集散控制-第2章_2012(02)

结束,首页,上页,下页,末页,第二 章 DCS硬件系统,2.1 DCS 硬件组成概述2.2 主控制器（MCU）2.3 模拟量输入设备（AI)2.4 模拟量输出设备（AO）2.5 开关量输入设备（DI）2.6 SOE输入设备（SOE）2.7 开关量输出设备（DO）2.8 脉冲量输入（PI）2.9 电源转换设备2.10 组态维护与人机接口,结束,首页,上页,下页,末页,考1.5 传统DCS的基本组成,结束,首页,上页,下页,末页,2.1 DCS 硬件组成概述,典型的DCS硬件系统的组成有：工程师站（engineer station ,ES） ；操作员（operator station ,OS）；系统服务器（system server ）;主控制器（main control unit ,MCU）;输入输出设备（input/output,I/O）;控制网络及设备（control network ,CNET）;系统网络及其设备（system network ,SNET）;机柜和操作台；电源转换设备；,结束,首页,上页,下页,末页,2.1 DCS 硬件组成概述工程师站,工程师站为工程师使用，承担从系统开发到系统保养等工程技术工作，由计算机（或服务器）及工程师组态软件构成。工程师在工程师站上可以进行系统配置、I/O数据设定、报警和打印报表设计、操作画面设计和控制算法设计等。工程师站可以通过网络连入系统，下装运行系统到操作员站和现场控制站、 在线使用；也可以不连入系统，离线运行。通常情况下，在系统投运后，工程师站就可以不再连入系统甚至不上电。通常情况一套系统配置一台工程师站即可。,结束,首页,上页,下页,末页,2.1 DCS 硬件组成概述操作员站,操作员站主要给运行操作工使用；在操作员站上，操作员可以监视工厂的运行状况并进行少量必要的人工操作控制；操作员站还可以进行一定的数据处理功能及系统诊断功能，并具有操作记录打印、报警打印、报表打印等工作；操作员站还可以用于系统生成、调试和维护保养。每套系统按工艺流程的要求，可以配置多台操作员站，每台操作员站供一位操作员使用，或者多人备份同时监控相同的工艺过程。有的操作员人机接口还配置大屏幕显示。,结束,首页,上页,下页,末页,2.1 DCS 硬件组成概述系统服务器,系统服务器的用途可以有多种：系统级的过程实时数据库，存储系统中需要长期保存的过程数据；向企业MIS提供单向的过程数据（Real MIS）;作为DCS系统向别的系统提供通信接口服务并确保系统隔离和安全，如防火墙功能等。,结束,首页,上页,下页,末页,2.1 DCS 硬件组成概述控制网络及设备,用于将控制器与I/O设备连接起来，其中主要设备包括通信线缆、重复器、终端匹配器、通信介质转换器、通信协议转换器或其它特殊功能的网络设备。,结束,首页,上页,下页,末页,2.1 DCS 硬件组成概述系统网络及设备,用于将操作员站、工程师站及系统服务器等操作层设备和控制层的主控制器连接起来。组成系统网络的主要设备有网络接口卡、集线器（交换机）、路由器和通信线缆等。,结束,首页,上页,下页,末页,2.1 DCS 硬件组成概述电源转换设备,主要为系统提供电源。包含AC-DC转换器、双路AC切换装置（特殊场合使用）和不间断电源等。,结束,首页,上页,下页,末页,2.1 DCS 硬件组成概述机柜和操纵台,机柜用于安装主控制器、I/O设备、网络设备及电源装置。操作台用于安装操作员站设备。,结束,首页,上页,下页,末页,2.2主控制器（MCU）主控制器的基本原理,2.2.1 主控制器的基本原理 一个典型的MCU主要由CPU、系统网络接口、控制网络接口、主从冗余控制逻辑、掉电保持SRAM及电源电路组成。 主控制器在设定的控制周期下，循环地执行以下任务：从I/O设备采集现场数据执行控制逻辑运算向I/O输出设备输出控制指令与操作员进行数据交换。,结束,首页,上页,下页,末页,2.2主控制器（MCU）主控制器的基本原理,主控制器的原理框图如下：,结束,首页,上页,下页,末页,2.2主控制器（MCU）主控制器的基本原理,CPU：控制运算的主芯片。一个主控制器是否性能优良，主要是看它在控制软件的配合下，能否长期安全可靠地在规定的时间内完成规定的任务。一个效率低的软件，即使在很高的主频下，也不可能得到很好的性能。,结束,首页,上页,下页,末页,2.2主控制器（MCU）主控制器的基本原理,系统网络接口：SNET接口是主控制器与操作员站、工程师站等操作层设备通信的网络接口。