信号传输与接口技术 术教学课件 机电一体化技术应用.ppt

机电一体化技术应用变送器和变送模块数/模转换项目二 信号传输与接口技术 工业中的基本数字连接采用数字信号，而传感器多采用模拟量，如420 mA的电流或05 V的电压信号，随着控制系统的数字化，将模拟量和数字量在一定精度上进行相互转换是控制的基础。A/D和D/A转换模块是工业中经常使用的模块，使用这些模块将特殊量程的变量转换为数字量的标准工业信号，可方便地与数显仪表或转换器进行可靠连接，从而实现检测和控制功能。项目二 信号传输与接口技术知识目标 通过变送器的应用，理解变送器对于工业信号标准化的意义，熟悉变送器的工作原理、各种信号变换模块的控制标准化的数据及显示正确的数据，方便检测和控制。任务一 变速器和变送模块技能目标 通过实践操作和训练理解，初步认识步进电动机的一般运行特点，了解工业中经常使用的步进电动机的基本选用原则。知识链接 变送器 一、任务一 变速器和变送模块任务一 变速器和变送模块变送器原理1.变送器是基于负反馈原理工作的，它包括测量部分(输入转换部分）、放大部分、反馈部分和调零部分。测量部分一般是传感器，将需要的信息经过调零和反馈干预后传递至放大部分，最终成为标准信号。不同转子阻值时的机械特性曲线任务一 变速器和变送模块 变送器的输出信号与输入信号的关系如图所示，基本上呈直线，结合图可以看出，调零部分实际上是调节图形中的原点，而反馈和放大部分实际上是调节直线的斜率。最终可以得到较好的线性度指标。事实上，大多数变送器是可以进行调节的，某些比较先进的变送器还可以用软件进行调节。变送器信号输出任务一 变速器和变送模块 结构、原理及控制 一、步进电动机能将脉冲信号直接转换成角位移(或直线位移)，这在计算机控制系统中特别方便，使用它可省去数/模转换接口。由于步进电动机的角位移是一个步距一个步距(对应一个脉冲）移动的，所以称为步进电动机。当步进电动机的结构和控制方式确定后，步距角的大小为一固定值，所以可以对它进行开环控制。步进电动机的结构及工作原理1.任务一 变速器和变送模块任务一 变速器和变送模块 变送器的信号电路由信号输入隔离、电量转换电路和输出电路三个部分组成。信号输入隔离可以将工业现场环境与后续测量电路分隔开，这样既能保证电路的安全，又可以保证稳定传输，在很多情况下采用的是光电隔离方式；电量转换电路主要指放大、反馈和调零部分电路，是电量转换的主要部分；输出电路主要作用是不影响前面的电路。变送器的信号电路任务一 变速器和变送模块 1）压力变送器 变送器的种类2.压力变送器也称差变送器主要由测压元件传感器、模块电路、显示表头、表壳和过程连接件等组成。它能将接收的气体、液体等压力信号转变成标准的电流、电压信号，以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。任务一 变速器和变送模块 2）一体化温度变送器 一体化温度变送器一般由测温探头(热电偶或热电阻传感器）和两线制固体电子单元组成。采用固体模块形式将测温探头直接安装在接线盒内，从而形成一体化的变送器。一体化温度变送器一般分为热电阻和热电偶两种类型。温度变送器任务一 变速器和变送模块 3）液位变送器(1）浮球式液位变送器。由磁性浮球、测量导管、信号单元、电子单元、接线盒及安装件组成。浮球式液位变送器任务一 变速器和变送模块(2）浮筒式液位变送器。浮筒式液位变送器将磁性浮球改为浮筒，它是根据阿基米德的浮力原理设计的。浮筒式液位变送器是利用微小的金属膜应变传感技术来测量液位、界位或密度的。它在工作时可以通过现场按键来进行常规的设定操作。任务一 变速器和变送模块(3）静压式液位变送器 静压式液位变送器利用液体静压力的测量原理工作。它一般选用硅压力测压传感器将测量到的压力转换成电信号，再经放大电路放大和补偿电路补偿，最后以420 mA或010 mA电流方式输出。任务一 变速器和变送模块 4）电容式物位变送器 电容式物位变送器适用于工业企业在生产过程中进行测量和控制生产过程，主要用作导电与非导电介质的液体液位或粉粒状固体料位的远距离连续测量和指示。电容式物位变送器任务一 变速器和变送模块 5）超声波变送器 超声波变送器分为一般超声波变送器(无表头）和一体化超声波变送器两类，一体化超声波变送器较为常用。一体化超声波变送器由表头(如LCD显示器）和探头两部分组成。一体化超声波变送器任务一 变速器和变送模块 6）智能变送器 智能变送器由传感器和微处理器(微机）组成。它充分利用了微处理器的运算和存储能力，可对传感器的数据进行处理，包括对测量信号的调理(如滤波、放大、A/D转换等）、数据显示、自动校正和自动补偿等。智能变速器任务一 变速器和变送模块 变送模块 二、变送器往往与传感器作成一体，以方便信号转换，传输尽可能真实的信息，但是在工业现场环境中，更为方便的是将传感器的信号进行标准化转换，这时需要转换模块来完成转换功能，这种模块称为变送模块，某些场合还需要进行隔离，称为隔离模块。