控制儀表與控制系統(tǒng)

*節(jié)控制儀表與控制系統(tǒng)

控制儀表是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的重要工具。在自動控制系統(tǒng)中，檢測儀表將被控變量 轉(zhuǎn)換成測量信號后，還需送控制儀表，以便控制生產(chǎn)過程的正常進(jìn)行，使被控變量達(dá)到預(yù)期 的要求。

這里所指的控制儀表包括在自動控制系統(tǒng)中廣泛使用的控制器、變送器、運(yùn)算器、執(zhí)行 器等，以及新型控制儀表及裝置。

圖0-1a)表示由控制儀表與控制對象組成的簡單控制系統(tǒng)框圖。控制對象代表生產(chǎn)過 程中的某個環(huán)節(jié)，控制對象輸出的是被控變量，如壓力、流量、溫度等工藝變量。這些被控 變量首先由檢測元件變換為易于傳遞的物理量，再經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。該信號送 到控制器中與給定值相比較?？刂破靼凑毡容^后得出的偏差，以一定的控制規(guī)律發(fā)出控制信 號，控制執(zhí)行器的動作，改變被控介質(zhì)物料或能量的大小，直至被控變量與給定值相等為止。

圖O-l(b)為由加熱爐、溫度變送器、控制器和執(zhí)行器構(gòu)成的一個單回路溫度控制系 統(tǒng)。溫度變送器將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號，在控制儀表的作用下，通過執(zhí)行器將加熱爐的出 口溫度控制在規(guī)定范圍之內(nèi)。

一個控制系統(tǒng)除了圖中表示的幾類控制儀表以外，還可根據(jù)需要設(shè)置轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算器、 操作器、顯示裝置和各種儀表系統(tǒng)，以完成復(fù)雜的控制任務(wù)。

第二節(jié)控制儀表及裝置的分類

控制儀表及裝置可按能源形式、信號類型和結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類。

一、按能源形式分類

按能源形式可分為氣動、電動、液動等幾類。工業(yè)上通常使用電動控制儀表和氣動控制儀表。

氣動控制儀表的發(fā)展和應(yīng)用已有十年歷史，20世紀(jì)40年代起就已廣泛用于工業(yè)生 產(chǎn)。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、可靠性高、價格便宜，且為本質(zhì)安全防爆，特別適用 于石油、化工等有爆炸危險的場所。

電動控制儀表的出現(xiàn)要晚些，但由于其能源獲取、信號傳輸及放大、變換處理比氣動儀 表容易得多，又便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)視和操作，因而這類儀表的應(yīng)用更為廣泛。電動控制儀表

爆問題，由于采取了本質(zhì)安全防爆措施，也得到了很好的解決，它同樣能應(yīng)用于易燃易 爆的危險場所。鑒于電動控制儀表及裝置的迅速發(fā)展與大量使用，本書予以重點(diǎn)介紹。

二、按信號類型分類

按信號類型可分為模擬式和數(shù)字式兩大類。

模擬式控制儀表的傳輸信號通常為連續(xù)變化的模擬量。這類儀表線路較簡單，操作方 便，價格較低，在設(shè)計、制造、使用上均有較成熟的經(jīng)驗(yàn)。長期以來，它廣泛地應(yīng)用于各工 業(yè)部門。

數(shù)字式控制儀表的傳輸信號通常為斷續(xù)變化的數(shù)字量。20多年來，隨著微電子技術(shù)、計 算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字式控制儀表和新型計算機(jī)控制裝置相繼問世，并越 來越多地應(yīng)用于生產(chǎn)過程自動化中。這些儀表和裝置是以微處理器為核心，其功能*，性能 *，它能解決模擬式儀表難以解決的問題，滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)過程的高質(zhì)量控制要求。

三、按結(jié)構(gòu)形式分類

按結(jié)構(gòu)形式可分為基地式控制儀表、單元組合式控制儀表、集散控制系統(tǒng)以及現(xiàn)場總線 控制系統(tǒng)。

1. 基地式控制儀表

基地式控制儀表是以指示、記錄儀表為主體，附加控制機(jī)構(gòu)而組成。它不僅能對某變量 進(jìn)行指示或記錄，還具有控制功能。基地式模擬儀表一般結(jié)構(gòu)比較簡單；基地式數(shù)字儀表則 功能較為齊全，具有較高的性價比。這類儀表常用于單機(jī)自動化系統(tǒng)。

