第一章-控制装置

控制仪表与计算机控制装置一、概论1、控制仪表与装置总体概述：1)自动控制系统和控制仪表:

人工操作图

液位自动控制系统图人工操作与自动控制比较>控制仪表与控制系统自动控制系统一般由被控对象、变送器、控制器和执行器构成，其方框图如下所示：给定值被控参数被控介质简单控制系统变送器执行器控制器被控对象控制器执行器对象变送器spT+-PV被控参数被控介质被控对象－需要调节其工艺参数的生产设备。变送器－把工艺参数转换成标准统一信号的装置。控制器－将来自变送器的测量值与给定信号相比较后产生的偏差信号,按照预先设定好的控制规律进行运算后，输出一个控制信号去执行器。执行器－把控制器的输出信号转换成直线位移或角位移，以控制阀门的开度。此外，根据需要还可设有显示、转换、计算、辅助、给定装置。2）控制仪表与装置的分类及特点

（1）按能源形式分类：电动气动液动机械式在工业过程控制中，主要使用电动控制仪表和气动控制仪表电动控制仪表具有能源获取方便，信号传输和处理容易，便于实现集中显示和操作等特点。（在工业过程控制中广泛使用）气动控制仪表结构简单、性能稳定、可靠性高、易于维护、安全防爆等特点。（石油、化工有爆炸危险的场所）电动控制仪表气动控制仪表能源电源（220VAC/24VDC）气源（140kPa）传输信号电信号（电压、电流、数字）气压信号元、器件电子元器件气动元件接线导线导管电磁干扰与防爆受电磁干扰影响须采取抗干扰、防爆措施不受电磁干扰影响本质上安全防爆电动控制仪表和气动控制仪表的比较（2）按信号类型分类：模拟式：模拟元器件构成，其传输信号为连续变化的模拟量（电流、电压、气压）；特点：操作简单，使用灵活，价格较低？？？数字式：以微处理器、单片机等大规模集成电路为基础，其传输信号为断续变化的数字量（脉冲信号）；特点：数值、逻辑运算功能强、控制算法实现容易，性能优越。性价比高。（3）按结构形式分类---发展发展史大约有70多年，大体可分成四个阶段时间第一阶段20世纪30~40年代(1935)名称基地式仪表结构将测量、显示、纪录、调节都放在一个表壳里的仪表(以指示记录仪表为中心，附加某些调节机构)特点结构简单适于单参数就地控制主要产品KF系列气动基地式仪表(日本山武-霍尼威尔公司)带PID调节的电子电位差计(上海自动化仪表厂)名称单元组合式仪表结构将整套仪表划分成若干个单元，各单元之间采用统一的标准信号连接。使用时根据需要，经过不同的搭配，就可组成各种各样的检测及控制系统时间第二阶段20世纪40~50年代(1955)特点应用灵活，通用性强主要产品Ⅰ系列、EK系列仪表(日本横河公司)国产DDZ-Ⅱ、DDZ-Ⅲ系列仪表(北京、上海、西安、大连、天津、吉林、重庆等仪表厂)名称组装式综合控制装置结构运算调节机柜显示操作机柜时间第三阶段20世纪60~70年代(1972)特点装配灵活，功能分离（调节与显示操作分离）主要产品Spec-200(美国福克斯波罗公司)TF系列(上海自动化仪表厂)MZ-Ⅲ系列(西安仪表厂)Ⅰ与单元组合式仪表结构基本相同名称集散控制系统结构分散监测控制装置人-机接口装置通信网络上位机接口装置时间第四阶段20世纪70~90年代(1975)特点操作、显示、管理集中控制、负荷、危险分散主要产品TDC-2000、TDC-3000、TPS、S9000(美国霍尼威尔公司)CENTUM-CS、XL、CS1000、CS3000(日本横河公司)PCS7、PCS7-BOX(德国西门子公司)名称现场总线控制系统结构现场总线仪表通信网络时间第五阶段20世纪95~05年代(2002)特点操作、显示、管理一体化危险分散，只控制一个回路主要产品FF基金会现场总线(美国费歇尔-罗斯蒙特公司)PROFIBUS过程现场总线(德国西门子公司)（3）按结构形式分类：单元组合式控制仪表：是根据控制系统各组成环节的不同功能和使用要求，将仪表做成实现一定功能的独立仪表，各个仪表之间用统一的标准信号进行联系。变送单元 转换单元控制单元 运算单元显示单元 给定单元执行单元 辅助单元基地式控制仪表：将单元组合式控制仪表的几个单元组合在一起，构成一个仪表。（显示、控制、测量、给定、运算、通信等功能）；分类：机械式：早期的控制仪表电动式：带通信功能的智能化总线仪表是未来仪表发展的方向。集散控制系统：基本特点：分散控制、集中显示和管理。（4）现场总线控制系统：特点：现场控制和双向数字通信，将集中于控制室的控制功能分散到现场设备中，实现现场控制，现场设备与控制室内的仪表或装置之间采用双向数字通信。现场总线：是连接智能现场设备和自动化设备的数字式、双向传输、多节点的通信网络。三、信号制信号制即信号标准，指仪表之间采用的传输信

