第14章 现场总线设备

• 第二种方法是采用就地调整功能对通信功 能进行预组态。这种方法省去了系统组态 器，但要求技术人员对现场总线的通信机 制有更多的了解，对于小规模的系统而言， 这是一种比较经济的方法，但对于一个大 规模的系统来说，这种方法费时且易出错。
二、工作原理 1、传感器
图1 电容式传感器
平板式电容器的容量可表达为：
• （6）积算块
• 积算块对两个输入的偏差进行积分，或者 是累加一个脉冲式计数器的数值。积算值 再与复位值相比较。积算值控制两个开关 量输出：一个开关量当积算值到达复位值 时为ON；另一个当积算值到达预定值时为 ON。该块通过分析输入信号的状态来通知 积算值是否可靠。
2、控制组态
• 其他现场总线设备的功能也可以表示为功能块。 有些功能块该差压变送器并不支持，但其他现 场总线设备中支持这些功能志。在现场总线系 统中，这些功能块一并提供大多数控制系统所 需要的功能。如，执行器含有模拟量输出功能 志。 • 用户可以把这些功能志连接起来组成他所需要 的控制策略。在系统中每一个块均由用户所分 配的编号来标识。在现场总线系统中，这个编 号必须是惟一的。
• 组态的步骤如下： • (1)将组态器和一个未初始化的差压变送器连接 在一起，在线路上不要接任何其他设备； • (2)首先将差压变送器初始化，它可以连接到网 络上； • (3)系统将自动地为差压变送器分配一个站地址， 并使其进入待机状态； • (4)准备对差压变送器进行应用组态，然后使其 进入工作状态。
d ε —电容极板之间电解质的介电常数 如果认为 CH 和 CL 是平板电容的容量，那么： C
A
CH CL
d 2 d d 2 d
A
A
然而， 如果加到电容膜盒的差压使膜片产生的位移不超过 d/4， 那么就可以认为△d 和△ p 成比例，即 △p∝△d 经推导：
• • • • •
•
•
•
在功能块中，有三种类型的参数： (1)输入参数 功能块接收到要处理的值； (2)输出参数 可送给其他块、硬件或者使用者的处理结果 (3)内含参数 用于块的组态、运行和诊断 如，一个PID块中，过程变量是输入参数，控制变量是输出参数，整定参数是 内含参数，一个功能块中的所有参数都有预先确定的名。 如果该变送器只需要有测量功能，那么用户需要的功能块只是模拟量输入块， 而要实现控制功能，应需该变送器中或者其他设备中的PID功能块。 把功能块的输出与其他功能块的输入连接在一起就可建立控制策略。当这种 连接完成之后，后一个功能块的输入就由前一个功能块的输出“拉出”数值， 因而获得它的输入值。处于同一设备或不同设备的两个功能块之间均可连接。 一个输出可连接到多个输入。这种连接是纯软件的，对一条物理导线上可以 传输多少连接基本上没有限制。内含变量不能建立连接。 输出值问题伴随着一些状态信息，如，来自传感器的数值（前向回路）是否 适合于控制，或是输出信号（反馈回路）是否最终正确地驱动了执行器。这 样，接收功能块就可以采用适当的动作。连接是由输出参数名以及它所来自 的功能块编号所惟一确定的。
3、网络访问
• 差压变送器有一可选的显示器，它作为就地的人机接口， 可用于某些组态和运行，然而所有的组态、运行和诊断 都可用远方的组态器或运行员操作站来进行。组态基本 上就是分配编号和选择功能块，把它们连接起来，调整 内含参数形成控制策略的过程。 • 就地及远方的人机接口还可实现变量的监视和驱动。如， 过程变量和给定值，这些变量已经按用途编组，可用一 次通信来访问多个变量。 • 当报警和其他紧急事件发生时，功能块会自动地通知用 户。因此，人机接口不必通过定期询问的方法来确定是 否存在报警状态。另外，功能块还有一个确认机构，以 便使它知道运行人员是否已经知道了报警情况。
