工業(yè)控制系統(tǒng)的輸入與輸出信號(hào)

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1、工業(yè)控制系統(tǒng)的輸入與輸出信號(hào)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制的前提是，必須將工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的工藝參數(shù)、工況邏輯和設(shè)備運(yùn)行狀況等物理量經(jīng)過(guò)傳感器或變送器轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)可以識(shí)別的電信號(hào)（電壓或電流）或邏輯量。傳感器和變送器輸出的信號(hào)有多種規(guī)格，其中毫伏（mV）信號(hào)、0~5V電壓信號(hào)、1~5V電壓信號(hào)、0~10mA電流信號(hào)、4~20mA電流信號(hào)、電阻信號(hào)是計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)經(jīng)常用到的信號(hào)規(guī)格。在實(shí)際工程中，通常將這些信號(hào)分為模擬量信號(hào)和數(shù)字量信號(hào)兩大類(lèi)。針對(duì)某個(gè)生產(chǎn)過(guò)程設(shè)計(jì)一套計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，必須了解輸入輸出信號(hào)的規(guī)格、接線(xiàn)方式、精度等級(jí)、量程范圍、線(xiàn)性關(guān)系、工程量換算等諸多要素。1．模擬量信號(hào)許多來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)

2、的檢測(cè)信號(hào)都是模擬信號(hào)，如液位、壓力、溫度、位置、PH值、電壓、電流等，通常都是將現(xiàn)場(chǎng)待檢測(cè)的物理量通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)；許多執(zhí)行裝置所需的控制信號(hào)也是模擬量，如調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)機(jī)、電力電子的功率器件等的控制信號(hào)。模擬信號(hào)是指隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)，這些信號(hào)在規(guī)定的一段連續(xù)時(shí)間內(nèi)，其幅值為連續(xù)值。模擬信號(hào)有兩種類(lèi)型：一種是由各種傳感器獲得的低電平信號(hào)；另一種是由儀器、變送器輸出的4~20mA的電流信號(hào)或1~5V的電壓信號(hào)。這些模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣和A/D轉(zhuǎn)換輸入計(jì)算機(jī)后，常常要進(jìn)行數(shù)據(jù)正確性判斷、標(biāo)度變換、線(xiàn)性化等處理。模擬信號(hào)非常便于傳送，但它對(duì)干擾信號(hào)很敏感，容易使傳送中信號(hào)的幅值或

3、相位發(fā)生畸變。因此，有時(shí)還要對(duì)模擬信號(hào)做零漂修正、數(shù)字濾波等處理。模擬量輸出信號(hào)可以直接控制過(guò)程設(shè)備，而過(guò)程又可以對(duì)模擬量信號(hào)進(jìn)行反饋。閉環(huán)PID控制系統(tǒng)采取的就是這種形式。模擬量輸出還可以用來(lái)產(chǎn)生波形，這種情況下D/A變換器就成了一個(gè)函數(shù)發(fā)生器。模擬信號(hào)的常用規(guī)格：1）1~5V電壓信號(hào)此信號(hào)規(guī)格有時(shí)稱(chēng)為DDZ-Ⅲ型儀表電壓信號(hào)規(guī)格。1~5V電壓信號(hào)規(guī)格通常用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的過(guò)程通道。工程量的量程下限值對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)為lV，工程量上限值對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)為5V，整個(gè)工程量的變化范圍與4V的電壓變化范圍相對(duì)應(yīng)。過(guò)程通道也可輸出1~5V電壓信號(hào)，用于控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。2）4~20mA電流信號(hào)4~2

4、0mA電流信號(hào)通常用于過(guò)程通道和變送器之間的傳輸信號(hào)。工程量或變送器的量程下限值對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)為4mA，量程上限對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)為20mA，整個(gè)工程量的變化范圍與16mA的電流變化范圍相對(duì)應(yīng)。過(guò)程通道也可輸出4~20mA電流信號(hào)，用于控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。有的傳感器的輸出信號(hào)是毫伏級(jí)的電壓信號(hào)，如K分度熱電偶在l000℃時(shí)輸出信號(hào)為41.296mV。這些信號(hào)要經(jīng)過(guò)變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（4~20mA）再送給過(guò)程通道。熱電阻傳感器的輸出信號(hào)是電阻值，一般要經(jīng)過(guò)變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（4~20mA），再送到過(guò)程通道。對(duì)于采用4~20mA電流信號(hào)的系統(tǒng)，只需采用250Ω電阻就可將其變換為1~5V直流電壓信號(hào)

