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类型计量仪表.ppt

  • 上传人:hyngb9260
  • 文档编号:4417742
  • 上传时间:2018-12-28
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    1、天然气自动化计量仪表,张少春,第一章 计量学基础知识,计量,过去在我国称为“度量衡”,其原始含义是关于长度、容积和质量的测量,主要器具是尺、斗和秤。尽管随着时代的前进,“度量衡”的概念和内容在不断地变化和充实,但仍难以摆脱历史遗留的局限性,不能适应科技、经济和社会发展的需要。于是,我国从50年代开始,便逐渐以“计量”取代了“度量衡”。可以说,“计量”是度量衡的发展;也有人称计量为“现代度量衡”。 为了认识计量,首先了解一下“量”。量是现象、物体或物质可定性区别和定量确定的一种属性。这是当前国际公认的说法。换句话说,自然界的一切事物都是由一定的“量”组成的,而且是通过“量”来体现的。因此,要认识

    2、自然、利用自然、改造自然为人类造福,就必须对各种量进行分析和确认,既要分清量的性质,又要确定其具体量值;而计量正是达到这种目的的重要手段。所以,可以说,计量是对“量”的定性分析和定量确定的过程。,一、基本概念,二、计量的特点,1、准确性(精确性),准确性是计量的基本特点。它表征的是计量结果与被测量的真值的接近程度。严格地说,只有量值,而无准确程度的结果,不是计量结果。也就是说,计量不仅应明确给出被测量的量值,而且还应给出该量值的不确定度(或误差范围),即准确性。更严格地说,还应注明计量结果的影响量的值或范围。否则,计量结果便不具备充分的社会实用价值。所谓量值的统一,也是指在一定准确程度内的统一

    3、。,2、一致性,计量单位的统一是量值一致的重要前提。无论在任何时间、任何地点,采用任何方法、使用任何器具以及任何人进行计量,只要符合有关计量的要求,计量结果就应在给定的不确定度(或误差范围)内一致。否则,计量将失去其社会意义。计量的一致性,不仅限于国内,而且也适用于国际。,3、溯源性,在实际工作中,由于目的和条件的不同,对计算结果的要求亦各不相同。但是,为使计量结果准确一致,所有的同种量值都必须由同一个计量基准(或原始标准)传递而来。换句话说,任何一个计量结果,都能通过连续的比较链溯源到计量基准。这就是溯源性。可以说,“溯源性”是“准确性”和“一致性”的技术归宗。,4、法制性,计量本身的社会性

    4、就要求有一定的法制保障。也就是说,量值的准确一致,不仅要有一定的技术手段,而且还要有相应的法律、法规的行政管理,特别是那些对国计民生有明显影响的计量,诸如社会安全、医疗保健、环境保护以及贸易结算中的计量,更必须有法制保障。否则,量值的准确一致便不能实现,计量的作用也就无法发挥。,三、计量的发展,1古典阶段,古典阶段是以权力和经验为主的初级阶段,没有或者没有充分的科学依据。作为最高依据的计量基准,多用人体的某一部分、动物的丝毛或某种能力、植物果实、乐器以及物品等。 例如,我国古代的“布手知尺”、“掬手为升”、“十发为程”、“十程为分”;英国的“码”,是英王亨利一世将其手臂向前平伸,从其鼻尖到指尖

    5、的距离;英尺是查理曼大帝的脚长;英亩是二牛同扼一日翻耕土地之面积,等等。,2经典阶段,从世界范围看,1875年“米制公约”的签定,可认为是经典阶段的开始。随着科学技术的进步和社会生产力的发展,计量基准已开始摆脱利用人体、自然物体等的原始状态,进入了以科学为基础的发展阶段。由于科技水平的限制,这个时期的计量基准都是在经典理论指导下的宏观器具或现象。例如,根据地球子午线长度的1/4的1/10 000 000,用铂铱合金制造的长度基准米原器;根据1立方分米的水在其密度最大时的温度下的质量,用铂铱合金制造的质量单位基准千克原器;根据两通电导线之间产生的作用力而定义的电流单位安培;根据地球围绕太阳的转动

    6、周期而确定的时间单位秒;等等。 这类宏观实物基准,随着时间的推移,由于物理的、化学的以及使用中的磨损等原因,难免发生微小的变化。另外,由于原理和技术的限制,该类基准的准确度亦难以大幅度提高,以致不能满足日益发展的社会需要。于是便提出了建立更稳定、更精确的新型计量基准的课题。,3现代阶段,现代阶段的基本标志是由经典理论为基础转为量子理论为基础,由宏观实物基准转为微观量子基准。建立在量子理论基础上的微观自然基准,或称量子基准,比宏观实物基准优越的多,更精确、更稳定可靠。因为,根据量子理论,微观世界的量,只能是跃进式的改变,而不可能发生任意的微小变化;同时,同一类物质的原子和分子都是严格一致的,不随

