数据采集与监控系统中传感器输出信号的处理

发布时间：2009-02-02 10:28　　　类型：解决方案　　　人浏览

数据采集与监控系统中传感器输出信号的处理
SCADA(数据采集与监视控制)系统中，各类传感器信号隔离转换专用IC选型参考


SCADA系统概述　　SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统，即数据采集与监视控制系统。SCADA系统的应用领域很广，它可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统。　　SCADA系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。　　由于各个应用领域对SCADA的要求不同，所以不同应用领域的SCADA系统发展也不完全相同。　　在电力系统中，SCADA系统应用最为广泛，技术发展也最为成熟。它作为能量管理系统（EMS系统）的一个最主要的子系统，有着信息完整、提高效率、正确掌握系统运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障状态等优势，现已经成为电力调度不可缺少的工具。它对提高电网运行的可靠性、安全性与经济效益，减轻调度员的负担，实现电力调度自动化与现代化，提高调度的效率和水平中方面有着不可替代的作用。　　SCADA在铁道电气化远动系统上的应用较早，在保证电气化铁路的安全可靠供电，提高铁路运输的调度管理水平起到了很大的作用。在铁道电气化SCADA系统的发展过程中，随着计算机的发展，不同时期有不同的产品，同时我国也从国外引进了大量的SCADA产品与设备，这些都带动了铁道电气化远动系统向更高的目标发展。　　数据采集与监视控制系统(SCADA)中，各类型传感器信号隔离、放大、转换IC选型参考　　SCADA系统要实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能，就要把现场的压力、温度、湿度、流量、速度、液位、位移等传感器感应的信号进行采集、隔离转换处理。而不同的传感器由于工作方式、配电、输出信号类型等方面的差异，对隔离放大器产品的功能选择和匹配上也不相同。　现场各种类型传感器信号隔离放大、变换应用举例： 1、安全　　　为了确保人身和设备的安全，安装、检修、更换本系列产品时，请务必完全关闭设备运行并切断电源。以免因错误信号导致控制系统失控而造成事故，给人身和设备安全带来危害。 ISO系列隔离放大器现场安全保护典型应用方案图： 2、SCADA系统在电力、轨道交通设备中内置RS485通讯接口抗浪涌、防静　电、高隔离模块电源选型　型号：WRF0505H-1W/2W　VD050512H-2W 　说明: VD / WRF 系列模块电源，是一款具有高电气隔离和抗浪涌、防静电特性，且输出具有自恢复过载和短路保护的国家专利产品（国家专利号：ZL 200420042857.1）。近期该产品在电力负荷管理控制终端（用户管理终端）仪表外接RS485/RS232接口安全高隔离（4500V）、抗静电（外端子直接接触：8000V）的相关技术送检中，顺利通过高隔离/抗浪涌/防静电测试。目前已在电力仪器仪表制造行业广泛使用。　　VD / WRF 系列的DC-DC隔离模块电源，采用陶瓷基板、印刷电阻的可靠性工艺制作，能满足工业级振动、潮湿、静电干扰、宽温度（-45—+85 ℃）及其它恶劣环境下的工作。产品有SIP单列和DIP双列封装方式。主要应用领域：电气设备地线干扰抑制，仪器仪表的外接（RS485/RS232/RS422/USB/IEEE1394等通讯接口）端口电源隔离及变换，仪表壳体接口端子外露金属部位的安全高隔离/抗浪涌/防静电隔离（国家安规标准：8KV以上）。详细技术资料：http://www.sun-yuan.com/download/200812612161699053.pdf 3、传感器两线制4-20mA输出信号的隔离和调理 3.1 两线制4-20mA 电流环路隔离器　　型号：ISO 4-20mA 　　说明: ISO 4-20mA电流环隔离器是单片两线制隔离接口芯片，该IC内部包含有电流信号调制解调电路、信号耦合隔离变换电路等。