【正文】 由于測氧元件是非線性元件，所以要對儀表量程內(nèi)的線性誤差進行修正，提高儀表在各量程段內(nèi)的測量精度。同時繼電器 3動作打開 電磁閥 3使 1%標(biāo)氣通過探頭的標(biāo)氣管進入探頭的測量端，此時儀表進行計算后應(yīng)顯示送 1%標(biāo)氣時氧量測量值。通過儀表的設(shè)定 ,定時時間到分別打開四只電磁閥來完成。C 執(zhí)行 BANGBANG 控 制 ， 否 則 如 果1176。 三 分段 PI–模糊控制器的實現(xiàn) 本文中控制給定溫度設(shè)定值 700T? 176。 表 3–1 偏差 E*的隸屬函數(shù) 量化區(qū)模糊子集6 5 4 13 2 0 3+0 21 4 65PBPMPSPZNZNSNMNB 000000 0000000 0000000 0000000 0 0 0000000 0 0000000 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 19 表 3–2 偏差變化 EC*的隸屬函數(shù) 6 5 4 13 2 30 21 4 65PBPMPSZNSNMNB 量化區(qū)模糊子集 0 0 0 0 0 表 3–3 基本模糊控制表 6 5 4 13 2 0 3+0 21 4 65654321010 0001244 4467670 0001244 4466660 0001244 4467672 2202255 5566664 4430014 1467674 4433014 1467676 7764101 0467676 7764410 113444E*U*EC*234566 7764410 1024446 6663310 1002226 7764443 4110006 6664442 4110006 7766441 411000 二 PI 控制器 模糊控制器自身不能有效地抑制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，在誤差進入偏差較小范圍時，切換到積分環(huán)節(jié)可以明顯是減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。C ，以溫度偏差 10176。C 并保持恒定， 應(yīng)用傳統(tǒng)的控制理論和方法不易達到好的控制效果。 氧化鋯傳感器溫度分段 PI－模糊控制器的設(shè)計 使用氧化鋯傳感器產(chǎn)生的氧濃差電勢的大小，不僅與 P0/P1 有關(guān)，還與氧化鋯的工作溫度有關(guān)。衡量模數(shù)轉(zhuǎn)換的重要性能指標(biāo)是系統(tǒng)所采用的最大采樣頻率、 ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）分辨率、轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換時間。具有鍵盤自檢功能的儀器面板上應(yīng)設(shè)有“自檢”按鍵，當(dāng)用戶對儀器的可信度發(fā)生懷疑時，便通過該鍵來啟動一次自檢過程。自動檢測功能給智能儀表的使用和維修帶來很大的方便。為保證儀表系統(tǒng)有非常高的可靠性，在器件選取上應(yīng)考慮成熟的產(chǎn)品 ,在硬件設(shè)計上應(yīng)有電源監(jiān)視和掉電保護功能 ,在功能上有自動診斷功能 ,軟件設(shè)計上必須采取容錯、濾波等抗干擾措施，硬件電路上必須全方位光電隔離等； 。C 相對濕度＜ 90%； ： 220VAC/50Hz； ：變送器 15W 加熱爐約 180W； ： 110VAC； ：約 65～ 70Ω； ： CAN 總線通信，并配置 RS485 通信接口。因此本項目所要達到的預(yù)期目標(biāo)不但要具備傳統(tǒng)氧量分析儀一些基本功能，而且還要在智能化、集成化、開放性、可靠性以及運算處理能力上有較大進步和提高 [12] [13] [14]。間歇期間，不允許啟動發(fā)送數(shù)據(jù)幀或遠程幀，它僅起標(biāo)注超載條件的作用。遠程幀的組成如圖 2–4 所示。 