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PLC自身故障判斷
一般來說,PLC是極其可靠的設(shè)備,出故障率很低。PLC的CPU等硬件損壞或軟件運行出錯的概率幾乎為零;PLC輸入點如不是強電入侵所致,幾乎也不會損壞;PLC輸出繼電器的常開點,若不是外圍負載短路或設(shè)計不合理,負載電流超出額定范圍,觸點的壽命也很長。
因此,我們查找電氣故障點,重點要放在PLC的外圍電氣元件上,不要總是懷疑PLC硬件或程序有問題,這對快速維修好故障設(shè)備、快速恢復生產(chǎn)是十分重要的,因此筆者所談的PLC控制回路的電氣故障檢修,重點不在PLC本身,而是PLC所控制回路中的外圍電氣元件。
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輸入輸出(I/O)模塊的選取
輸出模塊分為晶體管、雙向可控硅、接點型。
晶體管型的開關(guān)速度最快(一般0.2ms),但負載能力最小,約0.2~0.3A、24VDC,適用于快速開關(guān)、 信號聯(lián)系的設(shè)備,一般與變頻、直流裝置等信號連接,應(yīng)注意晶體管漏電流對負載的影響。可控硅型優(yōu)點是無觸點、具有交流負載特性,負載能力不大。
繼電器輸出具有交直流負載特點,負載能力大。常規(guī)控制中一般首先選用繼電器觸點型輸出,缺點是開關(guān)速度慢,一般在10ms左右,不適于高頻開關(guān)應(yīng)用。
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接地問題
PLC系統(tǒng)接地要求比較嚴格,最好有獨立的專用接地系統(tǒng),還要注意與PLC有關(guān)的其他設(shè)備也要可靠接地。多個電路接地點連接在一起時,會產(chǎn)生意想不到的電流,導致邏輯錯誤或損壞電路。
產(chǎn)生不同的接地電勢的原因,通常是由于接地點在物理區(qū)域上被分隔的太遠, 當相距很遠的設(shè)備被通信電纜或傳感器連接在一起的時候,電纜線和地之間的電流就會流經(jīng)整個電路。
即使在很短的距離內(nèi),大型設(shè)備的負載電流也可以在其與地電勢之間產(chǎn)生變化,或者通過電磁作用直接產(chǎn)生不可預知的電流。在不正確的接地點的電源之間,電路中有可能產(chǎn)生毀滅性的電流, 以至于破壞設(shè)備。
PLC系統(tǒng)一般選用一點接地方式。為了提高抗共模干擾能力,對于模擬信號可以采用屏蔽浮地技術(shù),即信號電纜的屏蔽層一點接地,信號回路浮空,與大地絕緣電阻應(yīng)不小于50MΩ。
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消除線間電容避免誤動作
電纜的各導線間都存在電容,合格的電纜能把此容值限制在一定范圍之內(nèi)。即使是合格的電纜,當電纜長度超過一定長度時,各線間的電容容值也會超過所要求的值,當把此電纜用于PLC輸入時,線間電容就有可能引起PLC的誤動作,會出現(xiàn)許多無法理解的現(xiàn)象。
這些現(xiàn)象主要表現(xiàn)為:明接線正確,但PLC卻沒有輸入;PLC應(yīng)該有的輸入沒有,而不應(yīng)該有的卻有,即PLC輸入互相干擾。為解決這一問題
應(yīng)當做到:
使用電纜芯絞合在一起的電纜;盡量縮短使用電纜的長度
把互相干擾的輸入分開使用電纜;使用屏蔽電纜
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抗干擾處理
工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境比較惡劣,存在著許多高低頻干擾。這些干擾一般是通過與現(xiàn)場設(shè)備相連的電纜引入PLC的。除了接地措施外,在電纜的設(shè)計選擇和敷設(shè)施工中,應(yīng)注意采取一些抗干擾措施:
模擬量信號屬于小信號,極易受到外界干擾的影響,應(yīng)選用雙層屏蔽電纜;高速脈沖信號(如脈沖傳感器、計數(shù)碼盤等)應(yīng)選用屏蔽電纜,既防止外來的干擾,也防止高速脈沖信號對低電平信號的干擾;
PLC之間的通信電纜頻率較高,一般應(yīng)選用廠家提供的電纜,在要求不高的情況下,可以選用帶屏蔽的雙絞線電纜;模擬信號線、直流信號線不能與交流信號線在同一線槽內(nèi)走線;
控制柜內(nèi)引入引出的屏蔽電纜必須接地,應(yīng)不經(jīng)過接線端子直接與設(shè)備相連;交流信號、直流信號和模擬信號不能共用一根電纜,動力電纜應(yīng)與信號電纜分開敷設(shè)。
在現(xiàn)場維護時,解決干擾的方法有:對受干擾的線路采用屏蔽線纜,重新敷設(shè);在程序中加入抗干擾濾波代碼。
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標記輸入輸出,方便檢修
PLC控制著一個復雜系統(tǒng),所能看到的是上下兩排錯開的輸入輸出繼電器接線端子、對應(yīng)的指示燈及PLC編號,就像一塊有數(shù)十只腳的集成電路。任何一個人如果不看原理圖來檢修故障設(shè)備,會束手無策,查找故障的速度會特別慢。
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通過程序邏輯推斷故障
