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仪表基础知识培训 1 目录 一 仪表概述二 仪表基础知识三 现场仪表四 控制仪表 2 仪表概述 3 随着社会进步和科学技术的发展 自动化装置在生产过程中得到广泛的应用 早期的仪表控制是生产装置的眼睛和耳朵 而对于现代化工厂的自动化装置已不仅仅是工厂的眼睛和耳朵 而已成为工厂的大脑 神经和手 脚 随着电子技术 计算机技术 控制技术 网络技术的发展 自控技术得到了长足的发展 已成为化工企业提高企业效益和工作效益的有效手段 它是经营管理 企业管理 操作管理 运转管理 运转控制等方面的集成 是社会现代化 科学技术进步的重要标志 从化工装置的发展过程可以看出自动化装置的作用 4 仪表及自控系统在化工装置中占有重要而关键的地位 工艺介质及装置设备的运行状况如流量 温度 压力 转速 振动等参数都由仪表及自控系统进行自动检测 显示 控制和保护联锁 没有仪表及自控系统 整个装置将无法运转 因此 仪表性能及工作状况的好坏 直接影响到工艺介质及装置设备的运行 以至影响到工艺介质及装置设备的安全运行和经济效益 5 仪表基础知识 6 一 基本概念1 过程参数检测基本概念过程参数检测 指连续生产过程中的温度 压力 流量 液位和成分等参数的检测 检测仪表 将检测元件 变送器及显示装置统称为检测仪表 一次仪表 一般为将被测量转换为便于计量的物理量所使用的仪表 二次仪表 将测得的信号变送转换为可计量的标准电 气信号并显示的仪表 即包括变送器和显示装置 7 2 测量过程与测量误差测量过程 利用一个已知的单位量 即标准量 与被测的同类量进行比较的过程 即用仪器获取数据各方面信息的过程 测量误差 在测量过程中测量结果与被测量的真值之间会有一定的差值 它反映了测量结果的可靠程度 8 测量误差的分类 按误差的数值表示来分 分为绝对误差 相对误差和引用误差绝对误差 指测量结果与被测量的真值之差 相对误差 指绝对误差与真值或测量值之百分比 引用误差 指绝对误差与测量范围上限值或测量仪表量程的比值 以百分数表示 工业仪表通常用引用误差来表示仪表的准确程度 9 按误差出现的规律来分 可分为系统误差 随机误差和疏忽误差 系统误差 指测量仪表本身或其他原因 如零点没有调整好等 引起的有规律的误差 随机误差 指在测量中所出现的没有一定规律的误差 疏忽误差 指观察人员误读或不正确使用仪器与测试方法等人为因素所引起的误差 10 按仪表使用的条件来分 有基本误差 附加误差基本误差 指仪表在规定的正常工作条件下所具有的误差 附加误差 指仪表超出规定的正常工作条件时所增加的误差 11 3 检测仪表分类检测与过程控制仪表最通用的分类 是按仪表在测量与控制系统中的作用进行划分 一般分为检测仪表 显示仪表 调节 控制 仪表和执行器4大类 12 仪表分类表 13 二 仪表主要性能指标在工程上仪表性能指标通常用准确度 又称精度 变差 灵敏度来描述 1 准确度和准确度等级在正常使用条件下 仪表测量结果的准确程度叫仪表的准确度 准确度等级 在工业测量中 为了便于表示仪表的质量 通常用准确度等级来表示仪表的准确程度 准确度等级就是最大引用误差去掉正 负号及百分号 准确度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标 我国工业仪表等级一般划分为0 1 0 2 0 5 1 0 1 5 2 5 5 0七个等级 仪表准确度习惯上称精度 准确度等级习惯上称为精度等级 14 2 变差是指仪表被测变量多次从不同方向达到同一数值时 仪表指示值之间的最大差值 变差大小取最大绝对误差与仪表标尺范围之比的百分比 15 3 灵敏度是指仪表对被测参数变化的灵敏程度 或者说是对被测量变化的反映能力 是在稳态下 输出变化增量对输入变化增量的比值 16 三 仪表位号的表示方法1 仪表位号的组成在测量 控制系统中 构成一个回路的每一个仪表都有自己的仪表位号 仪表位号由字母代号和回路编号两部分组成 第一个字母表示被测变量 后继字母表示仪表的功能 回路编号可以按装置或工段 区域 进行编制 一般用三至五位数字表示 如下例所示 17 2 被测变量和仪表功能的字母代号 18 19 现场仪表 20 一 概述在化工生产过程中 控制的主要工艺参数有温度 压力 流量 物位 成份等 1 