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

: e9 T2 f7 t. D. a/ e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。
* h: r$ A  G+ Q1 B! \
" ^; _) k2 X! e# V( u/ q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。
. k2 \, V" o- a! e; \5 [+ F
1.2 自动化仪表的分类

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。

! ~* R( {: @$ A8 a" E! A8 f; K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。
5 O8 c7 Q7 `6 q. [  {
/ ~8 B3 A( k8 Q8 Z# r8 w1.3 自动化控制系统

# L* G5 H" [  e8 D. U8 R+ ?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。

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。

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：
% N" @' m9 e/ J" n# W




# p% [1 D% l0 i( a, \3 I







$ H7 h& B) Q$ n9 Y* N
9 H9 B5 J* ^0 V0 V8 J5 g8 Z) ^

& K, I, @8 X0 V# _6 K

& j4 u# h: k4 \  o: I
7 {" |+ F- A, V) n* k0 K8 [

" R& |9 k6 ?  F  P& a中央控制系统的构成
& J/ D" ^% y3 \* K- r
( G# r# X6 a& \


6 B* i/ M; Q0 K) L
" {) f' d, u9 i: L. `% D0 N5 p
2 ~& \. i- Q8 C' f现场仪表

4 B  w+ z1 B2 m5 Q0 P8 UPT
; U4 k9 t( D3 L) Q( e, {; l: O
; V1 V9 Y) u- n* v! I! t2 eTT

LT

" a! w" x; R2 r& Y, A/ O& kFT

4 s8 J) s- x0 w$ L



7 [  g" k( ~, E中央控制系统
! X! C/ b" W3 I6 r! g7 d
5 n8 B5 A  g  y! ?

过程控制系统

+ i, X- d% ~" V' }" X  HPCS
- ?) e. ^! S+ {! h8 U

& W* h7 n7 j  o, ]3 q; f3 w/ p
0 H* V4 e# M& [' ~逻辑关断系统

. J8 I% M# N0 \4 r! J9 o' ZESD
$ S# @" j7 K$ g+ C$ a0 I

% i# I7 X$ m, o' Z, y
火气系统
- A( ~7 Q9 Q* I" I9 R( V2 J
1 s. {; ^5 U; B2 h# e# }F&G



- L$ V4 K8 O) n5 y9 R" \安全控制系统
3 E  Y/ P! D: k+ B- M8 X# B5 B
SCS

& h. b- ]/ p3 [

9 X! ~. x- Z0 {; _$ c阀位状态

泵状态及故障信号
5 P. }) V0 X0 g  {; J




开关报警信号

PSL

5 y+ v6 E; j, \, oTSL
' Z$ I0 ?: W4 _. J) l6 k( i/ S
LSL

% v( N7 @9 N1 D: t7 W7 I3 ^" |



控制阀
2 |' f9 f( D) B: H

+ _* j7 e1 @+ ?$ a' ?% e( R
启停泵



" b, Z: j- R& m$ Y* V4 Y: P  V声光

报警
( v. t. B8 K$ y& g+ G, r
4 w4 `( U4 P% U0 `8 j

7 ?. c9 q- x6 I% N  O' I3 d$ B开关报警高高低低信号
& v* Y( x1 x% o3 R
  G, x2 i) ]. [) O4 X) X% l- G; @
8 K8 ^+ f9 r4 `2 G8 A8 j$ @& G
7 y* o2 F# T) x1 U

, r, I; D3 r2 r9 F" H- I; \其它关断信号


7 s# |& f- e5 j% O" K
" e# S2 y" A" E8 C1 R0 p

, ?0 A  D$ _. }8 j) S7 A* @. g( D状态灯及PA广播
! w1 Z% ?, X& V3 U' n" h3 [
# f0 |' r' |5 N! ~, a% m+ |5 E

关断相应设备


& Y5 n+ N* q2 H$ k
关断相应系统

) I, e( |. z7 J% ^6 j
0 l9 z4 u" U* K5 t$ Q8 `
现场仪表
$ u0 U" {1 v! O% Q3 H3 ^
- \6 U  e4 |: b( S, r% lPT

TT

1 l7 [+ c* _& y, qLT
# ^+ x, X. }* P+ [
5 v; i1 a* e+ CFT

  z/ f0 X( L7 L6 r( ^

0 T; m0 J* j9 w( a/ [
3 k- h. X/ Z$ L5 Z2 |
中央控制系统

% T- R- D% C; b8 Y' Q
- X6 x2 m/ a3 U! N2 \) F. [
* m) S( i' a/ `& |: J8 D( X过程控制系统
+ \4 O7 c' `' _8 Q0 ~5 r
PCS
. B9 A6 C5 J+ H1 I# [. z& D, G
# Z( z) N/ r2 V" N; X
+ w- w9 @$ Y+ x' q  {
逻辑关断系统

