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
2、 要 的 一 类 工 程 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
3、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： 表示测量或信号读出功能。一般用来表示从现场传感器或变送器读出信息。 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。 表示手动信号处理。一般用来表示在操作站（器）的功能。 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
4、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 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 名称电流-电压转换器电阻-电流转换器气压-电流转换器电压-电流转换器频率-电压转换器脉冲-脉冲转换器V脉冲-电压转换器电流-气压转换器电阻-
5、电压转热电势-电压电压-气压转数字-逻辑转I/V R/I P/I V/IF/V I/PR/V mV/V V/P D/L换器 转换器换器 换器电压-电压转换器气压-电压转换器L/D逻辑-数字转换器触点-逻辑转换器模-数转换器数-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高限监视器低限监视器高高限监视器低低限监视器高、低限限制器高、低限监视器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
6、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 图例 名称 图例 名称 图例 名称 H/ /LHH/ /LL H/LV V/V P/VA/D D/AC/L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 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
7、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 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T1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
8、 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： LT TE FT分 别 是 水 位 、 温 度 和 流 量 变 送 器 ， 它 们 都 是 模拟 输 入 量 。 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
9、偏 差 报 警 ， 是 因 为 在实 际 调 节 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。菱形 A 的输出为 PI 调节器的给定值。 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。 TRACK 是跟踪。实际的阀位反馈量是，但因控制室采用操
10、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，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 15V 或 420mA 的模拟输入量。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。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
11、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。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。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。为实际的阀位反馈信号，可能是 420mA 的信号，也可能是15V 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
12、 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 ； 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
13、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
14、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 5-3 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，
15、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
16、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。
17、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
18、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，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
19、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 makers 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 代表测量或显示功能 代表信号自动处理功能 手动信号处理功能 执行机构（1） 输入转换气电转换将气压信号转换成直流电压信号SAMA 符号：脉冲电压转换将脉冲频率信号转
20、换成直流电压信号SAMA 符号：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：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SAMA 符号：（）输出转换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：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：（）信号处理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：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：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
21、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：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：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
22、定的速率时，则输出一个状态信号作为报警。SAMA 符号：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
23、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。该功能为可选功能内限幅 PI 调节器SAMA 符号：内限幅 PID 调节器SAMA 符号：带外部限幅的 PID 调节器SAMA 符号：带外部限幅外部积分的 PID 调节器SAMA 符号：带外部限幅外部加法的 PID 调节器SAMA 符号：比例调节器SAMA 符号：比例微分调节器SAMA 符号：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
24、作器手动操作，调节器输出跟踪手动操作信号。SAMA 符号：跟踪当跟踪逻辑出现时，调节器输出等于跟踪功能块的输入信号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
25、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)“TRACK
26、”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，将自动状态切换到手动状态，输出保持或手动操
27、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。
