工業(yè)控制系統(tǒng)的輸入與輸出信號

1、工業(yè)控制系統(tǒng)的輸入與輸出信號工業(yè)生產(chǎn)過程實現(xiàn)計算機(jī)控制的前提是， 必須將工業(yè)生產(chǎn)過程的工藝參數(shù)、 工況邏輯和 設(shè)備運行狀況等物理量經(jīng)過傳感器或變送器轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C(jī)可以識別的電信號（電壓或電流） 或邏輯量。傳感器和變送器輸出的信號有多種規(guī)格， 其中毫伏 （mV ）信號、 05V 電壓信號、 15V 電壓信號、 010mA 電流信號、 420mA 電流信號、電阻信號是計算機(jī)測控系統(tǒng)經(jīng)常用到的 信號規(guī)格。在實際工程中，通常將這些信號分為模擬量信號和數(shù)字量信號兩大類。針對某個生產(chǎn)過程設(shè)計一套計算機(jī)控制系統(tǒng)， 必須了解輸入輸出信號的規(guī)格、 接線方式、 精度等級、量程范圍、線性關(guān)系、工程量換算等諸多要素。1

2、模擬量信號許多來自現(xiàn)場的檢測信號都是模擬信號，如液位、壓力、溫度、位置、 PH 值、電壓、 電流等， 通常都是將現(xiàn)場待檢測的物理量通過傳感器轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號； 許多執(zhí)行裝置 所需的控制信號也是模擬量，如調(diào)節(jié)閥、電動機(jī)、電力電子的功率器件等的控制信號。模擬信號是指隨時間連續(xù)變化的信號， 這些信號在規(guī)定的一段連續(xù)時間內(nèi)， 其幅值為連 續(xù)值。模擬信號有兩種類型： 一種是由各種傳感器獲得的低電平信號； 另一種是由儀器、 變送 器輸出的 420mA 的電流信號或 15V 的電壓信號。 這些模擬信號經(jīng)過采樣和 A/D 轉(zhuǎn)換輸入 計算機(jī)后，常常要進(jìn)行數(shù)據(jù)正確性判斷、標(biāo)度變換、線性化等處理。模擬信號非常便

3、于傳送， 但它對干擾信號很敏感， 容易使傳送中信號的幅值或相位發(fā)生 畸變。因此，有時還要對模擬信號做零漂修正、數(shù)字濾波等處理。模擬量輸出信號可以直接控制過程設(shè)備，而過程又可以對模擬量信號進(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產(chǎn)生波形，這種情況下 D/A 變 換器就成了一個函數(shù)發(fā)生器。模擬信號的常用規(guī)格：1） 15V 電壓信號此信號規(guī)格有時稱為 DDZ-川型儀表電壓信號規(guī)格。15V電壓信號規(guī)格通常用于計算機(jī)控制系統(tǒng)的過程通道。工程量的量程下限值對應(yīng)的電壓信號為IV，工程量上限值對應(yīng)的電壓信號為5V，整個工程量的變化范圍與4V的電壓變化范圍相對應(yīng)。過程通道也可輸出1

4、5V 電壓信號，用于控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。2）420mA 電流信號420mA 電流信號通常用于過程通道和變送器之間的傳輸信號。 工程量或變送器的量程 下限值對應(yīng)的電流信號為 4mA，量程上限對應(yīng)的電流信號為 20mA，整個工程量的變化范圍 與 16mA 的電流變化范圍相對應(yīng)。 過程通道也可輸出 420mA 電流信號，用于控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。有的傳感器的輸出信號是毫伏級的電壓信號，如K分度熱電偶在I000 C時輸出信號為41.296mV。這些信號要經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號（420mA ）再送給過程通道。熱電阻傳感器的輸出信號是電阻值， 一般要經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號（420mA ）,再送到過程通道。對于采用4

5、20mA電流信號的系統(tǒng)，只需采用250 Q電阻就可將其變換為 15V直流電壓信號。有必要說明的是， 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的情況 混淆， 使信息的傳送更為確切。 這樣也同時把晶體管器件的起始非線性段避開了， 使信號值 與被測參數(shù)的大小更接近線性關(guān)系，所以受到國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 Ptioo檢測溫度量，將傳感器接到溫度變送器上，將溫度信號轉(zhuǎn)換為1 s 5V電壓信號（如果是 4s 20mA電流信號，可經(jīng) 250 Q電阻將電流信號轉(zhuǎn)換為 1 s 5V電 壓信號），溫度變送器的測量范圍是0s 200 C,如下圖所示。由上可知

