控制仪表PPT课件

1、1,控制仪表基础知识,2,基本概念,1 控制与调节 2 量程与上下限 零点调整与零点迁移 4 变送器、控制器、执行器,3,一、可靠性指标 1.可靠性：系统在规定的条件和规定的时间段内，完成规定功能的能力。 2. 可靠度：是可靠性的概率度量，是以时间为变量的概率函数，用R(t)表示0t时刻内系统正常工作的概率。可靠度R(t)值域为0,1， R(t)可有多种函数形式，如指数分布，正态分布等，最常用的是指数分布，即R(t)e-t,性能,4,3. 不可靠度F(t)1R(t) 4. 故障密度函数f(t)dR(t)/dt，反映的是在一定时间段t内，设备可靠度的下降情况，按模糊概念如“可靠度下降很大/快”、

2、“可靠度基本不下降” 等。 问题：指数分布的可靠度的故障密度函数形状为？ 5. 故障率(t) ： 在时刻t尚未失效的产品在tt时间内发生失效的概率。 (t)-R(t)/R(t)f(t)/ R(t),5,6、平均故障间隔时间MTBF(Mean Time Between Failure) 两次故障之间的平均时间间隔,7. 平均无故障时间MTTF(Mean Time To Failure)：设备失效前时间的均值。对于不可修复系统，指系统失效前运行时间的均值；对于可修复系统，指系统每次修复后正常运行时间的均值,6,例：一个系统在连续运行了1万小时以后出现故障，在故障排除后又运行了2万小时出现第二次故障

3、，则该系统的MTTF为（21）/2=1.5万小时 8. 平均故障恢复时间MTTR(Mean Time To Recovery) 又称“平均恢复时间” MTTR=故障定位时间故障修复时间系统重新投运时间总维修时间/总维修次数 注意：MTBF, MTTF, MTTR的相互关系，如下图所示：,系统正常,故障维修,系统正常,故障维修,MTTF,MTTR,MTBF,7,9. 可用率= MTTF / MTBF,可靠性分析 分析模型： 串联模型：Rs=R1*R2*R3*Rn,R1,R2,R3,并联模型： Rs=1-(1-R1)*(1-R2)*(1-R3)*(1-Rn),R1,R2,R3,8,二、 电磁兼容性

4、 1 对自身反射的电磁能量的限制 能够抵抗其他电气设备发生的一定的电磁能量 三、耐环境影响性 1 环境温度 环境湿度 耐腐蚀 4 抗冲击、振动,9,控制仪表的模拟信号标准,1 模拟气动信号: 上限20kPa， 下限100kPa 2 模拟直流电流信号：420mA， 010mA 3 模拟直流电压信号：15V,10,控制仪表的抗干扰问题,1 干扰的来源：外扰、内扰 经过漏电电阻耦合 经过公共阻抗耦合 电厂耦合 干扰的形式：串模干扰、共模干扰 抗干扰措施：消除或抑制干扰源、消除干扰进入的途径、增强仪表自身的抗干扰能力 隔离（变压器、光电） 屏蔽 滤波 接地,11,自动化仪表的抗干扰（1） 串模干扰,E

5、,U1,串模干扰示意图,特点： 作用在仪表的两个输入端子之间； 属于“横向干扰”； 主要影响信号精度；,串模干扰,12,自动化仪表的抗干扰（2） 共模干扰,E,U1,共模干扰示意图,X,Y,a,b,特点： 作用在仪表的信号电路与地之间； 属于“纵向干扰”； 易于转换为串模干扰； 对仪表可造成破坏作用；,共模干扰,13,自动化仪表的抗干扰（3） 抗干扰措施,串模干扰： 电路屏蔽； 信号导线使用双绞线、屏蔽线、同轴电缆（带屏蔽层！）； 信号滤波（硬件与软件滤波器）； 共模干扰： 信号隔离（磁隔离与光电隔离）； 浮空； 良好的接地（接地电阻 0.5 欧姆）；,14,自动化仪表的抗干扰（4） 同轴电缆

6、实例,15,自动化仪表的抗干扰（5） 隔离模块图示,16,控制仪表的分类,17,自动控制仪表主要构成（1）,变送器； 调节器（控制器） ； 执行器；,NEXT,18,变送器（1）,种类： 压力变送器 差压变送器 流量变送器 液位变送器,机械力 电流,温度 电流,机械力变送器,温度变送器,温度变送器,19,变送器（2）,变送器在实际应用中的特点： 需要与相应的测量元件配合 变送器主要完成信号标准化（420mA） 工作环境恶劣，要求具有高可靠性、稳定性、准确性 保证控制系统运行的重要基本条件 多量程 适应大范围应用，提高精确度,20,变送器（3）,变送器的发展： 机械位移式 结构简单，精确度低（弹

