设备、电气、仪表基础知识培训教材 本文简介：
第二节电器基础知识2.2.1变压器的工作原理、分类及结构（1）变压器的工作原理变压器---利用电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的一种电器，是电力系统中生产、输送、分配和使用电能的中的重要装置，也是电力拖动系统和自动控制系统中电能传递或作为信号传输的重要元件。变压器外形图（图2-
设备、电气、仪表基础知识培训教材 本文内容：
第二节
电器基础知识
2.2.1
变压器的工作原理、分类及结构
（1）变压器的工作原理
变压器---利用电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的一种电器，是电力系统中生产、输送、分配和使用电能的中的重要装置，也是电力拖动系统和自动控制系统中电能传递或作为信号传输的重要元件。变压器外形图（图2-1）
①
变压器――――静止的电磁装置
变压器可将一种电压的交流电能变换为同频率的另一种电压的交流电能，电压器的主要部件是一个铁心和套在铁心上的两个绕组。
与电源相连的线圈，接收交流电能，称为一次绕组
与负载相连的线圈，送出交流电能，称为二次绕组
变压器原理图（图2-2）
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一次绕组的???????????????
二次绕组的
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电压相量
U1???????????????
电压相量
U2
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电流相量
I1????????????????
电流相量
I2
?????????????
电动势相量
E1???????????
电动势相量
E2
?????????????
匝数
N1??????????????????????
匝数
N2
同时交链一次，二次绕组的磁通量的相量为
φm
,该磁通量称为主磁通
请注意
图3.1.2
各物理量的参考方向确定。
②
理想变压器
不计一次、二次绕组的电阻和铁耗，其间耦合系数
K=1
的变压器称之为理想变压器。
描述理想变压器的电动势平衡方程式为
e1(t)
=
-N1
d
φ/dt
e2(t)
=
-N2
d
φ/dt
若一次、二次绕组的电压、电动势的瞬时值均按正弦规律变化，则有不计铁心损失，根据能量守恒原理可得由此得出一次、二次绕组电压和电流有效值的关系
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令
K=N1/N2，称为匝比（亦称电压比），则
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（2）
变压器的分类
①
变压器按用途一般分为电力变压器和特种变压器两大类
电力变压器可分为:升压变压器、降压变压器、配电变压器、联络变压器等。
三相变压器(图2-3)
特种变压器可分为:整流变压器、电炉变压器、高压试验变压器、控制变压器等。(图2-4)
②
变压器按相数可分为单相和三相变压器
三相变压器外观示意图(图2-5)
（3）
变压器的结构简介
①
铁心
铁心是变压器中主要的磁路部分。通常由含硅量较高，厚度为
0.35
或
0.5
mm，表面涂有绝缘漆的热轧或冷轧硅钢片叠装而成，铁心分为铁心柱和铁轭俩部分，铁心柱套有绕组；铁轭闭合磁路之用，铁心结构的基本形式有心式和壳式两种。心式变压器结构示意图(图2-6)三相整流变压器(图2-7)
②
绕组
绕组是变压器的电路部分，它是用纸包的绝缘扁线或圆线绕成。交叠式绕组(图2-8)
③
其他结构部件
以典型的油侵式电力变压器为例，其他结构部件有:油箱、储油柜、散热器、高压绝缘管套以及继电保护装置等外形如下图。图2-9电力变压器(图2-10)
（4）
变压器的额定值
①
额定容量
SN
变压器视在功率的惯用数值，以
VA，KVA，MVA
表示。
②
额定电压
UN
变压器各绕组在空载额定分接下端子间电压的保证值，对于三相变压器额定电压系指线电压，以
V
或
KV
表示。
③
额定电流
IN
变压器的额定容量除以各绕组的额定电压所计算出来的线电流值，以A表示。
单相变压器的一次、二次绕组的额定电流为
I1N
=
S
N/
U1N??
I2N
=
S
N/
U2N
三相变压器的一次、二次绕组的额定电流为
I1N
=
S
N/
sqrt(3)
U1N
I2N
=
S
N/
sqrt(3)
U2N
④
额定频率：我国工业用电频率为
50
HZ
2.2
继电保护的作用及保护装置的基本原理
（1）
继电保护的作用
由于电气设备内部绝缘的老化、损坏或工作人员的误操作、雷击、外力破坏等原因，可能使运行中的电力系统发生故障和不正常运行情况。最常见的故障是各种形式的短路，如三相短路、两相短路、两相对地短路、中心点直接接地系统中的一相对地短路、电气设备绕组层间和匝间短路等。各种短路均会产生很大的短路电流，同时使电力系统的电压水平下降，从而引发如下严重后果。
① 短路电流产生的电弧将短路点的电气设备烧坏；
② 短路电流通过非故障设备，由于发热和电动力的作用，很可能使非故障元件损坏或缩短其使用寿命；
③ 电力系统电压水平下降，影响用电单位的生产，出现次品及废品，甚至烧毁电动机；
④ 电力系统电压下降，可能破坏电力系统的稳定，使系统振荡而导致崩溃。
电力系统中各种设备之间都有电或磁的联系，当某一设备发生故障，在很短的时间内就会影响到整个系统的其它部分。因此，一旦电力系统出现故障，必须尽快将其切除，恢复正常运行，减少对用电单位的影响；而当出现不正常运行情况时要及时处理，以免引起故障。
继电保护装置是一种能反应电力系统电气设备发生故障或不正常工作状态而作用于开关跳闸或发出信号的自动装置。为了保证对用电单位的连续供电，故障切除以后，应尽快地使电气设备再次投入运行或由其他电源和设备替代工作。因此，电力系统中除了安装继电保护装置以外，还需装设各种自动装置，如自动重合闸、备用电源自动投入装置以及自动低周波减载装置等。
（2） 继电保护的基本原理
电力系统发生故障时，会引起电流的增加和电压的降低，以及电流与电压间相位的变化，因此电力系统中所应用的各种继电保护，大多数是利用故障时物理与正常运行时物理量的差别来构成的。例如，反应电流增大的过电流保护、反应电压降低（或升高）的低电压（或过电压）保护、反应电流与电压间的相位角变化的方向保护等。继电保护原理结构的方框图，如图－1所示。由三大部分组成，分别为：测量部分，用来测量被保护设备输入的有关信号（电流、电压等），并和已给定的整定值进行比较判断是否应该启动；逻辑部分，根据测量部分各输出量的大小或性质及其组合或输出顺序，使保护按照一定的逻辑程序工作，并将信号传输给执行部分；执行部分，根据逻辑部分传输的信号，最后去完成保护装置所负担的任务，给出跳闸或信号脉冲。
图－2为线路过电流保护的基本原理此意图，用以说明继电保护的组成和基本原理。在图－2中，电流继电器KA的线圈接于被保护线路电流互感器TA的二次回路，即保护的测量回路，它监察被保护线路的运行状态，测量线路中电流的大小。在正常运行情况下，当线路中通过最大负荷电流时，继电器不动作；当被保护线路K点发生短路时，线路上的电流突然增大，电流互感器TA二次侧的电流也按变比相应增大，当通过电流继电器KA的电流大于其整定值时，继电器立即动作，触点闭合，接通逻辑电路中时间继电器KT的线圈回路，时间继电器启动并根据短路故障持续的时间，作出保护动作的逻辑判断，时间继电器KT动作，其延时触点闭合，接通执行回路中的信号继电器KS和继电器QF的跳闸线圈回路，使断路器跳闸，切除故障。
第三节
常用电器基本操作
2.3.1
低压电气与工艺条件（仪表）几种联锁原理
电动机的开、停机均由装置操作工进行，根据机泵的重要性，采用电气于工艺（仪表）自动开、停机联锁。（工艺条件有：温度、压力、流量、液位、润滑等影响）、高压电机与低压盘车电机联锁、高压电机与低压润滑油泵联锁及高压电机与自身电加热器联锁等多种类型，现介绍如下。
（1）
低压电气与工艺（仪表）联锁：
①
手动开机、自动停机
工艺条件满足后才能人工开机，一旦工艺出现异常情况立即自动停机。
②
自动开机
、手动停机
现场装有“自动/手动”选择开关，当置于“手动”位置时，开、停机与工艺条件无关。当置于“自动”位置时，一旦工艺条件满足后，就会自动开机，开机后工艺条件就不再满足了，但也不会引起停机，停机仍要人工操作。
③
自动开停机
现场“自动/手动”选择开关，当置于“手动”位置时，开、停机与工艺条件无关。当置于“自动”位置时，电机的开、停机就由工艺条件自动控制，不需要人工操作，（紧急情况时操作现场开闭器S1也能强行停机）
④
具有二组工艺条件的手动或自动开停机
a
现场装有“手动/自动”选择开关，工艺条件有二组。当第一组工艺条件满足时，才能在“手动”位置时操作S1手动开机。当第一组与第二组工艺条件同时满足时，能在“自动”位置时自动开机。
当第一组工艺条件不满足时，无论“手动”或“自动”状态下运转的电机都会停机。当第一组工艺条件满足时，不管“手动”或“自动”状态下运转的电机操作开闭器都会停机。但第二组工艺条件若不满足对上述两种状态下运转的电机都不会引起停机。因电源通过S1开闭器接点至K1自保，K1线圈始终励磁，所以第二组工艺条件只能自动开机，不能自动停机
b
现场装有“手动/自动”选择开关，有二组工艺条件。当第一组工艺条件满足时，才能在“手动”位置时操作S1手动开机。当第一组与第二组工艺条件同时满足时，能在“自动”位置时自动开机。
