CN211061889U - 基于信号隔离技术的模拟量和信号量采集模块及采集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于信号隔离技术的模拟量和信号量采集模块和采集系统，该采集模块包括第一模拟量信号采集电路；第一模拟量信号输出电路，其输入端与CPU电路的模拟量输出端耦接，并输出第一模拟量信号发送至PLC；CPU电路；第二模拟量信号输出电路，其输入端与CPU电路的模拟量输出端耦接；第二模拟量信号采集电路，其输入端与第二模拟量信号输出电路的输出端耦接，输出端耦接至CPU电路；继电器电路，其用于在CPU电路检测到模拟量信号异常时，切断第一模拟量信号采集电路，将传感器的信号输出接口直接与PLC连接。本实用新型能够将不经过PLC直接采集传感器数据，在采集回路出现异常时，能够将采集回路隔离，保证PLC的正常工作。

Description

基于信号隔离技术的模拟量和信号量采集模块及采集系统

技术领域

本实用新型涉及工控功能模块的技术领域，尤其是涉及一种基于信号隔离技术的模拟量和信号量采集模块及采集系统。

背景技术

以推进工业物联网技术的发展为导向，实现生产制造业产业升级、实现智能制造的大背景下，很多企业投身于工业物联网的大潮之中。要实现工业现场的智能制造，其中最底层的一环是进行数据采集，目前普遍的做法是通过工业现场中用于控制设备的可编程逻辑控制器，简称PLC来进行信号采集；或者另外安装专门用于数据采集的PLC或IOT等其他功能装置进行数据采集。

传统的传感器数据的采集一般采用独立的模拟量采集模块和数字量采集模块，两路信号分别接到PLC上，比如工业现场的一个流量计，流量计直接接入到PLC中，以提供给PLC模拟量信号控制设备运行。但是，进入到PLC中的数据是无法从PLC中拿到的，按照传统的数据采集方式，如果在不想增加新的流量计的情况下采集数据，那么，必须保证采集回路是可靠的，因为一旦采集回路出现问题，那么会影响到给PLC的信号，设备容易发生停机等故障。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的之一是提供一种基于信号隔离技术的模拟量和信号量采集模块，能够将传感器信号发送至PLC，并且不经过PLC直接采集传感器数据，在采集回路出现异常时，能够将采集回路隔离，保证PLC的正常工作。

本实用新型的上述实用新型目的之一是通过以下技术方案得以实现的：一种基于信号隔离技术的模拟量和信号量采集模块，包括：第一模拟量信号采集电路，其输入端与传感器的信号输出接口耦接，输出端耦接至CPU电路；第一模拟量信号输出电路，其输入端与CPU电路的模拟量输出端耦接，并输出第一模拟量信号至PLC；CPU电路，其用于对采集的模拟量信号进行数据处理、转发；第二模拟量信号输出电路，其输入端与CPU电路的模拟量输出端耦接，并输出第二模拟量信号；第二模拟量信号采集电路，其输入端与第二模拟量信号输出电路的输出端耦接，输出端耦接至CPU电路；第二模拟量信号采集电路的输入信号为第二模拟量信号；继电器电路，其用于在CPU电路检测到模拟量信号异常时，切断第一模拟量信号采集电路，将传感器的信号输出接口直接与PLC连接；多个数字量信号采集电路，其输入端与传感器的信号输出接口连接，用于不通过PLC从所述传感器采集数字量信号；RS485总线通讯电路，其与CPU电路连接，用于将数据发送至数据接收装置；以及以太网通讯电路，其与CPU电路连接，用于将数据发送至数据接收装置。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述CPU电路包括基于ARM的32位微控制器。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第一模拟量信号采集电路和第二模拟量信号采集电路均包括差分运放电路和比例放大电路，所述差分运放电路用于将差分信号转成共地信号，所述比例放大电路用于调整发送给CPU电路的模拟量信号。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第一模拟量信号采集电路包括4-20mA、0-20mA、±10mA、0-20mV、0-75mV、0-5V、0-10V、±50mV、±100mV、±5V的其中任意一种或者任意两种及两种以上的组合的模拟量信号的采集。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述数字量采集电路包括支持20kHz及以下的数字量信号的数字量信号的采集电路。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述RS485总线通讯电路的电路中包括ADM2483隔离型RS485收发器。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述RS485总线通讯电路的电路中还包括B0505LM-1系列的DC/DC转换器，其用于实现输入与输出之间1000VDC的隔离。

