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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：調節(jié)對象、檢測儀表、調節(jié)器、執(zhí)行器） 執(zhí)行器的作用--根據調節(jié)器的命令控制傳送、調節(jié)溫度、壓力、流量等工藝參數。 執(zhí)行器的組成（分為兩部分） （1）執(zhí)行結構--執(zhí)行器的驅動部分，按照調節(jié)器的信號產生推力或位移； （2）調節(jié)機構--執(zhí)行器的調節(jié)部分，常見有調節(jié)閥等，在執(zhí)行機構操縱下調節(jié)工藝介質的流量。 執(zhí)行器的影響--是調節(jié)系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，質量可能導致不能正常工作或影響調節(jié)品質。,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)行結構和調節(jié)閥組成。 類型原理： （1）薄膜式，彈性膜片將輸入氣壓轉變?yōu)橥屏ΓY構簡單、價格便宜、應用廣； （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)行機構原理RF-P-176-FIG4-1,薄膜式原理說明,活塞式現場應用演示,,,調節(jié)閥的形式： （1）分為單座閥和雙座閥，以閥芯閥座的套數決定，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。 調節(jié)閥的優(yōu)缺點及適用場合： 單座：易改裝、結構簡單、無同步問題；被調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閉，關閉泄漏量比單座閥大。 選用氣開、氣關的原則：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。 調節(jié)閥的重要性：調節(jié)閥的特性對整個自動調節(jié)系統(tǒng)的調節(jié)品質有何大影響。 調節(jié)閥的流量：與閥的開度和閥的前后壓差均有關。 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。,下半部分為調節(jié)閥,上半部分是產生推力的薄膜式執(zhí)行機構,,,推桿,,關閉閥芯 （氣閉式）,,調節(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,調節(jié)閥的優(yōu)缺點及適用場合,單座：易改裝、結構簡單、無同步問題；被調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閉，關閉泄漏量比單座閥大。 選用氣開、氣關的原則：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。 調節(jié)閥的重要性：調節(jié)閥的特性對整個自動調節(jié)系統(tǒng)的調節(jié)品質有何大影響。 調節(jié)閥的流量：與閥的開度和閥的前后壓差均有關。 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系； （2）對數特性流量與閥芯位移成對數關系，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,,調節(jié)閥和管道阻力串聯的情況,實際使用時，閥前后壓力變化，對應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：設調節(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，閥開始的反應較遲鈍。,直線閥、對數閥的實際工作特性（考慮管道阻力）,,直線閥、對數閥的實際工作特性（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：可借鑒電位器負載特性（電流大?。敵龅挠绊懛治觥?（3）對數閥隨開度的變化，其流量趨勢與直線閥相反。,,調節(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： 實際使用時有管道設備壓差（對象）會引起非線性，不同形式的調節(jié)閥門也可以引起非線性，兩者特性適當配合的合成特性可以是線性關系。,調節(jié)閥口徑的選擇方法,選擇的目的：保證工藝操作正常進行，準確控制閥門的流量能力。 選擇不當時可能出現的問題（主要原因是閥門口徑選擇不當）： （1）口徑過
7、大：在小開度位置工作調劑質量不高。 （2）口徑過?。簾o法滿足正常生產的需求。,調節(jié)閥選擇依據的計算過程,電-氣轉換器,作用：將調節(jié)器輸出的標準電流信號轉換為20100kPa的標準氣壓信號。 電-氣轉換器（力平衡式）的工作原理 組成：RF-FIG-4-9 涉及：調節(jié)器輸出電流I、電磁鐵線圈、杠桿、噴嘴擋板機構、氣動功率放大器支撐彈簧、波紋管、重錘、氣源等。 工作過程： 調節(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---形成反饋力達到平衡,電-氣轉換器工作原理圖,調整方法： 彈簧調整輸出零點，波紋
8、管粗條量程，永久磁體磁分路螺絲細調量程，重錘調節(jié)平衡。 轉換器指標： 精度0.5級、氣源壓力14014kPa、輸出氣壓信號， 20 100kPa。,核心部件-噴嘴擋板機構的構造和特性,核心部件---噴嘴擋板機構,,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： 當擋板與噴嘴間隙有微小位移將會被轉換為氣壓信號P輸出，作為氣動功率放大器的輸入信號。,閥門定位器,,任務：與執(zhí)行機構配合使用確保精確定位。 用途：用于執(zhí)行機構工作條件差和要求調節(jié)質量要求高的場合。 影響精確定位因素：填料、壓差、黏度產生的附加力。 方法：借助閥桿位移負反饋是調節(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)行機構的配合示意圖 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)行機構的控制氣壓--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）進氣量--C室氣壓--控制氣壓P--推桿--凸輪順時針轉動--擋板移出噴嘴--系統(tǒng)平衡,電氣閥門定位器與執(zhí)行機構的配合,一體化電氣閥門定位器： 結構原理：RF-P184-FIG-4-13 工作原理： 輸入電流I--杠桿上部