当第一组工艺条件不满足时，无论“手动”或“自动”状态下运转的电机都会停机。当第二组工艺条件不满足时，“自动”状态下运转的电机会立即停机。对“手动”状态下运转的电机无影响。当第一组工艺条件满足时，不论“手动/自动”选择开关放“手动”或“自动”位置，都可操作开闭器S1停机。
⑤
无操作开关、自动开停机
ET电加热器等设备现场即无操作开闭器，也无“手动/自动”开关，设备的开、停完全受工艺条件控制来达到工艺的要求。
（2）
低压电气与高压电机的联锁：
① 高压电机与低压盘车电机联锁
由于受工艺、设备条件限制，高压电机要靠先起动盘车电机待主轴盘转到一定的方向角度才能起动运转。盘车电机动作原理如下：
合上Q1开关，控制电源→F2→F6→Q1→K1线圈吸,K3接点闭合→P1→6HS→B2/12(GB-302-M)联锁→A1/6现场开闭器合上→A2/S0限位开关→K1线圈吸,H1灯亮,K1接点自保,电机启动开始盘车.K1、K3接点闭合—高压柜联锁，当盘车到一定预定位置时，限位开关打开，盘车电机停转，高压电机就可以起动了。
② 高压电机与本身电加热联锁
电机停机后易受潮降低绝缘，为此在绝大部分电机内部都有电加热器，作绝缘干燥处理。电加热主要由6个电热丝组成，有二个串联而成的温度控制元件来调节加热温度，温度时间长短根据需要来整定，电加热器的工作电源受高压电机停转后来接通。
合上Q1开关，控制电源→F1→Q1→K3线圈,K3吸,控制电源经K3接点→相对应的高压开关柜分闸联锁接点→K1线圈，K1吸，H1红灯亮，主回路K1接通，电加热器开始加热。当高压电机起动后，高压开关联锁接点断开，切断电加热器控制电源，电加器停止加热。H3黄灯亮，表示有故障。
（3） 油泵联锁电气工作原理说明
① 油泵再启动装置
把现场开闭器S1放到启动位置，油泵主接触器K1励磁并自保，电动机运转。同时再闭合（ARR）继电器内部K11、K12动作，电源分别经ARR/#10端子→K11的瞬动闭合接点→K12的延时闭合接点(设定0”秒)和ARR/#8端子构成自保回路,为再启动作好准备。一旦电源失电，在30”秒内恢复正常，由于K11的瞬时闭合、延返回接点还未断开（最长时间可设定36”秒）,现场开闭器S1仍处在中间位置,所以控制电源马上经开闭器S1的自保线→K3的瞬动闭合接点→ARR/#10端子→K11的延时返回接点→T变压器初级线圈→ARR/#5端子构成闭合回路。K11、K12重新动作并自保。自动再启动控制电源经→ARR/#10端子→K11的瞬动接点→K12的延时接点(设定0”秒)
→ARR/#8端子→K1线圈构成闭合回路。K1励磁油泵自启动。在技术上确保了因电网停电引起油系统波动的处理速度。
② 联锁停车及信号装置
a
元器件分布状况：
联锁装置集中装于P1-LV-07盘内，为了保证联锁的可靠性，其控制电源采用无停电电源DC/110V,由P1-GP-02/03、X3(53、54)端子引来，每套联锁系统分别进行单独控制。信号由MD集中报警和P1-LV-CP-07盘面方向性发信二种。
b
联锁停车工作原理：
如运行中油泵因故停机，油压下降。而仪表备用电机自启动切换装置失控。造成2台油泵均处于停机状态。此时二台油泵主接触器（K1）都已释放，联锁回路经二台油泵的K1的辅助接点被沟通，时间继电器SJ动作，瞬时接点21/24闭合,本柜发信。同时中间继电器ZJ动作，瞬时接点11/14闭合自保,21/22断开,经P1-AP-02柜耦合,MD报警。3”秒后SJ延时接点15/16断开,经P1-6HB-CP-01/X3(1、2)端子耦合，切断所属高压电机控制继电器K12的励磁回路，迫使主机停车，来保证设备的安全。第四节
仪表自控基本知识
校对、审核
于世恒
2.4.1
概述
(1)
自动化仪表的发展趋势工业自动化控制仪表主要包括变送器、调节器、调节阀等设备，控制仪表从基地式调节器(变送、指示、调节一体化的仪表)开始，经历了气动、电动单元组合仪表到计算机直接控制系统(DDC)，直到今日的分散控制系统DCS和现场总线控制系统FCS,经历了漫长的发展过程。在这过程中计算机技术的发展是一大关键，最初计算机只用于生产数据的处理和巡回检测（如我部２＃芳烃FOX1系统），到２０世纪５０年代末期才用于实现闭环控制。如今控制系统以DCS和PLC为主流，而现场总线控制系统将是发展的必然趋势。DCS经历了初创(1975－1980年)、成熟(1980－1985年)、扩展(1985年以后)几个发展时期，在控制功能完善、信息处理能力、速度及组态软件等软件等方面取得令人瞩目的成就，以其高度的可靠性、方便的组态软件、丰富的控制算法、开放的联网能力等优点，得到迅速的发展，成为计算机控制系统的主流。当今几乎每个发达国家都生产自己的DCS，生产厂家100多家，已销售几万台(套)。主要生产厂家集中在美国、日本、德国等多家公司。?我国主要有浙大中控和北京的和利时两公司。
PLC以其结构紧凑、功能简单、
速度快、可靠性高、价格低等优点，获得广泛应用，已成为与DCS
并驾齐驱的另一种主流工业控制系统。
现场总线技术是20世纪90年代迅速发展起来的一种用于各种现场自动化设备与其控制系统的网络通信技术，是一种用于各种现场仪表(包括变送器、执行器、记录仪、
单回路调节器、可编程序控制器、流程分析器等)
与基于计算机的控制系统之间进行的数据通信系统。现场总线的使用具有许多优点：①增加了仪表系统的功能。现场总线可实现就地闭环控制，使控制彻底分散，从而提高了控制系统的可靠性;现场总线使用智能仪表，便于仪表在线维护、调校以及在线设备管理;提高了系统的开放性。②提高了仪表系统的技术性能。由于信号传输的数字化，增强了现场信号的传输及抗干扰能力，使精度从±0.5%提高到±0.1%，增加了信号传输距离及信息量。③节约了仪表系统的建设投资。大量减少了电缆与铺设电缆用的桥架，可以减少一半到三分之二的隔离器、端子柜、I/O终端、I/O卡件、I/O机柜。但是现场总线技术还未达到绝对安全和十分成熟的阶段。有人预测，
随着科学技术，特别是计算机技术、通讯技术的发展，基于现场总线FCS(Fieldbus
Control
System)将取代DCS
成为控制系统的主角，在FCS基础上，随着Internet和Intranet技术发展，计算机自动化系统可渗透到企业从生产到管理，直到经营的方方面面。
(2)
石油化工仪表特点
自控仪表随着控制对象不同所具备不同特点，在石油化工生产、加工、输送和储存中常常伴随易燃易爆、高温高压、深冷、有毒有害和腐蚀等危险因素，由于高温高压、深冷能提高生产效率，减低能耗，取得更好的经济效益，石油化工的生产工艺日益向高深发展，泄漏、火灾、爆炸的风险也随着加大。这些工艺特点决定了石油化工仪表必须防爆、抗腐蚀、无泄漏、高可靠性、易维护等特点。同时随着科学技术发展，特别是计算机技术、通讯技术的发展，仪表的更新换代也越来越快，企业中仪表除应用于生产控制外，其仪表数据也越来越多地被应用于经营、管理等方面，这些决定了现在的仪表是一个技术更新快、涉及面较广的专业。
2.4.2
仪表主要性能指标
仪表的性能指标通常用精确度、变差、灵敏度、重复性、稳定性和可靠性来描述。
(1)
精确度
0.5
精确度又称精度，指的是仪表测量值与真值接近的准确程度，与误差相对而言，通常用相对百分误差表示。精确度是仪表的一个很重要质量指标，常用精度等级来规范和表示。精度等级就是最大相对误差去掉正负号和％，按国家统一规定划分的等级有0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.25,0.35,0.5,1.0,1.5,2.5,4等。仪表精度等级一般都标志在仪表标尺或标牌上，如
等，数字越小，说明精度越高。
(2)
变差
变差指的是仪表被测变量（输入信号）多次从不同方向达到同一数值时，仪表指示值之间的最大差值，或是说仪表在外部条件保持不变情况下，被测参数由小到大变化和由大到小变化不一致的程度，两者之差即为仪表的变差。变差产生主要原因是仪表传动机构的间隙，运动部件的摩擦，弹性元件的滞后等，现在随着电子技术发展，这些原因将越来越少，特别是智能仪表中，变差作为仪表性能指标已是不重要的对象了。
(3)
重复性
重复性是指在不同测量条件下，如不同方法，不同观测者，在不同的测量环境对同一被测的量进行检测时，得到测量结果的一致程度。与变差相反，随着智能仪表的发展，重复性将成为仪表的重要性能指标。
(4)
稳定性
在规定工作条件下，仪表某些性能随时间保持不变的能力称未稳定性。仪表稳定性在我们化工仪表中是一个需重点关心的指标，由于化工企业的环境比较恶劣，压力、稳定及腐蚀性因素会使仪表部件随应用时间变长而保持稳定能力降低，仪表稳定性也会下降。
(5)
可靠性
仪表可靠性是化工企业仪表专业重点关心的另一重要性能指标，仪表可靠性和仪表维护量是成反比的，仪表可靠，则仪表维护量就小。通常用平均无故障时间（MTBF）来描述仪表可靠性，MTBF越大，仪表可靠性越高。
2.4.3
仪表常用图例符号
(1)
测量点
测量点
测量点
测量点是由过程设备或管道符号引到仪表的连线的起点，一般无固定图形符号。如
测量点
(2)
连接线
通用一般信号线
表示信号方向气压信号线 电信号线
导压毛细管系统内部数据链
(3)
图形
P
吹气、冲洗装置
孔板流量计
I
联锁逻辑
R
复位装置
截止阀
闸阀
球阀
旋塞阀
气动调节阀
切断阀
M
电动阀
电磁阀
S
蝶阀
隔膜阀
(4)
位号及字母含义
一般用仪表位号来表示一台仪表或是一个仪表回路，由字母代号组合和回路编号组成。仪表位号的第一位字母表示仪表对象，后续字母表示仪表功能，回路编号可由工序号和顺序号组成，一般由３－５个数字表示。
例如：２＃芳烃装置的位号PI-10301中,P表示仪表对象为压力；I表示为显示功能，103表示为制氢单元，01表示为第一个回路。下面表格中为常见的字母含义。
