控制装置与仪表课件

1、控制装置与仪表 第一章概论第二章控制装置与仪表的基础知识第三章变送器第四章防爆安全栅第五章数字调节器第六章执 行 机构第一章概论第一节控制装置与仪表的分类第二节控制装置与仪表的发展第三节模拟信号制及供电方式第四节全数字控制装置与仪表间的通信方式第一节控制装置与仪表的分类一、概述二、模拟控制装置与仪表1.基地式2.单元组合式（图1-1-1）3.组件组装式（图1-1-2）三、数字控制装置与仪表1.连续生产过程的控制装置2.断续生产过程的控制装置3.批量生产过程的控制装置图1-1-1单元组合式控制装置与仪表的组成结构图1-1-2组件组装式控制装置与仪表的组成结构第一节控制装置与仪表的分类四、连续生产

2、过程控制的数字控制装置1.数字调节器按控制回路数分：1) 单回路调节器 2) 多回路调节器按控制规律分：1) PID调节器； 2) PID参数自整定调节器；3) 自适应调节器； 4) 模糊控制器；5) 智能调节器等。第一节控制装置与仪表的分类2.工业控制计算机(1)工业控制计算机的构成(2)工业控制计算机的特点(3)高性能特点的PC/104总线工控机(4)PC_Based控制3.分散控制系统工业控制计算机的特点1)具有较完善的过程通道，便于将各种形式的信息变换, 并完成检测数据输入和控制信息输出。2)要有比较完善的中断系统和高速数据通道，以使其能迅速响应生产过程发出的中断请求，并能与生产过程实

3、时交换信息。3)具有高可靠性。4)具有人机联系功能，以便实现人机对话，及时地对生产过程进行必要的干预。5)具有能正确反映生产规律的数学模型，其数学模型只能近似反映出生产规律，其近似误差越小，或者说近似程度越接近，就越容易实现生产过程最佳控制，达到增加产量、提高产品质量、降低消耗、降低成本的目的。6)具有适于控制用的软件系统。PC_Based控制1)基于PC的控制系统的相关标准为了增强系统的兼容性能，基于PC的控制系统必须遵循PLC的国际标准(IEC 61131-3)和DCS的国际标准(IEC 61804)以及关于功能图的标准(IEC 61499)。2)国际上基于PC的控制系统发展情况世界上主要

4、的工业控制系统开发商正在如火如荼地发展基于PC的控制系统，大都推出了比较成熟的控制软件，并且极力进行推广。3)基于PC的控制系统的优点基于PC的控制系统具有良好的开放性，全面支持PC和Windows标准，通过OPC(相关内容见第九章)方便与第三方控制产品建立通信，便于与其他产品集成。第一节控制装置与仪表的分类五、火电厂热工控制装置与仪表的分类1.按能源形式分(1)自力控制仪表 (2)液动控制仪表(3)气动控制仪表 (4)电动控制仪表(5)混合式控制仪表2.按结构不同分(1)基地式控制仪表（图1-1-4） (2)单元组合式控制仪表(3)组件组装式控制仪表 (4)单回路调节器(5)分散控制系统(D

5、CS) (6)现场总线控制系统(FCS)第二节控制装置与仪表的发展一、发展概况二、发展趋势1.全数字、开放式的新一代DCS2.发展小型DCS，扩展应用覆盖面3.先进过程控制软件的应用4.人工智能、专家系统的应用第三节模拟信号制及供电方式一、信号制1.直流信号与交流信号比较具有的优点1)在信号传输线中，直流不受交流感应影响，易于解决仪表的抗干扰问题。2)直流不受传输线路的电感、电容及负荷性质的影响，不存在相位移问题，使接线简化。3)用直流信号便于进行模/数转换，统一信号采用直流信号，便于现场仪表和数字控制装置与仪表及装置配用。4)直流信号容易获得基准电压。2.直流电流信号（图1-3-1） 图1-

6、3-1应用电流信号时，仪表之间的连接第三节模拟信号制及供电方式这种串联有以下缺点：1)一台仪表损坏或需增减接收仪表时，将影响其他仪表工作。2)由于串联工作，所以调节器、变送器等的输出端均处于高电位工作，输出功率管易损坏，降低了仪表的可靠性。3)几台仪表串联工作时，由于每两台仪表相接的端子电位相同，因此在串联时需检查每台仪表的电路电位是否正确，这就对设计者和使用者在技术上提出了较。3.直流电压信号（图1-3-2）4.信号上下限大小的比较图1-3-2应用电压信号时，仪表之间的连接二、变送器信号传输方式1.四线制传输（图1-3-3）2.二线制传输（图1-3-4）必备条件：1) 采用有活零点的电流信号

7、。2) 必须是单电源供电。三、控制装置与仪表的供电方式1.交流供电第三节模拟信号制及供电方式图1-3-3四线制变送器图1-3-4二线制变送器第三节模拟信号制及供电方式2.直流集中供电好处：1) 每块表省去了电源变压器、整流及稳压部分，从而缩小了仪表的体积，减小了仪表的重量，并减少了发热元件，降低了仪表温升。2) 由于采用直流低电压集中供电，可以采取防停电措施，所以当工业用220V交流电断电时，能直接投入直流低电压(如24V)备用电源，从而构成无停电装置。3) 没有工业用220V交流电进入仪表，为仪表的防爆提供了有利条件。第四节全数字控制装置与仪表间的通信方式一、数字通信的优点1.简化了控制装置

8、与仪表的硬件结构，提高了装置准确度2.提高了信号传输准确度3.传输的信息更加丰富4.大大减少了布线的复杂性和费用二、 HART通信协议1.简介1)频移键控（图1-4-1）2)解调（图1-4-2）3)应用（图1-4-3和图1-4-4） 图1-4-1频移键控FSK调制原理图图1-4-2解调器原理图图1-4-3HART编码图1-4-4叠加在420mA模拟信号上的HART数字信号2.HART通信协议的特点3.HART通信的优势(1)双向通信 (2)多种信息 (3)多变量仪表 (4)互操作性三、现场总线通信1.传统DCS与FCS的区别（图1-4-5和图1-4-6）2.完整控制回路中信号的传送过程（图1-

