第2章总线接口与过程通道3(过程通道)

1、计算机控制技术计算机控制技术 过程通道过程通道李江全李江全石河子大学机电学院电气工程系石河子大学机电学院电气工程系2005年年1月月输入与输出信号输入与输出信号 工业生产过程实现计算机控制的前提是，工业生产过程实现计算机控制的前提是，必须将工业生产过程的工艺参数、工况逻必须将工业生产过程的工艺参数、工况逻辑和设备运行状况等物理量经过传感器或辑和设备运行状况等物理量经过传感器或变送器转变为计算机可以识别的电信号变送器转变为计算机可以识别的电信号（电压或电流）或逻辑量。（电压或电流）或逻辑量。传感器和变送器输出的信号有多种规格，其传感器和变送器输出的信号有多种规格，其中毫伏（中毫伏（mVmV）信号

2、、）信号、0 05V5V电压信号、电压信号、1 15V5V电压信号、电压信号、0 010mA10mA电流信号、电流信号、4 420mA20mA电流电流信号、电阻信号是计算机控制系统经常用到信号、电阻信号是计算机控制系统经常用到的信号规格。在实际工程中，通常将这些信的信号规格。在实际工程中，通常将这些信号分为模拟量信号、开关量信号和脉冲量信号分为模拟量信号、开关量信号和脉冲量信号三大类。号三大类。针对某个生产过程设计一套计算机控制系针对某个生产过程设计一套计算机控制系统，必须了解输入输出信号的规格、接线统，必须了解输入输出信号的规格、接线方式、精度等级、量程范围、线性关系、方式、精度等级、量程范

3、围、线性关系、工程量换算等诸多要素。工程量换算等诸多要素。1.1.模拟量信号模拟量信号 许多来自现场的检测信号都是模拟信号，如液位、压力、温许多来自现场的检测信号都是模拟信号，如液位、压力、温度、位置、度、位置、PHPH值、电压、电流等，通常都是将现场待检测的值、电压、电流等，通常都是将现场待检测的物理量通过传感器转换为电压或电流信号；许多执行装置所物理量通过传感器转换为电压或电流信号；许多执行装置所需的控制信号也是模拟量，如调节阀、电动机、电力电子的需的控制信号也是模拟量，如调节阀、电动机、电力电子的功率器件等的控制信号。功率器件等的控制信号。模拟信号是指随时间连续变化的信号，这些信号在规定

4、的一模拟信号是指随时间连续变化的信号，这些信号在规定的一段连续时间内，其幅值为连续值，即从一个量变到下一个量段连续时间内，其幅值为连续值，即从一个量变到下一个量时中间没有间断。时中间没有间断。 模拟信号有两种类型：一种是由各种传感器获得的模拟信号有两种类型：一种是由各种传感器获得的低电平信号；另一种是由仪器、变送器输出的低电平信号；另一种是由仪器、变送器输出的4 420mA20mA的电流信号或的电流信号或1 15V5V的电压信号。这些模拟的电压信号。这些模拟信号经过采样和信号经过采样和A/DA/D转换输入计算机后，常常要进行转换输入计算机后，常常要进行数据正确性判断、标度变换、线性化等处理。数

5、据正确性判断、标度变换、线性化等处理。 模拟信号非常便于传送，但它对干扰信号很敏感，模拟信号非常便于传送，但它对干扰信号很敏感，容易使传送中的信号的幅值或相位发生畸变。因此，容易使传送中的信号的幅值或相位发生畸变。因此，有时还要对模拟信号做零漂修正、数字滤波等处理。有时还要对模拟信号做零漂修正、数字滤波等处理。 模拟信号的常用规格：模拟信号的常用规格：1 1）1 15V5V电压信号电压信号 此信号规格有时称为此信号规格有时称为DDZ-型仪表电压信号规格。型仪表电压信号规格。 15V电压信号规格通常用于计算机控制系统的过程电压信号规格通常用于计算机控制系统的过程通道。工程量的量程下限值对应的电压

