过程控制装置1过程控制仪表与装置概述

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1、过程控制装置,陈 刚 教授,自动化学院,chengang,参考教材： 过程控制系统与装置，何离庆 主编 重庆大学出版社，2003. 参考书目： 过程控制工程 ，邵裕森，等 主编 机械工业出版社， 2000. 控制仪表与装置，向婉成 主编 机械工业出版社，1999. 。,主要内容,控制仪表与装置概述 变送器与转换器 调节器 执行器 分散型控制系统 现场总线控制系统 典型生产过程控制装置,第 一 章 过程控制仪表与装置概述,一、控制仪表与装置的分类及发展 二、控制仪表与装置的信号与供电 三、控制系统的安全防爆,自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为过程控制仪表或装置），使

2、被控对象的工作状态或参数（压力、物位、流量、温度、PH值等）自动地按照预定的规律运行。,什么是自动控制?,计算机控制系统的发展过程,传统DCS PLC_Based DCS IPC_Based DCS, 直接数字量控制,本质 用一台计算机取代一组模拟调节器，构成闭环控制回路，用数字控制技术简单地取代模拟控制技术。,起始于50年代末期，开辟了一个轰轰烈烈的计算机工业应用时代,优点 计算灵活，精度高，PID控制规律，分时处理多个控制回路 此外，DDC也很快发展到PID以外的多种复杂控制。,问题 价格昂贵，运算速度不高,集中型计算机控制系统,初衷：由于当时的计算机体积庞大，价格非常昂贵，为了使计算机控

3、制能与常规仪表控制相竞争，企图用一台计算机来控制尽可能多的控制回路。,优越性： 从表面上看信息集中，集中型计算机控制可以实现各种更复杂控制功能；便于实现优化控制和优化生产。,问 题：由于当时计算机总体性能低，容量小，容易出现负荷过载，控制集中直接导致危险集中，高度集中使系统变得十分“脆弱”。, 集散控制系统 DCS,出发点（2个方面）： (1)不能采取控制回路高度集中的设计思想，需要把控制功能分散到若干个控制站实现，以提高系统的可靠性； (2)考虑到整个生产过程的整体性，各个控制系统（回路）的运行应当服从工业生产管理的总体目标。,根本特征:控制的分散性和管理的集中性,现场总线控制系统（FCS）

4、,定义,是连接智能现场装置和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。,支持双向、多节点、总线式的全数字通讯,双向数据通信能力避免了反复进行A/D、D/A的转换,把控制任务下移到现场设备，以实现测量控制一体化 全分散,本质,特点,评价,已成为全世界范围自动化技术发展的热点 涉及整个自动化和仪表的工业“革命”,FCS现场总线控制系统,计算机控制系统的发展特征,随着局域网、Internet、IT技术迅速发展，计算机控制系统向集成化、网络化、智能化、信息化发展成为一种趋势,例:一贮罐液位控制系统。 要求贮罐液位保持一定，以满足生产需要； 图中液位变送器、控制器和执行器构成了一个单回路控制系

5、统。,分析: 贮罐液位由液位变送器转换成相应的标准信号送到控制器，与给定值相比较，控制器按比较得到的偏差，以一定的控制规律发出控制信号，控制执行器的动作，通过改变贮罐液体出料的流量，从而使贮罐液位保持在与给定值基本相等的数值上。,控制器,被控对象,变送器,z,x,e = x-z,-,p,q,y,干扰,温度（压力、液位、流量）变送器、在线成分分析仪 （通常输出：420mA、15V等标准信号）液位开关、料位开关、接近开关 (通常输出on/off信号)传感器（Pt100、热电偶）,通常安装 于控制室,通常安装 于 现场,显示 仪表,四个基本环节：被控对象、检测仪表、控制器、执行器（显示仪表根据需要可

6、选）,阀门：调节阀、电磁阀、气动蝶阀 泵：开关泵、变频泵,控制阀,一、过程控制仪表的发展概况及分类,发展概况,50年代 60年代 70年代 80年代 90年代21世纪至今 QDZ QDZ QDZ DDZ DDZ DDZ 数字式（智能式）控制仪表 DCS系统 （PLC）现场总线以太网,典型的仪表系统,基地式控制仪表：以指示、记录仪表为主体，附加控制机构所组成的装置。 单元组合式控制仪表：将整套仪表按照功能划分成若干独立的单元(分为变送、转换、计算、显示、给定、调节、执行与辅助单元等八大类)，各单元之间用统一的标准信号连接。按照连接信号的不同，单元组合式控制仪表分为气动单元组合仪表(QDZ)和电动

