工業(yè)控制及自動化儀表基礎知識

1、工業(yè)控制及自動化儀表 基礎知識 英達康 華志斌 主要內容 n常用控制電器 n繼電器接觸器控制系統(tǒng)的設計原則 n繼電器接觸器控制線路設計中應注意的問題 nPLC簡介（構成、特點、應用領域） nPLC與其他工業(yè)控制系統(tǒng)的比較 n電動單元組合儀表簡介 n檢測儀表 n調節(jié)器 n執(zhí)行器和防爆柵 nDCS簡述 常用控制電器 n接觸器 n繼電器 n主令電器 n保護電器和組合電器 接觸器 適于頻繁地接通和分斷主電路或大容量控制 電，主要用于控制電動機，也可用于控制其它電力 負荷。 按工作原理分為電磁式、氣動式和液壓式，這 里主要介紹電磁式接觸器。 電磁式接觸器的主要組成部分：觸頭系統(tǒng)、 電磁系統(tǒng)、滅弧裝置、支

2、架和外殼。 按主回路接通和分斷的負載電流的性質，分 為直流接觸器和交流接觸器。 交流接觸器 主回路分斷和接通交流負載，控制線圈可以 是交流或直流，通常交流接觸器的控制線圈為交流 線圈。 交流接觸器分斷交流負載，滅弧裝置相對簡 單，當使用交流線圈時線圈鐵心象變壓器一樣為減 少渦流損耗由硅鋼片疊壓而成，由于線圈電磁力發(fā) 生波動，通常噪聲較大。由于勵磁電流與勵磁線圈 的電抗相關，而電抗又與磁路的氣隙大小有關，所 以接觸面不平或污損將會增大勵磁電流，增大接觸 器溫升甚至燒毀交流接觸器。 直流接觸器 主回路分斷和接通直流負載，控制線圈可以 是交流或直流，通常交流接觸器的控制線圈為直流 線圈。 交流接觸器

3、分斷直流負載，滅弧裝置相對復 雜，當使用直流勵磁線圈時線圈鐵心通常由整塊軟 鐵構成成，由于線圈電磁力穩(wěn)定，通常噪聲較小。 由于勵磁線圈電感大，在斷開勵磁線圈時將產生較 高的感應電勢，因此要注意線圈的絕緣和能量瀉 放。 接觸器主要技術參數(shù) n額定工作電壓（主觸頭的額定電壓） n額定工作電流（主觸頭的額定電流） n電磁鐵線圈的額定電壓 n額定操作頻率 n觸頭數(shù)目（主觸頭和輔助觸頭） n接通和分斷能力 繼電器 繼電器是根據(jù)某種物理量的變化來改變其觸 點狀態(tài)的控制元件。 當繼電器的輸入電壓、電流和頻率等電量或 溫度、壓力和轉速等非電量達到規(guī)定值時，繼電器 的觸點便接通或分斷所控制或保護的電路。 繼電器

4、一般由輸入感測機構和輸出執(zhí)行機構兩 部分組成，前者用以反映輸入量的高低，后者用以 接通或切斷電路。 常用繼電器種類 n電壓繼電器 n電流繼電器 n時間繼電器 n熱繼電器 n中間繼電器 主令電器 主令電器是按一定生產工藝要求發(fā)出控制命 令的操縱電器，用以閉合或斷開接觸器、繼電器等 電器的線圈回路，以實現(xiàn)對生產機械的控制。在控 制電路中由于它是一種專門發(fā)布命令的電器，故稱 為主令電器。不允許使用主令電器分合主回路。 常見的主令電器有：控制按鈕、萬能轉換開 關、主令控制器、行程開關 保護電器和組合電器 n熔斷器：又稱保險絲，起短路保護作用 n自動開關：又稱空開，有過載、短路、欠 壓保護作用，可用于不

