A-D D-A转换器在远程监控中的应用
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摘要:引言 随着电子产业数字化程度的不断发展,逐渐形成了以数字系统为主体的格局。A/D和D/A转换器作为模拟和数字电路的接口,正受到日益广泛的关注。随着数字技术的飞速发展,人们对

引言

  随着电子产业数字化程度的不断发展,逐渐形成了以数字系统为主体的格局。A/D和D/A转换器作为模拟和数字电路的接口,正受到日益广泛的关注。随着数字技术的飞速发展,人们对A/D和D/A转换器的要求也越来越高,新型模拟/数字和数字/模拟之间的转换技术不断涌现。通过这些转换人们可以运用各种控制器进行远程监控,如控制某个空间的温度、湿度,控制液体的液位和流量,控制物体的位移、速度及压力等。在实际工作环境中,各种传感器、PLC的AO模块或DCS系统输出的模拟量电流或电压信号很弱(很多是mV或mA级),而且普遍带负载能力低。直接用来监控远程的执行设备,往往会因为长距离的传输造成信号的衰减、失真,有时还会因其它外界信号干扰而造成信号出错,影响整个系统的正常运行。

  因此,要保证监控系统的可靠性,首先需要将系统中的多种传感器、多路PLC、DCS等输出的模拟信号进行隔离、放大、转换。有些场合还需要通过各种通讯载体进行远程无失真传输。 ISO 4021(A/D转换)可以将传感器输出的模拟信号转换成数字信号,用RS232/485通讯将信号进行远程传输或采用GPRS、GMS进行无线数传,然后用远程模拟信号输出模块ISO DAO(D/A转换)将数字信号转换成模拟信号,用还原的模拟信号进行远程监测和控制。这些技术在SCADA数据采集、FCS远程监控中得到了越来越多的应用。

一、信号A/D(模拟转数字)转换及远程传输技术

  ISO 4021信号A/D(模拟转数字)转换器可实现传感器和主机之间的信号采集,用以检测模拟信号或控制远程设备。通过软件的配置,可用于多种传感器类型,包括:模拟信号输入,模拟信号输出,和数字信号输入/输出(I/O)。广泛用在 RS-232/485总线工业自动化控制系统,4-20mA / 0-5V信号测量、监视和控制,小信号的测量以及工业现场信号隔离及长线传输等等。

  ISO 4021信号A/D(模拟转数字)转换器包括电源隔离,信号隔离、线性化,A/D转换和RS-485串行通信。每个串口最多可接256只 ISO 4021系列模块,通讯方式采用ASCII码通讯协议或MODBUS RTU通讯协议,其指令集兼容于ADAM模块,波特率可由代码设置,能与其他厂家的控制模块挂在同一RS-485总线上,便于计算机编程。

  ISO 4021信号A/D(模拟转数字)转换器是基于单片机的智能监测和控制系统,所有的用户设定的校准值,地址,波特率,数据格式,校验和状态等配置信息都储存在非易失性存储器EEPROM里。ISO 4021系列产品按工业标准设计、制造,信号输入 / 输出之间隔离,可承受3000VDC隔离电压,抗干扰能力强,可靠性高。工作温度范围- 45℃~+85℃。

  ISO 4021模拟转数字 (A/D)转换器功能简介:

  ISO 4021信号A/D(模拟转数字)转换器框图,如图1所示。

  

  图1  ISO 4021信号A/D(模拟转数字)转换器原理框图

  ISO 4021 信号隔离采集模块,可以用来测量一路电压或电流信号,也可以用来测量两路可以共地且不会互相干扰的电流或电压信号。

  1、模拟信号输入

  24位采集精度,产品出厂前所有信号输入范围已全部校准。在使用时,用户也可以很方便的自行编程校准。具体电流或电压输入量程请看产品选型,测量两路信号时两路输入选型必须相同。

