一種基于嵌入plc的ltc溫度控制擴展模塊裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種基于嵌入PLC的LTC溫度控制擴展模塊裝置，包括接線端子臺、光耦隔離單元、熱電偶輸入單元、降噪電容、小信號放大電路、共模抑制單元、整流電路、基準電壓、8MHz單元、復位單元、電源輸出單元、電源轉換單元、微控單元、數字量輸出單元、冷端傳感器和通訊板連接器，接線端子臺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放大電路，共模抑制單元連接整流電路，本實用新型設計合理，使用方便，提供14位AD，能有效到提高采樣的精度，同時可提高采樣的速度，通過濾波，能實現溫度采樣的精度在0.2度左右。
【專利說明】
一種基于嵌入PLC的LTC溫度控制擴展模塊裝置
技術領域
[0001 ]本實用新型具體涉及一種基于嵌入PLC的LTC溫度控制擴展模塊裝置。
【背景技術】
[0002]目前國內外通用型PLC擴展接口大多采用并行的接口，結構復雜，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，因為排線的長度、排線的材質限制，從而帶動的模塊不多，需要大量模塊級聯時候，客戶還要購買擴展單元，這樣產品的成本大大上升。絕大廠家擴展通信接口電路十分復雜，有的同品牌不同模塊的通信電路方案還不一樣，在不同機型間的可移植性不高、兼容性差，增加生產的工藝資源。
[0003]國內外許多廠家的熱電偶采集裝置冷端處理采用單路PTC、二極管補償。前者PTC一般應用100歐或10歐，跟幾K電阻串聯分壓后接運放。后者利用二極管PN結溫漂特性實現冷端溫度檢測，但電路更繁瑣，需要搭成平衡電阻電橋，二極管并聯在其中一個臂，兩個中間節點送至放大器。它們共同點是要另設一個運放單元。該兩種方案均電路較復雜，造價高，難校準(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，否則誤差大，即需兩種溫度環境)，在端子外觀較長時多路應用誤差較大。
【實用新型內容】
[0004]本實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溫度控制擴展模塊裝置。
[0005]本實用新型的目的是通過以下技術方案實現的:
[0006]一種基于嵌入PLC的LTC溫度控制擴展模塊裝置，包括接線端子臺、光耦隔離單元、熱電偶輸入單元、降噪電容、小信號放大電路、共模抑制單元、整流電路、基準電壓、8MHz單元、復位單元、電源輸出單元、電源轉換單元、微控單元、數字量輸出單元、冷端傳感器和通訊板連接器，接線端子臺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換單元，光親隔離單元、熱電偶輸入單元、小信號放大電路、基準電壓、8MHz單元、復位單元和通訊板連接器分別連接微控單元，數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組成。
[0009]微控單元包括STM32F103CX單片機芯片。
[0010]本實用新型具有如下有益的效果:
[0011]本實用新型設計合理，使用方便，提供14位AD，能有效到提高采樣的精度，同時可提高采樣的速度，通過濾波，能實現溫度采樣的精度在0.2度左右，采用定時器輸出PID實時控制，硬件響應約0.2ms，可供應500mA以下5?24V的固態繼電器等負載，4路溫度PID控制，誤差O?0.5度，支持ON/OFF控制模式，支持PID參數自整定，只需設置目標溫度，系統自動整定比例系數、積分時間和微分時間，方便調試和使用。
【附圖說明】
[0012]圖1為本實用新型的整體結構示意圖；
[0013]圖2為本實用新型的接線端子臺電路圖；
[0014]圖3為本實用新型的第一路熱電偶輸入電路；
[0015]圖4為本實用新型的第二路熱電偶輸入電路；
[0016]圖5為本實用新型的前端小信號放大電路；
[0017]圖6為本實用新型的冷端傳感器電路；
[0018]圖7為本實用新型的數字量輸出電路。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖對本實用新型作進一步的說明:
[0020]如圖1所示，一種基于嵌入PLC的LTC溫度控制擴展模塊裝置，包括接線端子臺1、光耦隔離單元2、熱電偶輸入單元3、降噪電容4、小信號放大電路5、共模抑制單元7、整流電路
8、基準電壓6、8MHz單元9、復位單元10、電源輸出單元11、電源轉換單元12、微控單元13、數字量輸出單元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連接電源轉換單元12，光耦隔離單元2、熱電偶輸入單元3、小信號放大電路5、基準電壓6、8MHz單元9、復位單元10和通訊板連接器16分別連接微控單元13，數字量輸出單元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組成。
[0023]微控單元13包括STM32F103CX單片機芯片。
[0024]熱電偶信號處理，溫度PID控制，關鍵在于溫度采樣的準確定以及實時性，采用M4處理，提供的14位AD，能有效到提高采樣的精度，同時可提高采樣的速度，通過軟件濾波，能實現溫度采樣的精度在0.2度左右。
[0025]采用定時器輸出PID實時控制，硬件響應約0.2ms，可供應500mA以下5?24V的固態繼電器等負載。4路溫度PID控制，誤差O?0.5度，支持0N/0FF控制模式。支持PID參數自整定，只需設置目標溫度，系統自動整定比例系數、積分時間和微分時間，方便調試和使用。
[0026]該模塊設計獨具特色的OFFLINE機制，在工作時，若隨意調換模塊、模塊損壞將停止工作。
