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1、第4章 執(zhí)行器和防爆柵,自動化儀表與過程控制,第4章 執(zhí)行器和防爆柵,第1部分---執(zhí)行器,4.1 執(zhí)行器,---是調(diào)節(jié)系統(tǒng)四個基本組成部分之一，形象稱為自動化的手腳。 （四個基本組成部：調(diào)節(jié)對象、檢測儀表、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器） 執(zhí)行器的作用--根據(jù)調(diào)節(jié)器的命令控制傳送、調(diào)節(jié)溫度、壓力、流量等工藝參數(shù)。 執(zhí)行器的組成（分為兩部分） （1）執(zhí)行結(jié)構(gòu)--執(zhí)行器的驅(qū)動部分，按照調(diào)節(jié)器的信號產(chǎn)生推力或位移； （2）調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)--執(zhí)行器的調(diào)節(jié)部分，常見有調(diào)節(jié)閥等，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)操縱下調(diào)節(jié)工藝介質(zhì)的流量。 執(zhí)行器的影響--是調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，質(zhì)量可能導(dǎo)致不能正常工作或影響調(diào)節(jié)品質(zhì)。,4.1.1 氣動執(zhí)行器,,-

2、--以壓縮空氣為動力的執(zhí)行器，由氣動執(zhí)行結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥組成。 類型原理： （1）薄膜式，彈性膜片將輸入氣壓轉(zhuǎn)變?yōu)橥屏?，結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、應(yīng)用廣； （2）活塞式，由氣缸活塞輸出推力，允許壓力高、有較大推力、行程長。 典型氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理RF-P-176-FIG4-1,薄膜式原理說明,活塞式現(xiàn)場應(yīng)用演示,,,調(diào)節(jié)閥的形式： （1）分為單座閥和雙座閥，以閥芯閥座的套數(shù)決定，單座一套，雙座兩套（RF-FIG-4-3）；（2）分為氣開和氣閉，氣開：氣壓增加閥趨于開，氣閉：氣壓增加閥趨于閉。 調(diào)節(jié)閥的優(yōu)缺點及適用場合： 單座：易改裝、結(jié)構(gòu)簡單、無同步問題；被調(diào)氣流對閥芯有作用力，可能影響正常工作。 雙座：

3、作用力可大致抵消，不平衡力小；兩組閥芯不易同時關(guān)閉，關(guān)閉泄漏量比單座閥大。 選用氣開、氣關(guān)的原則：主要從安全角度考慮。事故狀態(tài)下閥門打開危險性小，選啟閉；反之選氣開。 調(diào)節(jié)閥的重要性：調(diào)節(jié)閥的特性對整個自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)有何大影響。 調(diào)節(jié)閥的流量：與閥的開度和閥的前后壓差均有關(guān)。 閥特性研究：分兩種方法閥前后壓差固定和實際工作變壓差。,下半部分為調(diào)節(jié)閥,上半部分是產(chǎn)生推力的薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu),,,推桿,,關(guān)閉閥芯 （氣閉式）,,調(diào)節(jié)閥的形式及優(yōu)缺點分析,直通單座閥,直通雙座閥,流體對閥芯的作用力,調(diào)節(jié)閥的優(yōu)缺點及適用場合,單座：易改裝、結(jié)構(gòu)簡單、無同步問題；被調(diào)氣流對閥芯有作用力，可能影響正常

4、工作。 雙座：作用力可大致抵消，不平衡力小；兩組閥芯不易同時關(guān)閉，關(guān)閉泄漏量比單座閥大。 選用氣開、氣關(guān)的原則：主要從安全角度考慮。事故狀態(tài)下閥門打開危險性小，選啟閉；反之選氣開。 調(diào)節(jié)閥的重要性：調(diào)節(jié)閥的特性對整個自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)有何大影響。 調(diào)節(jié)閥的流量：與閥的開度和閥的前后壓差均有關(guān)。 閥特性研究：分兩種方法閥前后壓差固定和實際工作變壓差。,1.固有流量特性,在前后壓差不變的情況下得出的流量特性或稱為理想流量特性，通常有三種典型形式： （1）直線特性流量與閥芯位移成直線關(guān)系； （2）對數(shù)特性流量與閥芯位移成對數(shù)關(guān)系，即引起的流量變化的百分比相等； （3）快開特性開度較小時流量變化較

