A/D D/A轉換器在遠程監控中的應用
--傳感器模擬信號隔離放大轉換及遠傳
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摘要
本文介紹了利用模擬信號遠程監控的應用方案。工業現場PLC的AO模塊或SCADA、DCS系統輸出的模擬量電流或電壓信號直接去控制遠程的執行設備，往往會因為長距離的傳輸造成信號的衰減、失真，有時還會因為其他外界信號干擾造成信號出錯，影響整個系統的正常工作。應用ISO 4021/ISO DAO遠程模擬信號輸出模塊的RS-485差分數字信號傳輸可以有效地提高系統抗干擾能力，利用RS-485的總線通訊和地址設置，在某些場合還可以減少布線，降低設備控制成本和提高系統可靠性。
關鍵詞
模擬信號隔離放大轉換 傳感器 數據采集 遠程監控 A/D及D/A轉換
RS232/RS-485數據通訊
Abstract: This article describes the use of analog output module ISODA remote device control applications. PLC or DCS system, the AO module analog output current or voltage signal directly to control the implementation of the remote device, often because of signal attenuation, distortion caused by long-distance transmission, and sometimes because of signal errors caused by other external signal interference, the entire system does not work properly. ISODA remote analog signal output module use the RS-485 differential digital signal transmission and it can effectively improve the system anti-jamming capability, using RS-485 bus communication and address can be setting, in some cases can also reduce cabling, lower costs and improve equipment control system reliability.
Key words: RemoteAD DA conversion Analog signal output Remote IO
RS-485 Data Communication
引言
隨著電子產業數字化程度的不斷發展，逐漸形成了以數字系統為主體的格局。A/D和D/A轉換器作為模擬和數字電路的接口，正受到日益廣泛的關注。隨著數字技術的飛速發展，人們對A/D和D/A轉換器的要求也越來越高，新型模擬/數字和數字/模擬之間的轉換技術不斷涌現。通過這些轉換人們可以運用各種控制器進行遠程監控，如控制某個空間的溫度、濕度，控制液體的液位和流量，控制物體的位移、速度及壓力等。在實際工作環境中，各種傳感器、PLC的AO模塊或DCS系統輸出的模擬量電流或電壓信號很弱（很多是mV或mA級），而且普遍帶負載能力低。直接用來監控遠程的執行設備，往往會因為長距離的傳輸造成信號的衰減、失真，有時還會因其它外界信號干擾而造成信號出錯，影響整個系統的正常運行。
因此，要保證監控系統的可靠性，首先需要將系統中的多種傳感器、多路PLC、DCS等輸出的模擬信號進行隔離、放大、轉換。有些場合還需要通過各種通訊載體進行遠程無失真傳輸。 ISO 4021(A/D轉換)可以將傳感器輸出的模擬信號轉換成數字信號，用RS232/485通訊將信號進行遠程傳輸或采用GPRS、GMS進行無線數傳，然后用遠程模擬信號輸出模塊ISO DAO(D/A轉換)將數字信號轉換成模擬信號，用還原的模擬信號進行遠程監測和控制。這些技術在SCADA數據采集、FCS遠程監控中得到了越來越多的應用。
一、信號A/D(模擬轉數字)轉換及遠程傳輸技術
