控制儀表裝置課件

第5章輔助儀表知識(shí)目標(biāo)：

掌握安全柵和信號(hào)分配器的作用及使用方法了解變頻器在過(guò)程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用方案掌握電源箱、電源分配器的使用方法技能目標(biāo)：

能運(yùn)用安全柵和本安儀表構(gòu)成安全火花防爆系統(tǒng)能完成實(shí)際控制系統(tǒng)供電和信號(hào)連接第5章輔助儀表5.1安全柵5.2信號(hào)分配器5.3變頻調(diào)速器5.4電源箱及電源分配器5.1安全柵

安全柵是構(gòu)成安全火花防爆系統(tǒng)的關(guān)鍵儀表，安裝在控制室內(nèi)，是控制室儀表和現(xiàn)場(chǎng)儀表之間的關(guān)聯(lián)設(shè)備。其作用是：系統(tǒng)正常時(shí)保證信號(hào)的正常傳輸；故障時(shí)限制進(jìn)入危險(xiǎn)場(chǎng)所的能量，確保系統(tǒng)的安全火花性能。

目前常用的安全柵有：齊納式安全柵和變壓器隔離式安全柵。安全柵的品種:一、齊納式安全柵1.齊納式安全柵的工作原理

齊納安全柵是基于齊納二極管反向擊穿特性工作的。由限壓電路,限流電路和熔斷器三部分組成。其原理電路如圖所示：圖中R為限流電阻，VZ1、VZ2為齊納二極管，F(xiàn)U為快速熔斷器。齊納式安全柵原理圖

系統(tǒng)正常工作時(shí)，安全側(cè)電壓U1低于齊納二極管的擊穿電壓U0，齊納二極管截止，安全柵不影響正常的工作電流。但現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生事故，如短路，利用電阻R進(jìn)行限流，避免進(jìn)入危險(xiǎn)場(chǎng)所的電流過(guò)大；當(dāng)安全側(cè)電壓U1高于齊納二極管的擊穿電壓U0時(shí)，齊納二極管擊穿，進(jìn)入危險(xiǎn)場(chǎng)所的電壓被限制在U0上，同時(shí)安全側(cè)電流急劇增大，快速熔斷器FU很快熔斷，從而將可能造成危險(xiǎn)的高電壓立即和現(xiàn)場(chǎng)斷開(kāi)，保證了現(xiàn)場(chǎng)的安全。并聯(lián)兩個(gè)齊納二極管是增加安全柵的可靠性。齊納式安全柵的工作原理 齊納安全柵優(yōu)點(diǎn)是采用的器件非常少，體積小，價(jià)格便宜;

缺點(diǎn)是齊納式安全柵必須本安接地，且接地電阻必須小于1Ω；危險(xiǎn)側(cè)本安儀表必須是隔離型的；齊納安全柵對(duì)供電電源電壓響應(yīng)非常大，電源電壓的波動(dòng)可能會(huì)引起齊納二極管的電流泄漏，從而引起信號(hào)的誤差或者發(fā)出錯(cuò)誤電平，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使快速熔斷器燒斷。齊納式安全柵的優(yōu)缺點(diǎn) 圖中24VDC的電源一方面通過(guò)安全柵向二線制變送器供電，同時(shí)將二線制變送器產(chǎn)生的4-20mADC的信號(hào)傳送過(guò)來(lái)，由250Ω精確電阻轉(zhuǎn)換為1-5VDC的電壓信號(hào)送顯示儀表或控制器，當(dāng)然變送器傳送來(lái)的信號(hào)也可通過(guò)信號(hào)分配器,其輸出的多路信號(hào)可分別送顯示儀表和調(diào)節(jié)儀表。二線制變送器和齊納安全柵的連用

齊納安全柵和電氣轉(zhuǎn)換器的連用控制器的輸出往往送給電氣轉(zhuǎn)換器或電氣閥門定位器，由氣動(dòng)執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的調(diào)節(jié)。由于控制器的輸出方式不同,和安全柵有兩種不同的連接方法。發(fā)射極輸出型的控制器可以和安全柵共地,故可采用單通道保護(hù)的安全柵；而集電極輸出型的控制器，它的兩個(gè)輸出端都不接地，故需采用雙通道齊納安全柵。二、變壓器隔離式安全柵

