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
* n/ H7 s- q4 K# y
1.1 自动化仪表及其应用

. n& a6 ?! j0 |( a( G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。
1 n. _  {3 _; p- Q0 J
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
$ `* @! T5 B" \& O, t
1 W* h3 A- Q: d, E! g0 e, d; R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。

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。

1.3 自动化控制系统
4 n! W% a1 e0 q9 o
1 l$ z/ k8 H# c6 A3 ]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。
9 v: `" q" M1 a3 v+ l6 q
! B# H7 J4 C9 q8 t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。
( ~2 @" K% [9 y6 r0 ]
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：
  B$ w2 s4 ^7 r, t6 ^
+ D" `: @; t9 u& b+ J2 W0 U


8 Q) O& f* g( O( K0 w



+ v' `- r! I7 D0 l0 z, R
# H2 z+ c. O* u# q3 I1 Q% k
# b; s# Y: ~' O' O


6 X9 K4 _3 Q1 o0 n5 \3 z



  B+ [# s5 y4 P( z$ f8 U
9 ^5 g, {3 M: N% o7 \2 R
2 [/ g6 C; l9 p, \# a' k! w( I) v# F/ ]

7 F' ^4 c9 h/ N- x$ B5 j中央控制系统的构成

: w  R1 l2 Q5 h9 T



4 W* [' f6 l5 T5 A- `* N( T
7 U" M9 D8 a- i现场仪表

PT

TT
+ S$ y+ o3 F  S  t& l
LT
. `) l# Q! V, F& s6 D) i
FT

4 v& O0 y  v/ z& u
5 q: R" O; I6 w0 k) J
: u0 z# d) a7 v# r# p
1 B4 G1 c- s) h0 L* t; e; x$ ?
中央控制系统
" w+ Y* G: q, w
2 B5 X; {: j5 \) I- b" R1 k9 I

过程控制系统

4 N; t/ b$ C# n: C% P  r; ^. ePCS
1 N- T& N2 }# `4 j0 Q# L- p


5 d7 M# J" R) w9 x3 f+ V逻辑关断系统
7 h5 f2 G( c3 [8 \1 D. n2 U: N
$ L( K1 p( c: m6 rESD



# L5 G/ U+ r) m2 C. l火气系统

/ E" M6 N  ~6 _; K- t1 F6 u6 fF&G


8 v4 [2 u. T  I$ c* Y
安全控制系统

0 v; z0 E8 l; R  i3 i; E2 I$ p$ hSCS
* c8 j+ i5 \( E  W+ M; D4 M0 H) T
. k) Q+ s7 D3 g) q. D

阀位状态

泵状态及故障信号
5 ~) {( W- J1 |& R  ?


/ ^" ?$ ^6 e) Q+ p9 g

开关报警信号

PSL
6 X/ U& M2 L- b7 m2 h6 O/ ~  {$ K
TSL
+ T9 U; a  b  ^
LSL

3 H/ P  ]3 `& ~9 H
9 P/ v* J) _% d8 @# O" m: M
: k9 o- d2 s% o# G  B5 E
* {. s0 P" D" I, c1 O4 O2 F, w' h0 v* l: j! B
' J1 P0 Q- B4 R/ A$ U0 C控制阀
$ Y2 P/ u* z' u# g

; W$ S7 ~8 w& F! K) e( v# X
) ]5 P) k9 m$ P4 {7 b" F, ?9 L: @启停泵
/ ?/ ~6 j0 O9 z" j2 a$ w
# K! ^2 P0 X0 i! m

5 C/ y/ \: m1 O1 ^4 [声光
; E. {  a( W0 y& q$ a' f  C3 Q5 b
报警
/ h3 `2 v) P% z( _1 G
# `. h" U4 G8 Q* Q- ~  n

开关报警高高低低信号
  O# \5 r( a( O- P; X/ _0 E
' G: P! R: l' B! M

3 v2 d  ^( F# o: s3 K
4 g9 B) H; a% O' C9 t
其它关断信号
6 N% Q; w6 \& D, @


2 q  V, K) u* I1 c

+ c7 t5 w$ A; t* _8 Q+ ]状态灯及PA广播
' T9 t! r! J! d+ r8 V) _' U6 t
2 M2 v8 |2 X; d+ M1 b# B
) g9 G" i" ]+ j6 J, ?, Y" E
关断相应设备
, N6 \5 L- }  E; p8 z


  u+ D% s& T. \) j' o% F6 p关断相应系统
( _- g6 J& n! B3 O3 u% u* `

9 ]" \& |' Q9 g" J( Z/ t& M5 ~: p
* v0 I9 E+ M, T现场仪表

PT

TT
' h( g6 H# J: H, x( K  ^
1 o/ @* a" D  Z0 y  E* a2 wLT
  x  x% f/ S' c, o: h( w
" Q" y" U1 i8 a# nFT
% _- B& T! @: ^. H
0 w1 R6 V7 }1 a" B" v2 \  H8 s



