張 瀝
電氣隔離及其故障保護技術在船舶主機壓力參數(shù)監(jiān)測中的應用
張 瀝
(中國人民解放軍92896部隊,大連 116018)
船舶主機壓力測量常采用二線制壓力變送器,此類變送器需外部DC24 V供電,一旦傳感器外部故障,則24 V或外部其它干擾高壓會對后續(xù)5 V工作電壓的監(jiān)測系統(tǒng)造成損害,嚴重時會造成全船主機監(jiān)測系統(tǒng)的故障。為了解決此類問題,本文提出并設計出了以電氣隔離及其故障保護技術為核心,單片機為數(shù)據(jù)處理中心的壓力參數(shù)采集系統(tǒng)。此技術構建的采集系統(tǒng),工作穩(wěn)定可靠,抗干擾、抗故障能力極強,精度高,實時性好??蓮V泛應用到船舶機艙自動化監(jiān)測與控制中。
船舶主機 壓力變送器 電氣隔離 故障保護
船舶主機運行中有大量的壓力參數(shù)需要實時監(jiān)測,如主機滑油壓力、燃油壓力、淡水壓力、海水壓力、增壓壓力(掃氣壓力),啟動空氣壓力、控制空氣壓力等,這些壓力反映了主機運行狀況,對于管理操縱主機十分重要。目前壓力參數(shù)監(jiān)測技術日趨完善,壓力變送器絕大部分采用二線制4~20 mA電流型。此種傳感器工作穩(wěn)定,線路簡單,工作電源與輸出電流共用2線,故稱二線制。此類壓力測量系統(tǒng)中,電路測量部分是一組DC5V電源,壓力傳感器供電又是另一組DC24V電源,兩組電源共地。這樣監(jiān)測電路與傳感器之間沒有電氣隔離,一旦傳感器內(nèi)部故障或外部線路故障(如接地、絕緣下降等),會立即影響監(jiān)測電路及系統(tǒng)的工作,嚴重時會造成監(jiān)測系統(tǒng)損壞。為了提高系統(tǒng)可靠性,防止外部局部故障造成更大的系統(tǒng)故障,有必要在壓力傳感器與監(jiān)測電路之間進行電氣全隔離。
以某船主機為例,主機型號為18V390二沖程增壓中冷大功率中速柴油機,包含主機滑油壓力、啟動空氣壓力等12個壓力參數(shù),這些壓力測點均采用4~20 mA二線制壓力變送器。
壓力參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)硬件組成見圖1。
圖1 壓力監(jiān)測系統(tǒng)硬件框圖
對圖1中的符號說明如下:
1—帶故障保護的8路電子模擬開關
2—隔離放大器ISO122P(輸入級)
3—隔離放大器ISO122P(輸出級)
4—光電耦合器TLP521-4
5—緩沖放大器2062
6—A/D轉換器TLC1549
7—單片機AT89S52
8—RS485通訊接口MAX483。
根據(jù)該主機壓力參數(shù)采集要求,設計的原理圖見圖2。
2.3.1 壓力采集電路
由圖2可見,外部壓力變送器4~20 mA電流經(jīng)100Ω電阻后,形成0.4~2.0 V電壓,輸入到MAX354芯片的8路模擬多路器輸入端,由CPU控制其選中某一通道接通至輸出端。MAX354是帶故障保護的單端8通道多路器(多路模擬電子開關),由于輸入通道采用了N溝道、P溝道、N溝道結構,使其具有非常優(yōu)秀的性能:
1)當供電電源全部斷開時,其通道全部斷開
2)如果發(fā)生過壓,接通的通道會轉為斷開,能夠承受連續(xù)±35 V的過電壓
3)在故障條件下,輸入電流只有納安級
4)工作電源可自±4.5 V至±18 V
5)數(shù)字量輸入電平都與TTL兼容
2.3.2 模擬信號隔離放大及緩沖電路
ISO122P是一款性能優(yōu)良的隔離放大器,輸入模擬電壓信號與輸出模擬電壓信號全部電氣隔離。輸入級與輸出級分別獨立±5 V電源供電,其隔離電壓高達500 V,滿足工業(yè)領域的強干擾場合,其隔離放大比為1。2062是高輸入阻抗和低輸出阻抗的運算放大器,作為緩沖放大器,將輸入信號進行1:1放大,提高信號輸出能力。
2.3.3 數(shù)字控制隔離電路
為了保證模擬信號與數(shù)字信號全隔離,其數(shù)字電路部分采用了TLP521-4型4路光電耦合器,由CPU的4條數(shù)字控制信號,經(jīng)TLP521-4隔離后控制MAX354多路器的通道選擇。
