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摘要：在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)中，設(shè)備的自動化程度越來越高，自動控制系統(tǒng)在當(dāng)代企業(yè)中已十分常見。而自動控制系統(tǒng)多數(shù)是對模擬量進(jìn)行控制，如物料的流量、壓力等。為實(shí)現(xiàn)對這些模擬量的精確控制，現(xiàn)代自動控制系統(tǒng)多數(shù)采用閉環(huán)控制,這就需要對模擬量進(jìn)行采集。然而，在工業(yè)設(shè)備應(yīng)用中，為了使模擬量信號穩(wěn)定、可靠的輸出，需要對電壓型輸出環(huán)路檢測短路故障，同時還需要對電流型輸出檢測開路故障的狀況。本設(shè)計在這一方面極大提高了電子電路的運(yùn)行狀態(tài)及故障檢測工作的精確性和檢測效率，另一方面極大簡化了電子電路檢測設(shè)備的結(jié)構(gòu)，可幫助增強(qiáng)系統(tǒng)總體可靠性，并在和利時自主研發(fā)的項目上得到成功應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：模擬量信號；故障檢測；控制機(jī)構(gòu)

Abstract: In modern industrial enterprises, the automation of equipment is getting higher and higher, and automatic control systems are very common in contemporary enterprises. Most of the automatic control systems control the analog quantity, such as the flow rate and pressure of the material. In order to achieve precise control of these analog quantities, modern automatic control systems mostly use closed-loop control, which requires the acquisition of analog quantities. However, in industrial equipment applications, in order to make the analog signal stable and output reliable, it is necessary to detect the short-circuit fault of the voltage-type output loop and the open-circuit fault condition of the current-type output. On the one hand, the design greatly improves the operation state of the electronic circuit and the accuracy and detection efficiency of the fault detection work. On the other hand, the structure of the electronic circuit detection device is greatly simplified, and the overall reliability of the system can be enhanced. It has been successfully applied in the project independently developed by Hollysys.

Key words: Analog signal; Fault detection; Control mechanism

1　引言

在現(xiàn)有的工業(yè)控制領(lǐng)域，通常需要工作人員手動操作控制機(jī)構(gòu)，如蝶閥、球閥、套筒閥、氣閥等。那么，在一些不方便人員進(jìn)行操作的地方，可能會對人員造成危險；并且現(xiàn)有模擬量輸出信號比較單一，對終端設(shè)備要求只能是單一模擬控制信號，可選擇性比較差，應(yīng)用場景也不夠靈活[1]。尤其對于偏遠(yuǎn)地區(qū)，在施工和維護(hù)過程中會造成時間、管理成本和人員的浪費(fèi)，不利于實(shí)時控制及后期管理。

2　設(shè)計方案

本設(shè)計提出了兩種模擬量信號類型，分別為電壓型、電流型。根據(jù)實(shí)際工程需要，可選擇不同類型的方式進(jìn)行模擬量信號的輸出。當(dāng)然，該設(shè)計提出了一種新型的模擬量信號輸出電路，可支持多種量程范圍的選擇，電壓型支持7種，電流型支持2種，即在不用更換端子或者重新接線的情況下，只需要選擇控制器的類型，就可以支持以上不同量程范圍和類型，再配置相關(guān)參數(shù)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電壓型或者電流型進(jìn)行輸出。具體輸出范圍和類型如表1所示。

表1 模擬量類型和范圍

根據(jù)表1中提供的類型和范圍，在施工過程中，可以提高工業(yè)現(xiàn)場的施工效率和施工質(zhì)量，節(jié)省技術(shù)和應(yīng)
用成本，同時也方便后期用戶的使用及維護(hù)。

該設(shè)計的系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2.1　電壓型輸出電路

在本設(shè)計中，模擬量信號電壓型輸出電路主要由16位數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、電壓比例調(diào)節(jié)電路、緩沖電路、電壓反饋電路、電壓型或電流型控制機(jī)構(gòu)組成，其工作原理是通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，并傳送給電壓比例調(diào)節(jié)電路，而電壓比例調(diào)節(jié)電路則將輸入進(jìn)來的模擬量信號進(jìn)行放大、比例調(diào)節(jié)和隔離形成電壓模擬量信號，最后經(jīng)過緩沖電路進(jìn)行輸出[2]。當(dāng)然，為了提高電壓輸出的精度和穩(wěn)定性，需要電壓型或電流型控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行反饋，并根據(jù)反饋結(jié)果來調(diào)節(jié)電壓精度以及判斷電壓輸出時電路是否短路。

2.2　電流型輸出電路

模擬量信號電流型輸出電路設(shè)計主要由16位數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、電壓比例調(diào)節(jié)電路、運(yùn)放電路、N型MOS電路、反饋電阻、電流采樣電阻、運(yùn)放電路、P型MOS電路組成，其中16位數(shù)模轉(zhuǎn)換電路可將數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換為模擬量信號并輸入給運(yùn)放電路；另外，由運(yùn)放電路、N型MOS電路、電流采樣電阻共同組成恒流源電路，同時經(jīng)過反饋電阻、運(yùn)放電路、P型MOS電路進(jìn)行調(diào)理后即可輸出電流；在這個過程中，上位機(jī)或控制器可以根據(jù)電流的反饋信號來判斷是否超過預(yù)設(shè)的閾值，如果超過了規(guī)定的閾值，那么系統(tǒng)就判定電路出現(xiàn)開路故障。

