自控系统设计.ppt

,自控系统设计与实施,前 言,自控系统是由检测仪表（如压力变送器、流量变送器、温度变送器、液位变送器等）、操作开关、逻辑判断与事件处理单元（由调节器、DCS、PLC等）、执行元件（如阀门、指行机构、电机等）构成的集合。 自控系统的整体结构和布线设计是整个控制系统能否正常工作的基础，本人从事系统设计工作多年，将一些实际工作中的经验教训加以总结介绍给大家，希望对大家有所帮助。由于本人水平有限，难免出现错误，希望大家给予批评指正 。,课程内容,一、一般工程的实施步骤 二、确定控制方案、制作单回路控制框图 三、仪表选型并确定现场仪表的性能及控制方式 四、确定DCS/PLC类型 五、设计系统单回路控制图 六、机柜的选择 七、分配I/O、设计机柜结构 八、制作机柜布线图 九、系统接地 十、机柜布线,一、一般工程的实施步骤,1、根据使用方的工艺控制要求完成控制方案 2、仪表选型 3、根据控制方案设计系统单回路控制图 4、根据自控系统规模（I/O数量）分配机柜 5、选择并配置机柜，设计机柜内部器件布置图 6、设计控制程序 或组态调节器参数 7、将程序下载至DCS或PLC并进行模拟测试 8、系统整体调试、开车 9、编制交工资料,1、 根据使用方的工艺控制要求，如动作顺序、动作条件、必要的保护和联锁、操作方式（手动、自动、连续、顺序等）等对工艺的每一个环节仔细与工艺沟通。 如果要想取得良好的控制效果就必须对工艺控制流程进行详细了解，了解工艺过程中每一个步骤，每一个参数对工艺的影响，并和工艺人员进行良好的沟通，那么你才能为自控系统设计打下一个良好的基础。,二、根据使用方的工艺控制要求完成控制方案,2、根据工艺流程图及与工艺人员的沟通结 果设计系统控制方案并形成单回路控制框图， 确定自控系统需要的输入/输出器件。常 用到的输入器件有按钮、开关（选择开关、行 程开关）、传感器（温度、压力、流量）等， 常用的输出器件有继电器、指示灯、被控设备 （阀门、变频器、电子装置）。,单回路控制框图,单回路控制框图并不需要什么标准，指示给自己看的，只要你自己 能看明白就行。主要是开始阶段对控制方案的记录，还有对现场仪表的 基本要求。,压力检测 PT-1101 量程：-0.1-1MPa 介质：水,进入DCS 只显示,温度检测 TE-1101 量程：0-100 介质：水， 压力Max 1MPa,进入DCS PID调节 记录、上下限报警,调节阀 介质：饱和蒸汽 阀前压力：0.6MPa 阀后压力：0.3MPa 最小流量：0.5t/h 最大流量：2t/h 正常流量：1.3t/h,工艺流程图中自控仪表常用标号含义 详细参见化工工艺设计施工图内容和深度同一规定,测量点,PG,1101,现场仪表,PT,1101,自控仪表,PC,1101,DCS/PLC,S,执行机构,调节执行机构,字母 首位字母 后续字母 A 分析 报警 C 电导率 控制 D 密度 差 E 检测 F 流量 比值/分数 G 长度 玻璃 H 手动 I 电流 指示,字母 首位字母 后续字母 L 物位 信号 M 水分/湿度 P 压力/真空 试验点 Q 数量/件数 积分/累积 R 放射性 记录/打印 S 速度/频率 安全/联锁 T 温度 传递,实例： PIC-1101 控点编号 字母表述 编号表示为压力显 示控制编号为1101 TE-1101 表示温度检测点编 号为1101,仪表的选型对仪表能否成功使用往往起着很重 要的作用，由于被测控对象的复杂状况以及仪表品 种的繁多、性能指标各异，使得仪表选型比较困难。 没有一种十全十美的仪表，各类仪表都有自己 的特点，选型的目的就是在众多的品种中扬长避短 选择自己合适的仪表。 一般选型可以从五个方面进行考虑，这五个方 面为仪表的性能、介质的特性、安装条件、环境条 件和经济因素。,三、仪表选型、确定现场仪表的性能 及控制方式并完成控制方案,1仪表性能 准确度、重复性、线性度、范围度、量程范围、信号输出特性、响应时间、压力损失、最高承受压力等; 2 介质特性 温度、压力、密度、粘度、化学腐蚀、磨蚀性、结垢、混相、相变、电导率、声速、导热系数、比热容、等熵指数等；,3 安装条件 管道布置方向，流动方向，检测元件前后直管段长度、管道口径、维修空间、电源、接地、辅助设备（如过滤器、消气器）、安装位置、开口容器还是闭口容器等 4 环境条件 环境温度、湿度、电磁干扰、安全性、防爆、管道震动等； 5 经济条件 仪表购置费用、安装费用、运行费用、校验费用、维修费用、使用寿命、备品备件。,仪表选型步骤 1 依据介质种类及五个方面因素初选可用仪表类型； 2 对初选类型进行资料及价格信息收集，为进一步选型做条件准备 3 采用淘汰法进一步对五个方面进行精心反复比较确定目标。 注：当仪表选型结束，就意味着仪表的参数及接线方式以确定，这时我们建立仪表产生表，其内容包括介质参数、仪表性能、仪表特性、接线方式、供电电源 等！,四、确定DCS/PLC类型,随着DCS/PLC的推广普及，DCS/PLC产品的种类 越来越多，而且功能也日趋完善。