自动化仪表及装置第0章-2概论课件

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与发展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1控制仪表与控制系统仪表的分类和发展联络信号定义、类型、电信号传输方式（供电24VDC、输入信号1~5V、输出信号4~20mA）防爆电气设备的分类、分组和防爆标志常用防爆型控制仪表类型和特点控制系统实现本安防爆的要求

本章重点内容介绍2概论第一节控制仪表与控制系统3被控变量首先由检测元件变换为易于传递的物理量，再经变送器转换成标准的电信号，该信号送到控制器(调节器)中，与给定值相比较得出的偏差，以一定的控制（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。给定值被控参数被控介质简单控制系统方框图变送器执行器控制器被控对象5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。6概论第二节控制仪表及装置分类、发展7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9自动化装置按采用的信号形式不同数字式仪表模拟式仪表

按信号类型10模拟式仪表传输信号为连续变化的模拟量,这类仪表线路较简单,操作方便，价格较低。

如，气动仪表，电动单元组合仪表Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型等。数字式仪表传输信号为断续变化的数字量，这类仪表与装置以微型计算机为核心，功能完善，性能优越，能解决模拟仪表难以解决的问题。如，可编程调节器、控制器、DCS（集散控制系统）、FCS（现场总线控制系统）等。

按信号类型11基地式仪表：包含多种功能部件（传感、指示、记录、控制、执行等部分），设计成一个整体，结构较简单。如带控制机构的指示记录仪。单元组合式仪表：仪表划分成能独立实现某种功能的若干单元，单元间用标准信号联系。如电动、气动单元组合仪表。组装式仪表：在单元组合仪表的基础上发展起来的一种成套仪表装置，包含控制柜和操作台两部分。集散控制系统（DCS）：以微型计算机为核心,集4C技术为一体的计算机控制装置,实现分散控制和集中管理。如TPS、PCS7、ECS、Hollias等。现场总线控制系统（FCS）:

现场总线将具有数字通信能力的现场仪表相连接,并同上层监控管理级一起构成分布式控制网络。如FF总线控制系统（FCS）。按结构形式13发展史大约有70年，大体可分成五个阶段。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)>控制仪表及装置的发展14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)15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)17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95~07年代(2007)特点操作、显示、管理一体化,危险分散，控制分散到一个回路主要产品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)18概论第三节联络信号和传输方式19一、联络信号联络信号的定义：指在成套仪表系列中，仪表之间采用的传输信号的类型和数值。联络信号类型气动仪表：20~100KPa电动仪表：数字、频率信号模拟信号0~10mA、4~20mA及1~5V信号下限从零开始有利于模拟量运算。信号下限从某值开始（活零点）便于检验仪表是否断电，并可实现两线制。信号上限高，产生的电磁平衡力大；信号上限低有利于减少功率损耗和仪表防爆。211.直流电流传输电流信号传输时仪表之间的连接二、电信号传输方式

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型仪表中使用↑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22接收仪表R0I0IiRiRiRcm发送仪表电流信号传输时仪表之间的连接为保证传输误差ε在允许范围之内，应要求R0》Rcm+nRi，故有

为减小传输误差，要求：

R0足够大，而Rcm及Ri应比较小二、电信号传输方式

误差分析23电流传输的特点缺点回路中增减接收仪表时，将影响其它仪表的工作。任何一个仪表在拆离回路之前，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。各台仪表没有公共接地点，须浮空工作。电流信号传输时仪表之间的连接（会短路）接收仪表R0I0IiRiRiRcm发送仪表252.直流电压传输

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。U0R0发送仪表接收仪表接收仪表RiRiRcm/2Rcm/2UiUi24V24V信号传输方式：现场仪表与控制室仪表之间采用直流电流信号，控制室内部仪表之间采用直流电压信号。26直流电流直流电压增加或取消一台仪表，整个系统停止运行增加或取消一台仪表，整个系统正常运行串联制易于远距离传输并联制不易于远距离传输无公共接地点各仪表可有自己的接地点，系统不允许有公共接地点（会短路）有公共接地点各仪表可有自己的接地点，系统允许有公共接地点直流电流和直流电压的比较29220VAC供电无本质安全特性24VDC供电有本质安全特性

