通用輸入型隔離器、隔離柵的設計

摘要:隔離器、隔離柵在工業(yè)控制系統中承擔著(zhù)信號的隔離和傳輸的作用,而現場(chǎng)傳感器的信號類(lèi)型多種多樣,如電流信號、電壓信號、熱電阻信號熱電偶信號、毫伏信號、電阻信號等。目前,傳統的隔離器、隔離柵是針對每-種或幾種信號來(lái)設計不同的產(chǎn)品,因此產(chǎn)品的種類(lèi)比較多，無(wú)形中給客戶(hù)選型增加了難度。為了便于客戶(hù)選型，增加產(chǎn)品通用性,設計了一.款通用輸人信號的隔離器、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)品嵌人式軟件的設計理念,減少生產(chǎn)標定工序。這意味著(zhù)該設計可以大大降低產(chǎn)品種類(lèi),提高庫存利用率。試驗數據表明,產(chǎn)品全信號類(lèi)型精度優(yōu)于0.05%。
0引言
      隨著(zhù)工業(yè)控制自動(dòng)化的高速發(fā)展和對環(huán)境安全要求的提高,大量傳感器在工業(yè)控制系統中越來(lái)越多地被使用,以采集和監控多種類(lèi)型的信號"。為了確保信號在傳輸過(guò)程中的正確性,同時(shí)避免由于信號的波.動(dòng)或傳輸錯誤導致系統損壞或崩潰,需要對信號進(jìn)行有效的隔離。隔離器、隔離柵應運而生。
傳統的隔離器、隔離柵存在以下問(wèn)題。
①產(chǎn)品種類(lèi)大體分為電壓信號、電流信號、熱電阻信號、熱電偶信號、毫伏信號以及電阻信號。對最終用戶(hù)來(lái)說(shuō),不僅區分信號類(lèi)型要求較高,而且容易出現選型錯誤。
②產(chǎn)品種類(lèi)多導致生產(chǎn)維護成本高。
③高端智能產(chǎn)品生產(chǎn)調試工序較復雜,硬件成本.和時(shí)間成本較高。
本次設計的智能隔離器隔離柵'2]通過(guò)軟、硬件技術(shù)解決了以上問(wèn)題。
1隔離器、安全柵選型應用
      隨著(zhù)工業(yè)現場(chǎng)的復雜程度越來(lái)越高,越來(lái)越多的信號種類(lèi)需要傳輸到可編程邏輯控制器(programmablelogiccontroller,PLC)/集散控制系統(distributedcontrolsystem,DCS),有小到毫伏級的微弱信號,也有標準的電壓、電流、電阻信號。同時(shí)，信號傳輸夾雜著(zhù)各種頻率的干擾信號,因此隔離器、隔離柵在工業(yè)控制系統中應用廣泛,使用的環(huán)境也各不相同,尤其在危險的易燃易爆炸場(chǎng)合[”]要求更為苛刻。因此,為了降低應對現如今復雜多元化的傳感器信號類(lèi)型的難度,使用可組態(tài)方式的產(chǎn)品是市場(chǎng)和客戶(hù)所需的。傳統隔離器隔離柵,每種產(chǎn)品型號只能簡(jiǎn)單應對一-種或兩種信號類(lèi)型,因此現場(chǎng)控制柜中安裝的產(chǎn)品種類(lèi)比較復雜。最終客戶(hù)在應用選型時(shí)需清楚知道現場(chǎng)的信號類(lèi)型，才能選定相關(guān)產(chǎn)品型號。這對客戶(hù)的專(zhuān)業(yè)水平要求較高,而且現場(chǎng)所需的備品備件的種類(lèi)和數量都有很大程度的增加。
2設計說(shuō)明
      本設計主要通過(guò)輸人硬件以及通用嵌入式軟件來(lái)解決多信號類(lèi)型的通用輸人問(wèn)題,使用雙極性信號,單點(diǎn)標定技術(shù)減少生產(chǎn)工序,降低生產(chǎn)成本。
2.1本設計的應用
      隔離器、隔離柵將現場(chǎng)傳感器信號進(jìn)行轉換并隔離傳輸到控制室的DCS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,設計采用正負電源都能識別的技術(shù)。這種接線(xiàn)方式大大降低了對最終用戶(hù)的專(zhuān)業(yè)水平的要求。
      輸出端(4,5)接中控室的DCS或PLC系統,對現場(chǎng)傳感器信號進(jìn)行隔離轉換輸出高精度的標準4~20mA信號。
      輸人端(6,7,8,9)接收來(lái)自現場(chǎng)的二、三制變送器、電壓、電流源、三線(xiàn)制熱電阻、毫伏電壓源以及熱電偶等。不同信號類(lèi)型都可識別并能精準測量與計算。
2.2硬件原理
      本設計的硬件原理框圖如圖2所示。

