SUPMAX800D卡件性能的改进和升级换代
SUPMAX800D分散控制系统是自仪股份最新开发的具有自主知识产权的新一代大型分散控制系统(DCS)，目前在电力、交通、冶金、化工等工业领域得到了广泛的应用，并取得良好的市场业绩。但是工业控制系统领域的竞争日益激烈，在各大厂商的产品技术与质量近似的情况下，如何提高自主产品的竞争力和市场占有率，这在拥有远见卓识的领导层面前不仅迫在眉睫而且已经提上日程。在保证产品性能与质量的前提下，通过改进产品，对系统进一步升级，不失为提高产品竞争力的有效途径．而电子产品市场的繁荣与快速发展，大量性能高、价格低的元器件不断涌现，也为这一途径的实现提供了可行的技术条件和坚实的技术保障。SUPMAX800D卡件改进设计项目就是在这样的背景下应运而生。
SUPMAX800D控制系统中10卡件是其主要组成部分，也是本次改进的主要目标．I0卡件主要接收上位机的组态和命令并发送到现场设备，同时采集现场的数据并发送为主控制器DPU，参与系统的控制。主要包括AI卡f电流输入卡）、TC卡（热电偶输入卡）、RTD卡（热电阻输入卡）、AO卡（电流输入卡）、DI卡（数字量输入卡）和DO卡（数字量输出卡）这六种卡仵。每一个I0卡件主要由1块CPU板和2块通道板构成。CPU板主要包括CPU和CPLD等主要的元器件；通道板主要包括实现通道输入或者输出功能的元器件。本项目的改进计划在满足卡件功能、性能、结构尺寸不变的前提下，更新换代各种低功耗、快速、价格优惠的器件，例如，对于量大的钽电容采用价格便宜的电解电容，芯片封装尽量采用小型的贴片式的，采用无铅环保的，抗EMC性能好的等等同时，在软件设计上对软件程序的精简，去掉臃肿的多余代码。采用新器件改进后整个系统会更加轻盈、快捷，具有生机活力，而且性价比高，市场前景广阔。
此外，对于RTD卡件，由于国家倾向于批建中大型电厂项目，而自仪股份所签约电厂项目也趋于中大型电厂项目，系统需要测量RTD的点数在不断增加。同时国内外其他的控制系统，RTD模块的点数均从4点扩大到6点、8点．因此，在对原RTD卡件（4点）进行硬件改进的同时，还开发新的8点RTD卡件。这样原来需要2块RTD卡件来实现8路热电阻信号，现在只需要1块8点RTD的卡件即可。这在满足市场需求的同时，最大程度的进行改进设计和实现，
对于SUPMAX800D控制系统中主要10卡件，其工作原理如下：
1、DI数字量输入卡：供电电压有24V和48两种，输入方式又有内供电和外供电两种，总共可以派生出4类DI卡，来满足不同的现场需求。电路板都是一致的，通过焊接器件的不同来生产不同的类型。输入端有桥式整流电路，通过光电隔离，进入到中间的CPU板进行信号采集和处理．
2.DO数字量输出卡：通过选配继电器板有丌路输出和触点输出两种，通过CPU的I/O管脚输出控制电平，来控制场效应管的开或关，从而控制继电器的输出，输出通道总共16路。
3.AI模拟量电流输入卡：接收8路4-20 mA电流信号，可以选择外供电，提供给老式的两线制仪表电源，输入信号通过精密电阻采样电压，通过多路选择器，进行双积分电路的计算，来获取输入的电流量，精度可以在千分之一以内。
4.AO模拟量电流输出卡：同时独立的输出8路隔离的4-20mA电流，每路的负载能力在750欧姆。
5.TC热电偶输入卡：接收8路热电偶信号输入，也可作为电压输入卡，接收0-5V的输入，输入电路同样用的是双积分电路。
6.RTD热电阻输入卡：处理PT100和Cu50两种类型，4路相互隔离的输入通道，精度可以达到千分之一。
针对以上卡件的硬软件情况，在卡件改进设计中，确定了相应的设计原理：
1.在结构、尺寸、主要功能性能都不变的前提下，主要选择成本低的元件替代原来成本高的元件，实现改进目的。
2.ACPU和DCPU的PCB不变。主要改AI、AO、DI、DO、TC、RTD六种卡件的PCB。
3.钽电容采用电解电容替代；精密电阻采用小型贴片式精密电阻；luF/50V电容改为0850封装。
4.三极管和MOSFET采用较小功率的型号，体积和成本都得到了降低。
