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摘要：在現代工業企業中，設備的自動化程度越來越高，自動控制系統在當代企業中已十分常見。而自動控制系統多數是對模擬量進行控制，如物料的流量、壓力等。為實現對這些模擬量的精確控制，現代自動控制系統多數采用閉環控制,這就需要對模擬量進行采集。然而，在工業設備應用中，為了使模擬量信號穩定、可靠的輸出，需要對電壓型輸出環路檢測短路故障，同時還需要對電流型輸出檢測開路故障的狀況。本設計在這一方面極大提高了電子電路的運行狀態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備的結構，可幫助增強系統總體可靠性，并在和利時自主研發的項目上得到成功應用。

關鍵詞：模擬量信號；故障檢測；控制機構

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

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

2　設計方案

本設計提出了兩種模擬量信號類型，分別為電壓型、電流型。根據實際工程需要，可選擇不同類型的方式進行模擬量信號的輸出。當然，該設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，再配置相關參數進而實現電壓型或者電流型進行輸出。具體輸出范圍和類型如表1所示。

表1 模擬量類型和范圍

根據表1中提供的類型和范圍，在施工過程中，可以提高工業現場的施工效率和施工質量，節省技術和應
用成本，同時也方便后期用戶的使用及維護。

該設計的系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

2.1　電壓型輸出電路

在本設計中，模擬量信號電壓型輸出電路主要由16位數模轉換電路、電壓比例調節電路、緩沖電路、電壓反饋電路、電壓型或電流型控制機構組成，其工作原理是通過數模轉換電路將數字量信號轉換成模擬信號，并傳送給電壓比例調節電路，而電壓比例調節電路則將輸入進來的模擬量信號進行放大、比例調節和隔離形成電壓模擬量信號，最后經過緩沖電路進行輸出[2]。當然，為了提高電壓輸出的精度和穩定性，需要電壓型或電流型控制機構進行反饋，并根據反饋結果來調節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計主要由16位數模轉換電路、電壓比例調節電路、運放電路、N型MOS電路、反饋電阻、電流采樣電阻、運放電路、P型MOS電路組成，其中16位數模轉換電路可將數字量信號轉換為模擬量信號并輸入給運放電路；另外，由運放電路、N型MOS電路、電流采樣電阻共同組成恒流源電路，同時經過反饋電阻、運放電路、P型MOS電路進行調理后即可輸出電流；在這個過程中，上位機或控制器可以根據電流的反饋信號來判斷是否超過預設的閾值，如果超過了規定的閾值，那么系統就判定電路出現開路故障。

2.3　模擬量信號輸出控制機構

該電壓型或電流型控制機構主要涉及到由上位機或控制器進行相關參數的配置，即可實現電流和電壓之間的相互轉換并輸出到負載端。圖2為模擬量信號的輸出控制機構原理圖，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開關電路、門極驅動電路、BJT電平切換電路，其中MOSFET開關電路接輸入端口并與電流轉電壓相連接，BJT電平切換電路則與DSP/MCU電路連接。這種組合的優點就是，無論模擬量輸入信號是電壓型還是電流型，經過該轉換控制機構，均可以與外部儀表進行連接，而不需要更換端子或重新接線，其優點是可以完全替代傳統的物理開關，操作方便，導通可靠，降低對結構、PCB的設計要求，增強驅動器防護等級，提高抗振等級。相對于通用的模擬開關，這種控制機構又具有輸入范圍寬、價格便宜、使用靈活的優點。

圖2 模擬量信號輸出控制機構原理圖

3　實際應用

為了應用在地鐵、水處理、電廠等場所，以及滿足高端裝備、復雜機器、生產線等的控制要求，由北京和利時智能技術有限公司自主設計研發的LK512系列的I/O板結合本設計的方案能夠實現8通道電壓、電流型模擬量的輸出，其精度可達到0.2%。在實際應用中，LK512C的8通道模擬量數電壓電流輸出IO板，采用了8路信號調理電路進行數模轉換的實現，該芯片的設計可以用來滿足工業過程控制中需要的四通道、精密數字-電流環路和電壓輸出轉換器，以及產生電流環路和單極性/雙極性電壓輸出，能夠為用戶和開發者提供高精密、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。當然，在實際設計過程中，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芯片結合相應的控制電路進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通道模擬量數電壓電流輸出模塊I/O板原理框圖

在LK512C 8通道模擬量數電壓電流輸出模塊I/O板中，由V/I信號調理電路實現的通道模擬量數電壓電流輸出的結果，將通過SPI通信協議傳輸給LK512C系列的CPU板，并最終上傳到AT系統。不僅如此，應用在LK512C-B中的8通道模擬量數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通道模擬量數電壓電流的輸出傳輸出到現場端子上，以實現對第三方設備的智能控制和數據傳輸等功能。

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的典型應用，旨在為解決行業內控制系統與第三方通信設備的智能互聯以及數據采集等功能，與此同時，該新型模擬量信號輸出通道電路在和利時LK512C項目中的成功應用，進一步提高了國產控制技術自動化水平的效率，加速推動中國實現工業控制的數字化、信息化和智能化的可持續性發展，并助力實現國家智能制造以及工業4.0的技術。

參考文獻：

[1] 王宇. 工業控制領域中電子技術的應用分析[J]. 技術與市場, 2019, ( 09 ) : 130 - 132.

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

作者簡介：

關站東（1980-），男，高級硬件工程師，本科，現就職于北京和利時智能技術有限公司，主要研究方向為智能制造、模擬量信號輸出與診斷控制。

摘自《自動化博覽》2020年1月刊