CN1200482A - 输入输出混合型信号变换系统 - Google Patents

Abstract

一种输入输出混合型信号变换系统,备有:具有从检测端输入进行规定放大处理的处理手段、和存储与检测端及处理手段有关信息的存储手段的检测端放大单元;具有变换为操作端可接收的规定控制信号的变换手段、和存储与操作端及变换手段有关信息的存储手段的操作端放大单元;具有连接所述检测端放大单元及所述操作端放大单元的连接手段、和对与主计算机进行通信的信号进行处理的信号处理手段的信号变换单元。

Description

输入输出混合型信号变换系统

本发明涉及将各种传感器来的信号变换为可方便操作的电信号的信号变换器和过程控制信号输出电路，尤其涉及过程信号测量用的信号变换器，其中该变换器更适合使用测温电阻或热电偶的温度变换器实现的多点输入的通用化及多量程化，并能混合安装多点过程控制信号输出模块。

在过程测量控制领域，将来自工厂内众多的各种传感器(压力、压差等的测量用变送器或变换器，测温用的热电偶或测温电阻等)的计测值取入主计算机(上位计算机)对厂区内的设备状态进行监视，并根据取入的测量值对工厂设备进行控制。由厂区内各种传感器获得的计测值，按其原有状态主计算机不能处理，必须将表示传感器产生的测量值的信号变换为如DC1～5V的统一信号的易于主计算机处理的电信号。在常用系统中，传感器与主计算机间设有信号变换器，然后对传感器与主计算机的信号进行调整。

上述信号变换器用于对从传感器至主计算机的输入信号进行处理，但在从主计算机至阀等操作端发送经PID(比例、积分、微分)等过程控制运算结果的操作信号时，也即对DC4～20mA或DC1～5V的操作输出信号进行处理时，除了所述信号变换器以外，另外要构成并多点操作输出单元。

参照图5的工厂设备简单结构例说明已有技术系统结构例。在图5例中，表示有2个闭环的例子，进行燃烧燃料控制锅炉蒸气温度的简单过程处理。

在图5中，201为进行PID等控制运算的主计算机，502为构成与主计算机通信接口的PIO(过程IO)单元，将来自变换器单元的模拟信号汇总进行A/D变换，503为模拟输入板，504为模拟输出板，505为通信接口，506为电源装置，507为通信电缆。508为信号变换单元，进行来自传感器的信号变换，509～512为变换模块，513为用于汇集多个变换模块的模拟输出信号连接于所述模拟输入板503的接口，514为电源装置，515为信号电缆。516为用于连接过程所述模拟输出板504输出的端子板单元，517、518为端子板，519为用于信号传输的接口。端子板单元连接有通常所谓8点、16点、32点的多块端子板。端子板有连接操作阀等的外部连接端，它通常为M4的螺旋端子，要独立设置，不能安装于PIO单元上。221为流量计，222为操作阀，223为温度检测端，224为锅炉。下面说明上述结构的运作。

首先，流量计221-1，2及温度检测端223-1，2的信号接入变换器单元508的变换模块509～512加以信号变换。信号变换单元508连接有通常的所谓8，16，32点的多个变换模块。然后，各变换模块的输出信号由接口513汇总，经信号电缆515输入PIO单元502的模拟输入板503。模拟输入板503对来自信号变换单元508的模拟输入进行A/D变换，变换为数字量。变换为数字量的过程信号通过通信接口505传送给主计算机201。

主计算机201取入过程信号，执行PID等控制运算，运算结果得到操作输出值。所获得的操作输出值经通信电缆507、通信接口505输入模拟输出板504。模拟输出板504对多个数字量进行D/A变换，输出对应于第一环、第二环的操作输出的操作输出值。操作输出值经信号电缆520、接口519送至端子板单元516，再经过端子板517、518分别输出给操作阀222-1，222-2。