5.EEPROM采用24C02，IIC接口．降低了成本．但软件要做相应的修改．
6.接插件采用便宜的接插件。
7.LED灯采用便宜的型号，封装不变。
而对于8点RTD卡件，相应的设计前提如下：
1)在4路的RTD模块基础上扩大点数到8路．
2)不需要修改RTD的机械结构，不需要额外对现场接线端子进行修改，方便接入到控制系统中。
3)不需要更换CPU等元器件，仅仅增加RTD信号采集通道。
4)最小改动的原则，以最低的人力物力，来实现8点RTD的功能，最大节约资源。
当确定设计原理后，便是概要设计与详细设计，即初样设计。然后是PCB布线，准备器件清单，进行器件采购。在此过程中．电子元器件的筛选和替换是产品设计中的关键。研发人员将原卡件板子上能改动的元器件列出清单，并就当前电子市场上能够找到的相应的能替代的元器件进行列表和排序，根据以下筛选原则进行筛选：1、不影响性能；2、价格便宜；3、采购容易；4、改动小。筛选出的元器件还要依次上板子进行调试，是否最终满足设计要求。经过大量元器件信息的筛选，经过研发人员的多次实验，最后才确定下替换元器件的清单，总共约33个。在硬件、软件完成设计并调试后，再进行系统联调。并按照SUPMAX800D控制系统的企业标准进行全性能测试，最终测试全部通过。
在这个过程中，一度遇到不少难题，但是在研发团队的努力和坚持下，使问题得到完美解决，比如AO卡件的电流一度输出不止确。经检查，发现替换的元器件运算放大FHP3130IM8X有问题．经过试验换回原来的OPA703后，同时将AO的PWM波的光耦前端电阻需要从3.3K换成2K后，解决了问题。又比如在全性能测试中，发现AI卡件的电快速群脉冲试验通不过。经过检查和分析，将AI卡通道输入的开关三极管NTF3055L108TIG;换为改进以前MTD3055VL后，试验通过．而8点RTD的开发难点在于一个采样CPU只具有两个外部中断，原来4点RTD时，一个外部中断处理一个通道的数据。而现在8点RTD，需要解决一个外部中断处理两个通道的数据的难点。研发人员经过不懈的努力，解决的这个难点，保证项目的顺利完成。
最后该产品达到的主要技术指标如下：
1、AI模拟量信号输入卡(AI)，完成4-20mA输入信号的采集功能，精度要求为±0.1%FS。
2、毫伏信号输入卡(TC)，完成热电偶信号的采集功能。精度要求如下：
0~5V为±0.1%FS：
0～100mV为±0.2%FS:
0～20mV精度要求为±0.3%FS。
3、热电阻信号输入卡(RTD)，完成对热电阻信号的采集，精度要求如下：
PT100精度为±0.2FS；
Cu50精度为±0.3FS。
4、模拟信号输出卡(AO)，实现(4～20)mA电流的输出，精度要求为±0.1%FS。
5、数字信号输入卡(DI)，实现16路0、48V电平或T触点数字量输入。
6、数字信号输出卡(DO)，实现16路输出开关量或T触点信号。
由于本项目设计的10卡件，是在器件的主要参数不变的前提下，对10卡件中影响价格比较大的器件进行了更换，从而在设计的源头就把好关，因此设计后的10卡件功能、性能、结构尺寸等都没有发生变化，满足SUPMAX800D控制系统的企业标准．并且按SUPMAX800D控制系统的企业标准进行全性能测试，满足标准的要求．同时SUPMAX800D卡件改进设的IO卡件是公司自行开发、设计、生产可以允分利用自仪公司的集团优势，使产品的成本相对比较低，同国内产品相比具有一定的价格优势。因此大规模的投产应用，不仅具有良好的经济效益，而且还有良好的社会效益。
SUPMAX800D分散控制系统是自仪股份拳头产品，在“系统做大，仪表做强”的战略目标下，坚定不移创出自己的品牌，走出自己的特色。本次SUPMAX800D卡件改进设计项目充分响应了公司在新市场环境下的应变策略。通过自身性能改进和升级换代，以稳定、可靠的性能和高性价比产品，来提高公司产品市场竞争力和占有率，在良性竞争的同时，提升公司产品知名度和美誉度，未来将在上业控制领域屡创佳绩，再塑辉煌。
