第四章執(zhí)行器和防爆柵-西安航空技術(shù)高等?？茖W(xué)校課件

第4章執(zhí)行器和防爆柵自動化儀表與過程控制第4章執(zhí)行器和防爆柵自動化儀表與過程控制1第4章執(zhí)行器和防爆柵第1部分---執(zhí)行器第4章執(zhí)行器和防爆柵第1部分---執(zhí)行器24.1

執(zhí)行器---是調(diào)節(jié)系統(tǒng)四個基本組成部分之一，形象稱為自動化的手腳。（四個基本組成部：調(diào)節(jié)對象、檢測儀表、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器）執(zhí)行器的作用--根據(jù)調(diào)節(jié)器的命令控制傳送、調(diào)節(jié)溫度、壓力、流量等工藝參數(shù)。執(zhí)行器的組成（分為兩部分）（1）執(zhí)行結(jié)構(gòu)--執(zhí)行器的驅(qū)動部分，按照調(diào)節(jié)器的信號產(chǎn)生推力或位移；（2）調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)--執(zhí)行器的調(diào)節(jié)部分，常見有調(diào)節(jié)閥等，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)操縱下調(diào)節(jié)工藝介質(zhì)的流量。執(zhí)行器的影響--是調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，質(zhì)量可能導(dǎo)致不能正常工作或影響調(diào)節(jié)品質(zhì)。4.1執(zhí)行器---是調(diào)節(jié)系統(tǒng)四個基本組成部分之一，形象稱34.1.1氣動執(zhí)行器---以壓縮空氣為動力的執(zhí)行器，由氣動執(zhí)行結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥組成。類型原理：（1）薄膜式，彈性膜片將輸入氣壓轉(zhuǎn)變?yōu)橥屏?，結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、應(yīng)用廣；（2）活塞式，由氣缸活塞輸出推力，允許壓力高、有較大推力、行程長。典型氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理—RF-P-176-FIG4-1薄膜式原理說明

活塞式現(xiàn)場應(yīng)用演示

4.1.1氣動執(zhí)行器---以壓縮空氣為動力的執(zhí)行器，由氣4調(diào)節(jié)閥的形式：（1）分為單座閥和雙座閥，以閥芯閥座的套數(shù)決定，單座一套，雙座兩套（RF-FIG-4-3）；（2）分為氣開和氣閉，氣開：氣壓增加閥趨于開，氣閉：氣壓增加閥趨于閉。

調(diào)節(jié)閥的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場合：單座：易改裝、結(jié)構(gòu)簡單、無同步問題；被調(diào)氣流對閥芯有作用力，可能影響正常工作。雙座：作用力可大致抵消，不平衡力??；兩組閥芯不易同時關(guān)閉，關(guān)閉泄漏量比單座閥大。選用氣開、氣關(guān)的原則：主要從安全角度考慮。事故狀態(tài)下閥門打開危險性小，選啟閉；反之選氣開。調(diào)節(jié)閥的重要性：調(diào)節(jié)閥的特性對整個自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)有何大影響。調(diào)節(jié)閥的流量：與閥的開度和閥的前后壓差均有關(guān)。閥特性研究：分兩種方法—閥前后壓差固定和實(shí)際工作變壓差。調(diào)節(jié)閥的形式：5下半部分為調(diào)節(jié)閥上半部分是產(chǎn)生推力的薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)P膜片推桿關(guān)閉閥芯（氣閉式）下半部分為調(diào)節(jié)閥上半部分是產(chǎn)生推力的薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)P膜片6調(diào)節(jié)閥的形式及優(yōu)缺點(diǎn)分析直通單座閥直通雙座閥流體對閥芯的作用力調(diào)節(jié)閥的形式及優(yōu)缺點(diǎn)分析直通單座閥直通雙座閥流體對閥芯的作用7調(diào)節(jié)閥的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場合單座：易改裝、結(jié)構(gòu)簡單、無同步問題；被調(diào)氣流對閥芯有作用力，可能影響正常工作。雙座：作用力可大致抵消，不平衡力??；兩組閥芯不易同時關(guān)閉，關(guān)閉泄漏量比單座閥大。選用氣開、氣關(guān)的原則：主要從安全角度考慮。事故狀態(tài)下閥門打開危險性小，選啟閉；反之選氣開。調(diào)節(jié)閥的重要性：調(diào)節(jié)閥的特性對整個自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)有何大影響。調(diào)節(jié)閥的流量：與閥的開度和閥的前后壓差均有關(guān)。閥特性研究：分兩種方法—閥前后壓差固定和實(shí)際工作變壓差。調(diào)節(jié)閥的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場合81.固有流量特性

在前后壓差不變的情況下得出的流量特性或稱為理想流量特性，通常有三種典型形式：（1）直線特性—流量與閥芯位移成直線關(guān)系；（2）對數(shù)特性—流量與閥芯位移成對數(shù)關(guān)系，即引起的流量變化的百分比相等；（3）快開特性—開度較小時流量變化較大，隨開度增大很快達(dá)到最大值。三種典型固有流量特性的比較：1.固有流量特性在前后壓差不變的情況下得出的流92.工作流量特性調(diào)節(jié)閥和管道阻力串聯(lián)的情況

實(shí)際使用時，閥前后壓力變化，對應(yīng)具體使用條件閥芯位移對水流的控制特性，影響因素較多，分析例：設(shè)調(diào)節(jié)閥管路外加壓力Po恒定。閥的開度增加，Q增加，管道壓降ΔPg與流量Q平方成正比。結(jié)論：（1）在同樣的閥芯位移下，閥芯前后壓差變化，非恒壓差。 （2）與恒壓差相比，流量開始變化較緩慢，閥開始的反應(yīng)較遲鈍。2.工作流量特性調(diào)節(jié)閥和管道阻力串聯(lián)的情況實(shí)際使用時，閥前10直線閥、對數(shù)閥的實(shí)際工作特性（考慮管道阻力）