  2、通讯协议

  通讯接口: 1路标准的RS-485通讯接口或1路标准的RS-232通讯接口,订货选型时注明。

  通讯协议:支持两种协议,命令集定义的字符协议和MODBUS RTU通讯协议。可通过编程设定使用那种通讯协议,能实现与多种品牌的PLC、RTU或计算机监控系统进行网络通讯。

  数据格式:10位。1位起始位,8位数据位,1位停止位。

  通讯地址(0~255)和波特率(300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400bps)均可设定;通讯网络最长距离可达1200米,通过双绞屏蔽电缆连接。

  通讯接口高抗干扰设计,15KV ESD保护,通信响应时间小于100mS。

  3、抗干扰

  可根据需要设置校验和。模块内部有瞬态抑制二极管,可以有效抑制各种浪涌脉冲,保护模块,内部的数字滤波,也可以很好的抑制来自电网的工频干扰。

二、信号D/A(数字转模拟)转换及还原监控技术

  ISO DAO信号D/A(数字转模拟)转换器可实现主机RS-485/232接口数字信号隔离转换成标准模拟信号,用以控制远程设备。广泛应用在 RS-232/RS-485总线工业自动化控制系统的0-20mA/4-20mA/0-5V/0-10V等标准模拟信号还原输出,用来控制工业现场的执行设备,控制设备以及显示仪表等等。

  ISO DAO信号D/A(数字转模拟)转换器包括电源隔离,信号隔离、线性化,D/A转换和RS-485串行通信。每个串口最多可接256只 ISODA系列模块,通讯方式采用ASCII码通讯协议或MODBUS RTU通讯协议,其指令集兼容于大多数同类模块,波特率可由代码设置,能与其他厂家的控制模块挂在同一RS-485总线上,便于计算机编程。

  ISO DAO信号D/A(数字转模拟)转换器是基于单片机的智能监测和控制系统,所有的用户设定的校准值,地址,波特率,数据格式,校验和状态等配置信息都储存在非易失性存储器EEPROM中。

  ISO DAO信号D/A(数字转模拟)转换器按工业标准设计、制造,信号输出 / 通讯接口之间隔离,可承受3000VDC隔离电压,抗干扰能力强,可靠性高。工作温度范围- 45℃~+80℃。

  ISO DAO数字转模拟 (D/A)转换器功能简介:

  ISO DAO信号D/A(数字转模拟)转换器框图,如图2所示。

  

  图2  ISO DAO信号D/A(数字转模拟)转换器原理框图

  ISO DAO 信号隔离D/A转换模块,可以用来输出一路电压或电流信号,也可以用来输出两路可以共地的电流或电压信号。

  1、模拟信号输出和工作电源

  12位输出精度,产品出厂前所有信号输出范围已全部校准。在使用时,用户也可以很方便的自行编程校准,因此在现场的应用更加灵活。信号输出温度漂移:20 ppm/℃ (30 ppm/℃, 最大)。工作电源,+8 ~ 50VDC宽供电范围,内部有防反接和过压保护电路。功率消耗:小于1.5W。隔离耐压:通讯接口 / 输出 之间:3KVDC,1分钟,漏电流 1mA,其中通讯接口和电源共地。

  2、通讯协议

  通讯接口: 1路标准的RS-485通讯接口或1路标准的RS-232通讯接口。

  通讯协议:支持两种协议,命令集定义的字符协议和MODBUS RTU通讯协议。可通过编程设定使用那种通讯协议,能实现与多种品牌的PLC、RTU或计算机监控系统进行网络通讯。由于支持通用的MODBUS RTU协议,所以能够在工控领域得到广泛应用。

  数据格式:10位。1位起始位,8位数据位,1位停止位。

  通讯地址(0~255)和波特率(300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400bps)均可设定;通讯网络最长距离可达1200米,通过双绞屏蔽电缆连接。