第一、第二环的过程虽分别为燃烧燃料控制锅炉中蒸气温度的简单例，但如上所述，已构成了测定蒸汽温度、燃料流量，实施PID运算，从而将操作输出给操作阀的控制闭环。

现在详细说明上述系统中变换器单元508的变换模块509～512。

变换模块由于检测端所连接的传感器的种类及信号范围多种多样，故对每个传感器要设定和调整放大电路的增益、偏置工作点，当要电隔离时，还需备有隔离电路。

这里对使用热电偶(具体为K型热电偶300～600℃)作为传感器的情况说明已有技术的2个变换模块。

首先，说明第一变换模块，图3示出第一变换模块的结构例。

在图3中，1为输入端，2为前置放大单元，3为设定前置放大单元增益的增益设定电阻，4为偏置用电源，5为偏置设定电路，6为隔离电路，7为输出电路，8为输出端。

首先，为了将K形热电偶300～600℃的信号变换为输入PIO单元的DC1～5V，故约需315倍将K形热电偶的热电动势12.207mV～24.902mV放大到3.846V～7.846V，接着，加-2.846V的偏压，变换为DC1～5V。因此，在将K形热电偶300～600℃用于传感器的情况下，必须准备该315倍的增益及-2.846V的偏压，作为预设定值。这里，在第一变换模块中，调整增益设定电阻3将前置放大单元2的增益设定为315倍，接着，调整偏置用电源4及偏置设定电路将偏压设定于-2.846V。

这样一来，在第一变换模块的结构例中，需根据输入传感器的种类及信号范围分别预先计算增益、偏压，并调整设定电路常数。

下面，参照图4说明第二变换模块的结构例。本结构例使用了微型计算机(下面简称为“微机”)。

图4中，与图3所示相同的部分赋以同一标号。1为输入端。2为前置放大单元，7为输出电路，8为输出端，9为A/D变换器，10为含有微机的数字信号处理电路，11为隔离电路，12为D/A变换器。

在该结构例中，传感器的种类及信号范围的设定，可用数字信号处理电路10进行。在第一变换模块中，只是为每种传感器选择所需信号范围而设定增益设定电阻及偏置用电源，而在第二变换模块中，在全范围内(full span)设定热电偶或测温电阻的特定传感器的整个测定范围，然后利用数字信号处理电路10运算仅选择所需信号范围。例如用热电偶时，所有热电偶测定范围中的热电势(热电动势)在-10mV～80mV范围。将该范围输入预先设定为第二变换模块输入获得信号的输入零点和输入范围点。例如，用前置放大器2放大89倍，再加1.9V的偏压，则-10mV～80mV信号变为1～9V。这里，取A/D变换器的输入范围为0～10V，则0～1V、9～10V分别设定为下溢、上溢区。这样一来，使之能对应于所有热电偶传感器的种类(K型或E形等)，之后，进行运算处理。

数字信号处理电路10有存储传感器种类或信号范围的区域，还备有若干曲线校正用(线性化)数据表以对应于多个传感器。对于曲线校正用数据，例如在热电偶情况下，由于热电势根据JIS定义，因此将这作为曲线校正用数据，预先作成数据表，这样通过插补运算很容易进行曲线校正运算，进行校正。

本结构例，与第一变换模块相同，当将K形热电偶300～600℃接入输入端时，预先将热电偶种类为K形、信号范围为300～600℃输入存储于数字信号处理电路10。于是，在数字信号处理电路10中，定义为输入零点12.207mV的300℃，相当于输出DC1V，输入范围点为24.902mV的600℃，相当于输出DC5V，并进行量程(range)运算及输出处理。然后，曲线校正用(linearization)数据表也选择K形热电偶300°～600℃的部分，并进行曲线校正运算。

按照上述构成，在第二变换模块中，不是根据传感器种类、信号范围来计算设定电路常数，而是只要输入传感器种类、信号范围，就能获得所需输出信号。

作为已有技术的变换模块，给出了上述2个例子，在上述2个变换模块中分别有如下特征。

每当改变传感器种类及信号范围时，对第一变换模块不得不计算增益、偏置量，设置调整电路常数。

然而，在过程信号计测领域，由于使用多个变换模块，故一般采用图5变换器单元508那样的汇集8点、16点或32点单位的集中型变换模块，以便减小安装空间和减少布线费用。在第一变换模块中，作为这种多点集合型信号变换器的构成要素考虑，虽必须对每点在增益、偏置电路上进行设定调整，但作为整个电路，价格较低。

在第二变换模块中与第一变换模块不同，每当传感器种类及信号范围变化时，不必在增益、偏置电路上进行设定调整，由于采用高精度的A/D变换器和微机，只要输入传感器种类及信号范围就可以获得变换模块。但是，对每一点都要有A/D变换器、微机和D/A变换器，故作为多点集中型信号变换器构成要素考虑，成本较高。

