CN112578706A - 工控信号隔离变送与无线传输系统及方法 - Google Patents

工控信号隔离变送与无线传输系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种工控信号隔离变送与无线传输系统及方法，包括：输入端隔离模块，用于将输入信号经通道切换、信号处理后通过接口模块输入至控制器；输出端隔离模块，用于与所述控制器通过隔离电路隔离，并将所述控制器输出的信号进行处理后输出与所述输入信号相应的输出信号；电源端隔离模块，用于将接入电源进行隔离处理后得到隔离电源并提供给所述输入端隔离模块及输出端隔离模块使用；其中，所述输入端隔离模块及输出端隔离模块分别配置有线传输单元及无线传输单元。该系统通过隔离设置可以实现工控信号与有线及无线通信方式自由组态，组态方式灵活多样，操作简便：有线通讯电缆组态、外置蓝牙模块连接手机组态、LORA远程无线组态等。

Description

工控信号隔离变送与无线传输系统及方法
技术领域
本发明涉及工业自动化技术领域，特别涉及一种工控信号隔离变送与无线传输系统及方法。
背景技术
工业生产过程的工艺参数，工况逻辑和设备运行状态等物理量经过传感器或变送器转变为控制系统可以识别的电信号(电压或电流)或逻辑量，这是工业生产自动化智能化的前提。
所以工业生产自动化控制系统，必须匹配输入输出信号的规格、接线方式、精度等级、量程范围、线性关系、逻辑控制、工程量换算等诸多要素。
这就造成控制系统与现场仪表间，隔离变送传输工控信号用的隔离器或者其他中继转化传输装置种类众多，但是使用范围单一，选型过程复杂，安装接线繁琐。一旦生产工艺调整变更，相应的布线安装与设备都需要更换，极其繁琐。而且目前市场上的隔离器普遍不具备无线、有线等多方式通信功能，适配信号类型单一，范围也小。
而工业控制系统与现场仪表间一般通过使用隔离器来转变为控制系统可以识别的电信号(电压或电流)或逻辑量，还有限制现场危险能量或者抗干扰。而不同工业场景中现场仪表的信号类型、采样范围、输出范围、布线方式各不相同。而现场仪表与系统或者其他现场仪表间也需相互通信，信号转化。
其中一种方案是多功能可组态隔离器。目前市面上大部分所谓多信号类型可组态隔离器一般只支持(电压-10V～10V、电流-20mA～20mA)，至于电阻信号、mV信号和热电偶TC信号，需要选用其他型号隔离器，集成度低，单一模块支持的现场工控信号类型少，而且几乎都不自带无线(Lora)和有线(RS485)通信方式。对于通讯需求，根本没法支持。此种方案功能上局限性较大，而且不支持无线或者有线通迅。
另外一种方案是多种型号的隔离器+PLC+无线通讯模块。通过PLC与多种型号的隔离器连接来支持现场工控信号的各种类型与量程范围，在通过PLC的通讯口与无线通讯模块连接，来实现无线通讯链路的输入与输出。此种方案，模块众多，技术方案复杂，不能密集安装。不论是方案难度还是安装难度，抑或是经济成本都较高，而且多部件集成方案可靠性较低，日后维护难度和成本也较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工控信号隔离变送与无线传输系统及方法，以解决现有的控制系统与现场仪表间工控信号采集、变送、通讯及指令下发过程所存在的隔离器功能单一，不适用于多种场景，造成的选型过程复杂，安装接线繁琐的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种工控信号隔离变送与无线传输系统，包括：
输入端隔离模块，用于将输入信号经通道切换、信号处理后通过接口模块输入至控制器；
输出端隔离模块，用于与所述控制器通过隔离电路隔离，并将所述控制器输出的信号进行处理后输出与所述输入信号相应的输出信号；
电源端隔离模块，用于将接入电源进行隔离处理后得到隔离电源并提供给所述输入端隔离模块及输出端隔离模块使用；
其中，所述输入端隔离模块及输出端隔离模块分别配置有线传输单元及无线传输单元。
较佳地，所述输入信号的种类包括：电压、电流、电阻、热电偶、开关量、RS485及Lora信号中的一种或若干种；相应地，所述输出信号包括：电压、电流、电阻、热电偶、开关量、RS485及Lora信号中的一种或若干种。
