dcs硬件系统培训教材(共247张).pptx

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1、DCS硬件系统原理、指标、试验和应用史洪源2003.122课程目标本课程结束后，应达到下列目标：w 基本了解DCS硬件系统的组成和原理w 熟悉DCS硬件系统各主要模块的技术指标w 了解DCS硬件指标的试验和测试方法w 初步了解DCS硬件系统的工程应用设计w 初步了解DCS硬件系统的可靠性和完全性减小或消除DCS用户和制造商之间的信息不对称性3课程建议少看书少记录多建议多怀疑课上交流清楚，课后一身轻松。4内容提纲w DCS硬件组成w 主控制器w AI设备w AO设备w DI设备w SOE设备w DO设备w PI设备w 电源设备w 控制网络设备w 系统网络设备w 组态与人机接口w DCS硬件可靠性

2、与安全性5典型DCS系统的硬件体系结构 通讯介质转换通讯介质转换控制网络控制网络系统网络系统网络6Distributed & DecentralizedDCS硬件体系发展趋势w 逻辑分布:即传统DCS中“D”的含义Distributed.w 地域分散:现场总线分布式I/O构成的DCS的“D”的还应增加一层含义Decentralized.w 满足现状：4-20mA模拟仪表仍占主流w 连通未来：现场总线智能仪表开始缓慢增长w 开放性：主控制器可以挂接其它开放的I/O系统，I/O模块也可以挂接到其它开放的主控制器上。开放性是制造商对用户的责任，它将在未来节省用户大量的后续投资。7过程控制器的发展趋势

3、：独立于I/O存在w 物理结构：可独立安装w 上行网络：以太网一统天下w 下行网络：支持多种主流的现场总线w 控制软件：向上独立于HMI，向下独立于I/O采集w 通讯协议：可同时支持多种通讯链路w 混合应用：兼顾流程工业和离散制造业特点w HMI接口：可支持其它商用的HMI软件w 编程语言：IEC61131-3标准w 操作系统：微内核实时操作系统随着用户对随着用户对DCSDCS的深入了解，的深入了解，单纯以主频来评价控制器的时代过去了。单纯以主频来评价控制器的时代过去了。8过程控制I/O的发展趋势：2Sw 智能化（SmarterSmarter)：不仅是加单片机8支持现场总线，可节省电缆。8支持

4、开放协议，易于集成。8支持软件设定，免跳线，避免更换模块时误操作。8自诊断，便于维护。w 小型化（SmallerSmaller)：不仅是减小尺寸8抛弃专用机笼，适合现场安装。8一般采用导轨安装方式8模块化、全封闭、小尺寸结构8热插拔，且插拔方便8低功耗8集成更多的功能Smarter & Smaller9操作层设备：紧跟主流商用机w 商用机的可靠性已经满足大多数场合的需要w 工控机的采购量在缩小w 专用计算机已经没有市场w 甚至操作层计算机可由用户自行选购鉴于上述原因，对操作层设备不再介绍。鉴于上述原因，对操作层设备不再介绍。我们需要关注的重点是：我们需要关注的重点是：I/OI/O和控制器和控制

5、器10主控制器（Main Control Unit）11MCU各部件的功能w CPUw 系统网络接口w 控制网络接口w 固态盘w SRAMw 电池w 冗余控制电路w 电源电路12冗余分类：DMR与TMR模块模块1模块模块2模块模块1模块模块2模块模块3双模冗余双模冗余DMRDual Module Redundancy 三模冗余三模冗余TMRTriple Module Redundancy 13冗余分类：同构冗余与异构冗余w 用不同的物理实现原理来构建冗余个体。w 目的：防止共因故障。14冗余分类：备用式冗余与表决式冗余模块模块1模块模块2模块模块1模块模块2表表决决器器选选择择器器状状态态指指

6、令令指指令令输输出出输输出出指指令令指指令令输输入入输输入入备用式冗余备用式冗余Backup Redundancy表决式冗余表决式冗余Voting Redundancy15备用式冗余的三种方式w 冷备用（Cold Backup）w 温备用（Warm Backup）w 热备用（Hot Backup）16双模和三模表决冗余(DMR&TMR)模 块模 块1模 块模 块2表 决表 决器器输输出出模 块模 块1模 块模 块2表 决表 决器器输输出出模 块模 块3双模表决冗余双模表决冗余（2取取2系统）系统）（2 out of 2）（2oo2）三模表决冗余三模表决冗余（3取取2系统）系统）（2 out o