直線閥、對數(shù)閥的實(shí)際工作特性（考慮管道阻力）直線閥、對數(shù)閥的實(shí)際工作特性（考慮管道阻力）直線閥、對數(shù)閥11其中：以S表示管道阻力下的壓差比，即：分析：S=1相當(dāng)于管道壓力為0，實(shí)際工作特性與固有流量特性相同。S<1

（1）閥開度大時流量減小，原因：管道設(shè)備壓降增加。（2）閥開度大時控制靈敏度降低。注：可借鑒電位器負(fù)載特性（電流大?。敵龅挠绊懛治?。（3）對數(shù)閥隨開度的變化，其流量趨勢與直線閥相反。其中：以S表示管道阻力下的壓差比，即：12調(diào)節(jié)閥和控制對象特性的非線性補(bǔ)償閥和對象特性的非線性互相補(bǔ)償依據(jù)：實(shí)際使用時有管道設(shè)備壓差（對象）會引起非線性，不同形式的調(diào)節(jié)閥門也可以引起非線性，兩者特性適當(dāng)配合的合成特性可以是線性關(guān)系。

調(diào)節(jié)閥和控制對象特性的非線性補(bǔ)償閥和對象特性的非線性互相補(bǔ)償13調(diào)節(jié)閥口徑的選擇方法選擇的目的：保證工藝操作正常進(jìn)行，準(zhǔn)確控制閥門的流量能力。選擇不當(dāng)時可能出現(xiàn)的問題（主要原因是閥門口徑選擇不當(dāng)）：（1）口徑過大：在小開度位置工作調(diào)劑質(zhì)量不高。（2）口徑過?。簾o法滿足正常生產(chǎn)的需求。調(diào)節(jié)閥口徑的選擇方法選擇的目的：保證工藝操作正常進(jìn)行，準(zhǔn)確控14調(diào)節(jié)閥選擇依據(jù)的計算過程調(diào)節(jié)閥選擇依據(jù)的計算過程15電-氣轉(zhuǎn)換器作用：將調(diào)節(jié)器輸出的標(biāo)準(zhǔn)電流信號轉(zhuǎn)換為20~100kPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號。電-氣轉(zhuǎn)換器（力平衡式）的工作原理組成：RF-FIG-4-9涉及：調(diào)節(jié)器輸出電流I、電磁鐵線圈、杠桿、噴嘴擋板機(jī)構(gòu)、氣動功率放大器支撐彈簧、波紋管、重錘、氣源等。工作過程：調(diào)節(jié)器輸出電流I↑---電磁鐵線圈吸力↑---杠桿左端↓---擋板壓縮噴嘴---噴嘴間隙↓---氣動功率放大器輸出功率P↑---杠桿波紋管充氣---杠桿左端↑---形成反饋力達(dá)到平衡電-氣轉(zhuǎn)換器作用：將調(diào)節(jié)器輸出的標(biāo)準(zhǔn)電流信號轉(zhuǎn)換為20~1016電-氣轉(zhuǎn)換器工作原理圖調(diào)整方法：彈簧調(diào)整輸出零點(diǎn)，波紋管粗條量程，永久磁體磁分路螺絲細(xì)調(diào)量程，重錘調(diào)節(jié)平衡。轉(zhuǎn)換器指標(biāo)：精度0.5級、氣源壓力140±14kPa、輸出氣壓信號，20~100kPa。電-氣轉(zhuǎn)換器工作原理圖調(diào)整方法：17核心部件-噴嘴擋板機(jī)構(gòu)

的構(gòu)造和特性

核心部件---噴嘴擋板機(jī)構(gòu)主要組成：背壓室、恒節(jié)流閥孔、噴嘴、擋板、氣壓信號輸出孔工作原理：當(dāng)擋板與噴嘴間隙有微小位移將會被轉(zhuǎn)換為氣壓信號P輸出，作為氣動功率放大器的輸入信號。核心部件-噴嘴擋板機(jī)構(gòu)

的構(gòu)造和特性核心部件---噴嘴擋板18閥門定位器任務(wù)：與執(zhí)行機(jī)構(gòu)配合使用確保精確定位。用途：用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作條件差和要求調(diào)節(jié)質(zhì)量要求高的場合。影響精確定位因素：填料、壓差、黏度產(chǎn)生的附加力。方法：借助閥桿位移負(fù)反饋是調(diào)節(jié)閥能按照輸入信號精確地確定開度。帶定位器的氣動執(zhí)行器的信號流程框圖閥門定位器任務(wù)：與執(zhí)行機(jī)構(gòu)配合使用確保精確定位。帶定位器的氣19組成：RF-P183-FIG-4-12氣動閥門定位器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的配合示意圖主要動作涉及：（1）錐閥--控制排氣，（2）閥球--控制進(jìn)氣，（3）波紋管（Pi輸入）--給定值，（4）推桿-凸輪--反饋值 （5）P-執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制氣壓--定位器的輸出量工作原理：擋板移近噴嘴--A室氣壓↑--膜片推動錐閥（間隙）排氣量↓--球閥（間隙）進(jìn)氣量↑--C室氣壓↑--控制氣壓P↑--推桿↓--凸輪順時針轉(zhuǎn)動--擋板移出噴嘴--系統(tǒng)平衡組成：RF-P183-FIG-4-1220電氣閥門定位器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的配合電氣閥門定位器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的配合21一體化電氣閥門定位器：結(jié)構(gòu)原理：RF-P184-FIG-4-13工作原理：輸入電流I↑--杠桿上部右轉(zhuǎn)—噴嘴間隙↓--控制壓力P↑--推桿↓--凸輪順時針轉(zhuǎn)動—擋板移出噴嘴—杠桿下部右轉(zhuǎn)—系統(tǒng)平衡一體化電氣閥門定位器：22信號電流通入力矩馬達(dá)1的線圈時，它與永久磁鋼作用后，對主杠桿產(chǎn)生一個力矩于是擋板靠近噴嘴經(jīng)放大器放大后送入薄膜氣室使杠桿向下移動并帶動反饋桿繞其支點(diǎn)4轉(zhuǎn)動連在同一軸上的反饋凸輪也作逆時針方向轉(zhuǎn)動通過滾輪使副杠桿繞其支點(diǎn)偏轉(zhuǎn)拉伸反饋彈簧當(dāng)反饋彈簧對主杠桿的拉力與力矩馬達(dá)作用在主杠桿上的力兩者力矩平衡時，儀表達(dá)到平衡狀態(tài)，此時，一定的信號電流就對應(yīng)于一定的閥門位置。信號電流通入力矩馬達(dá)1的線圈時，它與永久磁鋼作用后，對主杠桿23電-氣閥門定位器的安全防爆防爆要求：防爆電路示意框圖RF-184-FIG-4-14