    7、时间和地点而改变。这就是微观世界的所谓稳定性和齐一性。量子基准就是利用了微观世界所固有的这种稳定性和齐一性而建立的。迄今为止,国际上已正式确立的量子基准有长度单位米基准、时间单位秒基准、电压单位伏特基准和电阻单位欧姆基准。,第二章 自动化仪表基础,天然气自动计量离不开自动控制仪表,随着电子技术和计算机技术的发展,自动控制技术也日新月异地推陈出新。本章主要介绍仪表的自动控制基本概念、接口技术、网络协议、现场总线、仪表安全性、可靠性等方面的知识。,一 、基本概念,1测量过程,测量过程是被测参数信号能量形式的一次或多次不断变换和传送,并将被测参数与其相对应的测量单位进行比较的过程。,2仪表,仪表是在

    8、测量过程中实现变换和比较的工具。,3测量链,测量链是指测量仪表或测量系统的系列单元,构成测量信号从输入到输出的通道,一般仪表由三部分组成:输入部分、中间变换部分、输出部分,通过测量链的分析可以加深对仪表的测量原理和性能理解,并更好地使用仪表。,4传感器,传感器是指测量仪表或测量链中直接受到测量作用的元件,如热电偶、压力传感器等,按测量原理分为电阻式、电容式、电感式、热电式、压电式、光电式等等。输出量为标准信号的传感器叫变送器,如压力变送器、温度变送器等。,第一节 自动仪表基本概念,5仪表常数,仪表常数是指为给出被测量的指示值或用于计算被测量的指示值,必须与测量仪表直接示值相乘的系数。如测量电阻

    9、欧姆,需要根据标准电阻不同的档位进行相乘,1、10、100、1k就是仪表常数。,6响应时间,响应时间是指激励受到规定的变化瞬间,与响应达到并保持其最终稳定值,两者之间的时间差。响应时间短表明指示灵敏快捷,有利于进行快速测量和调节控制。,7漂移,漂移是指测量仪表计量特性的慢变化。如有的仪表零点漂移,有的仪表发生量程漂移。产生漂移的原因主要是由于仪表本身性能的不稳定和环境温度、压力、湿度的变化或振动等等所引起的。,8灵敏度,灵敏度是指测量仪表响应的变化除以对应激励的变化,是反映仪表被测量(输入)的变化引起仪表示值(输出)的变化的程度,灵敏度并不是越高越好,为了读数方便,可以降低灵敏度,对于线性仪表

    10、:灵敏度公式如下:,式中:k传递系数,当响应y与激励x是同一量时,它就是放大系数。,9、响应时间,是指激励受到规定的变化瞬间,与响应达到并保持其最终稳定值,两者之间的时间差,响应时间短表明指示灵敏快捷,有利于进行快速测量和调节控制。,测量仪表保持其计量特性随时间恒定的能力,标准器的稳定性是特别重要的性能指标,测量仪表不稳定的原因是元器件的老化、零部件的磨损,维护不佳等。,10、稳定性,二、流量仪表的基本术语,流量范围指流量计可测的最大流量与最小流量的范围。正常使用条件下,在该范围内的测量误差不超过允许值。,1、流量范围,2、量程和范围度,流量范围内最大流量与最小流量值之差称为流量计的量程。最大

    11、流量与最小流量值的比值称为流量计的范围度,亦称为流量计的量程比。,3、压力损失,流量计的压力损失是指流体流过流量计及与流量计配套安装的其它阻力件时所引起的不可恢复的压力值。压力损失的大小是衡量一台流量计测量成本高低的一个重要技术指标。压力损失小,流体能消耗小,输运流体动力要求小,测量成本低。反之流体能消耗大,输运流体动力要求大,测量成本高,经济效益相应降低。,4、负载特性,是指电源电压与负载电阻的关系,一般都给出负载特性图,三、信号标准,使用电动单元组合仪表必须有统一的联络信号。我国目前使用两种信号制:,DDZIII型4-20mA,DDZII型0-10mA,采用直流信号是为了在传输过程中便于与

    12、干扰的交流感应信号相区别,不存在相移问题,且不受传输线路中的电感、电容和负载性质的限制,适于信号的远距离传输。,4-20mADC电流制是IEC推荐的国家公认的标准信号制,它以4mA表示信号的零点,以20mA表示信号的满度值,这个零点与流为零的零点是不同的,称4mA为“活零点”, 从而可以与仪表线路断线、电源失电等故障相区别开来,这种线制主要满足现场变送器两线制的需要,两线制是指将变送器供电电源线与变送器信号输出线合并起来,一共只用两根导线。一旦仪表电源给电,变送器内部将消耗一部分电流,活零点将信号电流与变送器本身的电流分开。,四、仪表性能,现代天然气自动计量过程中,需要将各种相关非电量的工艺参

