陳 實(shí)
摘要： 本文介紹了WB數(shù)字化智能變送器直流系列和交流系列產(chǎn)品的原理、性能及應(yīng)用
關(guān)鍵詞:：數(shù)字化 光電隔離 電磁隔離 RS-485 通信
1 引言
在自動(dòng)檢測(cè)、控制系統(tǒng)中，常常需要采集各種電壓、電流、功率、頻率和功率因數(shù)等電參量數(shù)據(jù)，并傳送至中央處理機(jī)，完成統(tǒng)計(jì)、分析和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)控制；系統(tǒng)中往往存在著較強(qiáng)的干擾，各待測(cè)點(diǎn)離散地分布在不同的區(qū)域，并且與中央控制機(jī)之間有較遠(yuǎn)距離；此時(shí)， WB數(shù)字化智能變送器模塊就可以實(shí)現(xiàn)高壓、大電流信號(hào)以及傳感器輸出的弱電信號(hào)的隔離變換，并采用DSP技術(shù)計(jì)算處理數(shù)據(jù)，獲得高精度的數(shù)字化信息，最后以總線化的數(shù)字通信方式完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳；WB數(shù)字化智能變送器模塊正是針對(duì)自動(dòng)控制和微機(jī)監(jiān)控領(lǐng)域的多點(diǎn)遙測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)控功能而設(shè)計(jì)的，性能價(jià)格比高，使用靈活，容易實(shí)現(xiàn)硬件和軟件組態(tài)，為DCS網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和擴(kuò)建提供了有力的工具。
WB數(shù)字化智能變送器模塊主要用途是：
1） 解決系統(tǒng)中多種電信號(hào)混合時(shí)可能引入的共模干擾或相互干擾問(wèn)題；
2） 解決現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的隔離問(wèn)題，防止強(qiáng)干擾信號(hào)損壞測(cè)控系統(tǒng)的主機(jī)；
3） 解決現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜信號(hào)的高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換問(wèn)題，為系統(tǒng)節(jié)省A/D轉(zhuǎn)換的硬件開(kāi)銷(xiāo)；
4） 網(wǎng)絡(luò)化體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，減少了現(xiàn)場(chǎng)配線；
WB數(shù)字化智能變送器系列產(chǎn)品是國(guó)家863/CIMS目標(biāo)產(chǎn)品，并且獲得了國(guó)家科技創(chuàng)新基金的無(wú)償支持。產(chǎn)品推出以來(lái)，深得用戶厚愛(ài)，已經(jīng)廣泛用于鐵路、電力、通信、供水、石化等行業(yè)；在此對(duì)該系列產(chǎn)品作概略的介紹。
2 WB數(shù)字化智能變送器基本工作原理
WB數(shù)字化智能變送器系列產(chǎn)品按其檢測(cè)內(nèi)容不同，主要分為兩大類，即"直流系列"和"交流系列"?，F(xiàn)分述如下。
2.1 直流系列
WB直流數(shù)字化系列智能變送器產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)直流電流、電壓的線性隔離變換和高精度數(shù)據(jù)采集，并以RS-485總線方式傳送數(shù)據(jù)。其原理框圖如圖1所示。
輸入的直流電壓Vin和直流電流Iin信號(hào)送至輸入電路，后者將信號(hào)轉(zhuǎn)換成某種具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力的電壓值，使其能夠通過(guò)光電耦合器；光電隔離電路實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的線性隔離變換；高精度高速A/D負(fù)責(zé)模擬信號(hào)的數(shù)字化轉(zhuǎn)換；高性能的MCU實(shí)現(xiàn)算法及通信管理模塊，將A/D結(jié)果處理成真有效值數(shù)據(jù)和標(biāo)稱化數(shù)據(jù)格式，同時(shí)將這些數(shù)據(jù)按一定的通信規(guī)約組織起來(lái)，當(dāng)上一級(jí)通信機(jī)讀取數(shù)據(jù)時(shí)，就通過(guò)RS-485總線及時(shí)送出，方便用戶使用。圖1所示的電路中的DC/DC轉(zhuǎn)換器是專用隔離電源，具有高隔離耐壓，使產(chǎn)品的輸入回路和輸出回路之間可承受3000V DC的高壓，有效地保護(hù)了測(cè)控系統(tǒng)的主機(jī)部分。
2.2 交流系列
WB交流數(shù)字化系列智能變送器產(chǎn)品分為單相和三相兩類產(chǎn)品，主要針對(duì)單相和三相交流系統(tǒng)的不同應(yīng)用要求?，F(xiàn)以三相系列產(chǎn)品為例作介紹，其典型原理框圖如圖2所示。
