顯示控制用二次儀表性能及應(yīng)用剖析
方原柏
（昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院，650051）
摘 要：以廈門宇電公司的產(chǎn)品為例，剖析顯示控制用二次儀表的多項(xiàng)性能，然后著重分析在實(shí)際應(yīng)用中如何利用這些性能選好用好宇電顯示控制用二次儀表，實(shí)現(xiàn)用戶生產(chǎn)現(xiàn)場的各種實(shí)際需求。
關(guān)鍵詞：宇電公司 顯示控制用儀表 性能 應(yīng)用
The Analysis of Performance and Application for Display and Control Instrument
FANG Yuan-bai
Abstract: This article takes XiaMen YuDian company’s product as an example, analyze the number of performance for Yudian display and control instrument, and then focuses on how to use these properties to choose in practice use Yudian display and control instrument, to achieve a variety of actual needs of the user site.
Key words: YuDian Display and control instrument Performance Application
1 概述
廈門宇電自動(dòng)化科技有限公司的產(chǎn)品是從顯示和溫控二次儀表起飛的，產(chǎn)品已應(yīng)用于化工、熱電、石化、制藥、冶金、機(jī)械、食品、造紙、塑膠、包裝等領(lǐng)域，年銷售量達(dá)到60萬臺(tái)，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷北美、歐洲、大洋洲、印度、中東、東南亞和香港等多個(gè)國家和地區(qū)，并獲得客戶好評(píng)，宇電已成為大的二次儀表及智能分布式控制系統(tǒng)的供應(yīng)商。
本文將剖析宇電顯示控制用二次儀表性能及其應(yīng)用，以使用戶對(duì)宇電顯示控制用二次儀表的性能有較為深入的了解，從而能根據(jù)用戶的實(shí)際需求，選好用好宇電顯示控制用二次儀表。
宇電顯示控制用二次儀表的性能可按其主要技術(shù)參數(shù)的介紹，劃分成以下幾類：
輸入規(guī)格
輸出規(guī)格
控制方式
電源
外形尺寸
精度
下面將分別對(duì)上述六類技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析。
2 輸入規(guī)格
先用“真正的輸入”來形容宇電顯示控制用二次儀表的輸入特性。
在其輸入規(guī)格欄里，列出了以下內(nèi)容：
熱電偶：K、S、R、E、J、T、B、N、WRe3-WRe25、WRe5-WRe26
F2輻射高溫計(jì)
熱電阻：Cu50、Pt100
電阻：0~80Ω、0~400Ω
線性電壓： 0～20mV、0～100mV、0～500mV、0～1V、0～5V、1～5V
線性電流：0～10mA、0～20mA、4～20mA
實(shí)際可提供的更多，如線性電壓還有：0~60mV、0~75mV、0.2~1V、-20~+20mV、-100~+100mV、-5~+5V。客戶還可自行輸入分度表及多點(diǎn)修正功能，從而適應(yīng)幾乎所有的特殊輸入要求。
針對(duì)流量檢測應(yīng)用的流量積算器，還可接受脈沖信號(hào)輸入。
從上面列舉的輸入規(guī)格，可見宇電顯示控制用二次儀表的輸入特性的的確確是的，這就使設(shè)計(jì)選用非常簡單，用戶需要的備件數(shù)量也可大大減少。
3 輸出規(guī)格
輸出規(guī)格涉及以下幾大類：模擬量輸出、開關(guān)量輸出、可控硅觸發(fā)輸出、通訊接口、報(bào)警輸出、電壓輸出。
3.1 模擬量輸出