本实用新型的目的之二是提供一种采集系统，能够针对现场既有的传感器进行改造，既能够使得传感器正常向PLC提供模拟量信号，又能够绕过PLC直接从传感器采集数据，并且在采集回路出现异常时，对异常采集电路进行隔离，保证PLC正常接收传感器信号。

本实用新型的上述实用新型目的之二是通过以下技术方案得以实现的：一种采集系统，包括：至少一个传感器；PLC；数据接收装置；以及所述的基于信号隔离技术的模拟量和信号量采集模块；其中，所述传感器的信号输出接口与PLC耦接，该条支路上设置有第一继电器开关；第一模拟量信号采集电路，其输入端与传感器的信号输出接口耦接，输出端耦接至CPU电路，第一模拟量信号采集电路上设置有第二继电器开关；第一模拟量信号输出电路，其输入端与CPU电路的模拟量输出端耦接，并输出第一模拟量信号发送至PLC；CPU电路，其用于对采集的模拟量信号进行数据处理、转发；第二模拟量信号输出电路，其输入端与CPU电路的模拟量输出端耦接，并输出第二模拟量信号；第二模拟量信号采集电路，其输入端与第二模拟量信号输出电路的输出端耦接，输出端耦接至CPU电路；第二模拟量信号采集电路的输入信号为第二模拟量信号；继电器电路，其用于在CPU电路检测到模拟量信号异常时，控制第一继电器开关动作，将传感器的信号输出接口直接与PLC连接，同时切断第二继电器开关，将所述第一模拟量信号采集电路切断；多个数字量信号采集电路，其输入端与传感器的信号输出接口连接，用于不通过PLC从所述传感器采集数字量信号；RS485总线通讯电路，其与CPU电路连接，用于将数据发送至数据接收装置；以及以太网通讯电路，其与CPU电路连接，用于将数据发送至数据接收装置。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述数据接收装置包括前置服务器，所述CPU电路通过RS485总线通讯电路或以太网通讯电路与所前置服务器通讯连接。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述数据接收装置包括云服务器，所述CPU电路通过所述以太网通讯电路与所述云服务器通讯连接。

综上所述，本实用新型包括以下至少一种有益技术效果：

1.本实用新型能够进行信号的采集、检测和隔离，当发现采集电路信异常时，能够切断采集电路，保证传感器信号正常进入PLC，使得PLC能够稳定地控制设备运行；同时能够绕过PLC，直接从传感器采集数据，现场实施难度较低，成本较低；

2.本实用新型适用于工业现场既有传感器的改造，能够在既有传感器没有闲置通道或者在不增加新的传感器的情况下，依然能够进行PLC的控制和绕过PLC的数据采集，克服了工业现场壁垒。

