第五章控制仪表智能变送器

《控制仪表及装置》克拉玛依职业技术学院自动化教研室主讲：储存《控制仪表及装置》内容概述

一.自动化基础及概论二、变送器和转换器三、控制仪表（调节器）四.运算器和执行器五、智能变送器六、可编程调节器七、现场总线控制系统第一篇:模拟式第二篇:数字式《控制仪表及装置》

第五章:智能变送器第五章:智能变送器内容提要第一节智能变送器概述一第二节数字式差压变送器

二第三节数字式温度变送器三

智能变送器

采用微处理器和先进传感器技术的智能变送器

是新型现场变送类仪表。精度、可靠性、稳定性均优于模拟控制仪表。输出：模拟、数字混合信号或全数字信号。通过现场总线可与上位机连接，能满足DCS和FCS的应用要求。

第一节概述一、智能变送器的特点：（1）测量精度高、响应快、性能稳定、可靠；（2）具有较宽的零点迁移范围和较大的可调比；（3）具有温度、静压补偿功能（差压变送器）和非线性校正能力（温度变送器）；（4）有些智能变送器还具有计算、显示、报警、控制、诊断等功能；与智能执行器配合，可就地构成控制回路；（5）输出模拟、数字混合信号或全数字信号（符合现场总线协议）（6）通过手持通讯器（数据设定器）或其他组态工具，能对变送器进行就地或远程组态，包括调零、调量程、设置报警、阻尼、工程单位等变量。第一节概述

一、智能变送器的组成：由硬件、软件组成。不同厂家，不同种类的仪表大同小异，只是在器件类型、电路形式、程序编码和软件功能等方面不同。电路结构组成：传感器部件、电子部件传感器部件：因变送器的设计原理或功能而异；电子部件：由微处理器、A/D转换气、D/A转换器、通讯器件等组成。变送器

变送器在自动检测和控制系统中的作用，是将各种工艺参数，如温度、压力、流量、液位、成分等物理量转换成统一的标准信号，以供显示、记录或控制之用

按照被测参数分类

差压变送器

压力变送器

温度变送器

液位变送器

流量变送器等

变送器的理想输入输出特性

xyxminxmaxyminymaxxmin

可能＝0，也可能≠0第一节概述

概述

变送器的构成原理

模拟式变送器的构成原理

数字式变送器的构成原理

模拟变送器的构成原理测量部分

放大器

反馈部分

x测量部分Ki模拟式变送器的组成：zi放大器Koy反馈部分Kfzf+－零点调整零点迁移+z0关键环节：当满足KoKf>>1的条件时

输入输出关系

xKiziKoyKfzf+－+z0RETURN如果，[ymin，ymax]

与[xmin，xmax]

，如何调整？？1.调整Ki、Kf可以改变线性关系的斜率，调试会影响零点2.调整z0可以改变零点，同时也会引起线性关系的平移数字式变送器的构成原理

x检测元件A/D转换CPU通信电路数字信号存储器一般形式x检测元件A/D转换CPU通信电路FSK信号存储器A/D转换Frequencyshiftkeying采用HART协议通信方式RETURN软件数字式变送器软件部分包括:

A/D采样程序

量程转换程序

工程量变换程序滤波程序

误差校正程序

D/A输出程序

通讯程序辅助功能程序数字式变送器还配置有手持终端

变送器的一些共性问题

零点调整和零点迁移

线性化变送器信号传输方式

量程调整

量程调整

量程调整相当于改变变送器的输入输出特性的斜率，也就是改变变送器输出信号y与输入信号x之间的比例系数

xyxminxmaxyminymax使变送器的输出信号上限值ymax与测量范围的上限值xmax相对应

量程调整的方法

改变反馈部分的反馈系数Kf

改变测量部分转换系数Ki

软件实现

模拟式变送器数字式变送器

Kf↑Ki↑量程

量程

↑↓零点调整零点调整的方法·模拟变送器：调Z0·数字变送器：软件使变送器的输出信号下限值ymin与测量范围的下限值xmin=0相对应

xy0xmaxyminymax零点迁移

使变送器的输出信号下限值ymia与测量范围的下限值xmin相对应，在xmin=0时，称为零点调整，在xmin≠0时，称为零点迁移

当测量的起始点由零变为某一正值，称为正迁移；当测量的起始点由零变为某一负值，称为负迁移

·零点调整使变送器的测量起始点为零·零点迁移是把测量的起始点由零迁移到某一数值:xminxyxmaxyminymax0xmaxxminxmax零点迁移的方法·模拟变送器：调Z0·数字变送器：软件线性化

