控制仪表装置

过程控制仪表及装置兰州石化职业技术学院EXIT第1页第5章辅助仪表知识目标：掌握安全栅和信号分配器的作用及使用方法了解变频器在过程控制系统中的应用方案掌握电源箱、电源分配器的使用方法技能目标：能运用安全栅和本安仪表构成安全火花防爆系统能完成实际控制系统供电和信号连接过程控制仪表及装置兰州石化职业技术学院EXIT第2页第5章辅助仪表5.1安全栅5.2信号分配器5.3变频调速器5.4电源箱及电源分配器过程控制仪表及装置兰州石化职业技术学院EXIT第3页5.1安全栅安全栅是构成安全火花防爆系统的关键仪表，安装在控制室内，是控制室仪表和现场仪表之间的关联设备。其作用是：系统正常时保证信号的正常传输；故障时限制进入危险场所的能量，确保系统的安全火花性能。目前常用的安全栅有：齐纳式安全栅和变压器隔离式安全栅。过程控制仪表及装置兰州石化职业技术学院EXIT第4页安全栅的品种:过程控制仪表及装置兰州石化职业技术学院EXIT第5页一、齐纳式安全栅1.齐纳式安全栅的工作原理齐纳安全栅是基于齐纳二极管反向击穿特性工作的。由限压电路,限流电路和熔断器三部分组成。其原理电路如图所示：图中R为限流电阻，VZ1、VZ2为齐纳二极管，FU为快速熔断器。齐纳式安全栅原理图过程控制仪表及装置兰州石化职业技术学院EXIT第6页系统正常工作时，安全侧电压U1低于齐纳二极管的击穿电压U0，齐纳二极管截止，安全栅不影响正常的工作电流。但现场发生事故，如短路，利用电阻R进行限流，避免进入危险场所的电流过大；当安全侧电压U1高于齐纳二极管的击穿电压U0时，齐纳二极管击穿，进入危险场所的电压被限制在U0上，同时安全侧电流急剧增大，快速熔断器FU很快熔断，从而将可能造成危险的高电压立即和现场断开，保证了现场的安全。并联两个齐纳二极管是增加安全栅的可靠性。齐纳式安全栅的工作原理过程控制仪表及装置兰州石化职业技术学院EXIT第7页齐纳安全栅优点是采用的器件非常少，体积小，价格便宜;缺点是齐纳式安全栅必须本安接地，且接地电阻必须小于1Ω；危险侧本安仪表必须是隔离型的；齐纳安全栅对供电电源电压响应非常大，电源电压的波动可能会引起齐纳二极管的电流泄漏，从而引起信号的误差或者发出错误电平，严重时会使快速熔断器烧断。齐纳式安全栅的优缺点过程控制仪表及装置兰州石化职业技术学院EXIT第8页图中24VDC的电源一方面通过安全栅向二线制变送器供电，同时将二线制变送器产生的4-20mADC的信号传送过来，由250Ω精确电阻转换为1-5VDC的电压信号送显示仪表或控制器，当然变送器传送来的信号也可通过信号分配器,其输出的多路信号可分别送显示仪表和调节仪表。二线制变送器和齐纳安全栅的连用过程控制仪表及装置兰州石化职业技术学院EXIT第9页齐纳安全栅和电气转换器的连用控制器的输出往往送给电气转换器或电气阀门定位器，由气动执行器实现对被控对象的调节。由于控制器的输出方式不同,和安全栅有两种不同的连接方法。过程控制仪表及装置兰州石化职业技术学院EXIT第10页发射极输出型的控制器可以和安全栅共地,故可采用单通道保护的安全栅；而集电极输出型的控制器，它的两个输出端都不接地，故需采用双通道齐纳安全栅。过程控制仪表及装置兰州石化职业技术学院EXIT第11页二、变压器隔离式安全栅变压器隔离式安全栅利用变压器或电流互感器将供电电源、信号输入端和信号输出端进行电气隔离，同时通过电子电路(限能器)限制进入危险场所的能量。变压器隔离式安全栅分为检测端安全栅（输入式安全栅）和操作端安全栅（输出式安全栅）两种。过程控制仪表及装置兰州石化职业技术学院EXIT第12页1.检测端安全栅的作用(一)检测端安全栅（1）把来自现场变送器的4～20mADC电流经隔离变压器1:1地转换成1～5VDC信号或4～20mADC信号输出至控制室仪表（计算机）。（2）为现场两线制变送器提供24VDC直流电源（3）利用限流、限压电路使得任何情况下送往危险场所的电压不超过30VDC、电流不超过30mADC，从而保证了危险场所的安全。