现场总线压力变送控制器简介

1.功能与特性

现场总线压力变送控制器（LD302）是一种将差压、绝对压力、表压和流量等工业过程参数转变为现场总线数字信号的变送器，它还具有控制功能，起到了基地式仪表（也称现场仪表）的作用。

LD302的测量范围为0～12.5Pa至0～40MPa；准确度为校准量程的0.1%；校准范围为从URL（测量范围上限）至URL/40；与介质接触的部分采用316不锈钢、哈氏合金和钛等。

数字指示器为四位半数字值和五位字母数字液晶显示器（LCD），任选件。

图9-2-1 302现场总线控制系统框图

输出信号只有数字，现场总线速率为31.25kbit/s，电压模式并带总线电源，总线电源为DC 9～32V。电流静态消耗为15mA。信号规程符合IEC61158-2，本安隔爆。

组态通过现场总线由PC进行，或由本地工具组态（必须选用显示器）。

LD302采用具有运行可靠和性能优越并经过现场长时间考验的电容传感器，它的结构和原理与LD301相同。

LD302是Smar公司302现场总线控制系统的一个组成部分，如果将多个现场仪表互联起来，用户通过功能模块的连接即能建立适合于用户应用中所需的控制策略。

2.功能块

LD302不仅是一个压力变送控制器，而且是现场总线网络的一个节点。它包含下列模块：

1）现场总线物理模块 此模块用于监视变送器的运行，它也包含变送器的信息。

2）传感器模块 包含传感器输入模块和传感器显示模块。传感器输入模块将来自传感器表示压力的信号读出，并进行温度补偿和微调；传感器显示模块用于显示和本地调整。

3）功能模块 它包含有模拟输入（AI）、PID控制器、累加器（INTG）、输入选择器（ISS）、信号特征描绘（CHAR）和算术（ARTH）等典型功能模块。它们具有可由用户组态的基本功能，各功能模块都有输入、输出，装有参数和一个算法。各功能模块用一个名称（标识符）来表示，功能模块的输入、输出等能用其他仪表从总线上读出，它们之间也能互相连接，其他仪表也能写入模块的输入。

3.硬件构成

LD302的硬件构成框图如图9-2-2所示。LD302由传感器组件板、主电路板和显示板组成。CH和CL为两个电容器，一般称为差动电容，它是感受压力或差压的传感器部件。振荡器的作用是产生一个交流频率以便电容传感器发挥功能。来自主电路板CPU的控制信号通过光偶合器传输，而来自振荡器的信号通过变压器传输，从而实现了信号隔离。同样，传感器组件板上的电源也必须是隔离的，才能防止输入信号与地形成地环而引入干扰。电源隔离是采用把直流转换为高频交流，并使用变压器分隔电的联系来实现的。

图9-2-2 LD302的硬件构成框图

中央处理单元（CPU）是LD302的核心部件，它控制着整个仪表各个部件的协调工作、线性化和通信。系统程序存储于CPU外部的只读存储器（PROM），运算数据暂时存储于RAM。如果电源开关断开，RAM中的数据就会丢失。然而，CPU内还有一个非易失性存储器（EEPROM），当电源开关断开时，这里的数据仍保留，因此，一些重要的标定、组态和辨识等应用程序都存储在这里。主板上的EEPROM，用来存储组态参数（指功能模块的）。CPU与信号整形器之间的联系是通过通信控制器来实现的，此通信控制器用来监视现场总线上的占空（忙闲）系数（情况）、调制和解调通信信号、引入或删除数字信号中开始和结束的定界符。

还有一个EEPROM装在传感器组件板内，它装有传感器部件在不同压力和温度时的特性，这个特性在每块仪表出厂前就已经做好。这个特点使得传感器部件与主电路之间具有互换性；这将大大方便仪表的制造与现场的运行维护。

