控制装置与仪表.ppt

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1、控制装置与仪表,第一章 概 论 第二章 控制装置与仪表的基础知识 第三章 变 送 器 第四章 防爆安全栅 第五章 数字调节器 第六章 执 行 机构,第一章 概 论,第一节 控制装置与仪表的分类 第二节 控制装置与仪表的发展 第三节 模拟信号制及供电方式 第四节 全数字控制装置与仪表间的通信方式,第一节 控制装置与仪表的分类,一、概述 二、模拟控制装置与仪表 1.基地式 2.单元组合式（图1-1-1） 3.组件组装式（图1-1-2） 三、数字控制装置与仪表 1.连续生产过程的控制装置 2.断续生产过程的控制装置 3.批量生产过程的控制装置,图1-1-1 单元组合式控制装置 与仪表的组成结构,图1

2、-1-2 组件组装式控制装置与 仪表的组成结构,第一节 控制装置与仪表的分类,四、连续生产过程控制的数字控制装置 1.数字调节器 按控制回路数分： 1) 单回路调节器 2) 多回路调节器 按控制规律分： 1) PID调节器； 2) PID参数自整定调节器； 3) 自适应调节器； 4) 模糊控制器； 5) 智能调节器等。,第一节 控制装置与仪表的分类,2.工业控制计算机 (1)工业控制计算机的构成 (2)工业控制计算机的特点 (3)高性能特点的PC/104总线工控机 (4)PC_Based控制 3.分散控制系统,工业控制计算机的特点,1)具有较完善的过程通道，便于将各种形式的信息变换, 并完成检

3、测数据输入和控制信息输出。 2)要有比较完善的中断系统和高速数据通道，以使其能迅速响应生产过程发出的中断请求，并能与生产过程实时交换信息。 3)具有高可靠性。 4)具有人机联系功能，以便实现人机对话，及时地对生产过程进行必要的干预。 5)具有能正确反映生产规律的数学模型，其数学模型只能近似反映出生产规律，其近似误差越小，或者说近似程度越接近，就越容易实现生产过程最佳控制，达到增加产量、提高产品质量、降低消耗、降低成本的目的。 6)具有适于控制用的软件系统。,PC_Based控制,1)基于PC的控制系统的相关标准 为了增强系统的兼容性能，基于PC的控制系统必须遵循PLC的国际标准(IEC 611

4、31-3)和DCS的国际标准(IEC 61804)以及关于功能图的标准(IEC 61499)。 2)国际上基于PC的控制系统发展情况 世界上主要的工业控制系统开发商正在如火如荼地发展基于PC的控制系统，大都推出了比较成熟的控制软件，并且极力进行推广。 3)基于PC的控制系统的优点 基于PC的控制系统具有良好的开放性，全面支持PC和Windows标准，通过OPC(相关内容见第九章)方便与第三方控制产品建立通信，便于与其他产品集成。,第一节 控制装置与仪表的分类,五、火电厂热工控制装置与仪表的分类 1.按能源形式分 (1)自力控制仪表 (2)液动控制仪表 (3)气动控制仪表 (4)电动控制仪表 (

5、5)混合式控制仪表 2.按结构不同分 (1)基地式控制仪表（图1-1-4） (2)单元组合式控制仪表 (3)组件组装式控制仪表 (4)单回路调节器 (5)分散控制系统(DCS) (6)现场总线控制系统(FCS),第二节 控制装置与仪表的发展,一、发展概况 二、发展趋势 1.全数字、开放式的新一代DCS 2.发展小型DCS，扩展应用覆盖面 3.先进过程控制软件的应用 4.人工智能、专家系统的应用,第三节 模拟信号制及供电方式,一、信号制 1.直流信号与交流信号比较具有的优点 1)在信号传输线中，直流不受交流感应影响，易于解决仪表的抗干扰问题。 2)直流不受传输线路的电感、电容及负荷性质的影响，不

6、存在相位移问题，使接线简化。 3)用直流信号便于进行模/数转换，统一信号采用直流信号，便于现场仪表和数字控制装置与仪表及装置配用。 4)直流信号容易获得基准电压。 2.直流电流信号（图1-3-1）,图1-3-1 应用电流信号时，仪表之间的连接,第三节 模拟信号制及供电方式,这种串联有以下缺点： 1)一台仪表损坏或需增减接收仪表时，将影响其他仪表工作。 2)由于串联工作，所以调节器、变送器等的输出端均处于高电位工作，输出功率管易损坏，降低了仪表的可靠性。 3)几台仪表串联工作时，由于每两台仪表相接的端子电位相同，因此在串联时需检查每台仪表的电路电位是否正确，这就对设计者和使用者在技术上提出了较。

