通用輸入型隔離器、隔離柵的設(shè)計(jì)

摘要:隔離器、隔離柵在工業(yè)控制系統(tǒng)中承擔(dān)著信號(hào)的隔離和傳輸?shù)淖饔?而現(xiàn)場(chǎng)傳感器的信號(hào)類型多種多樣,如電流信號(hào)、電壓信號(hào)、熱電阻信號(hào)熱電偶信號(hào)、毫伏信號(hào)、電阻信號(hào)等。目前,傳統(tǒng)的隔離器、隔離柵是針對(duì)每-種或幾種信號(hào)來設(shè)計(jì)不同的產(chǎn)品,因此產(chǎn)品的種類比較多，無形中給客戶選型增加了難度。為了便于客戶選型，增加產(chǎn)品通用性,設(shè)計(jì)了一.款通用輸人信號(hào)的隔離器、隔離柵;同時(shí),為提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率降低硬件成本,采用通用型產(chǎn)品嵌人式軟件的設(shè)計(jì)理念,減少生產(chǎn)標(biāo)定工序。這意味著該設(shè)計(jì)可以大大降低產(chǎn)品種類,提高庫存利用率。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,產(chǎn)品全信號(hào)類型精度優(yōu)于0.05%。
0引言
      隨著工業(yè)控制自動(dòng)化的高速發(fā)展和對(duì)環(huán)境安全要求的提高,大量傳感器在工業(yè)控制系統(tǒng)中越來越多地被使用,以采集和監(jiān)控多種類型的信號(hào)"。為了確保信號(hào)在傳輸過程中的正確性,同時(shí)避免由于信號(hào)的波.動(dòng)或傳輸錯(cuò)誤導(dǎo)致系統(tǒng)損壞或崩潰,需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效的隔離。隔離器、隔離柵應(yīng)運(yùn)而生。
傳統(tǒng)的隔離器、隔離柵存在以下問題。
①產(chǎn)品種類大體分為電壓信號(hào)、電流信號(hào)、熱電阻信號(hào)、熱電偶信號(hào)、毫伏信號(hào)以及電阻信號(hào)。對(duì)最終用戶來說,不僅區(qū)分信號(hào)類型要求較高,而且容易出現(xiàn)選型錯(cuò)誤。
②產(chǎn)品種類多導(dǎo)致生產(chǎn)維護(hù)成本高。
③高端智能產(chǎn)品生產(chǎn)調(diào)試工序較復(fù)雜,硬件成本.和時(shí)間成本較高。
本次設(shè)計(jì)的智能隔離器隔離柵'2]通過軟、硬件技術(shù)解決了以上問題。
1隔離器、安全柵選型應(yīng)用
      隨著工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜程度越來越高,越來越多的信號(hào)種類需要傳輸?shù)娇删幊踢壿嬁刂破?programmablelogiccontroller,PLC)/集散控制系統(tǒng)(distributedcontrolsystem,DCS),有小到毫伏級(jí)的微弱信號(hào),也有標(biāo)準(zhǔn)的電壓、電流、電阻信號(hào)。同時(shí)，信號(hào)傳輸夾雜著各種頻率的干擾信號(hào),因此隔離器、隔離柵在工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛,使用的環(huán)境也各不相同,尤其在危險(xiǎn)的易燃易爆炸場(chǎng)合[”]要求更為苛刻。因此,為了降低應(yīng)對(duì)現(xiàn)如今復(fù)雜多元化的傳感器信號(hào)類型的難度,使用可組態(tài)方式的產(chǎn)品是市場(chǎng)和客戶所需的。傳統(tǒng)隔離器隔離柵,每種產(chǎn)品型號(hào)只能簡(jiǎn)單應(yīng)對(duì)一-種或兩種信號(hào)類型,因此現(xiàn)場(chǎng)控制柜中安裝的產(chǎn)品種類比較復(fù)雜。最終客戶在應(yīng)用選型時(shí)需清楚知道現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)類型，才能選定相關(guān)產(chǎn)品型號(hào)。這對(duì)客戶的專業(yè)水平要求較高,而且現(xiàn)場(chǎng)所需的備品備件的種類和數(shù)量都有很大程度的增加。
2設(shè)計(jì)說明
      本設(shè)計(jì)主要通過輸人硬件以及通用嵌入式軟件來解決多信號(hào)類型的通用輸人問題,使用雙極性信號(hào),單點(diǎn)標(biāo)定技術(shù)減少生產(chǎn)工序,降低生產(chǎn)成本。
2.1本設(shè)計(jì)的應(yīng)用
      隔離器、隔離柵將現(xiàn)場(chǎng)傳感器信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并隔離傳輸?shù)娇刂剖业腄CS或PLC中，為了極大程度地提高了抗干擾性能，并采用電源、輸人、輸出三端隔離。圖1為應(yīng)用框圖。
從圖1可以看出，產(chǎn)品分為三個(gè)隔離端:端口(1,2)為電源端,端口(4,5)為輸出端，端口(6,7,8,9)為輸入端。

