1过程控制仪表与装置概述.ppt

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1、过程控制装置过程控制装置陈陈 刚刚教授教授自动化学院自动化学院 参考教材：过程控制系统与装置，何离庆 主编 重庆大学出版社，2003.参考书目：过程控制工程，邵裕森，等 主编 机械工业出版社，2000.控制仪表与装置，向婉成 主编 机械工业出版社，1999.。主要内容控制仪表与装置概述变送器与转换器调节器执行器分散型控制系统现场总线控制系统典型生产过程控制装置第第 一一 章章过程控制仪表与装置概述过程控制仪表与装置概述一、控制仪表与装置的分类及发展一、控制仪表与装置的分类及发展 二、控制仪表与装置的信号与供电二、控制仪表与装置的信号与供电三、控制系统的安全防爆控制系统的安全防爆 自动控制自动控

2、制是指在没有人直接参与的情况下，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为过程控制仪表利用外加的设备或装置（称为过程控制仪表或装置），或装置），使被控对象的工作状态或参数使被控对象的工作状态或参数（压力、物位、流量、温度、（压力、物位、流量、温度、PHPH值等）值等）自动自动地地按照预定的规律运行。按照预定的规律运行。什么是自动控制什么是自动控制?计算机控制系统的发展过程计算机控制系统的发展过程 DDC控制控制始于始于50末期末期本质：本质：用一台计算机取代一用一台计算机取代一组模拟调节器，构成闭环控组模拟调节器，构成闭环控制回路制回路特点：特点：具有里程碑意义具有里程碑意义问题

3、：问题：价格、性能价格、性能集中型计算集中型计算机控制机控制本质：本质：一台计算机取代尽一台计算机取代尽可能多的模拟调节器可能多的模拟调节器特点：特点：控制集中控制集中 信息集中信息集中 危险集中危险集中问题：问题：性能性能DCS控制控制始于始于70年代年代本质：本质：采用过程控制过采用过程控制过程管理生产管理等多层程管理生产管理等多层结构结构特点：特点：控制分散控制分散 信息集中信息集中半数字，半分散半数字，半分散传统传统传统传统DCSDCSPLC_Based DCSPLC_Based DCSIPC_Based DCSIPC_Based DCSFCS本质：本质：支持双向、多节点、总支持双向、

4、多节点、总线式的线式的全数字全数字通讯，将全厂最通讯，将全厂最基础的现场级仪表和装置均通基础的现场级仪表和装置均通过现场总线连接起来过现场总线连接起来特点：特点：把控制任务下移到智能把控制任务下移到智能现场设备，现场设备，全分散全分散控制控制分布式分布式IO DCS现现场场信信号号根根据据传传输输距距离离或或功功能能不不同同连连接接到到现现场场I/O设设备备上上，各各现现场场I/O设设备备与与控控制制站站间间通通过过网网络络（现场总线）连接。（现场总线）连接。过渡型结构过渡型结构 直接数字量控制直接数字量控制本质本质本质本质 用一台计算机取代一组用一台计算机取代一组模拟调节器，构成闭环控模拟调

5、节器，构成闭环控制回路，用数字控制技术制回路，用数字控制技术简单地取代模拟控制技术。简单地取代模拟控制技术。过程控制计算机过程控制计算机SPAI、DIAO、DO 检测仪表检测仪表 执行器执行器 被控过程（对象）被控过程（对象）起始于起始于5050年代末期，开辟年代末期，开辟了一个轰轰烈烈的计算机了一个轰轰烈烈的计算机工业应用时代工业应用时代 优点优点优点优点 计算灵活，精度高，计算灵活，精度高，PIDPID控制规律，分时处理控制规律，分时处理多个控制回路多个控制回路 此外，此外，DDCDDC也很快发展到也很快发展到PIDPID以以外的多种复杂控制。外的多种复杂控制。问题问题问题问题 价格昂贵，

6、运算速度不高价格昂贵，运算速度不高集中型计算机控制系统集中型计算机控制系统初衷：初衷：初衷：初衷：由于当时的计算机体积庞大，价格非常昂贵，为了使计由于当时的计算机体积庞大，价格非常昂贵，为了使计算机控制能与常规仪表控制相竞争，企图用一台计算机来算机控制能与常规仪表控制相竞争，企图用一台计算机来控制尽可能多的控制回路。控制尽可能多的控制回路。外设外设过程控制计算机过程控制计算机AIDIAODO 被控过程（对象）被控过程（对象）被控变量被控变量操作变量操作变量输入子系统输入子系统输出子系统输出子系统优越性：优越性：从表面上看从表面上看信息集中，集中型计算机控制可信息集中，集中型计算机控制可以实现各

