1、過程控制儀表及裝置,湖北科技職業(yè)學(xué)院 朱婷 E-MAIL：,1.過程控制儀表與控制系統(tǒng)的關(guān)系 自動控制： 是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱為過程控制儀表或裝置），使被控對象的工作狀態(tài)或參數(shù)（壓力、物位、流量、溫度、pH值等）自動的按照預(yù)定的程序運(yùn)行。 過程控制儀表： 是實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程自動化的重要工具，它被廣泛地應(yīng)用于石油、化工等各工業(yè)部門。在自動控制系統(tǒng)中，過程檢測儀表將被控變量轉(zhuǎn)換成電信號或氣壓信號后，除了送至顯示儀表進(jìn)行指示和記錄外，還需送到控制儀表進(jìn)行自動控制，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化，使被控變量達(dá)到預(yù)期的要求。,過程控制儀表包括變送器、調(diào)節(jié)器（也叫控制器）、執(zhí)行

2、器、操作器，以及可編程調(diào)節(jié)器等各種新型控制儀表及裝置。 進(jìn)料,液位變送器,控制器,操作器,顯示器,出料,給定值,執(zhí)行器,自動化裝置,圖1 儲罐液位自動控制系統(tǒng),生產(chǎn)中與生活中通過過程控制實(shí)現(xiàn)自動化的例子： 卷煙廠的防潮系統(tǒng) 家用空調(diào),2.過程控制儀表的發(fā)展和分類 1)發(fā)展 60年代：就地分散控制 檢測和控制儀表：普遍采用基地式儀表和部分單元組合儀表（多數(shù)是氣動儀表）。 目的：實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的穩(wěn)定操作。 70年代：集中控制（一些工廠、企業(yè)實(shí)現(xiàn)了車間或大型裝置）。 使用儀表：,DDZ,DDZ,DDZ,電動單元組合儀表,氣動單元組合儀表,QDZ ,QDZ,QDZ ,80年代至今： 集散控制系統(tǒng)（DCS

3、全名Distributed Control System ）。 特點(diǎn)：集中管理，分散控制。 儀表使用：微處理器、微機(jī)與傳統(tǒng)儀表 相結(jié)合的過程控制儀表（數(shù)字調(diào)節(jié)器或可編程序調(diào)節(jié)器）。,2)分類 控制儀表可按能源、信號類型、結(jié)構(gòu)形式來分類 （1）按應(yīng)用能源分類：氣動、液動、液動等,氣動控制儀表的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定可靠，維護(hù)方便，價(jià)格便宜，并且具有本質(zhì)安全防爆性能，特別適用于石油、化工等有爆炸危險(xiǎn)的場所。,電動控制儀表的特點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)無滯后的遠(yuǎn)距離傳送，同時(shí)又具有能源簡單、便于和計(jì)算機(jī)配合的特點(diǎn)。由于采取安全火花防爆措施解決了防爆問題，電動儀表同樣也能應(yīng)用于易燃易爆的危險(xiǎn)場所，因此在工業(yè)生產(chǎn)過

4、程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。,（2）按信號類型分類：模擬式、數(shù)字式,數(shù) 字 式 它以微型計(jì)算機(jī)為核心，功能完善，性能優(yōu)越，能解決模擬式儀表難以解決的問題，滿足現(xiàn)代生產(chǎn)過程的高質(zhì)量控制要求。它可實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)過程、斷續(xù)生產(chǎn)過程的控制，也可以通過在PLC中加入PID等控制功能，實(shí)現(xiàn)批量控制。,模擬式 傳輸信號通常為連續(xù)變化的模擬量，其線路簡單，操作方便，價(jià)格較低,基地式儀表,（3）按結(jié)構(gòu)形式分類：基地式、單元組合式、組裝式、數(shù)字控制式、集散控制、現(xiàn)場總線控制。,以指示、記錄儀表為主體，附加某些控制機(jī)構(gòu)而組成。基地式控制儀表特點(diǎn)：般結(jié)構(gòu)比較簡單、價(jià)格便宜它不僅能對某些工藝變量進(jìn)行指示或記錄，而已還具有控

