dcs硬件系統(tǒng)原理、指標、試驗和應用

1、DCS硬件系統(tǒng)——原理、指標、試驗和應用,課程目標,本課程結束后，應達到下列目標：基本了解DCS硬件系統(tǒng)的組成和原理熟悉DCS硬件系統(tǒng)各主要模塊的技術指標了解DCS硬件指標的試驗和測試方法初步了解DCS硬件系統(tǒng)的工程應用設計初步了解DCS硬件系統(tǒng)的可靠性和完全性減小或消除DCS用戶和制造商之間的信息不對稱性,課程建議,少看書少記錄多建議多懷疑課上交流清楚，課后一身輕松。,內(nèi)容提綱,DCS硬件組成主控制器

2、AI設備AO設備DI設備SOE設備DO設備,PI設備電源設備控制網(wǎng)絡設備系統(tǒng)網(wǎng)絡設備組態(tài)與人機接口DCS硬件可靠性與安全性,典型DCS系統(tǒng)的硬件體系結構,,通訊介質(zhì)轉(zhuǎn)換,控制網(wǎng)絡,系統(tǒng)網(wǎng)絡,Distributed & Decentralized,DCS硬件體系發(fā)展趨勢,邏輯分布:即傳統(tǒng)DCS中“D”的含義Distributed.地域分散:現(xiàn)場總線分布式I/O構成的DCS的“D”的還應增加一層含義Decen

3、tralized.滿足現(xiàn)狀：4-20mA模擬儀表仍占主流連通未來：現(xiàn)場總線智能儀表開始緩慢增長開放性：主控制器可以掛接其它開放的I/O系統(tǒng)，I/O模塊也可以掛接到其它開放的主控制器上。開放性是制造商對用戶的責任，它將在未來節(jié)省用戶大量的后續(xù)投資。,過程控制器的發(fā)展趨勢：獨立于I/O存在,物理結構：可獨立安裝上行網(wǎng)絡：以太網(wǎng)一統(tǒng)天下下行網(wǎng)絡：支持多種主流的現(xiàn)場總線控制軟件：向上獨立于HMI，向下獨立于I/O采集通訊協(xié)議：可同

4、時支持多種通訊鏈路混合應用：兼顧流程工業(yè)和離散制造業(yè)特點HMI接口：可支持其它商用的HMI軟件編程語言：IEC61131-3標準操作系統(tǒng)：微內(nèi)核實時操作系統(tǒng),隨著用戶對DCS的深入了解，單純以主頻來評價控制器的時代過去了。,過程控制I/O的發(fā)展趨勢：2S,智能化（Smarter)：不僅是加單片機支持現(xiàn)場總線，可節(jié)省電纜。支持開放協(xié)議，易于集成。支持軟件設定，免跳線，避免更換模塊時誤操作。自診斷，便于維護。小型化（Sm

5、aller)：不僅是減小尺寸拋棄專用機籠，適合現(xiàn)場安裝。一般采用導軌安裝方式模塊化、全封閉、小尺寸結構熱插拔，且插拔方便低功耗集成更多的功能,Smarter & Smaller,操作層設備：緊跟主流商用機,商用機的可靠性已經(jīng)滿足大多數(shù)場合的需要工控機的采購量在縮小專用計算機已經(jīng)沒有市場甚至操作層計算機可由用戶自行選購,鑒于上述原因，對操作層設備不再介紹。我們需要關注的重點是：I/O和控制器,主控制器（Mai

6、n Control Unit）,,MCU各部件的功能,CPU系統(tǒng)網(wǎng)絡接口控制網(wǎng)絡接口固態(tài)盤SRAM電池冗余控制電路電源電路,冗余分類：DMR與TMR,模塊1,模塊2,,,,,,,,,模塊1,模塊2,,,,,,,,,模塊3,,,雙模冗余DMR－Dual Module Redundancy,三模冗余TMR－Triple Module Redundancy,冗余分類：同構冗余與異構冗余,用不同的物理實現(xiàn)原理來構建冗余個體。

7、目的：防止共因故障。,冗余分類：備用式冗余與表決式冗余,模塊1,模塊2,,,,,,,,模塊1,模塊2,,,,,,,,表決器,選擇器,,,狀態(tài),指令,指令,輸出,輸出,指令,指令,輸入,輸入,備用式冗余Backup Redundancy,表決式冗余Voting Redundancy,備用式冗余的三種方式,冷備用（Cold Backup）溫備用（Warm Backup）熱備用（Hot Backup）,雙模和三模表決冗余(DMR&am