一般的DCS 系统都采用以太网，采用以太网的最大好处是，开放和易于集成，其次是成本低。控制网络接口：CNET 接口是主控制器与I/O进行数据交换的网络接口。作为过程控制系统（即DCS）与制造控制系统相比（即传统的PLC系统）需要大量的模拟量传送，而且每个I/O设备的数据量很大所以CNET 一般选择字节型的长包协议的通信网路。,结束,首页,上页,下页,末页,2.2主控制器（MCU）主控制器的基本原理,主从冗余控制逻辑：该部分电路用于控制互为备份的两台主控制器的切换。由于过程控制 对安全性和可靠性的特殊性的要求，DCS标准配置都是双控制器冗余运行。该部分电路必须确保任一时刻有且仅有一台主控制器的控制指令被输出到I/O设备。,结束,首页,上页,下页,末页,2.2主控制器（MCU）主控制器的基本原理,固态盘（solid state disk,ssd ）或Flash 存储器：用于保存主控制器的操作系统，用户控制算法文件等信息。在主控制器上电启动后将这些文件调入内存运行。内存（main memory）：用于加载运行程序，掉电后内存的内容不会被保存。,结束,首页,上页,下页,末页,2.2主控制器（MCU）主控制器的基本原理,掉电保持静态存储器（SRAM）：该存储器用于存储运行过程中需要实时保存、并且在系统掉电后还需要保存一段时间的数据。为了便于选择DCS掉电后SRAM是否保存实时数据，一般的主控制器都设置有使能开关，用于接通或关断SRAM的后备电池（backup battery）。电源电路：主控制器的电源输入一般是24V直流电源，需要将其变换成5V直流或3.3V 直流，供主控制器上的IC 芯片使用。,结束,首页,上页,下页,末页,2.2主控制器（MCU）MCU的冗余配置,2.2.2 MCU的冗余配置 在DCS中，MCU的冗余结构主要采用主备双模冗余的结构，当主模块正常运行时，由其输出控制命令，而备模块虽然也在热运行，但并不输出控制命令，这种配置方式，极大地提高了DCS 系统连续运行的能力，所以，几乎所有的DCS应用，都必须配置双冗余的MCU。,结束,首页,上页,下页,末页,2.2主控制器（MCU）MCU的技术指标,2.2.3 MCU的技术指标及试验方法技术指标可以分为以下几方面来描述：1. CPU及外围芯片指标 CPU及外围芯片的指标主要包含CPU型号、固态盘容量、内存容量及SRAM容量等内容。指标与控制软件一起决定了MCU的最终性能。2. 容量、速度与负荷率指标3. 控制网络指标4. 系统网络指标5. 可靠性指标6. 环境适应性指标,结束,首页,上页,下页,末页,2.2主控制器（MCU） MCU的技术指标,1）MCU的容量 主控制器可以挂接的I/O数量和可以装载的程序容量。 I/O容量用于描述每一台MCU 可以挂接的最大I/O模块数量，由于每种I/O 模块的I/O点数是固定的，所以也可以算出每台MCU可以容纳的最大I/O点数。 I/O点数分物理I/O点数和逻辑点数。,结束,首页,上页,下页,末页,2.2主控制器（MCU） MCU的技术指标,主控制器的物理I/O点数，也就是说以一个物理上的变送器或执行器作为一个点，而没有将通过运算或处理形成的中间量计算在内，如果将中间量点计算在内，则主控制器中的总点数将增加很多，一般可达物理点数的1.5到2倍。逻辑点数：主控制器中总的点数被称为逻辑点数。一般情况下每个主控制器的逻辑点数应能达到1000点左右，才能满足绝大部分应用的要求。,结束,首页,上页,下页,末页,2.2主控制器（MCU） MCU的技术指标,MCU的软件容量：所谓软件容量指的是每个主控制器能装载多少的控制算法。软件容量是受限于主控制器的三类IC器件容量：一是固态盘（SSD)的容量，主要用于保存用户编制的控制算法文件；二是内存容量，用于运行程序的存储器；三是掉电保持SRAM的容量，用于保存系统运行过程中产生的实时数据。这三个容量中只要任何一个被突破，主控制器一般就会死机，或者在程序编译时系统就会提醒用户容量超限制，就表明MCU 的控制算法不能再增加了。,结束,首页,上页,下页,末页,2.2主控制器（MCU） MCU的技术指标,2） MCU的速度在DCS系统中一般不直接说主控制器的速度，而是用控制周期来间接的描述。主控制器的控制周期定义为：主控制器循环调度执行一次完整的算法、通信和输入输出任务的周期时间。在一个控制周期中，主控制器依次执行下列任务：I/O数据输入、操作员指令输入、控制运算、I/O数据输出、操作员站显示数据传送及空闲等待直到开始下一个控制周期。