过程控制仪表技术

过程控制仪表技术第一页，共六十五页，编辑于2023年，星期六第三章过程控制仪表

3．1过程控制仪表概述在过程控制中，常将调节器(含可编程序控制器)、电／气转换器、执行器、安全栅等称为过程控制仪表，它们是实现工业生产过程自动化的核心装置。在过程控制系统中，参数检测仪表将被控量转换成电流(电压)信号或气压信号，一方面通过显示仪表对其进行显示和记录，另一方面则将其送往调节器与给定信号进行比较产生偏差，并按照一定的调节规律产生调节作用去控制执行器，以改变控制介质的流量从而使被控量符合生产工艺要求。第二页，共六十五页，编辑于2023年，星期六DDZ仪表应用举例：

广泛应用于冶金、电站、建筑、石油、化工等工业部门，现以电动单元组合仪表构成的单回路反馈控制系统为例说明其应用。如图所示：

控制系统由控制对象与电动单元组合仪表组成，对象的输出是被控量，如温度、压力、流量、液位等工艺参数，它经变送器转换成相应的电信号后，一方面送到显示单元指示或记录，另一方面送到调节单元，与给定单元送来的给定值进行比较，调节单元按其比较后的偏差，以一定的控制规律发出控制命令，控制执行单元动作，以开大或关小调节阀的开度，改变控制量，使被控量与给定值相等。电动单元组合仪表第三页，共六十五页，编辑于2023年，星期六目前使用的调节器以电动调节器占绝大多数，而执行器则以气动为主，它们之间需要用电／气转换器进行信号转换。此外，智能式电动执行器将逐渐取代常规的气动执行器而成为执行器新的发展方向。

1．调节器的功能一般调节器除了对偏差信号进行各种控制运算外，还需具备如下功能：

(1)偏差显示调节器的输入电路接收测量信号和给定信号，两者相减后的偏差信号由偏差显示仪表显示其大小和正负。

(2)输出显示调节器输出信号的大小由输出显示仪表显示，习惯上显示仪表也称阀位表。阀位表不仅显示调节阀的开度，而且通过它还可以观察到控制系统受干扰影响后的调节过程。第四页，共六十五页，编辑于2023年，星期六(3)内、外给定的选择当调节器用于定值控制时，给定信号常由调节器内部提供，称为内给定；而在随动控制系统中，调节器的给定信号往往来自调节器的外部，则称为外给定。内、外给定信号由内、外给定开关进行选择或由软件实现。(4)正、反作用的选择工程上，通常将调节器的输出随反馈输入的增大而增大时，称为正作用调节器；而将调节器的输出随反馈输入的增大而减小时，称为反作用调节器。为了构成一个负反馈控制系统，必须正确地确定调节器的正、反作用，否则整个控制系统将无法正常运行。调节器的正、反作用，可通过正、反作用开关进行选择或由软件实现。

(5)手动切换操作调节器的手动操作功能是必不可少的。在控制系统投入运行时，往往先进行手动操作改变调节器的输出，待系统基本稳定后再切换到自动运行状态；当自动控制时的工况不正常或调节器失灵时，必须切换到手动状态以防止系统失控。通过调节器的手动／自动双向切换开关，可以对调节器进行手动／自动切换，而在切换过程中，又希望切换操作不会给控制系统带来扰动，即要求无扰动切换。第五页，共六十五页，编辑于2023年，星期六

(6)其他功能除了上述功能外，有的调节器还有一些附加功能，如抗积分饱和、输出限幅、输入越限报警、偏差报警、软手动抗漂移、停电对策等，所有这些附加功能都是为了进一步提高调节器的控制功能。

