西门子模块6ES7515-2FM02-0AB0
在许多工业应用中，都需要在高共模电压情况下检测小差分电压，以实现对电流的监控。但在高共模电压情况下，输出电流的检测电路比较复杂，而且精度难以保证。采用新型高侧电流传感器AD8205可以简化其检测电路，并能大大**其检测和控制的精度。
AD8205是美国模拟器件公司推出的一种单电源高性能差分放大器，典型单电源供电电压为5V，其共模电压输入范围为-2~65V，可以耐受-5~+70V的输入共模电压，适用于高共模电压情况下检测小差分电压的工业设备中。它的增益固定为50V/V，工作温度范围为-40~+125℃，失调电压温漂小于15µV/℃，增益温漂小于30ppm/℃(环境温度可高达125℃)，在整个规定温度范围内具有优良的直流性能，其从直流到100kHz的频带范围内具有高达80dB的共模抑制比。因此其测量环路误差小，精度高，非常适合用于马达控制、传动控制、磁悬浮控制、车辆动力控制、燃料喷射控制、引擎管理和DC-DC变换等控制系统中。
图1 高侧电流传感器AD8205内部电路原理图
内部电路结构及其工作原理
AD8205的内部电路由A1和A2两个集成运放和一个电阻网络，以及一个小参考电压源和偏置电路构成，其电路结构如图1所示。
A1的前置衰减由电阻RA、RB、RC组成，可将共模电压衰减到合适的输入电压范围内。两组衰减器构成桥式网络，衰减率为1/16.7。输入信号经过衰减以后，使得输入信号的幅值保持在供电电源电压范围以内，当输入电压超过供电电源电压或低于公共地端的电压时，内部参考电压起作用，使得放大器在输入负共模电压信号时仍然可以正常工作。当电桥平衡时，共模电压信号产生的差分输入信号为0V。当然，输入网络同时也衰减了输入差分电压信号，放大器A1将衰减后的信号放大26倍，其输入和输出都采用差分形式以获得大的交流共模抑制比。另外电阻RA、RB、RC、RD和RF通过激光校准后的电阻匹配率优于0.01%，这种高精度校准使得器件能够获得超过80dB的共模抑制比。
放大器A2将A1输出的差分信号转换成单端信号，并放大32.15倍。参考输入端VREF1和VREF2都经过电阻RREF连接到A2的同相输入端，使得输出可以任意调整到所需要的输出电压范围内。当两个参考输入端并联使用时，参考电压从输入到输出的增益为1V/V；当单独使用任何一个参考输入端时，其增益为0.5V/V。AD8205的总增益由衰减电路的衰减率1/16.7、A1的放大倍数26和A2的放大倍数32.15构成。AD8205具有300μA的吸收下拉电流能力，采用A类PNP管接上拉电阻输出。
输出方式设置
单极性输出
此方式一般用来测量流过采样电阻上的单方向变化的电流。有两种基本模式：以地为参考和以V+为参考的输出模式。在单极性工作模式下，当差分输入为0时，输出可以偏置到负向(接近地)或正向峰值(V+)。当差分电压加到输入端时，输出将反向移动到峰值。这时满幅输出所对应的输入差分电压幅值接近100mV，它的极性由输出电压的静态设置所决定。当偏置到正向峰值时，输入差分电压应该为负，输出由正向峰值下降；反之，若静态偏置到地，则输入差分电压应该为正，输出由0上升。
图2 单极性输出连接方式
(a)外部参考电压输出 (b)分离参考电压输出
图3 双极性输出连接方式
(a)高侧电流传感器和低侧开关方式 (b)高侧电流传感器和高侧开关方式
图4 电路配置方式
以地为参考的输出连接方式如图2(a)所示。它的两个参考输入端都接到地上，当输入的差分电压为0时，其输出被偏置到反相峰值(约0.05V)。