事实上，在信号调理中隔离变送模块的使用可在相当程度上增加信号的稳定性和安全性，并能在不同制式信号之间相互转换，已经成为工业控制领域中不可或缺的基础部件。任务一 变速器和变送模块研华ADAM-3013热电阻变送模块任务一 变速器和变送模块温度变送模块的接线方式任务一 变速器和变送模块(1）三线制。在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好地消除引线电阻的影响，是工业过程控制中最常用的引线电阻。任务一 变速器和变送模块(2）四线制。在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U 引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。任务一 变速器和变送模块 热电阻常采用三线制接法。采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线(从热电阻到中控室）也成为桥臂电阻的一部分，这部分电阻是未知的且随环境温度变化，从而造成测量误差。采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。工业上一般采用三线制接法。热电偶产生的是毫伏信号，不存在这个问题。任务一 变速器和变送模块 3）静转矩和失调角 前面的分析中所述的步进电动机的转子位置都不考虑外力矩的情况。当转子带有负载力矩通电时，转子就不再能和定子上的某极对齐，而是相差一定的角度，该角度所形成的电磁转矩正好和负载力矩相平衡，这个角度称为失调角。失调角影响步进电动机的精度，而且它随着负载力矩的变化而变化。失调角太大，下一个脉冲到来时，会使步进电动机失控，即不能按原来的方向走步，反而会向反方向走步。所以步进电动机所能带的静转矩是受到限制的，其最大静转矩一般在产品说明书中给出，使用中不要超过此值。任务一 变速器和变送模块变送模块的接线定义任务一 变速器和变送模块 实训目标 一、通过使用热电阻传感器的变送模块，熟悉和掌握一般变送原理和操作方法，能够根据信号要求选择适当的变送模块。实训一 变送模块的使用 实训内容 二、使用如图所示的热电阻传感器测量水的温升曲线。假设沸水温度是100,可以通过这个温度对传感器的信号进行校准。在测量中，也可以配合使用温度计进行温度曲线的校准。热电阻传感器 实训一 变送模块的使用 使用如图所示的加热系统加热水，并采用温度计测量温度值。在加温过程中，每隔一段时间使用万用表测量输出的电压值，对应每一个电压值记录温度，并使用坐标纸描述其测量系统的线性度。温升检测系统示意图 实训一 变送模块的使用 需用器材 三、实训一 变送模块的使用(1）按照二线制，短接变送模块中IN+和+IEXC端口，以及GND和IN-端口，将上述两根引线分别接入热电阻的两个引线中，并使用万用表检查引线连接是否良好。将24 V开关电源的正极接入24 V端口，将GND电源接口接入开关电源的负极。(2）调整SW-2至PT100,0 100 挡位，调整SW1至010 V电压挡位。操作步骤 四、实训一 变送模块的使用 实训一 变送模块的使用(1）变送模块的信号输入电路在模块的一端，不能将短路线引入另外一端中的电源GND。(2）变送模块不能沾水，因此应该将模块与烧杯隔开一定距离，以避免短路和烧杯附近的温度影响。(3）变送模块应与强电电路分离，以保证信号不受外界电磁场影响，如果无法隔离，则需要电磁屏蔽保护金属软管安装。注意事项 五、实训一 变送模块的使用知识目标 数字量对于现代控制和测量技术极其重要，数字量可以直接输入工业计算设备中并参与决策，而模拟量大多是传感器的输出量，很多电机控制器的输入信号也是模拟量，这时需要将数字量转换成模拟量。理解数/模转换的基本原理，并能够计算数/模转换之后的信号误差。任务二 数/模转换技能目标 工业中的数/模转换多用于工业计算控制和检测，如PLC的流量检测控制和工业计算机控制电机转速等。能够正确应用数/模转换的方法进行测量和控制。知识链接 数/模转换和模/数转换 一、任务二 数/模转换D/A转换1.D/A转换电路分为并行和串行两种。并行D/A转换电路是将数字量各位代码同时转换。因此转换速度较快，但使用的元件多、成本高。串行D/A转换电路，其数字量各位代码是串行输入的，在时钟脉冲的作用下，控制转换电路一位接一位地工作，其转换速度比并行转换慢得多，但电路简单，使用方便。任务二 数/模转换 权电阻D/A转换电路又称权电阻解码网络，它是由许多电阻组成的网络，这些电阻的阻值与二进制数码每位的权有关，转换电路的名称即由此而来。