7、种更复杂控制功能；便于实现优化控制和以实现各种更复杂控制功能；便于实现优化控制和优化生产。优化生产。问问 题：题：由于当时计算机总体性能低，容量小，由于当时计算机总体性能低，容量小，容易出现负容易出现负荷过载荷过载，控制集中直接导致，控制集中直接导致危险集中危险集中，高度集中使，高度集中使系统变得十分系统变得十分“脆弱脆弱”。集散控制系统集散控制系统 DCS出发点（出发点（出发点（出发点（2 2 2 2个方面）：个方面）：个方面）：个方面）：(1)(1)不能采取控制回路高度集中的设计思想，不能采取控制回路高度集中的设计思想，需要把控制功能分散到若干个控制站实现，需要把控制功能分散到若干个控制站

8、实现，以提高系统的可靠性；以提高系统的可靠性；(2)(2)考虑到整个生产过程的整体性，各个控制考虑到整个生产过程的整体性，各个控制系统（回路）的运行应当服从工业生产管理系统（回路）的运行应当服从工业生产管理的总体目标。的总体目标。根本特征根本特征:控制的分散性控制的分散性控制的分散性控制的分散性和和管理的集中性管理的集中性管理的集中性管理的集中性现场总线控制系统（FCS）是连接智能现场装置和自动化系统的数字式、是连接智能现场装置和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。双向传输、多分支结构的通信网络。支持双向、多节点、总线式的支持双向、多节点、总线式的全数字全数字全数字全数字通讯通

9、讯双向数据通信能力避免了反复进行双向数据通信能力避免了反复进行A/DA/D、D/AD/A的转的转换换 把控制任务下移到现场设备，以实现测量控把控制任务下移到现场设备，以实现测量控制一体化制一体化 全分散全分散全分散全分散已成为全世界范围自动化技术发展的热点已成为全世界范围自动化技术发展的热点涉及整个自动化和仪表的工业涉及整个自动化和仪表的工业“革命革命”FCS现场总线控制系统现场总线控制系统 计算机控制系统的发展特征计算机控制系统的发展特征随着局域网、随着局域网、InternetInternet、ITIT技术迅速发展，计算技术迅速发展，计算机控制系统向集成化、网络化、智能化、信息化机控制系统向

10、集成化、网络化、智能化、信息化发展成为一种趋势发展成为一种趋势 系统结构系统结构向网络化、网络扁平化方向发展向网络化、网络扁平化方向发展 系统功能系统功能向综合化方向发展向综合化方向发展 系统设备系统设备向多样化方向发展向多样化方向发展 例例:一贮罐液位控制系统。一贮罐液位控制系统。要求贮罐液位保持一定，以满足生产需要；要求贮罐液位保持一定，以满足生产需要；图中液位变送器、控制器和执行器构成了一个单回路图中液位变送器、控制器和执行器构成了一个单回路控控制系统制系统。分析分析:贮贮罐罐液液位位由由液液位位变变送送器器转转换换成成相相应应的的标标准准信信号号送送到到控控制制器器，与与给给定定值值相

11、相比比较较，控控制制器器按按比比较较得得到到的的偏偏差差，以以一一定定的的控控制制规规律律发发出出控控制制信信号号，控控制制执执行行器器的的动动作作，通通过过改改变变贮贮罐罐液液体体出出料料的的流流量量，从从而而使使贮贮罐罐液液位位保保持持在在与与给给定定值值基基本本相相等的数值上。等的数值上。控制器控制器被控对象被控对象 变送器变送器z zx xe=x-ze=x-z-p pq qy y干扰干扰温度（压力、液位、流量）变送器、在线成分分析仪温度（压力、液位、流量）变送器、在线成分分析仪温度（压力、液位、流量）变送器、在线成分分析仪温度（压力、液位、流量）变送器、在线成分分析仪 （通常输出：（通

12、常输出：（通常输出：（通常输出：420mA420mA、1 15V5V等标准信号）液位开关、等标准信号）液位开关、等标准信号）液位开关、等标准信号）液位开关、料位开关、接近开关料位开关、接近开关料位开关、接近开关料位开关、接近开关 (通常输出通常输出通常输出通常输出on/offon/off信号信号信号信号)传感器传感器传感器传感器（Pt100Pt100、热电偶、热电偶、热电偶、热电偶）通常安装通常安装于控制室于控制室通常安装通常安装于于 现场现场显示显示仪表仪表四个基本环节：被控对象、检测仪表、控制器、执行四个基本环节：被控对象、检测仪表、控制器、执行四个基本环节：被控对象、检测仪表、控制器、执

13、行四个基本环节：被控对象、检测仪表、控制器、执行器（显示仪表根据需要可选）器（显示仪表根据需要可选）器（显示仪表根据需要可选）器（显示仪表根据需要可选）阀门：调节阀、电磁阀、阀门：调节阀、电磁阀、气动蝶阀气动蝶阀泵：开关泵、变频泵泵：开关泵、变频泵控制阀控制阀一、过程控制仪表的发展概况及分类一、过程控制仪表的发展概况及分类发展概况发展概况5050年年代代 6060年年代代 7070年年代代 8080年年代代 9090年年代代2121世纪世纪至今至今QDZQDZ QDZQDZ QDZ QDZ DDZDDZ DDZDDZ DDZDDZ 数数字字式式（智智能能式式）控控制制仪仪表表 DCSDCS系系