6、信号为通道。工程量的量程下限值对应的电压信号为lV，工程，工程量上限值对应的电压信号为量上限值对应的电压信号为5V，整个工程量的变化范围，整个工程量的变化范围与与4V的电压变化范围相对应。过程通道也可输出的电压变化范围相对应。过程通道也可输出15V电压信号，用于控制执行机构。电压信号，用于控制执行机构。 2 2）4 420mA20mA电流信号电流信号 420mA电流信号通常用于过程通道和变送器之电流信号通常用于过程通道和变送器之间的传输信号。工程量或变送器的量程下限值对应间的传输信号。工程量或变送器的量程下限值对应的电流信号为的电流信号为4mA，量程上限对应的电流信号为，量程上限对应的电流信号

7、为20mA，整个工程量的变化范围与，整个工程量的变化范围与16mA的电流变化的电流变化范围相对应。过程通道也可输出范围相对应。过程通道也可输出420mA电流信号，电流信号，用于控制执行机构。用于控制执行机构。 2.2.数字（开关）量信号数字（开关）量信号 有许多的现场设备往往只对应于两种状有许多的现场设备往往只对应于两种状态，例如，按钮、行程开关的闭合和断开、态，例如，按钮、行程开关的闭合和断开、马达的起动和停止、指示灯的亮和灭、仪器马达的起动和停止、指示灯的亮和灭、仪器仪表的仪表的BCDBCD码、继电器或接触器的释放和吸合、码、继电器或接触器的释放和吸合、晶闸管的通和断、阀门的打开和关闭等，

8、可晶闸管的通和断、阀门的打开和关闭等，可以用开关输出信号去控制或者对开关输入信以用开关输出信号去控制或者对开关输入信号进行检测。号进行检测。 开关信号是指在有限的离散瞬时上开关信号是指在有限的离散瞬时上取值间断的信号。在二进制系统中，数取值间断的信号。在二进制系统中，数字信号是由有限字长的数字组成，其中字信号是由有限字长的数字组成，其中每位数字不是每位数字不是0就是就是1。数字信号的特点。数字信号的特点是，它只代表某个瞬时的量值，是不连是，它只代表某个瞬时的量值，是不连续的信号。开关信号的处理主要是监测续的信号。开关信号的处理主要是监测开关器件的状态变化。开关器件的状态变化。 开关量信号反映了

9、生产过程、设备运行的现行状态、开关量信号反映了生产过程、设备运行的现行状态、逻辑关系和动作顺序。逻辑关系和动作顺序。 例如：行程开关可以指示出某个部件是否达到规定例如：行程开关可以指示出某个部件是否达到规定的位置，如果已经到位，则行程开关接通，并向工控机的位置，如果已经到位，则行程开关接通，并向工控机系统输入系统输入1个开关量信号；又如工控机系统欲输出报警信个开关量信号；又如工控机系统欲输出报警信号，则可以输出号，则可以输出1个开关量信号，通过继电器或接触器驱个开关量信号，通过继电器或接触器驱动报警设备，发出声光报警。动报警设备，发出声光报警。 如果开关量信号的幅值为如果开关量信号的幅值为TT

10、L/CMOS电平，有时又将电平，有时又将一组开关量信号称之为数字量信号。一组开关量信号称之为数字量信号。 开关量输入信号有触点输入和电平输入两种开关量输入信号有触点输入和电平输入两种方式。触点又有常开和常闭之分，其逻辑关系正方式。触点又有常开和常闭之分，其逻辑关系正好相反，犹如数字电路中的正逻辑和负逻辑。好相反，犹如数字电路中的正逻辑和负逻辑。 工控机系统实际上是按电平进行逻辑运算和工控机系统实际上是按电平进行逻辑运算和处理的，因此工控机系统必须为输入触点提供电处理的，因此工控机系统必须为输入触点提供电源，将触点输入转换为电平输入。源，将触点输入转换为电平输入。 开关量输出信号也有触点输出和电

