IDAS-3102模拟量前置机说明书

第一章 IDAS-3102直流模拟量测量前置机

1. 概述

IDAS-3102直流模拟量测量前置机是在IDAS-2000系列多年成功应用的基础上采用新技术进行创新开发而成的升级产品，属远程I/O第六代产品，对前置机供电方式、信号接线方式、网络冗余等方面作了重大改进，特别是前置机供电部分采用新颖的网线供电技术后，减少了前置机电源接口，降低了成本，现场安装更灵活同时可靠性得到进一步提高，使用更加高效实用。

技术特点：

* 利用通讯网络（S网）对前置机进行供电，其实就是通讯线与电源线是同一根线。彻底摆脱了现场获取220V交流电源的困境，在省去了前置机独立供电电源中间环节时，前置机的可靠性及安装灵活性得到了进一步提高，同时避免了来自交流电网的各种干扰的影响。

* 采用全新表面贴装技术（SMT），大规模在线可编程逻辑电路，前置机的集成度高，功耗低；

* 采用可编程增益放大器分辨率、低功耗的新型程控ADC芯片，测量精度更高；* 具有精度自校准功能，内部没有一个精度调整电位器，出厂前一次校准后可长期保证精度不变。

2．主要技术指标

2.1IDAS-3102直流模拟量测量前置机

* 基本输入通道20路三端子差分模拟量输入

* 通道开关光电开关

* 输入信号类型直流电压、直流电流；

热电偶B、E、J、K、R、S、T、EA-2；

电阻(0-100kΩ)；

热电阻Pt10、Pt100、Cu50、Cu100、BA1、BA2、BA3、G；

各种不同类型的模拟量信号可在同一台前置机上混接

具有三种热电偶冷端补偿方式

* 引线电阻补偿双恒流源方式，三线制引线电阻可自动补偿

* 通道隔离电压400V(峰-峰值)

* 电压量程±10mV、±100mV、±1000mV、±10000mV、自动量程

* A/D分辨率17位

* 通讯速率375kbps~1.25Mbps

* 通道采样时间每个模拟通道30ms

* 精度等级0.1级以内(详见2.4)

* 共模抑制比≥120dB

* 串模抑制比≥70dB

* 显示方式LED状态显示

* 参数设置在线

* 通讯接口冗余

* 接线端子菲尼克斯接线端子(阻燃型材料)

* 主要功能多种函数运算；具有系统自检、精度自校、自复位及越限报警等功

能；历史数据存贮，掉电可保持半年以上；工作方式在线固化，掉电

可永久保存。

* 供电方式通过通讯S网对现场的前置机进行供电，且双电源冗余，供电电

压DC12V~48V，现场不再需要另接220V交流电源。

2.2 环境条件

* 功耗≤2W

* 工作方式连续

* 可靠性指标MTBF32000Hr

* 运行环境温度-20℃～+70℃（内控指标：-20℃～+75℃）* 湿度相对湿度≤95% (带防护外壳)

* 防护等级IP56 (带防护外壳)

* 重量≤3kg (带防护外壳)

* 外部尺寸420×292×70(长×宽×高；单位：mm)

* 安装方式墙挂式

2.4 精度指标

温度系数：15ppm/℃

表2 热电偶测温精度指标：

误差中冷端温度的误差未考虑；

前置机内部冷端温度测量误差：< 0.4℃(-20℃～75℃)

温度系数：0℃～50℃<(0.1×准确度)/ ℃

3．工作原理

IDAS-3102直流模拟量测量前置机采用独特的低功耗现场仪表电路设计思路，功耗小于2W ，具有数据处理能力强、采样精度高、通讯速度快、抗干扰能力强等特点。前置机通道开关为进口光电开关，现场信号采用差分输入方式，经程控放大器放大（无精度调整电位器），到17位A/D 芯片进行转换及整形分频，计数后送CPU 运算处理，再通过CPU 的通讯口将处理后的数据通过通讯网络传送至DCS 。

