自动化仪表与过程控制--概述-669
过程控制与自动化仪表_课件第一章
过程控制概述
过程控制的要求、任务及功能
日—月级 决策管理与计划调度
1、要求
安全性、稳定性、经济性 2、任务
时—日级 实时优化
了解工艺、获取模型
分析设计、物理实现 3、功能
分—秒级或 分—时级
常规控制或高级 过程控制
（1）决策与计划；
（2）实时优化； （3）常规与高级控制；
小于1秒
操作安全与环境保护
过程控制系统的性能指标
稳定性、准确性和快速性;
（1）衰减比n
y (t )
r
y ( )
y (t p )
B1
B2
5%
两个相邻的同向波峰值之比:
n B1 B2
y (0)
tp
ts
t
（2）最大动态偏差和超调量:
y(t p) y() y()
100%
（3）残余偏差（稳态误差、静差）:
e() r y()
结构性防爆：充油型、充气型 爆炸性混合物最小引爆电流的等级（30VDC）
级 别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ
最小引爆电流 （mA） i＞120
爆炸性混合物种类 甲烷，乙烷，汽油，甲醇，乙醇，丙酮，氨， 一氧化碳等
70＜i≤120
i≤70
乙烯，乙醚，丙烯腈等
氢，乙炔，二硫化碳，市用煤气，水煤气等
本质性防爆：把短路断路产生的火花限制在爆炸气体点火能量以下
第 1章
绪论
过程控制概述 什么是过程控制？适用的生产过程?
过程控制系统即以表征生产过程的参量为被控制量使之 接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。 过程控制在石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用
过程控制的特点
1.组成（被控过程，自动化仪表）； 2.设计难（过程的复杂性，模型的不精确性）； 3.要求高（控制方案丰富）； 4.慢过程、参量控制； 5.定值控制
过程控制及自动化仪表总结
练习题
一台具有比例积分控制规律的DDZ-III型控制器， 其比例度δ为200%时，稳态输出为5mA。在某瞬 间，输入突然变化了0.5 mA，经过30s后，输出由 5mA变为6mA，试问该控制器的积分时间TI为多 少？
比例积分控制器，列写出PI控制算式。KP =1， TI=2分钟，当输入是幅值为A的阶跃信号时，2分 钟后输出的变化量是多少？
练习题
什么是仪表的测量范围及上、下限和量程？彼此 有什么关系？
练习题
什么是仪表的测量范围及上、下限和量程？彼此 有什么关系？ 用于测量的仪表都有测量范围，测量范围的最 大值和最小值分别称为测量上限和测量下限， 量程是测量上限值和测量下限值的差，用于表 示测量范围的大小。 已知上、下限可以确定量程，但只给出量程则 无法确定仪表的上、下限以及测量范围。
4、简单控制系统
n 了解简单控制系统的结构、组成及作用 n 掌握简单控制系统中被控变量、操纵变量选择的一般 原则 n 了解各种基本控制规律的特点及应用场合 n 掌握控制器正、反作用确定的方法 n 掌握控制器参数工程整定的方法
主要内容
★分析给定的系统 ★制定控制方案 被控对象、被控变量、操纵变量、执行器、控制器 ★画出控制系统的方框图 ★选择执行器的气开、气关 ★选择控制器的控制规律
差压式液位计的工作原理是什么？当测量密闭 有压容器的液位时，差压计的负压室为什么一定 要与气相相连接？
练习题
差压计三阀组的安装示意图如图所示， 它包括两个切断阀和一个平衡阀。 安装三阀组的主 要目的是为了在开 停表时，防止差压计单向受到很大的 静压力，使仪表产生附加误差，甚至 损坏。为此，必须正确地使用三阀组。 具体步骤是：
★选择控制器的正作用、反作用
自动化仪表与过程控制
参考书
3
自动检测技术与装置. 张宏建等. 化学工业出版社. 2004.7
4
自动化仪表与过程控制. 施仁等. 电子工业出版社. 2009.2
5
自动检测技术及仪表控制系统. 张毅等. 化学工业出版社. 2005.3
6
过程控制及仪表. 邵裕森. 上海交大出版社
7
参考书
点名作业20%
1
Hale Waihona Puke 试验成绩10%2期末考试70%
3
考核方式
过程控制的特点
第一章 过程控制与自动化仪表概述
