CN104076221A

CN104076221A - 24v直流电源控制智能网络工控系统的绝缘监测装置

Info

Publication number: CN104076221A
Application number: CN201410326139.5A
Authority: CN
Inventors: 李善田; 朱玲; 李娟�; 王亚林; 鲁宁
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-07-09
Filing date: 2014-07-09
Publication date: 2014-10-01

Abstract

本发明公开一种24V直流电源控制智能网络工控系统的绝缘监测装置，24V直流电源直接控制智能网络工控系统，所述的智能网络工控系统的绝缘监测装置包括采集与数字模块，采集与数字模块的输入端连接在所述的24V直流电源的输出电流电路上和返回电流电路上，采集与数字模块具有两路输出，一路输出连接至A/D转换电路输入，另一路输出连接至模拟控制电路输入端，A/D转换电路输出端连接至MCU处理器，所述报警电路接入模拟控制电路输出端，通讯模块接入MCU处理器。该装置可以通过内置串口通讯电路或者网络WIFI通讯模块实现与上位机的串口或者以太网的通讯，可以广泛的应用到24工控系统的绝缘监测领域。

Description

24V直流电源控制智能网络工控系统的绝缘监测装置

技术领域

本发明属于工业用电配电系统控制领域，具体涉及一种直流控制系统的绝缘监测装置。

背景意义

随着工业控制自动化系统的发展，自动化控制系统的应用几乎覆盖了工农业生产的所有领域，而几乎所有的工控系统的直流系统都毫无例外地使用直流24V电源系统，为工控计算机及PLC系统，各种模块控制单元，传感器及各种仪表单元提供电源。但随着24V电源系统的应用范围的不断扩大，布线增多以及布线区域的复杂化，供电回路的对地绝缘下降是不可避免的，而绝缘的降低直接带来的危害就是会引起自动化控制系统的性能下降，比如仪表测试数据不准确或间歇式波动，开关量输出误动作等，将对生产过程产生不可预料的危害。

工业控制直流系统的绝缘下降或漏洞主要有一下几个原因：装配因素，24V低压配电系统，由于电压较低，安装时容易马虎，往往没有严格配电系统安装规程操作；环境因素，当配电电缆长期处于酸碱腐蚀性或潮湿的环境中，即使有铠装或保护套管也容易造成绝缘下降；电缆维护更新因素，由于配电设备本身或配电电缆超期服务及超负荷运行，常年得不到检修和更新维护也是造成低压配电系统绝缘老化重要因素；其次产品质量，维修处理不当等都有可能使得绝缘损伤。

为了避免24V工控直流系统绝缘劣化，除了注意上述几个因素之外，在配电系统中安装绝缘监测装置是一种有效的预防措施，通过实时网络在线监测，技术人员可以随时掌控配电系统的绝缘情况，有的放矢的进行维护和更新及时消除绝缘隐患，保证工控系统的安全，避免由此工业生产和人民生命财产造成损失。

发明内容

本发明针对24V自动化直流控制系统在使用过程中的问题，提供了一种具有电流电压监测、漏电流及绝缘测量、数字及模拟冗余保护、可组网通信等诸多特点的智能24V自动化直流控制系统的绝缘监测装置。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种24V直流电源控制智能网络工控系统的绝缘监测装置，所述的24V直流电源直接控制智能网络工控系统，所述的智能网络工控系统的绝缘监测装置包括采集与数字模块、A/D转换电路、模拟控制电路、MCU处理器、通讯模块、报警电路，其特征在于：所述的采集与数字模块的输入端连接在所述的24V直流电源的输出电流电路上和返回电流电路上，所述的采集与数字模块具有两路输出，采集与数字模块其中一路输出连接至A/D转换电路输入，采集与数字模块另一路输出连接至模拟控制电路输入端，A/D转换电路输出端连接至MCU，所述报警电路接入模拟控制电路输出端，所述通讯模块接入MCU。

