频率信号的在DCS系统中的处理.docx

频率信号的在DCS系统中的处理.docx

《频率信号的在DCS系统中的处理.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《频率信号的在DCS系统中的处理.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

频率信号的在DCS系统中的处理

频率信号在生产现场的应用

康泰斯（上海）化学工程有限公司王福珍

在现代化的大中小型的化工生产装置，DCS系统是必配备的控制系统，它接受来自现场的温度，压力，流量，转速，粘度等模拟信号及各种开关量信号，在内部做各种控制运算和逻辑判断，并按照预先编制的程序进行相应的控制输出。

而这些信号的总体分类主要为4~20mA,AO,DI,DO,FI（频率）,热偶的mV信号和热阻的阻值信号。

不同的信号类型具有不同的接线方式，接入DCS系统的不同类型的卡件。

而其中频率信号也会根据其仪表的测量原理，供电方式不同而导致其信号线缆的数量及接线也不同。

常见的频率信号的仪表有转速仪，流量信号，测速探头，趋近开关等。

在聚酯项目的现场采用频率信号来测量的仪表有三种：

分别是几台关键电机的轴测速探头的转速脉冲信号和科氏质量流量计的输出的密度4~20mA和流量频率信号），还有一种就是旋转下料阀的转速NAMUR信号（电感式趋近开关）。

而同一工艺变量采用不同测量原理的仪表来测量时，其信号处理方式，输入的卡件也会不同。

聚酯项目的DCS系统采用的是艾默生的Deltal-V系统，脉冲卡件是4通道的脉冲多功能卡。

下面就从聚酯现场的频率信号的仪表分类来详细描述频率信号的应用及信号处理方式，供好学者参考了解。

一．轴转速的频率信号

A.磁电式测速频率信号

在聚酯项目中，齐聚物泵1231，终聚釜的搅拌电机1261，熔体出料泵1271，增压泵1272的转速等都是非常重要的观察参数，这几处轴的测速仪表都是采用DYNAPAR的型号为53Z的磁电式测速探头；

1）测速原理：

首先介绍一下测速探头53Z和测速齿轮配合测速的原理。

测速探头53Z是一种磁电式测速

传感器，标称电压12VDC，频率测量上限是20KHz；三线制接入脉冲卡；其原理就是利用齿轮

的转动来使磁路中的磁通量的发生周期性的变化，从而在相应的线圈中产生一定幅值的感应电

动势的脉冲的电磁原理而工作的。

通过计数脉冲的个数来折算出对应的传动轴的转速并在DCS

画面上显示出来。

下图1为测速探头53Z的结构说明与图片，现场安装时需配上相应的测速齿轮。

图1

测速齿轮的尺寸结构如图2所示.

图2

磁电式测速探头工作的原理则如图3所示：

假设齿轮的转速为n转/分钟（RPM），那么转速的频率f=

（Hz）,若齿轮的齿数z=60个，则转n圈时所产生的幅值为e的感应电动势的脉冲数量即为60n个，则此时转速n等于频率f，即f=n（Hz），无须再做其它转换即可。

这里有一点需要说明，由于感应电动势的大小与穿过线圈的磁通的变化率成正比，e=m

e为感应电动势，m为线圈匝数。

所以当磁通的变化率

很小时，即转速很慢时，是测不到其

产生的电动势e的，故而磁电式测速探头是不能够用来测量低转速轴速的。

2）信号送入DCS

A.信号与DCS系统的接线：

测速探头53Z的接线方式是三根线缆接入DCS系统的频率卡；其中A端红色线，接12VDC

（5~15VDC）的电源，B端白色线接其频率信号线，C端黑色线为两个信号公共端；依下图对应顺

序接入Emerson的Delta–V系统脉冲卡的通道的4个端子的前三个端子，并将其2与4端子短接；

Tab-1

DCS接线侧现场侧

Fused（1A）

+

CH01-1

CH01-2

RED–A:

5~15VDC

测速探头

SpeedPickup

Feed-thru

-

BLK–C:

Common

Fused（1A）

+

CH01-3

CH01-4

WHT–B:

Signal

Feed-thru

-

B.内部信号处理：

当测速探头随着齿轮的转动而输出一定数量Q的脉冲到DCS系统的脉冲计数卡送入DCS系

统内部后，在DCS内部设置好频率因子K’=1/Z，时间单位是分钟，那么实测转速n=Q/zRPM（式

中的RPM是转.每分钟）。

每个转速信号的量程就是对应电机的输出轴的额定转速，N=电机的额

定转速X减速比。

这几个个设置对于熔体出料泵，增压泵，齐聚物泵的转速信号的测量是很好理

解的，参照着齿轮数目设置频率因子，时间单位和转速量程即可；测速结构如图所示。

关于输出轴的额定转速（转速的量程）=电机的额定转速X减速比，齐聚物泵的1231-P01的输

出轴，熔体出料泵1271-P01A/B的输出轴；增压泵的1272-P02A/B的输出轴上的齿轮数，速度量

程及内部频率因子的参数如下表2所示。

现场的安装结构如图3所示。

Tab-2

测速参数\泵的位号

齐聚物泵

熔体出料泵

增压泵

齿轮数z

120

300

224

速度信号量程N

113.40=

31.64=

31.31=

频率因子1/z

0.008333

0.003333

0.00446429

图3

对于终聚釜的搅拌轴的转速的测量，有一些特殊说明。

因终聚釜的体积较大，搅拌电机需

要输出较大的转矩方可带动搅拌轴转动，这致使搅拌转速很低，其转速量程上限是3RPM（转/

分钟）。

转速太低，不适合直接用电磁式测速探头来测量输出轴的转速，转而采用在电机的转动

轴侧采用比输出轴转速的较大的减速比，通过测量转速较高的测速齿轮的转速来实现对输出轴

较低的转速的测量。

这里就涉及到两个减速比k1和k2与最终的测速N1之间的计算关系式，

设Q为送入DCS系统的脉冲数，那么则有N1=N2k1/k2=Qk1/（60k2）RPM.其现场的测速安装机

构如下图4所示，原理如图5.接线参考前面的表2。

图4

图5

B.趋近开关+频率转换器（安全栅）：

聚酯原液的制取需要把粉状TPA与乙二醇的按一定的配比混合，其配比的实现就通过测量下料

旋转阀的转数来计算得到TPA的质量，在DCS内部进行计算后用来控制乙二醇的进料，进而在调

配罐内进行配比混合。

现场旋转下料阀安装的区域被划为危险防爆区域2区，故而所选仪表均应采

用隔爆或者本安类型，前面的测速探头53Z属于非防爆类型仪表，故而不能在此处安装使用，因此

旋转下料阀的转速就是采用电感式趋近开关NVB5-18GM40-No，经频率转换器KFU8-UFC-Ex1.D（P+F

安全栅）送出4~20mA的信号到DCS系统的四线制AI卡。

其中P+F的型号为KFU8-UFC-Ex1.D安全栅的规格参数是单通道，通用频率变送，带显示，带

安全栅功能，供电220VAC/24VDC。

现场安装如下图所示：

图5

图6安全栅

图7

另外，装置中还有用到此类型的趋近开关的是链板输送控制系统的插板阀的开关到位的位置开

关，用的就是Namur类型的开关量信号，只不过这些信号可以直接送入链板输送控制系统的PLC

系统，SIMENS的S7-300系列，无需信号转换。

下面就简单介绍一下NAMUR信号的知识与使用常识。

趋近开关发出的是Namur类型的开关量信号。

Namur信号为目前世界上应用最广泛的本质安

全的数字量输入和频率量输入的标准信号。

该类型信号标准是由P+F公司提出，以德国测量与控制

委员会的DIN19234标准为依据而制定，后成为欧洲标准，很多安全栅和PLC的I/O卡件均支持该

