提高數(shù)字量輸入信號(hào)采集回路安全性的方法分析

許天驕，吳勝華，張楠楨，馬偉東

（南京國(guó)電南自維美德自動(dòng)化有限公司，南京 210032）

0 引言

數(shù)字量輸入信號(hào)簡(jiǎn)稱(chēng)DI 信號(hào)，通過(guò)以開(kāi)關(guān)狀態(tài)為輸出的傳感器，將高/低電平（相當(dāng)于開(kāi)關(guān)）兩種狀態(tài)輸入到控制器，控制器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量1 或0。這種控制器通道即為DI 通道，這種電路即為數(shù)字量輸入回路[1]。

DI 信號(hào)接入控制系統(tǒng)后，通過(guò)信號(hào)反饋現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)開(kāi)關(guān)情況、運(yùn)動(dòng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況，以及是否有安防報(bào)警等[2]。同時(shí)可能需要參與聯(lián)鎖的DI 信號(hào)，利用其數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯編程，對(duì)其他設(shè)備進(jìn)行反饋控制。所以，可見(jiàn)DI 信號(hào)能否正確采集對(duì)整個(gè)工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的安全性尤為重要。

1 數(shù)字量信號(hào)采集回路現(xiàn)狀

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，尤其在火電廠分散控制系統(tǒng)中，數(shù)字量信號(hào)十分常見(jiàn)。其數(shù)字量輸入模件通道中經(jīng)常會(huì)竄入各種干擾或者存在人為的接線錯(cuò)誤等，導(dǎo)致數(shù)字量信號(hào)采集不準(zhǔn)確，嚴(yán)重的更會(huì)導(dǎo)致數(shù)字量輸入回路一些器件的損壞，所以要求在外部信號(hào)與控制系統(tǒng)之間設(shè)置輸入信號(hào)的處理保護(hù)電路。

在傳統(tǒng)數(shù)字量輸入信號(hào)采集過(guò)程中，通常在數(shù)字量輸入信號(hào)處理電路中串入保險(xiǎn)絲、壓敏電阻、TVS 管等元器件，但保險(xiǎn)絲等熔斷后，數(shù)字量輸入信號(hào)失效，需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并更換設(shè)備。這對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制具有較大的隱患，且不能提高數(shù)字量輸入信號(hào)處理電路的抗干擾能力，也不能保證在通道異常時(shí)，數(shù)字量輸入信號(hào)還能被正常采集，從而不能保證自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與安全性。

根據(jù)《GB／T 36293-2018 火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)技術(shù)條件》中5.2.2 條抗干擾要求，I/O 模件需要滿足靜電放電抗擾度試驗(yàn)、電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)、浪涌沖擊抗擾度試驗(yàn)等。以及5.6 條輸入輸出模件（I/O）中5.6.2.3對(duì)開(kāi)關(guān)量輸入（DI）的要求：系統(tǒng)應(yīng)提供對(duì)現(xiàn)場(chǎng)輸入接點(diǎn)的“查詢(xún)”電壓，“查詢(xún)”電壓宜為48V。所有通道都有防抖動(dòng)濾波處理，如果輸入接點(diǎn)信號(hào)在4 ms 之后仍抖動(dòng)，模件不再接受該接點(diǎn)信號(hào)[3]。

本文將根據(jù)國(guó)標(biāo)要求，介紹一種提高數(shù)字量輸入信號(hào)采集回路安全性的方法，能夠從多個(gè)方面實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)數(shù)字量輸入信號(hào)回路的保護(hù)，從而提高整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。

2 解決方法

該方法具體表現(xiàn)為一種數(shù)字量輸入信號(hào)處理電路，包括整流橋、三極管、光耦合器以及分流電阻等，具體的連接關(guān)系如圖1 所示。三極管的集電極和發(fā)射極分別與整流橋的直流正極輸出端和直流負(fù)極輸出端相電連；光耦合器的正極與三極管的集電極電連，光耦合器的負(fù)極與三極管的基極電連并形成公共節(jié)點(diǎn)；分流電阻串聯(lián)在三極管的發(fā)射極和公共節(jié)點(diǎn)之間。此設(shè)計(jì)電路能夠避免電流反向擊穿光耦合器，提高數(shù)字量輸入通道的抗干擾能力和實(shí)現(xiàn)對(duì)光耦合器的過(guò)流保護(hù)。

