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1、过程控制系统及仪表张勇（课后习题答案）第一章绪论1-1什么是过程控制系统，过程控制系统一般指工业过程中自动控制系统的被控变量是温度、压力、流 量、液位、成分等这样一些变量的系统。1-2典型的过程控制系统由哪几部分组成,请举例说明。典型过程控制系统由被控过程、检测元件和变送器、控制器和执行器组成。给定值被控量操纵量控制器执行器被控对象检测元件、变送器如下图所示的加热炉温度控制系统。加热炉温度变送器控制器TT TC原料执行器燃料1-3与其他自动控制系统相比，过程控制有哪些主要特点，过程控制系统主要有如下一些特点：1）过程特性多样性。2）过程存在滞后：当控制量改变时，输出量经历一段时间才发生变化。3
2、）过程特性非线性:当负荷变化时，对象特性（K, T,）发生变化，或随时间发生 变化。，4）控制系统比较复杂或无法得到传递函数。1-4试说明定值控制系统稳态与动态的含义。为什么在分析过程控制系统的性 能时更关注其动态特性，动态:被控量随时间变化的不平衡状态，也叫瞬态。稳态:被控量不随时间变化的平衡状态，也叫静态。研究控制系统的动态更为重要。因为系统在过渡过程中，会不断受到干扰的频 繁作用，系统自身通过控制装置不断地调整控制作用去克服干扰的影响，使被控变 量保持在工艺生产所规定的技术指标上。所以在分析过程控制系统的性能时更关注 其动态特性。1-5评价过程控制系统的常用性能指标有哪些,其中哪些是动态
3、指标，哪些是 静态指标，1评价过程控制系统的常用性能指标有递减比（即衰减比）、动态偏差、调整时 间、静态偏差。其中递减比（即衰减比）、动态偏差、调整时间是动态指标，而静态偏差是静态 指标。1-6试说明过程控制系统的分类方法，按设定值的形式不同可将过程控制系统 分成哪几类，过程控制系统的分类方法:按控制的参数分类、按控制系统任务分类、按控制 器动作规律分类、按控制系统是否构成闭合回路分类、按处理信号不同分类、按是 否采用计算机分类、按设定值的形式不同分类。按设定值的形式不同分:1）定值控制系统:设定值不变；2）随动控制系统:设定值是无规律变化的；3）程序控制系统:设定值按生产工艺要求有规律变化。
4、1-7简述过程控制系统的发展简史及各个阶段的主要特点。过程控制的发展历程，就是过程控制装置（自动化仪表）与系统的发展历程，按 照过程控制装置与系统的发展过程也可以将过程控制系统的发展过程分为三个阶段:1）局部自动化阶段（20世纪50, 60年代）自动化仪表安装在现场生产设备上，只具备简单的测控功能。适用于小规模、局部过程控制。2）模拟单元仪表控制阶段（20世纪60, 70年代）自动化仪表划分成各种标准功能单元，按需要可以组合成各种控制系统。控制仪表集中在控制室，生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，送往控制 室。操作人员可以在控制室监控生产流程各处的状况。适用于生产规模较大的多回路控制系统。3
5、）集散控制阶段（20世纪70年代中期至今）计算机的出现，大大简化了控制功能的实现。最初，人们设想用一台计算机取 代所有回路的控制仪表,实现直接数字控制（DDC, Direct Digita1. Contro1.）。但 DDC系统的故障危险高度集中，一旦计算机出现故障，就会造成所有控制回路瘫 痪，使生产过程风险加大。因此，DDC系统并未得到广泛应用。80年代初，随着计算机性能提高、体积缩小，出现了内装CPU的数字控制仪 表。基于“集中管理，分散控制”的理念，在数字控制仪表和计算机与网络技术基 础上，开发了集中、分散相结合的集散型控制系统（DCS, Distributed Contro1. Sys