液位单回路控制的例子 贮槽 21 2 简单控制系统的组成 22 2 1测量 变送环节这一部份在现场 由各种变送器组成 根据被测参数的不同 一般分为下列几类 A 温度传感器 变送器B 压力 压差变送器C 流量变送器D 液位变送器E 分析仪表 如 可燃性气体检测探头 氧量分析仪 浊度仪 PH计 23 2 2执行机构这一部分也在现场 常见的执行机构是调节阀 还有变频器 如恒压供水 交 直流调速电机 等等 2 3显示 运算 控制 管理显示 运算 控制 管理是核心 功能最多 技术性最强 技术进步最快的部分 DCS和PLC就是这一部分 24 二 常规仪表1 温度仪表1 1基本概念温度是表征物体冷热程度的物理量 温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量 而用来量度物体温度数值的标尺叫温标 它规定了温度的读数起点 零点 和测量温度的基本单位 目前国际上用得较多的温标有华氏温标 摄氏温标 热力学温标和国际实用温标 25 华氏温标 F 规定 在标准大气压下 冰的熔点为32度 水的沸点为212度 中间划分180等分 每等份为华氏1度 符号为 F 摄氏温度 规定 在标准大气压下 冰的熔点为0度 水的沸点为100度 中间划分100等分 每等份为摄氏1度 符号为 摄氏温度值t和华氏温度值tF有如下关系 热力学温标又称开尔文温标 或称绝对温标 它规定分子运动停止时的温度为绝对零度 记符号为K 26 1 2温度测量仪表的分类 按使用的测量范围分常把测量600 以上的测温仪表叫高温计 测量600 以下的测温仪表叫温度计按用途分标准仪表和实用仪表按工作原理分分为膨胀式温度计 压力式温度计 热电偶温度计 热电阻温度计和辐射高温计五类按测量方式分分为接触式与非接触式两大类 前者测温元件直接与被测介质接触 这样可以使被测介质与测温元件进行充分地热交换而达到测温目的 后者测温元件与被测介质不接触 通过辐射或对流实现热交换来达到测温的目的 27 1 3工业常用测温仪1 3 1双金属温度计双金属温度计属于固体膨胀式温度计 双金属温度计中的感温元件是用两片线膨胀系数不同的金属片叠焊在一起而制成的 双金属片受热后 由于两金属片的膨胀长度不同而产生弯曲 温度越高产生的线膨胀长度差就越大 因而引起弯曲的角度就越大 双金属温度计就是基于这一原理而制成的 它是用双金属片制成螺旋形感温元件 外加金属保护套管 当温度变化时 螺旋的自由端便围绕着中心轴旋转 同时带动指针在刻度盘上指示出相应的温度数值 28 双金属温度计是一种测量中低温度的现场检测仪表 可以直接测量各种生产过程中的 80 500 范围内液体 蒸汽和气体介质温度 特点现场显示温度 直观方便 安全可靠 使用寿命长 多种结构形式 29 双金属温度计的型号命名WSS ABCDW温度仪表S金属膨胀式S感温元件双金属片A表壳公称直径 3 60 4 100 5 150 B结构形式 0 轴向 直型 1径向 角型 8万向 可调角型 C安装固定装置 0 无固定装置 1 可动外螺纹 2 可动内螺纹 3 固定螺纹 4 固定法兰 5 卡套螺纹 6 卡套法兰DF 防护型 O 电接点型 MO 大电流型 EX 防爆型 30 1 3 2热电阻热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器 它的主要特点是测量精度高 性能稳定 其中铂热电阻的测量精度是最高的 它广泛应用于工业测温 而且被制成标准的基准仪 31 热电阻测温原理及材料 热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的 热电阻大都由金属材料制成 目前应用最多的是铂和铜 此外 现在已开始采用铑 镍 锰等材料制造热电阻 热电阻测温系统的组成 热电阻测温系统一般由热电阻 连接导线和温度控制显示表等组成 必须注意两点 热电阻和温度控制显示表的分度号必须一致 为了消除连接导线电阻变化的影响 必须采取三线制接法 常用工业热电阻包括 铠装热电阻 装配热电阻 防爆热电阻 32 1 3 3热电偶热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表 它的结构简单 测量范围宽 使用方便 测温准确可靠 信号便于远传 自动记录和集中控制 因而在工业生产中应用极为普遍 33 热电偶测温原理 