7、f 3）（2oo3）17主备双模表决冗余系统模块模块3模块模块4表决器表决器B输出输出模块模块1模块模块2表决器表决器A输出输出输输出出互互锁锁选选择择器器输出输出A机机B机机互锁信号互锁信号互锁信号互锁信号主主备备18备用式冗余系统的关键性能：无扰切换w 什么是无扰切换？w 理论上如何保证无扰切换：时间相关量处理w 数据周期拷贝法w 运算周期同步法19表决冗余的关键：故障安全w 什么是故障安全（Failsafe）？w 如何实现故障安全8冗余：硬件冗余、软件冗余、信息冗余、时间冗余。8表决8同步8重构8诊断8避错8检错8纠错8重试8重启20故障安全准则（1）（1）每个安全性相关的模块必须经过充

8、分的分析和测试。（2）每个安全相关功能，应该冗余运行（推荐）。（3）如果软件的正确性不能得到证明，必须由两个以上的多样性设计版本冗余运行。（4）在合适的时间内，应周期性进行软件数据正确性检查。（5）每个程序模块在执行前和执行后都应检查确保前导模块和后续模块的顺序确实正确。（6）采用双份存储、AA和55分别表示逻辑1和0等信息冗余措施，保证安全变量存储的完整性。（7）所有安全相关的数值，不能由人工输入。（8）通过读写测试，保证RAM的正确性。21故障安全准则（2）（9）通过校验码测试，保证ROM的正确性。（10）推荐采取措施，保证CPU指令执行的完整性（针对多字节指令）。（11）通过比较，保证时

9、钟和定时器的正确性。（12）采用校验码等措施，保证通讯链路的正确性。（13）保证系统中断执行过程的完整性。（14）在重要的校验过程中使用的定时器，（15）必须采用WDT防止程序进入死循环或停止运行。（16）CPU死机不会导致危险侧输出。22故障安全准则（3）（17）所有关系到系统安全的变量应在数据结构中明确其安全侧取值和危险侧取值。（18）在所有的条件判断语句中，应选择危险侧变量来判别。（19）同一工艺环节的联锁逻辑不宜分散到各站中运行。（20）系统检测到失效时，必须严格导向安全侧（如果停机是安全的，则必须停机）。（21）任何硬件故障必须立即得到反映，不能造成故障积累而发生事故。（22）金属膜

10、电阻不考虑阻值减小，电感不考虑消失，双IC电路不考虑同时损坏。 23主控制器（MCU）的指标w CPU及外围芯片（Pentium，越高越好？）w 容量w 速度w 负荷率w 实时性w 功耗24DCS的系统容量w 机柜容量w 电源容量w 网络容量w 主控容量w 计算DCS系统容量时，必须同时满足上述限制条件25主控制器容量w 程序容量w 网络容量26主控制器容量：程序容量w 程序容量一般用控制方案页数量来大致描述，它由固态盘容量、SRAM容量和内存容量决定。27网络容量的基本概念：波特率w 波特率(Baud Rate)也称位速率，是描述通讯线路上位流（0/1流）速度的指标。w 波特率定义：波特率等

11、于一段连续的比特流的比特数除以该比特流的持续时间。w 波特率的单位：bits/s(比特每秒），即Bits per Second,缩写为bps28网络容量的基本概念：吞吐率w 网络吞吐率用于衡量计算机能通过网络接收或发送数据信息的最快速度。w 网络吞吐率的定义：单位时间片内计算机能接收或发送位信息的数量。w 网络吞吐率的单位：一般也为bps29网络容量：波特率与吞吐率的关系w 吞吐率一般小于波特率：8多任务计算机一般不能处理连续位流8丢包或包冲突重发降低有效速率TT吞吐率波特率非连续位流连续位流0/1位流线路空闲0/1位流30主控制器网络容量计算w 先明确4个基本配置参数：8T1:设定的主控制器

12、与IO通讯的时间（秒）8B1:该主控制器与IO通讯的位流量（位）8T2:设定的主控制器与其它站通讯的时间（秒）8B2:该主控制器与其它站通讯的位流量（位）w 要求：8B1/T1 控制网吞吐率*0.4 控制网波特率*0.48B2/T2 系统网吞吐率*0.4 控制网波特率*0.431主控制器速度：控制周期w 什么是控制周期？w 单一控制周期与复合控制周期w 控制周期根据工艺要求确定，当控制周期在200mS以下时，数字控制系统的采样延迟导致对控制品质的影响可忽略不计，即数字系统几乎可以等价于模拟系统。w 对于大多数工艺过程，500mS或1S的控制周期就完全满足要求。w 最短控制周期由主芯片速度、程序