,结束,首页,上页,下页,末页,2.2主控制器（MCU） MCU的技术指标,控制周期只能反映主控制器的程序调度周期，一般情况下，即使是主控制器的软件容量能容纳下用户控制算法组态，当控制周期小到一定的程度时，主控制器就无法在一个控制周期内执行完用户程序。如果要比较两种主控制器的速度，可以用相同复杂程度的控制算法，然后比较两个主控制器的最小需要的控制周期，就可以相对的知道两台主控制器的快慢。,结束,首页,上页,下页,末页,2.2主控制器（MCU） MCU的技术指标,3）MCU 负荷率负荷率是速度的另一种表达，它关心在设定的正常控制周期下，主控制器究竟有多少空余时间用于应付异常工况的处理。,通常情况下，只要平稳工况条件下主控制器的负荷率小于40，系统的设计就是合理的。,结束,首页,上页,下页,末页,2.2主控制器（MCU） MCU应用设计,2.2.4 MCU应用设计,1）工艺过程划分是否恰当2）物理容量配置是否恰当3）逻辑容量设计与控制周期设置是否恰当4）控制算法设计是否安全可靠,结束,首页,上页,下页,末页,2.2主控制器（MCU） MCU应用设计,1）工艺过程划分是否恰当 DCS的设计一个重要原则就是避免系统耦合，将危险尽量分散。但设计实施中大型DCS项目时，每套系统包含的主控制器可能有1020对，如何将整个工艺过程进行合理的划分，将控制功能恰当的分配每一个控制器，是首先要考虑的大问题。,结束,首页,上页,下页,末页,2.2主控制器（MCU） MCU应用设计,进行工艺过程划分的首要原则是：各工艺过程之间耦合最少。所谓耦合最少，就是说工艺过程之间相互引用的物理I/O 点或逻辑变量最少。这样，当我们将每个相对独立的工艺过程的控制分配到不同的主控制器时，就可以从体系结构上先天性的获得较高的可靠性。,结束,首页,上页,下页,末页,2.2主控制器（MCU） MCU应用设计,避免站间引用的基本原则是： （1）站间引用越少越好（2）对于PID或联锁逻辑控制的控制算法，严禁使用引用，引用不可避免时应使用硬连接引用。（3）对于纯粹的数据采集站（DAS），由于没有控制功能，可以使用软引用。,结束,首页,上页,下页,末页,2.2主控制器（MCU） MCU应用设计,2）物理容量配置是否恰当 一般来说，物理I/O的容量主要不是受限于主控制器，而是受限于机柜、端子及走线槽等空间的限制及机柜I/O电源容量的限制。,结束,首页,上页,下页,末页,2.2主控制器（MCU） MCU应用设计,3）逻辑容量设计与控制周期设置是否恰当 即使工艺过程间的耦合很少，I/O物理容量也没有问题，但是如果该工艺过程的控制算法过于复杂，出于控制精度和响应速度的考虑，在控制周期不可再增长的情况下将导致主控制器的负荷率过高，则该工艺划分仍然是行不通的。所以当某个工艺过程划分完毕后，如果没有类似项目的经验可以参考，应针对最复杂的一个工艺过程对主控制器的负荷率作一个提前的评估。,结束,首页,上页,下页,末页,2.2主控制器（MCU） MCU应用设计,4) 控制算法设计是否安全可靠 即使DCS 的硬件系统和平台软件的可靠性很高，如果应用算法设计不恰当，仍会带来安全性和可靠性隐患。但是这方面没有完美的理论可以遵循，只有一些积累的经验可以参考，经验来自两个基础：一方面是实施人员对DCS系统本身的理解；另一方面是实施人员对工艺过程的理解。,结束,首页,上页,下页,末页,2.2主控制器（MCU）控制器的结构形式,2.2.5 控制器的结构形式,控制器的结构形式因DCS的整体结构不同而变化。通常包括插件式控制器和导轨式控制器。,结束,首页,上页,下页,末页,2.2主控制器（MCU）控制器的结构形式,插件式的DCS控制器：在控制器中一定有CPU、存储器、I/O板、人机界面、通信等5大部分。插件式的DCS控制器采用控制总线，把各种功能的卡件插在一个机笼内，用控制总线连接起来。,结束,首页,上页,下页,末页,2.2主控制器（MCU） 控制器的结构形式,导轨式的DCS控制器：控制器和人机界面都采用以太网，采用导轨式控制器在即插即用方面比较方便。安装在导轨上的底座尺寸是标准的。,结束,首页,上页,下页,末页,ABB AC 800M - I/O 接口,本地 I/O on Modulebus,远程I/O on PROFIBUS DP or DPV1,结束,首页,上页,下页,末页,2.3 模拟量输入设备（AI),2.3.1 AI 设备的基本原理2.3.2 AI设备的技术指标及实验方法2.3.3 AI 设备应用设计,结束,首页,上页,下页,末页,1. 