dcs硬件系統(tǒng)原理、指標(biāo)、試驗(yàn)和應(yīng)用

1、DCS硬件系統(tǒng)——原理、指標(biāo)、試驗(yàn)和應(yīng)用,課程目標(biāo),本課程結(jié)束后，應(yīng)達(dá)到下列目標(biāo)：基本了解DCS硬件系統(tǒng)的組成和原理熟悉DCS硬件系統(tǒng)各主要模塊的技術(shù)指標(biāo)了解DCS硬件指標(biāo)的試驗(yàn)和測試方法初步了解DCS硬件系統(tǒng)的工程應(yīng)用設(shè)計(jì)初步了解DCS硬件系統(tǒng)的可靠性和完全性減小或消除DCS用戶和制造商之間的信息不對稱性,課程建議,少看書少記錄多建議多懷疑課上交流清楚，課后一身輕松。,內(nèi)容提綱,DCS硬件組成主控制器

2、AI設(shè)備AO設(shè)備DI設(shè)備SOE設(shè)備DO設(shè)備,PI設(shè)備電源設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組態(tài)與人機(jī)接口DCS硬件可靠性與安全性,典型DCS系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu),,通訊介質(zhì)轉(zhuǎn)換,控制網(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),Distributed & Decentralized,DCS硬件體系發(fā)展趨勢,邏輯分布:即傳統(tǒng)DCS中“D”的含義Distributed.地域分散:現(xiàn)場總線分布式I/O構(gòu)成的DCS的“D”的還應(yīng)增加一層含義Decen

3、tralized.滿足現(xiàn)狀：4-20mA模擬儀表仍占主流連通未來：現(xiàn)場總線智能儀表開始緩慢增長開放性：主控制器可以掛接其它開放的I/O系統(tǒng)，I/O模塊也可以掛接到其它開放的主控制器上。開放性是制造商對用戶的責(zé)任，它將在未來節(jié)省用戶大量的后續(xù)投資。,過程控制器的發(fā)展趨勢：獨(dú)立于I/O存在,物理結(jié)構(gòu)：可獨(dú)立安裝上行網(wǎng)絡(luò)：以太網(wǎng)一統(tǒng)天下下行網(wǎng)絡(luò)：支持多種主流的現(xiàn)場總線控制軟件：向上獨(dú)立于HMI，向下獨(dú)立于I/O采集通訊協(xié)議：可同

4、時(shí)支持多種通訊鏈路混合應(yīng)用：兼顧流程工業(yè)和離散制造業(yè)特點(diǎn)HMI接口：可支持其它商用的HMI軟件編程語言：IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)：微內(nèi)核實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),隨著用戶對DCS的深入了解，單純以主頻來評價(jià)控制器的時(shí)代過去了。,過程控制I/O的發(fā)展趨勢：2S,智能化（Smarter)：不僅是加單片機(jī)支持現(xiàn)場總線，可節(jié)省電纜。支持開放協(xié)議，易于集成。支持軟件設(shè)定，免跳線，避免更換模塊時(shí)誤操作。自診斷，便于維護(hù)。小型化（Sm

5、aller)：不僅是減小尺寸拋棄專用機(jī)籠，適合現(xiàn)場安裝。一般采用導(dǎo)軌安裝方式模塊化、全封閉、小尺寸結(jié)構(gòu)熱插拔，且插拔方便低功耗集成更多的功能,Smarter & Smaller,操作層設(shè)備：緊跟主流商用機(jī),商用機(jī)的可靠性已經(jīng)滿足大多數(shù)場合的需要工控機(jī)的采購量在縮小專用計(jì)算機(jī)已經(jīng)沒有市場甚至操作層計(jì)算機(jī)可由用戶自行選購,鑒于上述原因，對操作層設(shè)備不再介紹。我們需要關(guān)注的重點(diǎn)是：I/O和控制器,主控制器（Mai

6、n Control Unit）,,MCU各部件的功能,CPU系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口控制網(wǎng)絡(luò)接口固態(tài)盤SRAM電池冗余控制電路電源電路,冗余分類：DMR與TMR,模塊1,模塊2,,,,,,,,,模塊1,模塊2,,,,,,,,,模塊3,,,雙模冗余DMR－Dual Module Redundancy,三模冗余TMR－Triple Module Redundancy,冗余分類：同構(gòu)冗余與異構(gòu)冗余,用不同的物理實(shí)現(xiàn)原理來構(gòu)建冗余個(gè)體。