ISO 4021信號A/D(模擬轉數字)轉換器可實現傳感器和主機之間的信號采集，用以檢測模擬信號或控制遠程設備。通過軟件的配置，可用于多種傳感器類型，包括：模擬信號輸入，模擬信號輸出，和數字信號輸入/輸出（I/O）。廣泛用在 RS-232/485總線工業自動化控制系統，4-20mA / 0-5V信號測量、監視和控制，小信號的測量以及工業現場信號隔離及長線傳輸等等。
ISO 4021信號A/D(模擬轉數字)轉換器包括電源隔離，信號隔離、線性化，A/D轉換和RS-485串行通信。每個串口最多可接256只 ISO 4021系列模塊，通訊方式采用ASCII碼通訊協議或MODBUS RTU通訊協議，其指令集兼容于ADAM模塊，波特率可由代碼設置，能與其他廠家的控制模塊掛在同一RS-485總線上，便于計算機編程。
ISO 4021信號A/D(模擬轉數字)轉換器是基于單片機的智能監測和控制系統，所有的用戶設定的校準值，地址，波特率，數據格式，校驗和狀態等配置信息都儲存在非易失性存儲器EEPROM里。ISO 4021系列產品按工業標準設計、制造，信號輸入 / 輸出之間隔離，可承受3000VDC隔離電壓，抗干擾能力強，可靠性高。工作溫度范圍- 45℃～+85℃。
ISO 4021模擬轉數字 (A/D)轉換器功能簡介：
ISO 4021信號A/D(模擬轉數字)轉換器框圖，如圖1所示。
圖1 ISO 4021信號A/D(模擬轉數字)轉換器原理框圖
ISO 4021 信號隔離采集模塊，可以用來測量一路電壓或電流信號，也可以用來測量兩路可以共地且不會互相干擾的電流或電壓信號。
1、模擬信號輸入
24位采集精度，產品出廠前所有信號輸入范圍已全部校準。在使用時，用戶也可以很方便的自行編程校準。具體電流或電壓輸入量程請看產品選型，測量兩路信號時兩路輸入選型必須相同。
2、通訊協議
通訊接口： 1路標準的RS-485通訊接口或1路標準的RS-232通訊接口，訂貨選型時注明。
通訊協議：支持兩種協議，命令集定義的字符協議和MODBUS RTU通訊協議。可通過編程設定使用那種通訊協議，能實現與多種品牌的PLC、RTU或計算機監控系統進行網絡通訊。
數據格式：10位。1位起始位，8位數據位，1位停止位。
通訊地址（0～255）和波特率（300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400bps）均可設定；通訊網絡最長距離可達1200米，通過雙絞屏蔽電纜連接。
通訊接口高抗干擾設計，±15KV ESD保護，通信響應時間小于100mS。
3、抗干擾
可根據需要設置校驗和。模塊內部有瞬態抑制二極管，可以有效抑制各種浪涌脈沖，保護模塊，內部的數字濾波，也可以很好的抑制來自電網的工頻干擾。
二、信號D/A(數字轉模擬)轉換及還原監控技術
ISO DAO信號D/A(數字轉模擬)轉換器可實現主機RS-485/232接口數字信號隔離轉換成標準模擬信號，用以控制遠程設備。廣泛應用在 RS-232/RS-485總線工業自動化控制系統的0-20mA/4-20mA/0-5V/0-10V等標準模擬信號還原輸出，用來控制工業現場的執行設備，控制設備以及顯示儀表等等。
ISO DAO信號D/A(數字轉模擬)轉換器包括電源隔離，信號隔離、線性化，D/A轉換和RS-485串行通信。每個串口最多可接256只 ISODA系列模塊，通訊方式采用ASCII碼通訊協議或MODBUS RTU通訊協議，其指令集兼容于大多數同類模塊，波特率可由代碼設置，能與其他廠家的控制模塊掛在同一RS-485總線上，便于計算機編程。
ISO DAO信號D/A(數字轉模擬)轉換器是基于單片機的智能監測和控制系統，所有的用戶設定的校準值，地址，波特率，數據格式，校驗和狀態等配置信息都儲存在非易失性存儲器EEPROM中。
ISO DAO信號D/A(數字轉模擬)轉換器按工業標準設計、制造，信號輸出 / 通訊接口之間隔離，可承受3000VDC隔離電壓，抗干擾能力強，可靠性高。工作溫度范圍- 45℃～+80℃。
ISO DAO數字轉模擬 (D/A)轉換器功能簡介：
ISO DAO信號D/A(數字轉模擬)轉換器框圖，如圖2所示。
圖2 ISO DAO信號D/A(數字轉模擬)轉換器原理框圖
ISO DAO 信號隔離D/A轉換模塊，可以用來輸出一路電壓或電流信號，也可以用來輸出兩路可以共地的電流或電壓信號。
1、模擬信號輸出和工作電源