号的类型和数值.

所谓信号制是说在全套仪表系列中，各个仪表

的输入和输出采用那种统一的联络信号例如：气动仪表采用的信号制

0.2~1.0×102kPa

电动仪表采用的信号制

4~20mADC（1）信号标准：A：气动仪表的标准：国标GB777

20～100KPa或0·2～

1kgf/cm2；B：电动仪表的标准：国标GB339DDZ--Ⅲ：4-～20mADC

或

1～

5VDC

取样电阻：250～750DDZ--Ⅱ：0～10mADC

0～1000

注意：本学期介绍的自动化装置除气动执行器采用0.2~1.0×102kPa的气压信号之外，其它均采用4~20mA的电流信号。1、电流传递——电流接收的串联方式

0~10mA传送，0~10mA接收，220V交流供电，在DDZ-Ⅱ型仪表中（电动单元组合式仪表）使用.也可用于4~20mA传送，4~20mA接收.↓220V~220V~220V~I0R0Rcm发送仪表接收仪表接收仪表RiRi输入电阻导线电阻输出阻抗串联直流电流传输：接收仪表R0I0IiRiRiRcm发送仪表为减小传输误差，依据允许误差和技术经济指标确定R0、Ri

,一般为保证信号在3～5km内传输不受影响，且一个变送器输出i能同时送给几个接受仪表，要求：R0足够大，而Rcm

及Ri

应比较小为保证传输误差ε在允许范围之内，应要求R0>>Rcm+nRi

，故有

接收仪表R0I0IiRiRiRcm发送仪表电流传输的特点:优点:发送仪表输出电阻大（相当于恒流源），

Ri足够小时，传输导线长度在一定范围内人能保证准确度，故电流信号适于远距传输；电流回路中串入一电阻，取压方便。缺点:

一台仪表损坏或需增减接收仪表时，将影响其它仪表的工作；各台仪表没有公共接地点，若要和计算机联用时,各台仪表要根据需要选择自己的接地点，则应在仪表输入输出端采取直流隔离措施。2、电压传递——电压接收的并联方式

1~5V传送，1~5V接收，24V直流供电U0R0发送仪表接收仪表接收仪表RiRiRcm/2Rcm/2UiUi24V24V并联直流电压传输：接收仪表RiRcm／２发送仪表R0U0Rcm／２IiRiRi

