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厦门宇电二次仪表性能及应用剖析

 1 概述

厦门宇电自动化科技有限公司的产品是从显示和温控二次仪表起飞的，产品已应用于化工、热电、石化、制药、冶金、机械、食品、造纸、塑胶、包装等领域，年销售量达到60万台，产品远销北美、欧洲、大洋洲、印度、中东、东南亚和**等多个**和地区，并获得客户好评，宇电已成为国内*的高端二次仪表及智能分布式控制系统的供应商。
本文将剖析宇电显示控制用二次仪表性能及其应用，以使用户对宇电显示控制用二次仪表的性能有较为深入的了解，从而能根据用户的实际需求，选好用好宇电显示控制用二次仪表。
宇电显示控制用二次仪表的性能可按其主要技术参数的介绍，划分成以下几类：
输入规格
输出规格
控制方式
电源
外形尺寸
精度
下面将分别对上述六类技术参数进行分析。
2 输入规格
先用“真正的**输入”来形容宇电显示控制用二次仪表的输入特性。
在其输入规格栏里，列出了以下内容：
热电偶：K、S、R、E、J、T、B、N、WRe3-WRe25、WRe5-WRe26
F2辐射高温计
热电阻：Cu50、Pt100
电阻：0~80Ω、0~400Ω
线性电压： 0～20mV、0～100mV、0～500mV、0～1V、0～5V、1～5V
线性电流：0～10mA、0～20mA、4～20mA
实际可提供的更多，如线性电压还有：0~60mV、0~75mV、0.2~1V、-20~+20mV、-100~+100mV、-5~+5V。客户还可自行输入分度表及多点修正功能，从而适应几乎所有的特殊输入要求。
针对流量检测应用的流量积算器，还可接受脉冲信号输入。
从上面列举的输入规格，可见宇电显示控制用二次仪表的输入特性的的确确是**的，这就使设计选用非常简单，用户需要的备件数量也可大大减少。
3 输出规格
输出规格涉及以下几大类：模拟量输出、开关量输出、可控硅触发输出、通讯接口、报警输出、电压输出。
3.1 模拟量输出
线性电流输出：可定义0-10mA、0-20mA或4-20mA。电流输出采用光电隔离，有仪表内部隔离电源或自带隔离电源。
一部分仪表的模拟量输出相当于变送输出，即将所检测的参数值转换成4-20mA输出，比如将该参数值传送到DCS、PLC系统，这样既有就地显示，又可将检测参数信号隔离并远传到控制系统。
3.2 开关量输出
继电器触点开关量输出（常开+常闭）：250VAC/1A、250VAC/2A或30VDC/1A；
可控硅无触点开关输出：100-240VAC/0.2A（持续），2A（20ms瞬时，重复周期大于5s）；
SSR驱动电压输出：12VDC/30mA（用于驱动SSR固态继电器）。
由于控制功能有两位式控制，其对应输出就是开关量输出，宇电显示控制用二次仪表可提供用户所需的各种电压、电流等级的开关量输出信号。
3.3 可控硅触发输出
可触发5-500A的双向可控硅、2个单向可控硅反并联连接或可控硅功率模块，包括单路过零触发输出、单路可控硅移项触发输出、单路感性负载可控硅移项触发输出、三路可控硅过零触发输出、直接三相三线可控硅移项触发输出。
一些盐浴炉、工频感应炉、淬火炉、熔融玻璃的温度加热控制，是以镍铬、铁铬铝、远红外发热元件及硅钼棒、硅碳棒等为加热元件的，通常要用到可控硅触发输出，根据具体对象不同，可选用不同的输出模块实现。
3.4 通讯接口
支持RS232、RS485通讯接口功能；*的触摸屏显示仪表带以太网接口和带云端/APP查看功能。
RS485通讯协议为AIBUS、MODBUS-RTU双通讯协议，安装相应模块后可与上位机通讯，可作为AIDCS智能分布式控制系统、分体式无纸记录仪及触摸屏控制系统的下位机。
AIDCS智能分布式控制系统是既能透过网络实现集中操作与管理，又具有分散布置和高可靠性的开放式工业过程控制系统，“智能分布式”是指下位机即使受各种不可预知因素而脱离了上位机的指令和网络，亦可保证现场工业现场的基本控制工作，避免发生意外或危险，解决了目前DCS系统不开放，下位机无法脱离上位机和网络运行的缺点。
图1中，来自工业现场的各类检测信号和执行器信号通过宇电公司作为下位机的盘装型、导轨型二次仪表、或导轨型工控模块，采用RS485通讯接口的AIBUS协议后，再通过RS232/RS485转换器传送到上位机，上位机通常采用安装组态软件的工控机或普通计算机。用户还可选择通过局域网或互联网，连接管理层计算机，以便为管理人员提供工业现场的实时数据及报表。

