CN216351845U - 一种自主化dcs系统多通道模拟量采样装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自主化DCS系统多通道模拟量采样装置，包括电源模块、微控制器、现场可编程门阵列、多路开关阵列、模拟数字转换模块、数字隔离模块、通讯数据总线模块，上述模块均采用自主国产化芯片，电源模块为内部模块和外部设备提供互相独立的供电，多路开关阵列接受现场可编程门阵列控制，使模拟数字转换模块对多通道的外部输入信号进行切换轮询采样；模拟数字转换模块通过数字隔离模块连接至现场可编程门阵列，现场可编程门阵列通过通讯数据总线模块与上位控制器通信连接，微控制器通过外部总线与现场可编程门阵列通信连接。本实用新型采用自主国产化品牌芯片，在保证功能相同，精度相同的情况下，保证货源，优化生产流程。

Description

一种自主化DCS系统多通道模拟量采样装置

技术领域

本实用新型涉及工业自动化控制技术领域，尤其涉及一种自主化DCS系统多通道模拟量采样装置。

背景技术

目前，分布式控制系统(Distributed Control System,DCS)已被广泛应用于电力、石油、化工、钢铁、造纸、水泥、脱硫、除尘、水处理等自动化控制领域中，它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机(Computer)、通讯(Communication)、显示(CRT)和控制(Control)等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。

通过以上描述的分布式控制系统(DCS)的进口非国产化元器件以及芯片，其货源紧张且采购周期较长。且在当今时代，非国产化元器件、芯片受限制形势更为严峻，极有可能面临断货、生产产品困难等问题。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种自主化DCS系统多通道模拟量采样装置，既是响应国家政策号召，在保证实现相同功能的同时，将原系统中各个元器件使用自主国产化品牌、自主国产化元器件替代，又是解决上述断货缺货生产困难的问题。

实用新型内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供全自主国产化芯片的多通道模拟量mA采样装置，在使用自主化国产芯片的同时，满足此模拟量mA采样装置可以无扰动地测量现场设备输出的4～20mA标准信号，实现工业现场的需要。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种自主化DCS系统多通道模拟量采样装置，包括电源模块、微控制器模块、现场可编程门阵列模块、多路开关阵列模块、模拟数字转换模块、数字隔离模块、通讯数据总线模块，上述模块均采用自主国产化芯片，所述电源模块被配置为内部模块和外部设备提供互相独立的供电，所述多路开关阵列模块被配置为接受所述现场可编程门阵列模块控制，使所述模拟数字转换模块对多通道的外部输入信号进行切换轮询采样；所述模拟数字转换模块通过所述数字隔离模块连接至所述现场可编程门阵列模块，所述现场可编程门阵列模块通过所述通讯数据总线模块与上位控制器通信连接，所述微控制器模块通过外部总线与所述现场可编程门阵列模块通信连接。

进一步地，还包括LED指示灯模块，所述LED指示灯模块信号连接至所述微控制器模块。

进一步地，所述电源模块包括第一直流电源输入、第二直流电源输入、第三直流电源输入、第四直流电源输入和直流电压转换模块，所述第一直流电源输入、第二直流电源输入被配置为经冗余切换后通过所述直流电压转换模块转换为内部供电电压，所述第三直流电源输入、第四直流电源输入被配置为经冗余切换后提供外部供电电压。

进一步地，所述直流电压转换模块采用圣邦微公司的SGM6232YPS8G芯片。

进一步地，所述微控制器模块采用兆易创新公司的GD32E230C8T6芯片。

进一步地，所述现场可编程门阵列模块采用高云公司的GW1N-LV4LQ100C6/I5芯片。

进一步地，所述模拟数字转换模块采用圣邦微公司的SGM5200XTS38G芯片。

进一步地，所述多路开关阵列模块采用富满电子公司的74HC138T芯片和厦门华联公司的HSSR-DA01-2芯片。

进一步地，所述数字隔离模块采用斯凯瑞利公司的ISO1200系列芯片。

进一步地，所述通讯数据总线模块采用芯力特公司的SIT3088EESA芯片。

与现有技术相比，本实用新型在原有的基础上，采用自主国产化品牌芯片，在保证功能相同，精度相同的情况下，保证货源，优化生产流程。

以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本实用新型的一个较佳实施例的DCS系统模拟量采集装置的原理框图。

其中，1-第一直流电源输入，2-第二直流电源输入，3-第三直流电源输入，4-第四直流电源输入，5-直流电压转换模块，6-外部输入信号，7-微控制器模块，8-现场可编程门阵列模块，9-模拟数字转换模块，10-通讯数据总线模块，11-上位控制器，12-数字隔离模块，13-LED指示灯模块，14-多路开关阵列模块。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本实用新型的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本实用新型可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本实用新型的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本实用新型并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

