王 睿,余有靈

(同濟大學 電子與信息工程學院,上海200092)

遠程測控終端RTU(Remote Terminal Unit)是SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)系統(tǒng)的基本組成單元,是對分布距離遠、生產(chǎn)單位分散的生產(chǎn)系統(tǒng)的一種數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，目前在工業(yè)領(lǐng)域有著日益廣泛的應(yīng)用前景。但是與之相對應(yīng)的城市燃氣領(lǐng)域由于技術(shù)的滯后和應(yīng)用特點與RTU有著極大的不同,所以并無類似的產(chǎn)品。本設(shè)計就是基于這一前提，針對城市燃氣系統(tǒng)開發(fā)的燃氣監(jiān)測系統(tǒng),具有與RTU類似的功能，但是大幅度降低成本，適合在城市燃氣領(lǐng)域廣泛地應(yīng)用。同時，本設(shè)計將國際新興的功能安全理念引入設(shè)計中，填補了國產(chǎn)控制系統(tǒng)在這一領(lǐng)域的空白。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計思路

系統(tǒng)主要由AD采樣單元、中央處理單元、GPRS信號遠傳單元和本安供電單元構(gòu)成,如圖1所示。系統(tǒng)接收來自氣體流量計傳輸?shù)? mA～20 mA信號,該信號經(jīng)過AD采樣傳輸給中央處理單元轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再通過數(shù)字遠傳單元傳輸給遠端的中央控制系統(tǒng)。

2 本安供電單元的設(shè)計

本安供電單元為一個多路本安電源，如圖2所示。將220 VAC的市電經(jīng)過整流濾波變成中央處理單元、GPRS數(shù)字信號遠傳單元、AD采樣單元以及現(xiàn)場流量計所需要的供電電源。

由于該系統(tǒng)要應(yīng)用于有防爆要求的燃氣監(jiān)測系統(tǒng)，所以系統(tǒng)整體有防爆要求。目前國內(nèi)應(yīng)用于燃氣領(lǐng)域的防爆方式經(jīng)?；旌鲜褂帽景卜辣透舯?防爆標志通常為Exd II ia)，本系統(tǒng)采用設(shè)計要求更高的本安防爆（防爆標志EX II ia)設(shè)計。

本安防爆限能模塊由齊納二極管、功率電阻以及保險絲組成，如圖3所示。由于絕大多數(shù)流量計使用24 VDC供電，考慮一定的供電余量，最大配電電壓選擇30 V。

按照《GB3836.4-2010爆炸性環(huán)境 第 4部分：由本質(zhì)安全型“i”類保護的設(shè)備》[1]中對于本安電路電壓和電流的相關(guān)要求，參考最小點燃曲線(如圖 4所示)，有 4種選擇:I類設(shè)備、II類A/B/C型設(shè)備。I類設(shè)備對應(yīng)礦井甲烷，IIC類設(shè)備對應(yīng)氫氣，在這里為了有更廣泛的適應(yīng)性，能夠給流量計更寬泛的供電能力，選擇IIA類，可以得到最小點燃電流400 mA。依據(jù)這一數(shù)據(jù)選擇相應(yīng)的齊納管和限流電阻。

對于每一個配電支路，為了確保在故障狀態(tài)下不會因為長時間的過電壓或者過電流造成設(shè)備損壞或者本安限能電路失效，還需要增加保險絲，將限流水平選擇在超過400 mA時瞬間熔斷作為選擇標準。

3 AD采樣單元電路設(shè)計

由于MSP430單片機自帶16 bit ADC，因此無需再選擇其他ADC芯片，采樣頻率取100 Hz。為了減小電路帶來的誤差,直接通過一個 100 Ω、精度 0.1%的采樣電阻將采集到的4 mA～20 mA電流轉(zhuǎn)化為0.4 V～2 V的直流電壓經(jīng)過ADC采樣給中央處理單元。整個系統(tǒng)的誤差主要受采樣電阻的精度影響，經(jīng)過調(diào)整可以保證在0.1%F.S的水平。

4 中央處理單元電路設(shè)計

中央處理單元主要由MSP430單片機最小系統(tǒng)構(gòu)成，包括電源電路、復位電路。此外,還需要JTAG調(diào)試電路、液晶顯示電路(MSP430F4XX系列自帶液晶驅(qū)動電路)以及一個4×4的鍵盤。

5 GPRS數(shù)據(jù)遠傳模塊電路設(shè)計

MC35I是Siemens公司推出的新一代無線通信GPRS模塊,可以快速安全可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、語音傳輸、短消息服務(wù)(Short Message Service)和傳真。模塊的工作電壓為3.3 V～4.8 V,可以工作在900 MHz和 1800 MHz兩個頻段,所在頻段功耗分別為 2 W(900 MHz)和1 W(1 800 MHz)。