防爆工作原理說明（目的--斷線時對高儲能元件進(jìn)行隔爆處理）（1）VD3、VD4限制力線圈的儲能，（2）VD1、VD2限制力線圈的電流輸出，（3）硅橡膠灌封。電-氣閥門定位器的安全防爆防爆要求：防爆電路示意框圖RF-124電動執(zhí)行器

作用：將調(diào)節(jié)器輸出的4~20mA信號轉(zhuǎn)換成直線或角度位移。組成：執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥（同一般執(zhí)行器）特點(diǎn)：執(zhí)行器使用電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)---利用電動機(jī)等啟閉調(diào)節(jié)閥。電動執(zhí)行器方案及配用類型：

直行程---直線電磁閥；角行程---旋轉(zhuǎn)蝶閥；多轉(zhuǎn)式---多轉(zhuǎn)感應(yīng)調(diào)壓器。電動執(zhí)行器作用：將調(diào)節(jié)器輸出的4~20mA信號轉(zhuǎn)換成直線或25電動執(zhí)行器原理框圖

常用電動執(zhí)行器的要求：能夠頻繁啟動、能長期處于過載狀態(tài)。具體措施：采用專用異步機(jī)，轉(zhuǎn)子電阻大---啟動電小、堵轉(zhuǎn)時溫升不超限。電動執(zhí)行器原理框圖常用電動執(zhí)行器的要求：能夠頻繁啟動、能長26伺服電機(jī)電路工作原理:

對應(yīng)RF-P-154-FIG-6-45伺服放大器的原理示意圖

伺服電機(jī)電路工作原理:對應(yīng)RF-P-154-FIG-6-427帶制動機(jī)構(gòu)的兩相伺服電動機(jī)帶制動機(jī)構(gòu)的兩相伺服電動機(jī)28伺服電機(jī)電路工作原理敘述原理敘述：a+、b-，a-、b+分別對應(yīng)上下交流開關(guān)導(dǎo)通，直接導(dǎo)通供電的一路交流不倒相，經(jīng)分相電容的一路移相90o，兩交流開關(guān)的切換決定電機(jī)轉(zhuǎn)動的方向。帶制動結(jié)構(gòu)的兩相伺服電機(jī)主要目的：防止慣性精確定位。（1）定子帶電，銜鐵吸合，簧片變形，制動盤推離，轉(zhuǎn)子活動。（2）定子失電，銜鐵還原，簧片恢復(fù)，彈簧彈起，制動盤推入，轉(zhuǎn)子固定。（3）拉起把手，手工脫離，解除制動。伺服電機(jī)電路工作原理敘述原理敘述：29超聲波伺服電機(jī)USM概述超聲波伺服電機(jī)USM概述30第四章執(zhí)行器和防爆柵-西安航空技術(shù)高等?？茖W(xué)校31第四章執(zhí)行器和防爆柵-西安航空技術(shù)高等專科學(xué)校32AppendixThenameplateofUSR60USMDrivefrequency40-44kHzDrivevoltage100-130VrmsDrivecurrent53mARatedtorque0.4NmRatedpower4WRatedspeed10rad/sHoldingtorque<=800mNmRotorinertia7.2

10?6kg/m2Weight0.23kgTheequivalentcircuitparametersofUSR60USMCd=9nFrd=20kLm=0.1Hr0=150Cm=168pF168Appendix33第4章執(zhí)行器和防爆柵第2部分---防爆柵1.安全防爆基礎(chǔ)知識2.隔離式防爆柵的電路原理及性能3.防爆柵在現(xiàn)場總線中的應(yīng)用第4章執(zhí)行器和防爆柵第2部分---防爆柵1.安全防爆基礎(chǔ)344.2防爆柵

4.2.1安全火花防爆系統(tǒng)的概念防爆柵的設(shè)計思路：傳統(tǒng)--包括充油型、充氣型、隔爆型等，將可能產(chǎn)生火花的電路從結(jié)構(gòu)上與爆炸性氣體隔開；新型--（安全火花型）電路設(shè)計上考慮防爆，將電路在短路、開斷及誤操作下產(chǎn)生的火花限制在爆炸性氣體的點(diǎn)燃能量之下。歸類：屬于本質(zhì)安全防爆儀表，比結(jié)構(gòu)防爆儀表高一等級。4.2防爆柵4.2.1安全火花防爆系統(tǒng)的概念35防爆儀表與防爆系統(tǒng)

性質(zhì)--安全火花防爆儀表和安全火花防爆系統(tǒng)屬于兩個不同的概念；內(nèi)容--防爆儀表只保證儀表內(nèi)部不產(chǎn)生危險火花，不包括外部引線（電源線、信號線等---注：系統(tǒng)與儀表的區(qū)別）。定義--由安全火花儀表和經(jīng)過防爆柵連接組成的工業(yè)控制系統(tǒng)。（自）安全火花防爆系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)（注意：防爆柵的作用）

