模拟量采集系统（共5篇）
模拟量采集系统 篇1
在检测技术与应用、DCS的I/O板卡以及信号传输等许多工业生产过程中都需要将数据传输到计算机,这一过程必须先进行A/D转换。目前A/D转换芯片种类非常多,有的价格高且设计复杂,有的转换精度低满足不了要求。为此,挑选了高精度16位A/D转换芯片AD7705,该芯片转换精度高、价格低,满足多种应用。设计了以单片机AT-mega 16为基础的多通道模拟量采集系统,实现对32个模拟量通道的信号采集。不仅减少仪表设计调试时间,而且结合测量仪器可以构建灵活的测量系统,节约仪器购置成本,提高工作效率(1)。
1 A/D转换芯片AD7705
AD7705具有两个模拟输入通道,利用Σ-Δ转换技术实现了16位无丢失代码性能。模拟调制器具有增益可编程功能,片内设有数字滤波器、处理调制器的输出信号,通过片内控制器可调节滤波器的截止点和输出更新速率。是用于智能系统、微控制器系统和DSP系统的理想产品,其串行接口可配置为3线方式。增益值、信号极性以及更新速率的选择都可通过串行接口由软件来设置。该器件还包括自校准和系统校准功能,以消除器件本身或系统的增益和偏移误差。
2 嵌入式单片机ATmega 16
ATmega 16是Atmel公司生产的8位嵌入式单片机,它是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。特点为:16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力,即RWW),512字节EEPROM,1K字节SRAM,32个通用I/O口线,32个通用工作寄存器,用于边界扫描的JTAG接口,支持片内调试与编程,3个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C),片内/外中断,1个可编程串行USART,1个SPI串行端口等,硬件资源非常丰富[1]。
3 采集系统的设计
采集系统的硬件构成在功能上主要包括线性电源电路、AD7705外围电路、ATmega 16外围电路和通道选择电路。
3.1 线性电源电路
本电路(图1)电压为+5V和+3.3V。使用电源芯片78L05、Z33等,D1、D2为5V稳压管,D8、D9为3.3V稳压管。C14、C17用于滤除高频杂波,C15、C16用于保证输出电压平坦,外部供电为+12V。
3.2 AD7705外围电路
AD7705的外围电路如图2所示。时钟频率设计为2.457 6MHz,晶振Y1两端需各接一20p F电容到地以保证时钟频率的精准。电源电压VDD为+5V。AN1+与AN1-,AN2+与AN2-分别接模拟输入信号。芯片REF192为AD公司生产的精密基准电压源,为AD7705提供2.5V基准电压,其输出引脚6到地之间需并接0.1μF和10μF的电容以保证其输出电压平坦。
AD7705与单片机Atmega 16接口电路为片选端CS—PD4、复位端RESET—PD5、逻辑输出端DRRY—PB3、串行数据输入端DIN—PB5、串行数据输出端DOUT—PB6和串行时钟SCLK—PB7。
3.3 ATmega 16外围电路
ATmega 16(图3)的供电电压VCC为+5V,时钟频率8MHz。PB5为串行外设接口SPI的主机输出端,PB6为主机输入端,PB7为SPI时钟。PB3、PD4、PD5用作普通的数字接口。AVCC为模拟电源,需经LC网络接至数字电源VCC,L1为10μH,C11为100n F,LC网络用于抑制噪声、提高抗干扰能力。
该电路控制AD7705以完成数据的采集,主要是利用其SPI接口对AD7705进行各种初始配置,控制A/D转换并读取转换结果。
3.4 通道选择电路
该电路在ATmega 16的程序控制下工作,AT-mega 16的控制信号通过PA4~PA0以完成32个通道模拟的模拟量采集。以高度集成CPLD芯片EPM3064为解码电路,制作一个5/32解码器,用VHDL语言编写而成,其供电电压3.3V,输入信号PA4~PA0和PD7,输出信号为TD0~TD31。EPM3064是基于EEPROM的CMOS工艺CPLD,其有64个宏单元,100管脚TQFP封装有66个用户I/O管脚,可满足许多应用需要。
PD7作为5/32解码器的使能信号,用于选择采集通道0~31。DS2Y-S为信号继电器,其引脚8、9接AD7705模拟信号1的AN1+与AN1-,引脚4、13接通道0的模拟输入信号AI0+与AI0-。其导通断开通过PNP三极管Q1驱动,控制信号为TD0,二极管D1起续流作用,保护电路正常工作同时具有抑制尖峰干扰作用。通道1~31的选择电路类似,同理设计模拟信号输入AI1~AI31的选择电路。PD7作为使能信号,低电平有效,总共需要32片信号继电器,本质上通道选择电路(图4)是由CPLD芯片EPM3064和信号继电器构建的逻辑阵列开关。
