工业控制及自动化仪表基础知识

工业控制及自动化仪表

基础知识英达康华志斌主要内容常用控制电器继电器－接触器控制系统的设计原则继电器－接触器控制线路设计中应注意的问题PLC简介（构成、特点、应用领域）PLC与其他工业控制系统的比较电动单元组合仪表简介检测仪表调节器执行器和防爆栅DCS简述常用控制电器接触器继电器主令电器保护电器和组合电器接触器适于频繁地接通和分断主电路或大容量控制电，主要用于控制电动机，也可用于控制其它电力负荷。按工作原理分为电磁式、气动式和液压式，这里主要介绍电磁式接触器。电磁式接触器的主要组成部分：触头系统、电磁系统、灭弧装置、支架和外壳。按主回路接通和分断的负载电流的性质，分为直流接触器和交流接触器。交流接触器主回路分断和接通交流负载，控制线圈可以是交流或直流，通常交流接触器的控制线圈为交流线圈。交流接触器分断交流负载，灭弧装置相对简单，当使用交流线圈时线圈铁心象变压器一样为减少涡流损耗由硅钢片叠压而成，由于线圈电磁力发生波动，通常噪声较大。由于励磁电流与励磁线圈的电抗相关，而电抗又与磁路的气隙大小有关，所以接触面不平或污损将会增大励磁电流，增大接触器温升甚至烧毁交流接触器。直流接触器主回路分断和接通直流负载，控制线圈可以是交流或直流，通常交流接触器的控制线圈为直流线圈。交流接触器分断直流负载，灭弧装置相对复杂，当使用直流励磁线圈时线圈铁心通常由整块软铁构成成，由于线圈电磁力稳定，通常噪声较小。由于励磁线圈电感大，在断开励磁线圈时将产生较高的感应电势，因此要注意线圈的绝缘和能量泻放。接触器主要技术参数额定工作电压（主触头的额定电压）额定工作电流（主触头的额定电流）电磁铁线圈的额定电压额定操作频率触头数目（主触头和辅助触头）接通和分断能力继电器继电器是根据某种物理量的变化来改变其触点状态的控制元件。当继电器的输入电压、电流和频率等电量或温度、压力和转速等非电量达到规定值时，继电器的触点便接通或分断所控制或保护的电路。

继电器一般由输入感测机构和输出执行机构两部分组成，前者用以反映输入量的高低，后者用以接通或切断电路。常用继电器种类电压继电器电流继电器时间继电器热继电器中间继电器主令电器主令电器是按一定生产工艺要求发出控制命令的操纵电器，用以闭合或断开接触器、继电器等电器的线圈回路，以实现对生产机械的控制。在控制电路中由于它是一种专门发布命令的电器，故称为主令电器。不允许使用主令电器分合主回路。常见的主令电器有：控制按钮、万能转换开关、主令控制器、行程开关保护电器和组组合电器熔断器：又称称保险丝，起起短路保护作作用自动开关：又又称空开，有有过载、短路路、欠压保护护作用，可用用于不频繁启启动的电机控控制。磁力启动器：：是一种组合合电器，由接接触器、隔离离开关、熔断断器、热继电电器和按钮等等组合而成。。什么是隔离开开关？继电器－接触触器控制系统统的设计原则则正确地设计控控制线路功能正确，在在最大限度满满足设备对电电气控制线路路要求的前提提下，力求控控制线路简单单、布局合理理，器件选型型正确并便于于操作和维修修。设置必要的保保护除基本的短路路、过载、欠欠压保护外，，应根据实际际情况配置必必要的保护，，保证系统安安全可靠。但但不是保护越越齐全越好，，因为保护越越多，线路越越复杂，故障障几率越多，，有可能降低低系统的可靠靠性。正确选择电器器设备选型时要考虑虑工作方式、、线路电压和和电流等级，，考虑触点的的断弧容量（（双触点串联联可提高断弧弧能力），辅辅助触点的数数量等。故障安全原则则当系统中出现现设备损坏或或故障时，不不能发生误操操作和故障的的扩大。