信號調理器——專為基于PC的控制
除此之外,信號調理電路還涉及到阻抗匹配、參考電位以及接地點電位方面的問題。
Dataforth 公司主管市場營銷的副總裁Bob Smith說:“如果控制工程師把現場信號從傳感器直接傳送到PC機數據采集卡上,他就要承擔很大的風險。這樣的傳送很可能引入危險電壓。工廠使用的電壓可能高達440V。因此,我們需要在信號調理模塊中引入隔離器、傳輸保護器以及過壓保護式濾波器。”
他還說:“信號調理模塊需要消除的另一個現象是接地點回路。隔離器能夠切斷任何一條接地點回路。”
線性化也是我們需要考慮的一個問題。傳感器利用某個物理量的變化產生電信號。例如,金屬絲受到拉伸作用后,其電阻值會發生變化。我們可以利用這一現象來測量應力大小。一般來說,被測物理量的變化量與電信號的變化量之間基本呈線性關系。但是,單純的線性傳感器往往不能滿足控制方面的實際要求。大多數情況下,測量環節需要作二階甚至三階的非線性誤差修正。
Smith說:“在信號調理環節就進行線性化修正的優點在于:不必占用PC寶貴的時間進行數學計算(諸如泰勒級數展開之類)或查表修正。”
Keithley Instrument主管數據采集產品的市場總監Chuck Cimino說:“我一直很重視單位轉換。當你實際使用一個控制時,你希望得到的可能是溫度值、壓力值和流量值,而不是電壓值。難道你能夠通過心算把多少毫伏相應轉換為多少攝氏度嗎?你會需要系統為你作這樣的換算。”
他還說:“濾波器的地位十分重要。因為許多信號中包含了多余的頻率成分。例如,接近度傳感器會傳送出輕微抖動引起的信號。”
因此,一個常規的信號調理子系統可能包括:
■ 電路隔離器——典型的就是光隔離器,通過把電信號轉換為光信號,再轉換回電信號,從而達到切斷接地點回路以及限制跳變電壓的目的;
■ 一個或多個放大器,用來調整傳感器信號的幅值(包括線性化),同時滿足阻抗、參考電位以及接地點電位方面的要求;
■ 一個或多個濾波器,用來限制電磁波的頻率;
■ 最后還需要一個激勵源。
信號調理模塊包括了針對特定傳感器而設計的隔離器、放大器、濾波器以及激勵源。
配置方案
Padhye說:“現在,雖然新推出的產品已經開始將信號調理模塊和數據采集模塊整合在一套設備中了,但是我們仍然可以采購到專用的信號調理模塊。這兩種配置方案分別針對不同的應用場合。兩者各有優勢,也都是很常用的。針對信號數目龐大的系統,可以讓每一組信號先經過調理,然后接入多路復用器的一個信道,再傳送入數據采集模塊。采用這種方案雖然無法達到很快的信號處理速度,但是可以帶來巨大的經濟效益。”
Nelson說:“我們要做的事情就是借助于一張符合Profibus網絡協議的PCI卡,把信號傳送到標準的輸入/輸出(I/O)子系統。”
Dataforth的Smith說:“大多數系統都被安裝在符合NEMA標準的機箱機柜內,從而得到有效的保護。信號調理模塊一般會被安裝在這些機箱機柜的輸入端(DIN)的金屬框上。”
在過去幾年中,歐洲地區首先開始把信號調理模塊安裝在金屬框上,隨后,這種做法在美國也得到了推廣。金屬框可以放在貼近平板或墻面的位置。信號調理模塊的外殼一般是用耐高溫塑料制成的,還有一個特殊的底邊,可以粘在金屬框架上。每一個這樣的模塊都會有一組導線與現場設備相連,還有另一組導線與DAQ的輸入端相連。據Smith 介紹:“在把模塊安裝到金屬框上的整個過程中,理清這些導線可以說是最令人頭痛的工作了。”
另一種流行的信號調理電路配置方案是Smith所說的“插座式”模塊。信號調理電路被封裝在一個長度和寬度各為1英寸,厚度為1/2英寸的塑料殼體內。殼體的底部有連接電路板(背板)的插孔。一塊背板一般包括了2組、4組、8組或16組信道。與計算機連接的導線通過后面板上的印刷電路連接到接口。如果要把信號調理模塊連到DAQ的輸入端,只要把連接導線的一端插入這個接口,另一端插入DAQ卡的輸入接口就可以了。
第三種強大的配置方案是所謂的主機箱模式。機箱上提供了信號線、冷卻裝置以及電源接口,信號調理模塊只要直接插入這些接口就可以使用了。計算機總線架構可以通過諸如VXI、ComPACtPCI、PXI之類的各種標準擴展成為與外接設備兼容的形式。名稱中含有“XI”的標準是基于標準的計算機總線的,同時還提供了一些附加功能。例如,觸發線就是儀器系統所需要的附加功能。具體來說,VXI是VMEbus的擴展標準,而PXI是PCIbus的擴展標準。
Smith說:“信號調理模塊可以形成一組陣列。如果他們沒有被封裝在一個模塊里,我很樂意把它們稱為‘面包片’。它們是一種前面板很空的電路模塊,前面板上可能只有一個電源指示燈或一些為工程師提供的測試點。”
信號調理模塊一般都會為與現場設備的連接提供接口,從而為連接現場設備提供極大的便利。如果要斷開與現場設備的連接,你就不必把整個模塊從機箱上拆下來了。
Keithley的Cimino指出:“現在的PXI分為USB與FireWire兩種形式,而LXI同時是設備和數據的以太網標準。LXI其實就是在標準的以太網協議上增加了定時處理以及另一些測量程序。”
據Cimono說,基于舊版的通用設備總線(GPIB)的設備仍然占據了網絡設備9
Cimono說:“GPIB可以在設備領域成為主流,但是在控制領域,我不得不說,它可能只占據5%到10%的市場份額。”
作出選擇
為PC控制系統選擇信號調理器首先要考慮它是否與傳感器配套。
國家儀器的Padhey說:“在提出方案之前,控制系統設計者必須了解系統所要處理的信號類型。只有當設計者初步了解了模擬、數字信號的數量和類型之后,信號調理模塊才有用武之地:把信號轉換到安全的、可測的水平。”
現在的半導體集成方法包括可以直接插入后面板、帶有現場信號終端的高度壓
縮信號調理模塊,以及輸入的線纜DAG。
信號調理模塊的性能由傳感器的性能所決定,每一種傳感器都有對應的信號調理電路。針對J型熱電偶傳感器、應力測量儀以及各種不同配置方案下的傳感器都有對應的信號調理模塊。
為一套系統選擇配置方案帶有強烈的主觀性,雖說在某些情況下應該選擇何種方案是顯而易見的。如果你把基于PC的控制電路與其它硬件設備一起安裝在輸入端的金屬框上,那么你就應該把信號調理電路也安裝在金屬框上。如果你面對的恰好是一個基于Profibus協議的網絡,那么你顯然應該使用基于Profibus的方案。選擇何種配置方案主要取決于你把信號輸入DAQ卡和計算機中的方式。
位于法國和瑞士邊界的歐洲核子研究中心(又名CERN)有一臺大型粒子對撞機。在那里,如果某塊電路安裝在射線附近,強大的輻射場就會把它徹底摧毀。這種環境下,自控系統配置方案的選擇余地就十分有限了。CERN的控制系統工程師Alessandro Masi選擇了這樣的方案:通過長達800米的電纜把信號接入位于遠端PXI機箱內的信號調理模塊。
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