通用输入型隔离器、隔离栅的设计

摘要:隔离器、隔离柵在工业控制系统中承担着信号的隔离和传输的作用,而现场传感器的信号类型多种多样,如电流信号、电压信号、热电阻信号热电偶信号、毫伏信号、电阻信号等。目前,传统的隔离器、隔离栅是针对每-种或几种信号来设计不同的产品,因此产品的种类比较多，无形中给客户选型增加了难度。为了便于客户选型，增加产品通用性,设计了一.款通用输人信号的隔离器、隔离栅;同时,为提高产品生产效率降低硬件成本,采用通用型产品嵌人式软件的设计理念,减少生产标定工序。这意味着该设计可以大大降低产品种类,提高库存利用率。试验数据表明,产品全信号类型精度优于0.05%。
0引言
      随着工业控制自动化的高速发展和对环境安全要求的提高,大量传感器在工业控制系统中越来越多地被使用,以采集和监控多种类型的信号"。为了确保信号在传输过程中的正确性,同时避免由于信号的波.动或传输错误导致系统损坏或崩溃,需要对信号进行有效的隔离。隔离器、隔离栅应运而生。
传统的隔离器、隔离栅存在以下问题。
①产品种类大体分为电压信号、电流信号、热电阻信号、热电偶信号、毫伏信号以及电阻信号。对最终用户来说,不仅区分信号类型要求较高,而且容易出现选型错误。
②产品种类多导致生产维护成本高。
③高端智能产品生产调试工序较复杂,硬件成本.和时间成本较高。
本次设计的智能隔离器隔离栅'2]通过软、硬件技术解决了以上问题。
1隔离器、安全栅选型应用
      随着工业现场的复杂程度越来越高,越来越多的信号种类需要传输到可编程逻辑控制器(programmablelogiccontroller,PLC)/集散控制系统(distributedcontrolsystem,DCS),有小到毫伏级的微弱信号,也有标准的电压、电流、电阻信号。同时，信号传输夹杂着各种频率的干扰信号,因此隔离器、隔离栅在工业控制系统中应用广泛,使用的环境也各不相同,尤其在危险的易燃易爆炸场合[”]要求更为苛刻。因此,为了降低应对现如今复杂多元化的传感器信号类型的难度,使用可组态方式的产品是市场和客户所需的。传统隔离器隔离栅,每种产品型号只能简单应对一-种或两种信号类型,因此现场控制柜中安装的产品种类比较复杂。最终客户在应用选型时需清楚知道现场的信号类型，才能选定相关产品型号。这对客户的专业水平要求较高,而且现场所需的备品备件的种类和数量都有很大程度的增加。
2设计说明
      本设计主要通过输人硬件以及通用嵌入式软件来解决多信号类型的通用输人问题,使用双极性信号,单点标定技术减少生产工序,降低生产成本。
2.1本设计的应用
      隔离器、隔离栅将现场传感器信号进行转换并隔离传输到控制室的DCS或PLC中，为了极大程度地提高了抗干扰性能，并采用电源、输人、输出三端隔离。图1为应用框图。
从图1可以看出，产品分为三个隔离端:端口(1,2)为电源端,端口(4,5)为输出端，端口(6,7,8,9)为输入端。

      电源端(1,2)接24VDC,设计采用正负电源都能识别的技术。这种接线方式大大降低了对最终用户的专业水平的要求。
      输出端(4,5)接中控室的DCS或PLC系统,对现场传感器信号进行隔离转换输出高精度的标准4~20mA信号。
      输人端(6,7,8,9)接收来自现场的二、三制变送器、电压、电流源、三线制热电阻、毫伏电压源以及热电偶等。不同信号类型都可识别并能精准测量与计算。
2.2硬件原理
      本设计的硬件原理框图如图2所示。