字母
第一位字母
后续字母
A
分析B
火焰、烧嘴C
电导率
控制
D
密度
差值F
流量G
振动H
手动设备
高限
HH高高限
I显示
L
液位
低限
LL低低限
M
水份、湿度P
压力Q
数量
累积
R记录
S
位移、速度
开关、安全
T
温度
传送
V
振动、机械监视
阀门
Y输出
Z
位移
按钮
对于FIC10301中字母按以上表格说明应表示为仪表测量为流量，带指示、控制功能；LIHH10301表示为液位指示且带有低低限联锁控制、报警。
2.4.4
仪表分类
自动化仪表分类方法很多，根据不同原则可进行相应分类，例如按所使用能源可分：气动仪表、电动仪表、液动仪表；按仪表信号分：模拟仪表和数字仪表；安化工生产中五大参数分：温度仪表、流量仪表、压力仪表、物位仪表和分析仪表等等，我们针对炼化部实际管理现状对仪表分为：现场仪表、控制仪表和分析仪表三部分。现场仪表主要指温度、压力、流量、液（物）位检测仪表及阀门、风门、机组等安装在现场的控制设备；控制仪表主要指安装在控制室的对现场仪表进行调节的仪表及ＤＣＳ、ＰＬＣ、ＥＳＤ等控制系统；分析仪表主要分安全仪表和质量仪表，其中安全仪表包括可燃气测爆仪、硫化氢检测仪等，质量仪表主要指在线质量分析仪，如电导率、浊度仪、色谱仪等。(1)
现场仪表
①
压力仪表
压力是垂直均匀地作用在单位面积上的力，法定计量单位是帕斯卡（简称帕），符号为Pa。1P就是１牛顿（Ｎ）的力作用在１平方米（m2）面积上所产生的压力，我们平常俗称１公斤。我们日常所用压力单位较多，他们之间关系如下：
1Mpa=1000Kpa=10.1972Kgf/cm2=10bar=145.038lb/in2=7500.62mmHg=10.1972*104mmH2O=9.86927atm
在压力测量中，常有绝对压力、表压、负压力或真空度之分。
所谓绝对压力是指被测介质作用在容器单位面积上的全部压力，用来测量绝对压力的仪表称绝对压力表。
地面上的空气所产生的平均压力称大气压，用来测量大气压的仪表称气压表。绝对压力与大气压之差称表压力，当绝对压力小于大气压时，表压力为负值（即负压力），此负压力的绝对值称为真空度，用来测量真空度的仪表称真空表。
压力测量原理可分为液柱式、弹性式、电阻式、电容式、电感式和振频式等。压力表品种繁多，我们企业主要分为就地压力指示和远距离压力显示等。就地压力指示可根据不同的测量压力等级和介质选用膜片式、波纹管等压力表。如需远距离显示、传送一般选用气动或电动压力变送器。
压力表需由压力传感器检测压力，它由各种压力敏感元件将被测压力信号转换成容易测量的电信号，来显示压力、或用于控制、报警。压力传感器主要有应变式压力传感器、压电式传感器、电容式传感器、光导纤维压力传感器。
我们炼化部所常用压力变送器主要有罗斯蒙特的1151和3051、横河的EJA、HONEYWELL的ST3000及富士的FCX等型号。随着电子技术的发展，智能变送器已广泛应用于各家产品上，其在性能上优于早期模拟表，大大减少维护工作量，具有良好的性价比。
②
流量仪表
流量是指单位时间内流经某一截面的流体数量，流量可用体积流量和质量流量来表示，其单位分别用m3/h,L/h,Kg/h等。
测量流量的仪表称流量计，能指示和记录某一瞬时流体的流量值。我们炼化部所用流量计有：速度式—以测量流体在管道中流速作为测量依据。如差压式流量计、变面积流量计、电磁流量计、漩涡流量计等；容积式―以单位时间内所排出的流体固定容积数目作为测量依据。如椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、刮板流量计等。质量流量计―检测单位时间内流经管道的流体质量。如科氏力质量流量计。
下面简单介绍几种我们常用的流量计。
a 节流装置
节流装置是目前炼油化工企业中应用最广的流量仪表，主要有孔板、喷嘴、文丘利管等。其原理是：在管道中流动的流体具有动能和位能，在一定条件下这两种能力是可以相互转换，但参加转换的能量总和是不变的。使流体流经节流装置时由于节流装置的前后截面、结构不一致，产生前后压力变化，而压力变化的平方与流量成正比，这样经过一定流量系数的计算可得出所需流量值。
节流装置在用于测量流量的同时，使流体产生压力损失，对装置生产来说是一种能量的损失。
b 转子流量计
转子流量计有金属和玻璃两种。玻璃管的一般为就地显示，金属管的则制成流量变送器。
转子流量计又称面积式流量计或是恒压降式流量计，可测多种介质的流量，特别适用于测量中小管径雷诺数较低的中小流量，压力损失小且稳定，反应灵敏，量程较宽，结构简单，维护方便，但其精度受介质的温度、密度和粘度的影响，必须垂直安装。
工作原理：转子流量计是一段向上扩大的圆椎形管子和密度大于被测介质并能随着被测介质流量大小上下移动的转子组成。当流体自下而上的流过椎管时，位于锥管中转子受流体的冲击而向上运动，随着转子的上下移动，转子与锥形管间的环形流通面积由小增大，当流体的推力与转子的重力相平衡时，转子停留在某一位置高度，根据转子悬浮的高度就可测知流量的大小。在转子受到推力和重力平衡时，其上下压降是固定的，故转子流量计又称恒压降式流量计。在转子流量计中当被测流体的雷诺数低于一定的界限时，流量系数便不等于常数，流量计的测量精度便受到影响，为了适合不同流体的雷诺数，转子被做成各种形状。
c 容积式流量计
容积式流量计主要用来测量不含固体杂质的液体，如油类、冷凝液、树脂等粘稠流体的流量，适用于高粘度介质，且容积式流量计精度高，可达正负0.2%，常用容积流量计有椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、刮板流量计等。
Ⅰ
椭圆齿轮流量计测量部件由两个相互齿合的椭圆齿轮、轴和壳体组成，其原理如下图所示：
A
B
A
B
A
B当流体流过齿轮流量计是，流体带动齿轮绕轴转动，椭圆齿轮每旋转一周，就有一定数量的流体流过，只要用传动及累积机构将椭圆齿轮转动数量记录下来，就能知道被测流体的流量数。
Ⅱ
腰轮流量计测量流量的基本原理与椭圆齿轮流量计相同，只是轮子的形状不同，腰轮流量计除能测液体流量外，还能测大流量的气体流量，由于两腰轮上无齿，所以对流体中杂质没有椭圆齿轮流量计那样敏感。
d 漩涡流量计
漩涡流量计又称涡街流量计或卡门漩涡流量计，是六十年代末期发展起来的，它利用流体振荡原理进行测量。当流体以足够大的流速流过垂直于流体方向的物体时，若该物体的几何尺寸适当，则在物体的后面，沿两条平行直线上产生整齐排列、转向相反的涡列。涡列的个数，即为涡街的频率，和流体的速度成正比。通过测量漩涡的频率就可知道流体速度，从而测出流体的流量。它分流体强迫振荡的漩涡进动型和自然振荡的卡门漩涡型。
漩涡流量计特点是：测量精度高，可达正负１％量程比宽，达100:1，仪表内无活动部件，使用寿命长，几分不受温度、压力、密度、粘度等影响维护方便，更换检测元件时不需重新标定，但如检测元件被污物粘附后，将影响测量灵敏度。它如用于测量150mm1以下管道时，压力损失较大，并且对仪表前后都有直管段的安装要求，同时安装点应防止传感器产生振动，特别是管道的横向振动会导致流体随之振动，而使仪表产生误差。
e 电磁流量计
电磁流量计是利用电磁感应的原理制成的流量测量仪表，可用来测量导电的液体体积流量。变送器几乎无压力损失，内部无活动部件，在检测过程中不受被测介质的温度、压力、密度等影响，且没有滞后现象。电磁流量计是电磁感应定律的具体应用，当导电的被测介质垂直于磁力线方向上流动时，在于介质与磁力线都垂直的方向产生一个感应电动势，当管道直径和磁感应强度不变时，电动势与体积流量成正比。电磁流量计无压损，无机械惯性，量程比宽，可测含固体颗粒、悬浮物等介质，但其使用温度、压力不能太高，不可测非导电流体，同时要求被测介质流速一般不低于0.3m/s，为了保证精度，电磁流量计必须留有直管段。电磁流量计信号较小，满量程时仅为2.5-8mV,流量小时，只有几微伏，对外界干扰敏感，故需对它进行单独的接地、避开磁源可保证测量值准确。其安装时最好能垂直安装，并留有5-10D的直管段。
f 质量流量计
质量流量是指在单位时间内，流经封闭管道截面处流体的质量。我们所用质量流量计一般为科氏力质量流量计，它是根据科里奥利加速度理论制成的。按照里奥利效应，假如在一个旋转体系中，具有质量m和速度的物体，以角速度ω从里往外（反之亦然）运动，则物体会受到一个切线方向的力，此力称为科氏力。这种质量流量计的测量管形状较多，不同厂家有不同形状，如Rosemount公司的Ｕ形管，Ｅ＋Ｈ公司的直形管，还有S形、
Ω形。科氏力流量计主要由传感器、变送器、显示仪三部分组成，传感器也就是测量管，虽形状不一致，但其原理基本一致：通过激励线圈使管子产生振动（代替旋转），流动的流体在振动管中产生科氏力，由于测量管进出侧所受方向相反，所以管子会产生扭曲，再通过电磁检测器或光电检测器，将测量管的扭曲程度转变为电信号，进入变送器即可知道测量值。
质量流量计能直接测量质量流量，不受温度、压力、粘度和密度的影响，测量精度高，正负0.2%，可测气体、液体和含颗粒的介质，并易于清洗，它对流体的流速分布不敏感，故安装是无需直管段，在测量同时可获得密度信号。但由于测量管在生产、焊接时存在差异，以及测量管的刚度、材料的内衰减等因素，造成测量管的机械振动不对称性，所以当流体的流量和粘度发生变化是，由于内部结构不平衡会造成零位漂移，故质量流量计需阶段性地进行零位检查和校正。
③ 温度仪表
温度是表征物体冷热程度的物理量，它只能通过物体随温度变化的某些特征来间接测量，用来度量物体温度数值的标尺称温标，现国际上常用温标有华氏()、摄氏(OC)、凯氏(K)。它们关系如下：OC
＝5/9(OF
-32)=K-273.15.
