控制儀表及裝置概論李忠虎

控制儀表及裝置概論李忠虎1第1頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一吳勤勤，控制儀表及裝置（第三版），化學(xué)工業(yè)出版社，2007.推薦參考書教材陸會(huì)明，控制裝置與儀表（第二版），機(jī)械工業(yè)出版社，2011.2第2頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一內(nèi)容簡(jiǎn)介

《控制儀表及裝置》是高等院校測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的一門主干專業(yè)課程。本書內(nèi)容：一、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)算器和執(zhí)行器等）；二、數(shù)字式控制儀表及裝置（可編程調(diào)節(jié)器、可編程控制器、智能變送器與閥門定位器、集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)等）。3第3頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一章節(jié)安排概論

第一節(jié)控制儀表與控制系統(tǒng)第二節(jié)控制儀表及裝置的分類第三節(jié)聯(lián)絡(luò)信號(hào)和傳輸方式第四節(jié)安全防爆的基本知識(shí)和防爆措施4第4頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第一章模擬式控制器

第一節(jié)控制器的運(yùn)算規(guī)律和組成方式第二節(jié)基型控制器第三節(jié)特種控制器和附加單元第二章變送器和轉(zhuǎn)換器

第一節(jié)變送器的構(gòu)成第二節(jié)差壓變送器第三節(jié)溫度變送器第四節(jié)電/氣轉(zhuǎn)換器

電－氣轉(zhuǎn)換器5第5頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第四章可編程調(diào)節(jié)器

第一節(jié)概述第二節(jié)KMM可編程調(diào)節(jié)器第三章運(yùn)算器和執(zhí)行器

第一節(jié)運(yùn)算器第二節(jié)執(zhí)行器第三節(jié)模擬式控制儀表的應(yīng)用

6第6頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第六章智能變送器和閥門定位器

第一節(jié)智能變送器第二節(jié)智能閥門定位器第五章可編程控制器（PLC）

第一節(jié)概述第二節(jié)FX系列可編程控制器第三節(jié)S7系列可編程控制器7第7頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第七章集散控制系統(tǒng)

第一節(jié)概述第二節(jié)集散控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)第三節(jié)TPS集散控制系統(tǒng)第四節(jié)PCS7集散控制系統(tǒng)第五節(jié)集散控制系統(tǒng)可靠性

第八章現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)

第一節(jié)概述第二節(jié)幾種流行的現(xiàn)場(chǎng)總線第三節(jié)實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)第四節(jié)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)

8第8頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一《控制儀表及裝置》概論9第9頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)控制儀表與控制系統(tǒng)10第10頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一人工操作與自動(dòng)控制比較圖人工操作圖液位自動(dòng)控制系統(tǒng)圖11第11頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一LTLICM對(duì)象容器液位自動(dòng)控制系統(tǒng)12第12頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一電熱鍋爐液位控制系統(tǒng)13第13頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一TTTICM冷液熱液蒸汽換熱器溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)14第14頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一單回路控制系統(tǒng)一般由被控對(duì)象、變送器、控制器（調(diào)節(jié)器）和執(zhí)行器構(gòu)成。單回路控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)）方框圖給定值被控變量（被控參數(shù)）操縱變量（被控介質(zhì)）變送器執(zhí)行器控制器被控對(duì)象15第15頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一被控對(duì)象：需要調(diào)節(jié)其工藝參數(shù)的生產(chǎn)設(shè)備。變送器：把工藝參數(shù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的裝置。控制器：將來(lái)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：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、給定裝置等。16第16頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)控制儀表及裝置分類一、按所用能源形式可分為：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。電動(dòng)控制儀表和氣動(dòng)控制儀表的比較電動(dòng)控制儀表氣動(dòng)控制儀表能源電源（220VAC/24VDC）氣源（140kPa）傳輸信號(hào)電信號(hào)（電壓、電流、數(shù)字）氣壓信號(hào)元、器件電子元器件氣動(dòng)元件接線導(dǎo)線導(dǎo)管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17第17頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.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Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型等。2.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，功能完善，性能優(yōu)越，能解決模擬儀表難以解決的問(wèn)題。如可編程調(diào)節(jié)器、控制器、DCS、FCS等。二、按信號(hào)類型可分為：模擬式和數(shù)字式18第18頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.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。2.單元組合式儀表：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。3.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、PCS7、ECS、Hollias等。

