第一章-控制裝置

控制儀表與計(jì)算機(jī)控制裝置一、概論1、控制儀表與裝置總體概述：1)自動(dòng)控制系統(tǒng)和控制儀表:

人工操作圖

液位自動(dòng)控制系統(tǒng)圖人工操作與自動(dòng)控制比較>控制儀表與控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)一般由被控對象、變送器、控制器和執(zhí)行器構(gòu)成，其方框圖如下所示：給定值被控參數(shù)被控介質(zhì)簡單控制系統(tǒng)變送器執(zhí)行器控制器被控對象控制器執(zhí)行器對象變送器spT+-PV被控參數(shù)被控介質(zhì)被控對象－需要調(diào)節(jié)其工藝參數(shù)的生產(chǎn)設(shè)備。變送器－把工藝參數(shù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號的裝置。控制器－將來自變送器的測量值與給定信號相比較后產(chǎn)生的偏差信號,按照預(yù)先設(shè)定好的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算后，輸出一個(gè)控制信號去執(zhí)行器。執(zhí)行器－把控制器的輸出信號轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移，以控制閥門的開度。此外，根據(jù)需要還可設(shè)有顯示、轉(zhuǎn)換、計(jì)算、輔助、給定裝置。2）控制儀表與裝置的分類及特點(diǎn)

（1）按能源形式分類：電動(dòng)氣動(dòng)液動(dòng)機(jī)械式在工業(yè)過程控制中，主要使用電動(dòng)控制儀表和氣動(dòng)控制儀表電動(dòng)控制儀表具有能源獲取方便，信號傳輸和處理容易，便于實(shí)現(xiàn)集中顯示和操作等特點(diǎn)。（在工業(yè)過程控制中廣泛使用）氣動(dòng)控制儀表結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、可靠性高、易于維護(hù)、安全防爆等特點(diǎn)。（石油、化工有爆炸危險(xiǎn)的場所）電動(dòng)控制儀表氣動(dòng)控制儀表能源電源（220VAC/24VDC）氣源（140kPa）傳輸信號電信號（電壓、電流、數(shù)字）氣壓信號元、器件電子元器件氣動(dòng)元件接線導(dǎo)線導(dǎo)管電磁干擾與防爆受電磁干擾影響須采取抗干擾、防爆措施不受電磁干擾影響本質(zhì)上安全防爆電動(dòng)控制儀表和氣動(dòng)控制儀表的比較（2）按信號類型分類：模擬式：模擬元器件構(gòu)成，其傳輸信號為連續(xù)變化的模擬量（電流、電壓、氣壓）；特點(diǎn)：操作簡單，使用靈活，價(jià)格較低？？？數(shù)字式：以微處理器、單片機(jī)等大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)，其傳輸信號為斷續(xù)變化的數(shù)字量（脈沖信號）；特點(diǎn)：數(shù)值、邏輯運(yùn)算功能強(qiáng)、控制算法實(shí)現(xiàn)容易，性能優(yōu)越。性價(jià)比高。（3）按結(jié)構(gòu)形式分類---發(fā)展發(fā)展史大約有70多年，大體可分成四個(gè)階段時(shí)間第一階段20世紀(jì)30~40年代(1935)名稱基地式儀表結(jié)構(gòu)將測量、顯示、紀(jì)錄、調(diào)節(jié)都放在一個(gè)表殼里的儀表(以指示記錄儀表為中心，附加某些調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu))特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單適于單參數(shù)就地控制主要產(chǎn)品KF系列氣動(dòng)基地式儀表(日本山武-霍尼威爾公司)帶PID調(diào)節(jié)的電子電位差計(jì)(上海自動(dòng)化儀表廠)名稱單元組合式儀表結(jié)構(gòu)將整套儀表劃分成若干個(gè)單元，各單元之間采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號連接。使用時(shí)根據(jù)需要，經(jīng)過不同的搭配，就可組成各種各樣的檢測及控制系統(tǒng)時(shí)間第二階段20世紀(jì)40~50年代(1955)特點(diǎn)應(yīng)用靈活，通用性強(qiáng)主要產(chǎn)品Ⅰ系列、EK系列儀表(日本橫河公司)國產(chǎn)DDZ-Ⅱ、DDZ-Ⅲ系列儀表(北京、上海、西安、大連、天津、吉林、重慶等儀表廠)名稱組裝式綜合控制裝置結(jié)構(gòu)運(yùn)算調(diào)節(jié)機(jī)柜顯示操作機(jī)柜時(shí)間第三階段20世紀(jì)60~70年代(1972)特點(diǎn)裝配靈活，功能分離（調(diào)節(jié)與顯示操作分離）主要產(chǎn)品Spec-200(美國?？怂共_公司)TF系列(上海自動(dòng)化儀表廠)MZ-Ⅲ系列(西安儀表廠)Ⅰ與單元組合式儀表結(jié)構(gòu)基本相同名稱集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分散監(jiān)測控制裝置人-機(jī)接口裝置通信網(wǎng)絡(luò)上位機(jī)接口裝置時(shí)間第四階段20世紀(jì)70~90年代(1975)特點(diǎn)操作、顯示、管理集中控制、負(fù)荷、危險(xiǎn)分散主要產(chǎn)品TDC-2000、TDC-3000、TPS、S9000(美國霍尼威爾公司)CENTUM-CS、XL、CS1000、CS3000(日本橫河公司)PCS7、PCS7-BOX(德國西門子公司)名稱現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場總線儀表通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)間第五階段20世紀(jì)95~05年代(2002)特點(diǎn)操作、顯示、管理一體化危險(xiǎn)分散，只控制一個(gè)回路主要產(chǎn)品FF基金會(huì)現(xiàn)場總線(美國費(fèi)歇爾-羅斯蒙特公司)PROFIBUS過程現(xiàn)場總線(德國西門子公司)（3）按結(jié)構(gòu)形式分類：單元組合式控制儀表：是根據(jù)控制系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)的不同功能和使用要求，將儀表做成實(shí)現(xiàn)一定功能的獨(dú)立儀表，各個(gè)儀表之間用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行聯(lián)系。變送單元 轉(zhuǎn)換單元控制單元 運(yùn)算單元顯示單元 給定單元執(zhí)行單元 輔助單元基地式控制儀表：將單元組合式控制儀表的幾個(gè)單元組合在一起，構(gòu)成一個(gè)儀表。（顯示、控制、測量、給定、運(yùn)算、通信等功能）；分類：機(jī)械式：早期的控制儀表電動(dòng)式：帶通信功能的智能化總線儀表是未來儀表發(fā)展的方向。集散控制系統(tǒng)：基本特點(diǎn)：分散控制、集中顯示和管理。（4）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)：特點(diǎn)：現(xiàn)場控制和雙向數(shù)字通信，將集中于控制室的控制功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場控制，現(xiàn)場設(shè)備與控制室內(nèi)的儀表或裝置之間采用雙向數(shù)字通信。現(xiàn)場總線：是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動(dòng)化設(shè)備的數(shù)字式、雙向傳輸、多節(jié)點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò)。三、信號制信號制即信號標(biāo)準(zhǔn)，指儀表之間采用的傳輸信