5、。有必要說(shuō)明的是，以上兩種標(biāo)準(zhǔn)都不包括零值在內(nèi)，這是為了避免和斷電或斷線(xiàn)的情況混淆，使信息的傳送更為確切。這樣也同時(shí)把晶體管器件的起始非線(xiàn)性段避開(kāi)了，使信號(hào)值與被測(cè)參數(shù)的大小更接近線(xiàn)性關(guān)系，所以受到國(guó)際的推薦和普遍的采用。在程序中如何顯示工程量？假設(shè)溫度傳感器如Pt100檢測(cè)溫度量，將傳感器接到溫度變送器上，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為1∽5V電壓信號(hào)（如果是4∽20mA電流信號(hào)，可經(jīng)250Ω電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為1∽5V電壓信號(hào)），溫度變送器的測(cè)量范圍是0∽200℃，如下圖所示。由上可知：0℃對(duì)應(yīng)1V，200℃對(duì)應(yīng)5V，溫度與電壓成線(xiàn)性比例關(guān)系。假設(shè)x表示溫度，y表示電壓，則電壓y與溫度x之間的數(shù)學(xué)

6、關(guān)系式為：y=1+0.02x將電壓送入計(jì)算機(jī)后，可以通過(guò)編程獲得電壓值y，只需再增加1條語(yǔ)句即可將電壓轉(zhuǎn)換為溫度x，使用下面算法：x=(y-1)*50這樣，程序畫(huà)面中就可顯示溫度值x。如果工程量轉(zhuǎn)換后的電壓值不是標(biāo)準(zhǔn)量，只要電壓與工程量成線(xiàn)性比例關(guān)系，同樣可用上述方法來(lái)處理。2．?dāng)?shù)字量信號(hào)有許多的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備往往只對(duì)應(yīng)于兩種狀態(tài)，例如，按鈕、行程開(kāi)關(guān)的閉合和斷開(kāi)、馬達(dá)的起動(dòng)和停止、指示燈的亮和滅、儀器儀表的BCD碼、繼電器或接觸器的釋放和吸合、晶閘管的通和斷、閥門(mén)的打開(kāi)和關(guān)閉等，可以用數(shù)字（開(kāi)關(guān)）輸出信號(hào)去控制或者對(duì)數(shù)字（開(kāi)關(guān)）輸入信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。數(shù)字（開(kāi)關(guān)）信號(hào)是指在有限的離散瞬時(shí)上取值間斷

7、的信號(hào)。在二進(jìn)制系統(tǒng)中，數(shù)字（開(kāi)關(guān)）信號(hào)是由有限字長(zhǎng)的數(shù)字組成，其中每位數(shù)字不是0就是1。數(shù)字（開(kāi)關(guān)）信號(hào)的特點(diǎn)是，它只代表某個(gè)瞬時(shí)的量值，是不連續(xù)的信號(hào)。數(shù)字（開(kāi)關(guān)）信號(hào)的處理主要是監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)器件的狀態(tài)變化。開(kāi)關(guān)量信號(hào)反映了生產(chǎn)過(guò)程、設(shè)備運(yùn)行的現(xiàn)行狀態(tài)、邏輯關(guān)系和動(dòng)作順序。例如：行程開(kāi)關(guān)可以指示出某個(gè)部件是否達(dá)到規(guī)定的位置，如果已經(jīng)到位，則行程開(kāi)關(guān)接通，并向工控機(jī)系統(tǒng)輸入1個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)；又如工控機(jī)系統(tǒng)欲輸出報(bào)警信號(hào)，則可以輸出1個(gè)開(kāi)