控制仪表及装置第0章概论

控制仪表及装置王先平[e-mail]13907005915•控制仪表与控制系统•控制仪表及装置的分类•联络信号和传输方式•安全防爆第0篇概论0.1控制仪表与控制系统V-1加热炉原料t执行器燃料油手操器控制器显示器变送器TSP控制仪表与装置是实现生产过程自动化必不可少的工具如图为一加热炉温度控制系统温度变送器、控制器和执行器构成了一个单回路控制系统为了提高控制系统的功能，还可增加一些仪表，如显示器、手操器等。而为了改善控制质量，还可以采用串级控制等其他更复杂的控制方案。显然，这将需要用到更多的仪表实际所用的仪表，可以是电动的、气动的，也可以是各种控制装置，所有这些仪表或装置都属于控制仪表与装置范畴。显而易见，如果没有这些仪表或装置，就不可能实现自动控制控制仪表包括：在自动控制系统中广泛应用的调节器、变送器、运算器、执行器等，以及新型控制仪表与装置0.2控制仪表及装置的分类控制仪表与装置可按能源、信号类型和结构形式来分类0.2.1按能源形式分类分为电动、气动、液动和机械式等几类。工业上普遍使用电动控制仪表和气动控制仪表。两者之间的比较如下表所示电动控制仪表气动控制仪表能源电源（220VAC或24VDC）气源（140KPA-280KPA）传输信号电信号（电源、电压或数字）气信号构成电子元器件（电阻、电容、电子放大器、集成电路、微处理器等）气动元件（气阻、气容、气动放大器等）接线导线、印刷电路板导管、管路板气动控制仪表在20世纪40年代起就已广泛应用于工业生产。它具有结构简单、性能稳定、可靠性高、易于维护、安全防爆等特点。特别适用于石油、化工等有爆炸危险的场所。电动仪表具有能源获取方便，信号传输和处理容易，便于实现集中显示和操作等特点。因此，尽管它的出现仅有几十年历史，但发展迅速，短短几十年间已几次升级换代，新产品也层出不穷。特别是计算机技术、微电子技术和网络通信技术的发展和广泛应用，更使电动控制仪表产生了飞跃的发展。目前在工业上电动仪表得到了最为广泛的应用。0.2.2按信号类型分分为模拟式和数字式两大类模拟式：由模拟元器件构成，其传输信号通常为连续变化的模拟量，如电流、电压、气压等信号。这类仪表线路比较简单，操作方便，使用灵活，价格较低，长期以来广泛应用于工业生产。数字式：以微处理器、单片机等大规模集成电路芯片为核心。其传输信号通常为断续变化的数字量，如脉冲信号。这类仪表由于可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，因此越来越广泛地应用于生产过程的自动控制0.2.3按结构形式分分为基地式、单元组合式、集散型计算机控制系统（DCS）、现场总线控制系统（FCS）基地式控制仪表——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。它通常以指示、记录仪为主体，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。近年来也有在智能变送器、智能式执行机构或智能阀门定位器中带有控制功能的。一个基地式仪表具有多种功能，与执行器联用或与变送器联用，便可构成一个简单的控制系统。通常该类仪表性能价格比高，适合用于单参数的控制系统单元组合式控制仪表——是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。将各种单元进行不同的组合，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（DDZ）和气动单元（QDZ）两大类。它们都经历了Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型的三个发展阶段，经过不断改进，性能日臻完善。