號的類型和數(shù)值.

所謂信號制是說在全套儀表系列中，各個(gè)儀表

的輸入和輸出采用那種統(tǒng)一的聯(lián)絡(luò)信號例如：氣動(dòng)儀表采用的信號制

0.2~1.0×102kPa

電動(dòng)儀表采用的信號制

4~20mADC（1）信號標(biāo)準(zhǔn)：A：氣動(dòng)儀表的標(biāo)準(zhǔn)：國標(biāo)GB777

20～100KPa或0·2～

1kgf/cm2；B：電動(dòng)儀表的標(biāo)準(zhǔn)：國標(biāo)GB339DDZ--Ⅲ：4-～20mADC

或

1～

5VDC

取樣電阻：250～750DDZ--Ⅱ：0～10mADC

0～1000

注意：本學(xué)期介紹的自動(dòng)化裝置除氣動(dòng)執(zhí)行器采用0.2~1.0×102kPa的氣壓信號之外，其它均采用4~20mA的電流信號。1、電流傳遞——電流接收的串聯(lián)方式

0~10mA傳送，0~10mA接收，220V交流供電，在DDZ-Ⅱ型儀表中（電動(dòng)單元組合式儀表）使用.也可用于4~20mA傳送，4~20mA接收.↓220V~220V~220V~I0R0Rcm發(fā)送儀表接收儀表接收儀表RiRi輸入電阻導(dǎo)線電阻輸出阻抗串聯(lián)直流電流傳輸：接收儀表R0I0IiRiRiRcm發(fā)送儀表為減小傳輸誤差，依據(jù)允許誤差和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)確定R0、Ri

