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

5 i+ X9 R' U* F+ {, g1.1 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。
& \8 t) m2 P) q0 g1 p4 [
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。

4 e: r7 S5 F) M& \2 ?' y$ T1.2 自动化仪表的分类
6 ?! }, n& c1 o  E
$ y% M. V4 B( e  }2 m. m6 V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。
# S" L. w, d0 c) n
1 d/ L& J- K1 [) P0 A按使用能源不同，可分为气动仪表、电动仪表和液动仪表。
  A' o0 ^' [4 J+ J8 ]' F1 N; z7 m7 ]
: ^, g3 P5 c0 l- h! \% Y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。

- X7 y3 m/ a: V1 F  B9 H! R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

, F" I" m0 B6 O/ h+ l! c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。

! }1 Q+ ^5 O1 l9 M* Y( t6 L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 C' ~$ Q" ^1 B( w) w& A- w
6 O$ h6 E/ {% x5 w- ^$ a0 j6 D1 ?+ x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：

; I5 i! h+ Q3 G% Q9 S2 C" P8 V



& b8 o- T; F" |- f) @2 W
! n( q% r; `7 T% F& q& Q& V. |# m

$ w# Y- Y; I! z4 j6 W
/ M  B- w5 F, S- C% c+ ?. K


) W: |' G: v* P8 L# f$ t8 u

8 y1 ^& C% o$ F- `* [




5 K& d' s, w! ?6 J0 A0 o5 }2 @2 Z: C( L. F
; b$ `& Z  M, i
) h: f8 j+ c* B9 _- R. a' s7 j% ]中央控制系统的构成

" l( E! _, v: [; y! O
+ U$ G& h% X' O+ f9 p
! O) f, W' }+ M1 \7 r. ?7 R3 f


. f% O2 f, r, {' x6 ]+ ?现场仪表
& ^( J" d( X: d! ?3 y& u
PT

% I9 G" @4 L1 o% F* Y  lTT

! t8 I- ~% y# F( r% b7 m" y% b2 WLT

FT



4 ?+ F6 K& Y$ v: |' |$ w

% g1 G0 _* t  [. L中央控制系统


' ]4 K7 b3 v) F, \  u  s
6 U$ H* f6 s6 Q% |8 L: M3 }过程控制系统

PCS

0 G  y6 X9 l( R& g

7 ]: C/ ]+ t  ]8 U逻辑关断系统
& @( @; X6 ~7 A# \
ESD
3 ^! I# G/ l- N5 g8 F' L
! P" A5 d5 e- s* B

7 g) O8 B% D7 d) a& o火气系统

9 a1 J, {: [& [) Y+ H3 yF&G
( X1 ]- N! R) }9 \8 R7 B1 {2 R* b
; B6 S: z8 ^0 d/ b
: w9 _- q- V8 E& @" O
安全控制系统
" q1 D* \: I" W* g) q- L
' o9 ^! w/ ]7 G& ?0 GSCS
) w: `6 H( \8 y* S

( a6 W% F: i3 s/ @; c
阀位状态

泵状态及故障信号
/ J8 p2 x: J# L' P! s/ D" `

; u: W) F' G  D( X/ @0 `

/ O$ N' d( A2 t* w
开关报警信号
6 t; g% D2 S* ~3 G
, C' b0 _+ H- L- sPSL
- F# \9 |1 h1 `
# t2 ^( w7 w4 I$ d7 P3 O# WTSL
& a- L3 n4 }: g
LSL
0 C4 ]! b* b7 @5 j; Q4 H

( f  E, `( z3 l8 N5 o5 c
. I: ?3 _" U: l+ f- H+ }1 W

控制阀



启停泵
4 ~  w+ w7 J( u) Y* t
" f, m/ O3 V  P/ v) c
( b! N; w: l  }2 b% H8 }
声光

. w0 f  l9 J/ k/ M4 y' N8 f2 x报警


, `( Y4 i! w$ i
开关报警高高低低信号
+ o5 u  o( [% l
- e% _& z7 k$ i& r+ w! y

. V' D. U+ C8 a2 j

其它关断信号

" G$ I/ O% L3 ?2 U$ m2 f, J

7 m. K$ X# g! ]' G0 `
& A0 h* @0 c9 {8 l2 ~, h& W
$ {& F' Z/ H8 ^状态灯及PA广播

9 V# g! Y# F4 W) L) L9 D+ _8 O/ p4 w
4 C5 H5 W4 _) h) Y
关断相应设备
% {7 W1 L& T/ C+ A! P* k


关断相应系统


. S2 i7 O$ e7 c% D2 `- h9 Y! y; v) n
现场仪表
9 r8 j8 i8 K$ s5 @! x
PT
6 s/ M) C$ Z. j9 @% X
TT
; p1 s$ @% Q! t% x
LT
0 h' i- g1 E3 v( m* D4 W& _
4 R; h7 m0 S1 Z/ \* t8 _FT
! h" M* J; V7 G* P7 f5 {