14、统统 （PLCPLC）现现场场总总线线以太网以太网典型的仪表系统基地式系统基地式仪表基地式仪表第0代常规仪表控制系统单元组合仪表：单元组合仪表：调、变、执、算调、变、执、算(DDZ-II、III、QDZ)第第1代代 DDC控制变、执变、执(DDZ-II、III)集中型计算机控制系统变、执变、执(DDZ-II、III)第2代DCSOS：小型机、：小型机、IPCCS：IPC、PLC、智能调节器智能调节器现场仪表：现场仪表：DDZ-III为主为主 第3代*分布式IO DCS现现场场信信号号根根据据传传输输距距离离或或功功能能不不同同连连接接到到现现场场I/O设设备备上上，各各现现场场I/O设设备备与

15、与控控制制站站间间通通过过网网络（现场总线）连接。络（现场总线）连接。现场仪表：现场仪表：DDZ-III、总线仪表总线仪表 过渡型过渡型*FCS将将全全厂厂最最基基础础的的现现场场级级仪仪表表和和装装置置均均通通过过现现场场总总线线连连接接起起来来，实现全数字化通讯。实现全数字化通讯。现场仪表：总线仪表现场仪表：总线仪表 第第4代代*基基地地式式控控制制仪仪表表：以以指指示示、记记录录仪仪表表为为主主体体，附附加加控控制制机机构所组成的装置。构所组成的装置。单单元元组组合合式式控控制制仪仪表表：将将整整套套仪仪表表按按照照功功能能划划分分成成若若干干独独立立的的单单元元(分分为为变变送送、转转

16、换换、计计算算、显显示示、给给定定、调调节节、执执行行与与辅辅助助单单元元等等八八大大类类)，各各单单元元之之间间用用统统一一的的标标准准信信号号连连接接。按按照照连连接接信信号号的的不不同同，单单元元组组合合式式控控制制仪仪表表分分为为气气动动单元组合仪表单元组合仪表(QDZ)和电动单元组合仪表和电动单元组合仪表(DDZ)两类。两类。组组装装式式综综合合控控制制装装置置：它它的的最最大大的的特特点点是是控控制制和和显显示示操操作作功功能能分分离离，结结构构上上分分为为控控制制机机柜柜和和显显示示操操作作盘盘两两大大部部分分，可以实现对生产的集中显示和操作。可以实现对生产的集中显示和操作。计计

17、算算机机(数数字字式式)控控制制装装置置：以以微微型型计计算算机机为为核核心心的的自自动动控控制制系系统统。包包括括：集集散散控控制制系系统统、可可编编程程控控制制器器、现现场场总总线线控控制系统等。制系统等。过程控制仪表类型过过程程控控制制仪仪表表模模拟拟式式数数字字式式基地式基地式单元组合式单元组合式组装式组装式气动气动QDZ电动电动DDZDDZ-DDZ-DDZ-DDZ-单单/多回路控制器多回路控制器可编程控制器可编程控制器(PLC)工业计算机工业计算机(IPC)集散系统系统集散系统系统(DCS)总线控制系统总线控制系统(FCS)可编程自动化控制器可编程自动化控制器(PAC)单元组合仪表类

18、型单元组合仪表类型气动气动单元单元组合组合仪表仪表QDZ变送单元变送单元(B)转换单元转换单元(Z)计算单元计算单元(J)显示单元显示单元(X)给定单元给定单元(G)调节单元调节单元(T)辅助单元辅助单元(F)电动电动单元单元组合组合仪表仪表DDZ变送单元变送单元(B)转换单元转换单元(Z)计算单元计算单元(J)显示单元显示单元(X)给定单元给定单元(G)调节单元调节单元(T)执行单元执行单元(K)辅助单元辅助单元(F)附图：一、DDZ之变送单元类 (温度、压力、差压、流量、物位、成分等)温度变送器温度变送器二、DDZ之转换单元类(阻抗、电流、毫伏、气/电与电/气、频率、脉冲/电压、峰值检测器

19、等)电流转换器电流转换器 直流毫伏转换器直流毫伏转换器 电电/气转换器气转换器三、DDZ之显示单元类(比例或开方积算器、各种指示仪与警报器等)单、双针指示器单、双针指示器 比例积算仪比例积算仪四、DDZ之运算单元类(加减器、乘除器、开方器、函数发生器等)加减器加减器 乘除器乘除器 开方器开方器五、DDZ之给定单元类(恒流、比值、时间程序、参数给定器等)DGJ型报警给定器型报警给定器DGA-2000型恒流给定器型恒流给定器六、DDZ之调节单元类(PID基型、PID自整定、PID间歇、SPC、DDC备用、自动选择、抗积分饱和控制等)DDZ-III DTZ2100型全刻度指示调节器型全刻度指示调节器