      本设计硬件电路由电磁兼容性(electromagneticcompatibilty,EMC)保护模块、DC/DC模块、DC/(olternatingcurrent,AC)模块、电源耦合模块、单片机(microcontrollerunit,MCU)控制[4]单元、信号识别模块、AD/DA模块、组态标定单元、交流电AC/DC模块、直流电(directcurrent,DC)调制模块、负载监控模块、信号耦合模块以及信号解调模块组成。如果是隔离栅,仅需在端口增加本安限能模块。
EMC保护模块主要作用是吸收EMC干扰，包括电快速瞬变脉冲群浪涌(冲击)、射频电磁场辐射、射频电磁场传导、静电放电等EMC干扰，从而提高信号传输的质量。
      DC/DC模块是将控制柜中24V开关电源的直流电源电压调制成内部所需的直流电源电压。控制柜中开关电源一般纹波比较大,通过DC/DC模块后进--步提高电源质量,从而提高可靠性。
      DC/AC模块是将直流电压转换成交流电压,通过电源耦合模块隔离输出到其他两端,为输人输出端提供可靠的隔离电源。
      AC/DC模块是将电源耦合过来的交流电压转换.为直流电压,为输人、输出端各个集成芯片提供所需的直流电源。
负载监控模块实时监测回路中的负载情况，并反馈给DC调制模块,起到负载调制的作用。
组态标定单元是对信号进行标定，以达到高精度的传输。
信号解调模块是将耦合后的信号解调,并完成高质量的信号传输。
      本安限能模块是针对防爆仪器仪表的关联设备,在正常情况下不影响测量系统的功能。当系统发生故障时，能将危险场所的能量(电能)限制在安全值以内,从而保证现场安全。它实际上是一种低功率设计技术。其原理是从限制能量人手，可靠地将电路中的电压和电流限制在一-个允许的范围内。仪表在正常工作或发生短接和元器件损坏等故障情况下产生的电火花和热效应,不会引起其周围可能存在的危险气体的爆炸。
      为了提高产品的抗干扰性能,在电源、输人、输出三个隔离端口都有EMC保护模块。负载监控模块的作用是为了降低产品的发热问题，其电路原理图如图3所示，

      TVS1、C7、L2、L3、C6组成EMC保护模块,T1、D1、L1、C4、C5组成DC调制模块,T2、D2、R4、R5、R6、C3组.成负载监控模块。
      现场到中控室一般都会有比较长的距离,因此信号线是比较容易受到干扰。当各种干扰信号叠加在信号线传输时,利用TVS管对尖峰电压毛刺的快速响应特性有效降低了干扰信号对后级电路的损伤,再通过π型滤波电路极大程度提高了信噪比。AC模块产生的交流电压信号VAC,通过异或门电路与DC调制模块为输出提供电源,使其完成信号传输。
当端口外接负载较小时,如负载监控模块监控到信号回路的电压高于阈值,就把信号传递给DC调制模块,使其降低提供给负载的电源电压。
当端口外接负载较大时,如负载监控模块监控到信号回路的电压低于阈值,就把信号传递给DC调制模块,使其升高提供给负载的电源电压。
3.上下位机原理
3.1下位机原理
      图4是下位机软件原理框图。

      考虑到本设计软件所需资源以及上位机通信的内容,这里采用的MCU为ARM微处理器[5],64KB的Flash、16KB的SRAM、18Mbit/s的SPI串行外设接口、48MHz振荡频率。通过SPI串行的通信方式与模数转换器(analogtodigitalconverter,ADC)模块进行通讯,实现隔离器、隔离栅输人侧信号的测量与计算。同时,MCU通过控制数模转换器(digitaltoanalogconverter，DAC)或脉冲宽度调制(pulsewidthmodulation,PWM)技术,根据输人信号的实际值对输出信号进行线性编码,实现隔离器、隔离栅输出侧的输出信号计算。
      这种智能型安全栅的控制软件，以MCU为核心，在实现信号采样、信号滤波、输人计算、输出计算的基础上,具备现场总线通信功能,支持用户组态及报警输出设定。
3.2.上位机原理
      为了便于用户快速对智能型仪表组态,灵活地设置仪表的详细参数(包括仪表类型、输人参数、输出参.数等),设计了基于Windows平台,以人工频率控制(manualfrequencycontrol,MFC)[6]模式开发的上位机软件。软件界面友好,兼容性强,能可靠运行于不同版本的Windows操作系统。
4全信号种类测试
      全信号种类测试数据如表1所示。

5　结论
      随着社会的日益发展,客户需求层级意识的不断提高,工业产品已经不再是简单满足现场技术指标即可,而是要从客户使用安全性、舒适性等多角度出发来设计产品,同时兼顾硬件成本、生产成本等。
本设计通过通用硬件技术、通用嵌入式软件技术以及双极信号、单点标定技术,极大提高了产品的通用性,降低了对最终用户的专业水平的需求,同时确保了生产、调试效率,提高了产品市场竞争力。