4 软件设计
软件设计包括3个子模块:SPI初始化模块、AD7705驱动模块、定时器模块[2]。工作过程:首先通过ATmega 16的SPI接口驱动AD7705,完成AD 7705通道设置、时钟设置、更新速率以及校准模式等,然后启动ATmega 16的定时器,在定时器中断函数中查询AD7705的状态,如转换完成则读取转换结果,否则继续等待直到转换完成,如此不断读出所需的转换结果。程序流程如图5所示。
4.1 SPI初始化模块
对ATmega 16的SPI接口进行配置:
void spi_init(void)
{
DDRB|=(1<
DDRB&=~(1<
PORTB|=(1<
SPCR=(1<
}
4.2 AD7705驱动模块
该模块程序完成对AD7705的配置任务,需要注意的是读写寄存器之前必须先选择要操作的寄存器。
向AD7705写入1字节函数,入口参数data为需写入的字节数据:
{
SPDR=data;//启动数据传输
while(!(SPSR&(1<
}
读出AD7705数据函数,返回值为读出的2字节数据:
{
unsigned int temp;//定义临时变量
wr_7705(0x38);//选择读数据寄存器,1通道
SPDR=1;//启动数据传输
while(!(SPSR&(1<
{
}
temp=SPDR<<8;//读取高字节
SPDR=1;//启动数据传输
while(!(SPSR&(1<
{
}
temp|=SPDR;//读取低字节
}
AD7705初始化函数:
{
wr_7705(0x20);//选择时钟寄存器,下一操作是写
wr_7705(0x00);//20Hz的更新速率
wr_7705(0x10);//选择设置寄存器,下一操作是写
wr_7705(0x44);//自校准模式,增益为1,单极性
}
4.3 定时器模块
利用定时器1按一定的时间间隔读取AD7705的转换结果。读取数据之前必须确定数据寄存器的状态,有两种不同的方式:第1种是查询DRDY引脚,如果处于低电平,表示已经转换完成,可以读取;第2种是查询通信寄存器中的DRDY位,如果是0表示可以读取数据:
定时器1初始化函数:
{
TCCR1B=0x00;//停止定时器
TCCR1A=0x00;//定时器模式
TCNT1H=0x F6;//装初值
TCNT1L=0x3B;//定时器1溢出时间20ms
TCCR1B=0x04;//启动定时器,256分频
TIMSK|=BIT(TOIE1);//使能溢出中断
}
定时器1溢出中断函数:
{
if(DRRY==0)//判断AD转换是否完成
}
5 结束语
经长时间实验,结果表明设计合理、运行稳定、采样精度高。通过RS232接口与上位机相连,将采集数据实时传输至计算机,配合所设计的上位机应用软件可完成模拟量的采集。以此为基础所设计的32通道模拟电压采集板卡已经应用到多个科研课题中。
在此基础上构建专用的测量系统,可减少工作量、降低科研成本,具有很高的应用价值。
摘要：设计了以单片机ATmega 16为控制核心,以AD7705为前端采集芯片,以CPLD芯片EPM3064为逻辑开关阵列的32通道模拟量采集系统。给出了相应的硬件电路、驱动程序以及应用软件,指出了AD7705在实际应用中应当注意的一些问题。该采集系统结合测量仪器可以完成多点多参数的测量。
关键词：模拟量采集系统,AD7705,单片机ATmega16,多通道
参考文献
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模拟量采集系统 篇2
由于PLC技术具有对生产现场适应性极强、工作可靠、编程调试修改极其方便灵活等优点,广泛应用于机械、电子、纺织等行业,显示出了非凡的优越性,在工业自动化领域得到了越来越广泛的应用[1]。
在工业控制过程中,往往需要一些开关量信号输入和模拟量信号的测量,并据此产生特定应用的控制输出。目前,基于PLC控制系统的模拟量采集存在几个问题:PLC标配的模拟量扩展模块输入通道少、价格昂贵、不同类型的模拟量信号需要扩展专用模块;市场上一些通用的模拟量采集板一般采用RS-232或者RS-485接口,协议多采用MODBUS标准协议。PLC的串口资源少,主要用于组网以及与HMI(Human Machine Interface)通信。所以,通用模拟量采集板的缺点是:占用PLC的串口;RS-232通信系统共模干扰严重,抗干扰性弱;RS-485接口布线要求非常严格;MODB-US协议的实现相对复杂,对于单纯的数据采集功能来说,不够简便。
