过程控制仪表与装置概述

过程控制装置1.参考教材：?过程控制系统与装置?，何离庆主编重庆大学出版社，2003.参考书目：?过程控制工程?，邵裕森，等主编机械工业出版社，2000.?控制仪表与装置?，向婉成主编机械工业出版社，1999.。。。2.主要内容控制仪表与装置概述变送器与转换器调节器执行器分散型控制系统现场总线控制系统典型生产过程控制装置3.第一章

过程控制仪表与装置概述一、控制仪表与装置的分类及开展二、控制仪表与装置的信号与供电三、控制系统的平安防爆4.自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置〔称为过程控制仪表或装置〕，使被控对象的工作状态或参数〔压力、物位、流量、温度、PH值等〕自动地按照预定的规律运行。什么是自动控制?5.计算机控制系统的开展过程DDC控制始于50末期本质：用一台计算机取代一组模拟调节器，构成闭环控制回路特点：具有里程碑意义问题：价格、性能集中型计算机控制本质：一台计算机取代尽可能多的模拟调节器特点：控制集中信息集中危险集中问题：性能DCS控制始于70年代本质：采用过程控制－过程管理－生产管理等多层结构特点：控制分散信息集中半数字，半分散传统DCSPLC_BasedDCSIPC_BasedDCSFCS本质：支持双向、多节点、总线式的全数字通讯，将全厂最基础的现场级仪表和装置均通过现场总线连接起来特点：把控制任务下移到智能现场设备，全分散控制分布式IODCS现场信号根据传输距离或功能不同连接到现场I/O设备上，各现场I/O设备与控制站间通过网络（现场总线）连接。过渡型结构6.——直接数字量控制本质——

用一台计算机取代一组模拟调节器，构成闭环控制回路，用数字控制技术简单地取代模拟控制技术。过程控制计算机SPAI、DIAO、DO

检测仪表执行器被控过程（对象）起始于50年代末期，开辟了一个轰轰烈烈的计算机工业应用时代

优点——计算灵活，精度高，PID控制规律，分时处理多个控制回路此外，DDC也很快开展到PID以外的多种复杂控制。问题——价格昂贵，运算速度不高7.——集中型计算机控制系统初衷：由于当时的计算机体积庞大，价格非常昂贵，为了使计算机控制能与常规仪表控制相竞争，企图用一台计算机来控制尽可能多的控制回路。外设过程控制计算机AIDIAODO

被控过程（对象）被控变量操作变量…………}{输入子系统输出子系统优越性：从外表上看——信息集中，集中型计算机控制可以实现各种更复杂控制功能；便于实现优化控制和优化生产。问题：由于当时计算机总体性能低，容量小，容易出现负荷过载，控制集中直接导致危险集中，高度集中使系统变得十分“脆弱〞。8.——集散控制系统DCS出发点〔2个方面〕：(1)不能采取控制回路高度集中的设计思想，需要把控制功能分散到假设干个控制站实现，以提高系统的可靠性；(2)考虑到整个生产过程的整体性，各个控制系统〔回路〕的运行应当服从工业生产管理的总体目标。根本特征:控制的分散性和管理的集中性9.现场总线控制系统〔FCS〕10.定义是连接智能现场装置和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。支持双向、多节点、总线式的全数字通讯·双向数据通信能力防止了反复进行A/D、D/A的转换·把控制任务下移到现场设备，以实现测量控制一体化全分散本质特点评价·已成为全世界范围自动化技术开展的热点·涉及整个自动化和仪表的工业“革命〞FCS现场总线控制系统11.计算机控制系统的开展特征随着局域网、Internet、IT技术迅速开展，计算机控制系统向集成化、网络化、智能化、信息化开展成为一种趋势系统结构向网络化、网络扁平化方向发展