2.3.4 A/D轉換電路
TLC1549是10位模數(shù)轉換器。它采用CMOS工藝,具有內(nèi)在的采集和保持,采用差分基準電壓高阻輸入,抗干擾,可按比例量程校準轉換范圍,總不可調(diào)整誤差達到±1LSB。
圖2 壓力采集系統(tǒng)電原理圖
其工作參數(shù)如下:
1)電源電壓:+5 V
2)輸入電壓范圍:-0.3~VCC+0.3 V
3)正基準電壓:2.5 V
4)輸入最大電壓:2.5 V
5)10位分辨率,滿量程值1024D
2.3.5 CPU電路
CPU采用常見的INTEL系列的8051單片機,具體選型為AT89S52,其基本特性如下:
1)8位CPU
2)256B片內(nèi)RAM
3)8KB片內(nèi)EPRAM
4)32根雙向I/O口
5)3個16位定時日/計數(shù)器
6)5個具有優(yōu)先級別的中斷源
7)全雙工異步通信
8)128 kB外部程序和數(shù)據(jù)存儲器
9)256個位尋址單元
10)基本指令執(zhí)行時間1ms
2.3.6 數(shù)據(jù)通訊電路
為了將采集的壓力數(shù)據(jù)進行遠程傳輸,系統(tǒng)采用MAX483作為數(shù)據(jù)傳送芯片,其特點如下:
1)傳輸協(xié)議:RS485(二線)
2)用于無誤差數(shù)據(jù)傳送的限斜率
3)-7 V~+12 V普通輸入電壓范圍
4)三態(tài)輸出
5)全雙工和半雙工模式可選擇
6)工作電源為單一+5 V
7)總線可接128個收發(fā)器
8)限流和熱敏控制電路為驅動提供過載保護
2.3.7 電源電路
由于電氣隔離的需要,本系統(tǒng)設置了3組互相獨立的電源,一組DC24V/DC±5V電源供CPU及其輔助電路,一組DC24V/DC±5V供隔離放大器(ISO122P)和壓力采集通道多路轉換器(MAX354),一組電源DC24V/DC24V供電壓力變送器,三組電源輸入均由艦電DC24V提供。單片機、傳感器、MAX354供電完全隔離。
2.3.8 壓力采集過程分析
隔離的DC24V(+24VS)電源正極經(jīng)壓力傳感器正極后,再由傳感器負極經(jīng)采集電路上100Ω電阻到DC24V負級,形成完整回路。并在100Ω電阻上形成0.4~2.0 V電壓(對應4~20mA電流),此電壓對應相應的壓力,經(jīng)MAX354帶故障保護的電子模擬開關后,進入ISO122P隔離放大器,此放大器輸入與輸出電氣完全隔離,輸入獨立一組工作電源,輸出獨立一組工作電源,其隔離電壓高達500 V,放大倍數(shù)1:1。ISO122隔離放大后,輸出到2062緩沖放大器,再輸入到TLC1549A/D轉換器,將電壓模擬信號轉換成10位數(shù)字信號。由TLC1549三線串口與89S52單片機進行交換數(shù)據(jù),89S52(CPU)收到此串行數(shù)據(jù),經(jīng)綜合處理后,再經(jīng)MAX483芯片的RS485通訊接口將數(shù)據(jù)送往上位機。
上述是單通道的采集工作流程,要采集多通道,則由單片機通過P2.0~P2.3發(fā)出通道切換指令,經(jīng)74LS244驅動,TLP521-4光電隔離后,驅動器MAX354切換采集通道。
MAX354不論電源+V和-V是否加上,都能對高達±35 V的連續(xù)輸入電壓提供完全的故障保護。這些器件使用一個“串聯(lián)FET”保護方式,這種方式不僅對多路器輸出端進行過電壓保護,而且把輸入電流限制到低于微安級。
圖3和圖4說明串聯(lián)FET電路是如何對過壓情況進行保護的。當電源是關斷時,三個FET的“門”端是接地的。如有一-25 V輸入,N溝道 FET Q1由于+25 V的“門至源”電源VGS而導通。而P溝道器件(Q2)則由于有+25V的VGS而關斷,這樣就避免了輸入信號達到輸出端。如果輸入電壓是+25 V,則Q1有一負的VGS而關斷。同樣地,由于任何電壓都會使Q1或Q2關斷,因而由輸?shù)A端回流到輸入端的漏電流也是低于微安級的。
圖3 -25V過壓(多路器電源關斷時)
圖4 +25V過壓(多路器電源關斷時)
