A-D D-A转换器在远程监控中的应用
引言
随着电子产业数字化程度的不断发展，逐渐形成了以数字系统为主体的格局。A/D和D/A转换器作为模拟和数字电路的接口，正受到日益广泛的关注。随着数字技术的飞速发展，人们对A/D和D/A转换器的要求也越来越高，新型模拟/数字和数字/模拟之间的转换技术不断涌现。通过这些转换人们可以运用各种控制器进行远程监控，如控制某个空间的温度、湿度，控制液体的液位和流量，控制物体的位移、速度及压力等。在实际工作环境中，各种传感器、PLC的AO模块或DCS系统输出的模拟量电流或电压信号很弱（很多是mV或mA级），而且普遍带负载能力低。直接用来监控远程的执行设备，往往会因为长距离的传输造成信号的衰减、失真，有时还会因其它外界信号干扰而造成信号出错，影响整个系统的正常运行。
因此，要保证监控系统的可靠性，首先需要将系统中的多种传感器、多路PLC、DCS等输出的模拟信号进行隔离、放大、转换。有些场合还需要通过各种通讯载体进行远程无失真传输。 ISO 4021（A/D转换）可以将传感器输出的模拟信号转换成数字信号，用RS232/485通讯将信号进行远程传输或采用GPRS、GMS进行无线数传，然后用远程模拟信号输出模块ISO DAO（D/A转换）将数字信号转换成模拟信号，用还原的模拟信号进行远程监测和控制。这些技术在SCADA数据采集、FCS远程监控中得到了越来越多的应用。
一、信号A/D（模拟转数字）转换及远程传输技术
ISO 4021信号A/D（模拟转数字）转换器可实现传感器和主机之间的信号采集，用以检测模拟信号或控制远程设备。通过软件的配置，可用于多种传感器类型，包括：模拟信号输入，模拟信号输出，和数字信号输入/输出（I/O）。广泛用在 RS-232/485总线工业自动化控制系统，4-20mA / 0-5V信号测量、监视和控制，小信号的测量以及工业现场信号隔离及长线传输等等。
ISO 4021信号A/D（模拟转数字）转换器包括电源隔离，信号隔离、线性化，A/D转换和RS-485串行通信。每个串口最多可接256只 ISO 4021系列模块，通讯方式采用ASCII码通讯协议或MODBUS RTU通讯协议，其指令集兼容于ADAM模块，波特率可由代码设置，能与其他厂家的控制模块挂在同一RS-485总线上，便于计算机编程。
ISO 4021信号A/D（模拟转数字）转换器是基于单片机的智能监测和控制系统，所有的用户设定的校准值，地址，波特率，数据格式，校验和状态等配置信息都储存在非易失性存储器EEPROM里。ISO 4021系列产品按工业标准设计、制造，信号输入 / 输出之间隔离，可承受3000VDC隔离电压，抗干扰能力强，可靠性高。工作温度范围- 45℃～+85℃。
ISO 4021模拟转数字 （A/D）转换器功能简介：
ISO 4021信号A/D（模拟转数字）转换器框图，如图1所示。
图1 ISO 4021信号A/D（模拟转数字）转换器原理框图
ISO 4021 信号隔离采集模块，可以用来测量一路电压或电流信号，也可以用来测量两路可以共地且不会互相干扰的电流或电压信号。
1、模拟信号输入
24位采集精度，产品出厂前所有信号输入范围已全部校准。在使用时，用户也可以很方便的自行编程校准。具体电流或电压输入量程请看产品选型，测量两路信号时两路输入选型必须相同。
2、通讯协议
通讯接口： 1路标准的RS-485通讯接口或1路标准的RS-232通讯接口，订货选型时注明。
通讯协议：支持两种协议，命令集定义的字符协议和MODBUS RTU通讯协议。可通过编程设定使用那种通讯协议，能实现与多种品牌的PLC、RTU或计算机监控系统进行网络通讯。
数据格式：10位。1位起始位，8位数据位，1位停止位。
通讯地址（0～255）和波特率（300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400bps）均可设定；通讯网络最长距离可达1200米，通过双绞屏蔽电缆连接。
通讯接口高抗干扰设计，15KV ESD保护，通信响应时间小于100mS。
3、抗干扰
可根据需要设置校验和。模块内部有瞬态抑制二极管，可以有效抑制各种浪涌脉冲，保护模块，内部的数字滤波，也可以很好的抑制来自电网的工频干扰。
二、信号D/A（数字转模拟）转换及还原监控技术
ISO DAO信号D/A（数字转模拟）转换器可实现主机RS-485/232接口数字信号隔离转换成标准模拟信号，用以控制远程设备。广泛应用在 RS-232/RS-485总线工业自动化控制系统的0-20mA/4-20mA/0-5V/0-10V等标准模拟信号还原输出，用来控制工业现场的执行设备，控制设备以及显示仪表等等。
ISO DAO信号D/A（数字转模拟）转换器包括电源隔离，信号隔离、线性化，D/A转换和RS-485串行通信。每个串口最多可接256只 ISODA系列模块，通讯方式采用ASCII码通讯协议或MODBUS RTU通讯协议，其指令集兼容于大多数同类模块，波特率可由代码设置，能与其他厂家的控制模块挂在同一RS-485总线上，便于计算机编程。
