现场总线控制系统的分类:
- FF基金会现场总线(美国艾默生公司)
- PROFIBUS过程现场总线(德国西门子公司)
现场总线系统的特点:
- 适应工业应用环境
- 要求实时性强,可靠性高,安全性好
- 多为短帧发送
- 通信传输的效率相对较低
FCS与DCS的区别:
- DCS: 系统中的每个现场仪表到控制室的通信都需要一对专用的双绞线,以传递4~20mA模拟信号.
- FCS: 每个现场仪表到接线盒仍各使用一堆双绞线,低速传送数字信号,但从现场接线盒到控制室仅用一对双绞线完成现场通信
- FCS的优点:
  1. 全数字化
  2. 全分布
  3. 双向传输
  4. 自诊断
  5. 节省布线及控制室空间
  6. 多功能仪表
  7. 开放性
  8. 互操作性
  9. 智能化与自治性

基础知识

基本概念

现场总线: 现场总线是安装在生产现场的仪表和控制室内的仪表或装置之间的数字式串行通信链路.既包括软件部分,也包括硬件部分.

控制仪表的性能

准确性: 准确性由准确度表示,被定义为相对被测变量真实值的正确量度,准确度通常用满刻度读数来表示.

例如,若一台变送器的量程为100℃,其准确度为0.5%,则说明变送器能确定真实温度在0.5℃之内.或者说,若变送器的量程为100℃,其测量值与真实值之差为0.5℃.
可靠性: 可靠性指的是在规定条件下和规定的时间内,完成规定的功能的能力.由平均无故障时间(MTBF)衡量.

平均无故障时间(Mean Time Between Failures): 单台仪表在两次相邻故障间,除去维修时间后,其实际工作时间的平均值.
电磁兼容性
耐环境影响性: 使用防护等级(IP代码)衡量.

信号制(☆☆)

课后随堂题目:什么是信号制?控制系统仪表之间采用何种连接方式最佳?为什么?

信号制: 是指成套系列仪表中,各个仪表的输入输出信号采用何种统一的联络信号.
信号传输设计原则:
1. 控制室仪表之间使用电压信号,为了方便维护检修.
2. 现场仪表及传输线使用电流信号(首选4~20mA直流电流信号),为了抗干抗性能好.
模拟信号的标准化:
1. 模拟气动信号: 使用20 kPa~100kPa气压信号.
2. 模拟直流电流信号: 使用4~20mA直流电流信号或0~10mA直流电流信号.优先选用4~20mA直流电流信号,辅助联络信号为1~5V电压信号.
练习题: 写出3种工业过程中常用的信号标准,并比较2种标准电流信号的特点?

控制系统中使用的常用标准信号有气压信号,电压信号和电流信号.

标准电流信号分为0~10 mA和4~20 mA两种:前者使用方便,容易将电流值换算为实际物理参数真实值,但是存在零值是无法确定是物理信号为零还是系统故障导致的电压为零的问题;而后者克服了上述缺点,存在调整量程灵活多变的优点.

两种模拟直流信号的区别(☆☆)

课后随堂题目:控制系统中使用的标准信号有哪些?试比较0-X,A-X(A>0)两种信号标准的优缺点?

两种模拟信号的优缺点比较
1. 0~10mA直流电流信号: 死零点,老式仪表采用.
  - 优点: 直观,方便进行模拟信号的数学运算与刻度转换.
  - 缺点:
    1. 无法分辨仪表失电,电路断线和信号下限三种情况.
    2. 产生的电磁力小,带负载能力差.
2. 4~20mA直流电流信号: 活零点,新式仪表采用.
  - 缺点: 设计复杂
  - 优点:
    1. 方便分辨仪表失电,电路断线和信号下限三种情况.
    2. 仪表精度高,避开了电子元件的非线性区.
    3. 仪表可设计为两线制,节省电缆.
    4. 产生的电磁力大,带负载能力强.
练习题: 写出3种工业过程中常用的信号标准,并比较2种标准电流信号的特点?