WB三相交流數(shù)字化智能變送器主要由隔離傳感測(cè)量、DSP數(shù)據(jù)處理和通信控制３部分組成。輸入的三相交流電壓和電流經(jīng)隔離模塊隔離變換，可編程增益放大器放大，形成標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)輸出，并經(jīng)高速A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號(hào)，由DSP按交流參數(shù)直接采樣算法原理對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波和數(shù)字相差補(bǔ)償，計(jì)算出被檢測(cè)量的交流電壓、電流的真有效值和相關(guān)導(dǎo)出量值。再由通信管理控制機(jī)將處理完的數(shù)據(jù)標(biāo)幺化并有效地組織起來(lái)，當(dāng)上一級(jí)通信機(jī)來(lái)讀取數(shù)據(jù)時(shí)就可及時(shí)送出，用戶只需將其中的部分?jǐn)?shù)據(jù)乘以互感器變比就能獲得實(shí)際工程物理量數(shù)據(jù)。原理上的先進(jìn)性真實(shí)反映了被測(cè)的交流電參量與現(xiàn)場(chǎng)的工程物理量之間的直接關(guān)系，并且達(dá)到了較高的精確度，與傳統(tǒng)的各類模擬變送器比較，具有很高的可靠性和穩(wěn)定性，克服了傳統(tǒng)模擬變送器溫漂大和預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)。圖2中的電壓和電流隔離模塊采用特殊的電磁隔離元件，能保證檢測(cè)低端信號(hào)的高準(zhǔn)確度，而且具有2500V DC的隔離耐壓，短時(shí)過(guò)載能力可達(dá)到電壓2倍標(biāo)稱值，電流10倍標(biāo)稱值。
WB數(shù)字化智能變送器產(chǎn)品種類較多，相應(yīng)電路框圖有一些細(xì)微區(qū)別，這里不再贅述?？偟恼f(shuō)來(lái)，直流系列產(chǎn)品采用線性光耦隔離器件、通用或?qū)Ｓ眉呻娐?、專用DC/DC隔離變換器等元器件，線性精度高，溫度穩(wěn)定性好，抗電磁干擾能力強(qiáng)，具有很高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍；交流系列產(chǎn)品采用特殊的電磁隔離技術(shù)和DSP技術(shù)完成數(shù)據(jù)的高精度轉(zhuǎn)換，可同時(shí)完成電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、有功電度、無(wú)功電度和頻率的全部三相電參量采集和計(jì)算，具有很好的線性精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍。所以，該系列產(chǎn)品非常適合在各種自動(dòng)檢測(cè)、控制系統(tǒng)中使用。
3 通信協(xié)議
WB數(shù)字化系列智能產(chǎn)變送器產(chǎn)品采用目前較為流行的RS-485總線通信方式完成數(shù)據(jù)的傳送，有多種標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議和自行研制的公司協(xié)議供用戶選擇，適應(yīng)各種不同的應(yīng)用環(huán)境；每種協(xié)議都經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的通信測(cè)試，誤碼率都控制在十萬(wàn)分之5以內(nèi)，其中使用得最多的是我們自行研制的公司協(xié)議，在現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行考驗(yàn)，目前能夠直接與組態(tài)王、MCGS51和力控等國(guó)內(nèi)流行的組態(tài)軟件接口，用戶可非常靈活地進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)。其基本格式如表1：
信息類型
信息分兩種：從HOST到SLAVE為命令信息。
從SLAVE到HOST為響應(yīng)信息。
校驗(yàn)
校驗(yàn)為表1中的前2-5項(xiàng)逐字節(jié)作無(wú)符號(hào)加法，模256取反加1。
編碼方式
16進(jìn)制碼方式?！ ?
數(shù)據(jù)（DATA）
除調(diào)試命令以外，一般命令均無(wú)數(shù)據(jù)項(xiàng)。
數(shù)據(jù)收、發(fā)處理
例如：當(dāng)表1中2-6項(xiàng)數(shù)據(jù)中出現(xiàn)EOI（0DH）代碼時(shí)，發(fā)送時(shí)將其拆分為05H，08H兩個(gè)字節(jié)；當(dāng)2-6項(xiàng)原始數(shù)據(jù)塊出現(xiàn)05H時(shí)，發(fā)送時(shí)在05H之后增加00H字節(jié)。接收時(shí)，若收到某字節(jié)數(shù)據(jù)為05H，則緊接其后收到的一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)應(yīng)與05H合為一個(gè)字節(jié)。
編碼分配及分類如表5
基于數(shù)據(jù)通信的數(shù)字化智能產(chǎn)變送器產(chǎn)品突破了傳統(tǒng)變送器的界限，充分發(fā)揮了其數(shù)據(jù)檢測(cè)計(jì)算方面的優(yōu)點(diǎn)，并利用計(jì)算機(jī)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化的體系結(jié)構(gòu)，從而使測(cè)控系統(tǒng)功能分散、地域分散、負(fù)胤稚⒑臀Ｏ輾稚?，具有更高的可靠性和灵活性?br>
4 主要技術(shù)指標(biāo)
4.1直流系列
輸入規(guī)格：輸入電壓0～50mV到0～1000V；
輸入電流0～1mA到0～5A；如果外接分流器，輸入電流可高達(dá)上千安培。
精度等級(jí)： 0.2級(jí)（0～120%標(biāo)稱輸入）
響應(yīng)時(shí)間： < 100ms
短時(shí)過(guò)載能力：電壓2倍標(biāo)稱值，電流10倍標(biāo)稱值
溫度漂移：≤±0.5%/0 ～50℃；
隔離耐壓：3000VDC/1分鐘
4.2交流系列
輸入規(guī)格：輸入電壓0～500V；
輸入電流0～10A；如果外接電流互感器，輸入電流可高達(dá)上千安培。
精度等級(jí)：電壓：0.2（ V：50%～125%VN ）
電流：0.2（ I： 1%～125%IN ）
有功功率：0.5（ COSφ(-0.5～1.0～0.5)）
無(wú)功功率: 0.5（ SINφ(-0.5～1.0～0.5)）
功率因數(shù): 0.5 (-0.5～1.0～0.5 )
有功電度：0.5 (COSφ(-0.5～1.0～0.5) )
無(wú)功電度: 0.5 (SINφ(-0.5～1.0～0.5) )
頻率：0.1 ( 47HZ ～ 53HZ )
響應(yīng)時(shí)間：
（轉(zhuǎn)載）
