控制装置与仪表讲义-控制装置与仪表的技术发展课件

控制装置与仪表华北电力大学自动化系第三讲：控制装置与仪表的技术发展1控制装置与仪表华北电力大学自动化系第三讲：控制装置与仪表的技控制仪表的技术发展基地式仪表；电动单元组合仪表；组件组装式仪表；数字式仪表；DCS系统；现场总线仪表FCS；2控制仪表的技术发展基地式仪表；2基地式仪表单参数，单回路；检测、放大、显示与控制是一个整体；系统功能固定；仪表之间不能相互兼容；返回3基地式仪表单参数，单回路；返回3电动单元组合仪表－(1)

——主要特点整套仪表分为若干个独立功能单元；各功能单元之间以统一标准信号联系；可以灵活组合各种控制系统；4电动单元组合仪表－(1)

——主要特点整套仪表分为若干个独电动单元组合仪表－(2)

——结构特点调节对象检测元件变送单元显示单元给定单元操作单元调节单元执行单元阀门被调量自动手动单元组合仪表5电动单元组合仪表－(2)

——结构特点调节对象检测元件变送电动单元组合仪表－(3)

——DDZ系列DDZ－I型（50年代）：电子管与磁放大器型；DDZ－II型（60年代）：晶体管型；DDZ－III型（70年代）：集成运算放大器型；DDZ－S型（80年代）：智能微处理器型；返回6电动单元组合仪表－(3)

——DDZ系列DDZ－I型组件组装式仪表（1）目标：大型企业综合自动化的需要；基本构成元件：集成运算放大器；结构特点：将以下两大功能分开 显示、操作功能—操作盘； 调节、运算与控制功能—控制柜；7组件组装式仪表（1）目标：大型企业综合自动化的需要；7组件组装式仪表（2）调节对象检测元件变送单元显示单元给定单元操作单元调节单元执行单元被调量自动手动组件组装式仪表分布图集控室现场返回8组件组装式仪表（2）调节对象检测元件变送单元显示单元给定单元数字式仪表（1）

——专用控制器单回路数字调节器（可编程调节器） 用于模拟量连续调节；可编程控制器PLC 用于开关量顺序控制；分散控制系统DCS由网络分为上下两层：上层实现数据处理与监督控制，下层实现控制功能；9数字式仪表（1）

——专用控制器单回路数字调节器（可编程调数字式仪表（2）

——可编程调节器解决了模拟仪表体积庞大、功能单一，控制系统实现困难等缺点，实现了将控制策略的硬接线变为软接线！10数字式仪表（2）

——可编程调节器解决了模拟仪表体积庞大、可编程调节器特点

又称数字调节器或单回路调节器。是以微处理器为核心部件的一种新型调节器。它的各种功能可以通过改变程序（编程）的方法来实现，故称为可编程调节器。特点：1、具有常规模拟仪表的安装的操作方式，可与模拟仪表兼容。2、具有丰富的运算处理功能。3、一机多能，可简化系统工程，缩小控制室盘面尺寸。4、具有完整的自诊断功能，安全可靠性高。5、编程方便，无须计算机软件即可操作，便于推广。6、通信接口能与计算机联机，扩展性好。11可编程调节器特点又称数字调节器或单回路调节器。是以微处理器数字式仪表（3）

——通用工业PCSTD总线工业PC；PC总线（ISA与PCI）工业PC；PC104标准工业PC；优点： 缺点：1、软件资源丰富； 1、可靠性依赖于设计；2、硬件功能软件化； 2、使用人员专业性强；3、系统构成灵活；(给水泵控制）4、成本较低；12数字式仪表（3）

——通用工业PCSTD总线工业PC；优点STD总线（1－1）

——系统总貌STD系列工控机包括Z80/64180、80x86、V20/V40、MCS51和MCS196等系列平台系统。该系列产品配有丰富的I/0模板100余种、多种工业控制网络及工控组态软件，广泛应用于各行各业，已有两万余套在工业现场运行，在我国工业自动化和传统产业技术改造中创造了很大的经济效益和社会效益。13STD总线（1－1）

