 w1 N: l8 w) FLT

- L  V) s9 D0 h( GFT
- {/ q/ `$ d) E9 e' W


& P5 n# G6 C; _# q- q: Q: p

8 |3 h% o$ Q- S$ Z4 r. [$ m- e中央控制系统
8 T6 [' W3 r( G/ m8 D


过程控制系统
! t8 l" I2 E9 g0 }
PCS
" P( a* [+ s+ w

  r$ a. `9 O) B- G1 e* @' O; ?
逻辑关断系统

ESD

6 Y4 L# Y% U! @) ]5 S+ \& b$ I5 }  L

火气系统

F&G
2 h3 r% I( G: S! f1 @& J0 y" A


% c5 A* }4 @8 B6 H% o, @# m安全控制系统

SCS
9 M; L) I4 P0 _, D; a; A* ^; {) a
. k1 y/ ^5 M" T) e

# x  s$ a+ E* w阀位状态
4 k! z+ \8 y. c. w+ U
泵状态及故障信号
6 D/ l& }0 E& @

& m: k0 c, P5 H6 M6 [
, _5 O% b9 u- C4 s+ P7 l& O  P

开关报警信号
! L5 Q/ g; S3 M$ c5 Q
PSL
% ?% o! ]' v2 m8 ]- K8 v' T, z; ^
  X) j7 z, _; |) m9 K* \+ e2 dTSL

4 F8 F) U8 B  |  d9 N; h* y4 kLSL
2 ]( L: g9 r7 o


& h, x4 \, _: _2 ]1 R

1 [& q# g7 d6 F9 p* A控制阀
, K7 g  [0 ^" f  @0 p0 y( C


启停泵


( N2 g$ O' j) |4 n) q% B" T0 j+ J
声光

# j* H, ?% P" d1 D9 L报警
2 l' O3 _8 j* `- Z. \- {


6 s7 K6 m" _3 b! C* Y5 x6 a$ `开关报警高高低低信号
9 M3 a' C1 E! F, V% s


2 I9 C* g. H* v
4 r2 L( K) v) |2 z3 t
其它关断信号
, K3 q$ q& D0 }( F( g
4 E) S$ }. s5 Z& F  s, L
" i2 v: i. K  \1 P; [
& ~$ D9 H' ]/ F, E0 `& L' ]

- q# Q5 u7 ]9 E: E3 s, ~. V状态灯及PA广播
1 P" ~6 s1 U2 ]2 e
# r/ p; g# f/ {5 N7 r
! V( N) ~5 i" m: e2 J
关断相应设备
6 r; l+ W8 R6 x. o
( U  h6 C& L9 i/ X0 g$ q

; ]: v" Z5 k4 |) I1 A关断相应系统

- h$ M! l3 w, G
& ^$ t* I5 N4 m! O
现场仪表

PT

1 x( c5 n2 G/ ~5 r$ oTT
$ z8 V! U* K/ S; K/ P! N* c/ h* [
LT

FT


* M  Y$ B6 w' V; i  e

1 r* d7 j0 j; R' Z- d
中央控制系统
$ ?2 v2 V' L% X' [# @( r+ l$ h


过程控制系统

PCS

/ q7 [- t# u- X% I8 [
/ I4 y3 E% q2 @4 h
4 q2 O0 ]- x. ]2 S1 X. g3 s逻辑关断系统
: y" }5 t" A: t0 X' w$ B. _) m
4 M& K7 M! P( D: m+ n5 V+ iESD


+ p: @+ y' c/ [2 K4 i
火气系统

F&G
# y" E) v' U& F2 M

# U7 J6 q* u) ~; L  s3 h
$ n/ L* D7 f5 a+ e3 I安全控制系统

SCS
! V. J3 P8 K" [( v9 P5 H3 X

1 `7 R9 E* R3 {: i. G( ~" O* z
阀位状态
5 z( c, X# c* s
泵状态及故障信号
! ^% I% u/ H1 R1 z* T% F' `8 I- F( J
+ w: [0 Z/ e/ Q, o, j" L  a6 P9 |



