工业控制及自动化仪表基础知识课件

工业控制及自动化仪表基础知识英达康 华志斌工业控制及自动化仪表基础知识英达康 华志斌1主要内容n常用控制电器n继电器接触器控制系统的设计原则n继电器接触器控制线路设计中应注意的问题nPLC简介（构成、特点、应用领域）nPLC与其他工业控制系统的比较n电动单元组合仪表简介n检测仪表n调节器n执行器和防爆栅nDCS简述主要内容常用控制电器2常用控制电器n接触器n继电器n主令电器n保护电器和组合电器常用控制电器接触器3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。接触器 适于频繁地接通和分断主电路或大4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。交流接触器 主回路分断和接通交流负载，5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。直流接触器 主回路分断和接通直流负载，6接触器主要技术参数n额定工作电压（主触头的额定电压）n额定工作电流（主触头的额定电流）n电磁铁线圈的额定电压n额定操作频率n触头数目（主触头和辅助触头）n接通和分断能力接触器主要技术参数额定工作电压（主触头的额定电压）7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。继电器 继电器是根据某种物理量的变化来8常用继电器种类n电压继电器n电流继电器n时间继电器n热继电器n中间继电器常用继电器种类电压继电器9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、行程开关主令电器 主令电器是按一定生产工艺要求10保护电器和组合电器n熔断器：又称保险丝，起短路保护作用n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。n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？保护电器和组合电器熔断器：又称保险丝，起短路保护作用11继电器接触器控制系统的设计原则n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。n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。n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。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12n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13保证控制线路的可靠和安全n正确连接电器的触头n正确连接电器的线圈设计中要注意的问题保证控制线路的可靠和安全正确连接电器的触头设计中要注意的问题14n控制电源一端接地时应防止发生意外KMKMn防止出现寄生回路KM1KM2KM2KM1n防止出现寄生回路L2L1KM1KM2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KM15n防止电气元件触点“竞争”“先断后合型”、“先合后断型”n继电器触头的分断合接通能力 触点并联的作用、n电器连锁和机械连锁n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。防止电气元件触点“竞争”电器连锁和机械连锁控制电路是否跳闸：16n尽量减少触点数目n尽量缩短连接导线的数量和长度n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n采用标准件，尽可能选用相同型号的元件n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、经济尽量减少触点数目控制线路力求简单、经济17n短路保护（空开有短路和过载保护的作用）n过电流保护（电机保护一种，常用继电器完成）n过载保护（热继电器）n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）n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短路保护（空开有短路和过载保护的作用）完善的保护环节18PLC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。PLC简介（构成、特点、应用领域）国际电19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 源构成可编程控制器存储器CPU模块编程器辅助触点限位开关按 20特点n可靠性高，抗干扰能力强n配套齐全，功能完善，适用性强n易学易用，深受工程技术人员欢迎n系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 n体积小，重量轻，能耗低 特点可靠性高，抗干扰能力强21应用领域n开关量逻辑控制（顺序控制）n闭环过程控制n位置控制n监控系统 n分布控制系统 应用领域开关量逻辑控制（顺序控制）22PLC与其他工业控制系统的比较n与继电器控制的比较n与个人计算机控制的比较n与单板机控制的比较n与DCS控制的比较PLC与其他工业控制系统的比较与继电器控制的比较23与继电器控制的比较n控制逻辑（硬接线与软接线）n工作方式（硬接线全联动和顺序扫描）n控制速度n时间控制 n技术控制n设计、施工和改造n可靠性和可维护性n价格 与继电器控制的比较控制逻辑（硬接线与软接线）24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。