信号输入

恒流源2 0.1mA

1mA 恒流源1 0.1mA 1mA

光MOS通道开关

滤波

电路

通讯调制解调电路通讯隔离模块

原理框图

通讯调制解调电路

大规模可编程逻辑电路

RC震荡电路

自动复

位电路

17位A/D 转换电路

高性能微处理器

自动增益放大器

串行EEPROM 数据存储器

B网

A网

通讯隔离模块

机内

电源模块

根据IDAS-3102测量前置机的结构和基本原理，前置机主机可分为电源、数字、模拟、通道、通讯五部分。

3.1 电源部分

IDAS-3102前置机电源来自S 网络，且为直流电源，不再采用常用的AC220V 交流

电源，由于采用了新颖的供电技术，避免了来自交流电网的各种干扰对前置机的影响。前置机的电源部分省去了交直流变换的环节，使前置机的电源部分更加简洁、可靠。

3.2 通道部分

前置机通道部分采用高档进口光电隔离开关（AQW214），该开关具有很好得热稳定性，通道采用双恒流源光电开关，三线制测量电阻和热电阻信号时引线电阻可自动补偿。光电开关通道隔离电压可达400V。该部分的功能是完成对20路现场信号的轮流切换。

3.3模拟部分

前置机模拟部分由差分输入、可编程运算放大器、A/D转换器组成，模拟信号经放大后由A/D转换电路将模拟电压信号转换成数字信号。可编程运算放大器具有自动增溢功能，17位A/D转换器具有良好的线性度，可保证前置机的测量精度达到0.1级。

3.4数字部分

前置机的数字部分由微处理器、数据存储器、复位电路、通讯电路等组成。

整个系统以微处理器为核心，对数字信号进行分析处理后送到通讯电路，数字电路采用了超大规模现场在线可编程逻辑门阵ISP器件：iM4A5芯片（美国LATTICE公司产品），该芯片可集成8000门逻辑电路，大大提高了前置机的集成度，使前置机的可靠性得到进一步保证。

采用EEPROM保存前置机参数，具有掉电保护功能。

前置机自复位电路采用最新的看门狗电路芯片，具有上电复位、故障复位和电压监控等功能。

3.5 通讯

前置机通讯部分由专用通讯电路、隔离变压器等部分组成，并具有通讯电平高、速率快、抗干扰能力强、双网冗余等特点。该部分的功能是将测量工程量信号传送到网络电源适配器。

4．结构与安装

4.1 结构

IDAS-3000系列直流模拟量测量前置机由防护外壳(即机箱)、主机部分、信号接线板三部分组成。外壳采用高强度的黑色ABS材料，整机全封闭，耐高温、强度高。

4.1.1 前置机的外形及内部结构

IDAS-3102测量前置机的信号线、通讯电缆均由下方密封橡胶头引入，必要时可以灌入密封胶，保证整机的密封性能，确保防尘、防潮的技术要求，如图4.2所示(黑色方块即为密封

橡胶头)。外壳上的信号接线记录用于用户自行标注信号名称和来源(见图4.1)。外型尺寸：420×292×70（长×宽×高单位：mm ）

图4.1 IDAS-3102测量前置机外形图图4.2 IDAS-3102测量前置机内部结构图

前置机主机部分通过两个螺钉固定在机箱底部，信号接线端子与主机部分之间采用插拔结

构，更换主机部分时需松开固定螺钉，将主机部分轻轻向前移即可取下，更换后不需重新接线。

4.1.2 LED 指示

IDAS-3102模拟量测量前置机均有LED 自诊断指示灯，位于前置机右上角，其显示状态的意义见表5。

表5：IDAS-3000模拟量测量前置机LED 指示灯状态的意义

剥线长度约7 mm；

当使用多芯软导线时，为防止搭线造成短路，芯线应绞紧，最好将芯线事先作镀锡处理。

下面介绍以IDAS-3102直流模拟量测量前置机为例。IDAS-3102模拟量测量前置机有三种不同类型的引入线，即：模拟测量信号引入端子（三端子）10组、网络通信端子2组、备用直流电源端子1组。