防爆儀表與防爆系統(tǒng)性質(zhì)--安全火花防爆儀表和安全火花防爆系36防爆柵：安全保持器，用途--限制送往現(xiàn)場單元的電壓、電流，保證進(jìn)入現(xiàn)場的電功率在安全范圍之內(nèi)。防爆柵的局限性：只能限制進(jìn)入現(xiàn)場的瞬時功率，必須與安全火花型儀表配合。安全火花防爆系統(tǒng)的充分必要條件：（1）在危險現(xiàn)場的儀表必須是安全火花型；（2）現(xiàn)場儀表與非危險場所之間的電路連接必須經(jīng)過防爆柵。

防爆柵的定義及局限性

防爆柵：安全保持器，用途--限制送往現(xiàn)場單元的電壓、電流，保374.2.2安全火花防爆的等級

（安全火花防爆的實(shí)質(zhì)—限制火花的能量）

爆炸性混合物的最小引爆電流（條件：直流電壓≤30V）TAB-4-1安全火花防爆柵參考資料

4.2.2安全火花防爆的等級

（安全火花防爆的實(shí)質(zhì)—限制384.2.3防爆柵的基本工作原理

齊納式

改進(jìn)型齊納式主要種類：電阻式、齊納式、隔離式（4.2.4介紹）。（1）電阻式：電阻串聯(lián)于電源線或信號線限制進(jìn)入危險現(xiàn)場的電流，缺點(diǎn)：電源、信號受衰減。（2）齊納式：利用串聯(lián)電阻限流、利用并聯(lián)齊納穩(wěn)壓管限壓。過流限制分析4.2.3防爆柵的基本工作原理齊納式改進(jìn)型齊納式主394.2.4隔離式防爆柵

（1）檢測端防爆柵

DDZ-Ⅲ防爆柵的隔離方案:具體措施--變壓器作為輸入輸出電源隔離；晶體管截止限壓、限流截止式控制電路。兩處隔離--變送器配合使用的檢測端防爆柵，執(zhí)行其配合使用的執(zhí)行端防爆柵?；驹砜驁D簡化電路原理圖分為檢測端和執(zhí)行端防爆柵4.2.4隔離式防爆柵（1）檢測端防爆柵DDZ-Ⅲ防40隔離示意圖信號隔離電源隔離涉及內(nèi)容：（1）電路組成；（2）信號流程分析；（3）調(diào)制解調(diào)原理隔離示意圖信號隔離電源隔離涉及內(nèi)容：（1）電路組成；（2）信41檢測端防爆柵的簡化原理圖分析內(nèi)容：（1）DC-AC轉(zhuǎn)換原理；（2）調(diào)制原理；（3）解調(diào)放大原理原理框圖原理描述檢測端防爆柵的簡化原理圖分析內(nèi)容：（1）DC-AC轉(zhuǎn)換原理；42基本工作原理描述①信號流向：由變送器輸入，經(jīng)限壓、限流電路，經(jīng)調(diào)制電路，經(jīng)隔離防爆柵，經(jīng)解調(diào)電路至控制室。②供電電源：+24V電源接通，VT1、VT2得電，產(chǎn)生推挽振蕩，DC-AC轉(zhuǎn)換，輸出3路。 a.為4~20mA產(chǎn)生電路供電； b.作為調(diào)制開關(guān)切換控制信號； c.為限壓、限流保護(hù)電路供電。③限壓限流：過壓VD15、VD16擊穿，VT3、VT5導(dǎo)通，VT4、VT6截至，信號通道關(guān)斷。④調(diào)制電路：調(diào)制開關(guān)VD13、VD14輪流切換變送器引入信號，分時流過調(diào)制變壓器T2原邊上、下繞組，將電平信號轉(zhuǎn)換為交變信號。⑤解調(diào)電路：副邊信號時VT7、VT8，VT9、VT10輪流導(dǎo)通，導(dǎo)通程度由原邊4~20mA電平?jīng)Q定，對施加電源控制后還原4~20mA信號。簡化原理圖基本工作原理描述①信號流向：由變送器輸入，經(jīng)限壓、限流電路43限壓限流電路原理及特性曲線檢測端防爆柵簡化原理圖

限壓限流特性曲線限壓限流電路原理及特性曲線檢測端防爆柵簡化原理圖限壓限流特44調(diào)制解調(diào)電路工作原理調(diào)制和解調(diào)放大電路原理圖斬波供電調(diào)制解調(diào)電路工作原理調(diào)制和解調(diào)放大電路原理圖斬波45（2）執(zhí)行端防爆柵執(zhí)行端防爆柵電路原理圖

執(zhí)行端防爆柵工作原理（2）執(zhí)行端防爆柵執(zhí)行端防爆柵電路原理圖執(zhí)行端防爆柵工作原46防爆柵在現(xiàn)場總線中的應(yīng)用參考資料防爆柵在現(xiàn)場總線中的應(yīng)用參考資料47現(xiàn)場總線的常規(guī)應(yīng)用現(xiàn)場控制室控制系統(tǒng)24Vdc24Vdc電源調(diào)節(jié)器OR安全區(qū)現(xiàn)場接線器現(xiàn)場總線的常規(guī)應(yīng)用現(xiàn)場控制室控制系統(tǒng)24Vdc24Vdc電源48現(xiàn)場總線在危險區(qū)的應(yīng)用現(xiàn)場控制室24Vdc控制系統(tǒng)危險區(qū)基金會現(xiàn)場總線設(shè)備現(xiàn)場接線器?保護(hù)?現(xiàn)場總線在危險區(qū)的應(yīng)用現(xiàn)場控制室24Vdc控制系統(tǒng)危險區(qū)基金49FISCOSolutionFieldbusIntrinsicSafetyConcept用于總線本質(zhì)安全的一種新的技術(shù)以IEC61158-2現(xiàn)場總線裝置物理層標(biāo)準(zhǔn)的概念為基礎(chǔ).與較早的‘Entity’模型相比,可以向本安型主干提供更的的電流,因此可以連接更多的設(shè)備.不需要電纜參數(shù)的計算減少設(shè)備清單中的安全文件不需要檢查安全文件即可增加設(shè)備允許使用更大電容的更長的電纜FISCOSolutionFieldbusIntrins50FISCOpowersupplyFieldControlroomControlsystemFISCOfielddevicesZone1Division124Vdc24VdcExi