将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来 构成一个闭合回路 如图所示 当导体A和B的两个接点1和2之间存在温差时 两者之间便产生电动势 因而在回路中形成一定大小的电流 这种现象称为热电效应 热电偶就是利用这一效应来工作的 热电偶温度计组成 热电偶 感温元件 测量显示仪表 连接热电偶和测量显示仪表的导线 补偿导线 34 热电偶分类名称分度号测量范围 镍铬 考铜E 200 900铁 康铜J 200 750铜 康铜T 200 350镍铬硅 镍铬N 200 1300镍铬 镍硅K 200 1300铂铑10 铂S0 1300铂铑13 铂1R0 1300铂铑30 铂6B0 1800 35 热电偶补偿导线补偿导线是用来将热电偶冷端 参比端 延伸到温度恒定的地方与显示仪表相连的一种导线 热电偶类型补偿导线类型合金材料 镍铬 考铜镍铬 考铜镍铬考铜铁 康铜铁 康铜铁康铜铜 康铜铜 康铜铜康铜镍铬 镍硅铜 康铜铜康铜注意 不同型号的热电偶配相应的补偿导线 36 热电阻 热电偶实物图 37 2 压力仪表2 1基本概念压力是工业生产中的重要参数之一 为了保证生产正常运行 必须对压力进行监测和控制 但需说明的是 这里所说的压力 实际上是物理概念中的压强 即垂直作用在单位面积上的力 法定计量单位是帕斯卡 简称帕 符号为Pa 38 在压力测量中 常用绝对压力 表压力 负压力或真空度之分 绝对压力是指被测介质作用在容器单位面积上的全部压力 用符号pj表示 用来测量绝对压力的仪表称为绝对压力表 表压力地面上的空气柱所产生的平均压力称为大气压力 用符号pq表示 用来测量大气气压力的仪表叫气压表 绝对压力与大气压力之差 称为表压力 用符号pb表示 即pb pj pq 负压力或真空度当绝对压力值小于大气压力值时 表压力为负值 即负压力 此负压力值的绝对值 称为真空度 用符号pz表示 用来测量真空度的仪表称为真空表 既能测量压力值又能测量真空度的仪表叫压力真空表 39 2 2压力常用单位转换1mmH2O 9 81Pa1kgf cm2 0 981 105Pa1mmHg 133 2Pa bar 105Pa1atm 101325Pa1psi 6 895kpa 40 2 3压力的测量与压力计的选择2 3 1压力的测量压力测量原理可分为液柱式 弹性式 电阻式 电容式 电感式和振频式等等 压力计从结构上可分为实验室型和工业应用型 压力计的品种繁多 因此根据被测压力对象很好的选用压力计就显得十分重要 41 2 3 2压力表的选择根据用途选择就地压力指示 远距离压力显示及多点压力测量 应根据被测压力的种类 正压 负压或压差 被测介质的物理 化学性质 腐蚀等 和用途 是否远传 以及生产过程所提的技术要求 本着既要满足测量准确度 又经济的原则 合理地选择压力表的型号 量程和精度等级 为了保护压力表 一般在被测压力较稳定的情况下 其最高压力值不应超过仪表量程的2 3 若被测压力波动较大 其最高压力值应低于仪表量程的1 2 为了保证实际测量的精度 被测压力的最小值不应小于仪表量程的1 3 对某些特殊的介质 如氧气 氨气等有专用的压力表 在测量一般介质时 压力在 40 0 40kPa时 宜选用膜盒式压力表 40kPa以上 宜选用弹簧管压力表或波纹管压力表 1MPa 0 2 4MPa时 宜选用压力 真空表 42 2 4常用压力测量仪表2 4 1就地压力仪表弹簧管式压力表工作原理 这是一个单圈弹簧管压力表 内有一根270度的弹簧管 受力后自由端发生位移 压力成正比 经过机械转换后可从表盘上反映出压力值 选用压力表时 最大工作压力不应超过量程上限的2 3校验周期 6个月 43 2 4 2压力变送器电容式压力变送器把压力信号转换成4 20mA直流信号 以3051智能压力变送器为例 它的测量量程为0 12 138000kPa 输出信号为4mA 20mA 负载电250 供电电压为10 5 42 4VDC 波纹小于1 变送器的传输方式为二线制 符合HART通信协议 差压变送器差压变送器与压力变送器的区别是有两个取压点 一个是高压 一个是低压 检定周期 12个月 44 3 物位检测仪表3 1概述在化工工业生产过程中 常遇到大量的液体物料和固体物料 它们占有一定的体积 堆成一定的高度 把生产过程中罐 塔 槽等容器中存放的液体表面位置称为液位 