  通讯接口高抗干扰设计,15KV ESD保护,通信响应时间小于100mS。

  3、抗干扰

  可根据需要设置校验和。模块内部有瞬态抑制二极管,可以有效抑制各种浪涌脉冲,保护模块,内部的数字滤波,也可以很好的抑制来自电网的工频干扰。

三、ISO DAO模块在远程控制工业烤箱上的应用

  工业烤箱应用广泛,在电工、电子、仪表、材料、半导体等生产企业对非易燃易爆物进行干燥、烘培及其热处理试验;可用于学校、医疗、食品、化工等单位对非易燃易爆物进行干燥、保湿、烘培及其热处理等试验;特别适用于LED、LCD石英晶体电容、电阻等要求高恒精度和可靠性产品的过程烘干和老化。适用于烘烤有化学性气体及食品加工行业的欲烘烤物品、基板应力的去除、油墨的固化、漆膜等等的精密烘烤、烘干、回火、预热、定型、加工等。

  工业烤箱由角钢、薄钢板构成,另外箱体加强,外表面复漆,外壳与内胆之间用硅酸铝纤维充填,形成可靠的保温层。工业烤箱采用电热丝加热,外加温控器控制烤箱内的温度。外部输入0-5VDC模拟电压信号到温控器,温控器根据输入的信号来控制工业烤箱的温度。由于工业烤箱距离控制中心的PLC有500多米,直接用PLC的AO模块输出0-5VDC传输到温控器后,信号出现了比较大的衰减,影响控制的精度,所以采用ISODA O4-485模块来实现信号的数字化远传。将ISODA O4-485模块安装在温控器附近,ISODA O4-485模块的模拟量输出接口连接到温控器的0-5VDC输入端,PLC的RS-485接口通过屏蔽电缆来连接到ISODA O4-485模块的RS-485接口。

  PLC和ISODA O4-485模块的通讯采用MODBUS RTU通讯协议。ISODA O4-485模块出厂的设置是:通讯协议指令集规定的ASCII协议,通讯的地址为01,波特率为9600bps。通讯的波特率和地址不用修改,通讯协议要修改为MODBUS RTU通讯协议,可以按照以下步骤,设置模块为MODBUS RTU通讯协议。1,将CONFIG引脚(第8脚)和GND引脚(第7脚)短接。2,正确连接电源线和通讯接口线。3,接通电源,模块自动进入缺省状态,通讯地址为00,波特率为9600。4,等待1分钟,模块初始化。5,发送命令$00P1(cr),检查应答,如果为!00 (cr)则设置成功。6,关闭电源,断开CONFIG引脚和GND引脚之间的连接。完成以上步骤后,模块已经成功设置为Modbus RTU通讯协议方式,直接接入PLC即可。

  ISODA O4-485模块寄存器40001的数据为通道0的当前输出值,寄存器40002的数据为通道1的当前输出值。以寄存器的40001为例,其值为16进制数0x0FFF时,ISODA O4-485模块通道0输出5VDC的电压信号,其值为16进制数0x07FF时,ISODA O4-485模块通道0输出2.5VDC的电压信号,其值为16进制数0x0000时,ISODA O4-485模块通道0输出0VDC的电压信号。PLC通过改变ISODA O4-485模块寄存器内数据大小来达到改变模拟信号输出的目的。

  ISO DAO信号转换器在远程控制工业烤箱上的应用框图,如图3所示。

  

  图3 ISO DAO模块在远程控制工业烤箱上的应用框图

四、ISO DAO 模块在电动执行器上的应用

  电动执行器是工业过程控制系统中一个十分重要的现场驱动装置,其能源取用方便、安装调试简单,在电力、冶金、石油、化工等工业部门得到越来越广泛的应用。电动执行器包括电动执行机构和调节阀两部分,控制精度主要决定于电动执行机构的控制性能,它能够将系统的控制信号转换成输出轴的角位移、直线位移,控制阀门等截流件的位置或其它调节机构,使被控介质按系统要求状态工作。