近年来，从美国、 日本、德国等国引进的DCS/PLC产品及国内厂家组装 或自行开发的产品已有几十个系列、上百种型号。 PLC的品种繁多，其结构型式、性能、容量、指令系 统、编程方法、价格等各不相同，适用场合也各有侧 重。因此，合理选择DCS/PLC，对于提高DCS/PLC在控 制系统中的应用起着重要作用。,1、PLC、DCS、FCS控制系统的特点,1.1 PLC控制器的特点 （1）主要侧重于开关量控制、顺序控制、逻辑处理。 （2）事件处理速度快（可达到毫秒级），并接受外部事件中断 （3）中小型可以处理少量模拟量 （4）当前的PLC大系统同DCS的功能以十分接近。 1.2 DCS分散控制系统特点 （1）从上到下的树状拓扑大系统，其中通信（Communication）是关键。 （2）主要侧重于大量的模拟量处理 （3） 可处理大量闭环控制回路 （4）可做全部或局部冗余 （5）所有卡件/模块可在线更换,1.3 FCS现场系统特点 FCS系统的本质是信息处理现场化 （1）基本任务是：本质（本征）安全、危险区域、易变过程、难于对付的非常环境。 （2）全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置。 （3）用两根线联接分散的现场仪表、控制装置、控制中心，取代每台仪器两根线。 （4）在总线上控制器与仪器、仪表、控制装置都是平等的。 （5）多变量、多节点、串行、数字通信系统取代单变量、单点、并行、模拟系统。 （6）是互联的、双向的、开放的取代单向的、封闭的。 （7）用分散的虚拟控制站取代集中的控制站。 （8）由现场电脑操纵，还可挂到上位机，接同一总线的上一级计算机 （9）可组建局域网，并可与internet相通。 （10）改变传统的信号标准、通信标准和系统标准。 （11）同时具备PLC/DCS特点,2、PLC、DCS、FCS控制系统的选择,上面我们已经介绍了PLC/DCS/FCS的特点，那么我们怎样为工程选择控制系统呢？ 虽然FCS系统具有许多优秀的特点，但由于各生成厂商为独霸市场，通讯协议不公开，造成各厂商之间系统不兼容、硬件不能互换，且价格昂贵，一般企业无法承受；另外尽管FCS系统十分先进，但毕竟是全新结构，其自身还需要进一步完善，所有目前使用量还是非常少。（我个人认为目前不宜选择）,对于是选择DCS还是PLC我个人认为应从以下几点进行选择： 1、控制系统对速度的要求 如安全保护系统、机械手、流水线、铁路设备的控制要求控制器反映非常快，有时要求甚至达到1ms以内，此时应选择PLC。由于DCS系统反映较慢，所以对于高速应用不建议采用DCS。 PLC的反映时间一般为1100ms, DCS的反映时间一般为1001000ms 2、逻辑控制与模拟量控制的比例 如控制系统中逻辑控制占的比例比较大选择PLC，否则选择DCS 3、系统对冗余的要求 如系统要求高可靠冗余以尽量减少因控制系统引起的停车，此时应选择DCS 4、控制系统的规模 如控制系统规模比较大应选择DCS 5、在特殊情况下可选两者结合 如系统规模较大且局部要求高速运行。,首先根据控制方案规模选择DCS或PLC系统，确定DCS或PLC类型能够满足系统控制需求。 控制系统的选择原则： 1、 确定控制系统是否有特殊输入、输出信号，如有DCS/PLC首先应能满足该信号。 2、确定控制系统是否对响应时间有特殊要求，如有DCS/PLC是否能满足响应时间。 3、 DCS/PLC系统的控制规模是否够用并能保证有足够的余量。 4、 DCS/PLC系统控制器存储容量是否够用。（存储容量可按显示报警回路 0.1K/回路、1K/调节回路、0.2K/流量累积 估算，并留有一定余量） 5、 DCS/PLC系统通讯能力是否能满足要求 6、 DCS/PLC系统可扩展能力是否能满足用户要求 7、 DCS/PLC系统维护能力是否能满足用户要求,3、DCS/PLC的选型,五、设计系统单回路控制图,单回路图内容包括：仪表所在区域、仪表型号、 仪表工艺位号、仪表端子号、仪表辅助设备、连接电 缆号、端子号等，具体标准请参照自控专业工程设计 用图像符号和文字代号。 同时应注明仪表的供电电压、功率、电源开关位 号、保险丝规格等参数。,六、机柜的选择,机柜的主要功能是确保柜体中的设备正常运行，不受外界侵扰；并且保护操作者，使其避免危险的接触。机柜一直被看作是自动化控制应用领域中的附属产品，只是用来容纳DCS/PLC、变频器等设备的容器，并不被重视。但是，机柜却是这些昂贵的电气设备最直接的物理保护。那么机柜在自动控制应用中究竟应该如何选型，选型过程中应该注意那些问题呢？ 以下这几点是机柜选型时应该注意的几个方面：可靠的质量保证；承重保证；防护等级；温度控制系统；机柜的兼容性。