7、目的：防止共因故障。,冗余分類：備用式冗余與表決式冗余,模塊1,模塊2,,,,,,,,模塊1,模塊2,,,,,,,,表決器,選擇器,,,狀態(tài),指令,指令,輸出,輸出,指令,指令,輸入,輸入,備用式冗余Backup Redundancy,表決式冗余Voting Redundancy,備用式冗余的三種方式,冷備用（Cold Backup）溫備用（Warm Backup）熱備用（Hot Backup）,雙模和三模表決冗余(DMR&am

8、p;TMR),模塊1,模塊2,表決器,,,,輸出,模塊1,模塊2,表決器,,,,輸出,模塊3,,雙模表決冗余（2取2系統(tǒng)）（2 out of 2）（2oo2）,三模表決冗余（3取2系統(tǒng)）（2 out of 3）（2oo3）,主備雙模表決冗余系統(tǒng),模塊3,模塊4,表決器,,,,B輸出,模塊1,模塊2,表決器,,,,A輸出,,,輸出互鎖選擇器,,輸出,A機(jī),B機(jī),,,互鎖信號,互鎖信號,主,備,備用式冗余系統(tǒng)的關(guān)鍵性能：無擾切

9、換,什么是無擾切換？理論上如何保證無擾切換：時(shí)間相關(guān)量處理數(shù)據(jù)周期拷貝法運(yùn)算周期同步法,表決冗余的關(guān)鍵：故障安全,什么是故障安全（Fail－safe）？如何實(shí)現(xiàn)故障安全冗余：硬件冗余、軟件冗余、信息冗余、時(shí)間冗余。表決同步重構(gòu)診斷避錯(cuò)檢錯(cuò)糾錯(cuò)重試重啟,故障安全準(zhǔn)則（1）,（1）每個(gè)安全性相關(guān)的模塊必須經(jīng)過充分的分析和測試。（2）每個(gè)安全相關(guān)功能，應(yīng)該冗余運(yùn)行（推薦）。（3）如果軟件的正確性不能得到證明，必

10、須由兩個(gè)以上的多樣性設(shè)計(jì)版本冗余運(yùn)行。（4）在合適的時(shí)間內(nèi)，應(yīng)周期性進(jìn)行軟件數(shù)據(jù)正確性檢查。（5）每個(gè)程序模塊在執(zhí)行前和執(zhí)行后都應(yīng)檢查確保前導(dǎo)模塊和后續(xù)模塊的順序確實(shí)正確。（6）采用雙份存儲(chǔ)、AA和55分別表示邏輯1和0等信息冗余措施，保證安全變量存儲(chǔ)的完整性。（7）所有安全相關(guān)的數(shù)值，不能由人工輸入。（8）通過讀寫測試，保證RAM的正確性。,故障安全準(zhǔn)則（2）,（9）通過校驗(yàn)碼測試，保證ROM的正確性。（10） 

11、     推薦采取措施，保證CPU指令執(zhí)行的完整性（針對多字節(jié)指令）。（11）      通過比較，保證時(shí)鐘和定時(shí)器的正確性。（12）      采用校驗(yàn)碼等措施，保證通訊鏈路的正確性。（13）      保證系統(tǒng)中斷執(zhí)行過程的完整性。（14

12、）      在重要的校驗(yàn)過程中使用的定時(shí)器，（15）      必須采用WDT防止程序進(jìn)入死循環(huán)或停止運(yùn)行。（16）      CPU死機(jī)不會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)側(cè)輸出。,故障安全準(zhǔn)則（3）,（17）      所有關(guān)系到系統(tǒng)安全的變量應(yīng)在數(shù)據(jù)結(jié)

13、構(gòu)中明確其安全側(cè)取值和危險(xiǎn)側(cè)取值。（18）      在所有的條件判斷語句中，應(yīng)選擇危險(xiǎn)側(cè)變量來判別。（19）      同一工藝環(huán)節(jié)的聯(lián)鎖邏輯不宜分散到各站中運(yùn)行。（20）      系統(tǒng)檢測到失效時(shí)，必須嚴(yán)格導(dǎo)向安全側(cè)（如果停機(jī)是安全的，則必須停機(jī)）。（21） 