13、量和通讯量以及应用程序效率决定。32主控制器负荷率（Load Rate）w 负荷率定义控制周期控制周期控制周期控制周期空闲时间空闲时间负荷率负荷率=x 100%33实时性（Real-time)：基本定义w 实时性的概念8不准确的理解：实时就是“快”。8正确的理解：在预先设定的时间内完成规定的任务能力。8如果在一定条件下能确保在预先设定的时间内完成规定的任务，系统就可称为确定性系统，这是确定性实时（Deterministic)。8与确定性系统相对（不能确保）的是非确定性（ Non-deterministic)系统。34实时性（Real-time)：相关定义w 硬实时（Hard real-time

14、):确定性（Deterministic)实时的同义词。w 软实时（Soft real-time):非确定性实时的同义词。35确定性实时和非确定性实时的对比tA确定性实时确定性实时非确定实时非确定实时延迟延迟deadline概率概率tmintmaxtdltAdeadlinetmintmaxtdl无边界无边界 !在正常运行条件及可恢复故障条件下，任务延迟超过最后期限（deadline)的概率为零。有边界有边界 !概率概率延迟延迟在正常运行条件及可恢复故障条件下，任务延迟超过最后期限（deadline)的概率很小，但不为零。36实时性：典型任务的响应时间要求200 ms:操作人员的手感（接近硬接线般

15、的感觉）10 ms:流程工业中的事件分辨率（但目前很多招标书都要求2ms)1 s:操作员站画面上的数据刷新速度3 s:操作员站画面翻页速度1 s:控制器执行一个加法运算的典型时间10 s:控制器执行一个PID运算的典型时间30 s:通讯信号传输9km的时间延迟（信号速度30万公里/秒）100 s:多任务实时系统任务切换时间200 s:从实时数据库（内存）中访问获取一个数据对象的时间1 ms:在两个任务之间通过邮箱发送消息的时间2 ms:在局域网中发送一个报文的时间 50 ms:控制器中通讯任务的执行时间37什么情况下需要确定性实时？滚筒式印刷机：在手工清洗过程中，操作人员右手持毛巾清洗转动的滚

16、筒，左手按下“转动”按钮，当毛巾被卡住时，左手立即送开“转动”按钮，滚筒必须在0.5s内停止转动，否则紧急停止38实时性的例子：滚筒印刷机信号延迟控制台处理（周期40ms)紧急按钮IBS (2 ms, 500 kbps)IBS-MBADIOMCULBADisplayIO总线IBS-SIOloopBAAIOMCULBAIO IO IOIO IO IO IO主控制器（控制周期30ms)马达控制(周期40ms)系统总线(1.5 Mbps, 32 ms)控制台总线(1.5 Mbps, 32 ms)马达控制安全控制器SERCOS总线(4 ms)从紧急按钮到马达的总延迟: 2 + 30 + 32 + 40

17、 + 32 + 40 + 4 = 180 ms ! IBS (2 ms, 500 kbps)冗余IO39实时性：信号延迟的后果w 很多安全系统按反逻辑优先运行：即优先要求条件不成立时系统倒向安全状态。比如前面的印刷机就是按钮“按下”转动，而不会设计成弹起按钮转动。w 马达控制要求对“紧急按钮未按下”这一状态最迟3 x 180 = 540 ms刷新一次检测，其中360ms作为连续两次通讯失败的保留时间，第三次通讯必须成功，如果第三次通讯仍不成功，系统将无条件停止马达。w 超过规定条件的信号延迟将会导致误报警，从而使系统停运（一般来说，可接受的误报警停车每年最多1-2次）。w 因此，控制信号的延迟

18、将对系统的下列2个重要性能带来影响：8安全性8可用性40实时性：确定性与通讯延迟的关系通讯主站通讯主站轮询周期时间 ms123456123456123456响应时间响应时间概率概率决不允许通讯延迟超过规定时间，否则停车。123456举例: 设每轮询周期丢包的概率= 0.001, 三次发送均失败的概率= 10-9, 设硬件故障的概率也在10-9量级 ，则三次发送失败就停机是合理的。TD轮询周期41什么因素使实时性成为一个系统问题w 一片CPU芯片同一时刻只能做一件事。w 一条通讯线路同一时刻只能供一个设备发送信息。w 研究实时性，就是设法保证多种任务在公共的硬件资源上得到很好的调度执行。42确定

