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斯派莎克控制器
開始本章內(nèi)容之前，很重要的一點是要聲明不是所有的控制應(yīng)用都需要一個功能很全的控制器。
例如，對一個開/關(guān)型的閥門和執(zhí)行器，可以直接由溫控開關(guān)操作。另一個例子是高限安全控制，它的作用是突然關(guān)閉閥門或切斷燃料的供應(yīng)。
但是，當(dāng)需要比較復(fù)雜的控制時，就需要一個控制器來滿足這些需求。
控制器接收一個信號，決定需要什么樣的動作，然后輸出一個信號給執(zhí)行器使其動作。 在微芯片、集成電路和計算機(jī)時代，控制器能實現(xiàn)的功能實際上可以相當(dāng)復(fù)雜。 在前面的章節(jié)中我們已經(jīng)將人腦同控制器/計算機(jī)做了類比，現(xiàn)在可以解釋以下著名的舊M的座右銘:
計算機(jī)一快速、精確、愚蠢
人腦一緩慢、懶散、聰明
總的來說，控制器不能解決所有的問題。必須要對控制器進(jìn)行正確的選擇和調(diào)試，這些內(nèi)容在后面會詳細(xì)講述。
盡管大多數(shù)的控制器是基于電子、數(shù)字/微處理器的，還有一系列比較經(jīng)濟(jì)的氣動控制器。這些氣動控制器可用于危險的區(qū)域，由于存在爆炸的危險性，不能使用電子設(shè)備。當(dāng)然也可以使用一些本安型或者隔爆型、阻燃的電子設(shè)備，但是本質(zhì)上存在一個成本的問題。
正如前面所提到的，控制器可以實現(xiàn)很復(fù)雜的功能，但是如果要詳細(xì)列出或解釋這些功能已經(jīng)超出了本書的范圍
需要考慮的主要因素有:
單回路控制器
接受一個感應(yīng)器，控制一個閥門/執(zhí)行器。
多回路控制器
可以接受多個感應(yīng)器的信號，控制多個閥門/執(zhí)行器。
單輸入/輸出
只能接收來自一個感應(yīng)器的信號，并且只能輸出一個信號給執(zhí)行器。
多輸入/輸出(多通道)
可以接受多個信號，輸出多個信號。
實際時間
可能包含一個時鐘，以便在預(yù)定或預(yù)設(shè)的時間切換。
運行時間
可以在預(yù)設(shè)的時間、工廠其他設(shè)備開或關(guān)機(jī)前或后的一定的預(yù)設(shè)時間長度開關(guān)。
斜坡和保持控制
以溫度控制為例，在特定的時間內(nèi)將控制介質(zhì)的溫度升高，然后保持在這一預(yù)設(shè)定的值。這些控制器通常具有一系列斜坡和保持功能。
圖6.7.1中，所示的是一個典型的單回路電子溫度控制器。具有P+I+D功能(在5.2節(jié)和5.4節(jié)中已經(jīng)討論過)，適用于110-230V的電源。
圖6.7.2所示的是一個具有比例功能的單回路氣動溫度控制器。
控制溫度或者壓力時可以選擇不同的控制模式。
一個能實現(xiàn)斜坡和保持功能的單回路控制器的典型控制過程如圖6.7.3所示。圖中表示了在某一時間段內(nèi)的一系列的斜坡過程(溫度改變)和保持過程(溫度保持)功能。
在控制文獻(xiàn)中經(jīng)常用的一個術(shù)語是“可編程邏輯控制器(PLC )”。在批處理過程中，控制器必須觸發(fā)一系列的動作，例如，控制閥門或水泵的開/關(guān)。在有些情況下，某個過程是定時的，但通常不同的的動作必須在達(dá)到特定的條件下觸發(fā)，例如是否達(dá)到一定的溫度或者容器是否填滿。這些順序可以通過一個基于微機(jī)設(shè)備的PLC來控制，控制制程的感應(yīng)器和執(zhí)行器使用標(biāo)準(zhǔn)接口。
另一種復(fù)雜的控制器是工廠設(shè)備間內(nèi)的控制器，這些控制器用來控制鍋爐、水泵、加熱控制閥、日WS閥并提供其他的一些功能。
斯派莎克感應(yīng)器
在這部分中，我們會更多地涉及到溫度測量。測量壓力、液位、濕度和其他物理屬性的感應(yīng)器和變送器種類有很多。感應(yīng)器是控制系統(tǒng)的一部分，它能感應(yīng)到控制變量的改變。