    13、数转换为电量,即在一定范围内,需要信号转换部分输出的电信号与被测非电量有着一一对应的单值关系。,1、静态特性:,包括:线性度、灵敏度、滞后差、分辩率、精确度 静态特性曲线是指在静态测量时,仪表的输出量y与输入量x之间的关系曲线,其静态特性方程为:,式中:y 仪表的输入量x-仪表的输出量a0,an 标定系数,从上式可知,一般仪表的特性曲线是线性关系项的基础上叠加了高次项输入分量,如果高次项为零,则静态特性方程变为:,线性度:又称非线性误差,它是指仪表的静态特性曲线对参考直线的最大偏差与满量程的百分比。,灵敏度:在稳态下,测量系统输出与输入两信号的变化量之比值称为测量系统的灵敏度。,在测量中,我们

    14、需要提高测量系统的灵敏度,但灵敏度越高,越容易受到外界的干扰,测量系统的稳定性就越差,测量范围就受到了很大的限制。因此不能无止境地要求高灵敏度。,滞后差,正行程:输入量由小逐渐增大反行程:输入量由大逐渐减小测量中,对同一输入信号正反行程螦对应的输出信号的差称为滞后差,使测量仪表的示值发生变化的最小输入量的变化值叫分辨率。它体现仪表能够检测最小变化量的能力。分辨率越高,仪器的准确性越高。,分辩率,五、提高仪表可靠性的方法,(9)人机工程,(1)选用可靠的部件,(2)采用降低负荷或低损耗工作区使用技术,例如:对于元件,如果使用电压为额定电压的一半,则可靠性提高一个数量级。,(3)降低环境温度,(4

    15、)简化电路。,(5)减少元器件数量,(6)采用冗余技术,(7)提高机械部分的可靠性,增加接头,探头,运行部件的寿命,(8)进行漂移设计,第二节 自动控制原理,自动控制是指不要人为参与,自动地使控制量或生产过程在规定值或按指定的规律变化。天然气集输系统的自动化是实现天然气长输管线安全运行的基础,由于采用自动化,可以使远在几百千米外的输气阀门自动开启或关闭,按照生产调度指令自动调节输气量。自动化是企业现代化生产的标志,对保证产品质量、降低成本、确保安全有着十分重要意义。,一、自动控制系统工作原理,自动控制系统是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统,分为两大类。,1顺序控制系统,在发出工作指

    16、令后,控制系统自动地、顺序地完成一系列操作,以达到控制的目的。它分为时间顺序控制系统、逻辑顺序控制系统、条件顺序控制系统,例如PLC控制、时间继电器控制等等。,2反馈控制系统,将被控对象的输出信号,送入到输入端,再作用到被控对象本身的过程叫反馈。反馈控制系统是指将被控量与给定量进行比较,得到的偏差信号经放大后驱动执行器,以减小偏差,使被控量自动地恢复到和给定量一致,其原理如图4-1所示。,图4-1 反馈控制系统,下面以天然气输气流量的控制为例详细介绍反馈控制系统的工作过程,如图4-2所示。给定某用户的用气控制在10万m3,使用孔板流量计进行流量检测,并将流量检测结果反馈给调节器,与调节器刻度盘

    17、的设定值进行比较。当流量低于10万m3时,调节器根据偏差信号的大小给出相应的输出信号作为调节阀的操作信号,使调节阀的开度增大,输给用户的流量上升,当上升到超过给定值时,调节器又给出相反的输出信号控制调节阀关小,从而控制输送给用户的流量始终处于设定值的范围运行。,自动控制系统需满足三点要求:一是控制系统必须是稳定的,不稳定的系统,被控量会出现持续振荡;二是系统的过渡过程具有较好的快速性和适当的衰减振荡特性;第三是控制系统的输出量最终应准确地到达希望值。,以反馈原理为基础的理论称为经典控制理论。随着电子技术的飞速发展,由于高精度复杂控制系统的需要,使自动控制理论发展到了现代控制理论,包括非线性系统

    18、理论、最优控制、自适应控制、自学习控制等等,它在飞机驾驶、导弹制导、航空航天等领域起着非常重要的作用。,二、自动控制要素,1变送器,变送器是用于检测工艺参数如压力、温度、液位,并远传给控制室内的显示调节仪表。天然气流量变送器还有各式各样的检测装置,如孔板、喷嘴、涡街、超声换能器等等。,2调节器,调节器是将控制量与目标值进行比较,对应偏差给出操作输出信号,使控制量完成必要的修正的仪表。它能完成连续的PID调节(P比例、I积分、D微分),调节器的种类有多种,其基本结构如图4-3所示。,YS100单回路调节器使用液晶显示,直接显示趋势图和柱状图,可与计算机配套使用,仪表编程、测试简单易操作,除基本的

