控制仪表.docx

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控制仪表

一、控制仪表与装置的分类及发展

过程控制仪表与装置的分类可按安装场地、能源形式、结构形式和信号类型来分。

按安装场地的不同，可将其分为现场类仪表与控制室类仪表。

现场类仪表通常在抗干扰、

防腐蚀、抗震动、防爆等方面有持殊要求。

如变送器、执行器类仪表。

按所用能源的不同，可将其分为电动、气功、液动和混合式等几大类。

气动控制仪表发展最早，20世纪40年代就广泛地应用于工业生产。

它们具有本质安全、防爆的特征，且性能稳定、结构简单、价格便宜；但精度不高．还有一定的阻塞问题。

因此，在控制系统中的应用领域较窄，但其地位仍然不能被取代。

特别是其中的气功执行器，具有安全、可靠和工作平稳等优点，应用仍非常的广泛。

十多年后出现了电动控制仪表与装置．其发展相当迅速，主要分为模拟式调节装置与数字式调节装置两条发展线路。

模拟式调节装置的结构类型有基地式、电动单元组合式与组件组装式。

模拟式调节装置按回路或过程进行控制，主要在测控能力、应用灵活、性价比上不断发展。

现在正在发展的仪表有电气混合的趋势，特别在执行器的发展中尤为显著，综合气动设备的防爆与电动设备的高指标，使仪表及系统的设计更趋合理。

数字式调节装置以计算机或微电脑为核心，经历了集中式控制系统、集散控制系统DCS以及现在正在发展的现场总线控制系统FCS。

在前两者中，测量变送类仪表与执行类仪表一般采用模拟信号，集中式控制系统的控制中心由计算机总体担纲，集散控制系统的控制由数字调节器、可编程控制器（PLC、SLC等）以及多台计算机递阶构成，因此都属于模拟数字混合式控制装置。

与模拟式调节装置相比，其过程优化，测量控制精度更上一个档次。

但在DCS形成过程中，由于受汁算机系统早期存在的系统封闭这一缺陷的影响，各厂家的产品自成体系，不易互连，难以互换、互操作．因而难以组成更大范围的信息共享网络系统。

现场总线控制系统采用全数字信号，以打破这种封闭性为目标，使通信网络的解决方案成为基于公开化、标准化的解决力案，让各生产厂商按同一的协议规范设计自己的控制装置与系统，使各种控制系统可以通过现场总线实现互连、互换、互操作，从而实现综合白动化的各种功能：

全分布式结构、控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身实现基本的测量、运算与拧制。

二、控制仪表与装置的信号与供电

（一）、控制仪表与装置的供电

电动控制仪表与装置的供电主要有两种形式：

交流供电与白流集中供电

1、交流供电

早期的电动控制仪表中多使用交流供电，220v的工频交流直接引入降低了仪表的安全

性．缩小了仪表的应用范围。

目前，电子技术的发展使电源的处理非常容易．一片交流／直流或直流／交流电源电压变换器元件可以做到体积小、功率大，且价格便宜。

2、直流集中供电

整个控制系统由统一的直流低压电源箱供电，且常常是—组电源为整个控制系统的各台

仪表供电，称为直流单电源集中供电。

当各台仪表需要多组电源时，现代的电源变换技术常以电源电压变换器元件的形式将单一电源变换成或隔离地变换成多组电源，这种模块很容易应用在仪表的设计中。

直流集中供电方式好处很多：

易实现带备用电源的无停电系统；低压供电为系统防爆提供了有利条件。

（二）、模拟仪表的信号制

控制系统中各仪表、装置之间信号传输需要有公认的、统一的联络信号。

信号制即指在某种标准中所规定的信号联络方法。

一般在同一系列仪表中各仪表采用相同的信号制，以便各仪表间能够任意连接，有利于控制系统的仪表成套。

电信号的种类有多种．主要有模拟信号、数字信号、频率信号和脉宽信号四大类，其中前两者用得最多。

电模拟信号的种类有直流电流、直流电压、交流电流、交流电压四种。

其中直流信号具有不受线路中电感、电容及负载性质的影响．不存在相移问题，不受交流感应影响等优点，因而应用较为广泛。

1973年国际电工委员会（IEC）第64次技术委员会通过的标准规定了国际统一信号，过程控制系统的模拟直流电流信号为4—20mADC，模拟直流电压信号为l—5VDC。