信号标准，接受该类型的信号输入。

图8趋近开关的探头

1）测量原理：

Namur类型传感器作为本质安全防爆类型仪表，其送出的信号为无源 2 线制信号

由与之相匹配的隔离栅或者卡件提供标称为8VDC的电源。

NAMUR传感器根据金属物接

近的距离，会产生一个0~3mA范围内的电流信号。

安全栅或卡件根据检测到的电流大小

是≤1.2mA 或≥2.1mA为判断依据，可将此信号转换为继电器信号,有源或无源的

0- 24V 晶体管开关信号，或者模拟信号4~20mA，接入DCS，或直接送入PLC卡件，并兼

有小信号故障和超量程信号故障的判断功能。

对于NAMUR传感器产生的电流信号可分为4段：

（以例说明，电流阈值也会随开关型号变化）

1.小于0.28mA，开路，（相当于小信号故障）；

2.0.35~1.2mA，状态0，（正常，相当于开关量的断开状态）；

3.2.1~3mA，状态1，（正常，相当于开关量的接通状态）；

4.大于3mA，短路，（相当于超量程信号故障）；

2）Namur信号的处理

A.趋近开关的接线；

图9

现场依照上图接线后，参看前面的电机减速比和链轮的齿轮比计算出额定测速N作为测

量的上限，此处计算后为19RPM。

在面板上利用ESC和OK按键设置好零点与量程对应的转速

0~19RPM，最终将现场的频率信号转换为4~20mA的信号送入DCS，进行内部计算和配比介质

的流量控制，并显示在画面上。

二.流量计的流量频率信号

在化工生产装置中，介质流量的精准测量是非常必要的，很多时候产品质量的不稳定跟相关介质流量的测量精准度有很大关系，在聚酯项目中也是如此。

作为三大高精准度，高重复性的流量测量仪表之一的科氏质量流量计，一直在业界有着不可颠覆的排首地位。

在聚酯项目中，科氏质量流量计采用的是24VDC标称供电，其2700R系列的表头可以直接

线缆送出密度（AI4~20mA）和质量流量信号（频率信号），和温度信号（依托在Hart信号中读

取）到DCS可以显示。

如图是同时送出质量流量信号FT和密度信号DI的表头FT-10406的接线

端子图：

其中1和2端子上接的是以4~20mA信号（Hart协议）送出密度DT测量值，3和4

端子接的2芯线输送的是脉冲频率信号，送入DCS的脉冲多功能卡通道的最后两个接线端子，

前两个通道浮空即可。

这种接法与前面53Z测速探头的接法有所不同，因为信号类型不一样，

53Z需要DCS的脉冲卡供电12VDC，其信号线缆与供电线缆共用公共端，故而三根线；而质量

流量计的流量信号则是四线制的外供电模式，送出的流量信号则是2芯线缆即可。

DCS侧科氏质量流量计表头

Fused（1A）

+

CH01-1

CH01-2

测速探头

SpeedPickup

Feed-thru

-

Fused（1A）

+

CH01-3

CH01-4

Signal+

Feed-thru

-

Signal—

三．总结：

在生产项目实际应用中，相同类型的信号也会因为现场仪表的测量原理不同，相应的接线，信号所需要的内部计算处理过程不同而导致计算结果不同，这点在单体车调试阶段一定要注意，提前研究清楚这些信号的类型，测量原理，接线方式和DCS内部的计算公式及原理是非常必要的一环，否则就会导致试车时因参数设置不对，测量不精准，甚至不出读数，或者读数显示异常而致停车或连锁误动作，引起不必要的停车和事故，生产出不合格的产品或原料损失。