传感器组件板内装一个用于补偿环境温度变化的温度传感器，在仪表厂里，每一个变送器都经受了一个温度循环试验，变送器在不同温度下的特性被记录下来，并存储在变送器的存储器内，即安装在传感组件板上的EEPROM中。当变送器安装在生产现场以后，温度传感器感受现场环境温度变化，并把此变化送给CPU，CPU按照存储器EEPROM中的温度特性可对环境温度变化造成压力或差压测量误差进行补偿，使环境温度变化对测量的影响减至最小，因而提高了变送器测量准确度。

显示板是一个从CPU接收数据的微功耗液晶显示器（LCD）。

4.接线端子和拓扑结构

为了使用方便，LD302有三个接地端子：一个在端盖的内部；另两个在靠近引线导管处的外部。端盖内有两个端子接电源（即接现场总线），此外还有通信端子，以便其他测试仪器的连接，如图9-2-3所示。

LD302选择31.25kbit/s电压模式为物理信号，所有的现场设备都必须使用相同的信号，它们都并联在同一线对上，即许多现场总线设备都可以连接在同一现场总线上。

5.功能块

功能块是现场总线仪表的核心技术，也是一种图形化的编程语言。功能块相当于单元仪表，即积木仪表，也可称为软仪表。功能块的引入使得现场总线仪表与传统DCS相比在功能上有了很大的增强，一些过去只能在控制系统中完成的控制及运算功能，现在下放到现场总线仪表中完成，从而使系统的分散度更高、控制品质更好。功能块是现场总线技术的载体，不但仪表制造厂要掌握它，用户工程师更要掌握它。只有掌握了功能块的配置组合和参数设定，才能根据控制对象的动态特性，形成各种各样的控制策略。功能块的应用是一个十分重要和复杂的问题，为了实现最佳的优化控制方案，对功能块的配置组合和参数设定，还需一个长期的工程实践和经验积累。

图9-2-3 LD302接线端子示意图

LD302内可以装入下列功能块：资源块（RES）、转换器功能块（TRD）、显示转换器（DSP）、组态转换器（DIAG）、模拟输入（AI）、PID控制功能、增强的PID功能（EPID）、运算功能块（ARTH）、累积器（INTG）、输入选择器（ISEL）、信号特征描述（CHAR）、模拟警报（AALM）、计时器（TIME）、超前/滞后功能块（LLAG）、输出选择器/动态限位器（OSDL）、常量（CT）、密度（DENS）。

（1）转换块（TRD）

FF将输入/输出功能块，设计成与硬件无关的标准功能块，因此需要在各种仪表硬件通道和标准输入/输出功能块之间有一个过渡的环节。转换块就是起这个作用。输入/输出转换块通常包括传感器、执行器、环境、量程标定等信息。

（2）模拟输入功能块(www.xing528.com)

模拟输入功能块（AI）的内部结构图如图9-2-4所示。AI的主要作用是从转换块中取得模拟过程变量（如压力、温度、流量等），并完成通道配置、仿真、标度、线性化、阻尼、报警等功能，它的输出供其他功能块使用。模拟输入功能块经过通道号的选择，从转换器块接收输入数据，并使其输出成为对其他功能块可用的数据。

（3）输入通道（CHANNEL）

AI功能块，通过输入通道参数CHANNEL连接到转换块，这是一个16位无符号整数，属于枚举类型参数。很多变送器只有一个集成传感器，这意味着通道参数实际上只有一个选项：1。一个需要使用通道参数的例子是具备多路输入端子现场仪表，例如两通道（两路温度信号）温度变送器，这时通道参数CHANNEL有两个选项：一个是1，一个是2。

（4）输入仿真（SIMULATE）

当输入仿真激活，仿真参数SIMULATE将取代来自转换块的信号，它主要用于系统调试和故障排查。通过在仿真元素写入数值或状态，可以安全地测试系统对故障和难以进行的或有危险的过程条件的反应。

（5）标度（SCALE）

转换器的标度（刻度）参数XD_SCALE将通道信号值可以对应为以百分数表示的数值，该数值显示在现场数值参数FIELD_VAL中。实际测量的工程单位和量程设置在转换器刻度参数XD_SCALE中，而推算（间接）测量的工程单位和量程设置在输出刻度参数OUT_SCALE中。

