Transcript 控制仪表与计算机控制装置

第四章 其它常用单元仪表
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安全栅
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显示仪表
—控制仪表与计算机控制装置—
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增加一页
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开方器的作用是什么？
•
用在什么场合？
•
怎么实现？
重要概念：
小信号切除
（＜1%的时候，不计算）
Uo  2 Ui  1  1
•
积算器的作用是什么？
•
用在什么场合？
•
怎么实现？
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4.1. 安全栅
安全栅（safety barrier）的作用 ：
将供给本质安全电路的电压或电流限制在一定安全范围内。
安全栅安装于安全场所，接收来自危险区的信号，输出安全信
号到安全区或危险区。
AI
DI
ia/ib
AO
DO
Safe Area
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Hazardous Area
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安全栅
本安设备
+
火花安全
能量限制
本安系统
危
险
侧
安
全
侧
控制系统
电源端
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齐纳式安全栅
F
R
3
危险侧
隔离式安全栅
安全栅
1
Z
安全侧
Ileak
4
2
限能单元
a) 必须要有专门的本安接地系统
b) 危险区本安仪表必须为隔离型的
c) 电源电压的波动可能会引起齐纳二
极管的电流泄漏，严重时会使快速
保险丝烧断（内部齐纳管、限流电
阻、保险丝整体浇封，一旦损坏无
法修复）。
d) 信号负极均要本安接地，对于DCS
系统影响尤为明显。
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R
F
Z
Ileak
3
危险侧
2
安全侧
1
4
限能单元
隔离单元
a) 可以将危险区的信号和安全区信号有效隔
离，自控系统不需要本安接地。
b) 允许现场仪表为非隔离的，允许现场接地
。
c) 有许多保护功能电路，意外损坏可能性较
小
d) 有较强的信号处理能力
e) 当用户同时应用DCS和SIS或ESD时，选用一
进二出的安全栅，可以相互隔离的两个信
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号，避免系统之间互相影响。
F
R
1
3
Z
齐纳式安全栅的接地问题：
safety
Ileak
2
4
Dangerous！
F
R
3
1
Z
齐纳二极管的多重冗余：
4
Ileak
2
能够确保安全栅在正常工作、一个故障和二个故障时均能将输出电能
量可靠地限制在安全参数规定的范围内，从而满足ia级本安要求。
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隔离式安全栅的隔离原理：
模拟量（电流）：
输出
输入
将输入的电流信号复制到输出侧（隔离变压器），并确保电气上隔离；
电流信号的输入端为Iin+、Iin-，而电流信号输出端为Iout+、Iout-；
变压器原边(输入侧)：开关信号Sw1和Sw2控制MOS开关管M6和M7交替导通；
变压器副边(输出侧)：开关信号Sw3和Sw4控制MOS开关管M8和M9交替导通；
开关信号Sw1和Sw3同步，以及Sw2和Sw4同步。
开关量： 继电器隔离、光耦隔离
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安全栅的分类
类别
按
信
号
流
向
分
类
型号
输出信号
信号由现场侧输入：
开关量信号
频率型号
(4~20)mA电流信号
热电阻信号
热电偶信号
mV信号
信号输出至DCS侧：
继电器触点
晶体管OC门
(4~20)mA电流信号
(1~5)V电压信号
信号由DCS侧输入：
开关量
频率量信号
(4~20)mA电流信号
信号输出现场设备：
供电电源
(4~20)mA电流信号
开关量
开关量信号；频率信号
开关量信号；频率信号；24V
电源信号。
电流型
(4~20)mA电流信号。
(4~20)mA电流信号。
热电阻、热电偶信号；
mV信号。
(4~20)mA电流信号。
输入型
输出型
按
信
号
类
型
分
输入信号
温度变送型
按输入输出的通道数分
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1输入1输出、1输入2输出、2输入2输出等
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安全栅的典型使用示意图
控制室
工业现场
SWITCH
(NAMUR)
Ch1 Load
DI卡
Ch2 Load
DI卡
SWITCH
(DIN19234)
接近开关
触点开关
动作判断
DCS系统
英MTL隔离栅型号
德P+F隔离栅型号
中控隔离栅型号
MTL5017
KFD2-SR2-EX2.W
SB3016/R-Ex
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安全栅的典型使用示意图
工业现场
控制室
电压标准
POWER
Source
本安电磁阀
动作判断
DO卡
DCS系统
本质安全电磁阀的功耗一般都小于3W，绝大多数情况不会超过4W。对于非本质
安全型的电磁阀如隔爆型电磁阀，无需使用隔离栅与之匹配。
英MTL隔离栅型号
MTL5024
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德P+F隔离栅型号
中控隔离栅型号
SB3025-Ex
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安全栅的典型使用示意图
信号复制
Ch1 Load
AI卡
Ch2 Load
AI卡
(4~20mA)
(4~20mA)
本安变送器
(4~20mA)
英MTL隔离栅型号
德P+F隔离栅型号
中控隔离栅型号
MTL5041
KFD2-CR-EX1.30300
SB3041-Ex
MTL5042
KFD2-STC4-EX1
SB3042-Ex
MTL5043
KFD2-STC4-EX1.20
SB3043-Ex
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安全栅的典型使用示意图
(4~20mA)
(4~20mA)
Source
阀门定位器
信号复制
英MTL隔离栅型号
德P+F隔离栅型号
中控隔离栅型号
MTL5045
KFD2-CD-EX1.32
SB3045-Ex
MTL5046
KFD2-SCD-EX1.LK
SB3046-Ex
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AO卡
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安全栅的典型使用示意图
Ch1 Load AI卡
Ω、mV
(4~20mA)
(4~20mA)
Ch2 Load AI卡
热电阻、热电偶
信号变换
英MTL隔离栅型号
德P+F隔离栅型号
中控隔离栅型号
MTL5074
KFD2-UT2-EX1
SB3073-Ex
SB3075-Ex
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4.2. 显示仪表简介
显示仪表用于各种检测参数指示、记录，以使操作人员能够准确、
直观地把握系统的实际运行状态。
显示仪表种类繁多，按照显示的方式来分，通常可分为三大类：

