1、計算機控制技術計算機控制技術 過程通道過程通道李江全李江全石河子大學機電學院電氣工程系石河子大學機電學院電氣工程系2005年年1月月輸入與輸出信號輸入與輸出信號 工業生產過程實現計算機控制的前提是，工業生產過程實現計算機控制的前提是，必須將工業生產過程的工藝參數、工況邏必須將工業生產過程的工藝參數、工況邏輯和設備運行狀況等物理量經過傳感器或輯和設備運行狀況等物理量經過傳感器或變送器轉變為計算機可以識別的電信號變送器轉變為計算機可以識別的電信號（電壓或電流）或邏輯量。（電壓或電流）或邏輯量。傳感器和變送器輸出的信號有多種規格，其傳感器和變送器輸出的信號有多種規格，其中毫伏（中毫伏（mVmV）信號

2、、）信號、0 05V5V電壓信號、電壓信號、1 15V5V電壓信號、電壓信號、0 010mA10mA電流信號、電流信號、4 420mA20mA電流電流信號、電阻信號是計算機控制系統經常用到信號、電阻信號是計算機控制系統經常用到的信號規格。在實際工程中，通常將這些信的信號規格。在實際工程中，通常將這些信號分為模擬量信號、開關量信號和脈沖量信號分為模擬量信號、開關量信號和脈沖量信號三大類。號三大類。針對某個生產過程設計一套計算機控制系針對某個生產過程設計一套計算機控制系統，必須了解輸入輸出信號的規格、接線統，必須了解輸入輸出信號的規格、接線方式、精度等級、量程范圍、線性關系、方式、精度等級、量程范

3、圍、線性關系、工程量換算等諸多要素。工程量換算等諸多要素。1.1.模擬量信號模擬量信號 許多來自現場的檢測信號都是模擬信號，如液位、壓力、溫許多來自現場的檢測信號都是模擬信號，如液位、壓力、溫度、位置、度、位置、PHPH值、電壓、電流等，通常都是將現場待檢測的值、電壓、電流等，通常都是將現場待檢測的物理量通過傳感器轉換為電壓或電流信號；許多執行裝置所物理量通過傳感器轉換為電壓或電流信號；許多執行裝置所需的控制信號也是模擬量，如調節閥、電動機、電力電子的需的控制信號也是模擬量，如調節閥、電動機、電力電子的功率器件等的控制信號。功率器件等的控制信號。模擬信號是指隨時間連續變化的信號，這些信號在規定

4、的一模擬信號是指隨時間連續變化的信號，這些信號在規定的一段連續時間內，其幅值為連續值，即從一個量變到下一個量段連續時間內，其幅值為連續值，即從一個量變到下一個量時中間沒有間斷。時中間沒有間斷。 模擬信號有兩種類型：一種是由各種傳感器獲得的模擬信號有兩種類型：一種是由各種傳感器獲得的低電平信號；另一種是由儀器、變送器輸出的低電平信號；另一種是由儀器、變送器輸出的4 420mA20mA的電流信號或的電流信號或1 15V5V的電壓信號。這些模擬的電壓信號。這些模擬信號經過采樣和信號經過采樣和A/DA/D轉換輸入計算機后，常常要進行轉換輸入計算機后，常常要進行數據正確性判斷、標度變換、線性化等處理。數

5、據正確性判斷、標度變換、線性化等處理。 模擬信號非常便于傳送，但它對干擾信號很敏感，模擬信號非常便于傳送，但它對干擾信號很敏感，容易使傳送中的信號的幅值或相位發生畸變。因此，容易使傳送中的信號的幅值或相位發生畸變。因此，有時還要對模擬信號做零漂修正、數字濾波等處理。有時還要對模擬信號做零漂修正、數字濾波等處理。 模擬信號的常用規格：模擬信號的常用規格：1 1）1 15V5V電壓信號電壓信號 此信號規格有時稱為此信號規格有時稱為DDZ-型儀表電壓信號規格。型儀表電壓信號規格。 15V電壓信號規格通常用于計算機控制系統的過程電壓信號規格通常用于計算機控制系統的過程通道。工程量的量程下限值對應的電壓