控制系统中使用的常用标准信号有气压信号,电压信号和电流信号.

标准电流信号分为0~10 mA和4~20 mA两种:前者使用方便,容易将电流值换算为实际物理参数真实值,但是存在零值是无法确定是物理信号为零还是系统故障导致的电压为零的问题;而后者克服了上述缺点,存在调整量程灵活多变的优点.

变送器与控制室仪表间的信号传输(☆☆)

课后随堂题目:请详述四线制和两线制各自的特点?

有两线制和四线制两种

四线制(信号线与电源线相独立):
- 输出可以是0~10mA或4~20mA直流信号.
- 对电流信号的零点与功率没有限制.
- 电源为交直流均可.
两线制(信号线与电源线共享):
- 输出必须是4~20mA直流信号.
- 对电流信号的零点与功率有限制.
- 电源必须为单电源,直流.
- 变送器的正常工作电流必须小于等于信号电流的下限.

在这里插入图片描述

量程与零点(☆☆)

课后随堂题目:什么是变送器的量程调整?为何要进行量程调整?画图并结合公式说明量程调整的方法和步骤?

量程与上限的定义:
- 量程: 测量上限与下限代数差的绝对值
- 测量上限与下限: 测量范围的最高值与最低值
量程调整: 包括下限调整(又称为零点调整)和上限调整两个方面,只有当下限为零或确定不变时,才可以把上限调整看作是量程调整.
量程调整的目的:
- 上限调整: 使变送器的输出信号的上限值 $y_{max}$ 与测量范围的上限值 $x_{max}$ 相对应.,在下限为零时,也可以称作量程增大调整.
  
  上限调整的目的: 相当于改变变送器输入输出特性的斜率.
- 下限调整(零点调整): 使变送器输出信号的下限值 $y_{min}$ 与测量信号的下限值 $x_{min}$ 相对应,在 $x_{min}=0$ 时,为零点调整,在 $x_{min}\ne0$ 时,为零点迁移调整.在未加迁移时,测量起始点为零;当测量的起始点由零变为某一正值时,称为正迁移;反之,当测量的起始点由零变为某一负值时,称为负迁移.
  
  下限调整的目: 在实际测量中,为了正确选择变送器的量程大小,提高测量准确度,常常需要将测量的起点迁移到某一数值(正值或负值).

供电技术

供电技术抑制干扰的措施:
1. 使用交流电源变压器的屏蔽
2. 采用直流开关电源
3. 采用D~DC变换器
4. 为每一块电路板设置独立直流电源
5. 集成电路块的Vcc加旁路电容

控制仪表的通信

数字通信使得许多现场仪表和控制室装置在同一条总线上进行双向多信息的串行数字通信.
信息在不同层之间的处理方法是按照规定的协议进行的,因此能够相互理解.

控制装置的抗干扰

干扰的来源

漏电电阻
经过公共阻抗耦合
电场耦合
磁场耦合

干扰的形式

串模干扰: 作用在仪表的两个输入端子之间,因此有横向干扰之称,其效果如同干扰信号与有用信号串联后送到仪表的输入端一样.主要影响信号精度.
共模干扰: 作用在信号电路与地之间,它对两根信号导线的作用完全相同,仪表的两个输入端子之间并无干扰信号,但这两个端子和地之间却出现了干扰信号,因此有"纵向干扰"之称.
共模干扰的危害:
1. 易于转换为串模干扰.
2. 对仪表产生破坏作用
抗干扰措施: 从干扰源,干扰途径和干扰对象三项因素着手:
1. 消除或抑制干扰源.
2. 破坏干扰引进的途径
3. 削弱干扰接收对象对干扰的敏感性.

控制装置的防爆

己被广泛接收的仪表防爆技术有: 隔爆,增安,本安,正压,浇封和无火花型等. 首选技术是本安防爆技术.
本安防爆技术的特点:
1. 成本低,体积小,质量小,允许在线检测和带电维护,也能用于0区危险场所.
2. 为系统防爆,其性能既与关联设备有关也与相应设备有关.
防爆结构的两种类型:
1. 隔爆型,用标志d表示: 核心思想是控制爆炸范围.
2. 本安型,用标志i表示: 核心思想是控制进入危险场所的电压与电流.

