過程控制儀表與裝置概述

過程控制裝置1.參考教材：?過程控制系統(tǒng)與裝置?，何離慶主編重慶大學(xué)出版社，2003.參考書目：?過程控制工程?，邵裕森，等主編機(jī)械工業(yè)出版社，2000.?控制儀表與裝置?，向婉成主編機(jī)械工業(yè)出版社，1999.。。。2.主要內(nèi)容控制儀表與裝置概述變送器與轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)器執(zhí)行器分散型控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)典型生產(chǎn)過程控制裝置3.第一章

過程控制儀表與裝置概述一、控制儀表與裝置的分類及開展二、控制儀表與裝置的信號與供電三、控制系統(tǒng)的平安防爆4.自動控制是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置〔稱為過程控制儀表或裝置〕，使被控對象的工作狀態(tài)或參數(shù)〔壓力、物位、流量、溫度、PH值等〕自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。什么是自動控制?5.計算機(jī)控制系統(tǒng)的開展過程DDC控制始于50末期本質(zhì)：用一臺計算機(jī)取代一組模擬調(diào)節(jié)器，構(gòu)成閉環(huán)控制回路特點：具有里程碑意義問題：價格、性能集中型計算機(jī)控制本質(zhì)：一臺計算機(jī)取代盡可能多的模擬調(diào)節(jié)器特點：控制集中信息集中危險集中問題：性能DCS控制始于70年代本質(zhì)：采用過程控制－過程管理－生產(chǎn)管理等多層結(jié)構(gòu)特點：控制分散信息集中半數(shù)字，半分散傳統(tǒng)DCSPLC_BasedDCSIPC_BasedDCSFCS本質(zhì)：支持雙向、多節(jié)點、總線式的全數(shù)字通訊，將全廠最基礎(chǔ)的現(xiàn)場級儀表和裝置均通過現(xiàn)場總線連接起來特點：把控制任務(wù)下移到智能現(xiàn)場設(shè)備，全分散控制分布式IODCS現(xiàn)場信號根據(jù)傳輸距離或功能不同連接到現(xiàn)場I/O設(shè)備上，各現(xiàn)場I/O設(shè)備與控制站間通過網(wǎng)絡(luò)（現(xiàn)場總線）連接。過渡型結(jié)構(gòu)6.——直接數(shù)字量控制本質(zhì)——

用一臺計算機(jī)取代一組模擬調(diào)節(jié)器，構(gòu)成閉環(huán)控制回路，用數(shù)字控制技術(shù)簡單地取代模擬控制技術(shù)。過程控制計算機(jī)SPAI、DIAO、DO

檢測儀表執(zhí)行器被控過程（對象）起始于50年代末期，開辟了一個轟轟烈烈的計算機(jī)工業(yè)應(yīng)用時代

優(yōu)點——計算靈活，精度高，PID控制規(guī)律，分時處理多個控制回路此外，DDC也很快開展到PID以外的多種復(fù)雜控制。問題——價格昂貴，運算速度不高7.——集中型計算機(jī)控制系統(tǒng)初衷：由于當(dāng)時的計算機(jī)體積龐大，價格非常昂貴，為了使計算機(jī)控制能與常規(guī)儀表控制相競爭，企圖用一臺計算機(jī)來控制盡可能多的控制回路。外設(shè)過程控制計算機(jī)AIDIAODO