较佳地，所述有线传输单元包括RS485通信模块，所述无线传输单元包括Lora通信模块。
较佳地，所述控制器设有组态模块，所述组态模块用于配置所述输入信号及输出信号的类型、信号范围、比例关系及通讯配置参数。
较佳地，所述输入端隔离模块包括通道切换及信号处理单元、AD转换单元及通讯单元，所述通道切换及信号处理单元用于对所述输入信号进行通道切换、分压及电平调整处理；所述AD转换单元用于对所述通道切换及信号处理单元处理后的输入信号进行AD转换；所述通讯单元用于将所述AD转换单元处理后的信号传输至所述控制器。
较佳地，所述输出端隔离模块包括：
光耦隔离单元、通道切换及信号调理单元及第一输出单元；所述光耦隔离单元用于将所述控制器输出的电压/电流信号进行隔离处理后输出至所述通道切换及信号调理单元以进行通道切换和信号调理，并通过所述第一输出单元输出电压/电流；及
继电器隔离单元、输出信号处理单元及第二输出单元；所述继电器隔离单元用于将所述控制器输出的开关量信号进行隔离处理后输出至所述输出信号处理单元进行信号处理，并通过所述第二输出单元输出开关量。
较佳地，所述电源端隔离模块包括：平面变压器、H桥电路及DC/DC电源芯片，所述DC/DC电源芯片用于将所述接入电源进行变压处理，再输出至所述H桥电路进行逆变处理，最后经由所述平面变压器处理得到隔离电源并提供给所述输入端隔离模块及输出端隔离模块使用。
较佳地，还包括配置组态模块，所述配置组态模块包括：
上位机软件和有线电缆，所述上位机软件用于通过所述有线电缆与所述控制器进行数据通信，以执行组态配置；及/或
移动终端模块和外置蓝牙模块，所述移动终端模块用于通过所述外置蓝牙模块与所述控制器进行数据通信，以执行组态配置。
本发明还提供了一种工控信号隔离变送与无线传输方法，包括：
配置输入端隔离模块，将输入信号经通道切换、信号处理后通过接口模块输入至控制器；
配置输出端隔离模块，与所述控制器通过隔离电路隔离，并将所述控制器输出的信号进行处理后输出与所述输入信号相应的输出信号；
配置电源端隔离模块，将接入电源进行隔离处理后得到隔离电源并提供给所述输入端隔离模块及输出端隔离模块使用；
其中，配置所述输入端隔离模块及输出端隔离模块分别配置有线传输单元及无线传输单元。
较佳地，还包括：在所述控制器中配置组态模块，并在所述组态模块中配置所述输入信号及输出信号的类型、信号范围、比例关系及通讯配置参数。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的系统适用于工业自动化生产过程中，控制系统与现场仪表间工控信号采集、变送、通讯及指令下发。如替换以前功能单一的隔离器，PLC，通信中继器等。也适用老旧现场仪表智能化无线化改造，助力智能制造。
本发明提供的系统的体积和普通隔离器完全一致，功能多样，成本低，功耗低适合密集安装。组态灵活性好，使用简单，功能强大。
本发明提供的系统通过隔离设置，可以实现工控信号与有线及无线通信方式自由组态，如无线/有线通信信号输入，工控信号输出；无线/有线通信信号输入，有线/无线通信信号输出；有线/无线通信信号输入，工控信号输出。
本发明提供的系统实施时，组态方式灵活多样，操作简便：有线通讯电缆组态、外置蓝牙模块连接手机组态、LORA远程无线组态等。
附图说明
图1为本发明提供的系统整体组成示意图；
图2为本发明提供的系统隔离过程信号处理示意图；
图3为本发明优选实施例提供的系统具体组成示意图；
图4为本发明提供的系统的外接配置模块示意图。
具体实施方式
以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。
现场仪表是安装在生产现场，用于测量各种过程参数，执行各种控制指令或转换信号并实现通讯的仪表装置。常见的测量过程参数的仪表有温度表、压力表、流量计、液位计、物位计和各种化学成分测定仪表，常见的执行各种控制指令的仪表有执行器、调节阀、电磁阀等，常见的转换信号并实现通讯的仪表如各种变送器。
工控信号分为模拟量信号(随时间连续变化的信号，这些信号在规定的一段连续时间内，其幅值为连续值)；与数字量信号(在有限的离散瞬时上取值间断的信号)。
组态为对可编程模块(CPU，AI，AO，DI，DO，通讯模块，电源等)进行参数配置，以便系统能执行特定的任务。通过灵活的组态方式，用户能够快速构建工业自动控制系统监控、通用架构来执行自己各种特定的任务。
