过程控制仪表及装置教学指南及习题答案Word格式.docx
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本章的重点内容是微位移差压变送器和电动温度变送器。
本章的难点内容是变送器的量程调整、零点调整及零点迁移,电容式差压变送器的电容-电流转换电路分析,热电偶温度变送器的线性化电路分析。
熟练掌握变送器的作用、种类、构成原理,掌握变送器量程调整、零点调整及零点迁移的目的,理解电容式差压变送器测量、转换和放大部分的工作原理。
了解其它差压变送器的构成、特点,熟练掌握架装式温度变送器量程单元和放大单元的作用,调零、调量程的方法;
掌握一体化温度变送器的功能、构成和特点。
掌握差压变送器的选用、安装、调校和维护方法,熟练掌握电容式差压变送器、架装式温度变送器的校验技能和常见故障处理方法。
在教学时要注意首先进行做目标分析、确定分析思路和具体步骤,要通过分析进行归纳和整理知识要点。
第3章模拟式控制器
本章的重点内容是比例、微分、积分三种基本控制规律的特点,DDZ-Ⅲ型控制器的使用方法。
本章的难点内容是DDZ-Ⅲ型基型控制器的实现电路和调校技术。
了解控制器的种类及发展,掌握比例、微分、积分控制规律的特点及应用场合,了解DDZ-Ⅲ型控制器的主要功能,理解DDZ-Ⅲ型基型控制器的实现电路,掌握DDZ-Ⅲ型基型控制器的构成原理,正确使用控制器,正确调校控制器,能够在三种运行方式下操作控制器并进行手动/自动切换等。
第4章执行器
本章的重点内容是气动执行机构的结构及工作原理,控制阀的流量系数、可调比和流量特性的概念,阀门定位器的作用及使用场合。
本章的难点内容是串联管道和并联管道时控制阀可调比,串联管道和并联管道时控制阀的工作流量特性。
了解执行器的种类、特点和执行器的正反作用方式,理解执行机构的组成及各部分作用,掌握控制阀气开气关的选用原则,掌握控制阀的口径选择方法和控制阀性能测试方法,掌握执行器的安装与调校技能,能够正确处理执行器在使用、维护中的问题。
第5章辅助仪表
本章的重点内容是安全栅、信号分配器和电源分配器的使用,安全火花防爆系统的构成。
本章的难点内容是变频调速器的使用,用安全栅、信号分配器和电源分配器构成实际的安全火花防爆系统。
熟练掌握齐纳式和变压器隔离式安全栅的工作原理和使用方法,掌握信号分配器对输入信号进行转换、分配和隔离原理,了解变频调速器的组成及工作原理,掌握变频调速器在过程控制系统中典型应用技术,掌握电源分配器在控制系统中的使用方法。
第6章数字式控制器
本章的重点内容是数字式控制器的软硬件资源,功能分配、程序设计和操作方法。
本章的难点内容是输入信号、输出信号处理和控制功能实现,硬件状态和寄存器数据间的映射关系。
本章介绍两种可编程调节器,授课时教师可根据本校实训室的情况任选一种。
对于SLPC可编程调节器:
了解硬件结构,熟悉用户寄存器,熟练掌握程序执行时S堆栈内数据变化情况,掌握常用的功能模块,牢固掌握基本控制、串级控制和选择控制的控制要素和相应控制功能的实现方法,通过实训使学生掌握SLPC可编程调节器的功能设置方式、程序输入方式和投运方式。
对于KMM可编程调节器:
了解硬件结构,熟悉人机接口;
掌握输入模块和PID运算模块、手动操作模块(MAN)、高值监视模块(HMS)、变化率限制模块(DRL)、超前/滞后模块(L/L)、无扰动切换模块(SFT)、定时器模块(TIM)、脉冲宽度调制模块(PWM)、运行方式切换模块(MOD)、控制参数更改模块(PMD)等运算模块使用方法;
熟练掌握KMM可编程调节器控制类型和运行方式;
掌握KMM的功能组态图连接方法和控制数据表的填写方法。
第7章集散控制系统
⑴重点
本章的重点内容是集散控制系统的软硬件组成和集散控制系统的组态方法。
本章的难点内容是实时数据库、输入输出软件、系统联络、系统组态和OPC技术。
