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)淖饔茫F(xiàn)場(chǎng)傳感器的信號(hào)類(lèi)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)每一種或幾種信號(hào)來(lái)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)了一款通用輸入信號(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)品嵌入式軟件的設(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(lèi)，提高庫(kù)存利用率。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，產(chǎn)品全信號(hào)類(lèi)型精度優(yōu)于0．05%。
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(lái)越多地被使用，以采集和監(jiān)控多種類(lèi)型的信號(hào)［1］。為了確保信號(hào)在傳輸過(guò)程中的精確性，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(wèn)題。
①產(chǎn)品種類(lèi)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)非常終用戶(hù)來(lái)說(shuō)，不僅區(qū)分信號(hào)類(lèi)型要求較高，而且容易出現(xiàn)選型錯(cuò)誤。
②產(chǎn)品種類(lèi)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(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(yīng)用
隨著工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜程度越來(lái)越高，越來(lái)越多的信號(hào)種類(lèi)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［3］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(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(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(lèi)型，因此現(xiàn)場(chǎng)控制柜中安裝的產(chǎn)品種類(lèi)比較復(fù)雜。非常終客戶(hù)在應(yīng)用選型時(shí)需清楚知道現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)類(lèi)型，才能選定相關(guān)產(chǎn)品型號(hào)。這對(duì)客戶(hù)的專(zhuān)業(yè)水平要求較高，而且現(xiàn)場(chǎng)所需的備品備件的種類(lèi)和數(shù)量都有很大程度的增加。
2設(shè)計(jì)說(shuō)明
本設(shè)計(jì)主要通過(guò)輸入硬件以及通用嵌入式軟件來(lái)解決多信號(hào)類(lèi)型的通用輸入問(wèn)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、輸入、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)非常終用戶(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(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)。
輸入端(6，7，8，9)接收來(lái)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(lèi)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源一般紋波比較大，通過(guò)DC/DC模塊后進(jìn)一步提高電源質(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(guò)電源耦合模塊隔離輸出到其他兩端，為輸入、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(zhuǎn)換為直流電壓，為輸入、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?xún)?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入手，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?chē)赡艽嬖诘奈ｋU(xiǎn)氣體的爆炸。
為了提高產(chǎn)品的抗干擾性能，在電源、輸入、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(wèn)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(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(hào) VAC，通過(guò)異或門(mén)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］，64 KB 的 Flash、16 KB 的 SＲAM、18 Mbit /s 的 SPI 串行外設(shè)接口、48 MHz 振蕩頻率。通過(guò) SPI 串行的通信方式與模數(shù)轉(zhuǎn)換器( analog to digital converter，ADC) 模塊進(jìn)行通 訊，實(shí)現(xiàn)隔離器、隔離柵輸入側(cè)信號(hào)的測(cè)量與計(jì)算。同 時(shí)，MCU 通 過(guò) 控 制 數(shù) 模 轉(zhuǎn) 換 器 ( digital to analog converter，DAC ) 或 脈 沖 寬 度 調(diào) 制 ( pulse width modulation，PWM) 技術(shù)，根據(jù)輸入信號(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、輸入計(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(hù)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(hù)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(lèi)型、輸入?yún)?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( manual frequency control，MFC) ［6］模式開(kāi)發(fā)的上位機(jī) 軟件。軟件界面［7］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(lèi)測(cè)試
全信號(hào)種類(lèi)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(hù)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(hù)使用安全性、舒適性等多角度出發(fā)來(lái) 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(guò)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)非常終用戶(hù)的專(zhuān)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。
