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      一種基于嵌入plc的ltc溫度控制擴(kuò)展模塊裝置的制造方法

      文檔序號(hào):11009429閱讀:1050來源:國知局
      一種基于嵌入plc的ltc溫度控制擴(kuò)展模塊裝置的制造方法
      【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種基于嵌入PLC的LTC溫度控制擴(kuò)展模塊裝置,包括接線端子臺(tái)、光耦隔離單元、熱電偶輸入單元、降噪電容、小信號(hào)放大電路、共模抑制單元、整流電路、基準(zhǔn)電壓、8MHz單元、復(fù)位單元、電源輸出單元、電源轉(zhuǎn)換單元、微控單元、數(shù)字量輸出單元、冷端傳感器和通訊板連接器,接線端子臺(tái)分別連接光耦隔離單元、熱電偶輸入單元、降噪電容和共模抑制單元,熱電偶輸入單元分別連接降噪電容和小信號(hào)放大電路,共模抑制單元連接整流電路,本實(shí)用新型設(shè)計(jì)合理,使用方便,提供14位AD,能有效到提高采樣的精度,同時(shí)可提高采樣的速度,通過濾波,能實(shí)現(xiàn)溫度采樣的精度在0.2度左右。
      【專利說明】
      一種基于嵌入PLC的LTC溫度控制擴(kuò)展模塊裝置
      技術(shù)領(lǐng)域
      [0001 ]本實(shí)用新型具體涉及一種基于嵌入PLC的LTC溫度控制擴(kuò)展模塊裝置。
      【背景技術(shù)】
      [0002]目前國內(nèi)外通用型PLC擴(kuò)展接口大多采用并行的接口,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需要大量的CPU引腳支持,排線多易損壞,接口管腳多引起不可靠因素加大,成本也高。大多模塊供電靠5V供應(yīng),因?yàn)榕啪€的長度、排線的材質(zhì)限制,從而帶動(dòng)的模塊不多,需要大量模塊級(jí)聯(lián)時(shí)候,客戶還要購買擴(kuò)展單元,這樣產(chǎn)品的成本大大上升。絕大廠家擴(kuò)展通信接口電路十分復(fù)雜,有的同品牌不同模塊的通信電路方案還不一樣,在不同機(jī)型間的可移植性不高、兼容性差,增加生產(chǎn)的工藝資源。
      [0003]國內(nèi)外許多廠家的熱電偶采集裝置冷端處理采用單路PTC、二極管補(bǔ)償。前者PTC一般應(yīng)用100歐或10歐,跟幾K電阻串聯(lián)分壓后接運(yùn)放。后者利用二極管PN結(jié)溫漂特性實(shí)現(xiàn)冷端溫度檢測,但電路更繁瑣,需要搭成平衡電阻電橋,二極管并聯(lián)在其中一個(gè)臂,兩個(gè)中間節(jié)點(diǎn)送至放大器。它們共同點(diǎn)是要另設(shè)一個(gè)運(yùn)放單元。該兩種方案均電路較復(fù)雜,造價(jià)高,難校準(zhǔn)(因有上拉電阻和放大器,存在較多比例電阻,通常要兩值確認(rèn),否則誤差大,即需兩種溫度環(huán)境),在端子外觀較長時(shí)多路應(yīng)用誤差較大。
      【實(shí)用新型內(nèi)容】
      [0004]本實(shí)用新型的目的是為解決上述不足,提供一種基于嵌入PLC的LTC溫度控制擴(kuò)展模塊裝置。
      [0005]本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
      [0006]一種基于嵌入PLC的LTC溫度控制擴(kuò)展模塊裝置,包括接線端子臺(tái)、光耦隔離單元、熱電偶輸入單元、降噪電容、小信號(hào)放大電路、共模抑制單元、整流電路、基準(zhǔn)電壓、8MHz單元、復(fù)位單元、電源輸出單元、電源轉(zhuǎn)換單元、微控單元、數(shù)字量輸出單元、冷端傳感器和通訊板連接器,接線端子臺(tái)分別連接光耦隔離單元、熱電偶輸入單元、降噪電容和共模抑制單元,熱電偶輸入單元分別連接降噪電容和小信號(hào)放大電路,共模抑制單元連接整流電路,整流電路連接電源輸出單元,電源輸出單元連接電源轉(zhuǎn)換單元,光親隔離單元、熱電偶輸入單元、小信號(hào)放大電路、基準(zhǔn)電壓、8MHz單元、復(fù)位單元和通訊板連接器分別連接微控單元,數(shù)字量輸出單元和冷端傳感器分別連接通訊板連接器。
