自动化仪表概论.pptx

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1、 模拟式模拟式控制仪表及装置（模拟式控制器、变控制仪表及装置（模拟式控制器、变送器、转换器、运算器和执行器等）以及送器、转换器、运算器和执行器等）以及数字式数字式控制仪表及装置（可编程调节器控制仪表及装置（可编程调节器、可编程控制器可编程控制器、智能变送器与阀门定位器智能变送器与阀门定位器、集散控制系统和现场集散控制系统和现场总线控制系统等）的功能特点、结构原理和使用总线控制系统等）的功能特点、结构原理和使用方法。方法。内 容第1页/共38页内 容（续）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

2、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第2页/共38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构成方式控制器的运算规律和构成方式 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 第3页/共38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

3、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 第4页/共38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 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 FX系列可编程控制器系列可编程控制器 第三节第三节 S7系列可编程控制器系列可编程控制器第5页/共38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

4、 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集散控制系统集散控制系统 第四节第四节 PCS7过程控制系统过程控制系统 第五节第五节 集散控制系统的可靠性集散控制系统的可靠性 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 第6页/共38页概论第一节 控制仪表与控制系统第7页/共38页 控制仪表与控制系统控制仪表与控制系统自动控制系统一般由被控对象、变送器、控制器和执行器等构成，其方框图如下所示：给定值被控变量

5、被控介质简单控制系统方框图变送器执行器控制器被控对象第8页/共38页被控对象 需要调节其工艺参数的生产设备。变送器 把工艺参数转换成标准统一信号的装置。控制器 将来自变送器的测量信号与给定信号相比较后产生的偏差信号，按照预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。执行器 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。此外，根据需要还可设有显示、转换、计算、辅助、给定等装置。举个例子：单回路控制系统工艺图。第9页/共38页第二节 控制仪表及装置的分类第10页/共38页 控制仪表及装置的分类控制仪表及装置的分类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

6、（220V AC/24V DC）气源（140kPa）传输信号传输信号电信号（电压、电流等模拟信号，数字信号，频率信号）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 按所用能源形式按所用能源形式：气动、电动、液动。工业上主要使用电动和气动控制仪表。气动仪表20世纪40年代广泛应用于工业生产，特点：结构简单、性能稳定、可靠性高、价格便宜，特别适用于石油、化工等有爆炸危险的场所。电动仪表出现晚，特点：能源获取、信号传输及放大、变换

7、处理比气动仪表容易得多，又便于实现远距离监视和操作。由于采取了本质安全防爆措施，也得到了很好的解决，同样能应用于易燃易爆的危险场所。第11页/共38页模拟仪表模拟仪表 传输信号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，在设计、制造、使用上均有成熟的经验。如气动仪表、电动单元组合仪表、型等。数字仪表数字仪表 传输信号为断续变化的数字量，这类仪表与装置以微型计算机为核心，功能完善，性能优越，能解决模拟仪表难以解决的问题，能实现高质量控制要求。如可编程调节器、控制器、DCS、FCS 等。按信号类型按信号类型：模拟式和数字式。第12页/共38页基地式仪表基地式仪表：包含多种功能部件（

8、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。常用于单机自动化系统。如带控制机构的指示记录仪。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元，单元间用统一的标准信号联系。将这些单元组合，可构成各种自动检测和控制系统。如电动、气动单元组合仪表，DDZ-、DDZ-，QDZ-。集散控制系统集散控制系统（DCS）：以微型计算机为核心,集4C技术为一体的计算机控制装置,实现分散控制和集中管理。如TPS(美国Honeywell公司的)、PCS7(德国Siemens公司的)、ECS(比如WebField公司的ECS-100)、Hollias(比如北京和利时公司

9、的MACS-S)等。现场总线控制系统现场总线控制系统（FCS）：现场总线将具有数字通信能力的现场仪表相连接,并同上层监控管理级一起构成分布式控制网络。如基于FF(基金会现场总线)、Profibus总线的FCS。按结构形式按结构形式第13页/共38页第三节 联络信号和传输方式第14页/共38页 联络信号和传输方式联络信号和传输方式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类型和数值。联络信号类型联络信号类型气动仪表：20100KPa 电动仪表：模拟信号 010mA、420mA 及 15V,数字、频率信号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

10、，并可实现两线制。信号上限高，产生的电磁平衡力大；信号上限低有利于减少功率损耗和仪表防爆。第15页/共38页直流电流传输 接收仪表R0I0IiRiRiRcm发送仪表电流信号传输时仪表之间的连接为保证传输误差在允许范围之内，应要求R0 Rcm+nRi，故有 为减小传输误差，要求：为减小传输误差，要求：R0足够大，而足够大，而Rcm 及及Ri 应比较小应比较小第16页/共38页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。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。各台仪表没有公共接地点，若要和计算机联用,则应在仪表输入输出端采取直流