2．执行器的作用执行器在过程控制中的作用：接受来自调节器的控制信号，改变其阀门开度，从而达到控制介质流量的目的。因此，执行器也是过程控制系统中一个重要的、必不可少的组成部分。执行器直接与控制介质接触，常常在高温、高压、深冷、高粘度、易结晶、闪蒸、汽蚀等恶劣条件下工作，因而是过程控制系统的最薄弱环节。如果执行器的选择或使用不当，往往会给生产过程自动化带来困难，甚至会导致严重的生产事故。为此，对于执行器的正确选用以及安装、维修等各个环节，必须给以足够的重视。若执行器是采用电动式的，则无需电／气转换器；若执行器是采用气动式的，则电／气转换器是必不可少的。第六页，共六十五页，编辑于2023年，星期六3.安全栅安全栅是构成安全火花防爆系统的关键仪表，其作用：

一方面：保证信号的正常传输，

另一方面：控制流入危险场所的能量在爆炸性气体或爆炸性混合物的点火能量以下，以确保过程控制系统的安全火花性能。本章重点介绍DDZ-Ⅲ型模拟式调节器、执行器、电／气转换器和安全栅等控制仪表。第七页，共六十五页，编辑于2023年，星期六3．2DDZ-Ⅲ型模拟式调节器

DDZ是电动单元组合仪表汉语拼音的缩写，它经历了以电子管、晶体管和线性集成电路为基本放大元件的I型、Ⅱ型和Ⅲ型系列产品阶段。其中DDZ—I、Ⅱ型已经停产，这里主要介绍DDZ一Ⅲ型模拟式调节器。在此之前先对调节规律的数学描述及其特性进行一些简单的介绍。有关调节规律对系统调节质量的影响、调节规律的选择和调节器的参数整定将在第5章中进行详细的讨论。3．2．1比例积分微分调节规律比例积分微分调节规律是指调节器的输出分别与输入偏差的大小、偏差的积分和偏差的变化率成比例，其英文缩写为PID(proportionalintegralderivative，PID)。理想PID的增量式数学表达式为第八页，共六十五页，编辑于2023年，星期六写成传递函数形式，则为式中，第一项为比例(P)部分，第二项为积分(I)部分，第三项为微分(D)部分；Kc——调节器的比例增益；TI——积分时间(以s或min为单位)；TD——微分时间(也以s或min为单位)。通过改变这三个参数的大小，可以相应改变调节作用的大小及规律。第九页，共六十五页，编辑于2023年，星期六1.比例调节当TI∞、TD=0时，积分项和微分项都不起作用，上式变为纯比例调节。纯比例调节器的单位阶跃响应特性如图3－1所示。由图3－1可见，纯比例调节器的输出与输入偏差成正比，比例增益的大小决定了比例调节作用的强弱，Kc越大，比例调节作用越强。

第十页，共六十五页，编辑于2023年，星期六在工程上，习惯用比例度δ表示比例调节作用的强弱。它定义为：调节器输入偏差的相对变化量与相应输出的相对变化量之比，用百分数表示为

在DDZ-III型仪表中，由于输入、输出的统一标准信号均为4～20mA，因而比例度为：比例调节的优点：调节及时，反应灵敏，当偏差一旦出现，就能及时产生与之成比例的调节作用，偏差越大，调节作用越强，因而是一种最常用、最基本的调节规律。第十一页，共六十五页，编辑于2023年，星期六2．比例积分调节当TD=0时，微分项不起作用，为比例积分调节。比例积分调节器的阶跃响应特性如图3-2所示。图3-2中，实线为理想比例积分调节器的阶跃响应特性，虚线表示实际比例积分调节器的阶跃响应特性；TI为一常数，它表示积分作用的强弱。TI越大，积分作用越弱；反之，积分作用越强。第十二页，共六十五页，编辑于2023年，星期六