      [0007]熱電偶輸入單元為四路熱電偶輸入,由8只光耦繼電器組成。
      [0008]冷端傳感器由熱敏電阻和高精度電阻串聯(lián)組成。
      [0009]微控單元包括STM32F103CX單片機(jī)芯片。
      [0010]本實(shí)用新型具有如下有益的效果:
      [0011]本實(shí)用新型設(shè)計(jì)合理,使用方便,提供14位AD,能有效到提高采樣的精度,同時(shí)可提高采樣的速度,通過濾波,能實(shí)現(xiàn)溫度采樣的精度在0.2度左右,采用定時(shí)器輸出PID實(shí)時(shí)控制,硬件響應(yīng)約0.2ms,可供應(yīng)500mA以下5?24V的固態(tài)繼電器等負(fù)載,4路溫度PID控制,誤差O?0.5度,支持ON/OFF控制模式,支持PID參數(shù)自整定,只需設(shè)置目標(biāo)溫度,系統(tǒng)自動(dòng)整定比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間,方便調(diào)試和使用。
      【附圖說明】

      [0012]圖1為本實(shí)用新型的整體結(jié)構(gòu)示意圖;
      [0013]圖2為本實(shí)用新型的接線端子臺(tái)電路圖;
      [0014]圖3為本實(shí)用新型的第一路熱電偶輸入電路;
      [0015]圖4為本實(shí)用新型的第二路熱電偶輸入電路;
      [0016]圖5為本實(shí)用新型的前端小信號(hào)放大電路;
      [0017]圖6為本實(shí)用新型的冷端傳感器電路;
      [0018]圖7為本實(shí)用新型的數(shù)字量輸出電路。
      【具體實(shí)施方式】
      [0019]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明:
      [0020]如圖1所示,一種基于嵌入PLC的LTC溫度控制擴(kuò)展模塊裝置,包括接線端子臺(tái)1、光耦隔離單元2、熱電偶輸入單元3、降噪電容4、小信號(hào)放大電路5、共模抑制單元7、整流電路
      8、基準(zhǔn)電壓6、8MHz單元9、復(fù)位單元10、電源輸出單元11、電源轉(zhuǎn)換單元12、微控單元13、數(shù)字量輸出單元14、冷端傳感器15和通訊板連接器16,接線端子臺(tái)I分別連接光耦隔離單元2、熱電偶輸入單元3、降噪電容4和共模抑制單元7,熱電偶輸入單元3分別連接降噪電容4和小信號(hào)放大電路5,共模抑制單元7連接整流電路8,整流電路8連接電源輸出單元11,電源輸出單元11連接電源轉(zhuǎn)換單元12,光耦隔離單元2、熱電偶輸入單元3、小信號(hào)放大電路5、基準(zhǔn)電壓6、8MHz單元9、復(fù)位單元10和通訊板連接器16分別連接微控單元13,數(shù)字量輸出單元14和冷端傳感器15分別連接通訊板連接器16。
      [0021]熱電偶輸入單元3為四路熱電偶輸入,由8只光耦繼電器組成。
      [0022]冷端傳感器15由熱敏電阻和高精度電阻串聯(lián)組成。
      [0023]微控單元13包括STM32F103CX單片機(jī)芯片。
      [0024]熱電偶信號(hào)處理,溫度PID控制,關(guān)鍵在于溫度采樣的準(zhǔn)確定以及實(shí)時(shí)性,采用M4處理,提供的14位AD,能有效到提高采樣的精度,同時(shí)可提高采樣的速度,通過軟件濾波,能實(shí)現(xiàn)溫度采樣的精度在0.2度左右。
      [0025]采用定時(shí)器輸出PID實(shí)時(shí)控制,硬件響應(yīng)約0.2ms,可供應(yīng)500mA以下5?24V的固態(tài)繼電器等負(fù)載。4路溫度PID控制,誤差O?0.5度,支持0N/0FF控制模式。支持PID參數(shù)自整定,只需設(shè)置目標(biāo)溫度,系統(tǒng)自動(dòng)整定比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間,方便調(diào)試和使用。
