控制儀表及裝置概論

1、南京工業(yè)大學(xué)南京工業(yè)大學(xué) 控制系控制系2008.01控制儀表及裝置控制儀表及裝置唐桂忠唐桂忠Phone:83587373mail: 控制儀表及裝置控制儀表及裝置是高等院校自動(dòng)化專業(yè)及測(cè)控是高等院校自動(dòng)化專業(yè)及測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的一門教材。本書詳細(xì)介紹模擬式控技術(shù)與儀器專業(yè)的一門教材。本書詳細(xì)介紹模擬式控制儀表及裝置（模擬式控制器、變送器、轉(zhuǎn)換器、運(yùn)制儀表及裝置（模擬式控制器、變送器、轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算器和執(zhí)行器等）以及數(shù)字式控制儀表及裝置（可編算器和執(zhí)行器等）以及數(shù)字式控制儀表及裝置（可編程調(diào)節(jié)器程調(diào)節(jié)器、可編程控制器可編程控制器、智能變送器與閥門定位器智能變送器與閥門定位

2、器、集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)等）的功能特點(diǎn)、集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)等）的功能特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)原理和使用方法。結(jié)構(gòu)原理和使用方法。內(nèi)容簡(jiǎn)介內(nèi)容簡(jiǎn)介 本教材是第二次修訂后再版，在內(nèi)容上已引入最新本教材是第二次修訂后再版，在內(nèi)容上已引入最新儀表技術(shù)，反映了當(dāng)代自動(dòng)化儀表的先進(jìn)水平。儀表技術(shù)，反映了當(dāng)代自動(dòng)化儀表的先進(jìn)水平。 本書除作大專院校及工礦企業(yè)職業(yè)教育的專業(yè)教材本書除作大專院校及工礦企業(yè)職業(yè)教育的專業(yè)教材外，也可供相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員閱讀。外，也可供相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員閱讀。章節(jié)安排章節(jié)安排概論概論 第一節(jié)第一節(jié) 控制儀表與控制系統(tǒng)控制儀表與控制系統(tǒng) 第二節(jié)第二節(jié) 控制儀表及裝置的分類控制儀表

3、及裝置的分類 第三節(jié)第三節(jié) 聯(lián)絡(luò)信號(hào)和傳輸方式聯(lián)絡(luò)信號(hào)和傳輸方式 第四節(jié)第四節(jié) 安全防爆的基本知識(shí)和防爆措施安全防爆的基本知識(shí)和防爆措施第一章第一章 模擬式控制器模擬式控制器 第一節(jié)第一節(jié) 控制器的運(yùn)算規(guī)律和組成方式控制器的運(yùn)算規(guī)律和組成方式 第二節(jié)第二節(jié) 基型控制器基型控制器 第三節(jié)第三節(jié) 特種控制器和附加單元特種控制器和附加單元第二章第二章 變送器和轉(zhuǎn)換器變送器和轉(zhuǎn)換器 第一節(jié)第一節(jié) 變送器的構(gòu)成變送器的構(gòu)成 第二節(jié)第二節(jié) 差壓變送器差壓變送器 第三節(jié)第三節(jié) 溫度變送器溫度變送器 第四節(jié)第四節(jié) 電電/ /氣轉(zhuǎn)換器氣轉(zhuǎn)換器 第四章第四章 可編程調(diào)節(jié)器可編程調(diào)節(jié)器 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 第二

4、節(jié)第二節(jié) KMM可編程調(diào)節(jié)器可編程調(diào)節(jié)器 第三章第三章 運(yùn)算器和執(zhí)行器運(yùn)算器和執(zhí)行器 第一節(jié)第一節(jié) 運(yùn)算器運(yùn)算器 第二節(jié)第二節(jié) 執(zhí)行器執(zhí)行器 第三節(jié)第三節(jié) 模擬式控制儀表的應(yīng)用模擬式控制儀表的應(yīng)用 第六章第六章 智能變送器和閥門定位器智能變送器和閥門定位器 第一節(jié)第一節(jié) 智能變送器智能變送器 第二節(jié)第二節(jié) 智能閥門定位器智能閥門定位器第五章第五章 可編程控制器可編程控制器 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 第二節(jié)第二節(jié) FX系列可編程控制器系列可編程控制器 第三節(jié)第三節(jié) S7系列可編程控制器系列可編程控制器第七章第七章 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng) 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 第二節(jié)第二節(jié) 集散控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)

