1、1第四章第四章 過程控制裝置過程控制裝置 執(zhí)行器調(diào)節(jié)器測量變送單元過程控制裝置2過程控制系統(tǒng)設(shè)計: 1. 合理選用過程檢測、控制裝置，組成自動控制系統(tǒng)； 2. 調(diào)節(jié)器PID參數(shù)的整定，使系統(tǒng)運行在最佳狀態(tài)。34-1 變送器變送器 變送器變送器能輸出標(biāo)準信號的傳感器能輸出標(biāo)準信號的傳感器 標(biāo)準信號：電流輸出標(biāo)準信號：電流輸出 4-20mA，0-10mA變送器變送器壓力信號溫度信號流量信號液位信號顯示儀表調(diào)節(jié)儀表420mA標(biāo)準信號4變送器變送器類型壓力變送器差壓變送器溫度變送器流量變送器液位變送器5 按變送器的驅(qū)動能源分類： 氣動變送器：以壓縮空氣為驅(qū)動能源； 電動變送器：以電力為能源。 變送器的

2、應(yīng)用特點： 1.使用統(tǒng)一信號形式和范圍，便于各種變送器與其他調(diào)節(jié)儀表組成檢測或控制系統(tǒng)； 2.提高儀表的互換性、兼容性，方便儀表的配套。 642 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器一.調(diào)節(jié)器的作用:測量值和給定值進行比較被調(diào)量的偏差 e根據(jù)調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生輸出信號推動執(zhí)行器7二二. .調(diào)節(jié)器的作用方向 1.1.正作用調(diào)節(jié)器正作用調(diào)節(jié)器(DA)(DA)： 被調(diào)參數(shù)的測量值增加時，調(diào)節(jié)器的輸出信號增加； 2. 2. 反作用調(diào)節(jié)器反作用調(diào)節(jié)器(RA)(RA)： 被調(diào)參數(shù)的測量值增加時，調(diào)節(jié)器的輸出信號減小。三、調(diào)節(jié)器的輸出信號標(biāo)準信號：電流輸出標(biāo)準信號：電流輸出 4-20mA，0-10mA氣壓信號氣壓信號 20100 kPa

3、20100 kPa84-3 4-3 執(zhí)行器執(zhí)行器 一、執(zhí)行器的作用 接受調(diào)節(jié)器送來的控制信號，自動地改變操縱量(如介質(zhì)流量、熱量等)，達到對被調(diào)參數(shù)(如壓力、溫度、液位等)進行調(diào)節(jié)的目的。 執(zhí)行器是自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的終端部件，其性能直接影響調(diào)節(jié)系統(tǒng)的正常工作。 調(diào)節(jié)閥是執(zhí)行器中使用最廣泛的形式。9執(zhí)行器分類：1氣動執(zhí)行器；2電動執(zhí)行器；3液動執(zhí)行器。 10二、氣動執(zhí)行器二、氣動執(zhí)行器 氣動執(zhí)行器以壓縮空氣為能源的執(zhí)行器，由氣動執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)組成。 1.特點： （1）結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠、性能穩(wěn)定、故障率低、價格便宜、維修方便、本質(zhì)防爆、容易做成大功率等。 （2）能與氣動單元組合儀表配套使用。11

4、 2氣動執(zhí)行器結(jié)構(gòu) 執(zhí)行機構(gòu)是執(zhí)行器的推動裝置，它按調(diào)節(jié)器輸出氣壓信號(20100 kPa)的大小產(chǎn)生相應(yīng)的推力，使執(zhí)行機構(gòu)推桿產(chǎn)生相應(yīng)位移，推動調(diào)節(jié)機構(gòu)動作。12 （1） 氣動薄膜調(diào)節(jié)閥1上蓋2波紋膜片3下蓋4推桿5支架6壓縮彈簧7彈簧座8調(diào)節(jié)件9行程標(biāo)尺13動作原理： 調(diào)節(jié)信號壓力P通人薄膜氣室作用于膜片2上，產(chǎn)生向下推力使推桿4向下移動，將彈簧6壓縮，至彈簧反作用力與信號P在波紋膜片上的推力相平衡，使推桿穩(wěn)定在一個新位置。 執(zhí)行機構(gòu)的輸入執(zhí)行機構(gòu)的輸入調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)壓力P P 執(zhí)行機構(gòu)的輸出執(zhí)行機構(gòu)的輸出推桿推桿4 4位移位移14行程規(guī)格: 氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)的有10、16、25、40、60

