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1、一、 基础知识在自动化控制系统中，控制仪表是实现自动化控制理论、完成生产自动化的重要工具。检测仪表将生产工艺参数变为电信号后，由控制仪表与装置进行显示、记录与控制，让人们了解生产过程情况的同时对生产过程实施自动控制，使工艺参数符合工艺设计安全生产和降低成本的预期要求。1.1仪表的分类过程是自动化系统实施控制的对象和存在的基础，没有过程就没有控制仪表和自动化控制系统。控制理论和实现控制理论的研发和使用均来自于对过程的认识和抽象、建模，在此基础上以有效控制为手段，以获得最佳结果（产品和状态）为目的的过程状态指示和控制。自动化控制仪表可简单的分为检测仪表、显示仪表、控制仪表、执行器四大类，如下图所示
2、。检测仪表流量压力液位温度成分分析控制仪表基地式调节器单元组合仪器组件组装式仪器可编程控制器 PLC工业控制机计算机控制系统分散控制系统DCS总线控制系统FCS安全控制系统SCS显示仪表 指示仪指示仪指示仪示仪记录仪信号报警器屏幕显示器执行器调节阀 图2-1 仪表分类示意图按控制仪表依所用能源的不同，可以将其分为电动、气动、液动和混合式等几大类。其中，气动和液动控制仪表发展最早，但电动控制仪表发展异常迅速，现在已占绝对统治地位。气动控制仪表性能稳定，可靠性高，具有本质安全防爆性能，不受电磁场干扰，结构简单，维护方便，但不适应远距离集中控制。在许多控制系统和复杂程度大的生产过程中已不能满足要求。
3、电动控制仪表有本安和非本安之分，从原理上分类，电动控制仪表可分为模拟式和数字式控制仪表两大类。模拟式控制仪表与装置按结构形式可分为基地式、单元组合式、组件组装式三大类。基地式控制仪表以指示仪表及记录仪表为中心，附加一些线路或器件来完成控制任务。一般结构比较简单，价格低廉。适用小型企业的单机和自动控制系统。单元组合式控制仪表根据自动检测与控制系统中各组成环节的不同功能和使用要求，将仪表划分为能独立实现一定功能的若干单元。各单元之间联系采用统一标准信号。这些少量的单元经过不同的组合，可构成多种多样的、复杂程度不同的自动检测和控制系统。单元组合仪表应用灵活，通用性强，便于控制仪表生产，维护及备品库存
4、。组件组装式控制装置是在单元组合式仪表基础上发展起来的成套仪表装置，它的基本组成是一块块功能分离的组件，组件组装式控制装置在结构上可分为控制柜和显示操作盘两大部分。控制柜内插入若干个组件箱，若干块组件板又插入组件箱中。显示操作盘常常用一台电子显示屏幕集中显示操作，大大改善了人机联系。在控制柜中各个组件之间的信息联系，采用矩阵端子接线方式，接线工作都集中在矩阵端子接线箱里进行。组件组装式装置可由仪表制造厂预先根据用户要求，组装好成套自控系统，再以成套装置形式提供给用户，从而使得自控系统的现场施工，系统安装和调试工作量减小，也使维护、检修和系统改组工作得以简化。数字控制仪表装置可分为数字调节器、P
5、LC、工业控制机、DCS分散控制系统、FCS总线控制系统等五大类。A. 数字调节器 有几个数据量采集及开关量输入/输出功能，主要用于实现一个或几个回路的连续控制。数字调节器按控制回路数目分为：单回路调节器：用于构成一个简单的控制回路，或一个串级控制回路，或一个比值控制回路等。多回路调节器：可以对多个回路（2个、4个或8个）进行分时控制。数字调节器按控制规律分为：PID（比例、积分、微分）调节器；PID参数自整定调节器；自适应调节器；模糊控制器；智能调节器等。B. PLC可编程控制器 控制器提供多种软件功能模块，由用户通过组态功能实现各种控制系统，具有大的应用灵活性，软件系统较复杂。 固定程序调