( z8 p) X! b3 r% r6 _) ~* ^. y


6 Q+ ~6 {& o5 C7 V中央控制系统



4 m! O# ~8 |3 j# `过程控制系统

" O/ b. f* B, NPCS
8 \4 @$ B; C* J5 Z' a) c+ U
/ H& o* k( m0 ~) `1 i  _
* }' S* M7 W5 k+ n  C
$ |0 E& m7 L) M7 B) ~' f逻辑关断系统
$ B6 Q! p7 `( c8 i
ESD


3 D( W# U& d/ g* u/ g9 G# ]9 w3 K
4 \7 J# ^8 k& {火气系统

F&G
- `! O5 R! Y- |& ?
: ~+ v. T, r, U" e2 `/ b$ z0 l

安全控制系统

8 p/ U0 B8 R7 r1 WSCS
2 z; g7 u: K) b- V7 ~" U2 s9 P


& G" S$ O7 X6 C# ~6 h2 I. o阀位状态

泵状态及故障信号


+ D& b4 X0 N4 x% g. l; A5 g


! r# v# g# n) y) e" r3 Y开关报警信号
5 q* A, x& f+ H1 S2 y1 O1 b
$ ^' D" Y9 p6 D3 n& l9 {& K' hPSL
% \  `1 o+ L. w
TSL
1 {& d9 P4 j0 K, W; }
% Z6 j, z: O% J% {6 T) F6 W$ FLSL
6 ^# z+ s+ U2 n' P
2 H1 V5 n% U- u" ?4 f/ i
& w- J2 l& [+ M- }7 A5 J, x) S, Y

7 ^8 o6 z" h1 ?  b4 t
, o7 C3 h- H4 X% @/ R# K6 h* f( t# W控制阀



8 }  q; q: U/ y4 f2 \启停泵
  g0 K& ~3 ]! j! }( g0 E* P' I


声光

6 u, o& L. v0 i) D2 ?9 k报警
1 [; ~9 i" P* p3 M' S' t! S


开关报警高高低低信号
) R5 U; ~2 W6 o( z

, H- T! }0 s# J% s. Y, P; Z

2 b  G% ?+ P  z
# A. j. p1 Y/ V0 z5 _5 D, T/ n火气探头及火灾手动站
8 Q8 X4 q: \$ U/ @! W+ T
& k2 V  G, S* ^3 m
6 h; J' z/ d( o8 G, @: G; Q1 e+ N


" `+ w7 r* C4 F. V; |其它关断信号
7 m+ H) I$ z' F$ k2 ?


; f" n# [! ~' K" h% V

8 o0 r. ?5 r$ S. a- a其它检测信号
/ \7 b/ b; D* u6 F/ z- y


状态灯及PA广播
+ j& T, a/ p$ c( H9 U* F# ]& a' `' ~

: J$ ~8 n2 L% G2 ?
* }" S- Z5 p' n, y! U消防泵及喷淋阀和CO2系统
2 Q% B8 k% ]7 }; X) y1 r" I1 W. B

+ H" C* Q, P5 N  L% Q/ q! _
关断相应设备
, L& f9 R# ?" m1 H; I


关断相应系统







1 A7 N  v3 f+ l

3 S2 \! e' G, m. w5 l) H  l( f

3 W; U7 E: W$ v) Q. |
2 z. K: ^$ X8 m. P* ^# V1 o0 @
7 l& w6 Q" `- k

1 b2 N) r, ~/ l
% ?9 _5 n* F( e# G1 e% {7 \
: I; C* d1 L- g5 V/ k/ {, L0 ^

0 X6 G4 [$ ^0 J" h5 X
# {- _$ u( Z9 V) j) O
* P" r2 a2 y7 g2 I; S
1 B# `* }; \" @, L

, S/ |0 y: L* J4 j- \5 n


( L7 f+ Q6 D3 f/ f+ Y8 V


% c9 C* g$ ]+ C. Z# p+ r. A. S) T1 M

, \3 ~8 C. s6 s" l5 @" Z


/ c8 ]8 h* h; c' [  L9 u' H9 J
4 H1 f7 b# H: t7 V% ?
6 k5 {" w1 P1 q0 _( }! A9 p! e
" L, d. Z9 m' @9 I5 d4 f




