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1、工业控制及自动化仪表 基础知识 英达康 华志斌 主要内容 n常用控制电器 n继电器 接触器控制系统的设计原则 n继电器 接触器控制线路设计中应注意的问题 nPLC简介 构成 特点 应用领域 nPLC与其他工业控制系统的比较 n电动单元组合仪表简介 n检测仪表 n调节器 n执行器和防爆栅 nDCS简述 常用控制电器 n接触器 n继电器 n主令电器 n保护电器和组合电器 接触器 适于频繁地接通和分断主电路或大容量控制 电 主要用于控制电动机 也可用于控制其它电力 负荷 按工作原理分为电磁式 气动式和液压式 这 里主要介绍电磁式接触器 电磁式接触器的主要组成部分 触头系统 电磁系统 灭弧装置 支架和
2、外壳 按主回路接通和分断的负载电流的性质 分 为直流接触器和交流接触器 交流接触器 主回路分断和接通交流负载 控制线圈可以 是交流或直流 通常交流接触器的控制线圈为交流 线圈 交流接触器分断交流负载 灭弧装置相对简 单 当使用交流线圈时线圈铁心象变压器一样为减 少涡流损耗由硅钢片叠压而成 由于线圈电磁力发 生波动 通常噪声较大 由于励磁电流与励磁线圈 的电抗相关 而电抗又与磁路的气隙大小有关 所 以接触面不平或污损将会增大励磁电流 增大接触 器温升甚至烧毁交流接触器 直流接触器 主回路分断和接通直流负载 控制线圈可以 是交流或直流 通常交流接触器的控制线圈为直流 线圈 交流接触器分断直流负载
3、灭弧装置相对复 杂 当使用直流励磁线圈时线圈铁心通常由整块软 铁构成成 由于线圈电磁力稳定 通常噪声较小 由于励磁线圈电感大 在断开励磁线圈时将产生较 高的感应电势 因此要注意线圈的绝缘和能量泻放 接触器主要技术参数 n额定工作电压 主触头的额定电压 n额定工作电流 主触头的额定电流 n电磁铁线圈的额定电压 n额定操作频率 n触头数目 主触头和辅助触头 n接通和分断能力 继电器 继电器是根据某种物理量的变化来改变其触 点状态的控制元件 当继电器的输入电压 电流和频率等电量或 温度 压力和转速等非电量达到规定值时 继电器 的触点便接通或分断所控制或保护的电路 继电器一般由输入感测机构和输出执行机
4、构两 部分组成 前者用以反映输入量的高低 后者用以 接通或切断电路 常用继电器种类 n电压继电器 n电流继电器 n时间继电器 n热继电器 n中间继电器 主令电器 主令电器是按一定生产工艺要求发出控制命 令的操纵电器 用以闭合或断开接触器 继电器等 电器的线圈回路 以实现对生产机械的控制 在控 制电路中由于它是一种专门发布命令的电器 故称 为主令电器 不允许使用主令电器分合主回路 常见的主令电器有 控制按钮 万能转换开 关 主令控制器 行程开关 保护电器和组合电器 n熔断器 又称保险丝 起短路保护作用 n自动开关 又称空开 有过载 短路 欠 压保护作用 可用于不频繁启动的电机控 制 n磁力启动器
5、 是一种组合电器 由接触器 隔离开关 熔断器 热继电器和按钮等 组合而成 什么是隔离开关 继电器 接触器控制系统的设计原则 n正确地设计控制线路 功能正确 在最大限度满足 设备对电气控制线路要求的前提下 力求控制线路简单 布局合理 器件选型正确并便于操作和维修 n设置必要的保护除基本的短路 过载 欠压保护外 应根据实际情况配置必要的保护 保证系统安全可靠 但不是保护越齐全越好 因为保护越多 线路越复杂 故 障几率越多 有可能降低系统的可靠性 n正确选择电器设备选型时要考虑工作方式 线路电 压和电流等级 考虑触点的断弧容量 双触点串联可提高 断弧能力 辅助触点的数量等 n故障安全原则 当系统中出