11、隔离措施。第17页/共38页直流电压传输 电压信号传输时仪表之间的连接接收仪表RiRcm发送仪表R0U0RcmIiRiRi 为减小传输误差，要求：为减小传输误差，要求：R0和和R Rcmcm 尽量小，尽量小，R Ri i 大些。大些。为减小传输误差,应满足Ri/nR0+Rcm，故有 第18页/共38页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。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,信号受一定损失,且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。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

12、电压信号。第19页/共38页变送器与控制室仪表间的信号传输两线制电源装置变送器现场控制室四线制接收仪表变送器现场电源装置控制室接收仪表要实现两线制，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信号电流提供的。变送器输出电流为下限值时，应保证它内部的半导体器件仍能正常工作。故信号电流下限值不能过低。第20页/共38页第四节 安全防爆基本知识和防爆措施第21页/共38页 安全防爆基本知识安全防爆基本知识 爆炸危险场所的区域划分爆炸危险场所的区域划分依据：爆炸性气体出现的频繁程度和持续时间依据：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)

13、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。1 1区区(Zone 1)(Zone 1)在正常情况下，爆炸性气体混合物有可能出现的场所。2 2区区(Zone 2)(Zone 2)在正常情况下，爆炸性气体混合物不可能出现，或即使出现也是短时间存在的场所。第22页/共38页 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MESG(火焰不能传播的最大间隙)和最小点燃电流比MICR来分级：可分为A A、B B、C C三级。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：组别引燃温度 t/T1450 T2450t 200 T3450t 200 组别引燃温度 t/T4T5

14、135t 100 T6100t 85 200t 135 第23页/共38页 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：类：类：煤矿用电气设备类：类：工厂用电气设备类电气设备可进一步分为A、B、C三级。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ia和ib两个等级。第24页/共38页 防爆防爆标志及其含义标志及其含义防爆标志

15、由以下防爆标志由以下5个部分构成：个部分构成：标志标志 EXEX 表示该设备为防爆电气设备。结构型式结构型式 表明该设备采用何种措施进行防爆，如 d为隔爆型，i为本安型等。设备类别设备类别 I为煤矿井下用电设备，II为工厂用设备。防爆级别防爆级别 为A、B、C三级，表明防爆能力强弱。温度组别温度组别 为T1T6六组，说明该设备的最高表面 温度允许值。例如 EXiaIICT5 表示II类本质安全型ia等级C级T5组。第25页/共38页隔爆型仪表 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1区、2区危险场所。本质安全型

16、仪表 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效应不致于引爆其周围爆炸性气体混合物。ia等级的本安仪表适用于0区危险场所，ib等级的本安仪表只适用于1区和2区危险场所。常用防爆常用防爆型控制仪表型控制仪表第26页/共38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非危险场所（控制室）危险场所（现场）危险场所（现场）控制系统的防爆措施控制系统的防爆措施 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 控制室仪表和危险场所仪表之间设置安全栅第27页/共38页 安全栅安全栅l作为

17、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。l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。第28页/共38页齐纳式安全栅原理电路安全侧危险侧U0VZ1VZ2RFUU1 原理原理：基于齐纳二极管的反向击穿性能。结构简单、经济、可靠。齐纳二极管齐纳二极管VZ1和VZ2用于限制电压。当回路电压接近安全限压值（即额定电压U0）时，齐纳管导通（反向击穿），使齐纳管两端的电压始终保持在安全限压值以下。若安全侧电流急剧增大使保险丝保险丝FU很快熔断，从而使高电压与现场（危险侧）隔离，也保护了齐纳二极管。电阻电阻R用于限制电流。当电压被限制后，适当选择电阻值，可将回路电流限制在

18、安全限流值以下。安全栅的结构形式之一第29页/共38页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两线制变送器变送器限压限流限压限流电路电路隔离隔离电路电路安全栅安全栅 原理原理：通过隔离、限压和限流等措施来保证本安防爆性能。优点优点：抗干扰能力强，可靠性高。具有限压与限流的作用、电流隔离的功能功能，故通常由回路限能单元、电流隔离单元和信号处理单元三部分组成。回路限能单元为安全栅的核心部分。信号处理单元根据安全栅的功能要求进行信号处理。分类分类：一般有检测端安全栅和操作端安全栅两种类型。检测端安全栅与两线制变送器配套使用；操作端安全栅与电气转换器或电气阀门配套使用，还有信号输入等类型隔离

19、式安全栅。安全栅的结构形式之二第30页/共38页习题D2D1安全侧ArF2F1V0R危险侧V1R-限流电阻；F1-快速熔断丝；D1、D2-齐纳二极管；Ar-放电管；F2-保险丝；V0-齐纳二极管额定电压；VAr-负阻区起始电压。1、齐纳式安全栅的电路原理如图所示，试问：、齐纳式安全栅的电路原理如图所示，试问：当危险侧发生短路时，电路中哪些元件起限能作用？当危险侧发生短路时，电路中哪些元件起限能作用？为什么不用快速熔断丝为什么不用快速熔断丝F1替代电阻替代电阻R？当安全侧出现危险高电压时，问：当安全侧出现危险高电压时，问：当当 时，时，当当 时，电路图中哪些元件起限能作用？时，电路图中哪些元件起

