华东理工大学 自动化系 2007.01

1. 控制仪表及装置 吴勤勤 凌志浩 刘笛 赵菡 华东理工大学 自动化系 2007.01

2. 内容简介 《控制仪表及装置》是高等院校自动化专业及测控技术与仪器专业的一门教材。本书详细介绍模拟式控制仪表及装置（模拟式控制器、变送器、转换器、运算器和执行器等）以及数字式控制仪表及装置（可编程调节器、可编程控制器、智能变送器与阀门定位器、集散控制系统和现场总线控制系统等）的功能特点、结构原理和使用方法。 本教材是第二次修订后再版，在内容上已引入最新仪表技术，反映了当代自动化仪表的先进水平。 本书除作大专院校及工矿企业职业教育的专业教材外，也可供相关专业技术人员阅读。

3. 章节安排 概论 第一节 控制仪表与控制系统 第二节 控制仪表及装置的分类 第三节 联络信号和传输方式 第四节 安全防爆的基本知识和防爆措施

4. 第一章 模拟式控制器 第一节 控制器的运算规律和组成方式 第二节基型控制器 第三节 特种控制器和附加单元 第二章 变送器和转换器 第一节 变送器的构成 第二节差压变送器 第三节温度变送器 第四节 电/气转换器

5. 第三章 运算器和执行器 第一节 运算器 第二节执行器 第三节 模拟式控制仪表的应用 第四章 可编程调节器 第一节 概述 第二节KMM可编程调节器

6. 第五章 可编程控制器 第一节 概述 第二节 FX系列可编程控制器 第三节 S7系列可编程控制器 第六章 智能变送器和阀门定位器 第一节智能变送器 第二节 智能阀门定位器

7. 第七章 集散控制系统 第一节 概述 第二节 集散控制系统通信网络 第三节TPS集散控制系统 第四节 PCS7集散控制系统 第五节 集散控制系统可靠性 第八章 现场总线控制系统 第一节 概述 第二节 几种流行的现场总线 第三节实时工业以太网 第四节现场总线控制系统

8. 概论 第一节 控制仪表与控制系统

9. > 控制仪表与控制系统 自动控制系统一般由被控对象、变送器、控制器和执行器构成，其方框图如下所示： 给定值 控制器 变送器 执行器 被控对象 被控参数 被控介质 简单控制系统方框图

10. 被控对象 － 需要调节其工艺参数的生产设备。 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，根据需要还可设有显示、转换、计算、辅助、给定装置。

11. 概论 第二节 控制仪表及装置分类

12. > 控制仪表及装置的分类 按所用能源形式：气动、电动、液动。工业上主要使用电动和气动控制仪表。 电动控制仪表和气动控制仪表的比较

13. 按信号类型：模拟式和数字式。 模拟仪表 传输信号为连续变化的模拟量,，这类仪表线路较简单, 操作方便，价格较低。如气动仪表，电动单元组合仪表Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型等。 数字仪表 传输信号为断续变化的数字量，这类仪表与装置以微型计算机为核心，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、控制器、 DCS、 FCS 等。

14.  按结构形式 基地式仪表：包含多种功能部件（传感、指示、记录、控制、执行等部分），设计成一个整体，结构较简单。如带控制机构的指示记录仪。 单元组合式仪表：系列仪表划分成能独立实现某种功能的若干单元，单元间用标准信号联系。如电动、气动单元组合仪表。 集散控制系统（DCS）：以微型计算机为核心, 集4C技术为一体的计算机控制装置, 实现分散控制和集中管理。如TPS、PCS 7、ECS、Hollias等。 现场总线控制系统（FCS）: 现场总线将具有数字通信能力的现场仪表相连接, 并同上层监控管理级一起构成分布式控制网络。如基于FF、Profibus总线的FCS。

15. 概论 第三节 联络信号和传输方式

16. > 联络信号和传输方式 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的类型和数值。 联络信号类型 气动仪表：20~100KPa 电动仪表：模拟信号 0~10mA、 4~20mA 及 1~5V 数字、频率信号 信号下限从零开始有利于模拟量运算。信号下限从某值开始（活零点）便于检验仪表是否断电，并可实现两线制。 信号上限高，产生的电磁平衡力大；信号上限低有利于减少功率损耗和仪表防爆。

17. 直流电流传输 Rcm Ri I0 R0 为保证传输误差ε在允许范围之内，应要求R0 》Rcm + nRi，故有 Ri Ii 发送仪表 接收仪表 电流信号传输时仪表之间的连接 为减小传输误差，要求： R0足够大，而Rcm及Ri应比较小

18. 电流传输的特点 优点 发送仪表输出电阻大，故电流信号适于远距传输。 电流回路中串入一电阻，取压方便。 缺点 回路中增减接收仪表时，将影响其它仪表的工作。 各台仪表没有公共接地点，若要和计算机联用,则应在仪表输入输出端采取直流隔离措施。