(a)通信线接入

通信端子在前置机上的位置，共占用了两组端子(如图2.4所示)。

●当前置机位于网络末端时应接入网络匹配器，而其它情况下不能接入。

●与IDAS-2000相比IDAS-3000网络的匹配器不只是一只匹配电阻，而是一个阻容结

合元件，该匹配器有我公司提供，具体名称为IDAS-3000网络匹配器。

4.3.2 前置机地址设定

为了使网络中主站能够与子站(前置机)通讯，所有接入网络的主站或子站都必须设置一个唯一的识别地址。前置机出厂时的地址是随机的、甚至是无效的，因此，新入网的前置机必须进行地址设定，以在网络中取得一个唯一的地址，否则无法正常通讯，例如网络中同时有了两台3#前置机，系统就会出现通讯出错。

前置机地址是在主机上借助于网络用“地址设定命令”设定的，即通过发送子程序Command(int paddr,char* cmd,int num,float* argf)，向前置机发送地址设定命令cmd=“ADnNOm”来完成前置机地址设置。其中n是前置机号，m是前置机编号(前置机编号标示于前置机的信号标签上、主体电路外壳上)。

由于新入网的前置机地址不详(或其地址无效)，因此可在指定了其编号的前提下采用0地址进行广播式发送的方式来传送其地址设定命令(即paddr =0)。

例如，将新接入网络的编号为010845012的前置机地址设定为5号(前提是网络上无5号地址的前置机)，采用广播式发送的具体操作步骤如下：

地址设定应注意以下几点：

* 地址设定要采用广播式(paddr=0)发送方式；

* 确认“地址设定命令”中所输入的编号是正确的；

* 地址设定命令不接受由分号(；)隔开的命令组，即该命令只能单独发送，所以前

置机地址设定操作必须一台一台地进行。

5．信号测量与接线

通过IDAS-3102模拟量测量前置机进行直流模拟量信号的高精度采集时，被测量的信号可能比较微弱，特别是对于热电偶信号的测量，其信号幅度只有几十毫伏。因此，要想在各种干扰非常严重的工业现场对如此微弱的信号进行高精度采集，信号的接线方式正确与否将对采集精度产生重要的影响。

本章将进一步说明进行信号测量、接线的具体方法，以及如何避免与抑制各种干扰信号，内容包括：

* 前置机接线端子的配置

* 直流电压、电流的测量和接线

* 热电偶信号的测量和接线

* 热电阻及电阻的测量和接线

5.1 前置机接线端子配置

IDAS-3102 IDAS-3103

图5.1 IDAS-3102测量前置机接线端子的配置图

由于前置机功能不同，接线端子的布置也不同。图5.1给出了IDAS-3102模拟量测量前置机信号输入端子的配置示意图，图中I、H、L、G依次表示信号输入的激励电流、正极、负极和信号地。

前置机外壳上的信号接线记录表主要用于记录每个通道的测点名称和信号类型，除了型号、前置机地址和编号，还应有相应的出厂日期。每一个空栏代表一个输入通道，空栏中可由用户填写对应输入通道的标示信息。

5.2 直流模拟量信号的测量与接线

IDAS-3102模拟量测量前置机的测点信号可以混接，但各种模拟量信号的接线方式是不同的。对于直流模拟信号的测量来说，不管是何种类型的信号，实际上都可归结为直流电压信号的测量。IDAS-3102模拟量测量前置机为每个模拟信号输入提供了H 、L 、G 三个端子作为基本输入端子，即H 端接信号正极，L 端接信号负极，G 端则接屏蔽层(直接在接线端子侧将L 和G 端连接)。如果遗漏了G 端与L 端间的连接，将导致测量精度下降或测量结果不稳定，甚至得出不正确的测量结果，即G 端绝对不能悬空。

除了H 、L 、G 端子外(简称三端子输入),用于四线制电阻测量的前置机还提供了恒流源输出端子I(简称四端子输入)。下面详细介绍不同类型的前置机进行各种信号的测量方法和接线。

