专利名称：实现分布式控制系统与测量设备互连的输入接口装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及分布式控制系统(DCS, Distributed Control System)的数据交换技术，尤其涉及实现 分布式控制系统与智能測量设备互连的输入接口装置。
背景技术：
分布式控制系统是ー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，它综合了计算机(Computer)、通讯(Communication)、显示(CRT)和控制(Control)技术(即4C技木)，基本思想是实现对系统的分散控制、集中操作、分级管理、灵活配置以及方便组态。DCS具有数据获取、直接数字控制、人机交互以及监控和管理等功倉^:。自从分布式控制系统问世以来已经在各个行业的エ业控制领域得到了广泛的应用，尤以系统本身的高可靠性、方便的组态软件、丰富的控制算法以及开放的联网能力等渐成为过程エ业自动控制的主流系统。随着现代计算机和通讯网络技术的高速发展，DCS正向着多元化、网络化、开放化以及集成管理的方向发展。因此，对其提出了更高的要求必须能够将不同类型的设备进行互连，来实现系统之间的数据交換。可寻■址远程传感器高速通道(HART,Highway Addressable Remote Transducer)现场总线协议是エ业控制领域广泛认可的通讯标准，它兼容现有的4 20mAエ业设备及电缆，同时还增加了设备间的数字通讯的能力。目前，还没有将HART现场总线协议应用于不同DCS之间的互连上，且现有的不同DCS之间的互连方式还普遍存在着可靠性问题。因此，需要提供一种实现分布式控制系统互连的接口装置来解决上述问题。
发明内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种实现分布式控制系统与测量设备互连的输入接口装置，能够通过采用HART现场总线协议提高互连的接ロ性能。为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种实现分布式控制系统与测量设备互连的输入接口装置，包括多路输入通道、隔离模块以及控制模块，每ー输入通道除了包括模拟输入通道的模拟数据采集模块外，还包括可寻址远程传感器高速通道的滤波电容及整形模块，其中滤波电容的第一端连接相应输入通道的第一输入端，该滤波电容第二端连接相应整形模块的输入端，该整形模块的输出端通过隔离模块连接控制模块。进ー步地，模拟数据采集模块包括输入电阻、滤波器以及模数转换模块，其中输入电阻的两端分别连接相应输入通道的第一输入端和第二输入端，该输入电阻的两端同时连接相应滤波器的输入端，该滤波器的输出端连接所述模数转换模块的输入端，该模数转换模块的输出端通过隔离模连接控制模块。进ー步地，多路可寻址远程传感器高速通道的整形模块和多路模拟输入通道的所述模拟数据采集模块均安装在子卡上，隔离模块和控制模块均安装在主卡上；其中，整形模块包括通过开关选通连接的HART接收整形単元和HART发送整形単元；控制模块包括依次连接的信号解调单元、UART接收单元、串并转换单元、HART协议处理单元、高级数据链路控制单元以及与HART协议处理单元连接的数据采集处理单元。进一步地，滤波电容第二端通过开关连接HART接收整形单元的输入端，该HART接收整形单元的输出端通过隔离模块中相应的光电隔离器连接信号解调单元的输入端，该信号解调单元的输出端连接UART接收单元的输入端，该UART接收单元的输出端连接串并转换单元的输入端，该串并转换单元的输出端连接HART协议处理单元的第一输入端，该HART协议处理単元的第一输出端连接高级数据链路控制単元的第一输入端；模数转换模块的输出端通过隔离模块中相应的光电隔离器连接数据采集处理单元的输入端，该数据采集单元的输出端连接高级数据链路控制単元的第二输入端； 该高级数据链路控制单元的第一输出端分别连接到两个RS-485接ロ的输入端，通过该两个RS-485接ロ的输出端均输出承载在一起的HART数据与电流数据。进ー步地,控制模块还包括并串转换单元、UART发送单元以及信号调制单元。进ー步地，另外两个RS-485接ロ的输出端分别连接高级数据链路控制单元的第三输入端、第四输入端，该高级数据链路控制单元的第二输出端连接HART协议处理单元的第二输入端，该HART协议处理单元的第二输出端连接并串转换单元的输入端，该并串转换单元的输出端连接UART发送单元的输入端，该UART发送单元的输出端连接信号调制单元的输入端，该信号调制单元的输出端通过隔离模块中相应的光电隔离器连接HART发送整形単元的输入端，该HART发送整形単元的输出端通过所述开关连接滤波电容第二端。进一步地，采用现场可编程门阵列实现信号解调单元、UART接收单元以及UART发送单元、信号调制单元；采用ARM控制器实现数据采集处理单元、HART协议处理单元以及高级数据链路控制単元。进一步地，在一底座上将所述每一路信号并行连接在两套插槽相应位置上，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，主卡和子卡相互通过信号的插针连在一起，并通过ー个外壳罩住。本实用新型提供的实现分布式控制系统与智能測量设备互连的输入接ロ装置，由于将HART现场总线协议运用于分布式控制系统的互连接口上，因此能够在DCS与智能测量设备之间传递4 20mAエ业信号的同时，方便地进行双向数字通讯，从而大大简化了信号传输方式并提高了传输的可靠性。同时，通过输入接口装置中的冗余设计进一步提高了接ロ的可靠度。