很小的输入等效电阻，使该IC的输入电压达到超宽范围（7.5—32V），以满足用户无需外接电源而实现信号远距离、无失真传输的需要。内部的陶瓷基板、印刷电阻工艺及新技术隔离措施使器件能达到3KVAC绝缘电压和工业级宽温度、潮湿、震动的现场恶劣环境要求。ISO 4-20mA系列产品使用非常方便无需外接任何元件即可实现4-20mA电流环隔离功能。详细技术资料：http://www.sun-yuan.com/download/200811318564877700.pdf 典型应用方案图： 3.2 两线制4-20mA 隔离配电器　　型号：ISO 4-20mA-F 　　说明: ISO 4-20mA-F是一种两线制4-20mA 信号环路式隔离配电器，具有节能、安全防爆功能。该IC为两线制传感器配电16V~21.5V，方便了一些两线制传感器的信号测量、远传、隔离等功能。该IC输出是针对24VDC和取样电阻（负载电阻）相串联的二线制供电回路（现场防爆功能）来设计的，同当前流行的模拟量输入接口板（上位机）、PLC、DCS或其他仪表的模拟量输入端口相匹配，ISO 4-20mA-F产品在使用时，其输入端外接传感器上的电源和信号是由4-20mA配电器模块从输出端耦合过来的，这个电信号可以用PLC、DCS、工控机来控制，当需要采集数据时就给传感器加电，不需要时可以关断电源和信号，从而实现节能、防爆的功能，同时可实现现场多点数据采集和控制，也可以延长传感器的使用寿命。ISO 4-20mA-F使用非常方便，无需外接任何器件，即可实现4-20mA信号的隔离、传输和变送功能。详细技术资料：http://www.sun-yuan.com/download/20081132014432704.pdf 典型应用方案图： 3.3 两线制4-20mA 隔离调理器　　型号：ISO 4-20mA-P 　　说明: ISO 4-20mA-P是一种两线制4-20mA 信号隔离调理器，可以将传感器的有源信号转换成无源信号直接送到PLC、DCS上采集。该IC输出是针对24VDC和取样电阻（负载电阻）相串联的二线制供电（现场防爆）回路来设计的，同当前流行的模拟量输入接口板（上位机）、PLC、DCS或其他仪表的模拟量输入端口相匹配。 ISO 4-20mA-P产品使用非常方便，只需外接一个50KΩ的多圈电位器进行ADJ校正，即可实现有源信号转换成无源信号隔离、传输和变送功能或信号的一进二出、二进二出等变换功能。详细技术资料：http://www.sun-yuan.com/download/20081132041911658.pdf 典型应用方案图： 3.4 两线制4-20mA　隔离变送器　　型号：ISO 1003 　　说明: ISO 1003是专为两线制热电阻传感器设计的信号隔离变送器。该芯片内部包含有一个电流信号调制电路，光电耦合隔离变换电路及解调电路。该芯片具有4-20mA的供电电压范围宽（16.5V-36V），输入等效电阻小，线性度高等特点，可提供5V/3.5mA的隔离电压输出、2.5V基准电源，输入信号的电压为0-0.8V，相对应输入侧信号路中电流的变化。输入及输出侧宽爬电距离及内部特殊绝缘的隔离措施使该芯片可达到3000VDC绝缘电压。详细技术资料：http://www.sun-yuan.com/download/20081132115643697.pdf 典型应用方案图： 4、传感器信号的高精度模拟量数据采集、监控、通信及A/D转换（4-20mA转RS232/485）　型号：ISO 4011 　说明: ISO 40xx系列产品实现传感器和主机之间的信号采集，用以检测模拟信号或控制远程设备（SCADA）。通过软件的配置，可用于多种传感器类型，包括模拟信号输入/输出和数字信号输入/输出（I/O）。ISO 40xx系列产品可应用在 RS-232/485总线工业自动化控制系统，温度信号测量、监视和控制，小信号的测量以及工业现场信号隔离及长线传输等等。产品包括电源隔离、信号隔离及线性化，A/D转换和RS-485串行通信。