温度测量仪表按测温方式分接触式和非接触式两大类。通常来说接触式测温仪表比较简单、可靠，精度高；但因测温元件与被测介质需进行充分的热较换，故需一定时间才能达到热平衡，所以存在测温迟后的现象，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。非接触式仪表是通过热辐射原理了进行温度测量的，测温元件不需与被测介质接触，测温范围广，响应速度快；但易受物体的发射率、测量距离、烟尘、雾汽等外界因素的影响，测量误差较大。
接触式温度仪表有膨胀式、压力式、热电偶和热电阻；非接触式有辐射式、红外式光学温度计。
a 热电偶
热电偶是化工企业上最常用的温度检测元件之一，它是直接式测温，测量精度高；测量范围可从－50到＋1600
OC，某些特殊热电欧最低可测－269
OC，最高可测＋2800
OC；结构简单，使用方便。其测温基本原理：将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图所示，当导体Ａ、Ｂ的两个接点１和２之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一定大小的电流，热电偶就是根据这种热电效应来进行测温的。
A
B自由端，安放在恒定温度环境中，用t0表示
工作端，安放在被测介质中，用t表示热电动势Et=eAB(t)
-
eAB(t0)
当自由端温度恒定时，热电势只与工作端温度有关。当组成热电偶的热电极材料均匀时，其热电势的大小只与热电极材料的成份和两端温度有关，因此用不同的导体或半导体材料可做成各种用途的热电偶，以满足不同温度对象测量的需要。下表为我们常用的热电偶：
序号
分度号
热电偶名称（材料）
测量范围(OC)
1
S
铂
铑10-铂
0～～1600
2
B
铂
铑90-铂铑6
0～～1600
3
K
镍铬-镍硅
-200～～1300
4
J
铁-康铜
-210～～1200
5
R
铂
铑13-铂
0～～1300
6
E
镍铬-康铜
-200～～900
7
F
铜-康铜
0～～350由于热电偶的材料一般都比较贵重，而测温点到仪表距离都很远，为了节省热电偶的材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。在这里补偿导线仅起延长热电极的作用，它对冷端温度变化而可能引起测温误差是无法消除的，因此需另用其他方法来消除冷端温度不保持０时对测温的影响。
在热电偶的补偿导线使用中，需记住不同热电偶需不同补偿导线，且极性不能接错，补偿导线与热电偶的连接端温度不能超过100
OC。
热电偶按用途不同，常制成形式有：普通型、铠装型（又称缆式）、表面式、溥膜式、快速消耗型。
b 热电阻
热电阻是中低温区最常用的一种温度仪表，它主要特点是精度高，性能稳定。
热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大多由纯金属材料做成，目前应用最多的是铂和铜。下表为我们常用热电阻：
序号
分度号
热电阻名称（材料）
测量范围(OC)
主要特点1
Pt10
铂
电阻
－200～～850
测量精度高，稳定性好，可作基准仪器。
2
Pt50
铂
电阻
－200～～850
3
Pt100
铂
电阻
－200～～850
4
Cu50
铜电阻
-50～～150
稳定性好，价格低，但体积大，机械强度低。
5
Cu100
铜电阻
-50～～150
6
Ni100
镍电阻
-60～～180
灵敏度高，体积小，但稳定性和复制性差。
7
Ni300
镍电阻
-60～～180
8
Ni500
镍电阻
-60～～180
热电阻按用途不同，常用的形式有：普通型、铠装式、端面型、隔爆型。热电阻测温仪表一般由热电阻、连接导线和显示仪组成，最常见的故障是热电阻短路和断路。
c 辐射温度计
物体受热后，会发出各种波长的辐射能，辐射能的大小和受热体温度的四次方成正比，辐射温度计就是基于此原理工作的。
同时物体在高温状态下会发光、发亮。温度越高，亮度越大，光学温度计就是通过测物体的亮度来测温度的。
④ 物位仪表
物位是对液位、料位和相界面的总称，对物位进行测量的仪表称物位检测仪表。
物位检测的主要目的：通过物位测量来确定容器中物料的数量，以确定正常生产所需的物料供给量；通过物位测量了解物料是否在正常生产要求范围内，以保证生产安全、产品质量。
物位仪表按液位、料位、界面分：
测量液位仪表：玻璃管（板）、称重式、浮力式、静压式（压力、差压）、电容式、电感式、电阻式、超声波式、放射式等。
测量界面仪表：浮力式、差压式、电极式和超声波式等。
测量料位仪表：重锤探测式、音叉式、超声波式、激光式、辐射式等。
浮力式液位计
浮力式液位计可分为恒浮力式液位计和变浮力式液位计。前者是根据浮子的位置始终跟随液位的变化而变化来进行液位测量的；后者则根据浮筒所受的浮力随液位的变化而变化来进行液位测量的。
常见恒浮力式液位计有：
浮球液位计――这种仪表结构是一种机械杠杆系统。一端连空心浮球，放于被测介质中，另一端装平衡锤，所以是力矩平衡式仪表。这类仪表变化灵敏，易适应介质的温度、压力、粘度等条件，但受机械杠杆长度的限制，测量范围较小。
浮子钢带液位计――这类液位计的浮子系在钢带上，钢带的另一端系平衡锤或钢带收放轮。当液位发生变化是浮子、钢带也随着上下移动，此仪表测量范围较大，但易受温度等条件影响，精度不高。
磁耦合浮子式液位计――这类液位计的浮子内带有永久磁铁，然后通过磁耦合传出液位的高低，如磁翻
板液位计，量程较大，工作压力高，但磁性物质对温度有一定限制，在吹气高温下，易退磁。
常见的变浮力式液位计有：
浮筒液位计――它的检测元件是沉浸在液体中浮筒（又称沉筒），它随液位的变化产生上下直线位移，通过扭力管转换为角位移，再利用转换元件，将角位移变为相应电或气信号。
浮筒液位计除位移式的外，还有力平衡式沉筒液位计、带差动变送器的沉筒液位计。
恒力式液位计与变浮力式液位计主要区别：恒力式液位计的浮子始终浮在介质上面，并随液位1:1变化，沉筒液位计的沉筒则大部分沉在介质中，当液位发生变化时，其位移极小。
差压式液位计
差压是液位计是利用容器内的液位变化时，液柱产生的静压也相应变化的原理工作的。如下图所示
差压变送器
在一般情况下，被测介质的密度和重力加速度是已知的，因此差压计测得的差压与液位的高度是成正比的，这样测液位就可以变成测量差压。
差压式液位计特点：
检测元件在容器内几乎不占空间；检测元件只有一、二根导压管，结构简单，便于安装维护；如采用法兰式变送器可解决高粘度、易凝固、易结晶、腐蚀性等液位测量中常见的问题；差压液位计通用性强，可以用来测量液位外，也可测压力和流量等参数。
电容式物位计
利用两电极间电容量随被测介质物位的高低变化而变化的原理构成的物位测量仪表为电容式物位计。
雷达液位计
雷达液位计是采用高频振动器作为微波发生器，发生器产生的微波用波导管将它引到辐射天线，通过天线向被测介质物位发射微波。当微波遇到障碍物，如介质时，部分被吸收，部分被反射回来，通过测量发射波与反射波间的某种参数关系来实现液位测量。
目前主要有两大类雷达液位计：一类是发射频率固定不变，通过测量发射波与反射波的运行时间，并经智能化信号处理器，测出液位高度。另一类是测量发射波与发射波之间的频率差并将这频率差转换为与被测液位成比例关系的电信号。这种液位计发射频率不是一个固定的频率，而是一等幅可调频率。
雷达液位计特点：
无位移、无传动部件、非接触式测量，不受温度、压力、蒸汽、气雾和粉尘的限制，适用于粘度大的介质、有毒、有腐蚀行介质。
雷达液位计没有测量盲区，简单可达很高，正负1mm,故可用于贸易。
超声波物位计
超声波物位计是应用回声测距的原理制成的，声波从发射到接受反射波的时间间隔与物位高度成正比。
超声波物位计特点：
无可动部件，超声波探头虽有振动，但振幅很小，仪表结构简单。
不受光线、粉尘、湿度、粘度的影响，并无介质的介电常数、电导率、热导率等参数无关。可测对象多，液体、粉末、固体颗粒等均可。
因超声波物位计不接触介质，可适用于腐蚀性、有毒、高粘度的液位测量。但超声波物位计的检测元件不耐高温，声速受介质的温度和压力影响，另外超声波物位计的电路复杂，价格较高。
放射性物位计
在自然界中某些元素能放射出某种看不见的粒子流，即射线，当这些射线穿过一定厚度的物体时，因粒子的碰撞和克服阻力而消耗粒子的动能，以致最后动能耗尽，粒子被物体吸收。不同的物体对射线的穿透和吸收能力不同。利用物体对放射性同位素射线的吸收作用来检测物位的仪表就称放射性物位计。
我们常用的放射性物位计有钴和铯作放射源的物位计。
放射性物位计特点：
可以实现完全不接触式的测量；可用于高温高压的工况；可测量容器中高粘度、强腐蚀、易燃易爆、有毒介质的物位测量；但射线对人体危害较大，在选用上必须谨慎。
以上介绍的仪表测量值均为模拟量，在我们实际运用中，还大量使用数字量的测量信号，如压力开关、流量开关、温度开关及液位开关和振动开关等等。
⑤ 执行器
执行器接受调节器发出的控制信号，改变调节参数，把被调参数控制在所要求的范围。在生产现场，执行器直接控制工艺介质，尤其在化工生产中，介质多为高温高压、强腐蚀、易燃易爆、有毒、高粘度、易结晶等性质，执行器的选择、安装、使用和维护必须非常重视。
按能源来分，执行器可分气动、液动、电动三类。在我们化工企业中以气动执行器较多，我们习惯上称气动阀。它以压缩空气为能源，具有结构简单、动作可靠、平稳、输出推动力大、本质安全、维护方便等特点。
阀门在结构上可分执行机构和调节机构组成。
执行机构就是阀门的推动部分，它按控制信号的大小产生相应的推力，通过阀杆使阀门阀芯产生相应的位移。主要有：气动薄膜执行机构、气动活塞执行机构、长行程执行机构等。
调节机构是阀门的调节部分，它与调节介质直接接触，在执行机构的推动下，改变阀芯与阀座间的流通面积，从而达到调节流量的目的。主要有：单座阀、双座阀、蝶阀、偏心旋转阀、球阀等。下表是我们化工企业常用阀门的说明。
序号
名称
结构特点
性能
1
直通单座阀
阀体内有一个阀芯和阀座.
