控制儀表裝置課件

第5章輔助儀表知識目標(biāo)：

掌握安全柵和信號分配器的作用及使用方法了解變頻器在過程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用方案掌握電源箱、電源分配器的使用方法技能目標(biāo)：

能運用安全柵和本安儀表構(gòu)成安全火花防爆系統(tǒng)能完成實際控制系統(tǒng)供電和信號連接第5章輔助儀表5.1安全柵5.2信號分配器5.3變頻調(diào)速器5.4電源箱及電源分配器5.1安全柵

安全柵是構(gòu)成安全火花防爆系統(tǒng)的關(guān)鍵儀表，安裝在控制室內(nèi)，是控制室儀表和現(xiàn)場儀表之間的關(guān)聯(lián)設(shè)備。其作用是：系統(tǒng)正常時保證信號的正常傳輸；故障時限制進(jìn)入危險場所的能量，確保系統(tǒng)的安全火花性能。

目前常用的安全柵有：齊納式安全柵和變壓器隔離式安全柵。安全柵的品種:一、齊納式安全柵1.齊納式安全柵的工作原理

齊納安全柵是基于齊納二極管反向擊穿特性工作的。由限壓電路,限流電路和熔斷器三部分組成。其原理電路如圖所示：圖中R為限流電阻，VZ1、VZ2為齊納二極管，F(xiàn)U為快速熔斷器。齊納式安全柵原理圖

系統(tǒng)正常工作時，安全側(cè)電壓U1低于齊納二極管的擊穿電壓U0，齊納二極管截止，安全柵不影響正常的工作電流。但現(xiàn)場發(fā)生事故，如短路，利用電阻R進(jìn)行限流，避免進(jìn)入危險場所的電流過大；當(dāng)安全側(cè)電壓U1高于齊納二極管的擊穿電壓U0時，齊納二極管擊穿，進(jìn)入危險場所的電壓被限制在U0上，同時安全側(cè)電流急劇增大，快速熔斷器FU很快熔斷，從而將可能造成危險的高電壓立即和現(xiàn)場斷開，保證了現(xiàn)場的安全。并聯(lián)兩個齊納二極管是增加安全柵的可靠性。齊納式安全柵的工作原理 齊納安全柵優(yōu)點是采用的器件非常少，體積小，價格便宜;

缺點是齊納式安全柵必須本安接地，且接地電阻必須小于1Ω；危險側(cè)本安儀表必須是隔離型的；齊納安全柵對供電電源電壓響應(yīng)非常大，電源電壓的波動可能會引起齊納二極管的電流泄漏，從而引起信號的誤差或者發(fā)出錯誤電平，嚴(yán)重時會使快速熔斷器燒斷。齊納式安全柵的優(yōu)缺點 圖中24VDC的電源一方面通過安全柵向二線制變送器供電，同時將二線制變送器產(chǎn)生的4-20mADC的信號傳送過來，由250Ω精確電阻轉(zhuǎn)換為1-5VDC的電壓信號送顯示儀表或控制器，當(dāng)然變送器傳送來的信號也可通過信號分配器,其輸出的多路信號可分別送顯示儀表和調(diào)節(jié)儀表。二線制變送器和齊納安全柵的連用

齊納安全柵和電氣轉(zhuǎn)換器的連用控制器的輸出往往送給電氣轉(zhuǎn)換器或電氣閥門定位器，由氣動執(zhí)行器實現(xiàn)對被控對象的調(diào)節(jié)。由于控制器的輸出方式不同,和安全柵有兩種不同的連接方法。發(fā)射極輸出型的控制器可以和安全柵共地,故可采用單通道保護的安全柵；而集電極輸出型的控制器，它的兩個輸出端都不接地，故需采用雙通道齊納安全柵。二、變壓器隔離式安全柵

