電氣隔離及其故障保護(hù)技術(shù)在船舶主機(jī)壓力參數(shù)監(jiān)測中的應(yīng)用

張 瀝

電氣隔離及其故障保護(hù)技術(shù)在船舶主機(jī)壓力參數(shù)監(jiān)測中的應(yīng)用

張 瀝

（中國人民解放軍92896部隊(duì)，大連 116018）

船舶主機(jī)壓力測量常采用二線制壓力變送器，此類變送器需外部DC24 V供電，一旦傳感器外部故障，則24 V或外部其它干擾高壓會對后續(xù)5 V工作電壓的監(jiān)測系統(tǒng)造成損害，嚴(yán)重時(shí)會造成全船主機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的故障。為了解決此類問題，本文提出并設(shè)計(jì)出了以電氣隔離及其故障保護(hù)技術(shù)為核心，單片機(jī)為數(shù)據(jù)處理中心的壓力參數(shù)采集系統(tǒng)。此技術(shù)構(gòu)建的采集系統(tǒng)，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾、抗故障能力極強(qiáng)，精度高，實(shí)時(shí)性好?？蓮V泛應(yīng)用到船舶機(jī)艙自動化監(jiān)測與控制中。

船舶主機(jī) 壓力變送器 電氣隔離 故障保護(hù)

0 引言

船舶主機(jī)運(yùn)行中有大量的壓力參數(shù)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測，如主機(jī)滑油壓力、燃油壓力、淡水壓力、海水壓力、增壓壓力（掃氣壓力），啟動空氣壓力、控制空氣壓力等，這些壓力反映了主機(jī)運(yùn)行狀況，對于管理操縱主機(jī)十分重要。目前壓力參數(shù)監(jiān)測技術(shù)日趨完善，壓力變送器絕大部分采用二線制4～20 mA電流型。此種傳感器工作穩(wěn)定，線路簡單，工作電源與輸出電流共用2線，故稱二線制。此類壓力測量系統(tǒng)中，電路測量部分是一組DC5V電源，壓力傳感器供電又是另一組DC24V電源，兩組電源共地。這樣監(jiān)測電路與傳感器之間沒有電氣隔離，一旦傳感器內(nèi)部故障或外部線路故障（如接地、絕緣下降等），會立即影響監(jiān)測電路及系統(tǒng)的工作，嚴(yán)重時(shí)會造成監(jiān)測系統(tǒng)損壞。為了提高系統(tǒng)可靠性，防止外部局部故障造成更大的系統(tǒng)故障，有必要在壓力傳感器與監(jiān)測電路之間進(jìn)行電氣全隔離。

1 主機(jī)壓力參數(shù)確定

以某船主機(jī)為例，主機(jī)型號為18V390二沖程增壓中冷大功率中速柴油機(jī)，包含主機(jī)滑油壓力、啟動空氣壓力等12個(gè)壓力參數(shù)，這些壓力測點(diǎn)均采用4～20 mA二線制壓力變送器。

2 壓力采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件框圖

壓力參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)硬件組成見圖1。

圖1 壓力監(jiān)測系統(tǒng)硬件框圖

對圖1中的符號說明如下：

1—帶故障保護(hù)的8路電子模擬開關(guān)

2—隔離放大器ISO122P（輸入級）

3—隔離放大器ISO122P（輸出級）

4—光電耦合器TLP521-4

5—緩沖放大器2062

6—A/D轉(zhuǎn)換器TLC1549

7—單片機(jī)AT89S52

8—RS485通訊接口MAX483。

2.2 原理圖設(shè)計(jì)

根據(jù)該主機(jī)壓力參數(shù)采集要求，設(shè)計(jì)的原理圖見圖2。

2.3 電路原理分析

2.3.1 壓力采集電路

由圖2可見，外部壓力變送器4～20 mA電流經(jīng)100Ω電阻后，形成0.4～2.0 V電壓，輸入到MAX354芯片的8路模擬多路器輸入端，由CPU控制其選中某一通道接通至輸出端。MAX354是帶故障保護(hù)的單端8通道多路器（多路模擬電子開關(guān)），由于輸入通道采用了N溝道、P溝道、N溝道結(jié)構(gòu)，使其具有非常優(yōu)秀的性能：