,机柜选择的重点条件： 机柜的尺寸及安装版结构 机柜的防护等级（防尘、防水、防爆） 机柜及柜内安装件的承载能力（通过计算所安装元件的重量确定，并有足够的过载能力） 机柜内部温度控制（通风或恒温控制） 机柜防腐能力 如出口还应考虑是否有相关认证 机柜的颜色,IP防护等级介绍,防护等级IP54， IP为标记字母，数字5为第一标记数字，4为第二标记数字 第一标记数字表示接触保护和外来物保护等级，第二标记数字表示防水保护等级；,第一个数字 接触保护和外来物保护 0 无防护 1 防护50mm直径和更大的固体 2 防护12.5mm直径和更大的固体 3 防护2.5mm直径和更大的固体 4 防护1.0mm直径和更大的固体 5 防护灰尘 6 灰尘封闭,第二个数字 防水保护等级 0 无防护 1 垂直落下的水滴不应引起损害 2 柜体向任何一侧倾斜15度角时，垂直落下的水滴不应引起损害 3 防护溅出的水，以60度角从垂直线两侧溅出的水不应引起损害 5 防护喷水，从每个方向对准柜体的喷水都不应引起损害 6 防护强射水，从每个方向对准柜体的强射水都不应引起损害 7 防护短时浸水，柜体在标准压力下短时浸入水中时，不应有能引起损害的水量浸入 8 防护长期浸水可以在特定的条件下浸入水中，不应有能引起损害的水量浸,机柜认证介绍,1、欧洲 采用IEC标准、DNV、TUeV、VDE等认证 2、北美地区 采用NEMA标准、CSA、UL/cUL认证 对出口机柜通常都需要这些国外的认证。还有特殊需求的认证，比如船用设备，通常需要船级社的认证，象Lloyds劳埃德船级社认证等。再有防爆箱体需要相应防爆等级的认证。,七、分配I/O、设计机柜结构,在自控系统中，机柜结构和布线设计似乎属于技术含量较低的工作，经常被人忽视，但是优秀的机柜结构及布线是避免柜内设备之间干扰、外界电磁干扰并保证设备可靠运行根本。同时优秀的机柜结构及布线保证了操作者的人身安全，在机柜的结构与布线设计上有很多需要考虑的问题。,1、对于 I/O 的分配要遵循一定的原则,对应较小规模的控制系统，可能只需要一台机柜 或一个控制箱就能满足装配条件，这时不需要考I/O 分配问题，只要考虑机柜结构和布局就可以了。 对于大型的控制系统，一台机柜根本装不下所有 的控制原件，这时就需要多机柜结构。此时不但要考 虑机柜结构和布局，同时还要考虑为每台机柜分I/O 的数量、类型及供电系统的配置。 我个人在多年的实践中总结了一些规则，仅供各位参考：,6.1.1、每台机柜I/O点上不宜过多 虽然现在的DCS/PLC系统越来越小型化，I/O的密度越来越高，但每台机柜进入的电缆容量是有限度的。如分配的I/O点数太多就会给施工及日后维护带来不便。 6.1.2、多点数卡件与小点数卡件合理分配 如果多点数卡件过度集中到某一机柜，就会造成进入该柜电缆过多，由于受到电缆数量限制，造成该机柜空间浪费。 6.1.3、在满足以上两条的前提下尽量保证同一类型信号的卡件在同一机柜中。 同一机柜中的信号类型越少，抗干扰设计越容易、布线条件越宽松。 6.1.4、使每台机柜中供电系统尽量均衡。 如果供电系统分配不均衡会造成某台机柜的电源容量过大，因而使导线过粗，给布线带来不便。另外如果供电系统分配不均衡会造成某台机柜的开关或保险过多，造成和其他设备抢空间，使柜内空间拥挤。 6.1.5、大功率、大电流、高频、高压的I/O设备尽量与弱信号、低频I/O分开。 6.1.6、尽量减少机柜之间的跨盘线。 如果存在大量机柜之间的跨盘线，会给现场施工带来巨大困难。,2、机柜的结构设计与布局,在控制系统的机柜中不可避免的会出现大功率、大电流、高压的I/O设备与弱信号；高频与低频信号，共存于同一台机柜中，这时为了克服信号间电磁干扰就需要严格的机柜结构与布局设计，如设计合理就可避免来自机柜本身和外界的干扰，使系统稳定运行。 另外机柜的结构与布局设计还涉及到设备的安全运行与操作人员的人身安全。例如高发热量设备的散热设计，高温表面及高电压元件是否会被操作人员接触等。 为了保证机柜的结构与布局合理应遵循以下原则：,机柜结构方面 6.2.1、机柜首先应从结构上保证操作人员的人身安全且使设备安全运行 机柜的安全结构包括机柜机柜防护等级、安装设备的机柜及框架的承重能力、高电压裸露元件及高温表面的防护措施、机柜的散热措施等。 6.2.2、机柜的结构应方便安装与日后维护 机柜的结构应与安装现场相结合。设计机柜外形尺寸以前应先到现场实际查看安装位置及空间；进入现场的路线，以决定机柜的开门形式及外形尺寸。 另外的结构上应尽量方便拆卸，由其是柜门及侧护板安装拆卸应方便，如果为双安装板尽量采用前后开门结构，单门结构时外侧安装板应能自由打开或拆卸。 6.2.3、在结构上应保证所有控制原件的安装与拆卸。 在结构上应保证日常维护中所有控制原件的安装拆卸方便快捷。防止因一个原件的拆卸而拆掉多个原件。 6.2.4、机柜内必须安装照明设备，尽可能安装维修插座。,柜内原件分区布局 强电与弱电尽量分开（如独立机柜、前后布置、左右布置等） 大功率设备与小功率设备分开 高频元件与低频元件分开 如无法满足以上要求时应采取局部屏蔽措施 高热量原件周围应有足够散热空间，且所散热量不应对其他原件有影响 对应小功率高密度安装原件应尽量采用水平布置，以免产生热量累积 如采用垂直安装应降功率使用。 