WDPF第4章硬件Word文档格式.docx
《WDPF第4章硬件Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《WDPF第4章硬件Word文档格式.docx（40页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
在两台计算机中，一台在线工作，一台离线工作（或停机备用）。
一旦在线工作机发生故障，马上自动（或手动）将离线机切换到工作机位置。
采用双机或多机系统方案时，关键的问题是故障状态的判断与故障系统的鉴别。
在实践中常用的手段有以下几种：
（1）特征信号的监督：
采取适当的技术措施监督计算机内部特征信号的变化，以发现故障。
例如，监督各指令周期、机器周期、总线某些电位的时间等，还有奇偶位的设定，都属于这类方法；
（2）程序测试和周期监督：
就是用测试程序监督某种运算程序的结果和运行周期，来判断故障的存在。
同时，可利用计算机系统的诊断程序，也可采取定期运行的办法来检查故障。
（3）比较监督：
其基本原则是用两种以上的信息比较其异同，相同则对；
相异则误。
常用的方法有采用标准信号监督、表决法监督、双重CPU监督和设计计算比较监督。
上面简单地介绍了提高计算机控制系统自身可靠性的一些措施。
在实际应用中，由于计算机控制系统的规模、功能及生产现场的环境千差万别，那么在考虑解决系统可靠性问题的时候，与下面将要介绍的抗干扰问题一样，需要从实际出发，进行具体分析，找出合适的解决办法。
二、干扰及抗干扰措施计算机控制系统用于实时控制时，现场的各种各样的干扰会给系统的正常工作带来严重的影响。
因此，在提高计算机控制系统自身可靠性的同时，必须采取适当的措施对干扰进行抑制或消除。
下面讨论干扰源及抗干扰措施。
（一）干扰源及干扰途径
现场的干扰来源是十分复杂的，有来自计算机控制系统内部，如元器件的固有噪声、工作性质、工艺结构的不合理、电源系统等。
也有来自系统以外的，象闪电、雷击、电气设备的电磁场、电火花等。
有些干扰源比较复杂，有些甚至根本无法发现。
但各种干扰源都是通过一定的途径对系统产生影响的，这些干扰途径是“路”和“场”两种形式。
1．“路”的干扰
“路”的干扰是指干扰通过电路（主要是系统的过程通道和电源系统）进入计算机。
在过程通道中，A／D、D／A转换设备和各种输入装置会引进各种干扰。
另外，由于过程通道和计算机之间有公共地线，也会引进干扰。
串模干扰是指叠加在输入信号上的干扰信号，这种干扰信号的特点是，它与输入信号串在同一个回路中，并且全部加在接受被测信号设备的输入端。
它可能是信号源内部产生的，如图4－1（a），也可能是从引线感应进来的，如图4－1（b）。
图中VS为被测信号，VG为干扰信号，RS为信号源内阻。
图4－1串模干扰
共模干扰的形成是由于被控对象很多且分散，必须用很长的引线将被测信号经过程通道送入计算机，所以在被测信号端的地线与主机的地线之间就存在一定的电位差，这种干扰同时作用在信号的两个输入端上，便称之为共模干扰，如图4－2所示。
交流电源线路在现场的分布，相当于构成了吸收各种干扰的网络，它接受到干扰，经过电源引线进入系统各部件，造成干扰。
最严重的是电压突跳的干扰，如大容量设备的启停就是这种电压突跳的原因之一。
此外，纵横相连的配电网络也相当于接收天线，它接受的各种电磁感应仍然可以按“路’的形式引进系统构成干扰。
图4－2共模干扰
2．“场”的干扰
