控制仪表与装置课件 概论

第一节控制仪表与控制系统第二节控制仪表及装置的分类第三节联络信号和传输方式第四节安全防爆的基本知识和防爆措施

概论上一页目录下一页1

这里所指的控制仪表包括：在自动控制系统中广泛使用的调节器、变送器、运算器、执行器等。现举例说明其工作原理：图0-1、例a.b第一节控制仪表与控制系统上一页目录下一页2被控变量首先由检测元件变换为易于传递的物理量，再经变送器转换成相应的电信号，该信号送到调节器中，与给定值相比较得出的偏差，以一定的调节规律发出控制信号，控制执行器的动作，从而改变被控介质物料或能量的大小，直至被控变量与给定值相等。上一页目录下一页3给定值图a工艺控制流程图Gc(s)Gp(s)

Gm(s)Y(s)R(s)图b控制系统方框图LC上一页目录下一页4

第二节控制仪表与装置分类

一、按能源形式分类:

可分为气动、电动、液动等几类。二、按信号类型分类:

可分为模拟式和数字式两大类。三、按结构形式分类:

可分为基地式控制仪表、单元组合式、集散控制仪表、现场总线控制仪表。

上一页目录下一页5常分为气动、电动和液动。工业上常用气动控制仪表和电动控制仪表。1、气动控制仪表：20世纪40年代就广泛应用于工业生产。其特点是：结构简单、性能稳定、可靠性高、价格便宜且在本质上是安全防爆的。主要应用场合：石油、化工等有爆炸危险的场所。按能源类型分类：2、电动控制仪表：它的出现相对比较晚一些。

其特点是：信号传输、放大、转换处理比气动仪表容易的多，便于实现远距离监视和操作，还易于与计算机等现代技术连用。主要应用场合：由于也采用了本质安全防爆措施，故同样适应于易燃易爆场所。上一页目录下一页6按信号类型分类：常分为模拟式和数字式。

1、模拟式控制仪表：其传输信号通常为连续变化的模拟量。

特点：线路简单，操作方便，价格较低，在设计、制造、使用上均有较成熟的经验。但逐渐有被数字仪表取代的趋势。

应用场合：广泛的应用于各工业部门。2、数字控制仪表：其传输信号通常为断续变化的数字量。

特点：以微机为核心，功能完善，性能优越，满足高质量控制要求，能解决模拟仪表难以解决的问题。现在多为智能仪表。上一页目录下一页7按结构形式分类：基地式控制仪表单元组合式控制仪表集散式控制系统现场总线控制系统上一页目录下一页8基地式控制仪表是以指示、记录仪表为主体，附加控制机构而组成。其特点是：既有记录、指示功能，也有控制功能，结构比较简单。主要应用场合：常用于单机自动化系统，如XCT。基地式控制仪表上一页目录下一页9单元组合式控制仪表各个仪表之间用统一的标准信号进行联系，将各种独立仪表进行不同的组合，可以构成适用于各种不同场合的自动检测或控制系统。这类仪表有电动单元组合仪表（DDZ）和气动单元组合仪表（QDZ）两大类。它们都经历了Ⅰ型，Ⅱ型和Ⅲ型的三个阶段。电动单元组合仪表中还有模拟和数字技术相结合的DDZ-S型系列仪表。上一页目录下一页10其特点是制造、使用、维护、比较方便。因此在石油、化工等诸多领域中广泛应用。

DDZ在我国的发展型号应用年代代表产品特点DDZ-I型60年代初电子管体积大、笨重、耗电量大、易于引燃引爆DDZ-II型60年代末晶体管体积小、重量轻、性能得到了改善DDZ-III型70年代中线性集成电路采用安全火花防爆技术，精度、稳定性、可靠性高DDZ-S型现代（研究中）数学与模拟技术结合数字化、智能化、固态化、上一页目录下一页11集散型控制系统(DCS系统)

DCS系统是一种以微型计算机为核心的计算机控制装置。他在控制技术（control）

、计算机技术（computer）、通信技术（communication）、屏幕显示技术（CRT）等四“C”技术迅速发展的基础上研制成的一种新型控制系统。其基本特点是分散控制、集中管理。上一页目录下一页12现场总线控制系统(FCS系统)