4 W7 {7 h0 d8 I) o3 b. p) [/ x5 i开关报警信号

9 a) N7 x. `* R, _2 I; ^6 x, PPSL

TSL
, [- U6 i1 h( U* }  K1 F- @
LSL
- J6 X9 [7 i3 ]# M. X/ i) ~) D/ ]
, q0 ~  W* E" {' O4 {( v  L8 D
& u4 M4 f- x* t5 H1 v


  M! ], t  T) ]! F! l控制阀
9 ~/ ~( {8 P% \3 w, G2 {
0 C+ F* H- r' Y
! c, Q, q; j8 e- h& k
启停泵
' I' S0 z* B, }  v4 O1 U


声光
4 @4 Y" r5 p0 D- J! Q
) s3 {7 P0 b% Y" S2 J报警
# e3 m; ?/ F# ^( q$ n7 X( E

$ ?) |  k& v2 Z3 M9 ]/ X4 A4 @
开关报警高高低低信号

" B; s0 l4 F+ K& m% M$ Y8 ?  [
5 t; ~  Y; I  t' ~2 o; |8 |0 _


火气探头及火灾手动站

4 ~9 x; g9 b+ S7 L: _+ N; c



% }) c' t) S' ?7 w其它关断信号
0 ~$ |- W' s# v9 F1 A6 w- l4 M
. `, A; U% s7 N


' L# k( d' S6 @
9 D1 l. t) T# O2 I" D其它检测信号



状态灯及PA广播

* K% K, x( ]4 k0 }' @
/ N' n5 d0 |! j6 p
6 X9 J3 }/ b7 x* C6 A7 h8 n& w) ?4 g消防泵及喷淋阀和CO2系统
8 r. q5 ^& v6 y; A/ s: b2 Y
0 m+ I9 }' W2 ~  u
5 W, }+ x: y+ _
关断相应设备


4 J0 l7 L1 @! S; S
6 _( `, O( l5 T# ~' V* S关断相应系统
8 m5 t# ?# n" v& V) U
: ]; h8 r2 f8 N/ `# @) ]: T
7 d) K+ C- c/ f$ b; ], o/ g
4 `& o$ j2 ^" F6 p  ~$ r
5 ?. C0 k4 f3 X& D$ `& h9 @; O. ?9 |
! D0 t1 J4 e# Y4 E2 F

/ v1 p2 F0 e( M# w3 H
* O, A$ J/ l; k) Z9 ~; q5 W  r
& I6 v! U! [) c7 s7 n8 M5 `' b2 L1 w7 X' ?
7 h4 l# `7 p6 b$ k3 R# E; f7 p1 Z# y! n; y

: Y3 O2 }9 ^6 y  t
6 Z" y# n( n2 f" e0 Y
, U, E; w, J- i& G" _  X
. ]+ `2 V6 D; C5 s  I8 `
, _5 y% L# ]+ y  p8 D5 N  n8 w- G

& O6 k& P+ P8 g+ W3 n7 a# ^

( K/ E: J  B! j
5 u6 U+ M9 t- V/ z) i: e


, E9 t  D4 n: _6 M: [( q2 U1 {
$ P% q4 A1 n8 Y5 c
. [4 N# b; Q1 Q. \

4 X* d2 v8 e+ g8 }3 e


* z. r% K; a2 ]' W4 o: D  H



( H, @2 X) T" q* n- E
( ^3 L# B5 ~3 U3 z
8 w& Y" _4 W8 {" Z. |4 @
7 z7 w3 e: _, I


: R2 D, p2 U8 h, z2 r
: J- W& `) ?* q4 m1 r; P4 t0 f. s, P


% F! |$ v' `' n2 k) J
! m1 {0 B% M/ q# |7 w

3 s7 E  P- J( Z# o4 ]- ?

