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控制仪表及装置概论李忠虎控制仪表及装置概论李忠虎1你现在浏览的是第一页，共35页吴勤勤，控制仪表及装置（第三版），化学工业出版社，吴勤勤，控制仪表及装置（第三版），化学工业出版社，2007.2007.推荐参考书推荐参考书教材教材陆会明，控制装置与仪表（第二版），机械工业出版社，陆会明，控制装置与仪表（第二版），机械工业出版社，2011.2011.2你现在浏览的是第二页，共35页内容简介内容简介 控制仪表及装置是高等院校测控技术与仪器专业的一门主干控制仪表及装置是高等院校测控技术与仪器专业的一门主干专业课程。专业课程。本书内容：本书内容：一、模拟式控制仪表及装置（模拟式控制器、变送器、转换器、运算器和执一、模拟式控制仪表及装置（模拟式控制器、变送器、转换器、运算器和执行器等）；行器等）；二、数字式控制仪表及装置（可编程调节器、可编程控制器、智能变送二、数字式控制仪表及装置（可编程调节器、可编程控制器、智能变送器与阀门定位器、集散控制系统和现场总线控制系统等）。器与阀门定位器、集散控制系统和现场总线控制系统等）。3你现在浏览的是第三页，共35页章节安排章节安排概论概论 第一节第一节 控制仪表与控制系统控制仪表与控制系统 第二节第二节 控制仪表及装置的分类控制仪表及装置的分类 第三节第三节 联络信号和传输方式联络信号和传输方式 第四节第四节 安全防爆的基本知识和防爆措施安全防爆的基本知识和防爆措施4你现在浏览的是第四页，共35页第一章第一章 模拟式控制器模拟式控制器 第一节第一节 控制器的运算规律和组成方式控制器的运算规律和组成方式 第二节第二节 基型控制器基型控制器 第三节第三节 特种控制器和附加单元特种控制器和附加单元第二章第二章 变送器和转换器变送器和转换器 第一节第一节 变送器的构成变送器的构成 第二节第二节 差压变送器差压变送器 第三节第三节 温度变送器温度变送器 第四节第四节 电电/气转换器气转换器 电气转换器 5你现在浏览的是第五页，共35页第四章第四章 可编程调节器可编程调节器 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 KMM KMM可编程调节器可编程调节器 第三章第三章 运算器和执行器运算器和执行器 第一节第一节 运算器运算器 第二节第二节 执行器执行器 第三节第三节 模拟式控制仪表的应用模拟式控制仪表的应用 6你现在浏览的是第六页，共35页第六章第六章 智能变送器和阀门定位器智能变送器和阀门定位器 第一节第一节 智能变送器智能变送器 第二节第二节 智能阀门定位器智能阀门定位器第五章第五章 可编程控制器（可编程控制器（PLCPLC）第一节第一节 概述概述 第二节第二节 FX FX系列可编程控制器系列可编程控制器 第三节第三节 S7 S7系列可编程控制器系列可编程控制器7你现在浏览的是第七页，共35页第七章第七章 集散控制系统集散控制系统 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 集散控制系统通信网络集散控制系统通信网络 第三节第三节 TPS TPS集散控制系统集散控制系统 第四节第四节 PCS7 PCS7集散控制系统集散控制系统 第五节第五节 集散控制系统可靠性集散控制系统可靠性 第八章第八章 现场总线控制系统现场总线控制系统 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 几种流行的现场总线几种流行的现场总线 第三节第三节 实时工业以太网实时工业以太网 第四节第四节 现场总线控制系统现场总线控制系统 