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(tǒng)中承擔著信號的隔離和傳輸?shù)淖饔?而現(xiàn)場傳感器的信號類型多種多樣,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(tǒng)的隔離器、隔離柵是針對每-種或幾種信號來設計不同的產(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,設計了一.款通用輸人信號的隔離器、隔離柵;同時,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。這意味著該設計可以大大降低產(chǎn)品種類,提高庫存利用率。試驗數(shù)據(jù)表明,產(chǎn)品全信號類型精度優(yōu)于0.05%。
0引言
      隨著工業(yè)控制自動化的高速發(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(tǒng)中越來越多地被使用,以采集和監(jiān)控多種類型的信號"。為了確保信號在傳輸過程中的正確性,同時避免由于信號的波.動或傳輸錯誤導致系統(tǒng)損壞或崩潰,需要對信號進行有效的隔離。隔離器、隔離柵應運而生。
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、電流信號、熱電阻信號、熱電偶信號、毫伏信號以及電阻信號。對最終用戶來說,不僅區(qū)分信號類型要求較高,而且容易出現(xiàn)選型錯誤。
②產(chǎn)品種類多導致生產(chǎn)維護成本高。
③高端智能產(chǎn)品生產(chǎn)調(diào)試工序較復雜,硬件成本.和時間成本較高。
本次設計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、安全柵選型應用
      隨著工業(yè)現(xiàn)場的復雜程度越來越高,越來越多的信號種類需要傳輸?shù)娇删幊踢壿嬁刂破?programmablelogiccontroller,PLC)/集散控制系統(tǒng)(distributedcontrolsystem,DCS),有小到毫伏級的微弱信號,也有標準的電壓、電流、電阻信號。同時，信號傳輸夾雜著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(tǒng)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合[”]要求更為苛刻。因此,為了降低應對現(xiàn)如今復雜多元化的傳感器信號類型的難度,使用可組態(tài)方式的產(chǎn)品是市場和客戶所需的。傳統(tǒng)隔離器隔離柵,每種產(chǎn)品型號只能簡單應對一-種或兩種信號類型,因此現(xiàn)場控制柜中安裝的產(chǎn)品種類比較復雜。最終客戶在應用選型時需清楚知道現(xiàn)場的信號類型，才能選定相關(guān)產(chǎn)品型號。這對客戶的專業(yè)水平要求較高,而且現(xiàn)場所需的備品備件的種類和數(shù)量都有很大程度的增加。
2設計說明
      本設計主要通過輸人硬件以及通用嵌入式軟件來解決多信號類型的通用輸人問題,使用雙極性信號,單點標定技術(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(xiàn)場傳感器信號進行轉(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為應用框圖。
從圖1可以看出，產(chǎn)品分為三個隔離端: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)。這種接線方式大大降低了對最終用戶的專業(yè)水平的要求。
      輸出端(4,5)接中控室的DCS或PLC系統(tǒng),對現(xiàn)場傳感器信號進行隔離轉(zhuǎn)換輸出高精度的標準4~20mA信號。
      輸人端(6,7,8,9)接收來自現(xiàn)場的二、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。不同信號類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(diào)制模塊、負載監(jiān)控模塊、信號耦合模塊以及信號解調(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)、射頻電磁場輻射、射頻電磁場傳導、靜電放電等EMC干擾，從而提高信號傳輸?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--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、輸出端各個集成芯片提供所需的直流電源。
負載監(jiān)控模塊實時監(jiān)測回路中的負載情況，并反饋給DC調(diào)制模塊,起到負載調(diào)制的作用。
組態(tài)標定單元是對信號進行標定，以達到高精度的傳輸。
信號解調(diào)模塊是將耦合后的信號解調(diào),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(tǒng)的功能。當系統(tǒng)發(fā)生故障時，能將危險場所的能量(電能)限制在安全值以內(nèi),從而保證現(xiàn)場安全。它實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,不會引起其周圍可能存在的危險氣體的爆炸。
      為了提高產(chǎn)品的抗干擾性能,在電源、輸人、輸出三個隔離端口都有EMC保護模塊。負載監(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保護模塊,T1、D1、L1、C4、C5組成DC調(diào)制模塊,T2、D2、R4、R5、R6、C3組.成負載監(jiān)控模塊。
      現(xiàn)場到中控室一般都會有比較長的距離,因此信號線是比較容易受到干擾。當各種干擾信號疊加在信號線傳輸時,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,使其完成信號傳輸。
當端口外接負載較小時,如負載監(jiān)控模塊監(jiān)控到信號回路的電壓高于閾值,就把信號傳遞給DC調(diào)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,如負載監(jiān)控模塊監(jiān)控到信號回路的電壓低于閾值,就把信號傳遞給DC調(diào)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(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)模塊進行通訊,實現(xiàn)隔離器、隔離柵輸人側(cè)信號的測量與計算。同時,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)輸人信號的實際值對輸出信號進行線性編碼,實現(xiàn)隔離器、隔離柵輸出側(cè)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，在實現(xiàn)信號采樣、信號濾波、輸人計算、輸出計算的基礎上,具備現(xiàn)場總線通信功能,支持用戶組態(tài)及報警輸出設定。
3.2.上位機原理
      為了便于用戶快速對智能型儀表組態(tài),靈活地設置儀表的詳細參數(shù)(包括儀表類型、輸人參數(shù)、輸出參.數(shù)等),設計了基于Windows平臺,以人工頻率控制(manualfrequencycontrol,MFC)[6]模式開發(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(tǒng)。
4全信號種類測試
      全信號種類測試數(shù)據(jù)如表1所示。

5　結(jié)論
      隨著社會的日益發(fā)展,客戶需求層級意識的不斷提高,工業(yè)產(chǎn)品已經(jīng)不再是簡單滿足現(xiàn)場技術(shù)指標即可,而是要從客戶使用安全性、舒適性等多角度出發(fā)來設計產(chǎn)品,同時兼顧硬件成本、生產(chǎn)成本等。
本設計通過通用硬件技術(shù)、通用嵌入式軟件技術(shù)以及雙極信號、單點標定技術(shù),極大提高了產(chǎn)品的通用性,降低了對最終用戶的專業(yè)水平的需求,同時確保了生產(chǎn)、調(diào)試效率,提高了產(chǎn)品市場競爭力。