5、、100mm等。薄膜的有效面積: 200、280、400、630、1000、1600 cm2等。 氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)由于波紋膜片承受的壓力一般為20100kPa，為了得到較大推力就要求使用較大的薄膜面積，使膜片盒顯得很龐大，對中小口徑的閥就不相稱。15（2）活塞執(zhí)行機構(gòu) 特點： 氣缸允許操作壓力為05MPa，無彈簧抵消推力，具有很大的輸出推力，適用于高靜壓、高壓差、大口徑的場合。執(zhí)行機構(gòu)輸入執(zhí)行機構(gòu)輸入調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)壓力P1-P2P1-P2執(zhí)行機構(gòu)輸出執(zhí)行機構(gòu)輸出活塞桿位移活塞桿位移1活塞2氣缸16三、調(diào)節(jié)機構(gòu)(閥體) 調(diào)節(jié)機構(gòu)是執(zhí)行器的調(diào)節(jié)部分，是一個阻力可變的節(jié)流元件。通過閥芯在閥體內(nèi)的移動，

6、改變了閥芯與閥座之間的流通面積，從而改變了被調(diào)介質(zhì)的流量，達到自動調(diào)節(jié)工藝參數(shù)的目的。 1.1.調(diào)節(jié)閥根據(jù)閥芯的動作形式分類：v 直行程式： 直通雙座閥、直通單座閥、 角形閥、三通閥、 高壓閥、超高壓閥、隔膜閥、閥體分離閥；v 轉(zhuǎn)角式： 碟閥、凸輪撓曲閥、球閥。 17182.直通單座閥 閥體內(nèi)只有一個閥芯和閥座，泄漏量小、易于關(guān)斷、不平衡力大的特點，適用于泄漏量要求高、壓差較小的場合。 直通單座閥 分為調(diào)節(jié)型和切斷型，主要區(qū)別在于閥芯形狀不同，調(diào)節(jié)型為柱塞型，而切斷型為平板型。 單座閥的閥芯DN25mm時采用雙向，而DN25mm的閥芯采用單導(dǎo)向。191閥桿2壓板3填料4上閥蓋5、11斜孔6、1

7、0襯套7閥體8閥芯9閥座12下閥座203.直通雙座閥 閥芯與閥桿之間用螺紋或銷釘連接，閥桿帶動閥芯作上下移動，閥桿與執(zhí)行機構(gòu)相連。 閥體內(nèi)有兩個閥芯和閥座。流體從左側(cè)進入，通過閥座閥芯后，由右側(cè)流出，為雙導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。21 流體作用在上下閥芯上的推力，方向相反而大小接近相等，所以其不平衡力很小。 由于上下閥芯不易同時關(guān)閉，故泄漏量較大。 閥體流路復(fù)雜，不適用于高粘度和含纖維介質(zhì)的場合。 特點：224. 三通閥 三通閥有三個出、入口與管路相連接，分為合流型（a）和分流型（b），用于換熱器旁通調(diào)節(jié)或配比調(diào)節(jié)。 235.碟閥 具有流阻小、流量系數(shù)大、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等特點，適用于大口徑、大流量、低壓差的

8、場合，但泄漏量大。 碟閥品種： 常溫碟閥 (-20450)； 高溫碟閥 (450600和600850)； 低溫碟閥(-40 -200)； 高壓碟閥(pN3200kPa) 。245.5.調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)方向：調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)方向： a正作用： 當(dāng)調(diào)節(jié)閥閥芯向下位移時，閥芯與閥座之間的流通截面積減少； b. 反作用： 當(dāng)調(diào)節(jié)閥閥芯向下位移時，閥芯與閥座之間的流通截面積增大；25 四、調(diào)節(jié)閥的工作原理 流經(jīng)閥門的流體遵循流體流動的質(zhì)量守恒和能量守恒定律。 對不可壓縮流體，流體流過調(diào)節(jié)閥時的情況與流體流過節(jié)流元件（如孔板）時的情況相似。 流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時的局部阻力損失為：2122Vppwpgg26 調(diào)節(jié)閥的阻

