Mod bus總線式本質(zhì)安全柵的研究與驗證
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伍 堿1 趙懷林1 王 林1 杜 剛2 王竹平2
（上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院1，上海201418；上海辰竹儀表有限公司2，上海201612）
摘要：在石油、石化等具有潛在爆炸性環(huán)境的過程行業(yè)中，須采取高效的防爆措施，因此，對本質(zhì)安全柵的研究顯得尤為重要。對本安防爆技術(shù)、基于Mod bus通信協(xié)議等作了詳細的研究，并給出設(shè)計本安產(chǎn)品參數(shù)值的計算方法。采用Ⅱ公司生產(chǎn)的ADS1247采樣芯片和MSP430F149單片機完成產(chǎn)品設(shè)計，解決了復(fù)合波雷電沖擊時儀表輸出數(shù)值的偏差大以及溫漂高于平均值等設(shè)計難點。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性、操作性與可靠性。
關(guān)鍵詞：防爆本質(zhì)安全柵Mod bus協(xié)議ADS1247 MSP430F149智能儀表
中圖分類號：TH7；TP216DOI:10. 16086/j. cnki．issn 1000 - 0380. 201606006
0 引言
本安型儀表即本質(zhì)安全型儀表，在正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下，其電路系統(tǒng)產(chǎn)生的火花和達到的溫度都不會引燃爆炸性混合物。但它不能單獨使用，必須和本安關(guān)聯(lián)設(shè)備安全柵、外部配線一起組成本安電路，才能發(fā)揮防爆功能。
本安防爆型安全柵是本安防爆系統(tǒng)的重要組成部分。為了保證電氣設(shè)備在正常工作或發(fā)生短接和元器件損壞等故障的情況下，所產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)不至于引起其周圍可能存在的危險氣體的爆炸，安全柵利用限流和限壓原理，限制了從安全場所傳遞到危險場所的能量。
在本安系統(tǒng)中，危險側(cè)的簡單設(shè)備雖然自身不產(chǎn)生超過標(biāo)準要求的能量，但卻無法限制由于安全區(qū)的設(shè)備故障導(dǎo)致的大電流、高電壓輸入所產(chǎn)生的危險火花。因此，要保證現(xiàn)場的絕對安全，必須為其回路設(shè)置安全限能措施。本質(zhì)安全柵恰好能滿足上述要求，保證危險區(qū)現(xiàn)場本安儀表與安全區(qū)PLC/DCS系統(tǒng)的隔離傳輸，從而構(gòu)成本安系統(tǒng)。
Mo d bus總線技術(shù)是應(yīng)用于控制器的一種通用高性能工業(yè)標(biāo)準，可解決模擬量信號在工業(yè)設(shè)備之間傳輸時存在易受干擾和長距離傳輸時信號衰減的問題。本文研究并設(shè)計了帶Mod bus總線通信的本質(zhì)安全柵智能儀表。
1 本質(zhì)安全柵主體模塊
為使儀表傳輸精度不大于0.1%F．S，信號輸入模塊采用Ⅱ高精度24位ADS1247模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片對現(xiàn)場儀表變送器進行采樣處理�，F(xiàn)場信號通過TI的MSP430系列單片機處理后輸出PWM波，并按照Mod bus - RTU協(xié)議，以RS -485電氣總線標(biāo)準輸出4～20 m A電流信號。具體的硬件電路設(shè)計框圖如圖1所示。
輸入電路采用多功能設(shè)計，連接電流源和二線制變送器。輸入部分包含信號采集、信號處理（轉(zhuǎn)換）等。輸入端口原理圖如圖2所示。