19、性实时的特征：周期运行w 任务性质8周期任务：确保关键的周期任务得到及时执行。8异步事件：确保关键的异步事件得到及时处理。w 虽然很多确定性系统都采用了抢占式(Preemptive)实时操作系统，但抢占式调度使用不当却是很多系统无法实现确定性的原因之一。w 周期循环执行是实现确定性实时的有效方法。w 但周期调度的方法对硬件系统的速度要求较高。43非确定性实时的特征：事件驱动w 系统响应时间非确定的原因8外部异步事件中断系统任务8访问计算机公共资源：CPU，内存，网络8使用了时间不确定的设备：如硬盘访问8任务属于抢占式操作系统中的低优先级任务8使用了时间不够确定的通讯网络：如以太网8使用了队列w

20、 事件驱动的任务调度是非确定性实时的主要途径。w 事件驱动的调度方法可以有效降低系统对硬件速度的要求。44实时性：事件驱动型系统雪崩分析60504030201000100200300400事件事件 /秒秒模拟信号（死区0.5%）开关信号现场设备电源失电后的情况现场设备电源失电后的情况开关量事件：状态变化（0变1，或1变0）模拟量事件：幅度变化超过满量程的0.5%AI: 2200 1s, 300 0.1 s = 5200 /sDI: 3700 1s, 300 0.1 s = 6700 /sSOE: 400 0.1 s = 4000 /s失电时间失电时间 s开关信号开关信号模拟信号模拟信号失电后的

21、1s内，每秒约2500个开关量事件产生，但随后几乎没有开关量事件，当电源恢复，再产生一个同样的尖峰。失电后的1s内，每秒约有200个模拟量事件，在以后的40s内每秒约40个事件。2500尖峰45实时性评价的要点：系统的观点46实时性：小结w 确定性是联锁保护等关键应用的基本特性，但其它很多场合下非确定性系统也可满足需要。w 确定性系统能确保所有关键数据在规定的时间内传送，如不能就倒向安全态。w 确定性系统即使在系统雪崩等最差工况下也能保证系统稳定运行，硬件资源的闲置较多。w 系统的各环节都必须是确定性的，才能得到真正的确定性系统。w 非确定性系统在进行充分的工况分析和非确定性概率分析的基础上，

22、也是不错的选择。47主控制器的功耗w 对功耗的要求，应达到：无需风扇散热。48主控制器应用设计：工艺过程划分第第1对主控制器对主控制器IOIO工艺过程工艺过程1第第2对主控制器对主控制器IOIO工艺过程工艺过程2系统网络系统网络系统网络系统网络系统网络系统网络通过系统网络引用另一对主控制器的通过系统网络引用另一对主控制器的IO点数据点数据通过硬接线引用另一对主控制器的通过硬接线引用另一对主控制器的IO点数据点数据49主控制器设计：工艺划分准则w 站间引用越少越好。w 对于PID或联锁逻辑控制的控制算法，严禁使用软引用，引用不可避免时应使用硬接线引用。w 对于纯粹的数据采集站（DAS），由于没有

23、控制功能，可以使用软引用。50主控制器应用设计：控制周期设定w 200ms：数字系统与模拟系统动态特性基本没有区别。w 负荷率4051AI信号的输入处理过程热电阻（热电阻（RTD）（Resistor Temperature Detector）热电偶（热电偶（TC）（Thermal Couple）变送器（变送器（420mA）（温度，压力，流量，物位）温度，压力，流量，物位）电桥变换电桥变换滤波滤波信号放大信号放大滤波滤波电流电压变换电流电压变换滤波滤波模数转换模数转换（A/D）模数转换模数转换（A/D）模数转换模数转换（A/D）工业现场的工业现场的传感器或变送器传感器或变送器采用的信号调理技术采

24、用的信号调理技术（Signal Conditioning）数字化处理数字化处理Analog Input-AI52双积分型A/D转换器Control LogicCounterStart of ConversionStatusClockAnalog Input (Va)Digital Output12+-Comparator output+-VreferenceComparatorIntegrator53双积分型A/D转换器波形Analog Voltage levelT i m eStart ofConversion. . . . . . .T1. . . . . .T2. . . . . . .

