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品是從顯示和溫控二次儀表起飛的，產品已應用于化工、熱電、石化、制藥、冶金、機械、食品、造紙、塑膠、包裝等領域，年銷售量達到60萬臺，產品遠銷北美、歐洲、大洋洲、印度、中東、東南亞和香港等多個國家和地區，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參數的介紹，劃分成以下幾類：
輸入規格
輸出規格
控制方式
電源
外形尺寸
精度
下面將分別對上述六類技術參數進行分析。
2 輸入規格
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。
在其輸入規格欄里，列出了以下內容：
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，這就使設計選用非常簡單，用戶需要的備件數量也可大大減少。
3 輸出規格
輸出規格涉及以下幾大類：模擬量輸出、開關量輸出、可控硅觸發輸出、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，即將所檢測的參數值轉換成4-20mA輸出，比如將該參數值傳送到DCS、PLC系統，這樣既有就地顯示，又可將檢測參數信號隔離并遠傳到控制系統。
3.2 開關量輸出
繼電器觸點開關量輸出（常開+常閉）：250VAC/1A、250VAC/2A或30VDC/1A；
可控硅無觸點開關輸出：100-240VAC/0.2A（持續），2A（20ms瞬時，重復周期大于5s）；
SSR驅動電壓輸出：12VDC/30mA（用于驅動SSR固態繼電器）。
由于控制功能有兩位式控制，其對應輸出就是開關量輸出，宇電顯示控制用二次儀表可提供用戶所需的各種電壓、電流等級的開關量輸出信號。
3.3 可控硅觸發輸出
可觸發5-500A的雙向可控硅、2個單向可控硅反并聯連接或可控硅功率模塊，包括單路過零觸發輸出、單路可控硅移項觸發輸出、單路感性負載可控硅移項觸發輸出、三路可控硅過零觸發輸出、直接三相三線可控硅移項觸發輸出。
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輸出，根據具體對象不同，可選用不同的輸出模塊實現。
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接口和帶云端/手機APP查看功能。
RS485通訊協議為AIBUS、MODBUS-RTU雙通訊協議，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、分體式無紙記錄儀及觸摸屏控制系統的下位機。
AIDCS智能分布式控制系統是既能透過網絡實現集中操作與管理，又具有分散布置和高可靠性的開放式工業過程控制系統，“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絡，亦可保證現場工業現場的基本控制工作，避免發生意外或危險，解決了目前DCS系統不開放，下位機無法脫離上位機和網絡運行的缺點。
圖1中，來自工業現場的各類檢測信號和執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、或導軌型工控模塊，采用RS485通訊接口的AIBUS協議后，再通過RS232/RS485轉換器傳送到上位機，上位機通常采用安裝組態軟件的工控機或普通計算機。用戶還可選擇通過局域網或互聯網，連接管理層計算機，以便為管理人員提供工業現場的實時數據及報表。

圖1  AIDCS系統結構示意圖

通常可采用工業帶屏蔽的雙絞線連接50~60臺儀表，通訊距離1.2km。AIBUS通訊協議簡單又功能齊全。高精度型儀表在19.2K波特率下讀取3個常用變量及1個參數的速度僅為20ms，經濟型儀表亦只需要50ms，比常用如MODBUS協議快2～10倍，采用AIBUS協議的系統，無論組建小系統還是大、中型系統均可達到與DCS幾乎同等的使用效果，而一般儀表通訊效率低，超過一定數量則數據更新慢，顯示效果差，只能應用于小型的系統。
帶以太網接口并內置WEB服務器的觸摸屏顯示儀表，就具備通過以太網接口使用瀏覽器對儀表進行遠程監視及操作的能力。
帶云端/手機APP查看功能的觸摸屏顯示儀表，則無須公網IP，可穿透內網監控，在異地通過智能手機、平板電腦等移動設備進行監視與操作。
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。
生產過程中某些參數要求上限、下限越限報警，通過帶報警功能的顯示儀就可以完成。但也有極少數重要參數既要求上限、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，可由操作人員根據現場情況決定處置方式，而上上限、下下限越*信號才進入聯鎖系統使設備停車。這樣的要求以往需要多臺報警顯示儀才能完成。現在有四限報警的數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等多個規格，用于外部傳感器或低功率設備供電輸出。
這個功能非常重要，它提供了相當于配電器的功能，可以為現場傳感器、變送器及其他低功率設備提供供電電源。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，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、控制（見圖2），還可以實現包括串級、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，可實現任意斜率的升、降溫控制，具有跳轉（循環）、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甚至用同一根多芯電纜內。
6 外形尺寸
有盤裝儀表面板、也有導軌式安裝產品。盤裝儀表面板有國產儀表通用尺寸和國外儀表通用尺寸，如國產儀表通用尺寸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據的場合，比如作為數據采集的下位儀表，采用導軌式可節省安裝空間，而參數顯示、設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。在現場常常遇到由于增加測量參數顯示需要在現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，與儀表內部補償相比較，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℃。
大多數場合0.2級、0.3級精度或許就能滿足要求，當監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品。
8 結束語
宇電顯示控制用二次儀表技術先進，功能豐富，要想用好這些二次儀表，充分發揮它們的性能優勢，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用戶生產現場的各種要求。

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