第0章概论

DCS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 点是分散控制、集中管理。 DCS通常由控制站（下位机）、操作站（上位机）和过程通信网络 三部分组成。控制站完成数据采集、处理及控制等作用，它可以由DCS 系统的基本控制器（包括控制卡、信号输入/输出卡、电源等）构成， 也可以由可编程序控制器PLC（包括CPU、I/O、电源等模块）或带有微 处理器的数字式控制仪表构成；操作站完成生产过程信息的集中显示、 操作和管理等作用，它由工业控制计算机、监视器、打印机、鼠标、 键盘、通信网卡等构成；过程通信网络用于实现操作站与控制站的连 接，完成信息、控制命令等传输，通常过程通信网络用于实现操作站 与控制站的连接，完成信息、控制命令等传输，通常过程通信网络提 供企业管理网络的连接，以实现全厂综合管理。DCS系统可以实现单元 组合仪表中除变送和执行单元之外所有的功能，并且由于计算机运算 功能强大，其所能实现的功能也是单元组合仪表无法比拟的。 目前很多企业已经采用DCS或PLC控制系统
单元组合式控制仪表 —— 是根据控制系统各组成环节的不同功能和使用要求，将仪表做成能实现一定功能的独立仪表 （称为单元），各个仪表之间用统一的标准信号进行联系。将各种单元进行不同的组合，可以 构成多种多样、适用于各种不同场合需要的自动检测或控制系统。有电动单元（DDZ）和气动单 元（QDZ）两大类。它们都经历了Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型的三个发展阶段，经过不断改进，性能日臻 完善。电动单元组合仪表中还有模拟技术和数字技术相结合的DDZ-S型系列仪表 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八大类 各单元的作用如下： 变送单元——它能将各种被测参数，如温度、压力、流量、液位等物理量变换成相应的标准统 一信号（4-20mA，0-10mA或20-100KPa）传送到接收仪表或装置，以供指示、记录或控制 其品种主要有：温度变送器、压力（差压）变送器、流量变送器、液位变送器等 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， 以使不同信号可以在同一控制系统中使用 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
直流电流 串联制
直流电压 并联制
增加或取消一台仪表， 整个系统停止运行 串联制 易于远距离传输 无公共接地点 各仪表可有自己的接地 点，系统不允许有公共 接地点（会短路）
增加或取消一台仪表， 整个系统正常运行 并联制 不易于远距离传输 有公共接地点 各仪表可有自己的接地 点，系统允许有公共接 地点
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。
原料t 变送器 T 加热炉 显示器
控制器
V-1 执行器
SP
手操器
实际所用的仪表，可以是电动的、气动 的，也可以是各种控制装置，所有这些 仪表或装置都属于控制仪表与装置范畴。 显而易见，如果没有这些仪表或装置， 就不可能实现自动控制
燃料油
控制仪表包括：在自动控制系统中广泛应用的调节器、变送器、运算器、执行器等，以 及新型控制仪表与装置
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。
0.2控制仪表及装置的分类
控制仪表与装置可按能源、信号类型和结构形式来分类 0.2.1按能源形式分类 分为电动、气动、液动和机械式等几类。工业上普遍使用电动控制仪表和气动控制仪表。 两者之间的比较如下表所示 电动控制仪表 能源 传输信号 构成 接线 电源（220VAC或24VDC） 电信号（电源、电压或数字） 电子元器件（电阻、电容、电子放 大器、集成电路、微处理器等） 导线、印刷电路板 气动控制仪表 气源（140KPA-280KPA） 气信号 气动元件（气阻、气容、气动 放大器等） 导管、管路板
控制仪表及装置
第0篇 概论
• • • • 控制仪表与控制系统 控制仪表及装置的分类 联络信号和传输方式 安全防爆
0.1控制仪表与控制系统
控制仪表与装置是实现生产过程自动化必不 可少的工具 如图为一加热炉温度控制系统 温度变送器、控制器和执行器构成了 一个单回路控制系统 为了提高控制系统的功能，还可增加一 些仪表，如显示器、手操器等。而为了 改善控制质量，还可以采用串级控制等 其他更复杂的控制方案。显然，这将需 要用到更多的仪表
单元组合仪表是根据控制系统各组成环节的不同功能和 使用要求进行划分的，所以学习这类仪表不仅有利于了 解仪表的必备功能，也有利于仪表基本概念的学习和掌 握，而且还有利于掌握如何选择仪表构成所需要的控制 系统或测量系统 。
使用常规仪表的中央控制室
集散控制系统（DCS系统）（DISTRIBUT CONTROL SYSTEM） ——
