自動化儀表及裝置第0章-2概論課件

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與發(fā)展第三節(jié)聯(lián)絡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1控制儀表與控制系統(tǒng)儀表的分類和發(fā)展聯(lián)絡信號定義、類型、電信號傳輸方式（供電24VDC、輸入信號1~5V、輸出信號4~20mA）防爆電氣設備的分類、分組和防爆標志常用防爆型控制儀表類型和特點控制系統(tǒng)實現(xiàn)本安防爆的要求

本章重點內容介紹2概論第一節(jié)控制儀表與控制系統(tǒng)3被控變量首先由檢測元件變換為易于傳遞的物理量，再經變送器轉換成標準的電信號，該信號送到控制器(調節(jié)器)中，與給定值相比較得出的偏差，以一定的控制（調節(jié)）規(guī)律發(fā)出控制信號，控制執(zhí)行器的動作，從而改變被控介質物料或能量的大小，直至被控變量與給定值相等。給定值被控參數(shù)被控介質簡單控制系統(tǒng)方框圖變送器執(zhí)行器控制器被控對象5被控對象－需要調節(jié)其工藝參數(shù)的生產設備。變送器

－把工藝參數(shù)轉換成標準統(tǒng)一信號的裝置?？刂破?/p>

－將來自變送器的測量值與給定信號相比較后產生的偏差信號，按照預先設定好的控制規(guī)律進行運算后，輸出一個控制信號去執(zhí)行器。執(zhí)行器－把控制器的輸出信號轉換成直線位移或角位移，以控制閥門的開度。此外，根據需要還可設有顯示、轉換、計算、輔助、給定裝置。6概論第二節(jié)控制儀表及裝置分類、發(fā)展7電動控制儀表氣動控制儀表能源電源（220VAC/24VDC）氣源（140kPa）傳輸信號電信號（電壓、電流、數(shù)字）氣壓信號元器件電子元器件氣動元件接線導線導管電磁干擾與防爆受電磁干擾影響須采取抗干擾、防爆措施不受電磁干擾影響本質上安全防爆電動控制儀表和氣動控制儀表的比較9自動化裝置按采用的信號形式不同數(shù)字式儀表模擬式儀表

按信號類型10模擬式儀表傳輸信號為連續(xù)變化的模擬量,這類儀表線路較簡單,操作方便，價格較低。

如，氣動儀表，電動單元組合儀表Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型等。數(shù)字式儀表傳輸信號為斷續(xù)變化的數(shù)字量，這類儀表與裝置以微型計算機為核心，功能完善，性能優(yōu)越，能解決模擬儀表難以解決的問題。如，可編程調節(jié)器、控制器、DCS（集散控制系統(tǒng)）、FCS（現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）等。

按信號類型11基地式儀表：包含多種功能部件（傳感、指示、記錄、控制、執(zhí)行等部分），設計成一個整體，結構較簡單。如帶控制機構的指示記錄儀。單元組合式儀表：儀表劃分成能獨立實現(xiàn)某種功能的若干單元，單元間用標準信號聯(lián)系。如電動、氣動單元組合儀表。組裝式儀表：在單元組合儀表的基礎上發(fā)展起來的一種成套儀表裝置，包含控制柜和操作臺兩部分。集散控制系統(tǒng)（DCS）：以微型計算機為核心,集4C技術為一體的計算機控制裝置,實現(xiàn)分散控制和集中管理。如TPS、PCS7、ECS、Hollias等?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）:

現(xiàn)場總線將具有數(shù)字通信能力的現(xiàn)場儀表相連接,并同上層監(jiān)控管理級一起構成分布式控制網絡。如FF總線控制系統(tǒng)（FCS）。按結構形式13發(fā)展史大約有70年，大體可分成五個階段。時間第一階段20世紀30~40年代(1935)名稱基地式儀表結構將測量、顯示、紀錄、調節(jié)都放在一個表殼里的儀表.(以指示記錄儀表為中心，附加某些調節(jié)機構)特點結構簡單,適于單參數(shù)就地控制主要產品KF系列氣動基地式儀表(日本山武-霍尼威爾公司)帶PID調節(jié)的電子電位差計(上海自動化儀表廠)>控制儀表及裝置的發(fā)展14名稱單元組合式儀表結構將整套儀表劃分成若干個單元，各單元之間采用統(tǒng)一的標準信號連接。使用時根據需要，經過不同的搭配，就可組成各種各樣的檢測及控制系統(tǒng)。時間第二階段20世紀40~50年代(1955)特點應用靈活，通用性強主要產品Ⅰ系列、EK系列儀表(日本橫河公司)國產DDZ-Ⅱ、DDZ-Ⅲ系列儀表(北京、上海、西安、大連、天津、吉林、重慶等儀表廠)15名稱集散控制系統(tǒng)結構分散監(jiān)測控制裝置,人-機接口裝置,通信網絡,上位機接口裝置時間第四階段20世紀70~90年代(1975)特點操作、顯示、管理集中.控制、負荷、危險分散主要產品TDC-2000、TDC-3000、TPS、S9000(美國霍尼威爾公司)CENTUM-CS、XL、CS1000、CS3000(日本橫河公司)PCS7、PCS7-BOX(德國西門子公司)17名稱現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結構現(xiàn)場總線儀表通信網絡時間第五階段20世紀95~07年代(2007)特點操作、顯示、管理一體化,危險分散，控制分散到一個回路主要產品FF基金會現(xiàn)場總線(美國費歇爾-羅斯蒙特公司)PROFIBUS過程現(xiàn)場總線(德國西門子公司)18概論第三節(jié)聯(lián)絡信號和傳輸方式19一、聯(lián)絡信號聯(lián)絡信號的定義：指在成套儀表系列中，儀表之間采用的傳輸信號的類型和數(shù)值。聯(lián)絡信號類型氣動儀表：20~100KPa電動儀表：數(shù)字、頻率信號模擬信號0~10mA、4~20mA及1~5V信號下限從零開始有利于模擬量運算。信號下限從某值開始（活零點）便于檢驗儀表是否斷電，并可實現(xiàn)兩線制。信號上限高，產生的電磁平衡力大；信號上限低有利于減少功率損耗和儀表防爆。211.直流電流傳輸電流信號傳輸時儀表之間的連接二、電信號傳輸方式

電流傳遞——電流接收的串聯(lián)方式0~10mA傳送，0~10mA接收，220V交流供電，在DDZ-Ⅱ型儀表中使用↑220V~220V~220V~I0R0Rcm發(fā)送儀表接收儀表接收儀表RiRi輸入電阻導線電阻輸出阻抗22接收儀表R0I0IiRiRiRcm發(fā)送儀表電流信號傳輸時儀表之間的連接為保證傳輸誤差ε在允許范圍之內，應要求R0》Rcm+nRi，故有

為減小傳輸誤差，要求：

R0足夠大，而Rcm及Ri應比較小二、電信號傳輸方式

誤差分析23電流傳輸?shù)奶攸c缺點回路中增減接收儀表時，將影響其它儀表的工作。任何一個儀表在拆離回路之前，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。各臺儀表沒有公共接地點，須浮空工作。電流信號傳輸時儀表之間的連接（會短路）接收儀表R0I0IiRiRiRcm發(fā)送儀表252.直流電壓傳輸

電流傳遞——電壓接收的并聯(lián)方式4~20mA傳送，1~5V接收，24V直流供電，在DDZ-Ⅲ型儀表、I系列、EK系列、YS-80系列、YS-100系列中使用。U0R0發(fā)送儀表接收儀表接收儀表RiRiRcm/2Rcm/2UiUi24V24V信號傳輸方式：現(xiàn)場儀表與控制室儀表之間采用直流電流信號，控制室內部儀表之間采用直流電壓信號。26直流電流直流電壓增加或取消一臺儀表，整個系統(tǒng)停止運行增加或取消一臺儀表，整個系統(tǒng)正常運行串聯(lián)制易于遠距離傳輸并聯(lián)制不易于遠距離傳輸無公共接地點各儀表可有自己的接地點，系統(tǒng)不允許有公共接地點（會短路）有公共接地點各儀表可有自己的接地點，系統(tǒng)允許有公共接地點直流電流和直流電壓的比較29220VAC供電無本質安全特性24VDC供電有本質安全特性