了解集散控制系统的特点和发展趋势,理解集散控制系统的层次化结构,熟练掌握现场控制站和操作员站的软硬件结构;
了解目前各种DCS提供的组态方法如顺序功能表(SFC)、结构化文本(ST)、功能块图(FBD)、梯形图(LD)、计算公式(FM)和用户自定义功能块(UDFB)等六种方案语言;
掌握利用FBD和SFC的控制回路组态方法;
熟练掌握一种DCS应用系统组态的一般流程,掌握实际控制系统的运行调试方法。
第8章智能式现场仪表
⑴重点内容
本章的重点内容是智能差压变送器与温度变送器组成原理、性能特点和使用方法,智能阀门定位器的使用方法。
本章的难点内容是HART协议技术和现场总线技术原理。
了解HART协议采用的FSK技术,理解FF、LonWorks、ProfiBus和CAN总线的技术特点;
熟悉HART275智能终端的操作方法,熟练掌握EJA智能差压变送器量程调整和零点调整的方法;
掌握ST3000的S-SFC智能现场通信器的使用方法;
了解LSⅢ-PA智能差压变送器技术点;
掌握TT302智能温度变送器的功能模块;
了解智能式电动执行机构的优点和智能阀门定位器的适用场合,掌握DVC5010智能阀门定位器和现场控制阀的配套使用方法。
第9章过程控制仪表与装置应用系统案例分析
本章的重点内容是基型控制器的简单工程方案、可编程调节器的一般工程方案和DCS复杂应用系统方案的实现方法。
本章的难点内容是DCS在联锁保护系统中的应用方法,现场总线模块构建控制系统方案。
本章内容教师可根据本学校行业背景选讲。
案例1采用DDZ-Ⅲ控制仪表实现安全火花防爆系统,要求学生掌握实际系统构成的各环节和仪表间信号的传递;
案例2和案例3采用可编程调节器实现复杂的控制系统,要求学生能根据工程要求构建实际需要控制系统;
案例4和案例5采用DCS实现非线性间歇控制和联锁控制,要求学生能根据前面所学的MACS的知识来分析理解其他型号DCS组态方法;
案例6介绍现场总线模块的使用方法,要求学生能了解常用功能块在现场总线仪表的分布情况,掌握用功能块实现控制方案的方法。
(二)实训指导
实训1差压变送器的认识与校验
目标1:
认识各种差压变送器的外形、结构和信号输入、输出的位置。
操作要领:
仔细观察差压变送器的外表、铭牌,学会从外部辨认仪表的类型;
查找各变送器输入、输出信号的位置;
打开仪表外壳,认识内部结构。
目标2:
掌握差压变送器校验的方法。
按先接线,再通电,最后通气方式启动实训装置;
找到调零点和调量程的档位和调整螺钉;
反复调零点和量程使之达到实训要求值,按正反行程校验5等份点(加差压,看变送器输出)。
目标3:
掌握数据处理方法。
根据校验数据计算被校表的最大绝对误差、最大引用误差和变差,给出校验结论。
实训2Ⅲ型温度变送器的校验
熟悉温度变送器的结构。
仔细观察温度变送器的外表、铭牌,接线端子;
掌握热电偶温度变送器校验的方法。
按先接线,再通电的方式启动实训装置;
用毫伏信号发生器和UJ-36配合,反复调零点和量程使之达到实训要求值,按正反行程校验5等份点(各校验温度点所对应的热电势值为:
E(t,t1)=E(t,0)–E(t1,0);
t-被测点温度;
t1-热电偶温度(变送器端子排温度)用玻璃棒温度计测得)。
掌握热电阻温度变送器校验的方法。
反复调零点和量程使之达到实训要求值,按正反行程校验5等份点(各校验温度点所对应的电阻值由电阻箱获得)。
目标4:
实训3基型控制器的认识与使用
熟悉基型控制器的外形和基本结构。
仔细观察基型控制器的正面板,接线端子;
抽出表芯注意辨认侧面板上各旋钮和开关的意义。
掌握测量、给定双针精度校验方法。
将侧面板的开关分别置于正确位置。
通电预热后,调整测量输入端或外给定的信号,使之与指示信号对应,超差时,调整相应指示表头的机械零点和量程电位器;
将测量/标定开关切换到“标定”位置,双针应同时指到50%,超差时,应调整指示单元中的“标定电压调整”电位器。
掌握手动操作特性与输出指示校验方法。