,一般為保證信號在3～5km內(nèi)傳輸不受影響，且一個(gè)變送器輸出i能同時(shí)送給幾個(gè)接受儀表，要求：R0足夠大，而Rcm

及Ri

應(yīng)比較小為保證傳輸誤差ε在允許范圍之內(nèi)，應(yīng)要求R0>>Rcm+nRi

，故有

接收儀表R0I0IiRiRiRcm發(fā)送儀表電流傳輸?shù)奶攸c(diǎn):優(yōu)點(diǎn):發(fā)送儀表輸出電阻大（相當(dāng)于恒流源），

Ri足夠小時(shí)，傳輸導(dǎo)線長度在一定范圍內(nèi)人能保證準(zhǔn)確度，故電流信號適于遠(yuǎn)距傳輸；電流回路中串入一電阻，取壓方便。缺點(diǎn):

一臺(tái)儀表損壞或需增減接收儀表時(shí)，將影響其它儀表的工作；各臺(tái)儀表沒有公共接地點(diǎn)，若要和計(jì)算機(jī)聯(lián)用時(shí),各臺(tái)儀表要根據(jù)需要選擇自己的接地點(diǎn)，則應(yīng)在儀表輸入輸出端采取直流隔離措施。2、電壓傳遞——電壓接收的并聯(lián)方式

1~5V傳送，1~5V接收，24V直流供電U0R0發(fā)送儀表接收儀表接收儀表RiRiRcm/2Rcm/2UiUi24V24V并聯(lián)直流電壓傳輸：接收儀表RiRcm／２發(fā)送儀表R0U0Rcm／２IiRiRi

為減小傳輸誤差，要求：

R0和Rcm

盡量小，Ri大些為減小傳輸誤差,應(yīng)滿足Ri/n>>R0+Rcm

故有

Ui電壓傳輸?shù)奶攸c(diǎn):優(yōu)點(diǎn)：

設(shè)計(jì)安裝比較簡單；增加或取消某個(gè)接收儀表不影響其他儀表的工作；各接收儀表可設(shè)置公共接地點(diǎn)，可和計(jì)算機(jī)聯(lián)用。缺點(diǎn):若遠(yuǎn)傳電壓信號，則Rcm↑，引線電阻上電壓降↑,

勢必對接收儀表輸入阻抗Ri提出過高的要求，而Ri

過高易于引入干擾，故電壓信號不適于遠(yuǎn)距離傳輸由電流i、電壓u傳輸?shù)奶攸c(diǎn)：i適于遠(yuǎn)距離傳輸，u使用儀表可采用“并聯(lián)制”連接，故在國外的電動(dòng)儀表系統(tǒng)及我國DDZ-Ⅲ儀表進(jìn)出控制室的傳輸信號采用電流信號，控制室內(nèi)部儀表間聯(lián)絡(luò)信號采用電壓信號。即：連線的特點(diǎn)是電流傳輸、電壓接受、并聯(lián)接受電壓信號的方式

如下頁圖：3、電流傳遞——電壓接收的并聯(lián)方式

4~20mA傳送，1~5V接收，24V直流供電，在DDZ-Ⅲ型儀表、I系列、EK系列、YS-80系列、

YS-100系列中使用。I0R0發(fā)送儀表接收儀表接收儀表RiRiRcm/2Rcm/2UiUi24V24V并聯(lián)控制系統(tǒng)儀表之間的典型連接方式現(xiàn)場儀表（現(xiàn)場）架裝儀表（控制室盤后）盤裝儀表（控制室盤前）結(jié)論:現(xiàn)場與控制室之間采用電流傳輸控制室儀表間采用電壓傳輸>安全防爆基本知識(shí)氣動(dòng)儀表從本質(zhì)上來說具有防爆性能（不可能產(chǎn)生火花）。電動(dòng)儀表必須采取必要的防爆措施才具有防爆性能。原因：在某些生產(chǎn)現(xiàn)場存在著各種易燃、易爆氣體。安裝在這種危險(xiǎn)場所的儀表如果產(chǎn)生“火花”，就容易引起爆炸，故必須具有防爆性能。如:煉油、化工等生產(chǎn)現(xiàn)場，經(jīng)常含有氫、甲烷、乙烷、苯、氨等易燃易爆的氣體，它們和空氣中的氧和在一起構(gòu)成了爆炸性混合物。爆炸性混合物都是危險(xiǎn)的，但危險(xiǎn)程度是不一樣的。