由MSP430F系列單片機程序控制，調(diào)制輸出PWM電壓波形。實現(xiàn)方法是通過比較器對程序內(nèi)部標(biāo)定參考電壓值與輸入采樣的電壓值進行比較判斷，最終得到期望的PWM波形信號。輸出的電壓信號串聯(lián)電阻和三極管，使三極管在開啟或關(guān)斷狀態(tài)下工作，從而得到穩(wěn)定的電壓輸出。改變輸入調(diào)制波和載波波形的脈沖寬度，可以得到理想占空比的PWM波形。PWM調(diào)制方式工作原理如圖3所示。
將基準電壓與輸出端分壓電阻反饋的電壓差通過放大器放大，得到誤差放大信號，將其輸入到控制比較器，比較器的另一端輸入ADS1247采集到的鋸齒波信號。當(dāng)鋸齒波電壓大于誤差放大信號值時，比較器輸出高電平，功率晶體管被驅(qū)動導(dǎo)通；反之，功率晶體管被驅(qū)動關(guān)斷。
考慮到復(fù)雜的現(xiàn)場情況，各節(jié)點之間存在很高的共模電壓干擾。雖然RS - 485接口采用差分傳輸方式，具有一定的抗共模于擾能力，但當(dāng)共模電壓超過RS -485接收器的極限接收電壓，接收器就再也無法正常工作，嚴重時甚至?xí)䶮龤酒蛢x器設(shè)備。對此，本硬件電路采用光電耦合器HCPL0501，實現(xiàn)信號隔離，徹底消除兩端共模電壓的干擾問題，提高電路的抗干擾性。
接收器的檢測靈敏度為土200 mV，即差分(UA -UB)≤- 200 mV，輸出邏輯0；輸入端（UA - UB）≥+200 mV，輸出邏輯1；若A、B之間電位差的絕對值小于200 mV，輸出未知。如總線上所有發(fā)送器被禁止，接收器輸出邏輯0，這會被誤認為是由于通信幀起始引起的工作失常。通過在電路中A、B輸出端接上拉、下拉電阻R6、R11，使A處電位高于B處，這樣RXD的電平在RS - 485不發(fā)送期間呈現(xiàn)唯一高頻狀態(tài)，MCU就不會被中斷而接收到亂碼字符。
為了達到工業(yè)現(xiàn)場本安要求，硬件電路在選擇參數(shù)時，計算方法如下。
① 穩(wěn)壓管功率計算：
2 Modbus通信總線模塊
Mod bus協(xié)議的通信采用應(yīng)答方式，由主機發(fā)起請求，從機執(zhí)行請求并應(yīng)答。通�；贛od bus協(xié)議的通信支持兩種傳輸模式：ASCII和RTU。其幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。
此處設(shè)備使用遠程終端單元( remote terminal uint，RTU)模式在Mod bus串行鏈路通信，報文中每個字節(jié)包含有2個4位十六進制字符。這種模式的主要優(yōu)點是在相同的波特率下具有較高的字符密度和比ASCII模式更高的吞吐率。其中，每個報文必須以連續(xù)的字符流傳輸。
2.1 Mod bus部分功能碼
功能碼03 (Ox03)：讀一個或多個寄存器，即讀取從站的數(shù)據(jù)（字）寄存器值（最多可以有125個數(shù)據(jù)寄存器）。此功能碼是系統(tǒng)設(shè)計中主要的實現(xiàn)碼。具體定義如表1、表2所示。
2.2數(shù)據(jù)傳輸命令幀處理過程
PLC在本安防爆儀表數(shù)據(jù)傳輸中，命令幀處理程序包括解析命令幀、處理命令幀和發(fā)送回應(yīng)幀。命令幀程序處理流程如圖5所示。
如從站地址與PLC相符，則對整幀進行CRC 16計算并校驗Mod bus數(shù)據(jù)幀最后2個CRC字節(jié)，如計算的CRC數(shù)值與Mod bus數(shù)據(jù)幀的CRC不一致，則返回并等待PLC重新發(fā)送詢問幀。在處理中根據(jù)收到的數(shù)據(jù)幀功能碼，由PLC進行相應(yīng)的處理，在此例中用到功能碼（如：0x03的讀取功能）。在隨即產(chǎn)生的Mod bus應(yīng)答響應(yīng)幀中寫入功能碼所讀取的現(xiàn)場安全柵數(shù)據(jù)，一同發(fā)送給主機，實現(xiàn)PLC與儀表之間的數(shù)據(jù)交換。在本次發(fā)送結(jié)束后等待新命令的到來。