5、制功能，因此它比較適用于單變量的就地控制系統(tǒng)。 目前常使用的XCT系列動圈式控制儀表和TA系列簡易式調(diào)節(jié)器即屬此類儀表。,單元組合式控制儀表 將整套儀表劃分成能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)一定功能的若干單元，各單元之間采用統(tǒng)一信號進(jìn)行聯(lián)系。使用時(shí)可根據(jù)控制系統(tǒng)的需要，對各單元進(jìn)行選擇和組合，從而構(gòu)成多種多樣的、復(fù)雜程度各異的自動檢測和控制系統(tǒng)。特點(diǎn)：使用靈活，通用性強(qiáng)，同時(shí)，使用、維護(hù)更作也很方便。它適用于各種企業(yè)的自動控制。 廣泛使用的單元組合式控制儀表有電動單元組合儀表(DDZ型)和氣動單元組合儀表(QDZ型)。,組裝式綜合控制裝置： 單元組合儀表的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種成套儀表裝置，結(jié)構(gòu)上包括控制機(jī)柜和顯示操

6、作盤兩部分，它的主要特點(diǎn)是功能分離，結(jié)構(gòu)組件化，特別適用于要求組成各種復(fù)雜控制和集中顯示操作的大、中型企業(yè)的過程控制系統(tǒng)。,數(shù)字式控制儀表 以數(shù)字計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)字控制儀表。其外形結(jié)構(gòu)、面板布置保留了模擬式儀表的一些特征，但其運(yùn)算、控制功能更為豐富，通過組態(tài)可完成各種運(yùn)算處理和復(fù)雜控制。,集散控制系統(tǒng) DCS:以CPU為核心，在4C技術(shù)（即control、computer、communication、CRT陰極射線管顯象技術(shù)）迅速發(fā)展基礎(chǔ)上發(fā)展而來。 將集中于一臺計(jì)算機(jī)完成的任務(wù)分派給各個(gè)微型過程控制計(jì)算機(jī)，再配上數(shù)字總線以及上一級過程控制計(jì)算機(jī)，組成各種各樣的，能適應(yīng)于不同過程的、積木式分級

7、分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng).,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)和現(xiàn)代儀器儀表技術(shù)的最新發(fā)展成果.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的出現(xiàn)引起了傳統(tǒng)技術(shù)結(jié)構(gòu)和設(shè)備的根本性變革,它將具有數(shù)字通信能力的現(xiàn)場智能儀表連成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),并同上一層監(jiān)控級、管理級連接起來成為全分布式的新型控制網(wǎng)絡(luò).,3.本課程的任務(wù)和學(xué)習(xí)方法 1)本課程的任務(wù) 2)本課程的學(xué)習(xí)方法,第一章 過程控制儀表的基本知識,1.1過程控制儀表的信號制式 1.2電動儀表信號標(biāo)準(zhǔn)的使用 1.3過程控制儀表防爆的基本知識 1.4過程控制儀表的型號命名 1.5過程控制儀表的分析方法,1.1過程控制儀表的信號制式 1.1.1信號制式: 信號標(biāo)準(zhǔn),是

8、指儀表之間采用的傳輸信號的類型和數(shù)值. 1.1.2信號標(biāo)準(zhǔn) 1.氣動儀表的信號標(biāo)準(zhǔn) 2.電動儀表的信號標(biāo)準(zhǔn),1.2電動儀表信號標(biāo)準(zhǔn)的使用 1.2.1采用420mA DC電流信號傳送 1.采用直流電流信號的優(yōu)點(diǎn) （1）直流電流信號比交流電流信號干擾小.交流電流信號容易產(chǎn)生交變電磁場的干擾,對附近儀表和電路有影響,并且如果混入的外界交流干擾信號和有用信號形式相同時(shí)難以濾除. 另外電流源內(nèi)阻無窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米。 （2）直流電流信號對負(fù)載的要求簡單.交流電流信號有頻率和相位的問題,對負(fù)載的感抗和容抗敏感,使得影響因素增多. （3）電流比電壓更利于遠(yuǎn)傳信