为了解决现有的组态隔离器所存在对工控信号的组态方式不灵活、操作繁琐、功能单一等问题，本实施例提供了提供了一种工控信号隔离变送与无线传输系统如图1所示，该系统包括：
输入端隔离模块10，用于将输入信号经通道切换、信号处理后通过接口模块输入至控制器40；
输出端隔离模块20，用于与控制器40通过隔离电路隔离，并将控制器40输出的信号进行处理后输出与上述的输入信号相应的输出信号；
电源端隔离模块30，用于将接入电源进行隔离处理后得到隔离电源并提供给输入端隔离模块10及输出端隔离模块20使用；
其中，输入端隔离模块10及输出端隔离模块20分别配置有线传输单元及无线传输单元。
该工控信号隔离变送与无线传输系统可以应用于工控信号混合输入输出及无线传输变送隔离器。
本实施例提供的工控信号隔离变送与无线传输系统中，其来自输入端的输入信号的种类包括：电压、电流、电阻、热电偶、开关量、RS485及Lora信号中的一种或若干种；相应地，输出端的输出信号包括：电压、电流、电阻、热电偶、开关量、RS485及Lora信号中的一种或若干种。
该系统根据组态实现各种信号类型和信号范围的灵活切换。特别是信号类型的多样，远超其他类似产品。另外首次在模拟量、数字量类型的变送隔离器上融合了Lora和RS485通信，多达46种组态方案可以极大地满足现场流程工业的需求。
相应地，为了丰富系统的功能，本实施例种的有线传输单元包括RS485通信模块，无线传输单元包括Lora通信模块。本实施例提供的工控信号隔离变送与无线传输系统在普通多信号输入隔离器的基础上，采用采样通道切换，与信号调理电路的设置，及融合了RS485通讯和LORA无线通讯，实现支持了多种工控信号与通信链路。把工控信号采样、传输、变送及现场仪表相互通讯的集合方案化为一体，并采用了专用的外接蓝牙通信模块来实现无线下发组态程序。以此下发组态、读取设备状态信息及功能调试。
控制器设有组态模块，该组态模块用于配置上述的输入信号及输出信号的类型、信号范围、比例关系及通讯配置参数。本系统以兼容多种常见工控信号(输入信号如：电压-10V～10V、电流0mA～20mA、电阻PT100/PT1000、热电偶TC、毫伏mV，开关量)的输入输出方式，及兼容有线(RS485)与无线通讯(Lora)方式，大大简化了工业控制领域工控信号传输、隔离、变送及无线控制组态的难度，大大提高了整体方案实施，安装维护的便捷性与可靠性。也适用于复杂控制领域要求的密集安装要求。并可以通过丰富灵活的组态方式，大大提升了方案实施的便利性，针对通常应用场景中，工厂调试阶段：变更组态，系统调试，状态监控带来了极大的便利。最后，一体化兼容工控信号输入输出与有线无线通讯，极大助力现场仪表与控制系统的无缝连接，避免了集成方案兼容性问题。
参考图2所示，本实施例中的工控信号隔离变送与无线传输系统工作示意如下：
来自输入端的输入信号包括多种信号的输入类型，具体为：电压-10V～10V、电流0mA～20mA、电阻PT100/PT1000、热电偶TC、毫伏-100mV～100mV，开关量)、有线的RS485信号及无线通讯的LoRa信号。这些输入信号经过输入端隔离模块10的隔离处理后，由控制器的组态模块进行信号类型、信号范围、比例关系及通讯配置参数等的组态内容设置，再得到对应的输出信号，输出信号经过输出端隔离模块20进行隔离输出。同样地，输出信号也包括多种类型，如：-10V～10V、电流0mA～20mA、热电偶TC、毫伏mV，开关量)、有线的RS485信号及无线通讯的LoRa信号。
如图3所示，本实施例中的输入端隔离模块10包括通道切换及信号处理单元、AD转换单元及通讯单元，其中，通道切换及信号处理单元用于对来自输入端的输入信号进行通道切换、分压及电平调整处理；AD转换单元(即AD芯片)用于对通道切换及信号处理单元处理后的输入信号进行AD转换；通讯单元用于将AD转换单元处理后的信号传输至控制器MCU。本实施例中的通信单元包括：USB接口、Lora通信模块及RS485通信模块。此外，这里的USB还可以通过有线电缆与上位机通信，或者通过外置蓝牙模块与移动终端通信。其中，这里的通道切换及信号处理单元采用的通道切换方法为：根据输入的信号类型，MCU的I\O管脚输出高低电平组合，控制多个PhotoMOS RELAYS或模拟开关来实现测量通道切换。