原因：传感器组件的输出信号与被测参数之间往往存在着非线性关系模拟式变送器非线性补偿方法:

1.使反馈部分与传感器组件具有相同的非线性特性

数字式变送器

非线性补偿方法:软件实现

2.使测量部分与传感器组件具有相反的非线性特性变送器信号传输

气动变送器：电动模拟式变送器：HART通讯协议方式

数字式变送器：两根气动管线（气源和信号）

二线制四线制

双向全数字量传输信号(现场总线通信方式

)电动模拟式变送器信号传输方式

二根导线同时传送变送器所需的电源和输出电流信号

二线制

四线制供电电源和输出信号分别用二根导线传输

RL四线制变送器Io电源二线制变送器RLErrIo节省连接电缆、有利于安全防爆和抗干扰

二线制变送器的条件：

工作电流：

工作电压：二线制二线制优点：

目前大多数变送器均为二线制变送器

二线制变送器RLErrIo+VT—数字式变送器信号传输方式HART（HighwayAddressableRemoteTransducer）协议是一种过渡性协议，它采用FSK技术，在4～20mA过程测量模拟信号上叠加了一个频率信号，使模拟信号与数字双向通讯能同时进行，即在一条电缆上同时传输4～20mA的模拟信号和数字信号，互不干扰。我国目前工业现场中4～20mA标准的模拟仪表仍大量存在，HART协议起到了承前启后的作用，在我国得到了广泛的应用。(FSK频移键控技术)HART通讯协议

:物理层

数据链路层

应用层

HART通信协议是依照国际标准化组织(ISO)的开放式系统互连(OSI)参考模型，简化并引用其中三层：

这种被称为可寻址远程传感高速通道最早由Rosemount公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持,于1993年成立了HART通信基金会。RETURNHART通讯方式的实现方法物理层物理层规定了信号的传输方法和传输介质传送速率为1200bit/s

FSK信号相位连续，均值＝0，则叠加上的信号对模拟信号没有影响

(FSK频移键控技术).信号传输方法：基于Bell202通讯标准，采用频移键控FSK方法，在4～20mA基础上叠加幅度为±0.5mA的正弦调制波作为数字信号

传输介质:

单芯带屏蔽双绞电缆3000米多芯带屏蔽双绞电缆1500米短距离可使用非屏蔽电缆

数据链路层规定了数据帧的格式和数据通讯规程定界符定义了帧的类型和寻址格式

地址有短格式(1字节)和长格式(5字节)响应码在变送器向主设备通信时才有，表示数据通信状态和变送器工作状态

数据帧格式：由链路同步信息、寻址信息、用户信息及校验和组成

校验和数据字节响应码字节长度命令号地址定界符链路同步码HART协议按主/从方式通讯即：只有在主站呼叫时，现场设备（从站）才传送信息。通信由主设备发起，即发出请求(指令)，被访问的从设备(即现场仪表)负责解析指令并返回对指令的响应。HART的介质访问控制本质是上一种令牌总线技术，它的最大优点是保证数据在总线上传输时不发生冲突(只是取得令牌，才有权发起通信)，同时保证在限定时间内任一站点可以取得链路控制权。HART的令牌是隐含的，即没有“令牌帧”的存在，而是定义了与令牌作用相似的时限(定时)规则。数据通讯规程点对点模式---在一条电缆上同时传输4～20mADC的模拟信号和数字信号

多点模式---一条电缆连接多个现场设备，这是全数字通信模式

阵发模式---允许总线上有一个从站自动、连续地发送标准的HART响应信息

有三种通讯模式：从设备可以被主设备组态为阵发模式(Burstmode)，即自动执行某一特定指令并给出响应无需得到请求，只有在此模式下从设备可以发起通信，从而可能引起与主设备间对链路控制权的争用，否则从设备持续非活动(等待)状态，仅能对请求作出响应。同一链路上只能有一个阵发模式从设备与主设备，包括一个第一主设备和一个第二主设备，同时存在从从从从从主主第一第二阵发逻辑环第一主站可以是DCS、PLC、基于计算机的控制或监测系统，第二主站可以是手持终端，手持终端几乎可以连接在网络任何地方，在不影响第一主站通信的情况下与任何一个现场设备通信。从从从从从主主第一第二阵发逻辑环应用层规定了通讯命令的内容