高电压供电装置一旦产生火花，容易引起装置周围的爆炸性混合物爆炸或起火

低电压供电装置一旦产生火花，不易引起装置周围的爆炸性混合物爆炸或起火直流电流直流电压直流电流和直流电压的比较30信号下限=0mA，上限=10mA信号下限=4mA，上限=20mA下限=0mA，+、－、×、÷运算方便，易于刻度换算。电气零点=机械零点，零点不易区别。上限=10mA，产生的电磁力（安培力）较小，故带负载能力差。下限=4mA，躲开晶体管死区，一开始就工作在线性区。电气零点≠机械零点，零点易于区别。上限=20mA，产生的电磁力（安培力）较大，故带负载能力强。直流电流直流电压直流电流和直流电压的比较31输入阻抗（接收仪表）↓输出阻抗（发送仪表）↑输入阻抗（接收仪表）↑输出阻抗（发送仪表）↓输入阻抗Ri↓，输出阻抗RO↑，信号有损失，为减小传输误差，仪表应有恒流特性（负载电阻在一定范围内变化时，IO的变化应小于允许值）输入阻抗Ri↑，输出阻抗RO↓，并联仪表越多，信号损失越大，为减小传输误差，并联装置的台数应≤4台。输入阻抗输出阻抗导线电阻直流电流直流电压直流电流和直流电压的比较32现场仪表（现场）架装仪表（控制室盘后）盘装仪表（控制室盘前）333.变送器与控制室仪表间的信号传输2）两线制电源装置变送器现场控制室1）四线制接收仪表变送器现场电源装置控制室接收仪表要实现两线制，必须采用活零点的电流信号。因电源线和信号线公用，电源供给变送器的功率是通过信号电流提供的。变送器输出电流为下限值时，应保证它内部的半导体器件仍能正常工作。故信号电流下限值不能过低。34概论第四节安全防爆基本知识和防爆措施一、安全防爆基本知识二、常用防爆型控制仪表三、控制系统的防爆措施35基本定义：爆炸性混合物、安全火花、本安型防爆系统、非本安型防爆系统、隔爆型仪表、本质安全型仪表、安全栅防爆电气设备的分类、分组和防爆标志常用防爆型控制仪表类型和特点控制系统实现本安防爆的要求安全栅的结构形式本节重点内容介绍36一、安全防爆的基本知识

概论

爆炸三要素自燃物质助燃物质激发能量自燃物质+助燃物质=爆炸性混合物37化工生产的过程现场，经常含有氢、甲烷、乙烷、苯、氨等易燃易爆的气体。这些可燃性气体都是自燃物质，它们和空气中的助燃物质——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，其危险程度是不一样的。38含有可燃性粉尘或纤维含有可燃性气体或蒸气火灾含有爆炸性混合物的现场称为危险场所我国规定的三类危场所QGH39气体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。40

爆炸性气体的分级按最大试验安全间隙MESG(火焰不能传播的最大间隙)和最小点燃电流比MICR来分级：可分为A、B、C三级。爆炸性混合物按最大试验安全间隙MESG分为3级无级MESG=1.14mmA级0.9mm<MESG<1.14mmB级0.5mm<MESG≤0.9mmC级MESG≤0.5mm41

爆炸性气体的分级按最大试验安全间隙MESG(火焰不能传播的最大间隙)和最小点燃电流比MICR来分级：可分为A、B、C三级。爆炸性混合物按最小点燃电流比MICR分为三级无级最小点燃电流比=1.0A0.8<最小点燃电流比<1.0B0.45<最小点燃电流比≤0.8C最小点燃电流比≤0.45某物质的最小点燃电流/甲烷最小点燃电流42爆炸性物质的分组按引燃温度可分为六组：组别引燃温度t/℃T1>450T2450≧t>200T3450≧t>200组别引燃温度t/℃T4T5135≧t>100T6100≧t>85200≧t>13543

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型式有以下八种：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。Ⅱ类电气设备按最高表面温度分为T1——T6六组。44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EXiaIICT5

表示II类本质安全型ia等级C级T5组。45经常使用的自动化装置一般都是隔爆型和本质安全（防爆安全火花）型

隔爆型——在外壳的内部发生爆炸时，不引起外部爆炸性混合物爆炸的电气设备。本质安全型——在正常或事故状态下产生的火花都不能引起爆炸性混合物爆炸的电气设备。正常状态——在设计规定条件下正常工作（实验时，在实验装置中产生短路或断路视为正常）事故状态——在电路中，非保护性元件损坏或产生短路、断路、接地及电源故障等情况二、常用防爆型控制仪表46隔爆型仪表

