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            SUPMAX800D卡件性能的改進和升級換代

            來源:本站 編輯:admin 發布時間:2020-05-18 16:35:17 文章點擊數:541

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            SUPMAX800D分散控制系統是自儀股份最新開發的具有自主知識產權的新一代大型分散控制系統 (DCS),目前在電力、交通、冶金、化工等工業領域得到了廣泛的應用,并取得良好的市場業績。但是工業控制系統領域的競爭日益激烈,在各大廠商的 產品技術與質量近似的情況下,如何提高自主產品的競爭力和市場占有率,這在擁有遠見卓識的領導層面前不僅迫在眉睫而且已經提上日程。在保證產品性能與質量的前提下,通過改進產品,對系統進 一步升級,不失為提高產品競爭力的有效途徑。而電子產品市場的繁榮與快速發展,大量性能高、價格低的元器件不斷涌現,也為這一途徑的實現提供了可行的技術條件和堅實的技術保障。SUP- MAX800D卡件改進設計項目就是在這樣的背景下應 運而生。


            SUPMAX800D控制系統中IO卡件是其主要組成部分,也是本次改進的主要目標。IO卡件主要接 收上位機的組態和命令并發送到現場設備,同時采 集現場的數據并發送為主控制器DPU,參與系統的 控制。主要包括AI卡(電流輸入卡)、TC卡(熱電 偶輸入卡)、RTD卡(熱電阻輸入卡)、AO卡(電 流輸入卡)、DI卡(數字量輸入卡)和DO卡(數 字量輸出卡)這六種卡件。每一個IO卡件主要由1 塊CPU板和2塊通道板構成。CPU板主要包括 CPU和CPLD等主要的元器件;通道板主要包括實現通道輸入或者輸出功能的元器件。本項目的改進 計劃在滿足卡件功能、性能、結構尺寸不變的前提 下,更新換代各種低功耗、快速、價格優惠的器件, 例如,對于量大的鉭電容采用價格便宜的電解電容, 芯片封裝盡量采用小型的貼片式的,采用無鉛環保的,抗EMC性能好的等等。同時,在軟件設計上對 軟件程序的精簡,去掉臃腫的多余代碼。采用新器件改進后整個系統會更加輕盈、快捷,具有生機活力,而且性價比高,市場前景廣闊。

            此外,對于RTD卡件,由于國家傾向于批建中 大型電廠項目,而自儀股份所簽約電廠項目也趨于 中大型電廠項目,系統需要測量RTD的點數在不斷 增加。同時國內外其他的控制系統,RTD模塊的點 數均從4點擴大到6點、8點。因此,在對原RTD 卡件(4點)進行硬件改進的同時,還開發新的8點 RTD卡件。這樣原來需要2塊RTD卡件來實現8 路熱電阻信號,現在只需要1塊8點RTD的卡件即 可。這在滿足市場需求的同時,最大程度的進行改 進設計和實現。

            對于SUPMAX800D控制系統中主要IO卡件, 其工作原理如下:

            1. DI數字量輸入卡:供電電壓有24V和48兩 種,輸入方式又有內供電和外供電兩種,總共可以 派生出4類DI卡,來滿足不同的現場需求。電路板都是一致的,通過焊接器件的不同來生產不同的類 型。輸入端有橋式整流電路,通過光電隔離,進入到中間的CPU板進行信號采集和處理。

            2. DO數字量輸出卡:通過選配繼電器板有開路 輸出和觸點輸出兩種,通過CPU的I/O管腳輸出控制電平,來控制場效應管的開或關,從而控制繼電 器的輸出,輸出通道總共16路。

            3. AI模擬量電流輸入卡:接收8路4?20mA電流 信號,可以選擇外供電,提供給老式的兩線制儀表 電源,輸入信號通過精密電阻采樣電壓,通過多路 選擇器,進行雙積分電路的計算,來獲取輸入的電 流量,精度可以在千分之一以內。

            4. AO模擬量電流輸出卡:同時獨立的輸出8路 隔離的4?20mA電流,每路的負載能力在750歐姆。

            5. TC熱電偶輸入卡:接收8路熱電偶信號輸入, 也可作為電壓輸入卡,接收0?5V的輸入,輸入電路同樣用的是雙積分電路。

            6. RTD熱電阻輸入卡:處理PT100和Cu50兩種 類型,4路相互隔離的輸入通道,精度可以達到千分之一。

            針對以上卡件的硬軟件情況,在卡件改進設計 中,確定了相應的設計原理:

            1. 在結構、尺寸、主要功能性能都不變的前提 下,主要選擇成本低的元件替代原來成本高的元件, 實現改進目的。

            2. ACPU和DCPU的PCB不變。主要改AI、 AO、DI、DO、TC、RTD 六種卡件的 PCB。

            3. 鉭電容采用電解電容替代;精密電阻采用小型 貼片式精密電阻;luF/50V電容改為0805封裝。

            4. 三極管和MOSFET采用較小功率的型號,體 積和成本都得到了降低。

            5. EEPROM 采用 24C02,IIC 接口。降低了成 本。但軟件要做相應的修改。

            6. 接插件采用便宜的接插件。

            7. LED燈采用便宜的型號,封裝不變。

            而對于8點RTD卡件,相應的設計前提如下:

            1) 在4路的RTD模塊基礎上擴大點數到8路。

            2) 不需要修改RTD的機械結構,不需要額外 對現場接線端子進行修改,方便接入到控制系統 中。

            3) 不需要更換CPU等元器件,僅僅增加RTD 信號采集通道。

            4) 最小改動的原則,以最低的人力物力,來實 現8點RTD的功能,最大節約資源。

            當確定設計原理后,便是概要設計與詳細設計, 即初樣設計。然后是PCB布線,準備器件清單,進 行器件采購。在此過程中,電子元器件的篩選和替 換是產品設計中的關鍵。研發人員將原卡件板子上 能改動的元器件列出清單,并就當前電子市場上能 夠找到的相應的能替代的元器件進行列表和排序, 根據以下篩選原則進行篩選:1、不影響性能;2、 價格便宜;3、采購容易;4、改動小。篩選出的元 器件還要依次上板子進行調試,是否最終滿足設計 要求。經過大量元器件信息的篩選,經過研發人員 的多次實驗,最后才確定下替換元器件的清單,總 共約33個。在硬件、軟件完成設計并調試后,再進 行系統聯調。并按照SUPMAX800D控制系統的企 業標準進行全性能測試,最終測試全部通過。

            在這個過程中,一度遇到不少難題,但是在研 發團隊的努力和堅持下,使問題得到完美解決。比 如AO卡件的電流一度輸出不正確。經檢查,發現 替換的元器件運算放大器FHP3130IM8X有問題。經 過試驗換回原來的OPA703后,同時將AO的PWM 波的光耦前端電阻需要從3.3K換成2K后,解決了 問題。又比如在全性能測試中,發現AI卡件的電快 速群脈沖試驗通不過。經過檢查和分析,將AI卡通 道輸入的開關三極管NTF3055L108T1G換為改進以 前MTD3055VL后,試驗通過。而8點RTD的開發 難點在于一個采樣CPU只具有兩個外部中斷,原來 4點RTD時,一個外部中斷處理一個通道的數據。 而現在8點RTD,需要解決一個外部中斷處理兩個 通道的數據的難點。研發人員經過不懈的努力,解 決的這個難點,保證項目的順利完成。

            最后該產品達到的主要技術指標如下:

            1、AI模擬量信號輸入卡(AI),完成4?20mA輸 入信號的采集功能,精度要求為±0.1%FS。

            2、毫伏信號輸入卡(TC),完成熱電偶信號的 采集功能。精度要求如下:

            0?5V 為 ±0.1%FS;

            0?100mV 為 ±0.2%FS;

            0?20mV精度要求為±0.3%FS。

            3、熱電阻信號輸入卡(RTD),完成對熱電阻 信號的采集,精度要求如下:

            PT100 精度為±0.2FS;

            Cu50 精度為 ±0.3FSd

            4、模擬信號輸出卡(AO),實現(4?20) mA

            電流的輸出,精度要求為±0.1%FS。 5、數字信號 輸入卡(DI),實現16路0、48V電平或干觸點數字 量輸入。

            6、—字信號輸出卡(DO),實現16路輸出開關 量或干觸點信號。

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            由于本項目設計的IO卡件,是在器件的主要參 數不變的前提下,對IO卡件中影響價格比較大的器 件進行了更換,從而在設計的源頭就把好關。因此 設計后的IO卡件功能、性能、結構尺寸等都沒有發 生變化,滿足SUPMAX800D控制系統的企業標準。 并且按照SUPMAX800D控制系統的企業標準進行 全性能測試,滿足標準的要求。同時SUPMAX800D 卡件改進設計的IO卡件是公司自行開發、設計、生 產,可以充分利用自儀公司的集團優勢,使產品的 成本相對比較低,同國內產品相比具有一定的價格 優勢。因此大規模的投產應用,不僅具有良好的經 濟效益,而且還有良好的社會效益。

            SUPMAX800D分散控制系統是自儀股份拳頭產 品,在“系統做大,儀表做強”的戰略目標下,堅 定不移創出自己的品牌,走出自己的特色。本次 SUPMAX800D卡件改進設計項目充分響應了公司在 新市場環境下的應變策略。通過自身性能改進和升 級換代,以穩定、可靠的性能和高性價比產品,來 提高公司產品市場競爭力和占有率,在良性競爭的 同時,提升公司產品知名度和美譽度,未來將在工 業控制領域屢創佳績,再塑輝煌。


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