元件布置应为连接电缆预留足够空间 设备布局应方便接线及日后维护 行线槽填充量不宜大于50% 在柜内布置图上应表明线缆走向 整体布局应 整齐美观（如行线槽尽量选择高度一致的不同宽带的行线槽）,关于控制柜的功能化布局与混合布局 机柜功能化布局与混合布局解释： 机柜功能化布局就是按控制原件功能对机柜进行布局。比如DCS/PLC 系统装入单独的机柜中，称之为DCS/PLC柜、安全栅装入单独的安全栅柜 中，称之为安全栅柜、继电器装入单独的继电器柜中，称之为继电器柜等 等。 此种按自控原件功能进行机柜布局的称之为功能化布局，如将不同功 能的自控原件装入同一机柜中，称之为混合布局。 功能化布局的优点： 机柜结构简单、柜内原件布局方便、容易设计、机柜容易制造、机柜 可按功能分配给各个专业厂商。 设计院多以此形式出图，一般分为DCS/PLC柜、安全栅/隔离区柜、 中间继电器柜你、端子柜、电源柜、变频器柜等。 功能化布局的缺点： 机柜间跨盘线多；现场施工量大；现场信号分散无规律；由于DCS /PLC机柜与其他各机柜跨盘线多信号不宜使用屏蔽电缆且信号不容易区 分容易产生信号间电磁干扰、由于大量跨盘线使连接点增多，使故障点增 加不利于开车调试与日后维护。,混合布局的优点： 混合布局优缺点正好与功能化布局相反。其最主要优点为现场接线方 便；由于减少了跨盘线使现场施工量减少缩短了工期；跨盘线的减少使因 接线引起的不确定因素减少有利于开车调试；并且便于日后生产维护。 混合布局的缺点： 机柜结构布局设计困难不利于设计；因机柜生产繁琐使得生产周期 长；机柜生产厂商需成套供应或其他自控原件供应商先把产品发给机柜生 产商，由机柜生产商统一安装完毕后在发给用户，商业运作比较麻烦。 总结 ： 虽然混合布局不利于设计且商业运作比较麻烦，但其大部份工作由机柜生产厂家完成。另外生产厂家技术水平一般要比现场施工工人技术水平要高很多且检测设备及检测机制比较完善，使设备运到现场后有利于安装开车调试，日后生产维护也简化方便，所以应尽量采用混合布局,现场信号,端子柜,安全栅柜,继电器柜,XX柜,DCS/PLC柜,现场信号,混合布局柜,功能化布局机柜信号流程图,混合布局机柜信号流程图,八、制作机柜布线图,布线图的设计并不是简单的将单回路图 设计成布线工所能识别的布线图纸。一个好 的布线图设计能直接在设计阶段杜绝一些调 试阶段才能发现的问题，并使布线最简化。 因此要求设计者在设计初使必须掌握所使 用的 DCS/PLC 及各种仪表的接口特性。如端 口的输入/输出阻抗，电源/输入/输出 端的隔 离情况，通道之间是否隔离等。,1、布线图设计注意事项,信号回路阻抗是否匹配 案例1：,变频器,调节器,500,+,-,调节器输出为420mA 变频器输入为210V,为了将420mA转 换为210V，在变 频器侧并联了500 电阻.,图1,变频器,调节器,10K,500,+,-,在此例中因为没有考虑变频器的输入阻抗在实际调试时 遇到了麻烦，当调节器输出为20mA时，变频器输入侧电压仅 有9.52V，变频器不能满频输出，断开变频器时，500电阻 两端电压为10V，因此判断变频器输入阻抗过低所致，查询 变频器说明书其输入阻抗仅为10K 10K/500*20mA=9.524V 在信号连接时应注意阻抗匹配，否则可能因为阻抗匹配引 发的精度下降问题！,图2,必须了解DCS/PLC或仪表的输入/输出结构 虽然DCS/PLC或仪表的输入/输出信号标准相同，但是可 能因为输入/输出结构不同可能造成信号不匹配。 案例1：此种情况多发生在非隔离共24V电源回路中：,信号发送端,信号接收端,24V电源,24V.DC,+,-,电源端子,电源端子,+,-,信号输出端子,信号输入端子,图3 在输入/输出电路与电源隔 离情况下，可正常工作。,24V电源,输出 420mA 负载电阻 300,输入 420mA 输入电阻 250,信号发送端,信号接收端,24V电源,24V.DC,+,-,电源端子,电源端子,+,-,信号输出端子,信号输入端子,1,2,3,4,5,6,图4 在考虑仪表内部输入/输出结 构情况下，有些输入输出结构可 能造成信号不能正常传输！,输出 420mA 负载电阻 300,输入 420mA 输入电阻 250,多通道仪表/卡件的信号串联应注意的问题,信号1：420mA,信号2：420mA,+,+,-,-,IN1,IN2,INn,IN1,IN2,INn,图5 在理想（不考虑信号接受端内部结构）情况下此种信号串联表面上看并不纯在问题。,信号1：420mA,信号1：420mA,+,+,-,-,IN1,IN2,INn,IN1,IN2,INn,图6 大多数多通道输入 仪表或 DCS/PLC 卡件 其内部将输入信号负极 为公共端，虽然他们都 说自己的 设备/卡件 是 隔离的！,信号1：420mA,信号1：420mA,+,+,-,-,IN1,IN2,INn,IN1,IN2,INn,图7 在分析内部信号结构后我 们就会发现，第二个信号 接受卡件将不能正常接受 信号。 