控制器和传感器
控制器和传感器是控制系统的重要组成部分；没有来自传感器的信息，控制器无法做出决定并指示阀门动作。本教程简要讨论了不同类型的控制器和传感器及其工作原理。还简要解释了数字和模拟控制信号。
控制器 首先要说明的是，并非所有控制应用都需要复杂的控制器。
例如，开关阀和执行机构可以直接由恒温器操作。另一个例子是高限安全控制的操作，它们具有”快速”动作来关闭阀门或切断燃料供应。
然而，当控制要求变得更加复杂时，就需要控制器来满足这些要求。
控制器接收信号，决定需要什么动作，然后向执行机构发送信号使其移动。
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，由于在之前的章节中已经将人脑与控制器/计算机进行了类比，可以借用IBM的著名格言：
计算机 - 快速、精确但死板
人类 - 缓慢、马虎但聪明
总而言之，控制器不会解决所有问题。它必须被正确选型和调试，这些主题将在后面讨论。
尽管大多数控制器现在都是基于电子数字/微处理器的，但市场上也有一系列气动控制器。这些可能用于危险区域，在这些区域中爆炸风险排除了电气/电子设备的使用。可以使电气设备”本质安全”或防爆或防火，但通常有相当大的成本影响。
如前所述，控制器执行的功能可能非常复杂，详细列出它们或解释它们如何工作超出了本出版物的范围。
需要考虑的主要变化如下：
单回路控制器
从单个传感器操作一个阀门/执行机构。
多回路控制器
可以从多个传感器操作多个阀门/执行机构。
单输入/输出
只能接收来自传感器的一个信号，并只能向执行机构发送一个信号。
多输入/输出（多通道）
可以接收多个信号并发送多个信号。
实时
可能包括时钟，在预定的预设时间进行切换。
经过时间
可能在其他设备项目开启或关闭之前的某个预定的预设时间长度进行切换。
斜坡和保持
以温度为例，在规定的时间段内将被控介质的温度升高的能力，然后将其保持在预设值。此类控制器通常包含一系列斜坡和保持。
图6.7.1显示了典型的电子单回路控制器。它具有P + I + D动作（在第5.2和5.4章讨论），适用于110或230伏供电。
图6.7.2显示了具有P动作的气动单回路控制器。
可以选择不同的型号来控制温度或压力。
具有执行斜坡和保持功能能力的单回路控制器可能具有类似于图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）和保持（维持温度）功能，在一段时间内执行。
控制文献中经常出现的一个术语是”可编程逻辑控制器（PLC）“。在间歇过程中，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，整个序列是基于时间的，但通常各步骤可能由达到并维持特定时间段的特定条件触发；例如达到某个温度或容器被充满。这些序列可以由PLC控制，PLC是一种基于微计算机的设备，利用传感器和执行机构的标准接口来控制过程。 另一种复杂的控制器类型是机房控制器，可用于控制锅炉、泵、供暖控制阀、生活热水阀，以及提供许多其他功能。 传感器 在本节中，将更广泛地涵盖温度测量的主题。有各种各样的传感器和变送器可用于测量压力、液位、湿度和其他物理特性。传感器是控制系统中经历被控变量变化的部分。 传感器可能是温度变化导致电压变化或电阻变化的类型。
来自传感器的信号可能非常小，需要就地信号调理和放大才能有效读取。例如，传感器响应温度变化发出的电阻微小变化可能被转换为电压或电流以便传输到控制器。
传输系统本身是潜在的误差源。
布线会产生电阻（以欧姆为单位测量），并受到电气干扰（噪声）的影响。在类似的气动系统中，管道系统中也可能存在微小泄漏。
术语”恒温器”通常用于描述带有开关切换的温度传感器。
“变送器”是另一个常用术语，指的是将一种物理特性转换为另一种的设备；例如，温度转换为电压（毫伏）。
变送器的一个例子是将温度变化转换为电阻变化的设备。
对于气动设备，经常遇到”传感器”一词。它只是变送器或传感器的另一种描述，但通常带有一些额外的信号调理。
然而，实际的测量装置通常被称为传感器，较常见的类型将在以下章节中概述。
充液系统传感器
对于气动控制器，使用充液系统传感器。图6.7.4说明了这种系统的原理。
控制文献中经常出现的一个术语是”可编程逻辑控制器（PLC）“。在间歇过程中，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，整个序列是基于时间的，但通常各步骤可能由达到并维持特定时间段的特定条件触发；例如达到某个温度或容器被充满。这些序列可以由PLC控制，PLC是一种基于微计算机的设备，利用传感器和执行机构的标准接口来控制过程。