7、性元件非线性、变差大） 力平衡式 闭环式负反馈，精确度较高，但机械构造复杂使可靠性和精确性难以提高， 电容、电感、扩散硅压阻式（微小位移改变电容或电感） 结构简单，精确度高，稳定性好，易维护,21,模拟电容式压力变送器（1） 基本原理,典型产品：1151系列电容式压力变送器（美国 Roscmount 公司） 组成原理： 工作原理：,被测物理参数,感测部分,测量电路,输出电流,被测参数变化,感测部分微小位移,测量电路,输出电流（420mA）,差动电容变化,电流发生变化,22,模拟电容式压力变送器（2） 1151电容式变送器实例,1、技术参数 供电电源：1245VDC 负载特性： 最大负载电阻RL

8、为： RL=(VS12V)/0.023A 式中：RL最大负载电阻，； VS供电电源电压，V 通信时，RL为：2301100） 输出信号：二线制420mA直流信号上，可选择线性输出或开方输出。 量程和零位：通过就地按钮调整或采用HART通讯器远方进行调整。 正负迁移：差压变送器：最大正迁移量为测量范围上限值（URL以下同）与测量量程之差；最大负迁移量为URL。,23,模拟电容式压力变送器（3） 1151压力变送器探头（室）工作原理,24,模拟电容式压力变送器（4） 1151压力变送器探头（室）特点,结构方面 微位移工作原理，无机械传动与调整； 感测部分零件少，测量电路简单； 体积小，重量轻； 性

9、能方面 压力与电容呈线性关系，测量准确度高； 动态响应快，抗振动； 室结构具有良好的过载保护性能； 使用方面 品种齐全； 测量范围广（0.123KPa7MPa）； 调整使用方便；,25,模拟电容式压力变送器（5） 1151变送器测量电路工作原理,1 解调器：检测电容变化导致的电流变化； 2 振荡器：为解调器及电容供电； 3 振荡控制放大器：与1、2共同构成深度负反馈控制电路，用于稳定振荡器的输出电压； 4 电流控制放大器与电流控制器：微小电流放大并标准化（420mA）；,26,智能电容式压力变送器 1151Smart 智能压力变送器工作原理,可输出模拟与数字信号，具备双向通信能力 ！,27,智

10、能电容式压力变送器（7） 3051C 智能变送器工作原理,在1151Smart基础上增加了温度传感器，使测量精度更高 ！,28,DDZIII 型温度变送器（1） 工作原理,仪表工作原理： 根据电阻的阻值、热电偶的电势随温度不同发生变化的原理，经过稳压滤波、运算放大、非线性校正、V/I转换、恒流向保护等电路处理后，转换成与温度成线性关系的420mA标准电流信号。 仪表工作参数指标： 1.供电电压：额定值24V.DC，允许工作电压范围：17V35V2.负载电阻：06003.输出信号：DC 420mA.4.供电电压变化附加误差：0.005%V5.精度：0.1%、0.2%、0.5%6.功耗：0.5W7

11、.工作环境温度：-3080，相对湿度：95%R.H,29,DDZIII 型温度变送器（2） 热电阻温度变送器工作原理,DDZ-III热电阻温度变送器结构图,30,DDZIII 型温度变送器（3） 热电阻温度变送器工作原理,DDZ-III热电阻温度变送器简化结构图,31,DDZIII 型温度变送器（4） 热电偶温度变送器工作原理,DDZ-III热电偶温度变送器结构图,32,DDZIII 型温度变送器（5） 热电偶温度变送器工作原理,DDZ-III热电偶温度变送器简化结构图,33,DDZIII 型温度变送器（6） 热电偶温度变送器模块功能,量程单元 冷端补偿； 断线报警（输出20 mA）； 信号与

12、温度的非线性补偿； 放大单元 电压放大与功率放大； 信号隔离； V/I变换输出420(mA)电流,34,DDZIII 型温度变送器（7） 负载特性,温度变送器负载特性,35,DDZIII 型二线制温度变送器安装使用（1） 电气接线示意图,36,DDZIII 型二线制温度变送器安装使用（2） 变送器接线示意图,37,智能控制器,38,智能调节器的构成,1 与模拟变送器连接的智能调节器,采样器,A/D,接口,中央处理器,保持器,D/A,接口,变送器,执行器,显示设备,人机接口,通信接口,39,智能调节器的构成,2 与智能变送器连接的智能调节器,中央处理器,变送器,执行器,显示设备,人机接口,通信接