系统功能向综合化方向发展系统设备向多样化方向发展12.例:一贮罐液位控制系统。要求贮罐液位保持一定，以满足生产需要；图中液位变送器、控制器和执行器构成了一个单回路控制系统。分析:贮罐液位由液位变送器转换成相应的标准信号送到控制器，与给定值相比较，控制器按比较得到的偏差，以一定的控制规律发出控制信号，控制执行器的动作，通过改变贮罐液体出料的流量，从而使贮罐液位保持在与给定值根本相等的数值上。13.控制器被控对象变送器zxe=x-z-pqy干扰温度〔压力、液位、流量〕变送器、在线成分分析仪〔通常输出：4~20mA、1～5V等标准信号〕液位开关、料位开关、接近开关(通常输出on/off信号)传感器〔Pt100、热电偶……〕……通常安装于控制室通常安装于现场显示仪表四个根本环节：被控对象、检测仪表、控制器、执行器〔显示仪表根据需要可选〕阀门：调节阀、电磁阀、气动蝶阀……泵：开关泵、变频泵控制阀14.一、过程控制仪表的开展概况及分类开展概况50年代60年代70年代80年代90年代21世纪至今QDZⅠQDZⅡQDZⅢDDZⅠDDZⅡDDZⅢ数字式〔智能式〕控制仪表DCS系统〔PLC〕现场总线以太网15.典型的仪表系统基地式系统基地式仪表第0代常规仪表控制系统单元组合仪表：调、变、执、算(DDZ-II、III、QDZ)第1代

DDC控制变、执(DDZ-II、III)

集中型计算机控制系统变、执(DDZ-II、III)

第2代DCSOS：小型机、IPCCS：IPC、PLC、智能调节器现场仪表：DDZ-III为主

第3代*分布式IODCS现场信号根据传输距离或功能不同连接到现场I/O设备上，各现场I/O设备与控制站间通过网络（现场总线）连接。现场仪表：DDZ-III、总线仪表

过渡型*FCS将全厂最基础的现场级仪表和装置均通过现场总线连接起来，实现全数字化通讯。现场仪表：总线仪表

第4代*16.基地式控制仪表：以指示、记录仪表为主体，附加控制机构所组成的装置。单元组合式控制仪表：将整套仪表按照功能划分成假设干独立的单元(分为变送、转换、计算、显示、给定、调节、执行与辅助单元等八大类)，各单元之间用统一的标准信号连接。按照连接信号的不同，单元组合式控制仪表分为气动单元组合仪表(QDZ)和电动单元组合仪表(DDZ)两类。组装式综合控制装置：它的最大的特点是控制和显示操作功能别离，结构上分为控制机柜和显示操作盘两大局部，可以实现对生产的集中显示和操作。计算机(数字式)控制装置：以微型计算机为核心的自动控制系统。包括：集散控制系统、可编程控制器、现场总线控制系统等。17.过程控制仪表类型过程控制仪表模拟式数字式基地式单元组合式组装式气动QDZ电动DDZDDZ-ⅠDDZ-ⅡDDZ-ⅢDDZ-Ⅳ单/多回路控制器可编程控制器(PLC)工业计算机(IPC)集散系统系统(DCS)总线控制系统(FCS)可编程自动化控制器(PAC)18.单元组合仪表类型气动单元组合仪表QDZ变送单元(B)转换单元(Z)计算单元(J)显示单元(X)给定单元(G)调节单元(T)辅助单元(F)电动单元组合仪表DDZ变送单元(B)转换单元(Z)计算单元(J)显示单元(X)给定单元(G)调节单元(T)执行单元(K)辅助单元(F)19.附图：一、DDZ之变送单元类

(温度、压力、差压、流量、物位、成分等)温度变送器20.二、DDZ之转换单元类

(阻抗、电流、毫伏、气/电与电/气、频率、脉冲/电压、峰值检测器等)电流转换器直流毫伏转换器电/气转换器21.三、DDZ之显示单元类

(比例或开方积算器、各种指示仪与警报器等)单、双针指示器 比例积算仪22.四、DDZ之运算单元类

(加减器、乘除器、开方器、函数发生器等)加减器 乘除器 开方器23.五、DDZ之给定单元类

(恒流、比值、时间程序、参数给定器等)DGJ型报警给定器 DGA-2000型恒流给定器24.六、DDZ之调节单元类

(PID基型、PID自整定、PID间歇、SPC、DDC备用、自动选择、抗积分饱和控制等)DDZ-IIIDTZ－2100型全刻度指示调节器25.七、DDZ之执行单元类