Vi=(I1+I2）*Rin1/Rin2 在与多输入信号设备 做电流信号串联时，应注意信号公共端是否对 串联回路产生影响！,单回路电流串联应注意的问题,信号发送端,信号接收端2,24V电源,24V.DC,+,-,电源端子,电源端子,+,-,信号输出端子,信号输入端子,1,2,3,4,输出 420mA 负载电阻 900,输入 420mA 输入电阻 250,信号接收端1,输入 420mA 输入电阻 250,5,图8,该串联回路可正常工作，但在测量信号回路电流时应注意测量点的选择！ 如在信号回路红线处串入电流表将无法测得信号的准确电流。,信号发送端,信号接收端2,24V电源,24V.DC,+,-,电源端子,电源端子,+,-,信号输出端子,信号输入端子,1,2,3,4,输出 420mA 负载电阻 900,输入 420mA 输入电阻 250,信号接收端1,输入 420mA 输入电阻 250,5,图9,该串联回路不能正常工作，所以在信号串联回路中应根据信号输入/输 出端的结构选择所串原件的先后顺序。如果两个信号接收端均与信号接收 端2结构相同则无法实现信号串联。,二线制变送器配电回路注意事项,在设计二线制变送器布线图时我们需要了解如下参数： 1、变送器主要参数是变送器的最低工作电压，和最 高工作电压。 2、配电回路的最高电压和最低电压 3、线路阻抗（一般铜芯仪表电缆每千米电阻为 1平线径 20/km、1.5平线径 13/km） 4、配电回路中信号接受端的信号输入阻抗 这些参数决定了我们所设计的配电回路是否能满足变送 器的正常工作条件。 变送器的正常工作条件： 最高配电电压变送器最低工作电压 图10和图11是两种比较常见的二线制变送器配电回路，通过 计算核实配电回路是否满足变送器的正常工作条件,24V+,变送器,输入电阻,仪表420mA 输入端,导线电阻,变送器,配电器/ 安全栅,导线电阻,图10,图11,该回路中： 变送器最高工作电压=24V配电电压 变送器最低工作电压=24V配电电压-I*（导线电阻+仪表输入电阻） 例：图10中变送器允许最高工作电压为35V最 低工作电压为13V，由于24V电源允许波10%， 变送器允许量程过载10%、导线电阻为两根导 线电阻之和所以 最高工作电压=24*1.1=26.4V 最低工作电压=24V*0.9-(20mA+16*0.1)*(2*10+250)=15.768V 满足变送器正常工作要求,该回路中： 变送器最高工作电压=安全栅最高配电电压 变送器最低工作电压=安全栅最低配电电压-I*导线电阻 例：图11中变送器允许最高工作电压为35V最低 工作电压为13V，安全栅最高配电电压为26V，安 全栅最低配电电压为17V,变送器允许量程过载 10%、导线电阻为两根导线电阻之和 所以 最高工作电压=安全栅最高配电电压=26V 最低工作电压=17-(20mA+16*0.1)*2*10=16.568V 满足变送器正常工作要求,热电阻、热电偶使用注意事项 热电阻温度传感器具有使用简单、信号灵敏度高、测温精度高、造价底等特 点，在测温领域得到广泛应用。热电阻虽然本身具有较高精度，但由于如果信号 是以电阻变化来反映温度变化，所以引线电阻将会影响其测量精度，如果使用不 当将会使其精度大为降低。（常用类型：Pt1000/PT100/PT10、Cu50/Cu100） 热电阻测温回路根据接线方式可分为：二线方式、三线方式和四线方式，测 温精度二线方式最低，三线方式精度适中，四线方式测温精度最高。按工程造价 二线方式最为经济，但由于精度太低，所以很少使用使用。三线方式测温测量精 度较高，一般能保证使用精度又比四线方式经济，所以得到广泛应用。大多数温 度变送器均使用三线测量方式。四线方式精度最高，但也最不经济仅在极少数场 合得到应用。 由于三线方式引入了导线补偿功能，所以导线补偿功能的强弱在热电阻测温 仪表中一个参数表现出来，一般补偿能力在30以内，如补偿能力强则信号电缆 可用长度增长，否则电缆长度将变短。另外三线接线方式要求使用同一电缆中的 三颗导线线径必须相等，接线时一颗导线接测温电阻的一个接线端子，另外两颗 共同接到测温电阻的另一个端子上。,a,b,c,a、b两颗线为测温 导线，c 为导线电阻补偿导线,一定要注意b、c 两颗 导线一定要在测温电 阻侧短接！,热电偶传感器具有耐震动、测量温度高，在高温测量及震 动比较严重的场所广泛使用。由于热电偶所产生信号非常小 （均为毫伏级）容易受干扰、且造价比较高，所以在低温区很 少使用。（常用类型：K、E、S、B） 由于热电偶为温差测温元件，所以热电偶的输出信号均是 以其测量冷端为0时为标准，在实际使用中，热电偶的大部分 测量回路冷端为室温，这时就涉及到热电偶冷端补偿问题。当 使用仪表或温度变送器测温时时，它们大多自身已含有温度补 偿元件及相应电路，此时可以不考虑温度补偿问题。但是绝大 多数DCS/PLC 本身并不含温度补偿元件及电路，这时需要使用 额外的热电阻输入通道去测量热电偶冷端温度，然后通过编程 组态来完成温度补偿。