多功能輸入輸出通道電路研究
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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)已十分常見。而自動控制系統(tǒng)主要通道類型有數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出四種。目前單個模塊僅能支持一種通道類型，現(xiàn)場需要更改通道類型時必須更換模塊，使用不夠靈活。本設(shè)計提供了一種單個模塊支持現(xiàn)場四種通道類型的解決方案，通過軟件配置確定通道類型，極大提高了現(xiàn)場施工和布線的靈活性。
關(guān)鍵詞：數(shù)字量輸入；數(shù)字量輸出；模擬量輸入；模擬量輸出；故障檢測
1引言
現(xiàn)有的工業(yè)控制領(lǐng)域存在一些設(shè)備分布分散但通道類型多樣的項目，在單個模塊僅支持一種通道類型的情況下，項目工程設(shè)計階段比較繁瑣，必須依靠各個區(qū)域的需求配置不同類型的模塊，造成整個項目模塊配置組合多樣，項目調(diào)試施工非常復(fù)雜。碰見需要點數(shù)少通道類型多的區(qū)域時，必須使用多個模塊才可滿足需求，但是單個模塊部分通道存在閑置情況。如果單個模塊每個通道能支持4種通道類型，項目設(shè)計和施工會更加簡單，確定需要采集或控制點數(shù)量即可，根據(jù)通道數(shù)量配置模塊，解決原有方案配置組合多樣和部分通道閑置浪費(fèi)的問題。還有一些大型項目施工后有更換通道類型的需求，在單一模塊只能支持一種通道類型的情況下，必須通過調(diào)整布線才能適應(yīng)現(xiàn)場需要，對于大型項目來說調(diào)整布線施工難度很大，采用該原理設(shè)計的模塊只需要更改軟件配置即可解決問題。
2設(shè)計方案
本設(shè)計提出了一種新型多功能輸入輸出通道電路，可支持?jǐn)?shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出四種類型，根據(jù)實際需要，通過軟件配置為需要的通道類型。電路支持信號類型如表1所示。該設(shè)計的系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，電路通過閉合或關(guān)斷電路的開關(guān)狀態(tài)，實現(xiàn)需要的功能。數(shù)字量輸入和模擬量輸入功能主要通過ADC采集實現(xiàn)，數(shù)字量輸出功能主要通過關(guān)斷和閉合高邊開關(guān)實現(xiàn)，模擬量輸出功能主要通過DAC和電壓或電流輸出驅(qū)動器實現(xiàn)。
2.1數(shù)字量輸入電路
通道配置為數(shù)字量輸入功能時，電路開關(guān)狀態(tài)如表2所示。通過閉合K4開關(guān)，關(guān)斷K1、K2、K3開關(guān)，不使能電壓或電流輸出驅(qū)動器輸出，使電路中數(shù)字量輸入相關(guān)電路工作，其他功能相關(guān)電路關(guān)閉，ADC采集C點電壓值確定輸入信號是高電平還是低電平。
2.2數(shù)字量輸出電路
通道配置為數(shù)字量輸出功能時，電路開關(guān)狀態(tài)如表3所示。通過閉合K1、K4開關(guān)，關(guān)斷K2、K3開關(guān)，不使能電壓或電流輸出驅(qū)動器輸出，使電路中數(shù)字量輸出相關(guān)電路工作，其他功能相關(guān)電路關(guān)閉，根據(jù)需要控制高邊開關(guān)閉合或關(guān)閉，實現(xiàn)需要的數(shù)字量輸出，高邊開關(guān)可以選擇帶熱保護(hù)的器件，實現(xiàn)負(fù)載短路保護(hù)。通過ADC采集C點電壓，輸出高時可以檢測輸出環(huán)路是否有短路故障。高邊MOS開關(guān)輸出串聯(lián)二極管目的是防止數(shù)字量輸出通道關(guān)閉時高邊開關(guān)漏電流影響其他通道工作狀態(tài)。
2.3模擬量輸入電路
通道配置為電壓型模擬量輸入功能時，電路開關(guān)狀態(tài)如表4所示。通過閉合K2開關(guān)，關(guān)斷K1、K3、K4開關(guān)，不使能電壓或電流輸出驅(qū)動器輸出，使電路中電壓模擬量輸入相關(guān)電路工作其他功能相關(guān)電路關(guān)閉，ADC采集A點電壓確定輸入信號值。通道配置為電流型模擬量輸入功能時，電路開關(guān)狀態(tài)如表5所示。通過閉合K3開關(guān)，關(guān)斷K1、K2、K4開關(guān)，不使能電壓或電流輸出驅(qū)動器輸出，使電路中電流模擬量輸入相關(guān)電路工作其他功能相關(guān)電路關(guān)閉，ADC采集B點電壓確定輸入信號值。