爆炸危險(xiǎn)場所的區(qū)域劃分依據(jù)：爆炸性氣體出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時(shí)間0區(qū)(Zone0)－在正常情況下，爆炸性氣體混合物連續(xù)地、頻繁地出現(xiàn)或長時(shí)間存在的場所。1區(qū)(Zone1)－在正常情況下，爆炸性氣體混合物有可能出現(xiàn)的場所。2區(qū)(Zone2)－在正常情況下，爆炸性氣體混合物不可能出現(xiàn)，或即使出現(xiàn)也是短時(shí)間存在的場所。

防爆電氣設(shè)備的分類、分組防爆電氣設(shè)備分為兩大類：

Ⅰ類：煤礦用電氣設(shè)備

Ⅱ類：工廠用電氣設(shè)備Ⅱ類電氣設(shè)備可進(jìn)一步分為ⅡA、ⅡB、ⅡC三級。工廠用電氣設(shè)備防爆形式有以下八種形式，其標(biāo)志為：隔爆型(d)、本質(zhì)安全型(i)、增安型(e)、正壓型(p)、充油型(o)、充砂型(q)、澆封型(m)和無火花型(n)。本質(zhì)安全型設(shè)備又可以分為ia和ib兩個(gè)等級。工廠用防爆儀表的分級:0.45>MICR0.5≥dmaxIIC0.8≥MICR≥0.450.9>dmax>0.5IIBMICR>0.8dmax≥0.9IIAMICRdmax(mm)級別根據(jù)：最大試驗(yàn)安全間隙dmax（火焰不能傳播的最大間隙）

或最小點(diǎn)燃電流的比值MICR

工廠用防爆儀表的分組:根據(jù)：儀表最高表面溫度

450T1300T2200T3135T485100最高表面溫度T6T5溫度組別儀表的最高表面溫度=實(shí)測最高表面溫度―實(shí)測時(shí)環(huán)境溫度

+規(guī)定最高環(huán)境溫度防爆儀表的標(biāo)志防爆儀表的防爆標(biāo)志為“Ex”；儀表的防爆等級標(biāo)志的順序?yàn)椋悍辣褪?、類別、級別、溫度組別。過程控制儀表常見的防爆等級有iaIICT5(iaIICT6)和dIIBT3二種。前者表示II類本質(zhì)安全型ia等級C級T5組；后者表示II類隔爆型B級T3組。防爆儀表的分級與分組，與易燃易爆氣體或蒸汽的分級和分組是相對應(yīng)的。

硝酸乙脂二硫化碳乙炔氫、水煤氣IIC乙醚、二乙醚二甲醚、丙烯醛、碳化氫環(huán)氧丙烷、丁二烯、乙烯丙烯脂、二甲醚、環(huán)丙烷、市用煤氣IIB亞硝酸乙脂乙醛、三甲胺環(huán)乙烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷、汽油、煤油、柴油、戊醇、己醇、環(huán)乙醇乙醇、丁醇、丁烷、醋酸丁脂、醋酸戊脂、環(huán)戊烷、丙烯、乙苯、甲醇、丙醇甲烷、氨、乙烷、丙烷、丙酮、苯、甲苯、一氧化碳、丙烯酸、甲脂、苯乙烯、醋酸乙脂、醋酸、氯苯、醋酸甲脂IIAT685～100℃

T5100～135℃

T4135～200℃

T3200～300℃

T2300～400℃

T1>450℃

組別級別表：易燃易爆氣體或蒸汽的級別和組別儀表的防爆級別和組別是指它所能適應(yīng)的某種爆炸性氣體混合物的級別和組別即：對于表格中相應(yīng)級、組之上方和左方的氣體或蒸汽的混合物均可以防爆防爆標(biāo)志及其含義防爆標(biāo)志由以下5個(gè)部分構(gòu)成：標(biāo)志EX

－表示該設(shè)備為防爆電氣設(shè)備。結(jié)構(gòu)型式－表明該設(shè)備采用何種措施進(jìn)行防爆，如

d為隔爆型，i為本安型等。設(shè)備類別－I為煤礦井下用電設(shè)備，II為工廠用設(shè)備。防爆級別－為A、B、C三級，表明防爆能力強(qiáng)弱。溫度組別－為T1~T6六組，說明該設(shè)備的最高表面溫度允許值。例如:EXiaIIBT4

