一种基于嵌入plc的ltc温度控制扩展模块装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种基于嵌入PLC的LTC温度控制扩展模块装置，包括接线端子台、光耦隔离单元、热电偶输入单元、降噪电容、小信号放大电路、共模抑制单元、整流电路、基准电压、8MHz单元、复位单元、电源输出单元、电源转换单元、微控单元、数字量输出单元、冷端传感器和通讯板连接器，接线端子台分别连接光耦隔离单元、热电偶输入单元、降噪电容和共模抑制单元，热电偶输入单元分别连接降噪电容和小信号放大电路，共模抑制单元连接整流电路，本实用新型设计合理，使用方便，提供14位AD，能有效到提高采样的精度，同时可提高采样的速度，通过滤波，能实现温度采样的精度在0.2度左右。
【专利说明】
一种基于嵌入PLC的LTC温度控制扩展模块装置
技术领域
[0001 ]本实用新型具体涉及一种基于嵌入PLC的LTC温度控制扩展模块装置。
【背景技术】
[0002]目前国内外通用型PLC扩展接口大多采用并行的接口，结构复杂，需要大量的CPU引脚支持，排线多易损坏，接口管脚多引起不可靠因素加大，成本也高。大多模块供电靠5V供应，因为排线的长度、排线的材质限制，从而带动的模块不多，需要大量模块级联时候，客户还要购买扩展单元，这样产品的成本大大上升。绝大厂家扩展通信接口电路十分复杂，有的同品牌不同模块的通信电路方案还不一样，在不同机型间的可移植性不高、兼容性差，增加生产的工艺资源。
[0003]国内外许多厂家的热电偶采集装置冷端处理采用单路PTC、二极管补偿。前者PTC一般应用100欧或10欧，跟几K电阻串联分压后接运放。后者利用二极管PN结温漂特性实现冷端温度检测，但电路更繁琐，需要搭成平衡电阻电桥，二极管并联在其中一个臂，两个中间节点送至放大器。它们共同点是要另设一个运放单元。该两种方案均电路较复杂，造价高，难校准(因有上拉电阻和放大器，存在较多比例电阻，通常要两值确认，否则误差大，即需两种温度环境)，在端子外观较长时多路应用误差较大。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的是为解决上述不足，提供一种基于嵌入PLC的LTC温度控制扩展模块装置。
[0005]本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的:
[0006]一种基于嵌入PLC的LTC温度控制扩展模块装置，包括接线端子台、光耦隔离单元、热电偶输入单元、降噪电容、小信号放大电路、共模抑制单元、整流电路、基准电压、8MHz单元、复位单元、电源输出单元、电源转换单元、微控单元、数字量输出单元、冷端传感器和通讯板连接器，接线端子台分别连接光耦隔离单元、热电偶输入单元、降噪电容和共模抑制单元，热电偶输入单元分别连接降噪电容和小信号放大电路，共模抑制单元连接整流电路，整流电路连接电源输出单元，电源输出单元连接电源转换单元，光親隔离单元、热电偶输入单元、小信号放大电路、基准电压、8MHz单元、复位单元和通讯板连接器分别连接微控单元，数字量输出单元和冷端传感器分别连接通讯板连接器。
[0007]热电偶输入单元为四路热电偶输入，由8只光耦继电器组成。
[0008]冷端传感器由热敏电阻和高精度电阻串联组成。
[0009]微控单元包括STM32F103CX单片机芯片。
[0010]本实用新型具有如下有益的效果:
[0011]本实用新型设计合理，使用方便，提供14位AD，能有效到提高采样的精度，同时可提高采样的速度，通过滤波，能实现温度采样的精度在0.2度左右，采用定时器输出PID实时控制，硬件响应约0.2ms，可供应500mA以下5?24V的固态继电器等负载，4路温度PID控制，误差O?0.5度，支持ON/OFF控制模式，支持PID参数自整定，只需设置目标温度，系统自动整定比例系数、积分时间和微分时间，方便调试和使用。
【附图说明】
[0012]图1为本实用新型的整体结构示意图；
[0013]图2为本实用新型的接线端子台电路图；