      [0026]該模塊設(shè)計(jì)獨(dú)具特色的OFFLINE機(jī)制,在工作時(shí),若隨意調(diào)換模塊、模塊損壞將停止工作。
      [0027]供電由端子臺(tái)外接24V供應(yīng),可靠適應(yīng)范圍為24V±25%,隔離電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用小功率開關(guān)電源,容量5W。因熱電偶電動(dòng)勢變化量很低,如K型約4uV/0.1°C,S型約0.5uV/0.1°C。為了抑制雜訊,即盡量降低熱電偶除自身熱電勢以外對(duì)采樣影響的其他載流形式,模塊電源方面設(shè)有適宜的共模抑制器件、低分布電容的隔離器件。并留出一個(gè)接地端子,它通過
      0.1UF電容接模擬地,當(dāng)電偶存在3MHZ以下較低頻載流時(shí),該接地端子接低噪聲的金屬介質(zhì)即可有效降噪。
      [0028]接線端子臺(tái)排布:采集板上的端子臺(tái)采用通用的雙排柵欄20腳型,在模塊開機(jī)的半小時(shí)后,前后排端子溫差逐步增大,最大可相差3度,給冷端的準(zhǔn)確檢測帶來威脅。為了盡量降低該溫差對(duì)冷端檢測影響,同通道的電偶電極放在同一排,實(shí)測若出廠校準(zhǔn)良好,當(dāng)四個(gè)通道檢測同一物體溫度時(shí),通道間溫度差值不大于0.5度。LI?L4對(duì)應(yīng)第I?4通道的熱電偶電極;Fl?F4對(duì)應(yīng)通道的熱電偶信號(hào)降噪端子;YC是數(shù)字量輸出公共端,Yl?Y3對(duì)應(yīng)通道的數(shù)字量輸出。I?2腳是24V±25%電源輸入,提供給采集板上的模擬數(shù)字電路。3腳是模擬電路公共地隔直端。
      [0029]四路熱電偶前置:基于雙刀四擲開關(guān)結(jié)構(gòu),由8只光耦繼電器組成。光耦繼電器優(yōu)點(diǎn)是無極性,高阻負(fù)載應(yīng)用可視為透明傳輸,和數(shù)字控制信號(hào)隔離降低干擾。每通道開啟25ms逐一循環(huán),四路即100ms。同時(shí)也為了抑制外部雜訊,每個(gè)熱電偶并聯(lián)上兩只0.1UF串聯(lián)的電容,電容中間抽頭接F端子,當(dāng)熱電偶載有3MHZ以上的雜訊(過強(qiáng)的訊號(hào)需要將余長的熱電偶平繞成空心線圈),F(xiàn)接低噪聲的金屬介質(zhì)即可有效降噪。
      [0030]小信號(hào)放大:光親繼電器輸出的各路熱電偶信號(hào)(量程-30mV?+80mV)放大處理。信號(hào)經(jīng)鉗位、10兆歐上拉、RC濾波后進(jìn)入儀表運(yùn)放INA333。儀放由土 2.5V供應(yīng),將熱電偶電勢放大約20倍,并和第5腳參考電壓0.8V相加作為儀放6腳輸出的電壓。供應(yīng)給ADC是“0.8V”和“儀放輸出”兩根線。該兩根線“絕對(duì)電壓”落在ADC量程O?2.5V內(nèi),而且“電壓差”正好是熱電偶電勢的20倍電壓,和精度不高的0.8V無關(guān)。應(yīng)用儀放優(yōu)點(diǎn)是可差分高阻抗輸入;電路極精簡,增益決定器件僅一只,溫漂和傳統(tǒng)運(yùn)放“比例放大”相比至少降低一半;低溫漂(0.2uV/°C);該電路輸出電壓可匹配差分輸入型的ADC采樣器。
      [0031]模擬量采樣處理:由主控芯片STM32F373的SDADC擔(dān)任,16位分辨率,最多同時(shí)容納三對(duì)差分形式輸入。差分輸入比單端輸入可大大降低負(fù)載的波動(dòng)壓降、地層游離的噪聲、分布的熱電偶等影響,從而提高共模抑制水平、信噪比。我們應(yīng)用其中的一對(duì)差分輸入,當(dāng)切換到某一通道時(shí)SDADC讀取通道值,填入對(duì)應(yīng)通道的數(shù)據(jù)寄存器。電壓基準(zhǔn)采用低溫漂高穩(wěn)度的2.5V基準(zhǔn)芯片REF3325,僅5PPM/°C,為高穩(wěn)采樣提供條件。