5、頻繁啟動的電機控 制。 n磁力啟動器：是一種組合電器，由接觸器、 隔離開關、熔斷器、熱繼電器和按鈕等組 合而成。 什么是隔離開關？ 繼電器接觸器控制系統(tǒng)的設計原則 n正確地設計控制線路 功能正確，在最大限度滿足 設備對電氣控制線路要求的前提下，力求控制線路簡單、 布局合理，器件選型正確并便于操作和維修。 n設置必要的保護除基本的短路、過載、欠壓保護外， 應根據(jù)實際情況配置必要的保護，保證系統(tǒng)安全可靠。但 不是保護越齊全越好，因為保護越多，線路越復雜，故障 幾率越多，有可能降低系統(tǒng)的可靠性。 n正確選擇電器設備選型時要考慮工作方式、線路電 壓和電流等級，考慮觸點的斷弧容量（雙觸點串聯(lián)可提高 斷弧

6、能力），輔助觸點的數(shù)量等。 n故障安全原則 當系統(tǒng)中出現(xiàn)設備損壞或故障時，不 能發(fā)生誤操作和故障的擴大。 例：操縱制動器的電磁鐵 表示合閘狀態(tài)的指示燈 急停開關、拉繩開斷的狀態(tài)選取 保證控制線路的可靠和安全 n正確連接電器的觸頭 n正確連接電器的線圈 設計中要注意的問題 n控制電源一端接地時應防止發(fā)生意外 KM KM n防止出現(xiàn)寄生回路 KM1 KM2 KM2 KM1 n防止出現(xiàn)寄生回路 L2 L1 KM1 KM2 n防止電氣元件觸點“競爭” “先斷后合型”、“先合后斷型” n繼電器觸頭的分斷合接通能力 觸點并聯(lián)的作用、 n電器連鎖和機械連鎖 n控制電路是否跳閘：控制電路由于電源等原因斷電 或

7、控制器死機時，是否發(fā)出主機跳閘的命令，要根據(jù)具體 系統(tǒng)設計，一般要求控制電路重新啟動時不影響主系統(tǒng)的 運行。 n盡量減少觸點數(shù)目 n盡量縮短連接導線的數(shù)量和長度 n控制線路在工作時，除必要的電氣元件需 通電外，其余電器盡量不長期通電，以延 長電氣元件的壽命和節(jié)約電能及減少發(fā)熱 n采用標準件，盡可能選用相同型號的元件 n盡量使用標準的、常用的或經過實際考驗 過的線路和環(huán)節(jié) 控制線路力求簡單、經濟 n短路保護（空開有短路和過載保護的作用） n過電流保護（電機保護一種，常用繼電器完成） n過載保護（熱繼電器） n失壓保護（防止電源電壓恢復時電機自行 啟動，典型的啟保停電路） n欠壓保護（電壓繼電器）

8、 對電機的基本保護，如過載保護、端相保 護、短路保護等，一般在一個保護裝置中 完成 完善的保護環(huán)節(jié) PLC簡介（構成、特點、應用領域） 國際電工協(xié)會（IEC）定義：可編程控制器是一種數(shù)字 運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它 采用可編程的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、 順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的命令，并通過 數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生 產過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P設備，都應按易于與工業(yè) 控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充功能的原則而設計。 68年GM公司提出10條技術指標在社會上公開招標，69 年DEC根據(jù)要求研制出第一臺PLC并中標。 構

9、成 可編程控制器 存儲器 CPU模塊 輸 入 模 塊 輸 出 模 塊 編程器 輔助觸點 限位開關 按 鈕 電 源 接觸器 電磁閥 指示燈 電 源 特點 n可靠性高，抗干擾能力強 n配套齊全，功能完善，適用性強 n易學易用，深受工程技術人員歡迎 n系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便， 容易改造 n體積小，重量輕，能耗低 應用領域 n開關量邏輯控制（順序控制） n閉環(huán)過程控制 n位置控制 n監(jiān)控系統(tǒng) n分布控制系統(tǒng) PLC與其他工業(yè)控制系統(tǒng)的比較 n與繼電器控制的比較 n與個人計算機控制的比較 n與單板機控制的比較 n與DCS控制的比較 與繼電器控制的比較 n控制邏輯（硬接線與軟接線） n工作方式