基本的AI 信号调理技术AI设备用于将输入的模拟量值数字化，用于工业过程控制的基本AI设备有三类：热电阻（RTD）输入设备、热电偶（TC）输入设备和变送器信号输入设备，他们都统称为AI 输入设备。为了将各种类型和电平的AI信号调整成模数转换器能够接受的标准电平，同时也为了滤除干扰信号，需要对这些原始信号进行信号调理处理。,考2.3 模拟量输入设备（AI)AI 设备的基本原理,结束,首页,上页,下页,末页,三种基本AI设备的信号处理和转换流程如下图：,2.3 模拟量输入设备（AI)AI 设备的基本原理,结束,首页,上页,下页,末页,2. 模数转换的基本类型模数转化技术是模拟信号通向数字世界的桥梁，作为将模拟信号转换成数字信号的模数转换技术种类繁多。但在DCS 系统中，从成本和性能综合考虑，所有DCS 厂家的选择，一般不超出三种技术：逐次比较型（successive approximation) 、积分型、过采样型。,2.3 模拟量输入设备（AI)AI 设备的基本原理,结束,首页,上页,下页,末页,1）积分型转换 积分型模数转换技术在低速、高精度测量领域有着广泛的应用，特别是在数字仪表领域。积分型模数转换技术有单积分型和双积分型两种转换技术。单积分型模数转换的工作原理是将被转换的电信号先变成一段时间间隔，然后再对时间间隔计数，从而间接把模拟量转换成数字量，它的主要缺陷是转换精度不高，主要受到斜坡电压发生器、比较器精度及时钟脉冲稳定性的影响。,2.3 模拟量输入设备（AI)AI 设备的基本原理,结束,首页,上页,下页,末页,双积分转换器通过对模拟输入信号的两次积分，部分抵消了由于斜坡发生器所产生的误差，提高了转换精度。双积分型转换方式的特点是，精度高，可以达到22位；抗干扰能力强，由于积分电容的作用能够大幅抑制高频噪声。但是他的转换速度太慢，转换精度随转换速率的增加而降低。,2.3 模拟量输入设备（AI)AI 设备的基本原理,结束,首页,上页,下页,末页,2）逐次逼近型转换它是按照二分搜索的原理，类似以天平称物的一种模数转换过程。也就是将需要进行转换的模拟信号与已知的不同的参考电压进行多次的比较，使转换后的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量的对应值。逐次逼近型转换方式的特点是：转换速度较高，可达100万次/秒；在低于12位分辨率的情况下，电路的实现上较其他转换方式成本低，转换时间确定。但这种转换方式需要数模转换电路，由于高精度的数模转换电路需要较高的电阻或电容匹配，故精度不高。,2.3 模拟量输入设备（AI)AI 设备的基本原理,结束,首页,上页,下页,末页,2.3 模拟量输入设备（AI)AI 设备的基本原理,结束,首页,上页,下页,末页,3）过采样型模数转换 过采样型模数转换是近十几年发展起来的一种转换方式，目前在音频领域得到广泛的应用。过采样有调制器和数字滤波两部分组成，调制器是核心部分。调制器利用积分和反馈电路，具有独特的噪声成形功能，因为采用过采样技术，能把大部分量化噪声分布在更宽的频带内，使得分布在输入信号频率附近的噪声功率密度大大减少，然后再用低通滤波器滤除高频噪声，因而过采样有着极高的精度，可达24位以上。,2.3 模拟量输入设备（AI)AI 设备的基本原理,结束,首页,上页,下页,末页,2.3.2 AI设备的技术指标及实验方法1.精度精密度（precision):表示测量结果的随机误差的大小。正确度（correctness):表示测量结果的系统误差大小。准确度(accuracy):是系统误差和随机误差的综合，表示测量结果阈值的一致程度，也称精确度或精度。,2.3 模拟量输入设备（AI)技术指标及实验方法,结束,首页,上页,下页,末页,用来衡量精度的指标有相对误差、绝对误差和引用误差等多种表现形式。在控制系统中最常用的是引用误差。引用误差：满量程内的最大绝对误差除以满量程。AI精度是AI设备本身及所处环境因素的综合体现，这些因素包括温度漂移、时间漂移和抗干扰。只看标准环境条件下AI的精度指标，并不能真正的反应AI的精度品质。,2.3 模拟量输入设备（AI)技术指标及实验方法,结束,首页,上页,下页,末页,2.分辨率分辨率（resolution)是测量装置能感知和区分的最小变化量，对于采用A/D转换器的设备而言，分辨率是采样数据最低位（LSB）所代表的模拟量的值。一般的分辨率=信号量程/2n 其中n为A/D转换器的位数。例如，12位05V的A/D，其分辨率为5V/40961.22mV。