9、力系數(shù)，與閥門結(jié)構(gòu)形式、流體性質(zhì)、閥門前后壓差及開度等因素有關(guān)；W 流過閥的流體平均速度；g 重力加速度； 流體密度；p1閥前壓力；p2閥后壓力。 2122Vppwpgg27若流體體積流量為qv，流通截面積為A，則： 當(dāng)調(diào)節(jié)閥口徑一定， 不變的情況下，流量qv僅隨著阻力系數(shù) 的變化而改變。當(dāng)移動閥芯使開度改變時，阻力系數(shù)隨之變化，從而改變了流量qv的大小，達到了調(diào)節(jié)流量的目的。/p122()VppAqw AVqwA2122Vppwpgg由：122()ppw 得：調(diào)節(jié)閥的流量方程:28maxVVqlfqLmax/VVqqmaxVq/ l L五、調(diào)節(jié)閥的理想流量特性五、調(diào)節(jié)閥的理想流量特性 1.

10、調(diào)節(jié)閥的特性 調(diào)節(jié)閥的流量特性流體流過調(diào)節(jié)閥的相對流量與閥門相對開度之間的關(guān)系： 相對流量； 閥在某一開度時的流量； 閥在全開時的流量； 閥的相對開度l閥在某一開度時閥芯的行程；L閥全開時閥芯的行程。Vq29 2. 可調(diào)比 可調(diào)比調(diào)節(jié)閥能夠控制的最大流量和最小流量之比,即調(diào)節(jié)范圍，用 R表示：m axm inVVqRq理想可調(diào)比調(diào)節(jié)閥前后壓差不變時的可調(diào)比。R=30實際可調(diào)比因系統(tǒng)阻力影響造成調(diào)節(jié)閥前后壓差變 化時的可調(diào)比。30 3. 3.調(diào)節(jié)閥的理想流量特性：調(diào)節(jié)閥的理想流量特性： 理想流量特性理想流量特性調(diào)節(jié)閥前后壓差恒定狀態(tài)下的流量特性調(diào)節(jié)閥前后壓差恒定狀態(tài)下的流量特性。 根據(jù)閥芯形狀不

11、同，流量特性主要有： （1）快開 （2）直線 （3）拋物線 （4）等百分比(對數(shù))31 max/( / )VVd qqKd l LK 調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)（常數(shù)）（1 1）直線流量特性）直線流量特性 調(diào)節(jié)閥的相對流量與相對開度成直線關(guān)系，調(diào)節(jié)閥的相對流量與相對開度成直線關(guān)系，即閥桿單位行程變化所引起的流量變化為常數(shù)時，稱：閥具有直線流量特性閥具有直線流量特性。32將上式積分得:式中： 相對流量 閥的相對開度 C 積分常數(shù)。max( )VVqlKCqL/ l Lmax/( / )VVd qqKd l Lmax/VVqqmax/( /)VVd qqd l L K33邊界條件為： 時， 調(diào)節(jié)閥能控制的最

12、小流量； 時， 調(diào)節(jié)閥能控制的最大流量.0l minVVqqlLminmax1VVqCqR將邊界條件代入式：0l lLminVqmaxVVqqmaxVqmax( )VVqlKCqLm axm inVVqRq11KR maxmax1VVqKCKqR11KRmax( )VVqlKCqL1CR34max11R11111(1)111VVqlqLRllLL RRl RlL RL RRllRR LLlRRL（1-）代入：max( )VVqlKCqL1CR0l lL11KR 得：max111VVqlRqRL直線流量特性關(guān)系：35/ l L表明 與 之間呈線性關(guān)系，如圖中的曲線2 max111VVqlRqRL

13、max/VVqq36 直線流量特性的調(diào)節(jié)閥： 單位行程變化=單位流量變化 若原來閥位是在10、50、80行程的點上，當(dāng)行程變化10時所引起的流量變化均為10，但引起的流量變化的相對值不同。%100%100101020%20%100505060%5 .12%100808090流量小時,流量變化的相對值大；流量大時，流量變化的相對值小。37 流量小時，流量變化的相對值大； 流量大時，流量變化的相對值小。即：閥門開度小時調(diào)節(jié)作用太強，易使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩； 閥門開度大時調(diào)節(jié)作用又太弱，調(diào)節(jié)不靈敏、不及時。 具有直線流量特性的調(diào)節(jié)閥不宜用于負荷變化較大的場合。結(jié)論：38 當(dāng)調(diào)節(jié)閥的“單位相對行程變化所引起