泄漏量小，阀前后压差小。
2
直通双座阀
阀体内有二个阀芯和阀座。
流量系数及允许使用压差比同口径单座阀大，但耐压较低。
3
角形阀除阀体为直角形外，其他结构于直通阀相似。
适用于高粘度或含悬浮颗粒的流体，但输入输出管道需呈角形安装。
4
隔膜阀
用耐腐蚀衬里和耐腐蚀隔膜代替阀座和阀芯组件。
适用于强腐蚀、高粘度或含悬浮颗粒及纤维的流体，但耐压耐温较低。
5
偏心旋转阀
由球面阀芯、阀座、转轴、推杆等部件组成。球面阀芯的中心线与转轴中心线偏离，动作时转轴带动阀芯作偏心旋转。
流路阻力小，流量系数较好，密封好，适用于压差大、粘度大及有颗粒的介质，一般耐压小于
6.4MPa。
6
蝶阀
又称翻板阀，由阀体、阀板、阀板轴等部件组成。
适用于大口径、大流量和浓稠浆液及悬浮颗粒的场合，但流体对阀体产生不平衡力矩大，一般蝶阀允许压差小。
7
套筒阀
又称笼时阀，他的阀体与一般直通单座阀相似，阀内有以圆柱形套筒，阀芯在套筒内移动。
适用于液体产生闪蒸、空化和气体在缩流面处流速超过音速的场合；不适用于含颗粒介质。
8
球阀
阀芯为球形，开有圆柱形通孔。
流路阻力小，流量系数较好，密封好，可调范围大，适用于粘度大、含纤维及有颗粒的介质，价格贵，Ｏ形球阀一般作二位控制，Ｖ形作连续调节。
有关调节阀的特性几个概念
阀门气开作用：当控制信号中断时阀门处于关断状态，用ＦＣ表示。
阀门气关作用：当控制信号中断时阀门处于开启状态，用ＦO表示。
流量特性：指介质流过阀门的相对流量与相对位移（阀门相对开度）间的关系。
流量特性主要有四种：
直线性――阀门相对流量与相对位移成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是一常数，用Ｋ表示。
等百分比――也称对数特性，指单位相对位移变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系。即调节阀的放大系数是变化的，它随相对流量的增大而增大。
抛物线――指单位相对位移变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量的平方根成正比关系。
快开――此种流量特性在开度较小时就有较大流量，随开度增大，流量很快就达到最大，此后再增大开度，流量变化较小。
下图为阀门四种流量特性的示意：
1
Q/QMAX%
(流量)
2
3
4
l/L%(位移)
1—
快开；2－直线；3－抛物线；4－等百分比2.4.5 分析仪表
分析仪器是用以测量物质成份和含量及某些物理特性的仪器总称，用于实验室的称为实验室分析仪器，用于工业生产过程的称过程在线分析仪，也称流程分析仪。
一般的分析仪表主要由四部分组成，其原理框图如下图所示。各部分功能如下。
采样、预处理及
进样系统分析仪
显示及数据
处理装置电 源
(1) 采样、预处理及进样系统
这部分的作用是从流程中取出具有代表性的样品，并使其成分符合分析检查对样品的状态条件的要求，送入分析器。为了保证生产过程能连续自动地供给分析器合格的样品，正确地取样并进行预处理是非常重要的。
(2) 分析器
分析器的功能是将被分析样品的成分量（或物性量）转换成可以测量的量。随着科学技术的进步，分析器可以采用各种非电量电测法中所使用的各种敏感元件，如光敏电阻、热敏电阻以及各种化学传感器等。
(3) 显示及数据处理系统
用来指示、记录分析结果的数据，并将其转换成相应的电信号送入自动控制系统，以实现生产过程自动化。目前很多分析仪器都配有微机，用来对数据进行处理或自动补偿，并对整个仪器的分析过程进行控制，组成智能分析仪器仪表。
(4) 电源
对整个仪器提供稳定、可靠的电源。
过程分析仪表按工作原理可分磁导式分析仪、红外线分析仪、工业色谱仪、电化学式分析仪、热化学式分析仪等。在我们企业中按照分析仪表功能及在实际应用作用可分质量分析仪表和安全分析仪表。安全仪表主要是指可燃气分析仪、硫化氢分析仪、氨气分析仪等测量有毒有害和易燃易爆物质的分析仪。
分析仪表的特点是专用性强，每种分析仪的适用范围都很有限，同一类分析仪，即使有相同的测量范围，但由于待测的试样的背景组成不同，并不一定都适用。分析仪表的主要性能指标：精度、灵敏度、响应时间。
下面针对我们常用分析仪进行简单介绍。
① 色谱仪
色谱分析是一种物理化学的分析方法，特点是使被分析的混合物通过色谱柱将各组分进行分离，并通过检测器后输出与组分的量成比例的信号。
３
７
6
4
5
2
输出
1
样品出入
１－气瓶；２－载气；３－进样阀；４－程控器；５－色谱柱；６－恒温箱；７－检测器
下图为气相色谱工作原理。 由气瓶提供的载气经过流量调节阀和转子流量计后进入进样阀，被测试样从进样阀注入，并随载气一起进入色谱柱。色谱柱内的固定相是一些吸附剂或吸收剂，吸附剂对不同物质有不同的吸附能力，因此当样品流过固定相表面时，样品中各个组分自流动相和固定相中的分配比例不同，使得各组分在色谱柱中的流动速度不同，进而使各组分离开色谱柱进入检查器的时间不一样。检测器根据样品到达的先后次序测定各组分及浓度信号，各组分的含量确定最简单方法是按色谱图中各峰波面积的相对大小来计算。如下图。
C
组分A
B
时间
色谱图
组分含量％
D
② 氧含量分析仪
氧含量分析仪主要用来分析混合气中含氧的量。它大致可分两类：一类根据电化学法制成，如原电池、固体电介质法（如氧化镐）等，另一类是根据物理法制成，如热磁式等。电化学法灵敏度高，选择性好，但响应速度慢，维护工作量大，目前常用于微氧分析。物位法响应较快，不消耗被分析气体，使用维护方便，广泛用于常量分析。
③ 热导式气体分析仪
热导式气体分析仪是一种物理式气体分析仪，它结构简单，性能稳定，价格便宜，常用来分析混合气体中某一组分的含量。它是根据混合气体中待测组分含量的变化，引起混合气体总的导热系数变化这一物理特性来进行测量的。由于气体的导热率很小，直接测量困难，因此在工业上常常把导热率的变化转化成热敏元件的阻值变化，从而可由测点的电阻值的变化，确定待测组分的含量。
在理论上讲，热导式分析仪只能正确测定二元混合气体的组分含量，在分析三元以上混合气体必须满足以下条件：
a
三元混合气体中某一组分含量保持恒定后变动很小。
b
被测组分的导热率与其他组分相差较大，且其余组分的导热率基本相近。
c
在背景其他的导热率保持恒定时，才能正确测量。
④ 红外线分析仪
红外线分析仪是根据气体（或液体、固体）对红外线吸收的原理制成的一种物理式分析仪。
各种多原子气体（CO2、CO2、CH4等）对红外线都有一定吸收能力，不同的气体吸收的红外线的波长也不同。红外线分析仪就是基于某些气体对不同波长的红外辐射能具有选择性吸收的特性，当红外线通过混合气体时，气体中的被测组分吸收红外线的辐射能，使整个混合气体因受热而引起五大压力的增加，而这种温度与压力的变化与被测气体的组分浓度相关，把这种变化转换成其他形式的能量变化，就能确定被测组分的浓度了。１２
５87
6
红外线气体分析仪一般组成１－光源；２－斩光器；３－滤光室；４－样品室；５－参比室；６－检测室；７－放大器；８－显示器
3
4⑤ 工业PH计
PH计又称酸度计，能连续测量工业流程中水溶液的氢离子浓度的仪器。工业PH计一般由发送器和测量器组成，发送器由玻璃电极和甘汞电极组成，它的作用把PH值转换成直流信号。测量仪器大多采用电位差计进行测量。
电位测量法基本原理是在被测溶液中插入两个不同的电极，其中一个电极的电位随溶液氢离子浓度的改变而改变，称工作电极；另一个电极具有固定的电位，称参比电极，这两电极形成一个原电池，测得两电极间的电势即可得到被测溶液的PH值。
2.4.6 控制仪表
本处控制仪表主要指ＤＣＳ、ＰＬＣ、ＥＳＤ等系统。
基本概念
被控对象――自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。
被控变量――被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。
操纵变量――受控制器操纵的，用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定的物理量或能量。
扰动量――除操纵变量，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。
设定值――被控变量的预定值。
偏差――被控变量的设定值与实际值之差。
闭环控制――指控制器与被控对象之间即有顺向控制又有反向联系的自动控制。
开环控制――指控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向联系的自动控制。即操纵变量通过被控对象去影响被控变量，但被控变量并不通过自动控制装置去影响操纵变量，从信号传递关系上看，未构成闭合回路。
开环控制分两种：一种按设定值进行控制，操纵变量与设定值保持一定的函数关系，当设定值变化时，操纵变量随其变化而改变被控变量。另一种是按扰动进行控制的，即所谓的前馈控制，是通过对扰动信号的测量，根据其变化情况产生相应控制作用，进而改变被控变量，它不能自动觉察被控变量的变化，也不能判断操纵变量的校正作用是否适用实际需要。
反馈――把系统的输出信号直接或经过一些环节重新引回到输入端的做法。反馈信号的作用方向与设定信号相反，即偏差信号为两者之差，这种反馈叫负反馈；反之为正反馈。
给定值 偏差
控制信号
操纵变量被控变量
－ 测量值调节器
执行器
被控对象
检测变送装置
干扰
简单控制系统：通常是指由一个被控对象、一个检测元件及传感器（变送器）、一个调节器和一个执行器构成的单闭环控制系统，有时也称单回路控制系统。其典型方块图：
相对于简单控制系统，凡是多参数，具有两个以上的变送器、两个以上调节器或调节阀组成的回路称复杂控制系统。日常常用有串级、均匀、比值、前馈、选择性、分程控制等几种。
(1) 常用自动控制系统（控制方案）
① 串级控制系统
串级控制系统是由其结构上的特征而得名的，它是主、副两个调节器串级工作的，主调节器的输出作为副调节器给定值，副调节器的输出去操纵调节阀，以实现对主变量的定值控制。串级控制系统主要应用于：对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。
串级控制系统特点：
在系统结构上由两个串级工作的调节器构成的双闭环控制系统。
系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量。
a
由于副回路的存在，对进入副回路的干扰有超前控制的作用，因而减少了对主变量的干扰影响。
b
系统对负荷变化有一定的自适应能力。
给定值
副变量
主变量
－－
主调节器
副调节器
执行器
副对象
主对象
副测量、变送
主测量、变送
F2
F1
串级控制系统典型方块图：
串级控制系统中主、副调节器的控制规律选择
串级控制的目的是为了提高主变量的稳定性，对主变量的要求较高，一般不希望出现余差，所以主调节器一般选择比例积分控制，当对象滞后较大时，也可适当的引入微分作用。串级控制系统中对副变量的要求不严。在控制过程中，副变量是不断跟随主调节器的输出变化而变化的，所以副调节器一般采用比例控制规律就行，必要时可引入适当的积分作用，而微分作用一般不需。
② 均匀控制系统
均匀控制系统是为了解决前后工序的供求矛盾，使两个变量之间能够相互兼顾和协调操作的控制系统。特点是其控制结果不像其他控制系统那样，不是为了使被控变量保持不变，而是使两个相互联系的变量都在允许的范围内缓慢变化。均匀控制系统中调节器一般采用纯比例作用，且比例度较大，必要时才引入少量的积分作用。
③ 比值控制系统
实现两个或两个以上的参数符合一定比例关系的控制系统，称比值控制系统。比值控制系统有变比值和定比值；变比值是相对于定比值而言的。当要求两种物料的比值能灵活的随第三变量的需求而加以调整时，就要求设计比值不是恒定的比值控制系统，即变比值控制系统。
常见比值控制系统有单闭环比值、双闭环比值和串级比值3种。④ 单闭环比值控制系统
比值器
调节器
对象
调节阀
检测、变送
检测、变送
G1
G2
扰动
典型方块图
控制方案图
K
FC
G1
G2单闭环比值控制中两种物料流量比值较为精确，实施方便，但当主流量出现大的扰动或负荷频繁波动时，副流量在调节过程中，相对于调节器的给定值会出现较大的偏差，因此这种方案不适用要求动态比值比较严格的工艺。
⑤ 双闭环比值控制系统
典型方块图
比值器
检测、变送
调节器1
对象
调节阀
调节器
2
对象
调节阀
检测、变送
扰
动
扰
动
G1
G2
对主、副流量都要求通过比值器保持定值，这就要求采用双闭环比值控制系统。