附图说明

图1本实施新型实施例的基于信号隔离技术的模拟量和信号量采集模块的结构框图。

图2是本实用新型实施例的模拟量采集电路的电路图。

图3是本实用新型实施例的CPU电路的电路图。

图4是本实用新型实施例的模拟量信号输出电路的电路图

图5是本实用新型实施例的数字量采集电路的电路图。

图6是本实用新型实施例的继电器电路的电路图。

图7是本实用新型实施例的以太网通讯电路图。

图8是本实用新型实施例的RS485总线通讯电路图。

图9是本实用新型实施例的开关电源电路图。

图10是本实用新型实施例的电源保护电路图。

图11是本实用新型实施例的采集系统的系统框图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

图1为本实用新型实施例的基于信号隔离技术的模拟量和信号量采集模块的结构框图。参考图1，该采集模块包括第一模拟量信号采集电路、第二模拟量信号采集电路、CPU电路、第一模拟量信号输出电路、第二模拟量信号输出电路、多个数字量信号采集电路、继电器电路、RS485总线通讯电路、以太网通讯电路、开关电源电路以及保护电源电路。其中，第一模拟量信号采集电路，其电路的输入端与传感器的信号输出接口耦接，输出端耦接至CPU电路；第一模拟量信号输出电路，其电路的输入端与CPU电路的模拟量输出端耦接，并输出第一模拟量信号至PLC，PLC根据第一模拟量信号控制设备运行；CPU电路，其主要用于对采集的模拟量信号、数字量信号进行数据处理和转发；第二模拟量信号输出电路，该电路的输入端与CPU电路的模拟量输出端耦接，并输出第二模拟量信号；第二模拟量信号采集电路，其输入端与第二模拟量信号输出电路的输出端耦接，输出端耦接至CPU电路，其中，第二模拟量信号采集电路的输入信号即为第二模拟量信号；继电器电路，其用于在CPU电路检测到模拟量信号异常时，切断第一模拟量信号采集电路，将传感器的信号输出接口直接耦接PLC。本实施例，不需要从PLC中取数据，能够将传感器数据单独采集出来，同时不影响PLC的正常工作；一旦发现采集回路出现信号异常时，能够立刻将采集回路隔离，从而使得传感器与PLC直接连接，保证PLC能够正常采集模拟量信号，对设备进行运行控制，本实施例能够对工业现场既有的传感器进行智能改造，降低了改造成本。

图2是本实用新型实施例的模拟量采集电路的电路图。参考图2，模拟量采集包括两路0-10V模拟量信号采集电路，两路0-10V模拟量信号采集电路具有与传感器信号输出接口连接的正输入端EXT I1+和负输入端EXT T1-以及输出端；其中，一条采集电路的输出端与CPU电路的一个输入端AIN1连接，另一条采集电路的输出端与CPU电路的另一个输入端AIN2连接；以第一条模拟量信号采集电路为例，其中主要包括差分运放电路和比例放大电路，传感器信号进入后流经第一个芯片为U11A，型号为LM224AD，其为差分运放，作用是使差分信号转成共地的信号，之后经过第二个芯片U10A，型号MCP6002，其为运放构成的比例放大器，通过调整电位器P1调整给CPU电路的模拟信号；另外，D2的功能主要为差压保护；模拟量信号的采集电路不仅限于0-10V一种，其根据传感器以及现场配置，可以集成4-20mA、0-20mA、±10mA、0-20mV、0-75mV、0-5V、0-10V、±50mV、±100mV、±5V的其中任意一种或者是任意两种及两种以上的组合。模拟量采集电路为独立的采集电路，而非PLC及与PLC关联的采集电路，其独立采集模拟量信号并发送至CPU电路。

图3是本实用新型实施例的CPU电路的电路图。参考图3，CPU电路包括基于ARM的32位微控制器U2，该微控制器U2能够进行模拟量信号的处理和转发功能，同时可以将采集到的模拟量信号和数字量信号处理成可通讯形式；微控制器U2在一个实例中可以选择型号为STM32F103V8T芯片。STM32F103V8T芯片具有模拟量输入端AIN1和AIN2、模拟量输出端PWM1和PWM2、数字量输入端HDI1、HDI2、HDI3和HDI4以及数字量输出端DO1和DO2。STM32F103V8T芯片的模拟量输入端AIN1与第一模拟量信号采集电路的输出端连接，AIN1作为外部进入STM32F103V8T芯片的检测信号，PWM1则是STM32F103V8T芯片输出至外部的模拟量信号。