    19、PID调节外,可以使用非线性PID控制和带复位偏置的PID控制。,图4-3 YS-100调节器,3执行器,执行器接受调节器输出的控制信号,控制调节阀的动作,使阀产生上移或下移,改变被调介质的流量,从而把被调参数控制在所需要的范围之内。,图4-4,执行器分为气动、电动和液动三类。气动执行器又称气动调节阀,其基本原理见图4-4。当气动压力源施加到调节阀的薄膜上部时,薄膜受压变形下移,使阀芯向下移动,当与弹簧力相平衡后,决定了流体通过阀芯的流通面积,调节阀输出的控制信号越大,阀芯的开度也越大,从而被调介质的流量也越大。调节器的电信号通过阀门定位器将电信号转换为气信号控制阀芯的位置。,图4-4,4显示

    20、记录仪,显示记录仪用于显示和记录参数随时间而变化的情况,过去一般使用墨水笔在记录纸上书写的方法,分单笔记录仪、多笔记录仪,例如双波纹管差压计就是压力和差压的记录仪。随着技术的发展,现在一般使用无纸记录仪(如图4-5所示),它采用大容量固态存储器和彩色液晶显示器,可长时期保存现场数据,并用不同颜色和曲线显示各个变送器的信息和历史数据,提供报警输出。它可与上位机进行通信,仪表无易损机械部件,可靠性高。,图4-5 无纸记录仪,5报警器,为了使操作人员及时发现系统出现的异常情况,在自动控制系统中一般设有报警器。通过设定参数的控制高、低限,当参数出现超过控制限时,报警器的蜂鸣器和指示灯便立即进行声光报警

    21、。,第三节 仪表控制系统,一、仪表控制系统类型,随着计算机技术、控制技术、网络技术、通信技术和图形显示技术等高新技术的迅猛发展,仪表控制系统经历了几代的更新和完善。,1基地式仪表,基地式仪表的测量部分、转换部分、指示记录部分全部制作在一起,由操作人员进行调节控制量(即手动)。其特点是操作简单,成本低廉,但缺少现场与室内操作者的数据交换,测量准确度低,劳动力资源占用大。,2单元组合仪表,单元组合仪表从以电子管为主要元件的DDZ-I型发展到DDZ-型(晶体管型)和DDZ-型(集成电路型),这些仪表是模拟式仪表,应用模拟控制器,将指示调节与现场分离开来而进入到控制室,它是工业仪表的基础。,3计算机控

    22、制系统,应用D/A、A/D技术使生产过程的模拟信号通过数字计算机的控制软件进行集中控制,由计算机实现过程参数监视、调节、运算等功能,但由于生产控制权过于集中在一台主机上,严重存在着危险集中的问题,一旦主机发生故障必将影响整个系统,造成工厂停产或设备损坏等严重事故,因此计算机控制系统适用小型站的控制,不能用于较大的站控系统。,4集散控制系统,集散控制系统即DCS系统,它实质上就是一种分布式的计算机控制网络,用于实现操作集中管理、控制分散的测控方案。各计算机分别完成过程监测或过程控制,计算机之间用工业控制局域网连接,实现了管理集中、危险分散的目的,并有利于企业实现信息共享和现代化管理。,图4-8

    23、DCS基本结构,如图4-8所示为DCS的基本结构,整个系统由若干个站组成,各站均由独立的微处理器为核心,完成各自的控制功能,例如数据采集,过程监视,参数调节和优化,集中操作、显示和报警等等,这些站的计算机或设备按国际网络标准连接,实现系统的互联。系统某一部分出现故障不会影响其他部分的正常工作,从而使危险分散,加上采用了冗余技术使系统可靠性得到了很大提高。当过程控制系统与企业管理系统进行网络连接后,过程控制系统信息就为企业计划、财务、决策和监督提供了在线平台,使高层次计算机管理得以实现。,但DCS是一个既有模拟接口又有数字运算的混合系统,各制造厂的通信标准互不统一,互不兼容,制约了其进一步发展。

    24、,5现场总线控制系统,现场总线控制系统即FCS系统,所谓总线是指传递信息的公共通道,它是测量仪表与计算机的组成部分。现场总线是指将安装在现场的智能仪表和装置与控制室内的自动控制设备连接起来的全数字化、双向串行的多站通信网络。现场总线控制系统将成为21世纪的过程控制领域的主导产品。,如图4-9所示,它在一对传输线(铜导线、无线电或光缆等)上挂接多台现场控制设备,把具有数字计算和数字通信能力的各个测控仪表作为网络的节点,又通过网络将节点组装成一个完成的控制系统。双向传输多个数字信号,按公开、规范的通信协议实现数据传输和信息交换,实现数据采集、控制运算、显示报警、参数设置、系统优化等自动化功能。,图

