控制仪表与控制系统

第一讲控制仪表与控制系统1主要内容一、自动控制系统与过程控制仪表二、控制仪表与装置的分类 三、联络信号和电信号传输方式2加热炉温度控制系统加热炉温度控制系统一、自动控制系统与过程控制仪表变送器给定值被控变量控制器被控对象执行器3变送器 把工艺参数转换成标准统一信号的装置控制器 将来自变送器的测量值与给定信号相比较后产生的偏差信号,按照预先设定好的控制规律进行运算后，输出一个控制信号去执行器执行器 把控制器的输出信号转换成直线位移或角位移，以控制阀门的开度此外，根据需要还可设置转换器、运算器、操作器、显示装置和各类仪表系统，以完成复杂的控制任务。简言之，在简单自动控制系统中除了将被控参数变换成易于传递的物理量的检测元件（如热电偶、热电阻、孔板等）外，完成其他任务的仪表都属于控制仪表。4导管，管路板导线，印刷电路板接线接线气动元件（气阻、气容、气动放大器等）电子元器件（电阻、电容、电子放大器、集成电路等）元、器件元、器件气压信号电信号（电压、电流、数字）传输信号传输信号气源（140kPa）电源（220V AC/24V DC）能源能源气动控制仪表气动控制仪表电动控制仪表电动控制仪表电动控制仪表和气动控制仪表的比较电动控制仪表和气动控制仪表的比较 按所用能源形式按所用能源形式：气动气动、电动电动、液动液动。工业上主要使用。工业上主要使用电动和气动控制仪表。电动和气动控制仪表。二、控制仪表与装置的分类5气动仪表特点：结构简单，易于检修性能稳定，可靠性高在本质上是安全防爆的，特别适用于石油、化工等有爆炸危险的场所需要使用不含油分水分和尘埃的净化气源电动仪表特点：运算精度高动作反应迅速 便于实现复杂的控制规律,远距离集中显示和操作采取了安全防爆措施，同样能用于易燃易爆的危险场所能源方便(220VAC或24VDC）6本课程主要介绍电动控制仪表（除执行器外）7模拟仪表 传输信号为连续变化的模拟量传输信号为连续变化的模拟量线路较简单、操作方便、价格较低。线路较简单、操作方便、价格较低。如气动仪表，电动单如气动仪表，电动单元组合仪表元组合仪表I I、IIIIII型等。型等。数字仪表 传输信号为断续变化的数字量传输信号为断续变化的数字量以微型计算机为核心以微型计算机为核心，功能完善、性能优越，能解决模拟仪，功能完善、性能优越，能解决模拟仪表难以解决的问题。如可编程调节器、可编程控制器、表难以解决的问题。如可编程调节器、可编程控制器、DCS、FCS 等。等。按信号类型按信号类型：模拟式和数字式模拟式和数字式8 按结构形式按结构形式基地式控制仪表单元组合式控制仪表集散控制系统现场总线控制系统9基地式控制仪表 基地式控制仪表通常以指示、记录仪表为主体，附加控制、测量、给定等部件。仪表的所有部件之间以不可分离的机械结构相连接，装在一个箱壳之内。只需配上控制阀便可构成一个控制系统。10单元组合式控制仪表单元组合式控制仪表根据控制系统中各个组成环节的不同功能和使用要求，将整套仪表划分成能独独立立实实现现某某种种功功能能的若干单元的若干单元，而各个单元之间用统一的标准信号统一的标准信号来联系。将各种独立仪表进行不同的组合，可以构成适用于各种不同将各种独立仪表进行不同的组合，可以构成适用于各种不同场合的自动检测或控制系统。场合的自动检测或控制系统。这类仪表有电动单元组合仪表（这类仪表有电动单元组合仪表（DDZDDZ）和气动单元组合仪表和气动单元组合仪表（QDZQDZ）两大类。两大类。它们都经历了它们都经历了I I型，型，IIII型和型和IIIIII型三个阶段。电动单元组合仪型三个阶段。电动单元组合仪表中还有模拟和数字技术相结合的表中还有模拟和数字技术相结合的DDZ-SDDZ-S型系列仪表。型系列仪表。11单元组合式控制仪表单元组合仪表可分为变送单元、执行单元、控制单元、转换单元、运算单元、显示单元、给定单元和辅助单元等八类。被控对象被控对象执行单元执行单元其它系列仪表其它系列仪表变送单元变送单元转换单元转换单元运算单元运算单元显示单元显示单元给定单元给定单元控制单元控制单元辅助单元辅助单元12单元组合式控制仪表控制单元:将测量信号与给定信号进行比较，按偏差控制执行器的动作。控制单元的品种有：PID控制器、PI控制器以及具有特种功能的控制器等。执执行行单单元元:按照控制器输出的控制信号或手动操作信号，操作执行元件，改变控制变量的大小。