就第一及第二变换模块两者而言，变换模块的增益或偏置的设定值即使为同一设计值，也会因各模块使用元件的偏差而一般产生几％的误差。已有技术在每一个模块设置可变电阻器对这种误差进行调整，故调整作业麻烦。

本发明为解决上述第一、第二信号变换器存在的问题，其目的在于提供一种低费用、调整方便的多点集中型信号变换器。

如图5已有系统结构例所示，PIO单元、信号变换单元，端子板单元是分开的结构，故当维修检查每个控制闭环时，输入要检查信号变换单元、输出要检查端子板单元，必须要分开检查对应的变换模块和端子板。

本发明另一目的在于提供一种对于每个控制环汇集输入、输出的、便于维修的信号变换器。

为实现上述目的，本发明的特征在于，在输入检测厂区设备物理量的多个检测端来的信号、进行必要的校正发送给主计算机、或将主机算机来的信号发送给厂区设备的操作端的信号变换器中，其特征在于，备有：

具有从检测端输入进行规定放大处理的处理手段、和存储与所述检测端及所述处理手段有关信息的存储手段的检测端放大单元；

具有变换为操作端可接收的规定控制信号的变换手段、和存储与所述操作端及所述变换手段有关信息的存储手段的操作端放大单元；

具有连接所述检测端放大单元及所述操作端放大单元的连接手段、和对与主计算机进行通信的信号进行处理的信号处理手段的信号变换单元。

本发明的关键在于，通过将各个放大单元的构成压缩到必须的最小限度以降低成本，并用信号变换单元进行多个放大单元的曲线校正和量程运算，故信号处理单元的费用为1/n(n＝8，16或32)，而且可将输出用放大单元与信号变换单元合在一起。另外，由于各个放大单元设有存储手段存储检测端信息或放大单元的调整数据，故即使更换放大单元也无需调整作业。

附图概述

图1所示为本发明信号变换器的实施例；

图2为表示使用本发明信号变换器的系统结构例的原理图；

图3为已有技术的信号变换器的第一结构例；

图4为已有技术的信号变换器的第二结构例；

图5为表示使用已有技术信号变换器的系统结构例的原理图；

图6为表示本发明信号变换器的处理动作的流程图；

图7为表示非易性存储器内容的示意图；

图8为表示模块数据表的示意图；

图9为表示输入扫描表的示意图；

图10为表示输出扫描表的示意图；

图11为表示输出数据表的示意图。

下面，参照附图说明本发明的实施例。

图2表示使用本发明的简单的过程结构例。

图2中，201为主计算机，207为通信电缆，208为变换器单元，209～212为输入用模块，213为接口，214为电源装置，221为流量计，222为操作阀，223为温度检测端，224为锅炉，225及226为输出用模块。图2结构例与图5一样，也是具有所谓燃烧燃料控制锅炉蒸气温度的2个简单过程闭环的例子。

现在来简单说明上述结构的本发明的动作。首先，流量计221(1)，(2)及温度检测端223(1)，(2)的信号接入输入用模块209～212，在变换单元208信号变换为数字量。然后，变换后的各个输入用模块的输出信号由接口213汇总经通信电缆207传送给主计算机201。

主计算机201取入过程信号，执行PIO等的控制运算，运算结果获得操作输出值。所获得的操作输出值通过通信电缆207、接口213，再输入变换器单元208。变换器单元208对多个数字量进行D/A变换，输出给对应于第一闭环、第二闭环的操作输出的输出用模块225、226。输出用模块225、226放大到最终操作输出值，分别输出给操作阀222(1)、222(2)。

以上是本发明简单动作的说明，本发明为了将图5中流量计或操作阀等的厂区内设备和主计算机的信号集中在一起，将作为信号变换器的PIO单元502和变换器单元508还有端子板单元516三个单元所构成的部分，可用变换器单元208的一个单元作成信号变换器。

下面，参照图1说明作为本发明信号变换器使用的变换器单元。

图1为用框图表示图2中变换器单元208的一部分，仅仅是表示图2中第一闭环的输入、输出的例子。在图1中，1为输入端，2为前置放大单元，6为隔离电路，7为输出电路，9为A/D变换器，10为数字信号处理电路，13为通信电路，14为非易失性存储器，15、16、26为多路转换器(MPX：multiplexer)，22为操作输出端，23为操作输出电路，24为模拟信号保持电路，27为D/A变换器，209、210为输入用模块，208为信号处理单元，225为输出用模块，28为输出端。