ESD
8 H" ~# `6 h" `% z% M3 P
& d/ t5 O, }1 B* x( {

火气系统

) M  `& @, v, t) WF&G


' F$ X& k4 D  F! \7 \  ]  {1 }7 t) h
安全控制系统
; [7 E! r" v" @- y0 w7 N
0 W; O" D8 c5 s7 U. h" G1 SSCS



, F7 S0 J7 r1 v9 `: m2 u$ S2 a, T阀位状态

泵状态及故障信号
$ }/ c$ I+ `5 f; ~+ V- W4 J: {

" A6 @( d  [  o% C


4 s9 P6 F2 w  x( z! O5 H开关报警信号
  I) K$ W/ D; H# ~7 t6 H
PSL
) J" V5 q2 ^  q) @
: y% L2 t( \, q" a5 dTSL
( Q8 ]; d7 i- Y3 |2 R$ k
LSL

" A! ?, p3 x* q



控制阀
, N/ l" x/ d8 E8 Q3 D- f- Y7 s$ L" H
  w. V; l* m6 s$ l
1 Z. T/ x/ Y: V% R
9 W* o8 y! I' `  z6 X- K3 U启停泵
" i; n, T2 ^( w

/ ?6 e3 y9 V( l! b( M
6 A/ t% h  z; p$ q: ^声光
0 S  J& d* C- G! Z! h2 |& `7 Z' {
" @* v" W2 a# T# J5 m2 R4 A报警
$ M, \0 c8 k' b3 _5 q
6 a. W8 f, `7 Z! ?! n! a
' S$ Y% r" v/ W
$ J# F8 J6 W* t; j- ~. d# Q- a开关报警高高低低信号
6 S2 F* e' q1 ?" A
% Q  Y4 g& }$ ~4 y% [



7 W; F% r" O* ^1 H2 e火气探头及火灾手动站



! ^3 F) F. I& c
7 G2 `( o* U) }  f6 ?; w0 A% F! Q
其它关断信号





7 a8 G) e' a$ @# r8 H) |! L& @其它检测信号
/ a" \2 C0 R( U; y% {
( H: _) I# q7 U* P* }! U0 J

状态灯及PA广播
( A" I0 S1 H; A% ?' j# I


消防泵及喷淋阀和CO2系统


# W5 O  B+ V& Q+ R: @! S
关断相应设备
1 C+ X8 N2 X% @8 k5 p; ]+ _$ o


9 C; u* z  }; y% q9 |关断相应系统

. {. j; u3 w0 O3 k) Z
5 F) `  f2 f. }& ^- q4 u; E7 q8 u4 j" `
9 j. e9 b, f* [% y


0 l* E! n+ z% T( l; a& Z
( M7 ~6 h% A$ n4 p, ]4 j1 l& w( Q


4 {: {7 R/ Z+ [3 {  {# y1 f3 g
4 E2 D) N7 _( V: A




( j. k/ ~7 G. ]2 a6 B$ r; W

& E8 {& f3 _, C- J# A9 V
% ~7 J# X( r" K1 C. A) h
8 a4 X* z$ H$ @! N* L

8 |$ `2 ]/ x7 \+ d( R- ?6 ^3 _
  S+ n# m% v& T7 x6 y$ k
% [: Y" w, M1 L3 M' E






) `3 b7 J1 G$ c) w  \  \+ N
! a! ^1 Y8 @& }3 ], X
* P1 r: D0 R: C- P. w- I1 m- T3 E


5 w: ?) n# [# B4 s- a. B, \" }


0 j& }. o8 r- d2 }! X  ~" A

# ?% Z3 u+ Z8 B" N



2 s2 G, z( \+ k  _: T! u
. x4 E) P% E* ^- b8 w, B
4 s9 G0 r( Y5 I- Q( ?
7 ^0 O: F  ^7 e. F5 Z0 F

& p- w: m& f/ u( O% ~8 w6 e
' U, N8 t3 t5 w- O9 j
' B; T+ o2 b1 R* d6 Y
, t+ d8 h& g$ n& G( q




