过程控制及仪表(1)课件

辽宁科技大学电信学院过程控制及仪表参考书目

1.《过程控制》金以慧主编清华大学出版社

2.《过程控制及仪表》邵裕森主编上海交通大学出版社

3.《工业过程控制工程》王树清化学工业出版社课程的作用及地位《过程控制及仪表》是自动化专业的一门极其重要的专业课程，是自动化专业课程中工程实践背景强、实用性强的课程之一，本课程对学生专业能力和专业素质的培养起主要支撑作用，可以为今后从事专业工作打下坚实基础。课程考核方式

成绩考核方式：成绩考核采取百分制，分平时成绩考核和期末考试成绩考核两部分。其中，平时成绩包括出勤率、课堂测验、实验成绩3个部分。出勤率和课堂测验占总成绩的15%，实验成绩占总成绩的15%，期末考试成绩占总成绩的70%。课程描述及主要内容《过程控制及仪表》是自动化本科专业的一门专业必修课。本课程以典型生产工艺过程为对象，以过程控制理论为基础，结合自动化仪表和现代工程控制设备，全面介绍过程控制自动化系统的基本概念、基本理论、系统分析设计方法、生产实践中典型的系统集成实例、以及当前本学科最新的发展趋势，力求完整体现过程控制的整体内容。本课程主要讲授的内容：1.常规调节仪表（DDZ—III型）调节器、乘除器、开方器、电动执行器、电—气转换器、气动阀、气动阀门定位器。2.常规仪表控制系统控制过程（对象）动态特性的描述及求取方法、单回路控制系统、串级控制系统、比值控制系统、前馈控制系统、大滞后及解耦控制系统。课程描述：第一篇控制仪表

第一章概论主要内容：第三节联络信号和传输方式第二节控制仪表及装置分类第一节控制仪表与控制系统第四节安全防爆的基本知识和防爆措施

工业中的过程控制是指以温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控变量的自动控制。第一章概论第一节控制仪表与控制系统过程控制的定义：控制仪表的定义：

接收检测仪表的测量信号，控制生产过程正常进行的仪表。主要包括：控制器、变送器、运算器、执行器等，以及新型控制仪表及装置。第一章概论第一节控制仪表与控制系统

控制仪表的作用：对检测仪表的测量信号进行运算、处理，发出控制信号，对生产过程进行控制。见图1-1。由此可见，根据不同的功能和用途，可将调节（控制）仪表分为不同的种类。操纵量调节器控制过程变送器执行器给定值被控参数图1-1.a)简单控制系统框图图1-1.b)单回路液位控制系统第一节控制仪表与控制系统第一章概论

TTTC变送器加热炉温度控制器执行器原料燃料图1-1.b)单回路温度控制系统第一节控制仪表与控制系统第一章概论

实时工业自动控制系统人—机接口（显示、键盘、打印机）

传感器

执行器计算机输入接口

输出接口输入信号调理输出信号调理工业过程常规仪表控制系统调节器控制对象变送器执行器给定值被控参数图1-1.简单控制系统框图第一章概论第一节控制仪表与控制系统

思考题：控制仪表与检测仪表的区别是什么？第一节控制仪表与控制系统第一章概论第二节控制仪表及装置的分类第一章概论一、按工作能源形式分

气动、电动、液动

常用：气动、电动气动仪表：40年代开始应用，简单、稳定、便宜，本质安全防爆。适用于石油、化工等场所。电动仪表：50年代开始应用，信号传输、放大、变换容易，易远传及与计算机联用，用途广泛。

电动仪表由于采用了防爆措施，也广泛应用于易爆场合。控制仪表及装置可按能源形式、信号类型和结构进行分类

第一章概论第二节控制仪表及装置的分类二、按信号类型分类

模拟式、数字式我们这里要学习的是主要是模拟式控制仪表（DDZ-Ⅲ型仪表）。模拟式：信号为连续变化的模拟量。在我国已多次升级换代。如：DDZ-I型、DDZ-II型、DDZ-III型。该类仪表的设计、使用都积累了丰富的经验，有大量的从事这类仪表工作的工程技术人员。数字式：采用二进制信号，以微处理器为核心，随着计算机技术的迅速发展而迅速发展，是自动化仪表发展的方向之一，如：智能仪表、各种先进的计算机控制系统。他解决了模拟仪表难以解决的问题，如：信号隔离、数学运算、CRT显示等。满足了生产中高质量控制的要求。代表着当今的高新技术。