权越大，对应位的电阻越小，在输出端产生的模拟电流就越大四位D/A转换任务二 数/模转换1 分辨率是指输入量的最低位数字(LSB)变化所引起的输出模拟量的变化。2 3 绝对精度是指D/A转换器对应于给定的满刻度数字量，其实际输出与理论值之间的误差。是指D/A转换器数据变化量是满刻度时，达到终值1/2 LSB时所需要的时间。转换时间与所用元件有关，尤其是双向开关和运算放大器。分辨率绝对精度转换时间任务二 数/模转换 一般使用数/模转换需要集成芯片。D/A转换芯片就是将T形电阻、双向开关和某些功能电路集成在单一的芯片上。根据实际应用的需要，不同型号的D/A转换芯片具有各种特性和功能。例如，从性能来看，有通用的DAC0808系列(8位，转换时间0.15 s)、高速的DAC0800系列(8位，0.1 s)、高分辨率的DA7546(16位，10 s)等。从应用来看，可选择输出电压极性的AD7524、AD7542，以及芯片内带有输入锁存器且可与CPU数据总线直接相连的DAC0830系列等。A/D转换2.直接法间接法 把电压直接转换为数字量，如逐次比较型A/D转换器。这类转换是瞬时比较，转换速度快，但抗干扰能力差。先把电压转换成某一中间量，再把中间量转换成数字量。目前使用较多的是电压时间(V-T)间隔型和电压频率(V-F)型两种，它们的中间转换量分别是t和f。实现这类转换的方法较多，如双积分型、脉冲调宽型等。这类转换是平均值响应，抗干扰能力较强，精度高，但转换速度较慢。任务二 数/模转换逐次比较型A/D转换器任务二 数/模转换（1）分辨率（2）精度 A/D转换器的分辨率是指转换器的输出每改变1 LSB所对应的输入模拟电压的最小变化量。A/D转换器的精度是指对应于一个给定的数字量的实际模拟输入值与理论模拟输入值之差。这一差值也称为绝对误差。当它用百分数表示时，称为相对精度或相对误差。误差的主要来源有量化误差、零位误差、非线性误差等。A/D转换的主要性能指标任务二 数/模转换（3）转换时间与转换速率 A/D转换器完成一次转换所需要的时间为A/D转换时间，转换速率是转换时间的倒数，一般位数越多，转换时间越长。任务二 数/模转换 数/模转换模块 二、驱动器外形任务二 数/模转换阿尔泰的D/A转换模块任务二 数/模转换 使用时应将模块的硬件连接好，如电源正极连接至20号端子上，电源负极连接至19号端子上，485总线端子连接至双绞线上，测量值为电压的接线。电压接线任务二 数/模转换电流连接任务二 数/模转换 实训目标 一、通过使用PLC的模拟量变送模块，初步认识变送模块从模拟量到数字量的变化过程，熟悉一般情况下的硬件连接和软件设置方法。实训二 PLC变送模块的使用 一般的PLC均有模拟信号输入的模块，如台达的ES2型PLC带有模拟量转换模块DVP04AD E2,模拟量输入模块接收外部4 点模拟量信号输入(电压或电流皆可)，将之转换成16 位的数字量信号。使用者可经由配线选择电压输入或电流输入，并可透过主机以FROM/TO 指令来读写模块内的数据，或者以MOV 指令直接读取对应通道的平均值。实训内容 二、实训二 PLC变送模块的使用磁力表架和杠杆百分表 实训二 PLC变送模块的使用D/A转换模块的配线图 实训二 PLC变送模块的使用 实训二 PLC变送模块的使用 然后设置通道的平均值显示次数，即每采集数据多少次后进行平均输出。在数据输入时，在PLC中地址为D9900D9999的寄存器将反映数据变化。实训二 PLC变送模块的使用 为了进一步了解PLC变送模块的使用方法，采用一台可调电压的线性电源(或者直流电源）作为信号发生器，按照上述方法连线，然后通过改变电压，观察PLC中D9900的变化情况。线性直流电源 实训二 PLC变送模块的使用 需用器材 三、实训二 PLC变送模块的使用 操作步骤 四、(1）首先按照要求连接D/A转换模块和PLC，将PLC中输出24 V电源的正极连接至转换模块的电源正极。将线性电源的电压调至最低，然后将线性电源的正负极分别连接至D/A转换模块的通道CH1中。PLC中的电源应连接至220 V的交流电中。(2）安装软件WPLSoft_V2.36。(3）使用专用串口线连接PLC和计算机，并在软件中进行联机测试，直至连接成功。实训二 PLC变送模块的使用 操作步骤 四、(4）设置参数使得CH1通道可以进行-1010 V的转换，并任意编写一个语句，进行编译和下载，使得PLC能够正常运行。(5）进入联机调试模式，找到D9900寄存器，并调节线性电源中的电压，观察D9900寄存器中的变化。实训二 PLC变送模块的使用 注意事项 五、(2）线性电源中的电压调整不应超过10 V，否则可能超过电压的接受范围。(1）变送模块的电源应为24 V，不得与220 V交流电源混连。(3）电路连接应检查是否有短路现象，然后通电。实训二 PLC变送模块的使用