图4是本实用新型实施例的模拟量信号输出电路的电路图，如图4所示，第一模拟量信号输出电路和第二模拟量信号输出电路主要包括一个由运放构成的比较器U9A/U9B和比例放大器U11D/U11C。模拟量信号输出后流经第一个芯片MCP6002，能够把PWM信号转成以VDD_2V5为幅值的方波信号；之后进过第二芯片LM224AD进行比例放大，通过调整电位器LP2，将输出的电压信号转成所需要的范围。其中，E15、E16/E17、E18形成阻容滤波器，本电路中其余的运放保护等不再详细阐述，根据电路图，本领域技术人员应该能够理解。由于PWM1通道输出的模拟量信号VO1+进入PLC中对运行设备进行控制，为了检测该模拟量信号在运行过程中是否异常，将PWM2通道输出的模拟量信号VO2+接入至另外一条模拟量信号采集电路的输入，通过将PWM2输出的模拟量信号经过第二模拟量信号输出电路后返回到AIN2，是一个通过硬件电路实现的模拟量监控电路。

图5是本实用新型实施例的数字量采集电路的电路图，参考图5，数字量采集电路包括多条数字量信号的采集电路，数字量信号的采集电路可支持20kHz及以下的数字量信号的采集，例如生产线上循环泵的状态信号、进出仓阀门的开关状态等开关量。数字量采集电路为独立的采集电路，而非PLC及与PLC关联的采集电路，其独立采集数字量信号并发送至CPU电路。在数字量信号的采集电路中具有输入端IO_24v和HSI1、HSI2等以及输出端，其中HSI1、HSI2为防接反端。在数字量信号的采集电路中采用IC型号为HCPL-0600的芯片T1，其是一款光电耦合门电路芯片，组合了磷砷化镓发光二极管和集成高增益光探测器。探测器IC的输出则是一个集电极开路肖特基钳位晶体管。HCPL-0600的内部屏蔽可保证在Vcm=1000V条件下，其共模瞬变抗扰度达到15000 V/μs。这种独特的设计提供了最大限度的ac和dc电路隔离，同时实现了TTL兼容。HCPL-0600光耦的操作参数保证温度范围为–40℃～+85℃，这些参数允许了系统的无扰运行。

图6是本实用新型实施例的继电器电路的电路图，参考图6，以其中一路为例，其主要由三极管Q1、二极管D9以及继电器J1构成，三极管D9与继电器J1并联，从而在三极管Q1驱动继电器J1时，保护三极管Q1不被击穿。三极管Q1可选择型号2N5551，二极管选择型号RS1M，继电器选择型号F3AA024E。

图7是本实用新型实施例的以太网通讯电路图，参考图7，以太网通讯电路与STM32F103V8T芯片通过接插件连接，以太网通讯电路包括的以太网通讯电路具有一个EU1RX端和一个EU1TX端，STM32F103V8T芯片具有USART接口，用于与EU1RX端和EU1TX端连接，以太网通讯电路的输出端采用通信引出插座RJ45接入带以太网接口的数据接收装置，例如前置服务器，从而将采集的数据存储在前置服务器中；以太网通讯电路还能够与云服务器通讯，将采集的数据存储在云服务器。

图8是本实用新型实施例的RS485总线通讯电路图，参考图8，RS485总线通讯电路包括RS485总线通讯电路，RS485总线通讯电路中包括RS485收发器U6和DC/DC转换器M7。在一个实例中，该RS485收发器U6可以采用ADM2483芯片，ADM2483采用了磁耦隔离技术，功能上相当于集成了三个单通道的光耦和一个RS485收发器。AMD2483芯片的RXD、TXD管脚连接至STM32F103V8T芯片的另一通道的MD_RXD端和MD_TXD端。ADM2483芯片具有光电隔离和高共模瞬变抗扰能力。DC/DC转换器M7可以采用B0505LM-1W系列产品，其用于实现输入与输出之间1000VDC的隔离，且输出短路时间可持续1S，从而能够很好地低于高频瞬态突波的干扰。RS485总线通讯电路能够连接前置服务器等相关的数据存储装置，从而将采集的数据存储在其中。