被控過程（對象）被控變量操作變量…………}{輸入子系統(tǒng)輸出子系統(tǒng)優(yōu)越性：從外表上看——信息集中，集中型計算機(jī)控制可以實現(xiàn)各種更復(fù)雜控制功能；便于實現(xiàn)優(yōu)化控制和優(yōu)化生產(chǎn)。問題：由于當(dāng)時計算機(jī)總體性能低，容量小，容易出現(xiàn)負(fù)荷過載，控制集中直接導(dǎo)致危險集中，高度集中使系統(tǒng)變得十分“脆弱〞。8.——集散控制系統(tǒng)DCS出發(fā)點〔2個方面〕：(1)不能采取控制回路高度集中的設(shè)計思想，需要把控制功能分散到假設(shè)干個控制站實現(xiàn)，以提高系統(tǒng)的可靠性；(2)考慮到整個生產(chǎn)過程的整體性，各個控制系統(tǒng)〔回路〕的運行應(yīng)當(dāng)服從工業(yè)生產(chǎn)管理的總體目標(biāo)。根本特征:控制的分散性和管理的集中性9.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)〔FCS〕10.定義是連接智能現(xiàn)場裝置和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。支持雙向、多節(jié)點、總線式的全數(shù)字通訊·雙向數(shù)據(jù)通信能力防止了反復(fù)進(jìn)行A/D、D/A的轉(zhuǎn)換·把控制任務(wù)下移到現(xiàn)場設(shè)備，以實現(xiàn)測量控制一體化全分散本質(zhì)特點評價·已成為全世界范圍自動化技術(shù)開展的熱點·涉及整個自動化和儀表的工業(yè)“革命〞FCS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)11.計算機(jī)控制系統(tǒng)的開展特征隨著局域網(wǎng)、Internet、IT技術(shù)迅速開展，計算機(jī)控制系統(tǒng)向集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、信息化開展成為一種趨勢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向網(wǎng)絡(luò)化、網(wǎng)絡(luò)扁平化方向發(fā)展

系統(tǒng)功能向綜合化方向發(fā)展系統(tǒng)設(shè)備向多樣化方向發(fā)展12.例:一貯罐液位控制系統(tǒng)。要求貯罐液位保持一定，以滿足生產(chǎn)需要；圖中液位變送器、控制器和執(zhí)行器構(gòu)成了一個單回路控制系統(tǒng)。分析:貯罐液位由液位變送器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)信號送到控制器，與給定值相比較，控制器按比較得到的偏差，以一定的控制規(guī)律發(fā)出控制信號，控制執(zhí)行器的動作，通過改變貯罐液體出料的流量，從而使貯罐液位保持在與給定值根本相等的數(shù)值上。13.控制器被控對象變送器zxe=x-z-pqy干擾溫度〔壓力、液位、流量〕變送器、在線成分分析儀〔通常輸出：4~20mA、1～5V等標(biāo)準(zhǔn)信號〕液位開關(guān)、料位開關(guān)、接近開關(guān)(通常輸出on/off信號)傳感器〔Pt100、熱電偶……〕……通常安裝于控制室通常安裝于現(xiàn)場顯示儀表四個根本環(huán)節(jié)：被控對象、檢測儀表、控制器、執(zhí)行器〔顯示儀表根據(jù)需要可選〕閥門：調(diào)節(jié)閥、電磁閥、氣動蝶閥……泵：開關(guān)泵、變頻泵控制閥14.一、過程控制儀表的開展概況及分類開展概況50年代60年代70年代80年代90年代21世紀(jì)至今QDZⅠQDZⅡQDZⅢDDZⅠDDZⅡDDZⅢ數(shù)字式〔智能式〕控制儀表DCS系統(tǒng)〔PLC〕現(xiàn)場總線以太網(wǎng)15.典型的儀表系統(tǒng)基地式系統(tǒng)基地式儀表第0代常規(guī)儀表控制系統(tǒng)單元組合儀表：調(diào)、變、執(zhí)、算(DDZ-II、III、QDZ)第1代

DDC控制變、執(zhí)(DDZ-II、III)

集中型計算機(jī)控制系統(tǒng)變、執(zhí)(DDZ-II、III)

第2代DCSOS：小型機(jī)、IPCCS：IPC、PLC、智能調(diào)節(jié)器現(xiàn)場儀表：DDZ-III為主

第3代*分布式IODCS現(xiàn)場信號根據(jù)傳輸距離或功能不同連接到現(xiàn)場I/O設(shè)備上，各現(xiàn)場I/O設(shè)備與控制站間通過網(wǎng)絡(luò)（現(xiàn)場總線）連接?，F(xiàn)場儀表：DDZ-III、總線儀表