      本設計硬件電路由電磁兼容性(electromagneticcompatibilty,EMC)保護模塊、DC/DC模塊、DC/(olternatingcurrent,AC)模塊、電源耦合模塊、單片機(microcontrollerunit,MCU)控制[4]單元、信號識別模塊、AD/DA模塊、組態(tài)標定單元、交流電AC/DC模塊、直流電(directcurrent,DC)調制模塊、負載監控模塊、信號耦合模塊以及信號解調模塊組成。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、靜電放電等EMC干擾，從而提高信號傳輸的質(zhì)量。
      DC/DC模塊是將控制柜中24V開(kāi)關(guān)電源的直流電源電壓調制成內部所需的直流電源電壓?？刂乒裰虚_(kāi)關(guān)電源一般紋波比較大,通過(guò)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換成交流電壓,通過(guò)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(guò)來(lái)的交流電壓轉換.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。
負載監控模塊實(shí)時(shí)監測回路中的負載情況，并反饋給DC調制模塊,起到負載調制的作用。
組態(tài)標定單元是對信號進(jìn)行標定，以達到高精度的傳輸。
信號解調模塊是將耦合后的信號解調,并完成高質(zhì)量的信號傳輸。
      本安限能模塊是針對防爆儀器儀表的關(guān)聯(lián)設備,在正常情況下不影響測量系統的功能。當系統發(fā)生故障時(shí)，能將危險場(chǎng)所的能量(電能)限制在安全值以?xún)?從而保證現場(chǎng)安全。它實(shí)際上是一種低功率設計技術(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。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,不會(huì )引起其周?chē)赡艽嬖诘奈ｋU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保護模塊。負載監控模塊的作用是為了降低產(chǎn)品的發(fā)熱問(wèn)題，其電路原理圖如圖3所示，

      TVS1、C7、L2、L3、C6組成EMC保護模塊,T1、D1、L1、C4、C5組成DC調制模塊,T2、D2、R4、R5、R6、C3組.成負載監控模塊。
      現場(chǎng)到中控室一般都會(huì )有比較長(cháng)的距離,因此信號線(xiàn)是比較容易受到干擾。當各種干擾信號疊加在信號線(xiàn)傳輸時(shí),利用TVS管對尖峰電壓毛刺的快速響應特性有效降低了干擾信號對后級電路的損傷,再通過(guò)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VAC,通過(guò)異或門(mén)電路與DC調制模塊為輸出提供電源,使其完成信號傳輸。
當端口外接負載較小時(shí),如負載監控模塊監控到信號回路的電壓高于閾值,就把信號傳遞給DC調制模塊,使其降低提供給負載的電源電壓。
當端口外接負載較大時(shí),如負載監控模塊監控到信號回路的電壓低于閾值,就把信號傳遞給DC調制模塊,使其升高提供給負載的電源電壓。
3.上下位機原理
3.1下位機原理
      圖4是下位機軟件原理框圖。

      考慮到本設計軟件所需資源以及上位機通信的內容,這里采用的MCU為ARM微處理器[5],64KB的Flash、16KB的SRAM、18Mbit/s的SPI串行外設接口、48MHz振蕩頻率。通過(guò)SPI串行的通信方式與模數轉換器(analogtodigitalconverter,ADC)模塊進(jìn)行通訊,實(shí)現隔離器、隔離柵輸人側信號的測量與計算。同時(shí),MCU通過(guò)控制數模轉換器(digitaltoanalogconverter，DAC)或脈沖寬度調制(pulsewidthmodulation,PWM)技術(shù),根據輸人信號的實(shí)際值對輸出信號進(jìn)行線(xiàn)性編碼,實(shí)現隔離器、隔離柵輸出側的輸出信號計算。
      這種智能型安全柵的控制軟件，以MCU為核心，在實(shí)現信號采樣、信號濾波、輸人計算、輸出計算的基礎上,具備現場(chǎng)總線(xiàn)通信功能,支持用戶(hù)組態(tài)及報警輸出設定。
3.2.上位機原理
      為了便于用戶(hù)快速對智能型儀表組態(tài),靈活地設置儀表的詳細參數(包括儀表類(lèi)型、輸人參數、輸出參.數等),設計了基于Windows平臺,以人工頻率控制(manualfrequencycontrol,MFC)[6]模式開(kāi)發(fā)的上位機軟件。軟件界面友好,兼容性強,能可靠運行于不同版本的Windows操作系統。
4全信號種類(lèi)測試
      全信號種類(lèi)測試數據如表1所示。

5　結論
      隨著(zhù)社會(huì )的日益發(fā)展,客戶(hù)需求層級意識的不斷提高,工業(yè)產(chǎn)品已經(jīng)不再是簡(jiǎn)單滿(mǎn)足現場(chǎng)技術(shù)指標即可,而是要從客戶(hù)使用安全性、舒適性等多角度出發(fā)來(lái)設計產(chǎn)品,同時(shí)兼顧硬件成本、生產(chǎn)成本等。
本設計通過(guò)通用硬件技術(shù)、通用嵌入式軟件技術(shù)以及雙極信號、單點(diǎn)標定技術(shù),極大提高了產(chǎn)品的通用性,降低了對最終用戶(hù)的專(zhuān)業(yè)水平的需求,同時(shí)確保了生產(chǎn)、調試效率,提高了產(chǎn)品市場(chǎng)競爭力。