比例积分调节器的输出可以看成比例和积分两项输出的合成，即在阶跃输入的瞬间有一比例输出，随后在比例输出的基础上按同一方向输出不断增大，这就是积分作用。只要输入不为零，输出的积分作用会一直随时间增长，如图中实线所示。而实际的比例积分调节器，由于放大器的开环增益为有限值，输出不可能无限增大，积分作用呈饱和特性，如图中虚线所示。具有饱和特性的PI调节器的传递函数可写成以下的标准形式：KI称为PI调节器的积分增益。它定义为：在阶跃信号输入下，其输出的最大值与纯比例作用时产生的输出变化之比。第十三页，共六十五页，编辑于2023年，星期六3.比例微分调节当TI∞时，积分项不起作用，为比例微分调节。在阶跃输入下，理想微分作用的输出如图3-3所示。由图可见，在t=t0时加入阶跃输入，在t=t0的瞬间输出为无穷大，而在t>t0时输出立即变为零。图3－3理想微分器的阶跃响应特性第十四页，共六十五页，编辑于2023年，星期六由实际应用可知，调节器不允许具有理想的微分作用，这是因为具有理想微分作用的调节器缺乏抗干扰能力，即当输入信号中含有高频干扰时，会使输出发生很大的变化，引起执行器的误动作。因此，实际的微分调节器常常具有饱和微分特性。具有饱和微分特性的比例微分调节器的传递函数为式中，KD称为PD调节器的微分增益，它定义为：

在阶跃信号输入下，其输出的最大跳变值与纯比例作用时产生的输出变化之比。

具有饱和特性的比例微分调节器的阶跃响应特性如图3-4所示。第十五页，共六十五页，编辑于2023年，星期六4．PID调节同时具有比例、积分、微分作用的调节器称为PID调节器，理想PID调节规律的传递函数如前所示，而实际PID调节器的积分和微分作用都具有饱和特性，其传递函数为第十六页，共六十五页，编辑于2023年，星期六理想PID调节器的阶跃响应特性如图3－5中实线所示；而实际PID调节器的阶跃响应特性如图3－5中虚线所示。

第十七页，共六十五页，编辑于2023年，星期六在生产过程自动化的发展进程中，PID调节规律是应用时间最长、生命力最强的一种控制方式。在20世纪40年代前后，除在最简单的情况下采用开关式控制外，它是唯一被采用的控制方式。此后，随着控制理论和科学技术的发展，虽然出现了许多新的控制方式，然而截至目前为止，PID调节方式依然被广泛地采用。据有关资料统计，目前世界上90％以上的过程控制系统采用的依然是PID调节或基于PID调节的各种改进型控制方式。PID调节的主要优点体现在以下几个方面：第十八页，共六十五页，编辑于2023年，星期六1）PID调节模拟了人脑的部分思维，原理简单、容易理解与实现，使用方便。2）应用范围广。它能广泛应用于化工、热工、冶金、炼油以及造纸、建材等各种控制过程。按照PID控制方式工作的自动调节器产品早已标准化和系列化，即使在过程计算机控制中，其基本的控制方式也依然采用的是PID调节或新型PID调节。3）鲁棒性强。由PID调节规律构成的控制系统当被控过程的特性发生改变时，只要重新整定调节器的有关参数，即可使系统的控制性能不会产生明显的变化。第十九页，共六十五页，编辑于2023年，星期六3.2.2DDZ-III型PID基型调节器

DDZ一III型PID基型调节器有两个品种，即全刻度指示调节器和偏差指示调节器。它们的电路结构基本相同，仅指示电路有差异。这里仅介绍全刻度指示调节器。3．2．2．1全刻度指示调节器的技术参数及外形DDZ－III型全刻度指示调节器的主要技术参数有：测量信号：1～5VDC；外给定信号：4～20mADC；内给定信号：1～5VDC；测量与给定信号的指示精度：±1％；输入阻抗影响：≤满刻度的0.1％；输出信号：4～20mADC；负载电阻：250～750Ω。输出保持特性：-0.1％／h；调节精度：±0.5％；DDZ-III型全刻度指示调节器的外形如图3-6所示。第二十页，共六十五页，编辑于2023年，星期六3.2.2.2全刻度指示调节器的构成原理全刻度指示调节器的构成框图如图3-7所示。

由图3-7（P77)可知，调节器由控制单元和指示单元组成。控制单元包括：输入电路、PD与PI电路、输出电路、软手动与硬手动操作电路；指示单元包括：输入信号指示电路和给定信号指示电路。

