概论(09级)讲解

华北电力大学 自动化系 2012.02 控制装置与仪表控制装置与仪表B B 控制仪表及装置是高等院校自动化专业及测控技术与仪器专业的 一门教材。本书详细介绍模拟式控制仪表及装置（模拟式控制器、变送器 、运算器和执行器等）以及数字式控制仪表及装置（可编程调节器、智能 变送器与阀门定位器、分散控制系统等）的功能特点、结构原理和使用方 法。 教学内容及目的 控制装置与仪表B是为 自动化专业讲授的一门专业课程。本课程以 课堂授课为主，实验教学为辅的教学方式。通过本课程的学习使学生： 1.了解控制仪表发展概况，认识控制仪表在控制系统组成中的作用和控 制信号传输的形式，了解控制系统的防爆措施。 2.掌握测量、变送类仪表、自动调节类仪表、执行机构的组成、原理、 结构、功能和使用方法。 3.熟悉数字式控制仪表的工作原理、重要模块算法，掌握数字式控制仪 表的应用方法。 4.了解控制电机的类型、掌握其工作原理和运用方法，认识控制电机在 控制系统中的作用。 从而使学生具有运用控制仪表和装置从事控制系统分析、设计和检 测系统故障的能力。 章节安排（控制仪表部分） 概论（4学时） 第一节 控制仪表与控制系统 第二节 控制仪表及装置的分类 第三节 联络信号和传输方式 第四节 安全防爆的基本知识和防爆措施 第一章 模拟式控制器（4学时） 第一节 控制器的运算规律和组成方式 第二节 基型控制器 第二章 变送器和转换器（8学时，含2学时实验） 第一节 变送器的构成 第二节 差压变送器 第四章 可编程调节器（4学时） 第一节 概述 第二节 KMM可编程调节器 第三章 运算器和执行器（12学时，含2学时实验） 第一节 运算器（不讲） 第二节 执行器 第三节 模拟式控制仪表的应用 第五章 控制电机（8学时） 第一节 控制电机概述 第二节 伺服电动机 第三节 测速发电机 第四节 微型同步电动机 第五节 步进电动机 概论 第一节 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 行器构成，其方框图如下所示： 给定值 被控参数被控介质 简单控制系统方框图 变送器执行器 控制器 被控对象 Ø被控对象 需要调节其工艺参数的生产设备。 Ø变送器 把工艺参数转换成标准统一信号的装置。 Ø控制器 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, 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。 Ø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 装置。 概论 第二节 控制仪表及装置分类 控制仪表及装置的分类 电动电动 控制仪仪表气动动控制仪仪表 能源电源（220V AC/24V DC）气源（140kPa） 传输传输 信号电信号（电压 、电流、数 字） 气压信号 元、器件电子元器件气动元件 接线线导线导管 电电磁干扰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 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。 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。 如气动仪表，电动单 元组合仪表、型等。 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。如可编程调节器、控 制器、 DCS、 FCS 等。 按信号类型：模拟式和数字式。 基地式仪表：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。 如带控制机构的指示记录仪。 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，单元间用标准信号联系。如电动、气动单 元组合仪表。 分散控制系统（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、PCS 7、ECS、Hollias等。 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、Profibus总线的FCS。 按结构形式 概论 第三节 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 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，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。 直流电流传输 接收仪表 R0 I0 Ii Ri Ri Rcm 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： R0足够大，而Rcm 及Ri 应比较小 电流传输的特点 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 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隔离措施。 直流电压传输 电压信号传输时 仪表之间的连接 接收仪表 Ri Rcm 发送仪表 R0 U0 Rcm Ii Ri Ri 为减小传输误差，要求： R0和Rcm 尽量小，Ri 大些。 为减小传输误差,应满足Ri/n R0 + Rcm ，故有 电压传输的特点 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 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电压信号。 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 。 概论 第四节 安全防爆基本知识和防爆措施 安全防爆基本知识 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 0区(Zone 0) 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区(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区(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。 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、B、C三级。 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/ T1 450 T2 450t 200 T3 450t 200 组别 引燃温度 t/ T4T5 135t 100 T6 100t 85 200t 135 防爆电气设备的分类、分组 防爆电气设备分为两大类： 类：煤矿用电气设备 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(d)、本质安全型(i)、增安型(e)、正压型(p) 、充油型(o)、充砂型(q)、浇封型(m)和无火花型(n) 。 本质安全型设备又可以分为ia和ib两个等级。 防爆标志及其含义 防爆标志由以下5个部分构成： 标志 EX 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 d为隔爆型，i为本安型等。 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 为A、B、C三级，表明防爆能力强弱。 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B级T5组 。 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。 常用防爆型控制仪表 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 本安防爆系统 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 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 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。 安全栅的结构形式 齐纳式安全栅 基于齐纳二极管的反向击穿性能。结构简单、经济、 可靠。 隔离式安全栅 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，可靠性高。 齐纳式安全栅原理电路 安全侧危险侧 隔离式安全栅原理框图 安全侧危险侧 U0 VZ1VZ2 RFU U1 两线制 变送器 限压限流 电路 隔离 电路 安全栅