齐纳式安全栅(☆☆)

课后随堂题目:请描述齐纳式安全栅的工作原理?

在这里插入图片描述

利用在本安电路与非本安电路间串接的电阻限制进入本安电路的电流,利用齐纳二极管VD1及VD2限制进入本安电路的电压,并用快速熔断丝FU保护齐纳二极管.
在正常工作时,安全栅端电压V1小于齐纳二极管的击穿电压V0,齐纳二极管不工作,回路电流数值由安装在危险侧的变送器决定,安全栅并不影响正常的工作电流值.在现场发生事故如危险场所形成短路时,则用R限制过大电流进入危险场所.在安全栅端电压V1高于齐纳管的击穿电压V0时,齐纳管击穿,进入危险场所的电压将被限制在V0值上.同时,安全侧电流急剧增大,使快速熔断丝F很快熔断,立即把可能造成事故的高压与危险现场隔断,也保护了齐纳二极管.

变送器原理及应用

电容式变送器

电容式变送器的原理:

两个平板电极即可构成一个最简单的电容器,其电容值与极板面积、极板间距以及极板间介质的介电常数有关.如果在上述参数中设定其中两个参数为常量,则电容值的大小为另一个参数的单值函数.

在压力测量领域内,常常利用电容极板间的微小位移变化作为压力检测的手段.当压力作用到一个电容极板时,极板受力产生位移.考虑到实际应用,工程上往往采用一种双电容式结构,即差动电容结构.

扩散硅压力变送器

工作原理: 硅半导体的压阻效应(应力作用使材料的电阻率改变).
技术手段: 惠斯通电桥(在硅膜片特定方向上扩散4个等值的半导体电阻,并连接成惠斯通电桥,作为力电变换器的敏感元件).
性能优点:
1. 无机械可移动部分,可靠性高.
2. 主体电路采用持殊材料和工艺固化,适用于恶劣环境下工作
3. 信号滞后极小,动态响应快
4. 压敏电阻的特性决定了系统灵敏度很高.
5. 长期稳定性好,减少了维护工作量.
6. 体积小、重量轻.使用方便.
弱点: 温度效应.

热电阻温度变送器

热电阻的三线制接法: 温度变送器热电阻信号输入回路是一个不平衡电桥,热电阻为桥路的一个桥臂.所谓三线制接法,就是从现场的金属热电阻两端引出三根材质,长短,粗细均相同的连接导线,其中两根导线被接入相邻两对抗桥臂中,另一根与测量桥路电源负极相连.
热电阻的四线制接法: 一对导线为热电阻提供恒定电流,另一对导线把电压信号引至内阻很高的显示仪表.

执行器

执行器概述

执行器分为3种: 液动,气动,电动.

液动: 推力最大,但较笨重,现很少使用.
气动:
- 其执行机构和调节机构是统一的整体.
- 执行机构有薄膜式和活塞式两类.活塞式行程长,适用于要求有较大推力的场合,而薄膜式行程较小,只能直接带动阀杆.
- 用压缩空气为能源,结构简单,动作可靠、平稳、输出推动力大、维修方便、防火防燥.
- 它可以通过电/气转换器或电/气阀门定位器与电动调节仪表或工业控制计算机配套使用.
电动
- 其执行机构和调节机构是分开的两部分.
- 执行机构有角行程,直行程和多转式三种.
- 以两相交流电机为动力的位置伺服机构,作用是将输入的直流电流信号线性地转换为位移量.
- 能源取用方便,信号传输速度快、距离远,便于集中控制.
- 停电时,执行器保持原位不动,不影响主设备的安全
- 灵敏度和精度较高,与电动仪表配合方便,安装接线简单.
- 结构复杂体积较大,推力小,价格贵,平均故障率高于气动执行器.
- 安全防爆性能较差,电机动作不够迅速,在行程受阻或阀杆被轧住时电机易受损.

