仪表自动化控制基础知识

仪表自动化控制基础知识模拟量信号作为确定产品是否满足要求及产品系列选型的指标有:1、显示范围2、测量精度3、测控速度4、分辨力显示范围：一般来说显示范围分以下几种-1999~9999-19999~50000-19999~45000测量精度：仪表的测量值与真实值的差值相对于真实值的误差。仪表的精度等级表明了在稳态下仪表的最大百分误差。因为他是按全量程的最大百分误差来定义的，所以量程越宽，绝对误差越大，因而在选择仪表量程时应尽量选窄一些，但是也要考虑测量量程的要求。测控速度：仪表的测控速度有5到50次/秒不等，特定功能下可提高到300次/秒当测控速度不能满足要求时,可以将速度提高，但可能会降低测量精度和分辨力。分辨率:分辨力包括两方面的含义1、A/D转换的分辨力，有13位和16位等，13位的即8000分之一，16位即60000分之一。2、显示分辨率，4位显示的产品为1/10000；5位显示的产品为1/45000；1/10000，以保证显示值的稳定性和唯一性，用于测力的为1/45000。信号类型：仪表能接收的模拟量信号有：1、标准电流信号2、准电压信号3、mV信号标准电流信号：4mA~20mADC、0mA~10mADC、0mA~20mADC。其它直流电流信号，需要在订货时注明，但最大不能超过5A，大于5A的信号应在仪表外使用分流器或变送器进行处理。多数变送器的输出信号都是4mA~20mA标准电流信号，传送到控制室供各类仪表接收，特点时传输距离长、抗干扰能力强、没有衰减，只是对电流回路的负载有要求。标准电压信号：标准电压信号有1V~5VDC、0V~5VDC。其它直流电压信号需在订货时注明，但一般不超过100V，大于100V的信号应在仪表外使用变送器进行处理。热电阻信号或电阻信号热电偶信号或辐射感温计信号mV信号：常用于压力传感器、荷重传感器；压力传感器一般需要仪表提供1.5mA恒流供电;荷重传感器一般需要仪表提供10V或12V精密恒压供电。测量过程及原理：通过硬件和软件实现模拟量的测量功能。硬件处理过程：输入信号→保护→变换→滤波→放大→A/D→单片机保护：能对60V以下的交、直流信号以及瞬间浪涌电压的冲击进行保护变换：电阻信号输入时将电阻信号变换为电压信号；电流信号输入时将电流信号变换为电压信号滤波：二级RC滤波器，滤除高频干扰信号以减小其对仪表显示的影响放大：由单片机根据输入信号的类型进行控制，放大倍数1~128倍A/D：将放大后的电压信号转换位数字信号给单片机，A/D转换器有13位、16位两种，XST、XSE和XSB等系列使用16位A/D转换器软件处理过程：采样→数字滤波→补偿运算→量纲转换→折线运算→零点、满度修正→结果采样：单片机通过A/D转换器得到与输入信号成比例关系的数字信号数字滤波：克服显示的波动和跳变Y=Xn·1/a+（1-1/a）·Yn-1Y—滤波运算结果Xn—本次测量数据ａ—滤波时间常数Ｙn-1—上次测量结果软件处理过程：补偿运算：电阻输入时，引线电阻的补偿；热电偶输入时，冷端补偿量纲转换：热电阻信号时，查电阻值温度值分度表热电偶信号时，查mV值温度值分度表其它信号时，按设定的量程上、下限进行换算按用户提供的信号与显示的对照表查表按用户提供的信号与显示的公式运算软件处理过程：折线运算：当输入信号与显示数据呈现单调上升的非线性，并且在订货是不能确定其数据，需要在标定中进行修正时，可利用折线运算功能单调上升是指在输入信号全范围内，输入信号增加时，显示数据也增加。不会出现输入信号增加，显示数据反而下降的情况折线运算一般为8段或15段，可以根据实际情况增加或减少零点、满度（量程）修正：由于传感器、变送器、引线或系统的其它原因，观察到仪表的显示值存在误差时，可以通过零点修正和满度修正功能进行校正，提高系统的测量和监控精度脉冲量信号：脉冲量常用于转速测量、流量测量和记数。脉冲输入的测量分为以测量频率为目的、以测量脉冲个数为目的和频率、脉冲个数都需要的三种应用场合。