,2.3 模拟量输入设备（AI)技术指标及实验方法,结束,首页,上页,下页,末页,分辨率高，精度不一定高，因为精度是综合因素的结果，高分辨率只是构建高精度的一个基础，如果在信号调理环节处理不好，AI 设备仍不能获得高精度,2.3 模拟量输入设备（AI)技术指标及实验方法,结束,首页,上页,下页,末页,3.稳定度稳定度分为短时间稳定度（short-time stability)和长时间的稳定度(long-time-stability)，其中短时间稳定度用于描述AI设备在噪声影响下的测量结果跳动，长时间稳定度用于描述AI设备的时间漂移。短时间稳定度：在一段短时间，对于同一被测量值实施多次测量，测量值的波动范围（即最大值减最小值）与量程之比。以百分比表示。长时间稳定度：对于同一被测量值，相隔较长的时间用同一测量装置进行测量，其引用误差漂移量与时间之比，单位为百万分之一每年。,2.3 模拟量输入设备（AI)技术指标及实验方法,结束,首页,上页,下页,末页,4.温度漂移我们可以用温度漂移（temperature drift )来衡量环境温度对AI设备精度的影响。AI设备精度的温度漂移：环境温度每上升1度，AI设备的引用误差可能的最大变化量。由温度漂移的定义可知，温度变化导致的引用误差最大变化量=温度变化量*温度漂移,2.3 模拟量输入设备（AI)技术指标及实验方法,结束,首页,上页,下页,末页,5.输入阻抗当用于测量电压信号时，输入阻抗的大小也会对测量精度带来影响。这是因为被测量的电压信号源都存在微小的等效内阻，该内阻与AI的输入阻抗是串联关系，当AI的输入阻抗不足时，信号源内阻上的电压降就不可忽略，AI设备输入端得到的电压为开路时信号电压减去接通时信号源内阻上的压降，比真实值小。,2.3 模拟量输入设备（AI)技术指标及实验方法,结束,首页,上页,下页,末页,6.电气隔离在一些场合，需要对AI 输入信号进行隔离处理，即切断现场与DCS系统之间的直接的电气连接，其目的是：（1）设备电气烧毁时不殃及DCS设备。（2）现场设备对DCS系统之间存在高压时不损坏DCS设备。（3）限制DCS局部故障或损坏的扩散化。（4）切断现场设备接地点对DCS系统接地点间因电位差形成的地环电流，该地环电流导致AI设备输入端存在高共模电压，影响测量精度，有时甚至导致信号不能通过前端仪表放大器。（5） 当现场设备串入高压或本身就有高压时，对DCS的维护人员提供人身保护。,2.3 模拟量输入设备（AI)技术指标及实验方法,结束,首页,上页,下页,末页,就隔离的程度和范围来说，现场信号与DCS 系统间的隔离可以分为以下几种：路间隔离模块与模块间隔离一列模块与另一列模块的隔离站与站之间的隔离现场输入与DCS系统隔离隔离方法：光电耦合器隔离变压器隔离型放大器电容隔离型放大器,2.3 模拟量输入设备（AI)技术指标及实验方法,结束,首页,上页,下页,末页,7.共模抑制比AI的抗干扰能力主要指三个方面的指标：共模抑制比（common mode rejection ratio,CMRR) 、差模抑制比（normal mode rejection ratio-NMRR）和抗电磁干扰能力。所谓抑制比，是指系统限制某种不受欢迎的信号进入系统的能力。并且通过系统的输出变化量来判断有多少不受欢迎的信号进入系统。,2.3 模拟量输入设备（AI)技术指标及实验方法,结束,首页,上页,下页,末页,在DCS系统中，规定以下三种信号为干扰信号：（1）直流共模信号：直流共模信号的加入会直接导致测量结果的偏移；过高的直流共模信号会造成输入信号超过仪表放大器的共模输入范围，造成测量严重失真；更高的直流共模信号会直接损坏系统。（2）50Hz交流共模信号：在过程控制中，不会有输出信号频率为50Hz的变送器。但是电网频率为特征的工频干扰却无处不在，他们会对测量结果造成影响。（3）50Hz交流差模信号：这些差模信号直接叠加在被测量的模拟信号上，如果不加处理，将完全反应到测量结果中。,2.3 模拟量输入设备（AI)技术指标及实验方法,结束,首页,上页,下页,末页,2.3 模拟量输入设备（AI)技术指标及实验方法,结束,首页,上页,下页,末页,2.3 模拟量输入设备（AI)技术指标及实验方法,在AI设备指标中，针对其抑制直流共模信号和50Hz交流共模信号的能力，定义了共模抑制比（CMRR），用于衡量信号放大处理环节衰减（限制）共模信号的能力。,提高直流CMRR必须用仪表放大器，提高交流CMRR可以采用交流滤波器。,结束,首页,上页,下页,末页,8.差模抑制比差模抑制比（normal mode rejection ratio,NMRR)是衡量AI设备抗干扰的另一个重要之指标。