[0014]图3为本实用新型的第一路热电偶输入电路；
[0015]图4为本实用新型的第二路热电偶输入电路；
[0016]图5为本实用新型的前端小信号放大电路；
[0017]图6为本实用新型的冷端传感器电路；
[0018]图7为本实用新型的数字量输出电路。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图对本实用新型作进一步的说明:
[0020]如图1所示，一种基于嵌入PLC的LTC温度控制扩展模块装置，包括接线端子台1、光耦隔离单元2、热电偶输入单元3、降噪电容4、小信号放大电路5、共模抑制单元7、整流电路
8、基准电压6、8MHz单元9、复位单元10、电源输出单元11、电源转换单元12、微控单元13、数字量输出单元14、冷端传感器15和通讯板连接器16，接线端子台I分别连接光耦隔离单元2、热电偶输入单元3、降噪电容4和共模抑制单元7，热电偶输入单元3分别连接降噪电容4和小信号放大电路5，共模抑制单元7连接整流电路8，整流电路8连接电源输出单元11，电源输出单元11连接电源转换单元12，光耦隔离单元2、热电偶输入单元3、小信号放大电路5、基准电压6、8MHz单元9、复位单元10和通讯板连接器16分别连接微控单元13，数字量输出单元14和冷端传感器15分别连接通讯板连接器16。
[0021]热电偶输入单元3为四路热电偶输入，由8只光耦继电器组成。
[0022]冷端传感器15由热敏电阻和高精度电阻串联组成。
[0023]微控单元13包括STM32F103CX单片机芯片。
[0024]热电偶信号处理，温度PID控制，关键在于温度采样的准确定以及实时性，采用M4处理，提供的14位AD，能有效到提高采样的精度，同时可提高采样的速度，通过软件滤波，能实现温度采样的精度在0.2度左右。
[0025]采用定时器输出PID实时控制，硬件响应约0.2ms，可供应500mA以下5?24V的固态继电器等负载。4路温度PID控制，误差O?0.5度，支持0N/0FF控制模式。支持PID参数自整定，只需设置目标温度，系统自动整定比例系数、积分时间和微分时间，方便调试和使用。
[0026]该模块设计独具特色的OFFLINE机制，在工作时，若随意调换模块、模块损坏将停止工作。
[0027]供电由端子台外接24V供应，可靠适应范围为24V±25%，隔离电源转换器应用小功率开关电源，容量5W。因热电偶电动势变化量很低，如K型约4uV/0.1°C，S型约0.5uV/0.1°C。为了抑制杂讯，即尽量降低热电偶除自身热电势以外对采样影响的其他载流形式，模块电源方面设有适宜的共模抑制器件、低分布电容的隔离器件。并留出一个接地端子，它通过
0.1UF电容接模拟地，当电偶存在3MHZ以下较低频载流时，该接地端子接低噪声的金属介质即可有效降噪。
[0028]接线端子台排布:采集板上的端子台采用通用的双排栅栏20脚型，在模块开机的半小时后，前后排端子温差逐步增大，最大可相差3度，给冷端的准确检测带来威胁。为了尽量降低该温差对冷端检测影响，同通道的电偶电极放在同一排，实测若出厂校准良好，当四个通道检测同一物体温度时，通道间温度差值不大于0.5度。LI?L4对应第I?4通道的热电偶电极;Fl?F4对应通道的热电偶信号降噪端子;YC是数字量输出公共端，Yl?Y3对应通道的数字量输出。I?2脚是24V±25%电源输入，提供给采集板上的模拟数字电路。3脚是模拟电路公共地隔直端。
[0029]四路热电偶前置:基于双刀四掷开关结构，由8只光耦继电器组成。光耦继电器优点是无极性，高阻负载应用可视为透明传输，和数字控制信号隔离降低干扰。每通道开启25ms逐一循环，四路即100ms。同时也为了抑制外部杂讯，每个热电偶并联上两只0.1UF串联的电容，电容中间抽头接F端子，当热电偶载有3MHZ以上的杂讯(过强的讯号需要将余长的热电偶平绕成空心线圈)，F接低噪声的金属介质即可有效降噪。