5、大，隨開度增大很快達(dá)到最大值。 三種典型固有流量特性的比較：,,,2.工作流量特性,,調(diào)節(jié)閥和管道阻力串聯(lián)的情況,實際使用時，閥前后壓力變化，對應(yīng)具體使用條件閥芯位移對水流的控制特性，影響因素較多，分析例：設(shè)調(diào)節(jié)閥管路外加壓力Po恒定。閥的開度增加，Q 增加，管道壓降 Pg 與流量 Q 平方成正比。,結(jié)論：（1）在同樣的閥芯位移下，閥芯前后壓差變化，非恒壓差。 （2）與恒壓差相比，流量開始變化較緩慢，閥開始的反應(yīng)較遲鈍。,直線閥、對數(shù)閥的實際工作特性（考慮管道阻力）,,直線閥、對數(shù)閥的實際工作特性（考慮管道阻力）,其中：以 S 表示管道阻力下的壓差比，即： 分析： S = 1相當(dāng)于管道壓力

6、為0，實際工作特性與固有流量特性相同。 S < 1 （1）閥開度大時流量減小，原因：管道設(shè)備壓降增加。 （2）閥開度大時控制靈敏度降低。 注：可借鑒電位器負(fù)載特性（電流大?。敵龅挠绊懛治觥?（3）對數(shù)閥隨開度的變化，其流量趨勢與直線閥相反。,,調(diào)節(jié)閥和控制對象特性的非線性補償,,閥和對象特性的非線性互相補償,依據(jù)： 實際使用時有管道設(shè)備壓差（對象）會引起非線性，不同形式的調(diào)節(jié)閥門也可以引起非線性，兩者特性適當(dāng)配合的合成特性可以是線性關(guān)系。,調(diào)節(jié)閥口徑的選擇方法,選擇的目的：保證工藝操作正常進(jìn)行，準(zhǔn)確控制閥門的流量能力。 選擇不當(dāng)時可能出現(xiàn)的問題（主要原因是閥門口徑選擇不當(dāng)）： （1）口徑過

7、大：在小開度位置工作調(diào)劑質(zhì)量不高。 （2）口徑過小：無法滿足正常生產(chǎn)的需求。,調(diào)節(jié)閥選擇依據(jù)的計算過程,電-氣轉(zhuǎn)換器,作用：將調(diào)節(jié)器輸出的標(biāo)準(zhǔn)電流信號轉(zhuǎn)換為20100kPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號。 電-氣轉(zhuǎn)換器（力平衡式）的工作原理 組成：RF-FIG-4-9 涉及：調(diào)節(jié)器輸出電流I、電磁鐵線圈、杠桿、噴嘴擋板機(jī)構(gòu)、氣動功率放大器支撐彈簧、波紋管、重錘、氣源等。 工作過程： 調(diào)節(jié)器輸出電流I---電磁鐵線圈吸力---杠桿左端---擋板壓縮噴嘴---噴嘴間隙---氣動功率放大器輸出功率P---杠桿波紋管充氣---杠桿左端---形成反饋力達(dá)到平衡,電-氣轉(zhuǎn)換器工作原理圖,調(diào)整方法： 彈簧調(diào)整輸出零點，波紋

8、管粗條量程，永久磁體磁分路螺絲細(xì)調(diào)量程，重錘調(diào)節(jié)平衡。 轉(zhuǎn)換器指標(biāo)： 精度0.5級、氣源壓力14014kPa、輸出氣壓信號， 20 100kPa。,核心部件-噴嘴擋板機(jī)構(gòu)的構(gòu)造和特性,核心部件---噴嘴擋板機(jī)構(gòu),,主要組成： 背壓室、恒節(jié)流閥孔、噴嘴、擋板、氣壓信號輸出孔 工作原理： 當(dāng)擋板與噴嘴間隙有微小位移將會被轉(zhuǎn)換為氣壓信號P輸出，作為氣動功率放大器的輸入信號。,閥門定位器,,任務(wù)：與執(zhí)行機(jī)構(gòu)配合使用確保精確定位。 用途：用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作條件差和要求調(diào)節(jié)質(zhì)量要求高的場合。 影響精確定位因素：填料、壓差、黏度產(chǎn)生的附加力。 方法：借助閥桿位移負(fù)反饋是調(diào)節(jié)閥能按照輸入信號精確地確定開度。,帶