MCI35模塊主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊(ASIC)、閃存、ZIF連接器、天線接口六部分組成。作為MC35i的核心，基帶處理器主要處理GSM終端內(nèi)的語音、數(shù)據(jù)信號，并涵蓋了蜂窩射頻設(shè)備中的所有的模擬和數(shù)字功能。在不需要額外硬件電路的前提下，可支持 FR、HR和 EFR語音信道編碼[2]。其電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

MCI35模塊需要在電源電路、啟動電路、數(shù)據(jù)通信電路和SIM卡電路的支持下才能工作，由于MCI35與中央控制單元的通信通過串口完成，因此還需要一個MAX3238為核心的串口通信電路與MSP430單片機的USCI串行通信電路相連。

在GPRS模塊的支持下,系統(tǒng)可以有效地完成短消息收發(fā)、GPRS數(shù)據(jù)傳輸,甚至語音通信。

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件主要由上位機軟件和下位機軟件組成。上位機主要包括人機界面、調(diào)試模塊、檢驗?zāi)K、數(shù)據(jù)顯示和報警模塊;下位機軟件主要包括JTAG通信模塊、GPRS通信模塊和控制模塊。上位機軟件可以在Visual Studio 2005中的Visual Basic2005集成開發(fā)環(huán)境下完成;下位機軟件主要在IAR Embedded Workbench for MSP430 v.5.40 Evaluation version環(huán)境下開發(fā)。流程圖如圖6所示。

圖6 軟件設(shè)計流程

7 基于本系統(tǒng)的功能安全討論

國際電工委員會(IEC)的標準IEC61511定義了一種有別于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的安全儀表系統(tǒng)(簡稱SIS)[3],專用于各種危險場合來避免系統(tǒng)發(fā)生危險或者減小危險發(fā)生時對于人和環(huán)境的危害，近年來，這種系統(tǒng)有和傳統(tǒng)控制系統(tǒng)融合的趨勢。在本設(shè)計中，可以基于這一考慮，在之前的各項設(shè)計的基礎(chǔ)上增加一個安全聯(lián)鎖控制模塊,以提高系統(tǒng)整體的安全性。

在流量計的各個配電電路中增加一個繼電器，系統(tǒng)關(guān)停時繼電器開路。當系統(tǒng)完成自檢后，繼電器閉合，流量計開始工作。當檢測到燃氣流量異常時,首先進入報警，當流量計檢測到流量超過安全上限后，切斷流量計電源;當流量計處于短線狀態(tài)時，也切斷流量計電源并報警。

除了電路上的安全聯(lián)鎖之外,依據(jù)IEC61508及IEC61511的相關(guān)要求對系統(tǒng)進行可靠性分析。為了進一步提高系統(tǒng)的可靠性和容錯性，還要進行額外的故障插入測試,以避免由于誤操作可能帶來的隱患。

此外，依據(jù)IEC61000的要求，還要對系統(tǒng)進行電磁兼容性相關(guān)測試，以提高系統(tǒng)的可應(yīng)用性。對于南方雷電多發(fā)區(qū)以及擁有大功率用電設(shè)備(比如電動機、發(fā)電機)的場合，其電磁環(huán)境復雜，如果沒有良好的電磁兼容設(shè)計和相關(guān)測試，無法保證系統(tǒng)達到安全儀表系統(tǒng)所需要的安全等級。此外，依據(jù)IEC61000標準，在進行印刷電路板設(shè)計時也要遵循標準所涉及的各項制版要求。

本系統(tǒng)滿足以上各項設(shè)計要求，功能全面、價格經(jīng)濟，安全性和可靠性較為突出，相比目前廣泛使用的非集成燃氣監(jiān)控系統(tǒng)有著更好的應(yīng)用前景。如果換用更為強大的32位單片機，進一步豐富功能模塊(例如RS485通信電路、網(wǎng)絡(luò)接口以及現(xiàn)場控制模塊),可以全面替代目前使用的基于PLC的RTU，廣泛的應(yīng)用于民用和工業(yè)現(xiàn)場。

[1]GB3836.4-2010爆炸性環(huán)境 第四部分:由本質(zhì)安全型“i”類保護的設(shè)備[S].中國國家標準化管理委員會,2010.

[2]曲廣強，李丹，常國權(quán).GPRS無線通信模塊MC35I及其外圍電路設(shè)計[J].Journal Of Northeast Dianli University Science Edition,2006,26(2):80-82.

[3]張建國.安全儀表系統(tǒng)在過程工業(yè)中的應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社,2010.