另一种复杂的控制器类型是机房控制器，可用于控制锅炉、泵、供暖控制阀、生活热水阀，以及提供许多其他功能。
当温度变化时，流体膨胀或收缩，导致波登管趋于伸直。有时使用波纹管代替波登管。
过去，充注液通常是水银。加热时，它膨胀，导致波登管展开；冷却导致收缩并迫使波登管更紧密地卷绕。这种卷绕运动用于操作气动控制器内的杠杆，使其能够执行任务。压力传感版本将简单地利用连接到波登管的压力管。注意：出于健康和安全原因，现在水银的使用减少了。取而代之的是，通常使用氮气等惰性气体。
电阻温度检测器（RTD）
RTD（图6.7.5）利用某些金属的电阻随温度变化的事实。它们作为电变送器，将温度变化转换为电阻变化。铂、铜和镍是三种满足RTD要求的金属，图6.7.6显示了电阻与温度之间的关系。
电阻温度检测器以其在0°C时的电阻以及从0°C到100°C的电阻变化来指定。在这些章节涵盖的典型应用中，最广泛使用的RTD是铂RTD。它们以0°C时100欧姆的电阻构造，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，在0°C至100°C之间具有高精度（±0.5%）。
从图6.7.6可以看出，电阻随温度的增加几乎是线性的。Pt100的电阻变化相对较小，需要仔细测量。连接电缆中的电阻需要适当补偿。
热敏电阻
热敏电阻使用半导体材料，随着温度升高电阻有大的变化，但呈非线性。电阻随温度升高而降低（负温度系数热敏电阻），如图6.7.7所示。
正温度系数热敏电阻可以制造为电阻随温度升高而增加（图6.7.8），但其响应曲线使其通常不适合温度传感。
热敏电阻比RTD更简单、更便宜，但没有同样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
如果两种不同的金属在两个点连接，并将热量施加到一个接点（如图6.7.9所示），电流将在电路中流动。热电偶产生的电压与测量接点（热端）和参考接点（冷端）之间的温差相对应。
如果热电偶本身要提供精确的传感，必须准确知道冷参考接点的温度。
传统上，冷接点浸入融化的冰中（0°C），但现在冷接点的温度由热敏电阻或RTD测量，并由此对指示温度（通常在测量接点处）进行校正。这称为冷接点补偿。
任何一对不同的金属都可以用来制造热电偶。但多年来，已经发展出一些标准类型，它们具有记录的电压和温度关系。标准类型通过字母引用，即J型、K型、T型等。
最广泛使用的通用热电偶是K型。
该类型使用的不同金属是铬（90%镍，10%铬）和铝镍合金（94%镍，3%锰，2%铝和1%硅），可在0°C至1260°C的范围内使用。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整个范围内是线性的。
延伸引线用于将测量接点连接到仪器壳体中的参考接点。这些延伸引线可以与热电偶本身导线相同的材料制成，也可以是由铜和铜镍合金制成的补偿电缆。两个延伸引线必须是相同材料。
热电偶有各种尺寸和形状。它们价格低廉、坚固耐用，精度合理，温度范围宽。然而，参考接点温度必须保持在恒定值，否则必须对偏差进行补偿。低接点电压意味着必须使用特殊的屏蔽电缆和仔细的安装，以防止电气干扰或”噪声”扭曲信号。
示例6.7.1 想象两个人，人A和人B，各自在对面的山顶上，每人有一面旗帜和一个旗杆。目标是人A通过将旗帜升到一定高度来与人B沟通。人A将旗帜升到杆的一半高度。人B看到这一点，也将旗帜升到一半。当人A上下移动旗帜时，人B也相应移动。这类似于模拟系统。
示例6.7.2 现在假设人A没有旗杆，而是有两个牌子，一个写着数字”0”，另一个写着数字”1”，他仍然想让B将旗帜升到一半，即旗杆高度的50%。50的二进制数是110010，所以他按相应顺序每次展示两个牌子。人B读取这些牌子，将其翻译为50，并将旗帜准确地升到一半高度。这类似于数字系统。
可以看出数字系统更精确，因为信息要么是”1”要么是”0”，位置可以被准确定义。模拟示例没有那么精确，因为人B无法确定人A的旗帜是否正好在50%。它可能在49%或51%。正是由于这个原因，加上微处理器电路的更高集成度，数字信号正被更广泛地使用。
数字寻址 数字寻址允许控制器通过一组连接有多个接收器的导线发送信息，并且仍然能够仅与其中一个接收器通信（如果需要）。这是通过为每个接收器分配一个地址来实现的，控制器必须首先广播该地址。
为了解释这一点，考虑上面的数字示例，但现在假设还有另一个人，人C在第三座山上。人B和人C都可以看到人A，所以人A必须首先指明他在与谁通信。