第一章概论第二节控制仪表及装置的分类三、按结构型式分

基地式控制仪表、单元组合式控制仪表、集散控制系统、现场总线控制系统。1、基地式控制仪表集测量、指示、记录、控制于一体，以指示记录为主、控制机构为辅。结构简单，一个参数一套系统。主要用于单机自动化系统

2、单元组合式仪表根据控制系统各个环节的不同功能，将整套仪表分成能独立实现某种功能的若干单元，各单元之间用统一信号联络，将这些单元根据要求进行不同的组合，即可构成多种多样的、复杂程度各异的自动检测及控制系统。

第一章概论第二节控制仪表及装置的分类例：DDZ电动单元组合仪表：DDZ-I、DDZ-II、DDZ-III。

QDZ气动单元组合仪表：QDZ-I、QDZ-II。DDS系列单元组合数字化仪表:模数组合，数字为主。单元组合仪表可分为：变送单元、转换单元、控制单元、运算单元、显示单元、执行单元、给定单元和辅助单元八大类。第一章概论第二节控制仪表及装置的分类3、集散控制系统（DCS）

集散控制系统（Distributedcontrolsystem）是以微处理器为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统，简称DCS系统。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一，人-机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。特点：分散控制、集中管理、安全性好。

第一章概论第二节控制仪表及装置的分类4、现场总线控制系统（FCS）按照IEC的解释：现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。简单说，现场总线就是以数字通信替代了传统4-20mA模拟信号及普通开关量信号的传输。

现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。现场总线是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络。

思考题：DCS系统与现场总线系统有什么区别？第一章概论第二节控制仪表及装置的分类

第一章概论第三节联络信号与传输方式一、联络信号

仪表之间应由统一的联络信号来进行信号传输，以便使同一系列或不同系列的各类仪表连接起来，组成系统，共同实现控制功能。1、联络信号类型：气动仪表：气压信号20-100kPa(0.2-1kg/cm2)电动仪表：模拟信号（电流、电压）、数字信号、频率信号。

第一章概论第三节联络信号与传输方式2、电模拟信号的确定：国际电工委员会（IEC）确定：4-20mADC、1-5VDC为过程控制系统电模拟控制信号的统一标准。DDZ-III型仪表采用。其他：0-10mADC、0-2VDC、0-5VDC等DDZ-II、DDZ-I型采用。

第一章概论第三节联络信号与传输方式二、电信号传输方式

（一）模拟信号的传输

1.电流信号的传输（电流信号适合远传）

电流传送—电流接收的串联制方式变送仪表IoRoRcmIi接收仪表图1-2电流传送时仪表的连接DDZ-II型仪表采用该传输方式。

第一章概论第三节联络信号与传输方式误差：，n为接收仪表的台数。只有Ro>>Rcm+nRi时，才可能保证要求。IoRoIiRcmR1R2Rn

第一章概论第三节联络信号与传输方式电流信号的缺点：

1.某台仪表出故障时，影响其他仪表；

2.无公共地点。各台仪表应浮空工作，如每台仪表均需接地，则需加隔离。

第一章概论第三节联络信号与传输方式2.电压信号传输

电压传送—电压接收的并联制方式

第一章概论第三节联络信号与传输方式n为接收仪表的台数。DDZ-III采用该传输方式。

第一章概论第三节联络信号与传输方式电压传输特点：

1).某台仪表故障时基本不影响其它仪表；2).有公共接地点；3).Ri易受干扰，故电压信号不适宜远传。

第一章概论第三节联络信号与传输方式（二）变送器与控制室仪表间的信号传输1、四线制

2、两线制节省电缆及安装费用，有利于防爆。活零点，两条线既是信号线又是电源线。

电源与信号分别传送，对电流信号的零点及元件的功耗无严格要求

第一章概论第三节联络信号与传输方式

4~20mA.DC活零点最大功耗为安全火花型电源供给变送器的功率是通过信号电流提供的。在变送器输出电流为下限值时，应保证它内部的半导体器件能正常工作。第四节控制系统防爆措施处于爆炸危险场所的控制系统必须使用防爆型控制仪表及其关联设备。在石油、化工等部门的生产现场，往往要求控制系统具有本质安全的防爆性能。一、本安防爆系统要使控制系统具有本安防爆性能，应满足两个条件。