13、口,数字通信线路,40,智能调节器的软件系统： 监控管理程序（微操作系统）：对系统的各种硬件进行管理，是软件系统的基层； 应用程序：数据采集、处理、滤波等子程序；算法程序，自诊断程序 3 用户程序：用户组态数据,41,执行器,42,分类： 气动：以压缩空气为能源，特点是结构简单、推力大、动作可靠、性能稳定、维护方便、本质防爆 电动：以电为能源，特点是能源取用方便、信号传输速度快、传输距离远、灵敏度和精度高、接线简单；结构复杂、体积大、推力小、故障率较高,43,气动执行器,44,电动执行器,45,手操器,46,智能电动执行器,47,气动保位阀,1、特点和用途 气动保位阀按力平衡原理设计，当仪表气

14、源系统发生故障，压力下降至临界安全压力时，保位阀能自动切断调节器与阀门的通道，使阀门保持在原有调节位置，以保证工艺过程的正常进行。直到气源事故消除后，通道便自动打开，恢复正常工作。因此，气动保位阀可广泛适用于各种重要自动控制回路作为安全保护装置。 其特点是：1. 体积小，安装调整方便；2. 采用高精度设定弹簧，灵敏度高，流量大；3. 密封可靠,寿命长。,48,2、动作原理 当气源系统供气压力正常时，气压经给定信号入口输至膜片下方，产生向上推力，与给定弹簧力平衡，此时阀芯打开，调节信号便可正常的通过阀座输出到执行器。当气源系统发生故障，致使压力下降至给定的临界安全压力以下时，膜片向上推力减小，在

15、弹簧力推动下阀芯迅速关闭，调节信号与执行器间的通道被切断，使阀门开度维持在原有的调节位置上。 当气源故障排除，供气压力恢复时，通道又会自动打开。 卸开保护罩，旋动调节螺杆，可以改变给定弹簧的推力（即给定值），并可方便地调出所需的临界安全压力。,49,变速给水泵中的液力连轴器,50,1.背壳 2.涡轮 3.泵轮 4.旋转外壳 5.电动执行器 6.勺管 7.油泵 8.压力表 9.温度表 10.铂热电阻 11.压力变送器 12.油冷却器 13.综合参数测试仪（现场用） 14.综合参数测试仪（控制室用） 15.转速传感器 16.转速仪 17.伺服放大器 18.电动操作器 19.液位传感器 20.液位报

16、警器 21.电加热器 22.电加热自动控制器,51,工作原理 在电机的转动下带动泵轮旋转,通过离心力和叶片的作用产生一个旋转冲击矩从而冲动涡轮叶片使涡轮旋转,这样就完成了传动的过程。 当需要调节泵的出力时,只需通过调节勺管开口与工作室圆周方向的距离就能控制工作室油压,由于离心力的作用离圆周方向越靠近油压越大,勺管泄出的工作油越大.那么工作室的油压就很好控制,油压越大泵轮传动到涡轮的力矩越大，泵出力越大。! 通过勺管泄出的工作油经过勺管尾部的开孔进到回油室后返回油箱,完成一个循环,52,现场总线仪表,1 现场总线基础知识 2 现场总线智能仪表,53,现场总线技术基础知识,54,* 现场总线的概念

17、: 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。 * 总线及现场总线的分类 一、总线的分类 总线如按其长度来分类有： (1)毫米级：芯片内总线； (2)分米级：机箱内总线，如Multibus，STD，PCL， ISA，NIM和CAMAC等 (3)十米级；机柜间总线，如RS232RS530，GPIB， fastbus，VXI等 (4)千米级：现场总线，如FF，Profibus和WorldFIP等。,55,2) 按应用行业分： 过程控制（连续控制），如FF,PROFIBUS-PA 离散控制（数字控制），如PROFIBUS-DP， Device Net 楼宇自动化

18、，如LONWORKS 车辆制造，如CAN 飞机制造业，如SWIFT-NET 农业及养殖业，如P-NET,56,现场总线技术的起源 * 起源于欧洲，后发展至北美 * 1984年IEC开始着手制定现场总线国际标准，1999年出结果：,57,类型1 IEC技术报告（即FF H1） 类型2 Control Net(美国Rockwell公司支持） 类型3 Profiburs(德国西门子公司支持） 类型4 P-Net(丹麦Process Data公司支持） 类型5 FF HSE（即FF H2，美国Fisher Rosemount 公司支持） 类型6 Swiff Net(美国波音公司支持） 类型7 Worl

