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

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。
+ m2 \. E# q+ d- j  G
) P- g6 D2 ~1 Q4 R1 y; t: s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。
, e+ B0 W+ `  S8 }- W4 e+ z  L8 A$ `
5 @2 |$ ~! y8 Z1 C5 N1.2 自动化仪表的分类

2 _3 \0 `/ {* J5 ?0 l2 f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。
7 C  q, _" ?9 K: C
" c" Z2 I. x0 `6 w5 K) O3 ]按使用能源不同，可分为气动仪表、电动仪表和液动仪表。
2 d: ?8 e* F. q2 M# T/ N
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。

0 ~6 d5 v* z8 ]% {/ g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。
& a5 y0 z$ _$ ?' |! A' f  S
. @, V- @7 g2 k2 r6 B1.3 自动化控制系统

" S( j  a0 \% P! X! m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。

( {* p0 Y; \! V' }1 u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。

/ W1 ~, G3 A; {; n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：


2 B4 e: Z' ^) l! ~& g
# {$ G+ v2 @! h) l) h4 c0 j! s0 n3 R



$ |% `! H3 r! }& C




1 M" f# h3 A$ X- J
  C' w! u, [* C5 u5 F! q
$ ?5 B1 H/ U1 p7 b& c

# e/ E$ a7 J  B' z9 P4 |2 r% w


1 I" P5 V5 G. r4 |% Y% k

中央控制系统的构成

- f3 y1 a0 t1 {6 i2 h4 g
0 V0 @5 l- C: }; }6 B
  m+ W  ~* u/ {# ?, f0 S8 b
( x& }" E: T! K3 n7 ?6 Z9 f

现场仪表

PT
9 M6 u; ^& i4 `! ^0 a( d
TT

9 I: o. {8 N9 w5 D1 }8 CLT

FT
5 d1 O7 [/ W) g# z) d
! B' h1 h; z, {$ R
3 q' Q' a3 Y2 M4 d$ `  M% i
* w6 E1 \# d$ c" M4 b- u: w$ K

4 ?/ f5 M9 f% S中央控制系统
6 J9 S: e4 e! z$ g( W
5 A- B9 u) f& m& |) A; s
% l% J" P3 x3 N& r% U( d; Q
过程控制系统

  v, q1 d& `6 {" [7 e3 ?' k% p; DPCS

9 j, u8 T& s$ V+ A6 \+ s
. d! x' t# ]8 }( x2 r- i8 ~
逻辑关断系统
% i* i2 }0 o0 |- N2 Y( k, D* p
( B) c. X% g, V+ PESD
- x; }3 }# L8 i$ B0 K2 S- a

8 P& {5 ?6 r+ g: b
5 x! V$ y2 T5 L火气系统
: o  ^* l& q, E$ D" e: s
F&G
! j6 @. T6 {9 z
: z0 p5 l9 [, B. L; e' F
5 m6 f; _9 y( c& G4 K
安全控制系统

SCS
+ ]) v' m. N( |$ [
; h% p) f8 B$ q0 B5 p( c1 R
0 @. c, z( @+ n; }7 [
阀位状态

泵状态及故障信号
( r! H/ f+ B% y* v+ R


9 j' }! g* J" u0 Z; Q+ @

开关报警信号

* E5 v) \+ C3 o- Q7 o! UPSL

TSL

4 e9 c* _7 |1 HLSL

! l5 A( w" U" i+ Z8 ~0 Y, o

8 F% `/ t2 V- b7 X+ z+ x/ P: `

* T$ s$ s( t3 ~) ]% s1 z1 M6 ?- d控制阀

4 }8 B* x  P* w/ A+ t+ x

/ a$ Z3 d! F' `* q/ d; S启停泵
' H  m. }0 v, p, G
' B% f7 ]% R& _" ?4 u

声光

6 N* P8 L7 G& F9 k# x- _7 X报警
! Q# y$ q; B* m7 T
9 q" v. k8 K: O# A1 @: ~  e

, F4 G- A: k- R0 d! S9 a开关报警高高低低信号

2 \: |. e$ m7 C, h% T/ x5 I* R

9 L( L0 X) Z6 \( a, C
* z+ L- b  `! p% s  b
其它关断信号
  J  X  S& l! t' E
% ]( |2 b" Z" O9 |6 N3 K2 F
1 l9 Y- S8 |# R1 p! @8 n- Q9 N
# K3 [9 z9 ^% |) C) N( y