6 b! U% r( o% W  ^8 H+ v
: e( c4 E# g5 g! X. `

9 }0 R0 ?6 ^$ Z4 g2 r


" b2 Q6 c# I9 z$ P' M' L
) b' o" C. L; P3 c

+ ^9 \" V9 g2 ?9 I% ?$ y( a
3 c* L0 F/ N9 L2 O


' K& Y9 u$ L$ c0 a6 D



' Q  ?8 C( G- [" \9 o% T' p& Z



1 h4 n1 D/ n. ^5 C1 H/ L
  h  F. H: r3 j+ f3 q8 B* X



9 [% f3 ^  L% L3 |

- V  U  }7 ^; V



. Z8 e; H' ^$ y                  
: L: D8 q  k" J, _1 C

5 H0 v, s' ~, D8 L' z( b
      

第二章                       压力检测仪表
4 b+ a/ }/ j0 `7 r. ]( p4 N' D

; k, K! k, A4 n& M
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。
* L- b# J, _; Y
$ U, Z& P3 X+ \2.1 压力的定义及单位
. H$ ]# V$ v6 [( C9 {6 M8 T& P
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。

9 q- c2 a' h+ z& ?8 b/ c) \$ Z5 Q  w表 2-1 各压力单位间的换算
帕

Pa
2 |/ v* F/ H) w
; y, H% w( Q. i2 ?千帕
: b0 t2 `; v- m. a% f4 ~
KPa

3 B. w4 H6 d8 O大气压     

- I' S8 x) n) ]; W- }(kgf/cm2)
' @3 U; i3 j0 f/ \
, s" {3 w! b( B( ^. L毫米水柱

1 W. \/ z4 D5 `5 |1 dmmH20

磅/英寸2            Ib/in2 (psi)

巴             bar

0 t. i1 j2 ]2 f1 z: F
1

1×10-3

! [( F5 H0 K* A/ I7 ?7 _1.02×10-5

1.02×10-1

1.45×10-4
/ i: P  X1 U7 ]
1×10-5

# e2 P7 N7 P- _& G/ F4 ?/ v" l- h
1×103

1

1.02×10-2
$ w8 N3 V: b/ e9 ?0 R/ o! k
1.02×102
4 o8 m$ {* O4 v$ u6 U4 G
1.45×10-1
9 M3 |# g1 j! G1 W2 _6 j. D1 P
1 F; W# ]4 Q8 w3 ?3 t& ]: o% U/ v1×10-2


3 _+ o+ a# ]6 }) w8 j' }" W" t% _9.8×104
: O! z2 w# P3 g- q
' p8 H+ F# o# V8 U3 L' I9.8×10
  O  \1 |! t3 W. V. g4 C
1
7 v( ^( d2 a. _% E- o( I% g# L
. I, A2 k+ W' k# p! J1×104

14.22

0.98


9.8
% H& e8 G- M. B# _; [
. H1 w" u, C3 y9.8×10-3
+ Z, u1 p% ~& F8 w" F
+ y5 z4 |) `- t# J1×10-4

1

0 E$ a! Y4 x& q1.4×10-3
! m% ~$ O% S. {) o* G& S3 L4 F; ^
9.8×10-5
* R) ]5 L' _) P; V* @! o( [1 M# Y

" G8 j( B4 d2 T% i6.9×103

7 X- N, G% z, J& `* i6.9
* ?6 r$ y; t: J" D1 G( `
) ~2 c& A7 A. t6 Z5 a+ t! T4 K0.07

; n$ {/ W) ?) `- {- ]; x  x0.7×103
9 E# K5 x) r9 I/ p! w; T+ q8 A1 M- [
, X! j1 ?  C& `* ^2 u1

6 V! I( _. G1 ?/ M0.069
5 V8 z1 e" G' U0 V
8 Y: s7 O' E: c
: P9 |0 T& g$ R( m1 T1×105

5 a" v, p3 Q2 @, D100
9 F0 i% x0 ~& L; C  P, I1 m
1.02
( C- W4 @7 }/ \8 L& F2 @" e
7 U, G$ o3 h' ]% J2 e10.2×103

14.5

/ b# K- d2 d2 q: H9 X9 e! n1

4 l/ T5 G+ G; Q! H3 @  T) e- U


+ C2 d3 x1 {8 p# \* a9 f/ r1 N& N/ I
2 e( m  s3 N# G$ }, {6 ]2.2 压力的分类

( b; \2 \( T; e* X) ?, e8 G7 J7 a
7 @5 w6 r# V/ J# E绝对压力的零线
- l6 [6 p+ a- j# l; V* p( [7 y8 P% o& r


8 n) K; B( u5 R+ `! aP表压


- I( N" T; R& I; L! S
大气压力线