[0027]供電由端子臺外接24V供應，可靠適應范圍為24V±25%，隔離電源轉換器應用小功率開關電源，容量5W。因熱電偶電動勢變化量很低，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采樣影響的其他載流形式，模塊電源方面設有適宜的共模抑制器件、低分布電容的隔離器件。并留出一個接地端子，它通過
0.1UF電容接模擬地，當電偶存在3MHZ以下較低頻載流時，該接地端子接低噪聲的金屬介質即可有效降噪。
[0028]接線端子臺排布:采集板上的端子臺采用通用的雙排柵欄20腳型，在模塊開機的半小時后，前后排端子溫差逐步增大，最大可相差3度，給冷端的準確檢測帶來威脅。為了盡量降低該溫差對冷端檢測影響，同通道的電偶電極放在同一排，實測若出廠校準良好，當四個通道檢測同一物體溫度時，通道間溫度差值不大于0.5度。LI?L4對應第I?4通道的熱電偶電極;Fl?F4對應通道的熱電偶信號降噪端子;YC是數字量輸出公共端，Yl?Y3對應通道的數字量輸出。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:基于雙刀四擲開關結構，由8只光耦繼電器組成。光耦繼電器優點是無極性，高阻負載應用可視為透明傳輸，和數字控制信號隔離降低干擾。每通道開啟25ms逐一循環，四路即100ms。同時也為了抑制外部雜訊，每個熱電偶并聯上兩只0.1UF串聯的電容，電容中間抽頭接F端子，當熱電偶載有3MHZ以上的雜訊(過強的訊號需要將余長的熱電偶平繞成空心線圈)，F接低噪聲的金屬介質即可有效降噪。
[0030]小信號放大:光親繼電器輸出的各路熱電偶信號(量程-30mV?+80mV)放大處理。信號經鉗位、10兆歐上拉、RC濾波后進入儀表運放INA333。儀放由土 2.5V供應，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。供應給ADC是“0.8V”和“儀放輸出”兩根線。該兩根線“絕對電壓”落在ADC量程O?2.5V內，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。應用儀放優點是可差分高阻抗輸入;電路極精簡，增益決定器件僅一只，溫漂和傳統運放“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擔任，16位分辨率，最多同時容納三對差分形式輸入。差分輸入比單端輸入可大大降低負載的波動壓降、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。我們應用其中的一對差分輸入，當切換到某一通道時SDADC讀取通道值，填入對應通道的數據寄存器。電壓基準采用低溫漂高穩度的2.5V基準芯片REF3325，僅5PPM/°C，為高穩采樣提供條件。
[0032]冷端采集:由NTC型1K±I %熱敏電阻和高精度電阻串聯，CPU片內12位ADC采樣熱敏電阻分壓值。它們供電和CPU基準電壓相同，則實時采樣值不受基準電壓影響。每顆熱敏電阻放置在對應熱電偶通道電極的PCB周邊適宜地方，盡量做到它傳遞的溫度阻值和對應通道的熱電偶電極溫度一一對應，可靠測量溫度-40?+85度。
[0033]冷端工作算法:假設設置某通道為J型熱電偶，模數轉換器采集到的模擬量值轉化成溫度值，該溫度值通過公式得到對應該溫度下J型熱電偶的電勢EL。當J型熱電偶端子檢測出電勢為EO時，把EO-EL值帶入J型熱電偶公式，得出實際測量溫度。
[0034]數字量輸出:采用晶體管集電極開路輸出，硬件響應約0.2ms，由CPU片內定時器操作。可供應500mA以下5?24V的固態繼電器等負載。
[0035]基于串口基礎通訊由通訊板近些年主動發出指令然后由采集板返回對應通道數據(攝氏度)。然后由通訊板計算為華氏度寫入BFM。溫度測量由16位的PffM轉換為對應電壓，然后加上泠端測量的溫度用熱電偶的逆向公式計算后的電壓，重新計算為溫度。同時冷端和熱端都有分開的校準方式進行校準。
【主權項】
1.一種基于嵌入PLC的LTC溫度控制擴展模塊裝置，包括接線端子臺、光耦隔離單元、熱電偶輸入單元、降噪電容、小信號放大電路、共模抑制單元、整流電路、基準電壓、8MHz單元、復位單元、電源輸出單元、電源轉換單元、微控單元、數字量輸出單元、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換單元，光親隔離單元、熱電偶輸入單元、小信號放大電路、基準電壓、SMHz單元、復位單元和通訊板連接器分別連接微控單元，數字量輸出單元和冷端傳感器分別連接通訊板連接器。2.根據權利要求1所述的一種基于嵌入PLC的LTC溫度控制擴展模塊裝置，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.根據權利要求1所述的一種基于嵌入PLC的LTC溫度控制擴展模塊裝置，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組成。4.根據權利要求1所述的一種基于嵌入PLC的LTC溫度控制擴展模塊裝置，其特征在于:所述的微控單元包括STM32F103CX單片機芯片。
【文檔編號】G05B19/042GK205691984SQ201620536051
【公開日】2016年11月16日
【申請日】2016年6月6日 公開號201620536051.0, CN 201620536051, CN 205691984 U, CN 205691984U, CN-U-205691984, CN201620536051, CN201620536051.0, CN205691984 U, CN205691984U
【發明人】歐新木, 黃繼波, 李祥, 許章赫
【申請人】福州富昌維控電子科技有限公司