提高数字量输入信号采集回路安全性的方法分析

2021-08-21许天骄吴胜华张楠桢马伟东

仪器仪表用户 2021年8期

许天骄，吴胜华，张楠桢，马伟东

（南京国电南自维美德自动化有限公司，南京 210032）

0 引言

数字量输入信号简称DI 信号，通过以开关状态为输出的传感器，将高/低电平（相当于开关）两种状态输入到控制器，控制器将其转换为数字量1 或0。这种控制器通道即为DI 通道，这种电路即为数字量输入回路[1]。

DI 信号接入控制系统后，通过信号反馈现场阀门开关情况、运动设备运转情况，以及是否有安防报警等[2]。同时可能需要参与联锁的DI 信号，利用其数据进行逻辑编程，对其他设备进行反馈控制。所以，可见DI 信号能否正确采集对整个工业自动化控制系统的安全性尤为重要。

1 数字量信号采集回路现状

在工业现场，尤其在火电厂分散控制系统中，数字量信号十分常见。其数字量输入模件通道中经常会窜入各种干扰或者存在人为的接线错误等，导致数字量信号采集不准确，严重的更会导致数字量输入回路一些器件的损坏，所以要求在外部信号与控制系统之间设置输入信号的处理保护电路。

在传统数字量输入信号采集过程中，通常在数字量输入信号处理电路中串入保险丝、压敏电阻、TVS 管等元器件，但保险丝等熔断后，数字量输入信号失效，需要及时发现故障并更换设备。这对工业现场控制具有较大的隐患，且不能提高数字量输入信号处理电路的抗干扰能力，也不能保证在通道异常时，数字量输入信号还能被正常采集，从而不能保证自动控制系统的实时性与安全性。

根据《GB／T 36293-2018 火力发电厂分散控制系统技术条件》中5.2.2 条抗干扰要求，I/O 模件需要满足静电放电抗扰度试验、电快速瞬变脉冲群抗扰度试验、浪涌冲击抗扰度试验等。以及5.6 条输入输出模件（I/O）中5.6.2.3对开关量输入（DI）的要求：系统应提供对现场输入接点的“查询”电压，“查询”电压宜为48V。所有通道都有防抖动滤波处理，如果输入接点信号在4 ms 之后仍抖动，模件不再接受该接点信号[3]。

本文将根据国标要求，介绍一种提高数字量输入信号采集回路安全性的方法，能够从多个方面实现对整个数字量输入信号回路的保护，从而提高整个自动控制系统的安全性与稳定性。

2 解决方法

该方法具体表现为一种数字量输入信号处理电路，包括整流桥、三极管、光耦合器以及分流电阻等，具体的连接关系如图1 所示。三极管的集电极和发射极分别与整流桥的直流正极输出端和直流负极输出端相电连；光耦合器的正极与三极管的集电极电连，光耦合器的负极与三极管的基极电连并形成公共节点；分流电阻串联在三极管的发射极和公共节点之间。此设计电路能够避免电流反向击穿光耦合器，提高数字量输入通道的抗干扰能力和实现对光耦合器的过流保护。

图1 数字量输入信号处理电路示意图Fig.1 Schematic diagram of digital input signal processing circuit

本文将从3 个方面对数字量输入信号进行分析处理，介绍该方法是如何提高整个采集回路的安全性，分析如下：

1）能够大大增强整个数字量输入回路的抗干扰能力

在工程现场，通道上经常会串入杂波信号，当这些信号较大时，光耦会误导通，使通道上发出相应的错误信号，这些信号可能会导致设备误动作[2]。而本文提供的电路在光耦两侧增加了两个稳压二极管，杂波信号至少要大于两个稳压二极管导通电压之和，才会有电流流经光耦，这样就提高了数字量输入信号的阈值，滤掉通道上的杂波信号，避免光耦误导通。而且，当数字量输入信号小于光耦动作的阈值时，全部电流会从与光耦并联的分流电阻流过，不会流入数字量采集回路。光耦又将数字量输入信号和后级的采集系统进行隔离，大大地提高了整个数字量输入回路的抗干扰能力，提高了对数字量输入信号采集的准确性。

