控制仪表及装置概论(李忠虎)

1控制仪表及装置李忠虎教授2011.102吴勤勤，控制仪表及装置（第三版），化学工业出版社，2007.推荐参考书教材陆会明，控制装置与仪表（第二版），机械工业出版社，2011.3内容简介《控制仪表及装置》是高等院校测控技术与仪器专业的一门主干专业课程。本书内容：一、模拟式控制仪表及装置（模拟式控制器、变送器、转换器、运算器和执行器等）；二、数字式控制仪表及装置（可编程调节器、可编程控制器、智能变送器与阀门定位器、集散控制系统和现场总线控制系统等）。4章节安排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5第一章模拟式控制器第一节控制器的运算规律和组成方式第二节基型控制器第三节特种控制器和附加单元第二章变送器和转换器第一节变送器的构成第二节差压变送器第三节温度变送器第四节电/气转换器电－气转换器6第四章可编程调节器第一节概述第二节KMM可编程调节器第三章运算器和执行器第一节运算器第二节执行器第三节模拟式控制仪表的应用7第六章智能变送器和阀门定位器第一节智能变送器第二节智能阀门定位器第五章可编程控制器（PLC）第一节概述第二节FX系列可编程控制器第三节S7系列可编程控制器8第七章集散控制系统第一节概述第二节集散控制系统通信网络第三节TPS集散控制系统第四节PCS7集散控制系统第五节集散控制系统可靠性第八章现场总线控制系统第一节概述第二节几种流行的现场总线第三节实时工业以太网第四节现场总线控制系统9《控制仪表及装置》概论10第一节控制仪表与控制系统11人工操作与自动控制比较图人工操作图液位自动控制系统图12LTLICM对象容器液位自动控制系统13电热锅炉液位控制系统14TTTICM冷液热液蒸汽换热器温度自动控制系统15单回路控制系统一般由被控对象、变送器、控制器（调节器）和执行器构成。单回路控制系统（简单控制系统）方框图给定值被控变量（被控参数）操纵变量（被控介质）变送器执行器控制器被控对象16被控对象：需要调节其工艺参数的生产设备。变送器：把工艺参数转换成统一标准信号的装置。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、给定装置等。17第二节控制仪表及装置分类一、按所用能源形式可分为：气动、电动、液动工业上主要使用电动和气动控制仪表。电动控制仪表和气动控制仪表的比较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181.模拟仪表：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。2.数字仪表：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、FCS等。二、按信号类型可分为：模拟式和数字式191.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。2.单元组合式仪表：系列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。3.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。4.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。如基于FF、Profibus总线的FCS。三、按结构形式可分为：基地式、单元组合式、DCS、FCS20第三节联络信号和传输方式1.联络信号：是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。2.联络信号类型：气动仪表：20~100KPa电动仪表：模拟信号0～10mADC、4～20mADC及1～5VDC数字、频率信号3.说明：①.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。②.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。一、联络信号211.直流电流传输方式⑴.电流信号传输时仪表之间的连接R0I0IiRiRiRcm发送仪表接收仪表二、电信号传输方式22为保证传输误差ε在允许范围之内，应要求R0》Rcm+nRi，故有0100%cmiRnRR为减小传输误差，要求R0足够大，而Rcm及Ri应比较小⑵.直流电流传输误差分析23⑶.直流电流传输的特点优点：发送仪表输出电阻大，故电流信号适于远距传输。电流回路中串入一电阻，取压方便。缺点：回路中增减接收仪表时，将影响其它仪表的工作。各台仪表没有公共接地点，若要和计算机联用,则应在仪表输入输出端采取直流隔离措施。242.直流电压传输方式⑴.电压信号传输时仪表之间的连接接收仪表RiRcm／２发送仪表R0U0Rcm／２IiRiRi2500000000//)100%/iicmicmcmiRnUUUURRRnUURRRRRn为减小传输误差,应满足Ri/n》R0+Rcm，故有0100%cmiRRnR为减小传输误差，要求R0和Rcm尽量小，Ri大些。⑵.直流电压传输误差分析26⑶.电压传输的特点优点：增加或取消某个接收仪表不影响其他仪表的工作。各接收仪表可设置公共接地点，可和计算机联用。缺点：要在引线电阻上产生电压降,信号受一定损失,且因接收仪表输入阻抗很高，易于引入干扰，所以电压信号不适于远距离传输。现场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。27三、现场与控制室内仪表间的信号传输要实现两线制，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。电源装置现场控制室四线制两线制现场电源装置控制室接收仪表接收仪表变送器变送器28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1.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。292.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。3.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/℃T1t450T2450≥t300T3300≥t200组别引燃温度t/℃T4T5135≥t100T6100≥t85200≥t135304.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。315.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B级T5组。321.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。2.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33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）三、控制系统的防爆措施1.本安防爆系统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342.安全栅作为控制室仪表和现场仪表的关联设备，是本安系统的重要组成部分。既传输信号又限制流入危险场所的能量，以确保系统的本安防爆性能。安全栅的结构形式：齐纳式安全栅：基于齐纳二极管的反向击穿性能。结构简单、经济、可靠。隔离式安全栅：通过隔离、限压和限流等措施来保证本安防爆性能。抗干扰能力强，可靠性高。35齐纳式安全栅原理电路RFU安全侧危险侧U0VZ1VZ2U1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隔离电路安全栅