19. 直流电压传输 Ri Rcm／２ R0 Ii Ri U0 为减小传输误差,应满足Ri/n 》R0 + Rcm ，故有 Rcm／２ 发送仪表 Ri 接收仪表 电压信号传输时仪表之间的连接 为减小传输误差，要求： R0和Rcm尽量小，Ri大些。

20. 电压传输的特点 优点 增加或取消某个接收仪表不影响其他仪表的工作。 各接收仪表可设置公共接地点，可和计算机联用。 缺点 要在引线电阻上产生电压降, 信号受一定损失, 且因接收仪表输入阻抗很高，易于引入干扰，所以电压信号不适于远距离传输。  现场与控制室仪表之间采用直流电流信号， 控制室内部仪表之间采用直流电压信号。

21. 变送器与控制室仪表间的信号传输 四线制 两线制 电源 装置 电源 装置 接收 仪表 接收 仪表 变送器 变送器 现场 控制室 现场 控制室 要实现两线制，必须采用活零点的电流信号。因电源线和信号线公用，电源供给变送器的功率是通过信号电流提供的。变送器输出电流为下限值时，应保证它内部的半导体器件仍能正常工作。故信号电流下限值不能过低。

22. 概论 第四节 安全防爆基本知识和防爆措施

23. > 安全防爆基本知识 爆炸危险场所的区域划分 依据：爆炸性气体出现的频繁程度和持续时间 0区(Zone 0)－ 在正常情况下，爆炸性气体混合物连续地、频繁地出现或长时间存在的场所。 1区(Zone 1)－ 在正常情况下，爆炸性气体混合物有可能出现的场所。 2区(Zone 2)－ 在正常情况下，爆炸性气体混合物不可能出现，或即使出现也是短时间存在的场所。

24. 爆炸性气体的分级 按最大试验安全间隙MESG(火焰不能传播的最大间隙)和最小点燃电流比MICR来分级：可分为A、B、C三级。  爆炸性物质的分组 按引燃温度可分为六组： T2 T3 T1 组别 450≧t >200 450≧t >200 引燃温度 t/℃ >450 T5 T6 T4 组别 引燃温度 t/℃ 200≧t >135 135≧t >100 100≧t >85

25. 防爆电气设备的分类、分组 防爆电气设备分为两大类： Ⅰ类：煤矿用电气设备 Ⅱ类：工厂用电气设备 Ⅱ类电气设备可进一步分为ⅡA、ⅡB、ⅡC三级。 工厂用电气设备防爆型式有以下八种： 隔爆型(d)、本质安全型(i)、增安型(e)、正压型(p)、充油型(o)、充砂型(q)、浇封型(m)和无火花型(n)。 本质安全型设备又可以分为ia和ib两个等级。

26. 防爆标志及其含义 防爆标志由以下5个部分构成： 标志 EX－ 表示该设备为防爆电气设备。 结构型式－ 表明该设备采用何种措施进行防爆，如 d为隔爆型，i为本安型等。 设备类别－ I为煤矿井下用电设备，II为工厂用设备。 防爆级别－ 为A、B、C三级，表明防爆能力强弱。 温度组别－ 为T1~T6六组，说明该设备的最高表面 温度允许值。 例如 EXiaIICT5 表示II类本质安全型ia等级B级T5组。

27. > 常用防爆型控制仪表 隔爆型仪表 具有隔爆外壳，仪表的电路和接线端子全部置于防爆壳体内。它能承受仪表内部因故障产生爆炸性气体混合物的爆炸压力。这类仪表适用于1区、2区危险场所。 本质安全型仪表 本安仪表的全部电路均为本质安全电路，电压和电流被限制在允许的范围内，保证仪表产生的电火花和热效应不致于引爆其周围爆炸性气体混合物。 ia等级的本安仪表适用于0区危险场所，ib等级的本安仪表只适用于1区和2区危险场所。

28. > 控制系统的防爆措施 本安防爆系统 本安防爆系统应满足的两个条件：  在危险场所使用本安防爆仪表  控制室仪表和危险场所仪表之间设置安全栅 非危险场所 （控制室） 变送器 安全栅 安全栅 调节器 执行器 危险场所 （现场） 危险场所 （现场） 电源箱 本安防爆系统

29. 安全栅 • 作为控制室仪表和现场仪表的关联设备，是本安系统的重要组成部分。 • 既传输信号又限制流入危险场所的能量，以确保系统的本安防爆性能。 安全栅的结构形式 齐纳式安全栅 基于齐纳二极管的反向击穿性能。结构简单、经济、 可靠。 隔离式安全栅 通过隔离、限压和限流等措施来保证本安防爆性能。 抗干扰能力强，可靠性高。

30. R FU 安全侧 危险侧 U1 U0 VZ1 VZ2 齐纳式安全栅原理电路 隔离式安全栅原理框图 安全栅 两线制 变送器 限压限流 电路 隔离 电路 危险侧 安全侧