“场”的干扰主要是各种电磁场在空间的传递，使得处在这些“场”内的导体，因感应而产生电势和电荷的移动，从而形成干扰。
“场”的干扰有导线之间的电场、电感耦和、还有大功率的高频用电设备、雷达、电台等形成的电磁场的辐射等。
（二）抗干扰的基本原则
干扰的形成主要是干扰源通过干扰途径作用于干扰对象，因此，为了抑制或消除干扰，就要从消除或抑制干扰源、破坏干扰引进的途径、削弱干扰接受对象对干扰信号的敏感性等方面来考虑，采取适当的措施。
当然，因为干扰的产生是很复杂的，必须根据实际情况进行综合分析和考虑，下面简单地讨论一下在计算机控制系统中常用的抗干扰措施。
（三）常用的抗干扰措施
1．过程通道的抗干扰措施
一般情况下，被测信号的变化比较缓慢，且有的信号比较微弱，而干扰信号则常是一些杂乱的波形，且变化相对于被测信号比较快。
因此可采取下列措施尽量减少其影响。
（1）滤波器
滤波器是一种只允许某一频带信号通过（或衰减）的电路，它对抑制“路”的形式的干扰比较有效。
常用的滤波电路是二级阻容滤波器网络，如图4－3所示。
图4－3阻容滤波网络
改变图中Ri，Ci的参数，可以滤波掉不同的干扰信号，保留有用信号。
现场一般选R＝R1＝R2＝30～300Ω，C＝C1＝C2＝30～500μF。
（2）屏蔽、隔离和浮地
屏蔽技术，主要是用来抑制各类“场”干扰的；
浮地是指测量放大器和机壳或地线之间没有任何导电性的直接联系；
隔离就是指用变压器隔离输入或输出。
屏蔽隔离和浮地技术的综合使用，对共模干扰的抑制很起作用。
在模入通道中，为使共模电压VG的影响减到最低程度，一般都采用输入双层屏蔽放大器，如图4－4所示。
图中，Vs为信号源，Rs为信号源内阻，认为屏蔽导线电阻，R1、R2为放大器输入端A、B到模拟地的电阻，Rsr为放大器的输入阻抗，Z1、Z2为屏蔽层间的绝缘阻抗，VG为共模干扰电压。
除了机壳外，再用一层内屏蔽将放大器或转换器的模入部分屏蔽起来，模拟量输入的地线和内屏蔽隔离，内屏蔽层也和机壳相隔离，内屏蔽层单独引出一根线作为屏蔽保护端G和信号线的屏蔽层相接。
从图4－4中可以看出，屏蔽线和Z2为共模电流IGl提供了通路，但这一电流不会产生串模干扰。
共模干扰电压VG中只有在屏蔽线阻RP上的压降（很小）会在模入回路中产生共模干扰电流IG2，这—数值很小，所以对共模干扰的抑制很起作用。
图4－4浮地与屏蔽
在多路采样系统中用双层浮地屏蔽就必须采用三线采样方式如图4－5所示。
采样过程中，在接通两根信号线的同时必须接通屏蔽线，以便在采样信号的同时，使共模信号形成通路，达到屏蔽保护的目的。
图4－5多路采样中采用三线采样开关
（3）光电耦合隔离
光电耦合隔离是指利用光的传导作用，通过光电耦合器件实现有用信号的输入／输出，无用信号被隔离的一种方法，光电耦合隔离对于数字量传输过程中的干扰消除效果较好。
如图4－6所示是两种光电隔离电路。
（a）光电隔离输入电路（b）光电隔离驱动电路
图4－6光电隔离电路
在图4－6（a）中，当现场开关K闭合时，使光电耦合元件的光敏管器BG1受光照射后导通，从而使三极管BG2导通，输出高电平。
同理，当K打开时，输出为低电平。
图4－6（b）是光电隔离驱动电路，由控制信号控制端子1或2与地接通，使光电耦合元件的发光二极管截止与导通，导致光敏管BG截止与导通，由此来控制现场继电器的闭合或打开。
在受控现场的强电干扰十分强烈或过程通道很长时，为了提高整个实时控制系统的可
靠性，除了去掉通道与主机间的公共地线，还要设法去除通道与受控设备足间的公共地线，对过程通道采取两次隔离措施，这称为完全光电隔。