具有隔爆外壳，仪表的电路和接线端子全部置于防爆壳体内。它能承受仪表内部因故障产生爆炸性气体混合物的爆炸压力。这类仪表适用于1区、2区危险场所。本质安全型仪表

本安仪表的全部电路均为本质安全电路，电压和电流被限制在允许的范围内，保证仪表产生的电火花和热效应不致于引爆其周围爆炸性气体混合物。ia等级的本安仪表适用于0区危险场所，ib等级的本安仪表只适用于1区和2区危险场所。二、常用防爆型控制仪表使用注意:揭开仪表表壳后，将失去了防爆性能;长期使用会逐渐降低防爆性能47三、控制系统的防爆措施（一）基本概念与本安防爆系统1、安全火花——其能量不足以引起周围爆炸性混合物起火或爆炸的火花。2、非本安防爆系统（非安全火花型防爆系统）——通过“配电器”向现场仪表供电和向控制室仪表传输信号的系统为非安全火花型防爆系统。3、本安防爆系统（安全火花型防爆系统）——通过“安全栅”向现场仪表供电和向控制室仪表传输信号的系统为安全火花型防爆系统。(现场仪表必须是本安仪表)本安防爆系统应满足的两个条件：在危险场所使用本安防爆仪表控制室仪表和危险场所仪表之间设置安全栅48变送器配电器配电器调节阀控制室仪表调节阀控制室仪表安全栅电源箱变送器安全栅电源箱现场现场220V～220V～24V24V本安防爆系统非危险场所（控制室）危险场所（现场）危险场所（现场）49（二）安全栅关联设备——与本安型电路相联，并影响其安全火花性能的有关设备。（这里意指安装在控制室，但又和现场仪表有联系）安全栅就属于关联设备。50变送器执行器调节器安全栅安全栅电源箱本安防爆系统非危险场所（控制室）危险场所（现场）危险场所（现场）接收来自危险区的信号，输出安全信号到安全区或危险区。在正常情况下不影响测量系统的功能。它设置在安全场所的一侧，当本安防爆系统发生故障时，能将窜入危险场所的能量（电能）限制在安全值以内，从而保证现场生产安全。（二）安全栅51安全栅的结构形式:齐纳式和隔离式齐纳式安全栅原理：基于齐纳二极管的反向击穿性能。特点：结构简单、经济、可靠。齐纳式安全栅原理电路安全侧危险侧U0VZ1VZ2RFUU152隔离式安全栅原理：通过隔离、限压和限流等措施来保证本安防爆性能。特点：抗干扰能力强，可靠性高。隔离式安全栅原理框图安全侧危险侧两线制变送器限压限流电路调制器安全栅变压器调制器安全栅的结构形式:齐纳式和隔离式53隔离式安全栅的特点隔离将危险场所的仪表和安全场所的仪表用变压器实现电气隔离。使危险场所和安全场所之间只有磁的联系，没有电的联系。限能利用电压、电流限制电路，把可能窜入危险场所的大电压大电流限制在安全定额之内。防止变压器原副边击穿时，原边高压信号窜入危险场所，破坏其安全火花性能保证危险场所的安全安全侧危险侧两线制变送器限压限流电路调制器安全栅变压器调制器54作业1：P10:1、说明控制仪表和控制系统的关系。2、控制仪表与装置有哪些类型？3、控制仪表与装置采用何种信号进行联络？电压信号传输和电流信号传输各有什么特点？使用在何种场合？5、防爆电气设备如何分类？防爆标志EXiaIIAT5和EXdIIBT4是何含义？6、常用防爆型控制仪表有哪几类？各有什么特点？7、如何使控制系统实现本安防爆的要求？作业2：1、现场和控制室仪表之间采用4~20mA的电流传输信号，控制室内部仪表之间采用1~5V的电压联络信号，这种信号制有何优点？2、什么是仪表的恒流特性？55

作业1答案：

1、说明控制仪表和控制系统的关系。

控制仪表指自动控制系统中广泛使用的控制器、变送器、运算器、执行器等，以及新型控制仪表和装置。

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。

2、控制仪表与装置有哪些类型？

按所用能源形式：气动、电动、液动、混合。

按信号类型：模拟式和数字式。

按结构形式：基地式仪表，单元组合式仪表，组装式仪表，集散控制系统，现场总线控制系统563、控制仪表与装置采用何种信号进行联络？电压信号传输和电流信号传输各有什么特点？使用在何种场合？答：气动仪表采用20~100KPa的气压信号；电动仪表采用模拟信号、数字、频率信号。电流传输的特点：优点发送仪表输