每个串口最多可接256只 ISO 40xx系列模块，通讯方式采用ASCII码、MODBUS通讯协议，其指令集兼容于ADAM模块，波特率可由代码设置，能与其他厂家的控制模块挂在同一RS-485总线上，便于计算机编程。　 ISO 40xx系列产品是基于单片机的智能监测和控制系统，所有的用户设定的校准值，报警上下限，地址，输入范围，波特率，数据格式，校验和状态等配置信息都储存在非易失性存储器EEPROM里。ISO 40xx系列产品可以测量各种传感器信号，包括热电阻，热电偶，应变片等，具体选型请参看不同型号产品所支持的类型编码。ISO 40xx系列产品按工业标准设计、制造，信号输入 / 输出 / 辅助电源之间3KV三隔离，抗干扰能力强，可靠性高。工作温度范围- 45℃～+85℃。详细技术资料：http://www.sun-yuan.com/download/200862718283054112.pdf 原理参考图： 5、多路模拟信号采集隔离转RS485/232输出　型号：ISO 4014 　说明: ISO 4014可实现四路模拟信号采集隔离转RS485/232输出，传感器出来的0-5V/0-100mV等电压信号或4-20mA/0-20mA电流信号输入可以选择使用，并且用户可根据现场要求编程设置模块地址、波特率等。其它功能与ISO 4011产品相同。详细技术资料：http://www.sun-yuan.com/download/2008111911544196957.pdf 原理参考图： 6、ISO EM系列直流（电压/电流）信号磁电隔离放大器　型号：ISO EM-A（U）-P-O 　说明: ISO EM系列隔离放大器是一种磁电隔离的混合集成电路，该IC在同一芯片上集成了一个多隔离的DC/DC变换电源和一组磁电耦合的模拟信号隔离放大器，它采用磁电偶合的低成本方案，主要用于对EMC（电磁干扰）无特殊要求的场合。与光电隔离的产品相比，抗EMC（电磁干扰）能力较差，特殊使用场合应注意增加电磁干扰抑制电路或采取屏蔽措施。输入及输出侧宽爬电距离及内部隔离措施使该芯片可达到5000VDC绝缘电压。Sunyuan　ISO EM系列产品使用非常方便，免零点和增益调节，无需外接调节电位器等任何元件，即可实现工业现场信号的隔离转换功能。产品有PCB板上焊接和标准DIN 35导轨卡槽固定两种安装方式，导轨式安装的可以实现模拟信号一进二出、二进二出的功能。0-5V/0-10V/0-75mV/0-2.5V/0-1mA/0-10mA/0-20mA/4-20mA等国际标准信号输入/输出标准的隔离信号。精度等级：0.1级、0.2级；全量程范围内极高的线性度（非线性度<0.1%），免零点和增益调节。备注：对EMC（电磁干扰）有特殊要求的场合（有大电流、高频干扰信号的环境中），请使用ISO U-P-O 或 ISO A-P-O 光电隔离系列的产品。详细技术资料：http://www.sun-yuan.com/download/2007121515193341214.pdf 典型应用方案图： 7、ISO系列模拟直流信号光电隔离放大器　型号：ISO A（U）-P-O 　说明: ISO系列光电隔离放大器产品采用了直流信号模拟调制技术，而不是ISO EM系列磁电隔离产品所采用的信号载波技术。光电隔离放大器产品与磁电隔离的相比具有较强的抗EMC电磁干扰和高频信号空间干扰特性。ISO系列模拟信号隔离放大器，是一种将输入信号隔离放大、转换成按比例输出的直流信号混合集成电路。产品广泛应用在电力、远程监控、仪器仪表、医疗设备、工业自控等需要电量隔离测控的行业。该IC在同一芯片上集成了一个磁电耦合DC/DC变换电源和一个模拟信号输出的光电耦合隔离放大器。输入及输出侧宽爬电距离及内部隔离措施使该芯片可以实现信号输入/输出/辅助电源，3KVDC 三隔离。SUNYUAN　ISO系列产品使用非常方便，只需少量外部元件，即可实现信号长线无失真传输。