過渡型*FCS將全廠最基礎(chǔ)的現(xiàn)場級儀表和裝置均通過現(xiàn)場總線連接起來，實現(xiàn)全數(shù)字化通訊。現(xiàn)場儀表：總線儀表

第4代*16.基地式控制儀表：以指示、記錄儀表為主體，附加控制機(jī)構(gòu)所組成的裝置。單元組合式控制儀表：將整套儀表按照功能劃分成假設(shè)干獨立的單元(分為變送、轉(zhuǎn)換、計算、顯示、給定、調(diào)節(jié)、執(zhí)行與輔助單元等八大類)，各單元之間用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號連接。按照連接信號的不同，單元組合式控制儀表分為氣動單元組合儀表(QDZ)和電動單元組合儀表(DDZ)兩類。組裝式綜合控制裝置：它的最大的特點是控制和顯示操作功能別離，結(jié)構(gòu)上分為控制機(jī)柜和顯示操作盤兩大局部，可以實現(xiàn)對生產(chǎn)的集中顯示和操作。計算機(jī)(數(shù)字式)控制裝置：以微型計算機(jī)為核心的自動控制系統(tǒng)。包括：集散控制系統(tǒng)、可編程控制器、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)等。17.過程控制儀表類型過程控制儀表模擬式數(shù)字式基地式單元組合式組裝式氣動QDZ電動DDZDDZ-ⅠDDZ-ⅡDDZ-ⅢDDZ-Ⅳ單/多回路控制器可編程控制器(PLC)工業(yè)計算機(jī)(IPC)集散系統(tǒng)系統(tǒng)(DCS)總線控制系統(tǒng)(FCS)可編程自動化控制器(PAC)18.單元組合儀表類型氣動單元組合儀表QDZ變送單元(B)轉(zhuǎn)換單元(Z)計算單元(J)顯示單元(X)給定單元(G)調(diào)節(jié)單元(T)輔助單元(F)電動單元組合儀表DDZ變送單元(B)轉(zhuǎn)換單元(Z)計算單元(J)顯示單元(X)給定單元(G)調(diào)節(jié)單元(T)執(zhí)行單元(K)輔助單元(F)19.附圖：一、DDZ之變送單元類

(溫度、壓力、差壓、流量、物位、成分等)溫度變送器20.二、DDZ之轉(zhuǎn)換單元類

(阻抗、電流、毫伏、氣/電與電/氣、頻率、脈沖/電壓、峰值檢測器等)電流轉(zhuǎn)換器直流毫伏轉(zhuǎn)換器電/氣轉(zhuǎn)換器21.三、DDZ之顯示單元類

(比例或開方積算器、各種指示儀與警報器等)單、雙針指示器 比例積算儀22.四、DDZ之運算單元類

(加減器、乘除器、開方器、函數(shù)發(fā)生器等)加減器 乘除器 開方器23.五、DDZ之給定單元類

(恒流、比值、時間程序、參數(shù)給定器等)DGJ型報警給定器 DGA-2000型恒流給定器24.六、DDZ之調(diào)節(jié)單元類

(PID基型、PID自整定、PID間歇、SPC、DDC備用、自動選擇、抗積分飽和控制等)DDZ-IIIDTZ－2100型全刻度指示調(diào)節(jié)器25.七、DDZ之執(zhí)行單元類

(角行程、直行程、閥門定位器等)電動角行程(DKJ)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動直行程(DKZ)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電氣閥門定位器 氣動閥門定位器26.八、DDZ之輔助單元類

(Q型、D型、便攜式及S/Z自動切換操作器，信號限制器、信號選擇器、平安柵、配電器、直流穩(wěn)壓電源、隔離器等)配電器 隔離器 操作器27.DDZ之輔助單元類電源箱28.分類及特點〔一〕按安裝場地分：1.現(xiàn)場類儀表2.控制室類儀表〔二〕按能源形式分：1.氣動控制儀表2.電動控制儀表3.液動控制儀表〔三〕結(jié)構(gòu)形式分：1.基地式控制儀表2.單元組合式控制儀表3.組裝式綜合控制裝置4.數(shù)字化控制儀表5.集散控制系統(tǒng)6.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)?！菜摹嘲葱盘栃问椒郑?.模擬控制儀表2.數(shù)字控制儀表29.〔一〕按安裝場地分：2、控制室類儀表