状态灯及PA广播


3 j  x$ d, e8 X. k9 s) c9 G  G
关断相应设备


4 \" I: y% J1 l0 G6 a9 a- V' {
关断相应系统
; x, Z( @7 d) j# Q


现场仪表

! |% R- ]; c8 w7 E) QPT

TT

LT

FT

* B7 ~- r" S8 u4 B



中央控制系统

4 `7 K8 [# G9 J" p6 W
$ ]5 ~& x( L5 d2 ~8 @$ a7 M  ?
* O* u! _& M7 T5 a8 e+ f/ k7 H& X过程控制系统
) s7 _7 B4 w3 f4 Q. U- S
PCS
' b. P% j0 y+ K( t4 B4 l

# I- M  S+ D! h
逻辑关断系统

* Z; P  p4 Q7 FESD


" }3 |& j; ]6 I
火气系统
1 v: q/ W% O* p) H
& D4 N1 Q/ j6 O" \; N) u% V; o+ IF&G



安全控制系统
# f( A, s9 @* n! c7 u! o$ o- E
3 e; ~+ p( r* p- F9 k/ l! ASCS

' `1 j& ?3 B# J( f+ @" {: }
1 f, [& V2 Y# g7 {
阀位状态

) y" t" M8 l: B( W- h+ a泵状态及故障信号
$ Y, q; z9 ?( y3 ?




开关报警信号

PSL

TSL

0 r* Z7 i8 w4 J! W, }LSL
9 n( Q0 y# z3 V- @, y0 ^8 f$ Y$ p2 o
' C4 s4 t7 _! T" z: v* P

  q/ Q; ^) x" K

% M! N0 }; W' q4 A( j& v控制阀

! n8 r, ?2 v8 s. Z* S5 L3 u& x

启停泵
1 o( Y' G. L5 N) f


声光
' A: H& H" }5 Y- ]2 k
报警


' e% v0 p$ U, E; t
开关报警高高低低信号



" x6 H1 U; v+ t, R4 i0 d* \8 z
7 F( F7 c8 t' U: [3 _' g( q
火气探头及火灾手动站
8 R6 w3 Q  [6 \




其它关断信号

7 I. ?6 @# x0 y3 h8 z


8 z) v( p7 Z  H- x  t% u
6 a# L4 y( u: l! E. ]1 U4 p1 r其它检测信号
& p) i7 n0 m- m( t3 \0 _
" F5 R. _# o# W$ |' d- j3 N/ S
' L+ j% x- ]1 x; U- _8 v
( I8 b, l5 E8 K状态灯及PA广播

4 {7 A& k8 ~# ]5 p. K

消防泵及喷淋阀和CO2系统

% O: J! m, y. r. h
2 `8 ^, E! m7 L7 g; s& @0 Q
( M  u: w% v" Z关断相应设备
3 N$ p( Y  r! C
) A/ M  @8 N0 j! O* @6 Z

  F6 o2 y9 o  X; V) {0 ?! ]2 S关断相应系统

7 D" u# L6 m6 C, Y# w# c& Z



1 r5 x0 B2 o3 S7 |7 i
. y3 t8 _; _3 h$ j1 B+ R
! h- F1 j5 H6 |2 W: B6 T9 ~9 Z



9 L- r3 u- ?! T$ Q4 Q& A5 b# {
4 |3 e2 m  p! U" C8 f8 k

: C; K8 }. c5 X) m

3 q9 q3 e  |: q# G6 ]! R  Y
( Q* p% v( u% h


4 x- c9 i" @. R8 _; L



1 L4 H  V) [. B

7 T  D, @! f' @" R9 c5 q, ^
0 _' S. g, Y5 z  c
4 c% e2 P" _. f% y" |& _



) W! u* B# B% x3 T. M, K
. Q0 ^* y5 q9 M$ s: K- T' J  w


' u: B2 c2 ]2 p0 J  e
0 O# T! t4 y8 u9 M; h

. A  U" d* @, ~1 n

3 B1 s3 Q8 X( b. f' {) d  O; L
6 n- w7 A( b3 J


2 v$ s# Z) B. ^, ]' A

5 J: e9 o6 f* l; ?( H# B1 \1 d

* J( R. t& \9 b$ U4 r. F
+ b+ v% r2 w( q) L! }; B8 d9 s


& p; q4 F. T* p) ~3 W

: m- m4 y0 {5 @+ z6 J! \
& Q/ g: X$ @- {6 Y0 D: ^8 n

  N5 b4 x/ G: f  I* {* w' V
% B4 E9 e. q  Q




1 z( l! X9 t/ a' C



5 Y; p0 q& f. \) |/ ]& T

+ k$ y  h! e) p& @$ M
2 a( i$ h$ ?! q% S1 x# C0 {! W
1 j1 F8 I  ^, j5 Y" |2 l  C! `