频率测量范围：0.1Hz-25KHz,高于25KHz的信号需要选择仪表内部的预分频单元频率测量精度:0.100Hz~45.000Hz范围:±0.01Hz45.00Hz~450.00Hz范围:±0.02Hz450.0Hz~4500.0Hz范围:±0.2Hz4500Hz~25000Hz范围:±2Hz计数测量一般用于用于过程计数，事件计数，位移测量等。开关量信号：开关量状态测量是“通”、“断”状态（ON/OFF）测量。比如调节阀的全开与全关、电机等旋转设备的转与停、过程参数的正常与超限、报警状态的存在与消除一些指令开关的状态等等，都是体现为开关量状态。在开关量状态测量中要考虑开关量的性质：有源或无源（俗称湿接点、干接点）；“通”与“断”在电阻、电流、电压方面的表征。电子开关与机械开关不同，“通”的时候阻抗不是零，“断”的时候阻抗不是无穷大。所以必须先知道“通”与“断”的判断准则。比如有的电子开关在24V电压下以大于10mA为通、以小于2mA为断。开关量状态的变化至少要保持4ms以上时间，否则仪表采样时采不到该变化。有开关量输入功能的仪表，要明确开关量输入的类型，常用的类型包括：电压型：要明确表示“通”，“断”状态的电压值，例如：1V以下表示“断”，4V以上表示“通”或0V表示“断”，24V表示“通”这类信号常来自PNP型接近开关，PLC，仪表或计算机集电极开路型（OC门）：要明确电源由仪表提供或外部电源提供，这类信号常来自NPN型接近开关、PLC控制输出信号技术说明报警及开关量输出报警是根据测量值与设定值的比较结果输出相应状态，是最常用的开关量输出，此外，还有定时输出，运行状态输出等统称开关量输出。开关量输出类型一般包括：电压输出：用于控制外部固态继电器，电压5~15V，需要在订货时明确继电器输出：应注意要求常闭点输出还是常开点输出，或常开、常闭全输出，仪表在端子够用时一般均为常开、常闭全输出；另外要注意触点容量，仪表一般继电器输出的触点容量为220V，3A。当输出控制交流接触器等感性负载时，建议购买RC火花吸收器配合使用，起到保护触点，延长继电器使用寿命和防止干扰的作用固态继电器输出：使用寿命长，干扰小，受仪表尺寸及散热的限制，功率受到限制集电极开路（OC门）输出：用于控制外部中间继电器或与PLC连接。驱动电压一般小于50mA，电压小于30VDC3.1报警功能报警是测量控制产品最常用的功能。通过设定报警值和选择适当的报警组态参数值，实现不同的报警功能。报警组态参数包括报警灵敏度，报警延时和报警方式。报警灵敏度：为防止测量值在报警设定值附近波动时造成报警继电器频繁动作，可以根据需要设定一个报警解除的外延区域。报经延时：可有效防止干扰等原因使测量值非正常变化造成误报警当测量值超过报警设定值时，启动报警延时，如果在报警延时期间测量值始终处于报警状态，则报警延时结束时输出报警信号，否则不输出报警信号。另外还有5种相对应的待机报警方式，待机报警方式是指仪表通电时若已处于报警状态，则不报警，等到测量值进入到不报警区域后则建立起待机条件，此后再进入报警区域正常报警。此功能常用于带报警联锁的设备，可避免启动设备启动时的手动操作。另外，在实际应用中，还常用到报警锁定，蜂鸣器及消音确认等功能。3．2时间比例控制时间比例控制属于开、关控制，根据测量值与设定值的偏差，控制在设定的时间周期内开的时间和关的时间，使被控量维持在设定值的附近。这种控制方式设定简单，但由于被控量与设定值始终存在一定的静差，已不常应用。时间比例控制方式需要设定控制周期和比例带两个参数。3．3定位控制定位控制方式常用于不带伺服放大器的电动调节阀控制（例如继电器输出型操作器），密闭容器的压力控制等控制效果灵敏，变化快，没有纯滞后的场合。定位控制方式根据测量值与给定值的偏差大小决定长动、点动或不动，避免出现超调。需要设定动作灵敏度、点动范围、点动周期、点动步距这4个相关参数。如果点动范围设为5%，动作灵敏度设为0.2%，点动周期设为1秒，点动步距设为0.1秒。