以V+为参考的输出连接方式如图2(b)所示。它的两个参考输入端都连接到正电源上，当输入的差分电压为0时，其输出被偏置到正相峰值(约4.8V)。
双极性输出
双极性输出时AD8205可以测量流过采样电阻上的双向电流，这时，输出可以偏置到输出范围内的任意位置。当被检测的正反两个方向上的电流为等幅时，其输出必须偏置到满量程输出的中间位置。当双向电流幅值不对称时，输出偏置可以对应地偏离半量程位置。它的两个参考输入VREF1和VREF2分别连接一个内部电阻RREF后接到同一个内部偏置节点，这两个参考输入端的操作方式完全相同。在两个参考电压输入端接入对应的电压，即可完成对输出的偏置。在双极性输出方式下，一般有以下两种连接方式。
1)当输入双向电流幅值相同时，将两个参考电压输入端都连接到一个外部参考电压源的输出端，如图3(a)所示连接。当输入电压相对于-IN为负，输出电压将从参考电压下降。反之，当输入电压相对于-IN为正，输出电压将从参考电压上升。
2)将两个参考电压输入端的其中一个接到电源电压V+端，另一个参考电压输入端接地，如图3(b)所示连接。当输入差分电压为0时，输出电压被偏置到AD8205的供电电源电压的中间位置。这种接法的好处在于测量双向电流时不需要外接参考源，输出将按比率地自动跟随供电电源电压的变化而产生半幅偏置。也就是说，不管电源电压是升还是降，输出偏置点将一直保持在电源电压的中间位置。例如，电源电压为5V时，输出偏置到2.5V；而当电源电压上升10%时，输出将偏置到2.75V。
典型应用
高侧电流传感器和低侧开关方式
如图4(a)所示连接，PWM控制开关的源极接参考地，感性负载和采样电阻串联连接在电源和PWM控制开关之间。当PWM开关闭合时，采样电阻上的共模电压下降到接近负向峰值；当PWM开关打开时，采样电阻上产生的共模电压为电源电压和续流二极管的正向压降的电压和。采用这种方式的优点是当PWM开关关闭时，由于采样电阻置于电源高侧，采样电阻仍然在电流回路当中，使得负载上的全部电流，包括续流电流，仍然可以监测，并且容易识别对地短路故障以实现电路的短路保护。
高侧电流传感器和高侧开关方式
如图4(b)所示连接，PWM开关和采样电阻都位于电压高侧。当PWM开关打开时，负载电源将被移除，但仍然可以提供和监测续流电流，以实现电流控制诊断。在工作过程中，大部分时间电源都和负载隔离，这样可将负载对地之间的差分电压所引起的不良影响减到小。当PWM开关闭合时，电源电压将连接到负载，这时共模电压将增加到电源电压。而PWM开关打开时，电压将反转并经过感性负载，由于续流二极管的作用，使得采样电阻上的共模电压保持为一个低于地的二极管的导通压降。
马达控制
如图5所示连接，AD8205在H桥马达控制电路中作为控制回路的一部分，马达和采样电阻串连后放置在H桥的中间，通过检测采样电阻上的电压，可以准确地测量马达当前的电流及其方向。此时，AD8205的输出被设定成外部参考双向的方式，这样它可以测量H桥开关的双向电流并同时监测马达的运转方向。由于地不是一个特别稳定的参考电平，以地为参考将会导致测量的不准确性。因此，这种测试方案要比以地作为参考电平的测试方法好的多。
结语
采用AD8205实现在高共模电压情况下检测小差分电压的电路结构简单可靠，监测精度高。它特别适用于42V汽车系统的动力监控、液压控制、磁悬浮控制等控制系统中。
1 引言