                  



      
$ g, r# U; X( q+ c
: S2 w+ _( F9 D. r/ a第二章                       压力检测仪表

/ p" C: R0 I: t
" N) P" n4 @- z: L- y
: }8 ~( K3 }( {3 M, M& y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。

& K9 d5 ^. K2 k5 ?5 n3 U2.1 压力的定义及单位
7 b0 ~9 D. I4 C7 p3 ]
9 ]. L# U6 A- |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。

表 2-1 各压力单位间的换算
7 ]1 M( |* f$ b帕

  W  D1 V6 v4 J# v  IPa
+ Y, e" p+ U( Z1 s1 H: C& m7 J) T
0 W2 j  {9 T1 U6 k0 T0 _4 ?千帕

KPa

大气压     

2 J: J$ Y: C/ g; O) W! S, f(kgf/cm2)
, r% s! R; X$ P/ I* e) N2 ]9 w
毫米水柱

mmH20

" I2 s& e4 M9 Z2 A; ]磅/英寸2            Ib/in2 (psi)
1 s7 F& u+ {5 R0 B+ d0 q+ V2 S3 ]
1 B7 z  Q' F) L巴             bar
( g. w2 q% y. ]) P" P$ }
: R( A7 S" w' k2 x: b' _
1
' w6 H1 ^5 s# r, G% Y. Y* R
1×10-3

7 z5 u5 i2 N  ~1.02×10-5
, R+ Q8 t7 Q8 P" Z
1.02×10-1
9 m  M5 B4 J: G6 J6 d, T! w5 f
1.45×10-4

1×10-5
( }* U0 j* ?1 w  d, o

1×103
0 N2 Y, s+ m1 p: j/ f7 e4 Z
- {1 L& A* u# ?  R; e1
' W7 M3 {) \/ y+ O2 k: |
- f( v3 X: @- p1.02×10-2
8 D8 ~! s$ t: Y/ n
# e8 v$ z$ \3 Z1.02×102

1.45×10-1

1×10-2


9.8×104
5 L1 ~/ V$ \: e4 z2 r7 p
: g' _" g( N8 F% N9.8×10

5 O3 n, [; M8 B) [/ M$ ?& S1

0 `# w" ]+ V1 W: `2 m3 W+ B1×104
- a: @- \& G  g$ N0 E/ e
8 j1 N3 v5 U% v14.22

! R7 z3 ?: v7 J7 g: P  Q+ T9 P0.98

9 m" v' P, f! w: L! x
& A( j! G1 [, J$ a4 k9.8
0 c# |( y% `- H
5 ~+ K$ P) g) H& c# j, H9.8×10-3
. V# q/ \$ v) z- _; c
( M2 J' \1 S& G- C2 o7 J* Q1×10-4

" O( M$ u9 B4 Q. t9 N* P1
, }6 q4 c: K1 o, e! |' l$ M' {! G
1.4×10-3
+ J( H% x( l" r# L
9.8×10-5
. m! p* g/ b, R. C) a: @  R

6.9×103
4 m9 R* N( U' P4 x' L& k/ W2 d
6.9
' e: V! ~& F: ]7 R0 ?
7 N4 B' n0 a- l( _% G0.07
, W" ~" M( j& Z+ d2 A( q; |
0.7×103
2 i0 C# _$ r; l5 p1 r0 r6 s1 O
7 q3 s0 K( b; |1
+ G* x1 u$ ?' E& @& v+ `; }% z* W
0.069


. R6 u* L; M# L1×105

  r# Z$ p. h/ l7 _9 P" u5 z4 s9 \# w100
3 I# r" p7 e  H
2 Z; ?1 Z0 a6 H& C# `1.02
/ X! I( p) r; A4 h3 h0 w
( B% H! z( M* P4 r$ A10.2×103
" }$ K7 H3 x% X' J9 ]4 b' E2 E5 D
1 H& `5 a" V# _- }7 |4 F14.5
6 \% N! g- E$ x
% c* t( h; b7 ~- w1

/ \3 k- }% }) S
$ I" k( _: G" K1 S) }+ W; R
' R7 t/ e1 a0 z3 {4 }$ u
' r7 d6 p- e3 ~% y# ?4 q
2.2 压力的分类
9 c- \3 v# _! `/ E

绝对压力的零线
  m0 d( @+ I7 ^" p2 @; b: B4 M7 v

- I& ~$ |: q8 m* {
P表压

7 Q; F) J- l/ Q( e3 x
& h1 R9 h7 X8 s3 A, y3 U
大气压力线