20、七、DDZ之执行单元类(角行程、直行程、阀门定位器等)电动角行程电动角行程(DKJ)执行机构执行机构 电动直行程电动直行程(DKZ)执行机构执行机构电气阀门定位器电气阀门定位器 气动阀门定位器气动阀门定位器八、DDZ之辅助单元类(Q型、D型、便携式及S/Z自动切换操作器，信号限制器、信号选择器、安全栅、配电器、直流稳压电源、隔离器等)配电器配电器 隔离器隔离器 操作器操作器DDZ之辅助单元类电源箱电源箱分类及特点分类及特点（一）按安装场地分：（一）按安装场地分：1.现场类现场类仪表仪表 2.控制室类仪表控制室类仪表（二二）按能源形式分：）按能源形式分：1.气动控制仪表气动控制仪表 2.电动控制

21、仪表电动控制仪表 3.液动控制仪表液动控制仪表 （三）结构形式分：（三）结构形式分：1.基地式控制仪表基地式控制仪表 2.单元组合式控制仪表单元组合式控制仪表 3.组装式组装式综合控制装置综合控制装置 4.数字化控制仪表数字化控制仪表 5.集散控制系统集散控制系统 6.现场总线控制系统。现场总线控制系统。（四四）按信号形式分：）按信号形式分：1.模拟控制仪表模拟控制仪表 2.数字控制仪表数字控制仪表（一）按安装场地分：（一）按安装场地分：2、控制室类仪表、控制室类仪表 1、现场类仪表、现场类仪表 在抗干扰、防腐蚀、抗震动等方面有特殊要在抗干扰、防腐蚀、抗震动等方面有特殊要求。求。（二）按能源形

22、式分：（二）按能源形式分：电动控制仪表的特点：电动控制仪表的特点：信号传送速度快、传送距离远、易于与计算机信号传送速度快、传送距离远、易于与计算机联用。联用。气动控制仪表的特点：气动控制仪表的特点：结构简单、性能稳定、安全防爆、易于维修。结构简单、性能稳定、安全防爆、易于维修。（三）结构形式分：（三）结构形式分：1.基地式控制仪表基地式控制仪表 以指示、记录仪表为主体，附加某些控制机构。以指示、记录仪表为主体，附加某些控制机构。2.单元组合控制仪表单元组合控制仪表 电动单元组合仪表：电动单元组合仪表：DDZ 型型；DDZ 型型；DDZ 型型电源电源：220V AC；24V DC；电信号电信号：

23、电流电流010mA DC；420mA DC；Vo：15V DC气动单元组合仪表：气源：气动单元组合仪表：气源：140 kPa；气信号：气信号：20100 kPa3.组装式控制仪表组装式控制仪表 一种功能分离、结构组件化的成套仪表装置。一种功能分离、结构组件化的成套仪表装置。工程实际中已很少使用。工程实际中已很少使用。4.数字控制仪表数字控制仪表 以数字计算机为核心的数字控制仪表。其外形以数字计算机为核心的数字控制仪表。其外形结构、面板布置保留了模拟式仪表的一些特征，结构、面板布置保留了模拟式仪表的一些特征，但其运算、控制功能更为丰富，通过组态可完成但其运算、控制功能更为丰富，通过组态可完成各种

24、运算处理和复杂控制。可和计算机配合使用，各种运算处理和复杂控制。可和计算机配合使用，以构成不同规模的分级控制系统。以构成不同规模的分级控制系统。5.集散型控制系统集散型控制系统 将集中一台计算机完成的任务分派给各个微将集中一台计算机完成的任务分派给各个微型过程控制计算机，再配上数字总线以及上一级过型过程控制计算机，再配上数字总线以及上一级过程控制计算机，组成各种各样的、能适应于不同过程控制计算机，组成各种各样的、能适应于不同过程的积木式分级分布计算机控制系统。实现了程的积木式分级分布计算机控制系统。实现了“控控制分散制分散”或或“危险分散危险分散”，管理高度集中。，管理高度集中。6.现场总线控

25、制系统现场总线控制系统 是计算机网络技术、通信技术、控制技术和是计算机网络技术、通信技术、控制技术和现代仪器仪表技术的最新发展成果。它将具有数字现代仪器仪表技术的最新发展成果。它将具有数字通信能力的现场智能仪表连成网络系统，并同上一通信能力的现场智能仪表连成网络系统，并同上一层监控级、管理级联系起来成为全分布式的新型控层监控级、管理级联系起来成为全分布式的新型控制网络。制网络。（四）（四）按信号类型分：按信号类型分：模拟式控制仪表模拟式控制仪表 传输信号通常为连续变化的模拟量。这传输信号通常为连续变化的模拟量。这类仪表线路较简单，操作方便，价格较低使用类仪表线路较简单，操作方便，价格较低使用上