10、（硬接線全聯(lián)動和順序掃描） n控制速度 n時間控制 n技術控制 n設計、施工和改造 n可靠性和可維護性 n價格 與個人計算機控制的比較 本質上個人計算機和PLC是面向不同應用領 域的計算機系統(tǒng)。個人計算機的最大特征是運算 速度快，功能強，應用范圍廣。如果采用PC作為 某一設備的控制器，就必須根據(jù)實際需要考慮抗 干擾問題和硬件及軟件設計，以適應設備控制的 需要。這樣就勢必把通用的PC轉化為具有特殊功 能的控制器而稱為一臺專用機。 所以，本質上PLC就是一種用于工業(yè)自動化 控制的專用微機控制系統(tǒng)，結構簡單，抗干擾能 力強，價格也比一般微機系統(tǒng)低。 與單板計算機控制的比較 n單板機不如PLC掌握 n

11、單板機不如PLC簡單 nPLC不如單板機靈活 n單板機不如PLC可靠（？） 與DCS控制的比較 n PLC是由繼電器控制邏輯發(fā)展而來的，集散控制系統(tǒng)是 由回路儀表控制發(fā)展而來的。二者的發(fā)展均都是計算機控 制技術發(fā)展的直接體現(xiàn)。 nPLC在開關量控制、順序控制方面有一定的優(yōu)勢，而集散 系統(tǒng)在回路調節(jié)、模擬量控制方面有一定優(yōu)勢。 二者相互滲透、互為補充，PLC與DCS的差別已不明顯， 它們都能構成復雜的分級控制，從趨勢來看，二者的歸屬 和統(tǒng)一是全分布式計算機控制系統(tǒng)。 聽說過DDC嗎？ 電動單元組合儀表簡介 自動化儀表作為一種專門的儀表，最早出現(xiàn)在上世紀 40年代，由于石油、化工、電力等工業(yè)對自動

12、化的需要， 出現(xiàn)了將測量、記錄、調節(jié)儀表組合在一起的多功能自動 化儀表。后來，人們發(fā)現(xiàn)多功能儀表的結構不夠靈活，不 如將儀表按功能劃分，制成若干種能獨立完成一定功能的 標準單元，各單元間以標準聯(lián)絡信號相互聯(lián)系，這樣通過 選擇一定的單元，積木式地把儀表組合起來，構成各種復 雜程度不同的控制系統(tǒng)。這種積木式的儀表就稱為單元組 合儀表。這種做法不論對儀表廠的大量生產還是用戶的選 用和維護都是有利的。這些年隨著計算機技術的進步，儀 表的功能結構又重新向多功能轉變。 國產儀表 60年代，電子管和磁放大器，DDZ-I,0-10mA 70年代，晶體管，DDZ-II，010mA 80年代，線性集成電路,火花防

13、爆，DDZ-III,4-20mA 工藝介質 調節(jié)對象 被調量 檢測元件 變送單元 顯示單元 執(zhí)行單元 調節(jié)單元 測量值 給定值 給定單元操作單元 單元組合儀表 檢測儀表 n溫度檢測儀表 n壓力檢測儀表 n流量檢測儀表 n液位檢測儀表 n成分分析儀表 溫度檢測儀表 n熱電偶 n熱電阻 n半導體熱敏電阻 （熱電阻使用方便，便宜，熱容大，反映 慢，測溫范圍不如熱電偶大） 半導體熱電阻體積小，適用于設備內測 溫，測溫范圍也小，精度不高。 壓力檢測儀表 n力平衡式壓力（差壓）變送器 n位移式差壓（壓力）變送器 n固態(tài)測壓儀表（壓電效應、壓阻效應、壓 磁效應）（主流）。 流量檢測儀表 n節(jié)流型流量計（孔板

14、、靶式、動子） n容積式（橢圓齒輪） n渦輪流量計（精度介于上者之間） n電磁流量計（可測含纖維及污物的液體， 適用于腐蝕性液體，但導電率不能太小， 不能用于油和純水，不能有氣泡） n漩渦流量計(旋進型和渦街型，渦街為主流） 液位檢測儀表 n浮力式（浮子式、翻板式） n靜壓式 n電容式 n超聲波 n雷達 成分分析儀表 n熱導式（根據(jù)氣體導熱系數(shù)） n紅外線（根據(jù)吸收譜） n色譜（液相色譜，氣相色譜） 調節(jié)器 本節(jié)內容復雜，涉及到自動化控制的比較核 心的算法部分，以后如果需要單獨作為一 個講座。 執(zhí)行器和防爆柵 執(zhí)行器 n氣動執(zhí)行器以壓縮空氣為動力 n電氣轉換器一般將電流轉換為氣壓 n閥門定位器

