專利名稱：實(shí)現(xiàn)分布式控制系統(tǒng)與測量設(shè)備互連的輸入接口裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及分布式控制系統(tǒng)(DCS, Distributed Control System)的數(shù)據(jù)交換技術(shù)，尤其涉及實(shí)現(xiàn) 分布式控制系統(tǒng)與智能測量設(shè)備互連的輸入接口裝置。
背景技術(shù)：
分布式控制系統(tǒng)是ー個(gè)由過程控制級(jí)和過程監(jiān)控級(jí)組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它綜合了計(jì)算機(jī)(Computer)、通訊(Communication)、顯示(CRT)和控制(Control)技術(shù)(即4C技木)，基本思想是實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的分散控制、集中操作、分級(jí)管理、靈活配置以及方便組態(tài)。DCS具有數(shù)據(jù)獲取、直接數(shù)字控制、人機(jī)交互以及監(jiān)控和管理等功倉^:。自從分布式控制系統(tǒng)問世以來已經(jīng)在各個(gè)行業(yè)的エ業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，尤以系統(tǒng)本身的高可靠性、方便的組態(tài)軟件、豐富的控制算法以及開放的聯(lián)網(wǎng)能力等漸成為過程エ業(yè)自動(dòng)控制的主流系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，DCS正向著多元化、網(wǎng)絡(luò)化、開放化以及集成管理的方向發(fā)展。因此，對(duì)其提出了更高的要求必須能夠?qū)⒉煌愋偷脑O(shè)備進(jìn)行互連，來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換?？蓪ぁ鲋愤h(yuǎn)程傳感器高速通道(HART,Highway Addressable Remote Transducer)現(xiàn)場總線協(xié)議是エ業(yè)控制領(lǐng)域廣泛認(rèn)可的通訊標(biāo)準(zhǔn)，它兼容現(xiàn)有的4 20mAエ業(yè)設(shè)備及電纜，同時(shí)還增加了設(shè)備間的數(shù)字通訊的能力。目前，還沒有將HART現(xiàn)場總線協(xié)議應(yīng)用于不同DCS之間的互連上，且現(xiàn)有的不同DCS之間的互連方式還普遍存在著可靠性問題。因此，需要提供一種實(shí)現(xiàn)分布式控制系統(tǒng)互連的接口裝置來解決上述問題。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種實(shí)現(xiàn)分布式控制系統(tǒng)與測量設(shè)備互連的輸入接口裝置，能夠通過采用HART現(xiàn)場總線協(xié)議提高互連的接ロ性能。為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種實(shí)現(xiàn)分布式控制系統(tǒng)與測量設(shè)備互連的輸入接口裝置，包括多路輸入通道、隔離模塊以及控制模塊，每ー輸入通道除了包括模擬輸入通道的模擬數(shù)據(jù)采集模塊外，還包括可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的濾波電容及整形模塊，其中濾波電容的第一端連接相應(yīng)輸入通道的第一輸入端，該濾波電容第二端連接相應(yīng)整形模塊的輸入端，該整形模塊的輸出端通過隔離模塊連接控制模塊。進(jìn)ー步地，模擬數(shù)據(jù)采集模塊包括輸入電阻、濾波器以及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，其中輸入電阻的兩端分別連接相應(yīng)輸入通道的第一輸入端和第二輸入端，該輸入電阻的兩端同時(shí)連接相應(yīng)濾波器的輸入端，該濾波器的輸出端連接所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入端，該模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸出端通過隔離模連接控制模塊。