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
* d3 y9 M& I& S/ Q/ X  d
1.1 自动化仪表及其应用
: @: c$ r# ?, o8 Q! _4 E
) h3 @' o) M" l; J1 d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。
- W$ p6 Y& k7 M! P# _( Q' K
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
, w3 m8 N6 e% d+ `8 d# @
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。
2 a: \2 e8 q( A: S
6 t( _8 i) ?3 S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。
( s" D) L! F2 L0 Q5 a; p  ~
8 x. A7 ?5 v: Z( x* L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。
# r. f' {- I4 U& r# {9 q1 |
1.3 自动化控制系统
2 d# r% e" E& K) v7 K. B& F
( s$ T, _7 D, |* \+ Y* @( I( G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。

! j4 r9 w% ]( G3 A+ `6 _4 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。

8 m: D6 h* ?2 g0 u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：

0 B: ]; \4 I+ G4 @- `! \: C3 l
' d  }9 ^1 T5 P
3 h* i" o0 u9 |

) p, a# w* }% e0 l8 a% F


' O( {& q3 {" B& I% t: ^/ J9 l# U5 A
. w2 O# ~  L# Z' R  L- M/ H! u

' C) y0 s) S2 j  S: s$ U3 T
$ T' F9 e0 i6 F5 r! T




' b& D8 V8 g0 \$ K0 A
4 K/ ?* D) R3 x2 G8 G( B- `
6 h- w2 o! t9 m

, z: U8 Z) Q: H中央控制系统的构成
- W6 W; ]7 e$ p
, F% n' W  Q1 i  I, l
6 Q' }* O5 e  U) o" F6 r9 _. Q
% E" |4 L8 E; e! y7 _


现场仪表
6 W4 w0 ^" v# \/ L5 C. I
PT
! v3 a$ K4 J& O! i1 f
+ i9 h9 G9 ~6 S: n$ DTT

% f3 `) _  {7 L& tLT
% i7 C3 r  k$ q0 t0 E
FT



6 h3 I7 q* Y3 A+ A! B

中央控制系统

$ ]6 D; x: _: p$ ~
$ h; j2 M, W" K3 [) J' r
过程控制系统
. h/ ?; H. |6 H: Q
PCS



- O% ]$ z7 Y- t+ j6 x: q逻辑关断系统

9 j" m% E/ O: y( n7 \7 ~5 v2 p$ M" jESD
5 G( E: }1 ]' v% z. d) b2 ?' i
5 J4 @2 `1 d2 S% u! k) |
7 y3 b$ b+ Q9 m; i% b, }+ f
1 d; h5 V8 b  N' H火气系统

! B. N% _& u+ M" Y9 p% PF&G
2 f, p6 k5 Y. i


5 }* {* |9 E* S9 C安全控制系统
' }4 \6 _, E, F; l+ {
* b/ o" ?9 i: MSCS
9 o. h1 h( t( M2 S1 X) e


+ B, Q; c' A+ G- B- q' h: ~阀位状态
! G- \- Y* [$ h  s, X3 ^% x
泵状态及故障信号

. {) @( i6 a$ q- z+ p: @" s1 K7 @+ |
3 f, n. B" z0 H; r1 ]* }" v( ]


开关报警信号

PSL

TSL
/ E: Z" i- r5 h6 K
* {. w  Q  \. q3 v" kLSL
3 c, M  `+ K& o. ~# f- @5 M2 ^


9 k9 W8 X3 j3 D" p

控制阀
4 u- v& b7 a4 @/ z- s8 Q2 U9 B) x0 o
% d6 [7 ]6 p2 y6 q, [! z' g6 T- I% u

' |/ \, }! S. b& ~启停泵



& t  i1 g9 ^' x) g, Z4 W+ Q声光

; F. \" m# a% y' v, \报警

& O, @1 {  S: o! G

# b- l2 B/ a) D& \) y6 |) Z开关报警高高低低信号
# m9 Y% {" T  h" Z2 J) M9 b) W




# }* p2 Z, v; ^( P3 M其它关断信号
/ U3 x( A' k4 f1 V

1 m2 \: o1 d: z& {8 M) s


) y. \" e9 q4 s: M: Q5 A8 O+ a3 H4 o, |状态灯及PA广播


6 ^2 e/ R0 _! `3 w5 G
+ G7 H# R7 d; H% X1 B+ J# h; i关断相应设备

3 Q; E9 i" u) I6 J
& G% `# s, a- l, z: w: z8 [
关断相应系统



" o7 l  U8 K/ w$ M$ X现场仪表
0 g9 b! @4 G0 u2 T3 C# h+ J
! [* G& A: f1 U" A& RPT
' v; N. `8 I8 v5 x
TT