19、d FIP(法国Alstom公司支持） 类型8 Interbus_(德国Phoenic Contact公司支持）,58,现场总线产生的背景和基础 工业生产的发展对检测和控制的要求日益增多，原始 的目测、耳闻与手摸的检测方式，正在向着仪表检测 和自控的方向发展。 1.早期的仪表与调节器：机械式的，如弹簧式压力计。 2. 液动和气动仪表：20世纪。 液动（油压）仪表：漏油、火灾，不能远程调节； 气动仪表：传输距离有限，对起源净度要求高， 需专门气源，多个气动信号的叠加处 理复杂； 3. 电动仪表：20世纪50年代。体积大，后出现电子仪 表（真空管半导体集成电路式）,59,4.计算机监控：20世纪6

20、0年代。具有了智能。但存在可靠性问题，价格昂贵。 5. DCS： 20世纪70年代。中央控制室内的控制系统已经实现了数字化，但处于现场的大量的变送器与执行器仍然是模拟的。控制规模大时，电缆数量很多，造成成本提高和施工、检修困难。存在“处理瓶颈”问题。 6. FCS: 20世纪90年代。,60,FCS 的特点： 1、开放性 2、全数字化 3、双向通信 4、多站体系 5、互操和互换性 6、彻底分散（控制功能下移） 7、统一组态（组态的标准化） 8、现场智能化（综合管理功能、控制功能）,61,FCS的多仪表互连： 数字通信 节省电缆 信号精度高（见下图） 双向通信 多变量检测和传送 （见下图）,62

21、,FCS的多变量检测和传送,63,两种传输模式的精度比较,64,现场总线的本质含义： 1、现场通信网络 2、现场设备互连 3、互操作性 4、控制全分散 5、开放互连网络,65,应用FCS的好处： 1、减少IO装置 2、免去了数字与模拟的转换 3、减少了电缆 4、可以产生智能化的现场仪表 5、改善了控制性能（控制周期减小、 主机负荷减轻） 6、降低工程费用 7、用户可以择优选择达到最佳集成,66,67,基于现场总线仪表的测控系统的体系结构,68,现场总线智能仪表,69,按照功能划分 1、变送器类设备 2、执行器类设备 3、转换类设备 4、接口类设备 5、电源类设备 6、附件类设备,70,变送器类

22、设备,差压变送器 压力变送器 温度变送器 流量变送器 密度变送器 电量变送器,71,执行器类设备,气动执行器 电动执行器,72,转换类设备,现场总线/电流转换器（FI） 电流/现场总线转换器（IF） 现场总线/气压转换器,73,接口类设备,PCI卡 网关,74,电源类设备,为现场总线设备供电的电源,75,附件类设备,总线连接器 安全栅 终端器 中继器,76,差压变送器,用途 用于测量差压、绝对压、表压、液位、流量 功能核心 高性能、高可靠性的经过现场应用证实的电容 式传感器 内部核心功能块 AI、PID、ARTH 组态方法 使用上位机组态软件 使用就地调整功能,77,差压变送器工作原理,电容式

23、传感器,78,79,电路工作原理,80,差压变送器所具有的功能块 (1)一个资源块。 (2)一个输入转换块。 (3)一个显示转换块。 (4)一个模拟量输入块。 (5)一个PID控制块。 (6)一个信号选择器块。 (7)一个信号特性描述块。,81,输入信号选择块 1、四选一输出 2、输入通常来自AI块或其他功能块，不直接接受来自传感器的信号 3、可实现信号选择、最大值、中值、均值的选择,82,信号选择块,83,信号特性描述块,信号特征化块有两个组成部分，每一部分的输出都是该部分输入的非线性函数。函数是由一个二维查表机构所确定的。在xy坐标系上共有20个点，输出状态与输入状态相同，因此该块可以用于

24、控制或信号处理。在第二部分有一个选项，可以选择交换坐标轴，获得反函数，因此可以用于反向控制路径中。功能块采用插值法建立了输入IN1与输出0UT1以及输入IN2与输出OUT2之间的关系，根据以下点的坐标给出函数曲线。 X1,Y1,X2,Y2,X3,Y3,X20,Y20 这里x为输入，I为输出。x轴坐标按输入信号的工程单位给出，y轴坐标按输出的工程单位给出.,84,信号特性描述块,85,功能块的参数,(1)输入参数：功能块接收到要处理的值； (2)输出参数 ：可送给其他块、硬件或者使用者的处理结果。 (3)内含参数：用于块的组态、运行和诊断。,86,差压变送器的显示器,87,差压变送器正常显示时的