(角行程、直行程、阀门定位器等)电动角行程(DKJ)执行机构电动直行程(DKZ)执行机构电气阀门定位器 气动阀门定位器26.八、DDZ之辅助单元类

(Q型、D型、便携式及S/Z自动切换操作器，信号限制器、信号选择器、平安栅、配电器、直流稳压电源、隔离器等)配电器 隔离器 操作器27.DDZ之辅助单元类电源箱28.分类及特点〔一〕按安装场地分：1.现场类仪表2.控制室类仪表〔二〕按能源形式分：1.气动控制仪表2.电动控制仪表3.液动控制仪表〔三〕结构形式分：1.基地式控制仪表2.单元组合式控制仪表3.组装式综合控制装置4.数字化控制仪表5.集散控制系统6.现场总线控制系统。〔四〕按信号形式分：1.模拟控制仪表2.数字控制仪表29.〔一〕按安装场地分：2、控制室类仪表

1、现场类仪表在抗干扰、防腐蚀、抗震动等方面有特殊要求。30.〔二〕按能源形式分：电动控制仪表的特点：信号传送速度快、传送距离远、易于与计算机联用。

气动控制仪表的特点：结构简单、性能稳定、平安防爆、易于维修。31.〔三〕结构形式分：1.基地式控制仪表以指示、记录仪表为主体，附加某些控制机构。2.单元组合控制仪表

电动单元组合仪表：DDZ

Ⅰ型；DDZⅡ型；DDZⅢ型电源：220VAC；24VDC；电信号：电流0～10mADC；4～20mADC；

Vo：1～5VDC气动单元组合仪表：气源：140kPa；气信号：20～100kPa32.3.组装式控制仪表一种功能别离、结构组件化的成套仪表装置。工程实际中已很少使用。4.数字控制仪表以数字计算机为核心的数字控制仪表。其外形结构、面板布置保存了模拟式仪表的一些特征，但其运算、控制功能更为丰富，通过组态可完成各种运算处理和复杂控制。可和计算机配合使用，以构成不同规模的分级控制系统。33.5.集散型控制系统将集中一台计算机完成的任务分派给各个微型过程控制计算机，再配上数字总线以及上一级过程控制计算机，组成各种各样的、能适应于不同过程的积木式分级分布计算机控制系统。实现了“控制分散〞或“危险分散〞，管理高度集中。6.现场总线控制系统是计算机网络技术、通信技术、控制技术和现代仪器仪表技术的最新开展成果。它将具有数字通信能力的现场智能仪表连成网络系统，并同上一层监控级、管理级联系起来成为全分布式的新型控制网络。34.〔四〕按信号类型分：模拟式控制仪表传输信号通常为连续变化的模拟量。这类仪表线路较简单，操作方便，价格较低使用上均有较成熟的经验。数字式控制仪表传输信号通常为断续变化的数字量。这些仪表和装置是以微型计算机为核心，其功能完善，性能优越，它能解决模拟式仪表难以解决的问题，满足现代化生产过程的高质量控制要求。35.二、控制仪表与装置的信号与供电〔一〕控制仪表与装置的供电〔二〕模拟仪表与装置的信号制〔三〕数字仪表与装置的信号制36.压力变送器压力变送器常用的控制仪表及装置

37.测量膜合差压变送器双法兰差压送器38.无纸记录仪39.测量精确值BetterControl可编程调节器输出精确值输出百分值测量百分值40.

气动阀门定位器气动执行机构电动执行机构41.直通单、双座控制阀直通单、双座控制阀42.43.44.闸阀球阀三通阀蝶阀角阀45.46.球阀角阀47.