图9-2-4 AI功能块示意图

【例9.1】 一个10.0m高的水箱（密度为1000kg/m³），变送器安装在罐下1.0m处，需要将静压读数转换为米，如何以千帕为单位设置XD_SCALE？

解：水箱水位在0m处对应的静压为

P_L=1×1000×9.8Pa=9.8kPa

水箱水位在10.0m处对应的静压为

P_U=11×1000×9.8Pa=107.8kPa

则XD_SCALE应设置为9.8～107.8kPa，OUT_SCALE应设置为0～10m。

（6）线性化（L_TYPE）

对多数测量而言，来自转换块的数值被直接使用，但在推算（间接）测量时，需要应用线性化。所需的线性化类型在线性化类型参数L_TYPE中设置。线性化有DIRECT（直接）、IN DIRECT（非直接线性）、IND_SQRT（非直接开平方）三种类型选项。直接意味着数值直接传递到PV，因此OUT_SCALE参数无效；非直接是指PV值是经过OUT_SCALE转换过来的FIELD_VAL值；非直接开平方意味着FIELD_VAL值是经开方由OUT_SCALE转换过来的值。

当一个压力变送器用来根据静压原理测量液位时，使用L_TYPE参数，选项选2（非直接），如图9-2-5所示。XD_SCALE将设置为1.49～5.89kPa（容器中介质密度为800kg/m³），OUT_SCALE设置为0～0.56m。对液位应用，操作员往往更愿意读取百分比读数，而不是工程单位。出于这个目的，将OUT_SCALE组态为0～100%。当差压变送器用来测量流量时，选项选3（非直接开平方），开平方是对FIELD_VAL（现场数值）进行的。

【例9.2】 用差压变送器测量流量，如果流量在0～1970m³/h变化，通过孔板产生的差压变化为0～10kPa，若XD_SCALE设置为0～10kPa，OUT_SCALE设置为0～1970m³/h，LOW_OUT设为20%，试求流量低于何值时输出为0m³/h，对应的差压是多少？

解：小流量切除值为

20%×1970m³/h=394m³/h

根据^Δp=æç^qö÷²=（20%）²=0.04，则小流量切除值对应的差压为

Δp_maxèq_maxø

Δp=0.04×Δp_max=0.04×10Pa=0.4kPa

图9-2-5 压力变送器测液位示意图

（7）小信号切除（LOW_CUT）

输入输出选项参数IO_OPTS中的位10用来设置小信号切除功能的使能，它通常与开平方配合使用。小信号切除的目的是避免低流量导致的高回路增益。低流量时切除信息可以使读数更稳定，过程更好控制，还可避免流量累加时的错误计数。小流量切除点在小（低）流量切除参数LOW_OUT中设置，它与输出刻度采用同样的工程单位，可以对其进行调整以满足应用。

（8）滤波（PV_FTIME）

在某些应用中，阻尼被用来过滤掉测量信号中的噪声，以获得过程变量PV和输出OUT。过程变量的阻尼时间参数PV_TIME用来设置以秒为单位的一阶滞后时间常数，即数值达到稳定状态值的63%所需时间，其阶跃响应曲线如同自动控制原理中惯性环节的阶跃响应曲线。如果阻尼时间常数设置成零，阻尼被禁止，测量将直接通过，如同经过比例环节，没有惯性滞后。

（9）报警（ALARMS）

AI功能块中的过程变量报警是作用在输出OUT参数上，而不是作用在过程变量PV参数上的。因此，保持AI功能块处于自动模式是重要的，这也意味着报警限值必须设置在输出刻度参数OUT_SCALE指定的范围内。因此，为报警起见，输出刻度参数必须设置，即使它没有用于刻度转换。如果AI功能块是控制回路的一部分，则最好在PID功能块中监测报警，以便减少所要观察的模块数量。