現(xiàn)在工業(yè)上經(jīng)常使用的PLC種類繁多,對于低端的PLC而言,梯形圖指令大同小異,對于中高端機,如S7-300,許多程序是用語言表編的。實用的梯形圖必須有中文符號注解,否則閱讀很困難,看梯形圖前如能大概了解設(shè)備工藝或操作過程,看起來比較容易。
若進行電氣故障分析,一般是應(yīng)用反查法或稱反推法,即根據(jù)輸入輸出對應(yīng)表,從故障點找到對應(yīng)PLC的輸出繼電器,開始反查滿足其動作的邏輯關(guān)系。經(jīng)驗表明,查到一處問題,故障基本可以排除,因為設(shè)備同時發(fā)生兩起及兩起以上的故障點是不多的。
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分合理利用軟、硬件資源
不參與控制循環(huán)或在循環(huán)前已經(jīng)投入的指令可不接入PLC;
多重指令控制一個任務(wù)時,可先在PLC外部將它們并聯(lián)后再接入一個輸入點;盡量利用PLC內(nèi)部功能軟元件,充分調(diào)用中間狀態(tài),使程序具有完整連貫性,易于開發(fā)。同時也減少硬件投入,降低了成本;
條件允許的情況下最好獨立每一路輸出,便于控制和檢查,也保護其它輸出回路;當一個輸出點出現(xiàn)故障時只會導致相應(yīng)輸出回路失控;輸出若為正/反向控制的負載,不僅要從PLC內(nèi)部程序上聯(lián)鎖,并且要在PLC外部采取措施,防止負載在兩方向動作;PLC緊急停止應(yīng)使用外部開關(guān)切斷,以確保安全。
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其他注意事項
不要將交流電源線接到輸入端子上, 以免燒壞PLC;接地端子應(yīng)獨立接地,不與其它設(shè)備接地端串聯(lián),接地線截面積不小于2mm2;輔助電源功率較小,只能帶動小功率的設(shè)備(光電傳感器等);一些PLC有一定數(shù)量的占有點數(shù)(即空地址接線端子),不要將線接上;
當PLC輸出電路中沒有保護時,應(yīng)在外部電路中串聯(lián)使用熔斷器等保護裝置,防止負載短路造成損壞。
自動化儀表根據(jù)能源的種類,還可以分為電動、氣動等儀表。其中氣動儀表的出現(xiàn)比電動儀表早,而且價格便宜,結(jié)構(gòu)簡單,特別對石油化工等易燃易爆的生產(chǎn)現(xiàn)場,具有本質(zhì)性的安全防爆性能,因而在相當長的一段時間里,一直處于優(yōu)勢地位。
目前,我國電動儀表中并存著兩種標準信號制度,在DDZ-Ⅰ和DDZ-Ⅱ型儀表中采用0~10毫安直流電流作為標準信號,而在DDZ-Ⅲ型儀表中,采用目前國際上統(tǒng)一的4~20毫安直流電流作為標準信號。從安全防爆、減少損耗、節(jié)省能量考慮,信號電流的滿度值都希望選小一些。但太小也有困難,起點電流太小將會給兩線制儀表帶來困難,因為它將要求降低整個儀表在零信號時消耗的總電流。而在目前的元器件水平下,起點電流比4mA再小有時將發(fā)生困難。因此,目前國際上采用4~20mA作為標準信號。有利于識別儀表斷電、斷線等故障,且為現(xiàn)場變送器實現(xiàn)兩線制提供了可能。
儀表分類、結(jié)構(gòu)、原理和常見故障、分析、判斷、處理
1、檢測與過程控制儀表(通常稱自動化儀表)分類方法很多很多:
根據(jù)能源分:氣動、電動、液動、核能等;
根據(jù)組合:基地式、單元式、綜合控制;
根據(jù)安裝:現(xiàn)場、盤裝、架裝;
根據(jù)是否可引入計算機:智能、非智能;
根據(jù)儀表信號形式:模擬儀表、數(shù)字儀表;
最通用的分類是按儀表在測量與控制系統(tǒng)中的作用進行劃分:檢測儀表、顯示儀表、調(diào)節(jié)儀表、執(zhí)行器。
按功能 | 按被測變量 | 按工作原理或結(jié)構(gòu)形式 | 按能源 | 其它 |
檢測儀表 | 壓力 | 液柱式、彈性式、電氣式 | 電、氣 | |
溫度 | 電偶、電阻、輻射、 | |||
流量 | 節(jié)流、轉(zhuǎn)子、靶式、渦 | 電、氣 | ||
物位 | 浮力、靜壓、聲波、光學、輻射 | 電、氣 | ||
成分 | PH值、色譜、氧分析、紅外 | 電、核 | ||
顯示 | 模擬和數(shù)字 | 電、氣 | ||
指示和記錄 | ||||
調(diào)節(jié)儀表 | 自力式 | 電、氣 | ||
組裝式 | ||||
可編程式 | 電 | |||
執(zhí)行器 | 執(zhí)行機構(gòu) | 薄膜工、活塞、長行程、其它 | 電、氣、液 | |
閥 | 直通、套筒、蝶閥、偏心旋轉(zhuǎn)、三通 | 直線、對數(shù)、拋物線、快開 |
2、溫度儀表分類
溫度參數(shù)是不能直接測量的,一般只能根據(jù)物質(zhì)的某些特性值與溫度之間的函數(shù)關(guān)系,實現(xiàn)間接測量,溫度測量的基本原理是與這些特性值的選擇密切相關(guān)的。
工業(yè)上測溫的基本原理有:
應(yīng)用熱膨脹原理測溫
應(yīng)用壓力隨溫度變化的原理測溫
應(yīng)用熱阻效應(yīng)測溫
應(yīng)用熱電效應(yīng)測溫
應(yīng)用熱輻射原理測溫
按工作原理分:有膨脹式、熱電阻、熱電偶以及輻射等。
按測量方式分:有接觸式和非接觸式兩類。
什么是熱電偶?