11、平输出两种开关量输出信号也有触点输出和电平输出两种方式。输出触点也有常开和常闭之分。方式。输出触点也有常开和常闭之分。 对于开关量输出信号，可以分为两种形式：对于开关量输出信号，可以分为两种形式：一种是电压输出，另一种是继电器输出。电压一种是电压输出，另一种是继电器输出。电压输出一般是通过晶体管的通断来直接对外部提输出一般是通过晶体管的通断来直接对外部提供电压信号，继电器输出则是通过继电器触点供电压信号，继电器输出则是通过继电器触点的通断来提供信号。的通断来提供信号。 电压输出方式的速度比较快且外部接线简单，电压输出方式的速度比较快且外部接线简单，但带负载能力弱；继电器输出方式则与之相反。但带

12、负载能力弱；继电器输出方式则与之相反。对于电压输入，又可分为直流电压和交流电压，对于电压输入，又可分为直流电压和交流电压，相应的电压幅值可以有相应的电压幅值可以有5V、12V、24V和和48V等。等。 3.3.脉冲量信号脉冲量信号 当开关量按一定频率变化时，则该开关量就可以视当开关量按一定频率变化时，则该开关量就可以视为脉冲量，也就是说脉冲量具有周期性。为脉冲量，也就是说脉冲量具有周期性。 测量频率、转速等参数的传感器都是以脉冲频率的测量频率、转速等参数的传感器都是以脉冲频率的方式反映被测值的，有一些测流量的传感器或变送器，方式反映被测值的，有一些测流量的传感器或变送器，也是以脉冲频率为输出信

13、号。在运动控制中，编码器送也是以脉冲频率为输出信号。在运动控制中，编码器送出的信号也是脉冲信号，根据脉冲的数目，可以获得电出的信号也是脉冲信号，根据脉冲的数目，可以获得电动机角位移以及转速的信息。另外，也可以通过输出脉动机角位移以及转速的信息。另外，也可以通过输出脉冲来控制步进电机转角或速度。冲来控制步进电机转角或速度。 脉冲量信号的幅值通常有脉冲量信号的幅值通常有TTLTTL电平、电平、CMOSCMOS电平、电平、24VDC24VDC电平和任意电平等几种规格。实际上，电平和任意电平等几种规格。实际上，数据采集卡的逻辑部件都是数据采集卡的逻辑部件都是TTL/CMOSTTL/CMOS规格，其规格

14、，其中的过程通道将不同幅值的脉冲量信号转换成中的过程通道将不同幅值的脉冲量信号转换成了了TTL/CMOSTTL/CMOS电平。电平。 脉冲量通道或脉冲输入脉冲量通道或脉冲输入/输出板卡对脉冲量输出板卡对脉冲量的上升时间和下降时间有一定的要求，对于上的上升时间和下降时间有一定的要求，对于上升时间和下降时间较长的脉冲信号，必须增加升时间和下降时间较长的脉冲信号，必须增加整形电路，改善脉冲信号的边沿，以确保脉冲整形电路，改善脉冲信号的边沿，以确保脉冲量通道能有效识别所输入的脉冲量信号。量通道能有效识别所输入的脉冲量信号。 信号传输标准信号传输标准 电压制信号传输标准电压制信号传输标准：变送器变送器负

15、载负载（调节器、记录仪等）（调节器、记录仪等）Ri信号源干扰信号的远距离传输RlRl电压传输电压传输：信号源内阻小（零）、负载电阻大，因而对外界扰动敏感，且受传输导线电阻的影响大。故不适合于信号的远距离传输。 电流制信号传输标准：电流制信号传输标准： 变送器变送器负载负载（调节器、记录仪等）（调节器、记录仪等）Ri信号源干扰信号的远距离传输RlRl电流传输电流传输：信号源内阻大（无限大）、负载电阻小，因而对外界扰动不敏感，且不受传输导线电阻的影响。故非常适合于信号的远距离传输。信号传输标准 国际电工委员会（IEC）于1973年4月通过信号传输的国际标准： 现场传输信号： 直流 420mA； 控