阀门定位器(☆☆)

课后随堂题目:下图为力平衡式阀门定位器,请描述其工作原理并画出工作流程图?

工作原理

压力(电流)信号通入后,波纹管形变使杠杆2产生一个向左的力,使其绕支点作逆时针偏转,挡板靠近喷嘴,喷嘴背压经气动放大器送入气动薄膜调节阀气室,使阀杆向下移动,经摆杆带动反馈杆和偏心凸轮绕支点偏转,通过滚轮使杠杆1绕支点偏转,将(反馈)弹簧拉伸,反馈弹簧对杠杆2的拉力与压力信号输入平衡时,仪表达到平衡状态.
控制框图

DEH控制系统

DEH概述: 汽轮机数字电液控制系统,是以DEH控制器为核心,以电液伺服阀为接口设备,压力油为介质,油动机为执行机构,以转速,功率,轴汽压力为被调量的闭环控制系统.其通常由电气和电液伺服两部分组成.
电液伺服阀:
- 电液伺服阀的结构和作用:
  
  电液伺服阀是一个电液转换器,将电信号放大为液动信号,控制油动机.
- 电液伺服阀的工作原理:
  
  电液伺服阀是由一个力矩马达和两级液压放大及机械系统所组成.第一级液压放大是双喷嘴(喷油口)和挡板(反馈杆)系统;第二级放大是滑阀系统.
  当有欲使控制阀动作的电信号由放大器输入时.则力矩马达的线圈2有电流通过.在街铁4的一端呈现N极.而另一端呈现S极.衔铁4支承在弹簧管5上.后者是具有弹性的薄壁圆管.当衔铁被磁化后.它的一端受到吸引.而另一端受到排斥作用.产生一扭转力矩.衔铁产生一个转角.致使弹簧管变形.衔铁的转动使反馈杆7产生弹性变形.改变了喷油口6的排油面积.假定电流的作用使衔铁的左端为N极.右端为S极.则衔铁因受磁铁的吸引和排斥作用顺时针旋转.减小了反馈杆左面喷油面积.使油压p1增加.
  因反馈杆右面喷油面积增加.使油压p2下降.在差压作用下滑阀(或称主阀)8向右移动.打开油口b.压力油p0经过两扇滤网和油口b进入油口 b’.冉田俩口 b’进入油动机活塞下.使油动机活塞上移.而活塞上的油经逆止阀排到回油管路(见图8-39).这样使控制阀开大.反之.滑阀8向左移动.打开油口a.但因油口 a’堵死(当然也可将b’油口堵死.a’油口打开).压力油不能流动.而油动机活塞下的油经油口 b’倒回到回油管路.油动机活塞下油压下降.在活塞上弹簧力的作用下.使控制阀关小.直至放大器输入信号为零.滑阀回到中间位置.喷油口6的油是压力油经节流孔9送入的.
  在DEH控制器发出的阀位指令电信号使油动机移动的同时.装在油动机活塞杆上的线性位移传感器(LVDT)将阀位反馈信号送回到综合器(比较器).抵消DEH控制器输入的指令信号.使可动衔铁回到原来位置.伺服阀的滑阀回到中间位置.切断了油动机的进油或泄油.使油动机稳定在新的位置上. 在滑阀两端压差作用下.为了避免控制过程中产生摆动现象.在滑阀上有反馈杆(即弹簧片7).该杆下部伸入到滑阀中部凹槽中.当沿网移动时.使反馈杆产生一反力矩.这样当电流线圈对可动衔铁产生的电磁力矩同弹簧管及反馈杆的反力矩平衡时.滑阀便稳定在某一位置.从而阻止了两侧的喷油量差值进一步变大.也就控制了滑阀两端面的压差.使系统处于稳定.由于反馈杆是在动作过程中起作用.故称动反馈.反馈杆又称反馈弹簧片.
  当阀门开启到需要的稳定位置时.电液伺服滑阀回到中间位置.该位置并不是凸肩把压力油全部封死.而是有少量的压力油供给油动机活塞下腔.用以补偿油动机及伺服阀的漏油.有效地减少了油动机及进汽阀的晃动.当电液伺服阀突然发生断电和失去电信号时.在运行中可借机械力量最后使滑阀偏移左侧.使进汽阀关闭停机.
  这种电液伺服阀的输入电流与油动机活塞输出位移之间具有一一对应关系.