例：操纵制动动器的电磁铁铁表示合闸状态态的指示灯急停开关、拉拉绳开断的状状态选取保证控制线路路的可靠和安安全正确连接电器器的触头正确连接电器器的线圈设计中要注意意的问题控制电源一端端接地时应防防止发生意外外KMKM防止出现寄生生回路KM1KM2KM2KM1防止出现寄生生回路L2L1KM1KM2防止电气元件件触点“竞争争”“先断后合型型”、“先合合后断型”继电器触头的的分断合接通通能力触点并联的作作用、电器连锁和机机械连锁控制电路是否否跳闸：控制电路由于于电源等原因因断电或控制制器死机时，，是否发出主主机跳闸的命命令，要根据据具体系统设设计，一般要要求控制电路路重新启动时时不影响主系系统的运行。。尽量减少触点点数目尽量缩短连接接导线的数量量和长度控制线路在工工作时，除必必要的电气元元件需通电外外，其余电器器尽量不长期期通电，以延延长电气元件件的寿命和节节约电能及减减少发热采用标准件，，尽可能选用用相同型号的的元件尽量使用标准准的、常用的的或经过实际际考验过的线线路和环节控制线路力求求简单、经济济短路保护（空空开有短路和和过载保护的的作用）过电流保护（（电机保护一种种，常用继电电器完成）过载保护（热热继电器）失压保护（防防止电源电压压恢复时电机机自行启动，，典型的启保保停电路）欠压保护（电电压继电器））对电机的基本本保护，如过过载保护、端端相保护、短短路保护等，，一般在一个个保护装置中中完成完善的保护环环节PLC简介（（构成、特点点、应用领域域）国际电工协会会（IEC））定义：可编编程控制器是是一种数字运运算操作的电电子系统，专专为在工业环环境下应用而而设计。它采采用可编程的的存储器，用用来在其内部部存储执行逻逻辑运算、顺顺序控制、定定时、计数和和算术运算等等操作的命令令，并通过数数字式和模拟拟式的输入和和输出，控制制各种类型的的机械或生产产过程。可编编程控制器及及其有关设备备，都应按易易于与工业控控制系统联成成一个整体，，易于扩充功功能的原则而而设计。68年GM公公司提出10条技术指标标在社会上公公开招标，69年DEC根据要求研研制出第一台台PLC并中中标。构成可编程控制器器存储器CPU模块输入模块输出模块编程器辅助触点限位开关按钮钮电源源接触器电磁阀指示灯电源特点可靠性高，抗抗干扰能力强强配套齐全，功功能完善，适适用性强易学易用，深深受工程技术术人员欢迎系统的设计、、建造工作量量小，维护方方便，容易改改造体积小，重量量轻，能耗低低应用领域开关量逻辑控控制（顺序控控制）闭环环过过程程控控制制位置置控控制制监控控系系统统分布布控控制制系系统统PLC与与其其他他工工业业控控制制系系统统的的比比较较与继继电电器器控控制制的的比比较较与个个人人计计算算机机控控制制的的比比较较与单单板板机机控控制制的的比比较较与DCS控控制制的的比比较较与继继电电器器控控制制的的比比较较控制制逻逻辑辑（（硬硬接接线线与与软软接接线线））工作作方方式式（（硬硬接接线线全全联联动动和和顺顺序序扫扫描描））控制制速速度度时间间控控制制技术术控控制制设计计、、施施工工和和改改造造可靠靠性性和和可可维维护护性性价格格与个个人人计计算算机机控控制制的的比比较较本质质上上个个人人计计算算机机和和PLC是是面面向向不不同同应应用用领领域域的的计计算算机机系系统统。。个个人人计计算算机机的的最最大大特特征征是是运运算算速速度度快快，，功功能能强强，，应应用用范范围围广广。。如如果果采采用用PC作作为为某某一一设设备备的的控控制制器器，，就就必必须须根根据据实实际际需需要要考考虑虑抗抗干干扰扰问问题题和和硬硬件件及及软软件件设设计计，，以以适适应应设设备备控控制制的的需需要要。。