控制器和感应器

6.7.1 控制器和感应器 章节6.7第6章 控制硬件：电动/气动自动驱动装置 蒸汽和冷凝水系统手册 6.7 控制器和感应器 545 6.7.2 控制器和感应器 章节6.7第6章 控制硬件：电动/气动自动驱动装置 蒸汽和冷凝水系统手册 控制器 开始本章内容之前，很重要的一点是要声明不是所有的控制应用都需要一个功能很全的控制器。 例如，对一个开关型的阀门和执行器，可以直接由温控开关操作。另一个例子是高限安全控制，它 的作用是突然关闭阀门或切断燃料的供应。 但是，当需要比较复杂的控制时，就需要一个控制器来满足这些需求。 控制器接收一个信号，决定需要什么样的动作，然后输出一个信号给执行器使其动作。 在微芯片、集成电路和计算机时代，控制器能实现的功能实际上可以相当复杂。 计算机 - 快速、精确、愚蠢 人脑 - 缓慢、懒散、聪明 总的来说，控制器不能解决所有的问题。必须要对控制器进行正确的选择和调试，这些内容在后面会 详细讲述。 尽管大多数的控制器是基于电子、数字微处理器的，还有一系列比较经济的气动控制器。这些气动 控制器可用于危险的区域，由于存在爆炸的危险性，不能使用电子设备。当然也可以使用一些本安型或者 隔爆型、阻燃的电子设备，但是本质上存在一个成本的问题。 正如前面所提到的，控制器可以实现很复杂的功能，但是如果要详细列出或解释这些功能已经超出了 本书的范围 需要考虑的主要因素有： 单回路控制器 接受一个感应器，控制一个阀门执行器。 多回路控制器 可以接受多个感应器的信号，控制多个阀门执行器。 单输入输出 只能接收来自一个感应器的信号，并且只能输出一个信号给执行器。 多输入输出（多通道） 可以接受多个信号，输出多个信号。 实际时间 可能包含一个时钟，以便在预定或预设的时间切换。 运行时间 可以在预设的时间、工厂其他设备开或关机前或后的一定的预设时间长度开关。 斜坡和保持控制 以温度控制为例，在特定的时间内将控制介质的温度升高，然后保持在这一预设定的值。这些控制器 通常具有一系列斜坡和保持功能。 图6.7.1中，所示的是一个典型的单回路电子温度控制器。具有P+I+D功能（在5.2节和5.4节中已经讨 论过），适用于110-230V的电源。 图6.7.2所示的是一个具有比例功能的单回路气动温度控制器。 控制温度或者压力时可以选择不同的控制模式。 在前面的章节中我们已经将人脑同控制器/计算机做了类比，现在可以解释以下著名的IBM的座右铭： 546 6.7.3 控制器和感应器 章节6.7第6章 控制硬件：电动/气动自动驱动装置 蒸汽和冷凝水系统手册 150C 50C 20C 1 h1 h 30 min30 min2 h 11 min1 h 保持 保持 上升斜坡+ 上升斜坡+ 下降斜坡 图6.7.3 典型的多斜坡和保持过程 图6.7.1 单回路的电子温度控制器 图6.7.2 单回路气动温度控制器 温度 时间 间段内的一系列的斜坡过程（温度改变）和保持过程（温度保持）功能。 的动作必须在达到特定的条件下触发，例如是否达到一定的温度或者容器是否填满。这些顺序可以通 HWS阀并提供其他的一些功能。 一个能实现斜坡和保持功能的单回路控制器的典型控制过程如图6.7.3所示。图中表示了在某一时 在控制文献中经常用的一个术语是“可编程逻辑控制器（PLC）”。在批处理过程中，控制器必须触发 一系列的动作，例如，控制阀门或水泵的开/关。在有些情况下，某个过程是定时的，但通常不同的 过一个基于微机设备的PLC来控制，控制制程的感应器和执行器使用标准接口。 另一种复杂的控制器是工厂设备间内的控制器，这些控制器用来控制锅炉、水泵、加热控制阀、 547 6.7.4 控制器和感应器 章节6.7第6章 控制硬件：电动/气动自动驱动装置 蒸汽和冷凝水系统手册 图6.7.4 液体填充系统感应器和气体填充或蒸汽压力系统 截面 A-A A A 指针 波尔登管 弹簧 齿轮 扇形 连杆 支点 套管 动作 P2 P1 感应器 在这部分中，我们会更多地涉及到温度测量。测量压力、液位、湿度和其他物理属性的感应器和变送 器种类有很多。感应器是控制系统的一部分，它能感应到控制变量的改变。 当温度变化时，不同的感应器的输出信号可能是电压的变化，也有可能是电阻的变化。 