控制装置与仪表

控制装置与仪表陆会明编著第一章概论第二章控制装置与仪表的基础知识第三章变送器第四章防爆安全栅第五章数字调节器第六章执行机构第一章概论第一节控制装置与仪表的分类第二节控制装置与仪表的发展第三节模拟信号制及供电方式第四节全数字控制装置与仪表间的通信方式第一节控制装置与仪表的分类一、概述二、模拟控制装置与仪表1.基地式2.单元组合式（图1-1-1）3.组件组装式（图1-1-2）三、数字控制装置与仪表1.连续生产过程的控制装置2.断续生产过程的控制装置3.批量生产过程的控制装置图1-1-1单元组合式控制装置与仪表的组成结构图1-1-2组件组装式控制装置与仪表的组成结构第一节控制装置与仪表的分类四、连续生产过程控制的数字控制装置1.数字调节器按控制回路数分：1)单回路调节器2)多回路调节器按控制规律分：1)PID调节器；2)PID参数自整定调节器；3)自适应调节器；4)模糊控制器；5)智能调节器等。第一节控制装置与仪表的分类2.工业控制计算机(1)工业控制计算机的构成(2)工业控制计算机的特点(3)高性能特点的PC/104总线工控机(4)PC_Based控制3.分散控制系统工业控制计算机的特点1)具有较完善的过程通道，便于将各种形式的信息变换,并完成检测数据输入和控制信息输出。2)要有比较完善的中断系统和高速数据通道，以使其能迅速响应生产过程发出的中断请求，并能与生产过程实时交换信息。3)具有高可靠性。4)具有人机联系功能，以便实现人机对话，及时地对生产过程进行必要的干预。5)具有能正确反映生产规律的数学模型，其数学模型只能近似反映出生产规律，其近似误差越小，或者说近似程度越接近，就越容易实现生产过程最佳控制，达到增加产量、提高产品质量、降低消耗、降低成本的目的。6)具有适于控制用的软件系统。PC_Based控制1)基于PC的控制系统的相关标准为了增强系统的兼容性能，基于PC的控制系统必须遵循PLC的国际标准(IEC61131-3)和DCS的国际标准(IEC61804)以及关于功能图的标准(IEC61499)。2)国际上基于PC的控制系统发展情况世界上主要的工业控制系统开发商正在如火如荼地发展基于PC的控制系统，大都推出了比较成熟的控制软件，并且极力进行推广。3)基于PC的控制系统的优点基于PC的控制系统具有良好的开放性，全面支持PC和Windows标准，通过OPC(相关内容见第九章)方便与第三方控制产品建立通信，便于与其他产品集成。第一节控制装置与仪表的分类五、火电厂热工控制装置与仪表的分类1.按能源形式分(1)自力控制仪表(2)液动控制仪表(3)气动控制仪表(4)电动控制仪表(5)混合式控制仪表2.按结构不同分(1)基地式控制仪表（图1-1-4）(2)单元组合式控制仪表(3)组件组装式控制仪表(4)单回路调节器(5)分散控制系统(DCS)(6)现场总线控制系统(FCS)第二节控制装置与仪表的发展一、发展概况二、发展趋势1.全数字、开放式的新一代DCS2.发展小型DCS，扩展应用覆盖面3.先进过程控制软件的应用4.人工智能、专家系统的应用第三节模拟信号制及供电方式一、信号制1.直流信号与交流信号比较具有的优点1)在信号传输线中，直流不受交流感应影响，易于解决仪表的抗干扰问题。2)直流不受传输线路的电感、电容及负荷性质的影响，不存在相位移问题，使接线简化。3)用直流信号便于进行模/数转换，统一信号采用直流信号，便于现场仪表和数字控制装置与仪表及装置配用。4)直流信号容易获得基准电压。2.直流电流信号（图1-3-1）图1-3-1应用电流信号时，仪表之间的连接第三节模拟信号制及供电方式这种串联有以下缺点：1)一台仪表损坏或需增减接收仪表时，将影响其他仪表工作。2)由于串联工作，所以调节器、变送器等的输出端均处于高电位工作，输出功率管易损坏，降低了仪表的可靠性。3)几台仪表串联工作时，由于每两台仪表相接的端子电位相同，因此在串联时需检查每台仪表的电路电位是否正确，这就对设计者和使用者在技术上提出了较。