把料斗 堆场仓库等储存的固体块 颗粒 粉粒等的堆积高度和表面位置称为料位 两种互不相溶的物质的界面位置叫作界位 液位 料位以及相界面总称为物位 对物位进行测量的仪表被称为物位检测仪表 45 3 2分类物位测量仪表的种类很多 如果按液位 料位 界面可分为 测量液位的仪表 玻璃管 板 式 称重式 浮力式 浮筒 浮球 浮标 静压式 压力式 差压式 电容式 电阻式 超声波式 放射性式 激光式及微波式等测量界面的仪表 浮力式 差压式 电极式和超声波式等 测量料位的仪表 重锤探测式 音叉式 超声波式 激光式 放射性式等 46 3 3常用物位测量仪表 47 4 流量仪表4 1概述工业生产过程中另一个重要参数就是流量 流量就是单位时间内流经某一截面的流体数量 流量可用体积流量和质量流量来表示 其单位分别用m3 h L h和kg h等 流量计是指测量流体流量的仪表 它能指示和记录某瞬时流体的流量值 计量表 总量表 是指测量流体总量的仪表 它能累计某段时间间隔内流体的总量 即各瞬时流量的累加和 如水表 煤气表等等 48 4 2流量仪表分类速度式流量计 以测量流体在管道中的流速作为测量依据来计算流量的仪表 如差压式流量计 变面积流量计 电磁流量计 漩涡流量计 冲量式流量计 激光流量计 堰式流量计和叶轮水表等 容积式流量计 它以单位时间内所排出的流体固定容积的数目作为测量依据 如椭圆齿轮流量计 腰轮流量计 刮板式流量计和活塞式流量计等等 49 4 3常用流量测量仪表4 3 1差压式流量计差压式流量计是根据安装于管道中节流装置产生的差压 已知的流体条件和节流装置与管道的几何尺寸来计算流量的仪表 节流装置与差压变送器配套测量流体的流量 是目前炼油 化工生产中使用最广的一种流量测量仪表 节流装置中 应用最多的是孔板 喷嘴 文丘里管和文丘里喷嘴 50 孔板流量计测量原理 当充满管道的流体流经孔板时 将产生局部收缩 流束集中 流速增加 静压力降低 于是在孔板前后产生一个静压力差 该压力差与流量存在着一定的函数关系 流量越大 压力差就越大 通过导压管将差压信号传递给差压变送器 转换成4 20mA DC标准信号 经流量显示仪 便显示出管道内的瞬时和累积流量 具有测量精度高 安装方便 使用范围广 造价低等特点 广泛应用于各种介质的流量测量 公称通径DN15 DN3000 mm 适用介质为各种液体 气体 饱和蒸汽 过热蒸汽 51 长颈喷嘴主要应用于电力行业高压或高温高压的场合 装机容量在50MW以上的主蒸汽 主给水或减温水等均采用此典型设计型式 它具有压损小 寿命长等特点 52 文丘里喷嘴文丘里喷嘴的压力损失比较小 它的长度比文丘里管短 文丘里喷嘴主要用于大口径 低静压 现场直管段距离很短的气体流量测量 53 阿牛巴阿牛巴流量计 又称笛形均速管流量计 是根据皮托管测速原理发展起来的一种新型差压流量检测元件 阿牛巴流量计输出为差压信号 与测量差压的仪器仪表配套使用 可以准确地测量圆形管道 矩形管道中的多种液体 气体和蒸汽 过热蒸汽和饱和蒸汽 被测管道的尺寸范围从20mm 3000mm 它适用于 气体输送和液体输送 54 V锥流量计锥形流量计是一种新型的可精确测量各种雷诺数的高精度流量计 可满足各种介质的应用条件要求其操作原理同其它各种类型的差压原理相同 都是基于密封管道中的能量守恒定理 锥形流量计由于具有独一无二的设计结构 因而性能更优 55 电磁流量计所依据的基本理论是法拉第电磁感应定律 当导体切割磁力线运动时 导体内将产生感应电动势 根据该原理 可测量管内流动的导电流体的体积 导电流体流动的方向与电磁场的方向垂直 在导管垂直方向施加一个交变的磁场 并在有绝缘衬里的导管内壁两侧安装一对电极 两电极的连线既与导管轴线垂直 又与磁场方向垂直 当导电液体流经导管时 因切割磁力线 两个电极上就产生感应电动势 4 3 2电磁流量计 56 电磁流量计特点 测量不受液体密度 粘度 温度 压力导电率变化的影响测量管内无活动及阻流部件 无压损 不堵塞 可测量含有纤维 固体颗粒和悬浮物的液体 仪表反映灵敏 测量范围宽 流速0 3 10m s 导电率 5 s cm的导电液体都可测量 量程范围可以任意选定 仪表采用了低频三态方波励磁技术 先进的小信号处理技术和软件技术 故抗干扰性强 精度高 稳定可靠 仪表不受液体流动方向的影响 正反向安装均可测量 并安装方便 对直管段要求不高 