模拟仪表的常见信号制还有0—10mADC，这是我国早期DDZ—Ⅱ仪表所用的信号制。

气动调节仪表的信号制为

0．02—0．1MPa。

信号制的下限不为零称为活零点，有助于实现微机控制系统的自检；信号制的上限也不能太大，有助于实现系统的防爆。

直流模拟电流与电压信号各有优缺点，分别适用于不同的场合。

下面对直流模拟电流与电压信号做分析比较。

直流电流信号与电压信号传输模型如图2．1和图2．2所示。

图中L作为发送仪表的变送器的等效输出电阻，冗m为连接导线及连接过程所产生的电阻。

n台接收仪表串联或并联地接收信号。

1、直流电流信号

直流电流信号传输有如下两个缺点：

①若回路中有一个断点。

则n台接收仪表均不能接收信号，因此，可靠性受到影响。

②各接收仪表输入端会逐级电位升高，引起系统设计与维护的不便。

直流电流信号传输所产生的误差由发送仪表信号源的质量引起。

现代电子技术完全能保证发送仪表的输出电阻rr2很大。

由上式可知，当接收仪表输入电阻足够小（常为25051左右）时，传输电阻入。

在一定范围内变化仍能保证传输精度。

因此．直

流电流信号适宜于长距离传输。

2、直流电压信号

直流电压信号没有直流电流的两个缺点，因而可靠性好，设计安装上较为简单，增加或去掉某台仪表不会对系统产生影响。

信号传输所产生的误差：

比较式（2．2）与式（2．5）可知，当距离相同时，在精度上电流传输优于电压传输。

因此，在直流模拟仪表的设计应用中，远距离传输或进出控制室的信号用电流信号，控制室内各仪表间的信号联络用电压信号。

（三）、数字仪表与装置的信号制

随着控制系统的发展，DDZ电动单元组合仪表、DCS集散控制系统以及现场总线通信协议—直在演变。

主要有多种模拟过程控制信号、现场总线通信协议等。

前者技术成熟并已广泛地应用，后者虽处于发展中，却是信号标准的发展趋势，

以微处理器芯片为基础的各种智能仪表若能遵从同一通信标准，可极大地提高系统的信

息集成、综合白动化、降低成本等各项能力。

但不同设备制造商所提供的设备之间的通信标准不统一，严重束缚了工厂底层网络的发展。

从1984午开始，不断有各种包括国际组织、跨国公司等着手研究、制定这种适应工厂自动化领域的同一的通信标准，称为现场总线、由于受地区、行业的限制，公司、企业集团的利益驱使，目前现场总线还未形成完全统一的国际标准，但仍然陆续出现一些有影响的现场总线标准，并具有一定的应用范围和市场。

