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1、第一章,自动化仪表概论,2020/7/30,1,自动化仪表与装置间的通信方式,第一章概论,自动化仪表的信号与供电,自动化仪表简介,前言,过程控制系统,2,前言,一、彼此认识 二、关于社会需求 三、关于本课程及与之相关性的体系说明 四、参考书目 五、教授内容（分章节） 六、要求（平时、实验、考试）,3,第一节 过程控制系统,一、概念 过程控制（process control）通常是指石油、化工、电力、冶金，轻工建材、 核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，它是自 动化技术的重要组成部分。 连续型、离散型、混合型 习惯上，把连续型的工业称为过程工业（process indu
2、stries) 有时为突出其流动的性质也称为流程工业（fluid process industries) 二、过程控制系统的组成及分类,4,过程控制系统组成,1液位人工控制 ： 检测眼； 运算（思考）、命令脑； 执行手。,5,过程控制系统组成,2、液位自动控制：测量元件及变送器眼； 控制器脑； 执行器手。,6,实例,7,过程控制系统组成,8,过程控制系统组成,组 成,自动化装置,被控对象,测量元件与变送器,控制器,执行器,9,过程控制系统组成,10,过程控制系统组成,常规仪表过程控制系统由以下部分组成： 被控对象：（被控对象与被控变量的关系） 传感器和变送器：（标准统一信号问题） 控制器：（扰
3、动） 执行器： （分类） 控制阀： （输出特性）,11,过程控制系统分类,按结构特点分：单回路负反馈控制系统，串接控制系统，前馈控制系统，复合控制系统等； 按信号特点分：定值控制，随动控制，顺序（程序）控制； 按被控参数分：温度控制系统，压力控制系统， 流量控制系统，液位控制系统，成分控制系统等 另外：闭环与开环,12,第一节过程控制系统,三、过程控制系统的特点： 1、对象复杂多样 2、对象存在滞后 3、对象特性的非线性 4、控制系统较复杂 结论：控制方案确定、控制系统的设计、控制参数的整定都要以 对象的特性为依据。,13,第一节过程控制系统,四、过程控制系统的发展概况： 从简单到复杂，从局部
4、到全局，从低级智能到高级智能 三个发展阶段： 1、年代以前（初期阶段） 理论基础：传递函数、根轨迹法、单入单出 控制目标：局部自动化 2、第二阶段（仪表化阶段） 发展背景： 理论基础：以状态空间分析方法为基础 控制目标：提高控制质量 3、第三阶段（工业生产自动化进入计算机时代） 标志特点： 解决途径,14,第二节 自动化仪表简介,一、自动化仪表在控制系统中的地位 测量元件 执行元件 通信元件 安全元件,15,第二节自动化仪表简介,二、自动化仪表的分类,1、按能源形式分类,可分为电动、气动、液动等几种。 工业上普遍使用电动控制仪表和气动控制仪表。,16,2、按结构形式分类,A、基地式仪表 B、单
5、元组合式仪表 C、组件组装式 D、集散型计算机控制系统 E、现场总线控制系统,第二节 自动化仪表简介,17,A、基地式控制仪表,相当于把单元组合仪表的几个单元组合在一起，构成一个仪表。,通常以指示、记录仪表为主体，附加控制、测量、给定等部件而构成；,其控制信号输出一般为开关量，也可以是标准统一信号；,一个基地式仪表具有多种功能，与执行器联用或与变速器联用，便可构成一个简单的控制系统；,性能价格比高，适用于单参数的控制系统。,第二节 自动化仪表简介,18,B、单元组合式仪表：,将各种单元进行不同组合，可以构成多种多样、适用于各种不同场合需要的自动检测或控制系统。,有电动单元组合仪表（DDZ）和气