（4）开关状态变化引起电压抖动的消除措施
为消除开关状态变化引起的电压抖动，在开关与系统连接处加一级去电压抖动电路。
这种电路常用双稳态触发器、施密特触发器和电容等。
2．电源系统的抗干扰措施
电源系统也是干扰引进的途径之一。
电源系统一般采取下列措施抑制干扰。
（1）高频滤波网络和隔离变压器的使用
计算机大都使用220V、50Hz的市电，这种交流电源上带有各种高频信号，这些高频信号通过变压器耦合会对系统带来干扰。
为了防止电源干扰，在交流220V入口处加LC高频滤波网络和隔离变压器，如图3—36所示。
高频滤波网络可以抑制或消除高频干扰信号，隔离变压器则实现了电的隔离，增强了抗干扰能力。
（2）电源分组独立供电
电源分组独立供电是消除干扰的一种措施，根据负载的性质和负载功率的大小、波动情况进行分组供电或对系统的各功能块板插件，如主机板、A／D板、D／A板、内存贮板等进行独立供电。
（3）直流电源的净化
为消除直流电源内的干扰信号，常在每个插件板的电源入口处采取高、低频滤波措施（即加上两个电容C1和C2），可以对直流电源进行净化。
另外应尽量选用抗干扰能力强的稳压电源。
3．地线结构的抗干扰措施
在计算机控制系统中，正确的接地是抑制干扰的主要方法。
如果接地和屏蔽正确地结合起来，可以克服大部分干扰。
计算机控制系统中，按其工作性质可分为模拟信号地线、数字信号地线、负载地线三种。
模拟信号和数字信号地线应分别设置。
负载地线一般指大电流高电压回路构成的地线，这种地线往往单独设置。
各种地线最后还要在适当的位置连在一起与大地相连，即“一点接地准则”。
对于一台微机同时控制多台分布设备时的情况，各台设备应各自拥有一个浮空地，使各台设备的地线间彼此没有任何公共地线的联系。
目前关于接地方式问题，没有统一的标准，一般计算机系统的接地网和电厂的公用接地网在目前还没有连在一起。
消除干扰的技术措施很多，上面只列举了一部分，当然，还可以在软件设计中采取一定的抗干扰措施，如指令复执、故障诊断、自恢复功能等。
第二节WDPF抗干扰措施
一．概述
发出的信息信号与取到的信息信号的差别称为噪声。
在WDPF中有多种模拟和数字电路，如低电平电路、高电平电路、信息传送电路及电源电路。
这些电路又可分为两类：
噪声源电路和感受噪声的电路。
一般来说，当通过相互关联（连接）的电路发送模拟量（电压、电流或其它测量值）或数字量信息（ON/OFF状态、脉冲链或相似的数据）时会出现噪声问题。
在这样的电路中，由信号所携带的信息在传递时可能出现失真，进而引起错误。
可通过三种方法将希望的信息从被噪声污染了的信号中区分开来。
A、能量水平。
B、频率。
C、源（信号源及噪声源）。
（1）能量水平
所谓能量水平是信号加上噪声的总能量。
如果信号与噪声有明显的不同，则可以通过判别门技术容易地去除噪声干扰。
如图4－7。
图4－7从幅值上区分噪声
（2）频率
大部分在工厂中遇到的噪声都是与电源线的频率及其谐波有关或与瞬态冲击有关，如图4－8，模拟信号一般频率低于1HZ，而数字信号频率在0到几百HZ之间。
模拟信号和数字信号可以通过消除频率成分，与噪声源瞬态冲击这样的噪声区分开来。
因为在0.5MHZ以下时不含显著的能量。
低通滤波器被用来去除这类噪声。
图4-8典型的噪声信号
（3）源（信号和噪声）
当一个信号从源点形成时，一般基本不含噪声。
噪声是在信号发送过程中加进去的。
将信号源与噪声源隔离是一种降噪的好办法。
下列设备及电路是常见的噪声源：
