1、仪表基础知识,自动化讲义之一,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-19999999-1999950000-1999945000,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，
2、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：4mA20mA DC、0mA10mA DC、0mA20mA DC。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。
3、多数变送器的输出信号都是4m A20m A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1V5V DC、0V5V DC。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1.5m A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
4、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1128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
5、的波动和跳变 Y=Xn1/a+（1-1/a）Yn-1 Y滤波运算结果 Xn本次测量数据 滤波时间常数 n-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m V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
6、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:0.100Hz45.000Hz范围:0.01Hz 45.00Hz450.00Hz范围:0.
7、02Hz 450.0Hz4500.0Hz范围:0.2Hz 4500Hz25000Hz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
8、子开关在24V电压下以大于10m A为通、以小于2m A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,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
9、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515V，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50m A，电压小于30VDC,控制输
10、出信号技术说明,3.1 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
11、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。,32 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。,33 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。
12、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
13、过程中，当压力下降到灵敏度范围外时，点动补压。,34 PID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
14、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。,35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
15、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。,36程序给定 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。 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。 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。,41外供电源 外供电源是指由仪表提供给传感器、变送器的
16、电源，常用的有3类。 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50m A，可提供24V DC，12V DC，5V DC等规格 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40m A，要配接1只传感器。配接多只并联的传感器时，应在订货时说明，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 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，恒流值负载电阻一般不大于12V,42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
17、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4m A20m A，0m A10m A，0m A20m A，可以通过参数选择。电流输出的负载能力一般为750。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1V5V，0V5V，0V10V。电压输出是电流输出在仪
18、表内部通过精密电阻转换为电压输出。1V5V，0V5V的转换电阻为250，输出信号选择应选择4m A20m A或0m A20m A，0V10V输出的转换电阻为500，输出信号选择应选择0m A20m A由于存在转换电阻，要求接收电压信号的设备有较高的输入阻抗，一般应在300K以上，否则可能造成误差。如果接收设备的输入阻抗低，可在订货时注明，仪表将采用恒压输出的方式,43通讯接口 基本性能 类型：可在订货时选择RS-232、RS-485、RS-422接口 隔离：通讯接口均与其它部分隔离，以保证可靠性和抗干扰能力 格式：数据格式为10位，1位起始位，8位数据位，无奇偶校验位，1位停止位 波特率：标准
19、产品的波特率为2400、4800、9600、19.20K,可通过参数选择,低于2400的波特率需在订货时注明 速度：通过速度取决于通讯波特率和回答延迟。对读取测量值，读取输出的模拟量值，读取输入开关量、输出开关量状态等以“#”做为定界符的命令的回答延迟不大于500S，以保证高效率的数据传送。对其它命令的回答延迟不大于100ms 校验：校验采用传送数据的校验核方式，帮助检测从计算机至设备的命令错误和检测从设备到计算机的回答错误,通讯转换器 当仪表为RS-485接口时，在计算机侧一般需要配接RS-485到RS-232的转换器。 通讯转换器为非隔离型（C485）和全隔离多重保护型（JR485）两种，
20、建议选用全隔离多重保护型，以保证通讯的抗干扰能力和计算机的安全。 由于XS系列仪表的反应速度快，回答延迟很小，市场上一些通讯转换器的换向速度不够，易造成通讯故障，在选择时应注意。 其它 当仪表的通讯接口与无线数传模块或电台配接时，应注意对收/发控制的要求和延时的要求，另外要注意天线与仪表的距离及屏蔽，以免对仪表造成干扰 通讯接口除用于与计算机通讯外，也可以与其它智能设备通讯，但需要提供智能设备的通讯协议,44打印接口及打印单元 内置硬件时钟，停电不影响走时，自动调整闰年，大、小月 手动，手动+定时，手动+定时+报警三种打印方式通过设置选择 打印内容：时间（年、月、日、时、分），报警状态，测量值
21、，工程量单位 1台打印单元只能接1台仪表，需要1台打印单元配接多台仪表时，需选用智能打印单元 打印单元一般为16列字符型微型打印机 非标和OEM产品也常使用40列及带汉字库的打印机，按要求各式进行打印。,45记录单元 记录单元容量为4Mbit，可记录的次数与仪表测量通道数，显示位数相关，计算方法为2562（4位显示的仪表）或3（5位显示的仪表）通道数32048 例：XST系列记录次数为256424132048=26万次 XSE系列记录次数为256434132048=17万次 8通道XSL巡检仪记录次数为256424832048=32768次 记录的时间与设置的记录间隔相关，记录间隔以1秒1次到
22、59分59秒1次可设置 可通过设置选择循环和非循环两种工作方式。 通过通讯接口读取数据，有相应的支持软件。 记录单元一般在仪表内部，不能取出，也可以做成IC卡型，将数据记录在IC卡上。通过配套的数据读出单元将数据录入计算机。,5显示及操作说明 显示采用LED数码管，液晶或混合显示 LED显示有多种可供选择的面板形式，包括数字显示和光柱显示，LED常用的尺寸有0.360、0.390、0.50、0.560、0.60、0.80和10，也可按用户要求特殊设计面版 LED常用的有5位7段显示，2032字符显示、1632字符显示、240364点阵显示。可选择带背光,6、运算功能（1）、折线运算功能 （2）、积算功能：流量、电量、水量能量等仪表 （3）、温度、压力补偿运算 对传感器的温度补偿：有的传感器随温度的变化产生零点和满度的变化。 对测量介质的温度、压力补偿：高精度液体质量流量的计量（4）、加、减、乘、除、平均、比较等运算 （5）、零点、满度（量程）修正 （6）、数字滤波 （7）、清零,