2. 單元組合式控制儀表

單元組合式控制儀表是根據(jù)控制系統(tǒng)中各個組成環(huán)節(jié)的不同功能和使用要求，將儀表做 成能實(shí)現(xiàn)某種功能的獨(dú)立單元，各單元之間用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號來。將這些單元進(jìn)行不同 的組合，可以構(gòu)成多種多樣、復(fù)雜程度各異的自動檢測和控制系統(tǒng)。

單元組合儀表可分為變送單元、轉(zhuǎn)換單元、控制單元、運(yùn)算單元、顯示單元、執(zhí)行單 元、給定單元和輔助單元八大類。

我國生產(chǎn)的電動單元組合儀表（DDZ)和氣動單元組合儀表（QDZ)經(jīng)歷了 I型、II 型、ID型三個發(fā)展階段，以后又推出了較為*模擬技術(shù)和數(shù)字技術(shù)相結(jié)合的DDZ-S型 系列儀表和組裝式綜合控制裝置。這類儀表使用靈活，通用性強(qiáng)，適用于中、小型企業(yè)的自 動化系統(tǒng)。過去的數(shù)十年，它們在實(shí)現(xiàn)我國工業(yè)生產(chǎn)過程自動化中發(fā)揮了重要作用。

3. 集散控制系統(tǒng)

集散控制系統(tǒng)（DCS)是以微型計算機(jī)為核心，在控制技術(shù)（Control)、計算機(jī)技術(shù) (Computer)、通信技術(shù)（Communication)、屏幕顯7K技術(shù)（CRT)四“C”技術(shù)迅速發(fā)展 的基礎(chǔ)上研制成的一種計算機(jī)控制裝置。它的特點(diǎn)是分散控制、集中管理。

“分散”指的是由多臺微機(jī)（例如DCS中的基本控制器或其他現(xiàn)場級數(shù)字式控制儀 表）分散地控制各個回路，這可使系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠。將各臺微機(jī)或現(xiàn)場級控制儀表用 通信電纜同上一級計算機(jī)和顯示、操作裝置相連，便組成分散控制系統(tǒng)。“集中”則是指集 中監(jiān)視、集中操作和管理驚個生產(chǎn)過程。這些功能由上一級的監(jiān)控、管理計算機(jī)和顯示操作 站來完成。

工業(yè)上使用較多的數(shù)字式控制類儀表可編程調(diào)節(jié)器和可編程控制器，可與DCS配合使用。 可編程調(diào)節(jié)器的外形結(jié)構(gòu)、面板布置保留了模擬式儀表的一些特征，但其功能更為豐富，通過 組態(tài)可完成各種運(yùn)算處理和復(fù)雜控制。可編程控制器以開關(guān)量控制為主，也可實(shí)現(xiàn)對模擬量的 控制，并具備反饋控制功能和數(shù)據(jù)處理能力。它具有多種功能模塊，配接方便。這兩類控制儀 表均有通信接口，能方便地與計算機(jī)裝置聯(lián)用，構(gòu)成不同規(guī)模的分級控制系統(tǒng)。

4.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的新一代工業(yè)控制系統(tǒng)。它是計 算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)和現(xiàn)代儀器儀表技術(shù)的發(fā)展成果?，F(xiàn)場總線的出現(xiàn) 改變了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，它將具有數(shù)字通信能力的現(xiàn)場智能儀表連成工廠底層網(wǎng)絡(luò)系 統(tǒng)，并同上一層監(jiān)控級、管理級起來成為全分布式的新型控制網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的基本特征是其結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化和全分散性，系統(tǒng)的開放性，現(xiàn)場儀表 的互操作性和功能自治性，以及對環(huán)境的適應(yīng)性。FCS無論在性能上或功能上均比傳統(tǒng)控 制系統(tǒng)更*。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的不斷發(fā)展與*，F(xiàn)CS將越來越多地應(yīng)用于工業(yè)自動 化系統(tǒng)中，并與傳統(tǒng)DCS相結(jié)合，構(gòu)成技術(shù)更*混合型分布式控制系統(tǒng)。