进一步参考图3所示，本实施例中的输出端隔离模块20包括：光耦隔离单元、通道切换及信号调理单元及第一输出单元；光耦隔离单元用于将控制器MCU输出的电压/电流信号进行隔离处理后输出至通道切换及信号调理单元以进行通道切换和信号调理，并通过第一输出单元输出电压/电流。其中，本实施例这里的根据输出的信号类型，MCU的I\O管脚输出高低电平组合，经过光耦隔离后，控制磁保持继电器来实现输出通道切换，输出电压或者电流或者OC门输出的DO信号。而信号调理包括两个部分：
(1)对于电流输出：MCU的定时器输出脚，输出幅值为3，3V且一定占空比的PWM波信号，再经过高速光耦隔离后传输到输出侧，然后通过模拟开关及高精度2.5V电压基准芯片转化成具有高精度幅值2.5V且一定占空比的PWM波信号，再经过二阶滤波电路后变成平直的电压信号，此电压的幅值由PWM波的占空比决定(0～2.5)V。然后此电压再经过一阶负反馈电路，输出最终所需的电流信号。
(2)对于电压输出：MCU的定时器输出脚，输出幅值为3，3V且一定占空比的PWM波信号，再经过高速光耦隔离后传输到输出侧，然后通过模拟开关及高精度2.5V电压基准芯片转化成具有高精度幅值2.5V且一定占空比的PWM波信号，再经过二阶滤波电路后变成平直的电压信号，此电压的幅值由PWM波的占空比决定(0～2.5)V。后此电压通过一个运放反相比例输出电路得到(-2.5～0)V，接着经过一个比例系数合适的反向相加运放电路得到所需的(-10～10)V电压输出。
进一步参考图3所示，本实施例中的输出端隔离模块20还包括：继电器隔离单元、输出信号处理单元及第二输出单元；继电器隔离单元用于将控制器MCU输出的开关量信号进行隔离处理后输出至输出信号处理单元进行信号处理，并通过第二输出单元输出开关量。本实施例这里的输出信号处理单元主要是将信号转换成OC门输出信号。
进一步参考图3所示，本实施例中的电源端隔离模块包括：平面变压器、H桥电路(这里实际设置为H桥芯片)及DC/DC电源芯片，DC/DC电源芯片用于将来自电源端的接入电源进行变压处理，再输出至H桥电路进行逆变处理，最后经由平面变压器处理得到隔离电源并提供给输入端隔离模块及输出端隔离模块使用。本实施例中产生的隔离电源为3.3V、5V、27V，提供给输入侧及输出侧的隔离电路使用。
参考图4所示，本实施例提供的工控信号隔离变送与无线传输系统，还包括配置组态模块，该配置组态模块包括：上位机软件和有线电缆，上位机软件用于通过所述有线电缆与所述控制器进行数据通信，以执行组态配置。
进一步优选地，参考图4所示，该配置组态模块还包括：移动终端模块和外置蓝牙模块，所述移动终端模块用于通过所述外置蓝牙模块与所述控制器进行数据通信，以执行组态配置。
在其他进一步的优选实施例中，该配置组态模块还可以设置为仅包括上位机软件和有线电缆，或者设置为仅包括移动终端模块和外置蓝牙模块。本领域技术任意根据需要配置即可，此处不做具体限制。
对应地，本实施例还提供了一种工控信号隔离变送与无线传输方法，包括：
配置输入端隔离模块，将输入信号经通道切换、信号处理后通过接口模块输入至控制器；
配置输出端隔离模块，与控制器通过隔离电路隔离，并将控制器输出的信号进行处理后输出与输入信号相应的输出信号；
配置电源端隔离模块，将接入电源进行隔离处理后得到隔离电源并提供给所述输入端隔离模块及输出端隔离模块使用；
其中，配置上述输入端隔离模块及输出端隔离模块分别配置有线传输单元及无线传输单元。
进一步的优选实施例中，该方法还包括：在控制器中配置组态模块，并在组态模块中配置输入信号及输出信号的类型、信号范围、比例关系及通讯配置参数。
该工控信号隔离变送与无线传输系统具有以下优点：
(1)便捷性：通过专用无线模块来下发组态，多种工控信号传输、变送一个模块解决。不需要额外增加PLC或者通讯中继转化模块，为多种工况的作业提供了可能。低功耗适合密集安装。
(2)可靠性：隔离器电路的三端隔离(电源端、输入端、输出端)，能有效隔离干扰信号或者其他危险信号的相互传递。完善的解决方案，为客户免去多设备集成可靠性低的烦恼。
(3)高效性：一个模块涵盖多种隔离变送模块功能，选型，安装、维护简单，不需要维护多种不同类型的各种模块。无线功能带有远程状态检测，输入信号故障分析等功能，实时高效。
