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1、 第五章 SAMA图 “Scientific Apparatus Makers Association ”翻译为中文是美国科学仪器制造协会，英文缩写为SAMA。SAMA图是美国科学仪器制造协会颁布的图例，是目前世界上广泛使用的控制工程图例之一。SAMA图是包括所有控制仪表的控制系统结构图，SAMA图例易于理解，能清楚地表示系统功能，它反映控制系统的全部控制功能和信号处理功能，也反应设计者的设计思想。 在设计火电厂的热工控制系统时，首先要根据控制过程的要求，按照SAMA图例绘制过程控制系统的SAMA图，然后根据该SAMA图，再进行DCS组态图的设计。 SAMA图是特别重要的一类工程
2、图。目前虽然有一定的标准图例，但各仪表公司在工程设计中还是有自己的一些特殊图形符号。本章将讨论我国常用的控制系统SAMA图，并介绍二个热工控制系统SAMA图。 第一节 SAMA图例 SAMA图例的特点是流程比较清楚，特别是对复杂回路画起来和读起来都较容易。SAMA图的输入输出关系及流程方向与DCS控制组态图比较接近，各控制算法都有比较明确的标志，国际上各大的仪表公司多采用SAMA图设计控制工程。 虽然各公司的SAMA图例有些区别，但SAMA图的许多符号是通用的。常用的SAMA图例有四种，分别表示的含意如下： ⑴ ○ 表示测量或信号读出功能。一般用来表示从现场传感器或
3、变送器读出信息。 ⑵ 表示自动信号处理。一般用来表示控制站（柜）中仪表（或算法模块）的功能。 ⑶ ◇ 表示手动信号处理。一般用来表示在操作站（器）的功能。 ⑷ 表示执行机构。一般用来表示安装在现场的电动、气动和液动等执行器。 用SAMA图例表达控制系统工作原理时，常将一些符号画在一起，表示一个具体的模块（仪表）具有哪些功能，这样在SAMA图又清楚地表达了使用多少功能模块。常见SAMA图例按功能进行分类，如表5-1、5-2、5-3、5-4、5-5、5-6所示。 表5-1 测量变送器类标准功能图例 图例 名称 图例 名称 图例
4、 名称 图例 名称 图例 名称 FE 流量 测量 元件 TT 温度 变送 器 PT 压力 变送 器 FT 流量 变送 器 T 继电 器线 圈 ZT 位置 变送 器 ST 速率 变送 器 LT 液位 变送 器 AT 成分 分析 变送 器 信号 来源 表5-2 信号转换类标准功能图例 图例 名称 图例 名称 图例 名称 图例 名称 I/V 电流 -电 压转 换器 R/I 电阻 -电 流转 换器 P/I 气
5、压 -电 流转 换器 V/I 电压 -电 流转 换器 F/V 频率 -电 压转 换器 脉冲 -脉 冲转 换器 V 脉冲 -电 压转 换器 I/P 电流 -气 压转 换器 R/V 电阻 -电 压转 换器 mV/V 热电 势- 电压 转换 器 V/P 电压 -气 压转 换器 D/L 数字 -逻 辑转 换器 V/V 电压 -电 压转 换器 P/V 气压 -电 压转 换器 L/D 逻辑 -数 字转 换器 C/L 触点 -
6、逻 辑转 换器 A/D 模- 数转 换器 D/A 数- 模转 换器 表5-3 报警限幅和选择类标准功能图例 图例 名称 图例 名称 图例 名称 图例 名称 ≯ 高限限制器 ≮ 低限限制器 H/ 高限监视器 /L 低限监视器 HH/ 高高限监视器 /LL 低低限监视器 ≮≯ 高、低限限制器 H/L 高、低限监视器 V≯ 速率限制器 ＞ 高值信号选择 ＜ 低值信号选择 ＜＞ 中值信号选择 表5-4 运算类标准功能图例