1、現(xiàn)場類儀表在抗干擾、防腐蝕、抗震動等方面有特殊要求。30.〔二〕按能源形式分：電動控制儀表的特點：信號傳送速度快、傳送距離遠(yuǎn)、易于與計算機(jī)聯(lián)用。

氣動控制儀表的特點：結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、平安防爆、易于維修。31.〔三〕結(jié)構(gòu)形式分：1.基地式控制儀表以指示、記錄儀表為主體，附加某些控制機(jī)構(gòu)。2.單元組合控制儀表

電動單元組合儀表：DDZ

Ⅰ型；DDZⅡ型；DDZⅢ型電源：220VAC；24VDC；電信號：電流0～10mADC；4～20mADC；

Vo：1～5VDC氣動單元組合儀表：氣源：140kPa；氣信號：20～100kPa32.3.組裝式控制儀表一種功能別離、結(jié)構(gòu)組件化的成套儀表裝置。工程實際中已很少使用。4.數(shù)字控制儀表以數(shù)字計算機(jī)為核心的數(shù)字控制儀表。其外形結(jié)構(gòu)、面板布置保存了模擬式儀表的一些特征，但其運算、控制功能更為豐富，通過組態(tài)可完成各種運算處理和復(fù)雜控制?？珊陀嬎銠C(jī)配合使用，以構(gòu)成不同規(guī)模的分級控制系統(tǒng)。33.5.集散型控制系統(tǒng)將集中一臺計算機(jī)完成的任務(wù)分派給各個微型過程控制計算機(jī)，再配上數(shù)字總線以及上一級過程控制計算機(jī)，組成各種各樣的、能適應(yīng)于不同過程的積木式分級分布計算機(jī)控制系統(tǒng)。實現(xiàn)了“控制分散〞或“危險分散〞，管理高度集中。6.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)和現(xiàn)代儀器儀表技術(shù)的最新開展成果。它將具有數(shù)字通信能力的現(xiàn)場智能儀表連成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并同上一層監(jiān)控級、管理級聯(lián)系起來成為全分布式的新型控制網(wǎng)絡(luò)。34.〔四〕按信號類型分：模擬式控制儀表傳輸信號通常為連續(xù)變化的模擬量。這類儀表線路較簡單，操作方便，價格較低使用上均有較成熟的經(jīng)驗。數(shù)字式控制儀表傳輸信號通常為斷續(xù)變化的數(shù)字量。這些儀表和裝置是以微型計算機(jī)為核心，其功能完善，性能優(yōu)越，它能解決模擬式儀表難以解決的問題，滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)過程的高質(zhì)量控制要求。35.二、控制儀表與裝置的信號與供電〔一〕控制儀表與裝置的供電〔二〕模擬儀表與裝置的信號制〔三〕數(shù)字儀表與裝置的信號制36.壓力變送器壓力變送器常用的控制儀表及裝置

37.測量膜合差壓變送器雙法蘭差壓送器38.無紙記錄儀39.測量精確值BetterControl可編程調(diào)節(jié)器輸出精確值輸出百分值測量百分值40.

氣動閥門定位器氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)41.直通單、雙座控制閥直通單、雙座控制閥42.43.44.閘閥球閥三通閥蝶閥角閥45.46.球閥角閥47.