9、4-7）3.现场总线控制系统的工作原理（图1-4-8）第四节全数字控制装置与仪表间的通信方式图1-4-5传统DCS接线方式图1-4-6FCS接线方式图1-4-7使用FCS仪表功能块构成控制回路示意图图1-4-8使用FCS控制仪表的模块及层次示意图第二章控制装置与仪表的基础知识第一节控制装置与仪表的基本概念与性能第二节控制装置与仪表信号的标准化第三节控制装置与仪表的干扰及抑制第一节控制装置与仪表的基本概念与性能一、基本概念1.调节系统控制电路的基本概念(1)测量、变送环节 (2)执行机构 (3)控制器2.变送单元量程调整的概念3.零点调整和零点迁移的基本概念4.控制装置与仪表的基本概念(1)变送

10、器 (2)控制器(3)执行机构 (4)控制机构二、控制装置与仪表的性能1.准确性 2.可靠性3.电磁兼容性 4.耐环境影响性第二节控制装置与仪表信号的标准化一、模拟气动信号二、模拟直流电流信号三、直流电流信号的优点1)直流信号比交流信号干扰少。2)直流信号对负载的要求简单。3)电流比电压更利于远距离传送信息。四、电压信号的辅助作用五、活零点的含义六、四线制与二线制1.四线制（图2-2-1） 2.二线制（图2-2-2）七、数字控制装置与仪表信号的标准化图2-2-1四线制传输图2-2-2二线制传输第三节控制装置与仪表的干扰及抑制一、干扰的来源与形式1.干扰的来源(1)经过漏电电阻耦合(2)经过公共

11、阻抗耦合(3)电场耦合（图2-3-1）(4)磁场耦合（图2-3-2）2.干扰的形式(1)串模干扰（图2-3-3）(2)共模干扰（图2-3-4）图2-3-1电场耦合引起干扰的等效电路a)电场耦合b)等效电路图2-3-2磁场耦合干扰等效电路a)磁场耦合b)等效电路图2-3-3串模干扰等效电路a)串模干扰b)等效电路图2-3-4共模干扰的形成a)热电偶测温b)分布电容c)接地点电位差二、硬件抗干扰措施1.隔离(1)变压器隔离（图2-3-5） (2)光电隔离（图2-3-6）(3)隔离放大器（图2-3-7）2.中和变压器（图2-3-8）3.浮空（图2-3-9）4.屏蔽5.信号导线的抗干扰6.滤波（图2-

12、3-10）7.隔离器件（图2-3-12和图2-3-13）8.飞渡电容技术（图2-3-14）第三节控制装置与仪表的干扰及抑制图2-3-5变压器隔离示意图图2-3-6光电隔离作用图2-3-7隔离放大器示意图图2-3-8中和变压器示意图图2-3-9浮空电路示意图图2-3-10无源滤波示意图图2-3-12解决电源冲突的方案图2-3-13省去外接电源的电流隔离器图2-3-14飞渡电容工作原理三、常用的软件抗干扰措施1.数字滤波技术(1)程序判断滤波1)限幅滤波2)限速滤波（图2-3-15）(2)中值滤波（图2-3-16）(3)算术平均值滤波(4)滑动平均值滤波(5)加权滑动平均滤波(6)一阶惯性滤波第三

13、节控制装置与仪表的干扰及抑制图2-3-15限速滤波程序流程图2-3-16中值滤波流程2.设置软件陷阱1) 程序中未使用的中断向量区2) 未使用的大片程序存储器空间3) 在程序存储器的数据表格的头尾处4) 程序区的“断裂处”3.“看门狗”技术四、数字控制仪表的标度变换 1.线性参数标度变换2.非线性参数的标度变换第三节控制装置与仪表的干扰及抑制第三章变送器第一节概述第二节电容式差压/压力变送器第三节扩散硅式压力/差压变送器第四节差压/压力变送器的零点迁移第五节温度变送器第六节智能压力变送器第七节其他变送器简介第八节变送器的计量标定第一节概述一、零点与量程定义二、零点迁移和量程调整三、量程比第二节

14、电容式差压/压力变送器一、概述二、变送器敏感部件的结构三、变送器工作原理四、电容式压力/绝对压力变送器使用安装1.电容式压力/绝对压力变送器主要特点1) 体积、质量小。2) 准确度高。3) 可靠性好。4) 量程可调范围大，且带有正、负迁移机构。5) 过载性能好。6) 具有可调阻尼装置，可以用于脉动流体的测量。7) 变送器可以附加LCD3 1/2位液晶显示指示器和指针式指示表。8) 变送器可分为普通型、隔爆型和本质安全型。2.差压变送器安装、使用和调整原则(1)差压变送器安装前需要注意的事项1)防爆变送器，在安装前必须检验其相关指标是否符合本仪表防爆认证体系规定。2)被测介质不允许结冰，否则将损

15、伤传感元件隔离膜片，导致变送器损坏。 (2)安装方法(3)引压管安装位置1) 腐蚀性或过热的介质不应与变送器接触。第二节电容式差压/压力变送器2) 防止渣子在引压管内沉淀。3) 两引压管里的液压头应保持平衡。4) 引压管尽可能短些。5) 引压管应装在温度梯度和温度波动小的地方。3.安装液位变送器(1)常压罐测量(2)密闭器罐测量(3)含有很强的冷凝气的密闭容器测量(4)安装使用注意事项1) 安装引压管时，高低压请勿接反。2) 测量液体流量时，取压口应开在流程管道的侧面，可以避免渣子沉淀。第二节电容式差压/压力变送器3) 测量气体流量时，取压口应开在流程管道的顶部或侧面，而变送器应装在取压口下方