双闭环比值控制系统实际上是由一个定值控制系统和一个随动控制系统所组成，它不仅能保持两个流量之间的比值关系，而且能保持总量不变，于采用单个回路流量控制系统相比，其优越性在于主流量一旦失调，仍能保持原定的比值。并且当主流量因扰动而发生变化时，在控制中仍能保持原定的比值关系；另一优点是提降负荷方便，只要缓慢改变主流量调节器的设定，就可以提、降主流量，同时副流量也自动跟踪主流量，并保持两者比值不变。
主调节器
调节阀
副调节器
副对象
主对象
检测变送2
检测变送1
除法器
检测变送
G1
G2
扰动2
扰动1
⑥ 串级比值控制系统
典型方块图与以上两种比值控制不同的是串级比值控制系统的比值大小是一个变量，其大小由另一个控制器来设定，比值控制作为副回路，从而构成串级比值控制系统，故也称变比值控制系统。
⑦ 选择控制系统
选择控制又称取代控制系统或超驰控制系统，有很多中，常见控制示意图如下：
参数I
参数II
调节器I
调节器II
选择器
调节阀
在正常工况下，选择器选中正常调节器I，使之输出送至调节阀，实现对参数I的正常控制。一旦工况发生突变，参数II达到设定的值，选择器将自动选中调节器II的信号，从而取代调节器I控制调节阀，等到工况稳定，参数II恢复到正常值，则仍有调节器I取代调节器II的控制。
⑧ 分程控制系统
分程控制系统的特点是一个调节器的输出同时控制几个工作范围不同的调节阀。分程可以用阀门定位器或电－气定位器来实现，也可以用DCS通过组态来实现。其控制系统方块图：
调节器
检测、变送
调节器
调节器
对象
⑨ 前馈控制系统
简单控制系统属于反馈控制，他的特点是按被控变量的偏差进行控制，因此只有在偏差产生后，调节器才对操纵变量进行控制，以补偿扰动变量对被控变量的影响。如扰动已经产生，而被控变量尚未变化，控制作用是不会产生的，所以这种控制作用总是落后于扰动作用的，是不及时的控制。对于滞后大的被控对象，或扰动幅度大而频繁时，采用简单控制往往不能满足工艺生产的要求，如引入前馈控制，实现前馈－反馈控制就能获得显著的控制效果。前馈控制是按干扰作用的大小来进行控制的，当扰动一出现，就能根据扰动的测量信号控制操纵变量，及时补偿扰动对被控变量的影响，控制及时，如果补偿作用完善，则可以使被控变量不发生偏差。前馈控制方块图：Gff(S)
Gf(S)
GO(S)
C
f
从方块图看出，前馈控制规律不采用PID形式，它的控制规律由前馈通道和扰动通道的传递函数得到，其极性相反，即
Gff(S)＝－
Go(S)
Gf(S)前馈控制只能克服可测扰动，即扰动可以是不可控，但必须是可测量的，对于不可测的扰动，前馈控制是不能采用的。
⑩ 三冲量控制系统
常见三冲量控制系统是对蒸汽锅炉而言的。
所谓“冲量”实际就是变量，是指引入系统中的测量信号。在锅炉控制中，主冲量是水位，辅助冲量是蒸汽负荷和给水流量，它们是为了提高控制品质而引入的。我们石化行业的蒸汽锅炉一般为大、中型的，一般采用水位、蒸汽流量（压力）和给水流量进行三冲量控制的。如下图。
Qs
蒸汽
∑FC
LC
反
正
QH
给水
⑩ 其他特殊控制系统
如采样控制、非线性控制等系统这在较特殊工艺中应用。
采样控制属离散控制，其测量和控制作用是通过采样开关每隔一定时间进行一次，这种断续的控制方法称采样控制。其主要用于两类工艺：一为被控变量的测量信息本身为断续的，如工业色谱仪输出的分析测量数据。另一为具有特大纯滞后的工艺对象。
非线性控制是一种比例增益可变的控制作用，常用于具有严重非线性特性的工艺对象，如PH值的控制等，在用PH值控制废水的中和过程中，酸碱浓度差与PH值的对应关系就存在严重的非线性，在PH值4-10范围内，对象的放大系数极大，约为其他区域的200-300倍,在PH4-10内，只要酸碱浓度之差不为零，即使其差值极小，PH值就会远远偏离中性点，致使PH控制很难保证稳定在PH=7上。但如采用非线性调节器就可以较好地达到这一目的，从其输出特性（下图）看，在控制点附近有一不灵敏区，其比例增益的衰减系数为0.02-0.2，而在这不灵敏区外比例增益恢复原值。-4
-3
-11
2
3
4
-2
P
e
P=Kce
P=Kce
P=rKce
不灵
敏区e－PH测量值与设定值的偏差增量；P－调节器输出增量；Kc－放大系数；r－衰减系数
⑩ 新型控制系统
随着计算机技术的发展，在近几年新发展起来许多新型控制系统，如自适应控制、预测控制、智能控制与专家系统、模糊控制、神经元网络控制等,他们具有对模型要求低、在线计算方便、控制综合效果好的特点，与传统的PID控制相比，控制性能有了明显的提高。
自适应控制系统
自适应控制系统是指针对不确定性的系统而提出的，这里的不确定性，主要是指被控对象的数学模型不是完全确定的，或随时间而变化的。为了能够随时适应对象系统的有关信息，了解对象特性的变化情况，再经过某种算法自动地改变调节器的有关参数，使系统始终运行在最佳状况下，这种系统就称自适应控制系统。
(2) 预测控制系统
预测控制系统实际指的是预测控制算法在工业过程控制中的成功应用。预测控制算法是一类特定的计算机控制算法的总称。最具有代表性的预测控制算法是一种基于模型的预测控制算法，这种算法的基本思想是先预测后控制，即首先利用模型预测对象未来的输出状态，然后据此以某种优化指标来计算当前应施加于过程的控制作用。
(3)
智能控制系统
智能控制系统是实现某种控制任务的一种智能系统，由于它具备一定的智能行为，所以可以解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题。
智能控制系统主要由广义对象与智能控制器两大部分组成，其基本结构如下图：
智能控制器
通讯接口
认
知
感知信息处理
规划与控制
变送器
广义对象
对
象
y
u
执行器智能控制系统具有学习功能、适应功能和组织功能等特点。
(4)
自学习控制系统
自学习控制系统是指具有模拟人的“自学习”功能的控制系统。“自学习”是人的智能的显著特征，也是人提高智能水平的重要手段，这也是一个熟练的操作人员能够较好的控制生产过程的重要原因。
对于一个自学习控制系统来说，它应具备自动获取知识功能、改善控制系统功能、在线实时学习功能。
(5)
专家控制系统
专家系统是一个（或一组）能在某特定领域内，以人类专家水平去解决该领域中困难问题的计算机程序。将专家系统的设计规范和运行机制与传统的控制理论和技术相结合而成的实时控制系统的设计和实现方法，便是专家控制系统。
专家控制系统能够运用控制工作者的成熟的控制思想、策略和方法，包括成熟的理论方法、直觉经验和手动控制技能。因此专家控制系统不仅可以提高常规控制系统的控制品质，拓宽系统的作用范围，增加系统的功能，而且可以对传统控制方法难以奏效的复杂过程实现高品质的控制。
(6)
常用自动控制仪表系统
在我们化工企业常用自动控制仪表系统主要指PLC、DCS、ESD等控制系统。
① PLC
PLC是20世纪60年代发展起来的一种新型自动化控制装置，最早用于替代传统的继电器控制装置，功能上只有逻辑计算、计时、计数以及顺序控制等，且只能进行开关量控制，PLC也是“Programmable
Logic
Controller”简称，中文为可编程逻辑控制器。而现在随科学技术的进步，特别是计算机技术的发展，现有的PLC功能已大大超过原有的概念，不但能处理开关量，还能处理模拟量信号、数字信号，以及具有与其他设备通讯，进行数据传送、获取的功能。
PLC与传统的继电器控制系统相比具有：应用灵活、功能完善、操作方便、维修简单、成本低、安全可靠、控制方案更新实现方便、体积小等优点。
a
PLC基本组成
PLC一般由中央处理单元、I/O模块、电源、通讯接口、编程器等组成。从功能上可分直接进行现场控制的控制站，即下位机；以及用于编程或控制参数修改等作用的操作站或工程师站，即上位机。其结构框图如下：C
M
C
D
D
A
A
P
S
P
E
O
U
M
M
I
O
I
O
S
IMOS
ES
现场设备
PRT
PRT
上位机
上位机
通讯BUS
PLC、DCS、PC
b
中央处理单元
中央处理单元主要包括CPU、内存、通讯卡等组成，是整个PLC的核心，其CPU型号、规格决定了PLC的控制和处理能力，决定处理速度，一般CPU卡件上有运行、停止、故障等相关的开关和指示灯；内存（MEM）为PLC的存储单元，包括存放系统程序的系统存储器和存放用户程序的用户存储器。存储器从早期RAM、ROM发展到EPROM、E2PROM，一般系统存储器用ROM或EPROM，用户不能对其进行修改，而用户存储器一般使用ROM、E2PROM，用户可使用编程器很方便地进行修改。存储器的大小随PLC的机型不同而不同。通讯卡主要负责I/O卡与中央处理单元间的通讯，以及负责上下位机间的数据传递。
c
I/O卡
I/O卡是PLC的中央处理单元与外部现场设备进行通讯的界面。输入卡件把现场信号转换成CPU可识别的信号，传送于CPU；而输出卡件则把CPU发出的信号传送到现场设备。每台PLC上所能配置的I/O卡件数量和种类是由PLC的型号规定的，一般由PLC的CPU处理能力决定；所有I/O卡件上的通道数量总数称PLC的I/O点数，一般点数在64点以下为超小型PLC，64-128为小型PLC，128-512为中型PLC，512以上为大型PLC，现大型PLC可处理近10000点。
d
上位机
上位机早期为PLC的编程器，是人－机通讯的专用工具，一般由键盘、显示器、智能处理器、外部设备、专用通讯接口和电缆等组成，随着计算机的发展，现人机通讯接口已基本采用PC完成，不但能完成编程、调试、运行、诊断和参与控制等功能，而且能进行数据管理、通讯等功能，能连接打印机等数据记录设备，进行打印报表、历史趋势、历史事件，以及与MIS系统进行连接。
② DCS
DCS为英文Distributed
Control
System的缩写，又名集中分散控制系统（简称集散控制系统），也叫分布式控制系统，是集计算机技术、控制技术、通讯技术和CRT技术为一体的综合性控制系统，他的集中指监视、操作、管理集中，分散为对工艺过程控制分散、危险的分散。克服了常规仪表和集中式仪表的缺点，结合两者的优点，以其可靠性、灵活性、人机界面友好等特点被广泛应用。
a
DCS基本组成
DCS可分控制站、操作站（工程师站）、通讯三部分。
基本框图如下：
PRT操作站工程师站控制站
PLC
DCS
PC等
PC
PC
PC
MIS
系统
HAIWAY上位机
其中操作站、工程师站、MIS系统统称为管理部分，早期MIS系统可采用上位机直接挂在HAIWAY上，随技术进步，软硬件的通用性增加，安全要求的提高，现一般采用在工程师站上挂接，或采用专用服务器、网关挂接，保证控制部分的安全性。操作站、工程师站一般采用专用工作站或通用的PC作主机，外配专用操作员键盘、报警/报表打印机等设备组成人机界面，实现集中显示、操作、管理；工程师站主要用来进行系统组态、诊断、维护；上位机可用于信息管理、先进控制等。
控制站可由CPU单元、内存、电源、I/O卡件、通讯接口等组成，可对现场信号进行采集、控制，有强大的运算功能，内嵌许多控制算法，能自主的完成回路的控制任务，从而能实现分散控制的目的。控制站处理器还可挂接远程I/O站，实现远程控制。
通讯部分又称高速数据通路，是实现分散控制和集中管理的关键，其连接DCS的操作站、工程师站、控制站等设备，完成信息数据传送。一般而言DCS的通讯部分为冗余设备。
b
DCS特点
DCS相对PLC而言，功能更强大，处理量更多，具有较多特点。
Ⅰ 控制功能多样化
Ⅱ 操作简便
人机界面友好，可挂接多种输入输出设备。
Ⅲ 系统便于扩展
Ⅳ 维护方便
系统上各节点都有自诊断功能
Ⅴ 可靠性高
集散概念使局部发生故障时影响可保持在最小范围内。
Ⅵ 提供了更多第三方通讯接口
③ 现场总线（FCS）
一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作FCS
现场总线控制系统。人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代，把4～20mA等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统，一方面，突破了DSC系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。
a
现场总线的技术特点
Ⅰ 系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。
Ⅱ 互可操作性与互用性，这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。
Ⅲ 现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。
