現場總線變送器原理及應用

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  一、引言

  信息技術的飛速發展,引起了自動化系統結構的變革,逐步形成了以網絡集成自動化系統為基礎的企業信息系統。現場總線就是順應這一形勢發展起來的新技術。現場總線是應用在生產現場,在微機化測量控制設備(稱為現場總線儀表)之間實現雙向串行多節點數字通信系統,也被稱為開放式、數字化、多點通信的底層控制網絡,它在制造業、流程工業、交通、樓宇等方面的自動化系統中具有廣泛的應用前景。

  目前,在國內可購到的FF(現場總線基金會)現場總線儀表有:羅斯蒙特公司的FF3051壓力(壓差)變送器、FF3244MV溫度變送器、FFDVC50000智能閥門;Smart公司的FFLD302壓力(壓差)變送器、FFTT302溫度變送器、FFFP302現場總線到氣壓轉換器。本文從工程應用出發,對FFTT302現場總線溫度變送器的原理和應用加以介紹,以供自動化人員參考。

  二、原理

  1、功能與特性

  TT302是一種將溫度、溫差、毫伏等工業過程參數轉變為現場總線數字信號的變送器,它還具有控制功能,起到了基地式(現場)儀表的作用。

  TT302測量溫度配用RTD(熱電阻)或熱電偶,但也可配用其他具有電阻或毫伏輸出的傳感器,諸如高溫計、負荷傳感器、電阻或位置指示器等。TT302采用數字技術后能實現下列性能:單一的型號能接受多種傳感器、寬量程范圍、單值或差值測量;在現場和控制室之間接口容易,可大大減少安裝和維護費用,能接受二路輸入,也就是說有兩個測量點,準確度為0.02%。

  TT302溫度變送器內裝AI(模擬輸入)、PID(比例加積分加微分控制)、ISS(輸入選擇)、CHAR(線性化)和ARTH(計算)等5種功能模塊。它們具有可由用戶組態的基本功能,各種功能模塊都有輸入、輸出,并裝有參數和一個算法。各功能模塊用一個標識符來表示,功能模塊的輸入、輸出等能用其他儀表從總線上讀出,它們之間也能互相連接,其他儀表也能寫入模塊的輸入。TT302與其他現場總線儀表互連構成現場總線控制系統。用戶可通過功能模塊的連接建立適合控制應用所需的控制策略。

  2、硬件構成原理

  由TT302輸入板、主電路板和顯示板組成。TT302接受來自熱電偶(TC)、mV發生器、熱電阻(ohm)傳感器的信號,這些輸入信號必須在規定范圍內。電壓規定范圍為50~500mV,電阻的規定范圍為0~200W。量程可以組態。

  (1)輸入板

  MUX為多路轉換器,它的作用是確保傳感器端子到信號調理板接收的電壓信號是正確的端子間電壓。

  信號調理板的功能是給輸入信號乘上一個正確的增益以適合A/D(模/數)轉換器的信號接收范圍。

  電源隔離和信號隔離的作用是防止輸入信號與地形成地環電流而引入干擾。來自主電路板CPU的控制信號和來自A/D轉換器的信號通過光電耦合器傳輸,從而實現了信號電的隔離。同樣,輸入板上的電源也必須是隔離的,電源隔離是采用把直流轉換為一高頻交流,并使用變壓器分隔電的聯系來實現的。

  (2)主電路板

  中央處理器CPU是TT302的核心部件,它控制著整個儀表各個部件的協調工作、線性化和通信。系統程序存貯于CPU外部的只讀存貯器PROM,運算數據暫存貯于RAM,如果電源開關斷開,RAM中的數據就會丟失。然而,CPU內還有一個非易失性存貯器EEPROM,當電源開關斷開時,這里的數據仍保留。因此,一些重要的標定、組態和辨識等應用程序都存貯在這里。主電路板上的EEPROM存貯器用來存貯組態參數(指功能模塊的參數)。

  CPU與信號整形之間是通信控制器,此控制器用來監視現場總線上的占空系數(或情況),調制和解調通信信號,引入和刪除數字信號中開始和結束的定界符。

  本機調整為兩個干簧管(也稱磁性開關)。在本機調整時,不用打開儀表的端蓋,即在儀表的電路全部被密封的情況下,利用磁棒的置入與置出就可觸發TT302內的磁開關,進行儀表的組態和調整,從而使現場儀表內的電子元件不與現場的惡劣環境直接接觸,大大延長了電子元件的使用壽命,也使儀表適應惡劣環境的性能得到提高。

  TT302是由現場總線供電的,供電電壓為9~32VDC。在供電的同時,儀表的輸入-輸出的數字信號也由現場總線傳輸,與二線制模擬變送器相近,但現場總線中的數字信號是雙向的,而且傳輸的是多個信號。信號規程符合IEC-1158-2,本安,隔爆。

  (3)顯示板

  顯示板是一個從CPU接收數據的微功耗液晶顯示器,它為四位半數字值和五位字母的LCD(液晶顯示器)。

  三、應用

  目前,在中國已有十幾家工業企業選用了Smart公司的302現場總線控制系統。安慶石化腈綸廠是國內率先采用Smart302現場總線控制系統的廠家,其現場總線控制系統應用示意圖如圖2所示。

  PCI為過程控制接口卡,它通過卡上的OPRAM(雙口RAM)與PC機CPU進行快速信息交換,從而實現PC機與所有現場總線儀表間的信息交換,而PC機的CPU主要從事管理工作。每塊卡可接4個相互獨立的通道,每個通道下可掛接4塊總線安全柵(SB302)。

  總線安全柵除了起總線安全隔離作用外,還起總線供電和總線重復器(放大器)作用。

  LD302是一種將差壓、絕壓、差壓、液位和流量等工業過程參數轉變為現場總線數字信號的變送器,它還具有控制功能,起到了基地式儀表的作用。

  TT302可就地實現溫度的自動控制,同時把溫度信號通過現場總線傳送給操作站。

  FI302是把現場總線數字信號轉換為4~20mADC電流信號的轉換器,IF302是把4~20mA (DC)電流信號轉換為現場總線數字信號的轉換器。這兩個轉換器可使現場總線控制系統與常規模擬控制系統相連。

  操作站采用普通工控機及AIMAX-WIN人機界面軟件。

  雙向的全數字通信總線從控制室的操作站一直延伸到現場儀表,中間節省了很多A/D、D/A等環節,既可提高系統的精度,又可減少I/O卡及其安裝空間,因而可以大大減少運行和維護方面的費用。在安全可靠性方面,由于控制功能下放在各處的現場總線儀表內,從而將危險分散,大大提高了系統的可靠性。

  四、結束語

  現場總線控制系統的優越性是不容置疑的,因此,象TT302這樣的現場總線儀表是很有發展前途的儀表,它將使傳統的傳感器或變送器消失,從而開創一個工業控制的新時代。

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