操纵软手动操作键,观察控制器的输出是否超差;
把手动/自动开关置于“硬手动”位置,操作硬手动操作杆于0%、50%、100%,观察是否超差,若超差时,取下辅助单元盖板,调整辅助单元上的“零点调整”和“量程调整”电位器。
掌握手动/自动切换特性校验方法。
自动/软手动间切换为一步切换;
软手动→硬手动有平衡无扰动切换,控制器置软手动,使输出为任意值,拨动硬手动操作杆与输出表指示值对齐,将手动/自动开关由软手动切向硬手动;
硬手动→软手动为一步切换。
实训4基型控制器δ、TI和TD测试
掌握比例度δ测试方法。
各开关分别置于“外给定”、“测量”、“×
10”、“正作用”、“软手动”,微分时间“断”、积分时间“最大”。
对应2%比例度,所加偏差应保证输出变化不超出范围;
对应500%比例度,应保证所加偏差在全范围。
掌握微分时间TD的测试方法。
比例度置实际的100%,阶跃输入1mA,此时输出变化1mA(4mA变化到5mA)。
把微分电容短路,将微分时间旋至被校刻度,此时输出将突增至14mA,解除微分电容短路状态,并同时启动秒表,,而后按指数规律下降,当下降到8.3mA时停表,所记时间为微分时间常数T。
掌握积分时间TI的测试方法。
微分时间“关断”,积分时间旋至最大,手动/自动开关拨到“软手动”。
调整测量信号和设定信号为12mA(50%满量程),用软手动使输出电流为4mA。
将积分时间依次旋至被校刻度,使输入信号增加1mA,将手动/自动开关切向自动,同时启动秒表,当控制器输出上升到6mA时,停止计时,所记时间即为实测积分时间Ti实。
实训5执行器与电气阀门定位器的认识与校验
弄清控制阀主要结构及动作原理。
对照结构图,拆卸执行机构,拆装过程中注意观察执行机构的作用形式,通过薄膜与上阀杆顶端圆盘的相对位置即可分辨之。
卸去阀体下方各螺母,依次卸下阀体外壳,慢慢转动并抽出下阀杆(因填料函对阀杆有摩擦作用),观察各部件的结构。
掌握执行器的安装技术。
注意膜头及阀体部分要上紧,安装后的执行器要进行膜头部分的气密性实训,即通入0.25MPa的压缩空气后,用肥皂水检查各接头处,看是否有漏气现象;
用手钳夹紧下阀杆并任意转动可改变阀杆的有效长度,可改变执行器的泄漏量。
掌握控制阀行程校验方法。
用定值器输出来控制执行器,调定值器,观察执行器阀杆运动是否灵活连续,行程校验,加输入信号使控制阀行程从0%、25%、50%、75%、100%,在压力表上读取各点信号压力值,用来计算。
掌握电/气阀门定位器与气动执行器的联校方法。
给电/气阀门定位器输入4mA的信号,其输出气压信号应为20kPa,执行器阀杆应刚好启动,否则,可调整电/气阀门定位器的零点调节螺钉来满足;
给电/气阀门定位器输入20mA的信号,输出气压信号应为100kPa,执行器阀杆应走完全行程,否则,调整量程调节螺钉。
零点和量程应反复调整,直到符合要求为止。
实训6SLPC可编程调节器结构认识与基本使用(一体化教学)
认识正面板、侧面板各功能部件(教师讲解)。
仔细观察可编程调节器的正面板,接线端子;
抽出表芯注意辨认侧面板上各键盘和开关的意义。
掌握正面板、侧面板的使用方法(教师示范)。
表芯抽出,检查保险丝、数据保护用电池及功能ROM是否安装在规定位置,显示板用手指或镊子拉出;
整定板的给定,MODE给定,SCALE给定。
实训7SLPC可编程调节器编程与仿真运行
掌握评估用户程序的仿真控制系统构成方法。
主程序和仿真程序的输入,输入仿真程序应先操作SPR键,主程序的输出信号作为仿真程序的输入信号,这个信号的传递不允许在程序中进行,必须用导线传送,即以两根导线在SLPC调节器的Y2输出端(C和D)与X1输入端子(1和2)之间连接(C~1,D~2);
SLPC的电流输出端子A与B之间应以导线短接,以免电流输出过载。
掌握仿真调试方法。
编程器转入试运行工作状态设置,参数设定、运行方式切换,手动输出设定等操作。
