自动化仪表1

第一章自动化仪表概论2自动化仪表与装置间的通信方式第一章概论自动化仪表的信号与供电自动化仪表简介前言过程控制系统3前言一、彼此认识二、关于社会需求三、关于本课程及与之相关性的体系说明四、参考书目五、教授内容（分章节）六、要求（平时、实验、考试）4第一节过程控制系统一、概念过程控制（processcontrol）通常是指石油、化工、电力、冶金，轻工建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，它是自动化技术的重要组成部分。连续型、离散型、混合型习惯上，把连续型的工业称为过程工业（processindustries)有时为突出其流动的性质也称为流程工业（fluidprocessindustries)二、过程控制系统的组成及分类5过程控制系统组成1．液位人工控制：检测—眼；运算（思考）、命令—脑；执行—手。6过程控制系统组成2、液位自动控制：测量元件及变送器—眼；控制器—脑；执行器—手。7实例8过程控制系统组成9过程控制系统组成组成自动化装置被控对象测量元件与变送器控制器执行器10过程控制系统组成11过程控制系统组成常规仪表过程控制系统由以下部分组成：被控对象：（被控对象与被控变量的关系）传感器和变送器：（标准统一信号问题）控制器：（扰动）执行器：（分类）控制阀：（输出特性）12过程控制系统分类按结构特点分：单回路负反馈控制系统，串接控制系统，前馈控制系统，复合控制系统等；按信号特点分：定值控制，随动控制，顺序（程序）控制；按被控参数分：温度控制系统，压力控制系统，流量控制系统，液位控制系统，成分控制系统等另外：闭环与开环13第一节过程控制系统三、过程控制系统的特点：1、对象复杂多样2、对象存在滞后3、对象特性的非线性4、控制系统较复杂结论：控制方案确定、控制系统的设计、控制参数的整定都要以对象的特性为依据。14第一节过程控制系统四、过程控制系统的发展概况：从简单到复杂，从局部到全局，从低级智能到高级智能三个发展阶段：1、１９５０年代以前（初期阶段）理论基础：传递函数、根轨迹法、单入单出控制目标：局部自动化2、第二阶段（仪表化阶段）发展背景：理论基础：以状态空间分析方法为基础控制目标：提高控制质量3、第三阶段（工业生产自动化进入计算机时代）标志特点：解决途径15第二节自动化仪表简介一、自动化仪表在控制系统中的地位测量元件执行元件通信元件安全元件控制策略控制决策自动化仪表自动控制系统16第二节自动化仪表简介二、自动化仪表的分类1、按能源形式分类可分为电动、气动、液动等几种。工业上普遍使用电动控制仪表和气动控制仪表。导管、管路板导线、印刷电路板接线气动元件电子元器件构成气压信号电信号(电流、电压或数字)传输信号气源（140kPa）电源(220VAC，24VDC)能源气动仪表电动仪表172、按结构形式分类A、基地式仪表B、单元组合式仪表C、组件组装式D、集散型计算机控制系统E、现场总线控制系统第二节自动化仪表简介18A、基地式控制仪表相当于把单元组合仪表的几个单元组合在一起，构成一个仪表。通常以指示、记录仪表为主体，附加控制、测量、给定等部件而构成；其控制信号输出一般为开关量，也可以是标准统一信号；一个基地式仪表具有多种功能，与执行器联用或与变速器联用，便可构成一个简单的控制系统；性能价格比高，适用于单参数的控制系统。第二节自动化仪表简介19B、单元组合式仪表：将各种单元进行不同组合，可以构成多种多样、适用于各种不同场合需要的自动检测或控制系统。有电动单元组合仪表（DDZ）和气动单元组合仪表（QDZ）两大类。都经历了I型、II型(010mA)、III型(420mA,15v)的三个发展阶段。根据控制系统各组成环节的不同功能和使用要求，将仪表做成能实现一定功能的独立仪表（称为单元），各个仪表之间用统一的标准信号进行联系。