*节控制仪表与控制系统

控制仪表是实现生产过程自动化的重要工具。在自动控制系统中，检测仪表将被控变量 转换成测量信号后，还需送控制仪表，以便控制生产过程的正常进行，使被控变量达到预期 的要求。

这里所指的控制仪表包括在自动控制系统中广泛使用的控制器、变送器、运算器、执行 器等，以及新型控制仪表及装置。

图0-1a)表示由控制仪表与控制对象组成的简单控制系统框图。控制对象代表生产过 程中的某个环节，控制对象输出的是被控变量，如压力、流量、温度等工艺变量。这些被控 变量首先由检测元件变换为易于传递的物理量，再经变送器转换成相应的电信号。该信号送 到控制器中与给定值相比较。控制器按照比较后得出的偏差，以一定的控制规律发出控制信 号，控制执行器的动作，改变被控介质物料或能量的大小，直至被控变量与给定值相等为止。

图O-l(b)为由加热炉、温度变送器、控制器和执行器构成的一个单回路温度控制系 统。温度变送器将温度信号转换为电信号，在控制仪表的作用下，通过执行器将加热炉的出 口温度控制在规定范围之内。

一个控制系统除了图中表示的几类控制仪表以外，还可根据需要设置转换器、运算器、 操作器、显示装置和各种仪表系统，以完成复杂的控制任务。

第二节控制仪表及装置的分类

控制仪表及装置可按能源形式、信号类型和结构形式进行分类。

一、按能源形式分类

按能源形式可分为气动、电动、液动等几类。工业上通常使用电动控制仪表和气动控制仪表。

气动控制仪表的发展和应用已有十年历史，20世纪40年代起就已广泛用于工业生 产。它的特点是结构简单、性能稳定、可靠性高、价格便宜，且为本质安全防爆，特别适用 于石油、化工等有爆炸危险的场所。

电动控制仪表的出现要晚些，但由于其能源获取、信号传输及放大、变换处理比气动仪 表容易得多，又便于实现远距离监视和操作，因而这类仪表的应用更为广泛。电动控制仪表

爆问题，由于采取了本质安全防爆措施，也得到了很好的解决，它同样能应用于易燃易 爆的危险场所。鉴于电动控制仪表及装置的迅速发展与大量使用，本书予以重点介绍。

二、按信号类型分类

按信号类型可分为模拟式和数字式两大类。

模拟式控制仪表的传输信号通常为连续变化的模拟量。这类仪表线路较简单，操作方 便，价格较低，在设计、制造、使用上均有较成熟的经验。长期以来，它广泛地应用于各工 业部门。

数字式控制仪表的传输信号通常为断续变化的数字量。20多年来，随着微电子技术、计 算机技术和网络通信技术的迅速发展，数字式控制仪表和新型计算机控制装置相继问世，并越 来越多地应用于生产过程自动化中。这些仪表和装置是以微处理器为核心，其功能完善，性能 *，它能解决模拟式仪表难以解决的问题，满足现代化生产过程的高质量控制要求。

三、按结构形式分类

按结构形式可分为基地式控制仪表、单元组合式控制仪表、集散控制系统以及现场总线 控制系统。

1. 基地式控制仪表

基地式控制仪表是以指示、记录仪表为主体，附加控制机构而组成。它不仅能对某变量 进行指示或记录，还具有控制功能。基地式模拟仪表一般结构比较简单；基地式数字仪表则 功能较为齐全，具有较高的性价比。这类仪表常用于单机自动化系统。

2. 单元组合式控制仪表

单元组合式控制仪表是根据控制系统中各个组成环节的不同功能和使用要求，将仪表做 成能实现某种功能的独立单元，各单元之间用统一的标准信号来。将这些单元进行不同 的组合，可以构成多种多样、复杂程度各异的自动检测和控制系统。

单元组合仪表可分为变送单元、转换单元、控制单元、运算单元、显示单元、执行单 元、给定单元和辅助单元八大类。

我国生产的电动单元组合仪表（DDZ)和气动单元组合仪表（QDZ)经历了 I型、II 型、ID型三个发展阶段，以后又推出了较为*模拟技术和数字技术相结合的DDZ-S型 系列仪表和组装式综合控制装置。这类仪表使用灵活，通用性强，适用于中、小型企业的自 动化系统。过去的数十年，它们在实现我国工业生产过程自动化中发挥了重要作用。

3. 集散控制系统

集散控制系统（DCS)是以微型计算机为核心，在控制技术（Control)、计算机技术 (Computer)、通信技术（Communication)、屏幕显7K技术（CRT)四“C”技术迅速发展 的基础上研制成的一种计算机控制装置。它的特点是分散控制、集中管理。

