自动化仪表及装置第0章2概论

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。
Ri
U0 Rcm／２
缺点
Ri
发送仪表
接收仪表
电压信号传输时 仪表之间的连接
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。
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直流电流和直流电压的比较
Spec-200 (美国福克斯波罗公司) TF系列 (上海自动化仪表厂) MZ-Ⅲ系列 (西安仪表厂)
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时间
名称
结构
特点
主要产品 TDC-2000、 TDC-3000、 TPS、S9000 (美国霍尼威尔公司) CENTUM-CS 、 XL 、CS1000、 CS3000 (日本横河公司) PCS7、PCS7-BOX (德国西门子公司)
执行器
被控介质
简单控制系统方框图
被控变量首先由检测元 件变换为易于传递的物 理量，再经变送器转换 成标准的电信号，该信 号送到控制器(调节器) 中，与给定值相比较得 出的偏差，以一定的控 制（调节）规律发出控 制信号，控制执行器的 动作，从而改变被控介 质物料或能量的大小， 直至被控变量与给定值 相等。
直流电流 220V AC供电 无本质安全特性 直流电压 24V DC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
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直流电流和直流电压的比较
直流电流 直流电压
信号 下限=0mA，上限=10mA
第一阶段
20世纪30~40 年代(1935)
基 地 式 仪 表
结构简单, 适于单参数 就地控制
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时间
名称
结构
特点
主要产品
第二阶段 20世纪40~50 年代(1955)
单 元 组 合 式 仪 表
将整套仪表划分成 若干个单元，各单 元之间采用统一的 标准信号连接。使 用时根据需要，经 过不同的搭配，就 可组成各种各样的 检测及控制系统。
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。 20
二、电信号传输方式
1.直流电流传输
电流传递——电流接收的串联方式 0~10mA传送， 0~10mA接收， 220V交流供电，在DDZ-Ⅱ型仪表中使用 220V
~ 220V ~ 发 送I0 仪 ↑ 表
Rcm
导线电阻 R0 输出阻抗
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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。
传输信号
元器件 接线 电磁干扰与防爆
电信号（电压、电流、数字）
电子元器件 导线 受电磁干扰影响 须采取抗干扰、防爆措施
气压信号
气动元件 导管 不受电磁干扰影响 本质上安全防爆
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按信号类型
模 拟 式 仪 表
数 字 式 仪 表
自动化装置按采用的信号形式不同
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按信号类型
模拟式仪表
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。
应用 灵活， 通用 性强
Ⅰ系列、EK系列仪表 (日本横河公司) 国产DDZ-Ⅱ、DDZ -Ⅲ系列仪表(北京、 上海、西安、大连、 天津、吉林、重庆 等仪表厂)
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时间
名称
结构
特点
主要产品
第三阶段 20世纪60 ~70年代 (1972)
组装式 综合 控制 装置
运算调节 机柜, 显示操作 机柜
装配灵活， 功能分离 （调节与 显示操作 分离）
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> 控制仪表及装置的发展
发展史大约有70年，大体可分成五个阶段。
时间
名称
结构 将测量、显示、 纪录、调节都 放在一个表壳 里的仪表. (以指示记录仪 表为中心，附加 某些调节机构)
特点
主要产品 KF系列气动基地 式仪表(日本山武 -霍尼威尔公司) 带PID调节的电 子电位差计(上海 自动化仪表厂)
导线电阻
Rcm nRi 100% RO Rcm nRi
输出阻抗
n( RO Rcm ) 100% Ri
输入阻抗 31
现场仪表 （现场）
架装仪表 （控制室盘后）
盘装仪表 （控制室盘前）
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3.变送器与控制室仪表间的信号传输
1）四线制
电源 装置
2）两线制
电源 装置
变送器
接收 仪表
优点 发送仪表输出电阻大， 具有恒流特性，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。
R0 Ri
发送仪表
Ii
接收仪表
电流信号传输时 仪表之间的连接
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电流传输的特点
Rcm Ri
I0
缺点 回路中增减接收仪表时， 将影响其它仪表的工作。 任何一个仪表在拆离回 路之前，首先要把该仪表的 两个输入端短接，否则其它 仪表将会因电流中断而失去 信号。 各台仪表没有公共接地 点，须浮空工作。
组 合 式 仪 表
组 装 式 仪 表
集 散 式 仪 表
总 线 式 仪 表
自动化装置按采用的结构形式不同
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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：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。 组装式仪表：在单元组合仪表的基础上发展起来的一 种成套仪表装置，包含控制柜和操作台两部分。
（会短路）
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R0 Ri
发送仪表
Ii
接收仪表
电流信号传输时 仪表之间的连接
2.直流电压传输 电流传递——电压接收的并联方式 4~20mA传送， 1~5V接收， 24V直流供电，在DDZ-Ⅲ型仪表、I系列、 EK系列、YS-80系列、YS-100系列中使用。
发R 0 送 仪U0 表 Rcm/2 Ui 接 Ri 收 仪 表 24V
信号 下限=4mA，上限=20mA
下限=0mA，+、－、×、 下限=4mA，躲开晶体管死 ÷运算方便，易于刻度换算。区，一开始就工作在线性区。 电气零点=机械零点，零点 电气零点≠机械零点，零点 易于区别。 不易区别。 上限=10 mA，产生的电磁 上限=20mA，产生的电磁 力（安培力）较小，故带负 力（安培力）较大，故带负 载能力强。 载能力差。
直流电流 直流电压 增加或取消一台仪表， 增加或取消一台仪表， 整个系统停止运行 整个系统正常运行 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） 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
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直流电流和直流电压的比较
第五阶段 20世纪95 ~07年代 (2007)
现场 总线 控制 系统
现场总线仪表 通信网络
操作、显示、 管理一体化, 危险分散， 控制分散 到一个回路
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概论
第三节 联络信号和传输方式
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本节重点内容介绍