進(jìn)ー步地，多路可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的整形模塊和多路模擬輸入通道的所述模擬數(shù)據(jù)采集模塊均安裝在子卡上，隔離模塊和控制模塊均安裝在主卡上；其中，整形模塊包括通過開關(guān)選通連接的HART接收整形単元和HART發(fā)送整形単元；控制模塊包括依次連接的信號(hào)解調(diào)單元、UART接收單元、串并轉(zhuǎn)換單元、HART協(xié)議處理單元、高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制單元以及與HART協(xié)議處理單元連接的數(shù)據(jù)采集處理單元。進(jìn)一步地，濾波電容第二端通過開關(guān)連接HART接收整形單元的輸入端，該HART接收整形單元的輸出端通過隔離模塊中相應(yīng)的光電隔離器連接信號(hào)解調(diào)單元的輸入端，該信號(hào)解調(diào)單元的輸出端連接UART接收單元的輸入端，該UART接收單元的輸出端連接串并轉(zhuǎn)換單元的輸入端，該串并轉(zhuǎn)換單元的輸出端連接HART協(xié)議處理單元的第一輸入端，該HART協(xié)議處理単元的第一輸出端連接高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制単元的第一輸入端；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸出端通過隔離模塊中相應(yīng)的光電隔離器連接數(shù)據(jù)采集處理單元的輸入端，該數(shù)據(jù)采集單元的輸出端連接高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制単元的第二輸入端； 該高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制單元的第一輸出端分別連接到兩個(gè)RS-485接ロ的輸入端，通過該兩個(gè)RS-485接ロ的輸出端均輸出承載在一起的HART數(shù)據(jù)與電流數(shù)據(jù)。進(jìn)ー步地,控制模塊還包括并串轉(zhuǎn)換單元、UART發(fā)送單元以及信號(hào)調(diào)制單元。進(jìn)ー步地，另外兩個(gè)RS-485接ロ的輸出端分別連接高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制單元的第三輸入端、第四輸入端，該高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制單元的第二輸出端連接HART協(xié)議處理單元的第二輸入端，該HART協(xié)議處理單元的第二輸出端連接并串轉(zhuǎn)換單元的輸入端，該并串轉(zhuǎn)換單元的輸出端連接UART發(fā)送單元的輸入端，該UART發(fā)送單元的輸出端連接信號(hào)調(diào)制單元的輸入端，該信號(hào)調(diào)制單元的輸出端通過隔離模塊中相應(yīng)的光電隔離器連接HART發(fā)送整形単元的輸入端，該HART發(fā)送整形単元的輸出端通過所述開關(guān)連接濾波電容第二端。進(jìn)一步地，采用現(xiàn)場可編程門陣列實(shí)現(xiàn)信號(hào)解調(diào)單元、UART接收單元以及UART發(fā)送單元、信號(hào)調(diào)制單元；采用ARM控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集處理單元、HART協(xié)議處理單元以及高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制単元。進(jìn)一步地，在一底座上將所述每一路信號(hào)并行連接在兩套插槽相應(yīng)位置上，每ー套插槽包括一主卡插槽和一子卡插槽；其中，主卡插在主卡插槽上，子卡插在子卡插槽上，主卡和子卡相互通過信號(hào)的插針連在一起，并通過ー個(gè)外殼罩住。本實(shí)用新型提供的實(shí)現(xiàn)分布式控制系統(tǒng)與智能測量設(shè)備互連的輸入接ロ裝置，由于將HART現(xiàn)場總線協(xié)議運(yùn)用于分布式控制系統(tǒng)的互連接口上，因此能夠在DCS與智能測量設(shè)備之間傳遞4 20mAエ業(yè)信號(hào)的同時(shí)，方便地進(jìn)行雙向數(shù)字通訊，從而大大簡化了信號(hào)傳輸方式并提高了傳輸?shù)目煽啃?。同時(shí)，通過輸入接口裝置中的冗余設(shè)計(jì)進(jìn)一步提高了接ロ的可靠度。