6、：0C對應(yīng)1V, 200C對應(yīng)5V,溫度與電壓成線性比例關(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)關(guān)系式為：y=1+0.02x將電壓送入計算機(jī)后，可以通過編程獲得電壓值y，只需再增加1條語句即可將電壓轉(zhuǎn)換為溫度x，使用下面算法：x=（y-i）*50這樣，程序畫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性比例關(guān)系，同樣可用上述方法來處理。2 數(shù)字量信號有許多的現(xiàn)場設(shè)備往往只對應(yīng)于兩種狀態(tài)， 例如，按鈕、行程開關(guān)的閉合和斷開、 馬達(dá) 的起動和停止、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、閥門的打開和

7、關(guān)閉等，可以用數(shù)字（開關(guān)）輸出信號去控制或者對數(shù)字（開關(guān)） 輸入信號進(jìn)行檢測。數(shù)字（開關(guān)）信號是指在有限的離散瞬時上取值間斷的信號。在二進(jìn)制系統(tǒng)中，數(shù)字（開關(guān)）信號是由有限字長的數(shù)字組成，其中每位數(shù)字不是0就是1。數(shù)字（開關(guān)）信號的特點是，它只代表某個瞬時的量值，是不連續(xù)的信號。數(shù)字（開關(guān)）信號的處理主要是監(jiān)測開關(guān) 器件的狀態(tài)變化。開關(guān)量信號反映了生產(chǎn)過程、設(shè)備運行的現(xiàn)行狀態(tài)、邏輯關(guān)系和動作順序。例如：行程 開關(guān)可以指示出某個部件是否達(dá)到規(guī)定的位置，如果已經(jīng)到位，則行程開關(guān)接通，并向工控機(jī)系統(tǒng)輸入1個開關(guān)量信號；又如工控機(jī)系統(tǒng)欲輸出報警信號， 則可以輸出1個開關(guān)量信號， 通過繼電器或接觸器驅(qū)動

8、報警設(shè)備，發(fā)出聲光報警。如果開關(guān)量信號的幅值為TTL/CMOS電平，有時又將一組開關(guān)量信號稱之為數(shù)字量信號。數(shù)字（開關(guān)）量輸入信號有觸點輸入和電平輸入兩種方式。觸點又有常開和常閉之分， 其邏輯關(guān)系正好相反， 猶如數(shù)字電路中的正邏輯和負(fù)邏輯。工控機(jī)系統(tǒng)實際上是按電平進(jìn)行邏輯運算和處理的，因此工控機(jī)系統(tǒng)必須為輸入觸點提供電源，將觸點輸入轉(zhuǎn)換為電平輸入。數(shù)字（開關(guān)）量輸出信號也有觸點輸出和電平輸出兩種方式。輸出觸點也有常開和常閉之分。數(shù)字（開關(guān)）信號輸入計算機(jī)后，常常需要進(jìn)行碼制轉(zhuǎn)換的處理，如BCD碼轉(zhuǎn)換成ASCII碼，以便顯示數(shù)字信號。對于數(shù)字（開關(guān)）量輸出信號，可以分為兩種形式：一種是電壓輸出，另一種是繼電器繼電器輸出則是通過 電壓輸出方式的速度比較快且外部接線簡單，但帶負(fù)載能力又可分為直流電壓和交流電壓，KR12DGNDK R22DI2輸 入 模 塊輸出。電壓輸出一般是通過晶體管的通斷來直接對外部提供電壓信號, 繼電器觸點的通斷來提供信號。相應(yīng)的電弱；繼電器輸出方式則與之相反。對于電壓輸入，壓幅值可以有 5V、12V、24V和48V等。如何實現(xiàn)數(shù)字（開關(guān)）量輸入?見下面的圖:D 1100如何實現(xiàn)數(shù)字（開關(guān)）量輸出?如果是電壓輸出