0 引言传统数据采集卡多采用PCI或ISA总线接口，这种方式安装麻烦、价格昂贵，且受计算机插槽数量、地址、中断资源限制，有扩展性差等缺点。而USB通用...
SCADA系统中，各类传感器信号隔离转换专用IC选型参考
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2023年11月02日 17:52 199
admin
在电力系统中，SCADA系统应用最为广泛，技术发展也最为成熟。它作为能量管理系统（EMS系统）的一个最主要的子系统，有着信息完整、提高效率、正确掌握系统运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障状态等优势，现已经成为电力调度不可缺少的工具。它对提高电网运行的可靠性、安全性与经济效益，减轻调度员的负担，实现电力调度自动化与现代化，提高调度的效率和水平中方面有着不可替代的作用。
SCADA在铁道电气化远动系统上的应用较早，在保证电气化铁路的安全可靠供电，提高铁路运输的调度管理水平起到了很大的作用。在铁道电气化SCADA系统的发展过程中，随着计算机的发展，不同时期有不同的产品，同时我国也从国外引进了大量的SCADA产品与设备，这些都带动了铁道电气化远动系统向更高的目标发展。
SCADA系统发展历程
SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)系统，全名为数据采集与监视控制系统。SCADA系统自诞生之日起就与计算机技术的发展紧密相关。SCADA系统发展到今天已经经历了三代。
第一代是基于专用计算机和专用操作系统的SCADA系统，如电力自动化研究院为华北电网开发的SD176系统以及在日本日立公司为我国铁道电气化远动系统所设计的H-80M系统。这一阶段是从计算机运用到SCADA系统时开始到70年代。
第二代是80年代基于通用计算机的SCADA系统，在第二代中，广泛采用VAX等其它计算机以及其它通用工作站，操作系统一般是通用的UNIX操作系统。在这一阶段，SCADA系统在电网调度自动化中与经济运行分析，自动发电控制（AGC）以及网络分析结合到一起构成了EMS系统（能量管理系统）。第一代与第二代SCADA系统的共同特点是基于集中式计算机系统，并且系统不具有开放性，因而系统维护，升级以及与其它联网构成很大困难。
90年代按照开放的原则，基于分布式计算机网络以及关系数据库技术的能够实现大范围联网的EMS/SCADA系统称为第三代。这一阶段是我国SCADA/EMS系统发展最快的阶段，各种最新的计算机技术都汇集进SCADA/EMS系统中。这一阶段也是我国对电力系统自动化以及电网建设投资最大的时期，国家计划未来三年内投资2700亿元改造城乡电网可见国家对电力系统自动化以及电网建设的重视程度。
第四代SCADA/EMS系统的基础条件已经或即将具备，预计将与21世纪初诞生。该系统的主要特征是采用Internet技术、面向对象技术、神经网络技术以及JAVA技术等技术，继续扩大SCADA/EMS系统与其它系统的集成，综合安全经济运行以及商业化运营的需要。
SCADA系统在电气化铁道远动系统的应用技术上已经取得突破性进展，应用上也有迅猛的发展。由于电气化铁道与电力系统有着不同的特点，在SCADA系统的发展上与电力系统的道路并不完全一样。在电气化铁道远动系统上已经成熟的产品有HY200微机远动系统以及由西南交通大学开发的DWY微机远动系统等。这些系统性能可靠、功能强大，在保证电气化铁道供电安全，提高供电质量上起到了重要的作用，对SCADA系统在铁道电气化上的应用功不可没。
SCADA系统发展瞻望
SCADA系统在不断完善，不断发展，其技术进步一刻也没有停止过。当今，随着电力系统以及铁道电气化系统对SCADA系统需求的提高以及计算机技术的发展，为SCADA系统提出新的要求，概括地说，有以下几点：
SCADA/EMS系统与其它系统的广泛集成
