如何设计模块化产品？

与非模块式产品比较，模块式产品具有如下优点：方便企业生产、方便客户使用、节省客户资金、利于产品升级改造、利于维护等。

要进行模块式产品设计，首先要明确产品依据的标准，在标准中查找技术要求，还要考虑产品的实际使用环境、模块种类以及模块划分的依据等开发细节。

1.产品的使用环境

作为保护类产品，要明确产品的正常工作环境。根据标准，环境温度可选为-10～+55℃，此温度可以满足绝大多数产品的使用环境；大气压力为80～110kPa（海拔2000m以下）。相对湿度为：最湿月的月平均相对湿度为90%，同时该月的平均最低温度为25℃，并且在产品上不应出现凝露。使用环境不应有腐蚀、破坏绝缘的气体及导电介质，对于使用环境内有火灾、爆炸危险的介质、产品应有防爆措施。户外产品应有防御雨、雪、风、沙的设施。供电电源额定电压为AC220V，交流电源额定电压为额定值的85%～110%。

2.产品的模块划分

智能型产品具备如下功能：电流、电压、功率、频率等电参数测量；电动机转子、轴承温度测量；电参数、温度值的变送输出；开关量输入、输出；工艺联锁；各类保护功能；通信组网等功能。上述功能也可总结为：电参数测量；温度测量；模拟量输入输出；对电动机保护、控制；通信功能等方面。

图15-12 继电器输出电路

按照功能模块可划分为电参数测量模块、温度模块、模拟量模块、通信模块、开关量模块、显示模块和CPU（中央处理器）单元。

3.各模块功能介绍

（1）CPU单元 CPU单元负责协调各模块工作，带有最小系统资源。最小系统资源是指带有开关量输入、开关量输出、带有对外组网、实时时钟、事件记录等功能，通过最小系统资源可以确保产品实现过载、断相、起动超时等保护功能；实现直接起动、双速起动、双向起动、自耦减压起动、星-三角起动等多种起动功能；带有通信组网功能；带有逻辑编程功能，可以编程实现计数器、定时器、真值表功能；开关量输入、输出可编程设定，每路开关量输入都可以设定为起动、停止、复位、紧急停止、紧急起动、工艺联锁等功能；每路开关量输出可编程设定：起动信号输出、故障信号输出、总线控制输出、逻辑输出（定时器、真值表、计数器）等输出功能。CPU单元为整个产品的核心单元，是模块式产品的必备单元，CPU单元的硬件框图如图15-13所示。

图15-13 CPU单元的硬件框图(www.xing528.com)

（2）测量模块 测量模块实现电流、电压、剩余电流、频率、功率的测量。考虑到各种功率电动机的额定电流范围跨度较大（0.4～800A），将所有电流划分为一个范围显然是不合理的，为此根据常用电动机功率将产品对应地分为6类，分别为1.6、6.3、25、100、250、800，产品额定电流等级及电动机功率的对应关系见表15-1。测量用电流互感器需要选取保护级电流互感器，相对测量级电流互感器过载能力强，通常可以达到10倍过载不饱和。目前，市场上常用的保护级电流互感器，准确度可以达到0.5级，在保护类产品中使用可以达到预期效果。目前低压电动机的工作电压通常有：AC220V、AC380V、AC660V、AC1140V等几种，测量AC1140V电压时需要外加PT做隔离，其他三种可以直接测量。所以在设计时通常以AC660V为最高，留有1.5倍的余量。漏电流测量范围通常分为两种：一种为500mA以下；另一种为3～30A。在不考虑变频器的情况下，低压交流电动机额定频率一般为50Hz/60Hz，考虑到产品使用的通用性，产品可以准确跟踪到45～65Hz范围内的频率变化。测量模块的硬件框图如图15-14所示。

表15-1 产品额定电流等级及电动机功率的对应关系

图15-14 测量模块的硬件框图

（3）温度模块 温度模块通过外接温度传感器实现温度测量，根据温度值实现过热保护。常用的电动机测温传感器包括：Pt100、Pt1000、Cu50和PTC、NTC热敏电阻、KTY83/KTY84等，综合分析各类传感器的特性及实际电动机使用的各种传感器的比例，选取Pt100、Pt1000、Cu50和PTC、NTC热敏电阻作为温度模块支持的传感器种类。温度模块所接传感器的类型及测量范围如表15-2所示。

表15-2 温度模块所接传感器的类型及测量范围

（4）模拟量模块 模拟量模块可以实现模拟量输入测量和模拟量变送输出。模拟量输入测量功能，可以被用在现场工艺联锁保护、测量显示等情况，模拟量输入可接的设备包括：电力变送器、模拟信号变送器、转速传感器、角度传感器、位置传感器等设备，通过接收判断上述设备的信号实现对应的保护动作。模拟量输出功能将电参量、温度、模拟量输入等参数转换为DCS（分布式控制系统）或PLC所需要的模拟量输出信号，由DCS或PLC执行相应的操作。

（5）开关量模块 开关量模块是对CPU单元的开关量进行扩展，当CPU单元的开关量点数无法满足使用者需求时，通过外加开关量模块实现产品开关量点数扩展。开关量输入类型分为干触点和湿触点两种，干触点通常使用装置内带的DC+24V，湿触点通常为外部的AC220V。在控制产品中，干触点有利于保护人身安全，现场电气施工质量要求高，现场电气布线时不能很好地安装电气分层处理会引入干扰信号，线路过长且不适用屏蔽线同样容易引起误操作；湿触点在一定程度上可以减少干扰信号和误动作，但如果和动力线绑接在一起同样有误动作的可能，另外湿触点电压远远超出人身安全电压的范围，作为设计者，需要分析可能存在的误动作原因，并加以解决，使用者需要根据实际情况选取开关量输入的类型，并按规范进行施工。

（6）模块互连 模块互连直接影响到产品的可靠性。数据交换的处理是产品稳定工作的关键，通信协议要带有模块识别、数据传送、数据校验、冲突检测、仲裁等功能。同时对传输数据格式做好规定，即起始位、停止位、数据位、检验位，数据校验等。传输数据格式可以参考常规数据传输模式，起始位1位，数据位8位/7位，停止位1位/2位，校验位1位，检验位可以选择奇、偶校验。数据传输要带有校验数据，可以采用CRC等校验方式。常用的通信接口有SPI、IIC、UART、CAN等，都有自身的特点与局限性。根据产品实际功能、特点，选用合理的通信接口。通过选定的通信接口进行模块互连。