變壓器隔離式安全柵利用變壓器或電流互感器將供電電源、信號輸入端和信號輸出端進(jìn)行電氣隔離，同時通過電子電路(限能器)限制進(jìn)入危險場所的能量。變壓器隔離式安全柵分為檢測端安全柵（輸入式安全柵）和操作端安全柵（輸出式安全柵）兩種。1.檢測端安全柵的作用(一)檢測端安全柵（1）把來自現(xiàn)場變送器的4～20mADC電流經(jīng)隔離變壓器1:1地轉(zhuǎn)換成1～5VDC信號或4～20mADC信號輸出至控制室儀表（計算機）。（2）為現(xiàn)場兩線制變送器提供24VDC直流電源（3）利用限流、限壓電路使得任何情況下送往危險場所的電壓不超過30VDC、電流不超過30mADC，從而保證了危險場所的安全。2.檢測端安全柵的構(gòu)成原理(1)外型結(jié)構(gòu)(2)輸入輸出特性(3)結(jié)構(gòu)組成及工作原理IiVo24VDC125678輸入端輸出端Io4~20mA1~5V4~20mA有六部分組成：1.直流-交流變換器2.整流濾波電路Ⅰ3.整流濾波電路Ⅱ4.電流電壓限制電路5.隔離變壓器6.共基極放大電路現(xiàn)場變送器調(diào)節(jié)器T124VDC電流電壓限制電路共基極放大電路DC/AC交直流變換器計算機整流濾波電路Ⅰ隔離變壓器整流濾波電路Ⅱe0e1e2IiVOABU-I1~5V4~20mA+--+-+VC5VC3調(diào)制器解調(diào)器隔離電源變壓器T2輸入端輸出端結(jié)構(gòu)組成①DC/AC/DC交換器：實現(xiàn)“隔離供電”它是一個磁耦合對稱推挽式多潛振蕩器24DC→eo→e1、e2方波，（8KHz）②整流濾波與輸入調(diào)制電路

e1→D5-8→C3→Vc3→為（解調(diào)）輸出電路提供電源

e2→D10-D13→C5→Vc5→限壓限流電路電源

e2→D10、D11，D14、D15（開關(guān)）→Ii→eT21、eT22→ei1.2e2→D10-D15→Vc7→為現(xiàn)場變送器提供24VDC電源工作原理③共基解調(diào)放大與輸出（解調(diào)）回路

將ei1、2→I04～20mAV01-5VDCW2—調(diào)零④晶體管限壓限流電路（限能器）☆作用：對到現(xiàn)場的能量進(jìn)行限制，（限壓、限流）☆過壓保護（限壓作用）：正常時：DW1不導(dǎo)通；BG7截止；BG8飽和導(dǎo)通；VAB=VC7=24V過壓時：DW1導(dǎo)通BG7飽和導(dǎo)通；BG8截止；VAB=0☆過流保護（限流作用）：正常時:

I入正常VR14小→BG7截止、BG8飽和導(dǎo)通；I入′=I入過流時:I入↑→VR14↑→BG7導(dǎo)通→VC7↓→VB8↓BG8→放大區(qū)

IC8=βIB8I入=IC8↓=βIB8

1.操作端安全柵的作用(二)操作端安全柵（

1）把來自控制室儀表的4～20mADC電流經(jīng)隔離變壓器1:1地轉(zhuǎn)換成1～5VDC直流電壓信號或4～20mADC直流電流信號輸出至現(xiàn)場執(zhí)行器。（2）利用限流、限壓電路使得任何情況下送往危險場所的電壓不超過30VDC、電流不超過30mADC，從而保證了危險場所的安全。2.操作端安全柵的構(gòu)成原理(1)外型結(jié)構(gòu)(2)輸入輸出特性IoIi24VDCA1A2B1B278輸出端輸入端4~20mA4~20mA(3)結(jié)構(gòu)組成及工作原理e2有六部分組成：1.直流-交流變換器2.整流濾波電路3.調(diào)制電路4.電流電壓限制電路5.隔離變壓器6.共基極放大電路輸入端輸出端現(xiàn)場執(zhí)行器調(diào)節(jié)器T124VDC電流電壓限制電路共基極放大電路DC/AC交直流變換器計算機整流濾波電路Ⅰ隔離變壓器e0e1IoABU-I4~20mA+--+-+VC6調(diào)制器解調(diào)器隔離電源變壓器T2輸出端輸入端Ii4~20mA調(diào)制電路安全柵的作用（1）信號的傳輸（2）能量的傳輸（3）限流、限壓變送器執(zhí)行器檢測端安全柵操作端安全柵調(diào)節(jié)器計算機危險場所:現(xiàn)場非危險場所:控制室4~20mA1~5V4~20mAV出I入24VDC4~20mA穩(wěn)壓源I入I出24VDC24VDC信號能源信號能源能源能源V≤30VDCI≤30mADC進(jìn)液出料量非安全火花型自動控制系統(tǒng)氣動執(zhí)行器差壓式液位變送器V4~20mA1~5V控制器Q出Q進(jìn)LP氣ρ4~20mAVIII顯示儀表危險場所:現(xiàn)場非危險場所:控制室△P液位配電器I24VDC24VDC進(jìn)液出料量氣動執(zhí)行器差壓式液位變送器V4~20mA1~5VQ出Q進(jìn)LP氣ρ4~20mA4~20mAVII操作端安全柵I顯示儀表危險場所:現(xiàn)場非危險場所:控制室△P液位檢測端安全柵24VDC24VDC24VDC安全火花型防爆系統(tǒng)控制器V<30VDCI<30mADCI5.2信號分配器 信號分配器主要是將一路輸入轉(zhuǎn)換成兩路或多路輸出，實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換、分配和隔離等功能。但因具體使用要求不同而功能不盡相同。有的信號分配器還可對多路信號進(jìn)行處理。 信號分配器將4～20mADC的輸入信號經(jīng)250Ω的精密電阻電阻轉(zhuǎn)換為兩路1～5VDV信號輸出。其中A端為輸入，B端和C端為輸出，D端作為輸入和輸出信號的公共負(fù)端。它最多處理5路輸入信號，常用于盤裝儀表的信號連接及配線。C公用端子1A1B1C250Ω2A2B2C250Ω5A5B5C250Ω4～20mA信號分配器原理 當(dāng)一個信號向兩個設(shè)備（如顯示儀表和控制儀表）同時輸送信號時，若這兩設(shè)備不共地,就有可能在兩個設(shè)備之間產(chǎn)生干擾，基至使儀表不能工作。針對此類情況必須使用隔離式信號分配器。