TrunkLive-workable

ExispurLive-workableFISCO可應(yīng)用于Zone1或Zone0的環(huán)境EExiacertifiedFISCOdeviceZone0現(xiàn)場接線器FISCOpowersupplyFieldControl51可連接多少現(xiàn)場設(shè)備?MTL5053(Entity),IIC/IIBGasGroupsFISCO,IICGasGroupsFISCO,IIBGasGroups80mAavailable,typically4or5devices120mAavailable,typically8devices265mAavailable,typically17devicesZone1/Division1假設(shè)每臺設(shè)備15mA可連接多少現(xiàn)場設(shè)備?MTL5053(Entity),II52FieldControlroomExispurLive-workableControlsystemFISCOorEntityfielddevicesZone2/Zone1ExeTrunk24VdcPowerconditionerZone0/Zone124Vdc24Vdc現(xiàn)場隔離安全柵FieldControlroomControlsyste53Ff基金會現(xiàn)場總線應(yīng)用在Zone1

的易燃易爆環(huán)境中？

EXd/Exe隔爆/增安（不可帶電維護(hù)）

Entity

（已不常用）

FISCO（可帶電維護(hù)）

FieldBarrier現(xiàn)場隔離安全柵（接線盒不可帶電維護(hù)，現(xiàn)場儀表可帶電維護(hù)）

Ff基金會現(xiàn)場總線應(yīng)用在Zone1

的易燃易爆環(huán)境中？54第4章執(zhí)行器和防爆柵自動化儀表與過程控制第4章執(zhí)行器和防爆柵自動化儀表與過程控制55第4章執(zhí)行器和防爆柵第1部分---執(zhí)行器第4章執(zhí)行器和防爆柵第1部分---執(zhí)行器564.1

執(zhí)行器---是調(diào)節(jié)系統(tǒng)四個基本組成部分之一，形象稱為自動化的手腳。（四個基本組成部：調(diào)節(jié)對象、檢測儀表、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器）執(zhí)行器的作用--根據(jù)調(diào)節(jié)器的命令控制傳送、調(diào)節(jié)溫度、壓力、流量等工藝參數(shù)。執(zhí)行器的組成（分為兩部分）（1）執(zhí)行結(jié)構(gòu)--執(zhí)行器的驅(qū)動部分，按照調(diào)節(jié)器的信號產(chǎn)生推力或位移；（2）調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)--執(zhí)行器的調(diào)節(jié)部分，常見有調(diào)節(jié)閥等，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)操縱下調(diào)節(jié)工藝介質(zhì)的流量。執(zhí)行器的影響--是調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，質(zhì)量可能導(dǎo)致不能正常工作或影響調(diào)節(jié)品質(zhì)。4.1執(zhí)行器---是調(diào)節(jié)系統(tǒng)四個基本組成部分之一，形象稱574.1.1氣動執(zhí)行器---以壓縮空氣為動力的執(zhí)行器，由氣動執(zhí)行結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥組成。類型原理：（1）薄膜式，彈性膜片將輸入氣壓轉(zhuǎn)變?yōu)橥屏?，結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、應(yīng)用廣；（2）活塞式，由氣缸活塞輸出推力，允許壓力高、有較大推力、行程長。典型氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理—RF-P-176-FIG4-1薄膜式原理說明

活塞式現(xiàn)場應(yīng)用演示

4.1.1氣動執(zhí)行器---以壓縮空氣為動力的執(zhí)行器，由氣58調(diào)節(jié)閥的形式：（1）分為單座閥和雙座閥，以閥芯閥座的套數(shù)決定，單座一套，雙座兩套（RF-FIG-4-3）；（2）分為氣開和氣閉，氣開：氣壓增加閥趨于開，氣閉：氣壓增加閥趨于閉。

調(diào)節(jié)閥的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場合：單座：易改裝、結(jié)構(gòu)簡單、無同步問題；被調(diào)氣流對閥芯有作用力，可能影響正常工作。雙座：作用力可大致抵消，不平衡力?。粌山M閥芯不易同時關(guān)閉，關(guān)閉泄漏量比單座閥大。選用氣開、氣關(guān)的原則：主要從安全角度考慮。事故狀態(tài)下閥門打開危險性小，選啟閉；反之選氣開。調(diào)節(jié)閥的重要性：調(diào)節(jié)閥的特性對整個自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)有何大影響。調(diào)節(jié)閥的流量：與閥的開度和閥的前后壓差均有關(guān)。閥特性研究：分兩種方法—閥前后壓差固定和實(shí)際工作變壓差。調(diào)節(jié)閥的形式：59下半部分為調(diào)節(jié)閥上半部分是產(chǎn)生推力的薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)P膜片推桿關(guān)閉閥芯（氣閉式）下半部分為調(diào)節(jié)閥上半部分是產(chǎn)生推力的薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)P膜片60調(diào)節(jié)閥的形式及優(yōu)缺點(diǎn)分析直通單座閥直通雙座閥流體對閥芯的作用力調(diào)節(jié)閥的形式及優(yōu)缺點(diǎn)分析直通單座閥直通雙座閥流體對閥芯的作用61調(diào)節(jié)閥的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場合單座：易改裝、結(jié)構(gòu)簡單、無同步問題；被調(diào)氣流對閥芯有作用力，可能影響正常工作。雙座：作用力可大致抵消，不平衡力小；兩組閥芯不易同時關(guān)閉，關(guān)閉泄漏量比單座閥大。選用氣開、氣關(guān)的原則：主要從安全角度考慮。事故狀態(tài)下閥門打開危險性小，選啟閉；反之選氣開。調(diào)節(jié)閥的重要性：調(diào)節(jié)閥的特性對整個自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)有何大影響。調(diào)節(jié)閥的流量：與閥的開度和閥的前后壓差均有關(guān)。閥特性研究：分兩種方法—閥前后壓差固定和實(shí)際工作變壓差。調(diào)節(jié)閥的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場合621.固有流量特性