所述采集与数字模块包括两霍尔电流传感器ACS713，其中一个霍尔电流传感器ACS713的第一引脚-第四引脚接入电流输出电路中，另一个霍尔电流传感器ACS713的第一引脚-第四引脚接入返回电流电路，两霍尔电流传感器ACS713的输出端输出电压u1和u2，u1代表了电源流出的电流，u2代表了流回电源的电流，并分别通过各自VIOUT引脚与A/D转换电路输入连接，为了保证u1、u2的输出得到很好的滤波，采用了1uF的胆电容接在ACS713的第6与第5引脚，另外为了保证电路的调试方便在电流回流的ACS713测试输出端VIOUT引脚上接一个2K的可调电阻，

所述A/D转换电路由16位AD转换芯片AD7705构成，AD7705转换芯片的CH1引脚与CH2引脚分别供两霍尔电流传感器ACS713的VIOUT引脚接入，AD转换芯片的串行接口通过SPI总线接入MCU。

所述模拟控制电路包括线性比例直流反向放大器SGM8582XS8G，比较器以及稳压电路，所述的线性比例直流反向放大器SGM8582XS8G的同向输入端2和反向输入端3分别供u1和u2接入，所述的线性比例直流反向放大器SGM8582XS8G的输出端1接入比较器的反向输入端5，SGM8582XS8G放大器的输出端输出的是u1与u2的差值，也就是代表直流系统的漏电流的大小；所述的稳压电路采用的稳压芯片TL431，稳压芯片TL431产生一个标准的2.5V的稳定电压再通过可变电阻的分压，送入比较器的同向输入端6，在电压比较器的7脚输出的电平高低就代表了漏电流的大小是否大于或小于给定的值，也就代表了电路系统的绝缘是否超过了设定的阀值，再由7脚通过一个二极管和一个电阻组成的正反馈电路来锁定电压比较器的饱和导通状态，便于指示或对漏电情况进行报警，如漏电故障解除或报警状态已经确认，则可通过按下微动开关来解锁报警状态。

所述的模拟控制电路包括线性比例直流反向放大器，u1和u2分别送入线性比例直流反向放大器的同向与反向输入端，所述的线性比例直流反向放大器采用SGM8582XS8G芯片，，送入电压比较器的反向输入端5；还包括稳压电路，稳压电路采用的稳压芯片TL431，稳压芯片TL431产生一个标准的2.5V的稳定电压再通过可变电阻的分压，送入电压比较器的同向输入端6，在电压比较器的7脚输出的电平高低就代表了漏电流的大小是否大于或小于给定的值，也就代表了电路系统的绝缘是否超过了设定的阀值，再由7脚通过一个二极管和一个电阻组成的正反馈电路来锁定电压比较器的饱和导通状态，便于指示或对漏电情况进行报警，如漏电故障解除或报警状态已经确认，则可通过按下微动开关来解锁报警状态。

所述的MCU处理器采用STC12C5A60S2芯片，具有串行接口引脚P3.0、P3.1；所述的通讯模块包括串口通信模块和网络WIFI通信模块；所述的串口通信模块包括连接MAX232芯片以及半双工485收发器的MAX485芯片；所述的MCU的串行接口引脚P3.0、P3.1一方面连接电平转换芯片MAX232的第12和11引脚，另一方面连接半双工485收发器MAX485芯片的第1和4引脚，电平转换芯片MAX232的第13、14引脚连接232接口的TX和RX引脚；所述的MAX485芯片的第6、7引脚连接485接口，MAX485的第2、3引脚连接MCU处理器的P3.2引脚；所述的网络WIFI通信模块采用海陵科电子新推出的低成本嵌入式HLK-RM04芯片，内置TCP/IP协议栈，所述HLK-RM04的第21引脚和20引脚通过510欧姆的电阻接到MCU的串口引线P3.1和P3.0，实现MCU处理器与无线路由器的连接通信，所述HLK-RM04的18、17、11、12引脚与RJ45接口连接，实现MCU处理器串口转以太网功能。

所述的MCU处理器通过网络WIFI通信实现扩展的网络通信，可以将串口的MODBUS RTU协议的通信数据包转换为MODBUS TCP数据包通过交换机或无线WIFI接入到工控网络中，实现与工控网络的无缝链接。

本发明的有益效果体现在：

1、本发明的模拟控制模块的输入端直接连接数字控制模块的u1和u2输出端，输出端直接连接报警器，实现了数字式的精密性与模拟式的可靠性集成，既能够实现漏电流的精准测量和显示，也可以在MCU偶尔出现死机或故障时，保证装置工作的可靠性。

