王 睿,余有靈

(同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,上海200092)

遠(yuǎn)程測(cè)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(duì)分布距離遠(yuǎn)、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(duì)應(yīng)的城市燃?xì)忸I(lǐng)域由于技術(shù)的滯后和應(yīng)用特點(diǎn)與RTU有著極大的不同,所以并無類似的產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)就是基于這一前提，針對(duì)城市燃?xì)庀到y(tǒng)開發(fā)的燃?xì)獗O(jiān)測(cè)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?xì)忸I(lǐng)域廣泛地應(yīng)用。同時(shí)，本設(shè)計(jì)將國(guó)際新興的功能安全理念引入設(shè)計(jì)中，填補(bǔ)了國(guó)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(jì)思路

系統(tǒng)主要由AD采樣單元、中央處理單元、GPRS信號(hào)遠(yuǎn)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(jì)傳輸?shù)? mA～20 mA信號(hào),該信號(hào)經(jīng)過AD采樣傳輸給中央處理單元轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再通過數(shù)字遠(yuǎn)傳單元傳輸給遠(yuǎn)端的中央控制系統(tǒng)。

2 本安供電單元的設(shè)計(jì)

本安供電單元為一個(gè)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(hào)遠(yuǎn)傳單元、AD采樣單元以及現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)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?xì)獗O(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所以系統(tǒng)整體有防爆要求。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用于燃?xì)忸I(lǐng)域的防爆方式經(jīng)常混合使用本安防爆和隔爆(防爆標(biāo)志通常為Exd II ia)，本系統(tǒng)采用設(shè)計(jì)要求更高的本安防爆（防爆標(biāo)志EX II ia)設(shè)計(jì)。

本安防爆限能模塊由齊納二極管、功率電阻以及保險(xiǎn)絲組成，如圖3所示。由于絕大多數(shù)流量計(jì)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(hù)的設(shè)備》[1]中對(duì)于本安電路電壓和電流的相關(guān)要求，參考最小點(diǎn)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(duì)應(yīng)礦井甲烷，IIC類設(shè)備對(duì)應(yīng)氫氣，在這里為了有更廣泛的適應(yīng)性，能夠給流量計(jì)更寬泛的供電能力，選擇IIA類，可以得到最小點(diǎn)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(duì)于每一個(gè)配電支路，為了確保在故障狀態(tài)下不會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)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(xiǎn)絲，將限流水平選擇在超過400 mA時(shí)瞬間熔斷作為選擇標(biāo)準(zhǔn)。

3 AD采樣單元電路設(shè)計(jì)

由于MSP430單片機(jī)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(gè) 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(gè)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(jì)

中央處理單元主要由MSP430單片機(jī)最小系統(tǒng)構(gòu)成，包括電源電路、復(fù)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(dòng)電路)以及一個(gè)4×4的鍵盤。

5 GPRS數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊電路設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、語(yǔ)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(gè)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(yǔ)音、數(shù)據(jù)信號(hào)，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(yǔ)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(dòng)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(gè)MAX3238為核心的串口通信電路與MSP430單片機(jī)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(yǔ)音通信。

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件主要由上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件組成。上位機(jī)主要包括人機(jī)界面、調(diào)試模塊、檢驗(yàn)?zāi)K、數(shù)據(jù)顯示和報(bào)警模塊;下位機(jī)軟件主要包括JTAG通信模塊、GPRS通信模塊和控制模塊。上位機(jī)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(jī)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(jì)流程

7 基于本系統(tǒng)的功能安全討論

國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)的標(biāo)準(zhǔn)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(jiǎn)稱SIS)[3],專用于各種危險(xiǎn)場(chǎng)合來避免系統(tǒng)發(fā)生危險(xiǎn)或者減小危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)對(duì)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(shì)。在本設(shè)計(jì)中，可以基于這一考慮，在之前的各項(xiàng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)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(jì)的各個(gè)配電電路中增加一個(gè)繼電器，系統(tǒng)關(guān)停時(shí)繼電器開路。當(dāng)系統(tǒng)完成自檢后，繼電器閉合，流量計(jì)開始工作。當(dāng)檢測(cè)到燃?xì)饬髁慨惓r(shí),首先進(jìn)入報(bào)警，當(dāng)流量計(jì)檢測(cè)到流量超過安全上限后，切斷流量計(jì)電源;當(dāng)流量計(jì)處于短線狀態(tài)時(shí)，也切斷流量計(jì)電源并報(bào)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)性，還要進(jìn)行額外的故障插入測(cè)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行電磁兼容性相關(guān)測(cè)試，以提高系統(tǒng)的可應(yīng)用性。對(duì)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(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī))的場(chǎng)合，其電磁環(huán)境復(fù)雜，如果沒有良好的電磁兼容設(shè)計(jì)和相關(guān)測(cè)試，無法保證系統(tǒng)達(dá)到安全儀表系統(tǒng)所需要的安全等級(jí)。此外，依據(jù)IEC61000標(biāo)準(zhǔn)，在進(jìn)行印刷電路板設(shè)計(jì)時(shí)也要遵循標(biāo)準(zhǔn)所涉及的各項(xiàng)制版要求。

本系統(tǒng)滿足以上各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求，功能全面、價(jià)格經(jīng)濟(jì)，安全性和可靠性較為突出，相比目前廣泛使用的非集成燃?xì)獗O(jiān)控系統(tǒng)有著更好的應(yīng)用前景。如果換用更為強(qiáng)大的32位單片機(jī)，進(jìn)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(chǎng)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(chǎng)。

[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(hù)的設(shè)備[S].中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì),2010.

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

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