——系统总貌STD系列工控机包括ZSTD总线（1－2）

——CPU主板和人机接口板CPU主板人机接口板14STD总线（1－2）

——CPU主板和人机接口板CPU主STD总线（1－3）

——２１槽模板机架

15STD总线（1－3）

——２１槽模板机架15PC总线（1－1）

——系统总貌

16PC总线（1－1）

——系统总貌

PC总线（1－2）

——系统主板17PC总线（1－2）

——系统主板17PC总线（1－3）

——MIC机箱汲取STD总线工业PC优点：可在线带电拔插！18PC总线（1－3）

——MIC机箱汲取STD总线工业PCPC总线（1－4）

——MIC主板19PC总线（1－4）

——MIC主板19PC总线（1－5）

——MIC连接方式20PC总线（1－5）

——MIC连接方式20PC104总线（1－1）

——系统特点PC/104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线；被IEEE协会定义为IEEE-P996.1；IEEE-P996是PC和PC/AT工业总线规范；PC/104实质上是一种紧凑型的IEEE-P996；其型号定义和PC/AT基本一致，但电气和机械规范却完全不同；是一种优化的，小型堆栈式结构的嵌入式控制系统。21PC104总线（1－1）

——系统特点PC/104是一种专PC104总线（1－2）

——系统总貌硬件上与PC/AT主要存在着以下不同：小尺寸结构,标准模块的机械尺寸为:3.6x3.8英寸(96x90mm)堆栈式，“针”“孔”总线连接，即PC/104总线模块之间总线的连接是通过上层的针和下层的孔相互咬和相连.有极好的抗震性。4mA总线驱动就可使模块正常工作(为驱动更多模块，一般设计采用24mA),低功耗,减少元件数量。自我堆栈式连接，无须母板。22PC104总线（1－2）

——系统总貌硬件上与PC/AT主PC104总线（1－3）

——系统主板PC/104标准尺寸：90×96mm23PC104总线（1－3）

——系统主板PC/104标准尺寸PC104总线（1－4）

——VGA显卡与EthernetLAN通信控制卡

VGA显卡EthernetLAN通信控制卡24PC104总线（1－4）

——VGA显卡与EthernetPC104总线（1－5）

——A/D转换，数字量I/O，定时/计数器扩展模块25PC104总线（1－5）

——A/D转换，数字量I/O，定接线端子26接线端子26数字式仪表（4－1.1）

——专用控制器应用举例控制给水阀门方式的水位控制系统原理图27数字式仪表（4－1.1）

——专用控制器应用举例控制给水阀数字式仪表（4－1.2）

——通用工业PC应用举例控制给水泵液力耦合器方式的水位控制系统原理图28数字式仪表（4－1.2）

——通用工业PC应用举例控制给水数字式仪表（4－2）

—通用工业PC应用举例直流锅炉给水控制系统29数字式仪表（4－2）

—通用工业PC应用举例直流锅炉给水数字式仪表（4－3）

——通用工业PC系统设计实例控制系统构成示意图30数字式仪表（4－3）

——通用工业PC系统设计实例控制系统数字式仪表（4－4）

——通用工业PC系统设计实例分布式控制系统构成示意图返回31数字式仪表（4－4）

——通用工业PC系统设计实例分布式控DCS系统（1）

——DistributedControlSystem网络分布结构图32DCS系统（1）

——DistributedControDCS系统（2）

——控制站与现场信号DCS系统结构分布图优点：4C技术综合应用；计算机网络的使用；使用方便；功能丰富；缺点：数字化不彻底；没有通信标准，兼容性差；自动化孤岛；33DCS系统（2）