20、限能作用？第31页/共38页固体放电管的工作原理：放电管是一种使用于设备输入端的高压保护元件。若其两端的电压高过其保护规格值时,其内部会出现短路现象,并吸收掉输入的过高压。工作原理工作原理：当外加电压低于击穿电压VBR时，漏电流很小，处于断开状态。不影响被保护组件的正常工作。雪崩区：VBR到VBO段-所加电压从VBR逐渐增加到VBO时，电流突然增大，这就是雪崩区。当外加电压大于VBO（负阻区起始电压）时，放电管很快进入导通状态，电压不变而电流增加，故压降很小，起到了保护作用。外加电压去掉后，电流很快就降到低于维持电流IH，放电管自然恢复，回到断开状态。优点：导通电压小，几乎无热耗，可重复使用，

21、能承受较大的冲击电流，响应快，使用安全、可靠，其性能优于其它瞬间过压保护元器件。第32页/共38页 答：电阻R起限流作用，限制危险侧出现高于额定安全的电流。若用快速熔断丝F1替代电阻R，当危险侧短路时，则要求F1能快速熔断。F1熔断后，F1就永久性损坏。每当短路一次（这种可能性要比安全侧出现高电压的几率多得多），就要更换一个快速熔断丝。这样的电路花钱既多，测量系统或调节系统恢复正常又慢。而采用适当阻值的电阻R作限流元件就没有上述的缺点，R也不会对正常信号电流的通过产生不良影响。当 时，D1、D2击穿，F1快速熔断，迅速切断高电压窜到危险侧的通路。当V1继续升高，达到 时，不仅第一种情况发生（即

22、D1、D2击穿，F1熔断），而且放电管立即放电，其两端电压迅速下降到很低值（低于额定安全电压），避免放电管两端存在高电压，而危及到危险侧。第33页/共38页习题（续）2、什么是安全火花？什么是安全火花型防爆仪表？什么是安全火花型防爆系统？3、在、在DDZ-型仪表中，为什么现场与控制室之间采用型仪表中，为什么现场与控制室之间采用420mA电流信号，而控制室内部采用电流信号，而控制室内部采用15V电压信号？电压信号？4、什么是两线制？两线制有什么优点？、什么是两线制？两线制有什么优点？5、采用两线制的变送器对其功率消耗有何要求？为什么？、采用两线制的变送器对其功率消耗有何要求？为什么？第34页/共

23、38页 1、答：所谓安全火花，是指该火花的能量不足以引燃周围可燃性介质。所谓安全火花型防爆仪表，是指在正常状态和事故状态下产生的火花均为安全火花的仪表。所谓安全火花型防爆系统，包括两方面含义：在危险场所使用安全火花型仪表；在控制室仪表和危险场所仪表之间设置了安全栅。上述二者缺一不可，这样构成的系统叫做安全火花型防爆系统。3、答：两线制是指现场变送器与控制室仪表联系仅用两根导线，这两根导线既是电源线，又是信号线。与四线制（两根电源线、两根信号线）相比，两线制的优点是：可节省大量电缆线和安装费用；有利于安全防爆。4、答：因电源线和信号线共用，电源供给变送器的功率是通过信号电流提供的。变送器输出电流

24、为下限值时，应保证它内部的半导体器件仍能正常工作。故功率消耗值不能过高。2、答：420mA电流信号适宜在现场和控制室之间远距离传输，因为实际发送仪表的输出电阻很大，可以避免因传输导线上压降损失引起的误差。15V电压信号适宜于控制室内部短距离联络，因为接收仪表的输入电阻不是无限大，并且接收仪表输入阻抗很高时易于引入干扰；传输导线电阻上产生压降会引起传输误差；仪表之间可以并联连接，便于设计安装和维修。第35页/共38页习题（续）6、在自动检测与自动控制系统中，安全栅处于、在自动检测与自动控制系统中，安全栅处于 仪表与仪表与 仪表之间，与变送器配合使用的叫仪表之间，与变送器配合使用的叫 安全栅，它安全栅，它的作用是的作用是 ；与执行器配合使用的；与执行器配合使用的叫叫 安全栅，它的作用是安全栅，它的作用是 。现场、控制室现场、控制室、输入式输入式、为变送器供电并把来自变送为变送器供电并把来自变送器的器的420mA信号转换成与之隔离的信号转换成与之隔离的420mA电流输电流输出出、输出式输出式、将来自调节器的将来自调节器的420mA信号转换成与信号转换成与之隔离的之隔离的420mA电流输出电流输出 第36页/共38页书上的0-2、0-3、0-4、0-6、0-8。思考题第37页/共38页感谢您的观看！第38页/共38页