26、均有较成熟的经验。上均有较成熟的经验。数字式控制仪表数字式控制仪表 传输信号通常为断续变化的数字量。这传输信号通常为断续变化的数字量。这些仪表和装置是以微型计算机为核心，其功能些仪表和装置是以微型计算机为核心，其功能完善，性能优越，它能解决模拟式仪表难以解完善，性能优越，它能解决模拟式仪表难以解决的问题，满足现代化生产过程的高质量控制决的问题，满足现代化生产过程的高质量控制要求。要求。二、控制仪表与装置的信号与二、控制仪表与装置的信号与供电供电（一）控制仪表与装置的供电（一）控制仪表与装置的供电（二）模拟仪表与装置的信号制（二）模拟仪表与装置的信号制（三）数字仪表与装置的信号制（三）数字仪表与

27、装置的信号制压力压力变送器变送器压力压力变送器变送器常用的控制仪表及装置常用的控制仪表及装置 测量膜合测量膜合差压差压变送器变送器双法兰差压送器双法兰差压送器无纸无纸记录仪记录仪测量精测量精确值确值Better Control可编程可编程调节器调节器输出精输出精确值确值输出百输出百分值分值测量百测量百分值分值 气动阀门气动阀门定位器定位器气动执气动执行机构行机构电动执电动执行机构行机构直通单、直通单、双座控双座控制阀制阀直通单、直通单、双座控双座控制阀制阀闸阀闸阀球阀球阀三通阀三通阀蝶阀蝶阀角阀角阀球阀球阀角阀角阀 控制层网络控制层网络管理层网络管理层网络远程节点远程节点Web服务器服务器 现

28、场设备层现场设备层 操作站操作站 工程师站工程师站DCSDCS的物理层次示意的物理层次示意控制室控制室控制台控制台流程图流程图仪表盘仪表盘操作员站操作员站操作员站操作员站CRT工业流程图工业流程图（一）控制仪表与装置的供电（一）控制仪表与装置的供电电动控制仪表与装置的供电主要有两种形式：交流电动控制仪表与装置的供电主要有两种形式：交流供电与直流集中供电。供电与直流集中供电。1 1、交流供电、交流供电早期的电动控制仪表中多使用交流供电。将早期的电动控制仪表中多使用交流供电。将220V工工频交流直接引入控制系统中的各台仪表中频交流直接引入控制系统中的各台仪表中。缺点：缺点：交流干扰、热干扰等必然会

29、对仪表产生影响；交流干扰、热干扰等必然会对仪表产生影响；仪表体积也不易做小；仪表体积也不易做小；220V的直接引入降低了仪表的直接引入降低了仪表的安全性，缩小了仪表的应用范围。的安全性，缩小了仪表的应用范围。2、直流集中供电整个控制系统由统一的直流低压电源箱供电，且常常是一组电源为整个控制系统的各台仪表供电，称为直流单电源集中供电。优点：易实现带备用电源的无停电系统；低压供电为系统防爆提供了有利条件。（二二）模拟仪表与装置的信号）模拟仪表与装置的信号制制 信号制即指在某种标准中所规定的信号联络方法。信号制即指在某种标准中所规定的信号联络方法。电信号的种类主要有模拟信号、数字信号、频率电信号的种

30、类主要有模拟信号、数字信号、频率信号和脉宽信号等四大类，前两者用得最多。信号和脉宽信号等四大类，前两者用得最多。电模拟信号的种类有直流电流、直流电压、交流电模拟信号的种类有直流电流、直流电压、交流电流、交流电压四种。电流、交流电压四种。其中其中直流信号直流信号具有不受线路中具有不受线路中电感、电容及负载性质的影响，不存在相移问题、不电感、电容及负载性质的影响，不存在相移问题、不受交流感应影响等优点，因而应用较为广泛受交流感应影响等优点，因而应用较为广泛。1973年国际电工委员会（年国际电工委员会（IEC）第）第64次技术委员次技术委员会通过的标准规定了国际统一信号，过程控制系统的会通过的标准规

31、定了国际统一信号，过程控制系统的模拟直流电流信号为模拟直流电流信号为420mADC，模拟直流电压信，模拟直流电压信号为号为15VDC。我国。我国早期早期DDZ-仪表所用的信号仪表所用的信号制制为为010mADC，气动，气动调节仪表的信号制为调节仪表的信号制为0.020.1Mpa。信号信号制的下限不为零称为活零点，有助于实现微制的下限不为零称为活零点，有助于实现微机控制系统的自检；信号制的上限亦不能太大，有助机控制系统的自检；信号制的上限亦不能太大，有助于实现系统的防爆。直流模拟电流与电压信号各有优于实现系统的防爆。直流模拟电流与电压信号各有优缺点，分别适用于不同的场合。缺点，分别适用于不同的场

32、合。1 1、直流电流信号、直流电流信号 直流直流电流电流信号传输信号传输模型如图模型如图2.2.1所所示示。图图中中ro作为发送仪表的变送器的作为发送仪表的变送器的等等效效输出电阻输出电阻，Rcm为连接导线及为连接导线及连连接接过程所过程所产生的产生的电阻。电阻。n台接收台接收仪仪表表串联或串联或并联地并联地接收信号接收信号。显然显然直流电流信号信号传输有如下两个缺点，直流电流信号信号传输有如下两个缺点，若若回路中有一个断点，则回路中有一个断点，则n台接收仪表均不能台接收仪表均不能接收信号。因此，可靠性受到影响。接收信号。因此，可靠性受到影响。各各接收仪表输入端会逐级电位升高，引起系统接收仪表