8、p;TMR),模塊1,模塊2,表決器,,,,輸出,模塊1,模塊2,表決器,,,,輸出,模塊3,,雙模表決冗余（2取2系統(tǒng)）（2 out of 2）（2oo2）,三模表決冗余（3取2系統(tǒng)）（2 out of 3）（2oo3）,主備雙模表決冗余系統(tǒng),模塊3,模塊4,表決器,,,,B輸出,模塊1,模塊2,表決器,,,,A輸出,,,輸出互鎖選擇器,,輸出,A機,B機,,,互鎖信號,互鎖信號,主,備,備用式冗余系統(tǒng)的關鍵性能：無擾切

9、換,什么是無擾切換？理論上如何保證無擾切換：時間相關量處理數(shù)據(jù)周期拷貝法運算周期同步法,表決冗余的關鍵：故障安全,什么是故障安全（Fail－safe）？如何實現(xiàn)故障安全冗余：硬件冗余、軟件冗余、信息冗余、時間冗余。表決同步重構診斷避錯檢錯糾錯重試重啟,故障安全準則（1）,（1）每個安全性相關的模塊必須經(jīng)過充分的分析和測試。（2）每個安全相關功能，應該冗余運行（推薦）。（3）如果軟件的正確性不能得到證明，必

10、須由兩個以上的多樣性設計版本冗余運行。（4）在合適的時間內(nèi)，應周期性進行軟件數(shù)據(jù)正確性檢查。（5）每個程序模塊在執(zhí)行前和執(zhí)行后都應檢查確保前導模塊和后續(xù)模塊的順序確實正確。（6）采用雙份存儲、AA和55分別表示邏輯1和0等信息冗余措施，保證安全變量存儲的完整性。（7）所有安全相關的數(shù)值，不能由人工輸入。（8）通過讀寫測試，保證RAM的正確性。,故障安全準則（2）,（9）通過校驗碼測試，保證ROM的正確性。（10） 

11、     推薦采取措施，保證CPU指令執(zhí)行的完整性（針對多字節(jié)指令）。（11）      通過比較，保證時鐘和定時器的正確性。（12）      采用校驗碼等措施，保證通訊鏈路的正確性。（13）      保證系統(tǒng)中斷執(zhí)行過程的完整性。（14

12、）      在重要的校驗過程中使用的定時器，（15）      必須采用WDT防止程序進入死循環(huán)或停止運行。（16）      CPU死機不會導致危險側(cè)輸出。,故障安全準則（3）,（17）      所有關系到系統(tǒng)安全的變量應在數(shù)據(jù)結

13、構中明確其安全側(cè)取值和危險側(cè)取值。（18）      在所有的條件判斷語句中，應選擇危險側(cè)變量來判別。（19）      同一工藝環(huán)節(jié)的聯(lián)鎖邏輯不宜分散到各站中運行。（20）      系統(tǒng)檢測到失效時，必須嚴格導向安全側(cè)（如果停機是安全的，則必須停機）。（21） 

14、60;    任何硬件故障必須立即得到反映，不能造成故障積累而發(fā)生事故。（22）金屬膜電阻不考慮阻值減小，電感不考慮消失，雙IC電路不考慮同時損壞。,主控制器（MCU）的指標,CPU及外圍芯片（Pentium…，越高越好？）容量速度負荷率實時性功耗,DCS的系統(tǒng)容量,機柜容量電源容量網(wǎng)絡容量主控容量計算DCS系統(tǒng)容量時，必須同時滿足上述限制條件,主控制器容量,程序容量網(wǎng)絡容量,主控制器

15、容量：程序容量,程序容量一般用控制方案頁數(shù)量來大致描述，它由固態(tài)盤容量、SRAM容量和內(nèi)存容量決定。,網(wǎng)絡容量的基本概念：波特率,波特率(Baud Rate)——也稱位速率，是描述通訊線路上位流（0/1流）速度的指標。波特率定義：波特率等于一段連續(xù)的比特流的比特數(shù)除以該比特流的持續(xù)時間。波特率的單位：bits/s(比特每秒），即Bits per Second,縮寫為bps,網(wǎng)絡容量的基本概念：吞吐率,網(wǎng)絡吞吐率用于衡量計算機能通過網(wǎng)