2、本发明相比较传统的绝缘监测装置，增加了网路通信功能，通过其自身的通信接口将装置的预置参数和电流电压采样值和绝缘参数上传到自控系统中去，可以在组态软件中独立设置直流系统检测和设置界面，从而可以实现绝缘测试远程监控。

3、本发明采用网络WIFI通信，基于通用串行接口的符合网络标准的嵌入式模块HLK-RM04，内置TCP/IP协议栈，能够实现用户串口、以太网、无线网(WIFI)3个接口之间的转换。通过HLK-RM04模块，传统的串口设备在不需要更改任何配置的情况下，即可通过Internet网络传输自己的数据。为用户的串口设备通过网络传输数据提供完整快速的解决方案。

该发明装置既可以与无线路由器完成链接通信，又可以与太网交换机连接，实现串口转以太网功能。上位机就可以通过以太网或光纤与该发明装置实现长距离以太网通信。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的采集及数字控制电路图；

图3为本发明的模拟控制模块电路图；

图4为本发明的串口通信电路图；

图5为本发明的网络WIFI通信电路图。

具体实施方式

如图1所示，一种24V直流电源控制智能网络工控系统的绝缘监测装置，所述的24V直流电源直接控制智能网络工控系统，所述的智能网络工控系统的绝缘监测装置包括采集与数字模块、A/D转换电路、模拟控制电路、MCU处理器、通讯模块、报警电路，其特征在于：所述的采集与数字模块的输入端连接在所述的24V直流电源的输出电流电路上和返回电流电路上，所述的采集与数字模块具有两路输出，采集与数字模块其中一路输出连接至A/D转换电路输入，采集与数字模块另一路输出连接至模拟控制电路输入端，A/D转换电路输出端连接至MCU，所述报警电路接入模拟控制电路输出端，所述通讯模块接入MCU。

所述的采集模块负责回路电流的精确采集；所述的数字及模拟控制模块负责漏电流大小分析与判断以及漏电流大小的模拟分析判断；所述的MCU模块，负责整个系统的控制与数据处理。所述的报警模块负责故障报警。所述的串口通信负责装置与上位机的RTU通信，所述的网络WIFI通信主要是扩展的网络通信，可以将串口的MODBUS RTU协议的通信数据包转换为MODBUS TCP数据包通过交换机或无线WIFI接入到工控网络中，实现与工控网络的无缝链接，更加方便地与上位机软件进行通信，实现常态化的远程监控，把工业控制系统中的电源系统本身也纳入到系统监控之中去。

如图2所示，所述的数字控制模块电路包括两个霍尔电流传感器ACS713集成电路，所述的两个霍尔电流传感器ACS713集成电路的输入端分别连接输出电流回路以及返回电流回路，输出端分别输出电压u1和u2，u1代表了电源流出的电流，u2代表了流回电源的电流，为了保证u1、u2的输出得到很好的滤波，采用了1uF的胆电容接在ACS713的第6与第5引脚，另外为了保证电路的调试方便在电流回流的ACS713测试输出端接一个2K的可调电阻，所述的两个霍尔电流传感器ACS713集成电路的输出端一方面分别连接到A/D转化器AD7705的CH1和CH2通道，由AD7705的AD转换为16的数字量，通过SPI总线送到MCU的存储器中以便于程序处理。所述的霍尔电流传感器ACS713集成电路基于霍尔感应的原理设计，由一个精确的低偏移线性霍尔传感器电路与位于接近IC表面的铜箔组成，电流流过铜箔时，产生一个磁场，霍尔元件根据磁场感应出一个线性的电压信号，经过内部的放大、滤波、斩波与修正电路，输出一个电压信号，该信号从芯片的第七脚输出，直接反应出流经铜箔电流的大小。所使用的ACS713是±30A量程、灵敏度系数是66mV/A规格芯片。在使用+5V工作电源下，其输出电压范围是0.5V～4.5V之间，对于测量电流是0～30A。所述的高精度16位A/D转换芯片AD7705，可以获得16位无误码数据输出。该芯片是双通道全差分模拟输入，当电源电压为5V、基准电压为2.5V时，可将输入信号范围从±20mV～±2.5V的信号进行处理。其串行接口可配置为三线接口。增益值、信号极性以及更新速率的选择可用串行输入口由软件来配置。该器件还包括自校准和系统校准选项，以消除器件本身或系统的增益和偏移误差。

