1、控制装置与仪表华北电力大学自动化系第三讲：第三讲：控制装置与仪表的技术发展控制装置与仪表的技术发展2控制仪表的技术发展 基地式仪表；电动单元组合仪表；组件组装式仪表；数字式仪表；DCS系统；现场总线仪表 FCS；3基地式仪表单参数，单回路；检测、放大、显示与控制是一个整体；系统功能固定；仪表之间不能相互兼容；返回4电动单元组合仪表(1)主要特点 整套仪表分为若干个独立功能单元；各功能单元之间以统一标准信号联系；可以灵活组合各种控制系统；5电动单元组合仪表(2)结构特点调节对象检测元件变送单元显示单元给定单元操作单元调节单元执行单元阀门被调量自动手动单元组合仪表6电动单元组合仪表(3)DDZ系列
2、DDZ I 型（50年代）：电子管与磁放大器型；DDZ II 型（60年代）：晶体管型；DDZIII 型（70年代）：集成运算放大器型；DDZ S 型（80年代）：智能微处理器型；返回7组件组装式仪表（1）目标：大型企业综合自动化的需要；基本构成元件：集成运算放大器；结构特点：将以下两大功能分开显示、操作功能 操作盘；调节、运算与控制功能 控制柜；8组件组装式仪表（2）调节对象检测元件变送单元显示单元给定单元操作单元调节单元执行单元被调量自动手动组件组装式仪表分布图集控室现场返回9数字式仪表（1）专用控制器 单回路数字调节器（可编程调节器）用于模拟量连续调节；可编程控制器PLC用于开关量顺序控
3、制；分散控制系统 DCS 由网络分为上下两层：上层实现数据处理与监督控制，下层实现控制功能；10数字式仪表（2）可编程调节器解决了模拟仪表体积庞大、功能单一，控制系统实现困难等缺点，实现了将控制策略的硬接线变为软接线！11可编程调节器特点 又称数字调节器或单回路调节器。是以微处理器为核心部件的一种新型调节器。它的各种功能可以通过改变程序（编程）的方法来实现，故称为可编程调节器。特点：1、具有常规模拟仪表的安装的操作方式，可与模拟仪表兼容。2、具有丰富的运算处理功能。3、一机多能，可简化系统工程，缩小控制室盘面尺寸。4、具有完整的自诊断功能，安全可靠性高。5、编程方便，无须计算机软件即可操作，便
4、于推广。6、通信接口能与计算机联机，扩展性好。12数字式仪表（3）通用工业PC STD总线工业PC；PC总线（ISA与PCI）工业PC；PC104标准工业PC；优点：缺点：1、软件资源丰富；1、可靠性依赖于设计；2、硬件功能软件化；2、使用人员专业性强；3、系统构成灵活；(给水泵控制）4、成本较低；13STD总线（11）系统总貌STD系列工控机包括Z80/64180、80 x86、V20/V40、MCS51和MCS196等系列平台系统。该系列产品配有丰富的I/0模板100余种、多种工业控制网络及工控组态软件，广泛应用于各行各业，已有两万余套在工业现场运行，在我国工业自动化和传统产业技术改造中创
5、造了很大的经济效益和社会效益。14STD总线（12）CPU主板和人机接口板CPU主板 人机接口板15STD总线（13）槽模板机架 16PC总线（11）系统总貌 17PC总线（12）系统主板18PC总线（13）MIC机箱汲取STD总线工业PC优点：可在线带电拔插！19PC总线（14）MIC主板20PC总线（15）MIC连接方式21PC104总线（11）系统特点1.PC/104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线；2.被IEEE协会定义为IEEE-P996.1；3.IEEE-P996是PC和PC/AT工业总线规范；4.PC/104实质上是一种紧凑型的IEEE-P996；5.其型号定义和PC/
6、AT基本一致，但电气和机械规范却完全不同；6.是一种优化的，小型堆栈式结构的嵌入式控制系统。22PC104总线（12）系统总貌硬件上与PC/AT主要存在着以下不同：1.小尺寸结构,标准模块的机械尺寸为:3.6x3.8英寸(96x90mm)2.堆栈式，“针”“孔”总线连接，即PC/104总线模块之间总线的连接是通过上层的针和下层的孔相互咬和相连.有极好的抗震性。3.4mA总线驱动就可使模块正常工作(为驱动更多模块，一般设计采用24mA),低功耗,减少元件数量。4.自我堆栈式连接，无须母板。23PC104总线（13）系统主板PC/104标准尺寸：9096mm 24PC104总线（14）VGA显卡与