線性電流輸出：可定義0-10mA、0-20mA或4-20mA。電流輸出采用光電隔離，有儀表內(nèi)部隔離電源或自帶隔離電源。
一部分儀表的模擬量輸出相當(dāng)于變送輸出，即將所檢測的參數(shù)值轉(zhuǎn)換成4-20mA輸出，比如將該參數(shù)值傳送到DCS、PLC系統(tǒng)，這樣既有就地顯示，又可將檢測參數(shù)信號(hào)隔離并遠(yuǎn)傳到控制系統(tǒng)。
3.2 開關(guān)量輸出
繼電器觸點(diǎn)開關(guān)量輸出（常開+常閉）：250VAC/1A、250VAC/2A或30VDC/1A；
可控硅無觸點(diǎn)開關(guān)輸出：100-240VAC/0.2A（持續(xù)），2A（20ms瞬時(shí)，重復(fù)周期大于5s）；
SSR驅(qū)動(dòng)電壓輸出：12VDC/30mA（用于驅(qū)動(dòng)SSR固態(tài)繼電器）。
由于控制功能有兩位式控制，其對(duì)應(yīng)輸出就是開關(guān)量輸出，宇電顯示控制用二次儀表可提供用戶所需的各種電壓、電流等級(jí)的開關(guān)量輸出信號(hào)。
3.3 可控硅觸發(fā)輸出
可觸發(fā)5-500A的雙向可控硅、2個(gè)單向可控硅反并聯(lián)連接或可控硅功率模塊，包括單路過零觸發(fā)輸出、單路可控硅移項(xiàng)觸發(fā)輸出、單路感性負(fù)載可控硅移項(xiàng)觸發(fā)輸出、三路可控硅過零觸發(fā)輸出、直接三相三線可控硅移項(xiàng)觸發(fā)輸出。
一些鹽浴爐、工頻感應(yīng)爐、淬火爐、熔融玻璃的溫度加熱控制，是以鎳鉻、鐵鉻鋁、遠(yuǎn)紅外發(fā)熱元件及硅鉬棒、硅碳棒等為加熱元件的，通常要用到可控硅觸發(fā)輸出，根據(jù)具體對(duì)象不同，可選用不同的輸出模塊實(shí)現(xiàn)。
3.4 通訊接口
支持RS232、RS485通訊接口功能；的觸摸屏顯示儀表帶以太網(wǎng)接口和帶云端/手機(jī)APP查看功能。
RS485通訊協(xié)議為AIBUS、MODBUS-RTU雙通訊協(xié)議，安裝相應(yīng)模塊后可與上位機(jī)通訊，可作為AIDCS智能分布式控制系統(tǒng)、分體式無紙記錄儀及觸摸屏控制系統(tǒng)的下位機(jī)。
AIDCS智能分布式控制系統(tǒng)是既能透過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)集中操作與管理，又具有分散布置和高可靠性的開放式工業(yè)過程控制系統(tǒng)，“智能分布式”是指下位機(jī)即使受各種不可預(yù)知因素而脫離了上位機(jī)的指令和網(wǎng)絡(luò)，亦可保證現(xiàn)場工業(yè)現(xiàn)場的基本控制工作，避免發(fā)生意外或危險(xiǎn)，解決了目前DCS系統(tǒng)不開放，下位機(jī)無法脫離上位機(jī)和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的缺點(diǎn)。
圖1中，來自工業(yè)現(xiàn)場的各類檢測信號(hào)和執(zhí)行器信號(hào)通過宇電公司作為下位機(jī)的盤裝型、導(dǎo)軌型二次儀表、或?qū)к壭凸た啬K，采用RS485通訊接口的AIBUS協(xié)議后，再通過RS232/RS485轉(zhuǎn)換器傳送到上位機(jī)，上位機(jī)通常采用安裝組態(tài)軟件的工控機(jī)或普通計(jì)算機(jī)。用戶還可選擇通過局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，連接管理層計(jì)算機(jī)，以便為管理人員提供工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及報(bào)表。
圖1 AIDCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