——控制站与现场信号DCS系统结构分布图DCS系统（3）

——自动化孤岛说明INFI-90DCS系统网络结构图34DCS系统（3）

——自动化孤岛说明INFI-90DCSDCS系统（4）

——控制室一览采用DCS系统的200MW火电机组控制室返回35DCS系统（4）

——控制室一览采用DCS系统的200MW现场总线仪表FCS（1）

——FieldbusControlSystem现场仪表智能化——具有本地控制和总线通信的能力；控制系统结构彻底分散。进入80年代中后期，由于微电子技术、软件技术的长足发展，现代通信技术逐步向工业控制系统渗透，导致了现场总线逐步取代了4～20mA的模拟信号传输线，并由此引发了控制系统领域的技术革命。主要表现为：36现场总线仪表FCS（1）

——FieldbusContr现场总线特点现场总线是自动化领域的通信、网络技术,也被称之为工厂的底层网络（Infranet）总线是构成自动化系统的纽带，网络所传输的是控制信息。它是有别于计算机网络，电视、电话网络的另一类网络特点：适应工业应用环境，要求实时性强，可靠性高，安全性好。多为短帧传送，通信的传输速率相对较低。37现场总线特点现场总线是自动化领域的通信、网络技术,也被称之现场总线仪表FCS（2）

——8种现场总线国际技术标准国际上有8种关于现场总线技术标准：FF

H1，Control

Net，PROFIBUS，INTERBUS，P-Net，World

FIP，Swift

Net，FF之高速Ethernet即HSE。在过程自动化领域，主要是称为FF的基金会现场总线和Profibus-PA现场总线。两者在技术上有基本相似的体系结构。FF是惟一致力于世界统一现场总线标准的国际组织，对过程控制系统的发展影响最大。38现场总线仪表FCS（2）

——8种现场总线国际技术标准国际现场总线仪表FCS（3）

——结构特点39现场总线仪表FCS（3）

——结构特点39现场总线仪表FCS40现场总线仪表FCS40现场总线仪表FCS（4）

——FF仪表产品LD302：(FF)压力变送器TT302：(FF)温度变送器41现场总线仪表FCS（4）

——FF仪表产品LD302：(现场总线仪表FCS（5）

——总线分布结构42现场总线仪表FCS（5）

——总线分布结构42现场总线系统是企业的底层网络

(数字式基地式仪表)43现场总线系统是企业的底层网络

(数字式基地式仪表)43现场总线仪表FCS（6）

——数据访问标准：OPC44现场总线仪表FCS（6）

——数据访问标准：OPC44现场总线仪表FCS（7）

——FCS较DCS的诸多优点1全数字化2全分布3双向传输4自诊断5节省布线及控制室空间6多功能仪表7开放性8互操作性9智能化与自治性45现场总线仪表FCS（7）

——FCS较DCS的诸多优全分布、网络集成式控制系统46全分布、网络集成式控制系统46现场总线仪表FCS（8）

——仪表与控制系统构成间的联系：单回路控制系统47现场总线仪表FCS（8）

——仪表与控制系统构成间的联系：现场总线仪表FCS（9）

——仪表与控制系统构成间的联系：串级控制系统48现场总线仪表FCS（9）

——仪表与控制系统构成间的联系：汽温串级系统控制仪表结构布局示意图49汽温串级系统控制仪表结构布局示意图49现场总线仪表FCS（10）

——工程师站控制系统组态演示使用SmarSysCon5.0返回50现场总线仪表FCS（10）

——工程师站控制系统组态演示使控制装置与仪表华北电力大学自动化系第三讲：控制装置与仪表的技术发展51控制装置与仪表华北电力大学自动化系第三讲：控制装置与仪表的技控制仪表的技术发展基地式仪表；电动单元组合仪表；组件组装式仪表；数字式仪表；DCS系统；现场总线仪表FCS；52控制仪表的技术发展基地式仪表；2基地式仪表单参数，单回路；检测、放大、显示与控制是一个整体；系统功能固定；仪表之间不能相互兼容；返回53基地式仪表单参数，单回路；返回3电动单元组合仪表－(1)

——主要特点整套仪表分为若干个独立功能单元；各功能单元之间以统一标准信号联系；可以灵活组合各种控制系统；54电动单元组合仪表－(1)

——主要特点整套仪表分为若干个独电动单元组合仪表－(2)