1、原理熱電偶溫度計是基于熱電效應(yīng)這一原理測量溫度的;它的測溫范圍很廣,可測量-200~160O℃范圍內(nèi)在在特殊情況下,可測至2800℃的高溫。
將兩種不同的導體或半導體連接成如圖所示的閉合回路,如果兩個接點的溫度不同(T>T0),則在回路內(nèi)會產(chǎn)生熱電動勢,這種現(xiàn)象稱為賽貝克熱電效應(yīng)。圖中閉合回路稱之為熱電偶。導體A和B稱之為熱電偶的熱電絲或熱偶絲。熱電偶兩個接點中,置于溫度為t的被測對象中的接點稱為測量端,又稱工作端,溫度為參考溫度t0的另一端稱之為參考端,又稱自由端或冷端。
2、特點:測量精度高,測量范圍廣,構(gòu)造簡單,使用方便,不受大小和形狀的限制,外有保護套管,用起來方便。
3、熱電偶的類形
8種標準化熱電偶:
S:鉑銠10-鉑–20~1300℃
B:鉑銠90-鉑銠6300~1600℃
K:鎳鉻-鎳硅-50~1000℃
J:鐵-康銅-40~750℃
R:鉑銠13-鉑-0~1600℃
E:鎳鉻-康銅-40~1000℃
T:銅-康銅-40~350℃
4、各種熱電偶的分度表均是在參考端即溫度t0為0℃的條件下得到的熱電勢與溫度之間的關(guān)系,因此,熱電偶測溫時,冷端溫度必須為0℃,否則將產(chǎn)生測量誤差。而在工業(yè)上使用時,要使冷端溫度保持在0℃是比較困難的,所以,必須根據(jù)不同的使用條件和要求的測量精度,對熱電偶冷端溫度采用一些不同的處理辦法,常用的方法有如下幾種:
補償導線延伸法
冰點法
計算修正法
儀表零點校正法
補償電橋法
5、補償導線延伸法
熱電偶做得很長,使冷端延長到溫度比較穩(wěn)定的地方。由于熱電偶本身不便于敷設(shè),對于貴金屬熱電偶也很不經(jīng)濟,因此,采用一種專用導線將熱電偶的冷端延伸出來,而這種導線也是由兩種不同金屬材料制成,在一定溫度范圍內(nèi)(100℃以下)與所連接的熱電偶具有相同或十分相近的熱電特性,其材料也是廉價金屬,將這種導線稱為補償導線。
注意:無論是補償型還是延伸型,補償導線本身并不能補償熱電偶冷端溫度的變化,只是起到熱電偶冷端延伸作用,改變冷位置。在規(guī)定的范圍內(nèi),由于補償導線熱電特性不可能與熱電偶完全相同,因而仍存在一定的誤差。
6、計算修正法
當熱電偶冷溫度不是0℃而是t0時,測得的熱電偶回路中的熱電勢為E(t,t0)。可采用正式進行修正:E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0);只適用于實驗室或臨時性測溫的情況,而對于現(xiàn)場的連續(xù)測量顯然是不實用的。
7、常見故障原因及處理
故障現(xiàn)象 | 可能原因 | 處理方法 |
溫度示值偏低或不穩(wěn) | 電極短路 | 找出短路原因,如潮濕或絕緣損壞 |
接線柱處積灰 | 清掃 | |
補償導線與熱偶極性接反 | 糾正接線 | |
補償導線與熱偶極不配套 | 更換相配套的補償導線 | |
冷端補償不符要求 | 調(diào)整冷端補償達到要求 | |
熱偶安裝位置不當 | 按規(guī)定重新安裝 | |
溫度示值偏高 | 補償導線與熱偶極不配套 | 更換相配套的補償導線 |
有直流干擾信號進入 | 排除直流干擾 | |
顯示不穩(wěn)定 | 接線柱處接觸不良 | 將接線柱擰緊 |
測量線路絕緣破損,引起斷續(xù)短路或接地 | 找出故障點,修復絕緣 | |
熱偶安裝不牢或有震動 | 緊固電偶,消除震動 | |
熱電偶電極將斷未斷 | 更換熱偶 | |
外界干擾 | 查出干擾源,采取屏蔽措施 | |
顯示誤差大 | 熱電偶電極變質(zhì) | 更換熱偶 |
熱電偶安裝位置不當 | 改變安裝位置 | |
保護管表面積灰 | 清除積灰 | |
顯示無窮大 | 接線斷路 | 找到斷點,重新接好 |
熱電極斷開或損壞 | 更換熱電偶 |
什么是熱電阻?
熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高,性能穩(wěn)定。其中鉑電阻的測量精度是最高的,可作為基準儀器。
1、測溫原理:
熱電阻溫度計是基于金屬導體或半導體電阻值與溫度成一定函數(shù)關(guān)系的原理實現(xiàn)溫度測量的。
2、熱電阻材料
目前,使用的金屬熱電阻材料有銅、鉑、鎳、鐵等,其中因鐵、鎳提純比較困難,其電阻與溫度的關(guān)系線性較差,純鉑絲的各種性能最好,純銅絲在低溫下性能也好,所以實際應(yīng)用最廣的是銅、鉑兩種材料,并已列入了標準化生產(chǎn)。
鉑電阻(PT100)-200~850℃
銅電阻(Cu50、Cu100)-50~150℃
鎳電阻(Ni100)-60~180℃
3、常見故障原因及處理
故障現(xiàn)象 | 可能原因 | 處理方法 |
溫度示值偏低或不穩(wěn) | 保護管內(nèi)有金屬屑、積灰,接線柱處臟污或短路 | 除去金屬屑,清掃灰塵、水滴等,找到短路點,加強絕緣 |
溫度示值無窮大 | 熱電阻或引線斷路 | 更換熱電阻,找到斷點重新接好 |
溫度顯示負值 | 熱電阻接線有錯或有短路現(xiàn)象 | 改正接線,找出短路處,加強絕緣 |
溫度顯示誤差大 | 熱電阻絲材料受腐蝕變質(zhì) | 更換熱電阻 |
壓力測量
1、基本概念
在物理概念中,壓力是垂直作用在單位面積上的力。是工業(yè)生產(chǎn)中的重要參數(shù)之一,在壓力測量中,常有絕對壓力、表壓力、負壓力和真空度之分。所謂絕對壓力是指被測介質(zhì)作用在容器單位面積上的全部壓力,用符號Pj表示。地面上的空氣柱所產(chǎn)生的平均壓力稱為大氣壓力,用Pq來表示。絕對壓力與大氣壓力之差,稱為表壓力,有Pb來表示。即Pb=Pj-Pq。當絕對壓力值小于大氣壓力值時,表壓力為負值(即負壓力),此負壓力值的絕對值,稱為真空度,用Pz來表示。
2、壓力測量原理
按測量原理分為兩種:根據(jù)壓力的定義直接測量單位面積上受力的大小。
例:液柱式、彈性式
應(yīng)用壓力作用于物體后所產(chǎn)生的各種物理效應(yīng)來實現(xiàn)壓力。
例:電阻式:它是由金屬導體或半導體制成的電阻體,其阻值隨壓力的變化而變化。
壓電效應(yīng):當晶體受壓力作用發(fā)生機械變形時,在其相對的兩個側(cè)面上產(chǎn)生異性電荷的現(xiàn)象。
3、壓力測量儀表的分類
壓力測量原理可分為液柱式、彈性式、電阻式、電容式、電感式和振頻式等。
彈性式壓力計
將被測壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件變形的位移。
類型:彈簧管壓力計、波紋管壓力計及膜式壓力計等。
特點:結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠、讀數(shù)清晰、價格低廉,在工業(yè)上廣泛應(yīng)用。
電氣式壓力計
通過機械和電氣元件將被測壓力轉(zhuǎn)換成電量(如電壓、電流、頻率等)。
結(jié)構(gòu)分類:各種壓力傳感器和壓力變送器。
例:電容式壓力變送器
它是由檢測和變送兩個環(huán)節(jié)組成。檢測環(huán)節(jié)感受被測壓力的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化。變送環(huán)節(jié)則將電容變化量轉(zhuǎn)換成標準電流信號4~20mADC輸出。
測壓點的選擇:被測介質(zhì)直管段。
測量流動介質(zhì):取壓點與流動方向垂直。
測液體壓力:取壓點在管道下部。
測氣體壓力:取壓點在管道上部。
4、常見故障原因及處理
故障現(xiàn)象 | 可能原因 | 處理方法 |
壓力無指示 | 無電源 | 檢查電源接線,接通電源 |
信號接線斷路 | 檢找斷點,重新接線 | |
壓力指示跳動 | 被測介質(zhì)壓力波動大 | 關(guān)小閥門開度 |
安裝位置震動大 | 可安裝減震器或移到震動小的地方 | |
顯示不變化 | 導壓管堵 | 透通導壓管 |
導壓管切斷閥未打開 | 打開切斷閥 | |
顯示誤差大 | 變送器與儀表量程設(shè)置不一致 | 重新設(shè)置量程 |
檢測元件損壞 | 更換壓力計 | |
零點量程調(diào)跑了 | 重新調(diào)校壓力計 |
流量儀表
1、基本概念
流量是單位時間內(nèi)流經(jīng)某一截面的流體數(shù)量。流量可用體積流量和質(zhì)量流量來表示。
體積流量:流體量以體積表示時稱為體積流量。qv=uA
質(zhì)量流量:流體量以質(zhì)量表示時稱為質(zhì)量流量。qm=ρqv=ρuA
2、分類
工業(yè)上常用的流量儀表可分為兩大類
(1)速度式流量計:以測量流體在管道中的流速作為測量依據(jù)來計算的儀表。
(2)容積式流量計:它以單位時間內(nèi)所排出的流體固定容積的數(shù)目作為測量依據(jù)。
流量測量儀表還可以有以下的分類:節(jié)流式流量計、轉(zhuǎn)子流量計、電磁流量計、容積式流量計、流體振動式流量計、超聲波流量計、質(zhì)量流量計。
差壓式流量計