,小提示：你在含义热电偶测量的 DCS/PLC 系统中看到室温测量通 道，不要单纯的将他看为是室温测量，实际上他是热电偶的冷端补偿通 道。这时应将该通道测温原件尽量安放在热电偶测量通道的端子附近。 在热电偶使用中还应注意的是测温元件即热电偶是安装在现场，但 测量仪表或DCS/PLC 是安装在控制室，也就意味着它们的补偿原件是安 装在仪表上或控制室内，它们所测得的环境温度并不是热电偶的冷端温 度而是控制室内温度。由于控制室和现场存在温度差异，使热电偶补偿 后测得的温度也出现相同差异造成测量精度下降。 解决此问题的有两个常用方法：将每个测量回路的补偿原件移到该 测量回路的热电偶冷端，这时冷端原件所测温度为热电偶实际的冷端温 度。这种方法补偿精度最高。但工程造价会随之大幅增高，很少使用， 只在精度要求比较高的场所得到应用。还有一种方法是使用补偿导线， 使用温度补偿导线将热电偶接入控制室直接接到仪表端子或DCS/PLC端 子上，相等于将热电偶冷端移到控制内，这种方法比较简单，且造价相 对低廉。补偿精度相等于第一种方法较低，但精度能满足大多数应用。 用DCS/PLC测量热电偶时，应将热电偶信号集中到一段连续的端子上， 且尽量使该段端子处于温度变化缓慢的位置，这样DCS/PLC使用一个温 度补偿回路就可以了。,布线图的画法 1按机柜布置图将机柜内相关设备、卡件、仪表端子布置在布线图上，仔细核对以免遗漏。 2尽量按信号种类将各种输入输出信号按顺序进行排序，并安排接线端子。 3将单回路图按机柜分配给个机柜 4仔细核对单回路图查看每个信号回路是否需要额外端子。例如：变送器电源、执行机构电源、辅助信号等。 5按盘面仪表或DCS/PLC卡件顺序连接信号线号。 6统计本盘柜内电源开关数量，设计本盘柜内电源系统图。注意不要遗忘本盘柜内的照明设备、温控设备、维修插座等，另外还要至少保留10%余量 7将电源系统的分路开关或保险连接到各控制回路 8根据各控制回路电源容量为电源系统图各分路开关、或保险计算容量参数。一般设备为其额度电流的120%，含有开关电源的设备为其额度电流的200%，总开关电流等于电流总和的150%。另外使用断路器或空开时，应标明是直流还是交流开关。 应有一台机柜包含系统电源柜功能，除了为本柜供电以外，还要含有系统总电源开关、UPS回路、操作站、各机柜分开过、现场设备等隔离开关。如果系统较大应设立独立电源柜。,九、系统接地,接地系统又保护接地与工作接地，接地系统不但关系到操作人员的 人身安全而且还是自控系统抗电磁干扰的有利措施。 1、保护地： 1）、仪表盘、仪表柜、仪表箱、仪表操作台； 2）、DCS/PLC/ESD机柜和操作站； 3）、计算机系统机柜及计算机操作台； 4）、供电盘、供电箱、用电仪表外壳、电缆桥架（托盘）、穿线管、接线盒、铠装电缆保护层； 5）、其他各种自控系统辅助设备 6）、安装在非防爆场所的仪表盘上的指示灯、按钮、继电器等小型低压电器的金属外壳，当与以做接地的仪表盘金属外壳良好接触时可不做地。 7）、低于36V供电的现场仪表、变送器、就地开关等，在无特殊要求时可不做保护接地、 8）、凡做了保护接地的地方即认为以做了静电接地。 9）、控制室使用防静电活动地板时应做静电接地。 10）、静电接地与保护接地共用接地系统,2、工作地 工作地包括信号回路地、屏蔽接地、本质安全地。 1）、信号回路地 在自控系统中非隔离信号需要建立一个同一的公共信号参考点，并应进行接地（通常为24V电源负极）。隔离信号可不接地（这里的隔离指任何电源、任何通道间均隔离）。 2）、屏蔽接地 自控系统中为降低电磁干扰的屏蔽线屏蔽层、排扰线、卡件或仪表上的屏蔽端子均应接地。 3）、本质安全接地 1）本质安全仪表系统在安全功能上必须接地的部件，应按制造商的要求接地。 2）齐纳安全栅的汇流条必须与供电的直流电源公共端相连，且汇流条必须双重接地 3）隔离型安全栅不需接地。,3、自控系统接地电阻应小于4，接地联结电阻应小于1 4、接地系统应选用多股铜芯绝缘导线，并根据长度按下列要求选用。 接地连线 12.5mm2 接地分干线 416mm2 接地干线 1025mm2 接地总干线 1650mm2 我单位对机柜内底线布置要求： 根据使用单位接地系统在机柜内应设置接地母排，母排规格为3*20铜 母排，按20mm等间距排布M4螺丝。柜内设备或元件按设备要求接地，DCS/PLC机笼、机架接地线至少使用2.5mm2多股绝缘软导线。接地线 使用冷压接线头用冷压钳压实后挂锡。,十、机柜布线,机柜布线原则 弱电信号与强电信号线及电源线分开敷设，严禁将弱电信号与强电信号或交流电源线捆扎成线束。如无法分开时应尽量采用十字交叉或缩短平行走线距离。 各种信号线电源线应有颜色区分，以便于配线检测及日常维护。 根据电线载流大小确定合适线径，但线径最低不能小于0.3mm2以保持一定抗拉能力，防止导线拉断或震动折断。 