控制层网络管理层网络远程节点Web服务器

现场设备层

操作站

工程师站DCS的物理层次示意48.控制室控制台流程图49.仪表盘操作员站50.操作员站CRT工业流程图51.〔一〕控制仪表与装置的供电电动控制仪表与装置的供电主要有两种形式：交流供电与直流集中供电。1、交流供电早期的电动控制仪表中多使用交流供电。将220V工频交流直接引入控制系统中的各台仪表中。缺点：交流干扰、热干扰等必然会对仪表产生影响；仪表体积也不易做小；220V的直接引入降低了仪表的平安性，缩小了仪表的应用范围。52.2、直流集中供电整个控制系统由统一的直流低压电源箱供电，且常常是一组电源为整个控制系统的各台仪表供电，称为直流单电源集中供电。优点：易实现带备用电源的无停电系统；低压供电为系统防爆提供了有利条件。53.〔二〕模拟仪表与装置的信号制信号制即指在某种标准中所规定的信号联络方法。电信号的种类主要有模拟信号、数字信号、频率信号和脉宽信号等四大类，前两者用得最多。电模拟信号的种类有直流电流、直流电压、交流电流、交流电压四种。其中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、不受交流感应影响等优点，因而应用较为广泛。54.1973年国际电工委员会〔IEC〕第64次技术委员会通过的标准规定了国际统一信号，过程控制系统的模拟直流电流信号为4～20mADC，模拟直流电压信号为1～5VDC。我国早期DDZ-Ⅱ仪表所用的信号制为0～10mADC，气动调节仪表的信号制为0.02～0.1Mpa。信号制的下限不为零称为活零点，有助于实现微机控制系统的自检；信号制的上限亦不能太大，有助于实现系统的防爆。直流模拟电流与电压信号各有优缺点，分别适用于不同的场合。55.1、直流电流信号直流电流信号传输模型如图2.2.1所示。图中ro作为发送仪表的变送器的等效输出电阻，Rcm为连接导线及连接过程所产生的电阻。n台接收仪表串联或并联地接收信号。显然直流电流信号信号传输有如下两个缺点，⑴假设回路中有一个断点，那么n台接收仪表均不能接收信号。因此，可靠性受到影响。⑵各接收仪表输入端会逐级电位升高，引起系统设计与维护的不便。56.直流电流信号传输所产生的误差由发送仪表信号源的质量引起〔2.1〕在实际应用中ro>>Rcm+nri，，那么有〔2.2〕现代电子技术完全能保证发送仪表的输出电阻ro很大。由上式可知当接收仪表输入电阻足够小(常为250Ω左右)时，传输电阻Rcm在一定范围内变化仍能保证传输精度。因此，直流电流信号适宜于长距离传输。57.2、直流电压信号直流电压信号传输模型如图2.2.2所示。直流电压信号没有直流电流的两个缺点，因此可靠性好；设计安装上较为简单；增加或去掉某台仪表不会对系统产生影响。信号传输所产生的误差由发送仪表信号源内阻与线路传输电阻引起〔2.3〕58.应用中，ri很大，一般都满足〔2.4〕此时，〔2.3〕变为〔2.5〕比较〔2.2〕与〔2.5〕可知，当距离相同时，在精度上电流传输优于电压传输。因此，在直流模拟仪表的设计应用中，远距离传输或进出控制室的信号用电流信号，控制室内各仪表间的信号联络用电压信号。59.〔三〕数字仪表与装置的信号制从应用的角度，数字仪表通讯标准大致应包括三个方面：信息构成格式、数据编码/调制形式与物理的信号发送/接收接口标准。1、信息构成格式对应于不同的现场总线以及不同的协议层，信息构成格式各不相同，现以基金会现场总线FF协议数据的构成与各协议层的关系为例作简单说明。60.FF由四层协议层构成：物理层、数据链路层、应用层及用户层。应用层又划分为两个层次——总线访问子层FAS与总线报文标准子层FMS。如某个用户要将数据通过现场总线发往其它设备，图2.2.4中以数据节的方式示出各层信息构成格式。61.2、数据编码/调制信号形式数据编码指表达数据的物理信号形式。分别用模拟信号的不同的幅度、频率、相位来表达数据0，1状态的编码称为模拟数据编码；用上下电平的矩形脉冲信号表达数据0，1状态的编码称为数字数据编码。基带传输指在根本不改变数据信号频率下，直接传输数据信号的方式。基带传输可以到达较高的传输速率，是目前广泛应用的数据通讯方式。