圖5示出了當+V和-V存在時,一個關斷通道的情況。如同圖8和9,對任何從-35 V到+35 V的輸入電壓總有一個N溝道的或是一個P溝道的器件產(chǎn)關斷的。在25℃時,負的過壓所引起的漏電流將立即跌落到幾個納安(nA)。對正的過壓,一開始將有10或20mA,在幾秒以后也將衰減到納安級。這個衰減的時常數(shù)是由于內(nèi)部節(jié)點所貯存的電荷入電而引起,它不影響故障保護方案。
圖5 在一個關斷通道的- 25V過壓(多路器電源接通時)
圖6示出了當+V(+5V)和 –V(-5V)存在時,一個接通通道的情況。當輸入電壓小于±5V,所有三個FET都接通而輸入信號出現(xiàn)在輸出端。如果輸入電壓超過+V減去N溝道的門限電壓(VTN)則N溝道FET將關斷。對更負于–V減去P溝道的門限(VTP)的電壓,P溝道器件將關斷。由于VTN的典型值是1.5 V而VTP的典型值是3 V,因而電子模擬開關的輸出電壓范圍被限制在約-2 V至+3.5 V間(對電源電壓為±5 V時)。
圖6 + 25V過壓輸入接通通道
圖7 監(jiān)測電路電氣隔離示意圖
從原理圖2和圖7可看出,系統(tǒng)的電氣隔離原理。電路上分成電氣完全隔離的三個部分,一是在艦電輸入DC24V電源,二是CPU及其外圍電路的DC5V電源,三是傳感器DC24V電源、模擬開關、隔離放大器初級的DC5V電源。這三部分電氣上完全隔離,電源部分由DC/DC轉換后隔離,外部傳感器由光電耦合器和隔離放大器與CPU的電路在電氣上完全隔離,光耦與隔離放大器初級和次級能經(jīng)受500 V以上電壓沖擊。
由此可知,DC24V及其地線干擾、外部傳感器故障及其線路和地線干擾均不能產(chǎn)生對核心CPU及其電路的干擾和影響,保證壓力測量系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定工作,并對外部故障進行徹底隔離,外部出現(xiàn)故障不會影響CPU監(jiān)測電路的工作,也不會造成CPU及其后續(xù)電路的故障。
本系統(tǒng)軟件用8051匯編語言完成
程序主流程圖如圖8所示。
圖8 程序主流程圖
為了提高設備的可靠性,程序上采用數(shù)字濾波技術,對壓力進行連續(xù)多次采樣,過濾掉離散性大的數(shù)據(jù),并對多次采樣數(shù)據(jù)取平均值。以避免因外界干擾,造成壓力數(shù)據(jù)的跳動。
通道故障判斷基本原理,當外部出現(xiàn)故障時,如傳感器斷線等外部原因造成輸入過壓,此時MAX354對應的通道N溝道、P溝道、N溝道全部關斷,則采集該通道電壓值為0 V,正常應為0.4~2.0 V電壓,依據(jù)此0 V電壓可判斷該通道有故障。
標度變換程序,對于所有壓力范圍的對應電壓均為0.4~2.0 V對管理者應直觀顯示實際壓力值,則由標度變換程序完成,以1.0 MPa壓力變送器為例,其變換公式為
本文闡述了電氣隔離及其故障保護技術,應用于船舶主機壓力監(jiān)測的工作原理和設計過程,此技術方法已在多艘艦船上應用。使用運行效果十分穩(wěn)定,未出現(xiàn)故障,有效提高了監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。此技術可顯著提高工業(yè)環(huán)境下監(jiān)測系統(tǒng)的抗干擾、抗故障能力,可廣泛應用于船舶機艙惡劣環(huán)境下的監(jiān)測與控制。
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Application of Electrical Isolation and Fault Protection Technology in Monitoring Pressure Parameters of Ship Main Engine
Zhang Li
(Unit 92896 of PLA , Dalian 116018, Liaoning, China )
TM564
A
1003-4862(2019)08-0036-04
2019-1-30
張瀝(1971-),男,高級工程師。研究方向:輪機工程。E-mail:hghxg@163.com