详细技术资料：http://www.sun-yuan.com/download/2008102718481641112.pdf 8、4-20mA一路转多路信号隔离放大低成本、小体积解决方案　型号：DIN 12 ISO A-P-O 　说明: 工业现场传感器输出的4-20mA信号，可以采用ISO系列隔离放大器来实现低成本、小体积信号一路转多路(一进二出、一进四出、一进八出等）的方案来实现。ISO系列隔离放大器是一种光电隔离或磁电隔离的混合集成电路，该IC在同一芯片上集成了一个多隔离的DC/DC变换电源和一组光电或磁电耦合的模拟信号隔离放大电路，每路电流信号输出的带载能力可达650欧姆。输入及输出侧宽爬电距离及内部隔离工艺措施使该系列的产品达到信号输入/输出/辅助电源3000V 三隔离的功能。　采用磁电隔离方案的产品使用方便，无需进行零点和增益调节，主要用于对EMC（电磁干扰）无特殊要求的场合。与光电隔离的产品相比，抗EMC（电磁干扰）能力较差，特殊使用场合应注意增加电磁干扰抑制电路或采取屏蔽措施。　　采用光电隔离方案的产品，可以实现零点和增益的任意调节，以满足工业现场传感器信号源与单片机、PLC等控制系统在数据采集上的匹配。　典型应用方案图： 9、 Pt100热电阻四线制隔离变送器*　　　型号：ISO Z-W-P-O 　　说明: ISO Z-W-P-O系列隔离变送器是一种将热电阻信号按温度高低隔离转换成与温度成线性标准信号的混合集成电路。该电路在同一芯片上集成了一组多路高隔离的DC/DC电源，几个高性能的信号隔离器和热电阻线性化、长线补偿、干扰抑制电路，特别适用于Pt100热电阻信号隔离转换成标准信号，温度信号的变送与无失真远传，工业现场PLC或DCS系统的温度信号采集与隔离。　　温度信号隔离放大器使用非常方便，只需很少外部元件，即可实现Pt100热电阻信号的隔离变送。并可以实现工业现场温度控制信号一进两出、一进四出的功能。详细技术资料：http://www.sun-yuan.com/download/20089316454814221.pdf 典型应用方案图： 10、真有效值（RMS）用于失真正弦波及方波、锯齿波、梯形波等非正弦波信号的准确测量。　型号：ISO – RMS - P- O 　说明: ISO RMS系列真有效值（RMS）信号隔离放大器，主要用于失真正弦波信号，以及方波、矩形波、三角波、锯齿波、梯形波、阶梯波等非正弦波信号的精确测量。普通直流电压表只能测量直流电压信号，而测量交流信号必须增加AC/DC转换电路。这种电路是按照标准的正弦波平均值与有效值的关系(VRMS=1.111Vp)来定义的，因此这类仪表只能测量标准无失真的正弦波电压值。对于正弦波失真的交流电压信号，这类仪表测量就会出现误差，而使用这类仪表测量方波、矩形波、三角波、锯齿波、梯形波、阶梯波等非正弦波信号的偏差更大，检测结果与信号的实际值不相符。运用真有效值数字仪表可准确测量各种波形的有效值，满足现代电子测量控制的需要。　　　真有效值仪表的的核心器件是TRMS信号隔离放大器模块。TRMS模块是以单片TRMS／DC转换器为核心并采用了全新的D-S计算技术，配置高精度信号隔离放大器构成的。ISO系列真有效值隔离放大器产品具有集成度高、功能完善、外围元件少、电路连接简单、电性能指标容易保证等诸多优点，使用这种模块能准确、实时测量各种信号波形的有效值，无须考虑波形参数和失真。详细技术资料：http://www.sun-yuan.com/download/2008111012434760203.pdf 11、0-10mV/0-20mV/0-75mV/0-100mV 微小信号隔离放大及转换　　型号：ISO 1002-I 　　说明: ISO 1002-I系列隔离放大器是一种将模拟信号按比例隔离转换的混合集成电路。该电路在同一芯片上集成了一组多路高隔离的DC/DC电源和几个高性能的信号隔离器，特别适用于：0-10mV/0-20mV/0-75mV/0-100mV的小信号放大。该芯片的隔离电源除了为内部放大电路供电外，还可以向信号输入端提供一组隔离的直流电源和一个基准电压源，可供外部电路扩展用，如电桥电路、基准电路等。SMD工艺结构及新技术隔离措施使该器件能达到：电源、信号的输入/输出 3000VDC三隔离。并且能满足工业级宽温度、潮湿、震动的现场恶劣工作环境要求。