1、在危险场所使用本质安全型防爆仪表。

本安型变送器、电气转换器、电气阀门定位器等。2、在控制室仪表与危险场所仪表之间设置安全栅，以限制流入危险场所的能量。本安全防爆系统第四节控制系统防爆措施要真正的实现本安防爆的要求，还需要注意以下几点：1、正确安装安全栅,并保证接地良好。2、正确选择连接电缆的规格和长度，其分布电容、分布电感应在限制值之内。3、本安电缆和非本安电缆应分槽（管）敷设，防止回路混接。详细规程参阅：安全栅使用说明和国家有关电气安全规则。第四节控制系统防爆措施二、安全栅安全栅的作用：1、（本安仪表的关联设备）传输信号2、控制流入危险场所的能量在爆炸性气体或混合物的点火能量以下，以确保系统的本安防爆性能。安全栅的种类：

齐纳式安全栅、隔离式安全栅第四节控制系统防爆措施控制系统防爆措施安全栅的品种:1、齐纳式安全栅现场发生事故时，如形成短路时，有R限制过大电流进入危险侧，以保证安全。当安全栅电压UI高于额定电压U0时，齐纳二极管击穿，进入危险侧的电压被限制在U0值。同时安全侧电流急剧增大，使FU很快熔断，从而使高压与现场隔离，同时也保护了齐纳二极管。齐纳安全栅是基于齐纳二极管反向击穿特性工作的。由限压电路,限流电路和熔断器三部分组成。其原理电路如图所示：图中R为限流电阻，VZ1、VZ2为齐纳二极管，FU为快速熔断器。并联两个齐纳二极管是增加安全栅的可靠性。

第四节控制系统防爆措施 齐纳安全栅优点是：采用的器件非常少，体积小，价格便宜;

缺点是：1、齐纳式安全栅必须本安接地，且接地电阻必须小于1Ω；2、危险侧本安仪表必须是隔离型的；齐纳安全栅对供电电源电压响应非常大，电源电压的波动可能会引起齐纳二极管的电流泄漏，从而引起信号的误差或者发出错误电平，严重时会使快速熔断器烧断。齐纳式安全栅的优缺点第四节控制系统防爆措施 图中24VDC的电源一方面通过安全栅向二线制变送器供电，同时将二线制变送器产生的4-20mADC的信号传送过来，由250Ω精确电阻转换为1-5VDC的电压信号送显示仪表或控制器，当然变送器传送来的信号也可通过信号分配器,其输出的多路信号可分别送显示仪表和调节仪表。二线制变送器和齐纳安全栅的连用

第四节控制系统防爆措施二、变压器隔离式安全栅

变压器隔离式安全栅利用变压器或电流互感器将供电电源、信号输入端和信号输出端进行电气隔离，同时通过电子电路(限能器)限制进入危险场所的能量。变压器隔离式安全栅分为检测端安全栅（输入式安全栅）和操作端安全栅（输出式安全栅）两种。第四节控制系统防爆措施1.检测端（输入式）安全栅的作用（1）把来自现场变送器的4～20mADC电流经隔离变压器1:1地转换成1～5VDC信号或4～20mADC信号输出至控制室仪表（计算机）。（2）为现场两线制变送器提供24VDC直流电源。（3）利用限流、限压电路使得任何情况下送往危险场所的电压不超过30VDC、电流不超过30mADC，从而保证了危险场所的安全。IiVo24VDC125678输入端输出端Io4~20mA1~5V4~20mA第四节控制系统防爆措施有六部分组成：1.直流-交流变换器2.整流滤波电路Ⅰ3.整流滤波电路Ⅱ4.电流电压限制电路5.隔离变压器6.共基极放大电路现场变送器调节器T124VDC电流电压限制电路共基极放大电路DC/AC交直流变换器计算机整流滤波电路Ⅰ隔离变压器整流滤波电路Ⅱe0e1e2IiVOABU-I1~5V4~20mA+--+-+VC5VC3调制器解调器隔离电源变压器T2输入端输出端结构组成1.操作端安全栅的作用(二)操作端安全栅（1）把来自控制室仪表的4～20mADC电流经隔离变压器1:1地转换成1～5VDC直流电压信号或4～20mADC直流电流信号输出至现场执行器。（2）利用限流、限压电路使得任何情况下送往危险场所的电压不超过30VDC、电流不超过30mADC，从而保证了危险场所的安全。IoIi24VDCA1A2B1B278输出端输入端(3)结构组成及工作原理e2有六部分组成：1.直流-交流变换器2.整流滤波电路3.调制电路4.电流电压限制电路5.隔离