2.3　模擬量信號輸出控制機(jī)構(gòu)

該電壓型或電流型控制機(jī)構(gòu)主要涉及到由上位機(jī)或控制器進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的配置，即可實(shí)現(xiàn)電流和電壓之間的相互轉(zhuǎn)換并輸出到負(fù)載端。圖2為模擬量信號的輸出控制機(jī)構(gòu)原理圖，具體包括輸入端口和與之相連接的模擬量切換電路以及模擬量信號處理電路。模擬量信號處理電路主要是指DSP/MCU電路，而模擬量切換電路包括連接的MOSFET開關(guān)電路、門極驅(qū)動電路、BJT電平切換電路，其中MOSFET開關(guān)電路接輸入端口并與電流轉(zhuǎn)電壓相連接，BJT電平切換電路則與DSP/MCU電路連接。這種組合的優(yōu)點(diǎn)就是，無論模擬量輸入信號是電壓型還是電流型，經(jīng)過該轉(zhuǎn)換控制機(jī)構(gòu)，均可以與外部儀表進(jìn)行連接，而不需要更換端子或重新接線，其優(yōu)點(diǎn)是可以完全替代傳統(tǒng)的物理開關(guān)，操作方便，導(dǎo)通可靠，降低對結(jié)構(gòu)、PCB的設(shè)計要求，增強(qiáng)驅(qū)動器防護(hù)等級，提高抗振等級。相對于通用的模擬開關(guān)，這種控制機(jī)構(gòu)又具有輸入范圍寬、價格便宜、使用靈活的優(yōu)點(diǎn)。

圖2 模擬量信號輸出控制機(jī)構(gòu)原理圖

3　實(shí)際應(yīng)用

為了應(yīng)用在地鐵、水處理、電廠等場所，以及滿足高端裝備、復(fù)雜機(jī)器、生產(chǎn)線等的控制要求，由北京和利時智能技術(shù)有限公司自主設(shè)計研發(fā)的LK512系列的I/O板結(jié)合本設(shè)計的方案能夠?qū)崿F(xiàn)8通道電壓、電流型模擬量的輸出，其精度可達(dá)到0.2%。在實(shí)際應(yīng)用中，LK512C的8通道模擬量數(shù)電壓電流輸出IO板，采用了8路信號調(diào)理電路進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)，該芯片的設(shè)計可以用來滿足工業(yè)過程控制中需要的四通道、精密數(shù)字-電流環(huán)路和電壓輸出轉(zhuǎn)換器，以及產(chǎn)生電流環(huán)路和單極性/雙極性電壓輸出，能夠?yàn)橛脩艉烷_發(fā)者提供高精密、完全集成、低成本的單芯片解決方案。采用LK512C的8通道模擬量數(shù)電壓電流輸出IO板，允許支持的電流輸出范圍為：0~20mA、0~24mA和4~20mA；允許支持的電壓輸出范圍為：0~5V、±5V、0~10V和±10V。當(dāng)然，在實(shí)際設(shè)計過程中，用戶可通過DAC來控制寄存器選擇所需要的輸出配置，并將該DAC芯片結(jié)合相應(yīng)的控制電路進(jìn)行電壓電流型模擬量的輸出。如圖3所示為LK512C的8通道模擬量數(shù)電壓電流輸出模塊I/O板的原理框圖。

圖3 LK512C的8通道模擬量數(shù)電壓電流輸出模塊I/O板原理框圖

在LK512C 8通道模擬量數(shù)電壓電流輸出模塊I/O板中，由V/I信號調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)的通道模擬量數(shù)電壓電流輸出的結(jié)果，將通過SPI通信協(xié)議傳輸給LK512C系列的CPU板，并最終上傳到AT系統(tǒng)。不僅如此，應(yīng)用在LK512C-B中的8通道模擬量數(shù)電壓電流輸出模塊能夠支持電流開路、電源短路等自診斷功能，并通過32針歐式連接器將8通道模擬量數(shù)電壓電流的輸出傳輸出到現(xiàn)場端子上，以實(shí)現(xiàn)對第三方設(shè)備的智能控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?br/>

4　展望

本文介紹了一種新型模擬量信號的輸出通道電路在工控行業(yè)的典型應(yīng)用，旨在為解決行業(yè)內(nèi)控制系統(tǒng)與第三方通信設(shè)備的智能互聯(lián)以及數(shù)據(jù)采集等功能，與此同時，該新型模擬量信號輸出通道電路在和利時LK512C項目中的成功應(yīng)用，進(jìn)一步提高了國產(chǎn)控制技術(shù)自動化水平的效率，加速推動中國實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制的數(shù)字化、信息化和智能化的可持續(xù)性發(fā)展，并助力實(shí)現(xiàn)國家智能制造以及工業(yè)4.0的技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王宇. 工業(yè)控制領(lǐng)域中電子技術(shù)的應(yīng)用分析[J]. 技術(shù)與市場, 2019, ( 09 ) : 130 - 132.

[2] 王偉偉. 工程項目中常用模擬量信號采集與轉(zhuǎn)換[J]. 電子世界, 2018, ( 19 ) : 153 - 154.

作者簡介：

關(guān)站東（1980-），男，高級硬件工程師，本科，現(xiàn)就職于北京和利時智能技術(shù)有限公司，主要研究方向?yàn)橹悄苤圃?、模擬量信號輸出與診斷控制。

摘自《自動化博覽》2020年1月刊