7、 3.直流电压信号（图1-3-2） 4.信号上下限大小的比较,图1-3-2 应用电压信号时， 仪表之间的连接,二、变送器信号传输方式 1.四线制传输（图1-3-3） 2.二线制传输（图1-3-4） 必备条件： 1) 采用有活零点的电流信号。 2) 必须是单电源供电。 三、控制装置与仪表的供电方式 1.交流供电,第三节 模拟信号制及供电方式,图1-3-3 四线制变送器,图1-3-4 二线制变送器,第三节 模拟信号制及供电方式,2.直流集中供电 好处： 1) 每块表省去了电源变压器、整流及稳压部分，从而缩小了仪表的体积，减小了仪表的重量，并减少了发热元件，降低了仪表温升。 2) 由于采用直流低电压

8、集中供电，可以采取防停电措施，所以当工业用220V交流电断电时，能直接投入直流低电压(如24V)备用电源，从而构成无停电装置。 3) 没有工业用220V交流电进入仪表，为仪表的防爆提供了有利条件。,第四节 全数字控制装置与仪表间的通信方式,一、数字通信的优点 1.简化了控制装置与仪表的硬件结构，提高了装置准确度 2.提高了信号传输准确度 3.传输的信息更加丰富 4.大大减少了布线的复杂性和费用 二、 HART通信协议 1.简介 1)频移键控（图1-4-1） 2)解调（图1-4-2） 3)应用（图1-4-3和图1-4-4）,图1-4-1 频移键控FSK调制原理图,图1-4-2 解调器原理图,图1

9、-4-3 HART编码,图1-4-4 叠加在420mA模拟信号上的HART数字信号,2.HART通信协议的特点 3.HART通信的优势 (1)双向通信 (2)多种信息 (3)多变量仪表 (4)互操作性 三、现场总线通信 1.传统DCS与FCS的区别（图1-4-5和图1-4-6） 2.完整控制回路中信号的传送过程（图1-4-7） 3.现场总线控制系统的工作原理（图1-4-8）,第四节 全数字控制装置与仪表间的通信方式,图1-4-5 传统DCS接线方式,图1-4-6 FCS接线方式,图1-4-7 使用FCS仪表功能块构成控制回路示意图,图1-4-8 使用FCS控制仪表的模块及层次示意图,第二章 控

10、制装置与仪表的基础知识,第一节 控制装置与仪表的基本概念与性能 第二节 控制装置与仪表信号的标准化 第三节 控制装置与仪表的干扰及抑制,第一节 控制装置与仪表的基本概念与性能,一、基本概念 1.调节系统控制电路的基本概念 (1)测量、变送环节 (2)执行机构 (3)控制器 2.变送单元量程调整的概念 3.零点调整和零点迁移的基本概念 4.控制装置与仪表的基本概念 (1)变送器 (2)控制器 (3)执行机构 (4)控制机构 二、控制装置与仪表的性能 1.准确性 2.可靠性 3.电磁兼容性 4.耐环境影响性,第二节 控制装置与仪表信号的标准化,一、模拟气动信号 二、模拟直流电流信号 三、直流电流信

11、号的优点 1)直流信号比交流信号干扰少。 2)直流信号对负载的要求简单。 3)电流比电压更利于远距离传送信息。 四、电压信号的辅助作用 五、活零点的含义 六、四线制与二线制 1.四线制（图2-2-1） 2.二线制（图2-2-2） 七、数字控制装置与仪表信号的标准化,图2-2-1 四线制传输,图2-2-2 二线制传输,第三节 控制装置与仪表的干扰及抑制,一、干扰的来源与形式 1.干扰的来源 (1)经过漏电电阻耦合 (2)经过公共阻抗耦合 (3)电场耦合（图2-3-1） (4)磁场耦合（图2-3-2） 2.干扰的形式 (1)串模干扰（图2-3-3） (2)共模干扰（图2-3-4）,图2-3-1 电

12、场耦合引起干扰的等效电路 a)电场耦合 b)等效电路,图2-3-2 磁场耦合干扰等效电路 a)磁场耦合 b)等效电路,图2-3-3 串模干扰等效电路 a)串模干扰 b)等效电路,图2-3-4 共模干扰的形成 a)热电偶测温 b)分布电容 c)接地点电位差,二、硬件抗干扰措施 1.隔离 (1)变压器隔离（图2-3-5） (2)光电隔离（图2-3-6） (3)隔离放大器（图2-3-7） 2.中和变压器（图2-3-8） 3.浮空（图2-3-9） 4.屏蔽 5.信号导线的抗干扰 6.滤波（图2-3-10） 7.隔离器件（图2-3-12和图2-3-13） 8.飞渡电容技术（图2-3-14）,第三节 控制

13、装置与仪表的干扰及抑制,图2-3-5 变压器隔离示意图,图2-3-6 光电隔离作用,图2-3-7 隔离放大器示意图,图2-3-8 中和变压器示意图,图2-3-9 浮空电路示意图,图2-3-10 无源滤波示意图,图2-3-12 解决电源冲突的方案,图2-3-13 省去外接电源的电流隔离器,图2-3-14 飞渡电容工作原理,三、常用的软件抗干扰措施 1.数字滤波技术 (1)程序判断滤波 1)限幅滤波 2)限速滤波（图2-3-15） (2)中值滤波（图2-3-16） (3)算术平均值滤波 (4)滑动平均值滤波 (5)加权滑动平均滤波 (6)一阶惯性滤波,第三节 控制装置与仪表的干扰及抑制,图2-3-