16、，以便液体排入流程管道。4) 测量蒸汽流量时，取压口应开在流程管道的顶部或侧面，而变送器应装在取压口下方，以便冷凝液体流入引压管。5) 使用侧面有排气/排液阀的变送器时，取压口应开在流程管道的侧面。6) 工作介质为液体时，排气/排液阀在上面，以便排除气体。7) 工作介质为气体时，排气/排液阀在下面，以便排除积液，将法兰旋转180可以改变排气/排液阀的上、下位置。8) 测量蒸汽或其他高温介质时，不应使变送器的工作温度超过极限温度。第二节电容式差压/压力变送器误差原因：1) 泄漏。2) 摩擦损失(特别是使用喷吹系统时)。3) 液体管路积集气体(压头误差)。4) 气体管路积集气体(压头误差)。5)

17、两引压管间温差引起的密度变化(压头误差)。采取措施：1) 引压管应尽可能短些。2) 当测量液体或蒸汽时，引压管应向上连到流程工艺管道，并保证一定斜度。3) 对于气体测量时，引压管应向下连到流程工艺管道，并保证一定斜度。第二节电容式差压/压力变送器4) 液体引压管道的布设要避免中间出现高点，气体引压管的布设要避免中间出现低点。5) 两引压管应保持相同的温度。6) 为避免摩擦影响，引压管的口径应足够大。7) 充满液体的引压管中应无气体存在。8) 当使用隔离液时，两边引压管的液体要相同。9) 当采用洁净剂时，洁净剂连接处应靠近工艺管道取压口，洁净剂所经过的管路，其长度和口径应相同，应避免洁净剂通过变

18、送器。(5)变送器使用中注意的问题1) 变送器在测量非腐蚀性气体时，不需充灌任何液体，但在测量液体、蒸汽及应用隔离容器测量腐蚀性介质时，连接管路及变送器本身必须仔细充液。第二节电容式差压/压力变送器2) 只有严格遵守说明书规定的基准参数(如量程、压力、温度、导压管直径等)，才能保证变送器的准确使用。3) 变送器在使用过程中应定期检查它的准确性，检查时由变送器中放出充灌的液体，负压腔与大气相连，检查压力通入正压腔，同时记下显示仪表的指示值。4) 变送器在运行时或暂时不运行时，都应防止与变送器接触的液体(或隔离液)结冰，冰冻将导致变送器不能正常工作，甚至严重损坏变送器的测量部件。5) 变送器应防止

19、使用中遭雷击，否则有可能使电子线路受损。第二节电容式差压/压力变送器第三节扩散硅式压力/差压变送器一、概述二、压阻传感器原理三、压阻传感器的技术特点四、扩散硅式压力/差压变送器的不同测量方法1.差压变送器的几种应用测量方式（图3-3-3）2.压力式的绝压测量（图3-3-4）3.差压式的压力测量（图3-3-5）4.差压和流量测量（图3-3-6）5.液位测量（图3-3-7）6.差压系列中的绝压测量（图3-3-8）图3-3-3差压变送器的不同测量方法a)流体流量测量b)液位测量c)管路差压测量图3-3-4压力系列绝压测量元件功能示意图1测量元件2取压接口3密封膜片4内充液5绝压传感器输入压力图3-3

20、-5压力测量元件功能示意图1参考压力2测量元件3取压接口4密封膜片5内充液6硅式压力传感器输入压力图3-3-6差压和流量测量元件功能示意图1高压测输入压力2过程连接法兰3O形圈4测量元件5硅式压力传感器6过载保护膜片7密封膜片8内充液9低压侧输入压力图3-3-7液位变送器的测量元件功能示意图1工艺连接法兰2O形圈3硅式压力传感器4测量元件5过压保护膜片6测量元件内的密封膜片7测量元件内充液8连接安装法兰的充液毛细管9带接管法兰10连接法兰上的密封膜片图3-3-8绝压测量元件功能示意图1工艺连接法兰2测量元件内的密封膜片3O形圈4测量元件5硅式压力传感器6过压保护膜片7内充液8参考压力输入压力第

21、四节差压/压力变送器的零点迁移一、液面的迁移1.无迁移（图3-4-1）2.负迁移（图3-4-2）3.正迁移（图3-4-3）二、测量范围、量程范围和迁移量的关系（图3-4-4）三、差压变送器的零点迁移实例分析一锅炉汽包液位测量中的零点迁移 1.差压式密闭容器液位测量基本原理（图3-4-5）2.平衡容器结构及原理（图3-4-6）3.零点负向迁移原因分析4.零点负向迁移的实现图3-4-1无迁移原理图图3-4-2负迁移原理图图3-4-3正迁移原理图图3-4-4测量范围、量程范围和迁移量的关系图3-4-5差压式密闭容器液位测量系统框图图3-4-6双室平衡容器结构图四、差压变送器的零点迁移实例分析二开口容

22、器内液位测量五、差压/压力变送器的选择方法1.传感器、变送器的选择2.量程的确定3.准确度选择4.选择使用的温度范围5.与被测介质的匹配第四节差压/压力变送器的零点迁移第五节温度变送器一、DDZ-型温度变送器二、一体化温度变送器三、智能式温度变送器第六节智能压力变送器一、概述智能式变送器的特点：1)具有自动补偿能力，可通过软件对传感器的非线性、温漂、时漂等进行自动补偿。2)具有双向通信功能。3)具有数字量接口输出功能，可将输出的数字信号方便地和计算机或现场总线等连接。 二、ST3000智能压力变送器1.简介（图3-6-1）2.ST3000构成及工作原理图3-6-1ST3000智能压力变送器的结

23、构原理ST3000智能压力变送器通过双向数字通信具有以下功能：1)组态：可以选择操作参数位号、量程、输出形式、阻尼时间等，可把这些数据直接存入变送器存储器。2)诊断：可以对组态、通信、变送器或过程中出现的问题进行诊断。3)校验：可以校验变送器的输出或对现有的过程输入值整定零点。4)显示：可以显示变送器存储器中的信息。2. ST3000构成及工作原理（图3-6-2）(1)半导体复合传感器（图3-6-3）(2)微处理器(3)工作原理第六节智能压力变送器图3-6-2ST3000组成原理框图图3-6-3半导体复合传感器原理图三、3051C智能压力变送器（图3-6-4、图3-6-5、图3-6-6）四、通