    25、4-9 现场总线控制系统,与DCS相比,FCS有以下优点:,由于使用了智能现场变送器和执行器,避免了使用各种类型的接口卡,使硬件 减少;,现场设备并接在两根导线上进入控制室,布线大量减少,从而节省了大量控制柜分线盒,减少了安装施工和查线维护工作量;,现场智能设备自成控制系统,数据可以就地处理,减少了主机的负荷;,现场数字信号不但包括过程变量,还包括设备自诊断信号,使系统维护和校准非常方便;,由于设备减少和布线简单,系统故障大大减少,可靠性和安全性大大提高。,二、现场总线标准,现场总线目前还没有国际标准,各大公司、协会制定了自己的现场总线标准,主要有:HART通信协议、Profibus ,WOR

    26、D FIP,CAN,LON,ASI,ISP,Foundation等。,1 HART通信协议,(1)定义,HART协议是一种现场仪表间数据通信的标准,它是一种可寻址的远程传感器高速公路。HART协议的本质是在现有的420mA模拟信号的基础上,利用模拟信号载波数字调频信号实现数字信号通信。由于它的公开性和具有模拟信号与数字信号的兼容性,因而在仪表控制系统中得到了较为广泛的应用。,(2)HART协议的结构,它分三个层面,即物理层、数据链路层和应用层。,物理层:规定HART通信的物理信号方式和传输介质。HART协议采用了Bell202标准的FSK(Frequency Shift Keying)频率移动

    27、键控信号,即在420mA的标准模拟信号上叠加了幅度为0.5mA的正弦波调制信号,1200Hz代表逻辑“1”,2200Hz代表逻辑“0”。由于叠加的正弦波信号的平均值是零,所以不会干扰模拟信号(见图4-10)。,图4-10 HART协议信号图,HART协议的传输介质一般为双绞线或屏蔽双绞线,最好采用直径大于0.51mm的带屏蔽的双绞线。,数据链路层:规定数据帧格式和数据通信规程。数据帧基本格式最长可达25字节。HART协议为主从式通信系统,允许有两个主设备,最多可有15个从设备。从设备可寻址范围为015,当地址为0时,为点对点模式,智能变送器处于420mA与数据通信兼容的状态;当地址为115时,

    28、为点对多模式,智能变送器为全数字通信状态。智能变送器可以作为从设备应答主设备的询问,也可以处于“突发模式”,自动、连续地发送信息。HART协议的数据格式见表4-1。,表4-1 HART协议的数据格式,由于数据的有无、数据的长短并不固定,所以HART数据的长度是不一样的,最长可包含25个字节。,应用层:规定HART通信命令的内容。它分为三类:一是通用命令,适用于所有符合HART协议的产品,例如读取变送器的主变量单位等。二是普通的应用命令,适用于大部分符合HART协议的产品,不同公司的产品会有所不同,如写主变量单位、微调零位和增益等。三是特殊命令,产品独自开发的命令,互相不能兼容,如特征化,微调传

    29、感器校正等。,(3) HART通信模式有两种:一是应答式,即主设备向从设备发出命令而从设备必须予以答复,每秒钟可以交换两次数据。二是广播式:即无需设备发出请求而从设备自动连续地发出数据,传输速率可以得到提高。,2FF基金会现场总线,FF(Fieldbus Foundation)是适用于精密复杂智能现场仪表,功能性强的现场总线,包括H1和H2两部分。H1是低速现场总线,它定义了一个低速、带电链路的数字信号,其数据传输速度为31.25kB/s,传输距离为1900m,使用媒体为带屏蔽的双绞线,可挂接设备为32台,其标准为IEC1158-2;H2为高速现场总线,为一个高速不带电的链路,用于高级逻辑和控

    30、制应用中,其传输速度为12.5MB/s,传输距离为750m。,FF以开放系统互连模型(OSI)为基础,取其物理层、数据链路层、应用层、增加用户层,取消网络层、传输层和会话层。,(1)物理层的任务是接收来自数据链路层的数据,经再次加工并变成电信号进行传输,其通信信号是一个曼彻斯特代码信号(见图4-11),它是通过对基本电流信号在9mA范围内进行适当调制而获得的,现场总线信号的编码使用曼切斯特双相技术。该信号称为“同步序列”,因为始终信息已加于串行数据流之上。数据和时钟信号结合在一起即产生现场总线信号。现场总线信号接收端将时钟周期一半时的上跳沿解释为逻辑“O”,而将下跳沿解释为逻辑“1”。一般仍采

    31、用双电缆冗余来减少开路网络,在各支路上串联一定数值的电阻来防止短路网络。,图4-11 曼彻斯特技术编码,(2)数据链路层的任务是保证数据的完整性和决定何时与哪台设备对话。总线设备通过授权令牌或应答授权对总线进行访问。,(3)应用层主要定义现场总线的命令、响应、数据或事件的信息。,(4)用户层规定了标准的功能模块供用户组态生成系统,例如开关输入、模拟输入、PID控制、定时、分离器等等功能块,用户可以方便地进行自主地进行现场设备的特殊控制。,三、串行通信标准,计算机与外部信息交换称为通信,基本通信方式有并行通信和串行通信,并行通信是数据的各位同时传送,用于计算机内部数据交换。串行通信是数据一位一位