6、tem） o DCS系统实行分层结构，将控制故障风险分散、管理功能集中。得到广 泛应用。随着CPU进入检测仪表和执行器，自动化仪表彻底实现了数字化、智能化。控 制系统也出现了由智能仪表构成的现场总线控制系统（FCS, Fie1.d bus Contro1. System）0 FCS2系统把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能仪表便可实现生产过程的检测、控制。而用开放的、标准化的通信网络一一现场总线，将分散在现场的控制系 统的通信连接起来，实现信息集中管理。第二章信号的联络、传输及转换2-1什么是信号制，信号制即信号标准，是指仪表之间采用的传输信号的类型和数值。2-2电压信号传输和电流信号传输各
7、有什么特点,使用在何种场合，电压信号传输特点：D电压信号传输时，仪表并联，所以某台仪表故障时基本不影响其它仪表；2）有公共接地点；3）传输过程有电压损耗，故电压信号不适宜远传。DDZ-III型仪表属于电压信号传输方式。电流信号传输的特点：D电流信号传输时，仪表串联，所以某台仪表出故障时，影响其他仪表；2）无公共地点。若要实现仪表各自的接地点,则应在仪表输入、输出端采取直 流隔离措施。3）电流信号适合远距离传输。DDZ-H型仪表属于电流信号传输方式。-3说明现场仪表与控制仪表之间的信号传输及供电方式。O1.OrnA的直流信号 能否用2于两线制传输方式,为什么，变送器与控制仪表之间的信号传输及供电
8、方式有如下两种：四线制传输和两线 制传输。(0mA的直流信号不能用于两线制传输方式。因为在两线制方式中，变送器与 控制室之间仅用两根导线连接。两根导线既是信号线又是电源线。电源供给变送器 的功率是通过信号电流提供的。在变送器输出电流下限OmA时，信号电流过低，不 能保证其内部的半导体器件正常工作。第三章控制系统防爆措施3-1防爆电气设备如何分类,防爆标志ExiaIIAT5和ExdIIBT4是何含义，防爆电气设备分为两大类:I类一一煤矿用电气设备；II类一一工厂用电气设 备。ExiaIIAT5表示本质安全型设备适用于气体组别不高于II类ia等级A级，气 体引燃温度不低于T5(100?)的O区危险
9、场所。ExdIIBT4表示隔爆型设备适用于气体组别不高于H类B级，气体引燃温度不 低于T4 (135?)的危险场所。3-2安全火花是什么概念,电动仪表怎样才能用于易燃易爆场所，所谓安全火花是指火花的能量不足以对其周围可燃介质构成点火源。3安全火花电动仪表从电路设计开始就考虑防爆，把电路在短路、开路及误操作 等各种状态下可能发生的火花都限制在爆炸性气体的点火能量之下，从爆炸发生的 根本原因上采取措施解决防爆，这样才能用于易燃易爆场所。3-3常用的防爆控制仪表有哪几类,各有什么特点，常用的防爆控制仪表有隔爆型和本质安全型两类仪表。隔爆型仪表具有隔爆外壳，仪表的电路和接线端子全部置于防爆壳体内，防爆
10、壳能承受仪表内部因故障产生爆炸性气体混合物的爆炸压力，并阻止内部的爆炸向 外壳周围爆炸性混合物传播。本质安全型仪表的电路中的电压和电流被限制在一个允许的范围内，以保证仪 表在正常工作或发生短路和元器件损坏等故障情况下产生的电火花和热效应不致引 起其周围爆炸性气体混合物爆炸。3-4什么是安全栅,说明常用安全栅的构成和特点。安全栅是本安仪表的关联设备，一方面传输信号，另一方面控制流入危险场所 的能量在爆炸性气体或混合物的点火能量以下，以确保系统的防爆性能。安全栅的构成形式有多种，有电阻式、齐纳式、隔离式等。电阻式安全栅最简单，通过串联电阻来限制电流，但在正常工况下电源电压受 到衰减，且防爆定额低，