變壓器隔離式安全柵利用變壓器或電流互感器將供電電源、信號(hào)輸入端和信號(hào)輸出端進(jìn)行電氣隔離，同時(shí)通過(guò)電子電路(限能器)限制進(jìn)入危險(xiǎn)場(chǎng)所的能量。變壓器隔離式安全柵分為檢測(cè)端安全柵（輸入式安全柵）和操作端安全柵（輸出式安全柵）兩種。1.檢測(cè)端安全柵的作用(一)檢測(cè)端安全柵（1）把來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)變送器的4～20mADC電流經(jīng)隔離變壓器1:1地轉(zhuǎn)換成1～5VDC信號(hào)或4～20mADC信號(hào)輸出至控制室儀表（計(jì)算機(jī)）。（2）為現(xiàn)場(chǎng)兩線制變送器提供24VDC直流電源（3）利用限流、限壓電路使得任何情況下送往危險(xiǎn)場(chǎng)所的電壓不超過(guò)30VDC、電流不超過(guò)30mADC，從而保證了危險(xiǎn)場(chǎng)所的安全。2.檢測(cè)端安全柵的構(gòu)成原理(1)外型結(jié)構(gòu)(2)輸入輸出特性(3)結(jié)構(gòu)組成及工作原理IiVo24VDC125678輸入端輸出端Io4~20mA1~5V4~20mA有六部分組成：1.直流-交流變換器2.整流濾波電路Ⅰ3.整流濾波電路Ⅱ4.電流電壓限制電路5.隔離變壓器6.共基極放大電路現(xiàn)場(chǎng)變送器調(diào)節(jié)器T124VDC電流電壓限制電路共基極放大電路DC/AC交直流變換器計(jì)算機(jī)整流濾波電路Ⅰ隔離變壓器整流濾波電路Ⅱe0e1e2IiVOABU-I1~5V4~20mA+--+-+VC5VC3調(diào)制器解調(diào)器隔離電源變壓器T2輸入端輸出端結(jié)構(gòu)組成①DC/AC/DC交換器：實(shí)現(xiàn)“隔離供電”它是一個(gè)磁耦合對(duì)稱推挽式多潛振蕩器24DC→eo→e1、e2方波，（8KHz）②整流濾波與輸入調(diào)制電路

e1→D5-8→C3→Vc3→為（解調(diào)）輸出電路提供電源

e2→D10-D13→C5→Vc5→限壓限流電路電源

e2→D10、D11，D14、D15（開(kāi)關(guān)）→Ii→eT21、eT22→ei1.2e2→D10-D15→Vc7→為現(xiàn)場(chǎng)變送器提供24VDC電源工作原理③共基解調(diào)放大與輸出（解調(diào)）回路

將ei1、2→I04～20mAV01-5VDCW2—調(diào)零④晶體管限壓限流電路（限能器）☆作用：對(duì)到現(xiàn)場(chǎng)的能量進(jìn)行限制，（限壓、限流）☆過(guò)壓保護(hù)（限壓作用）：正常時(shí)：DW1不導(dǎo)通；BG7截止；BG8飽和導(dǎo)通；VAB=VC7=24V過(guò)壓時(shí)：DW1導(dǎo)通BG7飽和導(dǎo)通；BG8截止；VAB=0☆過(guò)流保護(hù)（限流作用）：正常時(shí):

I入正常VR14小→BG7截止、BG8飽和導(dǎo)通；I入′=I入過(guò)流時(shí):I入↑→VR14↑→BG7導(dǎo)通→VC7↓→VB8↓BG8→放大區(qū)

