工业控制及自动化仪表基础知识

工业控制及自动化仪表基础知识英达康华志斌主要内容„常用控制电器„继电器－接触器控制系统的设计原则„继电器－接触器控制线路设计中应注意的问题„PLC简介（构成、特点、应用领域）„PLC与其他工业控制系统的比较„电动单元组合仪表简介„检测仪表„调节器„执行器和防爆栅„DCS简述常用控制电器„接触器„继电器„主令电器„保护电器和组合电器接触器适于频繁地接通和分断主电路或大容量控制电，主要用于控制电动机，也可用于控制其它电力负荷。按工作原理分为电磁式、气动式和液压式，这里主要介绍电磁式接触器。电磁式接触器的主要组成部分：触头系统、电磁系统、灭弧装置、支架和外壳。按主回路接通和分断的负载电流的性质，分为直流接触器和交流接触器。交流接触器主回路分断和接通交流负载，控制线圈可以是交流或直流，通常交流接触器的控制线圈为交流线圈。交流接触器分断交流负载，灭弧装置相对简单，当使用交流线圈时线圈铁心象变压器一样为减少涡流损耗由硅钢片叠压而成，由于线圈电磁力发生波动，通常噪声较大。由于励磁电流与励磁线圈的电抗相关，而电抗又与磁路的气隙大小有关，所以接触面不平或污损将会增大励磁电流，增大接触器温升甚至烧毁交流接触器。直流接触器主回路分断和接通直流负载，控制线圈可以是交流或直流，通常交流接触器的控制线圈为直流线圈。交流接触器分断直流负载，灭弧装置相对复杂，当使用直流励磁线圈时线圈铁心通常由整块软铁构成成，由于线圈电磁力稳定，通常噪声较小。由于励磁线圈电感大，在断开励磁线圈时将产生较高的感应电势，因此要注意线圈的绝缘和能量泻放。接触器主要技术参数„额定工作电压（主触头的额定电压）„额定工作电流（主触头的额定电流）„电磁铁线圈的额定电压„额定操作频率„触头数目（主触头和辅助触头）„接通和分断能力继电器继电器是根据某种物理量的变化来改变其触点状态的控制元件。当继电器的输入电压、电流和频率等电量或温度、压力和转速等非电量达到规定值时，继电器的触点便接通或分断所控制或保护的电路。继电器一般由输入感测机构和输出执行机构两部分组成，前者用以反映输入量的高低，后者用以接通或切断电路。常用继电器种类„电压继电器„电流继电器„时间继电器„热继电器„中间继电器主令电器主令电器是按一定生产工艺要求发出控制命令的操纵电器，用以闭合或断开接触器、继电器等电器的线圈回路，以实现对生产机械的控制。在控制电路中由于它是一种专门发布命令的电器，故称为主令电器。不允许使用主令电器分合主回路。常见的主令电器有：控制按钮、万能转换开关、主令控制器、行程开关保护电器和组合电器„熔断器：又称保险丝，起短路保护作用„自动开关：又称空开，有过载、短路、欠压保护作用，可用于不频繁启动的电机控制。„磁力启动器：是一种组合电器，由接触器、隔离开关、熔断器、热继电器和按钮等组合而成。什么是隔离开关？继电器－接触器控制系统的设计原则„正确地设计控制线路功能正确，在最大限度满足设备对电气控制线路要求的前提下，力求控制线路简单、布局合理，器件选型正确并便于操作和维修。„设置必要的保护除基本的短路、过载、欠压保护外，应根据实际情况配置必要的保护，保证系统安全可靠。但不是保护越齐全越好，因为保护越多，线路越复杂，故障几率越多，有可能降低系统的可靠性。„正确选择电器设备选型时要考虑工作方式、线路电压和电流等级，考虑触点的断弧容量（双触点串联可提高断弧能力），辅助触点的数量等。„故障安全原则当系统中出现设备损坏或故障时，不能发生误操作和故障的扩大。例：操纵制动器的电磁铁表示合闸状态的指示灯急停开关、拉绳开断的状态选取保证控制线路的可靠和安全„正确连接电器的触头„正确连接电器的线圈设计中要注意的问题„控制电源一端接地时应防止发生意外KMKM„防止出现寄生回路KM1KM2KM2KM1„防止出现寄生回路L2L1KM1KM2„防止电气元件触点“竞争”“先断后合型”、“先合后断型”„继电器触头的分断合接通能力触点并联的作用、„电器连锁和机械连锁„控制电路是否跳闸：控制电路由于电源等原因断电或控制器死机时，是否发出主机跳闸的命令，要根据具体系统设计，一般要求控制电路重新启动时不影响主系统的运行。