16、絡接收或發(fā)送數(shù)據(jù)信息的最快速度。網(wǎng)絡吞吐率的定義：單位時間片內(nèi)計算機能接收或發(fā)送位信息的數(shù)量。網(wǎng)絡吞吐率的單位：一般也為bps,網(wǎng)絡容量：波特率與吞吐率的關系,吞吐率一般小于波特率：多任務計算機一般不能處理連續(xù)位流丟包或包沖突重發(fā)降低有效速率,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,T,,,,,,,,,,,,,,,,T,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

17、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,吞吐率,波特率,非連續(xù)位流,連續(xù)位流,0/1位流,線路空閑,0/1位流,主控制器網(wǎng)絡容量計算,先明確4個基本配置參數(shù)：T1:設定的主控制器與IO通訊的時間（秒）B1:該主控制器與IO通訊的位流量（位）T2:設定的主控制器與其它站通訊的時間（秒）B2:該主控制器與其它站通訊的位流量（位）要求：B1/T1 < 控制網(wǎng)吞吐率*0.4 < 控制網(wǎng)波特率*0.4B2/T2 &l

18、t; 系統(tǒng)網(wǎng)吞吐率*0.4< 控制網(wǎng)波特率*0.4,主控制器速度：控制周期,什么是控制周期？單一控制周期與復合控制周期控制周期根據(jù)工藝要求確定，當控制周期在200mS以下時，數(shù)字控制系統(tǒng)的采樣延遲導致對控制品質(zhì)的影響可忽略不計，即數(shù)字系統(tǒng)幾乎可以等價于模擬系統(tǒng)。對于大多數(shù)工藝過程，500mS或1S的控制周期就完全滿足要求。最短控制周期由主芯片速度、程序量和通訊量以及應用程序效率決定。,主控制器負荷率（Load Rate）,

19、負荷率定義,,控制周期,控制周期—空閑時間,負荷率=,x 100%,實時性（Real-time)：基本定義,實時性的概念不準確的理解：實時就是“快”。正確的理解：在預先設定的時間內(nèi)完成規(guī)定的任務能力。如果在一定條件下能確保在預先設定的時間內(nèi)完成規(guī)定的任務，系統(tǒng)就可稱為確定性系統(tǒng)，這是確定性實時（Deterministic)。與確定性系統(tǒng)相對（不能確保）的是非確定性（ Non-deterministic)系統(tǒng)。,實時性（Real-

20、time)：相關定義,硬實時（Hard real-time):確定性（Deterministic)實時的同義詞。軟實時（Soft real-time):非確定性實時的同義詞。,確定性實時和非確定性實時的對比,,,,,,,,,,tA,,,確定性實時,非確定實時,,延遲,deadline,概率,tmin,,,tmax,,,tdl,,,,,,,,tA,,,deadline,tmin,,,tmax,,,tdl,無邊界 !,,在正常運行條件及可

21、恢復故障條件下，任務延遲超過最后期限（deadline)的概率為零。,有邊界 !,,概率,延遲,在正常運行條件及可恢復故障條件下，任務延遲超過最后期限（deadline)的概率很小，但不為零。,實時性：典型任務的響應時間要求,200 ms:,操作人員的手感（接近硬接線般的感覺）,10 ms:,流程工業(yè)中的事件分辨率（但目前很多招標書都要求2ms),1 s:,操作員站畫面上的數(shù)據(jù)刷新速度,3 s:,操作員站畫面翻頁速度,,1 µ

22、s:,控制器執(zhí)行一個加法運算的典型時間,10 µs:,控制器執(zhí)行一個PID運算的典型時間,30 µs:,通訊信號傳輸9km的時間延遲（信號速度30萬公里/秒）,100 µs:,多任務實時系統(tǒng)任務切換時間,200 µs:,從實時數(shù)據(jù)庫（內(nèi)存）中訪問獲取一個數(shù)據(jù)對象的時間,1 ms:,在兩個任務之間通過郵箱發(fā)送消息的時間,2 ms:,在局域網(wǎng)中發(fā)送一個報文的時間,50 ms:,控制器中通訊任務的執(zhí)行時