第二十一页，共六十五页，编辑于2023年，星期六调节器的作用：

将变送器送来的1～5V·DC的测量信号，与1～5V·DC的给定信号进行比较得到偏差信号，然后再将其偏差信号进行PID运算，输出4～20mA·DC信号，最后通过执行器，实现对过程参数的自动控制。全刻度指示调节器框图：第二十二页，共六十五页，编辑于2023年，星期六调节器的测量输入信号与内给定输入信号均是以零伏为基准的l～5VDC信号，而外给定则是由4～20mADC通过250Ω精密电阻转换成以零伏为基准的1～5VDC信号，内、外给定由开关S6进行选择。调节器有自动、软手动和硬手动三种工作状态，并通过联动开关进行切换。第二十三页，共六十五页，编辑于2023年，星期六一、输入电路

Vo1=-2(vi-vs)(正作用）作用：（1）用来获得与输入信号vi和给定信号vs之差成比例的偏差信号。(输入电路的输出电压是偏差电压的两倍）（2）对偏差信号实现电平移动(将两个以零伏为基准的输入电压，转换成以电平VB(＝10v)为基准的偏差电压输出，从而实现了电平移动。)

其电路图如图4-3所示。

若不采用电平移动，即vB=0v时，则VF=VT=1/3vs因vs=1~5v，显然不能满足运算放大器共模电压允许的范围的要求2~19v第二十四页，共六十五页，编辑于2023年，星期六二、输出电路：实际上是一个具有电平移动的电压－电流转换器。当vo3=1~5v时，输出电流I0=4~20mA三、手动操作电路附加在比例积分电路中软手动操作电路：指调节器的输出电流与手动输入电压信号成积分关系。硬手动操作电路：指调节器的输出电流与手动输入电压信号成比例关系。手动作用：（1）控制系统在投运之前一般先采用手动控制（现场人工控制执行器）。当工艺操作过程比较稳定后，再从手动控制切换到自动控制。（2）当系统出现故障或需要停车时，调节器也需要由自动控制切换到手动控制。在相互切换的过程中应实现无扰动切换。第二十五页，共六十五页，编辑于2023年，星期六积分上升：S4-1、S4-2积分下降：S4-3、S4-4快速：S4-1、S4-3慢速：S4-2、S4-4RMR第二十六页，共六十五页，编辑于2023年，星期六四指示电路将以0v为基准的1~5V·DC输入信号转换为以vB为基准的1~5mA·DC电流信号。五正反作用开关s71当置于正作用时，随着测量信号的增加，调节器的输出也增加；(正作用调节器）2当置于反作用时，随着测量信号的增加，调节器的输出减少。（反作用调节器）正反作用的选择，由执行器和调节对象的特性决定。-+第二十七页，共六十五页，编辑于2023年，星期六第二节执行器一概述1组成：执行机构调节机构（调节阀）2作用：

接受调节器输出的控制信号，并转换成直线位移或角位移来改变调节阀的流通面积，以控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。第二十八页，共六十五页，编辑于2023年，星期六3分类：

根据使用能源不同，执行器可分为三大类：1）气动执行器：

以压缩空气为能源,输入信号为20~100KPa优点：结构简单、工作可靠、价格便宜、维护方便、防火防爆等，在过程控制中获得最广泛的应用。2）电动执行器：

以电为能源,输入信号为0~10mA·DC(DDZ-II型)或4~20mA·DC(DDZ-III型)优点：能源取用方便、信号传输速度快和便于远传。缺点：结构复杂、价格贵、适用于防爆要求不高及缺乏气源的场所。3）液动执行器：

以高压液体为能源。推力最大，但目前使用不多。第二十九页，共六十五页，编辑于2023年，星期六二、电动执行机构（实验）三、气动执行机构

1结构：由膜片、推杆和平衡弹簧等部分组成。

2作用：

接受气动调节器或电气阀门定位器输出的气压信号，经膜片转换成推力，克服弹簧力后，使推杆产生位移，同时带动阀芯动作。

第三十页，共六十五页，编辑于2023年，星期六3气动执行机构作用形式：正作用:当输入气压信号增加时，推杆向下移动时称正作用。反作用：当输入气压信号增加时，推杆向上移动时称反作用。第三十一页，共六十五页，编辑于2023年，星期六四调节阀1类型：直通双座调节阀、直通单座调节阀、碟阀、三通阀、隔膜阀、角形阀等。蝶阀：适用于大流量、大管径、低压差，但泄漏量大角形阀：单导向结构，气开式，必须采用反作用执行机构才能实现。2特性：