高電壓供電裝置一旦產生火花，容易引起裝置周圍的爆炸性混合物爆炸或起火

低電壓供電裝置一旦產生火花，不易引起裝置周圍的爆炸性混合物爆炸或起火直流電流直流電壓直流電流和直流電壓的比較30信號下限=0mA，上限=10mA信號下限=4mA，上限=20mA下限=0mA，+、－、×、÷運算方便，易于刻度換算。電氣零點=機械零點，零點不易區(qū)別。上限=10mA，產生的電磁力（安培力）較小，故帶負載能力差。下限=4mA，躲開晶體管死區(qū)，一開始就工作在線性區(qū)。電氣零點≠機械零點，零點易于區(qū)別。上限=20mA，產生的電磁力（安培力）較大，故帶負載能力強。直流電流直流電壓直流電流和直流電壓的比較31輸入阻抗（接收儀表）↓輸出阻抗（發(fā)送儀表）↑輸入阻抗（接收儀表）↑輸出阻抗（發(fā)送儀表）↓輸入阻抗Ri↓，輸出阻抗RO↑，信號有損失，為減小傳輸誤差，儀表應有恒流特性（負載電阻在一定范圍內變化時，IO的變化應小于允許值）輸入阻抗Ri↑，輸出阻抗RO↓，并聯(lián)儀表越多，信號損失越大，為減小傳輸誤差，并聯(lián)裝置的臺數(shù)應≤4臺。輸入阻抗輸出阻抗導線電阻直流電流直流電壓直流電流和直流電壓的比較32現(xiàn)場儀表（現(xiàn)場）架裝儀表（控制室盤后）盤裝儀表（控制室盤前）333.變送器與控制室儀表間的信號傳輸2）兩線制電源裝置變送器現(xiàn)場控制室1）四線制接收儀表變送器現(xiàn)場電源裝置控制室接收儀表要實現(xiàn)兩線制，必須采用活零點的電流信號。因電源線和信號線公用，電源供給變送器的功率是通過信號電流提供的。變送器輸出電流為下限值時，應保證它內部的半導體器件仍能正常工作。故信號電流下限值不能過低。34概論第四節(jié)安全防爆基本知識和防爆措施一、安全防爆基本知識二、常用防爆型控制儀表三、控制系統(tǒng)的防爆措施35基本定義：爆炸性混合物、安全火花、本安型防爆系統(tǒng)、非本安型防爆系統(tǒng)、隔爆型儀表、本質安全型儀表、安全柵防爆電氣設備的分類、分組和防爆標志常用防爆型控制儀表類型和特點控制系統(tǒng)實現(xiàn)本安防爆的要求安全柵的結構形式本節(jié)重點內容介紹36一、安全防爆的基本知識

概論

爆炸三要素自燃物質助燃物質激發(fā)能量自燃物質+助燃物質=爆炸性混合物37化工生產的過程現(xiàn)場，經常含有氫、甲烷、乙烷、苯、氨等易燃易爆的氣體。這些可燃性氣體都是自燃物質，它們和空氣中的助燃物質——氧和在一起構成了爆炸性混合物。爆炸性混合物都是危險的，其危險程度是不一樣的。38含有可燃性粉塵或纖維含有可燃性氣體或蒸氣火災含有爆炸性混合物的現(xiàn)場稱為危險場所我國規(guī)定的三類危場所QGH39氣體爆炸危險場所的區(qū)域劃分依據：爆炸性氣體出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時間0區(qū)(Zone0)－在正常情況下，爆炸性氣體混合物連續(xù)地、頻繁地出現(xiàn)或長時間存在的場所。1區(qū)(Zone1)－在正常情況下，爆炸性氣體混合物有可能出現(xiàn)的場所。2區(qū)(Zone2)－在正常情況下，爆炸性氣體混合物不可能出現(xiàn)，或即使出現(xiàn)也是短時間存在的場所。40

爆炸性氣體的分級按最大試驗安全間隙MESG(火焰不能傳播的最大間隙)和最小點燃電流比MICR來分級：可分為A、B、C三級。爆炸性混合物按最大試驗安全間隙MESG分為3級無級MESG=1.14mmA級0.9mm<MESG<1.14mmB級0.5mm<MESG≤0.9mmC級MESG≤0.5mm41