a.电感设备。
如继电器、电磁阀。
b.AC及DC电源电路或接线。
c.开关配电装置。
d.快动电路，可控硅及固态开关电路。
e.变频或变电流设备。
二、噪声分类
信号及电源电路、接线、电缆可按高电平和低电平来分类：
（1）高压H，包括自115VAC至KV，250VDC，15A至500V，200A。
（2）中压M，包括触点闭合输入（CCI）和触点闭合输出（CCO）信号，此外还包括电话、电视电路及常规的继电器电路。
（3）低压，包括数字信号、数据链和低速脉冲计数电路。
（4）非常低压，包括模拟输入以及到高速计数和存储电路的脉冲输入。
三、数字信号的降噪
WDPF使用三种数字信号降噪方法：
低通滤波时间常数为216ms；
提高信号电平；
隔离或光耦。
通过低通滤波和提高信号电平，分别从频率和能量水平提供抗噪手段。
将数字信号接收器与地隔离也是一种重要降噪方法。
例如，当信号源与接收器在相距较远的两点接地时，两接地点的电位差将加到相应的信号端。
光隔离方法可以实现将数字信号输入接收器，这样噪声对接收器不会产生影响。
四、模拟信号降噪
出于上述同样的考虑，对模拟信号也采用隔离技术。
但由于模拟信号一般是低电平，所以滤波及隔离技术对于模拟信号来说比对数字信号更显得重要。
模拟信号滤波方法是将一个或几个周期上信号加以平均。
因为与电源有关的噪声在一个或几个完整的周期上的平均值应为零。
瞬态噪声（高频）在一个大大长于瞬态过程的时间段上的平均值也为零。
五、对噪声敏感的电路的降噪
所有低电平模拟及数字式发送电路都必须被看成是对噪声敏感的电路，例如从现场传感器来（热电偶、RTD、等）来的信号极易受噪声干扰。
噪声通过三种方法进入这些敏感电路中。
（1）分布电容的静电影响。
（2）分布电感的静电影响。
（3）共用一根公用回路。
因此，这些敏感电路一般通过下列方法降噪。
（1）在物理上，实现噪声源与敏感电路的分离。
（2）用双绞线
（3）合理接地，特别是避免将电缆屏蔽线在多处接地。
（4）合适的屏蔽，尤其是对电缆进行屏蔽
将电路分隔是控制静电和电磁场引起噪声的简单和有效的方法，因为静电和电磁场随着距离增加而衰减，信噪比将改善。
用双绞线则可消除闭合的回路，而闭合回路对电磁场是较敏感的，所以，西屋公司建议用双绞线。
当存在噪声环境时，对于数字电路也建议用双绞线。
正确的接地和屏蔽，使噪声引入的电流在屏蔽层中流动入地而不是通过相应的信号导线。
屏蔽本身对于避免由电容引起的噪声是有利的。
低于1V的模拟信号被认为是低电平，为了降噪声，需要屏蔽。
应将低电平信号的屏蔽层与信号源应在同一点接地，例如，在信号源附近处，将其低电压端与屏蔽层连在一起，如图4－9；
若现场未接地，也可在DPU处接地。
图4－9模拟信号现场连接的理想方法
第三节Q卡硬件地址
一、Q卡地址的确定原则
Q卡的地址是由几种因素决定的，如可用的硬件地址，卡件的数量和类型；
数据库的大小，Q机架的槽位也对地址的确定有限制。
对于标准型机柜，如一个机柜含最多3个12槽Q机架，所以最多36个Q卡件，若用扩展机柜AX，则每个DPU可用多达76个Q卡。
对于增强型机柜，每个机柜可含多达4个12槽Q机架，48个Q卡，若用扩展机柜AX，则可多达96个Q卡。
在确定Q卡硬件地址时FC－FF及00－07是不可用的。
建议将地址限定在80－F7这个段中，如图4－4。
在选择地址时应遵循：
（1）将F8－FB留给冷端补偿QRT卡，除非用QAV卡或halfshell补偿。
（2）QSE卡不能放在扩展机柜AX中。