进机柜电缆尽量不要直接接入柜内设备而应采用接线端子分开（大电流设备除外） 软导线应使用预绝缘接线端头 导线两端应套入标号，标号字迹清晰且长短应一致。 公共线应在接线端子侧短接，尽量不要在原件侧短接。以免因更换原件而使公共线断路，是其他原件工作异常。 导线应尽量按信号类型一DCS/PLC卡件为单位捆成线把。以方便校线及线路查找。 除管型接线端头以外，其他类型接线端头应做挂锡处理 按紧固件大小选择不同螺丝刀或扳手进行紧固。,柜内配线一般选择BV或BVR系列导线，线径最低不能 小于0.3mm2 且经过CCC认证的合格产品。,交流三相电路 A相 黄线 B相 绿线 C相 红色 零线或中性线 淡蓝色 安全用接地线 黄绿双色 2 直流电路 正极 棕色 负极 蓝色 接地中间线 淡蓝色,我单位线色规定：,交流电源 相 红色 零线或中性线 淡蓝色 安全用接地线 黄绿双色 直流电源 正极 棕色 负极 白色 信号线 正极 绿线 负极 黄线 去防爆区域 蓝色,1、放线时必须根据实际需要长短来落料，一段根据实际需要留有一 弹性弯头，另一段放有100150毫米的余量。活动线束应考虑最大极限 位置需用长度，放线时尽量利用短、零线头，以免浪费。 2、导线不允许有中间接头，导线排列应尽量减少弯曲和交叉，弯曲 时对其弯曲半径应不小于3倍的导线外径，并弯成弧形，导线交叉时，则 应少数导线跨越多根导线，细导线跨越粗导线为原则。 3、布线时每根导线要拉勒挺直，行线做到平直整齐，式样美观。导 线穿越金属板孔时，必须在金属板孔上套上合适的保护物，如橡皮圈。 4、导线束用阻燃缠绕管绕扎，为了达到导电时的散热要求，缠绕管 每绕一周应有310mm空隙，同时亦可分段缠绕，分段缠绕的间距为 150180mm，缠绕长度为100mm，分段缠绕的线束，分段亦应整齐，不 允许参差不齐，导线应在行线槽内行走。 5、活动线束多于10根时，允许分束捆扎，但线束在最大、小极限范 围内活动时，不允许出现线束松动、拉伸和损坏绝缘等现象。 6、线束用螺丝压板固定，固定点的间距水平不得大于200mm，垂直 不得大于300mm，压板和线束之间必须有保护层，可以采用塑料套管或 者缠绕管密集缠绕，保护导线不受损坏。 7、活动线束的活动部位两端固定时应考虑减少活动部位的长度和减 少活动时线束的弯曲程度。,布线规定,8、每一个接点接线最多不超过两根，当需要连接两根以上导线时，应采 用过渡端子，以确保连接可靠性。 9、当接线端子为压接式端子时，独股线直接插入，导线绝缘外皮至 端子压板距离为1.02.0mm，多股线采用相应规格的冷压接头，导线绝 缘外皮至接头管之间距离为1.02.0mm。 10、各类压接式端子必须用螺钉将插入导线压紧，不得有松动现象。 11、当接线端子为螺丝连接时，多股导线必须采用相应规格的冷压接 头，独股线弯曲成圆圈按顺时针方向弯曲，内径比端子接线螺丝外径大 0.51.0mm，圆圈导线不能重叠，连接后导线至绝缘层之间距离为1.0 2.0mm。 12、导线用螺丝、螺母、平垫、弹垫压接紧固，插入部件后，弹垫应 压平，螺母紧固后螺栓外露长度为25牙。 13、号码套管连接后应同元器件安装平面平行，标号字迹清晰。 14、号码套管当导线连接后距接线端子距离为1.02.0mm，当无外力 处于垂直位置时应不存在滑动现象。 15、注意事项 a、线束应尽可能远离发热元件敷设（如：电阻、指示灯、变压器等），并应避免敷设于发热元件的上方。 b、线束接入发热元件时，在电阻15W以上（含15W），应剥去4050mm绝缘层，并套上瓷珠。,常用冷压接线端头,针型预绝缘端 头TZ-JTK型,圆形预绝缘 端头TO-JTK,片形预绝 缘端头,圆形端头 TO型,叉型预绝缘端 头TU-JTK型,管形预绝缘 端头(VE型),窥口铜接线端头 型,母全绝缘 端头,母预绝缘端头,例：S7-300 PLC 选型,配置要求： 1、AI 58点、AO 20点、DI 30点、DO 20点 2、操作站（工程师站）2套。 3、两点开关量同时满足调节时要求在20ms内停止电机运行 4、闭环调节回路16个，手动模拟量操作4个 5、电机启停控制8个，压力开关联锁4个 6、要求预留20%余量 根据以上要求选定PLC型号及相应卡件并配置,例：S7-300 PLC 选型,根据以上要求决定CPU的主要参数有两个 1、联锁条件为20ms停止电机联锁 2、系统I/O规模 第一个条件已经确定，即20ms联锁。 第二个条件需要进一步确定，即将实际I/O点数加上20%余量。,例：S7-300 PLC 选型,AI = 58点 * 1.2 = 69.6 取整为 70点 西门子S7-300 AI 有2/4/8点输入模块，选 8点输入模块较为合理。 70 / 8 = 8.75 9个模块， 实配点数为 9 * 8 =72 点 AO = 20点 * 1.2 = 24 点，西门子S7-300 AO 有 4/8点输出模块，选8点输出模块较为合理。 