在前后壓差不變的情況下得出的流量特性或稱為理想流量特性，通常有三種典型形式：（1）直線特性—流量與閥芯位移成直線關(guān)系；（2）對數(shù)特性—流量與閥芯位移成對數(shù)關(guān)系，即引起的流量變化的百分比相等；（3）快開特性—開度較小時流量變化較大，隨開度增大很快達(dá)到最大值。三種典型固有流量特性的比較：1.固有流量特性在前后壓差不變的情況下得出的流632.工作流量特性調(diào)節(jié)閥和管道阻力串聯(lián)的情況

實(shí)際使用時，閥前后壓力變化，對應(yīng)具體使用條件閥芯位移對水流的控制特性，影響因素較多，分析例：設(shè)調(diào)節(jié)閥管路外加壓力Po恒定。閥的開度增加，Q增加，管道壓降ΔPg與流量Q平方成正比。結(jié)論：（1）在同樣的閥芯位移下，閥芯前后壓差變化，非恒壓差。 （2）與恒壓差相比，流量開始變化較緩慢，閥開始的反應(yīng)較遲鈍。2.工作流量特性調(diào)節(jié)閥和管道阻力串聯(lián)的情況實(shí)際使用時，閥前64直線閥、對數(shù)閥的實(shí)際工作特性（考慮管道阻力）

直線閥、對數(shù)閥的實(shí)際工作特性（考慮管道阻力）直線閥、對數(shù)閥的實(shí)際工作特性（考慮管道阻力）直線閥、對數(shù)閥65其中：以S表示管道阻力下的壓差比，即：分析：S=1相當(dāng)于管道壓力為0，實(shí)際工作特性與固有流量特性相同。S<1

（1）閥開度大時流量減小，原因：管道設(shè)備壓降增加。（2）閥開度大時控制靈敏度降低。注：可借鑒電位器負(fù)載特性（電流大小）對輸出的影響分析。（3）對數(shù)閥隨開度的變化，其流量趨勢與直線閥相反。其中：以S表示管道阻力下的壓差比，即：66調(diào)節(jié)閥和控制對象特性的非線性補(bǔ)償閥和對象特性的非線性互相補(bǔ)償依據(jù)：實(shí)際使用時有管道設(shè)備壓差（對象）會引起非線性，不同形式的調(diào)節(jié)閥門也可以引起非線性，兩者特性適當(dāng)配合的合成特性可以是線性關(guān)系。

調(diào)節(jié)閥和控制對象特性的非線性補(bǔ)償閥和對象特性的非線性互相補(bǔ)償67調(diào)節(jié)閥口徑的選擇方法選擇的目的：保證工藝操作正常進(jìn)行，準(zhǔn)確控制閥門的流量能力。選擇不當(dāng)時可能出現(xiàn)的問題（主要原因是閥門口徑選擇不當(dāng)）：（1）口徑過大：在小開度位置工作調(diào)劑質(zhì)量不高。（2）口徑過?。簾o法滿足正常生產(chǎn)的需求。調(diào)節(jié)閥口徑的選擇方法選擇的目的：保證工藝操作正常進(jìn)行，準(zhǔn)確控68調(diào)節(jié)閥選擇依據(jù)的計算過程調(diào)節(jié)閥選擇依據(jù)的計算過程69電-氣轉(zhuǎn)換器作用：將調(diào)節(jié)器輸出的標(biāo)準(zhǔn)電流信號轉(zhuǎn)換為20~100kPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號。電-氣轉(zhuǎn)換器（力平衡式）的工作原理組成：RF-FIG-4-9涉及：調(diào)節(jié)器輸出電流I、電磁鐵線圈、杠桿、噴嘴擋板機(jī)構(gòu)、氣動功率放大器支撐彈簧、波紋管、重錘、氣源等。工作過程：調(diào)節(jié)器輸出電流I↑---電磁鐵線圈吸力↑---杠桿左端↓---擋板壓縮噴嘴---噴嘴間隙↓---氣動功率放大器輸出功率P↑---杠桿波紋管充氣---杠桿左端↑---形成反饋力達(dá)到平衡電-氣轉(zhuǎn)換器作用：將調(diào)節(jié)器輸出的標(biāo)準(zhǔn)電流信號轉(zhuǎn)換為20~1070電-氣轉(zhuǎn)換器工作原理圖調(diào)整方法：彈簧調(diào)整輸出零點(diǎn)，波紋管粗條量程，永久磁體磁分路螺絲細(xì)調(diào)量程，重錘調(diào)節(jié)平衡。轉(zhuǎn)換器指標(biāo)：精度0.5級、氣源壓力140±14kPa、輸出氣壓信號，20~100kPa。電-氣轉(zhuǎn)換器工作原理圖調(diào)整方法：71核心部件-噴嘴擋板機(jī)構(gòu)

的構(gòu)造和特性

核心部件---噴嘴擋板機(jī)構(gòu)主要組成：背壓室、恒節(jié)流閥孔、噴嘴、擋板、氣壓信號輸出孔工作原理：當(dāng)擋板與噴嘴間隙有微小位移將會被轉(zhuǎn)換為氣壓信號P輸出，作為氣動功率放大器的輸入信號。核心部件-噴嘴擋板機(jī)構(gòu)

