控制儀表與裝置課件 概論

第一節(jié)控制儀表與控制系統(tǒng)第二節(jié)控制儀表及裝置的分類第三節(jié)聯(lián)絡(luò)信號和傳輸方式第四節(jié)安全防爆的基本知識和防爆措施

概論上一頁目錄下一頁1

這里所指的控制儀表包括：在自動控制系統(tǒng)中廣泛使用的調(diào)節(jié)器、變送器、運算器、執(zhí)行器等?，F(xiàn)舉例說明其工作原理：圖0-1、例a.b第一節(jié)控制儀表與控制系統(tǒng)上一頁目錄下一頁2被控變量首先由檢測元件變換為易于傳遞的物理量，再經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，該信號送到調(diào)節(jié)器中，與給定值相比較得出的偏差，以一定的調(diào)節(jié)規(guī)律發(fā)出控制信號，控制執(zhí)行器的動作，從而改變被控介質(zhì)物料或能量的大小，直至被控變量與給定值相等。上一頁目錄下一頁3給定值圖a工藝控制流程圖Gc(s)Gp(s)

Gm(s)Y(s)R(s)圖b控制系統(tǒng)方框圖LC上一頁目錄下一頁4

第二節(jié)控制儀表與裝置分類

一、按能源形式分類:

可分為氣動、電動、液動等幾類。二、按信號類型分類:

可分為模擬式和數(shù)字式兩大類。三、按結(jié)構(gòu)形式分類:

可分為基地式控制儀表、單元組合式、集散控制儀表、現(xiàn)場總線控制儀表。

上一頁目錄下一頁5常分為氣動、電動和液動。工業(yè)上常用氣動控制儀表和電動控制儀表。1、氣動控制儀表：20世紀(jì)40年代就廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。其特點是：結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、可靠性高、價格便宜且在本質(zhì)上是安全防爆的。主要應(yīng)用場合：石油、化工等有爆炸危險的場所。按能源類型分類：2、電動控制儀表：它的出現(xiàn)相對比較晚一些。

其特點是：信號傳輸、放大、轉(zhuǎn)換處理比氣動儀表容易的多，便于實現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)視和操作，還易于與計算機等現(xiàn)代技術(shù)連用。主要應(yīng)用場合：由于也采用了本質(zhì)安全防爆措施，故同樣適應(yīng)于易燃易爆場所。上一頁目錄下一頁6按信號類型分類：常分為模擬式和數(shù)字式。

1、模擬式控制儀表：其傳輸信號通常為連續(xù)變化的模擬量。

特點：線路簡單，操作方便，價格較低，在設(shè)計、制造、使用上均有較成熟的經(jīng)驗。但逐漸有被數(shù)字儀表取代的趨勢。

應(yīng)用場合：廣泛的應(yīng)用于各工業(yè)部門。2、數(shù)字控制儀表：其傳輸信號通常為斷續(xù)變化的數(shù)字量。

特點：以微機為核心，功能完善，性能優(yōu)越，滿足高質(zhì)量控制要求，能解決模擬儀表難以解決的問題?，F(xiàn)在多為智能儀表。上一頁目錄下一頁7按結(jié)構(gòu)形式分類：基地式控制儀表單元組合式控制儀表集散式控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)上一頁目錄下一頁8基地式控制儀表是以指示、記錄儀表為主體，附加控制機構(gòu)而組成。其特點是：既有記錄、指示功能，也有控制功能，結(jié)構(gòu)比較簡單。主要應(yīng)用場合：常用于單機自動化系統(tǒng)，如XCT?；厥娇刂苾x表上一頁目錄下一頁9單元組合式控制儀表各個儀表之間用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行聯(lián)系，將各種獨立儀表進(jìn)行不同的組合，可以構(gòu)成適用于各種不同場合的自動檢測或控制系統(tǒng)。這類儀表有電動單元組合儀表（DDZ）和氣動單元組合儀表（QDZ）兩大類。它們都經(jīng)歷了Ⅰ型，Ⅱ型和Ⅲ型的三個階段。電動單元組合儀表中還有模擬和數(shù)字技術(shù)相結(jié)合的DDZ-S型系列儀表。上一頁目錄下一頁10其特點是制造、使用、維護、比較方便。因此在石油、化工等諸多領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。