1）當(dāng)供電電源全部斷開時(shí)，其通道全部斷開

2）如果發(fā)生過壓，接通的通道會轉(zhuǎn)為斷開，能夠承受連續(xù)±35 V的過電壓

3）在故障條件下，輸入電流只有納安級

4）工作電源可自±4.5 V至±18 V

5）數(shù)字量輸入電平都與TTL兼容

2.3.2 模擬信號隔離放大及緩沖電路

ISO122P是一款性能優(yōu)良的隔離放大器，輸入模擬電壓信號與輸出模擬電壓信號全部電氣隔離。輸入級與輸出級分別獨(dú)立±5 V電源供電，其隔離電壓高達(dá)500 V，滿足工業(yè)領(lǐng)域的強(qiáng)干擾場合，其隔離放大比為1。2062是高輸入阻抗和低輸出阻抗的運(yùn)算放大器，作為緩沖放大器，將輸入信號進(jìn)行1:1放大，提高信號輸出能力。

2.3.3 數(shù)字控制隔離電路

為了保證模擬信號與數(shù)字信號全隔離，其數(shù)字電路部分采用了TLP521-4型4路光電耦合器，由CPU的4條數(shù)字控制信號，經(jīng)TLP521-4隔離后控制MAX354多路器的通道選擇。

2.3.4 A/D轉(zhuǎn)換電路

TLC1549是10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它采用CMOS工藝，具有內(nèi)在的采集和保持，采用差分基準(zhǔn)電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍，總不可調(diào)整誤差達(dá)到±1LSB。

圖2 壓力采集系統(tǒng)電原理圖

其工作參數(shù)如下：

1）電源電壓：+5 V

2）輸入電壓范圍：-0.3～VCC+0.3 V

3）正基準(zhǔn)電壓：2.5 V

4）輸入最大電壓：2.5 V

5）10位分辨率，滿量程值1024D

2.3.5 CPU電路

CPU采用常見的INTEL系列的8051單片機(jī)，具體選型為AT89S52，其基本特性如下：

1）8位CPU

2）256B片內(nèi)RAM

3）8KB片內(nèi)EPRAM

4）32根雙向I/O口

5）3個(gè)16位定時(shí)日/計(jì)數(shù)器

6）5個(gè)具有優(yōu)先級別的中斷源

7）全雙工異步通信

8）128 kB外部程序和數(shù)據(jù)存儲器

9）256個(gè)位尋址單元

10）基本指令執(zhí)行時(shí)間1ms

2.3.6 數(shù)據(jù)通訊電路

為了將采集的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，系統(tǒng)采用MAX483作為數(shù)據(jù)傳送芯片，其特點(diǎn)如下：

1）傳輸協(xié)議：RS485（二線）

2）用于無誤差數(shù)據(jù)傳送的限斜率

3）-7 V～+12 V普通輸入電壓范圍

4）三態(tài)輸出

5）全雙工和半雙工模式可選擇

6）工作電源為單一+5 V

7）總線可接128個(gè)收發(fā)器

8）限流和熱敏控制電路為驅(qū)動提供過載保護(hù)

2.3.7 電源電路

由于電氣隔離的需要，本系統(tǒng)設(shè)置了3組互相獨(dú)立的電源，一組DC24V/DC±5V電源供CPU及其輔助電路，一組DC24V/DC±5V供隔離放大器（ISO122P）和壓力采集通道多路轉(zhuǎn)換器（MAX354），一組電源DC24V/DC24V供電壓力變送器，三組電源輸入均由艦電DC24V提供。單片機(jī)、傳感器、MAX354供電完全隔離。