本实用新型为用于DCS系统的模拟量mA采样装置，其通过多路开关阵列和模拟数字转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)，实现模拟量输入4～20mA采样量化处理，经过数字隔离后，将数据交由现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)传输至微控制器处理后，再通过通讯数据总线直接上传给上位控制器。

本实用新型一方面为模拟量信号4～20mA的输入，另一方面为与上位控制器的直接总线通讯，而非通过现有技术中所使用的专用通信模块。

实施例：

本实施例为8通道模拟量输入用于DCS系统的mA采样装置，即现场设备有8个信号可以同时接入装置，进行转换测量。

本实施例的模拟量mA采样装置共有2块板卡和1个壳体组成，板卡之间通过螺丝螺柱固定，通过双排接插件进行数据交换。

如图1所示，本实施例包括以下模块：

电源模块，包括第一直流电源输入1(24VA)、第二直流电源输入2(24VB)以及第三直流电源输入3(24VC)、第四直流电源输入4(24VD)；第一直流电源输入1(24VA)、第二直流电源输入2(24VB)经过冗余切换后通过24V转5V直流电压转换模块5将其转换为5V直流电压信号后，为微控制器模块7、现场可编程门阵列模块8、模拟数字转换模块9等进行供电，第三直流电源输入3(24VC)、第四直流电源输入4(24VD)经过冗余切换后用于给可能的现场仪表等外部设备的外部输入信号6供电；

控制单元，包括微控制器模块7、现场可编程门阵列模块8，用于上位机通讯和信号处理；优选地，微控制器模块7采用ARM架构；

通讯数据总线模块10，通过专用的485芯片实现与上位控制器11直接有效的通信；

数字隔离模块12，用于外部供电电路以及外部输入信号6与控制单元的之间的隔离；

LED指示灯模块13，用于输入信号处理后结果的指示；

模拟数字转换模块9，用于对输入信号进行模拟数字转换；

多路开关阵列模块14，用于模拟数字转换模块9与外部输入信号6的不同输入通道之间的切换轮询。

Ch0～Ch7为外部输入信号6的不同输入通道，其标准信号应为4～20mA电流信号，其经过多路开关阵列模块14后进入模拟数字转换模块9模拟前端，模拟数字转换模块9对输入信号进行采样量化，将结果AD值经过数字隔离模块12，转换相对应的信号后输出至现场可编程门阵列模块8中。数字隔离模块12的目的是为防止外部输入信号6的异常短路对装置内部电路造成冲击损坏。

现场可编程门阵列模块8将输入的AD值信号传输至微控制器模块7中，微控制器模块7对输入的AD信号进行零位、满度标定处理，将处理后的信号回传给现场可编程门阵列模块8，现场可编程门阵列模块8将经过优化后的数据通过通讯数据总线模块10与上位控制器11进行通讯交互。此外，现场可编程门阵列模块8还辅助控制前端的多路开关阵列模块14，使模拟数字转换模块9对外部输入信号6进行轮询采样。

LED指示灯模块13的主要目的是直观显示此模拟量采集装置整体所处的运行状态以及其与外部输入信号6的关系。LED指示灯模块13由微控制器模块7控制。微控制器模块7内部对处理后的AD值进行判断后输出控制指令，实现LED指示灯模块13状态的翻转。

在现场实际应用过程中，部分外部输入信号6需要供电24VDC才能够予以工作。第三直流电源输入3(24VC)、第四直流电源输入4(24VD)为与第一直流电源输入1(24VA)、第二直流电源输入2(24VB)独立的两个电源，其主要功能便是给外部系统提供24V直流电源。此装置可将第三直流电源输入3(24VC)、第四直流电源输入4(24VD)分配予Ch0～Ch7的外部输入信号6共8个通道中，可通过外部接线方式对每个通道为供电模式抑或是非供电模式进行选择。第三直流电源输入3(24VC)、第四直流电源输入4(24VD)独立于其他的内部模块，若供电的外部系统出现任何异常，不会对此装置本身内部系统形成干扰或损坏。

本实施例的电源模块中使用的24V转5V直流电压转换模块5为圣邦微公司的SGM6232YPS8G芯片。

本实施例中，微控制器模块7主要负责对于AD采样量化后的数据进行处理，其采用的是32位的ARM M23芯片，具体为兆易创新公司的GD32E230C8T6芯片，用C语言编程，通过外部总线与现场可编程门阵列模块8进行数据交换。另外，本实施例的控制单元采用的是高速磁介质隔离芯片，其可隔离现场设备对其的干扰，保证其正常工作。

本实施例的现场可编程门阵列模块8采用的是高云公司的GW1N-LV4LQ100C6/I5芯片，并使用Verilog语言编程。主要完成与模拟数字转换模块9数据的传输和上位控制器11的通讯，此外，现场可编程门阵列模块8还将控制多路开关阵列模块14，并与微控制器模块7进行数据交互。

