天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司 季小燕
頻率電流轉(zhuǎn)換器可以采集標(biāo)準(zhǔn)的200-1000Hz(或者0-1000Hz)的頻率信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA的電流信號(hào),因目前多數(shù)傳感器輸出頻率信號(hào)而PLC、DCS系統(tǒng)能夠大量采集的是電流信號(hào),所以被廣泛應(yīng)用于PLC、DCS系統(tǒng)的數(shù)采集。現(xiàn)在的頻率電流轉(zhuǎn)換器在實(shí)際的應(yīng)用中容易受外界環(huán)境干擾而出現(xiàn)工作不穩(wěn)定,誤差增大等問題,一般采取的措施就是設(shè)計(jì)硬件電路通過精密可調(diào)電位器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的精度,使其滿足要求,這在一定程度上加大了現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的難度。為此,筆者設(shè)計(jì)了一種具有自動(dòng)校正功能的頻率電流轉(zhuǎn)換器,該轉(zhuǎn)換器采集傳感器(或其他設(shè)備)的頻率信號(hào),將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為4~20mA的電流信號(hào)。同時(shí)利用閉環(huán)控制原理[2],將電流信號(hào)反饋給轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換器采集到的電流數(shù)據(jù)和由頻率轉(zhuǎn)換的電流數(shù)據(jù)二者進(jìn)行比較,通過算法處理,校正電流輸出,使轉(zhuǎn)換器的精度和工作穩(wěn)定性都能提高。
隔離式頻率電流轉(zhuǎn)換器主要由頻率電壓轉(zhuǎn)換電路、電壓電流轉(zhuǎn)換電路以及電源管理模塊以及閉環(huán)的反饋控制模塊(自校正)組成,如圖1所示。頻率電壓轉(zhuǎn)換電路以美國微芯半導(dǎo)體公司的單片機(jī)PIC16F1783為核心,由單片機(jī)最小系統(tǒng)以及頻率隔離、采集模塊組成。電壓電流轉(zhuǎn)換電路采用ANALOG DEVICES公司的集成芯片AD5410設(shè)計(jì)。外部直流電源一部分直接給電壓電流轉(zhuǎn)換芯片供電,另一部分通過降壓芯片LDO轉(zhuǎn)換為5V直流電源給單片機(jī)以及其他模塊供電。閉環(huán)反饋模塊主要是是通過精度為0.01%的高精密電阻采集轉(zhuǎn)換器的輸出電流,然后將轉(zhuǎn)換后的電壓反饋到單片機(jī)系統(tǒng)中,通過單片機(jī)內(nèi)置的AD模塊采集電壓,做數(shù)據(jù)處理
頻率電流轉(zhuǎn)換器的軟件采用C語言程序模塊化程序設(shè)計(jì),主要包括頻率信號(hào)的采集處理、反饋的電壓信號(hào)采集處理,自動(dòng)校正算法等,具體流程如圖2所示。
工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境非常復(fù)雜,電磁干擾、環(huán)境溫度、濕度的差異以及噪聲等因素使轉(zhuǎn)換器上的核心元器件的性能有所變化,因此轉(zhuǎn)換器的電流輸出值就會(huì)與實(shí)際值存在偏差,即產(chǎn)生誤差,目前大多做法是通過硬件電路調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的精度,使其滿足要求。不失一種解決辦法,但是每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)條件不一樣,迫使每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)都要對(duì)轉(zhuǎn)換器的硬件做調(diào)節(jié),無疑加大了調(diào)試和后期維護(hù)的難度和成本。筆者利用閉環(huán)控制原理,采集轉(zhuǎn)換器輸出的電流,通過處理轉(zhuǎn)換為和輸入頻率一致的數(shù)據(jù),在單片機(jī)內(nèi)部將頻率數(shù)據(jù)和反饋的電流數(shù)據(jù)做比較,如果反饋數(shù)據(jù)大于頻率處理數(shù)據(jù),就相應(yīng)的減小將要發(fā)送的數(shù)據(jù);反之,如果反饋數(shù)據(jù)小于頻率處理數(shù)據(jù),就相應(yīng)增加將要發(fā)送的數(shù)據(jù),輸出穩(wěn)定、精確的頻率數(shù)據(jù),從而達(dá)到自動(dòng)校正輸出電流的目的,其具體流程如圖3所示。
表1 頻率電流轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)輸出格式
表2 環(huán)境因素反饋補(bǔ)償前后所測(cè)數(shù)據(jù)
圖1 隔離式頻率電流轉(zhuǎn)換器的硬件組成
圖2 頻率電路轉(zhuǎn)換器的軟件設(shè)計(jì)流程圖
圖3 環(huán)境反饋補(bǔ)償流程
筆者設(shè)計(jì)的這款隔離式頻率電流轉(zhuǎn)換器為了完全滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用,并減輕控制機(jī)的數(shù)據(jù)處理工作量,在數(shù)據(jù)處理上做了相關(guān)處理,處理形式如表1所示。
從表1可以看出,輸入頻率小于180Hz或者大于1050Hz時(shí),轉(zhuǎn)換器按照無頻率處理,輸出0mA,可做為斷線處理狀態(tài),在181-199和1001-1050區(qū)間范圍內(nèi)是一個(gè)離散值,當(dāng)主控制器采集到這兩個(gè)數(shù)值即可進(jìn)行報(bào)警處理,只有在200-1000Hz的范圍內(nèi)線性輸出4-20mA的電流。
在同一工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下,環(huán)境因素反饋補(bǔ)償前后所測(cè)得一組數(shù)據(jù)如下表2所示。
由表2可以看出,在補(bǔ)償前,測(cè)量值誤差較大,最大一組數(shù)據(jù)誤差已經(jīng)接近0.5%了,而補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)最大誤差也不到0.1%,由此表明補(bǔ)償效果很好。
測(cè)試結(jié)果表明,筆者設(shè)計(jì)的自校正功能的頻率電流轉(zhuǎn)換器性能得到很大程度上的改善。該轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在已經(jīng)在KXJ11-660隔爆兼本安型PLC控制箱中得到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。隨著PLC控制箱的大量推廣,該轉(zhuǎn)換器也得到了大量推廣。目前在很多傳感器上也開始配套使用本頻率電流轉(zhuǎn)換器。實(shí)際應(yīng)用表明,該轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采集精度可達(dá)0.2級(jí),誤差范圍小于±0.2%,滿量程(1000Hz,對(duì)應(yīng)輸出20mA)工作時(shí)的電流為26.8±0.2mA,最低功耗僅為280mW(當(dāng)供電電源為12V,此時(shí)最大負(fù)載為500Ω),而且穩(wěn)定性好,受環(huán)境因素影響小,滿足一般工業(yè)控制應(yīng)用的要求。
[1]費(fèi)業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理(5版)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.
[2]胡壽松.自動(dòng)控制原理(5版)[M].北京:科學(xué)出版社,2007.
[3]李榮正.PIC單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2010.