FCS系统基本特征是结构的网络化和全分散性，系统的开放性，现场仪表的互可操作性、功能自治性以及环境的适应性。FCS系统在性能、功能上均比传统的控制系统更优越，随着现场总线技术的不断完善，FCS将广泛应用于工业自动化系统，并取代传统的控制技术。缺点是：现场总线设备比较昂贵。上一页目录下一页13第三节联络信号和传输方式一、联络信号二、电信号传输方式上一页目录下一页14一、联络信号在实际自动化系统中所使用的各种仪表可分为现场仪表和控制室仪表。各种仪表之间为连接有效，使整个系统有机地结合为一个完整的自动化系统，仪表之间应有统一的标准联络信号和合适的传输方式，这就引出了信号制。上一页目录下一页15信号制信号制：是指在成套仪表系列中，仪表之间采用何种统一联络信号来进行信号传输的问题。采用统一信号制优点：1.可以同一系列的各类仪表组成系统。2.还可以通过各种转换器将不同系列的仪表连接起来混合使用，从而扩大了仪表的应用范围。3.各类仪表还可同工业控制机等先进技术工具配合使用。上一页目录下一页16（1）国际电工委员会(IEC)规定:电动模拟仪表采用4~20mA直流电流和1~5V直流电压作为统一联络信号(与我国的DDZ-Ⅲ仪表相同)（2）气动仪表的统一信号为:0.02~0.1Mpa上一页目录下一页17模拟信号应用广泛（模拟仪表之间）数字信号传输精度高、速度快，应用越来越广泛（数字仪表及计算机之间）频率信号一些变送器（如涡轮流量计）直接输出频率信号，抗干扰能力强，易于数字化1.信号类型：2.电模拟信号制的确定电模拟信号有交流和直流两种。由于直流信号具有不受线路中电感、电容及负载性质的影响，不存在相移问题等优点，故世界各国多应用直流信号作为统一的联络信号。电动控制仪表上一页目录下一页18二、电信号传输方式

：（一）模拟信号的传输

信号传输指的是电流信号传输和电压信号传输。电流信号传输时，仪表是串联连接的；而电压信号传输时，仪表是并联连接的。见下页图：上一页目录下一页191.模拟电流信号的传输

任何一个仪表在拆离信号回路之前首先要把该仪表的两个输入端短接，否则其它仪表将会因电流中断而失去信号仪表无公共接地点，须浮空工作上一页目录下一页20电流的传输误差（相对误差）为：ζ=(Io-Ii)/Io={Io-Ro/[Ro+(Rcm+nRi)]•Io}/Io

=(Rcm+nRi)/(Ro+Rcm+nRi)×100%

式0-1为保证传输误差ð在允许的范围内，应要求Ro>>Rcm+nRi所以有ζ≈(Rcm+nRi

)/Ro×100%

式0-2上一页目录下一页21电流信号的优点：实际上，发送仪表的输出电阻均很大（相当于一个恒电流源），导线电阻变化不大时仍能保证信号的传输精度。所以电流信号适用于远距离传输。(如仪表要求电压输入，可在电流回路中串联一个250W的电阻)。电流信号的缺点：由于接收仪表是串联工作的，当一台仪表出故障时将影响其他仪表工作，而且各台接收仪表一般皆应浮空工作。若要使各台仪表皆有自己的接地点，则应在仪表的输入、输出之间采取直流隔离措施。上一页目录下一页222.模拟电压信号的传输一台发送仪表的输出电压要同时输出给几台接收仪表时，这些接收仪表应当并接。如下图0-3所示优点：

任何一个仪表拆离信号回路都不会影响其它仪表的运行。各个仪表具有公共接地点，可以共用一个直流电源。要求：接收仪表的输入阻抗要足够高上一页目录下一页23由于接收仪表的输入电阻Ri不是无限大，信号电压Vo将在发送仪表内阻Ro及导线电阻Rcm上产生一部分压降，从而造成传输误差。上一页目录下一页24电压信号的传输误差可用如下公式表示：ζ