6、信號為通道。工程量的量程下限值對應的電壓信號為lV，工程，工程量上限值對應的電壓信號為量上限值對應的電壓信號為5V，整個工程量的變化范圍，整個工程量的變化范圍與與4V的電壓變化范圍相對應。過程通道也可輸出的電壓變化范圍相對應。過程通道也可輸出15V電壓信號，用于控制執行機構。電壓信號，用于控制執行機構。 2 2）4 420mA20mA電流信號電流信號 420mA電流信號通常用于過程通道和變送器之電流信號通常用于過程通道和變送器之間的傳輸信號。工程量或變送器的量程下限值對應間的傳輸信號。工程量或變送器的量程下限值對應的電流信號為的電流信號為4mA，量程上限對應的電流信號為，量程上限對應的電流信號

7、為20mA，整個工程量的變化范圍與，整個工程量的變化范圍與16mA的電流變化的電流變化范圍相對應。過程通道也可輸出范圍相對應。過程通道也可輸出420mA電流信號，電流信號，用于控制執行機構。用于控制執行機構。 2.2.數字（開關）量信號數字（開關）量信號 有許多的現場設備往往只對應于兩種狀有許多的現場設備往往只對應于兩種狀態，例如，按鈕、行程開關的閉合和斷開、態，例如，按鈕、行程開關的閉合和斷開、馬達的起動和停止、指示燈的亮和滅、儀器馬達的起動和停止、指示燈的亮和滅、儀器儀表的儀表的BCDBCD碼、繼電器或接觸器的釋放和吸合、碼、繼電器或接觸器的釋放和吸合、晶閘管的通和斷、閥門的打開和關閉等，

8、可晶閘管的通和斷、閥門的打開和關閉等，可以用開關輸出信號去控制或者對開關輸入信以用開關輸出信號去控制或者對開關輸入信號進行檢測。號進行檢測。 開關信號是指在有限的離散瞬時上開關信號是指在有限的離散瞬時上取值間斷的信號。在二進制系統中，數取值間斷的信號。在二進制系統中，數字信號是由有限字長的數字組成，其中字信號是由有限字長的數字組成，其中每位數字不是每位數字不是0就是就是1。數字信號的特點。數字信號的特點是，它只代表某個瞬時的量值，是不連是，它只代表某個瞬時的量值，是不連續的信號。開關信號的處理主要是監測續的信號。開關信號的處理主要是監測開關器件的狀態變化。開關器件的狀態變化。 開關量信號反映了

9、生產過程、設備運行的現行狀態、開關量信號反映了生產過程、設備運行的現行狀態、邏輯關系和動作順序。邏輯關系和動作順序。 例如：行程開關可以指示出某個部件是否達到規定例如：行程開關可以指示出某個部件是否達到規定的位置，如果已經到位，則行程開關接通，并向工控機的位置，如果已經到位，則行程開關接通，并向工控機系統輸入系統輸入1個開關量信號；又如工控機系統欲輸出報警信個開關量信號；又如工控機系統欲輸出報警信號，則可以輸出號，則可以輸出1個開關量信號，通過繼電器或接觸器驅個開關量信號，通過繼電器或接觸器驅動報警設備，發出聲光報警。動報警設備，發出聲光報警。 如果開關量信號的幅值為如果開關量信號的幅值為TT

10、L/CMOS電平，有時又將電平，有時又將一組開關量信號稱之為數字量信號。一組開關量信號稱之為數字量信號。 開關量輸入信號有觸點輸入和電平輸入兩種開關量輸入信號有觸點輸入和電平輸入兩種方式。觸點又有常開和常閉之分，其邏輯關系正方式。觸點又有常開和常閉之分，其邏輯關系正好相反，猶如數字電路中的正邏輯和負邏輯。好相反，猶如數字電路中的正邏輯和負邏輯。 工控機系統實際上是按電平進行邏輯運算和工控機系統實際上是按電平進行邏輯運算和處理的，因此工控機系統必須為輸入觸點提供電處理的，因此工控機系統必須為輸入觸點提供電源，將觸點輸入轉換為電平輸入。源，將觸點輸入轉換為電平輸入。 開關量輸出信號也有觸點輸出和電