事实上在一般的电子学书之中没有对NMRR有定义。在DCS系统应用中，规定50HZ 电网频率信号为干扰信号，而在普通的教科书中，由于电路的应用场合不定，50HZ的差模信号不能定为干扰。提高NMRR必须在信号调理环节采用滤波器或采用软件滤波算法。,2.3 模拟量输入设备（AI)技术指标及实验方法,结束,首页,上页,下页,末页,9.采样率采样率（sampling rate) 指测量设备每秒钟对输入信号的采集次数，单位为“次采样/秒”（SPS，samples per second)。乃奎斯特香农采样定理：如果信号本身的频率是有限的，而采样频率又大于等于两倍信号所包含的最高频率，则理论上可以根据离散采样值恢复出原始信号波形。,2.3 模拟量输入设备（AI)技术指标及实验方法,结束,首页,上页,下页,末页,10.阶跃响应用于综合衡量AI设备阶跃响应的指标是阶跃响应时间或称设定时间、调节时间，其定义是：由于其输入发生阶跃变化，输出阶跃值的零点开始到输出值进入阶跃值的10%的范围所需的时间。延迟时间（delay time) Td上升时间(rise time)Tr峰值时间(peak time)Tp超调量(maximum overshoot)总的来说，Td，Tr，Tp评价了AI设备的响应速度，超调量评价了AI阻尼程度，而Ts同时反映了AI设备的响应速度和阻尼程度。,2.3 模拟量输入设备（AI)技术指标及实验方法,结束,首页,上页,下页,末页,2.3 模拟量输入设备（AI)技术指标及实验方法,结束,首页,上页,下页,末页,2.3 模拟量输入设备（AI) AI 设备应用设计,2.3.3 AI 设备应用设计（1）四线制420mA，两线制420mA，05V/010V，RTD，TC 等不同的类型的AI信号分布在不同的AI模块上。（2）TC信号需要设置冷端补偿测温元件，测温元件应靠近TC接入端子。 （3）两线制AI设备应设置现场短路保护措施，避免烧毁其内部采样电阻。（4）在某些关键回路上，AI 设备应该冗余配置。,结束,首页,上页,下页,末页,2.4 模拟量输出设备（AO）,2.4.1 AO设备的基本原理2.4.2 AO设备的技术指标及实验方法2.4.3 AO设备应用设计,结束,首页,上页,下页,末页,2.4 模拟量输出设备(AO) AO设备的基本原理,AO设备用于将数字量转换为模拟量输出，控制执行器动作。将数字量转换为模拟量的电路称为D/A转换电路，D/A的工作原理中最常见的一种是电阻解码网络。,结束,首页,上页,下页,末页,2.4.2 AO设备的技术指标及实验方法1.精度 与AI 的精度定义相同。2.分辨率 AO的分辨率用D/A转换器的位数表示，常见的是12位，即AO输出电压的最小台阶高度为满量程输出电压/40963.稳定度 与AI相同,2.4 模拟量输出设备（AO）-技术指标及实验方法,结束,首页,上页,下页,末页,4.温漂 与AI的定义相同5.带负载能力 带负载能力是电流型AO电路的重要指标，指的是在确保最大能输出20mA的条件下，AO的最大电阻负载。对于以24V直流为驱动电源的AO，其理论最大负载时24/0.02=1200欧一般要求AO的带负载能力达到750欧,2.4 模拟量输出设备（AO）-技术指标及实验方法,结束,首页,上页,下页,末页,6.电气隔离 AO与AI设备不同的是，对于电路来说，因为执行器结构上的先天便利，使得现场执行机构的主体电路与AO设备是电气隔离的。这是因为无论是电气阀门定位器，还是电动执行器，其控制信号（420mA电流）一般都是由电感线圈接收的。 基于上述因素，AO系统地和现场仪表地之间是隔离，不可能形成地环电流，所以AO设备并不需要采取措施去切断DCS系统地和现场仪表地之间的地环电流。 当然，出于其他安全因素的考虑，比如说防止局部故障扩大化，也可以考虑将AO设计成路隔离的，这时候相当于每个AO通道的输出级与执行器的输入级构成了一个个独立的电路。,2.4 模拟量输出设备（AO）-技术指标及实验方法,结束,首页,上页,下页,末页,7. 建立时间 AO的建立时间指的是D/A转换从数字指令下发到AO输出值达到预计的精度范围的响应时间。,2.4 模拟量输出设备（AO）-技术指标及实验方法,结束,首页,上页,下页,末页,2.4 模拟量输出设备（AO）设备应用设计,2.4.3 AO设备应用设计 AO设备的设计应用应注意的问题：（1）驱动负载不要高于AO设备的带负载能力；（2）关键控制回路应考虑选择冗余AO 。