第二节自动化仪表简介20D、集散控制系统（DCS系统）：分散控制、集中管理控制站（下位机）操作站（上位机）过程通信网络数据采集、处理及控制由DCS系统的基本控制器（包括控制卡、信号输入输出卡、电源等）构成或由可编程序控制器PLC（包括CPU、I/O、电源等模块）或带有微处理器的数字式控制仪表构成实现操作站与控制站的连接提供与企业管理网络的连接过程信息的集中显示、操作和管理由工业控制计算机、监视器、打印机、鼠标、键盘、通信网卡等组成第二节自动化仪表简介21E、现场总线控制系统（FCS系统）现场控制和双向数字通信将传统上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为双向数字通信。第二节自动化仪表简介223、按信号类型分类模拟式数字式由模拟元件构成传输信号通常为连续变化的模拟量，如电流信号，电压信号，气压信号等线路较简单，操作方便，使用灵活，价格较低以微处理器、单片机等大规模集成电路芯片为核心传输信号通常为断续变化的数字量，如脉冲信号可以进行各种数字运算和逻辑判断，其功能完善，性能优越，能解决模拟式仪表难以解决的问题第二节自动化仪表简介234、按防爆能力分类普通型：只能用在非危险场所安全火花型：这种仪表防爆性能最好第二节自动化仪表简介隔爆型：采取隔离措施以防止引燃引爆事故24第二节自动化仪表简介自动化仪表模拟式仪表数字式仪表控制器变送器转换器运算器附加单元执行器……可编程调节器PLC智能变送器DCSFCS……附：自动化仪表内涵及分类：25三、单元组合式仪表1、统一信号：气动单元组合式仪表：能源为140KPa的干燥清洁的压缩空气；统一信号为20-100KPaII型电动单元组合仪表：能源为AC220V,统一信号为DC0-10mAIII型电动单元组合仪表：能源为DC24V，统一信号懔DC4-20mA第二节自动化仪表简介26单元组合仪表变送单元温度变送器压力变送器差压变送器流量变送器液位变送器将各种被测参数变换成相应的标准统一信号传送到接收仪表或装置，以供显示、记录或控制转换单元直流毫伏转换器频率转换器电－气转换器气－电转换器将电压、频率等电信号转换成标准统一信号，或者进行标准统一信号之间的转换，以使不同信号在同一控制系统中使用第二节自动化仪表简介2、分类：27单元组合仪表控制单元运算单元比例积分微分控制器比例积分控制器比例微分控制器具有特种功能的控制器将变送单元的测量信号与给定信号比较，按偏差给出控制信号，去控制执行器加减器乘除器开方器显示单元指示仪指示记录仪报警器第二节自动化仪表简介28单元组合仪表给定单元执行单元辅助单元输出统一标准信号，作为被控变量的给定值送到控制单元，实现定值控制。给定单元的输出也可以供给其他仪表作为参考基准值。角行程电动执行器直线行程电动执行器气动薄膜调节阀按控制器输出的控制信号和手动操作信号，改变控制变量操作器：手动操作及手动/自动的切换作用阻尼器：压力或流量等信号的平滑、阻尼限幅器：限制信号的上、下限值安全栅：将危险场所与非危险场所隔开，起安全防爆作用第二节自动化仪表简介29第二节自动化仪表简介3、命名单元组合仪表命名分为二部分，二部分之间用横线隔开。□□□-□□□-□□A、第一部分：由三个汉语拼音大写字母组成第一个字母为D或Q，代表电动或气动组合仪表第二个字母代表仪表大类：变送单元（B）：W（温度或温差）Y（压力）C（差压）L（液位）F（流量）转换单元（Z）：J（交流毫伏）P（频率）Z（直流毫伏）Q（气电）调节单元（T）：L（连续）D（断续）运算单元（J）：J（加减）S（乘除）K（开方）显示单元（X）：Z（指标）J（记录）B（报警）S（积算）给定单元（G）：A（恒流）F（分流）执行单元（K）：J（角行程）Z（直行程）辅助单元（F）：D（电动操作）Q（气动操作）Z（阻尼）F（限幅）C（选择）30第二节自动化仪表简介B、第二部分：分为两节第一节由两位或三位阿拉伯数字组成变送、调节、显示和执行四种单元由三位数字组成。前两位代表仪表系列、规格和结构特征，第三位数字代表序号。