ISO DAO信号D/A（数字转模拟）转换器是基于单片机的智能监测和控制系统，所有的用户设定的校准值，地址，波特率，数据格式，校验和状态等配置信息都储存在非易失性存储器EEPROM中。
ISO DAO信号D/A（数字转模拟）转换器按工业标准设计、制造，信号输出 / 通讯接口之间隔离，可承受3000VDC隔离电压，抗干扰能力强，可靠性高。工作温度范围- 45℃～+80℃。
ISO DAO数字转模拟 （D/A）转换器功能简介：
ISO DAO信号D/A（数字转模拟）转换器框图，如图2所示。
图2 ISO DAO信号D/A（数字转模拟）转换器原理框图
ISO DAO 信号隔离D/A转换模块，可以用来输出一路电压或电流信号，也可以用来输出两路可以共地的电流或电压信号。
1、模拟信号输出和工作电源
12位输出精度，产品出厂前所有信号输出范围已全部校准。在使用时，用户也可以很方便的自行编程校准，因此在现场的应用更加灵活。信号输出温度漂移：20 ppm/℃ （30 ppm/℃， 最大）。工作电源，+8 ~ 50VDC宽供电范围，内部有防反接和过压保护电路。功率消耗：小于1.5W。隔离耐压：通讯接口 / 输出 之间：3KVDC，1分钟，漏电流 1mA，其中通讯接口和电源共地。
2、通讯协议
通讯接口： 1路标准的RS-485通讯接口或1路标准的RS-232通讯接口。
通讯协议：支持两种协议，命令集定义的字符协议和MODBUS RTU通讯协议。可通过编程设定使用那种通讯协议，能实现与多种品牌的PLC、RTU或计算机监控系统进行网络通讯。由于支持通用的MODBUS RTU协议，所以能够在工控领域得到广泛应用。
数据格式：10位。1位起始位，8位数据位，1位停止位。
通讯地址（0～255）和波特率（300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400bps）均可设定；通讯网络最长距离可达1200米，通过双绞屏蔽电缆连接。
通讯接口高抗干扰设计，15KV ESD保护，通信响应时间小于100mS。
3、抗干扰
可根据需要设置校验和。模块内部有瞬态抑制二极管，可以有效抑制各种浪涌脉冲，保护模块，内部的数字滤波，也可以很好的抑制来自电网的工频干扰。
三、ISO DAO模块在远程控制工业烤箱上的应用
工业烤箱应用广泛，在电工、电子、仪表、材料、半导体等生产企业对非易燃易爆物进行干燥、烘培及其热处理试验；可用于学校、医疗、食品、化工等单位对非易燃易爆物进行干燥、保湿、烘培及其热处理等试验；特别适用于LED、LCD石英晶体电容、电阻等要求高恒精度和可靠性产品的过程烘干和老化。适用于烘烤有化学性气体及食品加工行业的欲烘烤物品、基板应力的去除、油墨的固化、漆膜等等的精密烘烤、烘干、回火、预热、定型、加工等。
工业烤箱由角钢、薄钢板构成，另外箱体加强，外表面复漆，外壳与内胆之间用硅酸铝纤维充填，形成可靠的保温层。工业烤箱采用电热丝加热，外加温控器控制烤箱内的温度。外部输入0-5VDC模拟电压信号到温控器，温控器根据输入的信号来控制工业烤箱的温度。由于工业烤箱距离控制中心的PLC有500多米，直接用PLC的AO模块输出0-5VDC传输到温控器后，信号出现了比较大的衰减，影响控制的精度，所以采用ISODA O4-485模块来实现信号的数字化远传。将ISODA O4-485模块安装在温控器附近，ISODA O4-485模块的模拟量输出接口连接到温控器的0-5VDC输入端，PLC的RS-485接口通过屏蔽电缆来连接到ISODA O4-485模块的RS-485接口。
PLC和ISODA O4-485模块的通讯采用MODBUS RTU通讯协议。ISODA O4-485模块出厂的设置是：通讯协议指令集规定的ASCII协议，通讯的地址为01，波特率为9600bps。通讯的波特率和地址不用修改，通讯协议要修改为MODBUS RTU通讯协议，可以按照以下步骤，设置模块为MODBUS RTU通讯协议。1，将CONFIG引脚（第8脚）和GND引脚（第7脚）短接。2，正确连接电源线和通讯接口线。3，接通电源，模块自动进入缺省状态，通讯地址为00，波特率为9600。4，等待1分钟，模块初始化。5，发送命令$00P1（cr），检查应答，如果为！00 （cr）则设置成功。6，关闭电源，断开CONFIG引脚和GND引脚之间的连接。完成以上步骤后，模块已经成功设置为Modbus RTU通讯协议方式，直接接入PLC即可。
ISODA O4-485模块寄存器40001的数据为通道0的当前输出值，寄存器40002的数据为通道1的当前输出值。以寄存器的40001为例，其值为16进制数0x0FFF时，ISODA O4-485模块通道0输出5VDC的电压信号，其值为16进制数0x07FF时，ISODA O4-485模块通道0输出2.5VDC的电压信号，其值为16进制数0x0000时，ISODA O4-485模块通道0输出0VDC的电压信号。PLC通过改变ISODA O4-485模块寄存器内数据大小来达到改变模拟信号输出的目的。