联络信号定义、类型 电信号传输方式：电流信号传输、电压信号 传输（供电24VDC 、输入信号1~5V、输出 信号4~20mA） 四线制和两线制传输
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直流电流和直流电压的比较
直流电流 输入阻抗（接收仪表）↓ 输出阻抗（发送仪表）↑ 输入阻抗Ri↓，输出阻抗 RO↑，信号有损失，为减 小传输误差，仪表应有恒 流特性（负载电阻在一定 范围内变化时，IO的变化 应小于允许值） 直流电压 输入阻抗（接收仪表） ↑ 输出阻抗（发送仪表） ↓ 输入阻抗Ri↑，输出阻抗 RO↓，并联仪表越多，信 号损失越大，为减小传输 误差，并联装置的台数应 ≤4台。
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FF总线控制系统（FCS）。
发送仪表
Ii
为保证传输误差ε 在允许范围之内， 应要求R0 》Rcm + nRi ，故有
接收仪表
Rcm nRi 100% R0
为减小传输误差，要求： R0足够大，而Rcm 及Ri 应比较小
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电流信号传输时 仪表之间的连接
电流传输的特点
Rcm Ri
I0
指仪表的负载电阻在一 定的范围内变化时，输 出电流基本不变的特性 称为恒流特性。
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一、 联络信号
联络信号的定义：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：数字、频率信号 模拟信号 0~10mA、 4~20mA 及 1~5V 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。
如，气动仪表，电动单元组合仪表Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型等。
数字式仪表
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（集散控制系 统）、 FCS（现场总线控制系统） 等。
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按结构形式
基 地 式 仪 表
Rc来自百度文库/2
信号传输方式：现场仪表与
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。
Ui
接 Ri 收 仪 表
24V
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误差分析
Ri Rcm／２ R0 Ii
Ri / n U0 U0 U0 Ui R0 Rcm Ri / n U0 U0 R0 Rcm 100% R0 Rcm Ri / n
Ri
U0 Rcm／２
发送仪表
Ri
为减小传输误差,应满足Ri/n 》R0 + Rcm ，故有
接收仪表
R0 Rcm n 100% Ri
为减小传输误差，要求：
R0和Rcm 尽量小，Ri 大些，限制并联 仪表的数量n。
电压信号传输时 仪表之间的连接
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电压传输的特点
优点
Ri Rcm／２ R0 Ii
输入电阻
电流信号传输时仪表之间的连接
接 Ri 收 仪 表 220V ~ 接 Ri 收 仪 表
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二、电信号传输方式
误差分析
Rcm Ri
I0

I 0 Ii I0
I0
R0 I0 R0 ( Rcm nRi ) I0
R0 Ri
Rcm nRi 100% R0 Rcm nRi


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概论
第二节 控制仪表及装置分类、发展
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> 控制仪表及装置的分类
按所用能源形式
工业上主要使用电动和气动控制仪表。
气 动 仪 表 电 动 仪 表 液 动 仪 表 混 和 仪 表
自动化装置按采用的能源形式不同
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电动控制仪表和气动控制仪表的比较
电动控制仪表 能源 电源（220V AC/24V DC） 气动控制仪表 气源（140kPa）
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第四阶段 20世纪70 ~90年代 (1975)
集 散 控 制 系 统
分散监测控制装置, 人-机接口装置, 通信网络, 上位机接口装置
操作、 显示、 管理 集中. 控制、 负荷、 危险 分散
时间
名称
结构
特点
主要产品 FF基金会现场总线 (美国费歇尔罗斯蒙特公司) PROFIBUS 过程现场总线 (德国西门子公司)
变送器
接收 仪表
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。
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> 控制仪表与控制系统
控制仪表指自动控制系统中广泛使用的控制器、变送 器、运算器、执行器等，以及新型控制仪表和装置。 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
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给定值
控制器
变送器 被控对象 被控参数
本章重点内容介绍


控制仪表与控制系统 仪表的分类和发展 联络信号定义、类型、电信号传输方式 （供电24VDC 、输入信号1~5V、输出信 号4~20mA） 防爆电气设备的分类、分组和防爆标志 常用防爆型控制仪表类型和特点 控制系统实现本安防爆的要求
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概论
第一节 控制仪表与控制系统