=（Vo-Vi）/Vo=[Vo-Ri·Vo/n(Ro+Rcm+Ri/n)]/Vo=(Ro+Rcm)/(Ro+Rcm+Ri/n)×100%

式0-3减小的传输误差ζ，应满足Ri/n>>Ro+Rcm所以ζ≈n·（Ro+Rcm）/Ri

×

100%

式0-4式中n为接收仪表的个数上一页目录下一页253.变送器与控制室仪表间的信号传输（1）四线制传输

（2）两线制传输变送器是现场仪表，其输出信号送至控制室中，而它的供电又来自控制室。变送器的信号传送和供电方式通常有如下两种：上一页目录下一页26（1）四线制传输供电电源和输出信号分别用两根导线传输，如左图所示：在此传输方式中，若变送器的一个输出端与电源装置的负端相连，即为三线制传输。上一页目录下一页27（2）两线制传输变送器现场电源装置Ri接收仪表控制室图0-5两线制传输这两根线既为信号线又为电源线优点：可以节省大量电缆线和安装费用且利于防爆。上一页目录下一页28第四节安全防爆的基本知识和防爆措施一、安全防爆的基本知识二、本质安全型防爆仪表和防爆措施三、安全栅上一页目录下一页29一、安全防爆的基本知识（一）、爆炸危险场所的分类、分级（二）、爆炸性物质的分级、分组（三）、电气设备的防爆等级上一页目录下一页30（一）、爆炸危险场所的分类、分级按物态分：气体爆炸危险场所、粉尘爆炸危险场所。0级区域在正常情况下，爆炸性气体混合物连续的、频繁的出现或长时间存在的场所1级区域在正常情况下，爆炸性气体混合物有可能出现的场所。2级区域在正常情况下，爆炸性气体混合物不能出现，仅在异常情况下偶尔或短时间出现的场所（1）、气体爆炸危险场所的区域等级上一页目录下一页31（2）.粉尘爆炸危险场所的区域等级根据爆炸性粉尘或可燃纤维与空气混合物出现的频繁程度和持续时间分为以下两个区域等级。10级区域：在正常情况下，爆炸性粉尘或可燃纤维与空气的混合物可能连续地、频繁地出现或长时间存在的场所。11级区域：在正常情况下，爆炸性粉尘或可燃纤维与空气的混合物不能出现，仅在不正常情况下偶尔短时间出现的场所。上一页目录下一页32（二）、爆炸性物质的分级、分组1、爆炸性气体、蒸汽的分级2、爆炸性粉尘的分级3、爆炸性物质的分组上一页目录下一页331、爆炸性气体、蒸汽的分级（1）、按最大试验安全间隙分级：在规定的标准试验条件下，火焰不能传播的最大间隙称为最大试验间隙（MESG）。按爆炸性气体、蒸汽的最大试验安全间隙可分为以下几级：无级：MESG=1.14mm为甲烷，作为起始点A级：0.9<MESG<1.14mmB级：0.5<MESG≤

0.9mmC级:MESG≤

0.5mm上一页目录下一页34(2).按最小点燃电流比分级在规定的标准实验条件下，调节最小点燃电流，以甲烷的最小点燃电流为标准，定为1.0，其他物质的最小点燃电流与之比较，得出最小点燃电流比（MICR）为：某物质的最小点燃电流比=某物质的最小点燃电流/甲烷最小点燃电流。按爆炸性气体、蒸汽的最小点燃电流比，可分等级：无级：

MICR=1.0级为甲烷，作为起始点A级:

0.8<MICR<1.0B级:

0.45<MICR≤0.8C级:

MICR≤0.45由此可见，爆炸性气体、蒸汽的最大安全间隙越小，最小点燃电流也越小。上一页目录下一页352、爆炸性粉尘的分级

爆炸性粉尘的分级是按粉尘的物理性质划分的方法为：

A级：非导电性的可燃粉尘与非导电性的可燃纤维

B级：导电性的爆炸性粉尘与火药、炸药粉尘上一页目录下一页363、爆炸性物质的分组爆炸性物质按引燃温度分组：（在没有明火源的条件下，不同物质加热引燃所需要的温度是不同的，因为自燃点不同）按引燃温度可分为六组，如表：组别T1T2T3T4T5T6引燃温度t/℃

>450450≥t>300300≥t>200200≥t>135135≥t>100100≥t>85用于不同组别的防爆电器设备，其表面允许最高温度各不相同，不可随便混用。上一页目录下一页37（三）、电气设备的防爆等级

（此部分参考教材P7）电器设备的防爆等级常用的有以下三种：1.本质安全型(i)本质安全型电器设备的全部电路均为本质安全电路（正常工作或规定的故障状态下产生的电火花和热效应不能点燃爆炸性混合物的电路）ia级:在正常工作,一个或两个故障时均不能点燃爆炸性气体混合物的电器设备.ib级:在正常工作和一个故障时不能点燃爆炸性混合物的电路.上一页目录下一页382.隔爆型(d)隔爆型电器设备具有隔爆外壳.该外壳能承受内部爆炸性其体混合物的爆炸压力,并阻止内部的爆炸向外壳周围爆炸性混合物传播.3.增安型(e)增安型电器设备是指采取措施提高安全程度,以避免在正常和认可的过载条件下产生电弧火花或危险温度的电器设备.控制仪表使用的安全等级主要为:本质安全型和隔爆型上一页目录下一页39二、