这是通过第一块牌子完成的。如果第一块牌子是”0”，那么所有后续数据都是给人B的，人B相应地调整旗帜。相反，如果第一块牌子是”1”，那么所有后续数据都是给人C的。因此人B的数字地址是”0”，人C的数字地址是”1”；每个人都知道他们看到的第一个数字指的是地址而不是消息。 HART(R)、PROFIBUS(R)和Foundation(TM) Fieldbus。
什么是PROFIBUS(R)？ PROFIBUS(R)是一个开放的现场总线标准，适用于制造和过程自动化中的广泛应用，与制造商无关。制造商独立性和透明度由国际标准EN 50170、EN 50254和IEC 61158确保。
它允许不同制造商的设备之间进行通信，无需任何特殊的接口调整。PROFIBUS(R)可用于高速时间关键应用和复杂的通信任务。PROFIBUS(R)提供功能分级的通信协议DP和FMS。根据应用，可以使用传输技术RS-485、IEC 1158-2或光纤。
它定义了串行Fieldbus(R)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层联网到单元层。PROFIBUS(R)是多主系统，因此允许多个自动化、工程或可视化系统及其分布式外围设备在一条总线上联合运行。
在传感器/执行机构层，二进制传感器和执行机构的信号通过传感器/执行机构总线传输。数据纯周期性传输。
在现场层，分布式外围设备（如I/O模块、测量变送器、驱动单元、阀门和操作终端）通过高效的实时通信系统与自动化系统通信。与数据一样，报警、参数和诊断数据也可以在必要时进行周期性传输。
在单元层，可编程控制器（如PLC和IPC）可以相互通信。信息流需要大的数据包和大量强大的通信功能，例如通过TCP/IP和以太网平滑集成到公司范围的通信系统（如内联网和互联网）。
什么是Foundation(TM) Fieldbus？ Foundation(TM) Fieldbus是一个全数字化、串行、双向通信系统，作为工厂/工厂仪表和控制设备的局域网（LAN）。Fieldbus(R)环境是工厂网络层次中数字网络的基础层。Foundation(TM) Fieldbus用于过程和制造自动化应用，并具有跨网络分布控制应用的内置能力。
与专有网络协议不同，Foundation(TM) Fieldbus既不为任何单一公司所有，也不受单一国家或标准机构监管。Foundation(TM) Fieldbus是一个由100多家世界领先的控制和仪表供应商及最终用户组成的非营利组织，控制该技术。
虽然Foundation(TM) Fieldbus保留了4-20 mA模拟系统的许多理想特性，如标准化的物理线缆接口、单线供电的总线供电设备和本质安全选项，但它还提供了许多其他优势。
设备互操作性 Foundation(TM) Fieldbus提供互操作性；一个Fieldbus(R)设备可以被来自不同供应商的具有附加功能的类似设备在相同的Fieldbus(R)网络上替换，同时维持指定的操作。这允许用户”混合搭配”来自不同供应商的现场设备和主机系统。单个Fieldbus(R)设备还可以发送和接收多变量信息，并直接在共同的Fieldbus(R)上相互通信，允许新设备添加到Fieldbus(R)而不中断服务。
增强的过程数据 使用Foundation(TM) Fieldbus，每个设备的多个变量可以被引入工厂控制系统以分析趋势、优化过程并生成报告。访问准确的高分辨率数据使得过程可以被微调以实现更好的生产力、更少的停机时间和更高的工厂性能。
过程的全面视图 现代Fieldbus(R)设备具有强大的基于微处理器的通信能力，能够更快、更确定地识别过程错误。因此，工厂操作员会收到异常状态或需要预防性维护的通知，允许人员考虑主动决策。较低的操作效率能够更快地得到纠正，使产量上升的同时原材料成本和监管问题下降。
提高工厂安全性 Fieldbus技术帮助制造工厂跟上严格的安全要求。它可以为操作员提供潜在危险状态的更早警告，从而允许采取纠正措施以减少意外停机。增强的工厂诊断能力还减少了进入危险区域的频率，从而最大限度地降低人员风险。
更便捷的预测性维护 增强的设备诊断能力使得监测和跟踪隐蔽状态（如阀门磨损和变送器污染）成为可能。工厂人员能够在不等待计划停机的情况下执行预测性维护，从而减少甚至避免停机时间。
降低布线和维护成本 使用现有布线和多点连接为网络安装成本提供了显著节省。这包括减少本质安全屏障和布线成本，特别是在已经布线的区域。
通过减少施工和启动所需的时间，以及使用内置于Fieldbus(R)设备中的软件控制块简化控制和逻辑功能的编程，可以实现额外的成本节省。