3試驗測試及分析
本次試驗嚴格按照測試要求，使用專業(yè)的設(shè)備器材進行檢測、調(diào)試。由于試驗內(nèi)容較多，以下列舉浪涌沖擊試驗、輸出開路、短路試驗、電源電壓變換試驗、電快速脈沖群試驗、短時波動試驗等試驗數(shù)值。部分試驗測得的具體數(shù)據(jù)如表3、表4所示。
依據(jù)GB/T 18271.1 - 2000的試驗要求，測試所得的結(jié)果符合行業(yè)儀表設(shè)計標(biāo)準。
測試主要解決的問題包括：EMC測試中抗浪涌沖擊能力，儀表輸出開路和短路影響、儀表響應(yīng)時間等。
抗浪涌沖擊現(xiàn)象是指在進行2 kV/1 kA的8/20 μs和1.5/20μs復(fù)合波雷電沖擊時，儀表輸出數(shù)值發(fā)生了36%的偏差。這使得ADS1247轉(zhuǎn)換芯片出現(xiàn)編譯亂碼的現(xiàn)象，影響儀表的工作性能。
其解決方法有：①通過電路端口設(shè)計抗浪涌電路。采用氣體放電管泄放，以保護電路端口，防止來自外界的浪涌沖擊。②在PCB電路布線時，加大端口的布線寬度，以增強端口的過電流能力。③在A/D轉(zhuǎn)換部分采用中位值平均濾波和一階滯后濾波。
4 PLC／儀表數(shù)據(jù)通信檢測程序
為測試本質(zhì)安全柵的通信性能，系統(tǒng)設(shè)計基于PLC的通信主站，采集從站（安全柵）的偏移量、阻尼系數(shù)等參數(shù)值，并將每個參數(shù)集合傳送到定義的數(shù)據(jù)地址塊中，形成一對一的映射關(guān)系。
定義ADDM:管理通信地址表。本程序在Addr參數(shù)中寫入“1.1”，定義PLC通信端口及從站儀表的設(shè)備地址。使用READ_VAR:連續(xù)讀取功能塊。從目標(biāo)設(shè)備的寄存器區(qū)讀取多個數(shù)據(jù)到功能塊的讀取數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)，最多可讀取遠程設(shè)備中的2 000個連續(xù)位，即125個寄存器。功能塊中命名數(shù)組（如receive bufferl、receivebuffer2、receivebuffer3等）來存放讀取本安防爆儀表的內(nèi)存數(shù)值。
試驗設(shè)計中，當(dāng)PLC多地址模塊同時段讀命令時，會出現(xiàn)System Resource Missing（讀取系統(tǒng)資源缺乏）和Comm Error中的Time Out（功能塊在超時時間到期時停止工作）現(xiàn)象，常常導(dǎo)致通信數(shù)據(jù)讀取失敗或通信中斷，出現(xiàn)系統(tǒng)通信可靠性較差、通用性不強等缺陷。
為此進行程序優(yōu)化，在PLC發(fā)起給主程序讀址模塊上升沿觸發(fā)時，在后續(xù)讀址模塊前加入定時器觸發(fā)延時，以實現(xiàn)主機讀寫延遲操作，解決讀取數(shù)據(jù)堆棧時的擁堵問題。試驗表明：同時掛接32臺儀表從站時，PLC能夠達到穩(wěn)定的運行工作狀態(tài)。
5結(jié)束語
本文詳細設(shè)計了基于Mod bus現(xiàn)場總線的本質(zhì)安全柵智能儀表，主要從安全柵主體模塊和Mod bus通信模塊兩部分進行闡述。在主體硬件設(shè)計完成基礎(chǔ)上，對采集得到的數(shù)字A/D數(shù)據(jù)進行均值濾波處理，按照Mod bus總線通信規(guī)范以及總線通信的特點與主站( PLC)進行數(shù)據(jù)通信。與此同時，開發(fā)了一個配套的PLC通信檢測方案。試驗結(jié)果表明：樣機儀表具備響應(yīng)速度快、高精度轉(zhuǎn)換處理、無亂碼、穩(wěn)定性較高等特性。