图I为本实用新型的实现分布式控制系统互连的输入接口装置实施例的原理框图；[0025]图2为图I所示的输入接口装置实施例的具体结构框图；图3为图I所示的输入接口装置实施例中16通道HART PLUSAl信号冗余底座线路板安装结构示意图；图4为图I所示的输入接口装置实施例中16通道HART PLUSAl信号及其冗余底座原理框图。
具体实施方式
以下结合附图和优选实施例对本实用新型的技术方案进行详细地阐述。应该理解，以下例举的实施例仅用于说明和解释本实用新型，而不构成对本实用新型技术方案的限制。本实用新型的实现分布式控制系统与测量设备互连的输入接口装置实施例，其原理如图I所示，包括多路输入通道、隔离模块以及控制模块，其中每ー输入通道除了包括模拟输入(Al)通道的数据采集模块外，还包括HART通道的滤波电容(Ci，i = I 16)及整形模块(i，i = I 16)，其中滤波电容的一端连接相应输入通道的第一输入端(In ia, i = I 16),该滤波电容另一端连接相应整形模块的输入端，该整形模块的输出端通过隔离模块连接控制模块。在上述装置实施例中，数据采集模块包括输入电阻、滤波器以及模数转换模块，其中输入电阻的两端分别连接相应输入通道的第一输入端(In ia，i = I 16)和第ニ输入端(In ib，i = I 16)，该输入电阻的两端同时连接相应滤波器的输入端，该滤波器的输出端连接模数转换模块的输入端，该模数转换模块的输出端通过隔离模连接控制模块。上述输入接口装置实施例的具体结构如图2所示，其中，16个通道的HART信号整形模块和16个通道的Al数据采集模块均安装在子卡上，隔离模块和控制模块均安装在主卡上；其中，整形模块包括通过开关K选通连接的HART接收整形単元和HART发送整形单元，控制模块包括依次连接的信号解调单元、UART接收单元、串并转换单元、HART协议处理単元、高级数据链路控制(HDLC)单元以及与HART协议处理单元连接的数据采集处理单元。在上述输入接口装置实施例中，滤波电容另一端通过开关K连接相应整形模块中的HART接收整形单元的输入端，该HART接收整形単元的输出端通过隔离模块中相应的光电隔离器连接控制模块中的信号解调单元的输入端，该信号解调单元的输出端连接UART接收单元的输入端，该UART接收单元的输出端连接串并转换单元的输入端，该串并转换单元的输出端连接HART协议处理单兀的第一输入端，该HART协议处理单兀的第一输出端连接HDLC单兀的第一输入端；模数转换模块的输出端通过隔离模块中相应的光电隔离器连接控制模块中的数据采集处理单元的输入端，该数据采集单元的输出端连接HDLC単元的第二输入端；该HDLC单元的第一输出端分别连接到两个RS-485的输入端，通过该两个RS-485的输出端输出承载在一起的HART数据与电流数据。在上述输入接口装置实施例中，控制模块还包括井串转换单元、UART发送单元、信号调制单兀；其中[0040]两个RS-485的输出端分别连接HDLC单元的第三输入端、第四输入端，该HDLC单元的第二输出端连接HART协议处理单元的第二输入端，该HART协议处理单元的第二输出端连接并串转换单元的输入端，该并串转换单元的输出端连接UART发送单元的输入端，该UART发送单元的输出端连接信号调制单元的输入端，该信号调制单元的输出端通过隔离模块中相应的光电隔离器连接HART发送整形単元的输入端，该HART发送整形単元的输出端通过开关K连接滤波电容另一端。在上述输入接口装置实施例中，采用FPGA部分实现信号解调单元、UART接收单元以及UART发送单元、信号调制单元；采用微控制器(譬如ARM控制器)实现数据采集处理单元、HART协议处理单元以及HDLC单元。在上述输入接口装置实施例中，采用将多路通道(I 16)的每一路信号并行变换为两路信号来实现信号冗余输入。如图3所示表示了 16通道HARTPLUS Al信号冗余底座I线路板安装结构，在该底座I上将输入的16路通道的每一路信号并行连接在两套插槽(A主/子插槽、B主/子插槽)相应位置上；其中，主卡插在主卡插槽2上，子卡插在子卡插槽3上，主卡、子卡相互通过信号的插针连在一起，并通过一个外壳4罩住。该线路板上左端为信号引出接线端子排5，每个通道引出4个信号端子，则16通道共64个端子；其中Al的4 20mA信号通过不同的接线方式选择内供电模式(本装置向Al设备供电)和外供电模式(Al设备由其它电源供电)；下端为电源信号端子排6，分别为A、B两套的主/子卡以及底座提供必要的工作电源。图4表示了图I所示的输入接ロ装置实施例中16个通道HART PLUS Al信号及其冗余底座原理，其中IIN1+、IIN1-分别表示图3的第I通道载有HART信号的4 20mA电流输入的正、