14、60;    任何硬件故障必須立即得到反映，不能造成故障積累而發(fā)生事故。（22）金屬膜電阻不考慮阻值減小，電感不考慮消失，雙IC電路不考慮同時(shí)損壞。,主控制器（MCU）的指標(biāo),CPU及外圍芯片（Pentium…，越高越好？）容量速度負(fù)荷率實(shí)時(shí)性功耗,DCS的系統(tǒng)容量,機(jī)柜容量電源容量網(wǎng)絡(luò)容量主控容量計(jì)算DCS系統(tǒng)容量時(shí)，必須同時(shí)滿足上述限制條件,主控制器容量,程序容量網(wǎng)絡(luò)容量,主控制器

15、容量：程序容量,程序容量一般用控制方案頁數(shù)量來大致描述，它由固態(tài)盤容量、SRAM容量和內(nèi)存容量決定。,網(wǎng)絡(luò)容量的基本概念：波特率,波特率(Baud Rate)——也稱位速率，是描述通訊線路上位流（0/1流）速度的指標(biāo)。波特率定義：波特率等于一段連續(xù)的比特流的比特?cái)?shù)除以該比特流的持續(xù)時(shí)間。波特率的單位：bits/s(比特每秒），即Bits per Second,縮寫為bps,網(wǎng)絡(luò)容量的基本概念：吞吐率,網(wǎng)絡(luò)吞吐率用于衡量計(jì)算機(jī)能通過網(wǎng)

16、絡(luò)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)信息的最快速度。網(wǎng)絡(luò)吞吐率的定義：單位時(shí)間片內(nèi)計(jì)算機(jī)能接收或發(fā)送位信息的數(shù)量。網(wǎng)絡(luò)吞吐率的單位：一般也為bps,網(wǎng)絡(luò)容量：波特率與吞吐率的關(guān)系,吞吐率一般小于波特率：多任務(wù)計(jì)算機(jī)一般不能處理連續(xù)位流丟包或包沖突重發(fā)降低有效速率,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,T,,,,,,,,,,,,,,,,T,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

17、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,吞吐率,波特率,非連續(xù)位流,連續(xù)位流,0/1位流,線路空閑,0/1位流,主控制器網(wǎng)絡(luò)容量計(jì)算,先明確4個(gè)基本配置參數(shù)：T1:設(shè)定的主控制器與IO通訊的時(shí)間（秒）B1:該主控制器與IO通訊的位流量（位）T2:設(shè)定的主控制器與其它站通訊的時(shí)間（秒）B2:該主控制器與其它站通訊的位流量（位）要求：B1/T1 < 控制網(wǎng)吞吐率*0.4 < 控制網(wǎng)波特率*0.4B2/T2 &l

18、t; 系統(tǒng)網(wǎng)吞吐率*0.4< 控制網(wǎng)波特率*0.4,主控制器速度：控制周期,什么是控制周期？單一控制周期與復(fù)合控制周期控制周期根據(jù)工藝要求確定，當(dāng)控制周期在200mS以下時(shí)，數(shù)字控制系統(tǒng)的采樣延遲導(dǎo)致對控制品質(zhì)的影響可忽略不計(jì)，即數(shù)字系統(tǒng)幾乎可以等價(jià)于模擬系統(tǒng)。對于大多數(shù)工藝過程，500mS或1S的控制周期就完全滿足要求。最短控制周期由主芯片速度、程序量和通訊量以及應(yīng)用程序效率決定。,主控制器負(fù)荷率（Load Rate）,

19、負(fù)荷率定義,,控制周期,控制周期—空閑時(shí)間,負(fù)荷率=,x 100%,實(shí)時(shí)性（Real-time)：基本定義,實(shí)時(shí)性的概念不準(zhǔn)確的理解：實(shí)時(shí)就是“快”。正確的理解：在預(yù)先設(shè)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定的任務(wù)能力。如果在一定條件下能確保在預(yù)先設(shè)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定的任務(wù)，系統(tǒng)就可稱為確定性系統(tǒng)，這是確定性實(shí)時(shí)（Deterministic)。與確定性系統(tǒng)相對（不能確保）的是非確定性（ Non-deterministic)系統(tǒng)。,實(shí)時(shí)性（Real-

