控制硬件:电动气动执行

控制器

重要的是要首先说明并非所有控制应用程序都需要复杂的控制器。

例如，一个开关阀和执行器可以直接从温控器操作。另一个例子是高极限安全控制的操作，它有一个“快速”动作来关闭阀门或关闭燃料供应。

然而，当控制要求变得更复杂时，需要控制器以匹配这些要求。

控制器接收信号，决定需要哪些动作，然后向致动器发送信号以使其移动。

在微芯片，集成电路和计算机的时代，控制器执行的功能确实可以非常复杂。

然而，由于人类大脑和控制器/计算机之间的类比已经在之前的模块中做出，IBM著名的格言可以解释为:

计算机——快速、准确、笨拙

人类 - 慢，邋and鲜艳

总而言之，控制器不会解决所有问题。必须被正确选择和委托，后来将被妥善处理。

虽然大多数控制器现在是基于电子数字/微处理器的，但是一系列的气动控制器是商业上可用的。这些可能用于危险区域，其中爆炸风险排除使用电气/电子设备。可以使电气设备“本质安全”或防爆或阻燃，但是，通常存在显着的成本含义。

如前所述，控制器执行的功能可以非常复杂，并且超出本出版物的范围，详细列出它们，或者解释它们是如何运行的。

需要考虑的主要变化如下：

单环控制器

从单个传感器操作一个阀门/执行器。

多环控制器

可以从多个传感器操作多个阀门/执行器。

单输入/输出

可以只接受传感器的一个信号，并只向执行器发送一个信号。

多输入/输出(多路)

可以接受几个信号并发送几个信号。

实时

可以包括以预先确定的预设时间切换的时间时钟。

运行时间

在设备的其他项目被打开或关闭之前或之后，可以在一些预定的、预先设定的时间内开关。

斜坡和住所

使用温度作为示例，在指定的时间段内提高受控介质的温度，然后以预设值将其保持在该能力。这些控制器经常包含一系列斜坡和居住。

图6.7.1显示了一个典型的电子单回路控制器。这具有P + I + D动作(在模块5.2和5.4中讨论)，适用于110或230伏电源。

图6.7.2显示了具有P动作的气动单环控制器。

可以选择不同的型号来控制温度或压力。

具有执行斜坡和停留功能的能力的单个环路控制器可能具有如图6.7.3所示的典型序列模式。这显示了一系列斜坡（温度变化）和停留（维持温度）功能，在一段时间内进行

传感器

在本节中，温度测量的主题将更广泛地覆盖。有各种各样的传感器和传感器可用于测量压力，水平，湿度和其他物理性质。传感器是控制系统的一部分，其遇到受控变量的变化。

传感器可以是类型的类型，其中温度的变化导致电压的变化或阻力的变化。

来自传感器的信号可能非常小，创造了对局部信号调节和放大的需要有效地读取它。传感器响应于温度的变化，传感器的电阻的小变化可以例如被转换成电压或电流，用于向控制器向上传输。

传输系统本身是潜在的错误源。

布线会产生电阻(以欧姆计)，也会受到电干扰(噪音)。在类似的气动系统中，管道系统也可能有微小的泄漏。

术语“恒温器”通常用于描述具有开/关切换的温度传感器。

“换能器”是另一个常见术语，指的是将一种物理特性转换成另一种物理特性的设备;例如，将温度转换为电压(毫伏)。

换能器的一个例子是将温度变化转换为电阻的变化的装置。

对于气动装置，经常会遇到“变送器”这个词。它只是传感器或传感器的另一种描述，但通常带有一些附加的信号调节。

然而，实际测量装置通常被称为传感器，并且在以下部分中将概述更常见的类型。

填充系统传感器

气动控制器采用填充系统传感器。图6.7.4说明了这种系统的原理。

控制文献中经常发现的一个术语是“可编程逻辑控制器（PLC）”。在批处理中，控制器必须触发一系列动作，例如，打开或关闭阀门或泵。在某些情况下，整个序列是在定时的基础上，但通常可以通过达到和维持一定时间的特定条件来触发各种步骤;例如，达到一定的温度或填充的容器。这些序列可以由PLC控制，该序列是一种基于微型计算机的设备，其利用用于传感器和致动器的标准接口来控制该过程。

另一种类型的复杂控制器是植物室控制器，可用于控制锅炉，泵，加热控制阀，HWS阀门以及提供许多其他特征。

当温度变化时，流体膨胀或收缩，导致波登管趋于伸直。有时用波纹管代替波登管。

过去，填充往往是汞。加热时，它膨胀，导致BOURDON管浮管;冷却导致收缩并迫使Bourdon管更紧密地卷绕。该线圈运动用于操作气动控制器内的杠杆，使其能够执行其任务。压力传感版本将简单地利用连接到BOURDON管的压力管。注意：出于健康和安全原因，现在使用汞较少使用。相反，通常采用诸如氮的惰性气体。