25、T1. . . . . .T2C o n s t a n tS l o p eA n a l o gI n p u tA n a l o gI n p u tI n t e g r a t o ro u t p u t w i t hVr e f e r e n c e I n p u tI n t e g r a t o ro u t p u t w i t h VaI n p u tC o n s t a n t T 154逐次比较型A/D转换器D/A ConverterSuccessiveApproximationRegisterStart ofConversionStatusClock

26、Analog InputDigital Output12+-Comparator output55逐次比较型A/D转换逼近过程Analog levelT i m eStart ofConversionT1T2T3T4T5T6T7A n a l o g I n p u tD / A C o n v e r t e ro u t p u t56Sigma-Delta型A/D转换器57Sigma-Delta型A/D转换原理58AI的几种输入型式w 单端输入(Single Ended Input)8共地型单端输入8共参考点单端输入w 差分输入(Differential Input)8非通道隔离型差分输

27、入8通道间隔离型差分输入59精度w 精密度（Precision)：表示测量结果的随机（偶然）误差的大小w 正确度(Correctness)：表示测量结果的系统误差大小w 准确度(Accuracy)：是系统误差和随机误差的综合表示测量结果阈真值的一致程度,也称精确度或精度。图(c)：精确度(准确度)较高，即精密度和正确度都较高。图(a)：正确度较高、精密度较差图(b)：精密度较高、正确度较差60引用误差w 定义：满量程内的最大绝对误差除以满量程。GB/T 13283-91 工业过程测量和控制用检测仪表和显示仪表精确度等级真值测量值实际测量分布值理想测量值分布满量程点（FullScaleF.S.)

28、Emax引用误差=F.S.Emaxx100%常见的引用误差等级有0.1%,0.2%,0.5%，分别简称为0.1级，0.2级，0.5级仪表或设备。61精度是仪表多因素的综合体现w 温度漂移w 时间漂移w 抗干扰能力w 分辨率w 灵敏度w 稳定时间（响应时间）w 带宽62分辨率w 分辨率（Resolution):测量装置能感知和区分的最小变化量，通常以A/D转换器的位数和量程表示，比如用12位量程为0-5V的A/D，其分辨率为：5V/4096=1.22mV63分辨率w 采样数据最低位所代表的模拟量的值w Nbit: 8bit / 12bit / 16bitw 电压表示：输入范围/2nw 举例：假如

29、10V的输入信号用12位数据来表示，则最小可分辨的电压为10/212=0.224mV 振幅振幅分辨率分辨率时间时间02010012014040608010.008.757.506.255.003.752.501.25011111010001101000100064灵敏度（Sensitivity) 灵敏度灵敏度 Sn （或或 K）Sn 的定义是输出增量与输入增量的比值。即的定义是输出增量与输入增量的比值。即xySn 图图 1 1灵敏度灵敏度x yxy ixyxxySn ixxinxdydS 灵敏度灵敏度 Sn （或或 K）Sn 的定义是输出增量与输入增量的比值。即的定义是输出增量与输入增量的比值

30、。即 纯线性传感器灵敏纯线性传感器灵敏 度为常数度为常数。 非线性传感器灵敏非线性传感器灵敏 度度S S n n与与x有关。有关。有的厂家将灵敏度定义为测量死区，比如测量装置只有信号大于15mV才能测量时，称其灵敏度为15mV。65稳定度w 稳定度（Stability):分为短时间稳定度（Short-time Stability)和长时间稳定度（Long-time Stability)。w 短时间稳定度：对于同一被测量值，测量值的波动范围（即最大值减最小值）与量程之比。通常以百分比表示。w 长时间稳定度：对于同一被测量值，相隔较长时间（比如说1年）用同一测量装置进行测量，其误差漂移量与时间之比

31、。通常单位为ppm/年。66温度漂移w 温漂量纲：ppm/C,即百万分之一每摄氏度w 温度变化可能导致的误差增大=温度变化量*温漂指标。w 例：在环境温度25C条件下标称引用误差为0.1%的仪表，如果其温漂指标为100ppm/C,则当环境温度变化到35C时，其引用误差将可能达到:0.1% + (35-25)*100*10-6 = 0.2%67输入阻抗w AI输入电路的输入端等效阻抗。w 过低的输入阻抗将导致输入电压信号在信号源端的压降增大到不可忽略。w 一般要求100K以上.68IEC61131-2对AI输入阻抗的要求69AI的隔离:为何需要隔离w 现场设备电气烧毁时不殃及DCS设备；w 现场