33、输入端会逐级电位升高，引起系统设计与维护的不便。设计与维护的不便。直流电流信号传输所产生的误差由发送仪表信号直流电流信号传输所产生的误差由发送仪表信号源的质量引起源的质量引起 （2.1）在实际应用中在实际应用中roRcm+nri，则有，则有 （2.2）现代现代电子技术完全能保证发送仪表的输出电阻电子技术完全能保证发送仪表的输出电阻ro很很大。由上式可知当接收仪表输入电阻足够小大。由上式可知当接收仪表输入电阻足够小(常为常为250左右左右)时，传输电阻时，传输电阻Rcm在一定范围内变化仍能在一定范围内变化仍能保证传输精度。因此，直流电流信号适宜于长距离传保证传输精度。因此，直流电流信号适宜于长距

34、离传输。输。2 2、直流电压信号、直流电压信号 直流电直流电压压信号传输信号传输模型如图模型如图2.2.2所所示示。直流电压直流电压信号没有直流电流信号没有直流电流的的两两个缺点，因此可靠性好；个缺点，因此可靠性好；设计设计安装安装上较为简单；增加或去掉上较为简单；增加或去掉某某台台仪表不会对系统产生影响。仪表不会对系统产生影响。信信号号传输所产生的误差由发送仪表信号源内阻与线路传输所产生的误差由发送仪表信号源内阻与线路传输电阻传输电阻引起引起 （2.3）应用中，应用中，ri很大，一般都满足很大，一般都满足 （2.4）此时，（此时，（2.3）变为）变为 （2.5）比较（比较（2.2）与（）与（

35、2.5）可知，当距离相同时，在精度）可知，当距离相同时，在精度上电流传输优于电压传输。因此，在直流模拟仪表的上电流传输优于电压传输。因此，在直流模拟仪表的设计应用中，远距离传输或进出控制室的信号用电流设计应用中，远距离传输或进出控制室的信号用电流信号，控制室内各仪表间的信号联络用电压信号。信号，控制室内各仪表间的信号联络用电压信号。（三）（三）数字数字仪表与装置的信号仪表与装置的信号制制从应用的角度，数字仪表通讯标准大致应包括三个从应用的角度，数字仪表通讯标准大致应包括三个方面：信息构成格式、数据编码方面：信息构成格式、数据编码/调制形式与物理的调制形式与物理的信号发送信号发送/接收接口标准接

36、收接口标准。1 1、信息构成格式、信息构成格式对应于不同的现场总线以及不同的协议层，信息构对应于不同的现场总线以及不同的协议层，信息构成格式各不相同，现以基金会现场总线成格式各不相同，现以基金会现场总线FF协议数据协议数据的构成与各协议层的关系为例作简单说明。的构成与各协议层的关系为例作简单说明。FF由四层协议层构成：物理层、数据链路层、应用由四层协议层构成：物理层、数据链路层、应用层及用户层。应用层又划分为两个层次层及用户层。应用层又划分为两个层次总线访问总线访问子层子层FAS与总线报文规范子层与总线报文规范子层FMS。如某个用户要将。如某个用户要将数据通过现场总线发往其它设备数据通过现场总

37、线发往其它设备，图，图2.2.4中中以数据以数据节节的方式示出各层信息构成格式。的方式示出各层信息构成格式。2 2、数据编码、数据编码/调制信号形式调制信号形式数据编码指表达数据数据编码指表达数据的的物理信号物理信号形式。分别形式。分别用用模拟信号模拟信号的不同的幅度的不同的幅度、频率频率、相位来表达、相位来表达数据数据0，1状态的编码称为状态的编码称为模模拟拟数据编码；用高低数据编码；用高低电电平平的矩形脉冲信号的矩形脉冲信号表达表达数据数据0，1状态的状态的编码编码称称为为数字数据编码数字数据编码。基带。基带传输传输指指在在基本不改变数据信号频率下，直接传输数基本不改变数据信号频率下，直接

38、传输数据信号的据信号的方式。方式。基带传输可以达到较高的传输速率，基带传输可以达到较高的传输速率，是目前广泛应用的数据通讯方式是目前广泛应用的数据通讯方式。常见。常见的编码方式如的编码方式如图图2.2.5所示，它们都属于基带传输方式。所示，它们都属于基带传输方式。基本的频带传输调制方式主要有幅度键控基本的频带传输调制方式主要有幅度键控ASK、频移、频移键控键控FSK和相移键控和相移键控PSK，调制后的信号典型波形如，调制后的信号典型波形如图图2.2.6所示。所示。3 3、发送、发送/接收接口标准接收接口标准物理层协议连接两个发送和接收信息的物理设备，物理层协议连接两个发送和接收信息的物理设备，