2.4模擬量輸出電路
通道配置為模擬量輸出功能時，電路開關(guān)狀態(tài)如表6所示。通過使能電壓或電流輸出驅(qū)動器輸出，關(guān)閉K1、K2、K3、K4開關(guān)，使電路中模擬量輸出相關(guān)電路工作其他功能相關(guān)電路關(guān)閉，根據(jù)需要控制電壓或電流驅(qū)動器工作在電流還是電壓狀態(tài)，實現(xiàn)輸出電壓或電流功能，輸出電流電壓值通過控制DAC輸出實現(xiàn)。
3實際應(yīng)用
為了滿足地鐵、水處理、電廠等應(yīng)用場景需求，以及滿足高端裝備、復(fù)雜機(jī)器、生產(chǎn)線等的控制要求，北京和利時智能技術(shù)有限公司自主設(shè)計研發(fā)了8通道的多功能輸入輸出模塊，模塊每個通道均支持?jǐn)?shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出四種功能。模塊具有高精密、高靈活、高可靠的特點。在實際使用過程中，用戶可通過組態(tài)軟件將通道配置為需要的功能。模塊由CPU板和I/O板組成，兩個板子通過板間連接器進(jìn)行通信。CPU板主要負(fù)責(zé)和系統(tǒng)側(cè)的主控制器進(jìn)行通信，接收并解析主控制器下發(fā)的信息，并通過SPI總線和I/O板進(jìn)行通信，控制多通道輸入輸出電路輸出數(shù)字量或模擬量信號，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成需要的動作，或者將多通道輸入輸出電路采集到的現(xiàn)場儀表的數(shù)字量或模擬量信號上傳給控制器。模塊I/O板主要負(fù)責(zé)通道的信號采集或輸出，原理框圖如圖2所示，I/O板主要由多通道輸入輸出電路、通道防護(hù)、隔離器件、電源轉(zhuǎn)換電路、電源診斷電路組成。多通道輸入和輸出電路負(fù)責(zé)信號的采集和輸出。通道防護(hù)的作用是進(jìn)行EMC防護(hù)，保證模塊滿足工業(yè)設(shè)備的防護(hù)要求。隔離器件的作用是將負(fù)責(zé)與控制器通信的系統(tǒng)側(cè)和通道電路的現(xiàn)場側(cè)進(jìn)行電氣隔離，保證現(xiàn)場側(cè)的異常不影響系統(tǒng)正常工作。電源轉(zhuǎn)換電路是通過非隔離芯片將現(xiàn)場側(cè)的輸入電壓轉(zhuǎn)換為通道電路正常工作需要的電壓。電源診斷電路是保證電源異常時CPU板可以控制通道側(cè)電路進(jìn)入安全狀態(tài)，并將故障上報主控制器，再通知使用者進(jìn)行檢查維修。8通道的多功能輸入輸出模塊的數(shù)字量輸入功能支持漏型輸入，輸入電壓24V，查詢電流8mA，15~30V是ON，0~5V是OFF，單通道采集時間是1ms。數(shù)字量輸出功能支持MOS型源型輸出，輸出電壓24V，最大輸出電流0.3A（阻性負(fù)載），通道關(guān)閉時漏電流小于1mA。模擬量輸入功能支持電流和電壓型，電流輸入范圍0~25mA，對應(yīng)碼值是0~65535；電壓輸入范圍0~10V，對應(yīng)碼值是0~65535，單通道采集時間1ms，精度是0.2%，穩(wěn)定度0.1%，溫漂50ppm。模擬量輸出功能支持電流和電壓型，電流輸出范圍0~22mA，對應(yīng)碼值是0~65535；電壓輸出范圍0~10V，對應(yīng)碼值是0~65535，精度是0.2%，穩(wěn)定度0.1%，溫漂50ppm。模塊工作環(huán)境溫度范圍-20~70℃，可應(yīng)用在環(huán)境惡劣的場合。模塊通道連接如圖3所示。
4展望
本文介紹了一種新型多功能輸入輸出通道電路在工控行業(yè)的典型應(yīng)用，旨在實現(xiàn)行業(yè)內(nèi)控制系統(tǒng)具備更靈活的數(shù)據(jù)采集和輸出功能，與此同時，該新型電路已在公司LK項目中成功應(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，并助力實現(xiàn)國家智能制造以及工業(yè)4.0的愿景。
作者：孫任貴 王輝 王建民 單位：北京和利時智能技術(shù)有限公司