6、节器：不用用户组态，但有的可通过简单的设定在控制器给定的几种控制结构中进行选择。C. 工业控制机（工控机） 用于对多个（几个到几十个）回路进行闭环连续控制及断续控制。采用模块化结构，由主机板和系统支持板组成。支持板种很多，如A/D转换板、内存扩展板、开关量输入输出板、CRT接口板、打印机接口板、串行通信板等等。这些模板通过标准总线相互连接进行信息交换。总线包括电源线、数据线、地址线及控制线。实际使用时，所选用的功能模板都插在一个专用机架的总线插槽内，选择所需模板即可组成各种不同的数据处理及控制系统。这种总线结构的工业控制机具有模板种类多、组合灵活、使用方便、可靠性高、抗干扰能力强及价格低廉等特
7、点，并有丰富的应用软件及良好的开发环境，在燃气场站的控制系统中得到广泛应用。D. 集散控制系统DCS 将数字技术，微电子技术、通信技术CRT显示技术与控制技术紧密结合产生的一种综合控制系统，它采用控制分散、集中显示操作及管理的策略，具有控制算法丰富，回路组态灵活、监控操作方便、系统安装简便、增扩修改容易，高可靠性及高可维护性等特点。近30多年来，DCS日益得到广泛应用，已在工业控制中占主导地位。E. 现场总线控制系统FCS 通用的或专用的微处理器置入传统的测量控制仪表中，使之具有数字计算和数字通信能力，采用一定介质（双绞线、同轴电缆、光纤、无线电、红外线等）作为通信总线，按照公开、规模的通信协
8、议，在位于现场的多个设备之间以及现场设备与远程监控计算机之间，实现双向、串行、多点数据传输和信息交换，控制系统功能能够不依据控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。无需按控制回路进行一对一的设备连线，但同时又为多个设备提供电源，打破了传统控制系统的结构形式。现已逐步得到使用。有望成为21世纪控制系统的主流产品。1.2仪表主要品质指标精度和精度等级精度是指测量结果和实际值的一致程度，是仪表基本误差的最大允许值，习惯上也简单地说为基本误差或允许误差。精度高意味着系统误差和随机误差都很小。精度等级是仪表按精度高低分成的等级，它决定仪表在标准条件下的误差限。仪表的精度等级是根据
9、引用误差来划分的，如某台仪表的最大基本允许引用误差为1.5%，则该仪表的精度等级为1.5级。滞环、死区和回差滞环是指由输入增大的上升段和减小的下降段构成的特性曲线所表征的现象。死区是指输入量的变化不致引起输出量有任何可察觉变化的有限区间。死区用输入量程的百分数表示。回差 （也叫变差）是指输入量上升和下降时，同一输入的两相应输出值间 （若无其它规定，指全范围行程） 的最大差值。回差包括滞环和死区，并以输出量程的百分数表示。重复性误差和再现性误差重复性误差是指在同一工作条件下，对同一输入值按同一方向，连续多次测量的输出值之间的差值。一般用量程的百分数表示。再现性误差是指在同一工作条件下，在规定时间
10、内对同一输入值两个相反方向重复测量的输出值之间的最大差值。再现性误差是包括重复性误差、滞环、死区和漂移的综合性指标，一般用量程的百分数表示。灵敏度和灵敏限灵敏度是表达仪表对被测参数变化的灵敏程度。是指仪表在达到稳定状态后，输出信号变化量与引起此输出信号变化的被测参数变化量之比。它是仪表输入与输出转换曲线上的斜率。灵敏限是指能够引起仪表输出信号发生变化的输入信号的最小变化量。一般，仪表的灵敏限的数值不应大于仪表允许误差绝对值的一半。灵敏限实际上就是死区。非线性误差对于理论上具有线性特性的仪表，实际上输入输出特性曲线对理论线性特性的偏离程度。动态误差由于检测环节中存在的元件动惯量 （时间常数），测