10、右轉噴嘴間隙--控制壓力P--推桿--凸輪順時針轉動擋板移出噴嘴杠桿下部右轉系統(tǒng)平衡,信號電流通入力矩馬達1的線圈時，它與永久磁鋼作用后，對主杠桿產生一個力矩,于是擋板靠近噴嘴,經放大器放大后,送入薄膜氣室使杠桿向下移動,并帶動反饋桿繞其支點4轉動,連在同一軸上的反饋凸輪也作逆時針方向轉動,通過滾輪使副杠桿繞其支點偏轉,拉伸反饋彈簧,當反饋彈簧對主杠桿的拉力與力矩馬達作用在主杠桿上的力兩者力矩平衡時，儀表達到平衡狀態(tài)，此時，一定的信號電流就對應于一定的閥門位置。,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：將調節(jié)器輸出的420mA信號轉換成直線或角度位移。 組成：執(zhí)行機構和調節(jié)閥（同一般執(zhí)行器） 特點：執(zhí)行器使用電動執(zhí)行機構---利用電動機等啟閉調節(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---旋轉蝶閥； 多轉式---多轉感應調壓器。,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，轉子電阻大---啟動電小、堵轉時溫升不超限。,伺服電機電路工作原理: 對應RF-P-154-FI
12、G-6-45,伺服放大器的原理示意圖,,帶制動機構的兩相伺服電動機,伺服電機電路工作原理敘述,原理敘述： a+ 、b-，a -、b+分別對應上下交流開關導通，直接導通供電的一路交流不 倒相，經分相電容的一路移相90，兩交流開關的切換決定電機轉動的方向。 帶制動結構的兩相伺服電機 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，轉子活動。 （2）定子失電，銜鐵還原，簧片恢復，彈簧彈起，制動盤推入，轉子固定。 （3）拉起把手，手工脫離，解除制動。,超聲波伺服電機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. 安全防爆基礎知識 2. 隔離式防爆柵的電路原理及性能 3. 防爆柵在現場總線中的應用,4.2 防爆柵,4.2.1 安全火花防爆系統(tǒng)的概念 防爆柵的設計思路： 傳統(tǒng)--包括充油型、充氣型、隔爆型等，將可能產生火花的電路從結構上與爆炸性氣體隔開； 新型--（安全火花型）電路設計上考慮防爆，將電路在短路、開斷及誤操作下產生的火花限制在爆炸性氣體的點燃能量之下。 歸類：屬于本質安全防爆儀表，比結構防爆儀表高一等級。,防爆儀表與防爆系統(tǒng),性質--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； 內容--防爆儀表只保證儀表內部不產生危險火花，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)的基本結構（注意：防爆柵的作用）,防爆柵：安全保持器，用途--限制送往現場單元的電壓、電流，保證進入現場的電功率在安全范圍之內。 防爆柵的局限性：只能限制進入現場的瞬時功率，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）在危險現場的儀表必須是安全火花型； （2）現場儀表與非危險場所之間的電路連接必須經過防爆柵。,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：電阻串聯于電源線或信號線限制進入危險現場的電流，缺點：電源、信號受衰減。 （2）齊納式： 利用串聯電阻限流、利用并聯齊納穩(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,涉及內容：（1）電路組成；（2）信號流程分析；（3）調制解調原理,檢測端防爆柵的簡化原理圖,分析內容：（1）DC-AC轉換原理；（2）調制原理；（3）解調放大原理,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，經限壓、限流電路，經調制電路，經隔離防爆柵，經解調電路至控制室。 供電電源：+24V電源接通，VT1 、VT2得電，產生推挽振蕩，DC-AC轉換，輸出3路。 a. 為420mA產生電路供電； b. 作為調制開關切換控制信號； c. 為限壓、限流保護電路供電。 限壓限流：過壓VD15、VD16擊穿，VT3、VT5導通，VT4、VT6截至，信號
18、通道關斷。 調制電路：調制開關VD13、VD14輪流切換變送器引入信號，分時流過調制變壓器T2原邊上、下繞組，將電平信號轉換為交變信號。 解調電路：副邊信號時VT7、VT8，VT9、VT10輪流導通，導通程度由原邊420mA電平決定，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,調制解調電路工作原理,,調制和解調放大電路原理圖,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,防爆柵在現場總線中的應用,參考資料,,,,,,,,現場總線的常規(guī)應用,現場,控制室,,控制系統(tǒng),,24Vdc,2
19、4Vdc,電源調節(jié)器,,OR,安全區(qū),現場接線器,,現場總線在危險區(qū)的應用,,現場,控制室,24Vdc,,,,,,,,,,,,,控制系統(tǒng),危險區(qū),基金會現場總線設備,,,現場接線器,?,保護 ?,FISCO Solution,Fieldbus Intrinsic Safety Concept 用于總線本質安全的一種新的技術 以IEC61158-2現場總線裝置物理層標準的概念為基礎. 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備. 不需要電纜參數的計算 減少設備清單中的安全文件 不需要檢查安全文件即可增加設備 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 可應用于Zone1或Zone0的環(huán)境,,現場接線器,可連接多少現場設備?,,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,假設每臺設備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,現場隔離安全柵,Ff基金會現場總線應用在Zone 1的易燃易爆環(huán)境中？,EXd/Exe隔爆/增安 （不可帶電維護） Entity （已不常用） FISCO （可帶電維護） FieldBarrier現場隔離安全柵（接線盒不可帶電維護，現場儀表可帶電維護）,
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