3 H" b; n; [1 R  h: _9 ?! u
+ p2 {3 o7 z4 i  v- q( w
/ P  _- d3 ?9 m9 z$ ]/ r
8 @* e) |( o: S- j

& Q5 r3 p! [4 `/ N. `& `
3 L9 A6 e. W( e5 O. z
/ d8 n. M7 Z+ W0 u( \) W


2 B8 m( m2 ]6 U& H
* h" b/ P7 H, X6 W


& {8 D* D' L& K( V* b$ V. B# b





7 R" y$ d6 v% u- A+ M


8 z' R" C! w; S) k

% [9 F" E- _! }                  



! s7 A: k6 T1 r) Q. R$ V      
5 q7 J  K0 U% B" C- g7 a$ R3 s7 W
$ h  u4 }/ K5 m7 F2 p) |" Q) x- H5 O2 O第二章                       压力检测仪表
' v# ^8 J1 K4 q
5 B4 L; C: a3 w- Q* k

# O  H; j$ @& w$ p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。

2.1 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。
8 f5 K# |4 s- T1 v. I+ m# T5 F1 j
表 2-1 各压力单位间的换算
8 L- A  N2 p2 N4 c& X# W1 B6 Y帕

Pa

千帕

KPa
. {6 Z' k+ N, V. x
$ T# V+ {( H8 ]9 V( Y  G3 }大气压     
4 b6 ]- \2 C% q  c: A. ?; B
* Y( t# |5 ~! b/ y(kgf/cm2)

& c0 c; b+ I, L' I毫米水柱
; @8 D6 l1 u. k6 @8 J8 h# [, @
8 c4 j" Z2 P! d  t; ?mmH20

) W2 l, e) q% x, F1 L* M9 P) M磅/英寸2            Ib/in2 (psi)
8 ]2 Z  G3 B  z( S9 J" w% Z, ]
巴             bar
6 @; X* h6 r% f! d7 j5 j

1

1×10-3

1.02×10-5
1 S9 A; ^' i0 [% b
1.02×10-1

1.45×10-4
- ^4 T9 \! a- ?- y& d2 n
9 C$ ~8 m0 S3 E) \$ B4 i1×10-5


1×103
8 k% O1 [" ?( n/ Q# s" C  [2 D
1

# ~( |) C1 U$ V# P) p3 k2 L2 j1.02×10-2
" B7 y3 Z2 w7 p* ]# g2 K( O4 l
& p' A' r' b) j; U1.02×102
5 S  ~. ?/ g+ u& k
1.45×10-1
6 x$ d3 D$ J# f! z3 {- p( I
1×10-2
) G! @3 u# }: Y+ V
2 b, C5 K1 z- U5 i' I- w% E
9.8×104
0 ^0 e2 w5 O. D
9.8×10

1
' X: x3 W/ U4 o& I+ h  O
1×104

14.22
! o' @+ i4 Q6 ?  p3 K* a: ~' s  y
0.98

3 O& u" ]! z9 N% B5 h4 O
: |+ Z- s5 c' t2 L2 o) {5 m9.8
' O' C: c. _7 e
& }' Z# `7 y% C, H0 i+ g$ N) q, G9.8×10-3

1×10-4
$ O/ ^; N: d9 X) U6 J! @8 h" H
1
5 z5 j% m1 _, d& t: C# y6 ~
( {9 d+ I0 Y2 q3 x5 r1.4×10-3
( E: i8 T& ~2 m) s: j" J0 P
9.8×10-5
* C9 M2 l. K+ O

6.9×103

6 K2 t6 v, g# y& C& q# i. v6.9
. N5 Z  s$ H6 v$ k: D7 F$ z/ _  Q
2 A  X" s0 m5 q0.07

0.7×103
. D4 T% f- e7 k6 U# w1 z* @: w$ e
9 c+ _4 O5 C9 G) h) u" l5 A1

$ j/ f3 z* n: f: C0.069
$ ^0 }; L: \) n) w
$ y7 G1 a  A5 z$ x
1×105

! J2 U- w* H% x' \100
2 ^+ r# I! x% f  V: A! q' ^5 Z7 B4 ]
, ~% f: x, `; ~- }1.02

10.2×103
  k3 q8 I7 h6 o; w8 N0 n
3 w% n" ^; m+ J14.5

: Q! b' v1 U3 c  C- g1
0 E" W- F! R" e0 ]' n8 V- p! ^


; E9 C7 A+ L; u

2.2 压力的分类
4 ?" n( \5 }. A$ q. f
- v, m# n3 l1 e- x! E* `5 L
/ s. u' [9 _% F. P1 U4 A* P" P绝对压力的零线
: C4 S1 o% o0 E( R7 n2 V. |7 _


P表压
  f, k( K6 l% b4 j8 N4 |


大气压力线