电阻温度检测器(rtd)

RTD（图6.7.5）采用了某些金属的电阻随温度改变而变化的事实。它们充当电传感器，将温度变化转换为电阻的变化。铂，铜和镍是符合RTD要求的三种金属，图6.7.6显示了电阻和温度之间的关系。

在0°C的电阻方面，电阻温度检测器在0℃下的电阻和电阻的变化为0°C至100°C。这些模块中覆盖的典型应用最广泛使用的RTD是铂RTD。这些在0℃下具有100欧姆的电阻构造，并且通常称为PT100传感器。它们可以在-200°C至+ 800°C的温度范围内使用，高精度（±0.5％）在0°C和100°C之间。

从图6.7.6可以看出，具有温度的耐受性的增加几乎是线性的。PT100S具有相对较小的电阻变化，需要仔细测量。需要适当地补偿连接电缆中的电阻。

热敏电阻

热敏电阻使用半导体材料，其具有较大的电阻变化，温度升高，但是非线性的。响应于上升温度（负系数热敏电阻）而降低电阻，如图6.7.7所示。

正系数热敏电阻可以制造在电阻随着温度上升的增加（图6.7.8），但它们的响应曲线通常不适合温度感测。

热敏电阻比RTD更易于复杂，更便宜，但没有相同的高精度和可重复性。它们的高电阻意味着连接电缆的电阻不太重要。

热电偶

如果在两个点连接两个不同的金属并将热量施加到一个结（如图6.7.9所示），则电流将在电路周围流动。热电偶产生对应于测量结（热）和参考结（冷）之间的温差的电压。

如果热电偶本身要提供准确的传感，就必须准确地知道冷基准结温度。

传统上，冷结浸入熔化冰（0℃）中，但现在通过热敏电阻或RTD测量冷结的温度，并且从此，通常在测量结处校正指示的温度。这被称为冷结补偿。

任何一对不同的金属都可以用来制造热电偶。但多年来，一些标准类型已经发展，有一个文件的电压和温度的关系。标准类型用字母表示，即J型、K型、T型等。

使用最广泛的通用热电偶是K型。

在这种类型中使用的不同金属是铬（90％镍，10％铬）和氧化铝（94％镍，3％锰，2％铝和1％硅），并且可以在0°C至1 260之间使用°C。图6.7.10说明了k型热电偶的灵敏度，可以看出，输出电压在完整范围内是线性的。

使用延伸尾线将测量结连接到仪器箱中的基准结。这些延伸尾可能与热电偶本身的电线相同的材料，或者可能是由铜和铜镍合金制成的补偿电缆。两个延伸尾必须是相同的材料。

热电偶有各种各样的尺寸和形状。它们价格便宜，坚固耐用，精度合理，温度范围宽。然而，参考结温度必须保持在一个恒定值，否则偏差必须补偿。低结电压意味着必须使用特殊的屏蔽电缆和小心的安装，以防止电气干扰或“噪声”扭曲信号。

例6.7.1.

想象一下，两个人，一个人和B，每个人都在山顶上，每个人都有一个旗帜和旗杆。目的是让人员通过将标志升至一定的高度来与人物沟通。一个人抬起旗帜的旗帜。人B看到了这一点，并加起了他的旗帜。随着人员向上或向下移动他的旗帜，所以B必须匹配。这将类似于模拟系统。

例6.7.2

现在假设A没有旗杆，而是有两块板，一块上有数字“0”，另一块上有数字“1”，他又想让B举半旗，也就是旗杆50%的高度。50的二进制数是110010，所以他按照相应的顺序一次显示两块电路板。B读了这些板，把它们翻译成50，然后正好举了一半的旗。这与数字系统类似。

可以看出，数字系统更精确，因为信息是' 1 '或' 0 '，位置可以精确定义。这个类比例子就不那么精确了，因为B不能确定A的标志是否恰好是50%。可能是49%或51%。正是由于这个原因，加上微处理器电路的高集成度，数字信号得到了越来越广泛的应用。

数字寻址

数字寻址允许控制器在一组电线上发送信息，几个接收器连接到哪个电线上并且能够在需要时能够仅与其中一个接收器通信。这是通过将地址分配给每个接收器来完成的，该控制器必须先广播。