9、息.如果采用電壓形式傳送信息,當(dāng)負(fù)載電阻較小且進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸時(shí),導(dǎo)線上的電壓降會引起誤差.,2.采用420mA DC電流信號傳送的理由 （1）儀表的電器零點(diǎn)是4mA，不與機(jī)械零點(diǎn)重合。上限取20mA是因?yàn)榉辣囊螅?0mA的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限沒有取0mA的原因是為了能檢測斷線：正常工作時(shí)不會低于4mA，當(dāng)傳輸線因故障斷路，環(huán)路電流降為0。常取2mA作為斷線報(bào)警值。 （2）在現(xiàn)場使用兩線制變送器不僅節(jié)省電纜，布線方便，而且還便于使用安全柵，有利于安全防爆。,兩線制的基本知識 兩線制是指現(xiàn)場變送器與控制室儀表聯(lián)系僅用兩根導(dǎo)線，這兩根線既是電源線，又是信號線。兩線制與三線制

10、 (一根正電源線，兩根信號線,其中一根共GND) 和四線制(兩根正負(fù)電源線，兩根信號線,其中一根GND)相比，兩線制的優(yōu)點(diǎn)是： 1、不易受寄生熱電偶和沿電線電阻壓降和溫漂的影響，可用非常便宜的更細(xì)的導(dǎo)線；可節(jié)省大量電纜線和安裝費(fèi)用； 2、在電流源輸出電阻足夠大時(shí)，經(jīng)磁場耦合感應(yīng)到導(dǎo)線環(huán)路內(nèi)的電壓，不會產(chǎn)生顯著影響，因?yàn)楦蓴_源引起的電流極小，一般利用雙絞線就能降低干擾；兩線制與三線制必須用屏蔽線,屏蔽線的屏蔽層要妥善接地。,3、電容性干擾會導(dǎo)致接收器電阻有關(guān)誤差，對于420mA兩線制環(huán)路，接收器電阻通常為250（取樣Uout=15V）這個(gè)電阻小到不足以產(chǎn)生顯著誤差，因此，可以允許的電線長度比電壓

11、遙測系統(tǒng)更長更遠(yuǎn)； 4、各個(gè)單臺示讀裝置或記錄裝置可以在電線長度不等的不同通道間進(jìn)行換接，不因電線長度的不等而造成精度的差異，實(shí)現(xiàn)分散采集，分散式采集的好處就是：分散采集，集中控制 5、將4mA用于零電平，使判斷開路與短路或傳感器損壞（0mA狀態(tài)）十分方便。 6 、在兩線輸出口非常容易增設(shè)一兩只防雷防浪涌器件,有利于安全防雷防爆。,3.采用直流電流信號需要注意的問題 （1）采用電流傳送信息，接收端的儀表必須是低阻抗的。如果有多個(gè)儀表接受同一個(gè)電流信息，它們必須是串聯(lián)的。 （2）串聯(lián)連接的任何一個(gè)儀表在拆離信號回路之前首先要把該儀表的兩端短接，否則其他儀表會因電流中斷而失去信號。 （3）各個(gè)接收

12、儀表一般都應(yīng)懸空工作，否則會引起信號混亂。,1.2.2采用1-5V DC電壓信號實(shí)現(xiàn)控制室內(nèi)部儀表間聯(lián)絡(luò) (1)用電壓信號傳送的信息可以采用并聯(lián)連接方式,使同一個(gè)電壓信號為多個(gè)儀表所接收.在控制室內(nèi)部,各儀表之間的距離不遠(yuǎn),適合采用1-5V DC電壓作為儀表之間的相互聯(lián)絡(luò)信號. (2)任何一個(gè)儀表拆離信號回路都不會影響其他儀表的運(yùn)行. (3)各個(gè)儀表既然并聯(lián)在同一信號線上,當(dāng)信號源負(fù)極接地時(shí),各儀表內(nèi)部電路對地有同樣電位,這不僅解決了接地問題,而且各儀表可共用一個(gè)直流電源.,1.2.3 控制系統(tǒng)儀表之間的典型連接方式,穩(wěn)壓電源,信號,信號,4-20mA,4-20mA,轉(zhuǎn)換器,1-5V DC,現(xiàn)