5、集散控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò) 第三節(jié)第三節(jié) TPS集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng) 第四節(jié)第四節(jié) PCS7集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng) 第五節(jié)第五節(jié) 集散控制系統(tǒng)可靠性集散控制系統(tǒng)可靠性 第八章第八章 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 第二節(jié)第二節(jié) 幾種流行的現(xiàn)場(chǎng)總線幾種流行的現(xiàn)場(chǎng)總線 第三節(jié)第三節(jié) 實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng) 第四節(jié)第四節(jié) 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) 概論概論第一節(jié)第一節(jié) 控制儀表與控制系統(tǒng)控制儀表與控制系統(tǒng) 控制儀表與控制系統(tǒng)控制儀表與控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)一般由被控對(duì)象、變送器、控制器和執(zhí)行器構(gòu)成，其方框圖如下所示：給定值被控參數(shù)被控介質(zhì)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)方框圖簡(jiǎn)單控

6、制系統(tǒng)方框圖變送器執(zhí)行器控制器被控對(duì)象被控對(duì)象被控對(duì)象 需要調(diào)節(jié)其工藝參數(shù)的生產(chǎn)設(shè)備。變送器變送器 把工藝參數(shù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)的裝置?？刂破骺刂破?將來自變送器的測(cè)量值與給定信號(hào)相比較后產(chǎn)生的偏差信號(hào), 按照預(yù)先設(shè)定好的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算后，輸出一個(gè)控制信號(hào)去執(zhí)行器。執(zhí)行器執(zhí)行器 把控制器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移，以控制閥門的開度。 此外，根據(jù)需要還可設(shè)有顯示、轉(zhuǎn)換、計(jì)算、輔助、顯示、轉(zhuǎn)換、計(jì)算、輔助、給定裝置給定裝置。概論概論第二節(jié)第二節(jié) 控制儀表及裝置分類控制儀表及裝置分類 控制儀表及裝置的分類控制儀表及裝置的分類電動(dòng)控制儀表電動(dòng)控制儀表氣動(dòng)控制儀表氣動(dòng)控制儀表能源能源電源（220

7、V AC/24V DC）氣源（140kPa）傳輸信號(hào)傳輸信號(hào)電信號(hào)（電壓、電流、數(shù)字）氣壓信號(hào)元、器件元、器件電子元器件氣動(dòng)元件接線接線導(dǎo)線導(dǎo)管電磁干擾與防爆電磁干擾與防爆受電磁干擾影響須采取抗干擾、防爆措施不受電磁干擾影響本質(zhì)上安全防爆電動(dòng)控制儀表和氣動(dòng)控制儀表的比較電動(dòng)控制儀表和氣動(dòng)控制儀表的比較 按所用能源形式按所用能源形式：氣動(dòng)、電動(dòng)、液動(dòng)。工業(yè)上主要使用電動(dòng)和氣動(dòng)控制儀表。模擬儀表模擬儀表 傳輸信號(hào)為連續(xù)變化的模擬量,，這類儀表線路較簡(jiǎn)單, 操作方便，價(jià)格較低。 如氣動(dòng)儀表，電動(dòng)單元組合儀表、型等。數(shù)字儀表數(shù)字儀表 傳輸信號(hào)為斷續(xù)變化的數(shù)字量，這類儀表與裝置以微型計(jì)算機(jī)為核心，功能完

8、善，性能優(yōu)越，能解決模擬儀表難以解決的問題。如可編程調(diào)節(jié)器、控制器、 DCS、 FCS 等。 按信號(hào)類型按信號(hào)類型：模擬式和數(shù)字式?；厥絻x表基地式儀表：包含多種功能部件（傳感、指示、記錄、控制、執(zhí)行等部分），設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。如帶控制機(jī)構(gòu)的指示記錄儀。單元組合式儀表：?jiǎn)卧M合式儀表：系列儀表劃分成能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)某種功能的若干單元，單元間用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)聯(lián)系。如電動(dòng)、氣動(dòng)單元組合儀表。集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)（DCS）：以微型計(jì)算機(jī)為核心, 集4C技術(shù)為一體的計(jì)算機(jī)控制裝置, 實(shí)現(xiàn)分散控制和集中管理。如TPS、PCS 7、ECS、Hollias等。 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）:

9、 現(xiàn)場(chǎng)總線將具有數(shù)字通信能力的現(xiàn)場(chǎng)儀表相連接, 并同上層監(jiān)控管理級(jí)一起構(gòu)成分布式控制網(wǎng)絡(luò)。如基于FF、Profibus總線的FCS。 按結(jié)構(gòu)形式按結(jié)構(gòu)形式概論概論第三節(jié)第三節(jié) 聯(lián)絡(luò)信號(hào)和傳輸方式聯(lián)絡(luò)信號(hào)和傳輸方式 聯(lián)絡(luò)信號(hào)和傳輸方式聯(lián)絡(luò)信號(hào)和傳輸方式聯(lián)絡(luò)信號(hào)聯(lián)絡(luò)信號(hào)是指在成套儀表系列中，儀表之間采用的傳輸信號(hào)的類型和數(shù)值。聯(lián)絡(luò)信號(hào)類型聯(lián)絡(luò)信號(hào)類型氣動(dòng)儀表：20100KPa 電動(dòng)儀表：模擬信號(hào) 010mA、 420mA 及 15V 數(shù)字、頻率信號(hào)信號(hào)下限從零開始有利于模擬量運(yùn)算。信號(hào)下限從某值開始（活零點(diǎn)）便于檢驗(yàn)儀表是否斷電，并可實(shí)現(xiàn)兩線制。信號(hào)上限高，產(chǎn)生的電磁平衡力大；信號(hào)上限低有利于減少

10、功率損耗和儀表防爆。直流電流傳輸直流電流傳輸 接收儀表R0I0IiRiRiRcm發(fā)送儀表電流信號(hào)傳輸時(shí)儀表之間的連接為保證傳輸誤差在允許范圍之內(nèi)，應(yīng)要求R0 Rcm + nRi ，故有 為減小傳輸誤差，要求：為減小傳輸誤差，要求： R0足夠大，而足夠大，而Rcm 及及Ri 應(yīng)比較小應(yīng)比較小00000000()100%icmicmicmiRIIIIRRnRIIRnRRRnR0100%cmiRnRR電流傳輸?shù)奶攸c(diǎn)電流傳輸?shù)奶攸c(diǎn)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 發(fā)送儀表輸出電阻大，故電流信號(hào)適于遠(yuǎn)距傳輸。 電流回路中串入一電阻，取壓方便。缺點(diǎn)缺點(diǎn) 回路中增減接收儀表時(shí)，將影響其它儀表的工作。 各臺(tái)儀表沒有公共接地點(diǎn)，若要和

11、計(jì)算機(jī)聯(lián)用,則應(yīng)在儀表輸入輸出端采取直流隔離措施。直流電壓傳輸直流電壓傳輸 電壓信號(hào)傳輸時(shí)儀表之間的連接接收儀表RiRcm發(fā)送儀表R0U0RcmIiRiRi 為減小傳輸誤差，要求：為減小傳輸誤差，要求： R0和和Rcm 盡量小，盡量小，Ri 大些。大些。 為減小傳輸誤差,應(yīng)滿足Ri/n R0 + Rcm ，故有 00000000/ )100%/iicmicmcmiRnUUUURRRnUURRRRRn0100%cmiRRnR電壓傳輸?shù)奶攸c(diǎn)電壓傳輸?shù)奶攸c(diǎn)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 增加或取消某個(gè)接收儀表不影響其他儀表的工作。 各接收儀表可設(shè)置公共接地點(diǎn)，可和計(jì)算機(jī)聯(lián)用。缺點(diǎn)缺點(diǎn) 要在引線電阻上產(chǎn)生電壓降, 信號(hào)受一

12、定損失, 且因接收儀表輸入阻抗很高，易于引入干擾，所以電壓信號(hào)不適于遠(yuǎn)距離傳輸。 現(xiàn)場(chǎng)與控制室儀表之間采用直流電流信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)與控制室儀表之間采用直流電流信號(hào)， 控制室內(nèi)部?jī)x表之間采用直流電壓信號(hào)?？刂剖覂?nèi)部?jī)x表之間采用直流電壓信號(hào)。變送器與控制室儀表間的信號(hào)傳輸變送器與控制室儀表間的信號(hào)傳輸兩線制兩線制電源裝置變送器現(xiàn)場(chǎng)控制室四線制四線制接收儀表變送器現(xiàn)場(chǎng)電源裝置控制室接收儀表要實(shí)現(xiàn)兩線制，必須采用活零點(diǎn)的電流信號(hào)。因電源線和信號(hào)線公用，電源供給變送器的功率是通過信號(hào)電流提供的。變送器輸出電流為下限值時(shí)，應(yīng)保證它內(nèi)部的半導(dǎo)體器件仍能正常工作。故信號(hào)電流下限值不能過低。概論概論第四節(jié)第四節(jié) 安全

