通用輸入型隔離器、隔離柵的設(shè)計(jì)

上海自動(dòng)化儀表有限公司隔離器、隔離柵在工業(yè)控制系統(tǒng)中承擔(dān)著信號的隔離和傳輸?shù)淖饔茫F(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、隔離柵是針對每一種或幾種信號來設(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)了一款通用輸入信號的隔離器、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，提高庫存利用率。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，產(chǎn)品全信號類型精度優(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［1］。為了確保信號在傳輸過程中的精確性，同時(shí)避免由于信號的波動(dòng)或傳輸錯(cuò)誤導(dǎo)致系統(tǒng)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(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、電流信號、熱電阻信號、熱電偶信號、毫伏信號以及電阻信號。對非常終用戶來說，不僅區(qū)分信號類型要求較高，而且容易出現(xiàn)選型錯(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)場的復(fù)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(biāo)準(zhǔn)的電壓、電流、電阻信號。同時(shí)，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(yīng)用廣泛，使用的環(huán)境也各不相同，尤其在危險(xiǎn)的易燃易爆炸場合［3］要求更為苛刻。因此，為了降低應(yīng)對現(xiàn)如今復(fù)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(yīng)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(fù)雜。非常終客戶在應(yīng)用選型時(shí)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(shè)計(jì)說明

本設(shè)計(jì)主要通過輸入硬件以及通用嵌入式軟件來解決多信號類型的通用輸入問題，使用雙極性信號，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)場傳感器信號進(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。

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)電源都能識別的技術(shù)。這種接線方式大大降低了對非常終用戶的專業(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(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換輸出高精度的標(biāo)準(zhǔn)4～20mA信號。輸入端(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(zhǔn)測量與計(jì)算。

2．2硬件原理

本設(shè)計(jì)的硬件原理框圖。

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、C/(olternatingcurrent，AC)模塊、電源耦合模塊、單片機(jī)(microcontrollerunit，MCU)控制［4］單元、信號識別模塊、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(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)、射頻電磁場輻射、射頻電磁場傳導(dǎo)、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?？刂乒裰虚_關(guān)電源一般紋波比較大，通過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來的交流電壓轉(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)定單元是對信號進(jìn)行標(biāo)定，以達(dá)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(shè)備，在正常情況下不影響測量系統(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(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，上海自動(dòng)化儀表有限公司在電源、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)熱問題。