局部阻力可变的节流元件通过改变阀芯的行程而改变调节阀的阻力系数，以达到控制流量的目的。分流阀合流阀第三十二页，共六十五页，编辑于2023年，星期六五气动执行器的选用1调节阀的尺寸选择

调节阀的尺寸通常用公称直径Dg和阀座直径dg表示，选择其大小的主要依据是流通能力C。流通能力定义：

调节阀全开，阀前后压差为0.1MPa，流体重度为1g/cm3时，每小时通过阀门的流体流量m3或kg。设流体是不可压缩的，则式中，α为流量系数；A0为调节阀接管截面积；g为重力加速度;r为流体重度;Δp为调节阀前后压差,Δp=P1-P2Q为流体的体积流量第三十三页，共六十五页，编辑于2023年，星期六令则有可见，流通能力C表示了调节阀的结构参数。对于不同口径、不同结构形式的调节阀，其流通能力C也不同。根据调节所需的物料量Qmax、Qmin，流体重度r以及调节阀上的压降ΔP，可以求得最大流量、最小流量时的Cmax和Cmin值，再根据Cmax，在所选用产品型式的标准系列中，选取大于Cmax并最接近一级的C值，最后查出Dg和dg。第三十四页，共六十五页，编辑于2023年，星期六2调节阀气开、气关形式的选择(1)所谓气开式，即当气压信号P>0.02MPa时，阀由关闭状态逐渐打开；气关式，即气压信号P>0.02MPa时,阀由全开状态逐渐关闭。

（信号压力范围0.02~0.1MPa)(2)

由于执行机构有正、反两种作用形式，调节阀也有正装和反装两种形式。所以，实现气动调节阀的气开、气关时，有四种组合方式，如图4-22和表4-2所示。序号执行机构阀体气动调节阀a正正气关b正反气开c反正气开d反反气关第三十五页，共六十五页，编辑于2023年，星期六(3)调节阀气开、气关的选择：

主要从工艺生产的安全来考虑：当发生断电或其他事故引起信号压力中断时,调节阀的开闭状态应避免损坏设备和伤害操作人员。例如：一般蒸汽加热器选用气开式，一旦气源中断，阀门处于全关状态，停止加热，使设备不致因温度过高而发生事故或危险。锅炉进水的调节阀则选用气关式，当气源中断时，仍有水进入锅炉，不致产生烧干或爆炸事故。3单座阀和双座阀的选择：

大口径的阀一般选用双座阀当阀的口径较小时，一般选用单座阀。（泄漏量小，阀前后压降较低）第三十六页，共六十五页，编辑于2023年，星期六4流量特性的选择

调节阀的流量特性，系指介质流过阀门的相对流量与阀门相对开度之间的关系，即式中，Q/Qmax为相对流量，即某一开度的流量与全开流量Qmax之比；

l/L为相对开度，即某一开度行程l与全行程之比。（1）理想流量特性

当调节阀前后压差一定的情况下得到的流量特性，称之为理想流量特性，它仅取决于阀芯的形状。

(它是一个调节阀固有的流量特性）第三十七页，共六十五页，编辑于2023年，星期六在目前常用的调节阀中，有三种典型的固有流量特性，即直线流量特性、快开流量特性和等百分比流量特性，其阀芯形状和相应的特性曲线示于图4－24和图4－25中。1）直线流量特性：直线流量特性调节阀在小开度工作时，其相对流量变化太大，控制作用太强，容易引起超调，产生振荡；而在大开度工作时，其相对流量的变化小，控制作用太弱，造成控制作用不及时。第三十八页，共六十五页，编辑于2023年，星期六2）对数（或称等百分比）流量特性：