32、设备对DCS系统之间存在高压时不损坏DCS设备；w 限制DCS局部故障或损坏的扩散化；w 切断现场设备接地点对DCS系统接地点间因地电位差形成的地环电流，该地环电流导致AI设备输入端存在高共模电压，影响测量精度。（1）70AI隔离的程度w 路间隔离：每个信号通道之间电气隔离，并都控制网络隔离。w 模块与模块间隔离：AI模块之间隔离，并都控制网络隔离，但同一模块内的各通道之间不隔离。w 一列模块与另一列模块隔离：比方说这5个模块与那5个模块之间隔离，且所有模块都与控制网络隔离，但同一列的5个模块之间不隔离。w 站与站之间隔离：两个主控制站（一般装在不同的机柜中）之间隔离，但站内设备之间不隔离。w

33、 现场输入与DCS系统隔离：所有现场设备之间不隔离，但都与控制网络隔离。 71哪些信号需要隔离w 四线制420mA变送器：由于变送器自身有电源，并且可能在现场端接地，所以需要路间隔离。w 05V/0-10V信号：信号源自身提供电源，在现场端也可能接地或与别的系统连接，需要路间隔离。w 现场接地型热电偶：热端与外壳接触，而外壳又接地，这种热电偶很少，需要路间隔离。w 非接地型热电偶：在热偶中占绝对多数，不需要路间隔离。w 热电阻：不需要路间隔离。w 两线制420mA变送器：其电源为DCS系统提供，所以变送器内部电路不接地，不需要路间隔离。w 交流采样信号：必须用互感器（电流互感器CT和电压互感器

34、PT）在前端隔离. 72AI的隔离技术w 隔离放大器隔离(在信号调理阶段隔离,传统的模拟仪表常用的方法)8变压器隔离型放大器8电容隔离型放大器(飞越电容或集成型放大器)8线性光耦隔离型放大器w 数字光耦隔离(转化为数字量后隔离,数字式智能仪表常用的方法)w 隔离电压：一般以交流有效值表示，如500Vrms.w 过低的隔离电压将导致高压击穿。73变压器隔离型放大器74电容隔离型放大器Capacitor IsolationISO12475线性光偶隔离型放大器Vout=(R2/R1)*Vin Linear Optocoupler Isolation76三种模拟信号隔离放大器比较性价典型性价典型值值变

35、压器隔离型放变压器隔离型放大器大器电容隔离型放电容隔离型放大器大器线性光偶隔离线性光偶隔离型放大器型放大器线性度线性度0.005%0.005%0.01%0.01%0.1%0.1%信号带宽信号带宽120120kHzkHz5050kHzkHz5050kHzkHz隔离电压隔离电压15001500VrmsVrms15001500VrmsVrms15001500VrmsVrms体积体积笨重笨重小小小小价格价格最贵（最贵（40$40$）10$10$5$5$77AI隔离技术:在数字部分隔离w 每路设置独立的A/Dw 在A/D后将数字量采用光偶隔离.78共模和差模干扰w 在工业应用中，共模电压是个经常存在的威

36、胁。通常需要测量含有大的共模成份的微弱差模信号。这些远距离信号和内部固有的50Hz/60Hz的电网干扰往往对测量造成相当的困难。w 直流共模信号的进入也会形成干扰。w 电网工频信号以差模形式叠加到输入信号，也会形成干扰。 79共模和差模干扰信号ViVicVo+VocViVinVo+VonV i c : 直 流 或直 流 或50Hz交流共模输入交流共模输入被测信号被测信号被测信号被测信号50Hz差模信差模信号号Vo:被测信号被测信号的输出值的输出值Voc:共模干扰共模干扰的输出值的输出值Vo:被测信号被测信号的输出值的输出值Von:差模干差模干扰的输出值扰的输出值共模干扰共模干扰差模干扰差模干扰

37、(串模干扰串模干扰)80抑制比的含义w “一群坏人堵在大门口，有多少会混进去？”w 1000个坏人堵在大门口，有1个人混进去，则抑制比=1000：1，用分贝表示就是20log1000=60dB（也就是说有千分之一混进去）；如果1000个坏人中有10人混进去，抑制比=1000：10，用分贝表示就是20log（1000/10）=40dB（也就是说有百分之一混进去）。w 共模抑制比或差模抑制比的含义与上述比喻类似，只是“坏人”的定义不一样而已。81共模抑制比CMRRw 共模抑制比（C Common ommon M Mode ode R Rejection ejection R Ratio):atio

38、): 用于衡量信号放大处理环节衰减共模信号的能力。w 理想放大器：差模信号放大，共模输入信号的输出为零。w 实际放大器：共模输入信号的输出不为零，等效为有一定的差模输入信号,二者之比即为CMRR.w 实际计算时注意正弦信号峰峰值、峰值、有效值间关系Kd: 差模放大倍数，即通道增益。Kc: 共模放大倍数Vic: 共模输入峰值，设Vic为50Hz正弦信号Voc: 共模输出峰值Voc/Kd: 共模输入Vic等效的差模输入，所以CMRR值表征了共模“抑制”能力。Vicrms: Vic的有效值Vocpp: Voc的峰峰值1222：VocppVicrmsKdVocVicKdKcKdKdVocVicCMRR