来自感应器的信号可能很微弱，有必要对信号进行处理和放大，以便能有效读取。例如，对温度的变 化，感应器只有很小的电阻值变化，这样有可能需要转化成电压或电流信号来传送给控制器。 变送器本身有可能是一个误差源。 在微小的空气泄漏。 术语“温控器”通常是指带有开关切换的温度感应器。“传感器”是另一个经常用的术语，是指将 某个物理量转换成另一个物理量的设备，例如，将温度转换成电压（毫伏）。 变送器的实例之一是将温度的变化转变成电阻的变化。 对气动设备，经常会用到“变送器”。这是仅仅变送器或感应器的另一个名字，但通常会带有一些附 加的信号条件。 但是，实际的测量设备通常称为感应器，在下面的部分我们会介绍一些常用的感应器种类。 填充系统感应器 线路会有电阻抗（测量值单位为欧姆），还有电干扰（噪声）。对于气动系统，传送管线可能还存 气动控制器是使用填充系统感应器。图6.7.4所示的是这种系统的基本原理。 当温度改变的时候，液体膨胀或收缩，引起波尔登管移动。有时会使用波纹管代替波尔登管。 过去，填充液体通常使用水银。当加热时，水银膨胀，引起波尔登管松开；冷却时，液体收缩引起波 尔登管卷得更紧。这样线圈的移动带动气动控制器内的杠杆动作来完成其功能。压力感应器只需简单将压 力管道连接到波尔登管。注：为健康和安全考虑，现在已经很少使用水银。通常用气体如氮气来作为填充 介质。 热电阻（RTDs） RTDs（图6.7.5）利用了金属的电阻随着温度的变化而变化的原理。它们可以作为温度传感器，将温 度的改变转变为电阻的变化。铂、铜和镍三种材料会满足RTD的要求，图6.7.6所示的是电阻和温度之间的 关系。 RTD热电阻是按照0时的电阻和0-100之间的电阻变化来标定的。在这些章节中涉及到的使用 最广的热电阻是铂电阻。这种热电阻在0的时候的电阻值是100，通常称为PT100感应器。PT100可用 于-200至+800，在0-100之间具有很高的测量精度（0.5%）。 548 6.7.5 控制器和感应器 章节6.7第6章 控制硬件：电动/气动自动驱动装置 蒸汽和冷凝水系统手册 图6.7.5 典型的热电阻温度感应器 图6.7.6 RTD 元件的电阻/温度曲线 0 0 600100200300400500 500 400 300 200 Resistance (ohms) 100 铂(Pt) 铜(Cu) 镍(Ni) 温度 C 外部空气感应器 探头 浸入感应器 内部空气感应器 保护套 要精确的测量。连接导线的电阻应进行正确的补偿。 热敏电阻 的电阻随着温度的增加而减小的曲线（负温度系数热敏电阻）。 从图6.7.6中可以看到，电阻随温度的增加几乎是线性的。RTD热电阻的阻值变化相对较小，因此需 热敏电阻使用半导体材料，随着温度的增加，电阻具有很大的改变，但并不是线性的。图6.7.7所示 电阻 () 外壳 549 温度 () 6.7.6 控制器和感应器 章节6.7第6章 控制硬件：电动/气动自动驱动装置 蒸汽和冷凝水系统手册 也就是说连接导线的电阻对其影响就不那么重要了。 热电偶 测量端（热端）和参考端（冷端）温度的不同会产生一个电势差。 050100 6000 3000 1000 0 电阻 () 合适的线性范围 图6.7.7 负系数热敏电阻 温度 () 图6.7.8 正系数的热敏电阻 050100 10000 1000 100 0 正温度系数的热敏电阻的电阻值随着温度的增加而增加（见图6.7.8），但是其温度响应曲线不适合于 温度测量。 热敏电阻比RTD热电阻简单、便宜，但是精确性和重复性不如RTD热电阻。热敏电阻的电阻很大， 如果在两点之间连接不同的金属，在一端加热（如图6.7.9所示），会有电流通过回路。热电偶根据 电阻 () 温度 () 550 6.7.7 控制器和感应器 章节6.7第6章 控制硬件：电动/气动自动驱动装置 蒸汽和冷凝水系统手册 图6.7.9 热电偶的连接 （冷态） 参考端 不同的 金属线 电压计 （热） 测量端 表6.7.1 标准热电偶种类和量程 ISA型热电偶 J K T R S N B L 命名 温度范围 -200 0 -200 0 0 0 0 0 () +1000 1260 +400 1760 1760 1760 1760 500 在一般工业中，使用最广泛的是K型热电偶。 