14、15 限速滤波程序流程,图2-3-16 中值滤波流程,2.设置软件陷阱 1) 程序中未使用的中断向量区 2) 未使用的大片程序存储器空间 3) 在程序存储器的数据表格的头尾处 4) 程序区的“断裂处” 3.“看门狗”技术 四、数字控制仪表的标度变换 1.线性参数标度变换 2.非线性参数的标度变换,第三节 控制装置与仪表的干扰及抑制,第三章 变 送 器,第一节 概 述 第二节 电容式差压/压力变送器 第三节 扩散硅式压力/差压变送器 第四节 差压/压力变送器的零点迁移 第五节 温度变送器 第六节 智能压力变送器 第七节 其他变送器简介 第八节 变送器的计量标定,第一节 概 述,一、零点与量程定义

15、 二、零点迁移和量程调整 三、量程比,第二节 电容式差压/压力变送器,一、概述 二、变送器敏感部件的结构 三、变送器工作原理 四、电容式压力/绝对压力变送器使用安装 1.电容式压力/绝对压力变送器主要特点 1) 体积、质量小。 2) 准确度高。 3) 可靠性好。 4) 量程可调范围大，且带有正、负迁移机构。 5) 过载性能好。 6) 具有可调阻尼装置，可以用于脉动流体的测量。,7) 变送器可以附加LCD3 1/2位液晶显示指示器和指针式指示表。 8) 变送器可分为普通型、隔爆型和本质安全型。 2.差压变送器安装、使用和调整原则 (1)差压变送器安装前需要注意的事项 1)防爆变送器，在安装前必须

16、检验其相关指标是否符合本仪表防爆认证体系规定。 2)被测介质不允许结冰，否则将损伤传感元件隔离膜片，导致变送器损坏。 (2)安装方法 (3)引压管安装位置 1) 腐蚀性或过热的介质不应与变送器接触。,第二节 电容式差压/压力变送器,2) 防止渣子在引压管内沉淀。 3) 两引压管里的液压头应保持平衡。 4) 引压管尽可能短些。 5) 引压管应装在温度梯度和温度波动小的地方。 3.安装液位变送器 (1)常压罐测量 (2)密闭器罐测量 (3)含有很强的冷凝气的密闭容器测量 (4)安装使用注意事项 1) 安装引压管时，高低压请勿接反。 2) 测量液体流量时，取压口应开在流程管道的侧面，可以避免渣子沉淀

17、。,第二节 电容式差压/压力变送器,3) 测量气体流量时，取压口应开在流程管道的顶部或侧面，而变送器应装在取压口下方，以便液体排入流程管道。 4) 测量蒸汽流量时，取压口应开在流程管道的顶部或侧面，而变送器应装在取压口下方，以便冷凝液体流入引压管。 5) 使用侧面有排气/排液阀的变送器时，取压口应开在流程管道的侧面。 6) 工作介质为液体时，排气/排液阀在上面，以便排除气体。 7) 工作介质为气体时，排气/排液阀在下面，以便排除积液，将法兰旋转180可以改变排气/排液阀的上、下位置。 8) 测量蒸汽或其他高温介质时，不应使变送器的工作温度超过极限温度。,第二节 电容式差压/压力变送器,误差原因

18、： 1) 泄漏。 2) 摩擦损失(特别是使用喷吹系统时)。 3) 液体管路积集气体(压头误差)。 4) 气体管路积集气体(压头误差)。 5) 两引压管间温差引起的密度变化(压头误差)。 采取措施： 1) 引压管应尽可能短些。 2) 当测量液体或蒸汽时，引压管应向上连到流程工艺管道，并保证一定斜度。 3) 对于气体测量时，引压管应向下连到流程工艺管道，并保证一定斜度。,第二节 电容式差压/压力变送器,4) 液体引压管道的布设要避免中间出现高点，气体引压管的布设要避免中间出现低点。 5) 两引压管应保持相同的温度。 6) 为避免摩擦影响，引压管的口径应足够大。 7) 充满液体的引压管中应无气体存在

19、。 8) 当使用隔离液时，两边引压管的液体要相同。 9) 当采用洁净剂时，洁净剂连接处应靠近工艺管道取压口，洁净剂所经过的管路，其长度和口径应相同，应避免洁净剂通过变送器。 (5)变送器使用中注意的问题 1) 变送器在测量非腐蚀性气体时，不需充灌任何液体，但在测量液体、蒸汽及应用隔离容器测量腐蚀性介质时，连接管路及变送器本身必须仔细充液。,第二节 电容式差压/压力变送器,2) 只有严格遵守说明书规定的基准参数(如量程、压力、温度、导压管直径等)，才能保证变送器的准确使用。 3) 变送器在使用过程中应定期检查它的准确性，检查时由变送器中放出充灌的液体，负压腔与大气相连，检查压力通入正压腔，同时记