7、图例 名称 图例 名称 图例 名称 图例 名称 ∫ 积分 控制 器 ∑ 加法 器 ∑/t 积算 器 × 乘法 器 ÷ 除法 器 ± 偏置 器， 加或 减 △ 比较 器或 偏差 d/dt 微分 器 F(t) 时间 函数 发生 器 F(x) 折线 函数 K 比例 控制 器 URG 斜波 信号 发生 器 ∑/n 均值 器 √ 开方 器 非线 性控 制器 表5-5 显示操作类标准功能图例 图例 名称
8、 图例 名称 图例 名称 图例 名称 ¤ 指示 灯 R 记录 仪 I 指示 器 T 自动 手动 切换 器 手操 信号 发生 器 继电 器常 开触 点 继电 器常 闭触 点 气源 A/M 自动 /手 动切 换开 关 T 转换 或跳 闸继 电器 TIM 时间 继电 器 S 电磁 线圈 驱动 器 A 模拟 信号 发生 器 TR 跟踪 表5-6 执行器类标准功能图例 图例 名称 图例 名称
9、 图例 名称 图例 名称 MO 电动 执行 器 HO 液动 执行 器 气动 执行 器 F(x) 未注 明执 行器 直行 程阀 旋转 球阀 三通 阀 角行 程阀 表5-7 连接及信号线符号 图例 名称 图例 名称 图例 名称 图例 名称 图例 名称 A 本图 内连 接符 号 1 本册 图内 连接 符号 1 与逻 辑图 连接 符号 模拟 信号 线 逻辑 电平 信号 线 第二节 SAMA图应用举例 一、单冲
10、量控制系统的SAMA图 火电厂中单冲量调节系统有除氧器水位、凝汽器水位、轴封压力控制、二抽母管压力控制、冷凝器压力控制、高加水位控制、轴 封漏汽压力控制、低加水位控制、汽封水位控制、稳压箱水位控制、连排扩容水位控制、工业水箱水位控制、吹灰给水控制控制、暖风器水位控制、暖风供汽压力控制、连续排污控制和磨热风控制等。这种单冲量控制系统的SAMA图如图5-1所示，现对该图的符号功能解释如下： ⑴LT／TE／FT分别是水位、温度和流量变送器，它们都是模拟输入量。 ⑵△和H/为偏差报警，即当测量值与给定值之差的绝对值超过某一设定值时，输出逻辑1信号，之所以用偏差报警，是因为在实际调节
11、过程中被控量与给定值相差过大时，可能调节系统已经有问题了，这时要切掉自动，让输出保持自动时的最后数值，待测量值与给定值的差值恢复到正常范围内，再切回自动。这里的 六边形1是与逻辑图连接符号，1为连接编号。 ⑶菱形A的输出为PI调节器的给定值。 ⑷△是相减（或偏差）符号；K和∫是比例和积分符号； ≮和≯的是对PI的算法输出进行上、下限幅。 ⑸TRACK是跟踪。实际的阀位反馈量是⑽，但因控制室采用操作员站或手操器，所以引入到DCS现场控制站的阀位反馈量，是由手操器转换后的信号，即图中的外跟踪信号⑸，这个信号对DCS系统而言相当于一个模拟输入信号，它是一个1
12、～5V或4～20mA的模拟输入量。 ⑹六边形6是与逻辑图连接的符号，它是一个外跟踪开关，当它输出为逻辑1时，PI模块处于跟踪状态，PI模块的输出等于阀位反馈值(外跟踪信号)，而当六边形6输出为逻辑0时，PI模块恢复正常运算，输出就是PI运算的结果。 ⑺△和H/也为偏差报警，即当PID算法的输出与阀位反馈值(实际现场执行器的输出)相差过大时，可能是手操器或现场执行机构有故障，这时报警信号送至六边形2，通过逻辑电路将系统从自动切换到手动，输出保持不变或接受人为调整。 ⑻六边形5是与逻辑图连接的符号，它表示手操器“手动／自动”状态。当六边形5的状态为逻辑0时，表示手操器为手动状态，操纵变量有手
13、动控制；当六边形5的状态为逻辑1时，表示手操器为自动状态，系统的输出受PI模块控制。 ⑼六边形3、4是与逻辑图连接的符号。六边形3是程控切手动；六边形4是程控切自动。 ⑽为实际的阀位反馈信号，可能是4～20mA的信号，也可能是1～5V的信号，它与手操器有关，如果不用手操器，也可直接引入DCS系统作为实际的阀位反馈信号。 与图5-1对应的单回路调节逻辑控制图如图5-2所示。 图中：左边的六边形和椭圆形为开关量输入模块；右边的六边形为开关量输出模块。控制手操器切手动的信号有3个：由六边形1输出的测量值与给定值差值报警信号；由六边形2输出的算法输出与阀位反馈差值报警信号；