通常可采用工業(yè)帶屏蔽的雙絞線連接50~60臺(tái)儀表，通訊距離1.2km。AIBUS通訊協(xié)議簡單又功能齊全。高精度型儀表在19.2K波特率下讀取3個(gè)常用變量及1個(gè)參數(shù)的速度僅為20ms，經(jīng)濟(jì)型儀表亦只需要50ms，比常用如MODBUS協(xié)議快2～10倍，采用AIBUS協(xié)議的系統(tǒng)，無論組建小系統(tǒng)還是大、中型系統(tǒng)均可達(dá)到與DCS幾乎同等的使用效果，而一般儀表通訊效率低，超過一定數(shù)量則數(shù)據(jù)更新慢，顯示效果差，只能應(yīng)用于小型的系統(tǒng)。
帶以太網(wǎng)接口并內(nèi)置WEB服務(wù)器的觸摸屏顯示儀表，就具備通過以太網(wǎng)接口使用瀏覽器對(duì)儀表進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視及操作的能力。
帶云端/手機(jī)APP查看功能的觸摸屏顯示儀表，則無須公網(wǎng)IP，可穿透內(nèi)網(wǎng)監(jiān)控，在異地通過智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視與操作。
3.5 報(bào)警輸出
zui多可有4路報(bào)警輸出：上上限、上限、下限、下下限4路，有上電免除報(bào)警選擇功能（即通電后越限動(dòng)作不報(bào)警），還可提供正負(fù)偏差報(bào)警。
生產(chǎn)過程中某些參數(shù)要求上限、下限越限報(bào)警，通過帶報(bào)警功能的顯示儀就可以完成。但也有極少數(shù)重要參數(shù)既要求上限、下限越限報(bào)警，也要求上上限、下下限越限報(bào)警，即所謂四限報(bào)警。如像一些涉及大型設(shè)備停車連鎖的報(bào)警條件，有時(shí)要求上限、下限越限信號(hào)僅用于聲光報(bào)警，即所謂預(yù)報(bào)警，可由操作人員根據(jù)現(xiàn)場情況決定處置方式，而上上限、下下限越*信號(hào)才進(jìn)入聯(lián)鎖系統(tǒng)使設(shè)備停車。這樣的要求以往需要多臺(tái)報(bào)警顯示儀才能完成。現(xiàn)在有四限報(bào)警的數(shù)字顯示儀表一臺(tái)就可以完成這一功能。
3.6 電壓輸出
電壓輸出有5V、10V、12V、24V等多個(gè)規(guī)格，用于外部傳感器或低功率設(shè)備供電輸出。
這個(gè)功能非常重要，它提供了相當(dāng)于配電器的功能，可以為現(xiàn)場傳感器、變送器及其他低功率設(shè)備提供供電電源。zui常用的是為各類壓力、差壓變送器提供二線制電源及信號(hào)連接。
4 控制方式
有位式控制（ON/OFF控制）和PID控制兩種方式，PID控制又有標(biāo)準(zhǔn)PID控制、AI人工智能APID控制。AI人工智能APID控制是利用模糊規(guī)則進(jìn)行PID控制的一種新型算法，在誤差大時(shí)運(yùn)用模糊算法進(jìn)行控制，以消除PID飽和積分現(xiàn)象，在誤差趨小時(shí)，采用改進(jìn)后的PID算法進(jìn)行控制。AI人工智能APID控制還具備自整定、自學(xué)習(xí)功能，不僅可以自整定PID參數(shù)，并且即使被控對(duì)象的滯后時(shí)間較長亦可使控制過程無超調(diào)、控制（見圖2），還可以實(shí)現(xiàn)包括串級(jí)、比值、前饋等復(fù)雜控制功能。
圖2 AI人工智能APID控制
程序型儀表具備多段程序控制功能，可實(shí)現(xiàn)任意斜率的升、降溫控制，具有跳轉(zhuǎn)（循環(huán)）、運(yùn)行、暫停及停止等可編程/可操作命令，允許在程序的控制運(yùn)行中隨時(shí)修改程序；采用具備曲線擬合功能的AI人工智能控制算法，能獲得光滑平順的曲線控制效果；利用SV變送輸出功能可以作為程序發(fā)生器使用；具備測量值啟動(dòng)功能、準(zhǔn)備功能及五種停電/開機(jī)事件處理模式選擇。
AI人工智能控制算法又分為基本型、加強(qiáng)型、專家型、加強(qiáng)程序型、專家程序型、加熱冷卻雙輸出增強(qiáng)型、加熱冷卻雙輸出增強(qiáng)程序型等，有相對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品可供用戶選用。