从应用的角度（即仪表设计的角度）看，数字仪表通信标准大致应包三个方面内容：

信息构成格式、数据编码／调制形式与物理的信号发送／接收接口标准。

三、控制系统的安全防爆

在某些企业生产过程中，由于使用大量挥发性有机物质、易燃易爆的气体或蒸气、爆炸性粉尘、易燃纤维等，使工厂内的某些区域成为爆炸危险区域。

因此，在这此区域里进行自动控制的仪表或装置必须考虑安全防爆问题。

（一）、安全防爆的基本概念

1、危险环境划分

我国1987年公布的《爆炸危险场所电气安全规程》（试行）将爆炸危险场所分为两种五

级。

第一种场所指含有爆炸性气体或可燃蒸气与空气混合物形成的爆炸性气体混合物的场

所，有三个区域等级：

0区、1区与2区。

第二种场所指含有爆炸性粉尘或易燃纤维与空气混合物形成的爆炸性混合物的场所，有两个区域等级：

10区与11区。

0区：

在正常情况下，爆炸性气体混合物连续地、短时间地频繁出现成长时间存在的场所。

1区：

在正常情况下，爆炸性气体混合物有可能出现的场所。

2区：

在异常情况下，爆炸性气体混合物有可能短时间出现的场所。

10区：

在正常情况下，爆炸性粉尘或易燃纤维与空气的混合物可能连续地、短时间地频繁出现或长时间存在的场所。

11区：

在异常情况下，爆炸性粉尘或易燃纤维与空气的混合物可能短时间出现的场所。

2、爆炸性物质划分

爆炸性物质被分为三类：

类——矿井甲烷。

类——爆炸性气体、可燃蒸气。

类——爆炸性粉尘、易燃纤维。

将各种危险物质分别在如图2．3所示的实验装置中测试，按最大实验安全间隙和最小点燃电流比分级：

A、B、c级，指引燃温度分组：

T1—T6组。

表2-1给出部分示例。

实验代表了一般的点燃源。

如灯开关、磁力起动器等在分合过程中产生的电弧、电器控制设备表面的热积累：

烟头、撞击火花、明火、化学反应热、热物体表面等。

另外，爆炸性气体、蒸气、粉尘等要与空气混合成一定比例，才能形成爆炸性混合物，这种比例称作爆炸浓度。

当混合物浓度超过爆炸浓度上限或低于爆炸浓度下限时，都不能被点燃。

在上限与下限的危险区域之中，特别应当注意下限，因为低于下限的混合物经过积累，随时可能达到爆炸浓度的下限而被点燃。

3、防爆仪表划分

气动仪表和液动仪表本质是防爆的，在控制系统中仍发挥着极大的作用。

但由于它们在

功能的多样性、控制的复杂性等诸多方面不及电动仪表，电动仪表的应用更广、发展更快。

防爆电器设备有多种结构，应用于0区与1区的只有三种：

正压型、隔爆型与本质安全型（简称本安型）。

正压型原理是控制易爆气体，即人为地在危险现场营造出一个没有易爆气体的空间，将仪表安装在其中。

隔爆型仪表将仪表的电路和接线端子等安装在厚厚的隔爆腔体内，仪表电路因事故出现火花，不会引爆外面的易燃、易爆物质。

隔爆腔体耐压800-1000kPa，表壳外部的温升不得超过危险物质的自燃温度所规定的数值，表壳结合面的缝隙宽度和深度根据它的容积和气体的级别采取规定的数值。

本质安全型的原理是控制仪表电路中的能量，使电路在正常或异常状态下产生的火花或

达到的温度，都不足以引爆危险物质。

正常状态指设计规定下的正常上作状态，如电路开关的断开与闭合。

异常指故障状态，如电路短路、元件损坏等。

目前，本质安全型防爆是发展态势最好的一种防爆方式。

现代的本质安全型防爆的概念是指整个自动化系统的防爆性能符合本质安全型防爆要求。

由于采用本质安全防爆技术制造的电气设备不仅具有质量轻、体积小、成本低的特点，而且还可实现带电维护操作和0区危险场所应用，因此，这种防爆技术已为越来越多的防爆仪器仪表制造厂商和用户所选用。