SCADA系统是电力系统自动化的实时数据源，为EMS系统提供大量的实时数据。同时在模拟培训系统，MIS系统等系统中都需要用到电网实时数据，而没有这个电网实时数据信息，所有其它系统都成为“无源之水”。所以在这今十年来，SCADA系统如何与其它非实时系统的连接成为SCADA研究的重要课题；现在在SCADA系统已经成功地实现与DTS(调度员模拟培训系统)、 企业MIS系统的连接。SCADA系统与电能量计量系统，地理信息系统、水调度自动化系统、调度生产自动化系统以及办公自动化系统的集成成为SCADA系统的一个发展方向。
变电所综合自动化
以RTU、微机保护装置为核心，将变电所的控制、信号、测量、计费等回路纳入计算机系统，取代传统的控制保护屏，能够降低变电所的占地面积和设备投资，提高二次系统的可靠性。变电所的综合自动化已经成为有关方面的研究课题，我国东方电子等公司已经推出相应的产品，但在铁道电气化上还处于研究阶段。
专家系统、模糊决策、神经网络等新技术研究与应用
利用这些新技术模拟电网的各种运行状态，并开发出调度辅助软件和管理决策软件，由专家系统根据不同的实际情况推理出最优化的运行方式或出来故障的方法，以达到合理、经济地进行电网电力调度，提高运输效率的目的。
面向对象技术、Internet技术、及JAVA技术的应用
面向对象技术(OOT)是网络数据库设计、市场模型设计和电力系统分析软件设计的合适工具，将面向对象技术(OOT)运用于SCADA/EMS系统是发展趋势。
随着Internet技术的发展，浏览器界面已经成为计算机桌面的基本平台，将浏览器技术运用于SCADA/EMS系统，将浏览器界面作为电网调度自动化系统的人机界面，对扩大实时系统的应用范围，减少维护工作量非常有利；在新一代的SCADA/EMS系统中，传统的MMI界面将保留，主要供调度员使用，新增设的Web服务器供非实时用户浏览，以后将逐渐统一为一种人机界面。
JAVA语言综合了面向对象技术和Internet技术，将编译和解释有机结合，严格实现了面向对象的四大特性：封装性、多态性、继承性、动态联编，并在多线程支持和安全性上优于C++，以及其它诸多特性，JAVA技术将导致EMS/SCADA系统的一场革命。
数据采集与监视控制系统(SCADA)中，各类型传感器信号隔离、放大、转换IC选型参考
SCADA系统要实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能，就要把现场的压力、温度、湿度、流量、速度、液位、位移等传感器感应的信号进行采集、隔离转换处理。而不同的传感器由于工作方式、配电、输出信号类型等方面的差异，对隔离放大器产品的功能选择和匹配上也不相同。
现场各种类型传感器信号隔离放大、变换应用举例：
1、传感器两线制4-20mA输出信号的隔离和调理
1.1 两线制4-20mA 电流环路隔离器
型号：ISO 4-20mA
说明: ISO 4-20mA电流环隔离器是单片两线制隔离接口芯片，该IC内部包含有电流信号调制解调电路、信号耦合隔离变换电路等。很小的输入等效电阻，使该IC的输入电压达到超宽范围（7.5—32V），以满足用户无需外接电源而实现信号远距离、无失真传输的需要。内部的陶瓷基板、印刷电阻工艺及新技术隔离措施使器件能达到3KVAC绝缘电压和工业级宽温度、潮湿、震动的现场恶劣环境要求。ISO 4-20mA系列产品使用非常方便无需外接任何元件即可实现4-20mA电流环隔离功能。
1.2 两线制4-20mA 隔离配电器
型号：ISO 4-20mA-F
说明: ISO 4-20mA-F是一种两线制4-20mA 信号环路式隔离配电器，具有节能、安全防爆功能。该IC为两线制传感器配电16V~21.5V，方便了一些两线制传感器的信号测量、远传、隔离等功能。该IC输出是针对24VDC和取样电阻（负载电阻）相串联的二线制供电回路（现场防爆功能）来设计的，同当前流行的模拟量输入接口板（上位机）、PLC、DCS或其他仪表的模拟量输入端口相匹配，ISO 4-20mA-F产品在使用时，其输入端外接传感器上的电源和信号是由4-20mA配电器模块从输出端耦合过来的，这个电信号可以用PLC、DCS、工控机来控制，当需要采集数据时就给传感器加电，不需要时可以关断电源和信号，从而实现节能、防爆的功能，同时可实现现场多点数据采集和控制，也可以延长传感器的使用寿命。ISO 4-20mA-F使用非常方便，无需外接任何器件，即可实现4-20mA信号的隔离、传输和变送功能。
1.3 两线制4-20mA 隔离调理器
型号：ISO 4-20mA-P