电磁流量计的电极及内衬材料耐腐性和耐磨性极好 寿命长 可按用户特殊工况要求生产电磁流量计 仪表的耐冲击 耐振性良好 仪表不能测量气体及不导电液体 57 转子流量计的检测件是一根由下向上扩大的垂直椎管和一只随着流体流量变化沿着椎管上下移动的浮子 流体自下而上流过浮子时 在浮子上作用有差压 流体动压及摩擦力等 它与浮子向下的重量相平衡 流量增大 向上的力加大 浮子上升 浮子与椎管环隙面积增大 流速降低 因而向上的力减少 直至与浮子重量再次平衡为止 4 3 3转子流量计 58 涡街流量计主要用于工业管道介质流体的流量测量 如气体 液体 蒸气等多种介质 其特点是压力损失小 量程范围大 精度高 在测量工况体积流量时几乎不受流体密度 压力 温度 粘度等参数的影响 无可动机械零件 因此可靠性高 维护量小 仪表参数能长期稳定 本仪表采用压电应力式传感器 可靠性高 可在 20 250 的工作温度范围内工作 有模拟标准信号 也有数字脉冲信号输出 容易与计算机等数字系统配套使用 是一种比较先进 理想的流量仪表 4 3 4涡街流量计 59 4 3 5超声波流量超声波流量计的基本原理超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息 因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速 从而换算成流量 60 超声波流量计特点非接触式仪表 适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量超声测量仪表的流量测量准确度几乎不受被测流体温度 压力 粘度 密度等参数的影响 又可制成非接触及便携式测量仪表 故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性 非导电性 放射性及易燃易爆介质的流量测量问题 超声波流量计目前所存在的缺点主要是可测流体的温度范围受超声波换能铝及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制 以及高温下被测流体传声速度的原始数据不全 目前我国只能用于测量200 以下的流体 61 5 分析仪表分析仪表是用以测量物质 包括混合物和化合物 成分和含量及某些物理特性的一类仪器的总称 用于实验室的称为实验室分析仪器 用于工业生产过程的称为在线自动分析仪表 亦称为流程分析仪器 62 5 1过程分析仪表的组成采样 预处理及进样系统作用是从流程中取出具有代表性的样品 并使其成分符合分析检查对样品的状态条件的要求 送入分析仪 分析器功能是将分析样品的成分量 或物性量 转换成可以测量的量 显示及数据处理系统用来指示 记录分析结果的数据 并将其转换成相应的电信号送入自动控制系统 以实现生产过程自动化 电源对整个仪器提供稳定 可靠的电源 63 5 2常用分析仪表5 2 1工业色谱仪气相色谱仪主要有实验室气相色谱仪和工业气相色谱仪 用于生产流程中的全自动气相色谱仪称为工业色谱仪 色谱仪式是一种物理化学的分析方法 其特点是使被分析的混合物通过色谱柱将各组分进行分离 并通过检测器后输出与组分含量成比例的信号 64 5 2 2氧量分析仪氧含量分析仪是目前工业生产自动控制中应用最多的在线分析仪表 主要用来分析混合气体中的含氧量等 氧化锆分析仪利用氧化锆固体电解质在高温下具有传导氧离子的特性测量含氧浓度的磁式氧分析仪基于氧气的体积磁化率大 以及它的磁化率随温度升高而急剧降低的特性测量的 65 5 2 3红外线分析器基于某些气体对不同波长的红外线辐射能具有选择性吸收的特征 制成的一种物理式分析仪 能连续测量 测量范围宽 精度高 灵敏度高 并且具有良好的选择性 在工业上产中得到了广泛的应用 66 5 2 4工业PH计PH计又叫酸度计 工业PH计是能连续测量工业流程中水溶液的氢离子浓度的仪器 基本原理是在被测溶液中插入两个不同的电极 其中一个电极的电位随溶液氢离子浓度的改变而变化 称为工作电极 另一个电极具有固定的电位 称为参比电极 这两个电极形成一个原电池 测定两电极间的电势就可知道被测溶液的PH值 67 6 仪表调节阀6 1概述仪表调节阀由执行机构和阀门两部分组成 按执行机构的动力源分为气动 电动 液动和混合型 气动控制阀按其执行机构形式分为薄膜式 活塞式和长行程 