15、將電流信號轉換為閥門位移，含電氣轉換 n電動執(zhí)行器 防爆柵 防爆的思想 結構防爆：將可能產生危險火花的電路從結構上與爆炸性氣 體隔離開來。（充油、充氣、充砂、隔爆） 本安防爆（安全火花防爆）：把電路在短路、開斷及誤操作 等各種狀態(tài)下可能發(fā)生的火花都限制在爆炸性氣體的點火 能量之下，從爆炸發(fā)生的根本原因上采取措施解決防爆問 題。 危險現(xiàn)場 變 送 器 變 送 器 防爆柵 防爆柵 電 源 調節(jié)器 安全場所（控制室） 本安儀表 本安系統(tǒng) 防爆柵：是對送往現(xiàn)場的電壓和電流進行嚴 格限值的單元，可保證在各種狀態(tài)下進入 現(xiàn)場的電功率都在安全范圍之內。 防爆柵只限值瞬時功率，現(xiàn)場設備的L，C都可能造成危險，

16、 所以構成安全火花防爆系統(tǒng)的充要條件是：現(xiàn)場儀表與非 危險場所之間的電路連接必須經過防爆柵；在危險現(xiàn)場的 儀表必須是本安型的。 防爆電纜：國際標準沒有這一說，只限值L，C，習慣上要求 顏色區(qū)分。 兩種防爆柵 齊納型 隔離型 （1 1）檢測端檢測端防爆柵防爆柵 執(zhí)行端防爆柵電路原理圖執(zhí)行端防爆柵電路原理圖 DCS簡述 n發(fā)展過程發(fā)展過程 n分散控制方式：儀表間相距過遠、儀表盤尺寸過大、無法全分散控制方式：儀表間相距過遠、儀表盤尺寸過大、無法全 面了解信息及操作；面了解信息及操作； n集中控制方式：危險過于集中，計算機出現(xiàn)故障時整個生產集中控制方式：危險過于集中，計算機出現(xiàn)故障時整個生產 裝置癱瘓

17、；裝置癱瘓； n集散控制方式：控制功能分散、操作管理集中集散控制方式：控制功能分散、操作管理集中-DCS。 n集散控制中危險分散的方法：將控制功能分散到多臺計算機集散控制中危險分散的方法：將控制功能分散到多臺計算機 上，采取雙重化冗余措施。上，采取雙重化冗余措施。 集散控制系統(tǒng)的組成 DCS現(xiàn)場控制站概述說明 n概述：控制站支持多回路控制，在加強單回路控制器的基 礎上增加了順序控制功能。 n特點：反饋控制與順序控制由同一CPU操縱，容易完成生 產現(xiàn)場的工藝組合，能夠實現(xiàn)生產全過程的自動化。 n說明：補充資料具有相同功能的技術手段-PLC現(xiàn)場控 制站 DCSDCS監(jiān)控操作站的功能監(jiān)控操作站的功能 n工程功能工程功能-完成系統(tǒng)生成、系統(tǒng)維護、系統(tǒng)完成系統(tǒng)生成、系統(tǒng)維護、系統(tǒng) 測試和系統(tǒng)管理；測試和系統(tǒng)管理； n操作功能操作功能-監(jiān)視、記錄、運行；監(jiān)視、記錄、運行； n通信功能通信功能-完成現(xiàn)場控制站于上位機之間的完成現(xiàn)場控制站于上位機之間的 數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)交換。 主要介紹操作功能-運行中的操作畫面運行中的操作畫面 （1 1）總貌畫面總貌畫面反映生產過程總體狀況反映生產過程總體狀況 （2 2）分組畫面分組畫面-對應顯示各內部儀表狀態(tài)，在操作中觀察其它回路的關對應顯示各內部儀表狀態(tài)，在操作中觀察其它回路的關 聯(lián)變化。聯(lián)變化。 （3 3）