为减小传输误差，要求：

R0和Rcm

尽量小，Ri大些为减小传输误差,应满足Ri/n>>R0+Rcm

故有

Ui电压传输的特点:优点：

设计安装比较简单；增加或取消某个接收仪表不影响其他仪表的工作；各接收仪表可设置公共接地点，可和计算机联用。缺点:若远传电压信号，则Rcm↑，引线电阻上电压降↑,

势必对接收仪表输入阻抗Ri提出过高的要求，而Ri

过高易于引入干扰，故电压信号不适于远距离传输由电流i、电压u传输的特点：i适于远距离传输，u使用仪表可采用“并联制”连接，故在国外的电动仪表系统及我国DDZ-Ⅲ仪表进出控制室的传输信号采用电流信号，控制室内部仪表间联络信号采用电压信号。即：连线的特点是电流传输、电压接受、并联接受电压信号的方式

如下页图：3、电流传递——电压接收的并联方式

4~20mA传送，1~5V接收，24V直流供电，在DDZ-Ⅲ型仪表、I系列、EK系列、YS-80系列、

YS-100系列中使用。I0R0发送仪表接收仪表接收仪表RiRiRcm/2Rcm/2UiUi24V24V并联控制系统仪表之间的典型连接方式现场仪表（现场）架装仪表（控制室盘后）盘装仪表（控制室盘前）结论:现场与控制室之间采用电流传输控制室仪表间采用电压传输>安全防爆基本知识气动仪表从本质上来说具有防爆性能（不可能产生火花）。电动仪表必须采取必要的防爆措施才具有防爆性能。原因：在某些生产现场存在着各种易燃、易爆气体。安装在这种危险场所的仪表如果产生“火花”，就容易引起爆炸，故必须具有防爆性能。如:炼油、化工等生产现场，经常含有氢、甲烷、乙烷、苯、氨等易燃易爆的气体，它们和空气中的氧和在一起构成了爆炸性混合物。爆炸性混合物都是危险的，但危险程度是不一样的。

爆炸危险场所的区域划分依据：爆炸性气体出现的频繁程度和持续时间0区(Zone0)－在正常情况下，爆炸性气体混合物连续地、频繁地出现或长时间存在的场所。1区(Zone1)－在正常情况下，爆炸性气体混合物有可能出现的场所。2区(Zone2)－在正常情况下，爆炸性气体混合物不可能出现，或即使出现也是短时间存在的场所。

防爆电气设备的分类、分组防爆电气设备分为两大类：

Ⅰ类：煤矿用电气设备

Ⅱ类：工厂用电气设备Ⅱ类电气设备可进一步分为ⅡA、ⅡB、ⅡC三级。工厂用电气设备防爆形式有以下八种形式，其标志为：隔爆型(d)、本质安全型(i)、增安型(e)、正压型(p)、充油型(o)、充砂型(q)、浇封型(m)和无火花型(n)。本质安全型设备又可以分为ia和ib两个等级。工厂用防爆仪表的分级:0.45>MICR0.5≥dmaxIIC0.8≥MICR≥0.450.9>dmax>0.5IIBMICR>0.8dmax≥0.9IIAMICRdmax(mm)级别根据：最大试验安全间隙dmax（火焰不能传播的最大间隙）

或最小点燃电流的比值MICR

工厂用防爆仪表的分组:根据：仪表最高表面温度

450T1300T2200T3135T485100最高表面温度T6T5温度组别仪表的最高表面温度=实测最高表面温度―实测时环境温度

+规定最高环境温度防爆仪表的标志防爆仪表的防爆标志为“Ex”；仪表的防爆等级标志的顺序为：防爆型式、类别、级别、温度组别。过程控制仪表常见的防爆等级有iaIICT5(iaIICT6)和dIIBT3二种。前者表示II类本质安全型ia等级C级T5组；后者表示II类隔爆型B级T3组。防爆仪表的分级与分组，与易燃易爆气体或蒸汽的分级和分组是相对应的。

硝酸乙脂二硫化碳乙炔氢、水煤气IIC乙醚、二乙醚二甲醚、丙烯醛、碳化氢环氧丙烷、丁二烯、乙烯丙烯脂、二甲醚、环丙烷、市用煤气IIB亚硝酸乙脂乙醛、三甲胺环乙烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷、汽油、煤油、柴油、戊醇、己醇、环乙醇乙醇、丁醇、丁烷、醋酸丁脂、醋酸戊脂、环戊烷、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℃