该系列隔离放大器使用非常方便，只需很少外部元件，即可实现模拟小信号的隔离变送。详细技术资料：http://www.sun-yuan.com/download/20089316222642256.pdf 12、 0-±10V/0-±20mA 交流（双向直流电压/电流）信号隔离放大器　型号：电流输出型 ISO EM U（A）-P-O；电压输出型 ISOEM 1001 　说明: ISO 1001系列隔离放大器是一种磁电隔离的混合集成电路，该IC在同一芯片上集成了一个多隔离的DC/DC变换电源和一组磁电耦合的模拟信号隔离放大器，它采用磁电偶合的低成本方案，主要用于对EMC（电磁干扰）无特殊要求的场合。与光电隔离的产品相比，抗EMC（电磁干扰）能力较差，特殊使用场合应注意增加电磁干扰抑制电路或采取屏蔽措施。输入及输出侧宽爬电距离及内部隔离措施使该芯片可达到3000VDC绝缘电压。ISOEM 1001系列产品的最大特点是：当双向直流信号输入，而输出为电压信号时，零点和满度可以做相应的高精度调整。所以，当输入双向直流信号而输出是电流信号时，请选用本公司ISOEM U-P-O 或ISOEM A-P-O系列的产品。详细技术资料：电压输出型 http://www.sun-yuan.com/download/20089316423848711.pdf 电流输出型 http://www.sun-yuan.com/download/200843012251725337.pdf 13、V/F转换器（电压或电流转为单位脉冲信号）和F/V转换器（频率信号转直流电压或电流）　型号：ISO V（A）-P-F 和 ISO F-P-O 　说明: ISO V（A）-P-F是V/F转换器（变换器），采用标准DIN导轨安装方式。可以将（0-20mA/4-20mA/0-5V/1-5V/0-10V）的直流电压或电流信号转换为单位脉冲信号。国际标准信号输入:0-5V/0-10V/1-5V,0-10mA/0-20mA/4-20mA等。输出标准信号：0-5KHz/0-10KHz/1-5KHz等。全量程范围内极高的线性度（非线性度<0.1%），精度等级：0.1级、0.2级。产品出厂前已检验校正，用户无需调节可直接使用。　　　　 ISO F-P-O是频率信号隔离变换器，可以将正弦波、方波、锯齿波等信号隔离放大后转换成模拟直流电压或电流信号输出。 ISO系列频率信号隔离变换器是一种将频率信号按比例隔离转换成标准信号的混合集成电路。该电路在同一芯片上集成了一组多路高隔离的DC/DC电源和一个高速的频率信号隔离及变换器，适用于任意一种频率信号的隔离变换。该芯片的隔离电源除了为内部变换电路供电源外，还可以向输入端提供一组隔离的直流电源，作为外部集电极开路输入应用等。SMD工艺结构及新技术隔离措施使该器件能达到：辅助电源、信号输入、信号输出之间的2500VDC，三隔离。并且能满足工业级宽温度、潮湿、震动的现场恶劣工作环境要求。ISO系列频率信号隔离变换器使用非常方便，只需很少的外部元件，即可实现频率信号的隔离变送。详细技术资料： F/V转换器（频率信号转直流电压或电流） http://www.sun-yuan.com/download/20081221382236858.pdf V/F转换器（电压或电流转为单位脉冲信号） http://www.sun-yuan.com/download/20092115101085343.pdf SCADA系统发展历程　　SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)系统，全名为数据采集与监视控制系统。SCADA系统自诞生之日起就与计算机技术的发展紧密相关。SCADA系统发展到今天已经经历了三代。　　第一代是基于专用计算机和专用操作系统的SCADA系统，如电力自动化研究院为华北电网开发的SD176系统以及在日本日立公司为我国铁道电气化远动系统所设计的H-80M系统。这一阶段是从计算机运用到SCADA系统时开始到70年代。　　第二代是80年代基于通用计算机的SCADA系统，在第二代中，广泛采用VAX等其它计算机以及其它通用工作站，操作系统一般是通用的UNIX操作系统。