“分散”指的是由多台微机（例如DCS中的基本控制器或其他现场级数字式控制仪 表）分散地控制各个回路，这可使系统运行安全可靠。将各台微机或现场级控制仪表用 通信电缆同上一级计算机和显示、操作装置相连，便组成分散控制系统。“集中”则是指集 中监视、集中操作和管理驚个生产过程。这些功能由上一级的监控、管理计算机和显示操作 站来完成。

工业上使用较多的数字式控制类仪表可编程调节器和可编程控制器，可与DCS配合使用。 可编程调节器的外形结构、面板布置保留了模拟式仪表的一些特征，但其功能更为丰富，通过 组态可完成各种运算处理和复杂控制。可编程控制器以开关量控制为主，也可实现对模拟量的 控制，并具备反馈控制功能和数据处理能力。它具有多种功能模块，配接方便。这两类控制仪 表均有通信接口，能方便地与计算机装置联用，构成不同规模的分级控制系统。

4.现场总线控制系统

现场总线控制系统（FCS)是20世纪90年代发展起来的新一代工业控制系统。它是计 算机网络技术、通信技术、控制技术和现代仪器仪表技术的发展成果。现场总线的出现 改变了传统控制系统的结构，它将具有数字通信能力的现场智能仪表连成工厂底层网络系 统，并同上一层监控级、管理级起来成为全分布式的新型控制网络。

现场总线控制系统的基本特征是其结构的网络化和全分散性，系统的开放性，现场仪表 的互操作性和功能自治性，以及对环境的适应性。FCS无论在性能上或功能上均比传统控 制系统更*。随着现场总线技术的不断发展与完善，FCS将越来越多地应用于工业自动 化系统中，并与传统DCS相结合，构成技术更*混合型分布式控制系统。

与此同时，应用广泛的以太网（Ethernet)也进人了工业控制领域。许多的工业控 制系统都将以太网用作自动化系统管理层和监控层的通信网段，且向现场控制层延伸。各大 公司正努力解决以太网用于工业现场的关键技术问题，使Ethernet更好地应用于工控系统 的各级网络。

本世纪以来，随着DCS和FCS技术的进展，一种低成本、超低功耗、高可靠的短程无 线网络开始应用于工业现场，无线网络与有线网络相结合，能完善系统功能，进一步提升工 业自动化的水平。

联络信号和传输方式

一、联络信号

仪表之间应由统一的联络信号来进行信号传输，以便使同一系列或不同系列的各类仪表连接起来，组成系统，共同实现控制功能。

(一）联络信号的类型 控制仪表和装置常使用以下几种联络信号。

对于气动控制仪表，上统一使用20〜lOOkPa气压信号，作为仪表之间的联络信号。 对于电动控制仪表，其联络信号常见的有模拟信号、数字信号、频率信号等。模拟信号 和数字信号是自动化仪表与装置所采用的主要联络信号。

模拟信号有交流和直流两种。由于直流信号具有不受线路中电感、电容及负载性质的影 响，不存在相移问题等优点，故上都以直流电流或直流电压作为统一联络信号。

数字信号具有传输可靠、抗干扰能力强，易于储存和处理等特点，广泛用于数字仪表及装置间的信号联络。

本节着重讨论电模拟信号，数字信号将在第二篇有关章节中另作说明。

(二）电模拟信号制的确定

从信号取值范围看，下限滇可以从零开始，也可以从某一确定的数值开始，上限值可以 较低，也可以较高。取值范围的确定，应从仪表的性能和经济性作全面考虑。

不同的仪表系列，所取信号的上、下限值是不同的。例如DDZ-n型仪表采用0〜10mA 直流电流作为统一联络信号；DDZ-ffl型仪表采用4〜20mA直流电流和1〜5V直流电压作 为统一联络信号；有些仪表则采用0〜5V或0〜10V直流电压作为联络信号，并在装置中考 虑了电压信号与电流信号的相互转换问题。

信号下限从零开始，便于模拟量的加、减、乘、除、开方等数学运算和使用通用刻度的指 示、记录仪表；信号下限从某一确定值开始，即有一个活零点，电气零点与机械零点分开，便 于检验信号传输线是否断线及仪表是否断电，并为现场变送器实现两线制提供了可能性。

电流信号上限大，产生的电磁平衡力大，有利于力平衡式变送器的设计制造。但从减小 直流电流信号在传输线中的功率损耗和缩小仪表体积，以及提高仪表的防爆性能来看，希望 电流信号上限小些。

在对各种电模拟信号作了综合比较之后，电工委员会（IEC)将电流信号4〜20mA (DC)和电压信号1〜5V(DC)，确定为过程控制系统电模拟信号的统一标准。