3.直流电压信号（图1-3-2）4.信号上下限大小的比较图1-3-2应用电压信号时，仪表之间的连接二、变送器信号传输方式1.四线制传输（图1-3-3）2.二线制传输（图1-3-4）必备条件：1)采用有活零点的电流信号。2)必须是单电源供电。三、控制装置与仪表的供电方式1.交流供电第三节模拟信号制及供电方式图1-3-3四线制变送器图1-3-4二线制变送器第三节模拟信号制及供电方式2.直流集中供电好处：1)每块表省去了电源变压器、整流及稳压部分，从而缩小了仪表的体积，减小了仪表的重量，并减少了发热元件，降低了仪表温升。2)由于采用直流低电压集中供电，可以采取防停电措施，所以当工业用220V交流电断电时，能直接投入直流低电压(如24V)备用电源，从而构成无停电装置。3)没有工业用220V交流电进入仪表，为仪表的防爆提供了有利条件。第四节全数字控制装置与仪表间的通信方式一、数字通信的优点1.简化了控制装置与仪表的硬件结构，提高了装置准确度2.提高了信号传输准确度3.传输的信息更加丰富4.大大减少了布线的复杂性和费用二、HART通信协议1.简介1)频移键控（图1-4-1）2)解调（图1-4-2）3)应用（图1-4-3和图1-4-4）图1-4-1频移键控FSK调制原理图图1-4-2解调器原理图图1-4-3HART编码图1-4-4叠加在4～20mA模拟信号上的HART数字信号2.HART通信协议的特点3.HART通信的优势(1)双向通信(2)多种信息(3)多变量仪表(4)互操作性三、现场总线通信1.传统DCS与FCS的区别（图1-4-5和图1-4-6）2.完整控制回路中信号的传送过程（图1-4-7）3.现场总线控制系统的工作原理（图1-4-8）第四节全数字控制装置与仪表间的通信方式图1-4-5传统DCS接线方式图1-4-6FCS接线方式图1-4-7使用FCS仪表功能块构成控制回路示意图图1-4-8使用FCS控制仪表的模块及层次示意图第二章控制装置与仪表的基础知识第一节控制装置与仪表的基本概念与性能第二节控制装置与仪表信号的标准化第三节控制装置与仪表的干扰及抑制第一节控制装置与仪表的基本概念与性能一、基本概念1.调节系统控制电路的基本概念(1)测量、变送环节(2)执行机构(3)控制器2.变送单元量程调整的概念3.零点调整和零点迁移的基本概念4.控制装置与仪表的基本概念(1)变送器(2)控制器(3)执行机构(4)控制机构二、控制装置与仪表的性能1.准确性2.可靠性3.电磁兼容性4.耐环境影响性第二节控制装置与仪表信号的标准化一、模拟气动信号二、模拟直流电流信号三、直流电流信号的优点1)直流信号比交流信号干扰少。2)直流信号对负载的要求简单。3)电流比电压更利于远距离传送信息。四、电压信号的辅助作用五、活零点的含义六、四线制与二线制1.四线制（图2-2-1）2.二线制（图2-2-2）七、数字控制装置与仪表信号的标准化图2-2-1四线制传输图2-2-2二线制传输第三节控制装置与仪表的干扰及抑制一、干扰的来源与形式1.干扰的来源(1)经过漏电电阻耦合(2)经过公共阻抗耦合(3)电场耦合（图2-3-1）(4)磁场耦合（图2-3-2）2.干扰的形式(1)串模干扰（图2-3-3）(2)共模干扰（图2-3-4）图2-3-1电场耦合引起干扰的等效电路a)电场耦合b)等效电路图2-3-2磁场耦合干扰等效电路a)磁场耦合b)等效电路图2-3-3串模干扰等效电路a)串模干扰b)等效电路图2-3-4共模干扰的形成a)热电偶测温b)分布电容c)接地点电位差二、硬件抗干扰措施1.隔离(1)变压器隔离（图2-3-5）(2)光电隔离（图2-3-6）(3)隔离放大器（图2-3-7）2.中和变压器（图2-3-8）3.浮空（图2-3-9）4.屏蔽5.信号导线的抗干扰6.滤波（图2-3-10）7.隔离器件（图2-3-12和图2-3-13）8.