20、time)：相關(guān)定義,硬實(shí)時(shí)（Hard real-time):確定性（Deterministic)實(shí)時(shí)的同義詞。軟實(shí)時(shí)（Soft real-time):非確定性實(shí)時(shí)的同義詞。,確定性實(shí)時(shí)和非確定性實(shí)時(shí)的對比,,,,,,,,,,tA,,,確定性實(shí)時(shí),非確定實(shí)時(shí),,延遲,deadline,概率,tmin,,,tmax,,,tdl,,,,,,,,tA,,,deadline,tmin,,,tmax,,,tdl,無邊界 !,,在正常運(yùn)行條件及可

21、恢復(fù)故障條件下，任務(wù)延遲超過最后期限（deadline)的概率為零。,有邊界 !,,概率,延遲,在正常運(yùn)行條件及可恢復(fù)故障條件下，任務(wù)延遲超過最后期限（deadline)的概率很小，但不為零。,實(shí)時(shí)性：典型任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間要求,200 ms:,操作人員的手感（接近硬接線般的感覺）,10 ms:,流程工業(yè)中的事件分辨率（但目前很多招標(biāo)書都要求2ms),1 s:,操作員站畫面上的數(shù)據(jù)刷新速度,3 s:,操作員站畫面翻頁速度,,1 µ

22、s:,控制器執(zhí)行一個(gè)加法運(yùn)算的典型時(shí)間,10 µs:,控制器執(zhí)行一個(gè)PID運(yùn)算的典型時(shí)間,30 µs:,通訊信號傳輸9km的時(shí)間延遲（信號速度30萬公里/秒）,100 µs:,多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)任務(wù)切換時(shí)間,200 µs:,從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫（內(nèi)存）中訪問獲取一個(gè)數(shù)據(jù)對象的時(shí)間,1 ms:,在兩個(gè)任務(wù)之間通過郵箱發(fā)送消息的時(shí)間,2 ms:,在局域網(wǎng)中發(fā)送一個(gè)報(bào)文的時(shí)間,50 ms:,控制器中通訊任務(wù)的執(zhí)行時(shí)

23、間,什么情況下需要確定性實(shí)時(shí)？,,滾筒式印刷機(jī)：在手工清洗過程中，操作人員右手持毛巾清洗轉(zhuǎn)動(dòng)的滾筒，左手按下“轉(zhuǎn)動(dòng)”按鈕，當(dāng)毛巾被卡住時(shí)，左手立即送開“轉(zhuǎn)動(dòng)”按鈕，滾筒必須在0.5s內(nèi)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，否則……,緊急停止,,,,實(shí)時(shí)性的例子：滾筒印刷機(jī)信號延遲,,控制臺(tái)處理（周期40ms),緊急按鈕,,IBS (2 ms, 500 kbps),IBS-M,BA,DIO,,,,,,,,,MCU,,,,,,,,,LBA,,,,,,,,,,,,Di

24、splay,IO總線,,,,,,,IBS-S,IO,loop,BA,AIO,,,,,,,MCU,,,,,,,,,LBA,,,,,,,,,,,,,,,,,,IO,,,IO,,,IO,,,,,,,,IO,,,,,,,,,IO,,,IO,,,IO,,,,,,,,主控制器（控制周期30ms),,,,,,,馬達(dá)控制(周期40ms),系統(tǒng)總線(1.5 Mbps, 32 ms),控制臺(tái)總線(1.5 Mbps, 32 ms),,,,,馬達(dá)控制,安

25、全控制器,SERCOS總線(4 ms),從緊急按鈕到馬達(dá)的總延遲: 2 + 30 + 32 + 40 + 32 + 40 + 4 = 180 ms !,IBS (2 ms, 500 kbps),冗余IO,實(shí)時(shí)性：信號延遲的后果,很多安全系統(tǒng)按反邏輯優(yōu)先運(yùn)行：即優(yōu)先要求條件不成立時(shí)系統(tǒng)倒向安全狀態(tài)。比如前面的印刷機(jī)就是按鈕“按下”轉(zhuǎn)動(dòng)，而不會(huì)設(shè)計(jì)成彈起按鈕轉(zhuǎn)動(dòng)。馬達(dá)控制要求對“緊急按鈕未按下”這一狀態(tài)最遲3 x 180 = 540