图9是本实用新型实施例的开关电源电路图，图10是本实用新型实施例的电源保护电路图，参考图9和图10，开关电源电路包括开关电源电路，开关电源电路的输出端分别与模拟量采集电路、数字量采集电路、CPU电路、RS485总线通讯电路以及以太网通讯电路的VCC端连接，从而为不同电路提供所需等级的电压。开关电源电路中包括降压开关开关电源芯片M1，M1可选择LM2575T-5.0芯片，还包括正向低压稳压器M2,M2可选择AMS1117-3.3芯片，AMS1117-3.3是一种输出电压为3.3V的正向低压降稳压器，C128和E7的作用是抑制自激振荡。电源保护电路包括电源保护电路，其用于实现对开关电源电路的欠压等保护。

上述的模拟量采集电路、数字量采集电路、模拟量输出电路、继电器电路、RS485总线通讯电路、以太网通讯电路、开关电源电路以及电源保护电路均可以通过接插件与CPU电路进行连接，从而实现其独立的电路的功能。

本实用新型还公开了一种采集系统，包括传感器、PLC、上述的基于信号隔离技术的模拟量和信号量采集模块以及数据采集装置。

图11是本实用新型实施例的采集系统的系统框图。参考图11，该采集模块的第一模拟量信号采集电路的输入端与传感器的信号输出接口连接，第一模拟量信号采集电路的输入端串联一个第一继电器开关，其可以为继电器的常开触点，该条支路在第一继电器开关闭合后，传感器的模拟量信号能够直接进入到PLC中。第一模拟量信号采集电路的输入端上连接有第二继电器开关，第二继电器开关与第一继电器开关并联，第二继电器开关可以为继电器的常闭触点，在正常工作时，传感器的信号进入到第一模拟量信号采集电路，对传感器的模拟量信号进行采集、并通过STM32F103V8T芯片进行数据的处理和转发，数据通过RS485总线通讯或者以太网通讯上传至数据接收装置。数据接收装置可以为进行数据存储的前置服务器或者云服务器。

采用本实施例的采集模块，能够进行信号的检测和隔离，比如流量计，模拟量信号能够进入到STM32F103V8T芯片并进行模拟量的输出PWM1，输出的模拟量信号PWM1可以接入到PLC中对设备进行控制；当检测到电流小于4mA时，继电器电路工作，使得第一继电器开关闭合，第二继电器开关打开，则将采集模块隔离，传感器的信号直接送到PLC控制设备运行。同时，本采集模块绕过了PLC，能够直接从传感器上采集模拟量和数字量数据，并上传至前置服务器或者云服务器。

在工业现场，采用本实施例的采集模块，能够直接对现场既有的传感器进行改造，不需要现场的传感器留有信号通道，也不需要增加新的传感器，可以直接利用原有的传感器的通道向PLC传递模拟量信号，同时能够绕过PLC采集模拟量和数字量信号，通过总线通讯的方式，方便将采集到的数据直接进行存储。

采用传统的采集模块进行信号传输时，如果诸如流量计等信号装置直接连接到PLC，那么，在不增加新的流量计的情况下，必须保证信号采集回路是可靠的，也就是说，一旦信号采集回路发生问题，就会影响到给PLC的输入信号，那么就无法对现场生产线的设备进行控制。本实用新型实施例的采集模块，能够进行信号的检测和隔离，一方面能够保证流量计的信号能够输送到PLC中对设备进行控制，另一方面能够到过PLC，直接进行数据的采集，当检测到电流小于4mA时，让原来的传感器的信号直接送到PLC去；我可以让现场已经有的这些流量计、传感器就可以使用了，同样是不经过PLC，直接从他现有的数据上采集上。

本具体实施方式的实施例均为本实用新型的较佳实施例，并非依此限制本实用新型的保护范围，故：凡依本实用新型的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于信号隔离技术的模拟量和信号量采集模块，其特征在于，包括：