20、下显示仪表的指示值。 4) 变送器在运行时或暂时不运行时，都应防止与变送器接触的液体(或隔离液)结冰，冰冻将导致变送器不能正常工作，甚至严重损坏变送器的测量部件。 5) 变送器应防止使用中遭雷击，否则有可能使电子线路受损。,第二节 电容式差压/压力变送器,第三节 扩散硅式压力/差压变送器,一、概述 二、压阻传感器原理 三、压阻传感器的技术特点 四、扩散硅式压力/差压变送器的不同测量方法 1.差压变送器的几种应用测量方式（图3-3-3） 2.压力式的绝压测量（图3-3-4） 3.差压式的压力测量（图3-3-5） 4.差压和流量测量（图3-3-6） 5.液位测量（图3-3-7） 6.差压系列中的绝

21、压测量（图3-3-8）,图3-3-3 差压变送器的不同测量方法 a)流体流量测量 b)液位测量 c)管路差压测量,图3-3-4 压力系列绝压测量元件功能示意图 1测量元件 2取压接口 3密封膜片 4内充液 5绝压传感器 输入压力,图3-3-5 压力测量元件功能示意图 1参考压力 2测量元件 3取压接口 4密封膜片 5内充液 6硅式压力传感器 输入压力,图3-3-6 差压和流量测量元件功能示意图 1高压测输入压力 2过程连接法兰 3O形圈 4测量元件 5硅式压力传感器 6过载保护膜片 7密封膜片 8内充液 9低压侧输入压力,图3-3-7 液位变送器的测量元件功能示意图 1工艺连接法兰 2O形圈

22、3硅式压力传感器 4测量元件 5过压保护膜片 6测量元件内的密封膜片 7测量元件内充液 8连接安装法兰的充液毛细管 9带接管法兰 10连接法兰上的密封膜片,图3-3-8 绝压测量元件功能示意图 1工艺连接法兰 2测量元件内的密封膜片 3O形圈 4测量元件 5硅式压力传感器 6过压保护膜片 7内充液 8参考压力 输入压力,第四节 差压/压力变送器的零点迁移,一、液面的迁移 1.无迁移（图3-4-1） 2.负迁移（图3-4-2） 3.正迁移（图3-4-3） 二、测量范围、量程范围和迁移量的关系（图3-4-4） 三、差压变送器的零点迁移实例分析一锅炉汽包液位测量中的零点迁移 1.差压式密闭容器液位测

23、量基本原理（图3-4-5） 2.平衡容器结构及原理（图3-4-6） 3.零点负向迁移原因分析 4.零点负向迁移的实现,图3-4-1 无迁移原理图,图3-4-2 负迁移原理图,图3-4-3 正迁移原理图,图3-4-4 测量范围、量程范围和迁移量的关系,图3-4-5 差压式密闭容器液位测量系统框图,图3-4-6 双室平衡容器结构图,四、差压变送器的零点迁移实例分析二开口容器内液位测量 五、差压/压力变送器的选择方法 1.传感器、变送器的选择 2.量程的确定 3.准确度选择 4.选择使用的温度范围 5.与被测介质的匹配,第四节 差压/压力变送器的零点迁移,第五节 温度变送器,一、DDZ-型温度变送器

24、 二、一体化温度变送器 三、智能式温度变送器,第六节 智能压力变送器,一、概述 智能式变送器的特点： 1)具有自动补偿能力，可通过软件对传感器的非线性、温漂、时漂等进行自动补偿。 2)具有双向通信功能。 3)具有数字量接口输出功能，可将输出的数字信号方便地和计算机或现场总线等连接。 二、ST3000智能压力变送器 1.简介（图3-6-1） 2.ST3000构成及工作原理,图3-6-1 ST3000智能压力变送器的结构原理,ST3000智能压力变送器通过双向数字通信具有以下功能： 1)组态：可以选择操作参数位号、量程、输出形式、阻尼时间等，可把这些数据直接存入变送器存储器。 2)诊断：可以对组态

25、、通信、变送器或过程中出现的问题进行诊断。 3)校验：可以校验变送器的输出或对现有的过程输入值整定零点。 4)显示：可以显示变送器存储器中的信息。 2. ST3000构成及工作原理（图3-6-2） (1)半导体复合传感器（图3-6-3） (2)微处理器 (3)工作原理,第六节 智能压力变送器,图3-6-2 ST3000组成原理框图,图3-6-3 半导体复合传感器原理图,三、3051C智能压力变送器（图3-6-4、图3-6-5、图3-6-6） 四、通用智能变送器（图3-6-7、图3-6-8） 五、手持式HART通信器 (1)HART手操器（图3-6-9） (2)HART手操器建立连接及通信（图3