[0030]小信号放大:光親继电器输出的各路热电偶信号(量程-30mV?+80mV)放大处理。信号经钳位、10兆欧上拉、RC滤波后进入仪表运放INA333。仪放由土 2.5V供应，将热电偶电势放大约20倍，并和第5脚参考电压0.8V相加作为仪放6脚输出的电压。供应给ADC是“0.8V”和“仪放输出”两根线。该两根线“绝对电压”落在ADC量程O?2.5V内，而且“电压差”正好是热电偶电势的20倍电压，和精度不高的0.8V无关。应用仪放优点是可差分高阻抗输入;电路极精简，增益决定器件仅一只，温漂和传统运放“比例放大”相比至少降低一半；低温漂(0.2uV/°C);该电路输出电压可匹配差分输入型的ADC采样器。
[0031]模拟量采样处理:由主控芯片STM32F373的SDADC担任，16位分辨率，最多同时容纳三对差分形式输入。差分输入比单端输入可大大降低负载的波动压降、地层游离的噪声、分布的热电偶等影响，从而提高共模抑制水平、信噪比。我们应用其中的一对差分输入，当切换到某一通道时SDADC读取通道值，填入对应通道的数据寄存器。电压基准采用低温漂高稳度的2.5V基准芯片REF3325，仅5PPM/°C，为高稳采样提供条件。
[0032]冷端采集:由NTC型1K±I %热敏电阻和高精度电阻串联，CPU片内12位ADC采样热敏电阻分压值。它们供电和CPU基准电压相同，则实时采样值不受基准电压影响。每颗热敏电阻放置在对应热电偶通道电极的PCB周边适宜地方，尽量做到它传递的温度阻值和对应通道的热电偶电极温度一一对应，可靠测量温度-40?+85度。
[0033]冷端工作算法:假设设置某通道为J型热电偶，模数转换器采集到的模拟量值转化成温度值，该温度值通过公式得到对应该温度下J型热电偶的电势EL。当J型热电偶端子检测出电势为EO时，把EO-EL值带入J型热电偶公式，得出实际测量温度。
[0034]数字量输出:采用晶体管集电极开路输出，硬件响应约0.2ms，由CPU片内定时器操作。可供应500mA以下5?24V的固态继电器等负载。
[0035]基于串口基础通讯由通讯板近些年主动发出指令然后由采集板返回对应通道数据(摄氏度)。然后由通讯板计算为华氏度写入BFM。温度测量由16位的PffM转换为对应电压，然后加上泠端测量的温度用热电偶的逆向公式计算后的电压，重新计算为温度。同时冷端和热端都有分开的校准方式进行校准。
【主权项】
1.一种基于嵌入PLC的LTC温度控制扩展模块装置，包括接线端子台、光耦隔离单元、热电偶输入单元、降噪电容、小信号放大电路、共模抑制单元、整流电路、基准电压、8MHz单元、复位单元、电源输出单元、电源转换单元、微控单元、数字量输出单元、冷端传感器和通讯板连接器，其特征在于:接线端子台分别连接光耦隔离单元、热电偶输入单元、降噪电容和共模抑制单元，热电偶输入单元分别连接降噪电容和小信号放大电路，共模抑制单元连接整流电路，整流电路连接电源输出单元，电源输出单元连接电源转换单元，光親隔离单元、热电偶输入单元、小信号放大电路、基准电压、SMHz单元、复位单元和通讯板连接器分别连接微控单元，数字量输出单元和冷端传感器分别连接通讯板连接器。2.根据权利要求1所述的一种基于嵌入PLC的LTC温度控制扩展模块装置，其特征在于:所述的热电偶输入单元为四路热电偶输入，由8只光耦继电器组成。3.根据权利要求1所述的一种基于嵌入PLC的LTC温度控制扩展模块装置，其特征在于:所述的冷端传感器由热敏电阻和高精度电阻串联组成。4.根据权利要求1所述的一种基于嵌入PLC的LTC温度控制扩展模块装置，其特征在于:所述的微控单元包括STM32F103CX单片机芯片。
【文档编号】G05B19/042GK205691984SQ201620536051
【公开日】2016年11月16日
【申请日】2016年6月6日 公开号201620536051.0, CN 201620536051, CN 205691984 U, CN 205691984U, CN-U-205691984, CN201620536051, CN201620536051.0, CN205691984 U, CN205691984U
【发明人】欧新木, 黄继波, 李祥, 许章赫
【申请人】福州富昌维控电子科技有限公司