24、用智能变送器（图3-6-7、图3-6-8）五、手持式HART通信器(1)HART手操器（图3-6-9）(2)HART手操器建立连接及通信（图3-6-10、11、12、13）(3)组态第六节智能压力变送器图3-6-43051C智能压力变送器框图图3-6-5传感器组件结构图3-6-6变送器现场接线图图3-6-7智能变送器原理框图图3-6-8HART协议智能变送器图3-6-9罗斯蒙特275型HART通信器图3-6-10HART手操器后部的连接面板图3-6-11手持式HART通信器与变送器连接示意图图3-6-12手持式HART通信器连接到电路示意图图3-6-13带负载电阻器的手操器连接示意图第七节其他

25、变送器简介一、浮球式液位变送器（图3-7-1）二、浮筒式液位变送器（图3-7-2）三、静压式液位变送器（图3-7-3）四、电容式物位变送器图3-7-1浮球式液位变送器图3-7-2浮筒式液位变送器原理示意图1心轴2固定端3扭力管4自由端图3-7-3静压式液位变送器原理示意图第八节变送器的计量标定一、模拟压力变送器的计量标定1.简介（图3-8-1）2.变送器零位和量程的调校（图3-8-2）1)调整零位。2)调整量程。3)撤除输入压力(即P=0)，调整零位调节螺钉，使输出读数为4mA。4)再从变送器的高压侧输入压力信号25kPa。5) 撤除输入压力信号，再调整零位。6) 输入量程的100%(25kP

26、a)，重复步骤3)5)的过程，直到输出满刻度值为。图3-8-1模拟压力变送器的计量标定示意图图3-8-2压力变送器零位和量程调节螺钉示意图二、智能压力变送器的计量标定1.简介（图3-8-3）1)组态/量程调整：是将过程变量和420mA输出建立对应关系。2)校准：是分别将智能压力变送器压力的数字读数和输入标准压力值、420mA电流的数字读数和输出电流标准表读数都建立正确的对应关系。2.变送器零位和量程的调校1)量程和零位按键在变送器电子部件上，如图3-8-4所示。2)同时按下“零”和“量程”按键至少610s，激活此二键。3)向变送器“H”腔加入4mA点压力后，按下“零”按键610s使输出电流变为

27、4mA。第八节变送器的计量标定4)向变送器“H”腔加入20mA点压力后，按“量程”按键610s，使输出电流变为20mA。5)当两键激活并调整完毕15min后，按键将重新被锁住，若需再次调整零位和量程，应关掉电源，1min后重新通电，方可再次调整零位和量程。6)调整后的量程必须位于传感器量大量程之内，最小量程范围必须符合最大量程比的限制，否则量程调整被拒绝。3.变送器零位和量程的调校举例第八节变送器的计量标定图3-8-3智能压力变送器框图图3-8-4智能压力变送器框图第四章防爆安全栅第一节概述第二节防爆安全的基本概念第三节本安防爆系统第四节齐纳式安全栅第五节隔离式安全栅第六节本安系统的安装、维护

28、与小结第一节概述一、仪表防爆的基本原理1.控制易爆气体2.控制爆炸范围3.控制引爆源二、仪表本安防爆技术第二节防爆安全的基本概念一、危险场所的划分二、爆炸性物质的分类、分级与分组1.分类2.分级与分组1)爆炸性气体的分级与分组(、类)。2)爆炸性粉尘和易燃纤维的分级分组(类)。三、防爆仪表的分类、分级和分组第三节本安防爆系统一、 本安防爆系统概况（图4-3-1）1.现场设备2.关联设备3.连接电缆二、本安防爆系统构成（图4-3-2）三、本安系统安全性评定和安全栅的选取1.本安系统安全性评定2.关联设备的选取原则(1)齐纳式安全栅的选用原则1)根据现场防爆要求，确定所需安全栅的防爆等级；2)检查

29、控制室仪表可能存在或产生的最高电压，确定安全栅最高允许电压；3)根据现场设备的信号、电源对地的极性，确定安全栅的极性；4)考虑安全栅端电阻压降的影响，确定系统能否正常工作；5)共模电压和漏电流的影响对信号响应的准确度；6)安全栅允许的分布参数是否合乎要求。 (2)变送器本安系统安全栅选用实例(图4-3-3)1)安全栅内部电阻Ri(端电阻)的选用：若Ri值较大，其在20mA信号附近可能由于压降太大而使系统无法正常工作；但若Ri值较小，则安全栅Isc较大可能使IscImax,从而不满足安全性能。第三节本安防爆系统2)提高系统的性能：从图4-3-3可以看出，仅有转换电阻Rc(250)和安全栅端电阻R

30、i可以减小，以提高变送器的工作电压，若Rc减小到100，则420mA信号将变为0.42.0V，而这对DCS的安装和应用提出了新的要求，显然不切实际。四、防爆安全栅的基本限能原理1.基本电路（图4-3-4）2.安全栅限能原理（图4-3-5）第三节本安防爆系统图4-3-1本安防爆系统构成图4-3-2本安防爆系统构成图图4-3-3变送器本安系统安全栅图4-3-4安全栅的基本电路构成图4-3-5安全栅的基本限能原理和基本限能电路第四节齐纳式安全栅一、电路结构与工作原理（图4-4-1）二、齐纳式安全栅结构原理1.输入端用齐纳式安全栅（图4-4-2、图4-4-3）2.输出端用齐纳式安全栅（图4-4-4、图