如图3所示，所述的模拟控制电路包括线性比例直流反向放大器，u1和u2分别送入线性比例直流反向放大器的同向与反向输入端，所述的线性比例直流反向放大器采用SGM8582XS8G芯片，SGM8582XS8G放大器的输出端输出的是u1与u2的差值，也就是代表直流系统的漏电流的大小，送入电压比较器的反向输入端5；还包括稳压电路，稳压电路采用的稳压芯片TL431，稳压芯片TL431产生一个标准的2.5V的稳定电压再通过可变电阻的分压，送入电压比较器的同向输入端6，在电压比较器的7脚输出的电平高低就代表了漏电流的大小是否大于或小于给定的值，也就代表了电路系统的绝缘是否超过了设定的阀值，再由7脚通过一个二极管和一个电阻组成的正反馈电路来锁定电压比较器的饱和导通状态，便于指示或对漏电情况进行报警，如漏电故障解除或报警状态已经确认，则可通过按下微动开关来解锁报警状态。

所述的MCU处理器是基于STC12C5A60S2设计的，具备串行接口引脚P3.0、P3.1和P3.2；所述的MCU处理器上连接有串口通讯电路，所述的串口通讯电路包括电平转换芯片MAX232以及控制MCU工作状态的数据收发的芯片MAX485，所述的MCU处理器通过串口通信实现与上位机的RTU通信，还包括网络WIFI通讯模块，所述的WIFI通信模块采用海陵科电子新推出的低成本嵌入式HLK-RM04模块。所述的MCU处理器通过网络WIFI通信实现扩展的网络通信，可以将串口的MODBUS RTU协议的通信数据包转换为MODBUS TCP数据包通过交换机或无线WIFI接入到工控网络中，实现与工控网络的无缝链接。

如图4所示为串口通信模块电路图，包括电平转换电路芯片MAX232以及控制MCU工作状态的数据收发的电路芯片MAX485，所示MCU(STC12C5A60S2)串行接口引脚P3.0和P3.1通过电平转换芯片MAX232，将CMOS电平转换为PC机可以接收的RS232电平；另外MCU的串行接口P3.0和P3.1再通过半双工MAX485收发器MAX485芯片再转换为RS485信号。MAX485引脚1接收信号的输出引脚，可以把来自A和B引脚的总线信号，输出给MCU3.0进行接收，因为是COMS电平，可以直接连接到MCU引脚。MAX485引脚2接收信号的控制引脚，当这个引脚低电平时，RO引脚有效，MAX485通过RO把来自总线的信号输出到MCU处理器；当这个引脚高电平时，RO引脚处于高阻状态。引脚3为输出信号的控制引脚，当这个引脚低电平时，输出驱动器无效，当这个引脚高电平时，输出驱动器有效，来自DI引脚的输出信号通过A和B引脚被加载到总线上，因为是COMS电平，引脚4可以直接连接到MCU处理器芯片的P3.1。当3脚DE是高电平时，这个引脚的信号通过A和B脚被加载给总线。MAX485的2、3引脚接到MCU的P3.2引脚上通过MCU对MAX485芯片进行收发控制，P3.2为高电平时，MCU发送允许，MCU的P3.1数据经MAX485转换为RS485信号发送到总线A上，当P3.2为低电平时，MCU发送禁止，接收允许，总线B上的数据可以通过MAX485转换送到MCU的数据接收端P3.0。

如图5所示为网络WIFI通讯模块，包括HLK-RM04模块，该模块可以实现串口到WIFI或ETHERNET的相互转换，如图5所示将HLK-RM04的第21引脚和20引脚通过510欧姆的电阻接到MCU的串口引线TXD和RXD，这样该发明装置既可以与无线路由器完成链接通信，或者通过连接到18、17、11、12引脚的RJ45接口直接与以太网交换机连接，实现串口转以太网功能。上位机就可以通过以太网或光纤与该发明装置实现长距离以太网通信。