命令类型：通用命令

通用操作命令特殊命令适用于所有符合HART协议的现场仪表

包括制造厂商和仪表类型、变量值和单位、阻尼时间、系列号等

适用于大部分符合HART协议的现场仪表

包括读变量、改变上/下限值、调零和调量程、仪表自检等

各制造厂的产品自己所特有的命令

用于对仪表中的专门参数或仪表的特有功能进行自由定义，如开始、结束或清累积，读写校正系数，使能PID，改变给定值等CPUDAC(AD421)HARTMODEMBELL202波形整形电路HART通讯方式的实现方法Io(4~20mA)RLE带通滤波器输出波形整形电路：满足HART物理层规范所要求的信号波形上升沿/下降沿的时间，较平缓的上升沿/下降沿的时间可以降低与其它HART网络间的串扰。带通滤波器:抑制接收信号中的感应噪声，其频宽大约为1200Hz～2200Hz

FSKFSK

HART通讯模块HART通讯模块实现二进制的数字信号与FSK信号之间的相互转换

HT2012是SMAR公司专门为HART产品而设计生产的通讯模块(Smar全球著名的制造商)

HT2012功能框图

调制器解调器时基电路载波监测ITXDINRTS460.8kHzIRXAOXTA19.2kHzORXDOCDHT2012功能框图ITXD从CPU异步串行输出口获得数字信号，经调制后在OTXA输出FSK信号，FSK信号经整形后加载到4～20mA输出回路上。调制器解调器ITXDIRXAOXTAORXD通过IRXA获得FSK信号，FSK信号经解调后在ORXD输出数字信号，ORXD直接与CPU的异步串行输入口相连。

HART通讯模块INRTS：调制、解调器的控制端

INRTS＝0时，调制器工作，解调器输出不定

INRTS＝1时，解调器工作，调制器输出呈高阻状态上述机制说明HART是半双工的。载波监测INRTS调制器解调器ITXDIRXAOXTAORXDOCDOCD作为载波侦听输出，当存在数字信号时，OCD＝0，启动CPU1读取ORXD处的解调信号

HART通讯模块时基电路：产生调制、解调器所需要的时钟信号 同时还提供一路19.2kHz的时钟输出时基电路460.8kHz19.2kHz调制器解调器载波监测ITXDINRTSIRXAOXTAORXDOCD

HART通讯模块调制器 ITXD：二进制数字信号输入

OXTA：FSK信号输出解调器 IRXA：FSK信号输入(由信号回路) ORXD：二进制数字信号输出INRTS：控制端 “0”，调制器工作，解调器输出不定； “1”，解调器工作，调制器输出呈高阻状态。载波监测电路用于检测4～20mA直流信号中是否叠加有数字信号

,侦听网络和启动接收时基电路产生调制器和解调器所需的时间基准信号，同时还提供19.2kHz的脉冲输出

HART通讯模块总结16位串行输入、4～20mA电流输出与HART通信模块共同完成变送器的数字通信(其它略)AD421第二节:数字式差压变送器

3051C差压变送器

1151数字式差压变送器

数字式（智能式）差压变送器种类较多，结构各异，但总体结构式相同的。ST3000差压变送器

结构示意图Rosemount罗斯蒙特(美国)SUPCON浙大中控

Honeywell霍尼韦尔(美国)

ST3000、3051C、1151数字式差压变送器都是采用HART通信方式进行通信的HART简介先讲1151ST3000差压变送器

传感器——三组件（差压、温度和静压）差压传感器——扩散硅压阻传感器差压传感器温度传感器静压传感器多路转换A/DCPUD/A数字IOROMRAMEPROMHart信号差压传感器——主传感器，测量差压温度、静压传感器——辅助传感器，用于补偿，以提高测量精度RAM——存储变送器的各种参数EPROM——存储着与RAM同样的数据。当仪表掉电时，数据被保存，当仪表来电时，EPROM中的数据自动传递到RAM中，不须后备电池变送器设置——通过数字设定器设置，如：仪表的量程、编号、零点调整、量程调整、阻尼时间……差压传感器温度传感器静压传感器多路转换A/DCPUD/A数字IOROMRAMEPROMHart信号3051C差压变送器

3051C差压变送器：1.传感器——电容式压力传感器2.采用专用传感器(ASIC)和贴片技术(SMT)3.温度传感器——用以补偿热效应带来的误差4.CPU——完成对输入信号的线性化、温度补偿、数字通信、自诊断等处理后得到一个与被测差压对应的4~20mA直流电流信号和数字信号，作为变送器的输出。