针对这一情况,本研究开发了一款基于新型通信协议的多类型多通道的外接模拟量采集模块。该模块能够采集4路电流、4路电压和8路温度,不占用PLC的串口,只占用PLC的2个高速I/O口实现数据通信,抗干扰能力强,布线要求低,并设计应用了一种简单实用的通信协议。一路高速I/O口产生CLK信号;另一路I/O口是实时数据。因此,该模块可应用于具有至少2路高速I/O口的PLC控制系统,具有一定的通用性。
1 系统结构设计与原理
1.1 系统总体结构
该系统总体结构框图如图1所示。由图可知,该系统由4部分组成:信号调理部分、采样部分、信号处理部分和数据传送部分。信号调理电路将模拟输入信号映射为一定范围内的电信号;采样电路将电信号转换为数字量数据;信号处理电路按照特定的方法计算出实时温度值、电压值和电流值;发送部分将实时数据发送给控制系统。
1.2 系统原理
工业上普遍需要测量各类非电物理量(例如温度、压力、速度、角度等)和电物理量(简称电量,例如电流、电压、功率、频率等)。结合实际需要,该采集板系统采集温度、电流和电压信号。首先,将模拟信号接入特定的信号调理电路,产生不超过A/D参考电压的标准电压信号。然后对模拟信号进行A/D转换,信号处理单元对采样得到的数据进行特定的处理。最后,通过发送电路将数据发送到控制系统输出。经过比较,选择ATMEL公司生产的ATmega8作为信号处理单元的主芯片[2]。ATmega8有1 KB的SRAM、8 KB的Flash、512个字节的E2PROM、3个定时器/计数器、ISP等多种功能的接口和特性;并且价格便宜,有非常好的性价比,能够满足系统要求。系统原理图如图2所示。
2 信号调理模块
系统设计8路温度信号、4路电流信号和4路电压信号调理电路。出于通用性考虑,系统将电压和电流信号调理电路设计为复用。
2.1 温度信号调理电路
由于PT100热电阻在实际使用中,工厂为了节约信号线,热电阻接入二次仪表时采用二线出三线入接法,产生明显的温度虚高,温度虚高28℃甚至更高[3];出现异常跳变;铂电阻的温度系数小(0.003 91℃),精度受到限制;价格昂贵。
近年来,研制出了性能十分稳定的热敏电阻。因为热敏电阻的温度系数比铂电阻大10倍以上,在稳定性、环路增益、电源稳定性和放大器漂移等方面的要求都可降低10倍。因此,系统选用NTC热敏电阻3950K替代常规的PT100热电阻。NTC热敏电阻是指具有负温度系数的热敏电阻,阻值变化大,线长的影响可以忽略不计。
温度信号调理电路原理:VDD经过电阻R1分压后,在热敏电阻Rf上产生一个与它自身阻值相关的电压值。Rf称为热敏电阻的三点式线性校正电阻[4],是为改善热敏电阻的非线性。R1的数值可按下述方法求出。首先,把测量区间划分成二等分,所得3个温度点由低至高分别是-20℃(Ta)、30℃(Tb)和80℃(Tc),相对应的热敏电阻阻值(恒温槽中测定)分别是99 077.3Ω(Ra)、8 033.8Ω(Rb)和1 246.32Ω(Rc)。即有:
将Ra、Rb和Rc代入公式(3)中,得到R1≈6.63 kΩ,系统选择精度为1%的金属膜电阻6.65 kΩ。电路非常简单,但是大大改善了热敏电阻的非线性情况。
2.2 电量信号调理电路
为了测量变送器输出的4 m A~20 m A直流电流信号,设计了电流调理电路,如图3所示。常规方法是:4 m A~20 m A直流电流信号在250Ω精密电阻上[5],产生1 V~5 V电压,然后输入A/D采样。考虑共地带来的干扰,以及电源的稳定性(影响A/D的参考电压),系统选择150Ω精密电阻。4 m A~20 m A直流电流信号在150Ω精密电阻上产生0.6 V~3 V电压。
对于标准的1 V~5 V电压信号,系统设计精度为10 m V。出于通用性考虑,采用分压电阻分压。经过RC滤波和电阻分压后,产生0.6 V~3.3 V电压,然后输入A/D采样。
3 ADC转换模块
模拟量信号经过信号调理电路后,变成符合A/D芯片采样的电压信号。单片机mega8输出选通信号INH和地址信号A、B、C,选通两片8选1多路转换开关CD4051,将16路信号分时连接到ADC转换模块进行采集。
系统需求:测温范围为-20℃~80℃,分辨率为0.1℃;电流测量范围为4 m A~20 m A,精度0.01 m A;电压测量范围为1 V~5 V,精度10 m V。mega8内部集成了一个10位A/D转换器,由于存在测量误差、电磁干扰等,系统选用12位的高精度A/D转换芯片MCP3201[6,7]。