这种热电偶使用的金属是铬合金(90%镍，10% 铬)和铝合金(94%镍，3%锰，2% 铝和1% 硅)，可适 用于0 至1 260的温度范围。 图6.7.10示出了K型热电偶的灵敏度，同时也可以看到，在整个量程范围 内的输出电压是线性的。 用来连接测量端和参考端之间的导线称为延伸导线。这些延伸导线可以和热电偶的金属材料相同，也 可以是由铜和铜 -镍合金制成的补偿导线。但是两根补偿导线必须是相同材质。 热电偶的尺寸和形状多种多样。热电偶的价格低廉、结构结实、测量精确、测量的温度范围大。但是， 参考端的温度必须保持恒定的值，否则的话需要补偿。由于接点电压很低，需要特殊的屏蔽线，同时必须小 心安装，以防止电磁干扰或“噪声”扭曲信号。 图6.7.10 K型热电偶的灵敏度 0 0 5001000 50 25 mV 温度 如果热电偶要精确测量温度，必须要准确知道参考端冷端的温度。 通常，冷端浸没在融化的冰中（0），但是现在的冷端温度由热敏电阻来测量，以此来校正测量端 的温度。这通常称为冷端补偿。 任何一对不同的金属都可以用来制造热电偶。但是近年来，发展了一系列标准性的热电偶，这些标准 热电偶的温度和电压之间的关系已经作为文件被公布。标准热电偶的型号以字母作为参考，主要有J型、 K型、T型等。 551 6.7.8 控制器和感应器 章节6.7第6章 控制硬件：电动/气动自动驱动装置 蒸汽和冷凝水系统手册 电通讯信号 大部分控制系统的输出信号是低能量的模拟信号，但是现来越多的控制系统开始使用数字系统，如 Fieldbus 或 Profibus。 模拟系统提供一个连续的调节信号，但是数字系统提供的是一连串二进制的数字，这些数字代表了在 两个特定的电压值或频率之间的变化。 例6.7.1和例6.7.2示出了数字系统和模拟系统的比较。 例 6.7.1 例 6.7.2 数字地址 数字地址允许控制器通过接有多个接收设备的导线发送信息，需要的话可以同这些设备中的任何一个 进行通讯。给每个接收设备指定一个地址可以实现这样的功能，控制器必须按地址优先进行传送。 为方便解释，考虑上面的数字例子，假设有另一个人C，C位于第三座山顶上，B和C同时看到A，因此 A必须先指示他所想进行交流的那位。 HART, PROFIBUS 和 Foundation Fieldbus 什么是HART? HART代表的是“可寻址远程传感器高速通道”，这个标准原先开发时是作为控制领域中使用4- 20mA控制信号操作的设备之间的通讯协议。 HART 协议使用是基于Bell 202标准1200波特率的频率调制键控（Frequency Shift Keying (FSK)）， 将数字信号叠加在传统的420mA模拟量信号上。由一个独立的组织操作，HART通讯基金会（HART Communication Foundation），HART协议是用来定义智能现场设备和控制系统之间通讯协议的一种工 业标准。 HART 可能是制程工业中使用最广泛的数字通讯协议，具有以下特点： 受所有主要现场制程设备供货商的支持， 允许420mA信号同数字通讯信号在现有的二线制回路上共存，保护现有的控制方式， 同模拟设备兼容， 可以提供安装和维护的重要信息，例如设备位号、测量值、测量范围、数据范围、产品信息和诊断， 通过使用多支路的网络节约线路， 通过改进管理和利用智能仪表网络可以节约运行费用。 什么是 PROFIBUS? PROFIBUS是一种开放的现场总线标准，广泛适用于大量的制造和自动化制程中，不受供货商的限 制。国际标准EN 50170， EN 50254 和 IEC 61158来确保它的制造独立性和透明度。 想象有2个人A和B，每个人在对面的山顶，每个人有一面旗子和一根旗杆。A的目的是将旗杆举到一定 的高度同B进行交流。当A将旗子举到旗杆50%的位置，B看到以后也将旗子举到旗杆的一半高度。当A上下 移动旗子时，B也会随之上下移动旗子。这样的一个过程同模拟系统相类似。 现在假设A手中的不是旗杆而是两块牌子，上面写有数字“0”和“1”，同样其目的是让B将旗子举 到一半的高度，也就是50%的旗杆高度。50用二进制来表示是“110010”，因此A会出示他的牌子，按照 一定的顺序每次两个。