中央控制系统



& N9 j" ?" F# {8 F9 q) w3 a过程控制系统
& d/ {; P3 F* K9 s" |
9 T4 m$ x9 L0 T3 X3 d- nPCS


# C5 O7 b! o* q# Q% |( n
逻辑关断系统

ESD
  w8 M9 Q0 Q# o  J/ [. v2 T
) G1 I8 u' y% j; N4 O$ W; P2 y7 R
- g( b7 F6 P$ S" @" K8 u' u/ P& B9 H8 y
火气系统

4 `/ a- y9 O  v3 AF&G

8 Y* b+ d6 V  i" D5 ^1 Q  @
" z! K* X3 _; ]6 r% j8 ]) S
6 A: p) E3 ~$ Z: O安全控制系统

SCS
9 }4 F6 L7 O# O( E) ?2 I5 N


0 ?( z; i* k3 a9 W* ?3 ]( c阀位状态

泵状态及故障信号

8 p8 \6 F% U' i/ T9 A. i8 Z

2 \, |5 t3 y5 v9 Y9 t/ ^1 l. J

( r9 j: k6 _" Q开关报警信号

PSL
$ T% b3 a! d* b! |
TSL

LSL


' t7 i$ M* g% x1 U" E


控制阀
$ b6 v" B4 l7 |' N0 h8 k1 u# {7 b0 s% d


启停泵


8 T9 B% @6 b* r' \$ P. `. D
声光
+ p& F& t/ z% N( e
; o3 D0 Q, ?0 O+ z4 Y报警
: ?7 c' t: w% E6 z1 P6 {  A$ [) M

/ O  |9 F/ |) O+ ^
开关报警高高低低信号
) u4 I$ E$ P& }' C/ S( U# m- z

  M3 {- `$ c7 j* ^" m0 X) F; b
' G, }, U: g& D3 D9 n

4 V" j8 R+ P4 [火气探头及火灾手动站

5 B6 _, O9 `% {3 k3 ^

1 A$ i& o% T5 m2 }+ R! X

其它关断信号
, M  i* F# a3 Y7 Q
$ z8 b$ H3 x( w3 p8 G: Q; }- }6 D
! f$ ~7 r/ M) V& F1 h# c0 m4 L

, C. O. r4 f- T9 w! j
其它检测信号
5 M$ b  ?9 _' V, \/ x7 M

0 @: P  U* S3 N
) v0 o& l5 K! C+ a  R状态灯及PA广播
5 f2 Z6 I1 M. r5 [* P$ s0 h
6 @4 G" y' x, L& F2 ^
3 y* P1 K9 k4 h" ^+ ?) M
2 C, M7 w0 l* {- Y: F消防泵及喷淋阀和CO2系统



关断相应设备
1 E5 o/ Q" p/ M6 e" k. O  |( s( A
9 R( R7 e9 U5 C; N7 Q3 H( h
% n6 t, L) B- C  K6 ~4 P! _! ~. q, ?
( p0 p" C" k6 v( A, B关断相应系统

/ U* Y0 @7 i: V& B' ~5 e




6 W  t8 f6 G8 a, y* h1 o
/ o' b) r7 ~, T" A2 G

; ~% L4 ]/ k6 T


# K& N( K) ]# Q5 {0 U7 e" C: m" i






5 |1 t1 M; r! ~: j  G
, t4 k( ^# U0 }) ^# b# H



- U9 F6 _+ _! u) b# `, A




* H: K  ]# O3 r# C( n- u
4 q: W9 |, {* [. @5 }
7 R& H! S" D$ }  m! D; ~
, I, ]* u. _  m7 G. q1 |
6 z4 I: U' I3 M) d" Y2 K5 u: J% x

$ Y  r. n& e3 I$ @, h

6 a, p6 T# K! i6 y8 d- |
  D) U* @" Y7 h

2 D; R( ]6 T& ]& }' U: \




4 l7 J; z5 p. ^; B7 o7 s

4 X4 ~# {. |- I: o4 ^& x

7 ?- s4 }% a  Z" c, k
6 I2 k0 f4 ]$ f0 J# o5 I8 v3 W6 R4 }! X
! J" b# S7 Q5 z# Y( a# u

, {0 S6 I& \: |
& v: Y/ y% O9 @3 K$ F) l% R
  N* \" \, O( `7 ]
) F; h1 F/ g+ j! m0 P5 Z, k
+ _+ }' ^2 E9 x; F) O4 E7 T, Z& H
8 A  }( z6 u+ t5 l4 F9 _! l+ [
0 I( J& V' [& p) I8 F8 C  ~
8 B/ I( M) H% e( H. n4 S2 ]7 t