26、-6-10、11、12、13） (3)组态,第六节 智能压力变送器,图3-6-4 3051C智能压力变送器框图,图3-6-5 传感器组件结构,图3-6-6 变送器现场接线图,图3-6-7 智能变送器原理框图,图3-6-8 HART协议智能变送器,图3-6-9 罗斯蒙特275型HART通信器,图3-6-10 HART手操器后部的连接面板,图3-6-11 手持式HART通信器与变送器连接示意图,图3-6-12 手持式HART通信器连接到电路示意图,图3-6-13 带负载电阻器的手操器连接示意图,第七节 其他变送器简介,一、浮球式液位变送器（图3-7-1） 二、浮筒式液位变送器（图3-7-2） 三、

27、静压式液位变送器（图3-7-3） 四、电容式物位变送器,图3-7-1 浮球式液位变送器,图3-7-2 浮筒式液位变送器原理示意图 1心轴 2固定端 3扭力管 4自由端,图3-7-3 静压式液位变送器原理示意图,第八节 变送器的计量标定,一、模拟压力变送器的计量标定 1.简介（图3-8-1） 2.变送器零位和量程的调校（图3-8-2） 1)调整零位。 2)调整量程。 3)撤除输入压力(即P=0)，调整零位调节螺钉，使输出读数为4mA。 4)再从变送器的高压侧输入压力信号25kPa。 5) 撤除输入压力信号，再调整零位。 6) 输入量程的100%(25kPa)，重复步骤3)5)的过程，直到输出满刻

28、度值为。,图3-8-1 模拟压力变送器的计量标定示意图,图3-8-2 压力变送器零位和量 程调节螺钉示意图,二、智能压力变送器的计量标定 1.简介（图3-8-3） 1)组态/量程调整：是将过程变量和420mA输出建立对应关系。 2)校准：是分别将智能压力变送器压力的数字读数和输入标准压力值、420mA电流的数字读数和输出电流标准表读数都建立正确的对应关系。 2.变送器零位和量程的调校 1)量程和零位按键在变送器电子部件上，如图3-8-4所示。 2)同时按下“零”和“量程”按键至少610s，激活此二键。 3)向变送器“H”腔加入4mA点压力后，按下“零”按键610s使输出电流变为4mA。,第八节

29、 变送器的计量标定,4)向变送器“H”腔加入20mA点压力后，按“量程”按键610s，使输出电流变为20mA。 5)当两键激活并调整完毕15min后，按键将重新被锁住，若需再次调整零位和量程，应关掉电源，1min后重新通电，方可再次调整零位和量程。 6)调整后的量程必须位于传感器量大量程之内，最小量程范围必须符合最大量程比的限制，否则量程调整被拒绝。 3.变送器零位和量程的调校举例,第八节 变送器的计量标定,图3-8-3 智能压力变送器框图,图3-8-4 智能压力变送器框图,第四章 防爆安全栅,第一节 概 述 第二节 防爆安全的基本概念 第三节 本安防爆系统 第四节 齐纳式安全栅 第五节 隔离

30、式安全栅 第六节 本安系统的安装、维护与小结,第一节 概 述,一、仪表防爆的基本原理 1.控制易爆气体 2.控制爆炸范围 3.控制引爆源 二、仪表本安防爆技术,第二节 防爆安全的基本概念,一、危险场所的划分 二、爆炸性物质的分类、分级与分组 1.分类 2.分级与分组 1)爆炸性气体的分级与分组(、类)。 2)爆炸性粉尘和易燃纤维的分级分组(类)。 三、防爆仪表的分类、分级和分组,第三节 本安防爆系统,一、 本安防爆系统概况（图4-3-1） 1.现场设备 2.关联设备 3.连接电缆 二、本安防爆系统构成（图4-3-2） 三、本安系统安全性评定和安全栅的选取 1.本安系统安全性评定 2.关联设备的

31、选取原则 (1)齐纳式安全栅的选用原则 1)根据现场防爆要求，确定所需安全栅的防爆等级；,2)检查控制室仪表可能存在或产生的最高电压，确定安全栅最高允许电压； 3)根据现场设备的信号、电源对地的极性，确定安全栅的极性； 4)考虑安全栅端电阻压降的影响，确定系统能否正常工作； 5)共模电压和漏电流的影响对信号响应的准确度； 6)安全栅允许的分布参数是否合乎要求。 (2)变送器本安系统安全栅选用实例(图4-3-3) 1)安全栅内部电阻Ri(端电阻)的选用：若Ri值较大，其在20mA信号附近可能由于压降太大而使系统无法正常工作；但若Ri值较小，则安全栅Isc较大可能使IscImax,从而不满足安全性