从仪表防爆的角度，出动化系统包括两种仪表：

安装在控制现场（危险场所）的本质安全

型仪表和安装在控制室（非危险场所）的一般仪表。

本质安全型仪表电路的能量因受到限制，

所以在其中流动的能量是“安全能量”；一般仪表电路没有限制电路的能量，所以可能会出现对于控制现场来说的“危险能量”。

由于系统中两个场所之间的仪表有信号的联系。

一般仪表的“危险能量”就可能通过信号线路进入控制现场引爆危险物质。

因此，本质安全型防爆系统还要在信号线路上加接防爆栅。

防爆栅的目的就是防止安全场所的危险能量窜入危险场所。

如图2.4所示，防燃栅就像一道门，有危险能量流动时就关门。

危险场所要应用本质安全的仪表，并且与之打交道仪表的一部分电路也应该是本质安全的。

防爆电路主要体现在相关的安全规则上，如两种电路要有叫确的标示，相隔应有一定

距离等。

防爆仪表的铭牌标志由四段构成：

ExABC。

第一段Ex表示防爆仪表。

第二段A为防爆结构：

正压型防爆方法p，隔爆型防爆d、本质安全防爆i、增安e、浇封m。

第三段B为危险物质分类分级（参见表2-1）：

、

、

类，A、B、C级。

ia级适用于0区，ib级适用于1区。

第四段C为仪表表面温度分组，也适用于危险物质的自燃温度分组：

T1-T6组。

例如，铭牌标示为Exia

C，防爆等级即为适用二硫化碳、硝酸乙脂等爆炸性气体和可燃蒸气的0区本质安全型防爆。

（二）本质安全型防爆仪表的设计要点

本质安全型防爆仪表的设计主要在于电路参数、设计结构以及一些安全措施。

1、限制本安电路中的能量

电路中，如果存在能量储存元件，条件合适时能量释放就容易形成点火能量。

例如，电感存储磁能、电容极板上储存电荷等、电感回路有电流不能突变的特性。

因此，当电路断线时磁能释放会击穿空气形成通路而引起火花。

电容极板上存储电荷．如果极板两端短路，电荷能量的释放也可能超过点火能量。

若回路为直流电源，如图2.5中所示等效电路，电感储存的磁能WL、电容的电场储能WC以及电阻回路的储能WR分别为：

图2.5中示出上述三种储能电路在一些危险物质应用环境中的容许值关系曲线。

在设计

时，可参考这类曲线。

在实际应用中，等效电路的参数在发生着变化，如电压在波动，则参数选择应考虑可能产生的极限参数。

2、安全措施

1）续流二极管与钳位二极管

在储能元件电感与电容上加接续流二极管与钳位二极管，如图2.6所示。

前者为释能提

供通道，后者不让电容储能过高。

注意它们都具有方向性。

2）限流电阻

如果可能，应在会出现放电的通道上设置限流电阻。

注意要充分考虑正常或故障情况，电阻功率选择要合适。

3）隔离电容

它是本安电路与非本安电路之间隔离情信号通道的耦合元件或隔离元件，应采用无极性电容。

4）电源变压器

电源变压器向本安电路供电的绕组与其他绕组应分开布置，或者在采用下列措施之一时，向本安电路供电的绕组与共他绕组可内外分布：

a、它们之间有加强绝缘：

b、它们之间有铜质接地屏蔽层隔离。

另外，电源变压器绕组、屏蔽层及铁心相互间应能承受规定的耐压实验；直接向本安电路供电的电源变压器输入绕组应该用熔断器或断路器保护；变压器铁心应接地；向本安电路供电的端子应与其他端子分两侧布置；

5）多重化的保护措施

为提高可靠性，可多重设置保护。

3、信号传输线路分布电容、电感的校验

信号传输线路存在着分布电容与电感，它们的储能仍然会存在危险。

在系统设计时，应参考图2．5类的参考手册，对线路进行校验

式中，LMAX与CMAX为最大容许的传输线路分布电感与电容，L为传输线路的长度，A为两线的间距，R为线半径，f为传输线路分布电容的介电常数。

（三）、防爆安全栅基本原理

防爆栅又称安全栅，分输入端用防爆栅与输出端用防爆栅。

它的作用是防止安全场所的危险能量窜入危险场所，在正常情况下，只起信号传递作用。

防爆栅有多种，如电阻式防

爆栅、中继式防爆栅、齐纳式防爆栅和变压器隔离式防爆栅等。

目前应用最多的是齐纳式防

爆栅和变压器隔离式防爆栅

齐纳式防爆枷原理如图2.7所示,目的是限制流动的能量V与I，不让它们超过防爆值。

当电压V过高时。

齐纳二极管VDZ击穿，将电压钳制在安全值以下，此时电流瞬时急剧增大，快速熔断器F熔断，熔断时间不得超过齐纳二极管过流断路时间的1／]ooo．从而将可能造成事故的高压与危险现场断，也保护了二极管。

当电流I过大时，电阻R限制了电流。

此处的电阻是一个非线件电阻，当电流较小时，等效电阻R很小，当电流增大到预定值时。

R会急剧增大，从而限制电流。

一种非线性电阻电路原理如图2．8所示Q2使导电沟道恒定，使电流Ic为常数，R为取样电阻。

当I正常时，Vbe1小，则Ib1小，从而Vce1大，使得Vbe3大、Ib3大，此时，Q3饱和导通，则导通电阻小，即等效电阻小。

当I增大，Vbe1增大，Ib1增大，由于Ic为常数、Vce1极大地减小，如三极管特性图，则Vbe3极大地减小，Ib3也极大地减小，Q3退出饱和进入放大，使I减小，即等效电阻增大。