14、由椭圆形输出程控切手动信号。三者为“或”运算，即只要有一个输出为“1”，则手操器切手动。控制手操器自动状态的信号为两个信号的“与”，即除由椭圆形开关量模块输出程控自动逻辑信号外，另一个信号为由not模块输出的切手动信号，也就是说若有报警信号存在，则在操作员站上置手操器自动的命令将不起作用，只有报警解除后手操器不为手动时，手操器才能投自动，这样便可防止在有故障存在时误操作手操器。跟踪开关也接受两个信号的与，即由六边形5输出的“手动／自动”状态信号和not模块输出信号的与，其分析与手操器投自动类似。 二、凝汽器的水位控制SAMA图 凝汽器水位控制是通过调节进入凝汽器的补充水量来实现的，如图5-
15、3所示。凝汽器水位由补水泵和补水调节阀共同完成，补水泵提供补水压头，补水调节阀负责控制进入凝汽器的补水流量。 与图5-3对应的凝汽器水位控制的SAMA图如图5-4所示，这也是一个单回路调节系统。 图中：LT是凝汽器水位变送器，输出是模拟量信号；△为凝汽器水位信号和凝汽器水位给定值的差值；K∫为比例积分调节器（或比例积分调节模块），即PI调节器（模块），它接受△输出的差值信号，并进行PI运算；T为手动／自动切换开关；左侧的A为模拟信号发生器，当T打到手动时，改变A的输出，就可改变阀门开度；右侧的A也为模拟信号发生器，改变A的输出，可改变凝汽器水位设定值；V≯为速率限制器，它对运
16、行人员手动设定的凝汽器水位给定值进行速率限制，防止当水位给定值变化大时，引起凝汽器水位大幅波动；F(x)为执行机构，在自动状态时，执行机构接受PI的调节指令控制补水调节阀的开度。在手动状态时，执行机构接受运行人员的手动操作指令以改变补水调节阀的开度。 凝汽器水位调节的工作原理可简述为：在投入自动时，水位信号与经过速率限制器限制的水位给定值信号相比较，差值送入PI调节器：当水位低于给定值时，PI调节器的调节指令指挥执行机构开大补水调节阀；反之，使执行机构关小补水调节阀。当出现凝汽器水位测量信号故障等情况时，通过手动／自动控制站的判断，将自动方式切换为手动方式，由运行人员通过手动操作对凝汽器水位
17、进行控制。 三、除氧器压力控制SAMA图 除氧器的主要作用是将锅炉给水中的氧气（包括其他气体）除掉。它还是汽轮机汽水系统中的一级加热器，并担负着汇集各种疏水、化学补充水的任务。除氧器水箱的体积比较大，储存了足以保证向锅炉提供所需的给水量。锅炉给水中如果含有氧气，就会使管道及锅炉受热面遭受氧化腐蚀；如果含有其他气体，还会妨碍传热。为此，必须将给水中的氧气及其他气体除掉。在一定的压力下，水的温度越高，气体的溶解度就越小。如果将水加热至沸腾温度，气体在水中的溶解度就会大大减小，溶解在水中的气体就会被分解出来，不断地向外逸出。水的压力不同，其沸腾温度也不同。因此，只要将给水加热到该
18、压力下的沸腾温度，就能将给水中的氧气及其他气体排除。除氧器通常利用汽轮机的某级抽气作为热源，将给水加热到沸腾温度。如果采用控制温度的方法除氧，则存在着温度测量迟延大、测点难于选择等问题。然而，饱和水温度和饱和压力值具有一一对应关系，所以，只要控制除氧器内蒸汽空间的压力为饱和值，就能保证将给水加热到饱和温度，从而达到除氧的目的。除氧器压力控制SAMA图如图5-5所示。 为了防止汽轮机跳闸时，除氧器压力骤降使给水泵汽化，在汽轮机跳闸瞬间，除氧器压力设定值跟踪菱形A输出的设定值X%,此压力设定值恒定，防止了除氧器压力的骤降。在正常情况下，除氧器压力设定值由操作员根据当前的运行情况，