7、单元组合仪表(DDZ)两类。 组装式综合控制装置：它的最大的特点是控制和显示操作功能分离，结构上分为控制机柜和显示操作盘两大部分，可以实现对生产的集中显示和操作。 计算机(数字式)控制装置：以微型计算机为核心的自动控制系统。包括：集散控制系统、可编程控制器、现场总线控制系统等。,过程控制仪表类型,过程控制仪表,模拟式,数字式,基地式 单元组合式 组装式,气动QDZ 电动DDZ,DDZ- DDZ- DDZ- DDZ-,单/多回路控制器 可编程控制器(PLC) 工业计算机(IPC) 集散系统系统(DCS) 总线控制系统(FCS) 可编程自动化控制器(PAC),单元组合仪表类型,气动单元组合仪表QD

8、Z,变送单元(B) 转换单元(Z) 计算单元(J) 显示单元(X) 给定单元(G) 调节单元(T) 辅助单元(F),电动单元组合仪表DDZ,变送单元(B) 转换单元(Z) 计算单元(J) 显示单元(X) 给定单元(G) 调节单元(T) 执行单元(K) 辅助单元(F),附图： 一、DDZ之变送单元类 (温度、压力、差压、流量、物位、成分等),温度变送器,二、DDZ之转换单元类 (阻抗、电流、毫伏、气/电与电/气、频率、脉冲/电压、峰值检测器等),电流转换器 直流毫伏转换器 电/气转换器,三、DDZ之显示单元类 (比例或开方积算器、各种指示仪与警报器等),单、双针指示器 比例积算仪,四、DDZ之运

9、算单元类 (加减器、乘除器、开方器、函数发生器等),加减器 乘除器 开方器,五、DDZ之给定单元类 (恒流、比值、时间程序、参数给定器等),DGJ型报警给定器 DGA-2000型恒流给定器,六、DDZ之调节单元类 (PID基型、PID自整定、 PID间歇、SPC、DDC备用、自动选择、抗积分饱和控制等),DDZ-III DTZ2100型全刻度指示调节器,七、DDZ之执行单元类 (角行程、直行程、阀门定位器等),电动角行程(DKJ)执行机构 电动直行程(DKZ)执行机构,电气阀门定位器 气动阀门定位器,八、DDZ之辅助单元类 (Q型、D型、便携式及S/Z自动切换操作器，信号限制器、信号选择器、安

10、全栅、配电器、直流稳压电源、隔离器等),配电器 隔离器 操作器,DDZ之辅助单元类,电源箱,分类及特点,（一）按安装场地分： 1.现场类仪表 2.控制室类仪表 （二）按能源形式分： 1.气动控制仪表 2.电动控制仪表 3.液动控制仪表 （三）结构形式分： 1.基地式控制仪表 2.单元组合式控制仪表 3.组装式综合控制装置 4.数字化控制仪表 5.集散控制系统 6.现场总线控制系统。 （四）按信号形式分： 1.模拟控制仪表 2.数字控制仪表,（一）按安装场地分：,2、控制室类仪表,1、现场类仪表 在抗干扰、防腐蚀、抗震动等方面有特殊要求。,（二）按能源形式分：,电动控制仪表的特点： 信号传送速度

11、快、传送距离远、易于与计算机联用。,气动控制仪表的特点： 结构简单、性能稳定、安全防爆、易于维修。,（三）结构形式分：,1.基地式控制仪表 以指示、记录仪表为主体，附加某些控制机构。,2.单元组合控制仪表 电动单元组合仪表： DDZ型 ；DDZ型 ；DDZ型 电源：220V AC ；24V DC ； 电信号：电流010mA DC ； 420mA DC； Vo：15V DC 气动单元组合仪表：气源：140 kPa； 气信号：20100 kPa,3. 组装式控制仪表 一种功能分离、结构组件化的成套仪表装置。工程实际中已很少使用。,4 .数字控制仪表 以数字计算机为核心的数字控制仪表。其外形结构、面