当调节阀实际开度小于给定开度，并且偏差大于点动范围时，控制开长动，直到实际开度增加到点动范围内后转入点动控制，每秒开一次，开的时间长度均为0.1秒,当实际开度增加到灵敏度范围内后停止。调节阀实际开度大于给定开度的控制与上述过程类似。当压力值小于点动范围时，打开加压阀门，快速加压，待压力值上升到点动范围时转入点动，防止过压，压力值进入灵敏度范围内后停止控制。在保压的过程中，当压力下降到灵敏度范围外时，点动补压。3．4PID控制在工业生产中，通常需要把某些物理量（如温度、压力、流量、液位等）维持在指定的数值上。当这些物理量偏离所希望的给定值时,即产生偏差。PID控制仪根据测量信号与给定值的偏差进行比例（P）积分（I）、微分（D）运算、从而输出某个适当的控制信号给执行机构，促使测量值恢复到给定值，达到自动控制的效果。比例运算是指输出控制量与偏差的比例关系。仪表比例参数的设定值越大，控制的灵敏度越低，的设定值越小，控制的灵敏度越高。例如仪表的比例参数设定为4%，表示测量值偏离给定值4%时，输出控制量变化100%。•积分运算的目的是消除静差。只要偏差存在，积分作用将控制量向使偏差消除的方向移动。积分时间是表示积分作用强度的单位。仪表设定的积分时间越短，积分作用越强。例如仪表的积分时间设定为240秒时，表示对固定的偏差，积分作用的输出量达到和比例作用相同的输出量需要240秒。比例积分作用是使用最多的控制算法。对于湿度等测量滞后大的过程参数控制，可能需要加进微分作用，以改善调节质量。微分作用根据偏差产生的速度对输出量进行修正，使控制过程尽快回到原来的控制状态，微分时间表示微分作用强度的单位，仪表设定的微分时间越长，则以微分作用进行的修正越强。•3．5位式PID控制一般的PID控制是以连续的电流或电压输出到执行机构对系统进行控制。位式PID控制是仪表按一定的周期，通过控制接点的通断对系统进行控制。在一个周期内，接点的接通和断开的时间长短反映控制量的大小，操作量为100%时，接点在整个周期内完全接通，操作量为0%时，接点在整个周期内完全断开。3．6程序给定①模拟量输出（方式1）：输出信号的大小及变化斜率可以通过编程设定，编程通过设置参数进行，时间为相对时间。②模拟量输出（方式2）：按每日不同的时间段对应的输出给定值输出，最多可设32段时间，时间为绝对时间。③继电器输出：到每日不同的设定时间时，继电器吸合，吸合时间的长短可以设定，最多可设置32段时间，时间为绝对时间。每日循环。4．1外供电源①普通电源：一般用于给变送器或接近开关等传感器供电，输出值与标称值的误差小于±5%，负载能力大于50mA，可提供24VDC，12VDC，5VDC等规格②精密电压源：一般用于应变式压力、荷重传感器的供电，输出值与标称值的误差小于0.2%,稳定性高,温度漂移小。一般负载能力大于40mA，要配接1只传感器。配接多只并联的传感器时，需要加大负载能力。传感器串联时，必须配相应数量的独立电源③精密恒流源：一般用于扩散硅压力传感器的供电，或电阻测量，恒流值Î负载电阻一般不大于12V4．2变送输出变送输出一般包括测量值输出和运算输出：测量值输出：将测量值显示以电流或电压的方式输出，提供给其它的仪表、计算计采样板、PLC等输出的信号只与显示值相对应，是经过数字滤波、补偿运算、量纲转换、折线运算、零点满度修正后的结果，有清零（去皮）功能的产品，清零时变送输出也清零运算输出：1路或多路输入信号的加、减、乘、除、平均、最大选择，最小选择的输出，按用户提供的公式或算法运算结果的输出。输出类型：分为电流和电压电流：包括4mA~20mA，0mA~10mA，0mA~20mA，可以通过参数选择。电流输出的负载能力一般为750Ω。只要负载不超过额定值，输出电流不受负载电阻大小的影响电压：包括1V~5V，0V~5V，0V~10V。电压输出是电流输出在仪表内部通过精密电阻转换为电压输出。1V~5V，0V~5V的转换电阻为250