隔離式信號分配器WS15242D用24VDV供電，把來自二線制變送器的4-20mADC信號轉(zhuǎn)換成與之隔離的兩路輸出信號，一路為4-20mADC，一路為1-5VDC，分別送給控制器和顯示儀表，且兩路輸出之間也是隔離的。這里電源和輸入、輸出之間也是相互隔離的。5.3變頻調(diào)速器 變頻調(diào)速器是通過改變電動機電源的頻率來調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速的。在自動化領(lǐng)域，變頻調(diào)速器可以作為系統(tǒng)的執(zhí)行部件，接收來自控制器的控制信號，并根據(jù)控制信號的大小改變輸出電源的頻率來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，改變被控制對象；也可作為系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)部件，單獨完成系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和控制作用。一、變頻調(diào)速器的結(jié)構(gòu)框圖 電源輸入回路將輸入的電源信號進(jìn)行整流變成直流信號；然后由逆變電路根據(jù)主控電路發(fā)來的控制命令將整流后的直流電源信號調(diào)制成某種頻率的交流電源信號輸出給電動機。輸出頻率可在0到50HZ之間變化。電源頻率降低，電源電壓也隨之降低，使得電動機的瞬時功率下降，從而減少了電源消耗。 主控電路以CPU為核心，接收從鍵盤或輸入控制端來的給定頻率值和控制信號以及從傳感器送來的運行參數(shù)進(jìn)行必要的運算，輸出SPWM波的調(diào)制信號至逆變器的驅(qū)動電路，使逆變器接要求工作。同時把需要顯示的信號送顯示器，把用戶通過功能預(yù)置所要求的狀態(tài)信息送輸出控制電路。 下面以常見的鍋爐燃燒時爐膛壓力自動控制系統(tǒng)為例說明變頻調(diào)速器的應(yīng)用。大型鍋爐運行時爐膛內(nèi)的壓力基本都是一個常數(shù)，壓力過高或者過低都會給鍋爐的正常運行帶來不良影響。常常需要調(diào)整鼓風(fēng)量使鍋爐能夠處于最佳的運行狀態(tài)。 爐膛壓力控制系統(tǒng)是根據(jù)爐膛壓力檢測信號與給定值進(jìn)行比較，其偏差送調(diào)節(jié)進(jìn)行運算，得到的控制信號送執(zhí)行器調(diào)整送風(fēng)量，而此時風(fēng)機照常以額定的轉(zhuǎn)數(shù)運轉(zhuǎn)。采用變頻調(diào)速器后，控制系統(tǒng)發(fā)生了變化。與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，變頻調(diào)速器取代了原有的執(zhí)行部件，它是通過改變風(fēng)機的轉(zhuǎn)速來改變送風(fēng)量。由于變頻調(diào)速器具有多種輸入方式，能夠很方便地與自動控制儀表相結(jié)合，因此在自動化領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。爐膛壓力控制系統(tǒng)5.4電源箱及電源分配器一、電源箱 電源箱是指為電動單元組合儀表集中供電的穩(wěn)壓電源裝置，作用是將220V的交流電轉(zhuǎn)換為24V的直流電。下面以DFY型電源箱為例說明其工作原理。

DFY型電源箱有過壓、欠壓、過載和短路保護等功能。當(dāng)接有備用電源時，若出現(xiàn)過壓或欠壓故障，DFY

會立即切斷本電源的輸出，并能把備用電源自動接上，保證儀表正常供電。同時有報警信號信號輸出；

當(dāng)出現(xiàn)短路故障時，電源箱切斷電源輸出并發(fā)出報警，此時不會接上備用電源。待短路故障排除后，無須人工干預(yù)，自動恢復(fù)正常電壓輸出，對儀