與此同時，應(yīng)用廣泛的以太網(wǎng)（Ethernet)也進(jìn)人了工業(yè)控制領(lǐng)域。許多的工業(yè)控 制系統(tǒng)都將以太網(wǎng)用作自動化系統(tǒng)管理層和監(jiān)控層的通信網(wǎng)段，且向現(xiàn)場控制層延伸。各大 公司正努力解決以太網(wǎng)用于工業(yè)現(xiàn)場的關(guān)鍵技術(shù)問題，使Ethernet更好地應(yīng)用于工控系統(tǒng) 的各級網(wǎng)絡(luò)。

本世紀(jì)以來，隨著DCS和FCS技術(shù)的進(jìn)展，一種低成本、超低功耗、高可靠的短程無 線網(wǎng)絡(luò)開始應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，無線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，能*系統(tǒng)功能，進(jìn)一步提升工 業(yè)自動化的水平。

聯(lián)絡(luò)信號和傳輸方式

一、聯(lián)絡(luò)信號

儀表之間應(yīng)由統(tǒng)一的聯(lián)絡(luò)信號來進(jìn)行信號傳輸，以便使同一系列或不同系列的各類儀表連接起來，組成系統(tǒng)，共同實(shí)現(xiàn)控制功能。

(一）聯(lián)絡(luò)信號的類型 控制儀表和裝置常使用以下幾種聯(lián)絡(luò)信號。

對于氣動控制儀表，上統(tǒng)一使用20?lOOkPa氣壓信號，作為儀表之間的聯(lián)絡(luò)信號。 對于電動控制儀表，其聯(lián)絡(luò)信號常見的有模擬信號、數(shù)字信號、頻率信號等。模擬信號 和數(shù)字信號是自動化儀表與裝置所采用的主要聯(lián)絡(luò)信號。

模擬信號有交流和直流兩種。由于直流信號具有不受線路中電感、電容及負(fù)載性質(zhì)的影 響，不存在相移問題等優(yōu)點(diǎn)，故上都以直流電流或直流電壓作為統(tǒng)一聯(lián)絡(luò)信號。

數(shù)字信號具有傳輸可靠、抗干擾能力強(qiáng)，易于儲存和處理等特點(diǎn)，廣泛用于數(shù)字儀表及裝置間的信號聯(lián)絡(luò)。

本節(jié)著重討論電模擬信號，數(shù)字信號將在第二篇有關(guān)章節(jié)中另作說明。

(二）電模擬信號制的確定

從信號取值范圍看，下限滇可以從零開始，也可以從某一確定的數(shù)值開始，上限值可以 較低，也可以較高。取值范圍的確定，應(yīng)從儀表的性能和經(jīng)濟(jì)性作全面考慮。

不同的儀表系列，所取信號的上、下限值是不同的。例如DDZ-n型儀表采用0?10mA 直流電流作為統(tǒng)一聯(lián)絡(luò)信號；DDZ-ffl型儀表采用4?20mA直流電流和1?5V直流電壓作 為統(tǒng)一聯(lián)絡(luò)信號；有些儀表則采用0?5V或0?10V直流電壓作為聯(lián)絡(luò)信號，并在裝置中考 慮了電壓信號與電流信號的相互轉(zhuǎn)換問題。

信號下限從零開始，便于模擬量的加、減、乘、除、開方等數(shù)學(xué)運(yùn)算和使用通用刻度的指 示、記錄儀表；信號下限從某一確定值開始，即有一個活零點(diǎn)，電氣零點(diǎn)與機(jī)械零點(diǎn)分開，便 于檢驗(yàn)信號傳輸線是否斷線及儀表是否斷電，并為現(xiàn)場變送器實(shí)現(xiàn)兩線制提供了可能性。

電流信號上限大，產(chǎn)生的電磁平衡力大，有利于力平衡式變送器的設(shè)計制造。但從減小 直流電流信號在傳輸線中的功率損耗和縮小儀表體積，以及提高儀表的防爆性能來看，希望 電流信號上限小些。

在對各種電模擬信號作了綜合比較之后，電工委員會（IEC)將電流信號4?20mA (DC)和電壓信號1?5V(DC)，確定為過程控制系統(tǒng)電模擬信號的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。