31、4-4-5）三、齐纳式安全栅安装方式（图4-4-6）四、齐纳式安全栅的最大允许负载参数五、齐纳式安全栅的防爆取证六、齐纳式安全栅选用步骤1) 所选用的齐纳式安全栅应已经防爆检测机构防爆认证，并有防爆合格证书。2) 根据工作现场所属的危险区域 ( 0区、1区、2区)，气体级别和温度级别来选择齐纳式安全栅的防爆等级 ( 安全栅防爆标志)，使其符合上述的防爆环境，由安全栅来限制传输到现场的能量，确保现场安全。3) 根据现场使用仪表的工作电压和工作电流对地的极性，选择齐纳式安全栅的极性 (正极性、负极性或交流极性)。4) 根据信号传输线路的数量，选择齐纳式安全栅的通道数 (单通道、双通道、三通道),由

32、安全栅的通道对传输线路进行保护。5) 根据二次仪表供电电压的大小，选择齐纳式安全栅的工作电压，供电电压应小于或等于齐纳式安全栅的工作电压。6) 当供电电压为 DCS中卡件直接供电时，请详细查阅DCS中的供电卡件资料。第四节齐纳式安全栅7) 本安防爆实质上是系统防爆，所以现场仪表和齐纳式安全栅一起由防爆检测机构进行系统防爆取证，根据防爆检测机构给出的最大电缆参数值Cc、Lc或L/R的大小，计算出电缆长度，选用电缆的型号，应满足传送距离的要求。七、齐纳式安全栅的实际应用1.变送器(1)420mA二线制变送器、智能变送器，DCS卡件供电(2)国产DDZ型变送器(3)三线制变送器(4)金属转子流量变送

33、器2.电气转换器、电气阀门定位器第四节齐纳式安全栅(1)调节器或DCS卡件为发射极输出电路(2)调节器或DCS卡件为集电极输出电路3.触点开关/接近开关4.电磁阀、发光二极管5.热电偶 6.热电阻 7.应变电桥八、改进型齐纳式安全栅（图4-4-19）第四节齐纳式安全栅图4-4-1齐纳式安全栅工作原理图图4-4-2配二线制变送器、电源与变送器共地时用的齐纳式安全栅原理电路及与变送器组成的系统图图4-4-3配二线制变送器双通道保护的齐纳式安全栅及与变送器组成的系统图图4-4-4配发射极输出型调节器的齐纳式安全栅电路及系统组成图4-4-5配集电极输出型调节器的齐纳式安全栅电路及系统组成图4-4-6安

34、全栅接地端导轨图4-4-19改进型齐纳式防爆栅原理图第五节隔离式安全栅一、隔离式安全栅结构原理 1) 由于采用了三方隔离方式，因此无需系统接地线路，给设计及现场施工带来极大方便。2) 对危险区的仪表要求大幅度降低，现场无需采用隔离式的仪表。3) 由于信号线路无需共地，使得检测和控制电路信号的稳定性和抗干扰能力大大增强，从而提高了整个系统的可靠性。4) 隔离式安全栅具备更强的输入信号处理能力，能够接受并处理热电偶、热电阻、频率等信号，这是齐纳式安全栅所无法做到的。5) 隔离式安全栅可输出两路相互隔离的信号，以提供给使用同一信号源的两台设备使用，并保证两设备信号不互相干扰，同时提高所连接设备相互之

35、间的电气安全绝缘性能。二、输入端用隔离式安全栅（图4-5-1）三、输出端用隔离式安全栅（图4-5-2）四、使用注意事项1) 隔离式安全栅应安装在非危险场所。2) 隔离式安全栅通往现场的软铜导线截面积必须大于0.5mm2。3) 连接导线的绝缘强度应大于500V。4) 隔离式安全栅本安端和非本安端电路配线，不得接错和混淆。5) 对隔离式安全栅进行单独通电调试时，必须注意隔离式安全栅的型号、电源极性、电压等级及隔离式安全栅外壳接线端上的标号。6) 严禁用兆欧表测试隔离式安全栅端子之间的绝缘性。7) 隔离式安全栅的安装、使用和维护应严格遵照中华人民共和国爆炸危险场所电气安全规程的有关条款。第五节隔离式

36、安全栅图4-5-1输入端用隔离式安全栅的构成原理示意图图4-5-2输出端用隔离式安全栅的构成原理示意图第六节本安系统的安装、维护与小结一、本安系统的安装与维护(1)本安系统接地必须满足的要求1)安全栅接地电阻必须小于1；2)接地导线截面积不小于4mm2(铜芯)或6mm23)所有接地必须牢固可靠，并利于例行检查；4)为提高接地可靠性应采用冗余设计，即在同一接地极上用双根导线并联接地。(2)若本安电路系统在安装完好并供电之后依然不能工作，则应从以下几个方面寻找解决问题的根源1)确认线路连接可靠；2)检查电路是否正常供电；3)检查安全栅的熔丝。二、小结1.安全栅的防爆机理2.使用安全栅注意事项1)注

37、意线缆和现场设备的容抗和感抗，本安防爆是系统防爆，除了安全栅需要达到所需的防爆等级外，线缆和现场设备的蓄能也是一个关键问题。2)要注意本安接地，齐纳式安全栅需要本安接地，接地电阻应小于1。3)本安线缆与非本安线缆应分开敷设在不同的线槽里，并应有明显标识。4)更换安全栅时应注意断电操作。 3.隔离式安全栅与齐纳式安全栅的选择第六节本安系统的安装、维护与小结第五章数字调节器第一节概述第二节模拟量输入输出通道第三节数字PID调节器第四节数字PID调节器参数的整定第一节概述一、数字调节器的硬件构成（图5-1-1）二、数字调节器的软件构成图5-1-1数字调节器的硬件构成第二节模拟量输入输出通道一、模拟量