32、能。,第三节 本安防爆系统,2)提高系统的性能：从图4-3-3可以看出，仅有转换电阻Rc(250)和安全栅端电阻Ri可以减小，以提高变送器的工作电压，若Rc减小到100，则420mA信号将变为0.42.0V，而这对DCS的安装和应用提出了新的要求，显然不切实际。 四、防爆安全栅的基本限能原理 1.基本电路（图4-3-4） 2.安全栅限能原理（图4-3-5）,第三节 本安防爆系统,图4-3-1 本安防爆系统构成,图4-3-2 本安防爆系统构成图,图4-3-3 变送器本安系统安全栅,图4-3-4 安全栅的基本电路构成,图4-3-5 安全栅的基本限能原理和基本限能电路,第四节 齐纳式安全栅,一、电路

33、结构与工作原理（图4-4-1） 二、齐纳式安全栅结构原理 1.输入端用齐纳式安全栅（图4-4-2、图4-4-3） 2.输出端用齐纳式安全栅（图4-4-4、图4-4-5） 三、齐纳式安全栅安装方式（图4-4-6） 四、齐纳式安全栅的最大允许负载参数 五、齐纳式安全栅的防爆取证 六、齐纳式安全栅选用步骤 1) 所选用的齐纳式安全栅应已经防爆检测机构防爆认证，并有防爆合格证书。,2) 根据工作现场所属的危险区域 ( 0区、1区、2区)，气体级别和温度级别来选择齐纳式安全栅的防爆等级 ( 安全栅防爆标志)，使其符合上述的防爆环境，由安全栅来限制传输到现场的能量，确保现场安全。 3) 根据现场使用仪表的

34、工作电压和工作电流对地的极性，选择齐纳式安全栅的极性 (正极性、负极性或交流极性)。 4) 根据信号传输线路的数量，选择齐纳式安全栅的通道数 (单通道、双通道、三通道),由安全栅的通道对传输线路进行保护。 5) 根据二次仪表供电电压的大小，选择齐纳式安全栅的工作电压，供电电压应小于或等于齐纳式安全栅的工作电压。 6) 当供电电压为 DCS中卡件直接供电时，请详细查阅DCS中的供电卡件资料。,第四节 齐纳式安全栅,7) 本安防爆实质上是系统防爆，所以现场仪表和齐纳式安全栅一起由防爆检测机构进行系统防爆取证，根据防爆检测机构给出的最大电缆参数值Cc、Lc或L/R的大小，计算出电缆长度，选用电缆的型

35、号，应满足传送距离的要求。 七、齐纳式安全栅的实际应用 1.变送器 (1)420mA二线制变送器、智能变送器，DCS卡件供电 (2)国产DDZ型变送器 (3)三线制变送器 (4)金属转子流量变送器 2.电气转换器、电气阀门定位器,第四节 齐纳式安全栅,(1)调节器或DCS卡件为发射极输出电路 (2)调节器或DCS卡件为集电极输出电路 3.触点开关/接近开关 4.电磁阀、发光二极管 5.热电偶 6.热电阻 7.应变电桥 八、改进型齐纳式安全栅（图4-4-19）,第四节 齐纳式安全栅,图4-4-1 齐纳式安全栅工作原理图,图4-4-2 配二线制变送器、电源与变送器共地时用的齐纳式安全栅原理电路 及

36、与变送器组成的系统图,图4-4-3 配二线制变送器双通道保护的齐纳 式安全栅及与变送器组成的系统图,图4-4-4 配发射极输出型调节器的齐纳式安全栅电路及系统组成,图4-4-5 配集电极输出型调节器的齐纳式安全栅电路及系统组成,图4-4-6 安全栅接地端导轨,图4-4-19 改进型齐纳式防爆栅原理图,第五节 隔离式安全栅,一、隔离式安全栅结构原理 1) 由于采用了三方隔离方式，因此无需系统接地线路，给设计及现场施工带来极大方便。 2) 对危险区的仪表要求大幅度降低，现场无需采用隔离式的仪表。 3) 由于信号线路无需共地，使得检测和控制电路信号的稳定性和抗干扰能力大大增强，从而提高了整个系统的可

37、靠性。 4) 隔离式安全栅具备更强的输入信号处理能力，能够接受并处理热电偶、热电阻、频率等信号，这是齐纳式安全栅所无法做到的。 5) 隔离式安全栅可输出两路相互隔离的信号，以提供给使用同一信号源的两台设备使用，并保证两设备信号不互相干扰，同时提高所连接设备相互之间的电气安全绝缘性能。,二、输入端用隔离式安全栅（图4-5-1） 三、输出端用隔离式安全栅（图4-5-2） 四、使用注意事项 1) 隔离式安全栅应安装在非危险场所。 2) 隔离式安全栅通往现场的软铜导线截面积必须大于0.5mm2。 3) 连接导线的绝缘强度应大于500V。 4) 隔离式安全栅本安端和非本安端电路配线，不得接错和混淆。 5