      電源端(1,2)接24VDC,設(shè)計(jì)采用正負(fù)電源都能識(shí)別的技術(shù)。這種接線方式大大降低了對(duì)最終用戶的專業(yè)水平的要求。
      輸出端(4,5)接中控室的DCS或PLC系統(tǒng),對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳感器信號(hào)進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換輸出高精度的標(biāo)準(zhǔn)4~20mA信號(hào)。
      輸人端(6,7,8,9)接收來自現(xiàn)場(chǎng)的二、三制變送器、電壓、電流源、三線制熱電阻、毫伏電壓源以及熱電偶等。不同信號(hào)類型都可識(shí)別并能精準(zhǔn)測(cè)量與計(jì)算。
2.2硬件原理
      本設(shè)計(jì)的硬件原理框圖如圖2所示。

      本設(shè)計(jì)硬件電路由電磁兼容性(electromagneticcompatibilty,EMC)保護(hù)模塊、DC/DC模塊、DC/(olternatingcurrent,AC)模塊、電源耦合模塊、單片機(jī)(microcontrollerunit,MCU)控制[4]單元、信號(hào)識(shí)別模塊、AD/DA模塊、組態(tài)標(biāo)定單元、交流電AC/DC模塊、直流電(directcurrent,DC)調(diào)制模塊、負(fù)載監(jiān)控模塊、信號(hào)耦合模塊以及信號(hào)解調(diào)模塊組成。如果是隔離柵,僅需在端口增加本安限能模塊。
EMC保護(hù)模塊主要作用是吸收EMC干擾，包括電快速瞬變脈沖群浪涌(沖擊)、射頻電磁場(chǎng)輻射、射頻電磁場(chǎng)傳導(dǎo)、靜電放電等EMC干擾，從而提高信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量。
      DC/DC模塊是將控制柜中24V開關(guān)電源的直流電源電壓調(diào)制成內(nèi)部所需的直流電源電壓。控制柜中開關(guān)電源一般紋波比較大,通過DC/DC模塊后進(jìn)--步提高電源質(zhì)量,從而提高可靠性。
      DC/AC模塊是將直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓,通過電源耦合模塊隔離輸出到其他兩端,為輸人輸出端提供可靠的隔離電源。
      AC/DC模塊是將電源耦合過來的交流電壓轉(zhuǎn)換.為直流電壓,為輸人、輸出端各個(gè)集成芯片提供所需的直流電源。
負(fù)載監(jiān)控模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)回路中的負(fù)載情況，并反饋給DC調(diào)制模塊,起到負(fù)載調(diào)制的作用。
組態(tài)標(biāo)定單元是對(duì)信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定，以達(dá)到高精度的傳輸。
信號(hào)解調(diào)模塊是將耦合后的信號(hào)解調(diào),并完成高質(zhì)量的信號(hào)傳輸。
      本安限能模塊是針對(duì)防爆儀器儀表的關(guān)聯(lián)設(shè)備,在正常情況下不影響測(cè)量系統(tǒng)的功能。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，能將危險(xiǎn)場(chǎng)所的能量(電能)限制在安全值以內(nèi),從而保證現(xiàn)場(chǎng)安全。它實(shí)際上是一種低功率設(shè)計(jì)技術(shù)。其原理是從限制能量人手，可靠地將電路中的電壓和電流限制在一-個(gè)允許的范圍內(nèi)。儀表在正常工作或發(fā)生短接和元器件損壞等故障情況下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng),不會(huì)引起其周圍可能存在的危險(xiǎn)氣體的爆炸。
      為了提高產(chǎn)品的抗干擾性能,在電源、輸人、輸出三個(gè)隔離端口都有EMC保護(hù)模塊。負(fù)載監(jiān)控模塊的作用是為了降低產(chǎn)品的發(fā)熱問題，其電路原理圖如圖3所示，