    32、顺序传送,因此只需要一条传送线,适用于远距离数据交换。不同的计算机的数据交换顺序以及交换的电压电平和电流应保持一致,以便使一个计算机系统发出的信息可被第二台计算机系统正确地理解和响应。为保证计算机之间的正确通信,美国电子工业协会制定了EIA RS232C、EIARS422、RS423、RS485标准;电气和电子工程师协会制定了IEEE488标准(是通用仪器的接口标准,适用于可编程仪表之间有限距离(20m)的数据传输);综合业务数据网(CCITT)编制了ISDN标准,它是一种采用脉冲码调制解调技术的数字网络,其设计目的是取代目前所有的模拟电话线和数据调制解调器,使全世界通信系统的接口标准得到基本

    33、统一。,1RS-232C,RS-232C是由美国电子工业协会与BELL公司一起开发的、最通用的串行通信标准。它是为远程通信数据终端设备(DTE,例如计算机)和数据通信设备(DCE,例如MODEM)的连接而设计的。它定义了接口的电气和机械特性及信号功能,其连接口有25针和9针两种,其基本管脚定义如下:,如果不需要两台数据终端(DTE)直接连接,可只使用3根线(发送线、接受线、信号地线)变可实现全双工异步串行通信,连接方式为:2-3、3-2 、7-7。,GND(pin#1):保护地TXD(pin#2):串行数据发送(对应9针的3#)RXD(pin#3):串行数据接收(对应9针的2#)RTS(pin

    34、#4):请求发送(对应9针的7#)CTS(pin#5):允许发送(对应9针的8#)DSR(pin#6):数据装置就绪(对应9针的6#)DTR(pin#20):数据终端就绪(对应9针的4#)DCD(pin#8):载波检测(对应9针的1#)SGND(pin#7):信号地(对应9针的5#)RI (pin#22):振铃指示线(对应9针的9#),2RS422C,为了改善RS-232C的单端收发与抗共模干扰能力差、传输速度低、距离短等不足,制定了新的RS422C接口标准。它与RS-232C的最大区别在于信号在导线上的传输方法不同(如图4-12所示),232C利用传输信号线与公共地之间的电压表示信号(-3到

    35、-25V表示”1”,+3到+25V表示 “0”);而422C是利用信号线之间的电压来表示信号,采用双线输,当A线比B线电平低-2V时,表示逻辑“1”,当A线比B线高+2V时,表示逻辑”0”。RS-422C由发送器、平衡连接电缆、电缆终端负载和接收器组成,标准规定只有一个发送器,但可以有多个接收器。,3RS-485,RS-485是一种平衡传输方式的串行接口标准,是RS-422C的变形标准(如图4-13所示)。其共线电路结构是在一对平衡传输的两端配置终端电阻,其发送器、接收器、组合收发器可以挂接在传输线的任何位置,传输线为带屏蔽层的双绞线,从而实现了在数据传输中多个驱动器和接收器共用同一传输线的多

    36、点应用(见图4-14所示),最多可挂接设备128台,传输距离达到1.2km。RS-485与RS-422C的不同是:RS-422C为全双工,采用两对平衡差分信号线分别用于发送和接收;而RS-485为半双工,只采用一对平衡差分信号线分别用于发送和接收,某一时刻,只有一个站点可以发送数据,其他站点只能接收。,图4-14 RS-485多点连接,利用RS-485可以构成环行数据链路,在多站或环路中的每一台设备均有唯一的地址标记,利用地址标记,每个工作站或设备只接收包含其专有的信息。几种串行通信标准比较见表4-2。,技能1 RS-485的使用,在实际应用中,为把远距离的多台带RS-232C接口的仪表或计算

    37、机连接起来,可以使用RS-232C/RS485转换器来解决。如图4-15所示,可将三台设备进行连接。,在使用时应注意:,(1)RS485的最好布线方式是采用主干总线上挂接分节点的T型连接。选择距离最远的两个节点之间的线路作为主干总线,其他节点则通过T型接头挂接到主干线上。也可采用串接布线,从节点1连接两芯到节点2,再从节点2连接两芯到节点3,以此类推,直到最远的节点。,(2)应尽可能使用双绞线作为通讯电缆。,(3)超过100米时,应在最远两端应各并联一个120的平衡端接电阻。G ND地线不是必须连接的。,四、MODBUS协议,1MODBUS协议定义,Modbus协议是应用工业控制的一种通用语言