试运行结束把编程器的工作方式切换开关打到PROGRAM位置,即停止试运行。
实训8DCS认识与操作
熟悉DCS的组成。
从硬件结构上去熟悉,从软件系统上去理解;
熟悉控制屏挂件和MACS运行界面。
熟悉单容液位定值控制系统的控制原理。
在控制屏上完成系统接线,注意检查工艺管道中阀门的开关状态,确保至少有一路开通,启动实训装置;
选择事先组态好的工程(教师实训前完成),通过打开数据库总控添加到相应的域,编译成功后,关闭数据库总控;
在服务器端启动服务器,在操作员站打开工程师界面在线下装,下装成功后,关闭工程师在线下装,在服务器端重新启动服务器。
在操作员站打开操作员站在线软件,在工程师功能中选择登陆,服务器启动成功后就可进入单容水箱液位定值控制系统中进行实训。
熟悉P、I、D参数对过渡过程的影响。
在流程图的液位测量值上点击左键,弹出PID窗口,可进行相关参数的设置。
按下启动按钮,合上电动阀的电源开关,给电动调节阀上电;
在上位机监控界面中将控制方式设为“手动”,并将设定值和输出值设置为一个合适的值;
合上三相电源空气开关,磁力驱动泵上电打水;
适当增加/减少输出量,使中水箱的液位基本等于设定值;
用经验法或动态特性参数法整定调节器参数,观察P、I、D参数对过渡过程的影响。
实训9水箱液位串级控制系统组态
掌握水箱液位串级控制系统数据库组态方法。
打开数据库组态工具,建立工程;
在数据库编辑窗口中完成模拟输入和模拟输出的数据操作。
掌握水箱液位串级控制系统设备组态方法。
按开始→程序→MACS组态软件→设备组态工具的顺序打开设备组态工具定义系统设备;
按开始→程序→MACS组态软件→设备组态工具的顺序打开设备组态工具定义系统设备和I/O设备。
掌握水箱液位串级控制系统算法组态方法。
按开始→程序→MACS组态软件→算法组态的顺序进行算法组态。
水箱液位串级控制系统画面组态。
按开始→程序→MACS组态软件→MACS图形组态工具的顺序打开图形组态界面。
系统组态完毕之后,必须通过编译命令将组态保存信息转换为现场控制站和操作员站能识别的信息,再通过下载命令将组态送到控制站执行。
四、教学建议
1.教学时间分配
建议本课程使用78课时,按每学期13周计算,周课时为6课时。
章节内容
讲授学时
实训学时
共计
绪论
1
5
10
4
14
8
12
6
2
第8章智能式现场仪表
第9章过程控制仪表应用系统案例分析
2.附录
教学参考书:
⑴过程控制仪表及装置主编丁炜电子工业出版社
⑵过程控制仪表主编刘巨良化学工业出版社
思考与练习题参考答案
思考与练习题
⑴控制仪表和控制系统有什么关系?
答:
过程控制系统是实现生产过程自动化的平台,而过程控制仪表是过程控制系统不可缺少的重要组成部分。
⑵什么是信号制?
控制系统仪表之间采用何种连接方式最佳?
为什么?
信号制即信号标准,是指仪表之间采用的传输信号的类型和数值。
控制系统仪表之间采用4~20mADC直流电流信号传送,现场变送器和控制室仪表之间采用串联连接方式。
电流信号便于远距离传送,不仅节省电缆、布线方便,而且还便于使用安全栅,有利于安全防爆。
采用1~5VDC直流电压信号实现控制室内部仪表间联络。
用电压信号传送的信息可以采用并联连接方式,使同一个电压信号为多个仪表所接收。
在控制室内,各仪表之间的距离不远,适合采用1~5VDC直流电压作为仪表之间的互相联络信号;
任何一个仪表拆离信号回路都不会影响其它仪表的运行;
各个仪表既然并联在同一信号线上,当信号源负极接地时,各仪表内部电路对地有同样的电位,这不仅解决了接地问题,而且各仪表可以共用一个直流电源。
(3)防爆仪表与易燃易爆气体或蒸汽之间有何对应关系?
防爆仪表的分级和分组,是与易燃易爆气体或蒸汽的分级和分组相对应的。
仪表的防爆级别和组别,就是仪表能适应的某种爆炸性气体混合物的级别和组别,即对于教材表1.3中相应级、组之上方和左方的气体或蒸汽的混合物均可以防爆。
(4)怎样才能构成一个安全火花型防爆控制系统?