IC8=βIB8I入=IC8↓=βIB8

1.操作端安全柵的作用(二)操作端安全柵（

1）把來(lái)自控制室儀表的4～20mADC電流經(jīng)隔離變壓器1:1地轉(zhuǎn)換成1～5VDC直流電壓信號(hào)或4～20mADC直流電流信號(hào)輸出至現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器。（2）利用限流、限壓電路使得任何情況下送往危險(xiǎn)場(chǎng)所的電壓不超過(guò)30VDC、電流不超過(guò)30mADC，從而保證了危險(xiǎn)場(chǎng)所的安全。2.操作端安全柵的構(gòu)成原理(1)外型結(jié)構(gòu)(2)輸入輸出特性IoIi24VDCA1A2B1B278輸出端輸入端4~20mA4~20mA(3)結(jié)構(gòu)組成及工作原理e2有六部分組成：1.直流-交流變換器2.整流濾波電路3.調(diào)制電路4.電流電壓限制電路5.隔離變壓器6.共基極放大電路輸入端輸出端現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器調(diào)節(jié)器T124VDC電流電壓限制電路共基極放大電路DC/AC交直流變換器計(jì)算機(jī)整流濾波電路Ⅰ隔離變壓器e0e1IoABU-I4~20mA+--+-+VC6調(diào)制器解調(diào)器隔離電源變壓器T2輸出端輸入端Ii4~20mA調(diào)制電路安全柵的作用（1）信號(hào)的傳輸（2）能量的傳輸（3）限流、限壓變送器執(zhí)行器檢測(cè)端安全柵操作端安全柵調(diào)節(jié)器計(jì)算機(jī)危險(xiǎn)場(chǎng)所:現(xiàn)場(chǎng)非危險(xiǎn)場(chǎng)所:控制室4~20mA1~5V4~20mAV出I入24VDC4~20mA穩(wěn)壓源I入I出24VDC24VDC信號(hào)能源信號(hào)能源能源能源V≤30VDCI≤30mADC進(jìn)液出料量非安全火花型自動(dòng)控制系統(tǒng)氣動(dòng)執(zhí)行器差壓式液位變送器V4~20mA1~5V控制器Q出Q進(jìn)LP氣ρ4~20mAVIII顯示儀表危險(xiǎn)場(chǎng)所:現(xiàn)場(chǎng)非危險(xiǎn)場(chǎng)所:控制室△P液位配電器I24VDC24VDC進(jìn)液出料量氣動(dòng)執(zhí)行器差壓式液位變送器V4~20mA1~5VQ出Q進(jìn)LP氣ρ4~20mA4~20mAVII操作端安全柵I顯示儀表危險(xiǎn)場(chǎng)所:現(xiàn)場(chǎng)非危險(xiǎn)場(chǎng)所:控制室△P液位檢測(cè)端安全柵24VDC24VDC24VDC安全火花型防爆系統(tǒng)控制器V<30VDCI<30mADCI5.2信號(hào)分配器 信號(hào)分配器主要是將一路輸入轉(zhuǎn)換成兩路或多路輸出，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換、分配和隔離等功能。但因具體使用要求不同而功能不盡相同。有的信號(hào)分配器還可對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行處理。 信號(hào)分配器將4～20mADC的輸入信號(hào)經(jīng)250Ω的精密電阻電阻轉(zhuǎn)換為兩路1～5VDV信號(hào)輸出。其中A端為輸入，B端和C端為輸出，D端作為輸入和輸出信號(hào)的公共負(fù)端。它最多處理5路輸入信號(hào)，常用于盤裝儀表的信號(hào)連接及配線。C公用端子1A1B1C250Ω2A2B2C250Ω5A5B5C250Ω4～20mA信號(hào)分配器原理 當(dāng)一個(gè)信號(hào)向兩個(gè)設(shè)備（如顯示儀表和控制儀表）同時(shí)輸送信號(hào)時(shí)，若這兩設(shè)備不共地,就有可能在兩個(gè)設(shè)備之間產(chǎn)生干擾，基至使儀表不能工作。針對(duì)此類情況必須使用隔離式信號(hào)分配器。

