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经验文献 / _仪表知识

智能差压变送器及其故障保护技术在船舶主机压力参数监测中的应用

发布时间:2019-08-28  发布作者:

摘要:船舶主机压力测量常采用二线制压力变送器,此类变送器需外部DC24V供电,一旦传感器外部故障,则24V或外部其它干扰高压会对后续5V工作电压的监测系统造成损害,严重时会造成全船主机监测系统的故障。为了解决此类问题,本文提出并设计出了以智能差压变送器及其故障保护技术为核心,单片机为数据处理中心的压力参数采集系统。此技术构建的采集系统,工作稳定可靠,抗干扰、抗故障能力较强,精度高,实时性好。可广泛应用到船舶机舱自动化监测与控制中。
 
0 引言
船舶主机运行中有大量的压力参数需要实时监测,如主机滑油压力、燃油压力、淡水压力、海水压力、增压压力(扫气压力),启动空气压力、控制空气压力等,这些压力反映了主机运行状况,对于管理操纵主机十分重要。目前压力参数监测技术日趋完善,压力变送器绝大部分采用二线制4~20mA电流型。此种传感器工作稳定,线路简单,工作电源与输出电流共用2线,故称二线制。此类压力测量系统中,电路测量部分是一组DC5V电源,压力传感器供电又是另一组DC24V电源,两组电源共地。这样监测电路与传感器之间没有智能差压变送器,一旦传感器内部故障或外部线路故障(如接地、绝缘下降等),会立即影响监测电路及系统的工作,严重时会造成监测系统损坏。为了提高系统可靠性,防止外部局部故障造成更大的系统故障,有必要在压力传感器与监测电路之间进行电气全隔离。
 
1 主机压力参数确定
以某船主机为例,主机型号为 18V390 二冲程增压中冷大功率中速柴油机,包含主机滑油压力、启动空气压力等 12 个压力参数,这些压力测点均采用 4~20 mA 二线制压力变送器。
 
2 压力采集系统硬件设计
2.1 硬件框图
压力参数监测系统硬件组成见图 1。
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对图 1 中的符号说明如下:
1—带故障保护的 8 路电子模拟开关
2—隔离放大器 ISO122P(输入级)
3—隔离放大器 ISO122P(输出级)
4—光电耦合器 TLP521-4 
5—缓冲放大器 2062 
6—A/D 转换器 TLC1549 
7—单片机 AT89S52 
8—RS485 通讯接口 MAX483。
2.2 原理图设计
根据该主机压力参数采集要求,设计的原理图见图 2。
2.3 电路原理分析
2.3.1 压力采集电路
由图 2 可见,外部压力变送器 4~20 mA 电流经 100? 电阻后,形成 0.4~2.0 V 电压,输入到 MAX354 芯片的 8 路模拟多路器输入端,由CPU 控制其选中某一通道接通至输出端。MAX354 是带故障保护的单端 8 通道多路器(多路模拟电子开关),由于输入通道采用了 N 沟道、P 沟道、N 沟道结构,使其具有非常优秀的性能:
 
1)当供电电源全部断开时,其通道全部断开
2)如果发生过压,接通的通道会转为断开,能够承受连续±35V的过电压
3)在故障条件下,输入电流只有纳安级
4)工作电源可自±4.5V至±18V
5)数字量输入电平都与TTL兼容2.3.2模拟信号隔离放大及缓冲电路ISO122P是一款性能优良的隔离放大器,输入模拟电压信号与输出模拟电压信号全部智能差压变送器。输入级与输出级分别独立±5V电源供电,其隔离电压高达500V,满足工业领域的强干扰场合,其隔离放大比为1。2062是高输入阻抗和低输出阻抗的运算放大器,作为缓冲放大器,将输入信号进行1:1放大,提高信号输出能力。
2.3.3数字控制隔离电路为了保证模拟信号与数字信号全隔离,其数字电路部分采用了TLP521-4型4路光电耦合器,由CPU的4条数字控制信号,经TLP521-4隔离后控制MAX354多路器的通道选择。
2.3.4A/D转换电路TLC1549是10位模数转换器。它采用CMOS工艺,具有内在的采集和保持,采用差分基准电压高阻输入,抗干扰,可按比例量程校准转换范围,总不可调整误差达到±1LSB。
 
20190828100055.jpg
 
其工作参数如下:
1)电源电压:+5V
2)输入电压范围:-0.3~VCC+0.3V
3)正基准电压:2.5V
4)输入较大电压:2.5V
5)10位分辨率,满量程值1024D
 
2.3.5CPU电路
CPU采用常见的INTEL系列的8051单片机,具体选型为AT89S52,其基本特性如下:
1)8位CPU
2)256B片内RAM
3)8KB片内EPRAM
4)32根双向I/O口
5)3个16位定时日/计数器
6)5个具有优先级别的中断源
7)全双工异步通信
8)128kB外部程序和数据存储器
9)256个位寻址单元
10)基本指令执行时间1?s
2.3.6数据通讯电路
为了将采集的压力数据进行远程传输,系统采用MAX483作为数据传送芯片,其特点如下:
1)传输协议:RS485(二线)
2)用于无误差数据传送的限斜率
3)-7V~+12V普通输入电压范围
4)三态输出
5)全双工和半双工模式可选择
6)工作电源为单一+5V
7)总线可接128个收发器
8)限流和热敏控制电路为驱动提供过载保护
 