23、間,什么情況下需要確定性實時？,,滾筒式印刷機：在手工清洗過程中，操作人員右手持毛巾清洗轉(zhuǎn)動的滾筒，左手按下“轉(zhuǎn)動”按鈕，當毛巾被卡住時，左手立即送開“轉(zhuǎn)動”按鈕，滾筒必須在0.5s內(nèi)停止轉(zhuǎn)動，否則……,緊急停止,,,,實時性的例子：滾筒印刷機信號延遲,,控制臺處理（周期40ms),緊急按鈕,,IBS (2 ms, 500 kbps),IBS-M,BA,DIO,,,,,,,,,MCU,,,,,,,,,LBA,,,,,,,,,,,,Di

24、splay,IO總線,,,,,,,IBS-S,IO,loop,BA,AIO,,,,,,,MCU,,,,,,,,,LBA,,,,,,,,,,,,,,,,,,IO,,,IO,,,IO,,,,,,,,IO,,,,,,,,,IO,,,IO,,,IO,,,,,,,,主控制器（控制周期30ms),,,,,,,馬達控制(周期40ms),系統(tǒng)總線(1.5 Mbps, 32 ms),控制臺總線(1.5 Mbps, 32 ms),,,,,馬達控制,安

25、全控制器,SERCOS總線(4 ms),從緊急按鈕到馬達的總延遲: 2 + 30 + 32 + 40 + 32 + 40 + 4 = 180 ms !,IBS (2 ms, 500 kbps),冗余IO,實時性：信號延遲的后果,很多安全系統(tǒng)按反邏輯優(yōu)先運行：即優(yōu)先要求條件不成立時系統(tǒng)倒向安全狀態(tài)。比如前面的印刷機就是按鈕“按下”轉(zhuǎn)動，而不會設計成彈起按鈕轉(zhuǎn)動。馬達控制要求對“緊急按鈕未按下”這一狀態(tài)最遲3 x 180 = 540

26、ms刷新一次檢測，其中360ms作為連續(xù)兩次通訊失敗的保留時間，第三次通訊必須成功，如果第三次通訊仍不成功，系統(tǒng)將無條件停止馬達。超過規(guī)定條件的信號延遲將會導致誤報警，從而使系統(tǒng)停運（一般來說，可接受的誤報警停車每年最多1-2次）。因此，控制信號的延遲將對系統(tǒng)的下列2個重要性能帶來影響：安全性可用性,實時性：確定性與通訊延遲的關系,,,通訊主站,,,,,,,,,輪詢周期,,,時間 [ms],,,1,2,,,,,3,4,5,6

27、,,,,,1,2,,,,,3,4,5,6,,,1,2,,,,,3,4,5,6,,,,,,,,,響應時間,概率,,決不允許通訊延遲超過規(guī)定時間，否則停車。,1,2,3,4,5,6,舉例: 設每輪詢周期丟包的概率= 0.001, 三次發(fā)送均失敗的概率= 10-9, 設硬件故障的概率也在10-9量級 ，則三次發(fā)送失敗就停機是合理的。,TD,輪詢周期,AI信號的輸入處理過程,Analog Input-AI,雙積分型

28、A/D轉(zhuǎn)換器,雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器波形,逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器,逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換逼近過程,Sigma-Delta型A/D轉(zhuǎn)換器,,Sigma-Delta型A/D轉(zhuǎn)換原理,,AI的幾種輸入型式,單端輸入(Single Ended Input)共地型單端輸入共參考點單端輸入差分輸入(Differential Input)非通道隔離型差分輸入通道間隔離型差分輸入,精度,精密度（Precision)：表示測量結果的隨機（偶然）誤差

29、的大小正確度(Correctness)：表示測量結果的系統(tǒng)誤差大小準確度(Accuracy)：是系統(tǒng)誤差和隨機誤差的綜合表示測量結果閾真值的一致程度,也稱精確度或精度。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,圖(c)：精確度(準確度)較高，即精密度和正確度都較高。,圖(a)：正確度較高、精密度較差,圖(b)：精密度較高、正確度較差,引用誤差,定義：滿量程內(nèi)的最大絕對誤差除以滿量程。GB/T 13283-91 工業(yè)過程測量和