要解释这一点，请考虑上面的数字示例，但现在假设还有另一个人，在第三个山上的人c。人B和人C可以看到人A，所以人必须首先表明他正在沟通。

这是通过第一板完成的。如果第一板是'0'，那么所有后续数据都适用于调整他的标志的人相应的人。相反，如果第一板是'1'，那么所有后续数据都适用于人员C.因此，人物B的数字地址为“0”，人C的数字地址有“1”的数字地址;每个人都知道它们所看到的第一个号码是指地址而不是消息。

HART®，PROFIBUS®和Foundation™现场总线。

什么是profibus®？

Profibus®是一个开放的现场总线标准，可用于制造和过程自动化的各种应用，独立于制造商。国际标准EN 50170，EN 50254和IEC 61158确保了制造独立性和透明度。

它允许不同厂家的设备之间进行通信，无需特殊的接口调整。PROFIBUS®可用于高速时间关键的应用程序和复杂的通信任务。PROFIBUS®提供功能分级的通信协议DP和FMS。根据应用，可以使用RS-485、IEC 1158-2或光纤传输技术。

它定义了串行Fieldbus®系统的技术特性，通过该系统，分布式数字可编程控制器可以从现场级到单元级进行联网。PROFIBUS®是一个多主机系统，因此允许多个自动化、工程或可视化系统与它们的分布式外围设备在一个总线上的联合操作。

在传感器/致动器水平，二进制传感器和致动器的信号通过传感器/致动器总线传输。数据传输完全是周期性的。

在现场等级，分布式外围设备，例如I / O模块，测量换能器，驱动单元，阀门和操作员终端通过高效的实时通信系统与自动化系统通信。与数据一样，如果需要，也可以循环地传输警报，参数和诊断数据。

在细胞级别，PLC和IPC等可编程控制器可以彼此通信。信息流程需要大量数据包和大量强大的通信功能，例如通过TCP / IP和以太网的Company-ide通信系统流畅集成，例如Intranet和Internet。

什么是基金会™现场总线?

Foundation™现场总线是一种用于工厂/工厂仪表和控制设备的局域网（LAN）的全数字串行双向通信系统。Fieldbus®环境是工厂网络层次结构中数字网络的基础级组。Foundation™现场总线用于过程和制造自动化应用程序，并具有内置能力，可在网络上分配控制应用程序。

与专有网络协议不同，Foundation™现场总线既不由任何单独公司拥有，也不是由单​​一国家或标准机构调控。Foundation™现场总线，一个由世界领先的控制和仪器供应商和最终用户组成的100多个以上的营利组织控制该技术。

虽然Foundation™现场总线保留了4-20 mA模拟系统的许多理想特性，如与电线的标准化物理接口，总线供电设备在单线上，以及本质安全选项，但它也提供了许多其他好处。

设备互操作性

Foundation™FieldBus提供互操作性;一个现场总线®设备可以由类似的设备替换，其在同一现场总线®网络上的不同供应商中添加功能的类似设备，同时保持指定的操作。这允许用户从各种供应商中“混合和匹配”字段设备和主机系统。单个FieldBus®设备还可以传输和接收多变量信息，并通过公共现场总线彼此直接通信，允许将新设备添加到Fieldbus®的情况下，而不会中断服务。

增强处理数据

通过Foundation™现场总线，可以将每个设备的多个变量带入工厂控制系统，以分析趋势，优化流程，并生成报告。对准确、高分辨率数据的访问使流程能够进行微调，以获得更高的生产率、更少的停机时间和更高的工厂性能。

整体视图的过程

现代现场总线®设备，具有强大的基于微处理器的通信能力，允许进程错误被更快和更确定地识别。因此，工厂操作员被告知异常情况或预防性维护的需要，允许人员考虑主动的决定。较低的运营效率可以更快地得到纠正，在原材料成本和监管问题下降的同时，产量得以上升。

工厂安全改善

现场总线技术帮助制造工厂保持严格的安全要求。它可以为操作人员提供潜在危险条件的早期预警，从而采取纠正措施，减少计划外停机。增强的工厂诊断能力还减少了对危险区域的访问，从而最大限度地减少了对人员的风险。

更容易预测维护

增强的设备诊断功能使监测和跟踪潜在的情况，如阀门磨损和变送器污垢成为可能。工厂人员能够在不等待预定停机的情况下进行预测性维护，从而减少甚至避免停机。

减少布线和维护成本

现有接线和多滴连接的使用可节省网络安装成本。这包括减少内在安全障碍和布线成本，特别是在接线已经原位的区域。

可以通过施工和启动所需的减少时间来实现额外的成本节省，以及使用内置于现场总线®设备中的软件控制块的控制和逻辑功能简化编程。