控制層網(wǎng)絡(luò)管理層網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程節(jié)點Web服務(wù)器

現(xiàn)場設(shè)備層

操作站

工程師站DCS的物理層次示意48.控制室控制臺流程圖49.儀表盤操作員站50.操作員站CRT工業(yè)流程圖51.〔一〕控制儀表與裝置的供電電動控制儀表與裝置的供電主要有兩種形式：交流供電與直流集中供電。1、交流供電早期的電動控制儀表中多使用交流供電。將220V工頻交流直接引入控制系統(tǒng)中的各臺儀表中。缺點：交流干擾、熱干擾等必然會對儀表產(chǎn)生影響；儀表體積也不易做??；220V的直接引入降低了儀表的平安性，縮小了儀表的應(yīng)用范圍。52.2、直流集中供電整個控制系統(tǒng)由統(tǒng)一的直流低壓電源箱供電，且常常是一組電源為整個控制系統(tǒng)的各臺儀表供電，稱為直流單電源集中供電。優(yōu)點：易實現(xiàn)帶備用電源的無停電系統(tǒng)；低壓供電為系統(tǒng)防爆提供了有利條件。53.〔二〕模擬儀表與裝置的信號制信號制即指在某種標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的信號聯(lián)絡(luò)方法。電信號的種類主要有模擬信號、數(shù)字信號、頻率信號和脈寬信號等四大類，前兩者用得最多。電模擬信號的種類有直流電流、直流電壓、交流電流、交流電壓四種。其中直流信號具有不受線路中電感、電容及負(fù)載性質(zhì)的影響，不存在相移問題、不受交流感應(yīng)影響等優(yōu)點，因而應(yīng)用較為廣泛。54.1973年國際電工委員會〔IEC〕第64次技術(shù)委員會通過的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了國際統(tǒng)一信號，過程控制系統(tǒng)的模擬直流電流信號為4～20mADC，模擬直流電壓信號為1～5VDC。我國早期DDZ-Ⅱ儀表所用的信號制為0～10mADC，氣動調(diào)節(jié)儀表的信號制為0.02～0.1Mpa。信號制的下限不為零稱為活零點，有助于實現(xiàn)微機(jī)控制系統(tǒng)的自檢；信號制的上限亦不能太大，有助于實現(xiàn)系統(tǒng)的防爆。直流模擬電流與電壓信號各有優(yōu)缺點，分別適用于不同的場合。55.1、直流電流信號直流電流信號傳輸模型如圖2.2.1所示。圖中ro作為發(fā)送儀表的變送器的等效輸出電阻，Rcm為連接導(dǎo)線及連接過程所產(chǎn)生的電阻。n臺接收儀表串聯(lián)或并聯(lián)地接收信號。顯然直流電流信號信號傳輸有如下兩個缺點，⑴假設(shè)回路中有一個斷點，那么n臺接收儀表均不能接收信號。因此，可靠性受到影響。⑵各接收儀表輸入端會逐級電位升高，引起系統(tǒng)設(shè)計與維護(hù)的不便。56.直流電流信號傳輸所產(chǎn)生的誤差由發(fā)送儀表信號源的質(zhì)量引起〔2.1〕在實際應(yīng)用中ro>>Rcm+nri，，那么有〔2.2〕現(xiàn)代電子技術(shù)完全能保證發(fā)送儀表的輸出電阻ro很大。由上式可知當(dāng)接收儀表輸入電阻足夠小(常為250Ω左右)時，傳輸電阻Rcm在一定范圍內(nèi)變化仍能保證傳輸精度。因此，直流電流信號適宜于長距離傳輸。57.2、直流電壓信號直流電壓信號傳輸模型如圖2.2.2所示。直流電壓信號沒有直流電流的兩個缺點，因此可靠性好；設(shè)計安裝上較為簡單；增加或去掉某臺儀表不會對系統(tǒng)產(chǎn)生影響。信號傳輸所產(chǎn)生的誤差由發(fā)送儀表信號源內(nèi)阻與線路傳輸電阻引起〔2.3〕58.應(yīng)用中，ri很大，一般都滿足〔2.4〕此時，〔2.3〕變?yōu)椤?.5〕比較〔2.2〕與〔2.5〕可知，當(dāng)距離相同時，在精度上電流傳輸優(yōu)于電壓傳輸。因此，在直流模擬儀表的設(shè)計應(yīng)用中，遠(yuǎn)距離傳輸或進(jìn)出控制室的信號用電流信號，控制室內(nèi)各儀表間的信號聯(lián)絡(luò)用電壓信號。