當(dāng)溫度變化時，不同的感應(yīng)器的輸出信號可能是電壓的變化，也有可能是電阻的變化。
來自感應(yīng)器的信號可能很微弱，有必要對信號進(jìn)行處理和放大，以便能有效讀取。例如，對溫度的變化，感應(yīng)器只有很小的電阻值變化，這樣有可能需要轉(zhuǎn)化成電壓或電流信號來傳送給控制器。
變送器本身有可能是一個誤差源。
線路會有電阻抗(測量值單位為歐姆)，還有電干擾(噪聲)。對于氣動系統(tǒng)，傳送管線可能還存在微小的空氣泄漏。
術(shù)語“溫控器”通常是指帶有開/關(guān)切換的溫度感應(yīng)器�！皞鞲衅鳌笔橇硪粋�經(jīng)常用的術(shù)語，是指將某個物理量轉(zhuǎn)換成另一個物理量的設(shè)備，例如，將溫度轉(zhuǎn)換成電壓(毫伏)。
變送器的實例之一是將溫度的變化轉(zhuǎn)變成電阻的變化。
對氣動設(shè)備，經(jīng)常會用到“變送器”。這是僅僅變送器或感應(yīng)器的另一個名字，但通常會帶有一些附加的信號條件。
但是，實際的測量設(shè)備通常稱為感應(yīng)器，在下面的部分我們會介紹一些常用的感應(yīng)器種類。
填充系統(tǒng)感應(yīng)器
氣動控制器是使用填充系統(tǒng)感應(yīng)器。圖6.7.4所示的是這種系統(tǒng)的基本原理。
當(dāng)溫度改變的時候，液體膨脹或收縮，引起波爾登管移動。有時會使用波紋管代替波爾登管。
過去，填充液體通常使用水銀。當(dāng)加熱時，水銀膨脹，引起波爾登管松開;冷卻時，液體收縮引起波爾登管卷得更緊。這樣線圈的移動帶動氣動控制器內(nèi)的杠桿動作來完成其功能。壓力感應(yīng)器只需簡單將壓力管道連接到波爾登管。注:為健康和安全考慮，現(xiàn)在已經(jīng)很少使用水銀。通常用氣體如氮氣來作為填充介質(zhì)。
熱電阻(RTDs)
日丁Ds(圖6.7.5)利用了金屬的電阻隨著溫度的變化而變化的原理。它們可以作為溫度傳感器，將溫度的改變轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮璧淖兓�。鉑、銅和鎳三種材料會滿足日丁O的要求，圖6.7.6所示的是電阻和溫度之間的關(guān)系。
日丁O熱電阻是按照0℃時的電阻和00C-100℃之間的電阻變化來標(biāo)定的。在這些章節(jié)中涉及到的使用*廣的熱電阻是鉑電阻。這種熱電阻在0℃的時候的電阻值是100 i}，通常稱為尸丁100感應(yīng)器。尸丁100可用于一200℃至+8000C，在00C-100℃之間具有很高的測量精度(士0.5%)。
從圖6.7.6中可以看到，電阻隨溫度的增加幾乎是線性的。日丁O熱電阻的阻值變化相對較小，因此需要精確的測量。連接導(dǎo)線的電阻應(yīng)進(jìn)行正確的補償。
熱敏電阻
熱敏電阻使用半導(dǎo)體材料，隨著溫度的增加，電阻具有很大的改變，但并不是線性的。圖6.7.7所示的電阻隨著溫度的增加而減小的曲線(負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻)。
正溫度系數(shù)的熱敏電阻的電阻值隨著溫度的增加而增加(見圖6.7.8 )，但是其溫度響應(yīng)曲線不適合于溫度測量。
熱敏電阻比日丁D熱電阻簡單、便宜，但是精確性和重復(fù)性不如日丁D熱電阻。熱敏電阻的電阻很大，也就是說連接導(dǎo)線的電阻對其影響就不那么重要了。
熱電偶
如果在兩點之間連接不同的金屬，在一端加熱(如圖6.7.9所示)，會有電流通過回路。熱電偶根據(jù)測量端(熱端)和參考端(冷端)溫度的不同會產(chǎn)生一個電勢差。
如果熱電偶要精確測量溫度，必須要準(zhǔn)確知道參考端冷端的溫度。
通常，冷端浸沒在融化的冰中(o0c，但是現(xiàn)在的冷端溫度由熱敏電阻來測量，以此來校正測量端的溫度。這通常稱為冷端補償。