过程控制仪表及装置兰州石化职业技术学院EXIT第13页2.检测端安全栅的构成原理(1)外型结构(2)输入输出特性IiKVA0(3)结构组成及工作原理IiVo24VDC125678输入端输出端Io4~20mA1~5V4~20mA过程控制仪表及装置兰州石化职业技术学院EXIT第14页有六部分组成：1.直流-交流变换器2.整流滤波电路Ⅰ3.整流滤波电路Ⅱ4.电流电压限制电路5.隔离变压器6.共基极放大电路现场变送器调节器T124VDC电流电压限制电路共基极放大电路DC/AC交直流变换器计算机整流滤波电路Ⅰ隔离变压器整流滤波电路Ⅱe0e1e2IiVOABU-I1~5V4~20mA+--+-+VC5VC3调制器解调器隔离电源变压器T2输入端输出端结构组成过程控制仪表及装置兰州石化职业技术学院EXIT第15页①DC/AC/DC交换器：实现“隔离供电”它是一个磁耦合对称推挽式多潜振荡器24DC→eo→e1、e2方波，（8KHz）②整流滤波与输入调制电路e1→D5-8→C3→Vc3→为（解调）输出电路提供电源e2→D10-D13→C5→Vc5→限压限流电路电源e2→D10、D11，D14、D15（开关）→Ii→eT21、eT22→ei1.2e2→D10-D15→Vc7→为现场变送器提供24VDC电源工作原理过程控制仪表及装置兰州石化职业技术学院EXIT第16页③共基解调放大与输出（解调）回路将ei1、2→I04～20mAV01-5VDCW2—调零④晶体管限压限流电路（限能器）☆作用：对到现场的能量进行限制，（限压、限流）☆过压保护（限压作用）：正常时：DW1不导通；BG7截止；BG8饱和导通；VAB=VC7=24V过压时：DW1导通BG7饱和导通；BG8截止；VAB=0☆过流保护（限流作用）：正常时:I入正常VR14小→BG7截止、BG8饱和导通；I入′=I入过流时:I入↑→VR14↑→BG7导通→VC7↓→VB8↓BG8→放大区IC8=βIB8I入=IC8↓=βIB8过程控制仪表及装置兰州石化职业技术学院EXIT第17页1.操作端安全栅的作用(二)操作端安全栅（1）把来自控制室仪表的4～20mADC电流经隔离变压器1:1地转换成1～5VDC直流电压信号或4～20mADC直流电流信号输出至现场执行器。（2）利用限流、限压电路使得任何情况下送往危险场所的电压不超过30VDC、电流不超过30mADC，从而保证了危险场所的安全。过程控制仪表及装置兰州石化职业技术学院EXIT第18页2.操作端安全栅的构成原理(1)外型结构(2)输入输出特性IiKIA0IoIi24VDCA1A2B1B278输出端输入端4~20mA4~20mA过程控制仪表及装置兰州石化职业技术学院EXIT第19页(3)结构组成及工作原理e2有六部分组成：1.直流-交流变换器2.整流滤波电路3.调制电路4.电流电压限制电路5.隔离变压器6.共基极放大电路输入端输出端现场执行器调节器T124VDC电流电压限制电路共基极放大电路DC/AC交直流变换器计算机整流滤波电路Ⅰ隔离变压器e0e1IoABU-I4~20mA+--+-+VC6调制器解调器隔离电源变压器T2输出端输入端Ii4~20mA调制电路过程控制仪表及装置兰州石化职业技术学院EXIT第20页安全栅的作用（1）信号的传输（2）能量的传输（3）限流、限压变送器执行器检测端安全栅操作端安全栅调节器计算机危险场所:现场非危险场所:控制室4~20mA1~5V4~20mAV出I入24VDC4~20mA稳压源I入I出24VDC24VDC信号能源信号能源能源能源V≤30VDCI≤30mADC过程控制仪表及装置兰州石化职业技术学院EXIT第21页进液出料量非安全火花型自动控制系统气动执行器差压式液位变送器V4~20mA1~5V控制器Q出Q进LP气ρ4~20mAVIII显示仪表危险场所:现场非危险场所:控制室△P液位配电器I24VDC24VDC过程控制仪表及装置兰州石化职业技术学院EXIT第22页进液出料量气动执行器差压式液位变送器V4~20mA1~5VQ出Q进LP气ρ4~20mA4~20mAVII操作端安全栅I显示仪表危险场所:现场非危险场所:控制室△P液位检测端安全栅24VDC24VDC24VDC安全火花型防爆系统控制器V30VDCI30mADCI过程控制仪表及装置兰州石化职业技术学院EXIT第23页5.2信号分配器信号分配器主要是将一路输入转换成两路或多路输出，实现信号的转换、分配和隔离等功能。