（3）将80留给QTB（时间基）卡
（4）出于时间方面的考虑，一个DPU中QLI卡不能多于30个。
（5）若要进行DIOB检查，则要用QBO卡，应指定地址AA和55，建议将一个QBO放在1号机架，将另一个QBO放在2、3、4机架中。
二．根据通道数量放置Q卡
当一个卡有多个通道时，则要用多个硬件地址。
例如，12通道卡QAX，必须用2个地址块，起始地址为X0，6通道和8通道卡；
如QAH，QAV，QCI卡，必须从地址X0或X8开始；
4通道卡，如QAI，QAO，QRT，QPA，QSE卡，必须从X0，X4，X8或XC开始；
二通道卡，如QAA，QAM，必须从X0，X2，X4，X6，X8，XA，XC，XE开始。
在指定地址时，应先为那些占用地址较多的卡（8通道，6通道）指定。
最后再为那些占用一个地址的卡指定。
受地址数量限制，6或8通道的卡不能多于30个，12通道卡不能多于15个。
举例，现有Q卡如下：
1QRT2QCI3QLI15QAV
1QTB3QSE6QAM
2QBO3QAO6QAW
为它们确定地址，如图4－10。
图4－10Q卡硬件地址选择表
图4－11Q卡硬件地址选择举例
三、IQ卡地址与Q卡槽号的关系
大多数情况下，指定给Q卡的地址与Q卡在机架中的槽位无关，但当用到MEDIT的缺省名特征时，地址与槽号则是相关的。
例如Q1，1槽地址为08，2槽地址为10，12槽地址为60等等。
四、数据库的限制
当选择Q卡时，在考虑地址要求的同时还必须考虑数据库的要求。
Q卡用的每一个地址都与DPU数据库中的点相关。
内存要留出一部分用于数据库。
由控制算法定义的点也要用去DPU的一部分存储空间。
对于单速度DPU，有82K可用于数据库，64K用于控制。
对于7级以上的多速度DPU，则有122K可用于数据库。
一个点所占的空间取决于记录类型，所以为了能成功组态，应该计算一下点所需的存储空间。
五、地址选择跨接器的使用
在端子卡件边缘连接器上有一组地址选择跨接器。
Q卡的16进制地址被翻译成二进制，这个二进制地址由跨接器21至28来设定。
例如，地址E9变成11101001，如4－6表示了跨接方法，被跨接则表示1，否则表示0。
图4－12地址跨接器
图4－12中，JUMPER20为高/低使能跨接器。
根据这个跨接器，QRO和QTO可以访问16位地址的高8位或低8位。
若跨接，则选HI（8－15位），反之选LO（0－7位）
QAV，QAW，QLI，QRT和QSE卡需用到该跨接器。
第四节模拟量输入卡
1．QAH卡（HighSpeedAnalogInputPoint）
QAH卡快速模入卡是一个快速的A/D转换器，它与过程控制系统的DIOB相接口。
QAH能处理多达8个来自现场过程点的高电平差动输入，每一个输入都采用RC滤波器（时间常数为1MS），每一个双极型输入由多路开关选择，都被转换成一个16位数字值并存贮在RAM中，模拟信号值占11位，1个极性位，1个越限标志位，1位系统运行状态位，另有一位未用。
该卡采用了一个逐位比较A/D，通过光隔离及变压器方法将模拟部分与数字部分相隔离。
图4－13QAH卡原理框图
通过前边缘的跨接器设定地址，ADD3～ADD7设定了卡地址，当它与DIOB地址一致时，则QAH卡被选中。
图4－14数据格式
输出数据有两个状态位，一个超范围位和一个运行状态位，如果输入超范围（过正或过负），则结果不对，超范围位置位；
如果处于扫描方式且转换器正常，则运行状态位为高。
图4－14为数据字格式。