    38、,通过此协议,控制器之间互相之间,控制器经由网络和其它设备之间可以通信。此协议定义了一个控制器能够认识使用的消息结果,而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一个控制器请求访问其它设备的过程,例如回应来自其它设备的请求,以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。,标准的Modbus使用一个RS-232C兼容的串行接口,采取主从通信技术,即仅有一台主设备能初始化传输(查询),其它设备根据主设备所提供的数据做出相应的反应。,2MODBUS传输方式,标准MODBUS网络通信应两种方式可以设置:ASCII和RTU模式,它定义了连续传输的消息段的每一位,以及决定怎样将信息打包成消息

    39、域和如何解码。在同一个网络中的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数(包括波特率、校验方式等)。,(1)ASCII模式:它的消息中的每个8Bit字节都作为两个ASCII字符发送。这种方式的优点在于字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误。其定义见表。,ASCII模式定义数据表,ASCII模式的消息以冒号(:)字符(3AH)开始,以回车换行(0DH,0AH)结束。功能代码是告知从设备要执行何种功能,例如03是要求从设备读保持寄存器并返回它们的内容。数据段告知从设备何种寄存器开始读以及要读的寄存器数量。使用LRC(纵向冗长检测)方法对消息内容进行数据校验。,地址是设备的标识,消息中的地址域包括

    40、两个字符,可能的设备地址为0247(十进制),地址0用作广播式,以使所有的从设备都能知道。主设备通过将要联络的从设备的地址放入消息中来选通从设备,当从设备发送回消息时,它把自己的地址放入回应的地址域中,以便主设备知道是哪一设备作出的回应。,ASCII模式的代码系统为十六进制,每个字节包含1个起始位、7个数据位、1个校验位、1个停止位。,(2)RTU模式:它定义在消息中的每个8Bit字节都包含两个4Bit的十六进制字符。这种方式的优点在于在同样的波特率下,可比ASCII方式传送更多的数据。其定义见表。,RTU模式定义数据表,使用RTU模式,消息发送至少要以3.5个字符时间的停顿间隔开始。网络设备

    41、不断侦测网络总线,包括停顿间隔时间内。当第一个地址域接收到,每台设备都进行解码并判断是否发给自己。在最后一个传输字符之后,一个至少3.5字符的时间停顿标志消息的结束。当选用RTU模式时,错误检测域是通过对消息内容进行循环冗长检测(CRC)得到的。如果发生错误,功能代码将被修改以用于指出回应消息是错误的,同时数据段包含了描述此错误信息的代码。,RTU模式的代码系统为8位二进制,消息中的每个8位域都是一个两个十六进制字符组成的,每个字节包含1个起始位、8个数据位、1个校验位、1个停止位。,第四节 测量系统可靠性分析,可靠性是指系统在规定条件和规定的时间内,完成测量任务的能力,它是测量系统长期稳定运

    42、行的可靠程度。可靠性是仪表及测量系统的重要指标,它对生产过程的稳定运行、安全运行和企业经济效益起着重要的作用。要做到系统绝对不出故障是不可能的,但人们可以通过各种办法容错或避错。当系统出现故障时,利用外加资源的冗余技术来达到掩蔽故障的影响,使系统处于一种连续运行状态。,一、可靠性评价方法,1可靠率,可靠率是在规定时间内和规定条件下,仪表完成规定任务的成功概率,也可称可靠度。一批仪表运行时间t内,其可靠率为:,式中:R(t)仪表的可靠率,它是随时间t变化的量,当t=0时,R(t)=1;N同种仪表总台数; S(t)正常工作的仪表的台数,时间越长,S(t)越小。,例如,某类仪表共有100台,在工作时

    43、间为1000小时,有2台发生故障,则该仪表的千小时可靠率为0.98 。,2失效率,失效率是指仪表运行到时间t后单位时间内发生故障的仪表台数与完好仪表台数之比。有时也称之为故障率。如果N台仪表可靠率为R(t),在t时刻到t+t时刻的失效仪表台数为NR(t)-R(t+t),单位时间的失效率为:,上式的微分形式为:,积分后得:,当可靠率已知时,就可利用上式计算失效率,其变化规律是典型的“浴盆曲线”(如图4-16所示),共分三个时期:早期失效期:仪表刚投入使用时,由于部分元器件的固有缺陷和工艺缺陷,失效率较高;偶然失效期:仪表故障很少且平均失效率为常数;耗损故障期:元器件寿命已到,失效率开始增加。“新

    44、浴盆曲线”认为偶然失效期是一个无故障或畸变失效期。利用曲线可以了解仪表的失效规律,给预防性维护提供方便。,失效率也可用下式进行计算:,式中:仪表失效数量;h仪表运行时间,h;N仪表运行台数。,例如:有50台仪表运行2000 h,有2台仪表失效,则失效率为:210-5失效数/h。,3平均故障间隔时间,平均故障间隔时间(MTBF)是指仪表前次故障与再次故障的间隔时间的长短,有时也称“平均无故障时间”或平均寿命(MTTF),有如下的关系式:,例如:500台仪器运行2000 h,累计出现10次故障,则MTBF=105h,目前国产1151变送器的MTBF已超过50万h。,二、提高测量系统可靠性的方法,1