8你现在浏览的是第八页，共35页控制仪表及装置控制仪表及装置控制仪表及装置控制仪表及装置概概概概 论论论论9 9你现在浏览的是第九页，共35页第一节第一节 控制仪表与控制系统控制仪表与控制系统10你现在浏览的是第十页，共35页n人工操作与自动控制比较图人工操作与自动控制比较图人工操作图 液位自动控制系统图11你现在浏览的是第十一页，共35页LTLICM对象容器液位自动控制系统容器液位自动控制系统12你现在浏览的是第十二页，共35页电热锅炉液位控制系统电热锅炉液位控制系统13你现在浏览的是第十三页，共35页TTTICM冷液热液蒸汽换热器温度自动控制系统换热器温度自动控制系统14你现在浏览的是第十四页，共35页单回路控制系统单回路控制系统一般由被控对象、变送器、控制器一般由被控对象、变送器、控制器 （调节器）和执行器构成。（调节器）和执行器构成。单回路控制系统（简单控制系统）方框图单回路控制系统（简单控制系统）方框图给定值被控变量（被控参数）操纵变量（被控介质）变送器执行器控制器被控对象15你现在浏览的是第十五页，共35页被控对象被控对象：需要调节其工艺参数的生产设备。需要调节其工艺参数的生产设备。变送器变送器：把工艺参数转换成统一标准信号的把工艺参数转换成统一标准信号的 装置。装置。控制器：控制器：将来自变送器的测量值与给定信号将来自变送器的测量值与给定信号 相比较后产生的偏差信号相比较后产生的偏差信号,按照预按照预 先设定好的控制规律进行运算后，先设定好的控制规律进行运算后，输出一个控制信号去执行器。输出一个控制信号去执行器。执行器执行器：把控制器的输出信号转换成直线位把控制器的输出信号转换成直线位 移或角位移，以控制阀门的开度。移或角位移，以控制阀门的开度。此外，根据需要还可设有此外，根据需要还可设有显示、转换、显示、转换、计算、辅助、给定装置等计算、辅助、给定装置等。16你现在浏览的是第十六页，共35页第二节 控制仪表及装置分类一、按所用能源形式可分为一、按所用能源形式可分为：气动、电动、液动：气动、电动、液动 工业上主要使用电动和气动控制仪表。工业上主要使用电动和气动控制仪表。电动控制仪表和气动控制仪表的比较电动控制仪表和气动控制仪表的比较电动控制仪表电动控制仪表气动控制仪表气动控制仪表能源能源电源（220V AC/24V DC）气源（140kPa）传输信号传输信号电信号（电压、电流、数字）气压信号元、器件元、器件电子元器件气动元件接线接线导线导管电磁干扰与防爆电磁干扰与防爆受电磁干扰影响须采取抗干扰、防爆措施不受电磁干扰影响本质上安全防爆17你现在浏览的是第十七页，共35页1.模拟仪表：模拟仪表：传输信号为连续变化的模拟量，这类传输信号为连续变化的模拟量，这类 仪表线路较简单，仪表线路较简单，操作方便，操作方便，价格较低价格较低。如气动仪如气动仪 表，电动单元组合仪表表，电动单元组合仪表、型等。型等。2.数字仪表：数字仪表：传输信号为断续变化的数字量，这类传输信号为断续变化的数字量，这类 仪仪 表与装置以微型计算机为核心，功能完善，性能表与装置以微型计算机为核心，功能完善，性能 优优 越，能解决模拟仪表难以解决的问题。如可编程越，能解决模拟仪表难以解决的问题。如可编程 调节调节 器、控制器、器、控制器、DCS、FCS 等。等。二、二、按信号类型按信号类型可分为可分为：模拟式和数字式模拟式和数字式18你现在浏览的是第十八页，共35页1.基地式仪表：基地式仪表：包含多种功能部件（传感、指示、记录、包含多种功能部件（传感、指示、记录、控制、执行等部分），设计成一个整体，结构较简单。如带控制机控制、执行等部分），设计成一个整体，结构较简单。如带控制机 构的指示记录仪。构的指示记录仪。2.