但因具体使用要求不同而功能不尽相同。有的信号分配器还可对多路信号进行处理。信号分配器将4～20mADC的输入信号经250Ω的精密电阻电阻转换为两路1～5VDV信号输出。其中A端为输入，B端和C端为输出，D端作为输入和输出信号的公共负端。它最多处理5路输入信号，常用于盘装仪表的信号连接及配线。过程控制仪表及装置兰州石化职业技术学院EXIT第24页C公用端子1A1B1C250Ω2A2B2C250Ω5A5B5C250Ω4～20mA信号分配器原理过程控制仪表及装置兰州石化职业技术学院EXIT第25页当一个信号向两个设备（如显示仪表和控制仪表）同时输送信号时，若这两设备不共地,就有可能在两个设备之间产生干扰，基至使仪表不能工作。针对此类情况必须使用隔离式信号分配器。隔离式信号分配器WS15242D用24VDV供电，把来自二线制变送器的4-20mADC信号转换成与之隔离的两路输出信号，一路为4-20mADC，一路为1-5VDC，分别送给控制器和显示仪表，且两路输出之间也是隔离的。这里电源和输入、输出之间也是相互隔离的。过程控制仪表及装置兰州石化职业技术学院EXIT第26页5.3变频调速器变频调速器是通过改变电动机电源的频率来调整电动机转速的。在自动化领域，变频调速器可以作为系统的执行部件，接收来自控制器的控制信号，并根据控制信号的大小改变输出电源的频率来调节电机转速，改变被控制对象；也可作为系统中的调节部件，单独完成系统的调节和控制作用。过程控制仪表及装置兰州石化职业技术学院EXIT第27页一、变频调速器的结构框图过程控制仪表及装置兰州石化职业技术学院EXIT第28页电源输入回路将输入的电源信号进行整流变成直流信号；然后由逆变电路根据主控电路发来的控制命令将整流后的直流电源信号调制成某种频率的交流电源信号输出给电动机。输出频率可在0到50HZ之间变化。电源频率降低，电源电压也随之降低，使得电动机的瞬时功率下降，从而减少了电源消耗。主控电路以CPU为核心，接收从键盘或输入控制端来的给定频率值和控制信号以及从传感器送来的运行参数进行必要的运算，输出SPWM波的调制信号至逆变器的驱动电路，使逆变器接要求工作。同时把需要显示的信号送显示器，把用户通过功能预置所要求的状态信息送输出控制电路。过程控制仪表及装置兰州石化职业技术学院EXIT第29页下面以常见的锅炉燃烧时炉膛压力自动控制系统为例说明变频调速器的应用。大型锅炉运行时炉膛内的压力基本都是一个常数，压力过高或者过低都会给锅炉的正常运行带来不良影响。常常需要调整鼓风量使锅炉能够处于最佳的运行状态。炉膛压力控制系统是根据炉膛压力检测信号与给定值进行比较，其偏差送调节进行运算，得到的控制信号送执行器调整送风量，而此时风机照常以额定的转数运转。采用变频调速器后，控制系统发生了变化。与传统的控制系统相比，变频调速器取代了原有的执行部件，它是通过改变风机的转速来改变送风量。由于变频调速器具有多种输入方式，能够很方便地与自动控制仪表相结合，因此在自动化领域的应用前景十分广阔。炉膛压力控制系统过程控制仪表及装置兰州石化职业技术学院EXIT第30页5.4电源箱及电源分配器一、电源箱电源箱是指为电动单元组合仪表集中供电的稳压电源装置，作用是将220V的交流电转换为24V的直流电。下面以DFY型电源箱为例说明其工作原理。DFY型电源箱有过压、欠压、过载和短路保护等功能。当接有备用电源时，若出现过压或欠压故障，DFY会立即