節(jié)流裝置與差壓變送器配套測量流體的流量,是目前使用最廣的一種流量測量儀表。在管道中流動的流體具有動能和位能,在一定條件下這兩種能量可以相互轉(zhuǎn)換,但參加轉(zhuǎn)換的能量總和是不變的。節(jié)流元件測量流量就是利用這個原理來實現(xiàn)的。在節(jié)流裝置中,應(yīng)用最多的是孔板、噴嘴、文丘利管等。
根據(jù)能量守恒定律及流體連續(xù)原理,節(jié)流裝置的流量公式可以寫成:
Q=k√△P
轉(zhuǎn)子流量計
轉(zhuǎn)子流量計又稱面積式流量計或恒壓降式流量計,也是以液體流動時的節(jié)流原理為基礎(chǔ)的一種流量測量儀表。其特點是可以測量多種介質(zhì)的流量,壓力損失小而且穩(wěn)定,反應(yīng)靈敏,量程較寬,結(jié)構(gòu)簡單,價格便宜,使用維護方便。但轉(zhuǎn)子流量計的精度受測量介質(zhì)的溫度、密度和粘度的影響,而且儀表必須垂直安裝。
原理:轉(zhuǎn)子流量計是由一段向上擴大的圓錐形管子和密度大于被測介質(zhì)密度,且能隨被測介質(zhì)流量大小上下浮動的轉(zhuǎn)子組成的。當液體自下而上流過時,轉(zhuǎn)子因受到液體沖擊而向上運動。隨著轉(zhuǎn)子的上移,轉(zhuǎn)子與錐形管之間的環(huán)形流通面積增大,液體流速減低,沖擊作用減弱,直到液體作用在轉(zhuǎn)子上向上的推力與轉(zhuǎn)子在流體中的重力相平衡。此時,轉(zhuǎn)子停留在錐管中某一高度上。如果液體流量再增大,則平衡時轉(zhuǎn)子所處的位置更高;反之則相反。因此,根據(jù)轉(zhuǎn)子懸浮的高低就可測知液體流量的大小。
3、常見故障原因及處理
故障現(xiàn)象 | 可能原因 | 處理方法 |
顯示偏低 | 正壓則切斷閥未打開或正導壓管堵 | 打開切斷閥,透通導壓管 |
平衡閥關(guān)不嚴 | 關(guān)嚴平衡閥或更換三閥組 | |
顯示偏高 | 負壓則切斷閥未打開或負導壓管堵 | 打開切斷閥,透通導壓管 |
導壓管內(nèi)隔離液被介質(zhì)置換 | 重新加注隔離液,使兩導壓管內(nèi)充滿隔離液 | |
顯示跳動 | 被測介質(zhì)壓力波動大 | 關(guān)小閥門開度 |
安裝位置震動大 | 可安裝減震器或移到震動小的地方 | |
顯示不變化 | 導壓管堵 | 透通導壓管 |
導壓管切斷閥未打開 | 打開切斷閥 | |
顯示誤差大 | 變送器與儀表量程設(shè)置不一致 | 重新設(shè)置量程 |
檢測元件損壞 | 更換壓力計 | |
零點量程調(diào)跑了 | 重新調(diào)校壓力計 | |
沒有開方運算 | 設(shè)置開方運算 |
物位儀表
1、概念
生產(chǎn)過程中罐、塔、槽等容器中存放的液體表面位置稱為液位。把料斗、堆場倉庫等儲存的固體塊、顆粒、粉料等的堆積高度和表面位置稱為料位;兩種互一相溶的物質(zhì)的界面位置稱為界位。液位、料位以及界位總稱為物位。用來測量物位的儀表稱為物位儀表。
2、分類
物位測量儀表的種類很多,按液位、料位和界位來可分:
(1)液位儀表:浮力式(浮筒、浮球、浮標、沉筒)、靜壓式(壓力式、差壓式)、電容式、電感式、電阻式、超聲波式、微波式等。
(2)界位儀表:浮力式、差壓式、電極式、超聲波式等。
(3)料位儀表:重錘探測式、音叉式、超聲波式、激光式、放射性式等。
3、浮力式液位計
浮力式液位計有兩種。一種是維持浮力不變的液位計,稱為恒浮力式液位計,如浮球、浮標式液位計等。另一種是在檢測過程中浮力是發(fā)生變化的,稱為變浮力式液位計,如沉筒式液位計等。
(1)恒浮力式液位計
恒浮力式液位計是利用浮子本身的重量和所受的浮力均為定值,并使浮子始終漂浮在液面上,并隨液面的變化而變化的原理來測量液位的。
(2)變浮力式液位計
變浮力式液位計的檢測元件是沉浸在液體事的浮筒。它隨液位變化而產(chǎn)生浮力的變化,去推動氣動或電動元件,發(fā)出信號給顯示儀表,以指示被測液面的值。
圖示為位移平衡浮筒式液位變送原理圖。當液位發(fā)生變化時,浮筒1(又稱沉筒)本身的重力與所受的浮力的不平衡力,經(jīng)杠桿2傳至扭力管3,而扭力管產(chǎn)生轉(zhuǎn)角彈性變形,由心軸4傳出,經(jīng)推板5傳到霍爾片6,轉(zhuǎn)換成霍爾電勢,經(jīng)功率放大后轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標準電信號輸出,以遠傳給顯示儀表指示。
(3)差壓式液位計
差壓式液位是利用容器內(nèi)的液位改變時,液柱產(chǎn)生的靜壓也相應(yīng)變化的原理而工作的。
圖為差壓式液位計測量原理圖。當差壓計一端接液相,另一端接氣相時,根據(jù)液體靜力學原理,有:Pb=Pa+ρgH
式中H---液位高度
ρ---被測介質(zhì)密度
g----被測當?shù)氐闹亓铀俣?/p>
所以有:△P=Pb-Pa=ρgH
在一般情況下,被測介質(zhì)的密度和重力加速度都是已知的,因此,差壓計測得的差壓與液位的高度H成正比,這樣就把測量液位高度的問題變成了測量差壓的問題。
(4)翻板液位計
翻板液位計的翻板是由導磁的薄鐵皮制成。垂直排列,并各自能繞框架上的小軸翻轉(zhuǎn)(如圖)。翻板一面涂紅漆,另一面涂銀灰色漆。工作時,液位計的連通管經(jīng)法蘭與容器相連通,構(gòu)成一連通器。連通器中間有浮標,它隨液位的變化而變化。浮標中間有一磁鋼,其位置正好與液面一致。當液位上升時,磁鋼將吸引翻板,并將它們逐個翻轉(zhuǎn),使紅的一面在外邊;下降時,又將它們翻過來,使銀灰的一面在外邊。即以顏色表示液位高低,十分醒目。