系统由被控过程和检测控制仪表组成 过程控制采用各种检测仪表、控制仪表和计算机等自动化工具，对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制。检测仪表把工艺参数转换为电信号或气信号，反映生产过程状况；控制仪表接受检测信号对过程进行控制。 被控过程的多样性 生产规模不同、工艺要求各异、产品品种多样导致过程的结构性、动态特性多样。通常被控过程属于多变量、大惯性、大时延特征，还有非线性与时变特性。（锅炉、热交换器、精馏塔） 控制方案的多样性 被控对象复杂导致控制方案多样性。单/多变量控制系统、常规仪表控制/计算机集散控制系统、提高控制品质的和实现特定要求的控制系统。单回路、串级、前馈、比值、均匀、分程、选择性、大时延、多变量系统，还有先进过程控制系统(自适应、预测、补偿、智能、非线性控制等)。
02
过程控制
自动化仪表----- 用于生产过程自动化的仪器或设备，是实现工业企业自动化的必要手段和技术工具。
特点----- 兼容性、统一标准
自动化仪表
连续生产过程主要有以下几种形式：
．传热过程 通过冷热物流之间的热量传递，达到控制介质温度、改变介质相态或回收热量的目的。典型设备：换热器
过程控制与自动化仪表
第一章绪论1、过程控制概述过程控制是生产过程自动化的简称。
它泛指石油、化工、电力、冶金、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，是自动化技术的重要组成部分。
在现代工业生产过程自动化中，过程控制技术可实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。
过程控制通常是对生产过程中的压力、液位、流量、温度、PH值、成分和物性等工艺参数进行控制，使其保持为定值或按一定规律变化，以确保产品质量和生产安全，并使生产过程按最优化目标自动尽行。
2、过程控制的特点（1）系统由被控过程和检测控制仪表组成；（2）被控过程复杂多样，通用控制系统难以设计；（3）控制方案丰富多彩，控制要求越来越高；（4）控制过程大多属于慢变过程与参量控制；（5）定值控制是过程控制的主要形式。
3、过程控制的要求与任务要求：（1）安全性：针对易燃易爆特点设计；参数越线报警、链锁保护；故障诊断，容错控制。
（2）稳定性：抑制外界干扰，保证正常运行。
（3）经济性：降低成本提高效率。
掌握工艺流程和被控对象静态、动态特性，运用控制理论和一定的技术手段（计算机、自动化仪表）设及合理系统。
任务：指在了解、掌握工艺流程和被控过程的静态与动态特性的基础上，应用控制理论分析和设计符合上述三项要求的过程控制系统，并采用适宜的技术手段（如自动化仪表和计算机）加以实现。
4、过程控制的功能测量变送与执行功能；操作安全与环境保护功能；常规控制与高级控制功能；实时优化功能；决策管理与计划调度功能。
5、过程控制系统的组成被控参数（亦称系统输出）y(t)：被控过程内要求保持稳定的工艺参数；控制参数（亦称操作变量控制介质）q(t)：使被控参数保持期望值的物料量或能量；干扰量f(t)：作用于被控过程并引起被控参数变化的各种因数；设定值r(t)：与被控参数相对应的设定值；反馈值z(t)：被控参数经测量变送后的实际测量值；偏差e(t)：设定值与反馈值之差；控制作用u(t)：控制器的输出值。
过程控制与自动化仪表
第一章1、不设反馈环节的，称为开环控制系统；设有反馈环节的，称为闭环控制系统。
2、开环控制是最简单的一种控制方式。
它的特点是，仅有从输入益到输出端的前向通路，而没有从输出端到输入端的反馈通路。
3、开环控制系统的特点是：操纵情度取决于组成系统的元器件的精度，因此对元器件的要求比较高。
4、开环控制系统普通是根据经验来设计的。
5、为了实现系统的自动控制,提高控制精度，可以改变控制方法，増加反馈回路来构成闭环控制系统。
6、系统的输岀量通过测量变送元件返回到系统的输入端，并和系统的输入量作比较的过程就称反馈。
7、如果输入量和反馈量相减则称为负反馈；反之若二者相加，则成为正反馈。
8、闭环控制系统的自动控制或者自动调节作用是基于输出信号的负反馈作用而产生的，所以经典控制理论的主要研究对象是负反馈的闭环控制系统，研究目的是得到它的普通规律，从而可以设计岀符合要求的、满足实际需要的、性能指标优良的控制系统。
9、由人工来直接进行的控制称为人工控制。
10、人在控制过程中起到了祖测、比较、判断和控制的作用，而这个调基过程就是n栓测偏差、纠正偏差”的过程。
11、液位变送器代替玻璃管液位计和人眼；控制器代替人脑；调节阀代替人手。
过程控制系统普通由自动化装置及生产装置两部份组成。
生产装置包括：被控对象；自动化装置包括：变送器，控制器，执行器。