數(shù)據(jù)幀的組成如圖 2–2 所示。 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 11 總線故障管理數(shù)據(jù)鏈路層物理層LLC接受濾波超載通知恢復(fù)管理數(shù)據(jù)封裝/拆裝幀編碼（填充/解除填充）媒體訪問管理錯誤監(jiān)測出錯標(biāo)定應(yīng)答串行化/解除串行化MACPLSPMAMDI位編碼/解碼位定時同步驅(qū)動器/接收特征連接器故障界定 圖 2–1 CAN 的分層結(jié)構(gòu) 二 CAN 的數(shù)據(jù)鏈路層 在 CAN 技術(shù)規(guī)范 的版本中，數(shù)據(jù)鏈路層的邏輯鏈路控制子層（ LLC）和媒體訪問控制子層（ MAC）的服務(wù)和功能分別被描述為“目標(biāo)層”和“傳輸層”。 為使設(shè)計透明和執(zhí)行靈活， CAN 只采用了 ISO/OSI 模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。 氧濃差電池總反應(yīng)式為 : 正極： )(24)(O 222 Z r OOe ???空氣 （ 2–3） 負極： eOZ rO 4)()(O 222 ?? 煙氣 （ 2–4） 能斯特方程 宏觀上 ,氧濃差電池總反應(yīng)效果是含氧量高一側(cè)的氧氣通過氧離子的方式向含氧量低一側(cè)移動。同時，氧化鋯中的氧離子 2O 也有失去電子成為氧分子回到空氣或煙氣中的趨向。如果在氧化鋯中摻入少量（ 12%～ 15%）的氧化鈣（ CaO）等稀土氧化物作穩(wěn)定劑，再經(jīng)過高溫焙燒 ,則其晶型變成不隨溫度而變化的穩(wěn)定瑩石 型立方晶體，是一種穩(wěn)定的氧化鋯材料。C ， 溫度顯示精度個位數(shù)； ,主要參數(shù)在線數(shù)字顯示 ,溫控狀態(tài)顯示； 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 7 ,冷端溫度數(shù)字顯示 ,冷端測溫元件采用 AD590 測溫元件安裝位置變送器探頭可任意； ：基本設(shè)定 (年，月，日，時間，通信速率 )、報警定值設(shè)定 (報 警上限，報警下限，延遲時間 )、氧量參數(shù)設(shè)定 (氧量 ,輸出類型 ,量程上下限 ,采樣時間 )、溫度參數(shù)設(shè)定 (溫控定值 ,量程上下限 ,采樣時間 )、定時自動修正標(biāo)定 (起始日期 ,起始時間 ,間隔天數(shù) ,即時自動校正 )； ； 偶保護 ,超溫保護； ：即時定時自動修正標(biāo)定，自動校正（氧量 ,本底電勢 ,標(biāo)氣修正在 線顯示），手動校正 (氧量 ,本底電勢 ,標(biāo)氣修正在線顯示 )； ， LCD 液晶顯示屏漢字顯示背光照明，儀表各 項操作顯示采用中文菜單形式； RS485 通信接口 ,實現(xiàn) CAN 通信，上位機對儀表能進行讀寫操作。系統(tǒng)設(shè)計存在不足，信息轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多，增加了信號處理的中間環(huán)節(jié)和信號之間的連線，易引入干擾信號，沒有很好地采 用有效的軟硬件容錯、隔離等抗干擾措施，影響系統(tǒng)的檢測精度和抗干擾能力； 。 現(xiàn)場總線儀表系統(tǒng)具有以下優(yōu)點 [5]: 4～ 20mA 模擬信號通訊瓶頸現(xiàn)象； ； I/O 裝置，降低布線量和安裝成本； ； ； ； ，使用壽命長?，F(xiàn)場總線是過程控制技術(shù)、儀表技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 3 個不同領(lǐng)域結(jié)合的產(chǎn)物。與前 3 代相比， DCS 系統(tǒng)發(fā)生了質(zhì)的變化，可以說是一次革命，但仍存在不少問題，如比較突出的兼容性問題。