13、場,控制室,圖1.1控制系統(tǒng)儀表之間的典型連接方式,1.3過程控制儀表防爆的基本知識 防爆的意義: 在石油、化工等工業(yè)部門中,某些生產(chǎn)場所存在著易燃易爆的固體粉塵、氣體或蒸汽,它們與空氣混合成為具有火災(zāi)或爆炸危險(xiǎn)的混合物,使其周圍空間成為具有不同程度爆炸危險(xiǎn)的場所.安裝在這些場所的檢測儀表和執(zhí)行器,如果產(chǎn)生的火花火熱效應(yīng)能量點(diǎn)燃危險(xiǎn)混合物,則會引起火災(zāi)或爆炸.因此,用于這些場所的儀表和控制系統(tǒng),必須具有防爆性能.,1.3.1 防爆儀表的標(biāo)準(zhǔn) 防爆表必須符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB3836.12000爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第一部分:通用要求的規(guī)定. 1.防爆表的分類 按照國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,防爆電氣設(shè)備分為

14、兩大類. 類:煤礦用電器設(shè)備. 類:除煤礦外的其他爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備. 其中類電氣設(shè)備又分為八種類型.這八種類型及其標(biāo)志為:d-隔爆型;e-增安全型;i-本質(zhì)安全型;p-正壓型;o充油型;q-充沙型;n-無火花型;s-特殊型. 電動儀表主要有隔爆型(d)和本質(zhì)安全型(i)兩種.,2.防爆表的分級和分組 引起爆炸的原因: (1)儀表產(chǎn)生能量過高的電火花或儀表內(nèi)部因故障產(chǎn)生火焰通過表殼的縫隙引燃儀表外的氣體或蒸汽; (2)儀表過高的表面溫度. 根據(jù)原因?qū)︻惙辣瑑x表進(jìn)行了分級和分組(表1.1) 對隔爆型的電氣設(shè)備,易燃易爆氣或蒸汽按最大試驗(yàn)間隙進(jìn)行分級;對于本質(zhì)安全型的,按照最小點(diǎn)燃電流與實(shí)驗(yàn)

15、室用甲烷的小點(diǎn)燃電流的比值進(jìn)行分級.,最大試驗(yàn)安全間隙;maximum experimental safety gap;(MESG) 在規(guī)定試驗(yàn)條件下，兩個(gè)經(jīng)長25mm的間隙連通的容器，一個(gè)容器內(nèi)燃爆時(shí)不致引起另一個(gè)容器內(nèi)燃爆的最大連通間隙。中國規(guī)定氣體、蒸氣危險(xiǎn)物質(zhì)按最大試驗(yàn)安全間隙分為A級，B級和C級。甲烷(I類爆炸危險(xiǎn)物質(zhì))的最大試驗(yàn)安全間隙為1.14mm。最大試驗(yàn)安全間隙1.14mm，0.0mm的為A級；0.9mm，0.5mm的為B級；0.5mm的為C級。,最小點(diǎn)燃電流比;minimum ignition current ratio;MICR 在規(guī)定試驗(yàn)條件下，氣體、蒸氣爆炸性混合物的