26、ms刷新一次檢測，其中360ms作為連續(xù)兩次通訊失敗的保留時(shí)間，第三次通訊必須成功，如果第三次通訊仍不成功，系統(tǒng)將無條件停止馬達(dá)。超過規(guī)定條件的信號延遲將會(huì)導(dǎo)致誤報(bào)警，從而使系統(tǒng)停運(yùn)（一般來說，可接受的誤報(bào)警停車每年最多1-2次）。因此，控制信號的延遲將對系統(tǒng)的下列2個(gè)重要性能帶來影響：安全性可用性,實(shí)時(shí)性：確定性與通訊延遲的關(guān)系,,,通訊主站,,,,,,,,,輪詢周期,,,時(shí)間 [ms],,,1,2,,,,,3,4,5,6

27、,,,,,1,2,,,,,3,4,5,6,,,1,2,,,,,3,4,5,6,,,,,,,,,響應(yīng)時(shí)間,概率,,決不允許通訊延遲超過規(guī)定時(shí)間，否則停車。,1,2,3,4,5,6,舉例: 設(shè)每輪詢周期丟包的概率= 0.001, 三次發(fā)送均失敗的概率= 10-9, 設(shè)硬件故障的概率也在10-9量級 ，則三次發(fā)送失敗就停機(jī)是合理的。,TD,輪詢周期,AI信號的輸入處理過程,Analog Input-AI,雙積分型

28、A/D轉(zhuǎn)換器,雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器波形,逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器,逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換逼近過程,Sigma-Delta型A/D轉(zhuǎn)換器,,Sigma-Delta型A/D轉(zhuǎn)換原理,,AI的幾種輸入型式,單端輸入(Single Ended Input)共地型單端輸入共參考點(diǎn)單端輸入差分輸入(Differential Input)非通道隔離型差分輸入通道間隔離型差分輸入,精度,精密度（Precision)：表示測量結(jié)果的隨機(jī)（偶然）誤差

29、的大小正確度(Correctness)：表示測量結(jié)果的系統(tǒng)誤差大小準(zhǔn)確度(Accuracy)：是系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的綜合表示測量結(jié)果閾真值的一致程度,也稱精確度或精度。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,圖(c)：精確度(準(zhǔn)確度)較高，即精密度和正確度都較高。,圖(a)：正確度較高、精密度較差,圖(b)：精密度較高、正確度較差,引用誤差,定義：滿量程內(nèi)的最大絕對誤差除以滿量程。GB/T 13283-91 工業(yè)過程測量和

30、控制用檢測儀表和顯示儀表精確度等級,,,,,真值,測量值,實(shí)際測量分布值,,,,理想測量值分布,,滿量程點(diǎn)（Full Scale—F.S.),,Emax,引用誤差=,,F.S.,Emax,x 100%,常見的引用誤差等級有0.1%, 0.2%, 0.5%，分別簡稱為0.1級，0.2級，0.5級儀表或設(shè)備。,精度是儀表多因素的綜合體現(xiàn),溫度漂移時(shí)間漂移抗干擾能力分辨率靈敏度穩(wěn)定時(shí)間（響應(yīng)時(shí)間）帶寬,分辨率,分辨率（Resol

31、ution):測量裝置能感知和區(qū)分的最小變化量，通常以A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)和量程表示，比如用12位量程為0-5V的A/D，其分辨率為：5V/4096=1.22mV,分辨率,采樣數(shù)據(jù)最低位所代表的模擬量的值Nbit: 8bit / 12bit / 16bit電壓表示：輸入范圍/2n舉例：假如10V的輸入信號用12位數(shù)據(jù)來表示，則最小可分辨的電壓為10/212=0.224mV,靈敏度（Sensitivity),⑵ 靈敏度 Sn （或

32、K） Sn 的定義是輸出增量與輸入增量的比值。即,,圖 1－７靈敏度,靈敏度 Sn （或 K） Sn 的定義是輸出增量與輸入增量的比值。即,① 純線性傳感器靈敏 度為常數(shù)。② 非線性傳感器靈敏 度S n與x有關(guān)。,有的廠家將靈敏度定義為測量死區(qū)，比如測量裝置只有信號大于15mV才能測量時(shí)，稱其靈敏度為15mV。,穩(wěn)定度,穩(wěn)定度（Stability):分為短時(shí)間穩(wěn)定度（Short-time Sta