12、系统的各种作用虽:①被控变量②设定值③测量值④控制变量⑤扰动量⑥偏差13、在生产过程中,如果要求控制系统使被控变量保持在一个生产指标上不变，或者说要求工艺参数的设定值不变，则将这种控制系统称为定值控制系统。
14、该定值是一个未知变化虽的控制系统称为随动控制系统,又称为自动跟踪系统。
15、程序控制系统的设定直也是变化的，但它是时间的已知函致，即頑定直按一定的时间顺序变化。
16、过程控制系统有两种状态:①系统的稳态②系统的动态。
17、过程控制系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程称为过程控制系统的过渡过程。
过程控制与自动化仪表
2、压力Pa：压力变送器、零点漂移
3、液位：液位变送器
4、流量
5、
各类变送器的组成、应用：注意零点迁移，量程调整 氧气成分的检测及仪表：
1、热磁式氧气分析仪表P64
原理：物质处于磁场被磁化，磁化率不同；氧气的磁化率远高于其他气体（参见P64表2
-7）,且对温度特别敏感。
热磁式氧气分析仪的构成及工作原理：
串级控制系统的组成、特点及应用
组成：两个控制回路，主回路和副回路。畐恫路由副变量检测变送、畐鵬节器、调节阀和副
过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。 特点：1）对进入副回路的干扰有很强的抑制能力；2）能改善控制通道的动态特性，提高系
统的快速反应能力；3）对非线性情况下的负荷或操作条件的变化有一定的适应能力。
样气中无氧气-中间通道中气体不流动，桥路输出为零；样气中含有氧气时，氧气受磁场
作用进入中间通道并被加热，顺磁性能下降磁风”-电阻之差-桥路输出不为零。含
氧量磁风电阻之差桥路输出f。从而实现对氧气的连续测量。
2、氧化锆氧量分析仪P66
公式内容都比较多
第三章：
调节器正、反作用的选择：工程上，通常将调节器的输出随反馈输入的增大而增大时，称为
执行器的组成：执行器由执行机构和调节机构（调节阀）两部分组成。
执行器的构成原理：执行器由执行机构和调节机构（调节阀）两部分组成。接受调节器输出 的控制信号，并转换成直线位移或角位移来改变调节阀的流通面积，以控制流入或流出被控
过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。
气动执行器的应用：
1、 执行器的气开、气关选择原则：调节阀气开、气关的选择，主要从工艺生产的安全来考
过程控制与自动化仪表
过程控制与自动化仪表1. 引言过程控制与自动化仪表是现代工业生产中不可缺少的一部分，它们在监测、控制和优化工业过程中起着重要的作用。
过程控制与自动化仪表技术的应用可以提高工业生产的效率、质量和安全性，减少人力资源的消耗，实现工业自动化。
本文将介绍过程控制与自动化仪表的基本概念、发展历程以及在工业生产中的应用。
同时还会讨论一些常见的过程控制与自动化仪表的类型和工作原理，以及它们在不同行业中的具体应用案例。
2. 过程控制与自动化仪表基本概念过程控制与自动化仪表是指一系列用于监测、控制和调节工业过程的设备和系统。
它们可以通过测量和分析过程变量，控制工艺参数并实现自动化控制。
通过使用合适的传感器、执行器和控制算法，可以实现对工业过程的精密控制和优化。
过程控制与自动化仪表主要由以下几个组成部分构成：•传感器：用于测量各种物理量，如温度、压力、流量等；•控制器：根据传感器测量值和设定值进行逻辑运算，生成控制信号；•执行器：接收控制信号，并执行相应的动作，如开关、阀门等；•监控系统：用于监视和记录工业过程中的各种参数和状态；•人机界面：提供工业过程的可视化显示和人机交互界面。
3. 过程控制与自动化仪表的发展历程过程控制与自动化仪表的发展可以追溯到工业革命时期。
在工业革命之前，工业生产主要依靠人工操作，效率低下且易出错。
随着机械设备和工业化的发展，工业生产越来越复杂，对自动化控制的需求也越来越迫切。
20世纪初，工程师们开始研究和开发过程控制与自动化仪表技术。
最早的控制系统是基于机械和电气设备的。
随着电子技术的发展，电子仪表逐渐取代了机械仪表，实现了对工业过程更加精确的控制。
到了20世纪中叶，随着计算机技术的进一步发展，数字化控制系统开始应用于工业生产。
数字化控制系统通过采集和处理大量数据，实现了对工业过程的智能化控制，并提高了系统的可靠性和稳定性。
近年来，随着互联网和物联网技术的快速发展，过程控制与自动化仪表也越来越趋向于网络化和智能化。
过程控制与自动化仪表