38、输入通道（图5-2-1）1.信号调理电路2.多路模拟开关3.前置放大器4.采样保持器5. A/D转换器二、模拟量输出通道1) 开关量输出(DO)通道与DI通道一样，为了防止外电路的干扰，往往做成隔离型通道，即DO通道与主机间无直接电连接。2) 模拟量输出(AO)通道输出范围一般为010mA或420mA电流型。图5-2-1模拟量输入通道构成第三节数字PID调节器一、PID控制算式1.PID控制算式的基本形式2.实际控制系统中PID算法的不同改进形式(1)不完全微分形式（图5-3-1）(2)微分先行PID控制模式（图5-3-2）(3)积分分离PID控制(4)带有死区的PID控制二、PID控制程序（

39、图5-3-3）1.PID调节器正、反作用的概念2.调节器的工作状态3.参数的初始化4.输出限幅和抗积分饱和三、数字PID调节器的手、自动跟踪控制方式1.简介2.控制器的手动、自动无扰切换实现四、数字PID调节器的正、反作用方式1.“控制器正反作用”方式的定义2.“正反作用”方式的选择1) 假设检验法。2) 回路判别法。第三节数字PID调节器图5-3-1PID控制算式的输出特性a)理想微分式b)非理想微分式图5-3-2微分先行PID的结构图图5-3-3PID控制程序流程图第四节数字PID调节器参数的整定一、常规PID参数设置一般经验1.负反馈2. PID一般表达式3. PID调试一般原则1)在输

40、出不振荡时，增大比例增益Kp；2)在输出不振荡时，减小积分时间常数Ti；3)在输出不振荡时，增大微分时间常数Td。4. PID调试一般步骤(1)确定比例增益Kp(2)确定积分时间常数Ti(3)确定微分时间常数Td(4)系统投入自动，再对PID参数进行微调，直至满足要求5.调节系统中PID经验数据1)温度：Kp=20%60%，Ti=180600s，Td=3180s；2)压力：Kp=30%70%，Ti=24180s；3)液位：Kp=20%80%，Ti=60300s；4)流量：Kp=40%100%，Ti=660s。二、常规PID参数工程整定经验数据法1.经验数据法2.试凑法(1)比例部分整定(2)积

41、分部分整定(3)微分部分整定第四节数字PID调节器参数的整定3.扩充临界比例度法1)选择一个足够短的采样周期Ts。2)让系统作纯比例控制，并逐渐缩小比例度=1/Kp使系统产生临界振荡。3)选定控制度。三、基于优化算法整定PID参数1.PID参数自寻优控制需要解决的主要问题2.性能指标选择（图5-4-1）3.单纯形寻优法（图5-4-2）4.具体实现实例第四节数字PID调节器参数的整定图5-4-1性能指标选择示意图a)性能指标为阴影面积之和b)性能指标为绝对差值之和图5-4-2单纯形算法原理图第六章执 行 机 构第一节概述第二节气动执行器（图6-2-1）第三节调节阀第四节电气转换器及阀门定位器第五

42、节电动执行机构第六节手动操作器第七节智能执行机构第八节控制系统中气动执行机构应用实例分析图6-2-1气动执行器结构第二节气动执行器一、气动执行机构简介1.气动薄膜式执行机构2.气动活塞执行机构二、调节机构简介（图6-2-3）三、电/气转换器及阀门定位器简介1.电气转换器（图6-2-4）2.阀门定位器（图6-2-5、图6-2-6）3.阀门定位器的用途4.阀门定位器工作原理（图6-2-7）5.阀门定位器分类阀门定位器的用途1)阀门定位器增加执行机构的输出功率，克服阀杆与填料之间的摩擦力和介质对阀心产生的不平衡力，适于高压差、大口径和含有固体悬浮物介质或黏性流体场合。2)减少控制信号的传递滞后，加快

43、阀杆的移动速度。3)提高控制信号与执行机构输出位移之间的线性度，保证调节阀的准确定位。阀门定位器分类(1)按输入信号分1)气动阀门定位器的输入信号是标准气信号。2)电/气阀门定位器的输入信号是标准电流或电压信号。3)智能阀门定位器将控制室输出的电流信号转换成驱动调节阀的气信号，根据调节阀工作时阀杆摩擦力，抵消介质压力波动而产生的不平衡力，使阀门开度对应于控制室输出的电流信号。(2)按动作方向分1)单向阀门定位器用于活塞式执行机构时，阀门定位器只有一个方向起作用。2)双向阀门定位器作用在活塞式执行机构汽缸的两侧，在两个方向起作用。(3)按阀门定位器输出和输入信号的增益符号分1)正作用阀门定位器的

44、输入信号增加时，输出信号也增加，因此，增益为正。2)反作用阀门定位器的输入信号增加时，输出信号减小，因此，增益为负。(4)按阀门定位器输入信号分1)普通阀门定位器的输入信号是模拟气压或电流、电压信号。2)现场总线电气阀门定位器的输入信号是现场总线的数字信号。(5)按阀门定位器是否带CPU分(6)按反馈信号的检测方法阀门定位器分类图6-2-3气动执行器的结构示意图1膜片2弹簧3推杆4阀心5阀座图6-2-4电/气转换器结构示意图图6-2-5电/气阀门定位器原理图图6-2-6阀门定位器作用图a)气动阀门定位器b) 电/气阀门定位器图6-2-7电/气阀门定位器作用原理第三节调节阀一、概述1.调节阀的作

45、用（图6-3-1）2.调节阀的功能(1)调节功能1)流量特性2)可调范围R3)流量系数Kv(2)克服压差功能(3)防堵功能3.调节阀的类型图6-3-1电站锅筒锅炉给水调节系统的构成a)调节系统的构成b)自动控制系统原理框图二、调节阀结构1.调节阀的构成2.气动薄膜执行机构（图6-3-2）三、调节阀的分类1.直通单座阀2.直通双座阀3.角形阀4.套筒阀5.蝶阀6.偏心旋塞阀7.球阀第三节调节阀图6-3-2气动薄膜调节阀工作原理四、电气转换器（图6-3-5）五、气动薄膜执行机构1.气动薄膜执行机构（图6-3-6）2.气动阀门定位器3.气动薄膜式执行机构的正作用和反作用（图6-3-7）4.气动薄膜式

