第 5 章辅助仪表

知识目标： 掌握安全栅和信号分配器的作用及使用方法了解变频器在过程控制系统中的应用方案掌握电源箱、电源分配器的使用方法第5章辅助仪表技能目标：能运用安全栅和本安仪表构成安全火花防爆系统能完成实际控制系统供电和信号连接

第5章辅助仪表 5.1 安全栅 5.2 信号分配器 5.3 变频调速器 5.4 电源箱及电源分配器

安全栅是构成安全火花防爆系统的关键仪表，安装在控制室内，是控制室仪表和现场仪表之间的关联设备。其作用是：系统正常时保证信号的正常传输；故障时限制进入危险场所的能量，确保系统的安全火花性能。安全栅是构成安全火花防爆系统的关键仪表，安装在控制室内，是控制室仪表和现场仪表之间的关联设备。其作用是：系统正常时保证信号的正常传输；故障时限制进入危险场所的能量，确保系统的安全火花性能。目前常用的安全栅有：齐纳式安全栅和变压器隔离式安全栅。 5.1 安全栅

安全栅的品种:

1. 齐纳式安全栅的工作原理 齐纳安全栅是基于齐纳二极管反向击穿特性工作的。由限压电路,限流电路和熔断器三部分组成。其原理电路如图所示：图中R为限流电阻，VZ1、VZ2为齐纳二极管，FU为快速熔断器。一、齐纳式安全栅齐纳式安全栅原理图

系统正常工作时，安全侧电压U1低于齐纳二极管的击穿电压U0，齐纳二极管截止，安全栅不影响正常的工作电流。系统正常工作时，安全侧电压U1低于齐纳二极管的击穿电压U0，齐纳二极管截止，安全栅不影响正常的工作电流。但现场发生事故，如短路，利用电阻R进行限流，避免进入危险场所的电流过大；当安全侧电压U1高于齐纳二极管的击穿电压U0时，齐纳二极管击穿，进入危险场所的电压被限制在U0上，同时安全侧电流急剧增大，快速熔断器FU很快熔断，从而将可能造成危险的高电压立即和现场断开，保证了现场的安全。并联两个齐纳二极管是增加安全栅的可靠性。齐纳式安全栅的工作原理

齐纳安全栅优点是采用的器件非常少，体积小，价格便宜;齐纳安全栅优点是采用的器件非常少，体积小，价格便宜; 缺点是齐纳式安全栅必须本安接地，且接地电阻必须小于1Ω；危险侧本安仪表必须是隔离型的；齐纳安全栅对供电电源电压响应非常大，电源电压的波动可能会引起齐纳二极管的电流泄漏，从而引起信号的误差或者发出错误电平，严重时会使快速熔断器烧断。齐纳式安全栅的优缺点

图中24V DC的电源一方面通过安全栅向二线制变送器供电，同时将二线制变送器产生的4-20mA DC的信号传送过来，由250Ω精确电阻转换为1-5V DC的电压信号送显示仪表或控制器，当然变送器传送来的信号也可通过信号分配器,其输出的多路信号可分别送显示仪表和调节仪表。二线制变送器和齐纳安全栅的连用

齐纳安全栅和电气转换器的连用 控制器的输出往往送给电气转换器或电气阀门定位器，由气动执行器实现对被控对象的调节。由于控制器的输出方式不同,和安全栅有两种不同的连接方法。

发射极输出型的控制器可以和安全栅共地,故可采用单通道保护的安全栅；而集电极输出型的控制器，它的两个输出端都不接地，故需采用双通道齐纳安全栅。

变压器隔离式安全栅利用变压器或电流互感器将供电电源、信号输入端和信号输出端进行电气隔离，同时通过电子电路(限能器)限制进入危险场所的能量。变压器隔离式安全栅分为检测端安全栅（输入式安全栅）和操作端安全栅（输出式安全栅）两种。变压器隔离式安全栅利用变压器或电流互感器将供电电源、信号输入端和信号输出端进行电气隔离，同时通过电子电路(限能器)限制进入危险场所的能量。变压器隔离式安全栅分为检测端安全栅（输入式安全栅）和操作端安全栅（输出式安全栅）两种。二、变压器隔离式安全栅