的構(gòu)造和特性核心部件---噴嘴擋板72閥門定位器任務(wù)：與執(zhí)行機(jī)構(gòu)配合使用確保精確定位。用途：用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作條件差和要求調(diào)節(jié)質(zhì)量要求高的場合。影響精確定位因素：填料、壓差、黏度產(chǎn)生的附加力。方法：借助閥桿位移負(fù)反饋是調(diào)節(jié)閥能按照輸入信號精確地確定開度。帶定位器的氣動執(zhí)行器的信號流程框圖閥門定位器任務(wù)：與執(zhí)行機(jī)構(gòu)配合使用確保精確定位。帶定位器的氣73組成：RF-P183-FIG-4-12氣動閥門定位器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的配合示意圖主要動作涉及：（1）錐閥--控制排氣，（2）閥球--控制進(jìn)氣，（3）波紋管（Pi輸入）--給定值，（4）推桿-凸輪--反饋值 （5）P-執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制氣壓--定位器的輸出量工作原理：擋板移近噴嘴--A室氣壓↑--膜片推動錐閥（間隙）排氣量↓--球閥（間隙）進(jìn)氣量↑--C室氣壓↑--控制氣壓P↑--推桿↓--凸輪順時針轉(zhuǎn)動--擋板移出噴嘴--系統(tǒng)平衡組成：RF-P183-FIG-4-1274電氣閥門定位器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的配合電氣閥門定位器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的配合75一體化電氣閥門定位器：結(jié)構(gòu)原理：RF-P184-FIG-4-13工作原理：輸入電流I↑--杠桿上部右轉(zhuǎn)—噴嘴間隙↓--控制壓力P↑--推桿↓--凸輪順時針轉(zhuǎn)動—擋板移出噴嘴—杠桿下部右轉(zhuǎn)—系統(tǒng)平衡一體化電氣閥門定位器：76信號電流通入力矩馬達(dá)1的線圈時，它與永久磁鋼作用后，對主杠桿產(chǎn)生一個力矩于是擋板靠近噴嘴經(jīng)放大器放大后送入薄膜氣室使杠桿向下移動并帶動反饋桿繞其支點(diǎn)4轉(zhuǎn)動連在同一軸上的反饋凸輪也作逆時針方向轉(zhuǎn)動通過滾輪使副杠桿繞其支點(diǎn)偏轉(zhuǎn)拉伸反饋彈簧當(dāng)反饋彈簧對主杠桿的拉力與力矩馬達(dá)作用在主杠桿上的力兩者力矩平衡時，儀表達(dá)到平衡狀態(tài)，此時，一定的信號電流就對應(yīng)于一定的閥門位置。信號電流通入力矩馬達(dá)1的線圈時，它與永久磁鋼作用后，對主杠桿77電-氣閥門定位器的安全防爆防爆要求：防爆電路示意框圖RF-184-FIG-4-14

防爆工作原理說明（目的--斷線時對高儲能元件進(jìn)行隔爆處理）（1）VD3、VD4限制力線圈的儲能，（2）VD1、VD2限制力線圈的電流輸出，（3）硅橡膠灌封。電-氣閥門定位器的安全防爆防爆要求：防爆電路示意框圖RF-178電動執(zhí)行器

作用：將調(diào)節(jié)器輸出的4~20mA信號轉(zhuǎn)換成直線或角度位移。組成：執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥（同一般執(zhí)行器）特點(diǎn)：執(zhí)行器使用電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)---利用電動機(jī)等啟閉調(diào)節(jié)閥。電動執(zhí)行器方案及配用類型：

直行程---直線電磁閥；角行程---旋轉(zhuǎn)蝶閥；多轉(zhuǎn)式---多轉(zhuǎn)感應(yīng)調(diào)壓器。電動執(zhí)行器作用：將調(diào)節(jié)器輸出的4~20mA信號轉(zhuǎn)換成直線或79電動執(zhí)行器原理框圖

常用電動執(zhí)行器的要求：能夠頻繁啟動、能長期處于過載狀態(tài)。具體措施：采用專用異步機(jī)，轉(zhuǎn)子電阻大---啟動電小、堵轉(zhuǎn)時溫升不超限。電動執(zhí)行器原理框圖常用電動執(zhí)行器的要求：能夠頻繁啟動、能長80伺服電機(jī)電路工作原理:

對應(yīng)RF-P-154-FIG-6-45伺服放大器的原理示意圖

伺服電機(jī)電路工作原理:對應(yīng)RF-P-154-FIG-6-481帶制動機(jī)構(gòu)的兩相伺服電動機(jī)帶制動機(jī)構(gòu)的兩相伺服電動機(jī)82伺服電機(jī)電路工作原理敘述原理敘述：a+、b-，a-、b+分別對應(yīng)上下交流開關(guān)導(dǎo)通，直接導(dǎo)通供電的一路交流不倒相，經(jīng)分相電容的一路移相90o，兩交流開關(guān)的切換決定電機(jī)轉(zhuǎn)動的方向。帶制動結(jié)構(gòu)的兩相伺服電機(jī)主要目的：防止慣性精確定位。（1）定子帶電，銜鐵吸合，簧片變形，制動盤推離，轉(zhuǎn)子活動。（2）定子失電，銜鐵還原，簧片恢復(fù)，彈簧彈起，制動盤推入，轉(zhuǎn)子固定。（3）拉起把手，手工脫離，解除制動。伺服電機(jī)電路工作原理敘述原理敘述：83超聲波伺服電機(jī)USM概述超聲波伺服電機(jī)USM概述84第四章執(zhí)行器和防爆柵-西安航空技術(shù)高等專科學(xué)校85第四章執(zhí)行器和防爆柵-西安航空技術(shù)高等?？茖W(xué)校86AppendixThenameplateofUSR60USMDrivefrequency40-44kHzDrivevoltage100-130VrmsDrivecurrent53mARatedtorque0.4NmRatedpower4WRatedspeed10rad/sHoldingtorque<=800mNmRotorinertia7.2