本发明装置性能与测试指标如下：

1)基本功能

(1)电压值读出范围：0.0—99.00V。

(2)电流值读出范围：0.0—20.0A。

(3)漏电电流设定范围：0—99.0mA。

(4)漏电电流读出范围：0—9999.0mA。

(5)漏电电流超过设定值电路断开保护。

(6)显示分辨能力及误差：至少具有3位数，相对误差小于2％。

2)参数显示测试

3)漏电测试：

Claims

1.一种24V直流电源控制智能网络工控系统的绝缘监测装置，包括采集与数字模块、A/D转换电路、模拟控制电路、MCU处理器、通讯模块、报警电路，其特征在于：所述的采集与数字模块的输入端连接在所述的24V直流电源的输出电流电路上和返回电流电路上，所述的采集与数字模块具有两路输出，采集与数字模块其中一路输出连接至A/D转换电路输入，采集与数字模块另一路输出连接至模拟控制电路输入端，A/D转换电路输出端连接至MCU处理器，所述报警电路接入模拟控制电路输出端，所述通讯模块接入MCU处理器。

2.根据权利要求1所述的一种24V直流电源控制智能网络工控系统的绝缘监测装置，其特征在于：所述采集与数字模块包括两霍尔电流传感器ACS713，其中一个霍尔电流传感器ACS713的第一引脚-第四引脚接入电流输出电路中，另一个霍尔电流传感器ACS713的第一引脚-第四引脚接入返回电流电路，两霍尔电流传感器ACS713的输出端输出电压u1和u2，并分别通过各自VIOUT引脚与A/D转换电路输入连接，两霍尔电流传感器ACS713的VIOUT引脚上还连接有2K可调电阻，两霍尔电流传感器ACS713的FILTER引脚上还连接有1uF的胆电容。

3.根据权利要求1所述的一种24V直流电源控制智能网络工控系统的绝缘监测装置，其特征在于：所述A/D转换电路由16位AD转换芯片AD7705构成，AD7705转换芯片的CH1引脚与CH2引脚分别供两霍尔电流传感器ACS713的VIOUT引脚接入，AD转换芯片的串行接口通过SPI总线接入MCU。

4.根据权利要求1所述的一种24V直流电源控制智能网络工控系统的绝缘监测装置，其特征在于：所述模拟控制电路包括线性比例直流反向放大器SGM8582XS8G，电压比较器以及稳压电路，所述的线性比例直流反向放大器SGM8582XS8G的同向输入端2和反向输入端3分别供u1和u2接入，所述的线性比例直流反向放大器SGM8582XS8G的输出端1 接入电压比较器的反向输入端5，所述的稳压电路的输出端接入电压比较器的同向输入端6，电压比较器的输出端7一方面连接报警电路，另一方面连接一个二极管和一个电阻，组成正反馈电路来锁定比较器的饱和导通状态，所述的正反馈电路的上还连接有微动开关。

5.根据权利要求1所述的一种24V直流电源控制智能网络工控系统的绝缘监测装置，其特征在于：所述的MCU处理器采用STC12C5A60S2芯片，具有串行接口引脚P3.0、P3.1；所述的通讯模块包括串口通信模块和网络WIFI通信模块；所述的串口通信模块包括MAX232芯片以及半双工485收发器的MAX485芯片；所述的MCU的串行接口引脚P3.0、P3.1一方面连接芯片MAX232的第12和11引脚，另一方面连接半双工485收发器MAX485芯片的第1和4引脚，电平转换芯片MAX232的第13、14引脚连接232接口的TX和RX引脚；所述的MAX485芯片的第6、7引脚连接485接口， MAX485芯片的第2、3引脚连接MCU处理器的P3.2引脚；所述的网络WIFI通信模块采用海陵科电子新推出的低成本嵌入式HLK-RM04芯片，内置TCP/IP协议栈，所述HLK-RM04的第21引脚和20引脚通过510欧姆的电阻接到MCU的串口引线P3.1和P3.0，实现MCU处理器与无线路由器的连接通信，所述HLK-RM04的18、17、11、12引脚与RJ45接口连接，实现MCU处理器串口转以太网功能。