30、控制用檢測儀表和顯示儀表精確度等級,,,,,真值,測量值,實際測量分布值,,,,理想測量值分布,,滿量程點（Full Scale—F.S.),,Emax,引用誤差=,,F.S.,Emax,x 100%,常見的引用誤差等級有0.1%, 0.2%, 0.5%，分別簡稱為0.1級，0.2級，0.5級儀表或設備。,精度是儀表多因素的綜合體現(xiàn),溫度漂移時間漂移抗干擾能力分辨率靈敏度穩(wěn)定時間（響應時間）帶寬,分辨率,分辨率（Resol

31、ution):測量裝置能感知和區(qū)分的最小變化量，通常以A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)和量程表示，比如用12位量程為0-5V的A/D，其分辨率為：5V/4096=1.22mV,分辨率,采樣數(shù)據(jù)最低位所代表的模擬量的值Nbit: 8bit / 12bit / 16bit電壓表示：輸入范圍/2n舉例：假如10V的輸入信號用12位數(shù)據(jù)來表示，則最小可分辨的電壓為10/212=0.224mV,靈敏度（Sensitivity),⑵ 靈敏度 Sn （或

32、K） Sn 的定義是輸出增量與輸入增量的比值。即,,圖 1－７靈敏度,靈敏度 Sn （或 K） Sn 的定義是輸出增量與輸入增量的比值。即,① 純線性傳感器靈敏 度為常數(shù)。② 非線性傳感器靈敏 度S n與x有關。,有的廠家將靈敏度定義為測量死區(qū)，比如測量裝置只有信號大于15mV才能測量時，稱其靈敏度為15mV。,穩(wěn)定度,穩(wěn)定度（Stability):分為短時間穩(wěn)定度（Short-time Sta

33、bility)和長時間穩(wěn)定度（Long-time Stability)。短時間穩(wěn)定度：對于同一被測量值，測量值的波動范圍（即最大值減最小值）與量程之比。通常以百分比表示。長時間穩(wěn)定度：對于同一被測量值，相隔較長時間（比如說1年）用同一測量裝置進行測量，其誤差漂移量與時間之比。通常單位為ppm/年。,溫度漂移,溫漂量綱：ppm/?C,即百萬分之一每攝氏度溫度變化可能導致的誤差增大=溫度變化量*溫漂指標。例：在環(huán)境溫度25?C條件下

34、標稱引用誤差為0.1%的儀表，如果其溫漂指標為100ppm/?C,則當環(huán)境溫度變化到35?C時，其引用誤差將可能達到:0.1% + (35-25)*100*10-6 = 0.2%,輸入阻抗,AI輸入電路的輸入端等效阻抗。過低的輸入阻抗將導致輸入電壓信號在信號源端的壓降增大到不可忽略。一般要求100K?以上.,IEC61131-2對AI輸入阻抗的要求,AI的隔離:為何需要隔離,現(xiàn)場設備電氣燒毀時不殃及DCS設備；現(xiàn)場設備對

35、DCS系統(tǒng)之間存在高壓時不損壞DCS設備；限制DCS局部故障或損壞的擴散化；切斷現(xiàn)場設備接地點對DCS系統(tǒng)接地點間因地電位差形成的地環(huán)電流，該地環(huán)電流導致AI設備輸入端存在高共模電壓，影響測量精度。,（1）,AI隔離的程度,路間隔離：每個信號通道之間電氣隔離，并都控制網(wǎng)絡隔離。模塊與模塊間隔離：AI模塊之間隔離，并都控制網(wǎng)絡隔離，但同一模塊內(nèi)的各通道之間不隔離。一列模塊與另一列模塊隔離：比方說這5個模塊與那5個模塊之間隔離，且所

36、有模塊都與控制網(wǎng)絡隔離，但同一列的5個模塊之間不隔離。站與站之間隔離：兩個主控制站（一般裝在不同的機柜中）之間隔離，但站內(nèi)設備之間不隔離?，F(xiàn)場輸入與DCS系統(tǒng)隔離：所有現(xiàn)場設備之間不隔離，但都與控制網(wǎng)絡隔離。,哪些信號需要隔離,四線制4－20mA變送器：由于變送器自身有電源，并且可能在現(xiàn)場端接地，所以需要路間隔離。0－5V/0-10V信號：信號源自身提供電源，在現(xiàn)場端也可能接地或與別的系統(tǒng)連接，需要路間隔離?，F(xiàn)場接地型熱電偶：熱