39、22log20log20log20)/(log2082提高CMRR的有效方法w 采用仪表放大器(Instrumentation Amplifier)w 理想仪表放大器的CMRR=无穷大.83仪表放大器的差模放大倍数和共模抑制比84CMRR的物理含义w CMRR衡量了系统对共模信号转换为等效差模信号的衰减程度：Vd:等效差模输入信号Vc:输入共模信号w 假如CMRR=120dB，共模信号为5V，则其相当于引入了5/ /10（120/20120/20）=5/ /1000000=5uV的差模干扰输入信号。)20/(10CMRRVcVd85CMRR的测试w JB/T92701999：工业控制微型计算机

40、系统过程输入输出通道模板试验检查方法 w 直流共模施加AI设备最高可允许的直流共模电压，而被测差模信号施加半满量程值.w 交流共模输入CMRR测量，仅对隔离型AI设备有意义，在现场地与系统地之间施加频率为50Hz，有效值为标称隔离耐压值（比如500Vrms）的正弦共模信号，而差模信号为AI半满量程值，测量AI设备的输出波动的峰峰值，然后按前面的CMRR定义公式计算出CMRR.86差模抑制比NMRRw 实际上，在电子学的教科书中是没有差模抑制比（N Normal ormal M Mode ode R Rejection ejection R Ratio)atio)这一提法的，因为对于一般仪表系统

41、，5050HzHz的差模信号不能被定性为干扰信号。w 但在实际应用中，我们往往需要将串联叠加到输入端的电网工频信号（5050HzHz或或6060Hz)Hz)定义为干扰信号。w 仿照CMRRCMRR的定义和物理意义，工业测量领域定义了NMRRNMRR，用于衡量系统对5050Hz/60HzHz/60Hz差模信号的抑制能力。Kd: 直流差模放大倍数，即通道增益。Kn: 50Hz差模信号放大倍数Vi: 50Hz差模输入峰值Vo: 输出波动交流峰值Vo/Kd: 50Hz输入Vi等效的有效差模输入，NMRR值表征了差模“抑制”能力。Virms: Vi的有效值Vopp: Vo的峰峰值VoppVirmsKdV

42、oViKdKnKdKdVoViNMRR22log20log20log20)/(log2087NMRR的物理意义w NMRR衡量了系统对50Hz输入差模干扰信号转的衰减程度：Vd:衰减后进入系统的差模信号Vn:输入的50Hz差模信号w 假如NMRR=60dB，50Hz差模信号峰值为5V， 则5/10（60/2060/20）=5/1000=5mV的差模干扰进入了系统。w 没有滤波器的测量系统，NMRR为零。w 1阶滤波约贡献20dB NMRR，60dB需要3阶以上滤波。)20/(10NMRRVnVd88提高NMRR的方法:滤波幅度放大倍数幅度放大倍数频率频率10.707-3dB带宽带宽截止频率截止

43、频率10倍截止频率倍截止频率K20logK=(-3-20*N)dB式中：式中：K为为10倍截止频率处的幅度放大倍数倍截止频率处的幅度放大倍数N为低通滤波器的阶数为低通滤波器的阶数89滤波器阶数与NMRR关系w 没有滤波器的测量系统，NMRR为零.w 配备1阶低通滤波器的AI设备，NMRR最多可以做到20dB.w 配备2阶低通滤波器后最多可以做到40dB.w 要想将NMRR做到60dB，需要3阶以上的滤波器.w 如果要想有效滤除50Hz信号，即使设计了3阶低通滤波器，其截止频率（3dB点）也必须在5Hz以内，才能保证在50Hz（5Hz的10倍频）处衰减达到60dB。w 所以，在DCS系统中，AI

44、的采样率不需要做得很高，10Hz以上就可以了.w 更高要求的滤波器是梳状滤波器,专门滤50Hz的倍频.90NMRR的测量w JB/T92701999：工业控制微型计算机系统过程输入输出通道模板试验检查方法 w 用信号发生器产生50Hz的差模正弦信号，通过1：1变压器耦合叠加到被测量的信号中或直接叠加（只要信号发生器的输出可以与被测信号串联），被测差模信号为量程的一半。通过测量输出的波动峰峰值，然后计算出NMRR。 91采样率w 采样率（Sampling Rate):测量设备每秒钟对输入信号的采集次数，单位为 次/秒(SPS:Samples Per Second)。92过低的采样率将导致信号失真