(一)检测端安全栅 1.检测端安全栅的作用（1）把来自现场变送器的4～20mADC电流经隔离变压器1:1地转换成1～5V DC信号或4～20mA DC信号输出至控制室仪表（计算机）。（2）为现场两线制变送器提供24V DC直流电源（3）利用限流、限压电路使得任何情况下送往危险场所的电压不超过30V DC、电流不超过30mADC ，从而保证了危险场所的安全。

Vo Ii 1 5 输入端输出端 2 6 7 8 1~5 V Io 4~20 mA 4~20 mA 24V DC 2.检测端安全栅的构成原理 (1)外型结构 (2)输入输出特性 (3)结构组成及工作原理

+ - 24V DC DC/AC交直流变换器电源变压器 T1 e0 e2 输入端 e1 整流滤波电路Ⅱ 输出端调节器计算机电流电压限制电路整流滤波电路Ⅰ 现场变送器隔离变压器 Ii VO VC5 VC3 A + + U-I 共基极放大电路 1~5 V - T2 - B 4~20 mA 调制器解调器隔离结构组成有六部分组成： 1.直流-交流变换器 2.整流滤波电路Ⅰ 3.整流滤波电路Ⅱ 4.电流电压限制电路 5.隔离变压器 6.共基极放大电路

工作原理 ①DC/AC/DC交换器：实现“隔离供电”它是一个磁耦合对称推挽式多潜振荡器24DC→eo→e1、e2方波，（8KHz） ②整流滤波与输入调制电路 e1→D5-8→C3→Vc3→为（解调）输出电路提供电源 e2→D10-D13→C5→Vc5→限压限流电路电源 e2→D10、D11，D14、D15（开关）→Ii→eT21、eT22→ei1.2 e2→D10-D15→Vc7→为现场变送器提供24VDC电源

③共基解调放大与输出（解调）回路 将ei1、2→I0 4～20mA V0 1-5VDC W2—调零 ④晶体管限压限流电路（限能器） ☆ 作用：对到现场的能量进行限制，（限压、限流） ☆ 过压保护（限压作用）：正常时：DW1不导通；BG7截止；BG8饱和导通；VAB=VC7=24V 过压时：DW1导通 BG7饱和导通；BG8截止；VAB=0 ☆ 过流保护（限流作用）：正常时:I入正常 VR14小→BG7截止、BG8饱和导通；I入′= I入过流时: I入↑→ VR14↑→BG7导通→VC7↓→ VB8 ↓ BG8→放大区IC8=βIB8 I入=IC8↓=βIB8

(二 )操作端安全栅 1.操作端安全栅的作用（ 1）把来自控制室仪表的4～20mA DC电流经隔离变压器1:1地转换成1～5V DC直流电压信号或4～20mA DC直流电流信号输出至现场执行器。（2）利用限流、限压电路使得任何情况下送往危险场所的电压不超过30V DC、电流不超过30mADC ，从而保证了危险场所的安全。

Ii Io A1 B1 输出端输入端 A2 B2 7 8 24V DC 2.操作端安全栅的构成原理 (1)外型结构 (2)输入输出特性 4~20 mA 4~20 mA

输出端 输入端 + - (3)结构组成及工作原理 24V DC DC/AC交直流变换器电源变压器 T1 e0 输出端 e1 e2 整流滤波电路Ⅰ 调节器计算机电流电压限制电路隔离变压器现场执行器输入端 Io Ii A + + VC6 U-I 调制电路共基极放大电路 T2 - - B 4~20 mA 4~20 mA 解调器调制器隔离有六部分组成： 1.直流-交流变换器 2.整流滤波电路 3.调制电路 4.电流电压限制电路 5.隔离变压器 6.共基极放大电路