      [0032]冷端采集:由NTC型1K±I %熱敏電阻和高精度電阻串聯(lián),CPU片內(nèi)12位ADC采樣熱敏電阻分壓值。它們供電和CPU基準(zhǔn)電壓相同,則實(shí)時(shí)采樣值不受基準(zhǔn)電壓影響。每顆熱敏電阻放置在對(duì)應(yīng)熱電偶通道電極的PCB周邊適宜地方,盡量做到它傳遞的溫度阻值和對(duì)應(yīng)通道的熱電偶電極溫度一一對(duì)應(yīng),可靠測量溫度-40?+85度。
      [0033]冷端工作算法:假設(shè)設(shè)置某通道為J型熱電偶,模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集到的模擬量值轉(zhuǎn)化成溫度值,該溫度值通過公式得到對(duì)應(yīng)該溫度下J型熱電偶的電勢EL。當(dāng)J型熱電偶端子檢測出電勢為EO時(shí),把EO-EL值帶入J型熱電偶公式,得出實(shí)際測量溫度。
      [0034]數(shù)字量輸出:采用晶體管集電極開路輸出,硬件響應(yīng)約0.2ms,由CPU片內(nèi)定時(shí)器操作??晒?yīng)500mA以下5?24V的固態(tài)繼電器等負(fù)載。
      [0035]基于串口基礎(chǔ)通訊由通訊板近些年主動(dòng)發(fā)出指令然后由采集板返回對(duì)應(yīng)通道數(shù)據(jù)(攝氏度)。然后由通訊板計(jì)算為華氏度寫入BFM。溫度測量由16位的PffM轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)電壓,然后加上泠端測量的溫度用熱電偶的逆向公式計(jì)算后的電壓,重新計(jì)算為溫度。同時(shí)冷端和熱端都有分開的校準(zhǔn)方式進(jìn)行校準(zhǔn)。
      【主權(quán)項(xiàng)】
      1.一種基于嵌入PLC的LTC溫度控制擴(kuò)展模塊裝置,包括接線端子臺(tái)、光耦隔離單元、熱電偶輸入單元、降噪電容、小信號(hào)放大電路、共模抑制單元、整流電路、基準(zhǔn)電壓、8MHz單元、復(fù)位單元、電源輸出單元、電源轉(zhuǎn)換單元、微控單元、數(shù)字量輸出單元、冷端傳感器和通訊板連接器,其特征在于:接線端子臺(tái)分別連接光耦隔離單元、熱電偶輸入單元、降噪電容和共模抑制單元,熱電偶輸入單元分別連接降噪電容和小信號(hào)放大電路,共模抑制單元連接整流電路,整流電路連接電源輸出單元,電源輸出單元連接電源轉(zhuǎn)換單元,光親隔離單元、熱電偶輸入單元、小信號(hào)放大電路、基準(zhǔn)電壓、SMHz單元、復(fù)位單元和通訊板連接器分別連接微控單元,數(shù)字量輸出單元和冷端傳感器分別連接通訊板連接器。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于嵌入PLC的LTC溫度控制擴(kuò)展模塊裝置,其特征在于:所述的熱電偶輸入單元為四路熱電偶輸入,由8只光耦繼電器組成。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于嵌入PLC的LTC溫度控制擴(kuò)展模塊裝置,其特征在于:所述的冷端傳感器由熱敏電阻和高精度電阻串聯(lián)組成。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于嵌入PLC的LTC溫度控制擴(kuò)展模塊裝置,其特征在于:所述的微控單元包括STM32F103CX單片機(jī)芯片。
      【文檔編號(hào)】G05B19/042GK205691984SQ201620536051
      【公開日】2016年11月16日
      【申請(qǐng)日】2016年6月6日 公開號(hào)201620536051.0, CN 201620536051, CN 205691984 U, CN 205691984U, CN-U-205691984, CN201620536051, CN201620536051.0, CN205691984 U, CN205691984U
      【發(fā)明人】歐新木, 黃繼波, 李祥, 許章赫
      【申請(qǐng)人】福州富昌維控電子科技有限公司
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