• 采用现场总线技术，可把几个设备互连起来，形成非常大的控制规模。 为方便用户引进功能块的概念，用户可很容易地建立和监视复杂的控 制策略。另外一些优点是增加了灵活性，可以逻辑控制策略，而不需 要另外布线或者是改变硬件。 • 现场总线差压变送器有一内置的PID控制块和一个计算块，这样就不 需要另设控制设备了。通信需求显著减少，因此减小了延迟时间，保 证了控制的实时性，且使成本进一步下降。现场总线控制系统中还有 其他一些功能块，可以灵活地实现许多控制策略。 • 考虑到小规模系统和大规模系统采用现场总线时的需要，现场总线差 压变送器在网络中可以作为主站运行，可以采用磁性工具就地组态， 这在许多场合中省去了组态器或工程师工作站。 • 现场总线差压变送器的通信和功能块连接有两种组态方式，一种是使 用系统组态设备。这种情况下，最繁重和最重要的任务实现了自动化， 且有效地防止了组态错误。在这种系统中，采用设备的物理地址标签 来给一个设备分配地址。在一个新的设备接入网络之前，必须对它的 标签进行组态。
CL CH 2d CL CH d
由于固定膜片 CH 和 CL 之间的距离 d 为常数，因此，(CL-CH)/(CL+CH)与△d 成正比，也就是 说与待测的差压成正比。 因此可以说由两个电容组成的测量膜盒是一个压力传感器，它的电容随着差压的变化而 改变。
2、电路工作原理
图2 差压变送器电路原理方框图
• 系统也自动地通知组态的变化。当改变组态时，它自己 进行更新，因此不必连续地检查组态。 • 实时功能块输入和输出的依次传递被 称为工作传输。功 能块的这一传输及功能块的执行是由系统进行调度的。 用最小的延迟时间以保证周期的精确性。所以，可取得 像模拟量系统一样的控制性能。由于有了组态和报警传 输机制(称其为背景传输)，大大减少了通信负荷。因此， 系统能有更多的时间来进行工作传输，进一步改善了控 制性能。组态之后，系统对编号和参数名进行分析，生 成优化的通信格式。 • 变送器内部功能块的使用可进一步提高速度。如，采用 PID块实现控制，与在另外一个设备中实现控制相比， 就要少一个通信变量。这就减少了回路和延迟时间。
第14章 现场总线设备
• 现场总线设备：是指连接在现场总线上的各种仪表设备。 • 现场总线设备按功能分：
– 变送器类设备：包括各种差压变送器、压力变送器、温度变 送器等； – 执行器类设备：包括各种气动执行器和电动执行器； – 转换器类设备：包括各种现场/电流转换器、电流/现场总线 转换器、现场总线/气压转换器； – 接口类设备：主要指各种计算机和控制器与现场总线之间的 接口设备； – 电源类设备：指为现场总线设备供电的电源 – 附件类设备：包括各种总线连接器、安全栅、终端器和中继 器等
1、功能块
• 功能块是用户对设备的功能进行组态的模型。 一般来说，以前在一个设备中仅能实现一种功 能。现在，在一个设备中可以同时实现几个功 能。 • （1）PID控制块 • PID块的设定值可由运行员调整，或者是来自 另一个块的变量，或者是来自计算机、DCS或 PLC的一个设定值。控制变量（MV）有同样的 结构。MV的值加入乘以增益后的前馈变量中， 再加入偏置。块具有限幅、报警、偏差报警、 设定值跟踪、安全输出、正反作用等功能。
一、概述
• 现场总线温度变送器与热电阻或热电偶配 合使用，主要用于温度测量。但它也可接 受其他传感器输出的电阻和毫伏信号，如： 高温计、荷重传感器、电阻式位置指示器 等。现场总线温度变送器采用数字技术， 可同时测量两路温度信号或两点的温差信 号，接受各种类型的传感器信号，现场设 备与控制室设备之间易于连接，且能够大 幅度地降低安装、运行和维护成本
• （2）模拟量输入块 • 模拟量输入块接受一个来自转换块的变量，即实际 测量值，并进行标度变换、滤波，然后输出为其他 块所用。输出可以是输入的线性函数或者是平方根 函数。块可以报警并且换到手动，以便迫使输出成 为一个可调整的值。 • （3）信号特性描述块 • 信号特性描述块有两个输出，它们是与两个模拟量 输入信号有关的非线性函数。函数由表格所确定， 它有两个坐标、20个坐标点。输出采用插值法计算， 两个输入产生两个独立的输出，使用同样的曲线。 第二个输出可以是逆输出，即Y2是输入，X2是输出。
• 显示器用许多状态显示器同时显示工程单 位、数值和参数。当用户进行就地调整时， 停止正常显示。
图4 显示器的正常显示
(2)异常显示
• 显示器也可以显示错误信息或其他信息， 见表1.