46、执行机构的优缺点六、气动活塞执行机构1.直行程活塞执行机构 (1)无弹簧式活塞执行机构1)用于故障下要求阀保位的场合；2)用于大口径阀要求执行机构推力特别大的场合；第三节调节阀3)对两位阀配用二位五通电磁阀，对调节型的阀配用双作用式阀门定位器。(2)有弹簧式活塞执行机构(3)双层活塞执行机构2.角行程活塞执行机构3.气动活塞式执行机构的使用(1)单作用型（图6-3-9）(2)双作用型（图6-3-10）第三节调节阀图6-3-5电气转换器简化原理图1喷嘴2挡板3磁钢4支点5平衡锤6波纹管7放大器8气阻9调零弹簧10可动铁心图6-3-6气动阀门定位器与气动薄膜执行器的配合示意图1波纹膜片2压缩弹簧3

47、调节件4推杆5阀杆6压板7上阀盖8阀体9下阀盖10阀座11阀心12填料13反馈连杆14反馈凸轮15挡板16喷嘴17气动放大器18托板19波纹管20拉紧弹簧图6-3-7气动薄膜式执行机构的正作用和反作用示意图a)正作用(ZMA型)b)反作用(ZMB型)1上阀盖2薄膜室3波纹膜片4阀杆5阀座6阀体7阀心8推杆9平衡弹簧10下盖图6-3-9单作用气动活塞式执行机构a)CCW(逆时针方向)b)CW(顺时针方向)图6-3-10双作用气动活塞式执行机构a)CCW(逆时针方向)b)CW(顺时针方向)第四节电气转换器及阀门定位器一、定位器、转换器的工作原理1.定位器、转换器的种类(1)机械式电/气阀门定位器（

48、图6-4-2）(2)电子式电/气阀门定位器（图6-4-4）2.定位器的主要作用(1)改善阀的静态特性(2)改善阀的动态特性(3)改变阀的流量特性(4)用于分程控制(5)用于阀门的反向动作3.阀门定位器发展历程图6-4-2机械式电/气阀门定位器原理1平衡弹簧2磁铁3杠杆14恒节留口5气动放大器6喷嘴7挡板8杠杆29偏心凸轮10滚轮11调节阀12平板图6-4-4电子式电/气阀门定位器原理图二、阀门定位器E/P转换单元及其工作原理1.E/P转换单元的类型2.线圈喷嘴/挡板式EP单元(1)工作原理（图6-4-7）(2)线圈喷嘴/挡板式E/P定位器的缺点3.压电阀式EP单元(1)工作原理（图6-4-8、

49、图6-4-9）(2)结构原理（图6-4-10）(3)压电阀式E/P转换单元的优点第四节电气转换器及阀门定位器图6-4-7线圈喷嘴/挡板式EP单元的工作原理图1线圈2主杠杆3平衡弹簧4反馈凸轮支点5反馈凸轮6副杠杆7副杠杆支点8气室9反馈杆10滚轮11反馈弹簧12调零弹簧13挡板14喷嘴15主杠杆支点16气动放大器图6-4-8压电阀初始状态图6-4-9压电阀通电状态图6-4-10E/P转换单元控制原理图1过滤器2可调节流器3压电阀 4移动阀心5复位弹簧6压电阀7排气阀心8排气弹簧9气动调节阀三、智能型电气阀门定位器1.引言2.常规定位器的问题3.智能定位器（图6-4-12、13、14、15、16

50、）4.智能定位器的多功能化5.智能定位器的自动调校功能6.智能定位器在线修改参数功能7.将和现场总线连用8.智能定位器的应用第四节电气转换器及阀门定位器图6-4-12智能型电/气阀门定位器图6-4-13智能型电/气阀门定位器原理图图6-4-14智能电气阀门定位器功能图1主板2控制面板3单作用定位器4双作用定位器5控制器接口模块6报警模块7限位开关报警模块8弹簧复位气动执行机构(单作用)9无弹簧复位气动执行机构(双作用)图6-4-15智能定位器工作原理图6-4-16智能定位器双气动阀系统四、过程控制应用中阀门定位器的选型1.阀门定位器能否实现“分程(SPLITranging)”2.零点和量程的调

51、校是否容易、方便3.零点和量程的稳定性4.阀门定位器的准确度5.阀门定位器对空气质量的要求6.零点和量程的标定两者是相互影响还是相互独立7.阀门定位器是否具备“旁路”(Bypass)可允许输入信号直接作用于调节阀8.阀门定位器的作用是否快速9.阀门定位器的频率特性(或称频率响应)，系统对正弦输入的稳态响应第四节电气转换器及阀门定位器第五节电动执行机构一、电动执行机构的用途二、电动执行机构分类及主要技术性能1.电动执行机构从输出方式上可分三大类1) 角行程电动执行机构；2) 直行程电动执行机构；3) 多转型电动执行机构。2.电动执行机构主要技术性参数1) 输入型号：420mA(型)或010mA(

52、型)。2) 额定力矩：角行程(例如：10024000Nm)；直行程(例如：4004000N)；多转型(例如：4001000Nm)。3) 额定行程：角行程90；直行程10、16、25、40、60、100mm；多转型136圈等。 三、电动执行机构组成及工作原理（图6-5-1、2）1.伺服放大器（图6-5-3）2.磁放大器工作原理3.两相伺服电动机（图6-5-12）4.机械减速器（图6-5-16）5.位置发送器6.电动执行机构的操作方式(1)自动操作方式(2)手动操作方式(3)就地操作方式第五节电动执行机构图6-5-1电动执行机构原理框图图6-5-2电动执行机构主要组成框图图6-5-3伺服放大器框图

