1过程控制仪表与装置概述

—— 直接数字量控制
起始于50年代末期，开辟 了一个轰轰烈烈的计算机 工业应用时代
本质—— 用一台计算机取代一组 模拟调节器，构成闭环控 制回路，用数字控制技术 简单地取代模拟控制技术。
SP
过程控制计算机
AI、DI AO、DO
检测仪表
执行器 被控过程（对象）
优点 —— 计算灵活，精度高，PID控制规律，分时处理 多个控制回路 此外，DDC也很快发展到PID以 外的多种复杂控制。 问题 ——价格昂贵，运算速度不高
（四）按信号类型分：
模拟式控制仪表 传输信号通常为连续变化的模拟量。这 类仪表线路较简单，操作方便，价格较低使 用上均有较成熟的经验。 数字式控制仪表 传输信号通常为断续变化的数字量。这 些仪表和装置是以微型计算机为核心，其功 能完善，性能优越，它能解决模拟式仪表难 以解决的问题，满足现代化生产过程的高质 量控制要求。
过程控制装置 陈 刚 教授
chengang@ 自动化学院
参考教材： 《过程控制系统与装置》，何离庆 主编 重庆大学出版社，2003. 参考书目： 《 过程控制工程》 ，邵裕森，等 主编 机械工业出版社， 2000. 《控制仪表与装置》，向婉成 主编 机械工业出版社，1999. 。。。
（一）控制仪表与装置的供电
电动控制仪表与装置的供电主要有两种形式：交流 供电与直流集中供电。 1、交流供电 早期的电动控制仪表中多使用交流供电。将220V工 频交流直接引入控制系统中的各台仪表中。 缺点：交流干扰、热干扰等必然会对仪表产生影响； 仪表体积也不易做小；220V的直接引入降低了仪表 的安全性，缩小了仪表的应用范围。
基地式系统 基地式仪表 常规仪表 控制系统 单元组合仪表： 调、变、执、算 (DDZ-II、III、 QDZ) 第 1代 DDC控制 变、执 (DDZ-II、III) 集中型计算 机控制系统 变、执 (DDZ-II、III) 第2 代 FCS 将全厂最基础的现场 级仪表和装置均通过 现场总线连接起来， 实现全数字化通讯。 现场仪表：总线仪表 第 4代 *
基地式 模 拟 过 式 程 控 制 仪 数 表 字 式 气动QDZ 单元组合式 电动DDZ DDZ-Ⅰ DDZ-Ⅱ DDZ-Ⅲ DDZ-Ⅳ
组装式
单/多回路控制器 可编程控制器(PLC) 工业计算机(IPC) 集散系统系统(DCS) 总线控制系统(FCS) 可编程自动化控制器(PAC)
过程控制仪表类型
气动 单元 组合 仪表 QDZ
变送单元(B) 转换单元(Z) 计算单元(J) 显示单元(X) 给定单元(G) 调节单元(T) 辅助单元(F)
电动 单元 组合 仪表 DDZ
变送单元(B) 转换单元(Z) 计算单元(J) 显示单元(X) 给定单元(G) 调节单元(T) 执行单元(K) 辅助单元(F)
单元组合仪表类型
计算机控制系统的发展特征
随着局域网、Internet、IT技术迅速发展，计算 机控制系统向集成化、网络化、智能化、信息化
发展成为一种趋势
系统结构向网络化、网络扁平化方向发展 系统功能向综合化方向发展 系统设备向多样化方向发展
例:一贮罐液位控制系统。
要求贮罐液位保持一定，以满足生产需要； 图中液位变送器、控制器和执行器构成了一个单回路控 制系统。 分析: 贮罐液位由液位变送器转 换成相应的标准信号送到 控制器，与给定值相比较， 控制器按比较得到的偏差， 以一定的控制规律发出控 制信号，控制执行器的动 作，通过改变贮罐液体出 料的流量，从而使贮罐液 位保持在与给定值基本相 等的数值上。
5.集散型控制系统 将集中一台计算机完成的任务分派给各个微 型过程控制计算机，再配上数字总线以及上一级过 程控制计算机，组成各种各样的、能适应于不同过 程的积木式分级分布计算机控制系统。实现了“控 制分散”或“危险分散”，管理高度集中。
6.现场总线控制系统 是计算机网络技术、通信技术、控制技术和 现代仪器仪表技术的最新发展成果。它将具有数字 通信能力的现场智能仪表连成网络系统，并同上一 层监控级、管理级联系起来成为全分布式的新型控 制网络。
—— 集散控制系统 DCS
出发点（2个方面）： (1)不能采取控制回路高度集中的设计思想， 需要把控制功能分散到若干个控制站实现， 以提高系统的可靠性； (2)考虑到整个生产过程的整体性，各个控制 系统（回路）的运行应当服从工业生产管理 的总体目标。
根本特征:控制的分散性和管理的集中性
现场总线控制系统（FCS）
计算机控制系统的发展过程
DDC控制 集中型计算 机控制 DCS控制 始于70年代 本质：采用过程控制－过 程管理－生产管理等多层 结构 特点：控制分散 信息集中 半数字，半分散