19、进行手动设定，它是通过菱形手操器输出的改变实现的。除氧器压力的自动控制是以除氧器内蒸汽空间压力作为被控量，并通过改变加热蒸汽量作为控制手段，即通过改变除氧器进汽阀的开度来维持除氧器压力在规定值的。INC表示增加，DEC表示减少，说明调节器为反作用。 习题与思考题 5-1 SAMA组合符号如图5-6所示，试说明组合符号的名称，并解释各组成符号的含义。 5-2 SAMA组合符号如图5-7所示，试说明组合符号的名称。 5-3 流量控制回路如图5-8所示，试标出SAMA符号，并说明手操时的跟踪过程及意义。 5-4试画出火电厂串
20、级过热蒸汽温度控制系统的SAMA图。 SAMA图例为美国科学仪器制造协会（scientific apparatus maker`s association）图例，这套图例易于理解，能清楚地表示控制系统功能和原理，它广泛应用于电厂热控系统工程设计中。 SAMA功能图例外形分四类，每一种形状都有明确的含义 Ａ． 代表测量或显示功能 Ｂ． 代表信号自动处理功能 Ｃ． 手动信号处理功能 Ｄ． 执行机构 （1） 输入转换 Ａ．气—电转换 将气压信号转换成直流电压信
21、号 SAMA符号： Ｂ．脉冲—电压转换 将脉冲频率信号转换成直流电压信号 SAMA符号： Ｃ．电流—电压转换 将直流电流信号转换成直流电压信号 SAMA符号： Ｄ．热电阻—电压转换 将热电阻值信号转换成直流电压信号 SAMA符号： E．热电偶—电压转换 将热电偶毫伏信号转换成直流电压信号
22、 SAMA符号： （２）输出转换 Ａ．电压—电流转换 将直流电压信号转换成直流电流信号 SAMA符号： Ｂ．电压—触点转换 将逻辑电平的高低电压信号转换成诸如继电器触点等的开关信号 SAMA符号： （３）信号处理 Ａ．绝对值高报警 当输入信号超过高限值，发出报警逻辑信号 SAMA符号：
23、 Ｂ．绝对值低报警 当输入信号低于低限值，发出报警逻辑信号 SAMA符号： Ｃ．偏差值报警 偏差值报警功能块有一个输入信号和一个给定信号，并可设定二个报警值，分别对应二个输出逻辑量。可选择正偏差或负偏差报警，当输入信号和给定信号的差值超过正偏差限或给定信号和输入信号的差值超过负偏差限时，相应地输出逻辑信号。本功能能一对一信号进行双重正偏差或负偏差报警，或同时进行正、负偏差报警。 SAMA符号
24、 Ｄ．差值报警 差值报警功能块有一个输入信号和一个给定信号，并可设定二个报警限值，分别对应二个输出逻辑量。可选择高差值报警或低差值报警。当输入信号和给定信号的差值超过高差值限或小于低差值限时相应地输出逻辑信号。本功能能对一对信号进行高差值或低差值报警、或同时进行高、低差值报警。 SAMA符号： Ｅ．速率报警 该功能块有一个输入信号和一个速率限值设定，当输入信号变化的速率超过预先设定的速率时，则输出一个状态信号作为报警。 SAMA符号：
25、 Ｆ．定值输出 精确地设定输出作为其它功能的外部设定信号或偏置信号。 SAMA符号： （4）调节器 调节器功能 ： a)．正反作用 当为正作用时，测量值大于设定值时，输出增加；当为负作用时，测量值大于设定值时输出减少。 b)．比例作用 c)．积分作用 d)．微分作用 e)．高低限幅 对输出值的高低限制作用，有两种方式： 内限幅：调节器内部设定限幅值 外限幅：其它功能块来的信
26、号作为限幅值 f)．跟踪作用 根据跟踪开关状态信号决定调节器输出是否跟踪驱动信号 g）．自动/手动作用 接受操作器来的自动/手动开关信号和手操动驱动信号，用以实现调节器的无平衡无扰动自动/手动切换 h）．外部积分 调节器不但对偏差信号积分，也可对外部信号积分。只有当偏差信号加上外部信号等于零才无积分作用，外部 积分功能为可选功能。 i)．外部加法 实现外部信号与输出相加。该功能为可选功能 Ａ．内限幅PI调节