53、图6-5-12交流伺服电动机结构图6-5-16机械减速器结构示意图a)减速器的机械传动示意图b)机械减速器结构示意图1电动机2平齿轮3齿轮4摆轮5销轴、销套6偏心轮7联轴器8轴承9输出轴10内齿轮11齿轮12盘簧13凸轮14手轮15限位销16差动变压器四、电动执行机构的输出方式1.直行程电动执行机构DKZ(图6-5-21）2.角行程电动执行机构DKJ(图6-5-22） 3.S系列(SKZ、SKJ)电动执行机构（图6-5-24、25）4.电子式电动执行机构1) 可靠性高。2) 执行机构、伺服放大器一体化，其伺服放大器小到如烟盒大小。3) 超小超轻。4) 多功能。5) 调整方便。6) 性价比高。第

54、五节电动执行机构图6-5-21DKZ电动执行机构图6-5-22DKJ电动执行机构图6-5-24SKZ直行程电动执行机构图6-5-25SKJ角行程电动执行机构第六节手动操作器操作器的主要功能：(1)无扰动切换功能(2)跟踪功能(3)联锁保护功能(4)中途限位功能(5)指示功能一、Q型操作器（图6-6-1）二、D型电动操作器1.使用特点2.操作器主要技术参数图6-6-1Q型操作器在控制系统中的位置1)调节器信号输入：DC 420mA，无误差地传送给执行机构。2) 操作器控制信号输出：DC 420mA。3) 控制信号负载电阻：750。4)阀位反馈输入：DC 420mA(输入电阻250)。5) 跟踪电

55、压输出：DC 15V。6) 状态指令输出：(参见图6-6-5中的 端子)“自动”时接通，“手动”时断开(无源接点)。7) 状态指令输入：调节器正常时，无源接点“断”或OC门呈“断”(高电平)状态。8) 电源：DC 24V1.2V(带自复保险丝保护)，或220V，50(15)Hz。第六节手动操作器三、操作器工作原理（图6-6-5）1.手动操作工作原理2.跟踪及“手动自动”的无扰动切换工作原理3.“自动”“手动”无扰动切换工作原理4.联锁保护工作原理5.调节器输出值指示工作原理6.操作器掉电处理第六节手动操作器图6-6-5调节系统及操作器原理图跟踪及“手动自动”的无扰动切换工作原理1)阀位反馈电流

56、从端子引入操作器，在指示器M1上显示，并经250精密电阻转换成15V电压信号从端子输出，送至调节器。2)与此同时，操作器将状态信号从端子输出送至调节器。3)调节器内设计有自动跟踪程序，即在操作器处于“手动”状态时，使其输出AO跟踪阀位信号。4)具备自动跟踪性能的调节系统，通过操作器面板上的拨动开关S，从“手动”切换到“自动”时就实现了无扰动切换。联锁保护工作原理1) 联锁保护是调节系统的重要功能，工控机和小型DCS，由于冗余欠完善，调节器也是如此，都需要配以后备手操，操作器在调节器的配合下，完成系统的联锁保护，从而大大提高系统的安全可靠性。2) 在图6-6-5中，操作器的外部联锁信号从端子输入

57、，当调节器异常时，端子变为低电平，继电器K被激励，切断调节器送至执行机构的控制信号，使执行机构保持阀位。3) 联锁保护动作后，由于S仍处于“A”位置，手操电流还无法送到执行机构，因此，必须将S打到“手动”位置，才能实现手操。调节器输出值指示工作原理1) 操作器处于“自动”位置时，调节器输出电流从操作器的端子进入操作器，经指示器上指针Mh从端子输出送至执行机构。2) 操作器处于“手动”位置时，调节器输出电流通往执行机构的通路被切断，但通过开关S的“M”点构成回路，指示器仍正常指示。3)当操作器处于“自动”状态，同时有报警信号输入时，由于继电器动作，其常闭接点断开，使调节器输出电流回路断开，所以上

58、指针示值0 刻度。操作器掉电处理1)操作器内配有自复保险丝，勿需更换。2)操作器掉电后，操作人员往往不大注意。3)掉电时，如果操作器处于“自动”状态，则掉电不影响自动调节系统的正常运行。4)掉电时，如果操作器处于“手动”状态，因恒流源无法工作，因此手操无法进行。5)掉电时，由于所有指示灯全不亮，所以操作器的状态只能从拨动开关的位置做出判断。第七节智能执行机构一、智能电动执行机构1. DKJ型电动执行机构及其不足2.智能电动执行机构特点3.单相智能电动执行机构工作原理（图6-7-1）4.几种典型智能电动执行机构(1)IKZL智能型电动执行机构(2)ONTRAC(3)IQ系列智能电动执行机构5.调

59、节阀流量特性修正DKJ型电动执行机构及其不足1) 产品规格品种较单一，且只有一种位移速度，不能满足一些复杂系统要求。2) 没有力矩保护和行程开关，虽然电动机能堵转，但其转矩(或力矩)一直施加在阀门或生产设备上，使阀门或生产设备容易受损而减小使用寿命。3) 制动器容易磨损，电容击穿问题也较大，平均故障间隔时间(MTBF)为10000h左右。4) 在机械上不能自锁，增加了对制动器的可靠性要求。智能电动执行机构特点1) 主要参数技术指标先进，如工作死区、基本误差、回差等指标已达到或接近世界先进水平，超过国内现有DDZ、型电动执行机构。2) 采用微机和数字显示技术，以智能伺服放大器取代传统伺服放大器，

60、以数字式操作器取代原有模拟式操作器。3) 功能强、使用方便，具有自诊断、自调整和PI调节等功能。4) 增加了流量特性软件修正。5) 在调节中采用了电制动技术和断续调节技术，对具有自锁功能的执行机构可以取消机械摩擦制动器，大大提高了整机的可靠性。图6-7-1单相智能电动执行机构的结构IKZL智能型电动执行机构的特点1) 以单相交流220V电源为动力。2) 采用高性能导电塑料电位器为位置传感器，准确度高、寿命长。3) 用永磁式交流同步电动机作驱动电动机，短时间超负荷情况下不会损坏。4) 内置记忆芯片于控制部件，在输入电压低于额定电压前的瞬间，自动记下现场数据，当输入电压恢复正常后，能保证系统继续工