38、) 对隔离式安全栅进行单独通电调试时，必须注意隔离式安全栅的型号、电源极性、电压等级及隔离式安全栅外壳接线端上的标号。 6) 严禁用兆欧表测试隔离式安全栅端子之间的绝缘性。 7) 隔离式安全栅的安装、使用和维护应严格遵照中华人民共和国爆炸危险场所电气安全规程的有关条款。,第五节 隔离式安全栅,图4-5-1 输入端用隔离式安全栅的构成原理示意图,图4-5-2 输出端用隔离式安全栅的构成原理示意图,第六节 本安系统的安装、维护与小结,一、本安系统的安装与维护 (1)本安系统接地必须满足的要求 1)安全栅接地电阻必须小于1； 2)接地导线截面积不小于4mm2(铜芯)或6mm2 3)所有接地必须牢固可

39、靠，并利于例行检查； 4)为提高接地可靠性应采用冗余设计，即在同一接地极上用双根导线并联接地。 (2)若本安电路系统在安装完好并供电之后依然不能工作，则应从以下几个方面寻找解决问题的根源 1)确认线路连接可靠； 2)检查电路是否正常供电； 3)检查安全栅的熔丝。,二、小结 1.安全栅的防爆机理 2.使用安全栅注意事项 1)注意线缆和现场设备的容抗和感抗，本安防爆是系统防爆，除了安全栅需要达到所需的防爆等级外，线缆和现场设备的蓄能也是一个关键问题。 2)要注意本安接地，齐纳式安全栅需要本安接地，接地电阻应小于1。 3)本安线缆与非本安线缆应分开敷设在不同的线槽里，并应有明显标识。 4)更换安全栅

40、时应注意断电操作。 3.隔离式安全栅与齐纳式安全栅的选择,第六节 本安系统的安装、维护与小结,第五章 数字调节器,第一节 概 述 第二节 模拟量输入输出通道 第三节 数字PID调节器 第四节 数字PID调节器参数的整定,第一节 概 述,一、数字调节器的硬件构成（图5-1-1） 二、数字调节器的软件构成,图5-1-1 数字调节器的硬件构成,第二节 模拟量输入输出通道,一、模拟量输入通道（图5-2-1） 1.信号调理电路 2.多路模拟开关 3.前置放大器 4.采样保持器 5. A/D转换器 二、模拟量输出通道 1) 开关量输出(DO)通道与DI通道一样，为了防止外电路的干扰，往往做成隔离型通道，即

41、DO通道与主机间无直接电连接。 2) 模拟量输出(AO)通道输出范围一般为010mA或420mA电流型。,图5-2-1 模拟量输入通道构成,第三节 数字PID调节器,一、PID控制算式 1.PID控制算式的基本形式 2.实际控制系统中PID算法的不同改进形式 (1)不完全微分形式（图5-3-1） (2)微分先行PID控制模式（图5-3-2） (3)积分分离PID控制 (4)带有死区的PID控制 二、PID控制程序（图5-3-3） 1.PID调节器正、反作用的概念 2.调节器的工作状态 3.参数的初始化 4.输出限幅和抗积分饱和,三、数字PID调节器的手、自动跟踪控制方式 1.简介 2.控制器的

42、手动、自动无扰切换实现 四、数字PID调节器的正、反作用方式 1.“控制器正反作用”方式的定义 2.“正反作用”方式的选择 1) 假设检验法。 2) 回路判别法。,第三节 数字PID调节器,图5-3-1 PID控制算式的输出特性 a)理想微分式 b)非理想微分式,图5-3-2 微分先行PID的结构图,图5-3-3 PID控制程序流程图,第四节 数字PID调节器参数的整定,一、常规PID参数设置一般经验 1.负反馈 2. PID一般表达式 3. PID调试一般原则 1)在输出不振荡时，增大比例增益Kp； 2)在输出不振荡时，减小积分时间常数Ti； 3)在输出不振荡时，增大微分时间常数Td。 4.

43、 PID调试一般步骤 (1)确定比例增益Kp (2)确定积分时间常数Ti (3)确定微分时间常数Td (4)系统投入自动，再对PID参数进行微调，直至满足要求,5.调节系统中PID经验数据 1)温度：Kp=20%60%，Ti=180600s，Td=3180s； 2)压力：Kp=30%70%，Ti=24180s； 3)液位：Kp=20%80%，Ti=60300s； 4)流量：Kp=40%100%，Ti=660s。 二、常规PID参数工程整定经验数据法 1.经验数据法 2.试凑法 (1)比例部分整定 (2)积分部分整定 (3)微分部分整定,第四节 数字PID调节器参数的整定,3.扩充临界比例度法