2.3.8 壓力采集過程分析

隔離的DC24V（+24VS）電源正極經(jīng)壓力傳感器正極后，再由傳感器負(fù)極經(jīng)采集電路上100Ω電阻到DC24V負(fù)級，形成完整回路。并在100Ω電阻上形成0.4～2.0 V電壓（對應(yīng)4～20mA電流），此電壓對應(yīng)相應(yīng)的壓力，經(jīng)MAX354帶故障保護(hù)的電子模擬開關(guān)后，進(jìn)入ISO122P隔離放大器，此放大器輸入與輸出電氣完全隔離，輸入獨(dú)立一組工作電源，輸出獨(dú)立一組工作電源，其隔離電壓高達(dá)500 V，放大倍數(shù)1:1。ISO122隔離放大后，輸出到2062緩沖放大器，再輸入到TLC1549A/D轉(zhuǎn)換器，將電壓模擬信號轉(zhuǎn)換成10位數(shù)字信號。由TLC1549三線串口與89S52單片機(jī)進(jìn)行交換數(shù)據(jù)，89S52（CPU）收到此串行數(shù)據(jù)，經(jīng)綜合處理后，再經(jīng)MAX483芯片的RS485通訊接口將數(shù)據(jù)送往上位機(jī)。

上述是單通道的采集工作流程，要采集多通道，則由單片機(jī)通過P2.0～P2.3發(fā)出通道切換指令，經(jīng)74LS244驅(qū)動，TLP521-4光電隔離后，驅(qū)動器MAX354切換采集通道。

3 抗干擾故障保護(hù)分析

3.1 傳感器等外部故障保護(hù)

MAX354不論電源+V和-V是否加上，都能對高達(dá)±35 V的連續(xù)輸入電壓提供完全的故障保護(hù)。這些器件使用一個(gè)“串聯(lián)FET”保護(hù)方式，這種方式不僅對多路器輸出端進(jìn)行過電壓保護(hù)，而且把輸入電流限制到低于微安級。

圖3和圖4說明串聯(lián)FET電路是如何對過壓情況進(jìn)行保護(hù)的。當(dāng)電源是關(guān)斷時(shí)，三個(gè)FET的“門”端是接地的。如有一-25 V輸入，N溝道 FET Q1由于+25 V的“門至源”電源VGS而導(dǎo)通。而P溝道器件（Q2）則由于有+25V的VGS而關(guān)斷，這樣就避免了輸入信號達(dá)到輸出端。如果輸入電壓是+25 V，則Q1有一負(fù)的VGS而關(guān)斷。同樣地，由于任何電壓都會使Q1或Q2關(guān)斷，因而由輸?shù)A端回流到輸入端的漏電流也是低于微安級的。

圖3 -25V過壓（多路器電源關(guān)斷時(shí)）

圖4 +25V過壓（多路器電源關(guān)斷時(shí)）

圖5示出了當(dāng)+V和-V存在時(shí)，一個(gè)關(guān)斷通道的情況。如同圖8和9，對任何從-35 V到+35 V的輸入電壓總有一個(gè)N溝道的或是一個(gè)P溝道的器件產(chǎn)關(guān)斷的。在25℃時(shí)，負(fù)的過壓所引起的漏電流將立即跌落到幾個(gè)納安（nA）。對正的過壓，一開始將有10或20mA，在幾秒以后也將衰減到納安級。這個(gè)衰減的時(shí)常數(shù)是由于內(nèi)部節(jié)點(diǎn)所貯存的電荷入電而引起，它不影響故障保護(hù)方案。

圖5 在一個(gè)關(guān)斷通道的- 25V過壓（多路器電源接通時(shí)）

圖6示出了當(dāng)+V（+5V）和 –V（-5V）存在時(shí)，一個(gè)接通通道的情況。當(dāng)輸入電壓小于±5V，所有三個(gè)FET都接通而輸入信號出現(xiàn)在輸出端。如果輸入電壓超過+V減去N溝道的門限電壓（VTN）則N溝道FET將關(guān)斷。對更負(fù)于–V減去P溝道的門限（VTP）的電壓，P溝道器件將關(guān)斷。由于VTN的典型值是1.5 V而VTP的典型值是3 V，因而電子模擬開關(guān)的輸出電壓范圍被限制在約-2 V至+3.5 V間（對電源電壓為±5 V時(shí)）。