飞渡电容技术（图2-3-14）第三节控制装置与仪表的干扰及抑制图2-3-5变压器隔离示意图图2-3-6光电隔离作用图2-3-7隔离放大器示意图图2-3-8中和变压器示意图图2-3-9浮空电路示意图图2-3-10无源滤波示意图图2-3-12解决电源冲突的方案图2-3-13省去外接电源的电流隔离器图2-3-14飞渡电容工作原理三、常用的软件抗干扰措施1.数字滤波技术(1)程序判断滤波1)限幅滤波2)限速滤波（图2-3-15）(2)中值滤波（图2-3-16）(3)算术平均值滤波(4)滑动平均值滤波(5)加权滑动平均滤波(6)一阶惯性滤波第三节控制装置与仪表的干扰及抑制图2-3-15限速滤波程序流程图2-3-16中值滤波流程2.设置软件陷阱1)程序中未使用的中断向量区2)未使用的大片程序存储器空间3)在程序存储器的数据表格的头尾处4)程序区的“断裂处”3.“看门狗”技术四、数字控制仪表的标度变换1.线性参数标度变换2.非线性参数的标度变换第三节控制装置与仪表的干扰及抑制第三章变送器第一节概述第二节电容式差压/压力变送器第三节扩散硅式压力/差压变送器第四节差压/压力变送器的零点迁移第五节温度变送器第六节智能压力变送器第七节其他变送器简介第八节变送器的计量标定第一节概述一、零点与量程定义二、零点迁移和量程调整三、量程比第二节电容式差压/压力变送器一、概述二、变送器敏感部件的结构三、变送器工作原理四、电容式压力/绝对压力变送器使用安装1.电容式压力/绝对压力变送器主要特点1)体积、质量小。2)准确度高。3)可靠性好。4)量程可调范围大，且带有正、负迁移机构。5)过载性能好。6)具有可调阻尼装置，可以用于脉动流体的测量。7)变送器可以附加LCD31/2位液晶显示指示器和指针式指示表。8)变送器可分为普通型、隔爆型和本质安全型。2.差压变送器安装、使用和调整原则(1)差压变送器安装前需要注意的事项1)防爆变送器，在安装前必须检验其相关指标是否符合本仪表防爆认证体系规定。2)被测介质不允许结冰，否则将损伤传感元件隔离膜片，导致变送器损坏。(2)安装方法(3)引压管安装位置1)腐蚀性或过热的介质不应与变送器接触。第二节电容式差压/压力变送器2)防止渣子在引压管内沉淀。3)两引压管里的液压头应保持平衡。4)引压管尽可能短些。5)引压管应装在温度梯度和温度波动小的地方。3.安装液位变送器(1)常压罐测量(2)密闭器罐测量(3)含有很强的冷凝气的密闭容器测量(4)安装使用注意事项1)安装引压管时，高低压请勿接反。2)测量液体流量时，取压口应开在流程管道的侧面，可以避免渣子沉淀。第二节电容式差压/压力变送器3)测量气体流量时，取压口应开在流程管道的顶部或侧面，而变送器应装在取压口下方，以便液体排入流程管道。4)测量蒸汽流量时，取压口应开在流程管道的顶部或侧面，而变送器应装在取压口下方，以便冷凝液体流入引压管。5)使用侧面有排气/排液阀的变送器时，取压口应开在流程管道的侧面。6)工作介质为液体时，排气/排液阀在上面，以便排除气体。7)工作介质为气体时，排气/排液阀在下面，以便排除积液，将法兰旋转180°可以改变排气/排液阀的上、下位置。8)测量蒸汽或其他高温介质时，不应使变送器的工作温度超过极限温度。第二节电容式差压/压力变送器误差原因：1)泄漏。2)摩擦损失(特别是使用喷吹系统时)。3)液体管路积集气体(压头误差)。4)气体管路积集气体(压头误差)。5)两引压管间温差引起的密度变化(压头误差)。采取措施：1)引压管应尽可能短些。2)当测量液体或蒸汽时，引压管应向上连到流程工艺管道，并保证一定斜度。3)对于气体测量时，引压管应向下连到流程工艺管道，并保证一定斜度。第二节电容式差压/压力变送器4)液体引压管道的布设要避免中间出现高点，气体引压管的布设要避免中间出现低点。5)两引压管应保持相同的温度。6)为避免摩擦影响，引压管的口径应足够大。7)充满液体的引压管中应无气体存在。8)当使用隔离液时，两边引压管的液体要相同。9)当采用洁净剂时，洁净剂连接处应靠近工艺管道取压口，洁净剂所经