表示II類本質(zhì)安全型ia等級B級T4組2、儀表防爆的基本知識(shí)2：

用于危險(xiǎn)場所的儀表與控制系統(tǒng)，必須具有防爆性能。氣動(dòng)儀表從本質(zhì)上來說具有防爆性能（不可能產(chǎn)生火花）電動(dòng)儀表必須采取必要的防爆措施才具有防爆性能。電動(dòng)控制儀表、裝置的防爆：主要采用隔爆型和本質(zhì)安全型防爆措施隔爆型電動(dòng)控制儀表、裝置：特點(diǎn)：儀表電路與接線端子置于防爆殼體內(nèi)；措施：防爆殼體耐壓大于10個(gè)工業(yè)大氣壓；殼體表面溫升小，不能在通電運(yùn)行的情況下打開表殼進(jìn)行檢修或調(diào)校。本質(zhì)安全型電動(dòng)控制儀表、裝置：特點(diǎn)：在正常情況或規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)均不能引起規(guī)定的易爆氣體的爆炸。

即儀表電路本身固有的防爆性能Ia等級:在正常工作、一個(gè)故障和兩個(gè)故障時(shí)均不能點(diǎn)燃爆炸性氣體混合物的電器設(shè)備Ib等級：在正常工作和一個(gè)故障時(shí)不能點(diǎn)燃爆炸性氣體的電氣設(shè)備措施有：A：儀表采用低的工作電壓和小的工作電流

正常工作時(shí)u≤24VDC、i≤20mADC;

故障時(shí)u≤35VDC、i≤35mADCB：在線路設(shè)計(jì)上，對處于危險(xiǎn)場所的電路，選擇適當(dāng)?shù)碾娮琛㈦娙?、電感元件借以限制電火花能量，使其只產(chǎn)生安全火花。優(yōu)點(diǎn)：可在線檢修3、控制系統(tǒng)的防爆措施：控制系統(tǒng)的防爆的兩個(gè)條件：A：在危險(xiǎn)場所使用安全火花型的防爆儀表：B：在控制室儀表與危險(xiǎn)場所儀表之間設(shè)置安全柵。變送器執(zhí)行器安全柵安全柵控制器

現(xiàn)場危險(xiǎn)場所

控制室非危險(xiǎn)場所三、儀表分析方法：1、反向輸入放大電路：2、正向輸入放大電路：3、差動(dòng)輸入放大電路：4、電壓跟隨電路：5、多電源放大電路：圖圖圖圖圖3、模擬控制器：1）、控制器的功能：作用：將來自變送器的測量信號與給定信號相比較所產(chǎn)生的偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，并輸出控制信號到執(zhí)行器。其它的作用：偏差顯示、輸出顯示、提供內(nèi)給定信號與內(nèi)外給定選擇、正反作用切換、手動(dòng)操作及手自動(dòng)雙向切換。

2）DDZ-Ⅲ型電動(dòng)調(diào)節(jié)器（1）概述：品種：基型；特種調(diào)節(jié)器；主要性能：測量信號：1---5VDC外給定信號：4---20mADC輸出信號：4---20mADC負(fù)載電阻：250---750比例帶：2%---500%積分時(shí)間：0.01---22min微分時(shí)間：0.04---10min控制精度：%輸出保持特性：-01%每小時(shí)；（2）基型調(diào)節(jié)器的構(gòu)成：輸入PIPD輸出軟手操硬手操測量及給定指示UiU01U02U03Is2504—20mAI0US工作狀態(tài)：自動(dòng)、手動(dòng)（軟手動(dòng)、硬手）、保持；狀態(tài)切換：自動(dòng)軟手動(dòng)硬手動(dòng)軟手動(dòng)硬手動(dòng)自動(dòng)

自動(dòng)硬手動(dòng)軟手動(dòng)硬手動(dòng)調(diào)節(jié)作用方向選擇：（3）基本電路分析：A：輸入電路：作用：一是測量信號與給定信號相減得偏差信號再將其放大兩倍；二是電平移動(dòng)，將0V為基準(zhǔn)的Ui

轉(zhuǎn)換為UB（10V）為基準(zhǔn)的輸出信號U01。-+變送器250RC1USUC2R1R2R3R4UBR6R5R7R8U01+24VDC現(xiàn)場控制室U01=–2（Ui-Us）B：比例微分電路作用：是對輸入電路的輸出信號U01進(jìn)行比例微分運(yùn)算，整機(jī)的比例度和微分時(shí)間通過本電路進(jìn)行