北京和利时智能技术有限公司

摘要：在现代工业企业中，设备的自动化程度越来越高，自动控制系统在当代企业中已十分常见。而自动控制系统多数是对模拟量进行控制，如物料的流量、压力等。为实现对这些模拟量的精确控制，现代自动控制系统多数采用闭环控制,这就需要对模拟量进行采集。然而，在工业设备应用中，为了使模拟量信号稳定、可靠的输出，需要对电压型输出环路检测短路故障，同时还需要对电流型输出检测开路故障的状况。本设计在这一方面极大提高了电子电路的运行状态及故障检测工作的精确性和检测效率，另一方面极大简化了电子电路检测设备的结构，可帮助增强系统总体可靠性，并在和利时自主研发的项目上得到成功应用。

关键词：模拟量信号；故障检测；控制机构

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

在现有的工业控制领域，通常需要工作人员手动操作控制机构，如蝶阀、球阀、套筒阀、气阀等。那么，在一些不方便人员进行操作的地方，可能会对人员造成危险；并且现有模拟量输出信号比较单一，对终端设备要求只能是单一模拟控制信号，可选择性比较差，应用场景也不够灵活[1]。尤其对于偏远地区，在施工和维护过程中会造成时间、管理成本和人员的浪费，不利于实时控制及后期管理。

2　设计方案

本设计提出了两种模拟量信号类型，分别为电压型、电流型。根据实际工程需要，可选择不同类型的方式进行模拟量信号的输出。当然，该设计提出了一种新型的模拟量信号输出电路，可支持多种量程范围的选择，电压型支持7种，电流型支持2种，即在不用更换端子或者重新接线的情况下，只需要选择控制器的类型，就可以支持以上不同量程范围和类型，再配置相关参数进而实现电压型或者电流型进行输出。具体输出范围和类型如表1所示。

表1 模拟量类型和范围

根据表1中提供的类型和范围，在施工过程中，可以提高工业现场的施工效率和施工质量，节省技术和应
用成本，同时也方便后期用户的使用及维护。

该设计的系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

2.1　电压型输出电路

在本设计中，模拟量信号电压型输出电路主要由16位数模转换电路、电压比例调节电路、缓冲电路、电压反馈电路、电压型或电流型控制机构组成，其工作原理是通过数模转换电路将数字量信号转换成模拟信号，并传送给电压比例调节电路，而电压比例调节电路则将输入进来的模拟量信号进行放大、比例调节和隔离形成电压模拟量信号，最后经过缓冲电路进行输出[2]。当然，为了提高电压输出的精度和稳定性，需要电压型或电流型控制机构进行反馈，并根据反馈结果来调节电压精度以及判断电压输出时电路是否短路。

2.2　电流型输出电路

模拟量信号电流型输出电路设计主要由16位数模转换电路、电压比例调节电路、运放电路、N型MOS电路、反馈电阻、电流采样电阻、运放电路、P型MOS电路组成，其中16位数模转换电路可将数字量信号转换为模拟量信号并输入给运放电路；另外，由运放电路、N型MOS电路、电流采样电阻共同组成恒流源电路，同时经过反馈电阻、运放电路、P型MOS电路进行调理后即可输出电流；在这个过程中，上位机或控制器可以根据电流的反馈信号来判断是否超过预设的阈值，如果超过了规定的阈值，那么系统就判定电路出现开路故障。

2.3　模拟量信号输出控制机构

该电压型或电流型控制机构主要涉及到由上位机或控制器进行相关参数的配置，即可实现电流和电压之间的相互转换并输出到负载端。图2为模拟量信号的输出控制机构原理图，具体包括输入端口和与之相连接的模拟量切换电路以及模拟量信号处理电路。模拟量信号处理电路主要是指DSP/MCU电路，而模拟量切换电路包括连接的MOSFET开关电路、门极驱动电路、BJT电平切换电路，其中MOSFET开关电路接输入端口并与电流转电压相连接，BJT电平切换电路则与DSP/MCU电路连接。这种组合的优点就是，无论模拟量输入信号是电压型还是电流型，经过该转换控制机构，均可以与外部仪表进行连接，而不需要更换端子或重新接线，其优点是可以完全替代传统的物理开关，操作方便，导通可靠，降低对结构、PCB的设计要求，增强驱动器防护等级，提高抗振等级。相对于通用的模拟开关，这种控制机构又具有输入范围宽、价格便宜、使用灵活的优点。

图2 模拟量信号输出控制机构原理图

3　实际应用

为了应用在地铁、水处理、电厂等场所，以及满足高端装备、复杂机器、生产线等的控制要求，由北京和利时智能技术有限公司自主设计研发的LK512系列的I/O板结合本设计的方案能够实现8通道电压、电流型模拟量的输出，其精度可达到0.2%。在实际应用中，LK512C的8通道模拟量数电压电流输出IO板，采用了8路信号调理电路进行数模转换的实现，该芯片的设计可以用来满足工业过程控制中需要的四通道、精密数字-电流环路和电压输出转换器，以及产生电流环路和单极性/双极性电压输出，能够为用户和开发者提供高精密、完全集成、低成本的单芯片解决方案。采用LK512C的8通道模拟量数电压电流输出IO板，允许支持的电流输出范围为：0~20mA、0~24mA和4~20mA；允许支持的电压输出范围为：0~5V、±5V、0~10V和±10V。当然，在实际设计过程中，用户可通过DAC来控制寄存器选择所需要的输出配置，并将该DAC芯片结合相应的控制电路进行电压电流型模拟量的输出。如图3所示为LK512C的8通道模拟量数电压电流输出模块I/O板的原理框图。

图3 LK512C的8通道模拟量数电压电流输出模块I/O板原理框图

在LK512C 8通道模拟量数电压电流输出模块I/O板中，由V/I信号调理电路实现的通道模拟量数电压电流输出的结果，将通过SPI通信协议传输给LK512C系列的CPU板，并最终上传到AT系统。不仅如此，应用在LK512C-B中的8通道模拟量数电压电流输出模块能够支持电流开路、电源短路等自诊断功能，并通过32针欧式连接器将8通道模拟量数电压电流的输出传输出到现场端子上，以实现对第三方设备的智能控制和数据传输等功能。

4　展望

本文介绍了一种新型模拟量信号的输出通道电路在工控行业的典型应用，旨在为解决行业内控制系统与第三方通信设备的智能互联以及数据采集等功能，与此同时，该新型模拟量信号输出通道电路在和利时LK512C项目中的成功应用，进一步提高了国产控制技术自动化水平的效率，加速推动中国实现工业控制的数字化、信息化和智能化的可持续性发展，并助力实现国家智能制造以及工业4.0的技术。

参考文献：

[1] 王宇. 工业控制领域中电子技术的应用分析[J]. 技术与市场, 2019, ( 09 ) : 130 - 132.

[2] 王伟伟. 工程项目中常用模拟量信号采集与转换[J]. 电子世界, 2018, ( 19 ) : 153 - 154.

作者简介：

关站东（1980-），男，高级硬件工程师，本科，现就职于北京和利时智能技术有限公司，主要研究方向为智能制造、模拟量信号输出与诊断控制。

摘自《自动化博览》2020年1月刊