DDZ在我國的發(fā)展型號應(yīng)用年代代表產(chǎn)品特點DDZ-I型60年代初電子管體積大、笨重、耗電量大、易于引燃引爆DDZ-II型60年代末晶體管體積小、重量輕、性能得到了改善DDZ-III型70年代中線性集成電路采用安全火花防爆技術(shù)，精度、穩(wěn)定性、可靠性高DDZ-S型現(xiàn)代（研究中）數(shù)學(xué)與模擬技術(shù)結(jié)合數(shù)字化、智能化、固態(tài)化、上一頁目錄下一頁11集散型控制系統(tǒng)(DCS系統(tǒng))

DCS系統(tǒng)是一種以微型計算機為核心的計算機控制裝置。他在控制技術(shù)（control）

、計算機技術(shù)（computer）、通信技術(shù)（communication）、屏幕顯示技術(shù)（CRT）等四“C”技術(shù)迅速發(fā)展的基礎(chǔ)上研制成的一種新型控制系統(tǒng)。其基本特點是分散控制、集中管理。上一頁目錄下一頁12現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS系統(tǒng))

FCS系統(tǒng)基本特征是結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化和全分散性，系統(tǒng)的開放性，現(xiàn)場儀表的互可操作性、功能自治性以及環(huán)境的適應(yīng)性。FCS系統(tǒng)在性能、功能上均比傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)更優(yōu)越，隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的不斷完善，F(xiàn)CS將廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化系統(tǒng)，并取代傳統(tǒng)的控制技術(shù)。缺點是：現(xiàn)場總線設(shè)備比較昂貴。上一頁目錄下一頁13第三節(jié)聯(lián)絡(luò)信號和傳輸方式一、聯(lián)絡(luò)信號二、電信號傳輸方式上一頁目錄下一頁14一、聯(lián)絡(luò)信號在實際自動化系統(tǒng)中所使用的各種儀表可分為現(xiàn)場儀表和控制室儀表。各種儀表之間為連接有效，使整個系統(tǒng)有機地結(jié)合為一個完整的自動化系統(tǒng)，儀表之間應(yīng)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)絡(luò)信號和合適的傳輸方式，這就引出了信號制。上一頁目錄下一頁15信號制信號制：是指在成套儀表系列中，儀表之間采用何種統(tǒng)一聯(lián)絡(luò)信號來進(jìn)行信號傳輸?shù)膯栴}。采用統(tǒng)一信號制優(yōu)點：1.可以同一系列的各類儀表組成系統(tǒng)。2.還可以通過各種轉(zhuǎn)換器將不同系列的儀表連接起來混合使用，從而擴大了儀表的應(yīng)用范圍。3.各類儀表還可同工業(yè)控制機等先進(jìn)技術(shù)工具配合使用。上一頁目錄下一頁16（1）國際電工委員會(IEC)規(guī)定:電動模擬儀表采用4~20mA直流電流和1~5V直流電壓作為統(tǒng)一聯(lián)絡(luò)信號(與我國的DDZ-Ⅲ儀表相同)（2）氣動儀表的統(tǒng)一信號為:0.02~0.1Mpa上一頁目錄下一頁17模擬信號應(yīng)用廣泛（模擬儀表之間）數(shù)字信號傳輸精度高、速度快，應(yīng)用越來越廣泛（數(shù)字儀表及計算機之間）頻率信號一些變送器（如渦輪流量計）直接輸出頻率信號，抗干擾能力強，易于數(shù)字化1.信號類型：2.電模擬信號制的確定電模擬信號有交流和直流兩種。由于直流信號具有不受線路中電感、電容及負(fù)載性質(zhì)的影響，不存在相移問題等優(yōu)點，故世界各國多應(yīng)用直流信號作為統(tǒng)一的聯(lián)絡(luò)信號。電動控制儀表上一頁目錄下一頁18二、電信號傳輸方式

：（一）模擬信號的傳輸

信號傳輸指的是電流信號傳輸和電壓信號傳輸。電流信號傳輸時，儀表是串聯(lián)連接的；而電壓信號傳輸時，儀表是并聯(lián)連接的。見下頁圖：上一頁目錄下一頁191.模擬電流信號的傳輸