6、现设备损坏或故障时 不 能发生误操作和故障的扩大 例 操纵制动器的电磁铁 表示合闸状态的指示灯 急停开关 拉绳开断的状态选取 保证控制线路的可靠和安全 n正确连接电器的触头 n正确连接电器的线圈 设计中要注意的问题 n控制电源一端接地时应防止发生意外 KM KM n防止出现寄生回路 KM1 KM2 KM2 KM1 n防止出现寄生回路 L2 L1 KM1 KM2 n防止电气元件触点 竞争 先断后合型 先合后断型 n继电器触头的分断合接通能力 触点并联的作用 n电器连锁和机械连锁 n控制电路是否跳闸 控制电路由于电源等原因断电 或控制器死机时 是否发出主机跳闸的命令 要根据具体 系统设计 一般要求
7、控制电路重新启动时不影响主系统的 运行 n尽量减少触点数目 n尽量缩短连接导线的数量和长度 n控制线路在工作时 除必要的电气元件需 通电外 其余电器尽量不长期通电 以延 长电气元件的寿命和节约电能及减少发热 n采用标准件 尽可能选用相同型号的元件 n尽量使用标准的 常用的或经过实际考验 过的线路和环节 控制线路力求简单 经济 n短路保护 空开有短路和过载保护的作用 n过电流保护 电机保护一种 常用继电器完成 n过载保护 热继电器 n失压保护 防止电源电压恢复时电机自行 启动 典型的启保停电路 n欠压保护 电压继电器 对电机的基本保护 如过载保护 端相保 护 短路保护等 一般在一个保护装置中 完
8、成 完善的保护环节 PLC简介 构成 特点 应用领域 国际电工协会 IEC 定义 可编程控制器是一种数字 运算操作的电子系统 专为在工业环境下应用而设计 它 采用可编程的存储器 用来在其内部存储执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数和算术运算等操作的命令 并通过 数字式和模拟式的输入和输出 控制各种类型的机械或生 产过程 可编程控制器及其有关设备 都应按易于与工业 控制系统联成一个整体 易于扩充功能的原则而设计 68年GM公司提出10条技术指标在社会上公开招标 69 年DEC根据要求研制出第一台PLC并中标 构成 可编程控制器 存储器 CPU模块 输 入 模 块 输 出 模 块 编程器 辅助触点
9、限位开关 按 钮 电 源 接触器 电磁阀 指示灯 电 源 特点 n可靠性高 抗干扰能力强 n配套齐全 功能完善 适用性强 n易学易用 深受工程技术人员欢迎 n系统的设计 建造工作量小 维护方便 容易改造 n体积小 重量轻 能耗低 应用领域 n开关量逻辑控制 顺序控制 n闭环过程控制 n位置控制 n监控系统 n分布控制系统 PLC与其他工业控制系统的比较 n与继电器控制的比较 n与个人计算机控制的比较 n与单板机控制的比较 n与DCS控制的比较 与继电器控制的比较 n控制逻辑 硬接线与软接线 n工作方式 硬接线全联动和顺序扫描 n控制速度 n时间控制 n技术控制 n设计 施工和改造 n可靠性和可
10、维护性 n价格 与个人计算机控制的比较 本质上个人计算机和PLC是面向不同应用领 域的计算机系统 个人计算机的最大特征是运算 速度快 功能强 应用范围广 如果采用PC作为 某一设备的控制器 就必须根据实际需要考虑抗 干扰问题和硬件及软件设计 以适应设备控制的 需要 这样就势必把通用的PC转化为具有特殊功 能的控制器而称为一台专用机 所以 本质上PLC就是一种用于工业自动化 控制的专用微机控制系统 结构简单 抗干扰能 力强 价格也比一般微机系统低 与单板计算机控制的比较 n单板机不如PLC掌握 n单板机不如PLC简单 nPLC不如单板机灵活 n单板机不如PLC可靠 与DCS控制的比较 n PLC
11、是由继电器控制逻辑发展而来的 集散控制系统是 由回路仪表控制发展而来的 二者的发展均都是计算机控 制技术发展的直接体现 nPLC在开关量控制 顺序控制方面有一定的优势 而集散 系统在回路调节 模拟量控制方面有一定优势 二者相互渗透 互为补充 PLC与DCS的差别已不明显 它们都能构成复杂的分级控制 从趋势来看 二者的归 属和统一是全分布式计算机控制系统 听说过DDC吗 电动单元组合仪表简介 自动化仪表作为一种专门的仪表 最早出现在上世纪 40年代 由于石油 化工 电力等工业对自动化的需要 出现了将测量 记录 调节仪表组合在一起的多功能自动 化仪表 后来 人们发现多功能仪表的结构不够灵活 不 如