品种有角行程电动执行器、直行程电动执行器和气动薄膜控制阀等。变送单元：能将各种被测参数，如温度、压力、流量、液位等变换成相应的标准统一信号（4-20mA，0-10mA或20-100kPa）传送到接收仪表，以供指示、记录或控制。变送单元的品种有温度、压力、差压、流量、液位变送器等。13单元组合式控制仪表显示单元：对各种被测参数进行指示、记录、报警和积算，供操作人员监视控制系统工况之用。显示单元的品种有：指示仪、指示记录仪、报警器、比例积算器和开方积算器等。转换单元:将电压、频率等电信号转换为标准统一信号，或者进行标准统一信号之间的转换。转换单元的品种有直流毫伏转换器、频率转换器、电-气转换器、气-电转换器等。运算单元：将几个标准统一信号进行加、减、乘、除、开方、平方等运算，适用于多种参数综合控制、配比控制、流量信号的温度压力补偿计算等。运算单元的品种有：加减器、乘除器和开方器等。14单元组合式控制仪表辅助单元：是为了满足自动控制系统某些要求而增设的仪表，如操作器、阻尼器、限幅器、安全栅等。给定单元：输出标准统一信号，作为被控变量的给定值送到控制单元，实现定值控制。其输出信号可以供给其它仪表作为参考基准值。如恒流给定器、定值器、比值给定器和时间程序给定器等。15集散控制系统集散控制系统(DCS)DCS系统是一种以微型计算机为核心的计算机控制装置。系统是一种以微型计算机为核心的计算机控制装置。其基本特点是其基本特点是分散控制、集中管理。分散控制、集中管理。CRT操作站管理计算机过程控制单元过程控制单元数据采集单元集散控制系统的基本结构集中操作与管理装置分散过程控制装置通信系统DCS系统通常由分散过程控制装置、操作管理装置和通信系统系统通常由分散过程控制装置、操作管理装置和通信系统三大部分组成。三大部分组成。16 分散过程控制装置是集散控制系统与生产过程间的界面。在分散过程控制装置内，进行模拟量与数字量的相互转换，完成各种输入输出数据的处理和控制算法的运算。操作管理装置是操作管理人员与集散控制系统间的界面。生产过程的各种参数集中在操作管理装置上显示，操作管理人员可以通过操作管理装置了解生产过程的运行状况，还可操纵生产过程、组态回路、调整回路参数、检测故障和存储过程数据。通信系统是分散过程控制装置与操作管理装置之间的桥梁。集散控制系统各单元之间的数据传输由通信系统构成的网络来完成，该网络需遵循一定的通信协议。1718现场总线控制系统现场总线控制系统(FCS)现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场仪表是指系统最底层的监测、执行和计算设备，如智能化的变送器、执行器或控制器等。监控管理级现场仪表现场仪表现场仪表.现场总线现场总线FCSFCS系统是基于现场总线技术的一种新型计算机控制装置。现系统是基于现场总线技术的一种新型计算机控制装置。现场总线将场总线将具有数字通信能力的现场仪表具有数字通信能力的现场仪表相连接相连接,并同上层监并同上层监控管理级一起构成分布式控制网络控管理级一起构成分布式控制网络。19现场总线控制系统现场总线控制系统(FCS)u 现场控制将传统上集中于控制室的控制功能分散到现场仪表将传统上集中于控制室的控制功能分散到现场仪表中，实现现场控制中，实现现场控制u 双向数字通信现场仪表与控制室内的仪表或装置之间为双向数字现场仪表与控制室内的仪表或装置之间为双向数字通信通信特点：20联络信号联络信号是指在成套仪表系列中，仪表之间采用的传输信号是指在成套仪表系列中，仪表之间采用的传输信号的类型和数值。的类型和数值。联络信号类型联络信号类型气动仪表：20100KPa 电动仪表：模拟信号、数字信号联络信号的确定联络信号的确定模拟信号有交流和直流两种。从信号取值范围看，上、下限值也不相同。国际电工委员会（国际电工委员会（IEC）确定：确定：电流信号电流信号420mA（DC）和和电压信号电压信号15V（DC）为过程控制系统模拟信号的统一标准。为过程控制系统模拟信号的统一标准。三、三、联络信号和电信号传输方式联络信号和电信号传输方式21直流电流传输直流电流传输 接收仪表接收仪表发送仪表发送仪表22直流电压传输直流电压传输 接收仪表接收仪表发送仪表发送仪表23电流传电流传输输 v.s.电压传输电压传输24