过程控制与自动化仪表1. 引言过程控制与自动化仪表是现代工业生产中非常重要的一部分。
通过使用自动化仪表，可以实现对工业过程的监测、控制和调整，从而实现生产过程的自动化。
本文将介绍过程控制与自动化仪表的基本概念、分类、应用场景以及相关技术。
2. 过程控制与自动化仪表的基本概念过程控制是指通过对工业过程的监测和调整来实现目标产量或质量。
自动化仪表是过程控制的关键组成部分，通过测量各种物理量，并将其转换为电信号，进而控制工业过程的运行。
过程控制与自动化仪表可分为两个基本部分：测量和控制。
测量部分主要涉及采集、转换和传输过程中产生的各种信号，如压力、温度、流量等。
控制部分则是根据测量到的信号进行反馈控制，通过对工业过程的调整来实现预定的目标。
3. 过程控制与自动化仪表的分类根据功能和应用场景的不同，过程控制与自动化仪表可分为以下几类：3.1. 测量仪表测量仪表是用于测量工业过程中各种物理量的仪器。
根据测量原理和测量范围的不同，测量仪表可分为压力仪表、温度仪表、流量仪表等。
其主要功能是对工业过程中各个物理量进行准确的测量。
3.2. 控制仪表控制仪表是用于调节和控制工业过程的仪器。
根据控制方式的不同，控制仪表可分为手动控制仪表和自动控制仪表。
手动控制仪表需要人工干预进行操作和调整，而自动控制仪表则能根据测量到的信号自主进行控制策略的调整。
3.3. 信号传输和处理仪表信号传输和处理仪表是用于采集、传输和处理过程中产生的各种信号的仪器。
根据信号传输方式的不同，信号传输和处理仪表可分为模拟仪表和数字仪表。
模拟仪表通过模拟电信号进行传输和处理，而数字仪表则将信号转换为数字形式进行传输和处理。
4. 过程控制与自动化仪表的应用场景过程控制与自动化仪表广泛应用于各个行业的工业生产过程中。
以下是一些常见的应用场景：•石油化工行业：用于控制反应器温度、压力和流量等参数，确保生产过程的稳定和安全。
•电力行业：用于监测和控制发电机的电压、电流和频率等参数，保证电力系统的稳定运行。
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概述
0.4 仪表的图形符号
在绘制控制流程图时，图中所采用的图例符号 要按有关的技术规定进行，可参见化工部设计标准 HGJ7—87 《化工过程检测、控制系统设计符号统 一规定》。
仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约 10mm，对于不同的安装位置仪表的图形符号，略有 区别。
概述
仪表安装灵活
– 离线组态，远程调校、 诊断，在线下装
– 仪表可就近、就地安装
自动化仪表与过程控制
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概述
0.2 电动单元组合仪表及其控制
系统的组成
0.2.1 我国DDZ仪表的发展
60年代中 DDZ-Ⅰ 电子管和磁放大器为主要放 大元件
70年代初 DDZ-Ⅱ 晶体管为主要放大元件 80年代初 DDZ-Ⅲ IC为主要放大元件，具有本 安性
尺为曲线。
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概述
若保持直线斜率不变：①变为②，
称为“零点迁移”。量程仍为 [75-(-
25)]%=100%。 输入
125% 100%
③ ②①
-25% 0
输出 75% 100%
图0-3 仪表的零点迁移和量程迁移
若起点不变，改变直线斜率：①变为③，
称为“量程迁移”。
自动化仪表与过程控制
执行器 根据调节仪表命令对进出生产装置的物 料或能量进行控制
显（指）示仪表 显（指）示测量值或给定值
这些仪表代替人们对生产过程进行测量、控制、 监督和保护，因而是自动控制系统的必要组成部分。
自动化仪表与过程控制
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概述
0.1.3 自动化仪表的发展概况
（1） 基地式仪表（第一代）
安装生产设备现场、只具备简单测控功能
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概述
0.2.2 DDZ简单调节（控制）系统
3 TC
冷水 4 减温器 2 TT
1 过热蒸汽
烟囱
汽鼓 炉膛
过热器
图0-0 锅炉过热蒸汽温度控制示意图