59.〔三〕數(shù)字儀表與裝置的信號制從應(yīng)用的角度，數(shù)字儀表通訊標(biāo)準(zhǔn)大致應(yīng)包括三個方面：信息構(gòu)成格式、數(shù)據(jù)編碼/調(diào)制形式與物理的信號發(fā)送/接收接口標(biāo)準(zhǔn)。1、信息構(gòu)成格式對應(yīng)于不同的現(xiàn)場總線以及不同的協(xié)議層，信息構(gòu)成格式各不相同，現(xiàn)以基金會現(xiàn)場總線FF協(xié)議數(shù)據(jù)的構(gòu)成與各協(xié)議層的關(guān)系為例作簡單說明。60.FF由四層協(xié)議層構(gòu)成：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層及用戶層。應(yīng)用層又劃分為兩個層次——總線訪問子層FAS與總線報文標(biāo)準(zhǔn)子層FMS。如某個用戶要將數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線發(fā)往其它設(shè)備，圖2.2.4中以數(shù)據(jù)節(jié)的方式示出各層信息構(gòu)成格式。61.2、數(shù)據(jù)編碼/調(diào)制信號形式數(shù)據(jù)編碼指表達(dá)數(shù)據(jù)的物理信號形式。分別用模擬信號的不同的幅度、頻率、相位來表達(dá)數(shù)據(jù)0，1狀態(tài)的編碼稱為模擬數(shù)據(jù)編碼；用上下電平的矩形脈沖信號表達(dá)數(shù)據(jù)0，1狀態(tài)的編碼稱為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼?；鶐鬏斨冈诟静桓淖償?shù)據(jù)信號頻率下，直接傳輸數(shù)據(jù)信號的方式?；鶐鬏斂梢缘竭_(dá)較高的傳輸速率，是目前廣泛應(yīng)用的數(shù)據(jù)通訊方式。常見的編碼方式如圖2.2.5所示，它們都屬于基帶傳輸方式。62.根本的頻帶傳輸調(diào)制方式主要有幅度鍵控ASK、頻移鍵控FSK和相移鍵控PSK，調(diào)制后的信號典型波形如圖2.2.6所示。63.3、發(fā)送/接收接口標(biāo)準(zhǔn)物理層協(xié)議連接兩個發(fā)送和接收信息的物理設(shè)備，由接口標(biāo)準(zhǔn)支持?，F(xiàn)在國際上已有一些接口標(biāo)準(zhǔn)，如美國電子工業(yè)協(xié)會EIA制定的RS-232、RS-422A、RS-485等均被廣泛應(yīng)用。64.三、控制系統(tǒng)的平安防爆〔一〕平安防爆儀表概述〔二〕本質(zhì)平安型防爆儀表〔三〕平安防爆控制系統(tǒng)65.〔一〕平安防爆儀表概述防爆電器設(shè)備有多種結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于0區(qū)與1區(qū)的只有三種：正壓型、隔爆型與本質(zhì)平安型〔簡稱本安型〕。正壓型原理是控制易爆氣體，即人為地在危險現(xiàn)場營造出一個沒有易爆氣體的空間，將儀表安裝在其中。隔爆型儀表將儀表的電路和接線端子等安裝在厚厚的隔爆腔體內(nèi)，儀表電路因事故出現(xiàn)火花，不會引爆外面的易燃易爆物質(zhì)。本質(zhì)平安型的原理是控制儀表電路中的能量，使電路在正?；虍惓顟B(tài)下產(chǎn)生的火花或到達(dá)的溫度，都缺乏以引爆危險物質(zhì)。66.從儀表防爆的角度，自動化系統(tǒng)包括兩種儀表：安裝在控制現(xiàn)場〔危險場所〕的本質(zhì)平安型儀表和安裝在控制室〔非危險場所〕的一般儀表。本質(zhì)平安型儀表電路的能量因受到限制，所以在其中流動的能量是“平安能量〞；一般儀表電路沒有限制電路的能量，所以可能會出現(xiàn)對于控制現(xiàn)場來說的“危險能量〞。所以，本質(zhì)平安型防爆系統(tǒng)還要在信號線路上加接防爆柵。防爆柵的目的就是防止平安場所的危險能量竄入危險場所。67.