仪表与装置 第03章变送器-1.ppt

1 变送器 变送器在自动检测和控制系统中的作用 是将各种工艺参数 如温度 压力 流量 液位 成分等物理量转换成统一的标准信号 以供显示 记录或控制之用 2 按照被测参数分类 差压变送器 压力变送器 温度变送器 液位变送器 流量变送器等 变送器的理想输入输出特性 x y xmin xmax ymin ymax xmin可能 0 也可能 0 3 3 1 概述 变送器的构成原理 模拟式变送器的构成原理 数字式变送器的构成原理 4 模拟变送器的构成原理 测量部分 放大器 反馈部分 x 测量部分Ki 模拟式变送器的组成 zi 放大器Ko y 反馈部分Kf zf 零点调整零点迁移 z0 关键环节 5 当满足KoKf 1的条件时 输入输出关系 x Ki zi Ko y Kf zf z0 RETURN 6 如果 ymin ymax 与 xmin xmax 如何调整 1 调整Ki Kf可以改变线性关系的斜率 调试会影响零点 2 调整z0可以改变零点 同时也会引起线性关系的平移 7 数字式变送器的构成原理 x 检测元件 A D转换 CPU 通信电路 数字信号 存储器 一般形式 x 检测元件 A D转换 CPU 通信电路 FSK信号 存储器 A D转换 Frequencyshiftkeying 采用HART协议通信方式 RETURN 8 软件 数字式变送器软件部分包括 A D采样程序量程转换程序工程量变换程序滤波程序误差校正程序D A输出程序通讯程序辅助功能程序 数字式变送器还配置有手持终端 9 3 1 2变送器的一些共性问题 量程调整 零点调整和零点迁移 线性化 变送器信号传输方式 10 3 1 2 1 量程调整 量程调整相当于改变变送器的输入输出特性的斜率 也就是改变变送器输出信号y与输入信号x之间的比例系数 使变送器的输出信号上限值ymax与测量范围的上限值xmax相对应 11 量程调整的方法 改变反馈部分的反馈系数Kf 改变测量部分转换系数Ki 软件实现 模拟式变送器 数字式变送器 Kf Ki 量程 量程 回放 12 3 1 2 2 零点调整 零点调整的方法 模拟变送器 调Z0 数字变送器 软件 使变送器的输出信号下限值ymin与测量范围的下限值xmin 0相对应 x 13 3 1 2 2 零点迁移 使变送器的输出信号下限值ymia与测量范围的下限值xmin相对应 在xmin 0时 称为零点调整 在xmin 0时 称为零点迁移 当测量的起始点由零变为某一正值 称为正迁移 当测量的起始点由零变为某一负值 称为负迁移 零点调整使变送器的测量起始点为零 零点迁移是把测量的起始点由零迁移到某一数值 xmin xmax xmin xmax 零点迁移的方法 模拟变送器 调Z0 数字变送器 软件 14 3 1 2 3 线性化 原因 传感器组件的输出信号与被测参数之间往往存在着非线性关系 模拟式变送器非线性补偿方法 1 使反馈部分与传感器组件具有相同的非线性特性 15 数字式变送器非线性补偿方法 软件实现 2 使测量部分与传感器组件具有相反的非线性特性 16 3 1 2 4 变送器信号传输 气动变送器 电动模拟式变送器 HART通讯协议方式 数字式变送器 两根气动管线 气源和信号 二线制四线制 双向全数字量传输信号 现场总线通信方式 17 电动模拟式变送器信号传输方式 二根导线同时传送变送器所需的电源和输出电流信号 二线制 四线制 供电电源和输出信号分别用二根导线传输 18 节省连接电缆 有利于安全防爆和抗干扰 二线制变送器的条件 工作电流 工作电压 二线制 二线制优点 目前大多数变送器均为二线制变送器 19 数字式变送器信号传输方式 HART HighwayAddressableRemoteTransducer 协议是一种过渡性协议 它采用FSK技术 在4 20mA过程测量模拟信号上叠加了一个频率信号 使模拟信号与数字双向通讯能同时进行 即在一条电缆上同时传输4 20mA的模拟信号和数字信号 互不干扰 我国目前工业现场中4 20mA标准的模拟仪表仍大量存在 HART协议起到了承前启后的作用 在我国得到了广泛的应用 HART通讯协议 物理层 数据链路层 应用层 HART通信协议是依照国际标准化组织 ISO 的开放式系统互连 OSI 参考模型 简化并引用其中三层 这种被称为可寻址远程传感高速通道最早由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 20 物理层 物理层规定了信号的传输方法和传输介质 传送速率为1200bit s FSK信号相位连续 均值 0 则叠加上的信号对模拟信号没有影响 信号传输 基于Bell202通讯标准 采用频移键控FSK方法 在4 20mA基础上叠加幅度为 0 5mA的正弦调制波作为数字信号 21 传输介质 单芯带屏蔽双绞电缆3000米多芯带屏蔽双绞电缆1500米短距离可使用非屏蔽电缆 