39、由接口标准支持。现在国际上已有一些接口标准，如由接口标准支持。现在国际上已有一些接口标准，如美国电子工业协会美国电子工业协会EIA制定的制定的RS-232、RS-422A、RS-485等均被广泛应用。等均被广泛应用。三、控制系统的安全防爆三、控制系统的安全防爆（一）安全防爆仪表概述（一）安全防爆仪表概述（二）本质安全型防爆仪表（二）本质安全型防爆仪表（三）安全防爆控制系统（三）安全防爆控制系统（一）安全防爆仪表概述（一）安全防爆仪表概述 防爆防爆电器设备有多种结构，应用于电器设备有多种结构，应用于0区与区与1区的只区的只有三种：正压型、隔爆型与本质安全型（简称本安型）有三种：正压型、隔爆型与本

40、质安全型（简称本安型）。正压正压型型原理是控制易爆气体，即人为地在危险现原理是控制易爆气体，即人为地在危险现场营造出一个没有易爆气体的空间，将仪表安装在其场营造出一个没有易爆气体的空间，将仪表安装在其中中。隔爆隔爆型型仪表将仪表的电路和接线端子等安装在厚仪表将仪表的电路和接线端子等安装在厚厚的隔爆腔体内，仪表电路因事故出现火花，不会引厚的隔爆腔体内，仪表电路因事故出现火花，不会引爆外面的易燃易爆物质爆外面的易燃易爆物质。本质本质安全型安全型的原理是控制仪表电路中的能量，使的原理是控制仪表电路中的能量，使电路在正常或异常状态下产生的火花或达到的温度，电路在正常或异常状态下产生的火花或达到的温度，

41、都不足以引爆危险物质都不足以引爆危险物质。从从仪表防爆的角度，自动化系统包括两种仪表：仪表防爆的角度，自动化系统包括两种仪表：安装在控制现场（危险场所）的本质安全型仪表和安安装在控制现场（危险场所）的本质安全型仪表和安装在控制室（非危险场所）的一般仪表装在控制室（非危险场所）的一般仪表。本质本质安全型仪表电路的能量因受到限制，所以在安全型仪表电路的能量因受到限制，所以在其中流动的能量是其中流动的能量是“安全能量安全能量”；一般仪表电路没有；一般仪表电路没有限制电路的能量，所以可能会出现对于控制现场来说限制电路的能量，所以可能会出现对于控制现场来说的的“危险能量危险能量”。所以所以，本质安全型防

42、爆系统还要在信号线路上加，本质安全型防爆系统还要在信号线路上加接防爆栅。防爆栅的目的就是防止安全场所的危险能接防爆栅。防爆栅的目的就是防止安全场所的危险能量窜入危险场所。量窜入危险场所。（二）本质安全型防爆仪表（二）本质安全型防爆仪表 1、设计要点、设计要点2、安全防爆栅基本原理、安全防爆栅基本原理 防爆栅又称安全栅，有输入端用防爆栅与输出端用防爆栅又称安全栅，有输入端用防爆栅与输出端用防爆栅。它的作用是防止安全场所的危险能量窜入危防爆栅。它的作用是防止安全场所的危险能量窜入危险场所，在正常情况下只起信号传递作用。防爆栅原险场所，在正常情况下只起信号传递作用。防爆栅原理有多种，如电阻式防爆栅、

43、中继式防爆栅、齐纳式理有多种，如电阻式防爆栅、中继式防爆栅、齐纳式防爆栅和变压器隔离式防爆栅等。目前应用最多的是防爆栅和变压器隔离式防爆栅等。目前应用最多的是齐纳式防爆栅和变压器隔离式防爆栅。齐纳式防爆栅和变压器隔离式防爆栅。齐纳式防爆栅原理如图齐纳式防爆栅原理如图2.3.5所示，所示，目的是限制流动的能量目的是限制流动的能量V与与I，不让，不让它们超过防爆值。它们超过防爆值。3、本质安全系统防爆的认证、本质安全系统防爆的认证 本质安全系统防爆的认证需要专门的技术与机构。本质安全系统防爆的认证需要专门的技术与机构。“回路认证回路认证”为我国现阶段推行的本安防爆认证技术，为我国现阶段推行的本安防

44、爆认证技术，指对本安现场设备和关联设备按具体的组合方式进行指对本安现场设备和关联设备按具体的组合方式进行的检验认证。这种组合一经认定，就不能用未经检验的检验认证。这种组合一经认定，就不能用未经检验机构按这种组合认证过的其他型号规格的替代设备。机构按这种组合认证过的其他型号规格的替代设备。显然，这不符和现场总线设计初衷。显然，这不符和现场总线设计初衷。现场总线系统本安防爆认证使用现场总线系统本安防爆认证使用“参量认证参量认证”技术。技术。基本思想是：基本思想是：对本安现场设备和关联设备分别给出一对本安现场设备和关联设备分别给出一组安全参数，并允许有技能的专业人员通过合适的方组安全参数，并允许有技