圖6 + 25V過壓輸入接通通道

3.2 外部地線及強(qiáng)脈沖干擾分析

圖7 監(jiān)測電路電氣隔離示意圖

從原理圖2和圖7可看出，系統(tǒng)的電氣隔離原理。電路上分成電氣完全隔離的三個(gè)部分，一是在艦電輸入DC24V電源，二是CPU及其外圍電路的DC5V電源，三是傳感器DC24V電源、模擬開關(guān)、隔離放大器初級的DC5V電源。這三部分電氣上完全隔離，電源部分由DC/DC轉(zhuǎn)換后隔離，外部傳感器由光電耦合器和隔離放大器與CPU的電路在電氣上完全隔離，光耦與隔離放大器初級和次級能經(jīng)受500 V以上電壓沖擊。

由此可知，DC24V及其地線干擾、外部傳感器故障及其線路和地線干擾均不能產(chǎn)生對核心CPU及其電路的干擾和影響，保證壓力測量系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定工作，并對外部故障進(jìn)行徹底隔離，外部出現(xiàn)故障不會影響CPU監(jiān)測電路的工作，也不會造成CPU及其后續(xù)電路的故障。

4 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件用8051匯編語言完成

程序主流程圖如圖8所示。

圖8 程序主流程圖

為了提高設(shè)備的可靠性，程序上采用數(shù)字濾波技術(shù)，對壓力進(jìn)行連續(xù)多次采樣，過濾掉離散性大的數(shù)據(jù)，并對多次采樣數(shù)據(jù)取平均值。以避免因外界干擾，造成壓力數(shù)據(jù)的跳動。

通道故障判斷基本原理，當(dāng)外部出現(xiàn)故障時(shí)，如傳感器斷線等外部原因造成輸入過壓，此時(shí)MAX354對應(yīng)的通道N溝道、P溝道、N溝道全部關(guān)斷，則采集該通道電壓值為0 V，正常應(yīng)為0.4～2.0 V電壓，依據(jù)此0 V電壓可判斷該通道有故障。

標(biāo)度變換程序，對于所有壓力范圍的對應(yīng)電壓均為0.4～2.0 V對管理者應(yīng)直觀顯示實(shí)際壓力值，則由標(biāo)度變換程序完成，以1.0 MPa壓力變送器為例，其變換公式為

5 結(jié)論

本文闡述了電氣隔離及其故障保護(hù)技術(shù)，應(yīng)用于船舶主機(jī)壓力監(jiān)測的工作原理和設(shè)計(jì)過程，此技術(shù)方法已在多艘艦船上應(yīng)用。使用運(yùn)行效果十分穩(wěn)定，未出現(xiàn)故障，有效提高了監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。此技術(shù)可顯著提高工業(yè)環(huán)境下監(jiān)測系統(tǒng)的抗干擾、抗故障能力，可廣泛應(yīng)用于船舶機(jī)艙惡劣環(huán)境下的監(jiān)測與控制。

[1] 詹樹仁. Maxim集成電路手冊[M]. 武漢: 武漢力源單片機(jī)技術(shù)研究所, 1994.

[2] 蘇偉斌. 805系統(tǒng)單片機(jī)應(yīng)用手冊[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1997.

[3] 1996 New Releases Data Book Volume V[M]. Maxim, 1996.

Application of Electrical Isolation and Fault Protection Technology in Monitoring Pressure Parameters of Ship Main Engine

Zhang Li

（Unit 92896 of PLA , Dalian 116018, Liaoning, China ）

TM564

A

1003-4862（2019）08-0036-04

2019-1-30

張瀝（1971-），男，高級工程師。研究方向：輪機(jī)工程。E-mail：hghxg@163.com