早期的DCS控制系统
现场总线控制系统（FCS系统）（FIELDBUS CONTROL SYSTEM）——
FCS系统是基于现场总线技术的一种新型计算机控制装置。其特点 是现场控制和双向数字通信，即将传统上集中于控制室的控制功能分 散到现场设备中，实现现场控制，而现场设备与控制室内的仪表或装 置之间为双向数字通信。 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。其中现场设备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。 FCS系统具有全数字化、全分散式、可互操作、开放式以及现场设 备状态可控等优点，它是控制仪表与装置的发展趋势。FCS系统中还可 能出现以以太网技术和以无线通信技术为基础的计算机控制系统。 2000年德国多国仪表展览会上，预言以后将有更多的FCS运用到工 业生产中。 目前用得不太多，一是设备价格高，二是仪表跟不上，三是可靠 性还没有得到确认。
220VAC供电 无本质安全特性
24VDC供电 有本质安全特性
高电压供电，装置一旦产 生火花，容易引起装置周 围的爆炸性混合物爆炸或 起火。
低电压供电，装置一旦 产生火花，不易引起装 置周围的爆炸性混合物 爆炸或起火。
控制仪表与控Leabharlann 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 被控对象 被控参数
执行器
被控介质
简单控制系统方框 图
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。
气动控制仪表在20世纪40年代起就已广泛应用于工业生产。它具有结构简单、性能稳定、可 靠性高、易于维护、安全防爆等特点。特别适用于石油、化工等有爆炸危险的场所。
电动仪表具有能源获取方便，信号传输和处理容易，便于实现集中显示和操作等特点。因此， 尽管它的出现仅有几十年历史，但发展迅速，短短几十年间已几次升级换代，新产品也层出 不穷。特别是计算机技术、微电子技术和网络通信技术的发展和广泛应用，更使电动控制仪 表产生了飞跃的发展。目前在工业上电动仪表得到了最为广泛的应用。
0.2.3按结构形式分
分为基地式、单元组合式、集散型计算机控制系统（DCS）、现场总线 控制系统（FCS）
基地式控制仪表 ——
基地式控制仪表相当于把单元组合仪表的几个单元组合在一起，构成一个 仪表。它通常以指示、记录仪为主体，附加控制、测量、给定等部件而构 成，其控制信号输出一般为开关量，也可以是标准统一信号。近年来也有 在智能变送器、智能式执行机构或智能阀门定位器中带有控制功能的。一 个基地式仪表具有多种功能，与执行器联用或与变送器联用，便可构成一 个简单的控制系统。通常该类仪表性能价格比高，适合用于单参数的控制 系统
0.2.2按信号类型分
分为模拟式和数字式两大类
模拟式：由模拟元器件构成，其传输信号通常为连续变化的模拟量，如电 流、电压、气压等信号。这类仪表线路比较简单，操作方便，使用灵活， 价格较低，长期以来广泛应用于工业生产。 如：气动仪表、电动单元一、二、三型仪表等
数字式：以微处理器、单片机等大规模集成电路芯片为核心。其传输信号 通常为断续变化的数字量，如脉冲信号。这类仪表由于可进行各种数字运 算和逻辑判断，其功能完善，性能优越，能解决模拟式仪表难以解决的问 题，因此越来越广泛地应用于生产过程的自动控制 如：可编程控制器、可编程调节器、DCS、FCS等
控制单元——它将来自变送单元的测量信号与给定信号进行比较，按照偏差给出控制信号， 去控制执行器的动作。 品种有：PID控制器、PI控制器、D控制器以及具有特种功能的控制器等
运算单元——它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、比例控制、流量信号的温度压力补偿计算等。 品种有：加减器、乘除器和开方器等 显示单元——它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和 生产过程工况之用。 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 给定单元——它输出标准统一信号，作为被控制变量的给定值送到控制单元，实现定值控 制。给定单元的输出也可以供给其他仪表作为参考基准值。 品种有：恒流给定器、定值器、比值给定器和时间程序给定器等 执行单元——它按照控制器输出的控制信号或手动操作信号，去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调节阀等 辅助单元——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、安全栅等等。操作器用于手动操作，同时又起手动/自动的双向切换作用；阻 尼器用于压力或流量等信号的平滑、阻尼；限幅器用以限制信号的上、下限值；安全栅用 来将危险场所与非危险场所隔开，起安全防爆作用