11、量传递滞后 （纯滞后时间） 带来的误差。时间常数时间常数是指当输入阶跃信号时，仪表的输出值达到其稳定值的63.2%所需的时间。全行程时间全行程时间是指当输入满量程阶跃变化时，输出由下限至上限，或反行程移动所需的时间。通常以全量程的5%作为输出下限值，全量的95%作为输出上限值。稳定时间稳定时间是指从输入信号跃变化起，到输出信号进入并不再超过偏离其最终值规定（如5%） 时的间隔时间。滞后时间滞后时间也叫时滞，是指当输入产生变化的瞬间起，到它引起输出量开始变化的瞬间止的时间。综合误差TPE（Toal Probable Error）是指仪表精度以及诸如静压、温度等多种附加误差的均方根误差。稳定性 （
12、度）和可用性稳定性是指在规定的工作条件下，仪表性能随时间保持不变的能力。通常用零点漂移来衡量。可用性是指仪表在某时刻具有或维持规定功能的能力。可用如下关系表示：MTBF：平均无故障时间MTTR：平均故障修复时间1.3信号制及供电 一个过程控制系统由许多仪表组成，系统中仪表的输入和输出相互连接，所以需要统一的标准联络信号，才能方便的把各个仪表组合起来，构成系统。通信协议和信号制就是解决这一问题的。供电、供气为系统仪表提供工作能源。1.3.1 信号制 信号制是指在成套系列仪表中，各个仪表的模拟输入、输出信号采用的统一的联络信号标准。电动仪表的输入/输出： 420mA DC 15 V DC 控制系统
13、中，电流信号适合于远距离传输，进出控制室的传输信号通常采用电流信号，控制室内部各仪表间联络信号一般采用电压信号，即连线的特点是电流传输、电压接受，并联接收电压信号的方式。1.3.2 供电根据生产过程对仪表自动化系统的重要性，可靠性、连续性的不同要求，仪表供电负荷分为保安负荷、重要负荷（双回路供电）、次要负荷和一般负荷（单回路供电）。保安供电不应与正常供电相混淆。电源质量通常应符合如下几项技术指标。仪表受电端的电压及允许偏差：交流：220V10%， 110 V10%直流：24V5%频率与波形频率为50Hz，波形为正弦时，波形失真率小于10%。电源瞬时扰动电源瞬时扰动是指持续时间等于或小于0.2s
14、的扰动。它对测量和控制系统的正常工作有重大影响。电源瞬时扰动时间应满足仪表的最小允许瞬时扰动供电时间要求。特殊用电要求某些仪表设备对交流电源的谐波含量、直流电压纹波有特殊要求。一般要求交流电源的谐波含量5%；直流电源的纹波电压1%。DCS供电系统供电分为A，B级，即：电压：220V AC5%（A），220V AC7%（B）。频率：500.2Hz ( A )， 500.5Hz ( B )。波形失真率：5%。交流输出： 220V AC2%（UPS而言）。切换时间： 5 10ms（ UPS而言 ）。直流输出： 24 V1% （ UPS而言 ）。总之，仪表供电的电源质量必须符合仪表设备的要求。其中，电
15、源容量为各类仪表耗电量总和的1.21.5倍。电源类型根据仪表设备负荷类型，供电要求，仪表电源分别设工作电源和保安电源。工作电源：一般采用重要负荷类别的电源作为仪表的工作电源，由电气专业引入。保安电源：通常可分不间断供电装置，带速自起动发电机组，由外部引入的符合保安电源要求的独立电源等三种。DCS和ESD（通常由PLC完成）系统必须采用保安电源。供电方式仪表电源应具备保安电源同工作电源并网运行的条件，工作电源可自动切接到保安电源工作。大型工程装置分散，仪表用电种类多，容量大，常为三级供电。即总供电箱（中央控制室）、供电箱（装置控制室）、分组电箱（ 现场操作室 ）。中、小规模工程、用电类型不变，容量也较小，装置相对集中，供电常采用单回路供电、环形回路供电和多回路供电方式。其中多回路供电使用的较多。1.4控制方案自动化控制系统根据不同的被控对象，通常可分为如下十二种控制方案。单回路控制控制方案中最为常见的一种，由一台调节器，一台传感器，一台执行器构成负反馈闭环进行定值控制。串级控制两个调节器相串联，主调节器的