单元组合式仪表：单元组合式仪表：系列仪表划分成能独立实现某种功能的若干单系列仪表划分成能独立实现某种功能的若干单 元，单元间用标准信号联系。如电动、气动单元组合元，单元间用标准信号联系。如电动、气动单元组合 仪表。仪表。3.集散控制系统（集散控制系统（DCSDCS）：）：以微型计算机为核心以微型计算机为核心,集集4C4C技术为一体技术为一体 的计算机控制装置的计算机控制装置,实现分散控制和集中管理。如实现分散控制和集中管理。如TPSTPS、PCS 7 PCS 7、ECSECS、HolliasHollias等。等。4.现场总线控制系统（现场总线控制系统（FCSFCS）:现场总线将具有数字通信能力的现场总线将具有数字通信能力的 现场仪表相连接现场仪表相连接,并同上层监控管理级一起构成分布式控并同上层监控管理级一起构成分布式控 制网络。如基于制网络。如基于FFFF、ProfibusProfibus总线的总线的FCSFCS。三、三、按结构形式按结构形式可分为可分为：基地式、单元组合式、基地式、单元组合式、DCSDCS、FCS FCS19你现在浏览的是第十九页，共35页第三节 联络信号和传输方式1.联络信号：联络信号：是指在成套仪表系列中，仪表之间采用的传输信号的是指在成套仪表系列中，仪表之间采用的传输信号的 类型和数值。类型和数值。2.联络信号类型：联络信号类型：气动仪表气动仪表：20100KPa 电动仪表电动仪表：模拟信号：模拟信号010mA DC、420mA DC及及15V DC 数字、频率信号数字、频率信号3.说明：说明：.信号下限从零开始有利于模拟量运算；信号下限从某值信号下限从零开始有利于模拟量运算；信号下限从某值 开始（活零点）便于检验仪表是否断电，并可实现两线制。开始（活零点）便于检验仪表是否断电，并可实现两线制。.信号上限高，产生的电磁平衡力大；信号上限低有利于信号上限高，产生的电磁平衡力大；信号上限低有利于 减少功率损耗和仪表防爆。减少功率损耗和仪表防爆。一、联络信号一、联络信号20你现在浏览的是第二十页，共35页1.1.直流电流传输方式直流电流传输方式 .电流信号传输时仪表之间的连接电流信号传输时仪表之间的连接R0I0IiRiRiRcm发送仪表接收仪表二、电信号传输方式21你现在浏览的是第二十一页，共35页为保证传输误差为保证传输误差在允许范围之内，应要求在允许范围之内，应要求R R0 0R Rcmcm+nR+nRi i，故有，故有 为减小传输误差，要求为减小传输误差，要求 R R0 0足够大，而足够大，而Rcm 及及Ri 应比较小应比较小.直流电流传输误差分析直流电流传输误差分析22你现在浏览的是第二十二页，共35页.直流电流传输的特点直流电流传输的特点优点：优点：发送仪表输出电阻大，故电流信号适于远距传输。发送仪表输出电阻大，故电流信号适于远距传输。电流回路中串入一电阻，取压方便。电流回路中串入一电阻，取压方便。缺点：缺点：回路中增减接收仪表时，将影响其它仪表的工作。回路中增减接收仪表时，将影响其它仪表的工作。各台仪表没有公共接地点，若要和计算机联用各台仪表没有公共接地点，若要和计算机联用,则则 应在仪表输入输出端采取直流隔离措施。应在仪表输入输出端采取直流隔离措施。23你现在浏览的是第二十三页，共35页2.2.直流电压传输方式直流电压传输方式.电压信号传输时仪表之间的连接电压信号传输时仪表之间的连接接收仪表RiRcm发送仪表R0U0RcmIiRiRi24你现在浏览的是第二十四页，共35页 为减小传输误差为减小传输误差,应满足应满足R Ri i/n/n R R0 0+R+Rcm cm，故有，故有 为减小传输误差，要求为减小传输误差，要求R0和和Rcm 尽量小，尽量小，Ri 大些。大些。.直流电压传输误差分析直流电压传输误差分析25你现在浏览的是第二十五页，共35页.