安全栅的作用 （1）信号的传输（2）能量的传输（3）限流、限压 24V DC 能源 I入 V出变送器信号检测端安全栅调节器计算机 1~5 V 能源 4~20 mA 24V DC 稳压源 V≤30V DC I≤30mA DC I出 I入信号执行器操作端安全栅 4~20 mA 能源 4~20 mA 24V DC 能源非危险场所:控制室危险场所:现场

非安全火花型自动控制系统 非危险场所: 控制室显示仪表危险场所: 现场 V 配电器进液 I V 控制器差压式液位变送器 Q进 P气 4~20 mA 1~5 V 24V DC 液位 I 24V DC I ρ L △P I 4~20 mA 气动执行器出料量 Q出

非危险场所: 控制室安全火花型防爆系统危险场所: 现场 V 显示仪表检测端安全栅进液 I V 控制器 4~20 mA 差压式液位变送器 1~5 V Q进 P气 24V DC 液位 24V DC I 操作端安全栅 ρ L △P I I 4~20 mA 4~20 mA 气动执行器 V<30V DC I<30mA DC 出料量 Q出 24V DC

信号分配器主要是将一路输入转换成两路或多路输出，实现信号的转换、分配和隔离等功能。但因具体使用要求不同而功能不尽相同。有的信号分配器还可对多路信号进行处理。信号分配器主要是将一路输入转换成两路或多路输出，实现信号的转换、分配和隔离等功能。但因具体使用要求不同而功能不尽相同。有的信号分配器还可对多路信号进行处理。信号分配器将4～20mA DC的输入信号经250Ω的精密电阻电阻转换为两路1～5V DV信号输出。其中A端为输入，B端和C端为输出，D端作为输入和输出信号的公共负端。它最多处理5路输入信号，常用于盘装仪表的信号连接及配线。 5.2 信号分配器

1A 2A 5A 250Ω 250Ω 250Ω 1B 2B 5B 1C 2C 5C C 公用端子信号分配器原理 4～20mA

当一个信号向两个设备（如显示仪表和控制仪表）同时输送信号时，若这两设备不共地,就有可能在两个设备之间产生干扰，基至使仪表不能工作。针对此类情况必须使用隔离式信号分配器。当一个信号向两个设备（如显示仪表和控制仪表）同时输送信号时，若这两设备不共地,就有可能在两个设备之间产生干扰，基至使仪表不能工作。针对此类情况必须使用隔离式信号分配器。隔离式信号分配器WS15242D用24V DV供电，把来自二线制变送器的4-20mA DC信号转换成与之隔离的两路输出信号，一路为4-20mA DC，一路为1-5V DC，分别送给控制器和显示仪表，且两路输出之间也是隔离的。这里电源和输入、输出之间也是相互隔离的。

变频调速器是通过改变电动机电源的频率来调整电动机转速的。在自动化领域，变频调速器可以作为系统的执行部件，接收来自控制器的控制信号，并根据控制信号的大小改变输出电源的频率来调节电机转速，改变被控制对象；也可作为系统中的调节部件，单独完成系统的调节和控制作用。变频调速器是通过改变电动机电源的频率来调整电动机转速的。在自动化领域，变频调速器可以作为系统的执行部件，接收来自控制器的控制信号，并根据控制信号的大小改变输出电源的频率来调节电机转速，改变被控制对象；也可作为系统中的调节部件，单独完成系统的调节和控制作用。 5.3 变频调速器

