绪论

1. 过程控制仪表与控制系统

自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为过程控制仪表或装置），使被控对象的工作状态或参数（压力、物位、流量、温度、pH值等）自动地按照预定的程序运行。自动控制技术是生产过程高效运行的技术保障，对企业生产过程起着显著的提升作用，有助于提高生产效率，能够保证产品质量，减少生产过程的原材料、能源损耗，提高生产过程的安全性。

过程控制系统是实现生产过程自动化的平台，而过程控制仪表及装置是过程控制系统不可缺少的重要组成部分，从图1中可以看出其重要性。图1为某储罐液位自动控制系统，要求储罐液位保持一定，以满足生产需要；图中液位变送器、控制器和执行器构成了一个单回路控制系统。储罐液位由液位变送器转换成相应的标准信号传送到控制器，与给定值相比较，控制器按比较得到的偏差，以一定的控制规律发出控制信号，控制执行器的动作，通过改变储罐液体出料的流量，从而使储罐液位保持在与给定值基本相等的数值上。

为提高控制系统的性能，还可增加一些仪表，如手操器、显示器等。这些仪表可以是电动仪表、气动仪表等各种系列的仪表，也可以是各种控制装置，所有这些仪表及装置都属于控制仪表及装置的范畴。如果没有这些仪表及装置，就不可能实现自动控制。

2. 过程控制仪表的发展

过程控制仪表的主体是气动控制仪表和电动控制仪表，它们的产生和发展分别经历了基地式、单元组合式（Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型）、组装式及数字智能式等几个阶段。

在20世纪60年代初，当时国内使用的单元组合式仪表是采用气动放大元件的QDZ-Ⅰ型仪表和以电子管为放大元件的DDZ-Ⅰ型仪表。70年代中期，采用集成运算放大器为主要放大元件，具有国际标准信号制（4 ～ 20mA DC，1 ～ 5V DC）和安全防爆功能的DDZ-Ⅲ型仪表研制成功，并开始投入使用。同时QDZ-Ⅰ型仪表也发展到Ⅱ型、Ⅲ型阶段。所以， DDZ-Ⅱ型、Ⅲ型仪表和QDZ-Ⅱ型、Ⅲ型仪表同时并存了二十几年，它们为我国工业生产自动化的发展起到了促进作用。

20世纪80年代以来，由于各种高新技术的飞速发展，我国开始引进和生产以微型计算机为核心，控制功能分散，显示与操作集中的集散控制系统（DCS），从而将过程控制仪表及装置推向高级阶段。二十几年来在现场变送器方面也有了突飞猛进的发展，它经历了双杠杆式、矢量机构式、微位移式（电容式、扩散硅式、电感式、振弦式）、现场总线式几个阶段，使过程检测的稳定性、可靠性、精度都有很大的提高，为过程控制提供了可靠的保证。

可以断定，以现场总线技术为基础的数字式智能仪表及装置代表着过程控制仪表的发展方向。

3. 过程控制仪表的分类

控制仪表可按应用能源、信号类型和结构形式来分类。

（1）按应用能源分类：可分为气动、电动、液动等几类。工业上通常使用气动控制仪表和电动控制仪表。气动控制仪表的发展和应用已有数十年的历史，电动控制仪表的出现要晚一些，但这类仪表的应用更为广泛。由于采取了安全火花防爆措施，电动控制仪表的防爆问题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。

（2）按信号类型分类：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。这类仪表线路比较简单，操作方便，价格较低，在我国已经历多次升级换代，在设计、制造、使用上均有较成熟的经验。长期以来，它广泛地应用于各种工业部门。

数字式控制仪表的传输信号通常为断续变化的数字量。这些仪表和装置以微型计算机为核心，其功能完善，性能优越，它能解决模拟式控制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。

（3）按结构形式分类：可分为基地式控制仪表、单元组合式控制仪表、组装式综合控制装置、数字式控制仪表、集散控制系统和现场总线控制系统。

① 基地式控制仪表是以指示、记录为主体，附加控制机构组成的。它不仅能对某变量进行指示或记录，还具有控制功能。由于基地式控制仪表的结构比较简单，价格便宜，又能一机多用，常用于单机自动化系统。我国生产的XCT系列控制仪表和TA系列电子控制器均属于基地式控制仪表。

② 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，将系统划分成能独立地完成某种功能的若干单元，各单元之间用统一的标准信号来联络。将这些单元进行不同的组合，可构成多种多样、复杂程度各异的自动检测和控制系统。

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、Ⅲ型三个发展阶段，以后又推出了较为先进的数字化的DDZ-S系列仪表。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。

③ 组装式综合控制装置是在单元组合式控制仪表的基础上发展起来的一种功能分离、结构组件化的成套仪表装置。目前组装式综合控制装置在实际工程中已很少使用。

④ 数字式控制仪表是以数字计算机为核心的数字控制仪表。其外形结构、面板布置保留了模拟式仪表的一些特征，但其运算、控制功能更为丰富，通过组态可完成各种运算处理和复杂控制。可与计算机配合使用，以构成不同规模的分级控制系统。

⑤ 集散控制系统是将集中于一台计算机完成的任务分派给各个微型过程控制计算机，再配上数字总线以及上一级过程控制计算机，组成各种各样的、能适用于不同过程的、积木式分级分布式计算机控制系统。它将生产过程分成许多小系统，以专用微型计算机进行现场或设备的各种有效控制，实现了“控制分散”或“危险分散”，但整个控制系统的管理高度集中，因此被称为集中分散型控制系统，简称集散控制系统（DCS）。

⑥ 现场总线控制系统是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最新发展成果。现场总线控制系统的出现引起了传统控制系统结构和设备的根本性变革，它将具有数字通信能力的现场智能仪表连成网络系统，并同上一层监控级、管理级连接起来成为全分布式的新型控制网络。

4. 本课程的任务和学习方法

（1）本课程的任务。过程控制仪表及装置是自动控制专业的一门专业课。其任务是将生产过程控制中常用仪表的结构、工作原理、选用方法、安装与使用方法、校验方法传授给学生。使学生从中学到利用过程控制仪表构成控制系统的方法和实现手段，理解各控制仪表的工作原理与结构，获得控制仪表的安装、使用、校验、维护方面的基本知识和技能。

（2）本课程的学习方法。本课程实践性很强，在学习过程中，要认真听课，注意老师对问题的分析，通过案例分析和实训环节获得过程控制仪表的使用、校验和维护方法；理论联系实际，带着问题学，在学习理论的同时还要多动手；对所学的仪表，要做到“面熟”、“手熟”；学习某一块仪表不是最终目的，而是通过某一部分内容的学习，总结出共性的知识，举一反三；最终学会应用学过的仪表构成实际的控制方案。