电动控制阀的执行机构按运动方式分为直行程和角行程 阀部分由阀体和阀内件 按阀体结构形式分为单座阀 双座阀 68 6 2常用仪表调节阀6 2 1直通单座阀直通单座调节阀 阀体内只有一个阀芯和一个阀座 特点是泄漏量小 因为是单阀芯结构 容易密闭 甚至可以完全切断 因此其结构上又分为调节型和切断型 他们的区别在于前者阀芯为柱塞型 后者为平板型 适用于低压差场合 69 6 2 2直通双座阀直通双座调节阀 阀内有两个阀芯和两个阀座 阀杆作上下移动来改变阀芯与阀座的位置 双阀座有上下两个阀芯不易保证同时关闭 所以关闭时泄漏量较大 尤其使用于高温 低温的场合 因材料的热膨胀不同 更易引起较严重泄漏 不适用于高粘度和含纤维介质的调节 所以调节精度不高 在压差允许条件下尽量不选用双座阀 70 6 2 3角形阀角形阀的结构除阀体为角形之外 其他结构与直通阀相似 角形阀的阀芯为单导向结构 故只能是正装 因此 气开式必须采用反作用式执行机构 6 2 3蝶阀又称翻版阀 由于阀板在阀体内旋的角度不同 使阀的流通面积不同 从而调节通过阀的流量 71 6 2 4套筒阀也叫笼式阀 它的阀体与一般直通单座阀相似 阀内有一个圆柱形套筒 阀芯可在套筒中上下移动 利用套筒导向 阀芯在套筒中移动 改变了套筒的截流孔面积 形成了各种特性并实现流量的调节 由于套筒阀采用了平衡阀芯结构 阀芯上 下受压相同 不平衡力小 并且阀芯利用套筒侧面导向 所以它的稳定性好 不易振荡 阀芯也不易损坏 72 控制仪表 73 一 DCS控制系统1 概述DCS是分布式控制系统的英文缩写 DistributedControlSystem 在国内自控行业又称之为集散控制系统 DCS是计算机技术 控制技术和网络技术高度结合的产物 DCS通常采用若干个控制器 过程站 对一个生产过程中的众多控制点进行控制 各控制器间通过网络连接并可进行数据交换 操作采用计算机操作站 通过网络与控制器连接 收集生产数据 传达操作指令 因此 DCS的主要特点归结为一句话就是 分散控制集中管理 74 2 发展阶段DCS大致经历了四个发展阶段 相应地有四代的基本结构 2 1第一阶段 初创期 1975年一1980年 75 2 2第二阶段 成熟期 1980年一1985年 76 2 3第三阶段 扩展期 1985年一2000年DCS向计算机网络控制扩展 将过程控制 监督控制和管理调度进一步结合起来 并且加强断续系统功能 采用专家系统 制造自动化协议MAP ManufactureAutomationProtocol 标准 以及硬件上诸多新技术 这一代的典型产品中 有的是在原有基础上扩展 如美国Honeywell公司扩展后的TDCS3000 横河电机的CENTUM XL和UX 美国西屋公司的WDPFII等 也有的是新发展的系统 如Foxboro公司的I ASeries等 这一代产品的进一步发展就是计算机集成制造 生产 系统CIM ComputerIntegratedManufacturing 即将企业行政事务信息与工厂控制系统集成为一体的计算机系统 这一代产品结构层次有了进一步发展 它自下而上一般可分为过程控制级 控制管理级 生产管理级和经营管理级这四个层次 77 2 4第四阶段 第四代DCS系统2000年以后第四代DCS的体系结构主要分为四层结构 现场仪表层 控制装置单元层 工厂 车间 层和企业管理层 一般DCS厂商主要提供除企业管理层之外的三层功能 而企业管理层则通过提供开放的数据库接口 连接第三方的管理软件平台 ERP CRM SCM等 所以说 当今DCS主要提供工厂 车间 级的所有控制和管理功能 并集成全企业的信息管理功能 例如以Honeywell公司最新推出的ExperionPKS 过程知识系统 Emerson公司的P1antWeb EmersonProcessManagement Foxboro公司A2 横河公司的R3 PRM C厂资源管理系统 和ABB公司的IndustrialIT系统 78 二 可编程控制器PLC ProgrammableLogicController 一般讲 PLC分为箱体式和模块式两种 但它们的组成是相同的 对箱体式PLC 有一块CPU板 I O板 显示面板 内存块 电源等 当然按CPU性能分成若干型号 并按I O点数又有若干规格 对模块式PLC 有CPU模块 I O模块 内存 电源模块 底板或机架 无任哪种结构类型的PLC 