6、动单元组合仪表（QDZ）两大类。都经历了I型、II型(010mA) 、III型(420mA, 15v)的三个发展阶段。,根据控制系统各组成环节的不同功能和使用要求，将仪表做成能实现一定功能的独立仪表（称为单元），各个仪表之间用统一的标准信号进行联系。,第二节 自动化仪表简介,19,D、集散控制系统（DCS系统）：分散控制、集中管理,控制站（下位机）,操作站（上位机）,过程通信网络,数据采集、处理及控制 由DCS系统的基本控制器（包括控制 卡、信号输入输出卡、电源等）构成 或由可编程序控制器PLC（包括CPU、I/O、电源等模块）或带有微处理器的数字式控制仪表构成,实现操作站与控制站的连接 提供
7、与企业管理网络的连接,过程信息的集中显示、操作和管理 由工业控制计算机、监视器、打印机、鼠标、键盘、通信网卡等组成,第二节 自动化仪表简介,20,E、现场总线控制系统（FCS系统）,现场控制和双向数字通信,将传统上集中于控制室的控制功能分散到现场设备中，实现现场控制,现场设备与控制室内的仪表或装置之间为双向数字通信。,第二节 自动化仪表简介,21,3、按信号类型分类,模拟式,数字式,由模拟元件构成 传输信号通常为连续变化的模拟量，如电流信号，电压信号，气压信号等 线路较简单，操作方便，使用灵活，价格较低,以微处理器、单片机等大规模集成电路芯片为核心 传输信号通常为断续变化的数字量，如脉冲信号
8、可以进行各种数字运算和逻辑判断，其功能完善，性能优越，能解决模拟式仪表难以解决的问题,第二节 自动化仪表简介,22,4、按防爆能力分类,普通型：只能用在非危险场所,安全火花型：这种仪表防爆性能最好,第二节 自动化仪表简介,隔爆型：采取隔离措施以防止引燃引爆事故,23,第二节 自动化仪表简介,附：自动化仪表内涵及分类：,24,三、单元组合式仪表,1、统一信号： 气动单元组合式仪表：能源为140KPa的干燥清洁的压缩空气； 统一信号为20-100KPa II型电动单元组合仪表：能源为AC 220V, 统一信号为DC 0-10mA III型电动单元组合仪表：能源为DC 24V， 统一信号懔DC 4-
9、20mA,第二节 自动化仪表简介,25,单元组合仪表,变送单元,温度变送器 压力变送器 差压变送器 流量变送器 液位变送器,将各种被测参数变换成相应的标准统一信号传送到接收仪表或装置，以供显示、记录或控制,转换单元,直流毫伏转换器 频率转换器 电气转换器 气电转换器,将电压、频率等电信号转换成标准统一信号，或者进行标准统一信号之间的转换，以使不同信号在同一控制系统中使用,第二节自动化仪表简介,2、分类：,26,单元组合仪表,控制单元,运算单元,比例积分微分控制器 比例积分控制器 比例微分控制器 具有特种功能的控制器,将变送单元的测量信号与给定信号比较，按偏差给出控制信号，去控制执行器,加减器
10、乘除器 开方器,显示单元,指示仪 指示记录仪 报警器,第二节自动化仪表简介,27,单元组合仪表,给定单元,执行单元,辅助单元,输出统一标准信号，作为被控变量的给定值送到控制单元，实现定值控制。 给定单元的输出也可以供给其他仪表作为参考基准值。,角行程电动执行器 直线行程电动执行器 气动薄膜调节阀,按控制器输出的控制信号和手动操作信号，改变控制变量,操作器：手动操作及手动/自动的切换作用 阻尼器：压力或流量等信号的平滑、阻尼 限幅器：限制信号的上、下限值 安全栅：将危险场所与非危险场所隔开，起安全防爆作用,第二节自动化仪表简介,28,第二节自动化仪表简介,3、命名 单元组合仪表命名分为二部分，二
11、部分之间用横线隔开。 - A、第一部分：由三个汉语拼音大写字母组成 第一个字母为D或Q，代表电动或气动组合仪表 第二个字母代表仪表大类： 变送单元（B）：W（温度或温差）Y（压力）C（差压） L（液位）F（流量） 转换单元（Z）：J（交流毫伏） P（频率）Z（直流毫伏） Q（气电） 调节单元（T）：L（连续） D（断续） 运算单元（J）：J（加减） S（乘除） K（开方） 显示单元（X）：Z（指标） J（记录） B（报警） S（积算） 给定单元（G）：A（恒流） F（分流） 执行单元（K）：J（角行程） Z（直行程） 辅助单元（F）：D（电动操作） Q（气动操作） Z（阻尼） F（限幅） C（