„尽量减少触点数目„尽量缩短连接导线的数量和长度„控制线路在工作时，除必要的电气元件需通电外，其余电器尽量不长期通电，以延长电气元件的寿命和节约电能及减少发热„采用标准件，尽可能选用相同型号的元件„尽量使用标准的、常用的或经过实际考验过的线路和环节控制线路力求简单、经济„短路保护（空开有短路和过载保护的作用）„过电流保护（电机保护一种，常用继电器完成）„过载保护（热继电器）„失压保护（防止电源电压恢复时电机自行启动，典型的启保停电路）„欠压保护（电压继电器）对电机的基本保护，如过载保护、端相保护、短路保护等，一般在一个保护装置中完成完善的保护环节PLC简介（构成、特点、应用领域）国际电工协会（IEC）定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计。68年GM公司提出10条技术指标在社会上公开招标，69年DEC根据要求研制出第一台PLC并中标。构成可编程控制器存储器CPU模块输入模块输出模块编程器辅助触点限位开关按钮电源接触器电磁阀指示灯电源特点„可靠性高，抗干扰能力强„配套齐全，功能完善，适用性强„易学易用，深受工程技术人员欢迎„系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造„体积小，重量轻，能耗低应用领域„开关量逻辑控制（顺序控制）„闭环过程控制„位置控制„监控系统„分布控制系统PLC与其他工业控制系统的比较„与继电器控制的比较„与个人计算机控制的比较„与单板机控制的比较„与DCS控制的比较与继电器控制的比较„控制逻辑（硬接线与软接线）„工作方式（硬接线全联动和顺序扫描）„控制速度„时间控制„技术控制„设计、施工和改造„可靠性和可维护性„价格与个人计算机控制的比较本质上个人计算机和PLC是面向不同应用领域的计算机系统。个人计算机的最大特征是运算速度快，功能强，应用范围广。如果采用PC作为某一设备的控制器，就必须根据实际需要考虑抗干扰问题和硬件及软件设计，以适应设备控制的需要。这样就势必把通用的PC转化为具有特殊功能的控制器而称为一台专用机。所以，本质上PLC就是一种用于工业自动化控制的专用微机控制系统，结构简单，抗干扰能力强，价格也比一般微机系统低。与单板计算机控制的比较„单板机不如PLC掌握„单板机不如PLC简单„PLC不如单板机灵活„单板机不如PLC可靠（？）与DCS控制的比较„PLC是由继电器控制逻辑发展而来的，集散控制系统是由回路仪表控制发展而来的。二者的发展均都是计算机控制技术发展的直接体现。„PLC在开关量控制、顺序控制方面有一定的优势，而集散系统在回路调节、模拟量控制方面有一定优势。二者相互渗透、互为补充，PLC与DCS的差别已不明显，它们都能构成复杂的分级控制，从趋势来看，二者的归属和统一是全分布式计算机控制系统。听说过DDC吗？电动单元组合仪表简介自动化仪表作为一种专门的仪表，最早出现在上世纪40年代，由于石油、化工、电力等工业对自动化的需要，出现了将测量、记录、调节仪表组合在一起的多功能自动化仪表。后来，人们发现多功能仪表的结构不够灵活，不如将仪表按功能划分，制成若干种能独立完成一定功能的标准单元，各单元间以标准联络信号相互联系，这样通过选择一定的单元，积木式地把仪表组合起来，构成各种复杂程度不同的控制系统。这种积木式的仪表就称为单元组合仪表。这种做法不论对仪表厂的大量生产还是用户的选用和维护都是有利的。这些年随着计算机技术的进步，仪表的功能结构又重新向多功能转变。