其作用是截取部分具有代表性的氣樣按指定方向流經(jīng)檢測器，并保護檢測器不受高速煙氣沖刷，測量的準(zhǔn)確度和靈敏度不受影響。直插式氧化鋯測氧儀檢測器可分為自溫式和它溫式兩種。到七十年代中期，氧探頭的理論和實踐已趨成熟，開發(fā)出了多種結(jié)構(gòu)形式的氧探頭。 氧化鋯氧量分析儀國內(nèi)外現(xiàn)狀 人們早就知道，某些固體氧化物、鹵化物、硫化物等具有離子導(dǎo)電性能，其中最著名的是 1899 年 Nernst 發(fā)現(xiàn)的 穩(wěn)定氧化鋯在高溫下呈現(xiàn)的離子導(dǎo)電現(xiàn)象。檢測電動勢 E 的大小，即可測知氣體的氧含量。所以它不適于背景氣成分復(fù)雜、變化范圍寬的混合氣體分析?？蓱?yīng)用于冶金噴煤系統(tǒng) 氧含量分析或空分制氧系統(tǒng)中氧氣純度的分析。本文要研制的基于現(xiàn)場總線的氧化鋯氧量分析儀表是一種靈敏度高、測量精確、適用于現(xiàn)場、壽命長的在線測定儀 [1]。它具有自動測量、實時在線測量的能力，并可通過數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)自動校準(zhǔn)、數(shù)字濾波、智能處理等。分類號： 學(xué)校代碼： 10079 密級： 華 北 電 力 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 題 目 ： 現(xiàn)場總線智能氧量分析儀表的研究與設(shè)計 英 文 題 目 ： Research and Design of Intelligent Oxygen Analyzer Based on Fieldbus Technology 研究生姓名 ：崔倩 專業(yè)： 控制理論與控制工程 研 究 方向： 儀表智能化技術(shù) 導(dǎo) 師 姓名： 韓璞 職稱： 教授 2021 年 12 月 15 日 聲 明 本人鄭重聲明：此處所提交的碩士學(xué)位論文《 現(xiàn)場總線智能氧量分析儀表的研究與設(shè)計 》，是本人在華北電力大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期間，在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作和取得的研究成果。 與 傳統(tǒng)儀表相比，該智能儀表有許多突出特點。為保證燃燒效率，監(jiān)視燃燒過程；為確保生產(chǎn)安全，測定易燃、易爆氣氛中的氧含量；研究生物的呼吸過程；測定潛艇、礦井、隧道中的大氣含氧量 等等都需要氧分析儀。選用不同含氧量的流動參比氣 ,原則上可獲得對應(yīng)于基本量程為跨度的任意量程。10%，儀表誤差可達 15%導(dǎo)熱系數(shù)小密度很大的 CO2 增加 15%，示值將增加 10%O2。 氧化鋯氧分析儀 氧化鋯氧分析儀是利用高溫濃差電池原理來測量混合氣體中氧含量的，在氧化鋯管的管底內(nèi)外各涂上一層鉑金內(nèi)電極和外電極，使之處于溫度恒定的電爐中 ,外電極在參比空氣中，內(nèi)電極接觸流經(jīng)導(dǎo)管的被測氣體，在內(nèi)外壁氧的不同含量作用下，電極上產(chǎn)生一個服從能斯特方程的電動勢 E。所以本課題選擇氧化鋯氧分析儀作為設(shè)計方向。七十年代初出現(xiàn)商業(yè)用氧化鋯氧探頭以后，引起科學(xué)界和工業(yè)界的普遍重視，特別是西德、日本、美國等國都進行了深入的研究和產(chǎn)品開發(fā)工作。但由于直接受到煙氣沖刷、粉塵磨損等工作環(huán)境的影響，壽命短一直是困擾直插式氧化鋯氧分析儀推 廣的關(guān)鍵因素。取樣導(dǎo)管稱作導(dǎo)流管，尺寸可根據(jù)要求確定。 現(xiàn)場總線儀表 過程控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)從第 1 代基地半自動檢測系統(tǒng)、第 2 代單元組合儀表系統(tǒng)、第 3 代數(shù)字化集中控制系統(tǒng)發(fā)展到第 4 代 DCS 系統(tǒng)。