（四）、本质安全系统防爆的认证J

本质安全系统防爆的认证需，要专门的技术与机构。

“回路认证”。

为我国现阶段推行的本安防爆认证技术，指对本安现场设备和关联设备按具体的组合方式进行的检验认证。

这种组合—经认定，就不能用未经检验机构按这种组合认证过的其他型号规格的替代设备。

显然，这不符合现场总线设计初衷。

现场总线系统本安降爆认证使用“参量认证”技术。

基本思想是：

对本安现场设备和关联设备分别给出一组安全参数，并允许有技能的专业人员通过合适的方法对系统的配置进行合理性分析和安全性判定。

这种认证技术的特点是：

用户可根据一定的规则自由地将不同制造厂生产的本安设备构成本安防爆系统。

多年的实践已经证明了这种认证技术的有效性，并受到广大仪表制造厂商和用户的普遍欢迎。

（五）、安全防爆控制系统

1、传统的控制系统的安全防爆

传统控制系统的安全防爆如图2．9所示。

安装在控制现场的仪表与装置主要有变送器与执行器；安装在控制室的仪表主要是运算、调节、显示记录等仪表与装置。

它们之间的信号线通过集线器收集，并用电缆传输。

控制室内的运算、调节、显示记录等仪表是普通仪表，若控制现场是某种爆炸性危险场所时，与现场的信号交流应通过相应的防爆栅。

信号线路应符合相应防爆参数。

变送器应选用相应防爆等级的防爆仪表，若控制动作要求的力量较大，常选用气动或液动执行器，此时，控制执行器的信号要经过相应的信号转换。

2、一种安全防爆的现场总线系统

基金会现场总线FF—H1和PROFIBUS一PA等总线标准都支持本质安全要求，通过总线安全栅将现场总线安装到现场。

由于能量的限制，每条在危险的总线可安装的现场总线设备是有限的，目前至多可以安装6台现场总线设备，MLT、Smar等公司已推出这种总线安全栅。

当总线设备较多时，增加现场总线的路数将失去应用现场总线的意义。

如果总线设备中

有很多监测用常规变送器、热电偶、热心阻、开关等，可以应用DCS系统的现场总线的防爆yo

爆I/O安全栅挂接，如图2.10所示。

这种DCS系统在系统总线上可以挂接多个站，每站最多48个模块，如图2.11所示。

包括通信、电源及其冗余模块，多个模拟量输入、输出AI／AO及开关量输入、输出DI/DO的I／O安全栅模块。

这种防爆I／O的安全全栅安装在危险1区。

它之所以可以安装在危险区域，是因为它采用本质安全电路（Exi）持制的插头与插孔、保证在插拔时不会发生火花（Exe／Exd）的热塑性防火花外壳等技本。

现场总线防爆I／O安全栅，除了安全栅的功能外，在系统中还能发挥其他作用。

如在EIC2000现场控制系统中还有下面的作用：

①通信接口可以提供多等级的冗余。

如一个接口、两条通信总线，保证在一个操作站故障时系统能正常工作；两个接口、两条通信总线，它除保证在一个操作站故障时还保证在一个接口故障时系统都能正常工作。

②通信接口可以完成运算功能，以减轻主系统计算机负荷。

例如，某模拟信号可与预先组态好的设定值比较，需报警时，开关接口输出报警信号。

虽然，它也可以进行复杂运算，但根据风险不宜过于集中的原则，在系统中仅用它来处理快速逻辑联锁和信号监视。

③供电电源可以冗余。

④输入模块可以冗余，即1台变送器可以连接到两个模拟量输入模块上。

⑤I／O模块可以随意插入任何位置，因此带有配线箱作用。

⑥与HART通信兼容。

⑦可以通过通信总线或另外的RS—485接口做软件组态。

3、光纤式本质安全防爆现场总线

光纤式现场总线控制系统的光缆只用做通信通道。

总线上各现场设备供电由各自所安装的高能专用电池提供，电池的使用寿命可达两年以上。

出于现场设备无需外部供电，而光学星型耦合器是无源的，因此，对于控制室与FCS现场设备，只需通过光缆以本质安全的低能光做载体交换信息，因而杜绝了危险能量通过总线从安全区域进入危险区域。

光纤式现

场总线系统的结构如图2.12所示。

光纤式现场总线控制系统既具有一般现场总线控制系统所具有的特点，如现场总线是多主的、开放式互联网络，一条现场总线上可以连接多台智能设备，连接现场总线上的各智能设备具有可互换性以及组态方法统一等；光纤式现场总线控制系统还具有采用光传输方式所具有的持点，如抗电磁噪声、抗雷击、本质安今、分布式供电等。

光纤式现场总线控制系统所采用的现场设备分布式供电方式、又使FCS具有很高的可靠件。

但是，由光辐射产生的热表面目前温度还较高，因此，以光纤为数据传输媒介的现场总线必须经国家防爆检验机构认可后方可使用。

试验表明，只有当这些光电器件的极限辐射功率小于35mW或单位面积的极限辐射功率小于5mW／mm2，才不致点燃可燃件气体。