任何一對不同的金屬都可以用來制造熱電偶。但是近年來，發(fā)展了一系列標(biāo)準(zhǔn)性的熱電偶，這些標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的溫度和電壓之間的關(guān)系已經(jīng)作為文件被公布。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的型號以字母作為參考，主要有J型、K型、丁型等。
用來連接測量端和參考端之間的導(dǎo)線稱為延伸導(dǎo)線。這些延伸導(dǎo)線可以和熱電偶的金屬材料相同，也可以是由銅和寶I}鎳合金制成的補償導(dǎo)線。但是兩根補償導(dǎo)線必須是相同材質(zhì)。
熱電偶的尺寸和形狀多種多樣。熱電偶的價格低廉、結(jié)構(gòu)結(jié)實、測量精確、測量的溫度范圍大。但是，參考端的溫度必須保持恒定的值，否則的話需要補償。由于接點電壓很低，需要特殊的屏蔽線，同時必須小心安裝，以防止電磁干擾或“噪聲”扭曲信號。
電通訊信號
大部分控制系統(tǒng)的輸出信號是低能量的模擬信號，但是現(xiàn)來越多的控制系統(tǒng)開始使用數(shù)字系統(tǒng)，如'FieldbusO’或‘ProfibusO'o
模擬系統(tǒng)提供一個連續(xù)的調(diào)節(jié)信號，但是數(shù)字系統(tǒng)提供的是一連串二進(jìn)制的數(shù)字，這些數(shù)字代表了在兩個特定的電壓值或頻率之間的變化。
例6.7.1和例6.7.2示出了數(shù)字系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)的比較。
例6.7.1
想象有2個人A和B，每個人在對面的山頂，每個人有一面旗子和一根旗桿。A的目的是將旗桿舉到一定的高度同B進(jìn)行交流。當(dāng)A將旗子舉到旗桿50%的位置，B看到以后也將旗子舉到旗桿的一半高度。當(dāng)A上下移動旗子時，B也會隨之上下移動旗子。這樣的一個過程同模擬系統(tǒng)相類似。
例6.7.2
現(xiàn)在假設(shè)A手中的不是旗桿而是兩塊牌子，上面寫有數(shù)字“0”和“1"，同樣其目的是讓B將旗子舉到一半的高度，也就是50%的旗桿高度。50用二進(jìn)制來表示是“110010"，因此A會出示他的牌子，按照一定的順序每次兩個。當(dāng)B讀到這些數(shù)字時，又將他們翻譯為50，同時將旗子高度舉到一半高度。這樣的一個過程類似于數(shù)字系統(tǒng)。
可以看出，由于信息完全由數(shù)字“1”和“0”來表示，可以很精確地將位置表示出來，因此數(shù)字系統(tǒng)就比較精確。而在模擬量系統(tǒng)中，B不能確定A的旗子是否正好在50%的開度，有可能在49%或51%的位置。由于這些原因，以及微處理器電路的高度集成，數(shù)字信號的使用越來越廣。
數(shù)字地址
數(shù)字地址允許控制器通過接有多個接收設(shè)備的導(dǎo)線發(fā)送信息，需要的話可以同這些設(shè)備中的任何一個進(jìn)行通訊。給每個接收設(shè)備指定一個地址可以實現(xiàn)這樣的功能，控制器必須按地址優(yōu)先進(jìn)行傳送。
為方便解釋，考慮上面的數(shù)字例子，假設(shè)有另一個人C, C位于第三座山頂上，B和C同時看到A，因此A必須先指示他所想進(jìn)行交流的那位。
通過第一塊板來實現(xiàn)這樣的功能。如果第一塊板是“0"，那么接下來所有的數(shù)據(jù)就傳送給B, B然后相應(yīng)調(diào)整他的旗子的高度。相反，如果第一塊板是“1"，那么接下來的所有數(shù)據(jù)就傳送給C。因此B的數(shù)字地址是“0"，而C的數(shù)字地址是“1"，兩個人都知道他們所看到的第一個數(shù)字是指地址而不是信息。HART, PROFIBUS⑧和Foundation下"' Field bus
什么是日AR丁@?