构成安全火花防爆系统要求:
①在危险场所使用本安仪表;
②在控制室仪表与危险场所仪表之间设置安全栅。
(5)对于采用单个放大器的仪表一般如何着手进行分析?
对于单个放大器的仪表,首先要将仪表分为输入、放大和反馈三个部分。
然后对各个部分进行分析,尤其是输入部分和反馈部分,最后求得仪表的输出和输入之间关系。
(6)仪表中常用到哪四种运算放大器电路?
各有哪些特点?
仪表中常用到反相端输入运算,同相端输入运算,差动输入运算和电压跟随器等四种运算放大器电路。
反相端输入运算放大器电路特点:
集成运放的同相输入端为“虚地”,输入信号从反相端接入,输出信号与输入信号成比例,相位相差180°
。
同相端输入运算放大器电路特点:
集成运放的反相输入端为“虚地”,输入信号从同相端接入,输出信号与输入信号成比例,相位相同。
差动输入运算放大器电路特点:
一般是双端输入,共模抑制比高。
电压跟随器实际上是一个1:
1同相输入运算放大器。
其主要的特点是输入电阻高、输出电阻低。
(7)对于采用运算放大器构成的仪表,一般如何着手进行分析?
采用运算放大器的仪表分析方法,是把整个仪表线路分成一个个运算放大器电路单独地进行分析,最后再综合得到整机的特性。
(8)仪表的一般分析步骤是什么?
仪表的一般分析步骤可以采用由整体到局部,最后再综合的方法分析。
①了解仪表作用和结构框图;
②按照结构框图将整机线路划分成相应的部分;
③根据信号的传递方向,对各部分逐一进行分析;
④综合仪表的整机特性。
第2章变送器
(1)变送器主要包括哪些仪表?
各有何用途?
变送器主要包括压力变送器、差压变送器、流量变送器、液位变送器、温度变送器等;
各自将被测工艺参数,如压力、差压、流量、液位、温度等物理量转换成相应的统一标准信号,并传送到指示记录仪、运算器和控制器,供显示、记录、运算、控制、报警等。
(2)变送器是基于什么原理构成的?
如何使输入信号与输出信号之间呈线性关系?
变送器都是基于负反馈的原理来工作的;
保证放大器的放大系数和反馈系数为常数可使输入信号与输出信号之间呈线性关系。
(3)何谓零点迁移?
为什么要进行零点迁移?
零点迁移有几种?
使变送器输出信号的下限值ymin与测量范围的下限值xmin相对应,即在xmin≠0时,使Y=ymin的调整,为零点迁移;
零点迁移是为了保证变送器的在不同的输入范围时其输出仍是标准信号;
零点迁移有正迁移和负迁移。
(4)何谓量程调整和零点调整?
量程调整是使变送器输出信号的上限值ymax与测量范围的上限值xmax相对应。
零点调整是使变送器输出信号的下限值ymin与测量范围的下限值xmin相对应,即在xmin=0时,使Y=ymin。
(5)电容式、扩散硅式、电感式、振弦式差压变送器与矢量机构式差压变送器相比有什么优点?
与矢量机构式差压变送器相比,电容式差压变送器是微位移式变送器,无杠杆系统,体积小,它以差动电容膜盒作为检测元件,并且采用全密封熔焊技术,因此整机的精度高、稳定性好、可靠性高、抗振性强,其基本误差一般为±
0.2%或土0.25%。
扩散硅式差压变送器也是微位移式两线制差压变送器。
它的检测元件采用硅杯压阻传感器,由于单晶硅材质纯、功耗小、滞后和蠕变极小、机械稳定性好、体积小、重量轻、结构简单和精度高。
采用微位移式电平衡工作原理,没有机械传动、转换部分;
外形美观、结构小巧,重量轻;
调整方便,零点、满量程、阻尼均在仪表外部调整,且零点和满量程调整时互不影响;
具有独特的电感检测元件,敏感检测元件所在的测量头部分采用全焊接密封结构;
计算机进行温度、压力补偿,不需要调整静压误差。
振弦式差压变送器通过振弦去改变谐振电路的谐振频率,将差压的变化转换成振弦张力的变化,输出可以是频率或电流。
(6)电容式差压变送器如何实现差压-位移转换?
差压-位移转换如何满足高精度的要求?
在电容式变送器中,电容膜盒中的测量膜片是平膜片,平膜片形状筒单,加工方便,但压力和位移是非线性的,只有在膜片的位移小于膜片的厚度的
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