控制儀表與控制系統

*節控制儀表與控制系統

控制儀表是實現生產過程自動化的重要工具。在自動控制系統中，檢測儀表將被控變量 轉換成測量信號后，還需送控制儀表，以便控制生產過程的正常進行，使被控變量達到預期 的要求。

這里所指的控制儀表包括在自動控制系統中廣泛使用的控制器、變送器、運算器、執行 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框圖。控制對象代表生產過 程中的某個環節，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，再經變送器轉換成相應的電信號。該信號送 到控制器中與給定值相比較。控制器按照比較后得出的偏差，以一定的控制規律發出控制信 號，控制執行器的動作，改變被控介質物料或能量的大小，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、控制器和執行器構成的一個單回路溫度控制系 統。溫度變送器將溫度信號轉換為電信號，在控制儀表的作用下，通過執行器將加熱爐的出 口溫度控制在規定范圍之內。

一個控制系統除了圖中表示的幾類控制儀表以外，還可根據需要設置轉換器、運算器、 操作器、顯示裝置和各種儀表系統，以完成復雜的控制任務。

第二節控制儀表及裝置的分類

控制儀表及裝置可按能源形式、信號類型和結構形式進行分類。

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。

氣動控制儀表的發展和應用已有十年歷史，20世紀40年代起就已廣泛用于工業生 產。它的特點是結構簡單、性能穩定、可靠性高、價格便宜，且為本質安全防爆，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，又便于實現遠距離監視和操作，因而這類儀表的應用更為廣泛。電動控制儀表

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

二、按信號類型分類

按信號類型可分為模擬式和數字式兩大類。

模擬式控制儀表的傳輸信號通常為連續變化的模擬量。這類儀表線路較簡單，操作方 便，價格較低，在設計、制造、使用上均有較成熟的經驗。長期以來，它廣泛地應用于各工 業部門。

數字式控制儀表的傳輸信號通常為斷續變化的數字量。20多年來，隨著微電子技術、計 算機技術和網絡通信技術的迅速發展，數字式控制儀表和新型計算機控制裝置相繼問世，并越 來越多地應用于生產過程自動化中。這些儀表和裝置是以微處理器為核心，其功能完善，性能 *，它能解決模擬式儀表難以解決的問題，滿足現代化生產過程的高質量控制要求。

三、按結構形式分類

按結構形式可分為基地式控制儀表、單元組合式控制儀表、集散控制系統以及現場總線 控制系統。

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，附加控制機構而組成。它不僅能對某變量 進行指示或記錄，還具有控制功能。基地式模擬儀表一般結構比較簡單；基地式數字儀表則 功能較為齊全，具有較高的性價比。這類儀表常用于單機自動化系統。

2. 單元組合式控制儀表

單元組合式控制儀表是根據控制系統中各個組成環節的不同功能和使用要求，將儀表做 成能實現某種功能的獨立單元，各單元之間用統一的標準信號來。將這些單元進行不同 的組合，可以構成多種多樣、復雜程度各異的自動檢測和控制系統。

單元組合儀表可分為變送單元、轉換單元、控制單元、運算單元、顯示單元、執行單 元、給定單元和輔助單元八大類。

我國生產的電動單元組合儀表（DDZ)和氣動單元組合儀表（QDZ)經歷了 I型、II 型、ID型三個發展階段，以后又推出了較為*模擬技術和數字技術相結合的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，適用于中、小型企業的自 動化系統。過去的數十年，它們在實現我國工業生產過程自動化中發揮了重要作用。

3. 集散控制系統

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

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

工業上使用較多的數字式控制類儀表可編程調節器和可編程控制器，可與DCS配合使用。 可編程調節器的外形結構、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 組態可完成各種運算處理和復雜控制。可編程控制器以開關量控制為主，也可實現對模擬量的 控制，并具備反饋控制功能和數據處理能力。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，能方便地與計算機裝置聯用，構成不同規模的分級控制系統。

4.現場總線控制系統

現場總線控制系統（FCS)是20世紀90年代發展起來的新一代工業控制系統。它是計 算機網絡技術、通信技術、控制技術和現代儀器儀表技術的發展成果。現場總線的出現 改變了傳統控制系統的結構，它將具有數字通信能力的現場智能儀表連成工廠底層網絡系 統，并同上一層監控級、管理級起來成為全分布式的新型控制網絡。

現場總線控制系統的基本特征是其結構的網絡化和全分散性，系統的開放性，現場儀表 的互操作性和功能自治性，以及對環境的適應性。FCS無論在性能上或功能上均比傳統控 制系統更*。隨著現場總線技術的不斷發展與完善，FCS將越來越多地應用于工業自動 化系統中，并與傳統DCS相結合，構成技術更*混合型分布式控制系統。

與此同時，應用廣泛的以太網（Ethernet)也進人了工業控制領域。許多的工業控 制系統都將以太網用作自動化系統管理層和監控層的通信網段，且向現場控制層延伸。各大 公司正努力解決以太網用于工業現場的關鍵技術問題，使Ethernet更好地應用于工控系統 的各級網絡。

本世紀以來，隨著DCS和FCS技術的進展，一種低成本、超低功耗、高可靠的短程無 線網絡開始應用于工業現場，無線網絡與有線網絡相結合，能完善系統功能，進一步提升工 業自動化的水平。

聯絡信號和傳輸方式

一、聯絡信號

儀表之間應由統一的聯絡信號來進行信號傳輸，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，共同實現控制功能。

(一）聯絡信號的類型 控制儀表和裝置常使用以下幾種聯絡信號。

對于氣動控制儀表，上統一使用20?lOOkPa氣壓信號，作為儀表之間的聯絡信號。 對于電動控制儀表，其聯絡信號常見的有模擬信號、數字信號、頻率信號等。模擬信號 和數字信號是自動化儀表與裝置所采用的主要聯絡信號。

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、電容及負載性質的影 響，不存在相移問題等優點，故上都以直流電流或直流電壓作為統一聯絡信號。

數字信號具有傳輸可靠、抗干擾能力強，易于儲存和處理等特點，廣泛用于數字儀表及裝置間的信號聯絡。

本節著重討論電模擬信號，數字信號將在第二篇有關章節中另作說明。

(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值開始，上限值可以 較低，也可以較高。取值范圍的確定，應從儀表的性能和經濟性作全面考慮。

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 直流電流作為統一聯絡信號；DDZ-ffl型儀表采用4?20mA直流電流和1?5V直流電壓作 為統一聯絡信號；有些儀表則采用0?5V或0?10V直流電壓作為聯絡信號，并在裝置中考 慮了電壓信號與電流信號的相互轉換問題。

信號下限從零開始，便于模擬量的加、減、乘、除、開方等數學運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，電氣零點與機械零點分開，便 于檢驗信號傳輸線是否斷線及儀表是否斷電，并為現場變送器實現兩線制提供了可能性。

電流信號上限大，產生的電磁平衡力大，有利于力平衡式變送器的設計制造。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電模擬信號的統一標準。