Microchip的MCP3201-BI是一款带有片上采样和保持电路的逐次逼近型12位A/D转换器。它的差分非线性(DNL)被指定为±1 LSB;积分非线性(INL)为±1 LSB。它使用符合SPI协议的简单串行接口与器件通信。在时钟速率为1.6 MHz时,器件的采样速率最高为100 ksps。根据系统设计需求,系统的采样速率设计为10 ksps。它的工作时序如图4所示。
4 发送模块
目前市场上通用的模拟量采集模块大多使用串口。由于PLC的串口资源少,连接文本或者液晶显示器需要使用串口;组网也需要串口。因此,有人研究采用并口与PLC通信[8],它的缺点是:占用较多的数字I/O口。
这两种设计思路,各有优缺点,但却互补。所以,系统根据并口方式的接口电路和串口方式的通信协议,设计了一种不同于常规232、485电路的新型通信电路和一种简洁可靠的、实用的通信协议。
硬件方面:通过单片机任意两个I/O口与PLC测控系统连接。为提高传输距离,使用驱动芯片ULN2003。通信协议设计思路:使用二线制,I0.0产生发送脉冲,I0.1或者I0.2发送数据;上位机PLC在I0.0的上升沿接收I0.1或者I0.2的数据。I0.2为备用通道。发送时序如图5所示。
5 电源模块
电源模块采用开关稳压集成电路替代传统三端稳压集成电路。原有的电源电路,采用+24 V经过7815和7805产生+5 V的供电电源,但是发热严重,稳定性不高,电路复杂。现改用LM2575系列开关稳压集成电路,散热良好、稳定性高、电路简单。电源电路如图6所示。
6 软件设计
软件分为5个子模块:上电初始化子模块、通道选择子模块、采集子模块、转换子模块、发送子模块。流程图如图7所示,软件设计重点是转换和发送子模块。上电初始化子模块配置了单片机的各种寄存器,包括mega8熔丝位的配置;通道选择子模块中,单片机按照确定的控制原则选通两片8选1多路开关,将16路模拟量信号分时连接到MCP3201采集;采集子模块中,关键点在于控制电路的时序必须要符合MCP3201的标准SPI协议规范。
6.1 转换子模块
转换子模块分为电流、电压和温度3部分。电压转换时设数字量为N,单位为10 m V,则:
电流转换时设数字量为N,单位为0.01 m A,则:
温度转换目前有两种方式:查表法和公式法。本系统有1 000个数据点,使用查表法对系统内存有较高要求、运算速度差;因此使用公式法。热敏电阻具有严重的非线性,可用“Steinhart-Hart”公式描述[9,10]:
式中:T—温度,以℃计;A、B、C—常数;R—T温度时热敏电阻阻值;ln R—自然对数。
系数A、B、C根据3个校准点确定,它们分别是温度量程的低端、中点、高端。将这3对电阻一温度值插入公式(4),产生1组3联方程式,并求解。系统选取-20℃、30℃和80℃进行计算,得到常数A、B和C。然后在PC机上按照“Steinhart-Hart”公式计算出温度值并与实际温度值对比。数据表明除个别数据点外误差低于±0.03℃。每一通道采集16次,数字滤波采用限幅法和中位值平均值法。3 950 K温度传感器的拟合公式为(设数字量为N):
然后调用“Steinhart-Hart”公式计算出相应温度值,得:
经“Steinhart-Hart”公式得到的温度值先变换为整型温度值(单位为0.1℃),范围为-200~800(即-20℃~80℃)。为了传送方便,将该整型数据加400后发送,即200~1 200。
6.2 发送子模块
与PLC控制系统通信时,可以使用自由协议、Modbus协议等。Modbus协议主要功能是支持具有独立控制功能的不同厂商之间设备的连接。本采集板卡仅有数据采集功能,不具备独立控制功能,是PLC的一个模拟量扩展模块,可以不采用Modbus协议;Modbus协议通信过程不够灵活,需要按照一定的波特率发送和接收,对系统时序有更高要求。所以,系统使用自由协议,具体协议如表1所示。
数据的校准,可以采用数据重复发送检验、奇偶校验、CRC校验等[11]。系统采用数据重复发送检验方法:将待发送数据重复发送,PLC接收完成后,对比两组数据相同则接收,否则丢弃。这种检验方法发送量大但却最简单、最可靠,经测试,正确率在99%以上。
6.3 看门狗配置
由于单片机常会受到许多强干扰,造成程序跑飞而陷入死循环,使控制系统无法继续正常工作,陷入停滞状态。出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑,加入看门狗电路。mega8自带一路看门狗电路,它由片内一个独立的振荡器驱动,电压为5 V时,典型振荡频率是1 MHz。该系统每次采集的周期为100 ms,所以WDT定时器预分频器设置位WDP2、WDP1、WDP0配置应该大于或等于011。系统配置WDP2、WDP1、WDP0为100。软件设计流程如图7所示。