与个人计算机控制的比较 本质上个人计算机和25与单板计算机控制的比较n单板机不如PLC掌握n单板机不如PLC简单nPLC不如单板机灵活n单板机不如PLC可靠（？）与单板计算机控制的比较单板机不如PLC掌握26与DCS控制的比较n 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。nPLC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？与DCS控制的比较 PLC是由继电器控制逻辑发展而来的，集散27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。电动单元组合仪表简介 自动化仪表作为一种专门28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，010mA80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国产仪表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29检测仪表n温度检测仪表n压力检测仪表n流量检测仪表n液位检测仪表n成分分析仪表检测仪表温度检测仪表30温度检测仪表n热电偶n热电阻n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。温度检测仪表热电偶31压力检测仪表n力平衡式压力（差压）变送器n位移式差压（压力）变送器n固态测压仪表（压电效应、压阻效应、压磁效应）（主流）。压力检测仪表力平衡式压力（差压）变送器32流量检测仪表n节流型流量计（孔板、靶式、动子）n容积式（椭圆齿轮）n涡轮流量计（精度介于上者之间）n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）n漩涡流量计(旋进型和涡街型，涡街为主流）流量检测仪表节流型流量计（孔板、靶式、动子）33液位检测仪表n浮力式（浮子式、翻板式）n静压式n电容式n超声波n雷达液位检测仪表浮力式（浮子式、翻板式）34成分分析仪表n热导式（根据气体导热系数）n红外线（根据吸收谱）n色谱（液相色谱，气相色谱）成分分析仪表热导式（根据气体导热系数）35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。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36执行器和防爆栅执行器n气动执行器以压缩空气为动力n电气转换器一般将电流转换为气压n阀门定位器将电流信号转换为阀门位移，含电气转换n电动执行器执行器和防爆栅执行器37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）防爆栅危险现场变送器变送器防爆栅防爆栅电调节器安全场所（控制38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。本安仪表39两种防爆栅 齐纳型两种防爆栅40隔离型（1 1）检测端检测端防爆栅防爆栅 隔离型（1）检测端防爆栅 41执行端防爆栅电路原理图执行端防爆栅电路原理图 执行端防爆栅电路原理图 42DCS简述n发展过程发展过程n分散控制方式：仪表间相距过远、仪表盘尺寸过大、无法全分散控制方式：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；面了解信息及操作；n集中控制方式：危险过于集中，计算机出现故障时整个生产集中控制方式：危险过于集中，计算机出现故障时整个生产装置瘫痪；装置瘫痪；n集散控制方式：控制功能分散、操作管理集中集散控制方式：控制功能分散、操作管理集中-DCS。n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。上，采取双重化冗余措施。DCS简述发展过程43集散控制系统的组成集散控制系统的组成44DCS现场控制站概述说明n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。n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。n说明：补充资料具有相同功能的技术手段-PLC现场控制站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45DCSDCS监控操作站的功能监控操作站的功能 n工程功能工程功能-完成系统生成、系统维护、系统完成系统生成、系统维护、系统测试和系统管理；测试和系统管理；n操作功能操作功能-监视、记录、运行；监视、记录、运行；n通信功能通信功能-完成现场控制站于上位机之间的完成现场控制站于上位机之间的数据交换。