33、bility)和長時(shí)間穩(wěn)定度（Long-time Stability)。短時(shí)間穩(wěn)定度：對于同一被測量值，測量值的波動(dòng)范圍（即最大值減最小值）與量程之比。通常以百分比表示。長時(shí)間穩(wěn)定度：對于同一被測量值，相隔較長時(shí)間（比如說1年）用同一測量裝置進(jìn)行測量，其誤差漂移量與時(shí)間之比。通常單位為ppm/年。,溫度漂移,溫漂量綱：ppm/?C,即百萬分之一每攝氏度溫度變化可能導(dǎo)致的誤差增大=溫度變化量*溫漂指標(biāo)。例：在環(huán)境溫度25?C條件下

34、標(biāo)稱引用誤差為0.1%的儀表，如果其溫漂指標(biāo)為100ppm/?C,則當(dāng)環(huán)境溫度變化到35?C時(shí)，其引用誤差將可能達(dá)到:0.1% + (35-25)*100*10-6 = 0.2%,輸入阻抗,AI輸入電路的輸入端等效阻抗。過低的輸入阻抗將導(dǎo)致輸入電壓信號在信號源端的壓降增大到不可忽略。一般要求100K?以上.,IEC61131-2對AI輸入阻抗的要求,AI的隔離:為何需要隔離,現(xiàn)場設(shè)備電氣燒毀時(shí)不殃及DCS設(shè)備；現(xiàn)場設(shè)備對

35、DCS系統(tǒng)之間存在高壓時(shí)不損壞DCS設(shè)備；限制DCS局部故障或損壞的擴(kuò)散化；切斷現(xiàn)場設(shè)備接地點(diǎn)對DCS系統(tǒng)接地點(diǎn)間因地電位差形成的地環(huán)電流，該地環(huán)電流導(dǎo)致AI設(shè)備輸入端存在高共模電壓，影響測量精度。,（1）,AI隔離的程度,路間隔離：每個(gè)信號通道之間電氣隔離，并都控制網(wǎng)絡(luò)隔離。模塊與模塊間隔離：AI模塊之間隔離，并都控制網(wǎng)絡(luò)隔離，但同一模塊內(nèi)的各通道之間不隔離。一列模塊與另一列模塊隔離：比方說這5個(gè)模塊與那5個(gè)模塊之間隔離，且所

36、有模塊都與控制網(wǎng)絡(luò)隔離，但同一列的5個(gè)模塊之間不隔離。站與站之間隔離：兩個(gè)主控制站（一般裝在不同的機(jī)柜中）之間隔離，但站內(nèi)設(shè)備之間不隔離?，F(xiàn)場輸入與DCS系統(tǒng)隔離：所有現(xiàn)場設(shè)備之間不隔離，但都與控制網(wǎng)絡(luò)隔離。,哪些信號需要隔離,四線制4－20mA變送器：由于變送器自身有電源，并且可能在現(xiàn)場端接地，所以需要路間隔離。0－5V/0-10V信號：信號源自身提供電源，在現(xiàn)場端也可能接地或與別的系統(tǒng)連接，需要路間隔離?，F(xiàn)場接地型熱電偶：熱

37、端與外殼接觸，而外殼又接地，這種熱電偶很少，需要路間隔離。非接地型熱電偶：在熱偶中占絕對多數(shù)，不需要路間隔離。熱電阻：不需要路間隔離。兩線制4－20mA變送器：其電源為DCS系統(tǒng)提供，所以變送器內(nèi)部電路不接地，不需要路間隔離。交流采樣信號：必須用互感器（電流互感器CT和電壓互感器PT）在前端隔離.,AI的隔離技術(shù),隔離放大器隔離(在信號調(diào)理階段隔離,傳統(tǒng)的模擬儀表常用的方法)變壓器隔離型放大器電容隔離型放大器(飛越電容或集成