7 系统调试
由于mega8没有JTAG在线调试功能,通过搭建测试系统来调试:先将变阻箱(精度为0.01Ω,杭州大华ZX54型实验室直流变阻箱)、采集板卡、PLC控制系统和PC机组成系统,编写测量软件在PC机上记录并显示每个通道的温度值。辅助工具采用示波器和万用表。
测量软件原理:PLC延时5 s,然后在X0输入口的上升沿记录X1通道数据,满足32位时实际采样次数加1。然后检测高16位数据与低16位数据是否相等,相等则接收,有效次数加1;延时52 ms后重复执行。
(1)在发送过程中,低电平时间太短。实验中低电平初始设定为200μs,高电平为1 300μs,周期为1.5 ms,频率小于1 k Hz,实验中出现通信异常。经分析,是由于硬件电路的延迟和外界的干扰造成。低电平时间过短,会使发送数据不稳定,PLC不能正确接收数据。后来低电平设定为700μs,高电平800μs,周期为1.5 ms,实验中没有出现通信异常。
(2)相邻通道间数据干扰严重。如4个通道R5~R8都接10 kΩ电阻时,R6通道温度比其他高0.1℃。R5、R7不接电阻时,R6恢复正常,经过分析断定是通道间耦合造成。在电路布板时各个通道间的距离增加1 mm,通道间数据干扰大大减小。
(3)在设计时间间隔里,系统各通道的温度变化表如表2所示。从结果得出:由于从空间来的电磁耦合等原因,系统存在±0.1℃的偏差。
(4)通信距离和通信准确率的测量表如表3所示。经过多次测量稳定性高,通信距离在200 m以下时准确率不低于99.90%。
(5)电快速瞬变脉冲群试验中效果良好(如表4所示),满足系统需要。
8 结束语
该系统实现的基于新型通信协议的多类型多通道外接模拟量采集模块,能够采集4路电流、4路电压和8路温度,不占用PLC的串口,只用2个数字I/O实现数据通信,抗干扰能力强,布线要求低,通讯协议简单、高效。该模块不仅能采集模拟量,同时也能支持模拟量输出。
经过整机测试,该采集板采样周期为16×100 ms;最大误差±0.1℃、10 m V和0.01 m A;在通信距离为200 m时,与上位机通信准确率不低于99.9%;电快速瞬变脉冲群试验中效果良好,满足系统设计要求。该模块和EMERSON公司的EC10-1614BRA型PLC、西门子公司的CPU224 CN型PLC相结合,已成功应用于小型中央空调控制系统。该方法同时也适用于利用其他厂商型号PLC构成的控制系统,具有一定的通用性。
摘要：对于不同的模拟量输入信号,PLC控制系统需要扩展专用的采集模块;现有的多功能模拟量采集模块与PLC通讯通常采用MODBUS协议,并占用PLC有限的通讯接口。两种方案实现复杂,性价比差。为此,开发了一款不占用PLC现有通讯接口、仅利用2个PLC数字输入口进行通信的多功能模拟量采集板卡。研究结果表明,该板卡能够实时采集温度、标准电流、电压信号,并能和任何类型PLC实现通信,通用性强,性价比高,满足电快速瞬变脉冲群试验相应要求,已经可靠地应用于PLC控制系统中。
关键词：模拟量采集,通信,可编程控制器
参考文献
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模拟量采集系统 篇3
近年来随着工业控制技术的不断发展, 对电机速度控制的要求越来越高, 一般都进行速度闭环控制。现代工业的发展, 以PLC为核心的自动化控制系统已成为工业自动化电气控制系统的发展方向。由于在PLC实训中, 对带式输送机控制系统的速度控制不太理想, 速度变化的过程引起较大振动, 运行不稳定且可靠性较差, 不便于对电机运行实时监控。因此, 本设计中利用模拟量速度闭环控制, 并采用触摸屏组态实现人机对话的交互界面, 在PLC实训应用中控制效果较好。随着科技不断进步, 触摸屏作为一种新型的人机界面显示终端, 适用于现场控制, 可靠性高, 编程简单, 维护使用方便。在工艺参数较多且需要人机交互时使用触摸屏, 可使整个生产的自动控制功能大大加强。采用触摸屏结合PLC应用于闭环控制变频系统是自动控制的趋势, 在供水、冶金、机械等许多工业生产中, 对于提高生产自动化程度和安全生产具有重要的意义。
1 系统的结构框图及工作原理
监控式模拟量速度闭环控制系统的结构框图如图1所示。
本系统的结构由PLC、变频器、旋转脉冲编码器、触摸屏及交流电动机5部分组成。