9、定位器的氣動執(zhí)行器的信號流程框圖,組成：RF-P183-FIG-4-12 氣動閥門定位器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的配合示意圖 主要動作涉及： （1）錐閥--控制排氣， （2）閥球--控制進(jìn)氣， （3）波紋管（Pi輸入）--給定值， （4）推桿-凸輪--反饋值 （5）P -執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制氣壓--定位器的輸出量 工作原理： 擋板移近噴嘴--A室氣壓--膜片推動錐閥（間隙）排氣量--球閥（間隙）進(jìn)氣量--C室氣壓--控制氣壓P--推桿--凸輪順時針轉(zhuǎn)動--擋板移出噴嘴--系統(tǒng)平衡,電氣閥門定位器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的配合,一體化電氣閥門定位器： 結(jié)構(gòu)原理：RF-P184-FIG-4-13 工作原理： 輸入電流I--杠桿上部

10、右轉(zhuǎn)噴嘴間隙--控制壓力P--推桿--凸輪順時針轉(zhuǎn)動擋板移出噴嘴杠桿下部右轉(zhuǎn)系統(tǒng)平衡,信號電流通入力矩馬達(dá)1的線圈時，它與永久磁鋼作用后，對主杠桿產(chǎn)生一個力矩,于是擋板靠近噴嘴,經(jīng)放大器放大后,送入薄膜氣室使杠桿向下移動,并帶動反饋桿繞其支點4轉(zhuǎn)動,連在同一軸上的反饋凸輪也作逆時針方向轉(zhuǎn)動,通過滾輪使副杠桿繞其支點偏轉(zhuǎn),拉伸反饋彈簧,當(dāng)反饋彈簧對主杠桿的拉力與力矩馬達(dá)作用在主杠桿上的力兩者力矩平衡時，儀表達(dá)到平衡狀態(tài)，此時，一定的信號電流就對應(yīng)于一定的閥門位置。,電-氣閥門定位器的安全防爆,防爆要求：防爆電路示意框圖RF-184-FIG-4-14,,防爆工作原理說明（目的--斷線時對高儲能元件

11、進(jìn)行隔爆處理） （1）VD3、VD4限制力線圈的儲能， （2）VD1、VD2限制力線圈的電流輸出， （3）硅橡膠灌封。,電動執(zhí)行器,作用：將調(diào)節(jié)器輸出的420mA信號轉(zhuǎn)換成直線或角度位移。 組成：執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥（同一般執(zhí)行器） 特點：執(zhí)行器使用電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)---利用電動機(jī)等啟閉調(diào)節(jié)閥。,電動執(zhí)行器方案及配用類型： 直行程---直線電磁閥； 角行程---旋轉(zhuǎn)蝶閥； 多轉(zhuǎn)式---多轉(zhuǎn)感應(yīng)調(diào)壓器。,電動執(zhí)行器原理框圖,,常用電動執(zhí)行器的要求：能夠頻繁啟動、能長期處于過載狀態(tài)。 具體措施：采用專用異步機(jī)，轉(zhuǎn)子電阻大---啟動電小、堵轉(zhuǎn)時溫升不超限。,伺服電機(jī)電路工作原理: 對應(yīng)RF-P-154-FI

12、G-6-45,伺服放大器的原理示意圖,,帶制動機(jī)構(gòu)的兩相伺服電動機(jī),伺服電機(jī)電路工作原理敘述,原理敘述： a+ 、b-，a -、b+分別對應(yīng)上下交流開關(guān)導(dǎo)通，直接導(dǎo)通供電的一路交流不 倒相，經(jīng)分相電容的一路移相90，兩交流開關(guān)的切換決定電機(jī)轉(zhuǎn)動的方向。 帶制動結(jié)構(gòu)的兩相伺服電機(jī) 主要目的：防止慣性精確定位。 （1）定子帶電，銜鐵吸合，簧片變形，制動盤推離，轉(zhuǎn)子活動。 （2）定子失電，銜鐵還原，簧片恢復(fù)，彈簧彈起，制動盤推入，轉(zhuǎn)子固定。 （3）拉起把手，手工脫離，解除制動。,超聲波伺服電機(jī)USM概述,,Appendix The nameplate of USR60 USM Drive frequ