第一模拟量信号采集电路，其输入端与传感器的信号输出接口耦接，输出端耦接至CPU电路；

第一模拟量信号输出电路，其输入端与CPU电路的模拟量输出端耦接，并输出第一模拟量信号至PLC；

CPU电路，其用于对采集的信号进行数据处理、转发；

第二模拟量信号输出电路，其输入端与CPU电路的模拟量输出端耦接，并输出第二模拟量信号；

第二模拟量信号采集电路，其输入端与第二模拟量信号输出电路的输出端耦接，输出端耦接至CPU电路；第二模拟量信号采集电路的输入信号为所述第二模拟量信号；

继电器电路，其用于在CPU电路检测到模拟量信号异常时，切断第一模拟量信号采集电路，使得传感器的信号输出接口直接与PLC连接；

多个数字量信号采集电路，其输入端与传感器的信号输出接口连接，用于不通过PLC从所述传感器采集数字量信号；

RS485总线通讯电路，其与CPU电路连接，用于将数据发送至数据接收装置；以及

以太网通讯电路，其与CPU电路连接，用于将数据发送至数据接收装置。

2.根据权利要求1所述的基于信号隔离技术的模拟量和信号量采集模块，其特征在于，所述CPU电路包括基于ARM的32位微控制器。

3.根据权利要求1所述的基于信号隔离技术的模拟量和信号量采集模块，其特征在于，所述第一模拟量信号采集电路和第二模拟量信号采集电路均包括差分运放电路和比例放大电路，所述差分运放电路用于将差分信号转成共地信号，所述比例放大电路用于调整发送给CPU电路的模拟量信号。

4.根据权利要求3所述的基于信号隔离技术的模拟量和信号量采集模块，其特征在于，所述第一模拟量信号采集电路包括4-20mA、0-20mA、±10mA、0-20mV、0-75mV、0-5V、0-10V、±50mV、±100mV、±5V的其中任意一种或者任意两种及两种以上的组合的模拟量信号的采集。

5.根据权利要求1所述的基于信号隔离技术的模拟量和信号量采集模块，其特征在于，所述数字量采集电路包括支持20kHz及以下的数字量信号的数字量信号的采集电路。

6.根据权利要求1所述的基于信号隔离技术的模拟量和信号量采集模块，其特征在于，所述RS485总线通讯电路的电路中包括ADM2483隔离型RS485收发器。

7.根据权利要求6所述的基于信号隔离技术的模拟量和信号量采集模块，其特征在于，所述RS485总线通讯电路的电路中还包括B0505LM-1系列的DC/DC转换器，其用于实现输入与输出之间1000VDC的隔离。

8.一种采集系统，其特征在于，包括：

至少一个传感器；

PLC；

数据接收装置；以及

如权利要求1-7任意一项所述的基于信号隔离技术的模拟量和信号量采集模块；

其中，所述传感器的信号输出接口与PLC耦接，该条支路上设置有第一继电器开关；第一模拟量信号采集电路，其输入端与传感器的信号输出接口耦接，输出端耦接至CPU电路，第一模拟量信号采集电路上设置有第二继电器开关；第一模拟量信号输出电路，其输入端与CPU电路的模拟量输出端耦接，并输出第一模拟量信号发送至PLC；CPU电路，其用于对采集的模拟量信号进行数据处理、转发；第二模拟量信号输出电路，其输入端与CPU电路的模拟量输出端耦接，并输出第二模拟量信号；第二模拟量信号采集电路，其输入端与第二模拟量信号输出电路的输出端耦接，输出端耦接至CPU电路；第二模拟量信号采集电路的输入信号为第二模拟量信号；继电器电路，其用于在CPU电路检测到模拟量信号异常时，控制第一继电器开关动作，将传感器的信号输出接口直接与PLC连接，同时切断第二继电器开关，将所述第一模拟量信号采集电路切断；多个数字量信号采集电路，其输入端与传感器的信号输出接口连接，用于不通过PLC从所述传感器采集数字量信号；RS485总线通讯电路，其与CPU电路连接，用于将数据发送至数据接收装置；以及以太网通讯电路，其与CPU电路连接，用于将数据发送至数据接收装置。

9.根据权利要求8所述的采集系统，其特征在于，所述数据接收装置包括前置服务器，所述CPU电路通过RS485总线通讯电路或以太网通讯电路与所前置服务器通讯连接。

10.根据权利要求8所述的采集系统，其特征在于，所述数据接收装置包括云服务器，所述CPU电路通过所述以太网通讯电路与所述云服务器通讯连接。

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