本系统的工作原理:电机的实际转速经旋转编码器检测编码后变成频率脉冲信号输入到PLC高速计数模块进行频率计数, 而系统给定的速度值与高速计数模块计数后反馈回比较器的实际转速值相减产生速度偏差, 然后经PLC的PID控制器进行比例微积分运算得到速度控制量, 由PLC模拟量输出模块将控制量信号经DP总线通讯输入到变频器, 最后由变频器来驱动和控制电机的运行速度, 从而达到控制电机转速的目的。在PLC的控制过程中, 采用触摸屏来实现用于显示设备和系统状态的实时速度监控, 通过触摸屏上的组态画面可产生相应的开关信息、输入数值和字符数据与PLC进行数据交换, 从而产生相应的信号控制设备及系统的运行。触摸屏作为人机交互界面, 可实时对参数进行设定, 实现对电机的转向、转速和行程的实时监控。
2 系统的硬件和网络组态设计
2.1 主站硬件组态设计
主站硬件组态如表1所示, 主站站地址为2。
高速计数模块FM350-1是一款单通道高速计数的智能计数功能模块, FM350-1的一个计数通道可实现周期、单次、连续计数和频率、转速、周期的测量, 可接编码器和脉冲传感器。FM350-1的组态画面 (图2) , 包括编码器和操作模式的组态参数配置。编码器的参数配置:信号类型为24 V增量;最大计数频率为200 k Hz;信号输入为推挽输出/漏型输入。操作模式的参数配置:操作模式为频率测量;门控为软门控制;更新时间为10 ms。
2.2 从站硬件组态设计
从站硬件组态如表2所示, 从站站地址为3。
模拟量输出模块SM332的参数配置:在属性中设置模拟量的电压输出范围为0～10 V。SM332与变频器的连接:选用SM332输出通道CHO的电压输出端QV0和MANA分别与变频器外部模拟量输入端9脚和10脚相连。模拟量数据的处理过程:传感器从电机运行中测出速度的变化, 把检测到模拟量变化信号传送到变送器中转换为标准的模拟量信号, 经模拟输入模块的模数转换器把模拟量转换为数字量数据被CPU处理。模拟输出模块中模拟量数值由用户程序计算所得, 该数值由模块中数模转换器变换为标准的模拟量信号, 经模拟执行器输出到变频器进行速度的控制。
2.3 网络组态设计
本系统由一个主站和一个从站构成DP网络, 如图3所示。
2.4 变频器的功能码参数设置
在通讯前要完成变频器的功能码参数设置, 如表3所示。
2.5 触摸屏组态设计
西门子触摸屏TP270是一款10寸中文彩显工控触摸面板。具有稳定可靠、功能强大、易实现过程控制和监视等优点。可用组态软件Wincc Flexible 2008设计触摸屏监控组态画面。触摸屏的主画面:皮带速度闭环控制系统: (1) 系统启动 (皮带正转、反转、停止) ; (2) 系统停止; (3) 速度控制画面, 子画面 (图4) ; (4) 速度监控画面:运行趋势图X轴为时间, Y轴为运行频率, 子画面 (图5) 。
3 系统的程序设计
完成硬件和网络组态设计后, 运用SIMATIC V5.4软件进行系统程序的设计 (图6) 。以下程序结构设计作一说明。OB1循环主程序:用于控制高速计数模块计数。OB35循环中断程序:CPU模块的循环中断时间设置为100 ms, 用于执行模拟量闭环控制和存放模拟量闭环处理程序。OB100启动组织块程序:用于对连续PID控制器初始化, 使PID参数恢复默认值。FB41连续PID控制器:用于控制带连续输入和输出的工艺过程。在参数分配期间, 用户激活PID控制器的子功能使控制器适合实际的工艺过程。DB10共享数据块:用于与触摸屏通讯。DB1共享数据块:类型为UDT2, 用于与高速计数模块的通讯和连接Wincc flexible中的变量。FC2:对高速计数模块控制。UDT1、UDT2:数据结构。DB2、DB4、DB5:连续PID控制器的背景数据块。VAT_1变量表:用于对I/O端子数据的设置和监控。
4 调试
首先用DP总线完成连接TP的1F1B口和PC的CP5611适配接口, PLC的MPI口和PC的CP5611适配接口, PLC和变频器的DP口, 实现PC、PLC、TP和变频器的相互通讯;其次在PC完成组态设计系统的硬件、网络、程序, 由PC下载到PLC;再次, 在PC完成触摸屏TP的组态画面设计, 由PC下载Wincc Flexible的组态画面到TP, 然后设置好TP的网络参数和变频器的功能码参数;最后在TP中设置变频器的控制字和设定值。在线调试, 通过TP主画面的按钮控制电机的起停和转向;子画面1速度控制画面中可现场设置PID等参数值, 控制电机的速度变化和PID控制;子画面2速度监控画面中可实时监控速度的运行变化曲线 (图5) 。在调试过程中, 电机的运行效果良好, 速度的变化过程迅速平稳, 基本达到速度控制的要求。
5 结语
本文设计的监控式模拟量速度闭环控制系统应用于PLC实训的带式输送控制系统, 经现场调试后运行效果良好, 具有人机交互界面, 控制操作简便, 速度变化的过程迅速平稳, 有较好的运行安全可靠性和控制精度, 较强的抗干扰能力, 基本达到了设计的目的和要求。