5.数据设定器——用于对变送器进行组态，或读取变送器的输出数据。

1151数字式差压变送器

传感器AD7715CPUWDTAD421HT2012△PI01151智能式差压变送器是在模拟的电容式差压变送器基础上，结合HART通信技术开发的一种智能式变送器，具有数字微调、数字阻尼、通信报警、工程单位转换和有关变送器信息的存储等功能，同时又可传输4~20mADC电流信号，特别适用于工业企业对模拟式1151差压变送器的数字化改造。其硬件原理框图如下：

软件传感器部分

1.传感器采用电容式差压传感器2.将输入差压转换成0～2.5V左右的电压信号。3.变送器的正常工作电流必须等于或小于3.5mA4.传感器部分工作电流为0.8mA左右。

AD7715

1.AD7715是美国ADI公司生产的16位模数转换器。它具有0.0015％的非线性、片内可编程增益放大器、差动输入、三线串行接口、缓冲输入、输出更新速度可编程等特点。2.特别适用于智能式变送器

3.带有模拟前置放大器的A/D转换芯片采用∑-Δ转换技术，实现16位的高精度模数转换。4.不太适用多路信号频繁切换的场合，只有在一路信号每周期的使用，而其它路信号不常用的情况下可以使用。5.在低速采样应用中，AD7715的性能最佳。当采用60Hz或60Hz以下的更新速度进行采样时，AD7715对50Hz的工频有抑制作用，采样的效果很好，但当更新速度大于60Hz时，采出码将出现波动，效果变差，这时可以在读数据时采用滑动平均值数字滤波，使效果得以改善，即加入所谓的后置滤波器。6.AD7715在小信号的采样中得到很好的应用，在热偶、热电阻测温的应用方面也取得了令人满意的效果。

∑-Δ转换技术Σ-Δ调制器(∑-Δ转换器又称为过采样转换器)包含1个差分放大器、1个积分器、1个比较器以及1个由1bitDAC（1个简单的开关，可以将差分放大器的反相输入接到正或负参考电压）构成的反馈环。反馈DAC的作用是使积分器的平均输出电压接近于比较器的参考电平。调制器输出中“1”的密度将正比于输入信号，如果输入电压上升，比较器必须产生更多数量的“1”，反之亦然。积分器用来对误差电压求和，对于输入信号表现为一个低通滤波器，而对于量化噪声则表现为高通滤波。这样，大部分量化噪声就被推向更高的频段。如果对噪声成形后的Σ-Δ调制器输出进行数字滤波，将有可能移走比简单过采样中更多的噪声。AD7715是以∑－△原理工作的16位模数转换器采用单一5V(AD7715－5)或3V(AD7715－3)电源供电可用最少数量的口线与单片机或微处理器相接适用于单通道低速小信号采样的应用场合。

CPU

AT89S8252微处理器，它与MCS-51兼容。2.8Kbytes的FlashROM、2Kbytes的EEPROM、256bytes的RAM、32个

I/O口线、两个DPTR、3个16位定时/计数器、1个全双工串行口、可编程看门狗、在片振荡器和时钟电路等。3.CPU采用3V供电，工作频率1.8432MHz。4.CPU采取间断工作方式

1/5时间工作、4/5时间休眠，以降低CPU功耗

HART通信部分实现HART协议物理层的硬件电路

AD421及电压调整电路

AD421的作用：

①将CPU输入的数字信号转换为4～20mA直流电流作为整机的输出②将通信部分输入的数字信号叠加在4～20mA直流电流上一起输出③与场效应管VT1等组成电压调整电路

三极管VT2起分流作用，以减少流过场效应管VT1的电流作用：

WDT监控电路MAX6304ESA复位电路CPU正常工作时WDO输出为高电平，对CPU的工作没有影响CPU受外界干扰不能正常工作时WDO输出将变为低电平，使CPU产生不可屏蔽的中断，将正在处理的数据进行保护；同时经过一段等待时间之后，输出RESET信号对CPU进行复位，使CPU重新进入正常工作

