1、控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄1第三章第三章 變送器變送器 變送器在自動檢測和控制系統中的作用，變送器在自動檢測和控制系統中的作用，是將各種工藝參數，如溫度、壓力、流量、是將各種工藝參數，如溫度、壓力、流量、液位、成分等物理量轉換成統一的標準信號，液位、成分等物理量轉換成統一的標準信號，以供顯示、記錄或控制之用以供顯示、記錄或控制之用 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄2分類分類 ：差壓變送器差壓變送器 壓力變送

2、器壓力變送器 溫度變送器溫度變送器 液位變送器液位變送器 流量變送器流量變送器等等按被測參數按被測參數控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄3minminmaxminmax)(yyyxxxy變送器的理想輸入輸出特性變送器的理想輸入輸出特性 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄4 3.1. 概述概述 變送器的構成原理變送器的構成原理 模擬式變送器的構成原理模擬式變送器的構成原理 數字式變送器的構成原理數字式變送器的構成原理

3、控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄5 模擬式變送器的構成原理模擬式變送器的構成原理模擬式變送器的組成模擬式變送器的組成 測量部分測量部分 放大器放大器 反饋部分反饋部分 零點調整和零點遷移零點調整和零點遷移 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄6當滿足 1的條件時 ffiKzxKKy0 模擬式變送器的輸入輸出關系模擬式變送器的輸入輸出關系 ffiKKKzKKxKKy110模擬式變送器的理想 輸入輸出特性fKK控制儀表和

4、計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄7 在小型電子式變送器中，反饋部分在小型電子式變送器中，反饋部分往往僅由幾個電阻和電位器構成，因此往往僅由幾個電阻和電位器構成，因此常把反饋部分和放大器合在一起作為一常把反饋部分和放大器合在一起作為一個負反饋放大部分看待；或者將反饋部個負反饋放大部分看待；或者將反饋部分和放大器合做在一塊芯片內，這樣變分和放大器合做在一塊芯片內，這樣變送器即可看成由送器即可看成由測量部分和放大器兩部測量部分和放大器兩部分組成。分組成。另外，另外，調零和零點遷移環節也調零和零點遷移環節也常常合并在放大

5、器中。常常合并在放大器中。 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄8 數字式變送器組成數字式變送器組成:二大部分二大部分軟軟 件件包括系統程序和包括系統程序和功能模塊功能模塊硬件電路硬件電路以微處理器以微處理器CPU為核心為核心 數字式變送器的構成原理數字式變送器的構成原理 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄9數字式變送器的硬件構成數字式變送器的硬件構成控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學院自動

6、化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄10 智能式變送器還配置有智能式變送器還配置有手持終端手持終端( (外外部數據設定器或組態器部數據設定器或組態器) )，用于對變送器用于對變送器參數進行設定，如設定變送器的型號、參數進行設定，如設定變送器的型號、量程調整、零點調整、輸入信號選擇、量程調整、零點調整、輸入信號選擇、輸出信號選擇、工程單位選擇和阻尼時輸出信號選擇、工程單位選擇和阻尼時間常數設定以及自診斷等間常數設定以及自診斷等。 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄11 數字式變送器的軟件

7、構成數字式變送器的軟件構成包括系統程序和包括系統程序和功能模塊功能模塊系統程序系統程序: 對對變送變送器硬件的各部分電路進行器硬件的各部分電路進行管理，并使管理，并使變送變送器能完成最基本的功器能完成最基本的功能，如模擬信號和數字信號的轉換、能，如模擬信號和數字信號的轉換、數據通信、數據通信、變送變送器自檢等器自檢等 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄12功能模塊可能有：功能模塊可能有：資源模塊資源模塊 變量轉換變量轉換 模擬輸入模擬輸入 量程自動切量程自動切換換 非線性校正非線性校正 溫度誤差校溫度誤差

8、校正正 阻尼時間設阻尼時間設定定 顯示轉換顯示轉換 運算功能運算功能 PID PID 控制功控制功能能 警報警報 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄133.1.2 變送器的一些共性問題變送器的一些共性問題 量程調整量程調整 零點調整和零點遷移零點調整和零點遷移 線性化線性化 變送器信號傳輸方式變送器信號傳輸方式 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄14 3.1.2.1. 3.1.2.1. 量程調整量程調整 使變送器的輸

