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天津大學:彩色無紙記錄儀的設計與原理

更新時間:2017年03月10日 所屬類別:知識百科 閱讀量:

彩色無紙記錄儀是以多微處理器組成處理器網絡的功能強、實時性好的新一代記錄儀表。其特點在于可對標準電壓、電流、熱電阻、熱電偶信號實現通用輸入,使裝調簡化;采用先進的A/D技術和自校正技術,提高了自動抗溫漂的能力,對惡劣環境中的各種干擾進行了有效地濾除;運用帶掉電保護的大容量RAM,紹興中儀可做到最大512M的存儲容量和CF存儲卡(128-1G)相結合,以解決近期數據的查閱和長期數據保存的矛盾。采用TFT真彩色5英寸液晶顯示屏,擴大了顯示信息。友好的人機界面,有工程量顯示,棒圖顯示,曲線顯示等多幅畫面便于查閱;多達5級的靈活的中文菜單進行系統設置,并有密碼對設定參數進行保護;采用RS-232/RS-485通訊接口,與PC機實現數據通訊及上位機組態,還可外接微型串行打印機打印各通道數據及實時報警狀態欄;外殼設計采用專用鋁合金型材,具有較好的抗干擾能力,安裝方便,美觀實用??蓮V泛用于化工、冶金、石油等各種領域中對生產過程中工業參數的采樣、監測、分析、存儲,彌補了機械式有紙記錄儀卡紙,墨水泄漏,機械結構復雜,維護成本高,功能有限等種種缺陷,是自動化生產中理想的換代儀表。

無紙記錄儀工作原理

無紙記錄儀中的通道板分別將各種模擬輸入信號經采樣,放大后送到A/D轉換部分。此信號經A/D轉換器轉換成數字量,并經數字濾波后存入數據存儲區,通道板CPU每0.2s與主板CPU進行通訊,把測量數據傳送給主板,主板對此數據進行必要的處理,將其轉換成工程值或曲線(顯示屏的坐標),在顯示屏不同的畫面中顯示這些信息。此外,CPU還將測量值得分別在RAM和FLASH存儲卡存儲,進行上下限報警處理,并根據報警輸出設置將報警狀態以接點的方式在相應的繼電器上輸出。

CPU通過數據總線接受鍵盤操作命令,根據此命令進行相應的處理及顯示。把各項設定參數存儲在EEPROM中。并根據打印設置,將相應的數據通過RS232通訊接口傳送到打印機,將數據打印出來。

無紙記錄儀硬件結構

無紙記錄儀由主板、通道板、顯示屏、鍵盤、存儲卡、繼電器輸出板、通訊板和電源6部分組成,相互之間由帶纜和總線插槽連接。

顯示屏

采用點陣式彩色液晶顯示屏,分辨率為220*160,可顯示8種顏色,從而實現漢字、圖形、表格的顯示。

主板

主板主要包括單片機系統和信號切換單元。

無紙記錄儀硬件結構圖

無紙記錄儀硬件結構圖

單片機系統

采用8位單片機80C32和80C31,完成對輸入信號的測量、運算、畫面顯示和報警輸出以及通訊等功能,主要包括有CPU(80C31/80C32)、EPPOM(27C512)、EEPROM(24LC02)、RAM(628128)、看門狗(DS1232)、時鐘(DS1216)。

具有掉電保護的RAM可以防止意外掉電或關機情況下內部設定參數及記錄數據的丟失。關鍵數據的保護,以及通訊參數的設置等,對無紙記錄儀來說是到頭重要的,直接影響它的正常運行。

看門狗主要防止儀表因受外界干擾而出現死機現象,一旦CPU或RPROM受到干擾千萬程序混亂,看門狗將在特定的時間內重新復位CPU,使其重新運行,從而保證儀表正常運行。

時鐘主要為該儀表提供實時時間,CPU只需在一定時間內讀取時鐘芯片內的時鐘數據關于顯示屏顯示,無需占用CPU內部定時器,大大減少了CPU的資源和運行時間。在此時鐘芯片中還集成一塊鋰電池,在系統掉電或關機時,保護了實時時鐘以及RAM中存儲的數據。

EEPROM(24LC02)中存儲了各通道的設定參數,每個通道都有一片24LC02,分別記錄了該通道的調校數據、設置參數(包括信號類型、量程上下限、工程量程、數據記錄間隔、報警上下限等),芯片采用兩線制,極大地節省了系統資源。

繼電器控制單元

主要根據報警輸出的狀態為繼電器的通/斷提供控制信號。

通道板

由于無紙記錄儀接受的模擬信號為標準信號或各種熱電偶、熱電阻信號,主機需要具有對其進行一系列的信號處理功能:單片機控制多嘴開關的切換,毫伏信號的放大,A/D轉換,最后將轉換后的數據算術平均值存入單片機相應的單元中。

單片機系統與通道板的連接:單片機系統定時與通道板通訊,向通道板發送指令并從通道板接受采樣數據,且各通道間相互隔離。

電源電路

采用低壓開關電源,提高了轉換效率,降低了功耗。電源電路和輸入可選用交流AC220V/50Hz或直接DC24V電源,以滿足不同工業環境的要求。

主機外殼

采用專用鋁合金開票,開孔尺寸138*138mm,現在根據需要,紹興中儀開發了多款外形以適合不同的客戶需求,如160*80mm、288*288mm等。

無紙記錄儀關鍵技術

信號的通用輸入

無紙記錄儀通過后端子的接線,系統菜單內的設置相結合,方便地實現了不同類型信號的通用輸入,其原理如圖2所示。

無紙記錄儀信號輸入原理圖

圖2:無紙記錄儀通用信號輸入原理圖

圖2中,S1及S2的開閉情況如下,當信號為熱電偶,S2打開,S1閉合;當信號為標準信號時,S1打開,S2閉合;當信號為熱電阻時,S1,S2都打開。

熱電阻采樣

無紙記錄儀采用模擬開關進行通道切換對熱電阻信號采樣,由于模擬開關內的導通電阻是不可知的,且各通道間導通電阻也不相同,所以需要在電路設計上進行考慮,具體方法如圖3所示。

無紙記錄儀熱電阻采樣電路圖

無紙記錄儀熱電阻采用電路圖

圖三中,R102,R101分別為被測熱電阻的上,下限電阻值,電流源流經被測熱阻或標準電阻時,產生電壓,而從Y端取出的電壓為模擬開關前端的電壓,排除了導通電阻的影響,提高了精度。

主要技術指標

基本誤差:±0.2%,歷史記錄回放誤差:±0.1%,報警誤差:±0.1%,重復性誤差:±0.1%,報警重復性誤差:±0.1%,串行口輸出:RS-232,電源AC220V±10%或DC24V。

結束語

無紙記錄儀表現出適應范圍廣,使簡單,準確可靠,功能強大等特點,是傳統無紙記錄儀不能比擬的,可廣泛應用于石油、化工、食品、自來水、水處理等行業中對生產過程參數的測量與記錄。相信它會在自動化生產過程中發揮越來越大的作用。

作者簡介:王悅,北京人,1994年畢業于北京機械工業學院,目前在天津大學管理學院就讀,工業工程專業在職工程碩士。

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