13、ency 40-44 kHz Drive voltage 100-130 Vrms Drive current 53mA Rated torque 0.4 Nm Rated power 4 W Rated speed 10 rad/s Holding torque <=800mNm Rotor inertia 7.2 106 kg/m2 Weight 0.23 kg The equivalent circuit parameters of USR60 USM Cd = 9 nF rd = 20 k Lm = 0.1 H r0 = 150 Cm = 168 pF 168,第4章 執(zhí)行器和防爆柵,

14、第2部分---防爆柵,1. 安全防爆基礎(chǔ)知識 2. 隔離式防爆柵的電路原理及性能 3. 防爆柵在現(xiàn)場總線中的應(yīng)用,4.2 防爆柵,4.2.1 安全火花防爆系統(tǒng)的概念 防爆柵的設(shè)計思路： 傳統(tǒng)--包括充油型、充氣型、隔爆型等，將可能產(chǎn)生火花的電路從結(jié)構(gòu)上與爆炸性氣體隔開； 新型--（安全火花型）電路設(shè)計上考慮防爆，將電路在短路、開斷及誤操作下產(chǎn)生的火花限制在爆炸性氣體的點燃能量之下。 歸類：屬于本質(zhì)安全防爆儀表，比結(jié)構(gòu)防爆儀表高一等級。,防爆儀表與防爆系統(tǒng),性質(zhì)--安全火花防爆儀表和安全火花防爆系統(tǒng)屬于兩個不同的概念； 內(nèi)容--防爆儀表只保證儀表內(nèi)部不產(chǎn)生危險火花，不包括外部引線（電源線、信號線

15、等---注：系統(tǒng)與儀表的區(qū)別）。 定義--由安全火花儀表和經(jīng)過防爆柵連接組成的工業(yè)控制系統(tǒng)。（自）,,安全火花防爆系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)（注意：防爆柵的作用）,防爆柵：安全保持器，用途--限制送往現(xiàn)場單元的電壓、電流，保證進(jìn)入現(xiàn)場的電功率在安全范圍之內(nèi)。 防爆柵的局限性：只能限制進(jìn)入現(xiàn)場的瞬時功率，必須與安全火花型儀表配合。 安全火花防爆系統(tǒng)的充分必要條件： （1）在危險現(xiàn)場的儀表必須是安全火花型； （2）現(xiàn)場儀表與非危險場所之間的電路連接必須經(jīng)過防爆柵。,防爆柵的定義及局限性,4.2.2 安全火花防爆的等級（安全火花防爆的實質(zhì)限制火花的能量）,爆炸性混合物的最小引爆電流（條件：直流電壓30V）TAB

16、-4-1,安全火花防爆柵參考資料,4.2.3 防爆柵的基本工作原理,,,齊納式,改進(jìn)型齊納式,主要種類：電阻式、齊納式、隔離式（4.2.4介紹）。 （1）電阻式：電阻串聯(lián)于電源線或信號線限制進(jìn)入危險現(xiàn)場的電流，缺點：電源、信號受衰減。 （2）齊納式： 利用串聯(lián)電阻限流、利用并聯(lián)齊納穩(wěn)壓管限壓。,過流限制分析,4.2.4 隔離式防爆柵,,（1）檢測端防爆柵,,DDZ-防爆柵的隔離方案: 具體措施--變壓器作為輸入輸出電源隔離；晶體管截止限壓、限流截止式控制電路。 兩處隔離--變送器配合使用的檢測端防爆柵，執(zhí)行其配合使用的執(zhí)行端防爆柵。,,基本原理框圖,簡化電路原理圖,分為檢測端和執(zhí)行端防爆柵,隔