2．QAI卡（AnalogInputCard）
图4－15QAI卡原理框图
QAI模拟输入卡含4个A/D转换器和一个数字多路接口，与DIOB接口。
模拟量输入系统由一个或多个AI卡，一个QTB卡和一个总线控制器组成，不再需要其它卡件。
QTB卡能产生一个精确的时间信号，供模拟点卡使用。
通过增加QAI卡，可以扩展系统，最多可用48个QAI卡。
每一路输入都有一个双积分型A/D，将双极性现场输入转换成16位数字量（信号占12位、1个极性位、1个越限位、2个错误位）。
输入范围为mv级，4个隔离的A/D共享一个数字接口，包括计数累加器及DIOB接口。
3．QAV卡（AnalogInputPoint）
图4－16QAV卡框图
模拟输入点卡，能将现场的模拟量信号转换成数字量；
数字量数据是按一定周期累加的频率，时间周期是电网频率（50HZ或60HZ）的倍数。
每一个QAV卡含有6个隔离的电压频率转换电路（通道），每一个输入电路的输出都由一个公用的微处理器处理，数字量结果，由多路开关分别切到分布式输入/输出总线即DIOB，字长为13位。
一个DIOB控制器可带30个QAV卡。
输入范围mv级。
该卡带有热电偶温度补偿，它用第6通道作为卡件温度传感器，当进行自动校验时，将读该通道。
卡件温度传感器省掉了外部温度传感器，并保证现场温度测量的精度。
QAV采用了电气隔离电路（变压器）将模拟输入电路和数字计数电路隔离开。
隔离电路除了为每一个模拟输入通道供电外，还可利用一个从QAV卡数字侧电路产生的稳定的频率来提高计时精度，
每一模拟输入电路都含有一个信号修正、偏置、自动零点校正和增益修正，开式热电偶测试及一个时钟式电压频率转换器。
QAV卡的微处理机能周期性地对偏移和增益系数进行计算。
这个周期由编写在存贮器中的程序的一个常数来确定。
图4－17QAV卡接线图
4，QAW卡（AnalogHighLevelInputPoint）
QAW卡（模拟量高电平输入卡），能将现场模拟量信号转换成数字量数据。
每一QAW卡含有6个隔离的电压/频率转换器电路，每一输入电路的输出都由一公用微处理器处理，结果被分别传送到DIOB。
QAW卡采用隔离电路（变压器）将输入与数字计算电路相隔离，隔离电路为每一个模入通道提供电源，QAW卡的数字侧产生一个稳定的频率可使计时更精确。
QAW卡也具有QAV卡一些相似的特征，如自动信号修正，偏移及增益修正等。
图4－18QAW卡原理框图
5．QAX卡
QAX是一个12点模入卡。
采用了12个独立的VF型D/A，每路由变压器独立供电。
输入范围：
01～03型为MV级，04～06型为高电平。
另外，QAXT卡（端子块温度测量卡），能测量端子块温度，可对基于QAX的热电偶温度测量系统进行冷端补偿。
QAX测量QAXT输出端子（＋）和（－）之间的信号，QAXT通过QAX的第12通道（屏蔽）向QAXT供电（＋12V）
1个QAX可替带2个QAV卡或QAW卡。
一条DIOB可用15个QAX卡，测量180点。
6．QRT卡（QLineRTDInputAmplifier）
图4－19QRT卡原理框图
QRT卡（RTD输入放大器）的任务是将现场模拟量信号转换成数字量信号，数字量数据值是在一个时间段上的频率累加，这个时间段是电源频率（50HZ或60HZ）的倍数。
每个QRT都有四个隔离的V/F（电压/频率）转换器电路（称为通道），每一个输入电路的输出都由一个公用的微处理器来处理，转换后的13位的数字量数据被分别送往DIOB。
升级会员 