11、平輸出兩種開關量輸出信號也有觸點輸出和電平輸出兩種方式。輸出觸點也有常開和常閉之分。方式。輸出觸點也有常開和常閉之分。 對于開關量輸出信號，可以分為兩種形式：對于開關量輸出信號，可以分為兩種形式：一種是電壓輸出，另一種是繼電器輸出。電壓一種是電壓輸出，另一種是繼電器輸出。電壓輸出一般是通過晶體管的通斷來直接對外部提輸出一般是通過晶體管的通斷來直接對外部提供電壓信號，繼電器輸出則是通過繼電器觸點供電壓信號，繼電器輸出則是通過繼電器觸點的通斷來提供信號。的通斷來提供信號。 電壓輸出方式的速度比較快且外部接線簡單，電壓輸出方式的速度比較快且外部接線簡單，但帶負載能力弱；繼電器輸出方式則與之相反。但帶

12、負載能力弱；繼電器輸出方式則與之相反。對于電壓輸入，又可分為直流電壓和交流電壓，對于電壓輸入，又可分為直流電壓和交流電壓，相應的電壓幅值可以有相應的電壓幅值可以有5V、12V、24V和和48V等。等。 3.3.脈沖量信號脈沖量信號 當開關量按一定頻率變化時，則該開關量就可以視當開關量按一定頻率變化時，則該開關量就可以視為脈沖量，也就是說脈沖量具有周期性。為脈沖量，也就是說脈沖量具有周期性。 測量頻率、轉速等參數的傳感器都是以脈沖頻率的測量頻率、轉速等參數的傳感器都是以脈沖頻率的方式反映被測值的，有一些測流量的傳感器或變送器，方式反映被測值的，有一些測流量的傳感器或變送器，也是以脈沖頻率為輸出信

13、號。在運動控制中，編碼器送也是以脈沖頻率為輸出信號。在運動控制中，編碼器送出的信號也是脈沖信號，根據脈沖的數目，可以獲得電出的信號也是脈沖信號，根據脈沖的數目，可以獲得電動機角位移以及轉速的信息。另外，也可以通過輸出脈動機角位移以及轉速的信息。另外，也可以通過輸出脈沖來控制步進電機轉角或速度。沖來控制步進電機轉角或速度。 脈沖量信號的幅值通常有脈沖量信號的幅值通常有TTLTTL電平、電平、CMOSCMOS電平、電平、24VDC24VDC電平和任意電平等幾種規格。實際上，電平和任意電平等幾種規格。實際上，數據采集卡的邏輯部件都是數據采集卡的邏輯部件都是TTL/CMOSTTL/CMOS規格，其規格

14、，其中的過程通道將不同幅值的脈沖量信號轉換成中的過程通道將不同幅值的脈沖量信號轉換成了了TTL/CMOSTTL/CMOS電平。電平。 脈沖量通道或脈沖輸入脈沖量通道或脈沖輸入/輸出板卡對脈沖量輸出板卡對脈沖量的上升時間和下降時間有一定的要求，對于上的上升時間和下降時間有一定的要求，對于上升時間和下降時間較長的脈沖信號，必須增加升時間和下降時間較長的脈沖信號，必須增加整形電路，改善脈沖信號的邊沿，以確保脈沖整形電路，改善脈沖信號的邊沿，以確保脈沖量通道能有效識別所輸入的脈沖量信號。量通道能有效識別所輸入的脈沖量信號。 信號傳輸標準信號傳輸標準 電壓制信號傳輸標準電壓制信號傳輸標準：變送器變送器負

15、載負載（調節器、記錄儀等）（調節器、記錄儀等）Ri信號源干擾信號的遠距離傳輸RlRl電壓傳輸電壓傳輸：信號源內阻小（零）、負載電阻大，因而對外界擾動敏感，且受傳輸導線電阻的影響大。故不適合于信號的遠距離傳輸。 電流制信號傳輸標準：電流制信號傳輸標準： 變送器變送器負載負載（調節器、記錄儀等）（調節器、記錄儀等）Ri信號源干擾信號的遠距離傳輸RlRl電流傳輸電流傳輸：信號源內阻大（無限大）、負載電阻小，因而對外界擾動不敏感，且不受傳輸導線電阻的影響。故非常適合于信號的遠距離傳輸。信號傳輸標準 國際電工委員會（IEC）于1973年4月通過信號傳輸的國際標準： 現場傳輸信號： 直流 420mA； 控