负端，......，IIN16+、IIN16-分别表示第16通道载有HART信号的4 20mA电流输入的
正、负端；V0UTA1+、VOUTAl-分别表示经电流/电压变换后A套的第一路输入Al电压信号的正、负端；V0UTB1+、VOUTBl-分别表示经电流/电压变换后B套的第一路输入Al电压信号的正、负端；......，依此类推。Al电压范围在O 5V之间。
权利要求1.一种实现分布式控制系统与测量设备互连的输入接口装置，包括多路输入通道、隔离模块以及控制模块，每一输入通道除了包括模拟输入通道的模拟数据采集模块外，还包括可寻址远程传感器高速通道的滤波电容及整形模块，其中 滤波电容的第一端连接相应输入通道的第一输入端，该滤波电容第二端连接相应整形模块的输入端，该整形模块的输出端通过隔离模块连接控制模块。
2.按照权利要求I所述的装置，其特征在于，所述模拟数据采集模块包括输入电阻、滤波器以及模数转换模块，其中 输入电阻的两端分别连接相应输入通道的第一输入端和第二输入端，该输入电阻的两端同时连接相应滤波器的输入端，该滤波器的输出端连接所述模数转换模块的输入端，该模数转换模块的输出端通过隔离模连接控制模块。
3.按照权利要求2所述的装置，其特征在于，多路可寻址远程传感器高速通道的所述整形模块和多路模拟输入通道的所述模拟数据采集模块均安装在子卡上，所述隔离模块和所述控制模块均安装在主卡上；其中，所述整形模块包括通过开关选通连接的HART接收整 形单元和HART发送整形单元；所述控制模块包括依次连接的信号解调单元、UART接收单元、串并转换单元、HART协议处理单元、高级数据链路控制单元以及与HART协议处理单元连接的数据采集处理单元。
4.按照权利要求3所述的装置，其特征在于， 所述滤波电容第二端通过所述开关连接所述HART接收整形单元的输入端，该HART接收整形单元的输出端通过所述隔离模块中相应的光电隔离器连接所述信号解调单元的输入端，该信号解调单元的输出端连接所述UART接收单元的输入端，该UART接收单元的输出端连接所述串并转换单元的输入端，该串并转换单元的输出端连接所述HART协议处理单元的第一输入端，该HART协议处理单元的第一输出端连接所述高级数据链路控制单元的第一输入端； 所述模数转换模块的输出端通过所述隔离模块中相应的光电隔离器连接所述数据采集处理单元的输入端，该数据采集单元的输出端连接所述高级数据链路控制单元的第二输入端; 该高级数据链路控制单元的第一输出端分别连接到两个RS-485接口的输入端，通过该两个RS-485接口的输出端均输出承载在一起的HART数据与电流数据。
5.按照权利要求4所述的装置，其特征在于，所述控制模块还包括并串转换单元、UART发送单元以及信号调制单元。
6.按照权利要求5所述的装置，其特征在于， 另外两个RS-485接口的输出端分别连接所述高级数据链路控制单元的第三输入端、第四输入端，该高级数据链路控制单元的第二输出端连接所述HART协议处理单元的第二输入端，该HART协议处理单元的第二输出端连接并串转换单元的输入端，该并串转换单元的输出端连接UART发送单元的输入端，该UART发送单元的输出端连接信号调制单元的输入端，该信号调制单元的输出端通过所述隔离模块中相应的光电隔离器连接HART发送整形单元的输入端，该HART发送整形单元的输出端通过所述开关连接所述滤波电容第二端。
7.按照权利要求3至6任一项所述的装置，其特征在于， 采用现场可编程门阵列实现所述信号解调单元、所述UART接收单元以及所述UART发送单元、所述信号调制单元；采用ARM控制器实现所述数据采集处理单元、所述HART协议处理单元以及所述高级数据链路控制单元。
8.按照权利要求3至6任一项所述的装置，其特征在于， 在一底座上将所述每一路信号并行连接在两套插槽相应位置上，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过信号的插针连在一起，并通过一个外壳罩住。
专利摘要本实用新型披露了实现分布式控制系统与测量设备互连的输入接口装置，包括多路输入通道、隔离模块以及控制模块，每一输入通道除了包括模拟输入通道的模拟数据采集模块外，还包括可寻址远程传感器高速通道的滤波电容及整形模块，其中滤波电容的第一端连接相应输入通道的第一输入端，该滤波电容第二端连接相应整形模块的输入端，该整形模块的输出端通过隔离模块连接控制模块。本实用新型大大简化了信号传输方式并提高了传输的可靠性。同时，通过输入接口装置中的冗余设计进一步提高了接口的可靠度。
文档编号G05B19/418GK202404431SQ20112055051
公开日2012年8月29日 申请日期2011年12月26日 优先权日2011年12月26日
发明者丁娟, 何煦, 夏明 , 孙广东, 张智, 张立然, 梁金宝, 潘钢, 田雨聪, 麻贵峰 申请人:北京国电智深控制技术有限公司