,结束,首页,上页,下页,末页,2.5开关量输入设备（DI）,2.5.1 DI设备的基本原理2.5.2 DI设备的技术指标及实验方法2.5.3 DI设备应用设计,结束,首页,上页,下页,末页,2.5开关量输入设备（DI）-基本原理,典型DI前端处理电路：,结束,首页,上页,下页,末页,2.5开关量输入设备（DI）-基本原理,图中处理的是干接点（即接点上没有电压，需要外接电源，才能驱动光耦），为了消除抖动，在光耦前应设置滤波电路，在光耦后应通过施密特触发器进一步消除抖动。,结束,首页,上页,下页,末页,2.5.2 DI设备的技术指标及实验方法1.触点类型 DI的现场触点主要有机械开关（干接点）、电子开关和电平触点三种，其中电平触点主要有24V直流、48V直流、220V交流和220V直流几种。2.查询电平 当触点类型为干接点时，需要从DCS中自备触点电源，才能驱动光耦，这种电源一般称为查询电源。查询电源不应采用DCS系统电源（即给光耦的输出端供电的电源系统），否则DI处理电源与系统就不隔离了。,2.5开关量输入设备（DI）-技术指标及实验方法,结束,首页,上页,下页,末页,3. 电路结构 现场触点的引线，可以分为两种情况。 （1）每个触点引2根线到DI模块，在DI模块内部将本模块的所有触点其中的一端短接。 （2）每个触点的一端引1根线到DCS，多个触点的另一端先在现场短接，再共用1根线引到DI模块，这样比较节省电缆。,2.5开关量输入设备（DI）-技术指标及实验方法,结束,首页,上页,下页,末页,DI电路可以分为两种结构： （1）触点共地型（也称源电流型DI） （2）触点共源型（也称沉电流型DI）两种结构的选择：在调试期间，共源型DI会因接线错误，造成短路烧保险。当需要将DO模块的输出直接接入DI模块时，DO是共源结构时，要求DI也是共源结构；当DO是共地结构时，DI也要求是共地结构。,2.5开关量输入设备（DI）-技术指标及实验方法,结束,首页,上页,下页,末页,4.阈值电平 DI的阈值电平有三种状态： 逻辑1（state1）：表示接点闭合的状态。 逻辑0（state 0）：表示接点断开的状态。 模糊区（transition area): 无法确定其逻辑值的过渡区。 5.查询电流 查询电流指的是开关闭合时光耦发光二极管的设置电流，一般的DI为310mA ，查询电流越大，抗干扰能力越强，但模块的功耗也越大，不利于设备的散热。,2.5开关量输入设备（DI）-技术指标及实验方法,结束,首页,上页,下页,末页,6. DI 去抖动和去抖时间抖动（bouncing)是指开关闭合或断开的瞬间，可能导致DI设备的状态快速跳变，如果不加处理，让这些跳变的DI状态参与控制运算，这对控制系统的被控设备是有害的，也是很多工艺过程不允许的，所以需要在DI采集过程中对抖动进行滤除处理，称为去抖动。,2.5开关量输入设备（DI）-技术指标及实验方法,结束,首页,上页,下页,末页,可以采用硬件去抖和软件滤波去抖两种方法有效去除抖动，而且软件去抖更为灵活和准确。软件去抖基本思想是：先规定抖动周期，称为去抖时间，一般设定为415ms。然后对DI变化进行判定。当DI变位发生后，启动计时，如果DI在去抖动时间过后仍然稳定在变位上，则认为发生了DI跳变，并且跳变时刻记录为启动计时的时刻；如果在去抖时间后的第一次采样DI状态未变，则认为开关未闭合。,2.5开关量输入设备（DI）-技术指标及实验方法,结束,首页,上页,下页,末页,2.5.3 DI设备应用设计DI设备应用设计应注意以下几点：（1）查询电源分配和保险：每个DI模块的查询电源在引入前设置合适的保险，这样可以有效防止当一个DI模块的查询电源短路时，所有DI模块都失去作用。（2）查询电源独立于系统电源：给主控制系统设备提供的24V直流电源，不能兼做DI模块的查询电源，否则是不隔离的，造成安全隐患。,2.5开关量输入设备（DI）-技术指标及实验方法,结束,首页,上页,下页,末页,（3）查询电源负极不能接地：查询电源接地后，如果触点在现场端因潮湿或别的原因接地时，将可能导致DI模块误认为该通道是闭合的。（4）正反触点安排在同一模块：最好DI上不是长的时间所有触点全闭合，这样有利于将发热分布到各DI模块。,2.5开关量输入设备（DI）-技术指标及实验方法,结束,首页,上页,下页,末页,2.6 SOE输入设备（SOE）,2.6.1 SOE设备的基本原理2.6.2 SOE设备的技术指标及实验方法2.6.3 SOE设备应用设计,结束,首页,上页,下页,末页,SOE（sequence of event ) 是“事件顺序”，它是一种带时间戳（time stamp）的DI采集模块，即SOE模块不仅要采集DI的状态，还要同步记录DI状态变位发生的时刻，一并报给主控制器处理后，再保存在DCS系统服务器或操作员站中。