转速控制装置(☆☆)

课后随堂题目:火电机组中常用到哪些无级调速方式?请选择一种说明其组成和工作原理

转速控制装置有3种:

转差(滑差)电动机调速机构
液力耦合器调速机构
变频调速装置

转差电机调速系统的问题

无级调速: 高转速可控性好.低转速可控性差.投自动困难.
效率问题: 牺牲转差律换取转速变化,转速降低时功率和效率下降.
可靠性问题:磁间隙容易堵塞.致使软连接→硬连接,失去调速功能.
维护问题:滑差电机拆卸困难.维护量大.

液力耦合器(☆☆)

课后随堂题目:请简述下图所示液力耦合器调速机构的工作原理,并给出其调速特点?

工作原理(☆☆)

当泵轮在主动轴驱动下旋转时,循环圆内的工作油在离心力作用下沿径向流道外甩而升压,在出口以径向相对速度与圆周速度的合速度冲入涡轮进口径向流道,工作油在涡轮的径向流道内动量矩降低了,进而对涡轮产生了转动力矩,使涡轮旋转.工作油消耗了能量之后从涡轮出口流出,又流入泵轮入口径向流道,以重新获得能量.工作油在循环圆内周而复始地自然循环,传递能量.
泵轮的转速是固定的,而涡轮的转速则是根据工作油量的多少而改变,工作油越多,泵轮传给涡轮的力矩越大,则涡轮转速越高,反之涡轮转速越低.因而,可以通过改变勺管位置以改变工作油量,进而改变涡轮转速.
调速特点(☆☆)
1. 可实现宽范围无级调速(25%~100%),便于控制.
2. 离合方便,可使勺管控制充油量为零,实现零负荷起动.
3. 无机械连接,具有隔离振动的缓冲作用.
4. 可实现过载保护,即使负载突然加大,电机仍然正常运转不致损坏.
5. 无机械磨损,可靠性高,维护量小.
6. 缺点是系统较复杂,自身有功率损耗,仍然是损失转差律S换取转速变化,节能不理想.

变频调速系统

最初应用原因: 滑差电机存在致命缺点(硬连接、拆卸维护困难、低效、低转速可控性差)!
变频调速思想: 将调速手段转移到主动部分;取消转速调节装置.直接控制电机转速.

控制器

PID调节

课后随堂题目:画出PID调节电路的原理图,在图中标出各个电阻和电容元件的参数?并简述PID调节特性?

在这里插入图片描述

PID调节的特性如下:

比例调节的特点:
1. 动作快,调节即使,迅速.
2. 对干扰有很强的抑制作用.
3. 调节过程结束,被调亮的偏差仍存在,存在静态偏差,因此被称为有差调节.
积分调节的特点:
1. 只要偏差存在,积分控制作用一直增加,从而消除了静态误差,实现无差调节.
2. 控制作用主要体现在调节过程的后期
微分调节的特点:
1. 微分调节作用的大小仅与偏差信号的变化速度有关,而与偏差值的大小无关.
2. 微分调节可以实现超前调节,有利于客服动态偏差,将大大改善调节过程.
3. 微分调节的引入可以使控制系统的稳定性和准确性得以提高,可适当减小静态偏差,但不能完全消除静态偏差.

先进控制策略

课后随堂题目:写出5种先进控制策略的名称,并简要描述其中任意2种的工作原理?