38、型放大器)線性光耦隔離型放大器數(shù)字光耦隔離(轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后隔離,數(shù)字式智能儀表常用的方法)隔離電壓：一般以交流有效值表示，如500Vrms.過低的隔離電壓將導(dǎo)致高壓擊穿。,變壓器隔離型放大器,,電容隔離型放大器,,Capacitor Isolation,ISO124,線性光偶隔離型放大器,Vout=(R2/R1)*Vin,Linear Optocoupler Isolation,三種模擬信號隔離放大器比較,,AI隔離技術(shù):在數(shù)字

39、部分隔離,每路設(shè)置獨(dú)立的A/D在A/D后將數(shù)字量采用光偶隔離.,共模和差模干擾,在工業(yè)應(yīng)用中，共模電壓是個(gè)經(jīng)常存在的威脅。通常需要測量含有大的共模成份的微弱差模信號。這些遠(yuǎn)距離信號和內(nèi)部固有的50Hz/60Hz的電網(wǎng)干擾往往對測量造成相當(dāng)?shù)睦щy。直流共模信號的進(jìn)入也會(huì)形成干擾。電網(wǎng)工頻信號以差模形式疊加到輸入信號，也會(huì)形成干擾。,共模和差模干擾信號,,,,,,,,,Vi,,Vic,,,,,,Vo+Voc,,,,,,,,,,,,,,

40、,,Vi,,Vin,,,,,Vo+Von,,,,,,,Vic:直流或50Hz交流共模輸入,被測信號,被測信號,50Hz差模信號,Vo:被測信號的輸出值Voc:共模干擾的輸出值,Vo:被測信號的輸出值Von:差模干擾的輸出值,共模干擾,差模干擾(串模干擾),抑制比的含義,“一群壞人堵在大門口，有多少會(huì)混進(jìn)去？”1000個(gè)壞人堵在大門口，有1個(gè)人混進(jìn)去，則抑制比=1000：1，用分貝表示就是20log1000=60dB（也就是說有

41、千分之一混進(jìn)去）；如果1000個(gè)壞人中有10人混進(jìn)去，抑制比=1000：10，用分貝表示就是20log（1000/10）=40dB（也就是說有百分之一混進(jìn)去）。共模抑制比或差模抑制比的含義與上述比喻類似，只是“壞人”的定義不一樣而已。,共模抑制比CMRR,共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio): 用于衡量信號放大處理環(huán)節(jié)衰減共模信號的能力。理想放大器：差模信號放大，共模輸入信號的輸出為零。實(shí)際放大器：

42、共模輸入信號的輸出不為零，等效為有一定的差模輸入信號,二者之比即為CMRR.實(shí)際計(jì)算時(shí)注意正弦信號峰峰值、峰值、有效值間關(guān)系,Kd: 差模放大倍數(shù)，即通道增益。Kc: 共模放大倍數(shù)Vic: 共模輸入峰值，設(shè)Vic為50Hz正弦信號Voc: 共模輸出峰值Voc/Kd: 共模輸入Vic等效的差模輸入，所以CMRR值表征了共?！耙种啤蹦芰Αicrms: Vic的有效值Vocpp: Voc的峰峰值,提高CMRR的有

43、效方法,采用儀表放大器(Instrumentation Amplifier)理想儀表放大器的CMRR=無窮大.,儀表放大器的差模放大倍數(shù)和共模抑制比,,,,,,CMRR的物理含義,CMRR衡量了系統(tǒng)對共模信號轉(zhuǎn)換為等效差模信號的衰減程度：Vd:等效差模輸入信號Vc:輸入共模信號假如CMRR=120dB，共模信號為5V，則其相當(dāng)于引入了5/10（120/20）=5/1000000=5uV的差模干擾輸入信號。,

44、CMRR的測試,《JB/T 9270－1999：工業(yè)控制微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)過程輸入輸出通道模板試驗(yàn)檢查方法》 直流共模施加AI設(shè)備最高可允許的直流共模電壓，而被測差模信號施加半滿量程值.交流共模輸入CMRR測量，僅對隔離型AI設(shè)備有意義，在現(xiàn)場地與系統(tǒng)地之間施加頻率為50Hz，有效值為標(biāo)稱隔離耐壓值（比如500Vrms）的正弦共模信號，而差模信號為AI半滿量程值，測量AI設(shè)備的輸出波動(dòng)的峰峰值，然后按前面的CMRR定義公式計(jì)算出CMRR