隧道自动化是一个整体的概念,包括消防管理系统、交通控制系统、照明控制系统、通风控制系统、报警系统、摄像监控系统、信息管理系统、电源及配电控制系统和交通自动化等。而以中央计算机+隧道可编程序控制器（现场总线+PLC+手操屏），构成的隧道自动化系统既能完成隧道机电设备、隧道环境状况监控的功能,又可完成隧道信息管理的功能,其中的监控部分采用了具有高可靠性的PLC组成的，基于现场总线的集散控制结构的隧道可编程序控制器。使得整个自动化系统的可靠性得到保证。同时,PLC可以独立工作,完成基本控制任务;现场总线的采用将使各个区域的监控任务变成相应PLC的分散监控任务,使得隧道布线更加简单、合理。PLC的灵活配置使得隧道监控系统形成模块结构,PLC系统可大可小,可根据现场要求进行合理分布。下面就福建漳州至龙岩高速公路大为主的隧道群交通、照明及通风监控系统为例介绍隧道可编程序控制器在实际中的开发和应用。
2 系统要求
漳龙高速公路共有6个隧道，分别是万松关隧道、风霜岭隧道、大隧道、后眷隧道、南靖隧道，石崆门隧道（不属于本次施工范围），大隧道是一个双洞、长约2.6km的高速公路隧道,在双洞单向行驶时,设计车速为80km/h,当单洞双向行驶时,设计车速为60km/h。为了达到上述要求,洞内交通、照明和通风均有相应的要求,分别由所对应机电设备的数量、功率、安装位置来保证。由相应的控制系统、监测系统对洞内照明和通风进行优化控制,以达到节能和安全行驶。如,由照明监控系统保证洞内照明,在白天,由洞口到洞内的照度能够较平缓地过渡等措施避免玄光和黑洞现象;由通风控制系统保证洞内CO浓度、能见度和洞内风速达到设计要求。
3 系统构成
3.1道可编程控制器介绍
隧道可编程控制器遵循中华人民共和国交通行业标准JT/T 608-2004，此标准2005年1月1日实施，北京云星宇交通工程公司依此行业标准研发了相应的产品YXY-RTU。隧道可编程控制器PCT是现场总线+PLC+手操屏的集成产品，此产品充分利用了PLC的高稳定性，现场总线的高效率，以及手操屏的现场灵活控制，实现了公路隧道的安全稳定控制。
按照GB/T18567-2001的规定，隧道可编程控制器按照其安装位置的不同可分为隧道监控站内和隧道洞内的区域可编程控制器。
3.1.1隧道监控站内的可编成控制器是指：
a) 隧道监控系统的中央节点，公路交通监控子系统（隧道监控）的节点端机。
b) 与公路监控（分）中心远程通讯，执行（分）中心上位机的动作指令和本机的控制程序。
下图是福建漳龙路隧道群的数据传输网络，可以诠释隧道区域控制器和监控中心的网络通信连接。数据上传由主控本地控制器的以太网模块通过数字光端机直接与监控分中心连接，采用TCP/IP传输协议，使信息层数据共享。
图3-1 隧道群数据传输网络
3.1.2隧道洞内的区域可编程控制器是指：
a) 环网（或总线）拓扑结构的隧道监控子系统（区与监控）的节点端机；
b) 通过光、电传输介质的连接，执行隧道站上位机的动作指令和本机的控制程序。
图3-2是漳龙路大隧道的光线环网拓扑图
隧道的现场控制网络选用OMRON公司的controller bbbb工业级控制网络，具有高可靠性和稳定性。采用4芯多模光缆，每个现场控制器通过Controller bbbb光纤接口模块连接构成多模光纤冗余环结构，其中2芯为备用，即环网上任何一点被截断，通信传输依然可以保持，保证了现场总线避免外界干扰，传输通畅，并**了数据传输的可靠性。
特点：
1）网络为对等网，任意节点故障不会影响干网运行。
2）光纤自愈环网的通讯速度2Mbps。
3）光纤ST头直接进模块，减少了中间环节，工作更可靠。
4）网络节点之间无须编程可以传输数据，便于今后检修与维护。
3.1.3隧道可编程序控制器PCT的功能