爆炸性氣體的分級按最大試驗安全間隙MESG(火焰不能傳播的最大間隙)和最小點燃電流比MICR來分級：可分為A、B、C三級。爆炸性混合物按最小點燃電流比MICR分為三級無級最小點燃電流比=1.0A0.8<最小點燃電流比<1.0B0.45<最小點燃電流比≤0.8C最小點燃電流比≤0.45某物質的最小點燃電流/甲烷最小點燃電流42爆炸性物質的分組按引燃溫度可分為六組：組別引燃溫度t/℃T1>450T2450≧t>200T3450≧t>200組別引燃溫度t/℃T4T5135≧t>100T6100≧t>85200≧t>13543

防爆電氣設備的分類、分組防爆電氣設備分為兩大類：Ⅰ類：煤礦用電氣設備Ⅱ類：工廠用電氣設備Ⅱ類電氣設備可進一步分為ⅡA、ⅡB、ⅡC三級。工廠用電氣設備防爆型式有以下八種：隔爆型(d)、本質安全型(i)、增安型(e)、正壓型(p)、充油型(o)、充砂型(q)、澆封型(m)和無火花型(n)。本質安全型設備又可以分為ia和ib兩個等級。Ⅱ類電氣設備按最高表面溫度分為T1——T6六組。44防爆標志及其含義防爆標志由以下5個部分構成：標志EX－表示該設備為防爆電氣設備。結構型式－表明該設備采用何種措施進行防爆，如d為隔爆型，i為本安型等。設備類別－I為煤礦井下用電設備，II為工廠用設備。防爆級別－為A、B、C三級，表明防爆能力強弱。溫度組別－為T1~T6六組，說明該設備的最高表面溫度允許值。例如EXiaIICT5

表示II類本質安全型ia等級C級T5組。45經常使用的自動化裝置一般都是隔爆型和本質安全（防爆安全火花）型

隔爆型——在外殼的內部發(fā)生爆炸時，不引起外部爆炸性混合物爆炸的電氣設備。本質安全型——在正常或事故狀態(tài)下產生的火花都不能引起爆炸性混合物爆炸的電氣設備。正常狀態(tài)——在設計規(guī)定條件下正常工作（實驗時，在實驗裝置中產生短路或斷路視為正常）事故狀態(tài)——在電路中，非保護性元件損壞或產生短路、斷路、接地及電源故障等情況二、常用防爆型控制儀表46隔爆型儀表

具有隔爆外殼，儀表的電路和接線端子全部置于防爆殼體內。它能承受儀表內部因故障產生爆炸性氣體混合物的爆炸壓力。這類儀表適用于1區(qū)、2區(qū)危險場所。本質安全型儀表