在小开度时Kv小，控制缓和平稳；在大开度时Kv大，控制及时有效。3）快开流量特性：

在小开度时流量就比较大，随着开度的增大，流量很快达到最大，故称为快开特性。(2)工作流量特性

在实际使用时，调节阀安装在管道上，或者与其他设备串联，或者与旁路管道并联，因而调节阀前后的压差是变化的。此时，调节阀的相对流量与阀芯相对开度之间的关系称为工作流量特性。说明：调节阀的可调范围R：调节阀所能控制的流量上限和流量下限之比。第三十九页，共六十五页，编辑于2023年，星期六

1)串联管道时的工作流量特性：

调节阀与其他设备串联工作时(如图4－26a所示)调节阀上的压差是其总压差的一部分。当总压差P一定，随着阀门的开大，阀前后的压差将逐渐减小。为了衡量调节阀实际工作流量特性相对于理想流量特性的变化程度，可用阻力比这个系数S来表示：分析：

S=1时，管道压降为零，调节阀前后压差等于系统的总压差，故工作流量特性即为理想流量特性。式中Pvmin——调节阀全开时阀门前后的压差

P——系统总压差第四十页，共六十五页，编辑于2023年，星期六S<1时，由于串联管道阻力的影响，使流量特性产生两个变化：阀全开时流量减小，即阀的可调范围变小。使阀在大开度时的控制灵敏度降低。随着S值的减小，直线特性趋于快开特性，等百分比特性趋向于直线特性。结论：

在实际使用中，一般希望S值不低于0.3~0.5。第四十一页，共六十五页，编辑于2023年，星期六2)并联管道时的工作流量特性：

在现场使用中，调节阀一般都装有旁路阀(如图4－28所示)，以便于手动操作和维护。并联管道时的工作流量特性如图4－29所示：图中s'为阀全开时流量与总管最大流量之比。当s'＝1时，旁路阀关闭，工作流量特性即为理想流量特性，随着旁路阀逐渐打开，s'值逐渐减小，调节阀的可调范围也将大大下降，从而使调节阀的控制能力大大下降，影响控制效果。

根据实际经验，s'值不能低于0.8。第四十二页，共六十五页，编辑于2023年，星期六(3)调节阀流量特性的选择

理论分析法：还在研究中

经验法：目前较多采用。一般可从下述几方面来考虑。

1)依据过程特性选择：

一个过程控制系统，在负荷变动的情况下，要使系统保持预定的控制品质，则必须要求系统总的放大系数在整个操作范围内保持不变。一般变送器、调节器(已整定好)、执行机构等放大系数基本上是不变的，但过程的特性则往往是非线性的。为此，必须合理选择调节阀的特性，以补偿过程的非线性，其选择原则为：

KvKo＝常数其中，Kv为调节阀的放大系数；Ko为过程的放大系数。

当过程的特性为线性时，则应选择直线特性的调节阀，否则就选择等百分比特性的调节阀。第四十三页，共六十五页，编辑于2023年，星期六

2)依据配管情况选择：

在现场使用中，调节阀总是与设备和管道连在一起的，由于系统配管情况不同，调节阀的工作特性和理想特性也有差异。

因此，首先应根据过程特性来选择工作特性，然后再考虑配管情况来选择相应的理想特性。（制造厂所标明的流量特性是理想特性）选择原则如下表：

配管状况S=1~0.6S=0.6~0.3工作特性直线等百分比直线等百分比理想特性直线等百分比等百分比等百分比表3－4依据配管状况选择表第四十四页，共六十五页，编辑于2023年，星期六

3)依据负荷变化情况选择：

在负荷变化较大的场合，宜选用等百分比调节阀。因为等百分比调节阀放大系数是随阀芯位移的变化而变化的，其相对流量变化率是不变的，因而能适应负荷的变化情况。

当调节阀经常工作在小开度时，宜选用等百分比调节阀。因为直线调节阀在小开度时，相对流量变化率很大，不宜进行微调。第四十五页，共六十五页，编辑于2023年，星期六六电-气转换器与阀门定位器1.电/气转换器