      TVS1、C7、L2、L3、C6組成EMC保護(hù)模塊,T1、D1、L1、C4、C5組成DC調(diào)制模塊,T2、D2、R4、R5、R6、C3組.成負(fù)載監(jiān)控模塊。
      現(xiàn)場(chǎng)到中控室一般都會(huì)有比較長(zhǎng)的距離,因此信號(hào)線是比較容易受到干擾。當(dāng)各種干擾信號(hào)疊加在信號(hào)線傳輸時(shí),利用TVS管對(duì)尖峰電壓毛刺的快速響應(yīng)特性有效降低了干擾信號(hào)對(duì)后級(jí)電路的損傷,再通過π型濾波電路極大程度提高了信噪比。AC模塊產(chǎn)生的交流電壓信號(hào)VAC,通過異或門電路與DC調(diào)制模塊為輸出提供電源,使其完成信號(hào)傳輸。
當(dāng)端口外接負(fù)載較小時(shí),如負(fù)載監(jiān)控模塊監(jiān)控到信號(hào)回路的電壓高于閾值,就把信號(hào)傳遞給DC調(diào)制模塊,使其降低提供給負(fù)載的電源電壓。
當(dāng)端口外接負(fù)載較大時(shí),如負(fù)載監(jiān)控模塊監(jiān)控到信號(hào)回路的電壓低于閾值,就把信號(hào)傳遞給DC調(diào)制模塊,使其升高提供給負(fù)載的電源電壓。
3.上下位機(jī)原理
3.1下位機(jī)原理
      圖4是下位機(jī)軟件原理框圖。

      考慮到本設(shè)計(jì)軟件所需資源以及上位機(jī)通信的內(nèi)容,這里采用的MCU為ARM微處理器[5],64KB的Flash、16KB的SRAM、18Mbit/s的SPI串行外設(shè)接口、48MHz振蕩頻率。通過SPI串行的通信方式與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analogtodigitalconverter,ADC)模塊進(jìn)行通訊,實(shí)現(xiàn)隔離器、隔離柵輸人側(cè)信號(hào)的測(cè)量與計(jì)算。同時(shí),MCU通過控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digitaltoanalogconverter，DAC)或脈沖寬度調(diào)制(pulsewidthmodulation,PWM)技術(shù),根據(jù)輸人信號(hào)的實(shí)際值對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行線性編碼,實(shí)現(xiàn)隔離器、隔離柵輸出側(cè)的輸出信號(hào)計(jì)算。
      這種智能型安全柵的控制軟件，以MCU為核心，在實(shí)現(xiàn)信號(hào)采樣、信號(hào)濾波、輸人計(jì)算、輸出計(jì)算的基礎(chǔ)上,具備現(xiàn)場(chǎng)總線通信功能,支持用戶組態(tài)及報(bào)警輸出設(shè)定。
3.2.上位機(jī)原理
      為了便于用戶快速對(duì)智能型儀表組態(tài),靈活地設(shè)置儀表的詳細(xì)參數(shù)(包括儀表類型、輸人參數(shù)、輸出參.數(shù)等),設(shè)計(jì)了基于Windows平臺(tái),以人工頻率控制(manualfrequencycontrol,MFC)[6]模式開發(fā)的上位機(jī)軟件。軟件界面友好,兼容性強(qiáng),能可靠運(yùn)行于不同版本的Windows操作系統(tǒng)。
4全信號(hào)種類測(cè)試
      全信號(hào)種類測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

5　結(jié)論
      隨著社會(huì)的日益發(fā)展,客戶需求層級(jí)意識(shí)的不斷提高,工業(yè)產(chǎn)品已經(jīng)不再是簡(jiǎn)單滿足現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)指標(biāo)即可,而是要從客戶使用安全性、舒適性等多角度出發(fā)來設(shè)計(jì)產(chǎn)品,同時(shí)兼顧硬件成本、生產(chǎn)成本等。
本設(shè)計(jì)通過通用硬件技術(shù)、通用嵌入式軟件技術(shù)以及雙極信號(hào)、單點(diǎn)標(biāo)定技術(shù),極大提高了產(chǎn)品的通用性,降低了對(duì)最終用戶的專業(yè)水平的需求,同時(shí)確保了生產(chǎn)、調(diào)試效率,提高了產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。