任何一個儀表在拆離信號回路之前首先要把該儀表的兩個輸入端短接，否則其它儀表將會因電流中斷而失去信號儀表無公共接地點，須浮空工作上一頁目錄下一頁20電流的傳輸誤差（相對誤差）為：ζ=(Io-Ii)/Io={Io-Ro/[Ro+(Rcm+nRi)]?Io}/Io

=(Rcm+nRi)/(Ro+Rcm+nRi)×100%

式0-1為保證傳輸誤差e在允許的范圍內(nèi)，應(yīng)要求Ro>>Rcm+nRi所以有ζ≈(Rcm+nRi

)/Ro×100%

式0-2上一頁目錄下一頁21電流信號的優(yōu)點：實際上，發(fā)送儀表的輸出電阻均很大（相當(dāng)于一個恒電流源），導(dǎo)線電阻變化不大時仍能保證信號的傳輸精度。所以電流信號適用于遠(yuǎn)距離傳輸。(如儀表要求電壓輸入，可在電流回路中串聯(lián)一個250W的電阻)。電流信號的缺點：由于接收儀表是串聯(lián)工作的，當(dāng)一臺儀表出故障時將影響其他儀表工作，而且各臺接收儀表一般皆應(yīng)浮空工作。若要使各臺儀表皆有自己的接地點，則應(yīng)在儀表的輸入、輸出之間采取直流隔離措施。上一頁目錄下一頁222.模擬電壓信號的傳輸一臺發(fā)送儀表的輸出電壓要同時輸出給幾臺接收儀表時，這些接收儀表應(yīng)當(dāng)并接。如下圖0-3所示優(yōu)點：

任何一個儀表拆離信號回路都不會影響其它儀表的運行。各個儀表具有公共接地點，可以共用一個直流電源。要求：接收儀表的輸入阻抗要足夠高上一頁目錄下一頁23由于接收儀表的輸入電阻Ri不是無限大，信號電壓Vo將在發(fā)送儀表內(nèi)阻Ro及導(dǎo)線電阻Rcm上產(chǎn)生一部分壓降，從而造成傳輸誤差。上一頁目錄下一頁24電壓信號的傳輸誤差可用如下公式表示：ζ

=（Vo-Vi）/Vo=[Vo-Ri·Vo/n(Ro+Rcm+Ri/n)]/Vo=(Ro+Rcm)/(Ro+Rcm+Ri/n)×100%

式0-3減小的傳輸誤差ζ，應(yīng)滿足Ri/n>>Ro+Rcm所以ζ≈n·（Ro+Rcm）/Ri

×

100%

式0-4式中n為接收儀表的個數(shù)上一頁目錄下一頁253.變送器與控制室儀表間的信號傳輸（1）四線制傳輸

（2）兩線制傳輸變送器是現(xiàn)場儀表，其輸出信號送至控制室中，而它的供電又來自控制室。變送器的信號傳送和供電方式通常有如下兩種：上一頁目錄下一頁26（1）四線制傳輸供電電源和輸出信號分別用兩根導(dǎo)線傳輸，如左圖所示：在此傳輸方式中，若變送器的一個輸出端與電源裝置的負(fù)端相連，即為三線制傳輸。上一頁目錄下一頁27（2）兩線制傳輸變送器現(xiàn)場電源裝置Ri接收儀表控制室圖0-5兩線制傳輸這兩根線既為信號線又為電源線優(yōu)點：可以節(jié)省大量電纜線和安裝費用且利于防爆。上一頁目錄下一頁28第四節(jié)安全防爆的基本知識和防爆措施一、安全防爆的基本知識二、本質(zhì)安全型防爆儀表和防爆措施三、安全柵上一頁目錄下一頁29一、安全防爆的基本知識（一）、爆炸危險場所的分類、分級（二）、爆炸性物質(zhì)的分級、分組（三）、電氣設(shè)備的防爆等級上一頁目錄下一頁30（一）、爆炸危險場所的分類、分級按物態(tài)分：氣體爆炸危險場所、粉塵爆炸危險場所。0級區(qū)域在正常情況下，爆炸性氣體混合物連續(xù)的、頻繁的出現(xiàn)或長時間存在的場所1級區(qū)域在正常情況下，爆炸性氣體混合物有可能出現(xiàn)的場所。2級區(qū)域在正常情況下，爆炸性氣體混合物不能出現(xiàn)，僅在異常情況下偶爾或短時間出現(xiàn)的場所（1）、氣體爆炸危險場所的區(qū)域等級上一頁目錄下一頁31（2）.粉塵爆炸危險場所的區(qū)域等級根據(jù)爆炸性粉塵或可燃纖維與空氣混合物出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時間分為以下兩個區(qū)域等級。10級區(qū)域：在正常情況下，爆炸性粉塵或可燃纖維與空氣的混合物可能連續(xù)地、頻繁地出現(xiàn)或長時間存在的場所。11級區(qū)域：在正常情況下，爆炸性粉塵或可燃纖維與空氣的混合物不能出現(xiàn)，僅在不正常情況下偶爾短時間出現(xiàn)的場所。上一頁目錄下一頁32（二）、爆炸性物質(zhì)的分級、分組1、爆炸性氣體、蒸汽的分級2、爆炸性粉塵的分級3、爆炸性物質(zhì)的分組上一頁目錄下一頁331、爆炸性氣體、蒸汽的分級（1）、按最大試驗安全間隙分級：在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗條件下，火焰不能傳播的最大間隙稱為最大試驗間隙（MESG）。按爆炸性氣體、蒸汽的最大試驗安全間隙可分為以下幾級：無級：MESG=1.14mm為甲烷，作為起始點A級：0.9<MESG<1.14mmB級：0.5<MESG≤