12、选择）,29,第二节自动化仪表简介,B、第二部分：分为两节 第一节由两位或三位阿拉伯数字组成 变送、调节、显示和执行四种单元由三位数字组成。 前两位代表仪表系列、规格和结构特征，第三位数字代表序号。 第二节由一个或两个汉语拼音大写字母所组成，表示产品的变型结构 或特殊用途，字母意义如下： X（现在安装） J（盘后安装） N（气密式） C（船用） K（快速） F（防腐） B（防爆） A(安全火花型） 注：如某产品兼有两种特殊结构，则用两个字母表示,30,第二节自动化仪表简介,举例： 例如：DBC-2310为一台差压变送器的型号规格。 其中第一位数字“2”表示工作压力为400kPa， 第二位数字“
13、3”表示测量范围为0600Pa至04kPa， 第三位数字“l”表示带单平法兰， 第四位数字“0”表示序号。 再如：DBY-110B （请说出仪表类型及性能指标）,31,第二节自动化仪表简介,4、过程仪表与装置的发展概况：三个阶段 A、基地式仪表阶段（1930-40年代） 优点：简单、价廉、实用 缺点：只能用于简单控制系统，无法或不便于复杂控制系统 B、单元组合式仪表阶段（1950年代以后） 与复杂控制系统的推广应用相适应 可以很方便组成简单或复杂控制系统 按其发展可分为I、II、III型 C、以微处理器为基本组成部分的控制装置阶段（1970年代初） 灵活，价廉、可靠、性能好，广泛用于工业、国防
14、、家庭等领域 主要途径：DCS、PLC、微计算机系统（PC、单板机、单片机）,32,A、控制目标由实现过程工艺参数的稳定运行发展为以最优质量为指标的最优控制。 B、控制方法由模拟的反馈控制发展为数字式的开环预测控制；由传统的手动定值调节器、PID调节器以及各种顺序控制装置，发展为以微型机构成的数字调节器和自适应调节器。,5、自动化仪表发展趋势,第二节自动化仪表简介,33,一、自动化仪表的供电：,1、交流供电 220V 工频交流 2、直流集中供电,第三节自动化仪表信号与供电,34,二、信号制：即信号标准，是指仪表之间采用的传输信 号的类型和数值。,目的：达到通用性和相互兼容性的要求，以便不同系列
15、或 不同厂家生产的仪表能够共同使用在同一控制系统 中，实现系统的功能。,第三节自动化仪表信号与供电,35,1、模拟仪表的信号制 电信号分为：模拟信号、数字信号、频率信号、脉宽信号 模拟直流信号：电流信号4-20mADC 电压信号1-5VDC DDZII型仪表信号：0-10mADC 气动调节仪表信号：0.02-0.1MPa注：活零点（信号制的下限不为零）,第三节自动化仪表信号与供电,36,A、 电动仪表信号标准的使用,现场与控制室仪表之间采用直流电流信号 优点：直流比交流干扰少 直流信号对负载的要求简单 电流比电压更利于远传信息 缺点：多个仪表接收同一电流信息，它们 必须串联。 要求：接收仪表输
16、入电阻小 任何一个仪表在拆离信号回路之前首先要把该仪表的两个输入端短接，否则其它仪表将会因电流中断而失去信号 仪表无公共接地点，须浮空工作,变送器,发送者,r,r,Io,RL1,RL2,负载,接受者,现场,控制室,第三节自动化仪表信号与供电,37,Io, Vi ,RL1,RL2,RL3,现场,控制室,优点： 任何一个仪表拆离信号回路都不会影响其它仪表的运行。 各个仪表具有公共接地点，可以共用一个直流电源。 要求：接收仪表的输入阻抗要足够高,B、控制室内部仪表之间采用直流电压信号,第三节自动化仪表信号与供电,38,三、变送器信号传输方式：1、四线制传输2、二线制传输3、实现二线制变送器要具备的条件 采用活零点的电流信号；必须是单电源供电注：二线制变送器可大大减少装置的安装费用，有利于安全防爆