一、变频调速器的结构框图

电源输入回路将输入的电源信号进行整流变成直流信号；然后由逆变电路根据主控电路发来的控制命令将整流后的直流电源信号调制成某种频率的交流电源信号输出给电动机。输出频率可在0到50HZ之间变化。电源频率降低，电源电压也随之降低，使得电动机的瞬时功率下降，从而减少了电源消耗。电源输入回路将输入的电源信号进行整流变成直流信号；然后由逆变电路根据主控电路发来的控制命令将整流后的直流电源信号调制成某种频率的交流电源信号输出给电动机。输出频率可在0到50HZ之间变化。电源频率降低，电源电压也随之降低，使得电动机的瞬时功率下降，从而减少了电源消耗。主控电路以CPU为核心，接收从键盘或输入控制端来的给定频率值和控制信号以及从传感器送来的运行参数进行必要的运算，输出SPWM波的调制信号至逆变器的驱动电路，使逆变器接要求工作。同时把需要显示的信号送显示器，把用户通过功能预置所要求的状态信息送输出控制电路。

下面以常见的锅炉燃烧时炉膛压力自动控制系统为例说明变频调速器的应用。大型锅炉运行时炉膛内的压力基本都是一个常数，压力过高或者过低都会给锅炉的正常运行带来不良影响。常常需要调整鼓风量使锅炉能够处于最佳的运行状态。下面以常见的锅炉燃烧时炉膛压力自动控制系统为例说明变频调速器的应用。大型锅炉运行时炉膛内的压力基本都是一个常数，压力过高或者过低都会给锅炉的正常运行带来不良影响。常常需要调整鼓风量使锅炉能够处于最佳的运行状态。炉膛压力控制系统是根据炉膛压力检测信号与给定值进行比较，其偏差送调节进行运算，得到的控制信号送执行器调整送风量，而此时风机照常以额定的转数运转。采用变频调速器后，控制系统发生了变化。与传统的控制系统相比，变频调速器取代了原有的执行部件，它是通过改变风机的转速来改变送风量。由于变频调速器具有多种输入方式，能够很方便地与自动控制仪表相结合，因此在自动化领域的应用前景十分广阔。炉膛压力控制系统

一、电源箱 电源箱是指为电动单元组合仪表集中供电的稳压电源装置，作用是将220V的交流电转换为24V的直流电。下面以DFY型电源箱为例说明其工作原理。 DFY型电源箱有过压、欠压、过载和短路保护等功能。当接有备用电源时，若出现过压或欠压故障，DFY会立即切断本电源的输出，并能把备用电源自动接上，保证仪表正常供电。同时有报警信号信号输出；当出现短路故障时，电源箱切断电源输出并发出报警，此时不会接上备用电源。待短路故障排除后，无须人工干预，自动恢复正常电压输出，对仪表系统继续供电。该电源还有24V交流电压输出，可供记录仪电机用电及其它需要24V交流电压的设备用电。 5.4 电源箱及电源分配器

DFY型电源箱原理： 由变压器、整流滤波电路、稳压电路和保护电路等组成。其中采样电路、比较放大电路和调整元件构成稳压电路。工作原理是220V AC经变压器降压后由整流滤波电路将其转换为直流电。稳压电路通过采样电路取出输出电压的一部分和基准电压相比较,其差值放大后控制调整元件,使输出阻抗的电压保持稳定。

电源分配器主要用于对各种系列盘装仪表和架装仪表供电，有交流和直流之分。图为10回路电源分配器原理图：(a)图为交流型电源分配器适用于两线供电的交、直流仪表；(b) 图为直流型电源分配器，适用于单线供电，公用零线不经开关的仪表供电。二、电源分配器

小结 • 安全栅的作用、种类 • 齐纳栅和隔离栅构成原理和使用方法 • 信号分配器电源箱、电源分配器的构成原理和使用方法 • 变频器在过程控制系统中的应用方案 • 用安全栅和本安仪表构成安全火花防爆系统

1.安全栅有哪些作用？ 2.说明齐纳式安全栅的工作原理。 3.说明检测端安全栅和操作端安全栅的构成及基本原理。 4.电源箱中的稳压电路是如何工作的？ 5.说明电源分配器的作用及构成。 6.说明信号分配器的作用及构成。思考与练习题

谢谢大家！ 再见！

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