表1 异常显示信息
第二节 现场总线温度变送器
• • • • • • • • • • • • • • • • • • • 一、概述 二、工作原理 三、温度传感器 1、热电偶 2、热电阻 现场总线温度变送器连接方法： 1）两线制连接 2）三线制连接 四线制连接 4）差分连接 四、温度变送器应用 1、功能块 2、控制策略 3、网络访问 五、温度变送器的组态 1、物理块 2、显示转换块 3、输入转换块 (1)量程调整
四、显示器
• 显示器可显示三个变量，这三个变量是可 以选择的。当选择两个变量时，显示器将 每隔3s轮流显示这两个变量中的一个变量。
图3 显示器的显示区以及状态显示
• (1)正常显示 • 正常显示时，LD302处于正常显示状态。这 种状态下，轮流显示主、次和第三个变量。 见图4。当被 显示值超过±19999时，显示 阶数和尾数。
• （4）通用计算块 • 通用计算块的输出是四个输入的函数，其参数可调， 算法可选。块可提供各种算法。如，利用双量程变 送器对气体流量进行温度校下、液体流量的温度校 下、平均值、信号的相加相乘、四阶多项式、简单 的HTG计算、明渠流量计算等。 • （5）输入选择块 • 输入信号选择块有三个模拟量输入和一个模拟量输 出。有一个可选参数，可以选择输出为最大值、最 小值、中间值，或者用一个由开关量控制的开关来 选择两个信号中的一个。该块支持三个反演算输出 和一个反演算输入以保证手/自动的无扰切换。
• • • • • • •
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节
现场总线差压变送器 现场总线温度变送器 电流-现场总线转换器 现场总线-电流转换器 现场总线-气压转换器 现场总线阀门定位器 现场总线接口
第一节 现场总线差压变送器
• • • • • • • • • • • • • • • • • 一、概述 二、工作原理 1、传感器 2、电路工作原理 三、应用介绍 1、功能块 （1）PID控制块 （2）模拟量输入块 （3）信号特性描述块 （4）通用计算块 （5）输入选择块 （6）积算块 2、控制组态 3、网络访问 四、显示器 (1)正常显示 (2)异常显示
三、应用介绍
• 由现场总线观点来看，现场总线差压变送器不仅仅是一个差压 变送器，且是一个具有以下功能模块的网络节点： • (1)一个物理块 • (2)一个输入转换块 • (3)一个显示转换块 • (4)一个模拟量输入块 • (5)一个PID控制块 • (6)一个信号选择器块 • (7)一个信号特性描述块 • (8)一个通用运算块 • (9)一个积算块 • 功能块有输入参数、输出参数、内含参数和控制算法。某些功 能块通过转换块直接由硬件读写数据。功能块由块名（标签） 和一个数字参考索引来标识。块输出可由总线上的其他设备读 取，其他设备也可以把数据写到块的输入端。
源自文库
一、概述
• 现场总线差压变送器是用于差压、绝对压、表压、液位和流量测量的 一种变送器。它的核心是高性能、高可靠性的，经现场应用证实的电 容式传感器，若其他类型的传感器。现场总线差压变送器中所采用的 数字技术使用户可以选择各种各样的变送器功能，并且使现场和控制 室之间易于连接，大幅度地降低安装、运行和维护成本。 • 现场总线不仅仅是4~20mA的替代产品或者是智能仪表的一个变送器 协议，它的意义远非如此。现场总线是一个完整的系统，它可以把控 制功能分散到现场设备中去。 • 从现有情况看，双向数字通信具有许多优点：高精度 、多变量访问、 远方组态和诊断，及在一条线路上连接多台设备。但有些协议并不传 输控制信息，而是仅仅传送维修信息，因此它们的传输速度很慢，使 用效率较低。 • 现场总线可克服这些问题。要像4~20mA系统那样实现闭环控制，需 要更高的通信速度，由于高速需要更大的电源消耗，这个要求与本质 安全产生了矛盾。因而需选择适当的通信速度，系统的通信开销应尽 可能小。采样调度系统来控制变量的采样、算法的执行，及通信系统 的优化。因此，可取得良好的闭环控制性能。