始于50末期 本质： 一台计算机取代尽 传统 DCS 本质：用一台计算机取代 可能多的模拟调节器 PLC_Based DCS 一组模拟调节器，构成闭 特点：控制集中 环控制回路 IPC_Based DCS 信息集中 特点：具有里程碑意义 危险集中 问题：价格、性能 问题：性能
四、DDZ之运算单元类
(加减器、乘除器、开方器、函数发生器等)
加减器
乘除器
开方器
五、DDZ之给定单元类
(恒流、比值、时间程序、参数给定器等)
DGJ型报警给定器
DGA-2000型恒流给定器
六、DDZ之调节单元类
(PID基型、PID自整定、 PID间歇、SPC、DDC 备用、自动选择、抗积分饱和控制等)
FCS现场总线控制系统
是连接智能现场装置和自动化系统的数字式、 双向传输、多分支结构的通信网络。 支持双向、多节点、总线式的全数字通讯
· 双向数据通信能力避免了反复进行A/D、D/A的转 换
· 把控制任务下移到现场设备，以实现测量控 制一体化 全分散
· 已成为全世界范围自动化技术发展的热点
· 涉及整个自动化和仪表的工业“革命”
DDZ-III
DTZ－2100型全刻度指示调节器
七、DDZ之执行单元类
(角行程、直行程、阀门定位器等)
电动角行程(DKJ)执行机构 电动直行程(DKZ)执行机构
电气阀门定位器
气动阀门定位器
八、DDZ之辅助单元类
(Q型、D型、便携式及S/Z自动切换操作器，信 号限制器、信号选择器、安全栅、配电器、直流 稳压电源、隔离器等)
一、过程控制仪表的发展概况及分类
发展概况
50 年代 60 年代 70 年代 80 年代 90 年代 21世纪至今 QDZⅠ QDZⅡ QDZⅢ DDZⅠ DDZⅡ DDZⅢ 数字式（智能 式）控制仪表 DCS系统 （PLC）现场总 线以太网
典型的仪表系统
配电器
隔离器
பைடு நூலகம்
操作器
DDZ之辅助单元类
电源箱
分类及特点
（一）按安装场地分： 1.现场类仪表 2.控制室类仪表
（二）按能源形式分：
1.气动控制仪表 2.电动控制仪表 3.液动控制仪表 （三）结构形式分： 1.基地式控制仪表 2.单元组合式控制仪表 3.组装式 综合控制装置 4.数字化控制仪表 5.集散控制系统 6. 现场总线控制系统。 （四）按信号形式分： 1.模拟控制仪表 2.数字控制仪表
气动执 行机构
气动阀门 定位器
电动执 行机构
直通单、 双座控 制阀
直通单、 双座控 制阀
闸阀
球阀
三通阀
蝶阀
角阀
球阀
角阀
DCS的物理层次示意
Web服务器
Internet
远程节点
管理层网络 操作站 工程师站 控制层网络
现场设备层
流程图
控制室
控制台
仪表盘
操作员站
操作员站 CRT
工业流程图
第0代
DCS OS：小型机、IPC CS：IPC、PLC、 智能调节器 现场仪表：DDZ-III 为主 第3代*
分布式IO DCS 现场信号根据传输距离或功能 不同连接到现场I/O设备上，各 现场I/O设备与控制站间通过网 络（现场总线）连接。 现场仪表：DDZ-III、总线仪表 过渡型*
• 基地式控制仪表：以指示、记录仪表为主体，附加控制机 构所组成的装置。 • 单元组合式控制仪表：将整套仪表按照功能划分成若干独 立的单元(分为变送、转换、计算、显示、给定、调节、执 行与辅助单元等八大类)，各单元之间用统一的标准信号连 接。按照连接信号的不同，单元组合式控制仪表分为气动 单元组合仪表(QDZ)和电动单元组合仪表(DDZ)两类。 • 组装式综合控制装置：它的最大的特点是控制和显示操作 功能分离，结构上分为控制机柜和显示操作盘两大部分， 可以实现对生产的集中显示和操作。 • 计算机 ( 数字式 ) 控制装置：以微型计算机为核心的自动控 制系统。包括：集散控制系统、可编程控制器、现场总线 控制系统等。
二、控制仪表与装置的信号与 供电
（一）控制仪表与装置的供电 （二）模拟仪表与装置的信号制 （三）数字仪表与装置的信号制
常用的控制仪表及装置
压力 变送器
压力 变送器
差压 变送器
测量膜合
双法兰差压送器
无纸 记录仪
测量精 确值
输出精 确值
测量百 分值
输出百 分值
Better Control 可编程 调节器
四个基本环节：被控对象、检测仪表、控制器、执行 阀门：调节阀、电磁阀、 器（显示仪表根据需要可选）
通常安装 于控制室
气动蝶阀…… 泵：开关泵、变频泵 通常安装
于 现场
干扰
x
e = x-z
z
p 控制器 控制阀
q
被控对象
y
显示 仪表
变送器
温度（压力、液位、流量）变送器、在线成分分析仪 （通常输出：4~20mA、1～5V等标准信号）液位开关 、料位开关、接近开关 (通常输出on/off信号)传感器（ Pt100、热电偶……）……