组别级别表：易燃易爆气体或蒸汽的级别和组别仪表的防爆级别和组别是指它所能适应的某种爆炸性气体混合物的级别和组别即：对于表格中相应级、组之上方和左方的气体或蒸汽的混合物均可以防爆防爆标志及其含义防爆标志由以下5个部分构成：标志EX

－表示该设备为防爆电气设备。结构型式－表明该设备采用何种措施进行防爆，如

d为隔爆型，i为本安型等。设备类别－I为煤矿井下用电设备，II为工厂用设备。防爆级别－为A、B、C三级，表明防爆能力强弱。温度组别－为T1~T6六组，说明该设备的最高表面温度允许值。例如:EXiaIIBT4

表示II类本质安全型ia等级B级T4组2、仪表防爆的基本知识2：

用于危险场所的仪表与控制系统，必须具有防爆性能。气动仪表从本质上来说具有防爆性能（不可能产生火花）电动仪表必须采取必要的防爆措施才具有防爆性能。电动控制仪表、装置的防爆：主要采用隔爆型和本质安全型防爆措施隔爆型电动控制仪表、装置：特点：仪表电路与接线端子置于防爆壳体内；措施：防爆壳体耐压大于10个工业大气压；壳体表面温升小，不能在通电运行的情况下打开表壳进行检修或调校。本质安全型电动控制仪表、装置：特点：在正常情况或规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能引起规定的易爆气体的爆炸。

即仪表电路本身固有的防爆性能Ia等级:在正常工作、一个故障和两个故障时均不能点燃爆炸性气体混合物的电器设备Ib等级：在正常工作和一个故障时不能点燃爆炸性气体的电气设备措施有：A：仪表采用低的工作电压和小的工作电流

正常工作时u≤24VDC、i≤20mADC;

故障时u≤35VDC、i≤35mADCB：在线路设计上，对处于危险场所的电路，选择适当的电阻、电容、电感元件借以限制电火花能量，使其只产生安全火花。优点：可在线检修3、控制系统的防爆措施：控制系统的防爆的两个条件：A：在危险场所使用安全火花型的防爆仪表：B：在控制室仪表与危险场所仪表之间设置安全栅。变送器执行器安全栅安全栅控制器

现场危险场所

控制室非危险场所三、仪表分析方法：1、反向输入放大电路：2、正向输入放大电路：3、差动输入放大电路：4、电压跟随电路：5、多电源放大电路：图图图图图3、模拟控制器：1）、控制器的功能：作用：将来自变送器的测量信号与给定信号相比较所产生的偏差进行PID运算，并输出控制信号到执行器。其它的作用：偏差显示、输出显示、提供内给定信号与内外给定选择、正反作用切换、手动操作及手自动双向切换。

2）DDZ-Ⅲ型电动调节器（1）概述：品种：基型；特种调节器；主要性能：测量信号：1---5VDC外给定信号：4---20mADC输出信号：4---20mADC负载电阻：250---750比例带：2%---500%积分时间：0.01---22min微分时间：0.04---10min控制精度：%输出保持特性：-01%每小时；（2）基型调节器的构成：输入PIPD输出软手操硬手操测量及给定指示UiU01U02U03Is2504—20mAI0US工作状态：自动、手动（软手动、硬手）、保持；状态切换：自动软手动硬手动软手动硬手动自动

自动硬手动软手动硬手动调节作用方向选择：（3）基本电路分析：A：输入电路：作用：一是测量信号与给定信号相减得偏差信号再将其放大两倍；二是电平移动，将0V为基准的Ui

转换为UB（10V）为基准的输出信号U01。-+变送器250RC1USUC2R1R2R3R4UBR6R5R7R8U01+24VDC现场控制室U01=–2（Ui-Us）B：比例微分电路作用：是对输入电路的输出信号U01进行比例微分运算，整机的比例度和微分时间通过本电路进行