唯有不同的是终聚釜搅拌电机的轴因为力矩较大，转速比较慢，故而轴的转速与测速齿轮的转速存在一定的变速比，故而其信号的转换比较复杂。

使用PLC+接近开关测速要考虑几点

1.被测轴最高转速

2.接近开关最高响应频率

3.PLC最高响应频率，使用普通in，还是快速响应，还是高速计数，或中断，要根据前三个信息分析后决定。

使用一个检测点还是2个，或6,8,10也要分析。

比如，转轴最高转速5000转，83.333转/s，接近开关选，400Hz的，转轴上就可以装4个检测点。

PLC要使用高速计数，或中断了如果PLC有速度指令就很简单了，没有只好编程序了，用单位时间检测到多少信号，比用中断准一些，采样时间长一点。

楼主的可能是转轴检测点少的原因。

测速探头的测量原理如下：

53Z的输出信号，配套的侧速齿轮及对应的齿数。

当齿轮随着轴的转动而输出一定数量Q的脉冲到DCS系统的脉冲计数卡送入DCS系统内部后，乘以根据齿轮数K而计算出的频率系数K”=1/K。

配图

对于终聚釜上的转速的测量，有一些特殊：

搅拌电机的轴转速与侧速齿轮的转速之间不是同步，而是有一定的转速比。

配图

汽轮机组的测速系统一般都是6个转速探头的（电涡流），其中一个是进就地转速表显示转速了，另外五个进控制系统，其中三个进超速保护器三取二跳车，另两个进控制系统参与机组调速控制用的

频率信号变送器（可选一入一出、一入二出）输入频率信号，如接近开关、干接点脉冲方波，仪表将信号经隔离整形放大后，变送输出隔离的单路或双路线性的电流/电压信号，可向现场的一次仪表提供电源回路。

仪表广泛应用于机械、电气、电力、石油、化工、钢铁、污水处理、楼宇建筑等领域的数据采集、信号传输转换、PLC、DCS等工业测控系统，提高自动化控制系统的抗干扰能力，保证系统的稳定性和可靠性。

接线方法/步骤

1.1

外形尺寸图

2.2

拆装图

3.3

接线图

产品特点1

输入、输出、电源三方完全隔离，抗干扰能力强2

 精度高，线性度高，长期运行稳定性高3

 模块化设计，体积更小（宽度仅18mm），功耗低，适合密集安装4

 结构更合理，插拔更轻松，安装、拆卸、维护更为方便简单END

技术规格

1.工作电源：

24VDC±10%

功   耗：

≤1.2W（1入1出）

≤1.8W（1入2出）

输入信号：

频率信号、干接点、接近开关、TTL电平等有源开关

      无源开关输入：

短路电流：

8mA

开路电压：

8V

有源开关输入：

订货协商技术指标

脉冲宽度：

≥10us

频率范围：

0.1Hz~100KHz（订货指定）（低于0.1Hz当作0Hz处理）

测量分辨率：

0.01Hz

测量误差：

0.01Hz或0.05%F.S（二者取其大）

测量周期：

0.1s

响应时间：

1s（0~90%F.S）

输出信号：

直流电压或电流

注意事项

∙当选型为一入一出时，端子11,12悬空不接

∙工作温度：

0~50℃

∙大气压力：

86~106kPa

∙安装方式：

DIN35mm导轨安装

直接选S-300本安模块（内置安全栅），可以直接接NAMUR型传感器.

如果是开关型NAMUR传感器，通过开关型安全栅，接到PLC开关量输入模块；如果是模拟量输出型NAMUR传感器，通过模拟量型安全栅，接到PLC模拟量输入模块.

接近开关有两线制的，三线制的，四线制的，无线制的都有，那么我们常见的就是两线制的，其中分为常开，常闭。

三线制的又分为PNP型，NPN型。

下图中就是两种接线方法。

下面两款用到开关电源，输入交流220V,输出24V直流，用接近开关控制中间继电器。

注意：

中间继电器线圈的电压和接近开关要保持一致。

三线制接近开关的接线技巧：

棕色线接电源正极蓝色线接电源负极，如果是NPN型接近开关黑色线输出低点平当负极使用，如果是PNP型接近开关黑色线输出高电平当正极使用。

接PLC的接近开关一般是三线的.两根线做电源,一正一负.另外一根就是信号线,直接接到PLC的输入口就行了.电源线可以用PLC提供的,注意极性可别接反了啊

说到传感器与PLC连接的问题，首先要知道传感器有哪些信号形式。

我知道的有这些：

PNP、NPN、PUSH-PULL、NAMUR、两线制继电器、模拟电压/电流、IO-LINK、串口485/232等（因为各种类型的信号不相同，所以特点也不一样，这里对信号不做介绍，后期会有一篇文章专门做传感器各种信号类型、优缺点介绍的）。

那我们就一一来做了解。

1,PNP型，如下图所示，PNP型的三极管是属于下拉负载电阻的（COM端共负）（所有电阻都是传感器自带的，无需额外加电阻），所以接线的时候需要把信号线接到PLC的输入端，电源负接到PLC的COM端。

（PLC必须是PNP的）

2.NPN型，如下图所示，NPN型的三极管是属于上拉负载电阻的（COM端共正），所以接线的时候需要把信号线接到PLC的输入端，电源正接到PLC的COM端。

（PLC必须是NPN的）.