圖I為本實(shí)用新型的實(shí)現(xiàn)分布式控制系統(tǒng)互連的輸入接口裝置實(shí)施例的原理框圖；[0025]圖2為圖I所示的輸入接口裝置實(shí)施例的具體結(jié)構(gòu)框圖；圖3為圖I所示的輸入接口裝置實(shí)施例中16通道HART PLUSAl信號(hào)冗余底座線路板安裝結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為圖I所示的輸入接口裝置實(shí)施例中16通道HART PLUSAl信號(hào)及其冗余底座原理框圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)地闡述。應(yīng)該理解，以下例舉的實(shí)施例僅用于說明和解釋本實(shí)用新型，而不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型技術(shù)方案的限制。本實(shí)用新型的實(shí)現(xiàn)分布式控制系統(tǒng)與測量設(shè)備互連的輸入接口裝置實(shí)施例，其原理如圖I所示，包括多路輸入通道、隔離模塊以及控制模塊，其中每ー輸入通道除了包括模擬輸入(Al)通道的數(shù)據(jù)采集模塊外，還包括HART通道的濾波電容(Ci，i = I 16)及整形模塊(i，i = I 16)，其中濾波電容的一端連接相應(yīng)輸入通道的第一輸入端(In ia, i = I 16),該濾波電容另一端連接相應(yīng)整形模塊的輸入端，該整形模塊的輸出端通過隔離模塊連接控制模塊。在上述裝置實(shí)施例中，數(shù)據(jù)采集模塊包括輸入電阻、濾波器以及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，其中輸入電阻的兩端分別連接相應(yīng)輸入通道的第一輸入端(In ia，i = I 16)和第ニ輸入端(In ib，i = I 16)，該輸入電阻的兩端同時(shí)連接相應(yīng)濾波器的輸入端，該濾波器的輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入端，該模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸出端通過隔離模連接控制模塊。上述輸入接口裝置實(shí)施例的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中，16個(gè)通道的HART信號(hào)整形模塊和16個(gè)通道的Al數(shù)據(jù)采集模塊均安裝在子卡上，隔離模塊和控制模塊均安裝在主卡上；其中，整形模塊包括通過開關(guān)K選通連接的HART接收整形単元和HART發(fā)送整形單元，控制模塊包括依次連接的信號(hào)解調(diào)單元、UART接收單元、串并轉(zhuǎn)換單元、HART協(xié)議處理単元、高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制(HDLC)單元以及與HART協(xié)議處理單元連接的數(shù)據(jù)采集處理單元。在上述輸入接口裝置實(shí)施例中，濾波電容另一端通過開關(guān)K連接相應(yīng)整形模塊中的HART接收整形單元的輸入端，該HART接收整形単元的輸出端通過隔離模塊中相應(yīng)的光電隔離器連接控制模塊中的信號(hào)解調(diào)單元的輸入端，該信號(hào)解調(diào)單元的輸出端連接UART接收單元的輸入端，該UART接收單元的輸出端連接串并轉(zhuǎn)換單元的輸入端，該串并轉(zhuǎn)換單元的輸出端連接HART協(xié)議處理單兀的第一輸入端，該HART協(xié)議處理單兀的第一輸出端連接HDLC單兀的第一輸入端；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸出端通過隔離模塊中相應(yīng)的光電隔離器連接控制模塊中的數(shù)據(jù)采集處理單元的輸入端，該數(shù)據(jù)采集單元的輸出端連接HDLC単元的第二輸入端；該HDLC單元的第一輸出端分別連接到兩個(gè)RS-485的輸入端，通過該兩個(gè)RS-485的輸出端輸出承載在一起的HART數(shù)據(jù)與電流數(shù)據(jù)。在上述輸入接口裝置實(shí)施例中，控制模塊還包括井串轉(zhuǎn)換單元、UART發(fā)送單元、信號(hào)調(diào)制單兀；其中[0040]兩個(gè)RS-485的輸出端分別連接HDLC單元的第三輸入端、第四輸入端，該HDLC單元的第二輸出端連接HART協(xié)議處理單元的第二輸入端，該HART協(xié)議處理單元的第二輸出端連接并串轉(zhuǎn)換單元的輸入端，該并串轉(zhuǎn)換單元的輸出端連接UART發(fā)送單元的輸入端，該UART發(fā)送單元的輸出端連接信號(hào)調(diào)制單元的輸入端，該信號(hào)調(diào)制單元的輸出端通過隔離模塊中相應(yīng)的光電隔離器連接HART發(fā)送整形単元的輸入端，該HART發(fā)送整形単元的輸出端通過開關(guān)K連接濾波電容另一端。