Ⅳ 系统结构的高度分散性。由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。
Ⅴ 对现场环境的适应性。工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。
b
现场总线的优点
由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。
Ⅰ 节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。
Ⅱ 节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用60％以上。
Ⅲ 节省维护开销。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。
Ⅳ 用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。
Ⅴ 提高了系统的准确性与可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强：减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。
c
典型现场总线简介
Ⅰ 基金会现场总线
基金会现场总线，即Foundation
Fieldbus，简称FF，这是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。其前身是以美国Fisher-Rousemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的WordFIP协议。屈于用户的压力，这两大集团于1994年9月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。它以ISO／OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。
基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为31.25kbps，通信距离可达1900m(可加中继器延长)，可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。H2的传输速率为1Mbps和2.5Mbps两种，其通信距离为750m和500m。物理传输介质可支持比绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC1158-2标准。
其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码，每位发送数据的中心位置或是正跳变，或是负跳变。正跳变代表0，负跳变代表1，从而使串行数据位流中具有足够的定位信息，以保持发送双方的时间同步。接收方既可根据跳变的极性来判断数据的“1”、“0”状态，也可根据数据的中心位置精确定位。为满足用户需要，Honeywell、Ronan等公司已开发出可完成物理层和部分数据链路层协议的专用芯片，许多仪表公司已开发出符合FF协议的产品，H1总线已通过a测试和β测试，完成了由13个不同厂商提供设备而组成的FF现场总线工厂试验系统。H2总线标准也已经形成。1996年10月，在芝加哥举行的ISA96展览会上，由现场总线基金会组织实施，向世界展示了来自40多家厂商的70多种符合FF协议的产品，并将这些分布在不同楼层展览大厅不同展台上的FF展品，用醒目的橙红色电缆，互连为七段现场总线演示系统，各展台现场设备之间可实地进行现场互操作，展现了基金会
现场总线的成就与技术实力。
Ⅱ LonWorks
LonWorks是又一具有强劲实力的现场总线技术，它是由美国Echelon公司推出并由它们与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO／OSI模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通讯速率从300bps至1.5Mbps不等，直接通信距离可达到2700m(78kbps，双绞线)，支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质，并开发相应的本安防爆产品，被誉为通用控制网络。
LonWorks技术所采用的LonTalk协议被封装在称之为Neuron的芯片中并得以实现。集成芯片中有3个8位CPU；一个用于完成开放互连模型中第1～2层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理；第二个用于完成第3～6层的功能，称为网络处理器，进行网络变量处理的寻址、处理、背景诊断、函数路径选择、软件计量时、网络管理，并负责网络通信控制、收发数据包等；第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。如Motorola公司生产的神经元集成芯片MC143120E2就包含了2kRAM和2kEEPROM。
LonWorks技术的不断推广促成了神经元芯片的低成本(每片价格约5～9美元)，而芯片的低成本又返过来促进了LonWorks技术的推广应用，形成了良好循环，据Echelon公司的有关资料，到1996年7月，已生产出500万片神经元芯片。
LonWorks公司的技术策略是鼓励各OEM开发商运用LonWorks技术和神经元芯片，开发自己的应用产品，据称目前已有2600多家公司在不同程度上卷入了LonWorks技术：1000多家公司已经推出了LonWorks产品，并进一步组织起LonWark互操作协会，开发推广LonWorks技术与产品。它被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、运输设备、工业过程控制等行业。为了支持LonWorks与其它协议和网络之间的互连与互操作，该公司正在开发各种网关，以便将LonWorks与以太网、FF、Modbus、DeviceNet、Profibus、Serplex等互连为系统。
另外，在开发智能通信接口、智能传感器方面，LonWorks神经元芯片也具有独特的优势。
LonWorks技术已经被美国暖通工程师协会ASHRE定为建筑自动化协议BACnet的一个标准。
美国消费电子制造商协会已经通过决议，以LonWoks技术为基础制定了EIA-709标准。
这样，LonWork已经建立了一套从协议开发、芯片设计、芯片制造、控制模块开发制造、OEM控制产品、最终控制产品、分销、系统集成等一系列完整的开发、制造、推广、应用体系结构，吸引了数万家企业参与到这项工作中来，这对于一种技术的推广、应用有很大的促进作用。
Ⅲ rofibus
Profibus是作为德国国家标准DIN19245和欧洲标准prEN50170的现场总线。ISO／OSI模型也是它的参考模型。由Profibus-Dp、Profibus-FMS、Profibus-PA组成了Profibus系列。
DP型用于分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领域的应用。FMS意为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化，而PA型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从IEC1158-2标准。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用了OSI模型的物理层、数据链路层，由这两部分形成了其标准第一部分的子集，DP型隐去了3～7层，而增加了直接数据连接拟合作为用户接口，FMS型只隐去第3～6层，采用了应用层，作为标准的第二部分。PA型的标准目前还处于制定过程之中，其传输技术遵从IEC1158-2(H1)标准，可实现总线供电与本质安全防爆。
Porfibus支持主
从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。主站具有对总线的控制权，可主动发送信息。对多主站系统来说，主站之间采用令牌方式传递信息，得到令牌的站点可在一个事先规定的时间内拥有总线控制权，共事先规定好令牌在各主站中循环一周的最长时间。按Profibus的通信规范，令牌在主站之间按地址编号顺序，沿上行方向进行传递。主站在得到控制权时，可以按主
从方式，向从站发送或索取信息，实现点对点通信。主站可采取对所有站点广播(不要求应答)，或有选择地向一组站点广播。
Profibus的传输速率为9.6～12kbps，最大传输距离在12kbps时为1000m，1.5Mbps时为400m，可用中继器延长至10km。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接127个站点。
Ⅳ HART
HART是High
way
Addressable
Remote
Transducer的缩写。最早由Rosemount公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金会。这种被称为可寻址远程传感高速通道的开放通信协议，其特点是现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较好的发展。
HART通信模型由3层组成：物理层、数据链路层和应用层。物理层采用FSK(Frequency
Shift
Keying)技术在4～20mA模拟信号上迭加一个频率信号，频率信号采用Bell
202国际标准；数据传输速率为1200bps，逻辑“0”的信号频率为2200Hz，逻辑“1”的信号传输频率为1200Hz。数据链路层用于按HART通信协议规则建立HART信息格式。其信息构成包括开头码、显示终端与现场设备地址、字节数、现场设备状态与通信状态、数据、奇偶校验等。其数据字节结构为1个起始位，8个数据位，1个奇偶校验位，1个终止位。应用层的作用在于使HART指令付诸实现，即把通信状态转换成相应的信息。它规定了一系列命令；按命令方式工作。它有3类命令，第一类称为通用命令，这是所有设备理解、执行的命令；第二类称为一般行为命令，它所提供的功能可以在许多现场设备(尽管不是全部)中实现，这类命令包括最常用的现场设备的功能库；第三类称为特殊设备命令，以便在某些设备中实现特殊功能，这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。在一个现场设备中通常可发现同时存在这3类命令。
HART支持点对点主从应答方式和多点广播方式。按应答应方式工作时的数据更新速率为2～3次／s，按广播方式工作时的数据更新速率为3～4次／s，它还可支持两个通信主设备。总线上可挂设备数多达15个，每个现场设备可有256个变量，每个信息最大可包含4个变量。最大传输距离3000m，HART采用统一的设备描述语言DDL。现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性，由HART基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典，主设备运用DDL技术，来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。但由于这种模拟数字混合信号制，导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。
HART能利用总线供电，可满足本安防爆要求。
d
现场总线技术展望与发展趋势
发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为关注的焦点课题，国际上现场总线的研究、开发，使测控系统冲破了长期封闭系统的禁锢，走上开放发展的征程，这对我国现场总线控制系统的发展是个极好的机会，也是一次严峻的挑战。现场总线技术是控制、计算机、通讯技术的交叉与集成，涉及的内容十分广泛，笔者认为应不失时机地抓好我国现场总线技术与产品的研究与开发。
自动化系统的网络化是发展的大趋势，现场总线技术受计算机网络技术的影响是十分深刻的。现在网络技术日新月异，发展十分迅猛，一些具有重大影响的网络新技术必将进一步融合到现场总线技术之中，这些具有发展前景的现场总线技术有：