国产仪表60年代，电子管和磁放大器，DDZ-I,0-10mA70年代，晶体管，DDZ-II，0－10mA80年代，线性集成电路,火花防爆，DDZ-III,4-20mA工艺介质调节对象被调量检测元件变送单元显示单元执行单元调节单元测量值给定值给定单元操作单元单元组合仪表检测仪表„温度检测仪表„压力检测仪表„流量检测仪表„液位检测仪表„成分分析仪表温度检测仪表„热电偶„热电阻„半导体热敏电阻（热电阻使用方便，便宜，热容大，反映慢，测温范围不如热电偶大）半导体热电阻体积小，适用于设备内测温，测温范围也小，精度不高。压力检测仪表„力平衡式压力（差压）变送器„位移式差压（压力）变送器„固态测压仪表（压电效应、压阻效应、压磁效应）（主流）。流量检测仪表„节流型流量计（孔板、靶式、动子）„容积式（椭圆齿轮）„涡轮流量计（精度介于上者之间）„电磁流量计（可测含纤维及污物的液体，适用于腐蚀性液体，但导电率不能太小，不能用于油和纯水，不能有气泡）„漩涡流量计(旋进型和涡街型，涡街为主流）液位检测仪表„浮力式（浮子式、翻板式）„静压式„电容式„超声波„雷达成分分析仪表„热导式（根据气体导热系数）„红外线（根据吸收谱）„色谱（液相色谱，气相色谱）调节器本节内容复杂，涉及到自动化控制的比较核心的算法部分，以后如果需要单独作为一个讲座。执行器和防爆栅执行器„气动执行器以压缩空气为动力„电－气转换器一般将电流转换为气压„阀门定位器将电流信号转换为阀门位移，含电气转换„电动执行器防爆栅防爆的思想结构防爆：将可能产生危险火花的电路从结构上与爆炸性气体隔离开来。（充油、充气、充砂、隔爆）本安防爆（安全火花防爆）：把电路在短路、开断及误操作等各种状态下可能发生的火花都限制在爆炸性气体的点火能量之下，从爆炸发生的根本原因上采取措施解决防爆问题。危险现场变送器变送器防爆栅防爆栅电源调节器安全场所（控制室）本安仪表本安系统防爆栅：是对送往现场的电压和电流进行严格限值的单元，可保证在各种状态下进入现场的电功率都在安全范围之内。防爆栅只限值瞬时功率，现场设备的L，C都可能造成危险，所以构成安全火花防爆系统的充要条件是：现场仪表与非危险场所之间的电路连接必须经过防爆栅；在危险现场的仪表必须是本安型的。防爆电缆：国际标准没有这一说，只限值L，C，习惯上要求颜色区分。两种防爆栅齐纳型VD1VD2R1R2F27~28V29~30VVOVi隔离型（1）检测端防爆栅执行端防爆栅电路原理图DCS简述„发展过程„分散控制方式：仪表间相距过远、仪表盘尺寸过大、无法全面了解信息及操作；„集中控制方式：危险过于集中，计算机出现故障时整个生产装置瘫痪；„集散控制方式：控制功能分散、操作管理集中---DCS。„集散控制中危险分散的方法：将控制功能分散到多台计算机上，采取双重化冗余措施。集散控制系统的组成DCS现场控制站概述说明„概述：控制站支持多回路控制，在加强单回路控制器的基础上增加了顺序控制功能。„特点：反馈控制与顺序控制由同一CPU操纵，容易完成生产现场的工艺组合，能够实现生产全过程的自动化。„说明：补充资料—具有相同功能的技术手段--PLC现场控制站DCS监控操作站的功能„工程功能---完成系统生成、系统维护、系统测试和系统管理；„操作功能---监视、记录、运行；„通信功能---完成现场控制站于上位机之间的数据交换。主要介绍操作功能---运行中的操作画面（1）总貌画面—反映生产过程总体状况（2）分组画面--对应显示各内部仪表状态，在操作中观察其它回路的关联变化。（3）回路调整画面--细致观测单元仪表的情况，可用于单回路的PID整定。（4）报警画面--按时间顺序排列显示报警（总貌种只显示报警性质和场所），有声光配合。（5）趋势分组画面--显示过程变化曲线，可出现在总貌画面和趋势画面。（6）流程子画面—绘有过程图形的仪表面板。显示在屏幕上，可模拟原有仪表。