5.2.1 直流电压的测量与接线

IDAS-3102模拟量测量前置机测量直流电压是它最基本的功能，IDAS-3102模拟量测量前置机使用5种量程，即：±10mV 、±100mV 、±1000mV 、±10000mV 四个固定量程和一个自动量程。其中固定量程的选择应根据信号可能达到的最大电压不大于某个固定量程来确定，自动量程、工作方式可根据输入信号电平的高低(0～±10V)自动切换量程，以保证有最大的测量精度，因而用户在不能确定被测量信号变化范围时，应首选自动量程作为直流电压信号的测量方式。

H 端接被测信号正极，L 端接信号负极，G 端则应在接线端子处与L 端(即信号负极)相连接，绝对不可悬空(如图5.2所示)。

L G

H +-

H 三线制

L S +-

S 二线制

二线制

S +-

S L G

三线制

H +-

H G

L I I

IDAS-3102 IDAS-3103

图5.2 IDAS-3102测量前置机电压测量接线图

直流电压测量的具体操作步骤如下(假如前置机已在网络中以8号地址正常登录)：

5.2.2 直流电流的测量与接线

直流电流的测量是通过在被测电流回路中串入一标准电阻，然后由前置机测得该电阻上的电压，再经过前置机本身的函数运算功能，将电压值转换为电流值得出的。标准电阻的取值应注意以下两点：

* 电阻上产生的电压应小于前置机允许的输入电压最大值10V；

* 尽量使其电压变化范围正好落在前置机的某个电压量程内；

比如对变化范围为0～20mA的直流电流进行测量时，可以接入50Ω标准电阻，当信号电流为20mA时，在电阻上产生的电压为1000mV，不超过测量量程允许的范围且在1V量程内变化。此时可设定该模入通道为测电压、量程为1V和进行函数运算的工作方式，函数运算选择“FU1”功能，即:

y=Kx

其中：

x—为实测的标准电阻上的电压mV值；

K—为变换系数，此例中K=20/1000=0.02；

y—为计算机读取的最后结果，此例中为电流值I(mA)。

这样在测量时前置机就进行了I=0.02x的计算，最后计算机从前置机读取的结果即为实

际的电流值(mA)。

通常，标准电阻直接接在接线端子上，这时G 端在接线端子处直接与L 端连接在一起。如果标准电阻必须远离接线端子，接在电流信号源一侧，也要将G 端在接线端子处与L 端连接。

采样电阻

H G

L A A L G

H +-

采样电阻

IDAS-3102 IDAS-3103

图5.3 电流测量接线示意图

5.2.3 热电偶信号的测量与接线

补偿导线

热偶

H L 补偿导线

L G

IDAS-3102 IDAS-3103

a.冷端内部补偿

补偿导线

热偶

恒温槽

铜导线

L G

IDAS-3102 IDAS-3103

b.冷端恒温补偿

H I

接线箱

热偶补偿导线

铜导线L G

I H G L 测温电阻

测温电阻

L G H G L 铜导线补偿导线

热偶接线箱

IDAS-3102 IDAS-3103

c.以某接线箱温度补偿

图5.4 热电偶测温接线图

与电压测量一样，热电偶的测温是测量热电偶所产生的微弱温差电势由前置机进行了相应的冷端补偿和线性化处理，并最终给出热电偶热结点处的温度值。IDAS-3102模拟量测量前置机可进行热电偶测温，如图5.4所示，可接受的热电偶型号B 型、E 型、J 型、K 型、R 型、S 型、T 型、EA-2型八种。

与电压测量所不同的是,热电偶测温时需要知道其冷端结点处的温度，并以此温度对测量结果进行补偿，冷端所处的位置决定其补偿方式。IDAS-3000系列模拟量测量前置机在测量热电偶时，具有下面三种冷端补偿方式：

(1)以环境温度为冷端补偿(内部补偿)