12位輸出精度，產品出廠前所有信號輸出范圍已全部校準。在使用時，用戶也可以很方便的自行編程校準，因此在現場的應用更加靈活。信號輸出溫度漂移：±20 ppm/℃ (±30 ppm/℃, 最大)。工作電源，+8 ~ 50VDC寬供電范圍，內部有防反接和過壓保護電路。功率消耗：小于1.5W。隔離耐壓：通訊接口 / 輸出 之間：3KVDC，1分鐘，漏電流 1mA，其中通訊接口和電源共地。
2、通訊協議
通訊接口： 1路標準的RS-485通訊接口或1路標準的RS-232通訊接口。
通訊協議：支持兩種協議，命令集定義的字符協議和MODBUS RTU通訊協議。可通過編程設定使用那種通訊協議，能實現與多種品牌的PLC、RTU或計算機監控系統進行網絡通訊。由于支持通用的MODBUS RTU協議，所以能夠在工控領域得到廣泛應用。
數據格式：10位。1位起始位，8位數據位，1位停止位。
通訊地址（0～255）和波特率（300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400bps）均可設定；通訊網絡最長距離可達1200米，通過雙絞屏蔽電纜連接。
通訊接口高抗干擾設計，±15KV ESD保護，通信響應時間小于100mS。
3、抗干擾
可根據需要設置校驗和。模塊內部有瞬態抑制二極管，可以有效抑制各種浪涌脈沖，保護模塊，內部的數字濾波，也可以很好的抑制來自電網的工頻干擾。
三、ISO DAO模塊在遠程控制工業烤箱上的應用
工業烤箱應用廣泛，在電工、電子、儀表、材料、半導體等生產企業對非易燃易爆物進行干燥、烘培及其熱處理試驗；可用于學校、醫療、食品、化工等單位對非易燃易爆物進行干燥、保濕、烘培及其熱處理等試驗；特別適用于LED、LCD石英晶體電容、電阻等要求高恒精度和可靠性產品的過程烘干和老化。適用于烘烤有化學性氣體及食品加工行業的欲烘烤物品、基板應力的去除、油墨的固化、漆膜等等的精密烘烤、烘干、回火、預熱、定型、加工等。
工業烤箱由角鋼、薄鋼板構成，另外箱體加強，外表面復漆，外殼與內膽之間用硅酸鋁纖維充填，形成可靠的保溫層。工業烤箱采用電熱絲加熱，外加溫控器控制烤箱內的溫度。外部輸入0-5VDC模擬電壓信號到溫控器，溫控器根據輸入的信號來控制工業烤箱的溫度。由于工業烤箱距離控制中心的PLC有500多米，直接用PLC的AO模塊輸出0-5VDC傳輸到溫控器后，信號出現了比較大的衰減，影響控制的精度，所以采用ISODA O4-485模塊來實現信號的數字化遠傳。將ISODA O4-485模塊安裝在溫控器附近，ISODA O4-485模塊的模擬量輸出接口連接到溫控器的0-5VDC輸入端，PLC的RS-485接口通過屏蔽電纜來連接到ISODA O4-485模塊的RS-485接口。
PLC和ISODA O4-485模塊的通訊采用MODBUS RTU通訊協議。ISODA O4-485模塊出廠的設置是：通訊協議指令集規定的ASCII協議，通訊的地址為01，波特率為9600bps。通訊的波特率和地址不用修改，通訊協議要修改為MODBUS RTU通訊協議，可以按照以下步驟，設置模塊為MODBUS RTU通訊協議。1，將CONFIG引腳（第8腳）和GND引腳（第7腳）短接。2，正確連接電源線和通訊接口線。3，接通電源，模塊自動進入缺省狀態，通訊地址為00，波特率為9600。4，等待1分鐘，模塊初始化。5，發送命令$00P1(cr)，檢查應答，如果為!00 (cr)則設置成功。6，關閉電源，斷開CONFIG引腳和GND引腳之間的連接。完成以上步驟后，模塊已經成功設置為Modbus RTU通訊協議方式，直接接入PLC即可。
ISODA O4-485模塊寄存器40001的數據為通道0的當前輸出值，寄存器40002的數據為通道1的當前輸出值。以寄存器的40001為例，其值為16進制數0x0FFF時，ISODA O4-485模塊通道0輸出5VDC的電壓信號，其值為16進制數0x07FF時，ISODA O4-485模塊通道0輸出2.5VDC的電壓信號，其值為16進制數0x0000時，ISODA O4-485模塊通道0輸出0VDC的電壓信號。PLC通過改變ISODA O4-485模塊寄存器內數據大小來達到改變模擬信號輸出的目的。
ISO DAO信號轉換器在遠程控制工業烤箱上的應用框圖，如圖3所示。
圖3 ISO DAO模塊在遠程控制工業烤箱上的應用框圖
四、ISO DAO 模塊在電動執行器上的應用