16、制室内仪表间的联络信号： 直流 15V. 适用范围适用范围： DDZ-型、数字仪表、DCS系统等信号传输标准 DDZ-型、 DDZ-型仪表采用的信号传输标准为： 010mA DC ，或 05V DC 两种标准的比较：两种标准的比较： 这种以20mA表示信号的满度值，而以此满度值的20%即4mA表示零信号的安排，称为“活零点”。信号传输标准“活零点活零点”的优点：的优点： 有利于识别断电、断线等故障，且为实现两线制提供了可能性。 所谓“两线制”变送器就是将供电的电源线与信号的输出线合并起来，一共只用两根导线。使用两线制变送器不仅节省电缆，布线方便，且大大有利于安全防爆，因为减少一根通往危险现场的

17、导线，就减少了一个窜进危险火花的门户。信号传输标准 两线制变送器变送器变送器负载负载（调节器、记录仪等）（调节器、记录仪等）250信号源24V DC电源信号的远距离传输RlRl420mAmA，决定于被测变量决定于被测变量被被测测变变量量+-两线制变送器信号传输标准另外，采用直流信号传输的优点： 传输过程中易于和交流感应干扰相区别，且不存在相移问题，可不受传输线中电感、电容和负载性质的限制。其它信号传输标准其它信号传输标准： RS485数字信号传输、Smart传输技术、现场总线技术等等。过程通道过程通道过程通道的含义过程通道的含义 过程通道是计算机控制系统中计算机与被监控过程的过程通道是计算机控

18、制系统中计算机与被监控过程的现场设备之间的物理信息通道。现场设备之间的物理信息通道。输入通道的作用是将传感器或变送器的电流输入通道的作用是将传感器或变送器的电流/ /电压信电压信号转换为计算机可以识别的数字信号。号转换为计算机可以识别的数字信号。输出通道的作用则是将计算机输出的数字信号转换为输出通道的作用则是将计算机输出的数字信号转换为可直接推动执行机构的电气信号。可直接推动执行机构的电气信号。过程通道的模式过程通道的模式 过程通道的类型过程通道的类型模拟量输入通道模拟量输入通道 模拟量输入通道是计算机用于工业控制、自动模拟量输入通道是计算机用于工业控制、自动测试、计算机辅助医疗诊断、机器人等

19、科学研测试、计算机辅助医疗诊断、机器人等科学研究时必需的模拟数据处理系统。它把各类传感究时必需的模拟数据处理系统。它把各类传感器从现场检测到的模拟量信号如温度、压力等器从现场检测到的模拟量信号如温度、压力等转换成计算机可以接收的数字量信号。建立模转换成计算机可以接收的数字量信号。建立模拟量输入通道的目的，通常是为了进行参数测拟量输入通道的目的，通常是为了进行参数测量或数据采集。它的核心部件是量或数据采集。它的核心部件是A/D转换器及转换器及其微处理机的接口。其微处理机的接口。 1模拟量输入通道的基本结构模拟量输入通道的基本结构 模拟量输入通道一般应包括：传感器、多路转换开关、放模拟量输入通道一

20、般应包括：传感器、多路转换开关、放大器、采样保持器、大器、采样保持器、A/D转换器等几个组成部分，其组成转换器等几个组成部分，其组成如图如图2-15所示。所示。 2模拟量输入通道的结构形式模拟量输入通道的结构形式 模拟输入通道按采样保持器模拟输入通道按采样保持器S/H可分为共享可分为共享S/H形式和多路形式和多路S/H形式。共享形式。共享A/D和和S/H形式的模拟量输入通道如图形式的模拟量输入通道如图2-16所示。所示。 采样保持电路基本原理图采样保持电路基本原理图 输入过程通道中,A/D转换需要一定的时间来完成, 为了对变换比较快的模拟信号进行有效地A/D转换,有必要在A/D转换之前加入采样