这这样样就就势势必必把把通通用用的的PC转转化化为为具具有有特特殊殊功功能能的的控控制制器器而而称称为为一一台台专专用用机机。。所以以，，本本质质上上PLC就就是是一一种种用用于于工工业业自自动动化化控控制制的的专专用用微微机机控控制制系系统统，，结结构构简简单单，，抗抗干干扰扰能能力力强强，，价价格格也也比比一一般般微微机机系系统统低低。。与单单板板计计算算机机控控制制的的比比较较单板板机机不不如如PLC掌掌握握单板板机机不不如如PLC简简单单PLC不不如如单单板板机机灵灵活活单板板机机不不如如PLC可可靠靠（（？？））与DCS控控制制的的比比较较PLC是是由由继继电电器器控控制制逻逻辑辑发发展展而而来来的的，，集集散散控控制制系系统统是是由由回回路路仪仪表表控控制制发发展展而而来来的的。。二二者者的的发发展展均均都都是是计计算算机机控控制制技技术术发发展展的的直直接接体体现现。。PLC在在开开关关量量控控制制、、顺顺序序控控制制方方面面有有一一定定的的优优势势，，而而集集散散系系统统在在回回路路调调节节、、模模拟拟量量控控制制方方面面有有一一定定优优势势。。二者者相相互互渗渗透透、、互互为为补补充充，，PLC与与DCS的的差差别别已已不不明明显显，，它它们们都都能能构构成成复复杂杂的的分分级级控控制制，，从从趋趋势势来来看看，，二二者者的的归归属属和和统统一一是是全全分分布布式式计计算算机机控控制制系系统统。。听说说过过DDC吗吗？？电动动单单元元组组合合仪仪表表简简介介自动动化化仪仪表表作作为为一一种种专专门门的的仪仪表表，，最最早早出出现现在在上上世世纪纪40年年代代，，由由于于石石油油、、化化工工、、电电力力等等工工业业对对自自动动化化的的需需要要，，出出现现了了将将测测量量、、记记录录、、调调节节仪仪表表组组合合在在一一起起的的多多功功能能自自动动化化仪仪表表。。后后来来，，人人们们发发现现多多功功能能仪仪表表的的结结构构不不够够灵灵活活，，不不如如将将仪仪表表按按功功能能划划分分，，制制成成若若干干种种能能独独立立完完成成一一定定功功能能的的标标准准单单元元，，各各单单元元间间以以标标准准联联络络信信号号相相互互联联系系，，这这样样通通过过选选择择一一定定的的单单元元，，积积木木式式地地把把仪仪表表组组合合起起来来，，构构成成各各种种复复杂杂程程度度不不同同的的控控制制系系统统。。这这种种积积木木式式的的仪仪表表就就称称为为单单元元组组合合仪仪表表。。这这种种做做法法不不论论对对仪仪表表厂厂的的大大量量生生产产还还是是用用户户的的选选用用和和维维护护都都是是有有利利的的。。这这些些年年随随着着计计算算机机技技术术的的进进步步，，仪仪表表的的功功能能结结构构又又重重新新向向多多功功能能转转变变。。国产产仪仪表表60年年代代，，电电子子管管和和磁磁放放大大器器，，DDZ-I,0-10mA70年年代代，，晶晶体体管管，，DDZ-II，，0－－10mA80年年代代，，线线性性集集成成电电路路,火火花花防防爆爆，，DDZ-III,4-20mA工艺艺介介质质调节节对对象象被调调量量检测测元元件件变送送单单元元显示示单单元元执行行单单元元调节节单单元元测量量值值给定定值值给定定单单元元操作作单单元元单元元组组合合仪仪表表检测测仪仪表表温度度检检测测仪仪表表压力力检检测测仪仪表表流量量检检测测仪仪表表液位位检检测测仪仪表表成分分分分析析仪仪表表温度度检检测测仪仪表表热电电偶偶热电电阻阻半导导体体热热敏敏电电阻阻（热热电电阻阻使使用用方方便便，，便便宜宜，，热热容容大大，，反反映映慢慢，，测测温温范范围围不不如如热热电电偶偶大大））半导导体体热热电电阻阻体体积积小小，，适适用用于于设设备备内内测测温温，，测测温温范范围围也也小小，，精精度度不不高高。。