电压传输的特点电压传输的特点优点：优点：增加或取消某个接收仪表不影响其他仪表的工作。增加或取消某个接收仪表不影响其他仪表的工作。各接收仪表可设置公共接地点，可和计算机联用。各接收仪表可设置公共接地点，可和计算机联用。缺点：缺点：要在引线电阻上产生电压降要在引线电阻上产生电压降,信号受一定损失信号受一定损失,且且 因接收仪表输入阻抗很高，易于引入干扰，所以因接收仪表输入阻抗很高，易于引入干扰，所以 电压信号不适于远距离传输。电压信号不适于远距离传输。现场与控制室仪表之间采用直流电流信号，现场与控制室仪表之间采用直流电流信号，控制室内部仪表之间采用直流电压信号。控制室内部仪表之间采用直流电压信号。26你现在浏览的是第二十六页，共35页三、现场与控制室内仪表间的信号传输 要实现两线制，必须采用活零点的电流信号。因要实现两线制，必须采用活零点的电流信号。因电源线和信号线公用，电源供给变送器的功率是通过电源线和信号线公用，电源供给变送器的功率是通过信号电流信号电流 提供的。变送器输出电流为下限值时，应提供的。变送器输出电流为下限值时，应保证它内部的保证它内部的 半导体器件仍能正常工作。故信号电半导体器件仍能正常工作。故信号电流下限值不能过低。流下限值不能过低。电源装置现场现场控制室控制室四线制四线制两线制两线制现场现场电源装置控制室控制室接收仪表接收仪表变送器变送器27你现在浏览的是第二十七页，共35页第四节 安全防爆基本知识和防爆措施一、一、安全防爆基本知识安全防爆基本知识1.1.爆炸危险场所的区域划分爆炸危险场所的区域划分依据：依据：爆炸性气体出现的频繁程度和持续时间爆炸性气体出现的频繁程度和持续时间0 0区区(Zone 0)(Zone 0)：在正常情况下，爆炸性气体混合物连续：在正常情况下，爆炸性气体混合物连续 地、频繁地出现或长时间存在的场所。地、频繁地出现或长时间存在的场所。1 1区区(Zone 1)(Zone 1)：在正常情况下，爆炸性气体混合物有可：在正常情况下，爆炸性气体混合物有可 能出现的场所。能出现的场所。2 2区区(Zone 2)(Zone 2)：在正常情况下，爆炸性气体混合物不可：在正常情况下，爆炸性气体混合物不可 能出现，或即使出现也是短时间存在的场所。能出现，或即使出现也是短时间存在的场所。28你现在浏览的是第二十八页，共35页2.2.爆炸性气体的分级爆炸性气体的分级 按最大试验安全间隙按最大试验安全间隙MESG(MESG(火焰不能传播的最大间隙火焰不能传播的最大间隙)和最小和最小点燃电流比点燃电流比MICRMICR来分级：可分为来分级：可分为A A、B B、C C三级。三级。3.3.爆炸性物质的分组爆炸性物质的分组 按引燃温度可分为六组：按引燃温度可分为六组：组别组别引燃温度引燃温度 t/T T1 1t 450 T T2 2450t 300 T T3 3300t 200 组别组别引燃温度引燃温度 t/T T4 4T T5 5135t 100 T T6 6100t 85 200t 135 29你现在浏览的是第二十九页，共35页4.4.防爆电气设备的分类、分组防爆电气设备的分类、分组防爆电气设备分为两大类：防爆电气设备分为两大类：类：煤矿用电气设备类：煤矿用电气设备 类：工厂用电气设备类：工厂用电气设备 类电气设备可进一步分为类电气设备可进一步分为A A、B B、C C三级。三级。工厂用电气设备防爆型式有以下八种：工厂用电气设备防爆型式有以下八种：隔爆型隔爆型(d)(d)、本质安全型、本质安全型(i)(i)、增安型、增安型(e)(e)、正压型、正压型(p)(p)、充油型充油型(o)(o)、充砂型、充砂型(q)(q)、浇封型、浇封型(m)(m)和无火花型和无火花型(n)(n)。