14、的相單位相對行程變化所引起的相對流量變化對流量變化 與與此點的相對流量成正比此點的相對流量成正比”時，稱：閥具有對數(shù)流量特性閥具有對數(shù)流量特性。 即：調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)隨相對流量的增加而調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)隨相對流量的增加而增大增大。 （2 2）對數(shù)（等百分比）流量特性）對數(shù)（等百分比）流量特性 maxmax(/)( /)VVVVd qqqKd l Lqmaxmax1(/)( /)VVVVd qqK d l Lqq39積分: maxVVqlLnKCqL代入邊界條件：0l minVVqqmaxVVqlLnKCqL ，代入：minmaxVVqLnCqmaxmax1(/)( /)VVVVd qqK d l

15、 Lqq又根據(jù)可調(diào)比: 得: maxmax1(/)( /)VVVVd qqK d l Lqqm axm inVVqRqminmax1=VVqLnLnLnRqRCLnR 401(1)maxVLVqRq代入邊界條件： ， 代入：lLmaxVVqqmaxVVqlLnKCqLKLnRCLnR max(1)VVqllLnLnRLnRLnRqLLmaxmaxVVqLnKCqKC 代入：maxVVqlLnKCqL即: 0lCLnR ：KLnR0lCLnR （：）由41閥的相對流量與相對開度成對數(shù)關(guān)系。 1(1)maxVLVqRq在同樣的行程變化值下：流量小時流量變化小，調(diào)節(jié)平穩(wěn)緩和；流量大時流量變化大，調(diào)節(jié)

16、靈敏有效，如曲線4。42例: 已知等百分比閥的最大流量 , 可調(diào)比 R=30，在理想情況下，計算閥的相對行程 l/L=0.1、0.2、0.8 、0.9時的流量值，并比較閥在不同開度時流量變化情況。解：根據(jù) 分別代入相對行程為0.1、0.2、0.8、0.9時的流量值， 1(1)maxVLVqRq3max100/Vqmh30.14.68/Vqmh30.26.58/Vqmh30.850.65/Vqmh30.971.17/Vqmh1(1)30.1max100304.68/LVVqqRmh（0.1-1） 單位相對行程變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量成正比4330.14.68/Vqmh30.26.

17、58/Vqmh30.850.65/Vqmh30.971.17/Vqmh相對行程由10%變?yōu)?0%時，流量變化的相對值為：6.584.68100%40%4.68相對行程由80%變?yōu)?0%時，流量變化的相對值為：71.1750.65100%40%50.65 故等百分比調(diào)節(jié)閥不管是小開度或大開度時，行程同樣變化了10%，流量在原基礎(chǔ)上變化的相對百分數(shù)是相等的。44（3 3）快開流量特性）快開流量特性 當(dāng)調(diào)節(jié)閥在較小開度時，流量就達到很大。隨著行程增加，很快達到最大流量。這種特性稱為快開流量特性。表示為：1maxmax(/)(/)( / )VVVVd qqK qqd l L 具有快開特性的閥芯形式是平

18、板型的，其有效位移很小。 用于迅速啟閉的切斷閥或雙位調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 45（4 4）拋物線流量特性）拋物線流量特性 單位行程的相對流量變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量的平方根成正比時，稱閥具有拋物線流量特性。表示為:1/2maxmax(/)(/)( / )VVVVd qqK qqd l L 拋物線流量特性介于直線流量特性與等百分比流量特性之間。 46四四. 調(diào)節(jié)閥的工作流量特性調(diào)節(jié)閥的工作流量特性工作流量特性工作流量特性調(diào)節(jié)閥前后壓差變化情況下的流量特性。調(diào)節(jié)閥前后壓差變化情況下的流量特性。 1.串聯(lián)管道工作特性 當(dāng)調(diào)節(jié)閥串聯(lián)在管路中時，系統(tǒng)的總壓差 等于管路系統(tǒng)的壓差 與調(diào)節(jié)閥壓差 之和：