——结构特点调节对象检测元件变送单元显示单元给定单元操作单元调节单元执行单元阀门被调量自动手动单元组合仪表55电动单元组合仪表－(2)

——结构特点调节对象检测元件变送电动单元组合仪表－(3)

——DDZ系列DDZ－I型（50年代）：电子管与磁放大器型；DDZ－II型（60年代）：晶体管型；DDZ－III型（70年代）：集成运算放大器型；DDZ－S型（80年代）：智能微处理器型；返回56电动单元组合仪表－(3)

——DDZ系列DDZ－I型组件组装式仪表（1）目标：大型企业综合自动化的需要；基本构成元件：集成运算放大器；结构特点：将以下两大功能分开 显示、操作功能—操作盘； 调节、运算与控制功能—控制柜；57组件组装式仪表（1）目标：大型企业综合自动化的需要；7组件组装式仪表（2）调节对象检测元件变送单元显示单元给定单元操作单元调节单元执行单元被调量自动手动组件组装式仪表分布图集控室现场返回58组件组装式仪表（2）调节对象检测元件变送单元显示单元给定单元数字式仪表（1）

——专用控制器单回路数字调节器（可编程调节器） 用于模拟量连续调节；可编程控制器PLC 用于开关量顺序控制；分散控制系统DCS由网络分为上下两层：上层实现数据处理与监督控制，下层实现控制功能；59数字式仪表（1）

——专用控制器单回路数字调节器（可编程调数字式仪表（2）

——可编程调节器解决了模拟仪表体积庞大、功能单一，控制系统实现困难等缺点，实现了将控制策略的硬接线变为软接线！60数字式仪表（2）

——可编程调节器解决了模拟仪表体积庞大、可编程调节器特点

又称数字调节器或单回路调节器。是以微处理器为核心部件的一种新型调节器。它的各种功能可以通过改变程序（编程）的方法来实现，故称为可编程调节器。特点：1、具有常规模拟仪表的安装的操作方式，可与模拟仪表兼容。2、具有丰富的运算处理功能。3、一机多能，可简化系统工程，缩小控制室盘面尺寸。4、具有完整的自诊断功能，安全可靠性高。5、编程方便，无须计算机软件即可操作，便于推广。6、通信接口能与计算机联机，扩展性好。61可编程调节器特点又称数字调节器或单回路调节器。是以微处理器数字式仪表（3）

——通用工业PCSTD总线工业PC；PC总线（ISA与PCI）工业PC；PC104标准工业PC；优点： 缺点：1、软件资源丰富； 1、可靠性依赖于设计；2、硬件功能软件化； 2、使用人员专业性强；3、系统构成灵活；(给水泵控制）4、成本较低；62数字式仪表（3）

——通用工业PCSTD总线工业PC；优点STD总线（1－1）

——系统总貌STD系列工控机包括Z80/64180、80x86、V20/V40、MCS51和MCS196等系列平台系统。该系列产品配有丰富的I/0模板100余种、多种工业控制网络及工控组态软件，广泛应用于各行各业，已有两万余套在工业现场运行，在我国工业自动化和传统产业技术改造中创造了很大的经济效益和社会效益。63STD总线（1－1）

——系统总貌STD系列工控机包括ZSTD总线（1－2）

——CPU主板和人机接口板CPU主板人机接口板64STD总线（1－2）

——CPU主板和人机接口板CPU主STD总线（1－3）

——２１槽模板机架

65STD总线（1－3）

——２１槽模板机架15PC总线（1－1）

——系统总貌

66PC总线（1－1）

——系统总貌

PC总线（1－2）

——系统主板67PC总线（1－2）

——系统主板17PC总线（1－3）

——MIC机箱汲取STD总线工业PC优点：可在线带电拔插！68PC总线（1－3）

——MIC机箱汲取STD总线工业PCPC总线（1－4）

——MIC主板69PC总线（1－4）

——MIC主板19PC总线（1－5）

——MIC连接方式70PC总线（1－5）

——MIC连接方式20PC104总线（1－1）

——系统特点PC/104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线；被IEEE协会定义为IEEE-P996.1；IEEE-P996是PC和PC/AT工业总线规范；PC/104实质上是一种紧凑型的IEEE-P996；其型号定义和PC/AT基本一致，但电气和机械规范却完全不同；是一种优化的，小型堆栈式结构的嵌入式控制系统。71PC104总线（1－1）