17、離示意圖,信號隔離,電源隔離,涉及內(nèi)容：（1）電路組成；（2）信號流程分析；（3）調(diào)制解調(diào)原理,檢測端防爆柵的簡化原理圖,分析內(nèi)容：（1）DC-AC轉(zhuǎn)換原理；（2）調(diào)制原理；（3）解調(diào)放大原理,原理框圖,原理描述,基本工作原理描述, 信號流向：由變送器輸入，經(jīng)限壓、限流電路，經(jīng)調(diào)制電路，經(jīng)隔離防爆柵，經(jīng)解調(diào)電路至控制室。 供電電源：+24V電源接通，VT1 、VT2得電，產(chǎn)生推挽振蕩，DC-AC轉(zhuǎn)換，輸出3路。 a. 為420mA產(chǎn)生電路供電； b. 作為調(diào)制開關(guān)切換控制信號； c. 為限壓、限流保護(hù)電路供電。 限壓限流：過壓VD15、VD16擊穿，VT3、VT5導(dǎo)通，VT4、VT6截至，信號

18、通道關(guān)斷。 調(diào)制電路：調(diào)制開關(guān)VD13、VD14輪流切換變送器引入信號，分時流過調(diào)制變壓器T2原邊上、下繞組，將電平信號轉(zhuǎn)換為交變信號。 解調(diào)電路：副邊信號時VT7、VT8，VT9、VT10輪流導(dǎo)通，導(dǎo)通程度由原邊420mA電平?jīng)Q定，對施加電源控制后還原420mA信號。,簡化原理圖,限壓限流電路原理及特性曲線,,,檢測端防爆柵簡化原理圖,限壓限流特性曲線,調(diào)制解調(diào)電路工作原理,,調(diào)制和解調(diào)放大電路原理圖,斬波 供電,（2）執(zhí)行端防爆柵,,執(zhí)行端防爆柵電路原理圖,執(zhí)行端防爆柵工作原理,防爆柵在現(xiàn)場總線中的應(yīng)用,參考資料,,,,,,,,現(xiàn)場總線的常規(guī)應(yīng)用,現(xiàn)場,控制室,,控制系統(tǒng),,24Vdc,2

19、4Vdc,電源調(diào)節(jié)器,,OR,安全區(qū),現(xiàn)場接線器,,現(xiàn)場總線在危險區(qū)的應(yīng)用,,現(xiàn)場,控制室,24Vdc,,,,,,,,,,,,,控制系統(tǒng),危險區(qū),基金會現(xiàn)場總線設(shè)備,,,現(xiàn)場接線器,?,保護(hù) ?,FISCO Solution,Fieldbus Intrinsic Safety Concept 用于總線本質(zhì)安全的一種新的技術(shù) 以IEC61158-2現(xiàn)場總線裝置物理層標(biāo)準(zhǔn)的概念為基礎(chǔ). 與較早的 Entity 模型相比, 可以向本安型主干提供更的的電流,因此可以連接更多的設(shè)備. 不需要電纜參數(shù)的計算 減少設(shè)備清單中的安全文件 不需要檢查安全文件即可增加設(shè)備 允許使用更大電容的更長的電纜,,,FIS

20、CO power supply,Field,Control room,,Control system,FISCO field devices,Zone 1 Division 1,,24Vdc,24Vdc,Ex i Trunk Live-workable,,,,,,,,,Ex i spur Live-workable,FISCO 可應(yīng)用于Zone1或Zone0的環(huán)境,,現(xiàn)場接線器,可連接多少現(xiàn)場設(shè)備?,,MTL5053 (Entity), IIC/IIB Gas Groups,,,FISCO, IIC Gas Groups,FISCO, IIB Gas Groups,80mA available

21、, typically 4 or 5 devices,120mA available, typically 8 devices,265mA available, typically 17 devices,Zone 1/Division 1,假設(shè)每臺設(shè)備15 mA,,,,Field,Control room,Ex i spur Live-workable,Control system,FISCO or Entity field devices,Zone 2/Zone 1,Ex e Trunk,,,,,,,,,24Vdc,Power conditioner,,,,,,,,,Zone 0/Zone 1,,24Vdc,24Vdc,現(xiàn)場隔離安全柵,Ff基金會現(xiàn)場總線應(yīng)用在Zone 1的易燃易爆環(huán)境中？,EXd/Exe隔爆/增安 （不可帶電維護(hù)） Entity （已不常用） FISCO （可帶電維護(hù)） FieldBarrier現(xiàn)場隔離安全柵（接線盒不可帶電維護(hù)，現(xiàn)場儀表可帶電維護(hù)）,