本安儀表的全部電路均為本質安全電路，電壓和電流被限制在允許的范圍內，保證儀表產生的電火花和熱效應不致于引爆其周圍爆炸性氣體混合物。ia等級的本安儀表適用于0區(qū)危險場所，ib等級的本安儀表只適用于1區(qū)和2區(qū)危險場所。二、常用防爆型控制儀表使用注意:揭開儀表表殼后，將失去了防爆性能;長期使用會逐漸降低防爆性能47三、控制系統(tǒng)的防爆措施（一）基本概念與本安防爆系統(tǒng)1、安全火花——其能量不足以引起周圍爆炸性混合物起火或爆炸的火花。2、非本安防爆系統(tǒng)（非安全火花型防爆系統(tǒng)）——通過“配電器”向現(xiàn)場儀表供電和向控制室儀表傳輸信號的系統(tǒng)為非安全火花型防爆系統(tǒng)。3、本安防爆系統(tǒng)（安全火花型防爆系統(tǒng)）——通過“安全柵”向現(xiàn)場儀表供電和向控制室儀表傳輸信號的系統(tǒng)為安全火花型防爆系統(tǒng)。(現(xiàn)場儀表必須是本安儀表)本安防爆系統(tǒng)應滿足的兩個條件：在危險場所使用本安防爆儀表控制室儀表和危險場所儀表之間設置安全柵48變送器配電器配電器調節(jié)閥控制室儀表調節(jié)閥控制室儀表安全柵電源箱變送器安全柵電源箱現(xiàn)場現(xiàn)場220V～220V～24V24V本安防爆系統(tǒng)非危險場所（控制室）危險場所（現(xiàn)場）危險場所（現(xiàn)場）49（二）安全柵關聯(lián)設備——與本安型電路相聯(lián)，并影響其安全火花性能的有關設備。（這里意指安裝在控制室，但又和現(xiàn)場儀表有聯(lián)系）安全柵就屬于關聯(lián)設備。50變送器執(zhí)行器調節(jié)器安全柵安全柵電源箱本安防爆系統(tǒng)非危險場所（控制室）危險場所（現(xiàn)場）危險場所（現(xiàn)場）接收來自危險區(qū)的信號，輸出安全信號到安全區(qū)或危險區(qū)。在正常情況下不影響測量系統(tǒng)的功能。它設置在安全場所的一側，當本安防爆系統(tǒng)發(fā)生故障時，能將竄入危險場所的能量（電能）限制在安全值以內，從而保證現(xiàn)場生產安全。（二）安全柵51安全柵的結構形式:齊納式和隔離式齊納式安全柵原理：基于齊納二極管的反向擊穿性能。特點：結構簡單、經濟、可靠。齊納式安全柵原理電路安全側危險側U0VZ1VZ2RFUU152隔離式安全柵原理：通過隔離、限壓和限流等措施來保證本安防爆性能。特點：抗干擾能力強，可靠性高。隔離式安全柵原理框圖安全側危險側兩線制變送器限壓限流電路調制器安全柵變壓器調制器安全柵的結構形式:齊納式和隔離式53隔離式安全柵的特點隔離將危險場所的儀表和安全場所的儀表用變壓器實現(xiàn)電氣隔離。使危險場所和安全場所之間只有磁的聯(lián)系，沒有電的聯(lián)系。限能利用電壓、電流限制電路，把可能竄入危險場所的大電壓大電流限制在安全定額之內。防止變壓器原副邊擊穿時，原邊高壓信號竄入危險場所，破壞其安全火花性能保證危險場所的安全安全側危險側兩線制變送器限壓限流電路調制器安全柵變壓器調制器54作業(yè)1：P10:1、說明控制儀表和控制系統(tǒng)的關系。2、控制儀表與裝置有哪些類型？3、控制儀表與裝置采用何種信號進行聯(lián)絡？電壓信號傳輸和電流信號傳輸各有什么特點？使用在何種場合？5、防爆電氣設備如何分類？防爆標志EXiaIIAT5和EXdIIBT4是何含義？6、常用防爆型控制儀表有哪幾類？各有什么特點？7、如何使控制系統(tǒng)實現(xiàn)本安防爆的要求？作業(yè)2：1、現(xiàn)場和控制室儀表之間采用4~20mA的電流傳輸信號，控制室內部儀表之間采用1~5V的電壓聯(lián)絡信號，這種信號制有何優(yōu)點？2、什么是儀表的恒流特性？55

作業(yè)1答案：

1、說明控制儀表和控制系統(tǒng)的關系。

控制儀表指自動控制系統(tǒng)中廣泛使用的控制器、變送器、運算器、執(zhí)行器等，以及新型控制儀表和裝置。

自動控制系統(tǒng)一般由被控對象、變送器、控制器和執(zhí)行器構成。

2、控制儀表與裝置有哪些類型？

按所用能源形式：氣動、電動、液動、混合。

按信號類型：模擬式和數(shù)字式。

按結構形式：基地式儀表，單元組合式儀表，組裝式儀表，集散控制系統(tǒng)，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)563、控制儀表與裝置采用何種信號進行聯(lián)絡？電壓信號傳輸和電流信號傳輸各有什么特點？使用在何種場合？答：氣動儀表采用20~100KPa的氣壓信號；電動儀表采用模擬信號、數(shù)字、頻率信號。電流傳輸?shù)奶攸c：優(yōu)點發(fā)送儀表輸