3.PUSH-PULL型，因为PUSH-PULL推挽输出是包含PNP和NPN型号的，即一根信号线上既可以输出PNP又可以输出NPN，那具体输出哪个信号就要看你的接线方法了。

接线方式和上面相同，如果你的PLC是PNP的，那就接信号线与电源负两根；如果PLC是NPN的，那就接信号线和电源正两根。

4.NAMUR，NAMUR输出通常用于防爆环境，所以其信号必须先接到安全珊上，然后由安全珊再转接到PLC，如下图：

5,两线制继电器型，这个连接最简单，只需把传感器当作一个常开或者常闭的开关串在输入回路中就行了。

6,模拟量电压/电流，这种信号的PLC是不能直接采集的，必须把信号先传到对应的模拟量采集模块上，然后由模拟量模块再传给PLC，如下图所示。

接线的话就接传感器的输出信号线与电源负两根。

7,IO-LINK型，这个是目前比较火的一种方式，带IO-LINK输出的传感器其信号PLC也是无法识别的，必须先把IO-LINK的信号转到如下所示的一个IO-LINK模块上，然后由模块通过总线的方式与PLC通讯。

NAMUR标准最初是用在接近开关行业的，故其工作原理是以接近开关进行定义的，其工作原理为：

传感器需要提供一个8V左右的直流电压，根据金属物接近传感器的距离，会产生一个1.2mA到2.1mA电流信号，标定的开关电流典型值为1.55mA,当电流由低到高或等于1.75mA会产生一个输出信号变化（从0到1，或从OFF到ON），当电流由高到低或低于1.55mA时，会产生一个输出信号变化（从1到0，或从ON到OFF）。

这样它可以来检查金属物是否接近。

从NAMUR的工作原理可以看出，其通过电流的变化检查金属物的接近距离，最后输出一个开关信号给DSC或PLC进行控制。

其原理类似于二线制4-20mA，但与二线制4-20mA相比，其电流和电压更低。

由于设计成低压供电、微电流输出，NAMUR输出型传感器均为本质安全防爆仪表，通常与隔离式安全栅配合使用，可应用于有防爆要求的危险场所。

通过隔离栅给传感器提供8VDC电源（通常为8.2V），并检测其电流信号。

检测点通常为≤1.2mA和≥2.1mA（不同企业设置的检测点不同），隔离栅将此开关信号转换为继电器信号或晶体管开关信号，最终输出到DCS或PLC控制室。

接PLC的接近开关一般是三线的.两根线做电源,一正一负.另外一根就是信号线,直接接到PLC的输入口就行了.

电源线可以用PLC提供的,注意极性可别接反了啊。

选型对照如下：

N      B   B    5 - 18     G     M       50 - E2

（1） 

（2）（3）（4） （5） （6）（7）    （8） （9）

（1） 用字母表示　　　

N-电感式　　　

C-电容式　　　

M-磁式　　　

R-环型（电感式）　　　

IA-模拟量（电感式）

（2） 用字母表示　　　

B-基本系列　　　

C-标准系列　　　

J-原始系列　　　

E-感应距离增大型（电感式）

（3） 用字母表示　　　

B-齐平安装（电感式、电容式）　　　

N-非平安装（电感式、电容式）

（4） 用数字表示（mm）　　　

0.2-100-开关距离（电感式）　　　

10-43-环型传感器直径　　　

2-30槽型传感器槽宽

（5） 用数字（mm）或字母表示　　　

圆柱型传感器直径采用数字表示　　　

用字母F、F1、F2、F9、F10、F11、F17、F29、F33、F41及V3，L1／L2表等示各种形状的矩型传感器。

　　　FP-方型（扁平型）　　　U－感应头部可转换型（VariKont）　　　（限位开关型）　　　MIK-感应头部可转换型（小型限位开　　　关型）（VariKontM）