——系统特点PC/104是一种专PC104总线（1－2）

——系统总貌硬件上与PC/AT主要存在着以下不同：小尺寸结构,标准模块的机械尺寸为:3.6x3.8英寸(96x90mm)堆栈式，“针”“孔”总线连接，即PC/104总线模块之间总线的连接是通过上层的针和下层的孔相互咬和相连.有极好的抗震性。4mA总线驱动就可使模块正常工作(为驱动更多模块，一般设计采用24mA),低功耗,减少元件数量。自我堆栈式连接，无须母板。72PC104总线（1－2）

——系统总貌硬件上与PC/AT主PC104总线（1－3）

——系统主板PC/104标准尺寸：90×96mm73PC104总线（1－3）

——系统主板PC/104标准尺寸PC104总线（1－4）

——VGA显卡与EthernetLAN通信控制卡

VGA显卡EthernetLAN通信控制卡74PC104总线（1－4）

——VGA显卡与EthernetPC104总线（1－5）

——A/D转换，数字量I/O，定时/计数器扩展模块75PC104总线（1－5）

——A/D转换，数字量I/O，定接线端子76接线端子26数字式仪表（4－1.1）

——专用控制器应用举例控制给水阀门方式的水位控制系统原理图77数字式仪表（4－1.1）

——专用控制器应用举例控制给水阀数字式仪表（4－1.2）

——通用工业PC应用举例控制给水泵液力耦合器方式的水位控制系统原理图78数字式仪表（4－1.2）

——通用工业PC应用举例控制给水数字式仪表（4－2）

—通用工业PC应用举例直流锅炉给水控制系统79数字式仪表（4－2）

—通用工业PC应用举例直流锅炉给水数字式仪表（4－3）

——通用工业PC系统设计实例控制系统构成示意图80数字式仪表（4－3）

——通用工业PC系统设计实例控制系统数字式仪表（4－4）

——通用工业PC系统设计实例分布式控制系统构成示意图返回81数字式仪表（4－4）

——通用工业PC系统设计实例分布式控DCS系统（1）

——DistributedControlSystem网络分布结构图82DCS系统（1）

——DistributedControDCS系统（2）

——控制站与现场信号DCS系统结构分布图优点：4C技术综合应用；计算机网络的使用；使用方便；功能丰富；缺点：数字化不彻底；没有通信标准，兼容性差；自动化孤岛；83DCS系统（2）

——控制站与现场信号DCS系统结构分布图DCS系统（3）

——自动化孤岛说明INFI-90DCS系统网络结构图84DCS系统（3）

——自动化孤岛说明INFI-90DCSDCS系统（4）

——控制室一览采用DCS系统的200MW火电机组控制室返回85DCS系统（4）

——控制室一览采用DCS系统的200MW现场总线仪表FCS（1）

——FieldbusControlSystem现场仪表智能化——具有本地控制和总线通信的能力；控制系统结构彻底分散。进入80年代中后期，由于微电子技术、软件技术的长足发展，现代通信技术逐步向工业控制系统渗透，导致了现场总线逐步取代了4～20mA的模拟信号传输线，并由此引发了控制系统领域的技术革命。主要表现为：86现场总线仪表FCS（1）

——FieldbusContr现场总线特点现场总线是自动化领域的通信、网络技术,也被称之为工厂的底层网络（Infranet）总线是构成自动化系统的纽带，网络所传输的是控制信息。它是有别于计算机网络，电视、电话网络的另一类网络特点：适应工业应用环境，要求实时性强，可靠性高，安全性好。多为短帧传送，通信的传输速率相对较低。87现场总线特点现场总线是自动化领域的通信、网络技术,也被称之现场