10?6kg/m2Weight0.23kgTheequivalentcircuitparametersofUSR60USMCd=9nFrd=20kLm=0.1Hr0=150Cm=168pF168Appendix87第4章執(zhí)行器和防爆柵第2部分---防爆柵1.安全防爆基礎(chǔ)知識2.隔離式防爆柵的電路原理及性能3.防爆柵在現(xiàn)場總線中的應(yīng)用第4章執(zhí)行器和防爆柵第2部分---防爆柵1.安全防爆基礎(chǔ)884.2防爆柵

4.2.1安全火花防爆系統(tǒng)的概念防爆柵的設(shè)計思路：傳統(tǒng)--包括充油型、充氣型、隔爆型等，將可能產(chǎn)生火花的電路從結(jié)構(gòu)上與爆炸性氣體隔開；新型--（安全火花型）電路設(shè)計上考慮防爆，將電路在短路、開斷及誤操作下產(chǎn)生的火花限制在爆炸性氣體的點(diǎn)燃能量之下。歸類：屬于本質(zhì)安全防爆儀表，比結(jié)構(gòu)防爆儀表高一等級。4.2防爆柵4.2.1安全火花防爆系統(tǒng)的概念89防爆儀表與防爆系統(tǒng)

性質(zhì)--安全火花防爆儀表和安全火花防爆系統(tǒng)屬于兩個不同的概念；內(nèi)容--防爆儀表只保證儀表內(nèi)部不產(chǎn)生危險火花，不包括外部引線（電源線、信號線等---注：系統(tǒng)與儀表的區(qū)別）。定義--由安全火花儀表和經(jīng)過防爆柵連接組成的工業(yè)控制系統(tǒng)。（自）安全火花防爆系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)（注意：防爆柵的作用）

防爆儀表與防爆系統(tǒng)性質(zhì)--安全火花防爆儀表和安全火花防爆系90防爆柵：安全保持器，用途--限制送往現(xiàn)場單元的電壓、電流，保證進(jìn)入現(xiàn)場的電功率在安全范圍之內(nèi)。防爆柵的局限性：只能限制進(jìn)入現(xiàn)場的瞬時功率，必須與安全火花型儀表配合。安全火花防爆系統(tǒng)的充分必要條件：（1）在危險現(xiàn)場的儀表必須是安全火花型；（2）現(xiàn)場儀表與非危險場所之間的電路連接必須經(jīng)過防爆柵。

防爆柵的定義及局限性

防爆柵：安全保持器，用途--限制送往現(xiàn)場單元的電壓、電流，保914.2.2安全火花防爆的等級

（安全火花防爆的實(shí)質(zhì)—限制火花的能量）

爆炸性混合物的最小引爆電流（條件：直流電壓≤30V）TAB-4-1安全火花防爆柵參考資料

4.2.2安全火花防爆的等級

（安全火花防爆的實(shí)質(zhì)—限制924.2.3防爆柵的基本工作原理

齊納式

改進(jìn)型齊納式主要種類：電阻式、齊納式、隔離式（4.2.4介紹）。（1）電阻式：電阻串聯(lián)于電源線或信號線限制進(jìn)入危險現(xiàn)場的電流，缺點(diǎn)：電源、信號受衰減。（2）齊納式：利用串聯(lián)電阻限流、利用并聯(lián)齊納穩(wěn)壓管限壓。過流限制分析4.2.3防爆柵的基本工作原理齊納式改進(jìn)型齊納式主934.2.4隔離式防爆柵

（1）檢測端防爆柵

DDZ-Ⅲ防爆柵的隔離方案:具體措施--變壓器作為輸入輸出電源隔離；晶體管截止限壓、限流截止式控制電路。兩處隔離--變送器配合使用的檢測端防爆柵，執(zhí)行其配合使用的執(zhí)行端防爆柵?；驹砜驁D簡化電路原理圖分為檢測端和執(zhí)行端防爆柵4.2.4隔離式防爆柵（1）檢測端防爆柵DDZ-Ⅲ防94隔離示意圖信號隔離電源隔離涉及內(nèi)容：（1）電路組成；（2）信號流程分析；（3）調(diào)制解調(diào)原理隔離示意圖信號隔離電源隔離涉及內(nèi)容：（1）電路組成；（2）信95檢測端防爆柵的簡化原理圖分析內(nèi)容：（1）DC-AC轉(zhuǎn)換原理；（2）調(diào)制原理；（3）解調(diào)放大原理原理框圖原理描述檢測端防爆柵的簡化原理圖分析內(nèi)容：（1）DC-AC轉(zhuǎn)換原理；96基本工作原理描述①信號流向：由變送器輸入，經(jīng)限壓、限流電路，經(jīng)調(diào)制電路，經(jīng)隔離防爆柵，經(jīng)解調(diào)電路至控制室。②供電電源：+24V電源接通，VT1、VT2得電，產(chǎn)生推挽振蕩，DC-AC轉(zhuǎn)換，輸出3路。 a.為4~20mA產(chǎn)生電路供電； b.作為調(diào)制開關(guān)切換控制信號； c.為限壓、限流保護(hù)電路供電。③限壓限流：過壓VD15、VD16擊穿，VT3、VT5導(dǎo)通，VT4、VT6截至，信號通道關(guān)斷。④調(diào)制電路：調(diào)制開關(guān)VD13、VD14輪流切換變送器引入信號，分時流過調(diào)制變壓器T2原邊上、下繞組，將電平信號轉(zhuǎn)換為交變信號。⑤解調(diào)電路：副邊信號時VT7、VT8，VT9、VT10輪流導(dǎo)通，導(dǎo)通程度由原邊4~20mA電平?jīng)Q定，對施加電源控制后還原4~20mA信號。簡化原理圖