SOE的主要作用是用于分析事故的原因，即事故之间的因果关系。所以严格来说SOE关心的不是事件的绝对时刻，而是事件的原因，即事故之间的因果关系。,2.6 SOE输入设备（SOE）基本原理,结束,首页,上页,下页,末页,严格来说SOE 模块都保持严格的计时同步，这要靠所有的SOE模块统一由一个共同的时钟源为标准发同步信号，同步的将模块内部的时间计数器清零，来保持各SOE模块的同步。时钟源发送同步信号的方式有两种，一种是通过网络广播发送，另一种是通过单独的硬件接口用硬连线发送同步脉冲信号，后一种的同步精度要高的多。,2.6 SOE输入设备（SOE）基本原理,结束,首页,上页,下页,末页,2.6 SOE输入设备（SOE）,2.6.2 SOE设备的技术指标及实验方法1. SOE事件分辨率SOE 事件分辨率指的是，SOE模块计时计数器增加1所代表的时间增量。一般计为1 ms.2. SOE 事件相对时间误差事件相对时间测量误差，指系统对标准时间事件序列之间相对时刻值测量的误差程度。可以用两种典型情况来描述SOE的事件相对时间误差 。,结束,首页,上页,下页,末页,2.6 SOE输入设备（SOE）,（1）站内SOE相对时间误差 ：对于同一个DI变位事件，如果把它同时接入同一个主控制器管辖下的不同SOE 模块，各模块之间记录时刻的最大与最小时刻之差即为站内时间相对时间误差。一般为1ms .（2）站间SOE相对时间误差：对于同一个DI 变位事件，如果把它同时接入不同主控制器管辖下的不同SOE模块，各模块之间记录时刻的最大与最小时刻之差即为站间SOE 相对时间误差。一般为2ms。,结束,首页,上页,下页,末页,2.6 SOE输入设备（SOE）,3. SOE容量由于主控制器是以一定的时间周期循环进行的，所以，不可能在每个SOE 事件发生时，主控制器都能及时加工事件信息采集上来，这就需要在SOE模块本地设计一定容量的存储器空间，来临时保存一个主控制器采集周期内可能发生的事件。该容量有两个条件决定，一是主控制器的采样处理周期，另一是SOE时间分辨率。,结束,首页,上页,下页,末页,2.6 SOE输入设备（SOE）,2.6.3 SOE设备应用设计,SOE设备的应用设计要求应满足以下两点。（1）SOE信号尽量集中在同一个站内；（2） SOE 站的通信量要留有余地，只有这样，在事件集中爆发时才能满足要求。,结束,首页,上页,下页,末页,2.7 开关量输出设备,2.7.1 DO设备的基本原理2.7.2 DO设备的技术指标及试验方法2.7.3 DO设备应用设计,结束,首页,上页,下页,末页,2.7 开关量输出设备,DO设备用于输出闭合或断开指令。其典型输出器件为光耦。,结束,首页,上页,下页,末页,2.7 开关量输出设备,2.7.2 DO设备的技术指标及试验方法 1. 输出开关类型DO输出器件有以下几类。（1）机械继电器（2）固态继电器（晶闸管、双向可控硅等） 2. 输出电路结构DO电路分为两种结构（1） 源电流输出（2） 沉电流输出,结束,首页,上页,下页,末页,2.7 开关量输出设备,3. 开关寿命对继电器触点型开关，在规定的条件下动作寿命一般标称10万次，该寿命随电流和负载类型变化较大，尤其在感性负载时，容易出现因电弧导致的触点粘连。对电子开关不存在寿命问题。4. 开关容量开关容量指的是开关在一定的负载电压条件下所能流过的最大电流值。 5. 漏电流开关在断开指令状态下，对于电子开关，存在漏电流问题，使用时需要查看是否满足负载特性的要求。,结束,首页,上页,下页,末页,2.7 开关量输出设备,2.7.3 DO设备应用设计 DO设备应用设计应注意以下几点：（1）频繁动作的DO应选用电子开关类DO（2）有漏电流限制的场合，优先选用机械继电器。,结束,首页,上页,下页,末页,2.8 脉冲量输入（PI）,2.8.1 PI设备的基本原理 PI设备用于对脉冲输入信号进行测频或计数,结束,首页,上页,下页,末页,2.8 脉冲量输入（PI）,2.8.2 PI设备的技术指标 1. 测频精度PI测频精度一般以全范围内最大绝对误差表示，如1Hz。2.计数精度PI的计数精度就是指在最大计数内其对脉冲的累计误差，如2。 3.输入信号要求一般的脉冲输入都是电压脉冲，PI模块对电平范围和脉冲宽度是有一定的要求的，脉冲电平过低或脉冲的宽度过窄都不合理，有可能导致PI不能识别该脉冲。,结束,首页,上页,下页