0.9mmC級:MESG≤

0.5mm上一頁目錄下一頁34(2).按最小點燃電流比分級在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)實驗條件下，調(diào)節(jié)最小點燃電流，以甲烷的最小點燃電流為標(biāo)準(zhǔn)，定為1.0，其他物質(zhì)的最小點燃電流與之比較，得出最小點燃電流比（MICR）為：某物質(zhì)的最小點燃電流比=某物質(zhì)的最小點燃電流/甲烷最小點燃電流。按爆炸性氣體、蒸汽的最小點燃電流比，可分等級：無級：

MICR=1.0級為甲烷，作為起始點A級:

0.8<MICR<1.0B級:

0.45<MICR≤0.8C級:

MICR≤0.45由此可見，爆炸性氣體、蒸汽的最大安全間隙越小，最小點燃電流也越小。上一頁目錄下一頁352、爆炸性粉塵的分級

爆炸性粉塵的分級是按粉塵的物理性質(zhì)劃分的方法為：

A級：非導(dǎo)電性的可燃粉塵與非導(dǎo)電性的可燃纖維

B級：導(dǎo)電性的爆炸性粉塵與火藥、炸藥粉塵上一頁目錄下一頁363、爆炸性物質(zhì)的分組爆炸性物質(zhì)按引燃溫度分組：（在沒有明火源的條件下，不同物質(zhì)加熱引燃所需要的溫度是不同的，因為自燃點不同）按引燃溫度可分為六組，如表：組別T1T2T3T4T5T6引燃溫度t/℃

>450450≥t>300300≥t>200200≥t>135135≥t>100100≥t>85用于不同組別的防爆電器設(shè)備，其表面允許最高溫度各不相同，不可隨便混用。上一頁目錄下一頁37（三）、電氣設(shè)備的防爆等級

（此部分參考教材P7）電器設(shè)備的防爆等級常用的有以下三種：1.本質(zhì)安全型(i)本質(zhì)安全型電器設(shè)備的全部電路均為本質(zhì)安全電路（正常工作或規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)不能點燃爆炸性混合物的電路）ia級:在正常工作,一個或兩個故障時均不能點燃爆炸性氣體混合物的電器設(shè)備.ib級:在正常工作和一個故障時不能點燃爆炸性混合物的電路.上一頁目錄下一頁382.隔爆型(d)隔爆型電器設(shè)備具有隔爆外殼.該外殼能承受內(nèi)部爆炸性其體混合物的爆炸壓力,并阻止內(nèi)部的爆炸向外殼周圍爆炸性混合物傳播.3.增安型(e)增安型電器設(shè)備是指采取措施提高安全程度,以避免在正常和認(rèn)可的過載條件下產(chǎn)生電弧火花或危險溫度的電器設(shè)備.控制儀表使用的安全等級主要為:本質(zhì)安全型和隔爆型上一頁目錄下一頁39二、