12、板布置保留了模拟式仪表的一些特征，但其运算、控制功能更为丰富，通过组态可完成各种运算处理和复杂控制。可和计算机配合使用，以构成不同规模的分级控制系统。,5.集散型控制系统 将集中一台计算机完成的任务分派给各个微型过程控制计算机，再配上数字总线以及上一级过程控制计算机，组成各种各样的、能适应于不同过程的积木式分级分布计算机控制系统。实现了“控制分散”或“危险分散”，管理高度集中。,6.现场总线控制系统 是计算机网络技术、通信技术、控制技术和现代仪器仪表技术的最新发展成果。它将具有数字通信能力的现场智能仪表连成网络系统，并同上一层监控级、管理级联系起来成为全分布式的新型控制网络。,（四）按信号类型

13、分：,模拟式控制仪表 传输信号通常为连续变化的模拟量。这类仪表线路较简单，操作方便，价格较低使用上均有较成熟的经验。,数字式控制仪表 传输信号通常为断续变化的数字量。这些仪表和装置是以微型计算机为核心，其功能完善，性能优越，它能解决模拟式仪表难以解决的问题，满足现代化生产过程的高质量控制要求。,二、控制仪表与装置的信号与供电,（一）控制仪表与装置的供电,（二）模拟仪表与装置的信号制,（三）数字仪表与装置的信号制,压力 变送器,压力 变送器,常用的控制仪表及装置,测量膜合,差压 变送器,双法兰差压送器,无纸 记录仪,测量精确值,Better Control 可编程 调节器,输出精确值,输出百分值

14、,测量百分值,气动阀门定位器,气动执行机构,电动执行机构,直通单、双座控制阀,直通单、双座控制阀,闸阀,球阀,三通阀,蝶阀,角阀,球阀,角阀,控制层网络,管理层网络,现场设备层,DCS的物理层次示意,控制室,控制台,流程图,仪表盘,操作员站,操作员站CRT,工业流程图,（一）控制仪表与装置的供电,电动控制仪表与装置的供电主要有两种形式：交流供电与直流集中供电。 1、交流供电 早期的电动控制仪表中多使用交流供电。将220V工频交流直接引入控制系统中的各台仪表中。 缺点：交流干扰、热干扰等必然会对仪表产生影响；仪表体积也不易做小；220V的直接引入降低了仪表的安全性，缩小了仪表的应用范围。,2、直

15、流集中供电,整个控制系统由统一的直流低压电源箱供电，且常常是一组电源为整个控制系统的各台仪表供电，称为直流单电源集中供电。 优点： 易实现带备用电源的无停电系统；低压供电为系统防爆提供了有利条件。,（二）模拟仪表与装置的信号制,信号制即指在某种标准中所规定的信号联络方法。 电信号的种类主要有模拟信号、数字信号、频率信号和脉宽信号等四大类，前两者用得最多。 电模拟信号的种类有直流电流、直流电压、交流电流、交流电压四种。其中直流信号具有不受线路中电感、电容及负载性质的影响，不存在相移问题、不受交流感应影响等优点，因而应用较为广泛。,1973年国际电工委员会（IEC）第64次技术委员会通过的标准规定

16、了国际统一信号，过程控制系统的模拟直流电流信号为420mADC，模拟直流电压信号为15VDC。我国早期DDZ-仪表所用的信号制为010mADC，气动调节仪表的信号制为0.020.1Mpa。 信号制的下限不为零称为活零点，有助于实现微机控制系统的自检；信号制的上限亦不能太大，有助于实现系统的防爆。直流模拟电流与电压信号各有优缺点，分别适用于不同的场合。,1、直流电流信号 直流电流信号传输模型如图2.2.1所示。 图中ro作为发送仪表的变送器的等 效输出电阻，Rcm为连接导线及连 接过程所产生的电阻。n台接收仪 表串联或并联地接收信号。 显然直流电流信号信号传输有如下两个缺点， 若回路中有一个断点，则n台接收仪表均不能接收信号。因此，可靠性受到影响。 各接收仪表输入端会