智能仪表与网络设备开发的软硬件技术；组态技术，包括网络拓扑结构、网络设备、网段互连等；网络管理技术，包括网络管理软件、网络数据操作与传输；人机接口、软件技术；现场总线系统集成技术。
现场总线属于尚在发展之中的技术，我国在这一技术领域还刚刚起步，了解国际上该项技术的现状与发展动向，对我国相关行业的发展，对自动化技术、设备的更新，无疑具有重要的作用。总体说来，自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方向前进，这一发展趋势是肯定的。既然是总线，就要向着趋于开放统一的方向发展，成为大家都遵守的标准规范，但由于这一技术所涉及的应用领域十分广泛，几乎覆盖了所有连续、离散工业领域，如过程自动化、制造加工自动化、楼
宇自动化、家庭自动化等等。大千世界，众多领域，需求各异，一个现场总线体系下可能不止容纳单一的标准。另外，从以上介绍也可以看出，几大技术均具有自己的特点，已在不同应用领域形成了自己的优势。加上商业利益的驱使，它们都各自正在十分激烈的市场竞争中求得发展。
有理由认为：在从现在起的未来10年内，可能出现几大总线标准共存，甚至在一个现场总线系统内，几种总线标准的设备通过路由网关互连实现信息共享的局面。
在连续过程自动化领域内，今后10年内，FF基金会现场总线将成为主流发展趋势，LonWorks将成为有力的竞争对手，HART作为过渡性产品也能有一定的市场。这3种技术是从这一领域的工业需求出发，其用户层的各种功能是专业连续过程设计的，而且充分考虑到连续工业的使用环境，如支持总线供电，可满足本质安全防爆要求等。另外，FF基金会几乎集中了世界上主要自动化仪表制造商；LonWorks形成了全面的分工合作体系。这些因素对成为这一领域的主流技术是十分关键的。
由于HART建立在目前广泛采用的模拟系统之上，它可以充分照顾到现有设备和已有投资的效益，技术上也充分考虑连续过程使用环境的需要。目前它已经占有一定的市场份额，其技术本身还在不断完善与更新，如提高传输速率等。目前国外HART仪表的市场份额还在不断增长，呈上升趋势，但是它毕竟是过渡性产品，其生存周期不会很长。国内则由于很多项目都是新项目，所以对兼容性的考虑较少，而对先进性的考虑较多，相信HART在国内的市场份额不会很大。
国内市场与国外市场会有比较大的差异。一方面国外市场上占优势的产品会不断渗透到国内；另一方面，由于国内厂商的规模相对较小，研发能力较差，更多的是依赖技术供应商的支持，比较容易受现场总线技术供应商(芯片制造商等)对国内的支持和市场推广力度的影响。国内目前仅LonWorks技术有实质性的市场活动，所以大部分国内厂商将首先将接受LonWorks技术。尽管FF号称仪器仪表行业的未来标准，但是由于没有明确的市场策略和在国内的积极的市场活动，市场份额将会受到很大影响。而且事实表明，所有的现场总线基金会(FF)会员在研制符合FF标准的同时，都同时推出采用LonWorks技术的应用，由此可见Lon
Works技术的生命力十分顽强。
在离散制造加工领域，由于行业应用的特点和历史原因，其主流技术会有一些差别。Profibus和CAN在这一领域具有较强的竞争力。他们已经在这一领域形成了自己的优势。
在楼宇自动化、家庭自动化、智能通信产品等方面，LonWorks则具有独特的优势。由于Lon
Works技术的特点，在多样化控制系统的应用上将会有较大的发展。现场总线技术的兴起，开辟了工厂底层网络的新天地。它将促进企业网络的快速发展，为企业带来新的效益，因而会得到广泛的应用，并推动自动化相关行业的发展。
④ ESD
ESD是Emergency
Shutdown
System的简称，中文为紧急停车系统，他用于监视装置或独立单元的操作，如果生产过程中发生装置事故或控制系统本身发生故障时，能使装置安全停车并处于安全模式下，从而避免灾难的发生。因而ESD系统的软硬件必须有足够的可靠性。
a
ESD系统的基本概念
Ⅰ 可用度
可用度就是系统可使用时间的概率（A），用百分数计算A=MTBF/(MTBF+MDT)
MTBF:平均故障间隔时间
MDT：平均停车时间
Ⅱ 可靠性
可靠性是安全联锁系统在故障危险模式下，对随机硬件或软件故障的安全度，用R表示，他的计算根据故障（失效）模式来确定，故障模式显性故障模式（失效－安全）和隐性故障模式（失效－危险）两种。显性故障模式表现为系统误动作，可靠性取决于系统硬件所包含的元器件总数，一般由MTBF表示；隐性故障模式表现为系统拒动作，可靠性取决于系统的拒动作率（PFD），一般表示为：R=1-PFD
Ⅲ 安全度
安全联锁系统在一定条件一定时间周期内执行指定安全功能的概率称为安全度。安全度等级用PED（Probability
of
Failure
on
Demand）来定义。现国际上公认的安全等级认证主要有：美国仪表学会（ISA）的SIL的1、2、3三级；国际电工委员会（IEC）的SIL1、2、3、4级；德国莱茵认证机构的TUV标准的AK1－8级。
Ⅳ SOE功能
SOE是Sequence
Of
Events的简称，用于对事件的收集和管理，SOE的变量以DI/DO为主。事件记录为运行状态、故障分析提供依据，一般要求事件采集分辨率达到毫秒级。
b
基本结构
ESD基本结构与PLC相似，可以这么说，经过一定认证，达到认证等级的PLC即可当ESD使用。与PLC相比，他的冗余、容错要求更高。
(7)
控制系统配置基本要求
① 冗余要求
随着控制系统在化工企业中的广泛应用，其所起作用也越来越重要，化工生产中各工序、各装置中的物料生产连续性越来越强，故一般要求控制系统的CPU、通讯、电源设备为冗余配置。
② 接地要求
接地目的一般为抗干扰和安全；随计算机技术发展，控制系统在提高自身抗干扰性能的同时，为保证整体功耗降低而采用更小信号，包括外部设备的小功耗化；还有控制系统功能增强同时信号传送更多更复杂，使得对外部信号干扰屏蔽提出更高要求。而可靠完善的接地对设备、人身有更好的保护。
③ 环境要求
控制系统一般要求有一定温度、湿度和空气清洁度。但在现在化工企业中，特别是象我们上海石化这样的企业中，随着所加工原油的硫含量提高，加上地处海边，环境中酸性气体含量提高，对设备，特别是系统中卡件接插件、端子等部件的腐蚀而引起系统故障时有发生，故要求系统配置时需考虑相应的防护、防腐措施。
4.7
防爆、防护
化工企业的特点就是高温、高压、易燃易爆、有毒有害，故我们必须了解防爆、防护等方面相关知识。
(1)
爆炸性物质的分类、分级与分组
① 爆炸性物质的分类：Ⅰ类：矿井甲烷；Ⅱ类：爆炸性气体、蒸汽；Ⅲ类：爆炸性粉尘、纤维。
② 爆炸性气体(含蒸汽和薄雾)的分级与分组
爆炸性气体在标准试验条件下，按其最大试验安全间隙(MESG)和最小点燃电流(MICR)分级。
按其引燃温度分组，分为T1、T2、T3、T4、T5、T6六组。
③ 爆炸性粉尘(含纤维和火炸药)的分级与分组
爆炸性粉尘按其物理性质分级。按其引燃温度分组，分为T11、T12、T13三组。
(2)
爆炸危险场所的分类、分级和区域
① 爆炸危险场所分类：爆炸危险场所按爆炸性物质的物态，分为气体爆炸危险场所和粉尘爆炸危险场所两类。
② 爆炸危险场所分级和区域
爆炸危险场所分级原则是按爆炸性物质出现的频度、持续时间和危险程度而划分为不同的危险等级的区域。
0区：正常情况，爆炸性气体混合物，连续地、短时间频繁地出现或长时间存在的场所。
1区：正常情况，爆炸性气体混合物，有可能出现的场所。
2区：正常情况，爆炸性气体混合物，不能出现，仅在不正常情况下偶尔短时间出现的场所。
10区：正常情况，爆炸性粉尘或可燃纤维与空气混合物，可能连续地、短时间频繁出现或长时间存在的场所。
11区：正常情况，爆炸性粉尘或可燃纤维与空气混合物，不能出现，仅在不正常情况偶尔短时间出现的场所。
注：正常情况是指设备的正常起动、停止、正常运行和维修。不正常情况是指有可能发生设备故障或误操作。
(3)
防爆电气设备分类、分级和分组
① 防爆电气设备的分类、分级、分组与爆炸性物质的分类、分级、分组方法相同，其等级参数及符号亦相同。
② 防爆电气设备最高表面温度：对隔爆型指外壳表面，对其余各防爆类型指可能与爆炸性混合物接触的表面。
（II类电气设备最高表面温度：T1=450℃，T2=300℃，T3=200℃，T4=135℃，T5=100℃，T6=85℃）
③ 各类防爆型电气设备的特征
隔爆型(d)：是具有能承受内部的爆炸性混合物爆炸而不致受到损坏，而且内部爆炸不致通过外壳上任何结合面或结构孔洞引起外部混合物爆炸的电气设备。
增安型(e)：是在正常时不产生火化、电弧或高温的设备上采取措施以提高安全程度的电气设备。
充油型(q)：是将可能产生电火化、电弧或危险温度的带电零件、部件浸在绝缘油里，使之不能点燃油面上方爆炸性混合物的电气设备。
充砂型(o)：是将细粒状物料充入设备外壳内，令壳内出现的电弧、火焰传播、壳壁温度或粒料表面温度不能点燃壳外爆炸性混合物的电气设备。
本质安全型(ia,ib)：是正常状态下和故障状态下产生的火化或热效应均不能点燃爆炸性混合物的电气设备。
正压型(p)：是向外壳内充入带正压的清洁空气、惰性气体或连续通入清洁空气以阻止爆炸性混合物进入外壳内的电气设备。
无火化型(n)：是在防止危险温度、外壳防护、防冲击、防机械火化、防电缆事故等方面采取措施，以提高安全程度的电气设备。
特殊型(s)：是上述各种类型以外的或由上述两种以上型式组合成的电气设备。
绝缘材料的最高工作温度（℃）
绝缘级别
允许工作温度（℃）
绝缘材料举例
Y
90
纸板、有机填料、塑料、木材、棉花及其纺织品
A
105
层压布板、沥青漆、漆布、漆包线的绝缘、浸渍过的Y级绝缘材料
E
120
玻璃布、油性树脂漆、耐热漆包线的绝缘
B
130
高强度漆包线的绝缘、石棉纤维、玻璃纤维、聚脂漆、聚脂薄膜
F
155
云母制品、石棉、玻璃漆布、复合硅有机树脂漆
H
180
玻璃漆布、硅有机弹性体、石棉布、补强的云母
C
>180
电瓷、石英、玻璃(4)
电气设备外壳防护等级
电机和低压电器的外壳防护包括两种：
第一种防护是对固体异物进入内部以及对人体触及内部带电部分或运动部分的防护。
第二种防护是对水进入内部的防护。
外壳防护等级按如下方法标志：
IP
?
?
?
?
IP：防护标志
?：前附加字母
?：第一位数字表示第一种防护
?：第二位数字表示第二种防护
?：后附加字母
仅考虑一种防护时，另一位数字用X代替。如不需特别说明，附加字母可以省略。
前附加字母是电机产品的附加字母，W表示气候防护式电机，R表示管道通风式电机。
后附加字母是电机产品的附加字母，S表示在静止状态下进行第二种防护型式试验的电机，
M表示在运转状态下进行第二种防护象式试验的电机。电气设备第一种防护性能
防护等级
简称
防
护
性
能
0
无
防
护
没有专门的防护1
防护大于50mm的固体
能防止直径大于50mm的固体异物进入壳内；
能防止人体的某一大面积部分(如手)偶然或意外触及壳内带电或运动部分，但是不能防止有意识地接近这些部分
2
防护大于
12mm的固体
能防止直径大于12mm的固体异物进入壳内；
能防止手指的触及壳内带电或运动部分?
3
防护大于
2.5mm的固体
能防止直径大于2.5mm的固体异物进入壳内；
能防止厚度(或直径)大于2.5mm的工具、金属线等触及壳内带电或运动部分??
4
防护大于
能防止直径大于1mm的固体异物进入壳内；
1mm的固体
能防止厚度(或直径)大于1mm的工具、金属线等触及壳内带电或运动部分
5
防尘
能防止灰尘进入达到影响产品正常运行的程度；
能完全防止触及壳内带电或运动部分
6
尘密
能完全防止灰尘进入壳内；能完全防止触及壳内带电或运动部分?
注：?
对用同轴外风扇冷却的电机，风扇的防护应能防止其风叶或轮辐被试指触及；在出风口，直径50mm的
试指插入时，不能通过护板。
?
包括泄水孔，泄水孔不应低于第2级的规定。
电气设备第二种防护性能
防护等级
简称
防护性能
0
无
防
护
没有专门的防护
1
防滴
垂直的滴水不能直接进入产品的内部
2
15
0
防滴
与垂线成15
0
角范围内的滴水不能直接进入产品内部
3
防
淋
水
与垂线成60
0
角范围内的淋水不能直接进入产品内部
4
防溅
任何方向的溅水对产品应无有害的影响
5
防
喷
水
任何方向的喷水对产品应无有害的影响
6
防海浪或强力喷水
强烈的海浪或强力喷水对产品应无有害的影响7
浸水
产品在规定的压力和时间下浸在水中，进水量应无有害影响
8
潜水
产品在规定的压力下长时间浸在水中，进水量应无有害影响
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