22 数据链路层 规定了数据帧的格式和数据通讯规程 定界符定义了帧的类型和寻址格式 地址有短格式 1字节 和长格式 5字节 响应码在变送器向主设备通信时才有 表示数据通信状态和变送器工作状态 数据帧格式 由链路同步信息 寻址信息 用户信息及校验和组成 23 HART协议按主 从方式通讯即 只有在主站呼叫时 现场设备 从站 才传送信息 通信由主设备发起 即发出请求 指令 被访问的从设备 即现场仪表 负责解析指令并返回对指令的响应 HART的介质访问控制本质是上一种令牌总线技术 它的最大优点是保证数据在总线上传输时不发生冲突 只是取得令牌 才有权发起通信 同时保证在限定时间内任一站点可以取得链路控制权 HART的令牌是隐含的 即没有 令牌帧 的存在 而是定义了与令牌作用相似的时限 定时 规则 24 点对点模式 在一条电缆上同时传输4 20mADC的模拟信号和数字信号 多点模式 一条电缆连接多个现场设备 这是全数字通信模式 阵发模式 允许总线上有一个从站自动 连续地发送标准的HART响应信息 有三种通讯模式 从设备可以被主设备组态为阵发模式 Burstmode 即自动执行某一特定指令并给出响应无需得到请求 只有在此模式下从设备可以发起通信 从而可能引起与主设备间对链路控制权的争用 否则从设备持续非活动 等待 状态 仅能对请求作出响应 同一链路上只能有一个阵发模式从设备与主设备 包括一个第一主设备和一个第二主设备 同时存在 25 第一主站可以是DCS PLC 基于计算机的控制或监测系统 第二主站可以是手持终端 手持终端几乎可以连接在网络任何地方 在不影响第一主站通信的情况下与任何一个现场设备通信 26 应用层 规定了通讯命令的内容 命令类型 通用命令 通用操作命令 特殊命令 适用于所有符合HART协议的现场仪表 包括制造厂商和仪表类型 变量值和单位 阻尼时间 系列号等 适用于大部分符合HART协议的现场仪表 包括读变量 改变上 下限值 调零和调量程 仪表自检等 各制造厂的产品自己所特有的命令 用于对仪表中的专门参数或仪表的特有功能进行自由定义 如开始 结束或清累积 读写校正系数 使能PID 改变给定值等 27 CPU DAC AD421 HARTMODEMBELL202 波形整形电路 HART通讯方式的实现方法 Io 4 20mA 带通滤波器 输出波形整形电路 满足HART物理层规范所要求的信号波形上升沿 下降沿的时间 较平缓的上升沿 下降沿的时间可以降低与其它HART网络间的串扰 带通滤波器 抑制接收信号中的感应噪声 其频宽大约为1200Hz 2200Hz FSK FSK 28 HART通讯模块 HART通讯模块实现二进制的数字信号与FSK信号之间的相互转换HT2012是SMAR公司专门为HART产品而设计生产的通讯模块 29 ITXD从CPU异步串行输出口获得数字信号 经调制后在OTXA输出FSK信号 FSK信号经整形后加载到4 20mA输出回路上 调制器 解调器 ITXD IRXA OXTA ORXD 通过IRXA获得FSK信号 FSK信号经解调后在ORXD输出数字信号 ORXD直接与CPU的异步串行输入口相连 30 INRTS 调制 解调器的控制端INRTS 0时 调制器工作 解调器输出不定INRTS 1时 解调器工作 调制器输出呈高阻状态上述机制说明HART是半双工的 载波监测 INRTS OCD OCD作为载波侦听输出 当存在数字信号时 OCD 0 启动CPU1读取ORXD处的解调信号 31 时基电路 产生调制 解调器所需要的时钟信号同时还提供一路19 2kHz的时钟输出 时基电路 460 8kHz 19 2kHz 32 CONCLUSION 调制器ITXD 二进制数字信号输入OXTA FSK信号输出解调器IRXA FSK信号输入 由信号回路 ORXD 二进制数字信号输出INRTS 控制端 0 调制器工作 解调器输出不定 1 解调器工作 调制器输出呈高阻状态 载波监测电路用于检测4 20mA直流信号中是否叠加有数字信号 侦听网络和启动接收时基电路产生调制器和解调器所需的时间基准信号 同时还提供19 2kHz的脉冲输出 33 16位串行输入 4 20mA电流输出与HART通信模块共同完成变送器的数字通信 其它略 AD421 回数字式差压变送器 34 现场总线通信方式 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式 双向传输 多分支结构的通信网络 智能式变送器属于智能现场设备 它可以挂接在现场总线的通信电缆上 与其它各种智能化的现场控制设备以及上层管理控制计算机实现双向信息通信 现场总线的国际标准由8种类型现场总线组成 各种类型现场总线的通信协议尽管不同的 但都是由物理层 链路层和应用层以及通信媒体共同构成 有关现场总线国际标准将在第9章中介绍