16、最小點(diǎn)燃電流與甲烷爆炸性混合物的最小點(diǎn)燃電流之比。中國規(guī)定氣體、蒸氣危險(xiǎn)物質(zhì)按最小點(diǎn)燃電流比分為A級，B級和C級。最小點(diǎn)燃電流比1.0，0.8的為A級；0.8，0.45的為B級；0.45的為C級。例如，乙烷、乙烯、乙炔分別為A級，B級，C級危險(xiǎn)物質(zhì)。,3.防爆表的標(biāo)志 防爆儀表的防爆標(biāo)志為”Ex”;儀表的防爆等級標(biāo)志的順序?yàn)? 防爆型式,類別,級別,溫度組別. 舉例:ia CT5 表明此儀表為本質(zhì)安全型的a類,易燃易爆氣體的等級為C 最高表面溫度級別為T5,控制儀表和控制系統(tǒng)有什么關(guān)系？ 答：過程控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的平臺,而過程控制儀表是過程控制系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分。 什么是信

17、號制？控制系統(tǒng)儀表之間采用何種連接方式最佳？為什么？ 答：信號制即信號標(biāo)準(zhǔn)，是指儀表之間采用的傳輸信號的類型和數(shù)值。 控制系統(tǒng)儀表之間采用420mADC直流電流信號傳送，現(xiàn)場變送器和控制室儀表之間采用串聯(lián)連接方式。電流信號便于遠(yuǎn)距離傳送，不僅節(jié)省電纜、布線方便，而且還便于使用安全柵，有利于安全防爆。 采用15VDC直流電壓信號實(shí)現(xiàn)控制室內(nèi)部儀表間聯(lián)絡(luò)。用電壓信號傳送的信息可以采用并聯(lián)連接方式，使同一個(gè)電壓信號為多個(gè)儀表所接收。在控制室內(nèi)，各儀表之間的距離不遠(yuǎn)，適合采用15VDC直流電壓作為儀表之間的互相聯(lián)絡(luò)信號；任何一個(gè)儀表拆離信號回路都不會影響其它儀表的運(yùn)行；各個(gè)儀表既然并聯(lián)在同一信號線上，

18、當(dāng)信號源負(fù)極接地時(shí)，各儀表內(nèi)部電路對地有同樣的電位，這不僅解決了接地問題，而且各儀表可以共用一個(gè)直流電源。 （3）防爆儀表與易燃易爆氣體或蒸汽之間有何對應(yīng)關(guān)系？ 答：防爆儀表的分級和分組，是與易燃易爆氣體或蒸汽的分級和分組相對應(yīng)的。儀表的防爆級別和組別，就是儀表能適應(yīng)的某種爆炸性氣體混合物的級別和組別，即對于教材表1.3中相應(yīng)級、組之上方和左方的氣體或蒸汽的混合物均可以防爆。,1.3.2 控制儀表防爆措施 1.隔爆型防爆儀表 隔爆又稱耐壓防爆，它把能點(diǎn)燃爆炸混合物的儀表部件封閉在一個(gè)外殼內(nèi)，該外殼特別牢固，能承受內(nèi)部爆炸性混合物的爆炸壓力，并阻止向殼外的爆炸性混合物傳爆。這就是說，隔爆型儀表的殼體內(nèi)部是可能發(fā)生爆炸的，但不會傳到殼體外面來，因此這種儀表的各部件的接合面，如儀表蓋的螺紋圈數(shù)，螺紋精度，零點(diǎn)，量程調(diào)整螺釘和表殼之間，變送器的檢測部件和轉(zhuǎn)換部件之間的間隙，以及導(dǎo)線口等，都有嚴(yán)格的防爆要求。隔爆型儀表除了較笨重外，其他比較簡單，不需要如安全柵之類的關(guān)聯(lián)設(shè)備。但是在打開表蓋前，必須先把電源關(guān)掉，否則萬一產(chǎn)生火花，便會暴露在大氣之中，從而出現(xiàn)危險(xiǎn)。,2.本質(zhì)安全型防爆儀表 本質(zhì)安全型防爆儀表又叫安全火花型防爆儀表。它的特點(diǎn)是儀表在正常狀態(tài)下和故障狀態(tài)下，電路、系統(tǒng)產(chǎn)生的火花和達(dá)到的溫度都不