当B读到这些数字时，又将他们翻译为50，同时将旗子高度举到一半高度。这样的 一个过程类似于数字系统。 可以看出，由于信息完全由数字“1”和“0”来表示，可以很精确地将位置表示出来，因此数字系统 就比较精确。而在模拟量系统中，B不能确定A的旗子是否正好在50%的开度，有可能在49%或51%的位 置。由于这些原因，以及微处理器电路的高度集成，数字信号的使用越来越广。 通过第一块板来实现这样的功能。如果第一块板是“0”，那么接下来所有的数据就传送给B，然后 相应调整他的旗子的高度。相反，如果第一块板是“1”，那么接下来的所有数据就传送给C。因此B的数字 地址是“0”，而C的数字地址是“1”，两个人都知道他们所看到的第一个数字是指地址而不是信息。 552 6.7.9 控制器和感应器 章节6.7第6章 控制硬件：电动/气动自动驱动装置 蒸汽和冷凝水系统手册 Profibus允许不同设备商之间的设备进行通讯而不需要任何特殊的界面调节。PROFIBUS可用于高速 的关键应用和一些复杂的通讯任务中。PROFIBUS提供成熟的通讯协议DP和FMS。按照应用，传输技术可 以使用RS-485，IEC 1158-2 或光纤。 它定义了串行Fieldbus系统的技术特征，可以连接数字可编程控制器，从现场级到车间级PROFIBUS是 一个多用户系统，允许多个自动化、工程或可视系统之间挂在同一总线上分散的外部设备的联合运行。 什么是 Foundation?Fieldbus Foundation现场总线是一个全数字，串行、双向通讯系统，功能是一个工厂/车间设备和控制设备的 本地局域网（LAN）。Fieldbus环境在工厂网络层中是数字通讯网络的基础层。Foundation现场总线用 于过程自动化和制造自动化，具有对整个网络进行分类控制的能力。 Foundation现场总线系统还包含了420mA模拟系统的很多优点，例如标准物理层、单线总线供电 设备、本安型的选择，同时还有很多其他优点。 设备的协同工作 Foundation 现场总线提供协同工作；一个Fieldbus设备可以由同一根总线网络上的另一台由不同 制造商提供、包含了附加功能的相似的设备代替，维持相同的运行。这样用户可以“混合和匹配”现场 设备，采用来自不同供货商的系统。独立的Fieldbus设备也可以传输和接收多元信息，通过一个共用的 Fieldbus直接相互通讯，可以在Fieldbus中新增设备而不用中断使用。 加强数据处理 Foundation现场总线，每个设备的多个变量可以传送到工厂的控制系统中，进行趋势分析、制程优 化、生成报告。得到精确、高清晰度的图像数据，使得制程能精确调整，提高生产率、减少停机时间、提 高设备性能。 制程的整体状况 现代Fieldbus设备，具有强大的基于微处理器的通讯能力，允许快速明确识别制程错误。其结果是， 操作者可以得到不正常运行信息或者预见性的维护信息，可以采取预先的防护措施。低效率的情况可以得到 及时的改善，降低原材料成本和周期性停机成本，提高生产效率。 工厂安全性的提高 现场总线技术帮助制造工厂保持严格安全要求。为操作者提供潜在危险状况的预先报警，因此可以采取 校正措施，减小计划外的停机时间。因此，设备诊断也会减少去危险区域的次数，减少人员危险。 方便的维护预测 改进的设备诊断可以检测和跟踪不良状况，例如阀的磨损、传感器的结垢等。操作人员可以不用等到 预定的停机时间就可以进行预先的维护，这样可以减少或避免停机。 减少接线和维护费用 现有线路和多支路的连接可以节约大量的安装费用。包括本安型安全栅、线路成本的减少，尤其对于 原地已经存在线路的区域。 除了减少线路布置和启动时间来实现成本的节约，同时可以使用Fieldbus设备内置的控制模块来简 化控制和逻辑功能的程序。 在感应器/执行器级，二进制感应器和执行器的信号通过感应器/执行器总线传送，数据完全循环传送。 在现场级，分散的外部设备，例如I/O模块、测量变送器、驱动单元、阀门和操作终端同自控系统之间 通过有效、实时通讯系统进行通讯。如果需要的话，数据、报警、参数和诊断数据也可以循环传输。 在车间级，可编程控制器例如PLC和IPC可以互相通讯。信息轮流需要大量的数据包和大量的强有力的 通讯功能，例如平