  随着电力电子技术的发展,电动执行器发展快速,无触点的DKJ型角行程和DKZ型直行程电动执行机构两大类产品进入市场,DKJ、DKZ是我国最早的、唯一生产的电动执行器,此产品以结构简单、经济实用等优点被最早的国营大型企业使用。随着现代工控计算机管理的发展,目前我国仪器仪表行业整体综合技术水平普遍上升,微电子技术和计算机技术在仪器仪表产品中普遍采用,多数产品实现了智能化。今天,DKJ、DKZ系列与以前相比有了两大实质性改进:

  (1)生产出直接受计算机控制的智能电子型、户外型、隔爆型等改进型产品。

  (2)将电路控制部分灌封在一个小型塑料盒中,即模块,形成了便于维护的即插即用型。因此,普通DKJ型和DKZ型的可靠性、精度、负载能力、信号品质系数等性能有了很大提高,而且对环境条件的要求降低了很多。

  采用模拟信号输入的电动执行器大多数采用4-20mA的电流信号来控制。利用一个ISODA O1-485模块可以输出两路4-20mA模块,可以控制两个电动执行器。ISODA模块可以和其他智能设备挂在同一个RS-485总线上,在远程控制中,还可以节约布线成本。下图为ISO DAO模块远程控制电动执行器的一个应用方案。

  ISO DAO信号转换器在远程控制电动执行器的应用框图,如图4所示。

  

  图4 ISODA模块在远程控制电动执行器的应用框图

  智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势,ISODA模块的智能化程度很高,可以接收数字信号,将主机的控制信号快速地转换成模拟信号,来控制电动执行器。

五、模拟信号的数字化远程传输与还原

  ISO DAO模块可以通过短接HOST端到GND端(即11脚和12脚短接)设置成主机模式,与ISO 4021模块的通讯接口相连接,并将ISO 4021模块设置为Modbus通讯方式,就可以实现将ISO 4021的两通道输入信号对应在ISO DAO模块的两个输出通道里输出。该模式主要用于模拟信号的数字化远程传输与还原,在信号的光纤传输,GSM、CDMA无线传输,以太网传输等领域得到广泛应用。

  ISO DAO模块主机模式设置方法:1,模块没有上电时,短接HOST端到GND端(即11脚和12脚短接)。2,接通电源,给模块上电,模块即进入主机模式,会不断地按Modbus协议的发出读寄存器数据命令。3,注意,要进入主机模式,CONFIG管脚不要短接到地线(GND管脚),否则会进入缺省模式。

  4-20mA模拟信号在工业现场应用广泛,下面以4-20mA信号为例,实现远程传输与还原。4-20mA模拟信号进入ISO 4021 A4-232模块后转换成数字量,通过RS-232接口,连接到RS-232转光纤转换器,或者RS-232转GSM/CDMA转换器,或者RS-232转以太网转换器,再通过光纤,或者GSM/CDMA,或者以太网远程传输,在接收端再用相应的RS-232转光纤转换器,或者RS-232转GSM/CDMA转换器,或者RS-232转以太网转换器,将信号转换成RS-232信号。RS-232信号输出到ISODA O1-232模块的RS-232接口,最后ISODA O1-232模块输出4-20mA的模拟信号,完成了远程传输功能。

  4-20mA模拟信号远程传输的应用框图,如图5所示。

  

  图5 4-20mA信号远程传输应用框图

  ISO DAO模块与ISO 4021模块匹配的RS-232通讯接线应用框图,如图6所示。

  

  图6 ISO DAO与ISO 4021的RS-232通讯接线图

  ISO DAO模块与ISO 4021模块匹配的RS-485通讯接线应用框图,如图7所示。

  

  图7 ISO DAO与ISO 4021的RS-485通讯接线图

结束语

  工业现场信号远程传输过程中,由于干扰源比较多,处理不当往往会影响正常的生产制造,造成不必要的损失,一些新的方案可以有效地提高现场控制的性能。先用ISO 4021将模拟信号转成数字信号,再用RS-485的数字信号进行远程传输,然后用远程模拟信号输出模块ISO DAO还原模拟信号输出,在工业现场中可以有效抑制干扰,使用方便,得到了越来越多的应用。

作者:admin 来源:未知 发布于2019-06-17 14:10
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