4、常見故障原因及處理
故障現(xiàn)象 | 可能原因 | 處理方法 |
顯示偏低或不變化 | 沉筒脫落或漏;浮球脫落 | 修復沉筒、浮球或更換沉筒 |
沉筒扭力管被污物卡住 | 清理異物 | |
顯示偏高 | 筒底部有污物 | 排污 |
顯示誤差大 | 變送器與儀表量程設(shè)置不一致 | 重新設(shè)置量程 |
檢測元件損壞 | 更換壓力計 | |
零點量程調(diào)跑了 | 重新調(diào)校壓力計 |
執(zhí)行器
1、概念:執(zhí)行器常稱為調(diào)節(jié)閥,它由執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)兩部分組成。其中執(zhí)行機構(gòu)是調(diào)節(jié)閥的推動部分,它按控制信號的大小產(chǎn)生相應(yīng)的推力,通過閥桿使調(diào)節(jié)閥閥蕊產(chǎn)生相應(yīng)的位移。調(diào)節(jié)機構(gòu)是調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)部分,它與調(diào)節(jié)介質(zhì)直接接觸,在執(zhí)行機構(gòu)的推動下,改變閥蕊與閥座間的流通面積,從而達到調(diào)節(jié)流量的目的。
2、分類
執(zhí)行器按其能源形式分氣動、電動、液動三大類。
氣動執(zhí)行器按其執(zhí)行機構(gòu)形式分薄膜式、活塞式和長行程式。
電動和液動執(zhí)行器按執(zhí)行機構(gòu)的運行方式分為直行程和角行程兩類。
目前在石化工業(yè)中普遍采用氣動執(zhí)行器。
3、執(zhí)行機構(gòu)
氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)是應(yīng)用最廣泛的執(zhí)行機構(gòu),它接受0.02~0.1MPa氣動信號。它正作用和反作用兩種形式,當信號壓力增加時推桿向下移動的叫正作用執(zhí)行機構(gòu)。信號壓力增加時推桿向上移動的叫反作用執(zhí)行機構(gòu)。
氣動薄膜(有彈簧)的薄膜的有效面積越大,執(zhí)行機構(gòu)的推力和位移也越大。
氣動活塞式(無彈簧)執(zhí)行機構(gòu)隨氣缸兩側(cè)壓差而移動。因為沒有反力彈簧抵消推力,所以有很大的輸出推力,適用于高靜壓、高差壓的工藝場合。
4、調(diào)節(jié)機構(gòu)
調(diào)節(jié)機構(gòu)又稱閥。種類很多,根據(jù)結(jié)構(gòu)、用途來分,其基本形式是直通單座閥、直通雙座閥、蝶閥、三通閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥、套筒閥、角形閥等。
(1)直通單座閥:閥體內(nèi)只有一個閥蕊和閥座,閥桿帶動閥蕊上下移動來改變閥蕊與閥座之間的相對位置,從而改變流體流量。其主要優(yōu)點是泄漏量小。
(2)直通雙座閥:閥體內(nèi)只有兩個閥蕊和閥座,閥桿帶動閥蕊上下移動來改變閥蕊與閥座之間的相對位置,從而改變流體流量。其主要優(yōu)點是適用壓差比同口徑單座閥大。
(3)蝶閥:又稱翻板閥,由于閥板在閥體內(nèi)旋轉(zhuǎn)的角度不同,使閥的流通面積不同,從而調(diào)節(jié)流體流量。其主要優(yōu)點是適用于大口徑、大流量和濃稠漿液及懸浮粒的場合。
(4)偏心旋轉(zhuǎn)閥:又稱凸輪撓曲閥,簡稱偏心閥。球面閥蕊6連在柔臂7上與輪轂8相接,輪轂與轉(zhuǎn)軸4用鍵滑配,轉(zhuǎn)軸帶動球面閥蕊旋轉(zhuǎn)改變流體流量。工作時轉(zhuǎn)軸的運動是由氣動執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動的,推桿的運動通過曲柄傳給轉(zhuǎn)軸。其主要優(yōu)點是流路阻力小,可調(diào)比大,適用大壓差、嚴密封的場合和粘度大及有顆粒介質(zhì)的場合。很多場合可以取代直單、雙座閥。
(5)套筒閥:也叫籠式閥,它的閥體與一般直通單座閥相似,閥內(nèi)有一個圓柱形套筒,也叫籠子。閥蕊可在套筒中上下移動,利用套筒導向。閥蕊在套筒中移動,改變了套筒的節(jié)流孔面積,形成了各種特性并實現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)。由于套筒閥采用了平衡閥蕊結(jié)構(gòu),閥蕊上、下受壓相同,不平衡力小,并且閥蕊利用套筒側(cè)面導向,所以它的穩(wěn)定性好,不易振蕩,閥蕊也不易人損壞。它的優(yōu)點前后壓差大和液體出現(xiàn)閃蒸或空化的場合,穩(wěn)定性好,噪聲低,可取代大部分直通單、雙座閥,但它不適用于含顆粒介質(zhì)的場合。
5、調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)
氣動執(zhí)行器的氣開式與氣關(guān)式兩種形式。
氣開式:有壓力信號時閥開、無壓力信號時閥關(guān);氣關(guān)式反之。
氣開、氣關(guān)選擇依據(jù):工藝生產(chǎn)安全、節(jié)約能源以及從介質(zhì)特性等。