9、出信號上限值使變送器的輸出信號上限值ymax與測量范圍的與測量范圍的上限值上限值xmax相對應相對應 量程調整相當于量程調整相當于改變變送器的輸入輸改變變送器的輸入輸出特性的斜率，也就出特性的斜率，也就是改變是改變變送器輸出信變送器輸出信號號y與輸入信號與輸入信號x之間之間的比例系數的比例系數 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄15量程調整的方法量程調整的方法 模擬式變送器模擬式變送器 改變反饋部分的反饋系數改變反饋部分的反饋系數 改變測量部分轉換系數改變測量部分轉換系數 軟件實現軟件實現 數字式變送器數

10、字式變送器控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄16 3.1.2.2.3.1.2.2.零點調整和零點遷移零點調整和零點遷移 使變送器的輸出信號下限值使變送器的輸出信號下限值ymia與測量范圍的下限值與測量范圍的下限值xmin相對應相對應 零點調整使變送器的測量起始點為零零點調整使變送器的測量起始點為零在在xmin=0時，稱為零點調整；在時，稱為零點調整；在xmin0時，稱為零點遷移時，稱為零點遷移零點遷移是把測量的起始點由零遷移到某一數值零點遷移是把測量的起始點由零遷移到某一數值:當測量的起始點由零變為某一正

11、值，稱為正遷移當測量的起始點由零變為某一正值，稱為正遷移當測量的起始點由零變為某一負值，稱為負遷移當測量的起始點由零變為某一負值，稱為負遷移控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄17 零點調整和零點遷移的方法零點調整和零點遷移的方法 零點遷移，再輔以量程調整，可以提高零點遷移，再輔以量程調整，可以提高儀表的測量精度儀表的測量精度 。模擬式變送器模擬式變送器 改變放大器輸入端上的調零信號改變放大器輸入端上的調零信號z z0 0 數字式變送器數字式變送器 軟件實現軟件實現 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機

12、控制裝置廣東石油化工學院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄18 3.1.2.3. 3.1.2.3. 線性化線性化 原因原因：傳傳感器組件的輸出信號與被測參數感器組件的輸出信號與被測參數之間往往存在著非線性關系之間往往存在著非線性關系模擬式變送器非線性補償方法模擬式變送器非線性補償方法: 使反饋部分與傳使反饋部分與傳感器組件感器組件具有相同的非線性特性具有相同的非線性特性 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄19使使測量部分測量部分與傳與傳感器組件感器組件具有相反的非線性特性具有相反

13、的非線性特性 數字式變送器數字式變送器 非線性補償方法非線性補償方法: 軟件實現軟件實現 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄20 3.1.2.4.變送器信號傳輸方式變送器信號傳輸方式 氣動變送器：兩根氣動管線氣動變送器：兩根氣動管線 電動模擬式變送器：二線制電動模擬式變送器：二線制 四線制四線制 HART通訊通訊協議方式協議方式 數字式變送器：數字式變送器：雙向全數字量傳輸信號雙向全數字量傳輸信號 ( (現場總線通信方式現場總線通信方式 ) )控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學

14、院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄21電動模擬式變送器信號傳輸方式電動模擬式變送器信號傳輸方式 二根導線同時傳送變送器所需的電源和輸出電流二根導線同時傳送變送器所需的電源和輸出電流信號信號 二線制二線制 四線制傳輸四線制傳輸供電電源和輸出信號分別用二根導線傳輸供電電源和輸出信號分別用二根導線傳輸 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄22優點：優點： 節省連接電纜、有利于安全防爆和抗干擾節省連接電纜、有利于安全防爆和抗干擾 條件：條件： 工作電流：工作電流： minII0工作電壓工

15、作電壓：)R(IEVmaxLmaxminT0二線制二線制最小有效功率最小有效功率P: PI0min (Emin-I0miaRLmax)控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄23 數字式變送器信號傳輸方式數字式變送器信號傳輸方式 在一條電纜上同時傳輸在一條電纜上同時傳輸4 420mA20mA的模擬信號的模擬信號和數字信號和數字信號HART通訊協議通訊協議 :物理層物理層 數據鏈路層數據鏈路層 應用層應用層 HART通信協議是依照國際標準化組織通信協議是依照國際標準化組織(ISO)的開放式的開放式系統互連系統互連