参考文献
[1]SIEMENS S7-300可编程序控制器教程
[2]SIEMENS S7-300可编程序控制器编程手册
[3]SIEMENS触摸屏TP270用户手册
[4]SIEMENS变频器G110用户手册
[5]廖常初主编.西门子人机界面 (触摸屏组态与应用技术) .机械工业出版社, 2007
模拟量采集系统 篇4
1 功能安全评估方法①
在生产系统的可靠性设计和运行过程中,安全评估是一个重要环节。目前国内外已研究开发出多种针对不同特点、不同使用对象和范围、不同应用条件的安全评估方法,常用的有:安全检查法(SR)、安全检查表分析法(SCA)、预先危险性分析法(PHA)、故障假设分析法(WI)、危险与可操作性研究法(HAZOP)、故障类型及影响分析法(FMEA)、故障树分析法(FTA)、事件树分析法(ETA)和危险指数法(RR)[2]。
FTA是由美国Bell实验室科技人员在1962年进行火箭发射系统的安全评估时提出的。发展到今天,已经是可靠性分析和安全评估的最常用方法之一[3]。安全评估方法获得可信的安全评估结果必须建立在真实、合理和系统的基础数据之上,被评价的系统应该能够提供所需的系统化的数据和资料。笔者搜集到了适应于故障树的可靠性数据,又因故障树分析方法精确且适用范围广,故采用故障树分析方法对LN-05B模件进行安全评估。
2 AO模件的故障树分析与SIL等级计算
FTA从顶端事件开始,首先分析导致该事件的直接原因,接着确定导致直接原因的失效模式,然后一直追溯到最根本的触发原因———基本事件[4]。能够揭示导致事故发生的基本事件,从而降低事故发生的可能性。
故障树分析的步骤为:分析系统结构并逐级分析导致失效的原因;建立故障树结构;建立最小割集;故障树定量/定性分析[3]。
2.1 分析系统结构
LN-05B模件的结构如图1所示[5]。该模件配置了两个24V供电电源,经滤波和外部辅助电路后,通过隔离电压转换器将24V电压转换为5V电压为微控制器供电。由数据总线送来的控制量信号经数据收发器送到微处理器,来自微处理器的信号经隔离装置送入DA转换器之后,当系统处理器模件发出的地址信号与该模件地址开关上设置的地址一致时,输出通道将微弱的数字信号转换成能对生产过程进行控制的数字驱动信号输出。该模件配置4路DA输出通道,首先计算单输出通道的模件失效概率,再计算整个模件的失效概率。
2.2 建立故障树结构
单输出通道的模件故障树如图2所示。共因失效是指由一个或多个事件引起多通道系统中的两个或多个分离通道失效,从而导致系统失效的一种失效[6]。共因失效一般发生在多通道系统中,如冗余及多数表决系统等。
电源采用冗余配置,考虑共因失效;总线收发器采用二取一表决逻辑,考虑共因失效。共因失效因子β可以根据β因子估计表估计,两个冗余的电源输入通道采用了相同的技术并且在同一电路印刷板上,根据β因子估计表,β电源取0.03[6]。两个收发器在同一个印刷电路板上采用相同的连接方式,并且它们由同一个电源供电,相互没有隔离,根据β因子估计表,β收发器取0.04。
部件失效概率数据见表1。表中总线收发器的可靠性数据由制造商Philips提供,AO转换器和运算放大器的可靠性数据由制造商Burr-Brown和Texas Instruments提供;其他元器件的可靠性数据来自美国国防部可靠性分析中心RIAC的可靠性数据库。
2.3 建立最小割集
最小割集的计算方法有很多种,笔者采用下行法计算。从故障树的顶事件开始,顺次把上一级事件置换为下一级事件,遇到与门将输入事件横向并列写出,遇到或门将输入事件竖向写出,直到把全部逻辑门换成底事件为止,此时最后一列代表所有割集,再将割集简化并吸收得到全部最小割集[7,8]。结合图2可知,LN-05B失效故障树的最小割集为:{B1},{B2},{D1,D2},{C2},{B4},{B5},{D3,D4},{C4},{B7},{B8},{B9},{C5},{C6},{C7},{C8},{C9},{C10},{C11}。{B9},{C5},{C6},{C7},{C8},{C9},{C10},{C11}。
2.4 故障树定量分析
采用最小割集不交化方法求顶事件发生的概率[7],具体为:
将表1数据代入式(1)、(2),得:
其中非共因部分的PFD为(1-β)PFD,共因部分的PFD为βPFD。通过计算,得到整个模件的失效概率为5.70×10-3。
安全完整性就是在规定的条件和时间内,安全相关系统成功地实现所要求的功能的概率[9]。安全相关系统有4种安全完整性等级(SIL),等级越高,其成功实现所要求功能的概率越高。根据表2可知该模件的安全完整性等级为SIL2[7]。