13、防爆基本知識(shí)和防爆措施安全防爆基本知識(shí)和防爆措施 安全防爆基本知識(shí)安全防爆基本知識(shí) 爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的區(qū)域劃分爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的區(qū)域劃分依據(jù)：依據(jù)：爆炸性氣體出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時(shí)間0 0區(qū)區(qū)(Zone 0)(Zone 0) 在正常情況下，爆炸性氣體混合物連續(xù)地、頻繁地出現(xiàn)或長(zhǎng)時(shí)間存在的場(chǎng)所。1 1區(qū)區(qū)(Zone 1)(Zone 1) 在正常情況下，爆炸性氣體混合物有可能出現(xiàn)的場(chǎng)所。2 2區(qū)區(qū)(Zone 2)(Zone 2) 在正常情況下，爆炸性氣體混合物不可能出現(xiàn)，或即使出現(xiàn)也是短時(shí)間存在的場(chǎng)所。 爆炸性氣體的分級(jí)爆炸性氣體的分級(jí)按最大試驗(yàn)安全間隙MESG(火焰不能傳播的最大間隙)和最小點(diǎn)燃電流比M

14、ICR來分級(jí)：可分為A A、B B、C C三級(jí)。 爆炸性物質(zhì)的分組爆炸性物質(zhì)的分組 按引燃溫度可分為六組：組別引燃溫度 t/T1450 T2450t 200 T3450t 200 組別引燃溫度 t/T4T5135t 100 T6100t 85 200t 135 防爆電氣設(shè)備的分類、分組防爆電氣設(shè)備的分類、分組防爆電氣設(shè)備分為兩大類：類：類：煤礦用電氣設(shè)備類：類：工廠用電氣設(shè)備類電氣設(shè)備可進(jìn)一步分為A、B、C三級(jí)。工廠用電氣設(shè)備防爆型式有以下八種：隔爆型隔爆型(d)(d)、本質(zhì)安全型、本質(zhì)安全型(i)(i)、增安型、增安型(e)(e)、正壓型、正壓型(p)(p)、充油型充油型(o)(o)、充砂型

15、、充砂型(q)(q)、澆封型、澆封型(m)(m)和無火花型和無火花型(n)(n)。本質(zhì)安全型設(shè)備又可以分為ia和ib兩個(gè)等級(jí)。 防爆防爆標(biāo)志及其含義標(biāo)志及其含義防爆標(biāo)志由以下防爆標(biāo)志由以下5個(gè)部分構(gòu)成：個(gè)部分構(gòu)成：標(biāo)志標(biāo)志 EXEX 表示該設(shè)備為防爆電氣設(shè)備。結(jié)構(gòu)型式結(jié)構(gòu)型式 表明該設(shè)備采用何種措施進(jìn)行防爆，如 d為隔爆型，i為本安型等。設(shè)備類別設(shè)備類別 I為煤礦井下用電設(shè)備，II為工廠用設(shè)備。防爆級(jí)別防爆級(jí)別 為A、B、C三級(jí)，表明防爆能力強(qiáng)弱。溫度組別溫度組別 為T1T6六組，說明該設(shè)備的最高表面 溫度允許值。例如 EXiaIICT5 表示II類本質(zhì)安全型ia等級(jí)B級(jí)T5組。隔爆型儀表隔爆

16、型儀表 具有隔爆外殼，儀表的電路和接線端子全部置于防爆殼體內(nèi)。它能承受儀表內(nèi)部因故障產(chǎn)生爆炸性氣體混合物的爆炸壓力。這類儀表適用于1區(qū)、2區(qū)危險(xiǎn)場(chǎng)所。本質(zhì)安全型儀表本質(zhì)安全型儀表 本安儀表的全部電路均為本質(zhì)安全電路，電壓和電流被限制在允許的范圍內(nèi)，保證儀表產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)不致于引爆其周圍爆炸性氣體混合物。ia等級(jí)的本安儀表適用于0區(qū)危險(xiǎn)場(chǎng)所，ib等級(jí)的本安儀表只適用于1區(qū)和2區(qū)危險(xiǎn)場(chǎng)所。 常用防爆常用防爆型控制儀表型控制儀表變送器執(zhí)行器調(diào)節(jié)器安全柵安全柵電源箱本安防爆系統(tǒng)非危險(xiǎn)場(chǎng)所（控制室）危險(xiǎn)場(chǎng)所（現(xiàn)場(chǎng)）危險(xiǎn)場(chǎng)所（現(xiàn)場(chǎng)） 控制系統(tǒng)的防爆措施控制系統(tǒng)的防爆措施 本安防爆系統(tǒng)本安防爆系統(tǒng)本安防爆系統(tǒng)應(yīng)滿足的兩個(gè)條件：本安防爆系統(tǒng)應(yīng)滿足的兩個(gè)條件： 在危險(xiǎn)場(chǎng)所使用本安防爆儀表 控制室儀表和危險(xiǎn)場(chǎng)所儀表之間