多功能輸入輸出通道電路研究

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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，自動控制系統已十分常見。而自動控制系統主要通道類型有數字量輸入、數字量輸出、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，現場需要更改通道類型時必須更換模塊，使用不夠靈活。本設計提供了一種單個模塊支持現場四種通道類型的解決方案，通過軟件配置確定通道類型，極大提高了現場施工和布線的靈活性。

關鍵詞：數字量輸入；數字量輸出；模擬量輸入；模擬量輸出；故障檢測

1引言

現有的工業控制領域存在一些設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，項目工程設計階段比較繁瑣，必須依靠各個區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，項目調試施工非常復雜。碰見需要點數少通道類型多的區域時，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，項目設計和施工會更加簡單，確定需要采集或控制點數量即可，根據通道數量配置模塊，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，必須通過調整布線才能適應現場需要，對于大型項目來說調整布線施工難度很大，采用該原理設計的模塊只需要更改軟件配置即可解決問題。

2設計方案

本設計提出了一種新型多功能輸入輸出通道電路，可支持數字量輸入、數字量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出四種類型，根據實際需要，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。該設計的系統總體框圖如圖1所示，電路通過閉合或關斷電路的開關狀態，實現需要的功能。數字量輸入和模擬量輸入功能主要通過ADC采集實現，數字量輸出功能主要通過關斷和閉合高邊開關實現，模擬量輸出功能主要通過DAC和電壓或電流輸出驅動器實現。

2.1數字量輸入電路

通道配置為數字量輸入功能時，電路開關狀態如表2所示。通過閉合K4開關，關斷K1、K2、K3開關，不使能電壓或電流輸出驅動器輸出，使電路中數字量輸入相關電路工作，其他功能相關電路關閉，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數字量輸出電路

通道配置為數字量輸出功能時，電路開關狀態如表3所示。通過閉合K1、K4開關，關斷K2、K3開關，不使能電壓或電流輸出驅動器輸出，使電路中數字量輸出相關電路工作，其他功能相關電路關閉，根據需要控制高邊開關閉合或關閉，實現需要的數字量輸出，高邊開關可以選擇帶熱保護的器件，實現負載短路保護。通過ADC采集C點電壓，輸出高時可以檢測輸出環路是否有短路故障。高邊MOS開關輸出串聯二極管目的是防止數字量輸出通道關閉時高邊開關漏電流影響其他通道工作狀態。

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，電路開關狀態如表4所示。通過閉合K2開關，關斷K1、K3、K4開關，不使能電壓或電流輸出驅動器輸出，使電路中電壓模擬量輸入相關電路工作其他功能相關電路關閉，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，電路開關狀態如表5所示。通過閉合K3開關，關斷K1、K2、K4開關，不使能電壓或電流輸出驅動器輸出，使電路中電流模擬量輸入相關電路工作其他功能相關電路關閉，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，電路開關狀態如表6所示。通過使能電壓或電流輸出驅動器輸出，關閉K1、K2、K3、K4開關，使電路中模擬量輸出相關電路工作其他功能相關電路關閉，根據需要控制電壓或電流驅動器工作在電流還是電壓狀態，實現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。

3實際應用

為了滿足地鐵、水處理、電廠等應用場景需求，以及滿足高端裝備、復雜機器、生產線等的控制要求，北京和利時智能技術有限公司自主設計研發了8通道的多功能輸入輸出模塊，模塊每個通道均支持數字量輸入、數字量輸出、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行通信。CPU板主要負責和系統側的主控制器進行通信，接收并解析主控制器下發的信息，并通過SPI總線和I/O板進行通信，控制多通道輸入輸出電路輸出數字量或模擬量信號，控制執行機構完成需要的動作，或者將多通道輸入輸出電路采集到的現場儀表的數字量或模擬量信號上傳給控制器。模塊I/O板主要負責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、隔離器件、電源轉換電路、電源診斷電路組成。多通道輸入和輸出電路負責信號的采集和輸出。通道防護的作用是進行EMC防護，保證模塊滿足工業設備的防護要求。隔離器件的作用是將負責與控制器通信的系統側和通道電路的現場側進行電氣隔離，保證現場側的異常不影響系統正常工作。電源轉換電路是通過非隔離芯片將現場側的輸入電壓轉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板可以控制通道側電路進入安全狀態，并將故障上報主控制器，再通知使用者進行檢查維修。8通道的多功能輸入輸出模塊的數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（阻性負載），通道關閉時漏電流小于1mA。模擬量輸入功能支持電流和電壓型，電流輸入范圍0~25mA，對應碼值是0~65535；電壓輸入范圍0~10V，對應碼值是0~65535，單通道采集時間1ms，精度是0.2%，穩定度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，對應碼值是0~65535；電壓輸出范圍0~10V，對應碼值是0~65535，精度是0.2%，穩定度0.1%，溫漂50ppm。模塊工作環境溫度范圍-20~70℃，可應用在環境惡劣的場合。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的典型應用，旨在實現行業內控制系統具備更靈活的數據采集和輸出功能，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的愿景。

作者：孫任貴 王輝 王建民 單位：北京和利時智能技術有限公司