44、1)选择一个足够短的采样周期Ts。 2)让系统作纯比例控制，并逐渐缩小比例度=1/Kp使系统产生临界振荡。 3)选定控制度。 三、基于优化算法整定PID参数 1.PID参数自寻优控制需要解决的主要问题 2.性能指标选择（图5-4-1） 3.单纯形寻优法（图5-4-2） 4.具体实现实例,第四节 数字PID调节器参数的整定,图5-4-1 性能指标选择示意图 a)性能指标为阴影面积之和 b)性能指标为绝对差值之和,图5-4-2 单纯形算法原理图,第六章 执 行 机 构,第一节 概 述 第二节 气动执行器（图6-2-1） 第三节 调 节 阀 第四节 电气转换器及阀门定位器 第五节 电动执行机构 第六

45、节 手动操作器 第七节 智能执行机构 第八节 控制系统中气动执行机构应用实例分析,图6-2-1 气动执行器结构,第二节 气动执行器,一、气动执行机构简介 1.气动薄膜式执行机构 2.气动活塞执行机构 二、调节机构简介（图6-2-3） 三、电/气转换器及阀门定位器简介 1.电气转换器（图6-2-4） 2.阀门定位器（图6-2-5、图6-2-6） 3.阀门定位器的用途 4.阀门定位器工作原理（图6-2-7） 5.阀门定位器分类,阀门定位器的用途,1)阀门定位器增加执行机构的输出功率，克服阀杆与填料之间的摩擦力和介质对阀心产生的不平衡力，适于高压差、大口径和含有固体悬浮物介质或黏性流体场合。 2)减

46、少控制信号的传递滞后，加快阀杆的移动速度。 3)提高控制信号与执行机构输出位移之间的线性度，保证调节阀的准确定位。,阀门定位器分类,(1)按输入信号分 1)气动阀门定位器的输入信号是标准气信号。 2)电/气阀门定位器的输入信号是标准电流或电压信号。 3)智能阀门定位器将控制室输出的电流信号转换成驱动调节阀的气信号，根据调节阀工作时阀杆摩擦力，抵消介质压力波动而产生的不平衡力，使阀门开度对应于控制室输出的电流信号。 (2)按动作方向分 1)单向阀门定位器用于活塞式执行机构时，阀门定位器只有一个方向起作用。 2)双向阀门定位器作用在活塞式执行机构汽缸的两侧，在两个方向起作用。,(3)按阀门定位器输

47、出和输入信号的增益符号分 1)正作用阀门定位器的输入信号增加时，输出信号也增加，因此，增益为正。 2)反作用阀门定位器的输入信号增加时，输出信号减小，因此，增益为负。 (4)按阀门定位器输入信号分 1)普通阀门定位器的输入信号是模拟气压或电流、电压信号。 2)现场总线电气阀门定位器的输入信号是现场总线的数字信号。 (5)按阀门定位器是否带CPU分 (6)按反馈信号的检测方法,阀门定位器分类,图6-2-3 气动执行器的 结构示意图 1膜片 2弹簧 3推杆 4阀心 5阀座,图6-2-4 电/气转换器结构示意图,图6-2-5 电/气阀门定位器原理图,图6-2-6 阀门定位器作用图 a)气动阀门定位器

48、 b) 电/气阀门定位器,图6-2-7 电/气阀门定位器作用原理,第三节 调 节 阀,一、概述 1.调节阀的作用（图6-3-1） 2.调节阀的功能 (1)调节功能 1)流量特性 2)可调范围R 3)流量系数Kv (2)克服压差功能 (3)防堵功能 3.调节阀的类型,图6-3-1 电站锅筒锅炉给水调节系统的构成 a)调节系统的构成 b)自动控制系统原理框图,二、调节阀结构 1.调节阀的构成 2.气动薄膜执行机构（图6-3-2） 三、调节阀的分类 1.直通单座阀 2.直通双座阀 3.角形阀 4.套筒阀 5.蝶阀 6.偏心旋塞阀 7.球阀,第三节 调 节 阀,图6-3-2 气动薄膜调节阀工作原理,四

49、、电气转换器（图6-3-5） 五、气动薄膜执行机构 1.气动薄膜执行机构（图6-3-6） 2.气动阀门定位器 3.气动薄膜式执行机构的正作用和反作用（图6-3-7） 4.气动薄膜式执行机构的优缺点 六、气动活塞执行机构 1.直行程活塞执行机构 (1)无弹簧式活塞执行机构 1)用于故障下要求阀保位的场合； 2)用于大口径阀要求执行机构推力特别大的场合；,第三节 调 节 阀,3)对两位阀配用二位五通电磁阀，对调节型的阀配用双作用式阀门定位器。 (2)有弹簧式活塞执行机构 (3)双层活塞执行机构 2.角行程活塞执行机构 3.气动活塞式执行机构的使用 (1)单作用型（图6-3-9） (2)双作用型（图6-3-10）,第三节 调 节 阀,图6-3-5 电气转换器简化原理图 1喷嘴 2挡板 3磁钢 4支点 5平衡锤 6波纹管 7放大器 8气阻 9调零弹簧 10可动铁心,图6-3-6 气动阀门定位器与气动薄膜执行器的配合示意图 1波纹膜片 2压缩弹簧 3调节件 4推杆 5