24 / 8 = 3 正好合适，即实配点数为24点 DI = 30点 * 1.2 = 36点，西门子S7-300 DI 有 8/16/32点输入模块，选 32点输入模块 1块 + 16点输入模块 1块较为合理，实配点数为 48 点。 DO 20点 * 1.2 = 24 点，西门子S7-300 DO 有 8/16/32点输出模块，选 32点输入模块 1块 较为合理，实配点数为 32 点。 实际配置点数为：AI 72点、AO 24点，模拟量合计 96 点， DI 48点、DO 32点，开关量合计 80 点,例：S7-300 PLC 选型,首先从控制规模选择CPU 根据CPU技术参数手册从I/O规模来看313C 可带3个机架31个模块，314最多带3个机架32个 模块，313开关量I/O为 992/992点,模拟量I/O为 248/124点, 314开关量I/O为 1024/1024点,模拟量 I/O为256/256点,均可满足控制规模要求，从经济 角度314CPU 最为经济。,例：S7-300 PLC 选型,确定 S7-300系列 系统反应时间是否够用 由于要求控制时间比较短，且西门子S7-300系统支持外部中断功能，因此采用中断处理方式来提高反应速度。 决定系统中断反应时间的因素 1、DI模块的输入延迟 2、DO模块的输出延迟 3、CPU过程中断的响应时间 4、由于通讯造成的时间延长 5、DI模块中断延迟 6、DO中间继电器延迟 以上参数均可从西门子CPU技术参数和模板规范中查的,例：S7-300 PLC 选型,当选择314CPU时计算中断延迟 1、DI模块的输入延迟 西门子带中断功能开关量输入模块的输入延迟为可组态 参数，延迟时间分别为 0.1/0.5/3/15/20ms，取0.1ms 2、DO模块的输出延迟 DO输出延迟可忽略不计 3、CPU过程中断的响应时间 CPU过程中断的响应时间约为0.7ms 4、由于通讯造成的时间延长 通讯时间延长通过计算大约为0.6ms 5、DI模块中断延迟 DI模块中断延迟为0.25ms 6、DO中间继电器延迟 DO中间继电器延迟一般最大为3ms 过程中断响应时间=0.1ms+0.7ms+0.6ms+0.25ms+3ms=4.65ms小于控制系统要求的20ms，完全满足控制要求,例：S7-300 PLC 选型,核算CPU存储器开销是否满足控制要求 一般模拟量显示按每点0.1k，调节回路每点1k，开关 量每点0.1k。 模拟量总数即为显示点数=96点*0.1k=9.6k， 最大控制点数为24点*1k=24k 开关量总点数为80点*0.1k=8k 存储器使用总量=9.6+24+8=41.6k 314CPU存储器容量为48k大于存储器开销，满足控制系统 组态要求,例：S7-300 PLC 选型,CPU选定以后，下一步我们将确定系统I/O模块 因为开关量有两点为高速且应具备中断功能，所以至少有一个DI模块应具备高速输入及中断功能。其他只要满足数量要求即可。 对于开关量输入输出模块出于安全考虑尽量选用低电压产品，所以选择24V标准电压输入输出模块较好。 根据前面I/O点数计算结果选择一块32点输入和一块16点输入模块，因为高速中断模块价格较高所以选定16点输入模块为高速中断模块。 选型结果为：6ES7 321-1BL00-0AA0 32点 24V.DC输入模块一块 6ES7 321-7BH01-0AB0 16点 24V.DC输入模块(带中断）一块 开关量输出模块选择，因为继电器存在机械结构故障率较高，且为了保护PLC系统一般DO输出均采用中间继电器隔离，所以选用晶体管输出的24V DO模块 选型结果为：6ES7 322-1BL00-0AA0 32点 24V.DC 输出模块一块,例：S7-300 PLC 选型,模拟量模块选型 模拟量输入模块的选择主要有两个方面，一是转换速度，二是转换分 辨率。本项目中对转换速度没有特殊要求，所以不予考虑，对应分辨率因西门子AI模块最低分辨率为12位完全能满足一般工艺要求，所以选择性价比较好的 6ES7 331-1KF01-0AB0 8路、13位精度模拟量输入模块 AO模块选择 6ES7 332-5HF00-0AB0 8路模拟量输出模块。 PLC系统电源选择 PLC系统电源总功率=CPU+模块+系统外部供电 个人认为用PLC系统电源对外部供电有一定风险，所以外部供电使用单独电源，功率另算。 314CPU满载电流为0.9A,模拟量输入模块不消耗24V电源，但其变送器回路需消耗 24V电源，假设全部模拟量均为二线制变送器则有 72路 * 22mA= 1.58A ,模拟量输出模块 3 * 每块模块消耗 320mA = 0.96A，,例：S7-300 PLC 选型,DI模块，16路高速带诊断模块自身消耗 90mA电流32路自 身不消耗，每个DI回路消耗7mA，总消耗电流 =7mA*48=0.336A，DO模块自身消耗340mA，如果每路带一 个中间继电器，每个继电器消耗40mA电流，则中间继电器最 高消耗 40mA*32=1.28A 核算总电流=CPU（0.9A）+变送器（1.58A）+模拟量输出模块（0.9