由于气动执行器具有一系列的优点，绝大部分使用电动调节仪表的系统也使用气动执行器，为使气动执行器能够接受电动调节器的命令，必须把调节器输出的标准电流信号转换为20～100kPa的标准气压信号。这个工作是由电一气转换器完成的。电－气转换器的作用：

把0～10mA.DC或4～20mA.DC的电信号转换成20～100kPa的气压信号,该信号可用来直接推动气动执行机构或作较远距离的传送。第四十六页，共六十五页，编辑于2023年，星期六由电动调节器送来的电流I通入线圈2，该线圈能在永久磁铁的气隙中自由地上下移动。当输入电流I增大时，线圈与磁铁产生的吸力增大，使杠杆1作逆时针方向转动，并带动安装在杠杆上的挡板3靠近喷嘴4，改变喷嘴和挡板之间的间隙。

当挡板3靠近喷嘴4，使喷嘴挡板机构的背压升高，这个压力经过气动功率放大器9的放大，产生输出压力P，作用于波纹管6，对杠杆产生向上的反馈力。它对支点O形成的力矩与电磁力矩相平衡；构成闭环系统，于是，输出压力与I成正比例，0~10mA·DC或4~20mA·DC的电信号就转换成20~100KPa的气压信号，该信号可用来直接推动气动执行机构或作较远距离的传送。第四十七页，共六十五页，编辑于2023年，星期六2.阀门定位器（P102)第四十八页，共六十五页，编辑于2023年，星期六3.4.4智能式电动执行器自20世纪90年代以来，随着微电子技术、微处理机技术、计算机网络技术和机电一体化技术的迅速发展和现场总线控制的迫切需要，符合现场总线的智能执行器便应运而生。目前，智能执行器已有诸多产品，表3－5（P102)列出了部分目录。第四十九页，共六十五页，编辑于2023年，星期六1．智能电动执行器的特点与常规电动执行器相比，智能电动执行器有如下特点：

1）具有智能化和高精度的控制功能。智能执行器可直接接收变送器信号，按设定值自动进行PID调节，控制流量、压力和温度等过程变量。通过组态可按折线形成多种形状的非线性流量特性，实现对过程非线性特性的补偿，以提高系统的控制精度。同时也摆脱了长期以来依靠改变阀心形状来改变流量特性的落后状况。

2）一体化的结构设计思想。智能执行器将位置控制器、PID控制器、伺服放大器、电／气转换器、阀位变送器等装在一台现场仪表中，减少了信号传输中的泄漏和干扰等因素对系统控制精度的影响；与此同时，还采用电制动和断续调节技术代替机械摩擦制动技术，以提高整机的可靠性。第五十页，共六十五页，编辑于2023年，星期六3）具有智能化的通信功能。智能执行器与上位机或控制系统之间可通过现场总线按规定的通信协议进行双向数字通信，并构成所需要的控制系统，这是智能执行器与常规电动执行器的重要区别之一，也是它突出的优点之一。4）具有智能化的自诊断与保护功能。当电源、气动部件、机械部件、控制信号、通信或其他方面出现故障时，均能迅速识别并能有效采取保护措施，确保控制系统及生产过程的安全。5）具有灵活的组态功能，“一机多用”，提高了经济效益。例如，对于输入信号，可通过软件组态来选择合适的信号源；对于执行器的运行速度和行程，也可通过组态软件进行任意设置，所有这些都无需更换硬件。这样一来，只要用少量类型的智能执行器就能够满足各种工业过程的不同需求，从而大大提高了制造商和用户的经济效益。第五十一页，共六十五页，编辑于2023年，星期六

2．智能电动执行器的实例简介表3－5表明，智能电动执行器的种类很多，但其结构原理功能却大同小异。现以美国Valtek公司生产的Starpac智能执行器为例加以说明。Starpac智能执行器的基本结构和功能如图3－41所示。如图所示，阀体的进、出口部位和内部均装有压力、温度检测器；阀杆内装有阀位检测器；执行机构进、出口装有空气压力检测器。所有这些检测器的输出信号都被送往Starpac执行器内装的微处理器中。在调节阀的运行过程中，微处理器根据这些参数的变化，分析调节阀的工作状况，实时进行调整、校准和故障诊断，使阀门的控制精度和可靠性得到了极大的提高。与上位机或控制系统的连接用4～20mADC模拟信号或RS－485串行数字信号的通信方式，二者可任选，但与PC连接进行组态、校准、数据检索或故障诊断时，必须采用数字通信方式。第五十二页，共六十五页，编辑于2023年，星期六第五十三页，共六十五页，编辑于2023年，星期六3.5安全栅