常见的编码方式如图2.2.5所示，它们都属于基带传输方式。62.根本的频带传输调制方式主要有幅度键控ASK、频移键控FSK和相移键控PSK，调制后的信号典型波形如图2.2.6所示。63.3、发送/接收接口标准物理层协议连接两个发送和接收信息的物理设备，由接口标准支持。现在国际上已有一些接口标准，如美国电子工业协会EIA制定的RS-232、RS-422A、RS-485等均被广泛应用。64.三、控制系统的平安防爆〔一〕平安防爆仪表概述〔二〕本质平安型防爆仪表〔三〕平安防爆控制系统65.〔一〕平安防爆仪表概述防爆电器设备有多种结构，应用于0区与1区的只有三种：正压型、隔爆型与本质平安型〔简称本安型〕。正压型原理是控制易爆气体，即人为地在危险现场营造出一个没有易爆气体的空间，将仪表安装在其中。隔爆型仪表将仪表的电路和接线端子等安装在厚厚的隔爆腔体内，仪表电路因事故出现火花，不会引爆外面的易燃易爆物质。本质平安型的原理是控制仪表电路中的能量，使电路在正常或异常状态下产生的火花或到达的温度，都缺乏以引爆危险物质。66.从仪表防爆的角度，自动化系统包括两种仪表：安装在控制现场〔危险场所〕的本质平安型仪表和安装在控制室〔非危险场所〕的一般仪表。本质平安型仪表电路的能量因受到限制，所以在其中流动的能量是“平安能量〞；一般仪表电路没有限制电路的能量，所以可能会出现对于控制现场来说的“危险能量〞。所以，本质平安型防爆系统还要在信号线路上加接防爆栅。防爆栅的目的就是防止平安场所的危险能量窜入危险场所。67.〔二〕本质平安型防爆仪表1、设计要点68.2、平安防爆栅根本原理防爆栅又称平安栅，有输入端用防爆栅与输出端用防爆栅。它的作用是防止平安场所的危险能量窜入危险场所，在正常情况下只起信号传递作用。防爆栅原理有多种，如电阻式防爆栅、中继式防爆栅、齐纳式防爆栅和变压器隔离式防爆栅等。目前应用最多的是齐纳式防爆栅和变压器隔离式防爆栅。齐纳式防爆栅原理如图2.3.5所示，目的是限制流动的能量V与I，不让它们超过防爆值。69.3、本质平安系统防爆的认证本质平安系统防爆的认证需要专门的技术与机构。“回路认证〞为我国现阶段推行的本安防爆认证技术，指对本安现场设备和关联设备按具体的组合方式进行的检验认证。这种组合一经认定，就不能用未经检验机构按这种组合认证过的其他型号规格的替代设备。显然，这不符和现场总线设计初衷。现场总线系统本安防爆认证使用“参量认证〞技术。根本思想是：对本安现场设备和关联设备分别给出一组平安参数，并允许有技能的专业人员通过适宜的方法对系统的配置进行合理性分析和平安性判定。这种认证技术的特点是：用户可根据一定的规那么自由地将不同制造厂生产的本安设备构本钱安防爆系统。70.〔三〕平安防爆仪控制系统1、传统的控制系统的平安防爆传统控制系统的安全防爆如图2.3.7所示。安装在控制现场的仪表与装置主要有变送器与执行器，安装在控制室的仪表主要是运算、调节、显示记录等仪表与装置。71.2、一种平安防爆的现场总线系统当总线设备较多时，增加现场总线的路数将失去应用现场总线的意义。如果总线设备中有很多监测用常规变送器、热电偶、热电阻、开关等，可以应用DCS系统的现场总线的防爆Ｉ/Ｏ平安栅挂接，如图2.3.8所示。这种DCS系统，在系统总线上可以挂接多个站，每站最多48个模块，如图2.3.9所示，包括通讯、电源及其冗余模块，多个模拟量输入输出AI/AO及开关量输入输出DI/DO的I/O平安栅模块。72.3、光纤式本质平安防爆现场总线光纤式现场总线控制系统的光缆只用作通讯信道。总线上各现场设备供电由各自所装的高能专用电池提供，电池的使用寿命可达两年以上。由于现场设备无需外部供电，而光学星型耦合器是无源的，因此控制室与FCS现场设备，只需通过光缆以本质平安的低能光作载体交换信息，因而从根本上杜绝了危险能量通过总线从平安区域进入危险区域。光纤式现场总线系统的结构如图2.3.10所示。73.平安栅平安栅是构成平安火花防爆系统的关键仪表，安装在控制室内，是控制室仪表和现场仪表之间的关联设备。其作用是：系统正常时保证信号的正常传输；故障时限制进入危险场所的能量，确保系统的平安火花性能。

