宇電顯示控制用二次儀表性能及應用剖析

1 概述
廈門宇電自動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)品已應用于化工、熱電、石化、制藥、冶金、機械、食品、造紙、塑膠、包裝等領(lǐng)域，年銷售量達到60萬臺，產(chǎn)品遠銷北美、歐洲、大洋洲、印度、中東、東南亞和香港等多個國家和地區(qū)，并獲得客戶好評，宇電已成為大的二次儀表及智能分布式控制系統(tǒng)的供應商。
本文將剖析宇電顯示控制用二次儀表性能及其應用，以使用戶對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
下面將分別對上述六類技術(shù)參數(shù)進行分析。
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
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修正功能，從而適應幾乎所有的特殊輸入要求。
針對流量檢測應用的流量積算器，還可接受脈沖信號輸入。
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)信號隔離并遠傳到控制系統(tǒng)。
3.2 開關(guān)量輸出
繼電器觸點開關(guān)量輸出（常開+常閉）：250VAC/1A、250VAC/2A或30VDC/1A；
可控硅無觸點開關(guān)輸出：100-240VAC/0.2A（持續(xù)），2A（20ms瞬時，重復周期大于5s）；
SSR驅(qū)動電壓輸出：12VDC/30mA（用于驅(qū)動SSR固態(tài)繼電器）。
由于控制功能有兩位式控制，其對應輸出就是開關(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、電流等級的開關(guān)量輸出信號。
3.3 可控硅觸發(fā)輸出
可觸發(fā)5-500A的雙向可控硅、2個單向可控硅反并聯(lián)連接或可控硅功率模塊，包括單路過零觸發(fā)輸出、單路可控硅移項觸發(fā)輸出、單路感性負載可控硅移項觸發(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觸發(fā)輸出。
一些鹽浴爐、工頻感應爐、淬火爐、熔融玻璃的溫度加熱控制，是以鎳鉻、鐵鉻鋁、遠紅外發(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)具體對象不同，可選用不同的輸出模塊實現(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，安裝相應模塊后可與上位機通訊，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。
AIDCS智能分布式控制系統(tǒng)是既能透過網(wǎng)絡實現(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”是指下位機即使受各種不可預知因素而脫離了上位機的指令和網(wǎng)絡，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，解決了目前DCS系統(tǒng)不開放，下位機無法脫離上位機和網(wǎng)絡運行的缺點。
圖1中，來自工業(yè)現(xiàn)場的各類檢測信號和執(zhí)行器信號通過宇電公司作為下位機的盤裝型、導軌型二次儀表、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，上位機通常采用安裝組態(tài)軟件的工控機或普通計算機。用戶還可選擇通過局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，連接管理層計算機，以便為管理人員提供工業(yè)現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)及報表。

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個常用變量及1個參數(shù)的速度僅為20ms，經(jīng)濟型儀表亦只需要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，只能應用于小型的系統(tǒng)。
帶以太網(wǎng)接口并內(nèi)置WEB服務器的觸摸屏顯示儀表，就具備通過以太網(wǎng)接口使用瀏覽器對儀表進行遠程監(jiān)視及操作的能力。
帶云端/手機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、平板電腦等移動設(shè)備進行監(jiān)視與操作。
3.5 報警輸出
zui多可有4路報警輸出：上上限、上限、下限、下下限4路，有上電免除報警選擇功能（即通電后越限動作不報警），還可提供正負偏差報警。
生產(chǎn)過程中某些參數(shù)要求上限、下限越限報警，通過帶報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、下限越限報警，也要求上上限、下下限越限報警，即所謂四限報警。如像一些涉及大型設(shè)備停車連鎖的報警條件，有時要求上限、下限越限信號僅用于聲光報警，即所謂預報警，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*信號才進入聯(lián)鎖系統(tǒng)使設(shè)備停車。這樣的要求以往需要多臺報警顯示儀才能完成。現(xiàn)在有四限報警的數(shù)字顯示儀表一臺就可以完成這一功能。
3.6 電壓輸出
電壓輸出有5V、10V、12V、24V等多個規(guī)格，用于外部傳感器或低功率設(shè)備供電輸出。
這個功能非常重要，它提供了相當于配電器的功能，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控制又有標準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)則進行PID控制的一種新型算法，在誤差大時運用模糊算法進行控制，以消除PID飽和積分現(xiàn)象，在誤差趨小時，采用改進后的PID算法進行控制。AI人工智能APID控制還具備自整定、自學習功能，不僅可以自整定PID參數(shù)，并且即使被控對象的滯后時間較長亦可使控制過程無超調(diào)、控制（見圖2），還可以實現(xiàn)包括串級、比值、前饋等復雜控制功能。

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，可實現(xiàn)任意斜率的升、降溫控制，具有跳轉(zhuǎn)（循環(huán)）、運行、暫停及停止等可編程/可操作命令，允許在程序的控制運行中隨時修改程序；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；具備測量值啟動功能、準備功能及五種停電/開機事件處理模式選擇。
AI人工智能控制算法又分為基本型、加強型、專家型、加強程序型、專家程序型、加熱冷卻雙輸出增強型、加熱冷卻雙輸出增強程序型等，有相對應的產(chǎn)品可供用戶選用。
5 電源
可接受通用的電源等級100～240VAC、50-60Hz供電，也可由24VDC/AC安全電源供電。當儀表誤接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可提供至少10s（廠內(nèi)試驗達到30min）的保護時間。
這里的交流電源實際上覆蓋了世界上zui常用的兩個電源等級：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，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線穿管時穿在同一根管道內(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。導軌式安裝有D5、E5、E8型DIN導軌。
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或E8型導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，可選小尺寸儀表或單臺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、0.25級、0.2級、0.1級以及0.05級等多個級別，高精度級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償技術(shù)，與儀表內(nèi)部補償相比較，補償誤差可減少約±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0.01℃。
大多數(shù)場合0.2級、0.3級精度或許就能滿足要求，當監(jiān)測和控制精度要求特別高時，0.1級、0.05級提供了更高精度級別的產(chǎn)品。
8 結(jié)束語
宇電顯示控制用二次儀表技術(shù)先進，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，還需要加深對宇電顯示控制用二次儀表性能的了解。本文根據(jù)作者對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際應用中如何利用這些功能實現(xiàn)用戶生產(chǎn)現(xiàn)場的各種要求。

作者簡介：
方原柏，教授級工程師，昆明儀器儀表學會理事長，中國衡器協(xié)會技術(shù)專家委員會顧問，主要從事儀器儀表、控制系統(tǒng)的應用研究。