45、.,差模抑制比NMRR,實(shí)際上，在電子學(xué)的教科書中是沒有差模抑制比（Normal Mode Rejection Ratio)這一提法的，因?yàn)閷τ谝话銉x表系統(tǒng)，50Hz的差模信號不能被定性為干擾信號。但在實(shí)際應(yīng)用中，我們往往需要將串聯(lián)疊加到輸入端的電網(wǎng)工頻信號（50Hz或60Hz)定義為干擾信號。仿照CMRR的定義和物理意義，工業(yè)測量領(lǐng)域定義了NMRR，用于衡量系統(tǒng)對50Hz/60Hz差模信號的抑制能力。,Kd: 直流差模放大倍數(shù)，

46、即通道增益。Kn: 50Hz差模信號放大倍數(shù)Vi: 50Hz差模輸入峰值Vo: 輸出波動(dòng)交流峰值Vo/Kd: 50Hz輸入Vi等效的有效差模輸入，NMRR值表征了差?！耙种啤蹦芰Αirms: Vi的有效值Vopp: Vo的峰峰值,NMRR的物理意義,NMRR衡量了系統(tǒng)對50Hz輸入差模干擾信號轉(zhuǎn)的衰減程度：Vd:衰減后進(jìn)入系統(tǒng)的差模信號Vn:輸入的50Hz差模信號假如NMRR=60dB

47、，50Hz差模信號峰值為5V， 則5/10（60/20）=5/1000=5mV的差模干擾進(jìn)入了系統(tǒng)。沒有濾波器的測量系統(tǒng)，NMRR為零。1階濾波約貢獻(xiàn)20dB NMRR，60dB需要3階以上濾波。,提高NMRR的方法:濾波,濾波器階數(shù)與NMRR關(guān)系,沒有濾波器的測量系統(tǒng)，NMRR為零.配備1階低通濾波器的AI設(shè)備，NMRR最多可以做到20dB.配備2階低通濾波器后最多可以做到40dB.要想將NMRR做到60dB，需要3階以上

48、的濾波器.如果要想有效濾除50Hz信號，即使設(shè)計(jì)了3階低通濾波器，其截止頻率（－3dB點(diǎn)）也必須在5Hz以內(nèi)，才能保證在50Hz（5Hz的10倍頻）處衰減達(dá)到60dB。所以，在DCS系統(tǒng)中，AI的采樣率不需要做得很高，10Hz以上就可以了.更高要求的濾波器是梳狀濾波器,專門濾50Hz的倍頻.,NMRR的測量,《JB/T 9270－1999：工業(yè)控制微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)過程輸入輸出通道模板試驗(yàn)檢查方法》 用信號發(fā)生器產(chǎn)生50Hz的差模正

49、弦信號，通過1：1變壓器耦合疊加到被測量的信號中或直接疊加（只要信號發(fā)生器的輸出可以與被測信號串聯(lián)），被測差模信號為量程的一半。通過測量輸出的波動(dòng)峰峰值，然后計(jì)算出NMRR。,IEC61131-2要求制造商提供的AO指標(biāo)(3),AO的工程應(yīng)用,驅(qū)動(dòng)負(fù)載不要高于AO設(shè)備的帶負(fù)載能力。關(guān)鍵控制回路應(yīng)考慮選擇冗余AO。,開關(guān)量輸入（DI：Digital Input),,DI的觸點(diǎn)型式,機(jī)械開關(guān)（干接點(diǎn)）電子開關(guān)電平接點(diǎn),DI的查詢電壓,

50、24VDC48VDC220VAC220VDC,DI的電路結(jié)構(gòu)型式,共地（Sinking）：電流從開關(guān)流出，進(jìn)入DI板后返回到地（對DI設(shè)備來說是Sourcing）。共源（Sourcing）：電流從DI板流出，經(jīng)開關(guān)觸點(diǎn)流到地（對DI設(shè)備來說是Sinking）。,,DI的閾值電平,邏輯1（State 1）：表示接點(diǎn)閉合的狀態(tài)。邏輯0（State 0）：表示接點(diǎn)斷開的狀態(tài)。模糊區(qū)（Transition Area）：無法確定其邏輯