45、能的专业人员通过合适的方法对系统的配置进行合理性分析和安全性判定。这种法对系统的配置进行合理性分析和安全性判定。这种认证技术的特点是：用户可根据一定的规则自由地将认证技术的特点是：用户可根据一定的规则自由地将不同制造厂生产的本安设备构成本安防爆系统。不同制造厂生产的本安设备构成本安防爆系统。（三）安全防爆仪控制系统（三）安全防爆仪控制系统 1、传统的控制系统的安全防爆、传统的控制系统的安全防爆 传统传统控制系统的控制系统的安安全防爆全防爆如图如图2.3.7所示所示。安装在安装在控制现场的控制现场的仪表仪表与装置与装置主要有变送器主要有变送器与与执行器执行器，安装在，安装在控制室控制室的仪表的仪

46、表主要是运算、主要是运算、调调节、显示节、显示记录等仪表与装置。记录等仪表与装置。2、一种安全防爆的现场总线系统、一种安全防爆的现场总线系统 当当总线设备较多时，总线设备较多时，增加现场总增加现场总线线的路数将失去的路数将失去应用现场总线的意应用现场总线的意义义。如果。如果总线设备中有很多监测用总线设备中有很多监测用常规变送器常规变送器、热电偶热电偶、热电阻热电阻、开开关关等，等，可以应用可以应用DCS系统的现场总系统的现场总线线的的防爆防爆/安全栅挂安全栅挂接，如接，如图图2.3.8所所示。示。这种这种DCS系统系统，在，在系统系统总线总线上可以挂接上可以挂接多个多个站，每站，每站最多站最多

47、48个模块，如个模块，如图图2.3.9所示所示，包括通，包括通讯讯、电源、电源及其冗余及其冗余模块，多个模块，多个模拟模拟量输入输出量输入输出AI/AO及开关量输入及开关量输入输输出出DI/DO的的I/O安全栅模块。安全栅模块。3、光纤式本质安全防爆现场总线、光纤式本质安全防爆现场总线光光纤纤式现场总线控制系统的光缆式现场总线控制系统的光缆只用只用作作通讯信道。总线上各现场设备通讯信道。总线上各现场设备供电供电由由各自所装的高能专用电池提供，各自所装的高能专用电池提供，电电池池的使用寿命可达两年以上。由于的使用寿命可达两年以上。由于现现场场设备无需外部供电，而光学星型设备无需外部供电，而光学星

48、型耦耦合合器是无源的，因此控制室与器是无源的，因此控制室与FCS现现场场设备，只需通过光缆以本质安全设备，只需通过光缆以本质安全的的低能低能光作载体交换信息，因而从光作载体交换信息，因而从根本根本上上杜绝了危险能量通过总线从安全区域进入危险区域。杜绝了危险能量通过总线从安全区域进入危险区域。光纤式现场总线系统的结构如图光纤式现场总线系统的结构如图2.3.10所示。所示。安全栅安全栅 安全栅是构成安全火花防爆系统的关键仪表安全栅是构成安全火花防爆系统的关键仪表，安，安装在控制室内，是控制室仪表和现场仪表之间的装在控制室内，是控制室仪表和现场仪表之间的关联设备。其作用是：关联设备。其作用是：系统正

49、常时保证信号的正系统正常时保证信号的正常传输；故障时限制进入危险场所的能量，确保常传输；故障时限制进入危险场所的能量，确保系统的安全火花性能。系统的安全火花性能。目前常用的安全栅有：目前常用的安全栅有：齐纳式安全栅齐纳式安全栅和和变压器隔变压器隔离式安全栅离式安全栅。安全栅的品种安全栅的品种:一、齐纳式安全栅一、齐纳式安全栅1.1.齐纳式安全栅的工作原理齐纳式安全栅的工作原理 齐纳安全栅是基于齐纳二极管反向击穿特性工作的齐纳安全栅是基于齐纳二极管反向击穿特性工作的。由由限压电路限压电路,限流电路限流电路和和熔断器熔断器三部分组成。其原理三部分组成。其原理电路如图所示：图中电路如图所示：图中R

50、R为限流电阻，为限流电阻，VZ1VZ1、VZ2VZ2为齐纳为齐纳二极管，二极管，FUFU为快速熔断器。为快速熔断器。齐纳式安全栅原理图 系统正常系统正常工作时，工作时，安全侧电压安全侧电压U1U1低于齐纳二极管的击低于齐纳二极管的击穿电压穿电压U0U0，齐纳二极管截止，安全栅不影响正常的工作电齐纳二极管截止，安全栅不影响正常的工作电流。流。但现场发生事故但现场发生事故，如短路，利用电阻，如短路，利用电阻R R进行限流，进行限流，避避免进入危险场所的电流过大免进入危险场所的电流过大；当安全侧电压当安全侧电压U1U1高于齐纳二高于齐纳二极管的击穿电压极管的击穿电压U0U0时，时，齐纳二极管击穿，进