电动单元组合仪表中还有模拟技术和数字技术相结合的DDZ-S型系列仪表单元组合仪表可分为：变送单元、执行单元、控制单元、转换单元、运算单元、显示单元、给定单元和辅助单元八大类各单元的作用如下：变送单元——它能将各种被测参数，如温度、压力、流量、液位等物理量变换成相应的标准统一信号（4-20mA，0-10mA或20-100KPa）传送到接收仪表或装置，以供指示、记录或控制其品种主要有：温度变送器、压力（差压）变送器、流量变送器、液位变送器等转换单元——将电压、频率等电信号转换为标准统一信号，或者进行标准统一信号之间的转换，以使不同信号可以在同一控制系统中使用品种有：直流毫伏转换器、频率转换器、电/气转换器、气/电转换器等控制单元——它将来自变送单元的测量信号与给定信号进行比较，按照偏差给出控制信号，去控制执行器的动作。品种有：PID控制器、PI控制器、D控制器以及具有特种功能的控制器等运算单元——它将几个标准统一信号进行加、减、乘、除、开方、平方等运算，适用于多种参数综合控制、比例控制、流量信号的温度压力补偿计算等。品种有：加减器、乘除器和开方器等显示单元——它对各种被测参数进行指示、记录、报警和积算，供操作人员监视控制系统和生产过程工况之用。品种有：指示仪、指示记录仪、报警器、比例积算器和开方积算器等给定单元——它输出标准统一信号，作为被控制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。品种有：恒流给定器、定值器、比值给定器和时间程序给定器等执行单元——它按照控制器输出的控制信号或手动操作信号，去改变控制变量的大小。品种有：角行程电动执行器、直行程电动执行器和气动薄膜调节阀等辅助单元——辅助单元是为了满足自动控制系统某些要求而增设的仪表，如操作器、阻尼器、限幅器、安全栅等等。操作器用于手动操作，同时又起手动/自动的双向切换作用；阻尼器用于压力或流量等信号的平滑、阻尼；限幅器用以限制信号的上、下限值；安全栅用来将危险场所与非危险场所隔开，起安全防爆作用单元组合仪表是根据控制系统各组成环节的不同功能和使用要求进行划分的，所以学习这类仪表不仅有利于了解仪表的必备功能，也有利于仪表基本概念的学习和掌握，而且还有利于掌握如何选择仪表构成所需要的控制系统或测量系统。集散控制系统（DCS系统）（DISTRIBUTCONTROLSYSTEM）——DCS系统是一种以微型计算机为核心的计算机控制装置。其基本特点是分散控制、集中管理。DCS通常由控制站（下位机）、操作站（上位机）和过程通信网络三部分组成。控制站完成数据采集、处理及控制等作用，它可以由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，也可以由可编程序控制器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；操作站完成生产过程信息的集中显示、操作和管理等作用，它由工业控制计算机、监视器、打印机、鼠标、键盘、通信网卡等构成；过程通信网络用于实现操作站与控制站的连接，完成信息、控制命令等传输，通常过程通信网络用于实现操作站与控制站的连接，完成信息、控制命令等传输，通常过程通信网络提供企业管理网络的连接，以实现全厂综合管理。DCS系统可以实现单元组合仪表中除变送和执行单元之外所有的功能，并且由于计算机运算功能强大，其所能实现的功能也是单元组合仪表无法比拟的。现场总线控制系统（FCS系统）（FIELDBUSCONTROLSYSTEM）——FCS系统是基于现场总线技术的一种新型计算机控制装置。其特点是现场控制和双向数字通信，即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，而现场设备与控制室内的仪表或装置之间为双向数字通信。现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。其中现场设备是指系统最底层的监测、执行和计算设备，如智能化的变送器、执行器或控制器等。FCS系统具有全数字化、全分散式、可互操作、开放式以及现场设备状态可控等优点，它是控制仪表与装置的发展趋势。FCS系统中还可能出现以以太网技术和以无线通信技术为基础的计算机控制系统。0.3联络信号和传输方式一、联络信号信号制即信号标准，是指仪表之间采用的传输信号的类型和数值。