数据交换。DCS监控操作站的功能 工程功能-完成系统生成、系统维护46主要介绍操作功能-运行中的操作画面运行中的操作画面（1 1）总貌画面总貌画面反映生产过程总体状况反映生产过程总体状况 （2 2）分组画面分组画面-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。联变化。（3 3）回路调整画面回路调整画面-细致观测单元仪表的情况，可用于单回路的细致观测单元仪表的情况，可用于单回路的PIDPID整定。整定。（4 4）报警画面报警画面-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。所），有声光配合。（5 5）趋势分组画面趋势分组画面-显示过程变化曲线，可出现在总貌画面和趋势画面。显示过程变化曲线，可出现在总貌画面和趋势画面。（6 6）流程子画面流程子画面绘有过程图形的仪表面板。显示在屏幕上，可模拟原绘有过程图形的仪表面板。显示在屏幕上，可模拟原有仪表。有仪表。主要介绍操作功能-运行中的操作画面（1）总貌画面反映生475、世上最美好的事是：我已经长大，父母还未老;我有能力报答，父母仍然健康。6、没什么可怕的，大家都一样，在试探中不断前行。7、时间就像一张网，你撒在哪里，你的收获就在哪里。纽扣第一颗就扣错了，可你扣到最后一颗才发现。有些事一开始就是错的，可只有到最后才不得不承认。8、世上的事，只要肯用心去学，没有一件是太晚的。要始终保持敬畏之心，对阳光，对美，对痛楚。9、别再去抱怨身边人善变，多懂一些道理，明白一些事理，毕竟每个人都是越活越现实。10、山有封顶，还有彼岸，慢慢长途，终有回转，余味苦涩，终有回甘。11、人生就像是一个马尔可夫链，你的未来取决于你当下正在做的事，而无关于过去做完的事。12、女人，要么有美貌，要么有智慧，如果两者你都不占绝对优势，那你就选择善良。13、时间，抓住了就是黄金，虚度了就是流水。理想，努力了才叫梦想，放弃了那只是妄想。努力，虽然未必会收获，但放弃，就一定一无所获。14、一个人的知识，通过学习可以得到;一个人的成长，就必须通过磨练。若是自己没有尽力，就没有资格批评别人不用心。开口抱怨很容易，但是闭嘴努力的人更加值得尊敬。15、如果没有人为你遮风挡雨，那就学会自己披荆斩棘，面对一切，用倔强的骄傲，活出无人能及的精彩。5、人生每天都要笑，生活的下一秒发生什么，我们谁也不知道。所以，放下心里的纠结，放下脑中的烦恼，放下生活的不愉快，活在当下。人生喜怒哀乐，百般形态，不如在心里全部淡然处之，轻轻一笑，让心更自在，生命更恒久。积极者相信只有推动自己才能推动世界，只要推动自己就能推动世界。6、人性本善，纯如清溪流水凝露莹烁。欲望与情绪如风沙袭扰，把原本如天空旷蔚蓝的心蒙蔽。但我知道，每个人的心灵深处，不管乌云密布还是阴淤苍茫，但依然有一道彩虹，亮丽于心中某处。7、每个人的心里，都藏着一个了不起的自己，只要你不颓废，不消极，一直悄悄酝酿着乐观，培养着豁达，坚持着善良，只要在路上，就没有到达不了的远方！8、不要活在别人眼中，更不要活在别人嘴中。世界不会因为你的抱怨不满而为你改变，你能做到的只有改变你自己！9、欲戴王冠，必承其重。哪有什么好命天赐，不都是一路披荆斩棘才换来的。10、放手如拔牙。牙被拔掉的那一刻，你会觉得解脱。但舌头总会不由自主地往那个空空的牙洞里舔，一天数次。不痛了不代表你能完全无视，留下的那个空缺永远都在，偶尔甚至会异常挂念。适应是需要时间的，但牙总是要拔，因为太痛，所以终归还是要放手，随它去。11、这个世界其实很公平，你想要比别人强，你就必须去做别人不想做的事，你想要过更好的生活，你就必须去承受更多的困难，承受别人不能承受的压力。12、逆境给人宝贵的磨炼机会。只有经得起环境考验的人，才能算是真正的强者。自古以来的伟人，大多是抱着不屈不挠的精神，从逆境中挣扎奋斗过来的。13、不同的人生，有不同的幸福。去发现你所拥有幸运，少抱怨上苍的不公，把握属于自己的幸福。你，我，我们大家都可以经历幸福的人生。14、给自己一份坚强，擦干眼泪；给自己一份自信，不卑不亢；给自己一份洒脱，悠然前行。轻轻品，静静藏。为了看阳光，我来到这世上；为了与阳光同行，我笑对忧伤。15、总不能流血就喊痛，怕黑就开灯，想念就联系，疲惫就放空，被孤立就讨好，脆弱就想家，不要被现在而蒙蔽双眼，终究是要长大，最漆黑的那段路终要自己走完。5、从来不跌倒不算光彩，每次跌倒后能再站起来，才是最大的荣耀。6、这个世界到处充满着不公平，我们能做的不仅仅是接受，还要试着做一些反抗。7、一个最困苦、最卑贱、最为命运所屈辱的人，只要还抱有希望，便无所怨惧。8、有些人，因为陪你走的时间长了，你便淡然了，其实是他们给你撑起了生命的天空；有些人，分开了，就忘了吧，残缺是一种大美。9、照自己的意思去理解自己，不要小看自己，被别人的意见引入歧途。10、没人能让我输，除非我不想赢！11、花开不是为了花落，而是为了开的更加灿烂。12、随随便便浪费的时间，再也不能赢回来。13、不管从什么时候开始，重要的是开始以后不要停止；不管在什么时候结束，重要的是结束以后不要后悔。14、当你决定坚持一件事情，全世界都会为你让路。15、只有在开水里，茶叶才能展开生命浓郁的香气。5、世上最美好的事是：我已经长大，父母还未老;我有能力报答，48