" x( K: b% p; G0 w




# y6 S0 {; W8 A3 L- q

+ R: l: V  h- G; j( V9 t- n


: f9 a4 Z- K0 ~- A0 T, g5 Y2 }; C


- J& A! K( c$ f2 u; R                  

6 Z# d4 ^# p% s/ j) W$ ~0 A% i
, ?- J0 j; \) V( C* q
      

第二章                       压力检测仪表
  D( s/ j9 r% P" M
# h6 u" s% k3 i; y3 Z; |9 U; n

0 U/ c$ a: f$ P0 r* T( t( }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。

& R/ {$ L7 r" t, k% R2.1 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。

表 2-1 各压力单位间的换算
帕
; t4 E* l6 i1 _. G5 G% H6 y9 Y9 j
0 ?& n1 C2 u' c2 |Pa
9 c5 ~5 h* @+ y& G
千帕
+ U+ ~6 h* a! T. _4 v' x1 P
KPa
9 [  |5 v- C! Z
- |1 ], M& A0 ]& O! \4 O: S6 F: K大气压     
4 I2 y) `/ |  i
" Q* i! E  Z8 x& R0 W" |(kgf/cm2)

7 G( J/ |& x; S& V( W毫米水柱

mmH20
1 T  i4 g/ u) X6 i) X0 H7 S
6 k6 H3 {: c$ N7 ?/ z磅/英寸2            Ib/in2 (psi)

' ?" M- i9 i1 g$ _& a6 f巴             bar
. v9 R) c) x" Q( D: x* O

1
. |, _' r4 J6 m) a
( [1 R! b7 _5 J/ ~& ?! q1×10-3

9 y6 c7 D6 W# k6 W% ~8 c1.02×10-5
& @. k+ x7 q  @( {
1.02×10-1
2 h9 d6 D( v* d1 V8 o) y$ P/ ~1 [" ]
1.45×10-4
3 f: C; b5 I3 r+ |) u
3 [5 W* l& b8 b  A/ B* ~. m- ]; A1×10-5
% I; L! e5 G! D* f4 s
; p1 Z/ J" P4 [
  Z5 Q0 g6 O: \9 _2 g! x* G; J1×103

  B2 \5 I, p; @6 y: Z% }3 w" ^4 N# ~1
) @& _$ g' D, a/ E# ?
1.02×10-2
) e5 C- c; T1 s$ `/ D, M
5 j6 M# m2 G% b/ W! x, l; {1.02×102
5 U- ~; F2 b8 }1 S3 \
1.45×10-1
& M8 M" p) U5 b% M5 `
! A" X; z9 i- R- i& j3 g8 H6 w( G1×10-2


  `8 \. ~: M- j& \5 z9.8×104
2 g+ |' v4 ?; ?: {6 W; a; g
. s8 J' ^$ r' f# C+ [9.8×10
1 D% A8 f/ F, \' B
# G. S$ J5 [1 K1 N% T! Y2 f. N& n1

1×104

14.22
$ E# S1 Y5 |3 z- C; ~! K
0.98

3 w5 E# q7 k4 U; q
9.8
; A# g% `7 S; R4 }) k
9.8×10-3
6 D" P- W$ i9 |9 B) y# o8 c
1×10-4
2 N; F( k% C) d4 L
2 |* q8 k2 T/ ^/ r5 M6 u1

1.4×10-3
2 h4 n  T: x( U& U5 x8 [+ z
. _: M0 M0 _- M) E9.8×10-5


6.9×103

6.9

0.07

# E$ K% q6 _1 z$ }4 A0.7×103

1

# B% r+ y+ z5 P* g% l( m% Q0 W8 Q0.069

5 v$ N2 a4 p. L$ h  t
1×105
) k  g- v. g/ J) y0 x* y" ?
100
/ W$ ?  Z, ~& ^$ C& b9 m+ Y3 L
% q* z8 U/ `% n" J2 l0 N& Q1.02
" o; v7 p5 `9 F# _# l0 `2 @
10.2×103

$ I$ u# L& f. `# ^6 t/ _14.5

/ E# @+ ]$ B0 a1 J% l; [+ W7 v1

  S1 b- a7 F3 r- y" z' ^

  p5 t8 W  }) T% r7 D% L, H

* C" R/ K+ z# ~" G( u) i, Q2.2 压力的分类
* d% H# ^+ F- Y

绝对压力的零线
3 }8 d1 i% d4 \


P表压

6 \1 w  r. E$ m- i( L; u' ]

大气压力线