" \8 D/ A" U$ h, ~, C+ U1 ~  FLT
5 \) a( j6 q2 j& S
FT

. I3 @- Z+ n& h. r
0 D  I6 f: P  m
6 G8 k8 k' H0 |

中央控制系统



过程控制系统

PCS
7 u1 T' k8 e* t/ }

# a% k) l5 _$ f" n5 X, s. |
逻辑关断系统
* A8 z3 H+ e- h2 H5 K
ESD



! S  n7 M, G3 ?5 W+ }( l火气系统
7 e& g  x5 r- x. ^. Y
6 {8 f) B- h6 E: G  n3 JF&G

8 h# z2 y" @" Y: A
' M7 t, }4 N( Z9 S# x# p9 S
; ?9 R. m+ j7 T0 \' `* w3 I安全控制系统
7 ^) s9 _/ k- y0 v! X9 V
  e! u$ E) N( a- O# {2 aSCS
# k! p% J# N3 f0 [

* n0 q. }2 d6 p+ f1 A( ]
* R7 o) X4 x5 m- x, F. u阀位状态
2 h# c/ N* o" T8 B
2 w( e1 W1 U% {9 N泵状态及故障信号

' P: d) u3 o6 Q' f& x, H- n
6 B; {! d7 a  {+ @$ E0 c9 m
+ f4 C: n. u% D  h
' U# S& l0 A0 n6 ]
2 D( H9 g- R/ a$ t开关报警信号
- U/ v& D4 S( t; s9 }1 ^1 b
$ ]. {3 Q  E* J) Y5 M) oPSL
8 h0 D; k7 `! Z# a( G) L
, i; p( L4 j' l0 h. hTSL
2 ~' B8 p4 s) O6 u/ I' d: ]0 `
LSL


, W$ J6 l* w! v; O7 m& I. E& Z; Z

" I5 W0 l! N, d6 c
控制阀
/ y  g& z7 V0 b/ U% Z


启停泵



3 O6 q5 w) m/ `$ N, E声光

4 P8 l. S0 E2 T3 D$ E! D( }报警



开关报警高高低低信号
7 v) F5 l; R/ ]

, c$ Z" W; u9 h2 w+ k6 r
3 m( d" [% j( f6 k& a. I; \/ P
0 G7 j( P2 v  q1 b! i0 T  E
火气探头及火灾手动站


6 T" F+ ^/ c) ?3 g! D2 I8 D


9 b5 a! K5 F6 n其它关断信号
2 T8 l" K3 f. k! \/ r1 m
& Q! K" m8 U  U
- ]8 `- X8 Q9 p# Q( {

$ r: B* w: [: G' [
其它检测信号

# u- D% h4 m5 X
! E: w) I' Q$ t, C3 q6 Q9 V
. T0 n7 t0 E- S0 u! m& X状态灯及PA广播
! a) o: }7 r, `& W' S

3 v' f; c5 h; |. p+ p& E/ _4 ]
3 d& M$ Z3 v0 z5 f消防泵及喷淋阀和CO2系统



  a, \8 `2 i/ U# ~  b- q关断相应设备
9 h# f0 y3 f+ N# C# G
0 r" U1 Z8 ^% C& F1 e* G5 x* S5 a

关断相应系统
; }* G- A- y; [. i

: E5 @( y! q7 _; g; ?5 C# l
! R; g! L. J3 a" L3 Y7 _9 d" Q


0 M& o+ @, t8 `9 E7 x







% R! E  B. }$ a; F% F( Q


3 H' v- N; q+ h2 b* V- e! R+ O. k2 D

! _6 i5 \) d! c& d* k2 M) r$ o" c
2 p7 C/ H8 y8 o" U% c# g
$ F8 K1 f8 {$ ~' x. _, e
7 G, c! ^# G  G0 u& |





8 p1 t2 u8 J) z* ^6 A

; F1 x* J/ v/ E




: A3 A/ Q& L6 F- b7 X) R
$ {, q8 l/ x# H/ I2 ^7 G1 g" Q
5 _' N+ @* K5 b7 G; y; B$ O5 H


7 h; s* ]! v9 ^" h7 o- k5 w5 b6 S
, E6 I) }6 Z( p& F& H





& Y9 D' x( e* M
3 b! w$ [' b1 L* `; n" h
5 b6 j. z* [4 U
6 z: C( _1 V3 U$ e4 }9 H+ p
, ?& x# K+ H+ O, Y/ \# `9 m
/ ?0 U) ]1 J: y