在上述輸入接口裝置實(shí)施例中，采用FPGA部分實(shí)現(xiàn)信號(hào)解調(diào)單元、UART接收單元以及UART發(fā)送單元、信號(hào)調(diào)制單元；采用微控制器(譬如ARM控制器)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集處理單元、HART協(xié)議處理單元以及HDLC單元。在上述輸入接口裝置實(shí)施例中，采用將多路通道(I 16)的每一路信號(hào)并行變換為兩路信號(hào)來實(shí)現(xiàn)信號(hào)冗余輸入。如圖3所示表示了 16通道HARTPLUS Al信號(hào)冗余底座I線路板安裝結(jié)構(gòu)，在該底座I上將輸入的16路通道的每一路信號(hào)并行連接在兩套插槽(A主/子插槽、B主/子插槽)相應(yīng)位置上；其中，主卡插在主卡插槽2上，子卡插在子卡插槽3上，主卡、子卡相互通過信號(hào)的插針連在一起，并通過一個(gè)外殼4罩住。該線路板上左端為信號(hào)引出接線端子排5，每個(gè)通道引出4個(gè)信號(hào)端子，則16通道共64個(gè)端子；其中Al的4 20mA信號(hào)通過不同的接線方式選擇內(nèi)供電模式(本裝置向Al設(shè)備供電)和外供電模式(Al設(shè)備由其它電源供電)；下端為電源信號(hào)端子排6，分別為A、B兩套的主/子卡以及底座提供必要的工作電源。圖4表示了圖I所示的輸入接ロ裝置實(shí)施例中16個(gè)通道HART PLUS Al信號(hào)及其冗余底座原理，其中IIN1+、IIN1-分別表示圖3的第I通道載有HART信號(hào)的4 20mA電流輸入的正、
負(fù)端，......，IIN16+、IIN16-分別表示第16通道載有HART信號(hào)的4 20mA電流輸入的
正、負(fù)端；V0UTA1+、VOUTAl-分別表示經(jīng)電流/電壓變換后A套的第一路輸入Al電壓信號(hào)的正、負(fù)端；V0UTB1+、VOUTBl-分別表示經(jīng)電流/電壓變換后B套的第一路輸入Al電壓信號(hào)的正、負(fù)端；......，依此類推。Al電壓范圍在O 5V之間。
權(quán)利要求1.一種實(shí)現(xiàn)分布式控制系統(tǒng)與測量設(shè)備互連的輸入接口裝置，包括多路輸入通道、隔離模塊以及控制模塊，每一輸入通道除了包括模擬輸入通道的模擬數(shù)據(jù)采集模塊外，還包括可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的濾波電容及整形模塊，其中 濾波電容的第一端連接相應(yīng)輸入通道的第一輸入端，該濾波電容第二端連接相應(yīng)整形模塊的輸入端，該整形模塊的輸出端通過隔離模塊連接控制模塊。
2.按照權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述模擬數(shù)據(jù)采集模塊包括輸入電阻、濾波器以及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，其中 輸入電阻的兩端分別連接相應(yīng)輸入通道的第一輸入端和第二輸入端，該輸入電阻的兩端同時(shí)連接相應(yīng)濾波器的輸入端，該濾波器的輸出端連接所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入端，該模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸出端通過隔離模連接控制模塊。
3.按照權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，多路可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的所述整形模塊和多路模擬輸入通道的所述模擬數(shù)據(jù)采集模塊均安裝在子卡上，所述隔離模塊和所述控制模塊均安裝在主卡上；其中，所述整形模塊包括通過開關(guān)選通連接的HART接收整 形單元和HART發(fā)送整形單元；所述控制模塊包括依次連接的信號(hào)解調(diào)單元、UART接收單元、串并轉(zhuǎn)換單元、HART協(xié)議處理單元、高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制單元以及與HART協(xié)議處理單元連接的數(shù)據(jù)采集處理單元。