ISO DAO信号转换器在远程控制工业烤箱上的应用框图，如图3所示。
图3 ISO DAO模块在远程控制工业烤箱上的应用框图
四、ISO DAO 模块在电动执行器上的应用
电动执行器是工业过程控制系统中一个十分重要的现场驱动装置，其能源取用方便、安装调试简单，在电力、冶金、石油、化工等工业部门得到越来越广泛的应用。电动执行器包括电动执行机构和调节阀两部分，控制精度主要决定于电动执行机构的控制性能，它能够将系统的控制信号转换成输出轴的角位移、直线位移，控制阀门等截流件的位置或其它调节机构，使被控介质按系统要求状态工作。
随着电力电子技术的发展，电动执行器发展快速，无触点的DKJ型角行程和DKZ型直行程电动执行机构两大类产品进入市场，DKJ、DKZ是我国最早的、唯一生产的电动执行器，此产品以结构简单、经济实用等优点被最早的国营大型企业使用。随着现代工控计算机管理的发展，目前我国仪器仪表行业整体综合技术水平普遍上升，微电子技术和计算机技术在仪器仪表产品中普遍采用，多数产品实现了智能化。今天，DKJ、DKZ系列与以前相比有了两大实质性改进：
（1）生产出直接受计算机控制的智能电子型、户外型、隔爆型等改进型产品。
（2）将电路控制部分灌封在一个小型塑料盒中，即模块，形成了便于维护的即插即用型。因此，普通DKJ型和DKZ型的可靠性、精度、负载能力、信号品质系数等性能有了很大提高，而且对环境条件的要求降低了很多。
采用模拟信号输入的电动执行器大多数采用4-20mA的电流信号来控制。利用一个ISODA O1-485模块可以输出两路4-20mA模块，可以控制两个电动执行器。ISODA模块可以和其他智能设备挂在同一个RS-485总线上，在远程控制中，还可以节约布线成本。下图为ISO DAO模块远程控制电动执行器的一个应用方案。
ISO DAO信号转换器在远程控制电动执行器的应用框图，如图4所示。
图4 ISODA模块在远程控制电动执行器的应用框图
智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，ISODA模块的智能化程度很高，可以接收数字信号，将主机的控制信号快速地转换成模拟信号，来控制电动执行器。
五、模拟信号的数字化远程传输与还原
ISO DAO模块可以通过短接HOST端到GND端（即11脚和12脚短接）设置成主机模式，与ISO 4021模块的通讯接口相连接，并将ISO 4021模块设置为Modbus通讯方式，就可以实现将ISO 4021的两通道输入信号对应在ISO DAO模块的两个输出通道里输出。该模式主要用于模拟信号的数字化远程传输与还原，在信号的光纤传输，GSM、CDMA无线传输，以太网传输等领域得到广泛应用。
ISO DAO模块主机模式设置方法：1，模块没有上电时，短接HOST端到GND端（即11脚和12脚短接）。2，接通电源，给模块上电，模块即进入主机模式，会不断地按Modbus协议的发出读寄存器数据命令。3，注意，要进入主机模式，CONFIG管脚不要短接到地线（GND管脚），否则会进入缺省模式。
4-20mA模拟信号在工业现场应用广泛，下面以4-20mA信号为例，实现远程传输与还原。4-20mA模拟信号进入ISO 4021 A4-232模块后转换成数字量，通过RS-232接口，连接到RS-232转光纤转换器，或者RS-232转GSM/CDMA转换器，或者RS-232转以太网转换器，再通过光纤，或者GSM/CDMA，或者以太网远程传输，在接收端再用相应的RS-232转光纤转换器，或者RS-232转GSM/CDMA转换器，或者RS-232转以太网转换器，将信号转换成RS-232信号。RS-232信号输出到ISODA O1-232模块的RS-232接口，最后ISODA O1-232模块输出4-20mA的模拟信号，完成了远程传输功能。
4-20mA模拟信号远程传输的应用框图，如图5所示。
图5 4-20mA信号远程传输应用框图
ISO DAO模块与ISO 4021模块匹配的RS-232通讯接线应用框图，如图6所示。
图6 ISO DAO与ISO 4021的RS-232通讯接线图
ISO DAO模块与ISO 4021模块匹配的RS-485通讯接线应用框图，如图7所示。
图7 ISO DAO与ISO 4021的RS-485通讯接线图
结束语
工业现场信号远程传输过程中，由于干扰源比较多，处理不当往往会影响正常的生产制造，造成不必要的损失，一些新的方案可以有效地提高现场控制的性能。先用ISO 4021将模拟信号转成数字信号，再用RS-485的数字信号进行远程传输，然后用远程模拟信号输出模块ISO DAO还原模拟信号输出，在工业现场中可以有效抑制干扰，使用方便，得到了越来越多的应用。