本实施例的模拟数字转换模块9采用的是圣邦微公司的16位转换芯片SGM5200XTS38G。该芯片具有内部参考基准，可对输入信号进行快速精确地量化采样。

在本实施例中，采用富满电子公司的74HC138T逻辑3-8译码器芯片与厦门华联公司的MOS输出光继电器芯片HSSR-DA01-2组合的方式实现多路开关阵列模块14，通过现场可编程门阵列模块8输出的信号控制，使被选中的输入信号通道导通，实现8个通道的输入信号依次进入ADC采样的功能。

本实施例的数字隔离模块12采用的是斯凯瑞利公司的ISO1200系列的隔离芯片，其具有功耗低，体积小，数据传输速率高，以及抗干扰性能高的优良特点。在此实施例的使用过程中，为实现外部信号与内部电路信号转换的功用。

在本实施例中，采用芯力特公司的485芯片SIT3088EESA构成通讯数据总线模块10的RS485收发器，其具有低功耗，高通讯速率的特点，满足DCS系统下现场IO与上位控制器11之间的高速实时的数据通讯需求。

上述主要元器件都为自主国产化品牌。

如图1所示，本实施例的DCS系统模拟量采集装置的工作原理为：

此8通道mA采样装置使用24VA、24VB作为现场可编程门阵列模块8以及微控制器模块7供电；24VC、24VD电源用于外部仪表供电。24VC、24VD电源部分与内部电路是相互独立的。Ch0～Ch7为外部输入信号6的不同输入通道，其经过多路开关阵列模块14进入模拟数字转换模块9模拟前端，经过模拟数字转换模块9采样量化后，通过数字隔离模块12输出至现场可编程门阵列模块8中。监控程序运行于微控制器模块7中，直接读取可编程门阵列模块8收到的模拟数字转换模块9输出值，经零位、满度标定后直接通过通讯数据总线模块10上传到上位控制器11中后可以被上位机读取。根据微控制器模块7的运算结果以及与上位控制器11的通讯状态，使用LED指示灯模块13直观表达不同的状态。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种自主化DCS系统多通道模拟量采样装置，其特征在于，包括电源模块、微控制器模块、现场可编程门阵列模块、多路开关阵列模块、模拟数字转换模块、数字隔离模块、通讯数据总线模块，上述模块均采用自主国产化芯片，所述电源模块被配置为内部模块和外部设备提供互相独立的供电，所述多路开关阵列模块被配置为接受所述现场可编程门阵列模块控制，使所述模拟数字转换模块对多通道的外部输入信号进行切换轮询采样；所述模拟数字转换模块通过所述数字隔离模块连接至所述现场可编程门阵列模块，所述现场可编程门阵列模块通过所述通讯数据总线模块与上位控制器通信连接，所述微控制器模块通过外部总线与所述现场可编程门阵列模块通信连接。

2.如权利要求1所述的自主化DCS系统多通道模拟量采样装置，其特征在于，还包括LED指示灯模块，所述LED指示灯模块信号连接至所述微控制器模块。

3.如权利要求1所述的自主化DCS系统多通道模拟量采样装置，其特征在于，所述电源模块包括第一直流电源输入、第二直流电源输入、第三直流电源输入、第四直流电源输入和直流电压转换模块，所述第一直流电源输入、第二直流电源输入被配置为经冗余切换后通过所述直流电压转换模块转换为内部供电电压，所述第三直流电源输入、第四直流电源输入被配置为经冗余切换后提供外部供电电压。

4.如权利要求3所述的自主化DCS系统多通道模拟量采样装置，其特征在于，所述直流电压转换模块采用圣邦微公司的SGM6232YPS8G芯片。

5.如权利要求1所述的自主化DCS系统多通道模拟量采样装置，其特征在于，所述微控制器模块采用兆易创新公司的GD32E230C8T6芯片。

6.如权利要求1所述的自主化DCS系统多通道模拟量采样装置，其特征在于，所述现场可编程门阵列模块采用高云公司的GW1N-LV4LQ100C6/I5芯片。

7.如权利要求1所述的自主化DCS系统多通道模拟量采样装置，其特征在于，所述模拟数字转换模块采用圣邦微公司的SGM5200XTS38G芯片。

8.如权利要求1所述的自主化DCS系统多通道模拟量采样装置，其特征在于，所述多路开关阵列模块采用富满电子公司的74HC138T芯片和厦门华联公司的HSSR-DA01-2芯片。

9.如权利要求1所述的自主化DCS系统多通道模拟量采样装置，其特征在于，所述数字隔离模块采用斯凯瑞利公司的ISO1200系列芯片。

10.如权利要求1所述的自主化DCS系统多通道模拟量采样装置，其特征在于，所述通讯数据总线模块采用芯力特公司的SIT3088EESA芯片。

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