16、制室內儀表間的聯絡信號： 直流 15V. 適用范圍適用范圍： DDZ-型、數字儀表、DCS系統等信號傳輸標準 DDZ-型、 DDZ-型儀表采用的信號傳輸標準為： 010mA DC ，或 05V DC 兩種標準的比較：兩種標準的比較： 這種以20mA表示信號的滿度值，而以此滿度值的20%即4mA表示零信號的安排，稱為“活零點”。信號傳輸標準“活零點活零點”的優點：的優點： 有利于識別斷電、斷線等故障，且為實現兩線制提供了可能性。 所謂“兩線制”變送器就是將供電的電源線與信號的輸出線合并起來，一共只用兩根導線。使用兩線制變送器不僅節省電纜，布線方便，且大大有利于安全防爆，因為減少一根通往危險現場的

17、導線，就減少了一個竄進危險火花的門戶。信號傳輸標準 兩線制變送器變送器變送器負載負載（調節器、記錄儀等）（調節器、記錄儀等）250信號源24V DC電源信號的遠距離傳輸RlRl420mAmA，決定于被測變量決定于被測變量被被測測變變量量+-兩線制變送器信號傳輸標準另外，采用直流信號傳輸的優點： 傳輸過程中易于和交流感應干擾相區別，且不存在相移問題，可不受傳輸線中電感、電容和負載性質的限制。其它信號傳輸標準其它信號傳輸標準： RS485數字信號傳輸、Smart傳輸技術、現場總線技術等等。過程通道過程通道過程通道的含義過程通道的含義 過程通道是計算機控制系統中計算機與被監控過程的過程通道是計算機控

18、制系統中計算機與被監控過程的現場設備之間的物理信息通道。現場設備之間的物理信息通道。輸入通道的作用是將傳感器或變送器的電流輸入通道的作用是將傳感器或變送器的電流/ /電壓信電壓信號轉換為計算機可以識別的數字信號。號轉換為計算機可以識別的數字信號。輸出通道的作用則是將計算機輸出的數字信號轉換為輸出通道的作用則是將計算機輸出的數字信號轉換為可直接推動執行機構的電氣信號。可直接推動執行機構的電氣信號。過程通道的模式過程通道的模式 過程通道的類型過程通道的類型模擬量輸入通道模擬量輸入通道 模擬量輸入通道是計算機用于工業控制、自動模擬量輸入通道是計算機用于工業控制、自動測試、計算機輔助醫療診斷、機器人等

19、科學研測試、計算機輔助醫療診斷、機器人等科學研究時必需的模擬數據處理系統。它把各類傳感究時必需的模擬數據處理系統。它把各類傳感器從現場檢測到的模擬量信號如溫度、壓力等器從現場檢測到的模擬量信號如溫度、壓力等轉換成計算機可以接收的數字量信號。建立模轉換成計算機可以接收的數字量信號。建立模擬量輸入通道的目的，通常是為了進行參數測擬量輸入通道的目的，通常是為了進行參數測量或數據采集。它的核心部件是量或數據采集。它的核心部件是A/D轉換器及轉換器及其微處理機的接口。其微處理機的接口。 1模擬量輸入通道的基本結構模擬量輸入通道的基本結構 模擬量輸入通道一般應包括：傳感器、多路轉換開關、放模擬量輸入通道一

20、般應包括：傳感器、多路轉換開關、放大器、采樣保持器、大器、采樣保持器、A/D轉換器等幾個組成部分，其組成轉換器等幾個組成部分，其組成如圖如圖2-15所示。所示。 2模擬量輸入通道的結構形式模擬量輸入通道的結構形式 模擬輸入通道按采樣保持器模擬輸入通道按采樣保持器S/H可分為共享可分為共享S/H形式和多路形式和多路S/H形式。共享形式。共享A/D和和S/H形式的模擬量輸入通道如圖形式的模擬量輸入通道如圖2-16所示。所示。 采樣保持電路基本原理圖采樣保持電路基本原理圖 輸入過程通道中,A/D轉換需要一定的時間來完成, 為了對變換比較快的模擬信號進行有效地A/D轉換,有必要在A/D轉換之前加入采樣