将调用经测 节热 温量 器电 度信 按阻 变号 此1送检送 偏器测至 差2 过发调热出节蒸控器汽制3的的命输温令入度， 端来．控并制与调代节表阀蒸4 汽的温 开度 度的 ，给 从定 而值 改 （变图 减中 温未 水画 流） 量进 ， 达到行控比制较过热蒸
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概述
自动化仪表与过程控制
（第五版）
施 仁 刘文江 郑辑光 王勇 编
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概述
自动化仪表与过程控制
本课程为控制类专业的一门专业课，分为上、 下两篇，共九章。
检测仪表
自动化仪表
调节仪表 DCS、FCS
执行器和防爆栅
过 程 控制
调节对象特性及测定
单回路调节系统的设计
调行节比对较象，的按工一艺定介的质调的节流规通律量发，出达调到节自信动号调节的目的
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概述
0.2.3 信号制
（1）单元组合仪表必须有统一的联络信号，采 用直流电流作为标准信号。
采用直流信号的优点是：
▪ 传输过程中易于和交流感应干扰相区别
▪ 不存在相移问题
▪ 不受传输线中电感、电容和负载性质的限制
汽温度的目的
图0-0为采用DDZ-Ⅲ仪表构成的发电厂锅炉过热 蒸汽温度控制系统。
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概述
图0-1 为单元组合仪表构成的调节系统。
被变检调 送测量 单元： 元件一 ：：般 或将
是称非非 变电电 送信的 器号工 ，转艺 将换
参检为 显数测电 示，元信 单如件号 元温输。 ：度出通 将、 压的常 变力 微称 送、 弱为 单流 信敏 元量 号感 输、 进元 出 行件 的放、 统液大传 一位、感 标等处器 准理， 信， 变换 号换能 ，为器 进能、 行远一 记距次 录 离传或仪送指表的示等统。一 执调行节单（元器：）根单据元调：节将信测号量改信变号阀与门给的定开信度号标，进准控信制号进入
概述
石油化工
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概述
SES枣庄综合气体项目（FCS）
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概述
福建炼油乙烯一体化项目（FCS）
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概述
中海油南海壳牌乙烯项目（CSPC）
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概述
检测仪表 对工艺参数进行测量
调节仪表 根据测量值与给定值的偏差按一定调 节规律发出调节命令
Courtesy of Cargill
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概述
人机友好
– 基于视窗系统 – 功能块的选择和链接，
即可完成控制策略 – 预定义控制模板 – 注释和说明 – 存储并打印
即插即用
– 系统自动识别在线设备 – 选用基金会注册设备，
保证系统可以操作
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操作人员可以坐在控
制室纵观生产流程各处的
状况
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概述
生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，送
往集中控制室
适用于生产规模较大的复杂系统
（3）计算机集中式控制系统（第三代）
一对一的物理连接
模拟仪表的局限性
算法简单、精度差 抗干扰能力较差
人们开始寻求用数字信号取代模拟信号，出现
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概述
0.3.3 精确度
绝对误差 = 示值 – 约定真值
相对误差 =
仪表工业规定，取
δ
绝对误差 量程 100%
（相对
百分误差），去掉式中的“%”，称为仪表的精确
度。它划分成若干等级，如，0.1级，0.2级，0.5级，
1.0级，2.0级，2.5级，5.0等。
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概述