图1所示输入用模块209、210及输出用模块225，其标号与图2所示相同，各自构成模块，连接于信号处理单元208。信号处理单元208备有能对输入用模块209或输出用模块225等各个模块进行多路连接的连接器，各连接器分别备有输入用和输出用的连接端和下文要描述的非易失性存储器14用的连接端，模块不管是输入用还是输出用都要连接。连接器的数目有8点、16点、32点等各种各样。图1中，连接器的No.1和No.2连接输入用模块，No.3连接输出用模块，表示处理图2中第一闭环的输入输出的模块。

下面，以模块210为例来说明传感器输入处理用的输入用模块。

输入用模块随所连装置(热电偶或测温电阻，其它变送器等)不同各有不同的接口，成为连接输入端1的每种装置的专用模块。但是基本上构成图1所示结构，由前置放大单元2放大到规定电压，通过隔离电路6、输出电路7进行所谓的隔离输出处理，这些都是共用的。

输入用模块210的输入端1连接有温度检测器223，这里温度检测器223若取前面的K形热电偶300～600℃，则输入用模块210使用预先设定的模块，使得其前置放大单元2具有与图4前置放大单元相同的89倍增益，并按1.9V偏压进行处理。

输入用及输出用各模块备有各间的非易失性存储器14。图7示出非易失性存储器14的内容。如图7所示，非易失性存储器14中写有各模块输入输出信号调整用数据，输入传感器的种类及测定范围的数据，和曲线校正用(线性化)数据等。

若为本实施例情况，由于输入用模块210用于热电偶，故前置放大单元2的设计值为增益89倍及偏压1.9V，然后即使为同一设计值，若模块不同，也会因使用元件的误差而产生几％的误差。调整用数据，不像已有技术那样用可变电阻器调整误差，而是事先取入输入输出数据，根据这准备调整用数据，通过运算进行调整作业。曲线校正的校正精度虽取决于曲线校正用数据的多少，但对于热电偶，只要保持每10℃的数据，就足以获得0.1％的精度。非易失性存储器14，由于所需数据量很小，故价格低廉的512比特的串行接口就足够用了。

下面，参照图6的流程图说明信号处理单元208的工作。图6的工作为电源接通时及每隔一定周期进行。每隔一定周期进行读取动作是为了适应带电更换放大单元的情况。

首先，说明传感器输入处理①。

开始，经多路转接器16对连接于信号处理单元208的各模块中非易失性存储器14进行扫描，读取它们的内容(601)。

接着，根据从各模块读取的数据，作成模块数据表(602)。作为举例示于图8。用模块数据表识别扫描过的各模块是输入用还是输出用，当为输入用模块时，则将输入信号种类(热电偶、测温电阻、或变送器等)、输入信号测定量程、按需要调整用数据和曲线校正数据(未图示)等数据按各模块加以存储。

再，根据模块数据表的各个模块是输入用还是输出用的识别数据，作成图9及图10所示输入扫描表和输出扫描表(603)。这里，在输入扫描表将对应于输入用模块的地址设为“1”，同样在输出扫描表将对应于输出用模块的地址设为“1”。

再经多路转接器15对连接于信号处理单元208的各模块的输入信号进行扫描(604)。这里，输出用模块与信号处理单元208合在一起，即使有未连接模块的连接器，也不影响多路转接器15的扫描。

再根据输入扫描表，仅选择判定为输入用模块的输入信号，经数字信号处理电路10变换数据，经通信电路13输出到输出端28(605)。数据变换，首先根据预先取入模块数据表的各模块调整用数据，对通过A/D变换器9取入的输入信号进行数据调整。其次，根据传感器种类及测定范围和曲线校正数据，进行量程(range)运算，曲线校正运算，从而获得输出值，在图4已有技术例中，是将它变换为模块量加以输出的，而在本实施例中所取方式是经过通信电路13的通信传送输出数据的。其原因是由于主计算机即使接受模拟信号的数据，也必定要A/D变换才能使用数据。不言而喻，在数字信号处理单元10的后级设置D/A变换电路和输出电路来输出模拟量也是可以的。

下面，说明操作输出处理②。

操作输出数据是从主计算机经通信传送的，信号处理单元208，当接收到应发送给连接于自身连接器的输出模块的操作输出数据时，就将接收到的数据存入图11所示输出数据表(606)。