5 電源
可接受通用的電源等級(jí)100～240VAC、50-60Hz供電，也可由24VDC/AC安全電源供電。當(dāng)儀表誤接380VAC電源或中線意外斷路而引起的儀表電源電壓突然升高時(shí)可提供至少10s（廠內(nèi)試驗(yàn)達(dá)到30min）的保護(hù)時(shí)間。
這里的交流電源實(shí)際上覆蓋了世界上zui常用的兩個(gè)電源等級(jí)：110VAC（包括120VAC）、220VAC（包括230VAC、240VAC），110VAC電源主要是北美和日本，歐洲、亞洲和其他地區(qū)主要為220VAC。而電源頻率50Hz、60Hz，可以由用戶選擇。至于24VDC/AC電源選項(xiàng)，主要看是否有現(xiàn)成的24VDC/AC電源以及是否希望電源線與信號(hào)線穿管時(shí)穿在同一根管道內(nèi)甚至用同一根多芯電纜內(nèi)。
6 外形尺寸
有盤裝儀表面板、也有導(dǎo)軌式安裝產(chǎn)品。盤裝儀表面板有國產(chǎn)儀表通用尺寸和國外儀表通用尺寸，如國產(chǎn)儀表通用尺寸80×160或160×80，如國外儀表通用尺寸96×96、72×72、48×48、96×48、48×96等。導(dǎo)軌式安裝有D5、E5、E8型DIN導(dǎo)軌。
帶觸摸屏的儀表則有5英寸、7英寸、9英寸三種外形尺寸，長寬尺寸分別為145×105、203×150、231×170。
導(dǎo)軌式安裝適合無需或很少需要查看數(shù)據(jù)的場合，比如作為數(shù)據(jù)采集的下位儀表，采用導(dǎo)軌式可節(jié)省安裝空間，而參數(shù)顯示、設(shè)置等操作可以在上位機(jī)或E8型導(dǎo)軌安裝儀表用鍵盤顯示器上完成。
盤裝儀表面板式有多種尺寸相差較大的外殼，用戶可根據(jù)需要選擇，通常空間足夠的條件下可選較大尺寸的儀表，在空間要求緊湊時(shí)，可選小尺寸儀表或單臺(tái)多通道儀表以滿足要求。在現(xiàn)場常常遇到由于增加測量參數(shù)顯示需要在現(xiàn)有儀表盤上新增顯示儀的情況，這時(shí)往往要在儀表盤上重新開孔，由于數(shù)字顯示儀有小外形尺寸（相當(dāng)于常用外形尺寸的1/2或1/4）和多通道的產(chǎn)品，解決這類問題就比較容易了。
7 精度
測量精度有0.3級(jí)、0.25級(jí)、0.2級(jí)、0.1級(jí)以及0.05級(jí)等多個(gè)級(jí)別，高精度級(jí)別的儀表一方面通過采用低溫漂高穩(wěn)定性電路檢測外，還采用外接Cu50銅電阻作高精度熱電偶冷端補(bǔ)償技術(shù)，與儀表內(nèi)部補(bǔ)償相比較，補(bǔ)償誤差可減少約±1℃。高精度儀表采用24位AD，五位或六位顯示，溫度顯示分辨力可達(dá)0.01℃。
大多數(shù)場合0.2級(jí)、0.3級(jí)精度或許就能滿足要求，當(dāng)監(jiān)測和控制精度要求特別高時(shí)，0.1級(jí)、0.05級(jí)提供了更高精度級(jí)別的產(chǎn)品。
8 結(jié)束語
宇電顯示控制用二次儀表技術(shù)先進(jìn)，功能豐富，要想用好這些二次儀表，充分發(fā)揮它們的性能優(yōu)勢，還需要加深對(duì)宇電顯示控制用二次儀表性能的了解。本文根據(jù)作者對(duì)宇電顯示控制用二次儀表的性能的理解，介紹了儀表的性能，然后著重分析了在實(shí)際應(yīng)用中如何利用這些功能實(shí)現(xiàn)用戶生產(chǎn)現(xiàn)場的各種要求。
作者簡介：
方原柏，教授級(jí)工程師，昆明儀器儀表學(xué)會(huì)理事長，中國衡器協(xié)會(huì)技術(shù)專家委員會(huì)顧問，主要從事儀器儀表、控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究。
廈門宇電自動(dòng)化科技有限公司
工廠地址：福建省廈門市火炬高新區(qū)火炬北路17號(hào)宇電科技大廈
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