环境温度是指前置机机箱内的温度，IDAS-3102模拟量测量前置机通过主处理系统中的

热敏电阻自动测得，若以环境温度为冷端补偿，将热电偶信号用热电偶延引线引至前置机的接线端子上。前置机的良好密封性能保证了前置机接线端子处的温度场是均匀的(见图5.4a)。例1：方式设置命令“CH01MD230；TC0”表示某前置机的第1通道输入为K 型热电偶信号，以前置机接线端子处的温度作为冷端温度，也就是说该热电偶直接(或通过延引线)接于前置机的接线端子上。

在这种接线方式下，热电偶的输出信号必须使用补偿线直接接在前置机的接线端子上。

热电偶的信号正极接H 端、负极接L 端，G 端在接线端子处与L 端短接。

(2)冷端以外部恒温槽为冷端补偿

有些工业现场将多支热电偶的冷端共同接入一个恒温槽内，此时恒温槽的温度就是其冷端温度，这个温度可在测量前作为前置机的设定，并在工作方式设置中指定以该单元的值作为热电偶的冷端温度(见图5.4b)。

例2:通道方式设置命令“CH02MD230；TC100”，命令串中“230”表示某前置机的2号模入为K型热电偶，第一个所需浮点参数“20”表示以20℃作为冷端温度。

在这种接线方式下，热电偶的信号引到恒温槽，然后使用普通的导线从恒温槽中将被测量信号引至前置机，其信号正极接H端、负极接L端，G端在接线端子处与L端短接。

IDAS-3102测量前置机进行热电偶测温的具体操作步骤如下(假设前置机已在网络中以5

(3)以前置机某通道的测量值作为补偿

当热电偶冷端位于一非恒温的未知温度的接线箱时，IDAS-3102模拟量测量前置机也可以采用某一通道测量值作为冷端补偿值(见图5.4c)。

例3：通道方式设置命令“CH01MD2302；CH20MD1302”，表示某前置机的1号模入为K型热电偶，以20号模入通道热电阻Cu50所测温度作为冷端温度。

关于热电阻测温的接线方法参见5.2.4节的介绍。

为保证测量精度，热电阻和热电偶的冷端应接入同一个接线箱内，且测量冷端温度的热电阻应尽量靠近热电偶的冷端，同时该接线箱内的温度场应是均匀的。

5.2.4 电阻及热电阻的测量与接线

IDAS-3102模拟量测量前置机测量电阻的原理，是通过在未知电阻上施加已知电流，测

量出电阻上的电压，通过运算得到被测电阻值。

对于热电阻的测量，前置机内均已预置了若干线性化程序，可接受的热电阻型号为Pt10、Pt100、Cu50、Cu100、BA1、BA2、BA3、G 等。

对于IDAS-3102模拟量测量前置机，进行电阻或热电阻测量时的激励电流选择应注意以下几点：

* 被测电阻或热电阻的最大值与激励电流的乘积应不大于前置机所允许的输入电压最大值10V ，在必要的情况下可考虑分压；

* 在满足上一条件的情况下尽量选择较大的激励电流，可以提高测量精度。

电阻量程：1mA 激励电流为10Ω、100Ω、1k Ω、10k Ω和自动量程；0.1mA 激励电流为100Ω、1k Ω、10k Ω、100k Ω和自动量程。电阻、热电阻测量可以有多种接线方式：

(1) 二线制电阻、热电阻测量接线

L L G

H I Rt

IDAS-3102 IDAS-3103

图5.5 二线制电阻、热电阻测量接线图

二线制电阻测量接线实际上是三线制接线的简化接线方式，即当被测电阻阻值较大，引线电阻引起的误差不足以影响测量精度时，将Ｌ、G 端直接在接线端子处短接，以构成二线制电阻测量接线方式。见图5.5。

(2) 三线制电阻、热电阻测量接线

H G

IDAS-3102 IDAS-3103

图5.6 三线制电阻、热电阻测量接线图

注：IDAS-3101测量三线制电阻、热电阻信号时引线电阻自动补偿。

(3) 四线制电阻、热电阻测量接线

L G

H I Rt

图5.7 IDAS-3103四线制电阻、热电阻测量接线图

5.3 接线中的干扰抑制

当模拟量精度不能达到产品的精度指标时，应考虑是否是由于信号接线处理不当或现场干扰严重所0`9G6,可能帮助您解决问题：

1.不使用的信号输入端应将其H 、L 、G 端可靠短接，同时要将其测量方式设置为“跳过”方式；-

2.当信号引线较长同时干扰较严重时，应使用带屏蔽的双绞信号电缆，并且必须采用图5.7的信号接线方式，即G 端通过屏蔽层在信号源处和L 端连接，此时原接线端子处G 端和L 端的连线要断开；