12、将仪表按功能划分 制成若干种能独立完成一定功能的 标准单元 各单元间以标准联络信号相互联系 这样通过 选择一定的单元 积木式地把仪表组合起来 构成各种复 杂程度不同的控制系统 这种积木式的仪表就称为单元组 合仪表 这种做法不论对仪表厂的大量生产还是用户的选 用和维护都是有利的 这些年随着计算机技术的进步 仪 表的功能结构又重新向多功能转变 国产仪表 60年代 电子管和磁放大器 DDZ I 0 10mA 70年代 晶体管 DDZ II 0 10mA 80年代 线性集成电路 火花防爆 DDZ III 4 20mA 工艺介质 调节对象 被调量 检测元件 变送单元 显示单元 执行单元 调节单元 测量值
13、 给定值 给定单元操作单元 单元组合仪表 检测仪表 n温度检测仪表 n压力检测仪表 n流量检测仪表 n液位检测仪表 n成分分析仪表 温度检测仪表 n热电偶 n热电阻 n半导体热敏电阻 热电阻使用方便 便宜 热容大 反映 慢 测温范围不如热电偶大 半导体热电阻体积小 适用于设备内测 温 测温范围也小 精度不高 压力检测仪表 n力平衡式压力 差压 变送器 n位移式差压 压力 变送器 n固态测压仪表 压电效应 压阻效应 压 磁效应 主流 流量检测仪表 n节流型流量计 孔板 靶式 动子 n容积式 椭圆齿轮 n涡轮流量计 精度介于上者之间 n电磁流量计 可测含纤维及污物的液体 适用于腐蚀性液体 但导电率
14、不能太小 不能用于油和纯水 不能有气泡 n漩涡流量计 旋进型和涡街型 涡街为主流 液位检测仪表 n浮力式 浮子式 翻板式 n静压式 n电容式 n超声波 n雷达 成分分析仪表 n热导式 根据气体导热系数 n红外线 根据吸收谱 n色谱 液相色谱 气相色谱 调节器 本节内容复杂 涉及到自动化控制的比较核 心的算法部分 以后如果需要单独作为一 个讲座 执行器和防爆栅 执行器 n气动执行器以压缩空气为动力 n电 气转换器一般将电流转换为气压 n阀门定位器将电流信号转换为阀门位移 含电气转换 n电动执行器 防爆栅 防爆的思想 结构防爆 将可能产生危险火花的电路从结构上与爆炸性气 体隔离开来 充油 充气 充
15、砂 隔爆 本安防爆 安全火花防爆 把电路在短路 开断及误操作 等各种状态下可能发生的火花都限制在爆炸性气体的点火 能量之下 从爆炸发生的根本原因上采取措施解决防爆问 题 危险现场 变 送 器 变 送 器 防爆栅 防爆栅 电 源 调节器 安全场所 控制室 本安仪表 本安系统 防爆栅 是对送往现场的电压和电流进行严 格限值的单元 可保证在各种状态下进入 现场的电功率都在安全范围之内 防爆栅只限值瞬时功率 现场设备的L C都可能造成危险 所以构成安全火花防爆系统的充要条件是 现场仪表与非 危险场所之间的电路连接必须经过防爆栅 在危险现场的 仪表必须是本安型的 防爆电缆 国际标准没有这一说 只限值L
16、C 习惯上要求 颜色区分 两种防爆栅 齐纳型 隔离型 1 检测端防爆栅 执行端防爆栅电路原理图 DCS简述 n发展过程 n分散控制方式 仪表间相距过远 仪表盘尺寸过大 无法全 面了解信息及操作 n集中控制方式 危险过于集中 计算机出现故障时整个生产 装置瘫痪 n集散控制方式 控制功能分散 操作管理集中 DCS n集散控制中危险分散的方法 将控制功能分散到多台计算机 上 采取双重化冗余措施 集散控制系统的组成 DCS现场控制站概述说明 n概述 控制站支持多回路控制 在加强单回路控制器的基 础上增加了顺序控制功能 n特点 反馈控制与顺序控制由同一CPU操纵 容易完成生 产现场的工艺组合 能够实现生产全过程的自动化 n说明 补充资料 具有相同功能的技术手段 PLC现场控 制站 DCS监控操作站的功能 n工程功能 完成系统生成 系统维护 系统 测试和系统管理 n操作功能 监视 记录 运行 n通信功能 完成现场控制站于上位机之间的 数据交换 主要介绍操作功能 运行中的操作画面 1 总貌画面 反映生产过程总体状况 2 分组画面 对应显示各内部仪表状态 在操作中观察其它回路的关 联变化 3 回路调整