2.3.7电源电路
由于智能差压变送器的需要,本系统设置了3组互相独立的电源,一组DC24V/DC±5V电源供CPU及其辅助电路,一组DC24V/DC±5V供隔离放大器(ISO122P)和压力采集通道多路转换器(MAX354),一组电源DC24V/DC24V供电压力变送器,三组电源输入均由舰电DC24V提供。单片机、传感器、MAX354供电完全隔离。
 
2.3.8压力采集过程分析
隔离的DC24V(+24VS)电源正极经压力传感器正极后,再由传感器负极经采集电路上100?电阻到DC24V负级,形成完整回路。并在100?电阻上形成0.4~2.0V电压(对应4~20mA电流),此电压对应相应的压力,经MAX354带故障保护的电子模拟开关后,进入ISO122P隔离放大器,此放大器输入与输出电气完全隔离,输入独立一组工作电源,输出独立一组工作电源,其隔离电压高达500V,放大倍数1:1。ISO122隔离放大后,输出到2062缓冲放大器,再输入到TLC1549A/D转换器,将电压模拟信号转换成10位数字信号。由TLC1549三线串口与89S52单片机进行交换数据,89S52(CPU)收到此串行数据,经综合处理后,再经MAX483芯片的RS485通讯接口将数据送往上位机。
上述是单通道的采集工作流程,要采集多通道,则由单片机通过P2.0~P2.3发出通道切换指令,经74LS244驱动,TLP521-4光电隔离后,驱动器MAX354切换采集通道。
 
3抗干扰故障保护分析
3.1传感器等外部故障保护
MAX354不论电源+V和-V是否加上,都能对高达±35V的连续输入电压提供完全的故障保护。这些器件使用一个“串联FET”保护方式,这种方式不仅对多路器输出端进行过电压保护,而且把输入电流限制到低于微安级。
图3和图4说明串联FET电路是如何对过压情况进行保护的。当电源是关断时,三个FET的“门”端是接地的。如有一-25V输入,N沟道FETQ1由于+25V的“门至源”电源VGS而导通。而P沟道器件(Q2)则由于有+25V的VGS而关断,这样就避免了输入信号达到输出端。如果输入电压是+25V,则Q1有一负的VGS而关断。同样地,由于任何电压都会使Q1或Q2关断,因而由输础端回流到输入端的漏电流也是低于微安级的。
 
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图 5 示出了当+V 和-V 存在时,一个关断通道的情况。如同图 8 和 9,对任何从-35 V 到+35 V的输入电压总有一个N沟道的或是一个P沟道的器件产关断的。在25℃时,负的过压所引起的漏电流将立即跌落到几个纳安(nA)。对正的过压,一开始将有10或20?A,在几秒以后也将衰减到纳安级。这个衰减的时常数是由于内部节点所贮存的电荷入电而引起,它不影响故障保护方案。
 
20190828100118.jpg
 
图6示出了当+V(+5V)和–V(-5V)存在时,一个接通通道的情况。当输入电压小于±5V,所有三个FET都接通而输入信号出现在输出端。如果输入电压超过+V减去N沟道的门限电压(VTN)则N沟道FET将关断。对更负于–V减去P沟道的门限(VTP)的电压,P沟道器件将关断。由于VTN的典型值是1.5V而VTP的典型值是3V,因而电子模拟开关的输出电压范围被限制在约-2V至+3.5V间(对电源电压为±5V时)。
 
20190828100133.jpg
 
从原理图 2 和图 7 可看出,系统的智能差压变送器原理。电路上分成电气完全隔离的三个部分,一是在舰电输入DC24V电源,二是CPU及其外围电路的DC5V电源,三是传感器DC24V电源、模拟开关、隔离放大器初级的DC5V电源。这三部分电气上完全隔离,电源部分由DC/DC转换后隔离,外部传感器由光电耦合器和隔离放大器与CPU的电路在电气上完全隔离,光耦与隔离放大器初级和次级能经受500V以上电压冲击。
由此可知,DC24V及其地线干扰、外部传感器故障及其线路和地线干扰均不能产生对核心CPU及其电路的干扰和影响,保证压力测量系统的可靠稳定工作,并对外部故障进行彻底隔离,外部出现故障不会影响CPU监测电路的工作,也不会造成CPU及其后续电路的故障。
 
4 软件设计
本系统软件用 8051 汇编语言完成
程序主流程图如图 8 所示。
 
20190828100141.jpg
 
为了提高设备的可靠性,程序上采用数字滤波技术,对压力进行连续多次采样,过滤掉离散性大的数据,并对多次采样数据取平均值。以避免因外界干扰,造成压力数据的跳动。
通道故障判断基本原理,当外部出现故障时,如传感器断线等外部原因造成输入过压,此时MAX354对应的通道N沟道、P沟道、N沟道全部关断,则采集该通道电压值为0V,正常应为0.4~2.0V电压,依据此0V电压可判断该通道有故障。
 
标度变换程序,对于所有压力范围的对应电压均为 0.4~2.0 V 对管理者应直观显示实际压力值,则由标度变换程序完成,以 1.0 MPa 压力变送器为例,其变换公式为显示值=(采集值-0.4 V 电压值)×819.2/1000
 
5 结论
本文阐述了智能差压变送器及其故障保护技术,应用于船舶主机压力监测的工作原理和设计过程,此技术方法已在多艘舰船上应用。使用运行效果十分稳定,未出现故障,有效提高了监测系统的可靠性。此技术可显著提高工业环境下监测系统的抗干扰、抗故障能力,可广泛应用于船舶机舱恶劣环境下的监测与控制。

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