电源故障端PFI经过分压电阻R1、R2接供电源UCC，当电源发生较大波动时，监控电路将产生复位信号，从而有效地防止了电源干扰对CPU的影响。

1151数字式差压变送器的软件

测控程序包括A/D采样程序、非线性补偿程序、量程转换程序、线性或开方输出程序、阻尼程序以及D/A输出程序等通信程序采用串行口中断接收/发送

分为两部分：测控程序和通信程序

第三节:智能式(数字式)温度变送器两种类型：HART现场总线(Smar全球著名的制造商)TT302温度变送器(SMAR)1.概述2.硬件构成

3.软件组成

TT302温度变送器(SMAR)数据传输类型：FF现场总线输入信号类型：各种热电阻Cu10、Ni120、Pt50、Pt100、Pt500

各种热电偶B、E、J、K、N、R、S、T、L、U其它mV、Ω量程可以组态输出信号类型：现场总线数字信号(FF)精度：0.02％环境温度：-40～85ºC贮存温度：-40～100ºC数字显示：-10～60ºC(正常运行)-40～85ºC(无损坏)湿度范围：10~60%相对湿度TT302温度变送器的硬件构成输入板内容：多路转换器MUX、信号调理电路、A／D转换器和隔离部分回作用：将输入信号转换为二进制的数字信号，传送给CPU；并实现输入板与主电路板的隔离。

不同的信号与不同的端子连接，由MUX根据输入信号的类型，将相应端子连接到信号调理电路

信号调理电路：信号放大

隔离部分包括信号隔离和电源隔离（信号隔离采用光电隔离），目的：为了避免控制系统可能多点接地形成地环电流，而引入干扰影响整个系统的正常工作

环境温度传感器：用于热电偶的冷端温度补偿。

主电路板

内容：微处理器系统、通信控制器、信号整形电路、本机调整部分和电源部分，它是变送器的核心部件。

TT302温度变送器是由现场总线电源通过通信电缆供电供电电压为9～32VDC电源部分将供电电压转换为变送器内部各芯片所需电压，为各芯片供电。变送器输出的数字信号也是通过通信电缆传送的，因此通信电缆同时传送变送器所需的电源和输出信号这与二线制模拟式变送器相类似。回液晶显示器

液晶显示器是一个微功耗的显示器可以显示四位半数字和五位字母用于接收CPU来的数据并加以显示。

回TT302温度变送器的软件组成软件分为系统程序和功能模块两大部分。系统程序使变送器各硬件电路能正常工作并实现所规定的功能，同时完成各组成部分之间的管理。功能模块提供了各种功能，用户可以选择所需要的功能模块以实现用户所要求的功能。变送器提供的功能模块主要有：·资源模块RES-包含与资源相关的硬件数据；·转换功能模块TRD-将输入/输出变量转换成相应的工程数据；·显示转换DSP-用于组态液晶显示上的过程变量；·组态转换DIAG-提供在线测量功能模块执行时间，检查功能模块与其它程序之间的连接；·模拟输入AI-此功能模块从转换功能模块获得输入数据，然后对数据进行处理后传送给其它功能模块。AI模块具有量程转换、过滤、平方根及去掉尾数等功能；·PID控制功能PID-此功能模块包含多种功能：如设定值及变化率范围调整、测量值滤波及报警、前馈、输出跟踪等；·增强的PID功能EPID-它除了具有PID控制功能模块所有标准的功能之外，还包括无扰动或强制手动/自动切换等功能；……思考题：3.智能差压变送器有哪些?有哪些特点？4、智能温度变送器有哪些特点？简述TT302温度变送器的工作原理。1、试述模拟式变送器和智能式变送器的构成原理。2、什么是FSK信号？HART协议通信方式是如何实现的？A/D转换技术现在的软件无线电、数字图像采集都需要有高速的A/D采样保证有效性和精度，一般的测控系统也希望在精度上有所突破，人类数字化的浪潮推动了A/D转换器不断变革，而A/D转换器是人类实现数字化的先锋。A/D转换器发展了30多年，经历了多次的技术革新，从并行、逐次逼近型、积分型ADC，到近年来新发展起来的∑-Δ型和流水线型ADC，它们各有其优缺点，能满足不同的应用场合的使用。A/D转换技术逐次逼近型、积分型、压频变换型等，主要应用于中速或较低速、中等精度的数据采集和智能仪器中。分级型和流水线型ADC主要应用于高速情况下的瞬态信号处理、快速波形存储与记录、高速数据采集、视频信号量化及高速数字通讯技术等领域。此外，采用脉动型和折叠型等结构的高速ADC，可应用于广播卫星中的基带解调等方面。∑-Δ型ADC主应用于高精度数据采集特别是数字音响系统、多媒体、地震勘探仪器、声纳等电子测量领域。∑-Δ型ADC∑-Δ转换器又称为过采样转换器，它采用增量编码方式即根据前一量值与后一量值的差值的大小来进行量化编码。∑-Δ型ADC包括模拟∑-Δ调制器和数字抽取滤波器。∑-Δ调制器主要完成信号抽样及增量编码，它给数字抽取滤波器提供增量编码即∑-Δ码；