日A日丁@代表的是“可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道”，這個標(biāo)準(zhǔn)原先開發(fā)時是作為控制領(lǐng)域中使用4-20mA控制信號操作的設(shè)備之間的通訊協(xié)議。
HARTO協(xié)議使用是基于Bell 202標(biāo)準(zhǔn)1200波特率的頻率調(diào)制鍵控(Frequency Shift Keying (FSK) )，將數(shù)字信號疊加在傳統(tǒng)的4}20mA模擬量信號上。由一個獨立的組織操作，日A日丁@通訊基金會(日A日丁@Communication Foundation)，日A日丁@協(xié)議是用來定義智能現(xiàn)場設(shè)備和控制系統(tǒng)之間通訊協(xié)議的一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
日AR丁@可能是制程工業(yè)中使用*廣泛的數(shù)字通訊協(xié)議，具有以下特點:
口受所有主要現(xiàn)場制程設(shè)備供貨商的支持，
口允許4}20mA信號同數(shù)字通訊信號在現(xiàn)有的二線制回路上共存，保護(hù)現(xiàn)有的控制方式，
口同模擬設(shè)備兼容，
口可以提供安裝和維護(hù)的重要信息，例如設(shè)備位號、測量值、測量范圍、數(shù)據(jù)范圍、產(chǎn)品信息和診斷，
口通過使用多支路的網(wǎng)絡(luò)節(jié)約線路，
口通過改進(jìn)管理和利用智能儀表網(wǎng)絡(luò)可以節(jié)約運行費用。
什么是PROFIBUSO?
PROFIBUS@是一種開放的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，廣泛適用于大量的制造和自動化制程中，不受供貨商的限制。國際標(biāo)準(zhǔn)EN 50170, EN 50254和IEC 61158來確保它的制造獨立性和透明度。
Profibus允許不同設(shè)備商之間的設(shè)備進(jìn)行通訊而不需要任何特殊的界面調(diào)節(jié)。PROFIBUS@可用于高速的關(guān)鍵應(yīng)用和一些復(fù)雜的通訊任務(wù)中。PROFIBUS@提供成熟的通訊協(xié)議DP和「MS。按照應(yīng)用，傳輸技術(shù)可以使用RS-485, IEC 1158-2或光纖。
它定義了串行FieldbusC}系統(tǒng)的技術(shù)特征，可以連接數(shù)字可編程控制器，從現(xiàn)場級到車間級PROFIBUS@是一個多用戶系統(tǒng)，允許多個自動化、工程或可視系統(tǒng)之間掛在同一總線上分散的外部設(shè)備的聯(lián)合運行。
在感應(yīng)器/執(zhí)行器級，二進(jìn)制感應(yīng)器和執(zhí)行器的信號通過感應(yīng)器/執(zhí)行器總線傳送，數(shù)據(jù)完全循環(huán)傳送。
在現(xiàn)場級，分散的外部設(shè)備，例如}/O模塊、測量變送器、驅(qū)動單元、閥門和操作終端同自控系統(tǒng)之間通過有效、實時通訊系統(tǒng)進(jìn)行通訊。如果需要的話，數(shù)據(jù)、報警、參數(shù)和診斷數(shù)據(jù)也可以循環(huán)傳輸。
在車間級，可編程控制器例如PLC和I PC可以互相通訊。信息輪流需要大量的數(shù)據(jù)包和大量的強有力的通訊功能，例如平滑地整合到公司范圍內(nèi)的通訊系統(tǒng)，例如內(nèi)部局域網(wǎng)和通過丁CP/I尸的因特網(wǎng)和以太網(wǎng)。