〔二〕本質(zhì)平安型防爆儀表1、設(shè)計要點68.2、平安防爆柵根本原理防爆柵又稱平安柵，有輸入端用防爆柵與輸出端用防爆柵。它的作用是防止平安場所的危險能量竄入危險場所，在正常情況下只起信號傳遞作用。防爆柵原理有多種，如電阻式防爆柵、中繼式防爆柵、齊納式防爆柵和變壓器隔離式防爆柵等。目前應(yīng)用最多的是齊納式防爆柵和變壓器隔離式防爆柵。齊納式防爆柵原理如圖2.3.5所示，目的是限制流動的能量V與I，不讓它們超過防爆值。69.3、本質(zhì)平安系統(tǒng)防爆的認(rèn)證本質(zhì)平安系統(tǒng)防爆的認(rèn)證需要專門的技術(shù)與機(jī)構(gòu)?！盎芈氛J(rèn)證〞為我國現(xiàn)階段推行的本安防爆認(rèn)證技術(shù)，指對本安現(xiàn)場設(shè)備和關(guān)聯(lián)設(shè)備按具體的組合方式進(jìn)行的檢驗認(rèn)證。這種組合一經(jīng)認(rèn)定，就不能用未經(jīng)檢驗機(jī)構(gòu)按這種組合認(rèn)證過的其他型號規(guī)格的替代設(shè)備。顯然，這不符和現(xiàn)場總線設(shè)計初衷。現(xiàn)場總線系統(tǒng)本安防爆認(rèn)證使用“參量認(rèn)證〞技術(shù)。根本思想是：對本安現(xiàn)場設(shè)備和關(guān)聯(lián)設(shè)備分別給出一組平安參數(shù)，并允許有技能的專業(yè)人員通過適宜的方法對系統(tǒng)的配置進(jìn)行合理性分析和平安性判定。這種認(rèn)證技術(shù)的特點是：用戶可根據(jù)一定的規(guī)那么自由地將不同制造廠生產(chǎn)的本安設(shè)備構(gòu)本錢安防爆系統(tǒng)。70.〔三〕平安防爆儀控制系統(tǒng)1、傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的平安防爆傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的安全防爆如圖2.3.7所示。安裝在控制現(xiàn)場的儀表與裝置主要有變送器與執(zhí)行器，安裝在控制室的儀表主要是運算、調(diào)節(jié)、顯示記錄等儀表與裝置。71.2、一種平安防爆的現(xiàn)場總線系統(tǒng)當(dāng)總線設(shè)備較多時，增加現(xiàn)場總線的路數(shù)將失去應(yīng)用現(xiàn)場總線的意義。如果總線設(shè)備中有很多監(jiān)測用常規(guī)變送器、熱電偶、熱電阻、開關(guān)等，可以應(yīng)用DCS系統(tǒng)的現(xiàn)場總線的防爆Ｉ/Ｏ平安柵掛接，如圖2.3.8所示。這種DCS系統(tǒng)，在系統(tǒng)總線上可以掛接多個站，每站最多48個模塊，如圖2.3.9所示，包括通訊、電源及其冗余模塊，多個模擬量輸入輸出AI/AO及開關(guān)量輸入輸出DI/DO的I/O平安柵模塊。72.3、光纖式本質(zhì)平安防爆現(xiàn)場總線光纖式現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的光纜只用作通訊信道?？偩€上各現(xiàn)場設(shè)備供電由各自所裝的高能專用電池提供，電池的使用壽命可達(dá)兩年以上。由于現(xiàn)場設(shè)備無需外部供電，而光學(xué)星型耦合器是無源的，因此控制室與FCS現(xiàn)場設(shè)備，只需通過光纜以本質(zhì)平安的低能光作載體交換信息，因而從根本上杜絕了危險能量通過總線從平安區(qū)域進(jìn)入危險區(qū)域。光纖式現(xiàn)場總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2.3.10所示。73.平安柵平安柵是構(gòu)成平安火花防爆系統(tǒng)的關(guān)鍵儀表，安裝在控制室內(nèi)，是控制室儀表和現(xiàn)場儀表之間的關(guān)聯(lián)設(shè)備。其作用是：系統(tǒng)正常時保證信號的正常傳輸；故障時限制進(jìn)入危險場所的能量，確保系統(tǒng)的平安火花性能。