45、足够的采样率下的采样结果足够的采样率下的采样结果过低采样率下的采样结果过低采样率下的采样结果 93采样定理w 能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做Nyquist频率，它是采样频率的一半:Fnyq=Fsam/2w 信号中所包含的频率高于Nyquist频率的成分，将在直流和Nyquist频率之间发生畸变，称为混叠（Aliasing） 94采样率过低将导致频率混叠Fact = INTFact = INT* * Fnyq + REM ( Fnyq + REM (FactFact为实际频率，为实际频率，INTINT为整数，为整数，REMREM为余数为余数) )B = INT mod 2 (B =

46、INT mod 2 (即当即当INTINT为奇数时为奇数时B B1 1，当当INTINT为偶数时为偶数时B B0) 0) Falias = REM + B Falias = REM + B * * ( (F Fnyq - 2 nyq - 2 * * REM) REM)观察到的信号频率观察到的信号频率实际输入信号频率实际输入信号频率95频率混叠的一个例子96频率混叠的对策:抗混滤波w 在A/D前加入低通滤波器，将信号中高于Nyquist频率的信号成分滤去,称为抗混叠滤波器97信号带宽w 测量设备允许通过并能不失真测量的信号频率范围。w 一般情况下是低通滤波器的截止频率。w 为有效过滤50Hz工频

47、干扰，工业控制领域的一般带宽在5Hz以下。w 注意:模拟系统的带宽W(Hz)于数字通讯系统的带宽C(bps)是两个不同的概念,香农信道容量定理描述了二者之间的关系(S/N为信噪比):98阶跃响应a. 最大超调量最大超调量pb. 延迟时间延迟时间 tdc. 上升时间上升时间 trd. 峰值时间峰值时间 tpe. 响应时间响应时间 ts)(tyt1.0dtrtptStp过渡过程结束的边界0.90.50.101.199阶跃响应时间w 阶跃响应时间（Step Response Time):由于其输入发生阶跃变化，使输出由起始值稳定进入目标值的某一规定误差范围(DCS系统通常为+/-10%)所需的时间。

48、100DCS AI阶跃响应时间要求w 420mA等高电平信号的阶跃响应时间一般要求在1秒以内。w 热电偶和热电阻等低电平信号的阶跃响应时间一般要求在3秒以内。 101IEC61131-2要求制造商提供的AI指标(1)102IEC61131-2要求制造商提供的AI指标(2)103AI的工程应用w 四线制420mA，两线制420mA，05V/0-10V，RTD，TC等不同类型的AI信号分布在不同的AI模块上。w TC信号需要设置冷端补偿（Cold Junction Compensation）测温元件，测温元件应靠近TC接入端子。w 两线制AI设备应设置现场短路保护措施，避免烧毁其内部采样电阻。w

49、在某些关键回路上，AI设备应该冗余配置。104模拟量输出设备（AO：Analog Output）+-2R4R8RR1VRD0D1D2D3105AO设备的技术指标w 精度、分辨率、稳定度、温漂（参见AI）w 带负载能力：在确保最大能输出20mA的条件下，AO的最大电阻负载。对于以24VDC为驱动电源的AO，其理论最大负载24/0.02=1200欧姆。w 一般要求AO的带负载能力达到750（一般的负载电阻为250）。w 建立时间：DA转换从数字指令下发到AO输出值达到预计的精度范围的响应时间。 106IEC61131-2对AO负载阻抗的要求107AO带负载能力的测量w 先将AO的输出值设置到20m

50、A对应的数字量，然后将输出接到可调电阻器上，并串联电流表，不断增加电阻值，当电流开始随电阻的增大逐渐小于20mA时，该负载电阻即为AO的带负载能力。108AO的隔离要求w 与AI设备不同的是，对于AO电路来说，因为执行器结构上的先天便利，使得现场执行机构的主体电路与AO设备是电气隔离的。这是因为无论是电-气阀门定位器，还是电动执行器，其控制信号（4-20mA电流）一般都是由电感线圈接收的。w 基于上述因素，AO系统地和现场仪表地之间是隔离的，不可能形成地环电流，所以AO设备并不需要采取措施去切断DCS系统地和现场仪表地之间的地环电流。w 当然，出于其它安全因素的考虑，比如说防止局部故障扩大化，