该系统较好地解决了现场工控信号种类多，安装布线复杂。组态配置麻烦，额外增加通讯需求时，需集成无线信号中继器的痛点。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对本发明所做的变形或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种工控信号隔离变送与无线传输系统，其特征在于，包括：
输入端隔离模块，用于将输入信号经通道切换、信号处理后通过接口模块输入至控制器；
输出端隔离模块，用于与所述控制器通过隔离电路隔离，并将所述控制器输出的信号进行处理后输出与所述输入信号相应的输出信号；
电源端隔离模块，用于将接入电源进行隔离处理后得到隔离电源并提供给所述输入端隔离模块及输出端隔离模块使用；
其中，所述输入端隔离模块及输出端隔离模块分别配置有线传输单元及无线传输单元。
2.根据权利要求1所述的工控信号隔离变送与无线传输系统，其特征在于，所述输入信号的种类包括：电压、电流、电阻、热电偶、开关量、RS485及Lora信号中的一种或若干种；相应地，所述输出信号包括：电压、电流、电阻、热电偶、开关量、RS485及Lora信号中的一种或若干种。
3.根据权利要求1所述的工控信号隔离变送与无线传输系统，其特征在于，所述有线传输单元包括RS485通信模块，所述无线传输单元包括Lora通信模块。
4.根据权利要求1所述的工控信号隔离变送与无线传输系统，其特征在于，所述控制器设有组态模块，所述组态模块用于配置所述输入信号及输出信号的类型、信号范围、比例关系及通讯配置参数。
5.根据权利要求1所述的工控信号隔离变送与无线传输系统，其特征在于，所述输入端隔离模块包括通道切换及信号处理单元、AD转换单元及通讯单元，所述通道切换及信号处理单元用于对所述输入信号进行通道切换、分压及电平调整处理；所述AD转换单元用于对所述通道切换及信号处理单元处理后的输入信号进行AD转换；所述通讯单元用于将所述AD转换单元处理后的信号传输至所述控制器。
6.根据权利要求1所述的工控信号隔离变送与无线传输系统，其特征在于，所述输出端隔离模块包括：
光耦隔离单元、通道切换及信号调理单元及第一输出单元；所述光耦隔离单元用于将所述控制器输出的电压/电流信号进行隔离处理后输出至所述通道切换及信号调理单元以进行通道切换和信号调理，并通过所述第一输出单元输出电压/电流；及
继电器隔离单元、输出信号处理单元及第二输出单元；所述继电器隔离单元用于将所述控制器输出的开关量信号进行隔离处理后输出至所述输出信号处理单元进行信号处理，并通过所述第二输出单元输出开关量。
7.根据权利要求1所述的工控信号隔离变送与无线传输系统，其特征在于，所述电源端隔离模块包括：平面变压器、H桥电路及DC/DC电源芯片，所述DC/DC电源芯片用于将所述接入电源进行变压处理，再输出至所述H桥电路进行逆变处理，最后经由所述平面变压器处理得到隔离电源并提供给所述输入端隔离模块及输出端隔离模块使用。
8.根据权利要求1所述的工控信号隔离变送与无线传输系统，其特征在于，还包括配置组态模块，所述配置组态模块包括：
上位机软件和有线电缆，所述上位机软件用于通过所述有线电缆与所述控制器进行数据通信，以执行组态配置；及/或
移动终端模块和外置蓝牙模块，所述移动终端模块用于通过所述外置蓝牙模块与所述控制器进行数据通信，以执行组态配置。
9.一种工控信号隔离变送与无线传输方法，其特征在于，包括：
配置输入端隔离模块，将输入信号经通道切换、信号处理后通过接口模块输入至控制器；
配置输出端隔离模块，与所述控制器通过隔离电路隔离，并将所述控制器输出的信号进行处理后输出与所述输入信号相应的输出信号；
配置电源端隔离模块，将接入电源进行隔离处理后得到隔离电源并提供给所述输入端隔离模块及输出端隔离模块使用；
其中，配置所述输入端隔离模块及输出端隔离模块分别配置有线传输单元及无线传输单元。
10.根据权利要求9所述的工控信号隔离变送与无线传输方法，其特征在于，还包括：在所述控制器中配置组态模块，并在所述组态模块中配置所述输入信号及输出信号的类型、信号范围、比例关系及通讯配置参数。
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