第二节由一个或两个汉语拼音大写字母所组成，表示产品的变型结构或特殊用途，字母意义如下：X（现在安装）J（盘后安装）N（气密式）C（船用）K（快速）F（防腐）B（防爆）A(安全火花型）注：如某产品兼有两种特殊结构，则用两个字母表示31第二节自动化仪表简介举例：例如：DBC-2310为一台差压变送器的型号规格。其中第一位数字“2”表示工作压力为400kPa，第二位数字“3”表示测量范围为0～600Pa至0～4kPa，第三位数字“l”表示带单平法兰，第四位数字“0”表示序号。再如：DBY-110B（请说出仪表类型及性能指标）32第二节自动化仪表简介4、过程仪表与装置的发展概况：三个阶段A、基地式仪表阶段（1930-40年代）优点：简单、价廉、实用缺点：只能用于简单控制系统，无法或不便于复杂控制系统B、单元组合式仪表阶段（1950年代以后）与复杂控制系统的推广应用相适应可以很方便组成简单或复杂控制系统按其发展可分为I、II、III型C、以微处理器为基本组成部分的控制装置阶段（1970年代初）灵活，价廉、可靠、性能好，广泛用于工业、国防、家庭等领域主要途径：DCS、PLC、微计算机系统（PC、单板机、单片机）33A、控制目标由实现过程工艺参数的稳定运行发展为以最优质量为指标的最优控制。B、控制方法由模拟的反馈控制发展为数字式的开环预测控制；由传统的手动定值调节器、PID调节器以及各种顺序控制装置，发展为以微型机构成的数字调节器和自适应调节器。5、自动化仪表发展趋势第二节自动化仪表简介34一、自动化仪表的供电：1、交流供电220V工频交流2、直流集中供电第三节自动化仪表信号与供电35二、信号制：即信号标准，是指仪表之间采用的传输信号的类型和数值。目的：达到通用性和相互兼容性的要求，以便不同系列或不同厂家生产的仪表能够共同使用在同一控制系统中，实现系统的功能。第三节自动化仪表信号与供电361、模拟仪表的信号制电信号分为：模拟信号、数字信号、频率信号、脉宽信号模拟直流信号：电流信号4-20mADC电压信号1-5VDCDDZII型仪表信号：0-10mADC气动调节仪表信号：0.02-0.1MPa注：活零点（信号制的下限不为零）第三节自动化仪表信号与供电37A、电动仪表信号标准的使用现场与控制室仪表之间采用直流电流信号优点：直流比交流干扰少直流信号对负载的要求简单电流比电压更利于远传信息缺点：多个仪表接收同一电流信息，它们必须串联。要求：·接收仪表输入电阻小·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，须浮空工作变送器发送者rrIoRL1RL2负载接受者现场控制室第三节自动化仪表信号与供电38Io＋Vi－RL1RL2RL3现场控制室优点：△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B、控制室内部仪表之间采用直流电压信号第三节自动化仪表信号与供电39三、变送器信号传输方式：1、四线制传输2、二线制传输3、实现二线制变送器要具备的条件采用活零点的电流信号；必须是单电源供电注：二线制变送器可大大减少装置的安装费用，有利于安全防爆，但其关键是要求有性能良好的低功率集成运算放大器和稳压管等。第三节自动化仪表信号与供电402、数字仪表的信号制随着控制系统的发展，DDZ电动单元组合仪表，DCS集散控制系统以及现场总线通信协议一直在演变，主要有多种模拟过程控制信号，现场总线通信协议等，前者技术成熟并已广泛地应用，后者虽处于发展中，却是信号标准的发展趋势。以微处理器芯片为基础的各种智能仪表若能遵从统一通信标准，可以极大地搞高系统的信息集成、综合自动化、降低成本等各项功能，但不同设备制造商所提供的设备之间的通信标准不统一，严重束缚了工厂底层网络的发展。第三节自动化仪表信号与供电41第四节自动化仪表与装置间的通信方式一、统一通信标准问题二、数字通信与模拟通信相比的优点三、现场总线1、物理定义2、特点3、现场总线标准