（6） 用字母表示　　　G-有螺纹　　　无字母-光杆

（7） 用字母表示　　　M－金属外壳　　　K－塑料外壳　　　KK－塑料（接线端连接）（8） 用数字表示（mm）　　　圆柱型传感器的长度

（9） 用字母表示电气输出　　　

A、A0 直流四线NPN常开＋常闭　　　

A2 直流四线PNP常开＋常闭　　　

B3 总线系统　　　

E、E0 直流三线NPN常开　　　

E1 直流三线NPN常闭　　　

E2 直流三线PNP常开　　　

E3 直流三线PNP常闭　　　

E4 直流三线NPN常开或常闭　　　

E5 直流三线PNP常开或常闭 　　　

E8 直流三线PNP（二组输出） 　　　

N、N0 NAMUR常闭　　　

1N NAMUR常开　　　

N3 双稳态输出　　　

N4 NAMUR常闭（二组输出）　　　

U0 交直流二线、常闭　　　

US 交直流二线、常开　　　

W 交流二线、常开或常闭　　　

WO 交流二线、常闭　　　

WS 交流二线常开　　　

Z0 直流二线常开　　　

Z1 直流二线常闭　　　

Z2 直流二线常开或常闭　　　

Z4 直流二线常开 极性保护　　　

Z5 直流二线常闭 极性保护

（四）电滿流式转速传感器电涡流式传感器的安装位置和磁电式转速传感器相仿，传感器的端部对着齿轮的齿，齿顶、齿根轮流通过传感器的端部附近。

由于涡流效应，电涡流传感器的前置放大器输出一个个脉冲，测量单位时间内通过的脉冲数就可知道旋转机械的转速。

它的测量范围很宽，从1至105r/min都可测量。

磁电式传感器和电涡流式传感器都采用数字式转速表来显示转速

数字转速表（配测速探头）：

SQSD-3B配接磁阻式传感器、电涡流传感器、霍尔传感器来监测机组的转速。

应用微处理芯片对信号进行处理，测量准确，性能稳定，能根据用户的需要扩展功能。

旋转机械特别是蒸汽透平，转速突然飞升是zui危险的情况之一，有可能带来灾难性的后果。

机组启动、停止时的升、降速测量，如何快速通过临界转速，都是极其重要的，主要适用于电力、石油、化工等工业部门旋转机械转速的监控和保护。

本装置具有高度智能化，实现全面板操作，适宜长期在线监测，无需现场维护。

配接磁阻转速传感器、电涡流传感器、齿轮转速传感器来监测机组的转速.

应用微处理芯片对信号进行处理,测量准确,性能稳定,能根据用户的需要扩展功能.旋转机械特别是蒸汽透平,转速突然飞升是zui危险的情况之一,有可能带来灾难性的后果.机组启动、停止时的升、降速测量,如何快速通过临界转速,都是极其重要的,主要适用于电力、石油、化工等工业部门旋转机械转速的监控和保护.本装置具有高度智能化,实现全面板操作,适宜长期在线监测,无需现场维护.MSC-2B智能转速表，是当今先进的智能型仪表。

配用低阻抗高灵敏度非接触磁电式传感器，该仪表集讯号检测、数据处理、数字显示，报警指示，报警控制和变送输出等为一体，广泛用于现场指示，闭环控制、报警控制等场所,应用于电力、冶金、化工、钢铁等行业，专业配套偶合器、鼓风机等设备。

该系列仪表使用简便、性能稳定、抗干扰能力强，工作可靠,是工业生产和实验室各类旋转轴的转速测量的专业仪表，可替代本特利、菲利普等部分型号产品。

二应用领域：

1.电机、发电机输出轴转速测量监视、控制2.汽轮机、空分机转轴监视、控制3.风机、水泵输入转轴速度监视、控制4.机车、汽车速度显示、积算、报警控制5.计速度、计长度、计位移场合6.其他与速度、长度有关的各种工业、实验室等场合