隔離式信號(hào)分配器WS15242D用24VDV供電，把來(lái)自二線制變送器的4-20mADC信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之隔離的兩路輸出信號(hào)，一路為4-20mADC，一路為1-5VDC，分別送給控制器和顯示儀表，且兩路輸出之間也是隔離的。這里電源和輸入、輸出之間也是相互隔離的。5.3變頻調(diào)速器 變頻調(diào)速器是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)電源的頻率來(lái)調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的。在自動(dòng)化領(lǐng)域，變頻調(diào)速器可以作為系統(tǒng)的執(zhí)行部件，接收來(lái)自控制器的控制信號(hào)，并根據(jù)控制信號(hào)的大小改變輸出電源的頻率來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變被控制對(duì)象；也可作為系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)部件，單獨(dú)完成系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和控制作用。一、變頻調(diào)速器的結(jié)構(gòu)框圖 電源輸入回路將輸入的電源信號(hào)進(jìn)行整流變成直流信號(hào)；然后由逆變電路根據(jù)主控電路發(fā)來(lái)的控制命令將整流后的直流電源信號(hào)調(diào)制成某種頻率的交流電源信號(hào)輸出給電動(dòng)機(jī)。輸出頻率可在0到50HZ之間變化。電源頻率降低，電源電壓也隨之降低，使得電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)功率下降，從而減少了電源消耗。 主控電路以CPU為核心，接收從鍵盤或輸入控制端來(lái)的給定頻率值和控制信號(hào)以及從傳感器送來(lái)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行必要的運(yùn)算，輸出SPWM波的調(diào)制信號(hào)至逆變器的驅(qū)動(dòng)電路，使逆變器接要求工作。同時(shí)把需要顯示的信號(hào)送顯示器，把用戶通過(guò)功能預(yù)置所要求的狀態(tài)信息送輸出控制電路。 下面以常見(jiàn)的鍋爐燃燒時(shí)爐膛壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)為例說(shuō)明變頻調(diào)速器的應(yīng)用。大型鍋爐運(yùn)行時(shí)爐膛內(nèi)的壓力基本都是一個(gè)常數(shù)，壓力過(guò)高或者過(guò)低都會(huì)給鍋爐的正常運(yùn)行帶來(lái)不良影響。常常需要調(diào)整鼓風(fēng)量使鍋爐能夠處于最佳的運(yùn)行狀態(tài)。 爐膛壓力控制系統(tǒng)是根據(jù)爐膛壓力檢測(cè)信號(hào)與給定值進(jìn)行比較，其偏差送調(diào)節(jié)進(jìn)行運(yùn)算，得到的控制信號(hào)送執(zhí)行器調(diào)整送風(fēng)量，而此時(shí)風(fēng)機(jī)照常以額定的轉(zhuǎn)數(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)。采用變頻調(diào)速器后，控制系統(tǒng)發(fā)生了變化。與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，變頻調(diào)速器取代了原有的執(zhí)行部件，它是通過(guò)改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)改變送風(fēng)量。由于變頻調(diào)速器具有多種輸入方式，能夠很方便地與自動(dòng)控制儀表相結(jié)合，因此在自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。爐膛壓力控制系統(tǒng)5.4電源箱及電源分配器一、電源箱 電源箱是指為電動(dòng)單元組合儀表集中供電的穩(wěn)壓電源裝置，作用是將220V的交流電轉(zhuǎn)換為24V的直流電。下面以DFY型電源箱為例說(shuō)明其工作原理。

DFY型電源箱有過(guò)壓、欠壓、過(guò)載和短路保護(hù)等功能。當(dāng)接有備用電源時(shí)，若出現(xiàn)過(guò)壓或欠壓故障，DFY

會(huì)立即切斷本電源的輸出，并能把備用電源自動(dòng)接上，保證儀表正常供電。同時(shí)有報(bào)警信號(hào)信號(hào)輸出；

當(dāng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，電源箱切斷電源輸出并發(fā)出報(bào)警，此時(shí)不會(huì)接上備用電源。待短路故障排除后，無(wú)須人工干預(yù)，自動(dòng)恢復(fù)正常電壓輸出，對(duì)儀