37、端與外殼接觸，而外殼又接地，這種熱電偶很少，需要路間隔離。非接地型熱電偶：在熱偶中占絕對多數(shù)，不需要路間隔離。熱電阻：不需要路間隔離。兩線制4－20mA變送器：其電源為DCS系統(tǒng)提供，所以變送器內(nèi)部電路不接地，不需要路間隔離。交流采樣信號：必須用互感器（電流互感器CT和電壓互感器PT）在前端隔離.,AI的隔離技術,隔離放大器隔離(在信號調(diào)理階段隔離,傳統(tǒng)的模擬儀表常用的方法)變壓器隔離型放大器電容隔離型放大器(飛越電容或集成

38、型放大器)線性光耦隔離型放大器數(shù)字光耦隔離(轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后隔離,數(shù)字式智能儀表常用的方法)隔離電壓：一般以交流有效值表示，如500Vrms.過低的隔離電壓將導致高壓擊穿。,變壓器隔離型放大器,,電容隔離型放大器,,Capacitor Isolation,ISO124,線性光偶隔離型放大器,Vout=(R2/R1)*Vin,Linear Optocoupler Isolation,三種模擬信號隔離放大器比較,,AI隔離技術:在數(shù)字

39、部分隔離,每路設置獨立的A/D在A/D后將數(shù)字量采用光偶隔離.,共模和差模干擾,在工業(yè)應用中，共模電壓是個經(jīng)常存在的威脅。通常需要測量含有大的共模成份的微弱差模信號。這些遠距離信號和內(nèi)部固有的50Hz/60Hz的電網(wǎng)干擾往往對測量造成相當?shù)睦щy。直流共模信號的進入也會形成干擾。電網(wǎng)工頻信號以差模形式疊加到輸入信號，也會形成干擾。,共模和差模干擾信號,,,,,,,,,Vi,,Vic,,,,,,Vo+Voc,,,,,,,,,,,,,,

40、,,Vi,,Vin,,,,,Vo+Von,,,,,,,Vic:直流或50Hz交流共模輸入,被測信號,被測信號,50Hz差模信號,Vo:被測信號的輸出值Voc:共模干擾的輸出值,Vo:被測信號的輸出值Von:差模干擾的輸出值,共模干擾,差模干擾(串模干擾),抑制比的含義,“一群壞人堵在大門口，有多少會混進去？”1000個壞人堵在大門口，有1個人混進去，則抑制比=1000：1，用分貝表示就是20log1000=60dB（也就是說有

41、千分之一混進去）；如果1000個壞人中有10人混進去，抑制比=1000：10，用分貝表示就是20log（1000/10）=40dB（也就是說有百分之一混進去）。共模抑制比或差模抑制比的含義與上述比喻類似，只是“壞人”的定義不一樣而已。,共模抑制比CMRR,共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio): 用于衡量信號放大處理環(huán)節(jié)衰減共模信號的能力。理想放大器：差模信號放大，共模輸入信號的輸出為零。實際放大器：

42、共模輸入信號的輸出不為零，等效為有一定的差模輸入信號,二者之比即為CMRR.實際計算時注意正弦信號峰峰值、峰值、有效值間關系,Kd: 差模放大倍數(shù)，即通道增益。Kc: 共模放大倍數(shù)Vic: 共模輸入峰值，設Vic為50Hz正弦信號Voc: 共模輸出峰值Voc/Kd: 共模輸入Vic等效的差模輸入，所以CMRR值表征了共?！耙种啤蹦芰?。Vicrms: Vic的有效值Vocpp: Voc的峰峰值,提高CMRR的有

43、效方法,采用儀表放大器(Instrumentation Amplifier)理想儀表放大器的CMRR=無窮大.,儀表放大器的差模放大倍數(shù)和共模抑制比,,,,,,CMRR的物理含義,CMRR衡量了系統(tǒng)對共模信號轉(zhuǎn)換為等效差模信號的衰減程度：Vd:等效差模輸入信號Vc:輸入共模信號假如CMRR=120dB，共模信號為5V，則其相當于引入了5/10（120/20）=5/1000000=5uV的差模干擾輸入信號。,