安全火花型防爆系统必须具备两个条件：

1.现场仪表必须设计成安全火花型；

2.现场仪表与非危险场所(包括控制室)之间必须经过安全栅(又称防爆栅)，以便对送往现场的电压、电流进行严格的限制，从而保证进入现场的电功率在安全范围之内。由此可见，安全栅是构成安全火花防爆系统极其重要的过程控制仪表之一。安全栅的种类很多，有电阻式安全栅、中继放大式安全栅、齐纳式安全栅、光电隔离式安全栅、变压器隔离式安全栅等。目前应用最多的是齐纳式安全栅和变压器隔离式安全栅。3．5．1齐纳式安全栅

1．简单齐纳式安全栅简单齐纳式安全栅是利用齐纳二极管的反向击穿特性进行限压、用固定电阻进行限流，其基本电路原理如图3－42所示。第五十四页，共六十五页，编辑于2023年，星期六由图可知，该安全栅可以限制流过的电压与电流，不让它们超过安全值，即当输入电压Vi在正常范围(24V)内时，齐纳二极管VD不导通；当电压Vi高于24V并达到齐纳二极管的击穿电压(约28V)时，齐纳二极管导通，在将电压钳制在安全值以下的同时，安全侧电流急剧增大，使快速熔丝FU很快熔断，从而将可能造成事故的高压与危险场所隔断。固定电阻R的作用——限制流往现场的电流。第五十五页，共六十五页，编辑于2023年，星期六这种简单的齐纳式安全栅存在两点不足：1）固定的限流电阻其大小难以选择，选小了起不到很好的限流作用，选大了又影响仪表的恒流特性。理想的限流电阻应该是可变的，即电流在安全范围内其阻值要足够小，而当电流超出安全范围时其电阻要足够大。2）接地不合理，通常一个信号回路只允许一点接地，若有两点以上接地会造成信号通过大地短路或形成干扰。因此，希望安全栅的接地点在正常信号通过时要对地断开。第五十六页，共六十五页，编辑于2023年，星期六2．改进型齐纳式安全栅

针对简单齐纳式安全栅存在的两点不足，进行了改进。改进后的齐纳式安全栅如图3－43所示。第五十七页，共六十五页，编辑于2023年，星期六其中：改进1：由四个齐纳二极管和四个快速熔丝组成双重限压电路，并取消了直接接地点，改为背靠背连接的齐纳二极管中点接地。这样，在正常工作范围内，这些二极管都不导通，安全栅是不接地的；当输入出现过电压时，这些齐纳二极管导通，对输入过电压进行限制，并通过中间接地点使信号线对地电压不超过一定的数值。改进2：用双重晶体管限流电路(还有一套电路未画出)代替固定电阻，以达到近似理想的限流效果。第五十八页，共六十五页，编辑于2023年，星期六

该限流电路的工作原理为：场效应管VT3工作于零偏压，作为恒流源向晶体管VT1提供足够的基极电流，保证VT1在信号电流为4~20mA的正常范围内处于饱和导通状态，使安全栅的限流电阻很小；如果信号电流超过24mA，则电阻R1上的压降将超过0.6V，于是晶体管VT2导通，分流了恒流管VT3的电流，使VT1的基极电流减小，VT1将退出饱和，使安全栅的限流电阻随信号电流的增大而迅速增大，起到很好的限流作用。缺点：齐纳式安全栅虽然结构简单、价格便宜，但由于齐纳二极管过载能力低，且难以解决熔丝的熔断时间和可靠性之问的矛盾，更何况熔丝是一次性使用元件，一旦