27、器 SAMA符号： Ｂ．内限幅PID调节器 SAMA符号： Ｃ．带外部限幅的PID调节器 SAMA符号： Ｄ．带外部限幅外部积分的PID调节器 SAMA符号： Ｅ．带外部限幅外部加法的PID调节器 SAMA符号：
28、 Ｆ．比例调节器 SAMA符号： Ｇ．比例微分调节器 SAMA符号： Ｈ．自动/手动切换 当自动/手动切换功能需要在调节器之外进行，可由操作器实现。 自动时：输出=输入（或输入+偏置） 当切到手动时，输出保持在切换前的最后数值。 手动时：输出由操作器手动操作，调节器输出跟踪手动操作信号。 SAMA符号： Ｊ．跟踪 当跟踪逻辑出现时，调节器输出等于跟踪功能块的
29、输入信号 SAMA符号： 以上介绍了典型的SAMA图例，其余的图例可参见表3-3。 表3-3 SAMA图例 单回路调节系统的功能控制图（FCD图） 功能控制图（Function Contrd Diagram简称FCD图）就是控制系统原理图，图3-27所示为由SAMA图例实现的单回路调节系统FCD图。电厂热控系统中有很多单回路调节系统，如高加水位调节、低加水位调节、轴封汽压调节等。 （图3-27） 针对图中所标注各点作如下说明： a)．LT为水位测量值作为被调量，被调量若为压力等测量值的单回路系统其FCD图与本图相同，被调量是模入信号。 b)．此处
30、为一差值报警，即当被调量与给定值之差的绝对值超过某一设定的限值时，给出报警信号“ ”，之所以用差值报警是因为实际调节过程被调量与给定值相差过大时，在自动状态被调量反复大幅波动，执行机构反复大幅动作，对生产过程不利。这时要将自动切换到手动状态，通过手动操作使被调量与给定值的偏差减小，偏差恢复到正常范围内（偏差越小越好），可重新投入自动。这里的信号“ ”是逻辑信号，送到控制逻辑图实现自动/手动切换的逻辑运算。 c)．“ ”给出调节器的给定值。 d)．“≮”和“≯”指调节器输出的上、下限幅，“K”和“∫”代表比例、积分作用。 e)．“TRA
31、CK”指跟踪功能，e处信号为被跟踪信号，是一个阀位反馈信号，实际的阀位信号为j，但因为采用操作器，所以引入DCS控制站的阀位反馈信号e便是操作器转换后的量（1-5v），对DCS而言它是一个模入信号，所以也叫外跟踪信号。 f)．“ ”是一个外跟踪开关。它是一个逻辑运算的输出信号，是一个开关量，当这个开关量状态为“1”时，PI算法变为跟踪状态，输出等于外跟踪信号（阀位反馈），而其状态为“0”时，PI算法恢复正常运算，输出就是运算得到值。 g)．该处也是一个差值报警，当调节器输出与阀位反馈值（执行器输出）之差过大时，发出报警信号“ ”去参与逻辑运算，将自动状态切
32、换到手动状态，输出保持或手动操作改变输出。差值大的原因可能操作器或执行器故障。 h)．“ ”为一个开关量，它表示操作器“自动/手动”状态，对操作器而言为开关量输出，对DCS而言是一个开关量输入。当它为“0”时，表示操作器处于手动状态，调节器为跟踪状态，输出到执行器的信号由操作器控制。当它为“1”时，表示操作器处于自动状态，PI算法的值作为调节器输出，即进入执行器的信号受DCS系统控制。 i)．“ ”和“ ”是DCS系统的两个开关量输出，作为操作器的两个输入信号，“ ”是DCS系统置操作器“手动”状态的开关量输出，在操作器上则操作器的“程控手动”输入，“ ”是DCS系统置操作器“自动”状态的开关量输出，在操作器上则是操作器的“程控自动”输入，引入这两个开关量是为了能够在DCS系统的操作站上设置操作器的“自动/手动”状态。 j)．实际的阀门反馈信号是4-20mA的信号，它只与操作器有关，但如果不用操作器，也可直接引入DCS系统作为实际的阀位反馈信号。
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