圖1 數(shù)字量輸入信號(hào)處理電路示意圖Fig.1 Schematic diagram of digital input signal processing circuit

本文將從3 個(gè)方面對(duì)數(shù)字量輸入信號(hào)進(jìn)行分析處理，介紹該方法是如何提高整個(gè)采集回路的安全性，分析如下：

1）能夠大大增強(qiáng)整個(gè)數(shù)字量輸入回路的抗干擾能力

在工程現(xiàn)場(chǎng)，通道上經(jīng)常會(huì)串入雜波信號(hào)，當(dāng)這些信號(hào)較大時(shí)，光耦會(huì)誤導(dǎo)通，使通道上發(fā)出相應(yīng)的錯(cuò)誤信號(hào)，這些信號(hào)可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備誤動(dòng)作[2]。而本文提供的電路在光耦兩側(cè)增加了兩個(gè)穩(wěn)壓二極管，雜波信號(hào)至少要大于兩個(gè)穩(wěn)壓二極管導(dǎo)通電壓之和，才會(huì)有電流流經(jīng)光耦，這樣就提高了數(shù)字量輸入信號(hào)的閾值，濾掉通道上的雜波信號(hào)，避免光耦誤導(dǎo)通。而且，當(dāng)數(shù)字量輸入信號(hào)小于光耦動(dòng)作的閾值時(shí)，全部電流會(huì)從與光耦并聯(lián)的分流電阻流過(guò)，不會(huì)流入數(shù)字量采集回路。光耦又將數(shù)字量輸入信號(hào)和后級(jí)的采集系統(tǒng)進(jìn)行隔離，大大地提高了整個(gè)數(shù)字量輸入回路的抗干擾能力，提高了對(duì)數(shù)字量輸入信號(hào)采集的準(zhǔn)確性。

2）能夠避免電流反向擊穿元件器

若數(shù)字量輸入信號(hào)為交流信號(hào)或者直流信號(hào)反接，電流會(huì)經(jīng)過(guò)限流電阻反向流經(jīng)光耦，如果電流過(guò)大，則會(huì)使光耦損壞。該整流橋會(huì)將所有輸入信號(hào)轉(zhuǎn)成單一的方向，無(wú)論輸入信號(hào)正負(fù)如何，電流都能夠正向流經(jīng)光耦，從而達(dá)到對(duì)數(shù)字量采集回路的保護(hù)。

3）實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字量采集回路過(guò)流的保護(hù)

上文已分析當(dāng)數(shù)字量輸入信號(hào)大于光耦動(dòng)作的閾值時(shí)，數(shù)字量采集回路光耦導(dǎo)通，電流會(huì)流經(jīng)光耦。光耦導(dǎo)通，后級(jí)電路采集該信號(hào)。

當(dāng)電流在正常范圍內(nèi)時(shí)，三極管放大器基極與發(fā)射極之間的電阻兩端的電壓較小，三極管工作在截止區(qū)，數(shù)字量采集回路正常運(yùn)行。

當(dāng)通道竄入很大電流時(shí)，三極管放大器基極與發(fā)射極之間的電阻兩端的電壓較大。三極管放大器工作在放大區(qū)，集電極電流=基極電流×放大系數(shù)[4]，三極管對(duì)信號(hào)進(jìn)行了限流和分流，此時(shí)大部分電流從三極管的集電極流向發(fā)射極，而流經(jīng)數(shù)字量采集回路的電流保持限位值，數(shù)字量采集回路正常工作，這就利用了三極管的特性實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)字量采集回路過(guò)流的保護(hù)。

3 案例電路分析

以下結(jié)合實(shí)例，對(duì)圖2 所示的一種高安全性數(shù)字量輸入信號(hào)處理電路進(jìn)行具體分析。

圖2 一種高安全性數(shù)字量輸入信號(hào)處理電路圖Fig.2 A high-security digital input signal processing circuit diagram

設(shè)定數(shù)字量輸入信號(hào)電壓為Uin 以及此時(shí)產(chǎn)生的輸入電流為I 總，設(shè)定流過(guò)電阻R3 的電流為I1，流過(guò)光耦合器U1 的電流為I2，三極管T1 的集電極電流為I3，電阻R4的電壓為Ur。