图5.7 干扰严重时的接线方式

3.如果被测的直流电压中叠加有较大的交流成分时(如现场附近有严重的电磁干扰)，就有可能在输入信号线上产生感应电压，此感应电压叠加在直流电压中会使测量精度下降,这时可尝试用更高一级的固定量程来进行测量；

4.前置机的屏蔽罩接地端应可靠接大地；

5.对于热电偶的测量，误差经常来自冷端的设置错误，也可能由冷端所处的温度场不稳定或不均匀引起。

6．前置机命令

在IDAS-3000网络中，所有网络上的各种设备，都通过“命令”来设定其工作方式、对其编程或对其运行状态进行干预的。命令的格式、书写规则及使用方式都是统一的。IDAS-3102前置机的命令主要用于完成其各类测量通道工作方式设置、前置机工作状态编程等一系列工作，以便使其能够自动、准确地运行。

本章首先介绍命令的通用格式、规则及发送方式，然后介绍IDAS-3000系列前置机所使用的命令。内容包括：

*命令的统一约定；

*IDAS-3102前置机的命令；

6.1 命令的统一约定

6.1.1 命令书写格式

一个命令可以由一个或多个命令项组成，一个命令项包含“命令符”和“命令参数”，或只有“命令符”。通常，多个命令可以一起使用(称为命令串)，由驱动程序提供的子程序(command)发送至指定前置机，其书写格式如下：

“命令符(参数) [;命令符(参数)] [;命令符(参数)]……”,[ ]内的项可缺省

6.1.2 命令的规则

所有命令串均遵循以下规则：

*命令可以单个传送，也可以以命令串的形式一次传送多个命令。这时命令和命令之间必须用“；”号隔开，命令串的长度不超过254个字符，否则应分多次发送。

*命令串(命令参数除外)由ASCII字符组成，合法字符为字母A～Z(可小写)、数

字0～9，以及“；”、“，”、“：”、“-”等字符,其它字符如空格等均非法；

*命令参数中可以包含除“()”以外的任何字符；命令中的“，”号可以用“：”号

代替，用于命令中参数的分隔；

6.1.3 命令的发送

将命令发送给IDAS-3000系列前置机，是在主站上通过调用文本发送子程序Command(int paddr，chat *cmd，int num，float *argf)完成的。命令由主机传送给网卡，再由网卡通过网络发送给前置机。

对于一些简单的命令，直接将命令字符赋值给cmd即可。

当命令需要一个或多个IEEE格式的单精度浮点数或其它格式的数值作进一步说明时，这些附加数据则是用文本传送子程序中的单精度数组A(1)传送的。在使用时应将命令串所需的数值的个数值赋值给num，而数据则依次赋值给A()数组的元素。

赋值给A()数组的附加数据的顺序应依照命令串中命令书写的顺序，对于某个命令中的多个数据的赋值顺序，则依据该命令对赋值顺序说明。A()数组的元素个数最多只能允许100个，如果命令串中所需附加数据的个数超过100，应分多次发送。

向已在网络中的某个子站(前置机)发送命令的具体操作步骤如下：

6.2 IDAS-3102前置机的命令

6.2.1 命令一览

表7命令一览

6.2.2命令详述

1、地址设置命令

命令格式“ADnNOm”

功能将编号为m的前置机地址设置为n。

参数说明n：待设定地址，取值1～240(n不能取0)；

m：前置机编号, 该编号标示于产品标签上。

注意1．地址设定命令须单独发送，即每次命令的发送只针对一台前置机

进行地址设定；

2．如果不知道被设定前置机的当前地址，应采用广播方式发送(paddr=0)