说明: ISO 4-20mA-P是一种两线制4-20mA 信号隔离调理器，可以将传感器的有源信号转换成无源信号直接送到PLC、DCS上采集。该IC输出是针对24VDC和取样电阻（负载电阻）相串联的二线制供电（现场防爆）回路来设计的，同当前流行的模拟量输入接口板（上位机）、PLC、DCS或其他仪表的模拟量输入端口相匹配。 ISO 4-20mA-P产品使用非常方便，只需外接一个50KΩ的多圈电位器进行ADJ校正，即可实现有源信号转换成无源信号隔离、传输和变送功能或信号的一进二出、二进二出等变换功能。
1.4 两线制4-20mA隔离变送器
型号：ISO 1003
说明: ISO 1003是专为两线制热电阻传感器设计的信号隔离变送器。该芯片内部包含有一个电流信号调制电路，光电耦合隔离变换电路及解调电路。 该芯片具有4-20mA的供电电压范围宽（16.5V-36V），输入等效电阻小，线性度高等特点，可提供5V/3.5mA的隔离电压输出、2.5V基准电源，输入信号的电压为0-0.8V，相对应输入侧信号路中电流的变化。输入及输出侧宽爬电距离及内部特殊绝缘的隔离措施使该芯片可达到3000VDC绝缘电压。
2、传感器信号的高精度模拟量数据采集、监控、通信及A/D转换（4-20mA转RS232/485）
型号：ISO 4011
说明: ISO 40xx系列产品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（SCADA）。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/输出和数字信号输入/输出（I/O）。ISO 40xx系列产品可应用在 RS-232/485总线工业自动化控制系统，温度信号测量、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。产品包括电源隔离、信号隔离及线性化，A/D转换和RS-485串行通信。每个串口最多可接256只 ISO 40xx系列模块，通讯方式采用ASCII码、MODBUS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 40xx系列产品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，报警上下限，地址，输入范围，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 40xx系列产品可以测量各种传感器信号，包括热电阻，热电偶，应变片等，具体选型请参看不同型号产品所支持的类型编码。ISO 40xx系列产品按工业标准设计、制造，信号输入 / 输出 / 辅助电源之间3KV三隔离，抗干扰能力强，可靠性高。工作温度范围- 45℃～+85℃。
3、对于传感器失真正弦波及方波、锯齿波、梯形波、阶梯波等非正弦波信号的准确测量。
型号：ISO – RMS - P- O
说明: ISO RMS系列真有效值（RMS）信号隔离放大器，主要用于失真正弦波信号，以及方波、矩形波、三角波、锯齿波、梯形波、阶梯波等非正弦波信号的精确测量。普通直流电压表只能测量直流电压信号，而测量交流信号必须增加AC/DC转换电路。这种电路是按照标准的正弦波平均值与有效值的关系(VRMS=1.111Vp)来定义的，因此这类仪表只能测量标准无失真的正弦波电压值。对于正弦波失真的交流电压信号，这类仪表测量就会出现误差，而使用这类仪表测量方波、矩形波、三角波、锯齿波、梯形波、阶梯波等非正弦波信号的偏差更大，检测结果与信号的实际值不相符。运用真有效值数字仪表可准确测量各种波形的有效值，满足现代电子测量控制的需要。
真有效值仪表的的核心器件是TRMS信号隔离放大器模块。TRMS模块是以单片TRMS／DC转换器为核心并采用了全新的D-S计算技术，配置高精度信号隔离放大器构成的。ISO系列真有效值隔离放大器产品具有集成度高、功能完善、外围元件少、电路连接简单、电性能指标容易保证等诸多优点，使用这种模块能准确、实时测量各种信号波形的有效值，无须考虑波形参数和失真。
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