目前常用的平安柵有：齊納式平安柵和變壓器隔離式平安柵。74.平安柵的品種:75.一、齊納式平安柵1.齊納式平安柵的工作原理齊納平安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局部組成。其原理電路如下圖：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。齊納式平安柵原理圖76. 系統(tǒng)正常工作時，平安側(cè)電壓U1低于齊納二極管的擊穿電壓U0，齊納二極管截止，平安柵不影響正常的工作電流。但現(xiàn)場發(fā)生事故，如短路，利用電阻R進(jìn)行限流，防止進(jìn)入危險場所的電流過大；當(dāng)平安側(cè)電壓U1高于齊納二極管的擊穿電壓U0時，齊納二極管擊穿，進(jìn)入危險場所的電壓被限制在U0上，同時平安側(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的高電壓立即和現(xiàn)場斷開，保證了現(xiàn)場的平安。并聯(lián)兩個齊納二極管是增加平安柵的可靠性。齊納式平安柵的工作原理77. 齊納平安柵優(yōu)點是采用的器件非常少，體積小，價格廉價;缺點是齊納式平安柵必須本安接地，且接地電阻必須小于1Ω；危險側(cè)本安儀表必須是隔離型的；齊納平安柵對供電電源電壓響應(yīng)非常大，電源電壓的波動可能會引起齊納二極管的電流泄漏，從而引起信號的誤差或者發(fā)出錯誤電平，嚴(yán)重時會使快速熔斷器燒斷。齊納式平安柵的優(yōu)缺點78. 圖中24VDC的電源一方面通過平安柵向二線制變送器供電，同時將二線制變送器產(chǎn)生的4-20mADC的信號傳送過來，由250Ω精確電阻轉(zhuǎn)換為1-5VDC的電壓信號送顯示儀表或控制器，當(dāng)然變送器傳送來的信號也可通過信號分配器,其輸出的多路信號可分別送顯示儀表和調(diào)節(jié)儀表。二線制變送器和齊納平安柵的連用79. 齊納平安柵和電氣轉(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，由氣動執(zhí)行器實現(xiàn)對被控對象的調(diào)節(jié)。由于控制器的輸出方式不同,和平安柵有兩種不同的連接方法。80.發(fā)射極輸出型的控制器可以和平安柵共地,故可采用單通道保護(hù)的平安柵；而集電極輸出型的控制器，它的兩個輸出端都不接地，故需采用雙通道齊納平安柵。81.二、變壓器隔離式平安柵 變壓器隔離式平安柵利用變壓器或電流互感器將供電電源、信號輸入端和信號輸出端進(jìn)行電氣隔離，同時通過電子電路(限能器)限制進(jìn)入危險場所的能量。變壓器隔離式平安柵分為檢測端平安柵〔輸入式平安柵〕和操作端平安柵〔輸出式平安柵〕兩種。82.1.檢測端平安柵的作用(一)檢測端平安柵〔1〕把來自現(xiàn)場變送器的4～20mADC電流經(jīng)隔離變壓器1:1地轉(zhuǎn)換成1～5VDC信號或4～20mADC信號輸出至控制室儀表〔計算機(jī)〕?！?〕為現(xiàn)場兩線制變送器提供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場所的電壓不超過30VDC、電流不超過30mADC，從而保證了危險場所的平安。83.2.檢測端平安柵的構(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Io4~20mA1~5V4~20mA84.有六局部組成：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)場變送器調(diào)節(jié)器T124VDC電流電壓限制電路共基極