控制仪表与装置在设计时，应力求做到通用性和相互兼容性，以便不同系列或不同厂家生产的仪表以共同使用在同一控制系统中，彼此配合，共同实现系统功能。所以首先必须统一仪表的信号制式。（一）、信号标准1、气动仪表的信号标准中国国家标准GB777《化工自动化仪表用模拟气动信号》规定了气动仪表信号的上、下限值，该标准与国际标准IEC382是一致的。即下限为20KPA，上限为100KPA。2、电动仪表的信号标准中国国家标准GB339《化工自动化仪表用模拟直流电流信号》规定了电动仪表的信号，如下表所示。表中序号1的规定与国际标准IEC381A是一致的。序号2是考虑到DDZ-Ⅱ系列单元组合仪表当时仍在广泛使用的现状而设置的。序号电流信号负载电阻14-20mADC250-750Ω20-10mADC0-1000Ω/0-3000Ω(二）、电动仪表信号标准的作用1、现场与控制仪表之间采用直流电流信号采用直流信号具有以下优点：（1）直流信号比交流信号干扰少。交流信号容易产生电磁场的干扰。（2）直流信号对负载的要求简单。交流信号有频率和相位的问题，对负载的感抗或容抗敏感。（3）电流比电压更利于远传信息。如果采用电压形式传送信息，当负载电阻较小，距离较远时，导线上的电压会引起误差，采用电流传送就不会出现这个问题。当然，采用电流传送信息，接收端的仪表必须是低阻抗的。如果有多个仪表接收同一电流信息，它们必须是串联的。串联连接的缺点是任何一个仪表在拆离信号回路之前首先要把该仪表的两端短接，否则其他仪表回路将会因电流中断而失去信号。此外，名个接收仪表一般皆应浮空工作，否则会引起信号混乱。若要使各台仪表有自己的接地点，则应在仪表的输入、输出之间采取直流隔离措施。2、控制室内部仪表之间采用直流电压信号由于采用串联连接方式使同一电流信号供给多个仪表的方法存在上述缺点。对比起来，用电压信号传送信息的方式在这方面就有优越性了，因为它可以采用并联连接方式，使同一个电压信号为多个仪表所接收。而且任何一个仪表拆离信号回路都不会影响其他仪表的进行。此外，各个仪表既然并联在同一信号线上，当信号源负极接地时，各仪表内部电路对地有同样的电位，这不仅解决了接点问题，而且各仪表可以共用一个直流电源。在控制室内，各仪表之间的距离不远，适合采用直流电压（1-5VDC）作为仪表之间的互相联络信号。必须指出，用电压传送信息的并联方式要求各个接收仪表的输入阻抗要足够高，否则将会引起误差，其误差的大小与接收仪表输入电阻高低及接收仪表的个数有关。3、控制系统仪表之间典型连接方式电流传送适合于远距离对单个仪表传送信息，电压传送合适于把同一信息传送到并联的多个仪表，两者结合，取长补短。因此，虽然在GB3369中只规定了直流电流信号范围为4-20MADC，但在具体应用中，电流信号主要在现场仪表与控制室之间连接时应用。在控制室内，各仪表联络采用电压信号（1-5VDC）。如图所示为典型连接方式。一般转换电阻的阻值为250欧姆。RiRiRi接收仪表1接收仪表3接收仪表2R控制室转换电阻现场I0R0I0发送仪表控制系统仪表之间典型连接方式二、电信号传输方式（一）模拟信号的传输信号传输指的是电流信号和电压信号的传输。电流信号传输时，仪表是串联连接的；而电压信号传输时，仪表是并联连接的。1、电流信号传输电流信号适于远距离传输。但由于接收仪表是串联工作的，当一台仪表出故障时，将影响其他仪表的工作，而且各台接收仪表一般皆应浮空工作。若要使各台仪表皆有自己的接地点，则应在仪表的输入、输出之间采取直流隔离措施。这就对仪表的设计和应用在技术上提出了更高的要求。2、电压信号传输因接收仪表是并联连接的，增加或取消某个仪表不会影响其他仪表的工作，而且这些仪表也可设置公共接地点，因此设计安装比较简单。但并联连接的各接收仪表，输入电阻皆较高，易引入干扰，故电压信号不适于作远距离传输。（二）变送器与控制室仪表间的信号传输1、四线制传输供电电源和输出信号分别用两根导线传输。这种变送器为四线制变送器。由于电源与信号分别传送，因此对电流信号的零点及元器件的功耗无严格要求。2、两线制传输两根导线既