4.按照權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于， 所述濾波電容第二端通過所述開關(guān)連接所述HART接收整形單元的輸入端，該HART接收整形單元的輸出端通過所述隔離模塊中相應(yīng)的光電隔離器連接所述信號(hào)解調(diào)單元的輸入端，該信號(hào)解調(diào)單元的輸出端連接所述UART接收單元的輸入端，該UART接收單元的輸出端連接所述串并轉(zhuǎn)換單元的輸入端，該串并轉(zhuǎn)換單元的輸出端連接所述HART協(xié)議處理單元的第一輸入端，該HART協(xié)議處理單元的第一輸出端連接所述高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制單元的第一輸入端； 所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸出端通過所述隔離模塊中相應(yīng)的光電隔離器連接所述數(shù)據(jù)采集處理單元的輸入端，該數(shù)據(jù)采集單元的輸出端連接所述高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制單元的第二輸入端; 該高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制單元的第一輸出端分別連接到兩個(gè)RS-485接口的輸入端，通過該兩個(gè)RS-485接口的輸出端均輸出承載在一起的HART數(shù)據(jù)與電流數(shù)據(jù)。
5.按照權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述控制模塊還包括并串轉(zhuǎn)換單元、UART發(fā)送單元以及信號(hào)調(diào)制單元。
6.按照權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于， 另外兩個(gè)RS-485接口的輸出端分別連接所述高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制單元的第三輸入端、第四輸入端，該高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制單元的第二輸出端連接所述HART協(xié)議處理單元的第二輸入端，該HART協(xié)議處理單元的第二輸出端連接并串轉(zhuǎn)換單元的輸入端，該并串轉(zhuǎn)換單元的輸出端連接UART發(fā)送單元的輸入端，該UART發(fā)送單元的輸出端連接信號(hào)調(diào)制單元的輸入端，該信號(hào)調(diào)制單元的輸出端通過所述隔離模塊中相應(yīng)的光電隔離器連接HART發(fā)送整形單元的輸入端，該HART發(fā)送整形單元的輸出端通過所述開關(guān)連接所述濾波電容第二端。
7.按照權(quán)利要求3至6任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于， 采用現(xiàn)場可編程門陣列實(shí)現(xiàn)所述信號(hào)解調(diào)單元、所述UART接收單元以及所述UART發(fā)送單元、所述信號(hào)調(diào)制單元；采用ARM控制器實(shí)現(xiàn)所述數(shù)據(jù)采集處理單元、所述HART協(xié)議處理單元以及所述高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制單元。
8.按照權(quán)利要求3至6任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于， 在一底座上將所述每一路信號(hào)并行連接在兩套插槽相應(yīng)位置上，每一套插槽包括一主卡插槽和一子卡插槽；其中，所述主卡插在主卡插槽上，所述子卡插在子卡插槽上，所述主卡和所述子卡相互通過信號(hào)的插針連在一起，并通過一個(gè)外殼罩住。
專利摘要本實(shí)用新型披露了實(shí)現(xiàn)分布式控制系統(tǒng)與測量設(shè)備互連的輸入接口裝置，包括多路輸入通道、隔離模塊以及控制模塊，每一輸入通道除了包括模擬輸入通道的模擬數(shù)據(jù)采集模塊外，還包括可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的濾波電容及整形模塊，其中濾波電容的第一端連接相應(yīng)輸入通道的第一輸入端，該濾波電容第二端連接相應(yīng)整形模塊的輸入端，該整形模塊的輸出端通過隔離模塊連接控制模塊。本實(shí)用新型大大簡化了信號(hào)傳輸方式并提高了傳輸?shù)目煽啃浴Ｍ瑫r(shí)，通過輸入接口裝置中的冗余設(shè)計(jì)進(jìn)一步提高了接口的可靠度。
文檔編號(hào)G05B19/418GK202404431SQ20112055051
公開日2012年8月29日 申請(qǐng)日期2011年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月26日
發(fā)明者丁娟, 何煦, 夏明 , 孫廣東, 張智, 張立然, 梁金寶, 潘鋼, 田雨聰, 麻貴峰 申請(qǐng)人:北京國電智深控制技術(shù)有限公司