在这一阶段，SCADA系统在电网调度自动化中与经济运行分析，自动发电控制（AGC）以及网络分析结合到一起构成了EMS系统（能量管理系统）。第一代与第二代SCADA系统的共同特点是基于集中式计算机系统，并且系统不具有开放性，因而系统维护，升级以及与其它联网构成很大困难。　　90年代按照开放的原则，基于分布式计算机网络以及关系数据库技术的能够实现大范围联网的EMS/SCADA系统称为第三代。这一阶段是我国SCADA/EMS系统发展最快的阶段，各种最新的计算机技术都汇集进SCADA/EMS系统中。这一阶段也是我国对电力系统自动化以及电网建设投资最大的时期，国家计划未来三年内投资2700亿元改造城乡电网可见国家对电力系统自动化以及电网建设的重视程度。　　第四代SCADA/EMS系统的基础条件已经或即将具备，预计将与21世纪初诞生。该系统的主要特征是采用Internet技术、面向对象技术、神经网络技术以及JAVA技术等技术，继续扩大SCADA/EMS系统与其它系统的集成，综合安全经济运行以及商业化运营的需要。　　SCADA系统在电气化铁道远动系统的应用技术上已经取得突破性进展，应用上也有迅猛的发展。由于电气化铁道与电力系统有着不同的特点，在SCADA系统的发展上与电力系统的道路并不完全一样。在电气化铁道远动系统上已经成熟的产品有HY200微机远动系统以及由西南交通大学开发的DWY微机远动系统等。这些系统性能可靠、功能强大，在保证电气化铁道供电安全，提高供电质量上起到了重要的作用，对SCADA系统在铁道电气化上的应用功不可没。　　SCADA系统发展瞻望　　SCADA系统在不断完善，不断发展，其技术进步一刻也没有停止过。当今，随着电力系统以及铁道电气化系统对SCADA系统需求的提高以及计算机技术的发展，为SCADA系统提出新的要求，概括地说，有以下几点：　　SCADA/EMS系统与其它系统的广泛集成　　SCADA系统是电力系统自动化的实时数据源，为EMS系统提供大量的实时数据。同时在模拟培训系统，MIS系统等系统中都需要用到电网实时数据，而没有这个电网实时数据信息，所有其它系统都成为“无源之水”。所以在这今十年来，SCADA系统如何与其它非实时系统的连接成为SCADA研究的重要课题；现在在SCADA系统已经成功地实现与DTS(调度员模拟培训系统)、企业MIS系统的连接。SCADA系统与电能量计量系统，地理信息系统、水调度自动化系统、调度生产自动化系统以及办公自动化系统的集成成为SCADA系统的一个发展方向。　　变电所综合自动化　　以RTU、微机保护装置为核心，将变电所的控制、信号、测量、计费等回路纳入计算机系统，取代传统的控制保护屏，能够降低变电所的占地面积和设备投资，提高二次系统的可靠性。变电所的综合自动化已经成为有关方面的研究课题，我国东方电子等公司已经推出相应的产品，但在铁道电气化上还处于研究阶段。　　　专家系统、模糊决策、神经网络等新技术研究与应用　　利用这些新技术模拟电网的各种运行状态，并开发出调度辅助软件和管理决策软件，由专家系统根据不同的实际情况推理出最优化的运行方式或出来故障的方法，以达到合理、经济地进行电网电力调度，提高运输效率的目的。面向对象技术、Internet技术、及JAVA技术的应用　　面向对象技术(OOT)是网络数据库设计、市场模型设计和电力系统分析软件设计的合适工具，将面向对象技术(OOT)运用于SCADA/EMS系统是发展趋势。　　随着Internet技术的发展，浏览器界面已经成为计算机桌面的基本平台，将浏览器技术运用于SCADA/EMS系统，将浏览器界面作为电网调度自动化系统的人机界面，对扩大实时系统的应用范围，减少维护工作量非常有利；在新一代的SCADA/EMS系统中，传统的MMI界面将保留，主要供调度员使用，新增设的Web服务器供非实时用户浏览，以后将逐渐统一为一种人机界面。　　JAVA语言综合了面向对象技术和Internet技术，将编译和解释有机结合，严格实现了面向对象的四大特性：封装性、多态性、继承性、动态联编，并在多线程支持和安全性上优于C++，以及其它诸多特性，JAVA技术将导致EMS/SCADA系统的一场革命。