3 结束语
模拟量采集系统 篇5
1系统结构
评价汽油蒸发性的指标中,饱和蒸气压是C4组分添加量的重要联锁指标。在规定条件下,油品在适当的试验装置中气液两相达到平衡时,液面蒸气所显示的最大压力即为饱和蒸气压。汽油调合控制系统采用Honeywell TPS系统,其网络结构如图1所示。
2联锁回路
汽油调合C4组分的联锁回路设有调一和调二两个调合头。C4管线主要的联锁回路包括: C4至调合头线温度高高联锁,调合1#线混合器后压力低低联锁,调合2#线混合器后压力低低联锁,1#调合头饱和蒸气压力高高联锁,2#调合头饱和蒸气压力高高联锁,1#调合管线C4调合比例高高联锁,2#调合管线C4调合比例高高联锁,1#调合管线总流量低低联锁,2#调合管线总流量低低联锁。 主要联锁阀门包括: 1#调合两台切断阀( XV2251, XV2253) 一台调节阀( FV1251 ) ,2#调合两台切断阀( XV2252,XV2254) 一台调节阀( FV1252) 。其流程如图2所示。
图2 两个调合头的工作流程
联锁组态中主要用到的位号见表1。
TPS系统中使用LOGIC点实现联锁控制,逻辑原理如图3所示,L1为联锁条件的输入,NN1为联锁值,Lock _ r为复位,FL7为常数0 ( FALSE) ,FL8为常数1( TRUE) ,保证联锁优先。图3中SO为逻辑处理不同阶段的输出,联锁条件发生时,SO1 = 1( TRUE) ,SO2输出到切断阀和调节阀的电磁阀,联锁时SO2 = 0( FALSE) ; SO5输出到联锁 指示灯和 喇叭,联锁时SO4 = 1 ( TRUE) ,灯亮声响,复位后灯灭,喇叭消音。
PULSE功能块是脉冲产生块,SO3由0到1时产生一个脉冲。FLIP-FLOP功能块类似SR触发器: 输入端S1为复位,输入端S2为置位,真值表见表2。
3主要控制回路
主要控制回路有调节阀的控制、两位式电动阀的控制和模拟量电动阀的控制,笔者只说明模拟量电动阀的开关式控制。
汽油调合C4系统泵出口的第一道阀为模拟量电动阀,操作员在操作员画面给定阀门开度后, 点开关按钮即可实现阀门的开关式控制。模拟量电动阀的开关式控制原理如图4所示。
LOGIC逻辑点提供逻辑运算与数据传送功能,一个逻辑点中可以包括多个逻辑运算模块。 逻辑点内部处理顺序是输入条件 - 逻辑块 - 输出 ( SO) 。
DC点的输入输出为离散量,而模拟量控制阀的控制信号与反馈信号为模拟量,通过LOGIC点的适当处理可以让操作员在OMS画面( Honeywell油品储运系统) 中像开关两位式电动阀一样开关模拟量阀。LOGIC点逻辑如图5所示,其中L1为阀位反馈值( 模拟量) ; L2为离散量( DC点的输出) ,ON为开阀,OFF为关阀; NN1为99. 0 ( 阀门开度控制,可修改) ; NN2为1. 0( 阀门关控制,可修改) 。
LOGIC点的输出连接如图6所示。
输出允许控制如果为ON则输出源的值赋给输出目的参数。FL2为LOGIC点的内部参数, FL2 = ON。FLO. PVFL为ON则阀门开到位,是DC点的输入; FLC. PVFL为ON则阀门关到位,是DC点的另一输入。AO. OP为阀的开度控制信号。动作过程说明如下:
a. 当由DC点给开阀信号时L2 = ON,则SO3 = OFF,NN1的值99. 0 ( 阀门开度) 赋给AO. OP,阀门收到全开控制信号。当阀门回讯L1高于NN1( 99. 0) 时SO1 = ON,则FLO. PVFL = ON, 阀门开到位。如果阀门回讯L1的值不高于NN1的值,则DC点产生未开到位报警。
b. 当由DC点给关阀信号时L2 = OFF,则SO3 = ON,NN2的值1. 0 ( 阀门开度) 赋给AO OP,阀门收到全关控制信号。当阀门回讯L1低于NN2( 1. 0) 时SO2 = ON,则FLC. PVFL = ON,阀门关到位。如果阀门回讯L1的值不低于NN1的值,DC点产生未关到位报警。
c. 根据控制过程中的实际情况,操作员可以在OMS画面上修改NN1、NN2的值,现场阀门的开关位置也会随之改变,逻辑中也可以修改阀门开关到位的判断条件,与控制信号相比在偏差允许范围内都认为是开关到位。
4结束语
采用C4组分参与汽油调合的方法降低了成品汽油的成本,而且投入少,工艺流程改动少,改造工期短,便于实现。C4组分管线与成品油管线直接相连,安全风险增大,因此采用两台切断阀和一台调节阀同时参与联锁,为装置的安全生产提供了保障 。
摘要：介绍Honeywell TPS在汽油调合C4组分中的联锁控制,运用组态方法对现场模拟量电动阀实现开关式控制。