本质安全型设备又可以分为本质安全型设备又可以分为iaia和和ibib两个等级。两个等级。30你现在浏览的是第三十页，共35页5.5.防爆防爆标志及其含义标志及其含义防爆标志由以下防爆标志由以下5 5个部分构成：个部分构成：标志标志 EX EX表示该设备为防爆电气设备。表示该设备为防爆电气设备。结构型式表明该设备采用何种措施进行防爆，如结构型式表明该设备采用何种措施进行防爆，如 d d为隔爆型，为隔爆型，i i为本安型等。为本安型等。设备类别设备类别I I为煤矿井下用电设备，为煤矿井下用电设备，IIII为工厂用设备。为工厂用设备。防爆级别为防爆级别为A A、B B、C C三级，表明防爆能力强弱。三级，表明防爆能力强弱。温度组别为温度组别为T1T1T6T6六组，说明该设备的最高表面六组，说明该设备的最高表面 温度允许值。温度允许值。例如例如EX ia II C T5EX ia II C T5表示表示IIII类本质安全型类本质安全型iaia等级等级B B级级T5T5组。组。31你现在浏览的是第三十一页，共35页1.1.隔爆型仪表隔爆型仪表 具有隔爆外壳，仪表的电路和接线端子全部置于防爆具有隔爆外壳，仪表的电路和接线端子全部置于防爆 壳体内。它能承受仪表内部因故障产生爆炸性气体混合物壳体内。它能承受仪表内部因故障产生爆炸性气体混合物 的爆炸压力。这类仪表适用于的爆炸压力。这类仪表适用于1 1区、区、2 2区危险场所区危险场所。2.2.本质安全型仪表本质安全型仪表 本安仪表的全部电路均为本质安全电路，电压和电本安仪表的全部电路均为本质安全电路，电压和电 流被限制在允许的范围内，保证仪表产生的电火花和热流被限制在允许的范围内，保证仪表产生的电火花和热 效应不致于引爆其周围爆炸性气体混合物。效应不致于引爆其周围爆炸性气体混合物。ia ia等级的本安仪表适用于等级的本安仪表适用于0 0区危险场所，区危险场所，ibib等级的本等级的本 安仪表只适用于安仪表只适用于1 1区和区和2 2区危险场所。区危险场所。二、二、常用防爆常用防爆型控制仪表型控制仪表32你现在浏览的是第三十二页，共35页变送器执行器调节器安全栅安全栅电源箱本安防爆系统本安防爆系统非危险场所非危险场所（控制室）（控制室）危险场所危险场所（现场）（现场）危险场所危险场所（现场）（现场）三、三、控制系统的防爆措施控制系统的防爆措施1.1.本安防爆系统本安防爆系统本安防爆系统应满足的两个条件本安防爆系统应满足的两个条件：在危险场所使用本安防爆仪表在危险场所使用本安防爆仪表 控制室仪表和危险场所仪表之间设置安全栅控制室仪表和危险场所仪表之间设置安全栅33你现在浏览的是第三十三页，共35页2.2.安全栅安全栅l作为控制室仪表和现场仪表的关联设备，是本安系统作为控制室仪表和现场仪表的关联设备，是本安系统的重要组成部分。的重要组成部分。l既传输信号又限制流入危险场所的能量，以确保系既传输信号又限制流入危险场所的能量，以确保系统的本安防爆性能。统的本安防爆性能。安全栅的结构形式：安全栅的结构形式：齐纳式安全栅：齐纳式安全栅：基于基于齐纳二极管的反向击穿性能齐纳二极管的反向击穿性能。结。结 构简单、经济、可靠。构简单、经济、可靠。隔离式安全栅：隔离式安全栅：通过隔离、限压和限流等措施来保证通过隔离、限压和限流等措施来保证 本安防爆性能。抗干扰能力强，可靠本安防爆性能。抗干扰能力强，可靠 性高。性高。34你现在浏览的是第三十四页，共35页齐纳式安全栅原理电路齐纳式安全栅原理电路RFU安全侧安全侧危险侧危险侧U0VZ1VZ2U1隔离式安全栅原理框图隔离式安全栅原理框图安全侧安全侧危险侧危险侧两线制变送器限压限流电路隔离电路安全栅安全栅35你现在浏览的是第三十五页，共35页