以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的第 5 代過程控制體系結(jié)構(gòu)呼之欲出。執(zhí)行器的基本功能是驅(qū)動和執(zhí)行，但內(nèi)含調(diào)節(jié)閥輸出特性補償、 PID 控制和運算等功能，還有 閥門特性、狀態(tài)自校驗和自診斷功能； ，工程師站提供現(xiàn)場總線組態(tài)，操作員站提供工藝操作與監(jiān)視，計算機站用于優(yōu)化控制與建模。國產(chǎn)流量儀表多數(shù)缺乏非線性補償以及數(shù)字濾波等高級信號處理能力，影響了氧含量檢測精度； 。1 176。因此 ,純凈的氧化鋯不能用來做測量元件。 這時兩側(cè)氣體中的氧分子被金屬鉑（ Pt）吸附，并且在其催化作用下，都有得到電子成為氧離子 2O 進入氧化鋯離子空穴中去的趨向，而在金屬鉑（ Pt）表面上留下過剩的正電荷。只要氧化鋯管內(nèi)外存在氧濃差，上述反應(yīng)就繼續(xù)進行，從而維持兩電極之間的電位差，該電位差稱作氧濃差電動勢（簡稱濃差電勢）。其中 給出了 CAN報文標(biāo)準(zhǔn)格式，而 給出了標(biāo)準(zhǔn)的和擴展的兩種格式。當(dāng)總線長為 40m時，最大通信速率為 1Mbit/s；而當(dāng)通信速率為 5kbit/s 時，直接通信距離最大可達 10km。數(shù)據(jù)場長度可為 0。 DLC 的數(shù)據(jù)值是獨立的，它可以是 0～ 8 中的任何數(shù)值，這一數(shù)值為對應(yīng)數(shù)據(jù)幀的 DLC。 間歇場：由 3 個隱位組成。 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 14 第三章 系統(tǒng)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)分析及總體方案設(shè)計 任務(wù)分析及設(shè)計原則 本項目研發(fā)的目的一方面為了提高我國氧量分析儀研究和開發(fā)技術(shù)水平，另一方面也為了滿足用戶對氧量分析儀功能不斷增加的需要。C 連續(xù)可調(diào)； ：二路隔離直流電流輸出 4～ 20mA 或 1～ 5V 電壓輸出可切換； ：溫度 0～ 60176。開放性包括硬件電路開放性、軟件設(shè)計開放性以及系統(tǒng)通訊開放性三部分，硬件模塊功能劃分明確，電路單元功能相互獨立，做到即插即用，同時組成電路單元的元器件應(yīng)通用性強，替代性好；軟件設(shè)計時應(yīng)考慮可讀性和可擴充性，易于別人二次開發(fā)；充分利用 CAN 總線的優(yōu)點，嚴(yán)格按照 CAN 總線協(xié)議進行通信模塊開發(fā)，方便用戶聯(lián)網(wǎng)組態(tài)； 。智能儀表要求能夠?qū)x表本身的故障進行檢測， 當(dāng)儀表出現(xiàn)故障時，能夠拋棄故障點的測量數(shù)據(jù)并及時對儀表進行維修或更換。周期性自檢不影響儀器的正常工作，因而只有當(dāng)出現(xiàn)故障給予報警時，用戶才會察覺； 。 采集精度的提高 模數(shù)轉(zhuǎn)換通常是數(shù)字信號處理系統(tǒng)中的基本環(huán)節(jié)。 按照上述的要求，我們可以計算出過采樣頻率，根據(jù)需要增加分辨率 的 位數(shù)，以及系統(tǒng)對參數(shù)測量所要求的頻度（一秒顯示一次，即為 1Hz），我們計算出過采樣頻率為： Hzff nos 25612564 w ????? （ 3–1） 因此，采用 256Hz 的采樣頻率進行過采樣，將采集的樣本求均值，即可得到 16位的輸出，經(jīng)過實際的測試，經(jīng)過過采樣后，測量值比較穩(wěn)定，協(xié)方差比 12 位精華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 17 度要小的多，這證明測量數(shù)據(jù)達到了 16 位分辨率。因此，為了能夠?qū)⒀趸?