21、保持電路。逐位反饋型逐位反饋型A/DA/D轉換器電路原理圖轉換器電路原理圖 模擬輸入通道中，模擬輸入通道中，A/DA/D轉換器是關鍵性的組成部分。轉換器是關鍵性的組成部分。A/DA/D轉換器是用于將連續變化的模擬信號轉換為數字信號的轉換器是用于將連續變化的模擬信號轉換為數字信號的裝置，簡稱裝置，簡稱ADCADC，是模擬系統與計算機之間的接口部件。，是模擬系統與計算機之間的接口部件。A/DA/D轉換器主要分為三類：計數型轉換器主要分為三類：計數型A/DA/D轉換器；雙積分型轉換器；雙積分型A/DA/D轉換器；逐位反饋型轉換器；逐位反饋型A/DA/D轉換器。轉換器。D/A轉換器+ +- -Vi模擬

22、輸入比較器逐次逼近寄存器SAR 數字量輸出時鐘及控制邏輯 Vc模擬量輸出通道模擬量輸出通道 在計算機控制系統中，被采樣的過程參數經運算處理后輸在計算機控制系統中，被采樣的過程參數經運算處理后輸出控制量，但計算機輸出的是數字信號，必須轉換為模擬出控制量，但計算機輸出的是數字信號，必須轉換為模擬信號才能驅動執行元件工作。眾所周知，計算機輸出的控信號才能驅動執行元件工作。眾所周知，計算機輸出的控制量僅在程序執行瞬時有效，無法被利用，因此，如何把制量僅在程序執行瞬時有效，無法被利用，因此，如何把瞬時輸出的數字信號保持，并轉換為能推動執行元件工作瞬時輸出的數字信號保持，并轉換為能推動執行元件工作的模擬信

23、號，以便可靠地完成對過程的控制作用，就是模的模擬信號，以便可靠地完成對過程的控制作用，就是模擬量輸出通道的任務。擬量輸出通道的任務。模擬量輸出通道的作用就是將計算機輸出的數字量轉換為模擬量輸出通道的作用就是將計算機輸出的數字量轉換為執行機構能接收的模擬電壓或模擬電流，去驅動相應的執執行機構能接收的模擬電壓或模擬電流，去驅動相應的執行機構，以達到用計算機實現控制的目的。行機構，以達到用計算機實現控制的目的。模擬量輸出通道一般應包括：接口電路、模擬量輸出通道一般應包括：接口電路、D/A轉換器、多路開轉換器、多路開關、保持電路、關、保持電路、V/I變換器等幾個組成部分，如圖變換器等幾個組成部分，如圖

24、2-17所示。所示。 多個D/A轉換器結構 模擬量輸出通道是將控制計算機的信號輸出到被控對模擬量輸出通道是將控制計算機的信號輸出到被控對象的環節，主要由象的環節，主要由D/AD/A轉換器及保持器組成，其結構形式有轉換器及保持器組成，其結構形式有兩種，一種是多個兩種，一種是多個D/AD/A轉換器的模擬量輸出，另一種是共用轉換器的模擬量輸出，另一種是共用一個一個D/AD/A轉換器的模擬量輸出結構形式。轉換器的模擬量輸出結構形式。 單個D/A轉換器結構 D/AD/A轉換器工作原理簡易結構圖轉換器工作原理簡易結構圖 模擬輸出通道中，其核心環節是模擬輸出通道中，其核心環節是D/AD/A轉換器，轉換器，D

25、/AD/A轉換器的轉換器的主要功能是將數字量轉換為模擬量，其轉換方式有并行和主要功能是將數字量轉換為模擬量，其轉換方式有并行和串行兩種。串行兩種。foinRVVR 開關量輸入通道開關量輸入通道 開關量輸入通道的任務主要是將現場輸入的開關信號經轉換、開關量輸入通道的任務主要是將現場輸入的開關信號經轉換、保護、濾波、隔離等措施轉換成計算機能夠接收的邏輯信號。保護、濾波、隔離等措施轉換成計算機能夠接收的邏輯信號。開關量輸入通道在控制系統中主要起以下作用：開關量輸入通道在控制系統中主要起以下作用：1 1）定時記錄生產過程中某些設備的狀態，例如電動機是否在）定時記錄生產過程中某些設備的狀態，例如電動機是否在運轉、閥門是否開啟等。運轉、閥門是否開啟等。2 2）對生產過程中某些設備的狀態進行檢查，以便發現問題進）對生產過程中