21、保持电路。逐位反馈型逐位反馈型A/DA/D转换器电路原理图转换器电路原理图 模拟输入通道中，模拟输入通道中，A/DA/D转换器是关键性的组成部分。转换器是关键性的组成部分。A/DA/D转换器是用于将连续变化的模拟信号转换为数字信号的转换器是用于将连续变化的模拟信号转换为数字信号的装置，简称装置，简称ADCADC，是模拟系统与计算机之间的接口部件。，是模拟系统与计算机之间的接口部件。A/DA/D转换器主要分为三类：计数型转换器主要分为三类：计数型A/DA/D转换器；双积分型转换器；双积分型A/DA/D转换器；逐位反馈型转换器；逐位反馈型A/DA/D转换器。转换器。D/A转换器+ +- -Vi模拟

22、输入比较器逐次逼近寄存器SAR 数字量输出时钟及控制逻辑 Vc模拟量输出通道模拟量输出通道 在计算机控制系统中，被采样的过程参数经运算处理后输在计算机控制系统中，被采样的过程参数经运算处理后输出控制量，但计算机输出的是数字信号，必须转换为模拟出控制量，但计算机输出的是数字信号，必须转换为模拟信号才能驱动执行元件工作。众所周知，计算机输出的控信号才能驱动执行元件工作。众所周知，计算机输出的控制量仅在程序执行瞬时有效，无法被利用，因此，如何把制量仅在程序执行瞬时有效，无法被利用，因此，如何把瞬时输出的数字信号保持，并转换为能推动执行元件工作瞬时输出的数字信号保持，并转换为能推动执行元件工作的模拟信

23、号，以便可靠地完成对过程的控制作用，就是模的模拟信号，以便可靠地完成对过程的控制作用，就是模拟量输出通道的任务。拟量输出通道的任务。模拟量输出通道的作用就是将计算机输出的数字量转换为模拟量输出通道的作用就是将计算机输出的数字量转换为执行机构能接收的模拟电压或模拟电流，去驱动相应的执执行机构能接收的模拟电压或模拟电流，去驱动相应的执行机构，以达到用计算机实现控制的目的。行机构，以达到用计算机实现控制的目的。模拟量输出通道一般应包括：接口电路、模拟量输出通道一般应包括：接口电路、D/A转换器、多路开转换器、多路开关、保持电路、关、保持电路、V/I变换器等几个组成部分，如图变换器等几个组成部分，如图

24、2-17所示。所示。 多个D/A转换器结构 模拟量输出通道是将控制计算机的信号输出到被控对模拟量输出通道是将控制计算机的信号输出到被控对象的环节，主要由象的环节，主要由D/AD/A转换器及保持器组成，其结构形式有转换器及保持器组成，其结构形式有两种，一种是多个两种，一种是多个D/AD/A转换器的模拟量输出，另一种是共用转换器的模拟量输出，另一种是共用一个一个D/AD/A转换器的模拟量输出结构形式。转换器的模拟量输出结构形式。 单个D/A转换器结构 D/AD/A转换器工作原理简易结构图转换器工作原理简易结构图 模拟输出通道中，其核心环节是模拟输出通道中，其核心环节是D/AD/A转换器，转换器，D

25、/AD/A转换器的转换器的主要功能是将数字量转换为模拟量，其转换方式有并行和主要功能是将数字量转换为模拟量，其转换方式有并行和串行两种。串行两种。foinRVVR 开关量输入通道开关量输入通道 开关量输入通道的任务主要是将现场输入的开关信号经转换、开关量输入通道的任务主要是将现场输入的开关信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号。保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号。开关量输入通道在控制系统中主要起以下作用：开关量输入通道在控制系统中主要起以下作用：1 1）定时记录生产过程中某些设备的状态，例如电动机是否在）定时记录生产过程中某些设备的状态，例如电动机是否在运转、阀门是否开启等。运转、阀门是否开启等。2 2）对生产过程中某些设备的状态进行检查，以便发现问题进）对生产过程中