6、閥門定位器
閥門定位器是調(diào)節(jié)閥的主要附件,可分為氣動閥門定位器和電-氣閥門定位器。動閥門定位器接受氣動信號0.02~0.1MPa,輸出0.02~0.1MPa。電-氣閥門定位器將4~20mADC的電信號,轉(zhuǎn)換成0.02~0.1MPa的氣壓,并按氣動閥門定位器的功能進行工作。
閥門定位器接受調(diào)節(jié)器輸出的控制信號,去驅(qū)動調(diào)節(jié)閥動作,并利用閥桿的位移進行反饋,將位移信號直接與閥位比較,改善閥桿行程的線性度,克服閥桿的各種附加摩擦力,消除被調(diào)介質(zhì)在閥上產(chǎn)生的不平衡力的影響,從而使閥位對應(yīng)于調(diào)節(jié)器的控制信號,實現(xiàn)正確定位。
儀表控制系統(tǒng)
單回控制
1、控制系統(tǒng)中常用的名詞術(shù)語
被控對象:自動控制系統(tǒng)中,工藝參數(shù)需要控制的生產(chǎn)過程、設(shè)備或機器等。
被控變量:被控對象內(nèi)要求保持設(shè)定數(shù)值的工藝參數(shù)。如鍋爐水位。
操縱變量:受控制器操縱的,用以克服干擾的影響,使被控變量保持設(shè)定值的物料量或能量。如鍋爐給水。
擾動量:除操縱變量外,作用于被控對象并引起被控變量變化的因素。
設(shè)定值:被控變量的預定值。
偏差:被控變量的設(shè)定值與實際值之差。
2、分類
控制系統(tǒng)具有各種各樣的形式,但總的來可分為兩大類,即開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。
開環(huán)系統(tǒng)的輸出信號不反饋到系統(tǒng)的輸入端,因而也不對控制作用產(chǎn)生影響的系統(tǒng),稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。
閉環(huán)系統(tǒng)的輸出通過測量變送環(huán)節(jié),又反回系統(tǒng)的輸入端,與給定信號比較,以偏差的形式進入調(diào)節(jié)器,對系統(tǒng)起控制作用,整個系統(tǒng)構(gòu)成一個封閉的反饋回路,這種控制系統(tǒng)被稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。
3、簡單控制系統(tǒng)
簡單控制系統(tǒng)又稱單回路控制系統(tǒng),是指由一個被控對象、一個測量變送器、一個調(diào)節(jié)器一個調(diào)節(jié)閥所組成的單回路閉合控制系統(tǒng)。
4、調(diào)節(jié)器
調(diào)節(jié)器是將變送器來的測量信號與給定值進行比較后,對偏差信號按一定的調(diào)節(jié)規(guī)律進行運算,并將運算的結(jié)果以統(tǒng)一的信號輸出,去控制執(zhí)行器動作。調(diào)節(jié)器最基本的調(diào)節(jié)規(guī)律有:
比例調(diào)節(jié)規(guī)律、積分調(diào)節(jié)規(guī)律、微分調(diào)節(jié)規(guī)律、比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律、比例微分調(diào)節(jié)規(guī)律、比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律。
(1)比例調(diào)節(jié)規(guī)律
其輸出信號p與輸入偏差信號e之間成比例關(guān)系,即p=kPe
比例度與放大倍數(shù)kP成反比,kP越大,比例作用越強。
優(yōu)點:控制及時。
缺點:存在余差,所謂余差就是指過渡時間終了時,被控變量所達到的新的穩(wěn)態(tài)值與設(shè)定值之間的差值。余差的值隨著調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)Kp的增大而減小,但是余差不能靠放大倍數(shù)的增大而完全消除。為了消除余差,必須引進積分作用。
(2)積分調(diào)節(jié)規(guī)律
其輸出信號p與輸入偏差信號e的積分成正比。
積分時間Ti=1/KI越短,積分作用越強,消除余差越快,Ti太小,系統(tǒng)振蕩加劇。
優(yōu)點:消除余差。
缺點:控制不及時,常與比例組合起來用。
(3)微分調(diào)節(jié)規(guī)律
控制器的輸出信號與偏差信號的變化速度成正比,微分時間TD越大,微分作用越強。
優(yōu)點:超前控制。
缺點:其輸出不能反映偏差的大小,不能單獨用
在比例作用的基礎(chǔ)上增加微分作用就提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。加入適當?shù)奈⒎肿饔檬怯泻锰幍模⒎肿饔貌荒芗拥眠^分,否則反應(yīng)速度過快,反而會引起過分的振蕩,這是不利的。由于這時的Kp值較純比例作用時的Kp為大,所以余差比純比例作用時為小。這就是說,微分作用只能使余差減小,而不能消除余差。
5、調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇
目前工業(yè)上用的控制器主要有三種控制規(guī)律:
比例控制控制規(guī)律(P)
比例積分控制規(guī)律(PI)
比例積分微分控制規(guī)律(PID)
選擇控制規(guī)律主要根據(jù)控制器的特性和工藝要求來決定。
6、控制器正、反作用
正作用:當給定值不變,被控變量測量值增加時,控制器的輸出也增加;或者當測量值不變,給定值減小時,控制器的輸出增加的稱正作用。
反作用:反之,如果測量值增加(或給定值減小)時,控制器的輸出減小。
控制器的作用方向確定:先確定閥的氣開、氣關(guān),再用物理分析法。
7、控制器參數(shù)的工程整定
所謂控制器參數(shù)的整定,就是按照已定的控制方案,求取使控制質(zhì)量最好時的控制器參數(shù)值。具體來說,就是確定最合適的控制器比例度δ、積分時間Ti和微分時間Td。
參數(shù)整定方法、臨界比例度法、衰減曲線法、經(jīng)驗湊試法
控制器參數(shù)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)表
控制對象 | 對象特性 | 比例 | 積分 | 微分 |
流量 | 參數(shù)波動 | 40~100 | 0.3~1 | |
溫度 | 滯后大 | 20~60 | 3~10 | 0.5~3 |
壓力 | 30~70 | 0.4~3 | ||
液位于 | 20~80 |
8、控制系統(tǒng)的投運
準備工作、儀表檢查、檢查控制器的正、反作用及控制閥的氣開、氣關(guān)型式、控制閥的投運、控制器的手動和自動的切換、控制器參數(shù)的整定。
復雜控制系統(tǒng)
1、基本概念
通常復雜控制系統(tǒng)是多變量的,具有兩個以上變送器、控制器或執(zhí)行器所組成的多個回路的控制系統(tǒng),所以又稱為多回路控制系統(tǒng)。
2、分類
串級控制系統(tǒng)
均勻控制系統(tǒng)
比值控制系統(tǒng):開環(huán)比值控制、單閉環(huán)比值控制、雙閉環(huán)比值控制、變比值控制。
帶邏輯提量的比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)
前饋控制系統(tǒng)
自動選擇性調(diào)節(jié)系統(tǒng)
3、串級控制系統(tǒng)
串級控制系統(tǒng)是兩個調(diào)節(jié)器相串連,主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定,副調(diào)節(jié)器的輸出控制執(zhí)行器動作,如圖所示。
串級控制系統(tǒng)的優(yōu)點是:不僅能迅速克服作用于副回路的干擾,而且對作用于主對象上的干擾也能加速克服過程。副回路具有先調(diào)、粗調(diào)、快調(diào)的特點;主回路具的后調(diào)、細調(diào)、慢調(diào)的特點,并對于副回路沒有完全克服掉的干擾影響能徹底加以克服。因此,在串級控制系統(tǒng)中,由于主、副回路相互配合、相互補充,充分發(fā)揮了控制作用,大大提高了控制質(zhì)量。
4、串級控制系統(tǒng)中控制器正、反作用選擇
副控制器作用方向的選擇同簡單控制系統(tǒng)。
主控制器作用方向的選擇原則:當主、副變量增加(或減小)時,如果由工藝分析得出,為使主、副變量減小(或增加),要求控制閥的動作方向是一致的時候,主控制器應(yīng)選“反”作用;反之,則應(yīng)選“正”作用。
5、串級控制系統(tǒng)的投用
串級控制系統(tǒng)的投用的方法是先投副回路,后投主回路。其主要步驟為:
(1)先將主、副調(diào)節(jié)器均設(shè)置為手動,。副調(diào)節(jié)器“內(nèi)、外”給定置外給定,主調(diào)節(jié)器的“內(nèi)、外”給定置內(nèi)給定。
(2)用副調(diào)節(jié)器手動操作,當主參數(shù)接近給定值,副參數(shù)也較平穩(wěn)后,將副調(diào)節(jié)器由手動切換到自動。
(3)當主調(diào)節(jié)器偏差為零時,主調(diào)節(jié)器由手動切換到自動。
6、串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定
串級系統(tǒng)參數(shù)整定的方法是先副后主、先比例次積分后微分的原則。
DCS
1、概念
DCS就是集散控制系統(tǒng),是集計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)和CRT技術(shù)為一體的綜合性高技術(shù)產(chǎn)品。
DCS概括起來可分為集中管理部分、分散控制監(jiān)測部分和通訊部分三大部分。
集中管理部分又可分為操作站、工程師站和上位計算機。
分散控制監(jiān)測部分可分為現(xiàn)場控制站和現(xiàn)場監(jiān)測站。
通訊部分又叫高速數(shù)據(jù)通路,是實現(xiàn)分散控制和集中管理的關(guān)鍵。其連接DCS的操作站、工程師站、上位計算機、控制站和監(jiān)測站等各個部分,完成數(shù)據(jù)、指令及其它信息的傳遞。
2、DCS操作站標準顯示功能
圖形顯示、系統(tǒng)總貌顯示、分組顯示、整定顯示、報警顯示、操作記錄和事件記錄、趨勢顯示、系統(tǒng)狀態(tài)顯示。