接着，对输出数据表的内容进行扫描，将操作输出数据输出给各模块。在本实施例中，虽然信号处理单元208的No.1、No.2接输入用模块，No.3接输出用模块，但输出给所有通道也没关系。这是因为输入用和输出用各模块其硬件接线不同，即使输出给输入模块，也只是空输出，不会有什么问题。

向输出模块的输出动作，在输出给输出用模块225情况下，经多路转换器26选择输出用模块225时，D/A变换器27对分配给输出用模块225的操作输出数据进行D/A变换并加以输出。由此，对应的操作输出数据保持在模拟信号保持电路24中。再经操作输出电路23向操作输出端22输出数据。这里，模拟信号保持电路24单单用电容器构成的保持电路就足够了。而操作输出电路23是一种V/I变换电路，它将模拟电压信号变换为DC4～20mA的电流信号。

如上所述进行操作输出处理②，配合上述传感器输入处理①，可见输入用模块和输出用模块即使多个合在一起也可进行工作。

操作输出处理②以后的处理，每隔一定周期再次回到图6中601的处理，进行循环处理。

在谋求处理高速化时，在604的输入处理和607的数据输出处理，只对输入扫描表及输出扫描表中为“1”的模块选择执行输入或数据输出，从而能高速化。

按照上述处理，PIO单元、变换器单元及端子板单元可用一个单元来实现。

若将本发明图2与已有技术结构的图5相比，可见PIO单元和端子板单元可省略，能以低价构成系统。由于PIO单元、端子板单元不需要，故它们间的布线也省略掉，由于每个控制闭环的输入输出模块可安装在一起，故可方便于维修。

按照本发明，由于能用简单的放大电路、隔离电路和非易失存储器构成输入输出模块(放大单元)，故每一点的模块造价低，而且，由于输入用和输出用模块可混合在一起安装，且每个控制闭环的输入输出可合在一起，故非常容易维修。

在构成系统时，作为已有技术必须的PIO单元和端子板单元不再需要，故能大大降低系统价格。

由于信号处理单元支持多台模块，故每一台的费用为1/n(假定连接n台)。本发明基本上由多量程的信号变换器构成，由于一种输入输出用模块(放大单元)能用于各种量程，故能获得管理费用低的效果。

由于设于模块内的非易失性存储器存储着调整数据，故可省略可变电阻，因无需旋转可变电阻进行调整的调整作业，故可减少成本，

由于没有可动部件，故可提高可靠性，由于各个模块内设的非易失性存储器存储着传感器的种类及测定范围的数据，故有故障时，只要替换模块就能很快恢复，由于各种模块都能连接于信号处理单元，故能构成多种多样的信号变换器。

Claims (4)

1.一种输入输出混合型信号变换系统，从检测厂区设备物理量的多个检测端(221-223)输入表示检测物理量的信号，进行必要的校正发送给主计算机(201)，或将主机算机来的信号发送给厂区设备的操作端(222)，其特征在于，备有：

具有从对应的一个检测端输入信号进行规定放大处理输出给连接单元(15，16)的处理单元(2)、和存储与所述对应的一个检测端及所述处理单元有关信息的存储单元(14)的检测端放大单元(209，210)；

具有将连接单元来的信号变换为所述操作端(22)可接收的规定控制信号的变换单元(23)、和存储与所述操作端及所述变换单元有关信息的存储单元(24)的操作端放大单元(225)；

具有连接所述检测端放大单元及所述操作端放大单元的所述连接单元(15，26，16)、和连接于所述连接单元对与主计算机进行通信的信号进行处理的信号处理单元(10)的信号变换单元(208)。

2.如权利要求1所述的输入输出混合型信号变换系统，其特征在于，所述检测端放大单元(209，210)和所述操作端放大单元(225)可装拆于所述信号变换单元(208)中连接单元(15，26，16)的任意位置。

3.如权利要求2所述的输入输出混合型信号变换系统，其特征在于，所述连接单元备有：接收所述检测端放大单元(209，210)中处理单元(2)来的信号的第一端子(15)；向所述操作端放大单元的变换单元发送信号的第二端子(26)；读取所述检测端放大单元和所述操作端放大单元中各个存储单元(14)的信息的第三端子(16)。

4.如权利要求1所述的输入输出混合型信号变换系统，其特征在于，所述检测端放大单元(209、210)随所连接的检测端的种类不同而其所述处理单元(2)进行不同的设定。

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