图1  AIDCS系统结构示意图

通常可采用工业专用带屏蔽的双绞线连接50~60台仪表，通讯距离1.2km。AIBUS通讯协议简单**又功能齐全。高精度型仪表在19.2K波特率下读取3个常用变量及1个参数的速度仅为20ms，经济型仪表亦只需要50ms，比常用如MODBUS协议快2～10倍，采用AIBUS协议的系统，无论组建小系统还是大、中型系统均可达到与DCS几乎同等的使用效果，而一般仪表通讯效率低，超过一定数量则数据更新慢，显示效果差，只能应用于小型的系统。
带以太网接口并内置WEB服务器的触摸屏显示仪表，就具备通过以太网接口使用浏览器对仪表进行远程监视及操作的能力。
带云端/APP查看功能的触摸屏显示仪表，则无须公网IP，可穿透内网监控，在异地通过智能手机、平脑等移动设备进行监视与操作。
3.5 报警输出
**多可有4路报警输出：上上限、上限、下限、下下限4路，有上电免除报警选择功能（即通电后**越限动作不报警），还可提供正负偏差报警。
生产过程中某些参数要求上限、下限越限报警，通过带报警功能的显示仪就可以完成。但也有极少数重要参数既要求上限、下限越限报警，也要求上上限、下下限越限报警，即所谓四限报警。如像一些涉及大型设备停车连锁的报警条件，有时要求上限、下限越限信号仅用于声光报警，即所谓预报警，可由操作人员根据现场情况决定处置方式，而上上限、下下限越限时信号才进入联锁系统使设备停车。这样的要求以往需要多台报警显示仪才能完成。现在有四限报警的数字显示仪表一台就可以完成这一功能。
3.6 电压输出
电压输出有5V、10V、12V、24V等多个规格，用于外部传感器或低功率设备供电输出。
这个功能非常重要，它提供了相当于配电器的功能，可以为现场传感器、变送器及其他低功率设备提供供电电源。**常用的是为各类压力、差压变送器提供二线制电源及信号连接。
4 控制方式
有位式控制（ON/OFF控制）和PID控制两种方式，PID控制又有标准PID控制、AI人工智能APID控制。AI人工智能APID控制是利用模糊规则进行PID控制的一种新型算法，在误差大时运用模糊算法进行控制，以消除PID饱和积分现象，在误差趋小时，采用改进后的PID算法进行控制。AI人工智能APID控制还具备自整定、自学习功能，不仅可以自整定PID参数，并且即使被控对象的滞后时间较长亦可使控制过程无超调、控制**（见图2），还可以实现包括串级、比值、前馈等复杂控制功能。

图2  AI人工智能APID控制

程序型仪表具备多段程序控制功能，可实现任意斜率的升、降温控制，具有跳转（循环）、运行、暂停及停止等可编程/可操作命令，允许在程序的控制运行中随时修改程序；采用具备曲线拟合功能的AI人工智能控制算法，能获得光滑平顺的曲线控制效果；利用SV变送输出功能可以作为程序发生器使用；具备测量值启动功能、准备功能及五种停电/开机事件处理模式选择。
AI人工智能控制算法又分为基本型、加强型、专家型、加强程序型、专家程序型、加热冷却双输出增强型、加热冷却双输出增强程序型等，有相对应的产品可供用户选用。
5 电源
可接受全球通用的电源等级100～240VAC、50-60Hz供电，也可由24VDC/AC安全电源供电。当仪表误接380VAC电源或中线意外断路而引起的仪表电源电压突然升高时可提供至少10s（厂内试验达到30min）的保护时间。
这里的交流电源实际上覆盖了世界上**常用的两个电源等级：110VAC（包括120VAC）、220VAC（包括230VAC、240VAC），110VAC电源主要是北美和日本，欧洲、亚洲和其他地区主要为220VAC。而电源频率50Hz、60Hz，可以由用户选择。至于24VDC/AC电源选项，主要看是否有现成的24VDC/AC电源以及是否希望电源线与信号线穿管时穿在同一根管道内甚至用同一根多芯电缆内。
6 外形尺寸
有盘装仪表面板、也有导轨式安装产品。盘装仪表面板有国产仪表通用尺寸和国外仪表通用尺寸，如国产仪表通用尺寸80×160或160×80，如国外仪表通用尺寸96×96、72×72、48×48、96×48、48×96等。导轨式安装有D5、E5、E8型DIN导轨。
带触摸屏的仪表则有5英寸、7英寸、9英寸三种外形尺寸，长宽尺寸分别为145×105、203×150、231×170。
导轨式安装适合无需或很少需要查看数据的场合，比如作为数据**的下位仪表，采用导轨式可节省安装空间，而参数显示、设置等操作可以在上位机或E8型导轨安装仪表用键盘显示器上完成。
盘装仪表面板式有多种尺寸相差较大的外壳，用户可根据需要选择，通常空间足够的条件下可选较大尺寸的仪表，在空间要求紧凑时，可选小尺寸仪表或单台多通道仪表以满足要求。在现场常常遇到由于增加测量参数显示需要在现有仪表盘上新增显示仪的情况，这时往往要在仪表盘上重新开孔，由于数字显示仪有小外形尺寸（相当于常用外形尺寸的1/2或1/4）和多通道的产品，解决这类问题就比较容易了。
7 精度
测量精度有0.3级、0.25级、0.2级、0.1级以及0.05级等多个级别，高精度级别的仪表一方面通过采用低温漂高稳定性电路检测外，还采用外接Cu50铜电阻作高精度热电偶冷端补偿技术，与仪表内部补偿相比较，补偿误差可减少约±1℃。高精度仪表采用24位AD，五位或六位显示，温度显示分辨力可达0.01℃。
大多数场合0.2级、0.3级精度或许就能满足要求，当监测和控制精度要求特别高时，0.1级、0.05级提供了更高精度级别的产品。
8 结束语
宇电显示控制用二次仪表技术**，功能丰富，要想用好这些二次仪表，充分发挥它们的性能优势，还需要加深对宇电显示控制用二次仪表性能的了解。本文根据作者对宇电显示控制用二次仪表的性能的理解，介绍了仪表的性能，然后着重分析了在实际应用中如何利用这些功能实现用户生产现场的各种要求。

作者简介：
方原柏，教授级**工程师，昆明仪器仪表学会理事长，中国衡器协会技术专家委员会顾问，主要从事仪器仪表、控制系统的应用研究。