什么是「oundation?Fieldbus下M
FoundationTM現(xiàn)場總線是一個全數(shù)字，串行、雙向通訊系統(tǒng)，功能是一個工廠/車間設(shè)備和控制設(shè)備的本地局域網(wǎng)(LAN )。Fieldbus@環(huán)境在工廠網(wǎng)絡(luò)層中是數(shù)字通訊網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)層。Foundation下M現(xiàn)場總線用于過程自動化和制造自動化，具有對整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類控制的能力。
FoundationTM現(xiàn)場總線系統(tǒng)還包含了4}20mA模擬系統(tǒng)的很多優(yōu)點，例如標(biāo)準(zhǔn)物理層、單線總線供電設(shè)備、本安型的選擇，同時還有很多其他優(yōu)點。
設(shè)備的協(xié)同工作
Foundation下M現(xiàn)場總線提供協(xié)同工作;一個Fieldbus@設(shè)備可以由同一根總線網(wǎng)絡(luò)上的另一臺由不同制造商提供、包含了附加功能的相似的設(shè)備代替，維持相同的運行。這樣用戶可以“混合和匹配”現(xiàn)場設(shè)備，采用來自不同供貨商的系統(tǒng)。獨立的「ieldbus@設(shè)備也可以傳輸和接收多元信息，通過一個共用的Fieldbus@直接相互通訊，可以在Fieldbus@中新增設(shè)備而不用中斷使用。
加強數(shù)據(jù)處理
Foundation下M現(xiàn)場總線，每個設(shè)備的多個變量可以傳送到工廠的控制系統(tǒng)中，進(jìn)行趨勢分析、制程優(yōu)化、生成報告。得到精確、高清晰度的圖像數(shù)據(jù)，使得制程能精確調(diào)整，提高生產(chǎn)率、減少停機(jī)時間、提高設(shè)備性能。
制程的整體狀況
現(xiàn)代Fieldbus@設(shè)備，具有強大的基于微處理器的通訊能力，允許快速明確識別制程錯誤。其結(jié)果是，操作者可以得到不正常運行信息或者預(yù)見性的維護(hù)信息，可以采取預(yù)先的防護(hù)措施。低效率的情況可以得到及時的改善，降低原材料成本和周期性停機(jī)成本，提高生產(chǎn)效率。
工廠安全性的提高
現(xiàn)場總線技術(shù)幫助制造工廠保持嚴(yán)格安全要求。為操作者提供潛在危險狀況的預(yù)先報警，因此可以采取校正措施，減小計劃外的停機(jī)時間。因此，設(shè)備診斷也會減少去危險區(qū)域的次數(shù)，減少人員危險。
方便的維護(hù)預(yù)測
改進(jìn)的設(shè)備診斷可以檢測和跟蹤不良狀況，例如閥的磨損、傳感器的結(jié)垢等。操作人員可以不用等到預(yù)定的停機(jī)時間就可以進(jìn)行預(yù)先的維護(hù)，這樣可以減少或避免停機(jī)。
減少接線和維護(hù)費用
現(xiàn)有線路和多支路的連接可以節(jié)約大量的安裝費用。包括本安型安全柵、線路成本的減少，尤其對于原地已經(jīng)存在線路的區(qū)域。
斯派莎克除了減少線路布置和啟動時間來實現(xiàn)成本的節(jié)約，同時可以使用「ieldbus@設(shè)備內(nèi)置的控制模塊來簡化控制和邏輯功能的程序。 以上內(nèi)容由彪維公司（www.bilwe.com）編寫，轉(zhuǎn)載請注明文章出處。 |
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