16、(OSI)參考模型，簡化并引用其中三層：參考模型，簡化并引用其中三層： 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄24 物理層物理層 規定了信號的傳輸方法和傳輸介質規定了信號的傳輸方法和傳輸介質傳送速率為傳送速率為1200 bit/sbit/s 信號傳輸：信號傳輸：基于基于Bell 202 通訊標準，采用頻移鍵控通訊標準，采用頻移鍵控(FSK)方法，在方法，在420mA基礎上疊加幅度為基礎上疊加幅度為0.5mA的正弦調制波作為數字信號的正弦調制波作為數字信號控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油

17、化工學院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄25傳輸介質傳輸介質: 單芯帶屏蔽雙絞電纜單芯帶屏蔽雙絞電纜 3000米米 多芯帶屏蔽雙絞電纜多芯帶屏蔽雙絞電纜 1500米米 短距離可使用非屏蔽電纜短距離可使用非屏蔽電纜 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄26 數據鏈路層數據鏈路層 規定了數據幀的格式和數據通訊規程規定了數據幀的格式和數據通訊規程定界符定義了幀的類型和尋址格式定界符定義了幀的類型和尋址格式 地址有短格式和長格式地址有短格式和長格式 響應碼在變送器向主設備通信時才有，表示

18、數據響應碼在變送器向主設備通信時才有，表示數據通信狀態和變送器工作狀態通信狀態和變送器工作狀態 數據幀數據幀格式：格式：由鏈路同步信息、尋址信息、用戶信息及由鏈路同步信息、尋址信息、用戶信息及校驗和組成校驗和組成控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄27 HART協議按主協議按主/從方式通訊，這意味著只有在主從方式通訊，這意味著只有在主站呼叫時，現場設備（從站）才傳送信息有三種通訊站呼叫時，現場設備（從站）才傳送信息有三種通訊模式：模式： 點對點模式點對點模式-在一條電纜上傳輸在一條電纜上傳輸4 420mAD

19、C20mADC的的 模擬信號和數字信號模擬信號和數字信號 多點模式多點模式-一條電纜連接多個一條電纜連接多個現場設備，這是現場設備，這是 全數字通信模式全數字通信模式 陣發模式陣發模式-允許總線上單一的從站自動、連續允許總線上單一的從站自動、連續 地發送一個標準的地發送一個標準的HART HART 響應信息響應信息 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄28應用層應用層 規定了通訊命令的內容規定了通訊命令的內容 命令命令類型：類型： 通用命令通用命令 適用于所有符合適用于所有符合HART協議的現場儀表協議的現

20、場儀表 通用操作命令通用操作命令 適用于大部分符合適用于大部分符合HART協議的現場儀表協議的現場儀表 特殊命令特殊命令 各制造廠的產品自己所特有的命令各制造廠的產品自己所特有的命令 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄29HART通訊方式的實現方法通訊方式的實現方法 輸出波形整形電路輸出波形整形電路: 滿足滿足HART物理層規范所要求的信號波形上升沿物理層規范所要求的信號波形上升沿/下降下降沿的時間，較平緩的上升沿沿的時間，較平緩的上升沿/下降沿的時間可以降低與其它下降沿的時間可以降低與其它HART網絡間

21、的串網絡間的串擾擾帶通濾波器帶通濾波器: 抑制接收信號中的感應噪聲，其頻寬大約為抑制接收信號中的感應噪聲，其頻寬大約為1200 Hz2200Hz控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄30 HARTHART通訊模塊通訊模塊HART通訊模塊實現二進制的數字信號與通訊模塊實現二進制的數字信號與FSK信號之間信號之間的相互轉換的相互轉換 HT2012功能框圖 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄31 調制器調制器 ITXD：二進制數字信號輸入：二進制數字信號輸入 OXTA：FSK信號輸出信號輸出解調器解調器 IRXA：FSK信號輸入信號輸入(由信號回路由信號回路) ORXD：二進制數字信號輸出：二進制數字信號輸出高電平高電平“1” ，解調器工作，調制器輸出呈高阻狀態。，解調器工作，調制器輸出呈高阻狀態。低電平低電平“0” ，調制器工作，解調器輸，調制器工作