4.現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）:

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。三、按結(jié)構(gòu)形式可分為：基地式、單元組合式、DCS、FCS19第19頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)聯(lián)絡(luò)信號(hào)和傳輸方式1.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。2.聯(lián)絡(luò)信號(hào)類型：氣動(dòng)儀表：20~100KPa電動(dòng)儀表：模擬信號(hào)0～10mADC、4～20mADC及1～5VDC數(shù)字、頻率信號(hào)3.說(shuō)明：①.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。②.信號(hào)上限高，產(chǎn)生的電磁平衡力大；信號(hào)上限低有利于減少功率損耗和儀表防爆。一、聯(lián)絡(luò)信號(hào)20第20頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.直流電流傳輸方式⑴.電流信號(hào)傳輸時(shí)儀表之間的連接R0I0IiRiRiRcm發(fā)送儀表接收儀表二、電信號(hào)傳輸方式21第21頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一為保證傳輸誤差ε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R0足夠大，而Rcm及Ri應(yīng)比較小⑵.直流電流傳輸誤差分析22第22頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一⑶.直流電流傳輸?shù)奶攸c(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)：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。23第23頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.直流電壓傳輸方式⑴.電壓信號(hào)傳輸時(shí)儀表之間的連接接收儀表RiRcm／２發(fā)送儀表R0U0Rcm／２IiRiRi24第24頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一為減小傳輸誤差,應(yīng)滿足Ri/n》R0+Rcm，故有

為減小傳輸誤差，要求R0和Rcm盡量小，Ri大些。⑵.直流電壓傳輸誤差分析25第25頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一⑶.電壓傳輸?shù)奶攸c(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)：要在引線電阻上產(chǎn)生電壓降,信號(hào)受一定損失,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?，F(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)。26第26頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、現(xiàn)場(chǎng)與控制室內(nèi)儀表間的信號(hào)傳輸

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(guò)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(guò)低。電源裝置現(xiàn)場(chǎng)控制室四線制兩線制現(xiàn)場(chǎng)電源裝置控制室接收儀表接收儀表變送器變送器27第27頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)安全防爆基本知識(shí)和防爆措施一、安全防爆基本知識(shí)1.爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的區(qū)域劃分依據(jù)：爆炸性氣體出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時(shí)間0區(qū)(Zone0)：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區(qū)(Zone1)：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區(qū)(Zone2)：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。28第28頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.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MICR來(lái)分級(jí)：可分為A、B、C三級(jí)。3.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/℃T1t

>450T2450≥t>300

T3300≥t>200

組別引燃溫度t/℃T4T5135≥t>100T6100≥t>85200≥t>13529第29頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.防爆電氣設(shè)備的分類、分組防爆電氣設(shè)備分為兩大類：Ⅰ類：煤礦用電氣設(shè)備Ⅱ類：工廠用電氣設(shè)備Ⅱ類電氣設(shè)備可進(jìn)一步分為ⅡA、ⅡB、ⅡC三級(jí)。工廠用電氣設(shè)備防爆型式有以下八種：隔爆型(d)、本質(zhì)安全型(i)、增安型(e)、正壓型(p)、充油型(o)、充砂型(q)、澆封型(m)和無(wú)火花型(n)。本質(zhì)安全型設(shè)備又可以分為ia和ib兩個(gè)等級(jí)。30第30頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一5.防爆標(biāo)志及其含義防爆標(biāo)志由以下5個(gè)部分構(gòu)成：

標(biāo)志EX－表示該設(shè)備為防爆電氣設(shè)備。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－I為煤礦井下用電設(shè)備，II為工廠用設(shè)備。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－為T1～T6六組，說(shuō)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。31第31頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.隔爆型儀表

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。2.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。二、常用防爆型控制儀表32第32頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月2