11、使用范围不大。齐纳式安全栅利用齐纳式二极管的击穿特性进行限压，用电阻进行限流，当电 流过大时快速熔断器动作，熔丝很快熔断，使危险电压与现场隔离。齐纳式安全栅 结构简单，价格便宜，防爆定额可以做得比较高，但是对熔断丝的要求很高，制造 上有一定难度，可靠性不理想。隔离式安全栅采用变压器将输入、输出和电源电路进行隔离，以防止危险能量 直接进入现场，同时采用晶体管限压限流电路。这种安全栅线路复杂，体积大，成 本较高，但不要求特殊元件，便于生产，工作可靠，防爆定额较高，应用广泛。3-5如果一个控制系统在现场全部选用了安全火花防爆仪表，是否就组成了安 全火花防爆系统,为什么，一个控制系统在现场全部选用了安
12、全火花防爆仪表，不一定就是安全火花防爆 系统。因为对一台安全火花防爆仪表来说，它只能保证自己内部不发生危险火花， 对控制室引来的电源线是否安全是无法保证的。如果从控制室引来的电源线没有采 取限压限流措施，那么在变送器接线端子上或传输途中发生短路、开路时，完全可 能在现场产生危险火花，引起燃烧或爆炸事故。3-6安全防爆系统指构成系统的所有设备都应该是安全防爆的设备吗,为什么，安全防爆系统的并不是所有设备都是安全防爆的设备，安全防爆系统只需在危 险场所采用安全防爆仪表，在危险场所和控制室之间采用安全栅进行隔离即可，而 控制室中的控制器4和显示器等设备不需要是安全防爆的设备。3-7如何控制系统实现本
13、安防爆的要求，要实现本安防爆要求，需要下面三个条件。1）在危险场所采样本安防爆仪表。2）在危险场所和控制室之间采用安全栅进行隔离。3）要注意系统的安装和布线:正确安装安全栅，并保证接地良好;正确选择连 接电缆的规格和长度，其分布电容、分布电感应在限制值之内；本安电缆和非本安 电缆应分槽（管）敷设，防止本安回路与非本安回路混接。第四章变送器4-1变送器和转换器的作用是什么，变送器和转换器的作用是分别将各种工艺变量（如温度、压力、流量、液位）和 电信号（如电压、电流、频率、气压信号等）转换成相应的统一标准信号，以供显 示、记录和控制之用。4-2什么是量程调整、零点调整和零点迁移。试举例说明。最程调
14、整:使变送器的输出信号上限值y与测量范围的上限值X相对应。maxmax使变送器的输出信号下限值y与测量范围的下限值X相对应，在x=0时，称为零mininin点调整，在x?0时,称为零点迁移。min4-3差压变送器的作用是什么，差压变送器是将液体、气体或蒸汽的压力、流量、液位等工艺变量转换成统一 的标准信号，作为指示记录仪、调节器或计算机装置的输入信号，以实现对上述变 量的显示、记录或自动控制。54-4电容式差压变送器如何实现差压-位移转换,差压-位移转换如何满足高准 确度的要求，由感压膜片将输入差压信号转换成位移信号。测量膜片是平膜片，平膜片形状 简单，加工方便，但压力和位移是非线性的，只有在
15、膜片位移小于膜片厚度的情况 下是线性的。所以采用了具有预紧应力的平膜片，提高了线性，减小了误差。4-5试述电容式差压变送器的结构特点与工作原理。调零和迁移信号电流电容信号变化1+位移y放大和输出电容-电流感压膜片差动电容限制电路 转换电路-反馈信号测量部分转换放大部分反馈电路电容式差压变送器的结构特点:敏感元件的中心感压膜片是在施加预张力的条 件下焊接的，其最大位移量为O. bum,既可使感压膜片的位移与输入压差成线性关 系，又可以大大减小正负压室法兰张力和力矩影响而产生的误差。中心感压膜片两 侧的固定电极为弧形电极，可以有效地克服静压的影响和更有效地起到单向过电压 的保护作用。电容式差压变送器的工作原理:输入差压信号作用在感压膜片上会产生位移， 两个固定弧形极板和感压膜片分别构成了两个可变电容，感压膜片的位移变化导致 了电容极板间距离发生变化，进而导致了两个电容的变化，再经过电容-电流转换 电路，将差动电容转换成了差动电流，再经过负反馈电路放大后输出。输出电流和 输入压差信号之间成线性关系。4-6简述敞口容器与密闭容器的安装方法与工作原理。敞口容器：安装方法:差压变送器正压室接容器下部，负压室不用接。工作原理：69OOOQIBB84 20