19、1Vppp p1pVp47 串聯(lián)管道系統(tǒng)的壓差 與通過該管道的流速的平方成正比：1p212wpg調(diào)節(jié)閥兩側(cè)壓差 變化 1pp系統(tǒng)總壓差 不變時調(diào)節(jié)閥動作介質(zhì)流速w變化管道系統(tǒng)壓差 改變Vp48 若以s表示調(diào)節(jié)閥全開時閥兩側(cè)壓差 與系統(tǒng)總壓差 之比： VppVpsp 管路阻力為零時，調(diào)節(jié)閥的全開流量；maxVqmax/VVqq以 作為參比值的相對流量。maxVqs=1,管道系統(tǒng)壓力損失為零，即：10p管道串聯(lián)時調(diào)節(jié)閥的工作特性圖如下： 49 s值的選擇： s=1系統(tǒng)總壓降全落在調(diào)節(jié)閥上，工作特性與理想特性一致； 隨著s值的減小，管道系統(tǒng)壓力損失增加，調(diào)節(jié)閥特性發(fā)生畸變，實際可調(diào)比減小，使得調(diào)節(jié)閥

20、在小開度時調(diào)節(jié)能力增大，控制不穩(wěn)定；大開度時調(diào)節(jié)能力減小，控制遲鈍；Vpsp50 若s值過大，在流量相同的情況下，閥的壓降大， 能量消耗大； 實際使用時s值不低于0.30.5。512. 并聯(lián)管道的工作特性 當(dāng)調(diào)節(jié)閥與旁路閥并聯(lián)工作時，管道總流量隨閥開度的變化規(guī)律稱之。設(shè)：x并聯(lián)管道調(diào)節(jié)閥的全開流量 與總管流量 之比：1Vq2Vq1maxmaxVVqxqmaxVq旁路閥調(diào)節(jié)閥1maxVqmaxVqx=1：旁路閥全關(guān)閉，調(diào)節(jié)閥特性為理想流量特性；max12VVVqqq52 隨旁路閥逐漸開大，x值減小，調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比大大降低； 實際使用中仍然存在串聯(lián)管道阻力的影響，將使可調(diào)比進一步減小。 通常取 1

21、Vq2VqmaxVq旁路閥調(diào)節(jié)閥0.8x 533. 結(jié)論 串、并聯(lián)管路都會使調(diào)節(jié)閥的理想流量特性發(fā)生畸變，串聯(lián)管路的影響尤為嚴重； 串、并聯(lián)管路都會使調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍降低，并聯(lián)管路的影響尤為嚴重； 串聯(lián)管路使系統(tǒng)總流量減少，并聯(lián)管路使系統(tǒng)總流量增加； 串、并聯(lián)管路都會使調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)減小，即輸入信號引起的流量變化值減小。54六、調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)及計算六、調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)及計算流量系數(shù)流量系數(shù)C定義：定義： 在給定行程下，調(diào)節(jié)閥兩端的壓差為兩端的壓差為0.1MPa，流體流體密度為密度為 時，流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量數(shù) 。 調(diào)節(jié)閥全開時的流量系數(shù)即額定流量系數(shù)額定流量系數(shù)。 反映了調(diào)節(jié)閥容量的大小，是確

22、定調(diào)節(jié)閥口徑的主要依據(jù)，由閥門制造廠提供。 工程中通過計算流量系數(shù)工程中通過計算流量系數(shù) 確定調(diào)節(jié)閥的公稱口徑。確定調(diào)節(jié)閥的公稱口徑。例：某調(diào)節(jié)閥全開時，當(dāng)閥兩端壓差為閥兩端壓差為0.1MPa，流經(jīng)閥的水流量為40 ，則該閥的流量系數(shù) CV=4031000/kg m3/mh（）VCVC3/mhVC552. 流量系數(shù)流量系數(shù)C100 (Cv) 計算：計算： 由調(diào)節(jié)閥的流量方程令：2VApApq122()VppAq12ppp 與單位有關(guān)的常數(shù)；A 流體流通面積。據(jù)流量系數(shù)C定義，令上式 ，0.1pMPa31000/kgmCA 流量系數(shù)C取決于A及 ，在閥開度不變時是常數(shù)，因此可根據(jù)流量系數(shù)C確定調(diào)節(jié)閥的公稱直徑DN。56對于調(diào)節(jié)閥前后差壓不為0.1MPa，介質(zhì)密度不為 的其他介質(zhì)，用下式計算：31000/kgm12() /qvCpp由： 可知，C取決于調(diào)節(jié)閥的A和阻力系數(shù)，在一定條件下 是常數(shù)，可根據(jù)C確定調(diào)節(jié)閥的口徑DN。CA573. 阻塞流阻塞流 隨閥兩端壓差 的增加，通過閥的流量同時增加，但當(dāng)當(dāng) 繼續(xù)加大后