模拟式显示仪表

数字式显示仪表

新型显示仪表
按照功能来分，通常可分为：
显示仪表
显示记录仪表
显示调节仪表
显示报警仪表
……
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控制器/
计算机控制系统
显示仪表
qi
执行器
h
被控对象
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检测仪表
q0
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第1类 模拟式显示仪表
特点：简单、可靠、便宜，但响应慢、精度低，重现性差，抗振性
差，读数不直观并容易造成多值性，工业应用越来越少。
1-1 动圈式显示仪表
张丝
动圈
指针
＋
mV
－
张
丝
磁钢
面板
动圈式显示仪表为机电结合型仪表，80年代以前应用广泛。
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1-2 电子电位差计(热电偶)
C
R1
Rp
－
B
R3
M
E
D
R2
+
A
a
b
R4
_
指
示
记
录
装
置
+
Et
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1-3 自动平衡电桥(热电阻)
M
R1
r
r
C
Rp
+ E －
B
R3
D
R4
Rt
r
和电子电位差计相比，除感温元件和测量电桥之外，其它部分基本相同
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第2类 数字显示仪表
原理：数字式显示仪表也是先用检测仪表将待测变量转换成相对应的电
信号，再经模/数转换把电信号转换成数字信号，由数字电路处
理后直接以数字形式在LED、LCD等显示器件上显示被测结果。
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2-1光柱显示仪
报警指示
光柱指示
参数设
置按钮
数码显示
图7-6 光柱显示仪表外形实例
光柱型显示仪表具有结构简单、显示直观稳定、可密集安装等优点。
以往光柱型显示仪表被归类于模拟显示仪表，但现今的光柱显示仪表往往
具有模、数双重显示功能，可归于数字显示仪表一类。
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2-2数字显示仪
以数字形式直接显示测量结果
大多以专用的大规模集成电路芯片外加
必要的外围电路组成。
多数数字显示仪表还可以有信号输出、
报警控制等附加功能。
工艺变量
热电势
热电阻
电压
电流
……
信号
变换
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前置
放大
非线性
校正
A/D转
换
标度
变换
数字显示
数字输出
V/I转换
电流输出
比较和控制
报警输出
光柱电平驱动
光柱显示
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数字显示仪表的技术指标有很多，除了需要注意仪表的信号输入规
格（如：电流、电压、频率、mV、Ω……）、工作电源、环境温度
、环境湿度、安装方式等基本的技术要求之外，通常还要注意以下
技术指标：
①显示方式 数显仪表一般采用3位半或4位半的数码管显示，所谓“
半位”就是指数码显示的最高位只能是“0”或者“1”。3
位半数显仪表的最大读数范围是－1 999～＋1 999，计量
单位可选。
②精度等级 一般数显仪表的精度等级为0.5级或者0.2级，通常以
±0.5%FS或者±0.2%FS表示。
③输入阻抗 输入阻抗是指仪表在工作状态下呈现在仪表两输入端之
间的等效阻抗。电压输入仪表的输入阻抗一般≥10MΩ；
电流输入仪表的输入阻抗一般≤250Ω。
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第3类 新型显示仪表
新型显示仪表是指涉及微处理技术、新型显示记录
技术、数据存储技术和控制技术，把
信号检测处理、显示、记录、数据存
储、通讯、控制等多个甚至全部功能
集于一体的新型仪表或者装置。
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3-1 无纸记录仪
• 诞生于九十年代初以来，它以CPU为核心，以大屏幕LCD为载体，以无
纸、无笔的功能设计为基础，给无纸记录仪带来了稳定、可靠的性能
• 在化工、炼油、钢铁、造纸、环保等各行各业使用广泛。
• 随着计算机、通讯技术的发展，仪表集成度越来越高，功能越来越强大
，除了数据采集、数据处理、显示和记录功能之外，增加了报警、积算
、多通道配电、网络通讯、打印、变送输出、PID调节等功能。
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① 海量数据的记录功能 数据记录（追忆）是无纸记录仪最基本
的功能，数据记录深度（最长记录时间）与数据芯片的存储容
量、采样通道数、记录间隔密切相关。
② 外部存储功能 应具有合适的外部存储器接口，目前的记录仪
多采用USB、TF等接口技术。
③ 通讯功能 有线、无线。有线方式有RS232、RS485、Ethernet等
等，是自动化系统中最常见的组网方式。无线通讯主要指电台、
GPRS、GMS及无线以太网等。无纸记录仪本质上就是一套小型
计算机监控系统，几乎可实现计算机监控系统需要的各种功能。
④ OPC功能 一般通过OPC技术实现与上位机的无缝连接。
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3-2 计算机监控系统
标题栏
菜单栏
工具栏
主窗体
滚动条
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