4 j2 h  e! n! g% B

% {" V- ]" A3 @4 u1 {( Q
1 f- E6 L: X+ P8 O8 o
$ C* R# s" u  d2 j: X
& ?( w* Z  E- w3 N( ?
9 \  ]+ i) {) j# c6 m$ V



/ u4 ^/ U- I, F# n. x9 ~
8 F6 j- T8 j+ A& h

* p& F& H8 P  I; _: n

: Q2 D! R9 a" @& U* \8 c  ^8 y3 p
( h, r1 n& q- u' L( L
: e" `7 c9 e* Z- X- {

0 V" G% \9 Y. k0 C) b! u
. Z" Z6 L- a) B
$ m1 _: r' q0 L# d                  
* R+ ^) n! b) T* p% H5 b


      

第二章                       压力检测仪表



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。

/ J# q$ r7 N$ Y( q( l2.1 压力的定义及单位
  ~: e7 G: U! Y/ [' h/ J
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。

1 u0 X% k5 e3 u- k/ k" F( [, B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。

1 T  m) b% e. ]6 i6 V1 f" c6 N表 2-1 各压力单位间的换算
% R3 f* [1 H  e0 _/ K1 G帕

Pa

千帕

2 s( e% f5 ~; O  @5 a; OKPa

, d7 ^; k" B7 k大气压     
1 x; J! B  g, _
(kgf/cm2)

* C& Y* F) B1 B: A毫米水柱

mmH20

磅/英寸2            Ib/in2 (psi)
  v( a. E+ V! ]9 i; t$ t6 D
巴             bar
4 T  g, n8 \0 t; d( c# m

& h/ p( T. w- Q. o' g1 d) L1

+ i0 ]6 S* S4 C1×10-3
5 I# }$ t, D9 r; D. T: v
& i5 e( E; @8 m7 c8 t1.02×10-5
; |  b4 K9 ^1 d0 d9 z
1.02×10-1

1.45×10-4
+ j/ b& Q4 Y! A7 A# O# k* M# c( b
1×10-5
4 X" u- j6 B: m' \

1×103

1
/ Q. H- |; X/ R* N/ |7 h& t
1.02×10-2

1.02×102
& ^% g8 u, s% s5 r
: g9 B+ L& b' i0 I2 [  @1.45×10-1

1×10-2

9 S0 ?4 c) K) }" z% h
9.8×104

9 ~( Y$ y7 R  d, M! Z) i/ M9.8×10
- `. m/ z) b: W. b
1
  C! T) L& |1 {4 i/ p6 a9 o
6 U% N3 W- S: F2 \; t1×104

14.22
: ]/ [/ W' p$ A& z' C( ~
2 z% @5 O* m  J% \, x0.98
! d, t+ j& q, i9 u% x. n3 ^, @% f* v
  t% E+ C" j& ^9 Q2 ]: b1 c' U
9.8
& o* Z$ I5 F( h! {2 J( U
8 [: d% `3 l0 }/ P/ ^# J9.8×10-3
  w3 V2 y/ W0 d! Z/ B
: u( D3 c, R! R/ B1×10-4

4 q0 \5 W3 {1 P6 M/ b- Y4 p1

1.4×10-3
5 g( n7 R  C7 @' z2 k  ~/ N
. ]- u- k( V7 x3 X2 t+ _+ U9.8×10-5
; x" @' |2 G/ K* w. G0 o
# z# b+ g7 j# i) T3 Q  Q
6.9×103
& R6 }2 V# k7 V6 S+ v7 s! O
6.9
1 S8 Z& e) i  T
3 |( K  w$ y) R; j: W2 Y+ D0.07
# `, Z8 i  r) T/ l
0.7×103

1

0.069


1×105

100

  K+ }. ^1 _3 V/ i, d) g4 N) d' C1.02
& V2 M) H; K: h7 j2 O# n
10.2×103

& _$ G* X4 m8 A14.5

# M+ {& a& J3 X1
' R7 u7 R0 S& \5 m6 H$ A/ L% l



8 r) p0 h: P- D0 a/ z) i
2.2 压力的分类


8 ^1 l/ c% X# \* [0 X6 A3 E绝对压力的零线
; R; O9 C3 a6 `1 b
+ P" P  r2 }) K
. r; W$ P+ o  F/ Q
( G# E+ |, a% ~' iP表压
6 X9 J' o6 o" M" e$ o

3 T" [" C0 D6 r3 x; r2 y+ ?
大气压力线