44、CMRR的測試,《JB/T 9270－1999：工業(yè)控制微型計算機系統(tǒng)過程輸入輸出通道模板試驗檢查方法》 直流共模施加AI設備最高可允許的直流共模電壓，而被測差模信號施加半滿量程值.交流共模輸入CMRR測量，僅對隔離型AI設備有意義，在現(xiàn)場地與系統(tǒng)地之間施加頻率為50Hz，有效值為標稱隔離耐壓值（比如500Vrms）的正弦共模信號，而差模信號為AI半滿量程值，測量AI設備的輸出波動的峰峰值，然后按前面的CMRR定義公式計算出CMRR

45、.,差模抑制比NMRR,實際上，在電子學的教科書中是沒有差模抑制比（Normal Mode Rejection Ratio)這一提法的，因為對于一般儀表系統(tǒng)，50Hz的差模信號不能被定性為干擾信號。但在實際應用中，我們往往需要將串聯(lián)疊加到輸入端的電網(wǎng)工頻信號（50Hz或60Hz)定義為干擾信號。仿照CMRR的定義和物理意義，工業(yè)測量領域定義了NMRR，用于衡量系統(tǒng)對50Hz/60Hz差模信號的抑制能力。,Kd: 直流差模放大倍數(shù)，

46、即通道增益。Kn: 50Hz差模信號放大倍數(shù)Vi: 50Hz差模輸入峰值Vo: 輸出波動交流峰值Vo/Kd: 50Hz輸入Vi等效的有效差模輸入，NMRR值表征了差?！耙种啤蹦芰?。Virms: Vi的有效值Vopp: Vo的峰峰值,NMRR的物理意義,NMRR衡量了系統(tǒng)對50Hz輸入差模干擾信號轉(zhuǎn)的衰減程度：Vd:衰減后進入系統(tǒng)的差模信號Vn:輸入的50Hz差模信號假如NMRR=60dB

47、，50Hz差模信號峰值為5V， 則5/10（60/20）=5/1000=5mV的差模干擾進入了系統(tǒng)。沒有濾波器的測量系統(tǒng)，NMRR為零。1階濾波約貢獻20dB NMRR，60dB需要3階以上濾波。,提高NMRR的方法:濾波,濾波器階數(shù)與NMRR關系,沒有濾波器的測量系統(tǒng)，NMRR為零.配備1階低通濾波器的AI設備，NMRR最多可以做到20dB.配備2階低通濾波器后最多可以做到40dB.要想將NMRR做到60dB，需要3階以上

48、的濾波器.如果要想有效濾除50Hz信號，即使設計了3階低通濾波器，其截止頻率（－3dB點）也必須在5Hz以內(nèi)，才能保證在50Hz（5Hz的10倍頻）處衰減達到60dB。所以，在DCS系統(tǒng)中，AI的采樣率不需要做得很高，10Hz以上就可以了.更高要求的濾波器是梳狀濾波器,專門濾50Hz的倍頻.,NMRR的測量,《JB/T 9270－1999：工業(yè)控制微型計算機系統(tǒng)過程輸入輸出通道模板試驗檢查方法》 用信號發(fā)生器產(chǎn)生50Hz的差模正

49、弦信號，通過1：1變壓器耦合疊加到被測量的信號中或直接疊加（只要信號發(fā)生器的輸出可以與被測信號串聯(lián)），被測差模信號為量程的一半。通過測量輸出的波動峰峰值，然后計算出NMRR。,IEC61131-2要求制造商提供的AO指標(3),AO的工程應用,驅(qū)動負載不要高于AO設備的帶負載能力。關鍵控制回路應考慮選擇冗余AO。,開關量輸入（DI：Digital Input),,DI的觸點型式,機械開關（干接點）電子開關電平接點,DI的查詢電壓,

50、24VDC48VDC220VAC220VDC,DI的電路結構型式,共地（Sinking）：電流從開關流出，進入DI板后返回到地（對DI設備來說是Sourcing）。共源（Sourcing）：電流從DI板流出，經(jīng)開關觸點流到地（對DI設備來說是Sinking）。,,DI的閾值電平,邏輯1（State 1）：表示接點閉合的狀態(tài)。邏輯0（State 0）：表示接點斷開的狀態(tài)。模糊區(qū)（Transition Area）：無法確定其邏輯