& j3 S: I. U$ h; O, q" n* i. x6 Z4 Q; {

$ B6 Y) v8 i9 Q0 r1 @0 d2 w; b

. D/ \3 x( s! i: t


% D: v  s7 l, n* [
% v2 T6 |# t  Q4 r& x! k





$ N: X$ U) e6 c) D6 s; o


' K; A+ t. D2 j# _/ U                  
. a. L7 ^7 {- e' l$ z

& Q* |6 m, ]* v1 _! Y; b) Q! l
- X, C  X5 ^7 ~2 M      
7 G& E( O+ e+ d7 P
1 o2 v8 J, E+ L# y8 k第二章                       压力检测仪表


- i! P: E: I2 W1 R, x: b/ a
0 n( C! N: `9 y5 f' ^: a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。
& ?0 G. u5 H2 ]5 `! H
2.1 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。

+ r& c$ g1 @- B* b1 R0 ]$ ?表 2-1 各压力单位间的换算
帕

Pa

) m" x' R- b, u6 g6 L: ]% f千帕
( \# k& m  @9 c
$ J! f$ f6 O( @. Y& \& C1 ~KPa

3 E2 ?1 E  }$ A6 X7 g9 c大气压     
) V# X8 v  T9 ]4 x# N
: e* \. f0 N8 T! ^- a+ Y$ }) m1 _(kgf/cm2)

! x9 u7 ^, O) |  J3 u+ ]- X毫米水柱

mmH20

磅/英寸2            Ib/in2 (psi)

巴             bar
0 {; j! V' Q* U' ~7 W1 ~- V

1

, V3 @3 {# v* G, ~! W1×10-3

1.02×10-5
+ J2 Q% K% S5 c0 c
1.02×10-1
# a9 ]5 K+ [3 B* r9 z3 T1 F1 k% R7 \' M
1.45×10-4
/ w8 l7 d! V1 ^  ^
1×10-5

" A" x! I- z* N" s6 H7 v2 X) j
1×103

! R: R6 b+ Y. S1

& _/ |" a" ~5 N+ w1.02×10-2

1.02×102

" I7 v5 v4 p0 q+ ?- F0 {1.45×10-1

  {4 G$ Z: M. v0 v! k1×10-2
, Z! n- o+ E  ]7 K
! J, F7 g7 P" f) E+ y; _0 a
9.8×104

9.8×10
9 U; p) j) j7 j
6 e/ J; N  h8 x) L. }4 Z2 v1
" G: u2 Q7 T2 d( f4 @
) g) H2 |8 o# _) D5 T  f1×104
% W% L) y. j5 r* P0 z7 [8 ]& w
14.22
& r6 H# k  Q7 p* m0 Z
7 o) H2 v! N+ p  Q  Y( |, k0.98


( x0 z7 a% b- W1 S9.8

9.8×10-3
3 {3 E+ `5 l6 }& Z2 D' c
1×10-4

1

3 r" `6 |4 f- Z) e1.4×10-3

8 [5 H& A7 x9 |: j. B" z. V9.8×10-5

4 A3 ~3 E! Y5 l
9 @. v2 J% v9 z2 P$ v: |+ j7 c- ~6.9×103

+ w6 I5 N. ?: \# y3 R8 g6.9
8 c8 J  X  C- Y6 P6 I5 W
* y7 j$ N8 R  ]1 O6 W* w0.07

# T! N  n3 l- @- R6 R' G3 g. n0.7×103
( `& j: P( `6 Y4 J, ^$ C
1
" @- q* W" U/ A/ t8 A7 [
0.069
5 W) ^! B3 ]  Y. v# F# d

# f0 z' j5 p6 E0 P/ o; ~1×105
+ h& W6 D7 N+ i* l0 s
100

1.02
5 m, c4 p0 A* |
6 r: y8 m% R# [8 X) v0 i% s10.2×103
; S( i& S2 x, u0 B9 C5 {# o9 x
8 E. A8 c, Y# Z$ ~' B& O14.5
( P0 N" P' a) U% c: d0 |3 P
3 L1 ?% K% F3 a1
% O, Y! {1 h- I* M' t! K1 K) q
0 ~: q# O+ l8 o4 |7 h# k# H" V

' V5 E. p) D; L

2.2 压力的分类


* U" P, u! [6 |0 `( [+ j2 N绝对压力的零线
$ ?/ [4 s5 y9 u

( k* y7 k/ H/ \/ q* }; t7 t
P表压

0 {, q# w  i$ Z% Y. O
. y, A" J& e4 L$ b. X9 g& v
3 v# V  s2 `% m( R. q大气压力线