压力力检检测测仪仪表表力平平衡衡式式压压力力（（差差压压））变变送送器器位移移式式差差压压（（压压力力））变变送送器器固态态测测压压仪仪表表（（压压电电效效应应、、压压阻阻效效应应、、压压磁磁效效应应））（（主主流流））。。流量量检检测测仪仪表表节流流型型流流量量计计（（孔孔板板、、靶靶式式、、动动子子））容积积式式（（椭椭圆圆齿齿轮轮））涡轮轮流流量量计计（（精精度度介介于于上上者者之之间间））电磁磁流流量量计计（（可可测测含含纤纤维维及及污污物物的的液液体体，，适适用用于于腐腐蚀蚀性性液液体体，，但但导导电电率率不不能能太太小小，，不不能能用用于于油油和和纯纯水水，，不不能能有有气气泡泡））漩涡涡流流量量计计(旋旋进进型型和和涡涡街街型型，，涡涡街街为为主主流流））液位位检检测测仪仪表表浮力力式式（（浮浮子子式式、、翻翻板板式式））静压压式式电容容式式超声声波波雷达达成分分分分析析仪仪表表热导导式式（（根根据据气气体体导导热热系系数数））红外外线线（（根根据据吸吸收收谱谱））色谱谱（（液液相相色色谱谱，，气气相相色色谱谱））调节节器器本节节内内容容复复杂杂，，涉涉及及到到自自动动化化控控制制的的比比较较核核心心的的算算法法部部分分，，以以后后如如果果需需要要单单独独作作为为一一个个讲讲座座。。执行行器器和和防防爆爆栅栅执行行器器气动动执执行行器器以压压缩缩空空气气为为动动力力电－－气气转转换换器器一般般将将电电流流转转换换为为气气压压阀门门定定位位器器将电电流流信信号号转转换换为为阀阀门门位位移移，，含含电电气气转转换换电动动执执行行器器防爆爆栅栅防爆爆的的思思想想结构构防防爆爆：：将将可可能能产产生生危危险险火火花花的的电电路路从从结结构构上上与与爆爆炸炸性性气气体体隔隔离离开开来来。。（（充充油油、、充充气气、、充充砂砂、、隔隔爆爆））本安安防防爆爆（（安安全全火火花花防防爆爆））：：把把电电路路在在短短路路、、开开断断及及误误操操作作等等各各种种状状态态下下可可能能发发生生的的火火花花都都限限制制在在爆爆炸炸性性气气体体的的点点火火能能量量之之下下，，从从爆爆炸炸发发生生的的根根本本原原因因上上采采取取措措施施解解决决防防爆爆问问题题。。危险险现现场场变送送器器变送送器器防爆栅栅防爆栅栅电源调节器器安全场场所（（控制制室））本安仪仪表本安系系统防爆栅栅：是是对送送往现现场的的电压压和电电流进进行严严格限限值的的单元元，可可保证证在各各种状状态下下进入入现场场的电电功率率都在在安全全范围围之内内。防爆栅栅只限限值瞬瞬时功功率，，现场场设备备的L，C都可可能造造成危危险，，所以以构成成安全全火花花防爆爆系统统的充充要条条件是是：现现场仪仪表与与非危危险场场所之之间的的电路路连接接必须须经过过防爆爆栅；；在危危险现现场的的仪表表必须须是本本安型型的。。防爆电电缆：：国际际标准准没有有这一一说，，只限限值L，C，习习惯上上要求求颜色色区分分。两种防防爆栅栅齐纳型型隔离型型（1））检测端端防爆栅栅执行端端防爆爆栅电电路原原理图图DCS简述述发展过过程分散控控制方方式：：仪表表间相相距过过远、、仪表表盘尺尺寸过过大、、无法法全面面了解解信息息及操操作；；集中控控制方方式：：危险险过于于集中中，计计算机机出现现故障障时整整个生生产装装置瘫瘫痪；；集散控控制方方式：：控制制功能能分散散、操操作管管理集集中---DCS。。集散控控制中中危