都属于总线式开放型结构 其I O能力可按用户需要进行扩展与组合 PLC的基本结构框图如下 79 2 1CPU的构成PLC中的CPU是PLC的核心 起神经中枢的作用 每台PLC至少有一个CPU 它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据 用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据 并存入规定的寄存器中 同时 诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等 进入运行后 从用户程序存贮器中逐条读取指令 经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号 去指挥有关的控制电路 与通用计算机一样 主要由运算器 控制器 寄存器及实现它们之间联系的数据 控制及状态总线构成 还有外围芯片 总线接口及有关电路 它确定了进行控制的规模 工作速度 内存容量等 内存主要用于存储程序及数据 是PLC不可缺少的组成单元 80 CPU的控制器控制CPU工作 由它读取指令 解释指令及执行指令 但工作节奏由震荡信号控制 CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算 在控制器指挥下工作 CPU的寄存器参与运算 并存储运算的中间结果 它也是在控制器指挥下工作 CPU虽然划分为以上几个部分 但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器 由于电路的高度集成 对CPU内部的详细分析已无必要 我们只要弄清它在PLC中的功能与性能 能正确地使用它就够了 81 CPU模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示 种种接口及设定或控制开关 一般讲 CPU模块总要有相应的状态指示灯 如电源显示 运行显示 故障显示等 箱体式PLC的主箱体也有这些显示 它的总线接口 用于接I O模板或底板 有内存接口 用于安装内存 有外设口 用于接外部设备 有的还有通讯口 用于进行通讯 CPU模块上还有许多设定开关 用以对PLC作设定 如设定起始工作方式 内存区等 82 2 2I O模块 PLC的对外功能 主要是通过各种I O接口模块与外界联系的 按I O点数确定模块规格及数量 I O模块可多可少 但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力 即受最大的底板或机架槽数限制 I O模块集成了PLC的I O电路 其输入暂存器反映输入信号状态 输出点反映输出锁存器状态 2 3电源模块 有些PLC中的电源 是与CPU模块合二为一的 有些是分开的 其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源 同时 有的还为输入电路提供24V的工作电源 83 2 4底板或机架 大多数模块式PLC使用底板或机架 其作用是 电气上 实现各模块间的联系 使CPU能访问底板上的所有模块 机械上 实现各模块间的连接 使各模块构成一个整体 2 5PLC的外部设备 外部设备是PLC系统不可分割的一部分 它有四大类编程设备 有简易编程器和智能图形编程器 用于编程 对系统作一些设定 监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况 编程器是PLC开发应用 监测运行 检查维护不可缺少的器件 但它不直接参与现场控制运行 84 监控设备 有数据监视器和图形监视器 直接监视数据或通过画面监视数据 存储设备 用于永久性地存储用户数据 使用户程序不丢失 如EPROM EEPROM写入器等 输入输出设备 用于接收信号或输出信号 一般有条码读入器 输入模拟量的电位器 打印机等 2 6PLC的通信联网PLC具有通信联网的功能 它使PLC与PLC之间 PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息 形成一个统一的整体 实现分散集中控制 现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能 它和计算机一