历史上三大仪表厂
西安仪表厂 四川仪表公司 上海仪表公司
西安仪表厂
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概述
自动化仪表与过程控制
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概述
Hale Waihona Puke 自动化仪表与过程控制Y SH X
概述
扬子石化
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概述
扬子石化
自动化仪表与过程控制
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概述
0.3.4 灵敏度和灵敏限 灵敏度表示测量仪表对被测参数变化的敏感程 度，常以仪表输出（如指示装置的直线位移或角位 移）与引起此位移的被测参数变化量之比表示，即
灵敏度 =
Δα 指示装置位移量 Δx = 被测参数变化量
仪表的灵敏限——指仪表能感受并发生动作的 输入量的最小值。
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概述
减少控制室二次仪表
布线简单
– 双向、多点、串行的网 络
– 无需专用电缆
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概述
Courtesy of Shell Deer Park
Courtesy of Shell Deer Park
Courtesy of Cargill
Courtesy of Shell Deer Park Courtesy of Shell Deer Park
采用电流制的优点：
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概述
▪ 不受传输线及负载电阻变化的影响，适于信号的
远距离传送
▪ 使用电流信号可直接与磁场作用产生正比于信号
的机械力
▪ 使用电流信号可方便得到电压信号
（2）电动单元组合仪表中并存着两种标准信号
制度，在DDZ-Ⅰ和DDZ-Ⅱ型仪表中采用0～10 mA，
其信号仅在本仪表内起作用，
一般不能传送给别的仪表或系统， 无法与外界沟通信息
操作人员在现场的巡视，了 解生产过程的状况，进行控制
适用于生产规模较小的系统
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概述
（2）单元组合式仪表（第二代）
DDZ-Ⅱ电动仪表
DDZ-Ⅱ气动仪表
DDZ-Ⅲ电动仪表
按功能划分单元，按 需要组合成复杂控制系统
0.3.2 零点迁移和量程迁移
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概述
以被测量相对于量
输入 100%
程的百分数作为仪表的输 入，以指针位移或转角相 对于标尺长度的百分数作
为仪表的输出，分别用横
0 图0-2
输出 100% 仪表的标尺特性
坐标和纵坐标表示，可用 曲线把“标尺特性”描绘 出来，如图0-2所示。线 性标尺为直线，非线性标
80年代初，随着计算机可靠性的提高，价格的大
幅度下降，出现了数字调节器、可编程控制器（PLC）
以及由多个计算机递阶构成的集中、分散相结合的集
散控制（ DCS ）系统。
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概述
系统中，测量变送仪表一般为模拟仪表，是一
种模拟数字混合系统。这种系统在功能、性能上较
模拟仪表、集中式数字控制系统有了很大进步，可
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概述
操作工
过程控制工程站
HSE 控制网络
H1 过程网络
资产管理维护站
自动化仪表与过程控制
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概述
08 年 最 新 推 出
自动化仪表与过程控制
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概述
传统继承
– 单元化结构
变送器 定位器 转换器
– 仪表选型基本相同
自动化仪表与过程控制
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了“直接数字控制仪表”。