    45、选用可靠的仪表,测量系统的基本单元是仪表,如果仪表本身能可靠运行,则测量系统的可靠性就有了充分的保证。例如,天然气流量测量系统就需要选用可靠性高的压力变送器、差压变送器才能保证数据检测的连续性,保证天然气流量数据能按秒进行累积,如果中途中断计量势必影响计量任务的完成并引起不必要的计量纠纷。,2采用冗余技术,所谓冗余是为了保证整个系统在局部发生故障时仍能正常工作,而在系统中设置备份部件,发生故障时启动备份部件投入运行,使系统连续稳定运行。一般可采用三种方式。,(1)串联系统:将两个功能相同的仪表或系统串联运行,相当于计量系统的比对,提高了测量系统的可信度,但串联系统的可靠率计算为:,(2)并联双

    46、机热备:例如两台工控机控制的仪表系统,两台工控机互相独立,其中一台完成系统检测和控制任务,另一台处于待命状态,当发现主机发生故障,备份机自动切换运行。并联系统的可靠率计算为:,例如:三台可靠性为0.9的罗茨流量计并联使用时,测量系统的可靠率为0.999;而当其串联使用时,一台出现故障,系统将停止运行,可靠率仅为0.729。,(3)冷备份:所备份的仪表或部件平时不加电,将它们保存在仪表间,当系统出现故障时再安装投入运行。例如差压式流量计中的备用变送器就起到了冷备份的作用。,3测量系统的备用电源,天然气自动计量系统一般都采用电动仪表,因此,电源的可靠性成了测量系统可靠性的关键因素。特别是大多数集配

    47、气站处于偏僻的乡村,供电系统的电压不稳,限电拉闸,加上不法分子窃电造成的断电事故,均会造成自动计量系统运行中断,因此,对于供电系统不正常的测量系统,应在考虑UPS(其原理如图4-17所示)的基础上,考虑双电源,如果可能,考虑在自动计量的基础上并联运行一套基地式仪表。,图4-17 UPS原理图,4提供适宜的环境条件,环境条件对测量仪表可能造成不同的影响,例如:温度变化将造成胀缩应力;湿度过高容易产生锈蚀,过低容易产生静电干扰;腐蚀性气体将造成电路板和元器件引线腐蚀;灰尘将改变分布电导,造成仪表损坏(现场出现过因农忙扬麦期间,由于没有防尘措施,造成工业计算机风扇堵塞停运,自动计量中断的故障);振动

    48、使元器件引线折断,绝缘层遭破坏。虽然有些仪表可能是耐高温、或是耐低温、或是抗振动的仪表,但给仪表提供适宜的环境条件将有助于提高仪表的可靠性。例如:将现场测量仪表安装在保温箱内,可以降低环境温度,给仪表测量管路安装伴热带,可以提高仪表冬季运行的连续性,将仪表远离振源安装可以使仪表部件寿命更长,减少对信号的干扰,室内温度、湿度、灰尘的控制对提高仪表的可靠性也能起到很好的作用。,5方便维护设计,仪表都要进行周期性维护和检定校准,在检定校准时一般都要进行管路拆卸和安装,非常容易损坏仪表的接头部分,造成仪表因密封失效而停止工作,因此,应在仪表安装设计时,考虑周全。例如,对于差压变送器设计多通道阀组,预先

    49、留有校准管路的接口阀门,从而在校准时不必要拆卸就可完成校准任务。,第四节 仪表的安全性能,用于天然气测控的仪表,使用场合属于易燃易爆的危险环境,因此安装于现场的仪表必须安全可靠,将现场分为安全场所和非安全场所,仪表也分为防爆仪表和非防爆仪表。,、防爆性能,1防爆标准,国家有关防爆标准包括: GB 3836.183爆炸性环境用防爆电气设备通用要求 GB 3836.283爆炸性环境用防爆电气设备隔爆型电气设备“d” GB 3836.483爆炸性环境用防爆电气设备本质安全型电路和电气设备“i”,2防爆型式,国家标准规定防爆型式有8种,其代号见表4-5,常见的防爆型式有以下两种 :,(1)隔爆型,隔爆型仪表阻止爆炸性气体向外传爆,其表壳内部可能发生爆炸,但由于各部件之间的结合面都是严密不漏的,外壳能承受爆炸压力,所以能防止传爆到仪表表壳以外。,隔爆型的安装与室内的配电器相连接,现场必须对仪表进行很好的接地,电缆通过一个隔爆密封的接头与防爆金属导线管连接。,(2)本质安全型(简称本安型),本安型仪表通过限制电气参数,虽然在故障状态下可能产生电弧或电火花,但由于火花能量有限,不能点燃周围的爆炸性气体。,

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