電動執行器是工業過程控制系統中一個十分重要的現場驅動裝置，其能源取用方便、安裝調試簡單，在電力、冶金、石油、化工等工業部門得到越來越廣泛的應用。電動執行器包括電動執行機構和調節閥兩部分，控制精度主要決定于電動執行機構的控制性能，它能夠將系統的控制信號轉換成輸出軸的角位移、直線位移，控制閥門等截流件的位置或其它調節機構，使被控介質按系統要求狀態工作。
隨著電力電子技術的發展，電動執行器發展快速，無觸點的DKJ型角行程和DKZ型直行程電動執行機構兩大類產品進入市場，DKJ、DKZ是我國最早的、唯一生產的電動執行器，此產品以結構簡單、經濟實用等優點被最早的國營大型企業使用。隨著現代工控計算機管理的發展，目前我國儀器儀表行業整體綜合技術水平普遍上升，微電子技術和計算機技術在儀器儀表產品中普遍采用，多數產品實現了智能化。今天，DKJ、DKZ系列與以前相比有了兩大實質性改進：
（1）生產出直接受計算機控制的智能電子型、戶外型、隔爆型等改進型產品。
（2）將電路控制部分灌封在一個小型塑料盒中，即模塊，形成了便于維護的即插即用型。因此，普通DKJ型和DKZ型的可靠性、精度、負載能力、信號品質系數等性能有了很大提高，而且對環境條件的要求降低了很多。
采用模擬信號輸入的電動執行器大多數采用4-20mA的電流信號來控制。利用一個ISODA O1-485模塊可以輸出兩路4-20mA模塊，可以控制兩個電動執行器。ISODA模塊可以和其他智能設備掛在同一個RS-485總線上，在遠程控制中，還可以節約布線成本。下圖為ISO DAO模塊遠程控制電動執行器的一個應用方案。
ISO DAO信號轉換器在遠程控制電動執行器的應用框圖，如圖4所示。
圖4 ISODA模塊在遠程控制電動執行器的應用框圖
智能化是當前一切工業控制設備的流行趨勢，ISODA模塊的智能化程度很高，可以接收數字信號，將主機的控制信號快速地轉換成模擬信號，來控制電動執行器。
五、模擬信號的數字化遠程傳輸與還原
ISO DAO模塊可以通過短接HOST端到GND端（即11腳和12腳短接）設置成主機模式，與ISO 4021模塊的通訊接口相連接，并將ISO 4021模塊設置為Modbus通訊方式，就可以實現將ISO 4021的兩通道輸入信號對應在ISO DAO模塊的兩個輸出通道里輸出。該模式主要用于模擬信號的數字化遠程傳輸與還原，在信號的光纖傳輸，GSM、CDMA無線傳輸，以太網傳輸等領域得到廣泛應用。
ISO DAO模塊主機模式設置方法：1，模塊沒有上電時，短接HOST端到GND端（即11腳和12腳短接）。2，接通電源，給模塊上電，模塊即進入主機模式，會不斷地按Modbus協議的發出讀寄存器數據命令。3，注意，要進入主機模式，CONFIG管腳不要短接到地線(GND管腳)，否則會進入缺省模式。
4-20mA模擬信號在工業現場應用廣泛，下面以4-20mA信號為例，實現遠程傳輸與還原。4-20mA模擬信號進入ISO 4021 A4-232模塊后轉換成數字量，通過RS-232接口，連接到RS-232轉光纖轉換器，或者RS-232轉GSM/CDMA轉換器，或者RS-232轉以太網轉換器，再通過光纖，或者GSM/CDMA，或者以太網遠程傳輸，在接收端再用相應的RS-232轉光纖轉換器，或者RS-232轉GSM/CDMA轉換器，或者RS-232轉以太網轉換器，將信號轉換成RS-232信號。RS-232信號輸出到ISODA O1-232模塊的RS-232接口，最后ISODA O1-232模塊輸出4-20mA的模擬信號，完成了遠程傳輸功能。
4-20mA模擬信號遠程傳輸的應用框圖，如圖5所示。
圖5 4-20mA信號遠程傳輸應用框圖
ISO DAO模塊與ISO 4021模塊匹配的RS-232通訊接線應用框圖，如圖6所示。
圖6 ISO DAO與ISO 4021的RS-232通訊接線圖
ISO DAO模塊與ISO 4021模塊匹配的RS-485通訊接線應用框圖，如圖7所示。
圖7 ISO DAO與ISO 4021的RS-485通訊接線圖
結束語
工業現場信號遠程傳輸過程中，由于干擾源比較多，處理不當往往會影響正常的生產制造，造成不必要的損失，一些新的方案可以有效地提高現場控制的性能。先用ISO 4021將模擬信號轉成數字信號，再用RS-485的數字信號進行遠程傳輸，然后用遠程模擬信號輸出模塊ISO DAO還原模擬信號輸出，在工業現場中可以有效抑制干擾，使用方便，得到了越來越多的應用。
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