7、Ethernet LAN通信控制卡 VGA显卡 Ethernet LAN通信控制卡25PC104总线（15）A/D转换，数字量I/O，定时/计数器扩展模块26接线端子27数字式仪表（41.1）专用控制器应用举例控制给水阀门方式的水位控制系统原理图28数字式仪表（41.2）通用工业PC应用举例PIDPIDaPIDcGp3(s)Gp1(s)Gw(s)Sp+-+YhGt(s)PIDbGp2(s)Gm(s)控制给水泵液力耦合器方式的水位控制系统原理图29数字式仪表（42）通用工业PC应用举例直流锅炉 给水控制系统PivTP 压 力；T 温 度；i 焓；v 比 容 给 水过热蒸汽加热段 蒸 发 段过热段
8、30数字式仪表（43）通用工业PC系统设计实例控制系统构成示意图。I/O信号I/O信号I/O信号I/O信号I/O信号RS 485网络I/O模块I/O模块I/O模块I/O模块I/O模块控制站31数字式仪表（44）通用工业PC系统设计实例。I/O信号I/O信号I/O信号I/O信号I/O信号ARCnet 通讯网络控制站控制站控制站控制站控制站工程师站。分布式控制系统构成示意图返回32DCS系统（1）Distributed Control System网络分布结构图33DCS系统（2）控制站与现场信号DCS系统结构分布图优点：1.4C技术综合应用；2.计算机网络的使用；3.使用方便；4.功能丰富；缺点
9、：1.数字化不彻底；2.没有通信标准，兼容性差；3.自动化孤岛；34DCS系统（3）自动化孤岛说明INFI-90 DCS系统网络结构图35DCS系统（4）控制室一览采用DCS系统的200MW火电机组控制室返回36现场总线仪表FCS（1）Fieldbus Control System1.现场仪表智能化 具有本地控制和总线通信的能力；2.控制系统结构彻底分散。进入80年代中后期，由于微电子技术、软件技术的长足发展，现代通信技术逐步向工业控制系统渗透，导致了现场总线逐步取代了420mA的模拟信号传输线，并由此引发了控制系统领域的技术革命。主要表现为：37现场总线特点现场总线是自动化领域的通信、网络技
10、术,也被称之为工厂的底层网络（Infranet）总线是构成自动化系统的纽带，网络所传输的是控制信息。它是有别于计算机网络，电视、电话网络的另一类网络特点：适应工业应用环境，要求实时性强，可靠性高，安全性好。多为短帧传送，通信的传输速率相对较低。38现场总线仪表FCS（2）8种现场总线国际技术标准国际上有8种关于现场总线技术标准：FF H1，Control Net，PROFIBUS，INTERBUS，P-Net，World FIP，Swift Net，FF之高速Ethernet即HSE。在过程自动化领域，主要是称为FF的基金会现场总线和Profibus-PA现场总线。两者在技术上有基本相似的体系
11、结构。FF是惟一致力于世界统一现场总线标准的国际组织，对过程控制系统的发展影响最大。39现场总线仪表FCS（3）结构特点40现场总线仪表FCS1999 User Training 2 1999 Fieldbus Foundation减少了接线与安装减少了接线与安装传统的传统的4-20 mA仪表接线方式仪表接线方式,对每一设备，均需配置一个本安栅，一对接线对每一设备，均需配置一个本安栅，一对接线4-20 mAISISISIS多台设备可以共用一个本安栅，一对接线多台设备可以共用一个本安栅，一对接线ISFieldbus41现场总线仪表FCS（4）FF仪表产品LD302：(FF)压力变送器TT302：
12、(FF)温度变送器42现场总线仪表FCS（5）总线分布结构43现场总线系统是企业的底层网络现场总线系统是企业的底层网络(数字式基地式仪表数字式基地式仪表)局域网NT 服务器Internet监控工作站其它工作站现场总线接口差 压 变 送 器调 节 阀差 压 变 送 器差 压 变 送 器温 度 变 送 器企业管理层（数据网络）过程监控层（数据网络）现场控制层（控制网络）现场总线网段44现场总线仪表FCS（6）数据访问标准：OPC45现场总线仪表FCS（7）FCS 较 DCS 的诸多优点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46全分布、网络集成式控制系统全分布、网络集成式控制系统PT101PV101PIC101FFFFFFAIPIDAOLAS47现场总线仪表FCS（8）仪表与控制系统构成间的联系：单回路控制系统48现场总线仪表FCS（9）仪表与控制系统构成间的联系：串级控制系统49汽温串级系统控制仪表结构布局示意图汽温串级系统控制仪表结构布局示意图 过 热 器 蒸 汽减温水执 行 器PPIDWbWb 过 热 器 减 温 器 图3.1 串 级 系 统 结 构 原 理 图t2t150现场总线仪表FCS（10）工程师站控制系统组态演示使用 Smar SysCon 5.0返回