目前常用的平安栅有：齐纳式平安栅和变压器隔离式平安栅。74.平安栅的品种:75.一、齐纳式平安栅1.齐纳式平安栅的工作原理齐纳平安栅是基于齐纳二极管反向击穿特性工作的。由限压电路,限流电路和熔断器三局部组成。其原理电路如下图：图中R为限流电阻，VZ1、VZ2为齐纳二极管，FU为快速熔断器。齐纳式平安栅原理图76. 系统正常工作时，平安侧电压U1低于齐纳二极管的击穿电压U0，齐纳二极管截止，平安栅不影响正常的工作电流。但现场发生事故，如短路，利用电阻R进行限流，防止进入危险场所的电流过大；当平安侧电压U1高于齐纳二极管的击穿电压U0时，齐纳二极管击穿，进入危险场所的电压被限制在U0上，同时平安侧电流急剧增大，快速熔断器FU很快熔断，从而将可能造成危险的高电压立即和现场断开，保证了现场的平安。并联两个齐纳二极管是增加平安栅的可靠性。齐纳式平安栅的工作原理77. 齐纳平安栅优点是采用的器件非常少，体积小，价格廉价;缺点是齐纳式平安栅必须本安接地，且接地电阻必须小于1Ω；危险侧本安仪表必须是隔离型的；齐纳平安栅对供电电源电压响应非常大，电源电压的波动可能会引起齐纳二极管的电流泄漏，从而引起信号的误差或者发出错误电平，严重时会使快速熔断器烧断。齐纳式平安栅的优缺点78. 图中24VDC的电源一方面通过平安栅向二线制变送器供电，同时将二线制变送器产生的4-20mADC的信号传送过来，由250Ω精确电阻转换为1-5VDC的电压信号送显示仪表或控制器，当然变送器传送来的信号也可通过信号分配器,其输出的多路信号可分别送显示仪表和调节仪表。二线制变送器和齐纳平安栅的连用79. 齐纳平安栅和电气转换器的连用控制器的输出往往送给电气转换器或电气阀门定位器，由气动执行器实现对被控对象的调节。由于控制器的输出方式不同,和平安栅有两种不同的连接方法。80.发射极输出型的控制器可以和平安栅共地,故可采用单通道保护的平安栅；而集电极输出型的控制器，它的两个输出端都不接地，故需采用双通道齐纳平安栅。81.二、变压器隔离式平安栅 变压器隔离式平安栅利用变压器或电流互感器将供电电源、信号输入端和信号输出端进行电气隔离，同时通过电子电路(限能器)限制进入危险场所的能量。变压器隔离式平安栅分为检测端平安栅〔输入式平安栅〕和操作端平安栅〔输出式平安栅〕两种。82.1.检测端平安栅的作用(一)检测端平安栅〔1〕把来自现场变送器的4～20mADC电流经隔离变压器1:1地转换成1～5VDC信号或4～20mADC信号输出至控制室仪表〔计算机〕。〔2〕为现场两线制变送器提供24VDC直流电源〔3〕利用限流、限压电路使得任何情况下送往危险场所的电压不超过30VDC、电流不超过30mADC，从而保证了危险场所的平安。83.2.检测端平安栅的构成原理(1)外型结构(2)输入输出特性(3)结构组成及工作原理IiVo24VDC125678输入端输出端Io4~20mA1~5V4~20mA84.有六局部组成：1.直流-交流变换器2.整流滤波电路Ⅰ3.整流滤波电路Ⅱ4.电流电压限制电路5.隔离变压器6.共基极放大电路现场变送器调节器T124VDC电流电压限制电路共基极