模糊控制: 用语言归纳操作人员的控制策略,运用语言变量和模糊集合理论形成控制算法的一种控制.
专家控制: 试图在控制闭环中加入一个有经验的控制工程师,系统能为他提供一个“控制工具箱”,即可对控制,辨识,测量,监视等各种方法和算法选择自便,调用自如.
神经网络控制: 用来模拟脑神经的结构和思维,判断等脑功能的一种信息处理系统.
遗传算法: 遗传算法则是模拟生物的进化机制.将待求解问题转换成由个体组成的演化群体和对该群体进行操作的一组遗传算子,整个系统按照生成→评价→选择→操作的演化过程反复进行,直至搜索到最优解.
自适应控制: 针对对象特性的变化,漂移和环境干扰对系统的影响而提出来的.它的基本思想是通过在线辨识使这种影响逐渐降低以至消除.
变结构控制: 一类特殊的非线性控制,其非线性表现为控制的不连续性.
鲁棒控制: 在设计中,设法使系统对模型的变化不敏感.使控制系统在模型误差扰动下仍能保持稳定,品质也保持在工程所能接受的范围内.

现场总线控制仪表

现场总线控制系统FCS

现场总线控制系统(FCS)的组成(☆☆)

课后随堂题目:请简述现场总线控制系统的组成,并给出FCS相对于DCS系统的优点?

在这里插入图片描述

FCS相对于DCS系统的优点(☆☆)

课后随堂题目:请简述现场总线控制系统的组成,并给出FCS相对于DCS系统的优点?

不同点	FCS	DCS
结构	一对多: 一对传输线连接多台仪表,双向传输多个信号	一对一: 一对传输线连接一台仪表,单向传输一个信号
可靠性	可靠性好: 数字信号传输抗干扰能力强,精度高	可靠性差: 模拟信号传输不仅精度低,而且容易受干扰
失控状态	操作员在控制室既可以了解现场设备过现场仪表的工作情况,也能对设备进行参数调整,还可以预测或寻找故障,使设备始终处于操作员的过程监控与可控状态之中	操作员在控制室既不了解模拟仪表的工作情况,也不能对其进行参数的调整,更不能预测故障,导致操作员对仪表处于失控状态
控制	控制功能分散在各个智能仪器中	所有的控制功能集中于控制站中
互换性	用户可以自由选择不同制造商内提供的性能价格比最优的现场设备和仪表,并将不同品牌的仪表互连,实现"即插即用"	尽管各种模拟仪表采用统一的信号标准(4~20mA直流电流信号),但是大部分技术参数仍由制造商自定,致使不同品牌的仪表不能互换.
仪表	智能仪表除了具有模拟仪表的检测变换补偿等功能外,还具有数字计算和数字通信能力	模拟仪表只具有检测,变换,补偿等功能

现场总线通信协议

课后随堂题目:写出FF总线和CAN总线的中英文全称,并简述其工作协议和主要特点?

FF总线

FF总线,全称为基金会现场总线(Foundation Fieldbus).

CAN总线

CAN,全称为控制局域网络(Controller Area Network).

来源：CSDN

作者：ncepu_Chen

链接：https://blog.csdn.net/ncepu_Chen/article/details/103554570

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压力变送器工作原理

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控制装置与仪表(一)

根据课上照片整理,照片不全,或有阙漏,欢迎留言补充.

文章目录

绪论

控制装置的主要构成

变送器的用途:

现场总线控制系统(FCS)

基础知识

基本概念

控制仪表的性能

信号制(☆☆)

两种模拟直流信号的区别(☆☆)

变送器与控制室仪表间的信号传输(☆☆)

量程与零点(☆☆)

供电技术

控制仪表的通信

控制装置的抗干扰

干扰的来源

干扰的形式

控制装置的防爆

齐纳式安全栅(☆☆)

变送器原理及应用

电容式变送器

扩散硅压力变送器

热电阻温度变送器

执行器

执行器概述

阀门定位器(☆☆)

DEH控制系统

转速控制装置(☆☆)

转差电机调速系统的问题

液力耦合器(☆☆)

变频调速系统

控制器

PID调节

先进控制策略

现场总线控制仪表

现场总线控制系统FCS

现场总线控制系统(FCS)的组成(☆☆)

FCS相对于DCS系统的优点(☆☆)

现场总线通信协议

FF总线

CAN总线