設(shè)定使光耦合器導(dǎo)通的數(shù)字量輸入信號(hào)電壓閾值為Umin 以及此時(shí)產(chǎn)生的輸入電流為Imin，設(shè)定光耦合器的保護(hù)電流限值為I2m 以及此時(shí)的輸入電流為Imax。

當(dāng)Imin＜ I 總＜Imax 時(shí)，若直流數(shù)字量輸入信號(hào)正負(fù)極連接正確，如圖2 所示，光耦合器正常導(dǎo)通。由于I 總值并不過(guò)大，所以也不需要利用三極管T1 對(duì)I 總進(jìn)行分流（I 總值并不過(guò)大，導(dǎo)致Ur 值不足以使三極管T1 導(dǎo)通，三極管T1 的集電極電流I3 為0，I 總=I1+I2，因而三極管不會(huì)對(duì)I 總進(jìn)行分流）。電流I 總先流經(jīng)R1、D1，然后分流，一路流經(jīng)R3、D4 和R2，一路正向流經(jīng)D5、U1、D6、R4、D4 和R2。若直流數(shù)字量輸入信號(hào)正負(fù)極反接，則整流橋?qū)⒎聪蜉斎腚娏鬓D(zhuǎn)為正向輸入電流，電流I 總先流經(jīng)R2、D3，然后分流，一路流經(jīng)R3、D2 和R1，一路正向流經(jīng)D5、U1、D6、R4、D2 和R1，光耦合器U1 導(dǎo)通，數(shù)字量輸入信號(hào)能夠被正確采集。如果沒(méi)有整流橋的存在，電流I總會(huì)經(jīng)過(guò)R2，反向流經(jīng)U1，如果電流I 總過(guò)大，會(huì)造成光耦合器U1 被反向擊穿；若數(shù)字量輸入信號(hào)為交流信號(hào)，則整流橋會(huì)將交流輸入電流轉(zhuǎn)為單一正向輸入電流，使電流I總能夠正向流經(jīng)U1，從而避免電流反向擊穿光耦合器U1。

當(dāng)I 總＞Imax 時(shí)，如圖2 所示，I 總值過(guò)大，I2 值也相應(yīng)過(guò)大，而Ur 值為I2 值與第四電阻之積，因此Ur 值也相應(yīng)過(guò)大，從而足以使三極管T1 導(dǎo)通，I 總大部分流向三極管T1 的集電極，而三極管T1 的集電極電流I3 對(duì)I 總進(jìn)行了分流，I3=I 總-I1-I2，因此實(shí)現(xiàn)了對(duì)光耦合器U1 的過(guò)流保護(hù)。

若數(shù)字量輸入信號(hào)Uin 為較大的雜波信號(hào)時(shí)，即當(dāng)Uin＞Umin 時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致光耦合器U1 誤導(dǎo)通，而本電路在光耦合器U1 兩側(cè)增加了第一穩(wěn)壓二極管D5 和第二穩(wěn)壓二極管D6，雜波信號(hào)Uin 至少要大于兩個(gè)穩(wěn)壓二極管的導(dǎo)通電壓之和，才會(huì)有電流流經(jīng)光耦合器U1，這樣就能夠過(guò)濾掉雜波信號(hào)，避免光耦合器U1 誤導(dǎo)通。當(dāng)數(shù)字量輸入信號(hào)為較小的雜波信號(hào)時(shí)，即當(dāng)Uin ＜ Umin 時(shí)，全部輸入電流會(huì)從第三電阻R3 流過(guò)，不會(huì)流經(jīng)光耦合器U1，光耦合器U1 又將數(shù)字量輸入信號(hào)和后級(jí)的采集系統(tǒng)進(jìn)行隔離，從而提高了數(shù)字量輸入信號(hào)處理電路的抗干擾能力，提高了數(shù)字量輸入信號(hào)采集的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

與目前工程上所使用的各種數(shù)字量輸入信號(hào)處理電路相比，本方法不僅能夠提高數(shù)字量輸入信號(hào)處理電路的抗干擾能力，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)數(shù)字量輸入電路的過(guò)流保護(hù)，可以最大程度地保證自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與安全性。使用該電路制作的數(shù)字量輸入板卡已進(jìn)行工程實(shí)踐應(yīng)用，具有較高的實(shí)用性和市場(chǎng)價(jià)值。