隧道可编程序控制器PCT的监控任务分成以下几个部分:
(1) 自动时通过检测交通、气象等参数，根据运算可得出交通状况，采用相应的控制方案。手动时中央控制计算机或手操屏根据实际情况确定交通模式。
(2) 通过现场总线,将车**信息、CO/VI/TW信息送到CS1,在中央控制计算机中,生成通风工作状态和照明工作状态。
(3) 通风PLC从现场总线读取风机组启/停控制要求,进行风机组的现场控制。
(4) 照明PLC,根据照度进行洞内照明的控制或控制中央控制室的定时控制指令来控制照明。
3.2漳龙路隧道群的系统构成
本隧道群自动化方案采用中央控制计算机+隧道可编程序控制器YXY-RTU,中央控制计算机由多台互连的工业PC组成,构成隧道信息中心，负责隧道各种信息的汇集和处理、控制指令的产生和发布、隧道模拟大屏幕的控制、各种报表的生成及紧急事故的处理等任务,并进行整个系统的协调。隧道可编程序控制器采用北京云星宇交通工程公司的YXY-RTU,隧道可编程序控制器中，现场总线采用OMRON Controller bbbb,总控PLC为OMRON CS1-G-42H,现场PLC采用OMRON CS1-G-42H。数据传输网络由数据上传和现场控制网络组成。
4系统工作过程概述
光强检测仪测得反映光照度的4～20mA形式电信号,送到相应的隧道可编程序控制器PCT。由该控制器控制相应的照明开关(交流接触器),使洞内照度与洞外照度得到比较平缓的过渡。照明控制也可以采用按季节定时控制方式。每个控制点具有回检信号和报警信号,PLC通过现场总线将照明系统的现场检测结果返回到中央控制计算机,进行信息汇总、协调,并显示在隧道大屏幕上。
VI/CO/TW检测仪以4～20mA形式电信号,送到就近的隧道可编程序控制器,由现场总线返回到中央控制计算机,由中央控制计算机根据这些参数断定所开启的风机是否合适,进行合适的增加、减少或不变,修正风机控制规则表,同时将风机控制指令发送到风机控制器,在大屏幕中显示洞内环境信息。
车**检测线圈以串行码信息的形式送入相应的隧道可编程序控制器,由现场总线返回到中央控制计算机,根据车**决定风机开启组数,经现场总线下载到风机控制器,对风机组的启/停进行控制。风机控制器同时检测各个风机的回检信号和告警信号,将它们返回到中央控制计算机断定风机的运行是否正常,并在大屏幕中进行显示和整个通风系统的协调。
5控制软件的二次开发
PLC采用OMRON公司的CS1-G-42H系列产品，现场总线采用OMRON Controller bbbb现场总线,其软件是对CX-PROGRAMMER控制组态软件及通讯软件的二次开发,定义各个控制器的通讯地址,进行有关信息的交换。各个控制器的直接控制和检测软件根据系统的硬件来实现,可以用CX-PROGRAMMER的梯形图或语句表等语言来设计和实现。成功的OMRON CONTROLLER bbbb现场总线，使所有编程工作变得比较简单，大大缩短了开发和施工周期。
6小结
本系统由于采用了中央控制计算机+隧道可编程序控制器构成的隧道自动化控制方案,充分发挥了现场总线的灵活组态方式,使得整个系统的有用信息得到完全共享,便于系统集成和相关设备日常检修。同时Controller bbbb的高速度数据通讯和光纤自愈环网所带来的高可靠性,使得整个监控系统十分适合隧道自动化系统;增加整个系统的抗干扰能力,缩短外部信号的引线长度和控制信号电缆长度,减少接线端子。这种监控方式较好地发挥了工业PC和PLC的各自优势,充分利用了工业PC在信息管理和处理上的强大能力及PLC在现场控制中的灵活性。