2）能够避免电流反向击穿元件器

若数字量输入信号为交流信号或者直流信号反接，电流会经过限流电阻反向流经光耦，如果电流过大，则会使光耦损坏。该整流桥会将所有输入信号转成单一的方向，无论输入信号正负如何，电流都能够正向流经光耦，从而达到对数字量采集回路的保护。

3）实现对数字量采集回路过流的保护

上文已分析当数字量输入信号大于光耦动作的阈值时，数字量采集回路光耦导通，电流会流经光耦。光耦导通，后级电路采集该信号。

当电流在正常范围内时，三极管放大器基极与发射极之间的电阻两端的电压较小，三极管工作在截止区，数字量采集回路正常运行。

当通道窜入很大电流时，三极管放大器基极与发射极之间的电阻两端的电压较大。三极管放大器工作在放大区，集电极电流=基极电流×放大系数[4]，三极管对信号进行了限流和分流，此时大部分电流从三极管的集电极流向发射极，而流经数字量采集回路的电流保持限位值，数字量采集回路正常工作，这就利用了三极管的特性实现了对数字量采集回路过流的保护。

3 案例电路分析

以下结合实例，对图2 所示的一种高安全性数字量输入信号处理电路进行具体分析。

图2 一种高安全性数字量输入信号处理电路图Fig.2 A high-security digital input signal processing circuit diagram

设定数字量输入信号电压为Uin 以及此时产生的输入电流为I 总，设定流过电阻R3 的电流为I1，流过光耦合器U1 的电流为I2，三极管T1 的集电极电流为I3，电阻R4的电压为Ur。

设定使光耦合器导通的数字量输入信号电压阈值为Umin 以及此时产生的输入电流为Imin，设定光耦合器的保护电流限值为I2m 以及此时的输入电流为Imax。

当Imin＜ I 总＜Imax 时，若直流数字量输入信号正负极连接正确，如图2 所示，光耦合器正常导通。由于I 总值并不过大，所以也不需要利用三极管T1 对I 总进行分流（I 总值并不过大，导致Ur 值不足以使三极管T1 导通，三极管T1 的集电极电流I3 为0，I 总=I1+I2，因而三极管不会对I 总进行分流）。电流I 总先流经R1、D1，然后分流，一路流经R3、D4 和R2，一路正向流经D5、U1、D6、R4、D4 和R2。若直流数字量输入信号正负极反接，则整流桥将反向输入电流转为正向输入电流，电流I 总先流经R2、D3，然后分流，一路流经R3、D2 和R1，一路正向流经D5、U1、D6、R4、D2 和R1，光耦合器U1 导通，数字量输入信号能够被正确采集。如果没有整流桥的存在，电流I总会经过R2，反向流经U1，如果电流I 总过大，会造成光耦合器U1 被反向击穿；若数字量输入信号为交流信号，则整流桥会将交流输入电流转为单一正向输入电流，使电流I总能够正向流经U1，从而避免电流反向击穿光耦合器U1。

当I 总＞Imax 时，如图2 所示，I 总值过大，I2 值也相应过大，而Ur 值为I2 值与第四电阻之积，因此Ur 值也相应过大，从而足以使三极管T1 导通，I 总大部分流向三极管T1 的集电极，而三极管T1 的集电极电流I3 对I 总进行了分流，I3=I 总-I1-I2，因此实现了对光耦合器U1 的过流保护。

若数字量输入信号Uin 为较大的杂波信号时，即当Uin＞Umin 时，则会导致光耦合器U1 误导通，而本电路在光耦合器U1 两侧增加了第一稳压二极管D5 和第二稳压二极管D6，杂波信号Uin 至少要大于两个稳压二极管的导通电压之和，才会有电流流经光耦合器U1，这样就能够过滤掉杂波信号，避免光耦合器U1 误导通。当数字量输入信号为较小的杂波信号时，即当Uin ＜ Umin 时，全部输入电流会从第三电阻R3 流过，不会流经光耦合器U1，光耦合器U1 又将数字量输入信号和后级的采集系统进行隔离，从而提高了数字量输入信号处理电路的抗干扰能力，提高了数字量输入信号采集的准确性。