25、显示器,88,现场总线温度变送器,作用：用于温度测量 信号源：热电偶、热电阻、其他传感器输出的电阻或毫伏信号（高温计、荷重传感器、电阻式位置传感器）,89,工作原理 毫伏信号:-50500mv 电阻信号：02000欧姆,90,多路器MUX:用于切换若干路传感器的输入信号，将其送入信号调理部分，以便测量其电压 A/D转换器：将输入的模拟信号转换为CPU所用的数字量信号 信号隔离器：隔离输入与CPU之间的数据和控制信号。 环境温度传感器：冷端温度补偿,91,注意 如果热电侣与变送器端子之间的导线没有采用与热电偶相同的导线(例如，由传感器或接线盒到变送器端间采用铜线)，那么新的冷端就会产生塞贝克效应

26、，由于冷端校正点不对，在许多情况下会影响测量结果。 因此，由传感器到变送器之间的接线要使用热电偶线或合适的补偿导线。,92,热电阻的连接,93,94,95,温度变送器中的功能块,(1)一个资源块 (2)一个显示转换块 (3)两个输入转换块 (4)两个模拟量输入块 (5)一个PID控制块 (6)一个信号选择块 (7)一个信号特征化块 (8)一个通用运算块,96,输入转换块中的参数,1、SENSOR_MODE_CODE 传感器的运行模式编码 2、 SENSOR_SERIAL_NUMBER 传感器的系列号 3、SENSOR_TYPE 接线端子上连接的传感器的类型 4、SENSOR_CONNECTIO

27、N 传感器与现场设备之间的连接方式,97,5、SENSOR_MEASUREMENT_TYPE 传感器的原始测量值的处理方法：取平均、按照原值 6、NUM_MEAS_TO_AVERAGE:计算平均值时所取的测量的数据个数 7、TEMPERATURE_SENSOR_VALUE 温度变送器的当前测量值 8、 TEMPERATURE_SENSOR_UNITS 测量值的工程单位,98,9、CJC_TEMP_VALUE:冷端温度值 10、CJC_TEMP_UNITS:冷端温度单位 11、SENSOR_STATUS:传感器状态，正常、故障、越上限、越下限、离线,99,电流现场总线转换器（IF）,作用：将传统

28、的420mA电流转换成为现场总线信号 所连接的设备：传统的420mA模拟变送器或其他输出信号为420mA或020mA的现场仪表 可同时连接3路模拟信号输入,100,IF所使用的功能块,3个模拟量输入块 1个信号特征化块 1个运算块 1个信号选择块 1个积分块,101,IF的电路原理,102,IF的安装接线,总线型拓扑结构,103,树型拓扑结构,104,105,现场总线电流转换器（FI）,* 作用 用于现场总线系统与控制阀门或其他执行器之间的接口，将从现场总线传来的控制信号转换为420mA的电流信号输出 * 可以同时转换成为3路模拟量输出,106,FI的工作原理,107,FI的外部接线,108,

29、现场总线气压转换器,作用：接受来自现场总线的控制信号，将其转换为20100KPa气压信号，以控制阀门或执行机构,109,工作原理：1、稳态 2、工作状态下,110,电路结构,111,现场总线阀门定位器,* 作用 根据控制信号，产生气压信号，带动执行机构输出一个位移，并通过非接触的霍尔元件检测位移的大小，然后反馈到控制电路，以实现阀门的精确定位。 * 组成 主电路板、显示板、输出组件 * 输出组件的组成 喷嘴挡板机构、饲服机构、霍尔传感器、输出电路,112,输出组件,1 稳态,2 工作状态,113,现场总线接口卡（PCI）,指标 * 16位ISA卡 * 多路总线通道 * 32位精简指令集RISC

30、 CPU,114,特点1,强有力的硬件结构。 32位精简指令集中央处理机和双口存储器结构使现场总线接口卡具有强大的处理能力。所有的通信和总线调度任务都由现场总线接口卡完成，使PC机更好地完成人机接口和PCI OLE服务器的功能。,115,特点2,开放式的软件系统结构 PCl OLE服务器内部可以同时连接一个或多个需要使用现场总线接口的客户应用进程。客户机可以通过LAN访问同一PC机内的服务器或者是访问远方的服务器。这就使向一个分布式现场总线数据库为多个工作站所充分地共享。,116,特点3,易安装、易扩展 现场总线接口可以很容易地安装到任何PC机的ISA或EISA总线上。统一的硬件设计可以允许在一台PC机上安装8块现场总线接口卡，这些卡使用同样的IO口和中断口。,117,特点4,多总线通道机构 可同时管理多个总线通道,118,特点5,过程监控。 由于现场总线通信协议的先进性，