CN107576903A - 一种电流信号输出及诊断电路、故障诊断方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流信号输出及诊断电路、故障诊断方法及系统，该电流信号输出及诊断电路包括：微控制器、电流信号输出电路、电流信号诊断电路、输出开关以及旁路开关，本发明通过微控制器MCU实时监测输出电流值，当监测到输出电流值超过预设值时，通过以下三重故障隔离措施，可以保证输出电路导向安全，即将输出开关S1断开和/或闭合旁路开关S2和/或控制数模转换电路DAC输出0mA电流，使电路进入故障安全状态，另外，本发明可以通过多重的故障隔离措施最大程度的保证电路的安全性。

Description

一种电流信号输出及诊断电路、故障诊断方法及系统

技术领域

本发明涉及自动化控制技术领域，特别是涉及一种电流信号输出及诊断电路、故障诊断方法及系统。

背景技术

在自动化控制技术中，电流输出电路作为DCS(英文全称：Distributed ControlSystem，中文全称：分布式控制系统)、SIS(英文全称：Safety Instrumented System，中文全称：安全仪表系统)等工业控制系统中主要的一个输出组件，通常用于精确控制电机转速、控制阀门开度、控制加热器功率等执行设备，电流输出电路的失效可能会导致设备失控，造成生产事故。

现有技术中，电流信号输出电路常采用图1所示的电压跟随电路，负载设备R_load串接在电源侧，利用运算放大器U1的负反馈实现MCU(Microcontroller Unit，微控制器)控制晶体管U2的输出，保证DAC(Digital To Analog Converter，数模转换电路)的输出端电压V2与晶体管U2的输出端电压V3保持一致，则流经负载设备R_load的电流值与流经电阻R1的电流值一致，具体输出电流值为V3/R1，即V2/R1，具体实现原理框图参见图1，通过该电路可以实现电流信号的控制。但若图1所示的电路中的任一个器件发生失效，都可能导致输出电流错误，例如，当R1的阻值发生漂移时，输出电流V2/R1一定会发生漂移，由于该电路不具备故障诊断能力，无法及时的进行故障报警和导向安全，可能导致设备失控，造成生产事故。

发明内容

本发明的目的在于提出一种电流信号输出及诊断电路、故障诊断方法及系统，以实现对电流信号的故障诊断，及时进行故障报警和导向安全，保证设备的正常运行，避免造成生产事故。

为达到上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种电流信号输出及诊断电路，包括：微控制器、电流信号输出电路、电流信号诊断电路、输出开关以及旁路开关，其中：

所述电流信号输出电路的电源输入端作为所述电流信号输出及诊断电路的输入端与配电电源相连；

所述输出开关的第二端作为所述电流信号输出及诊断电路的输出端与负载设备相连，所述负载设备的另一端接地；

所述电流信号输出电路的输出端与所述电流信号诊断电路的输入端相连；

所述电流信号诊断电路的第一输出端分别与所述输出开关和所述旁路开关相连，所述旁路开关的另一端接地；

所述微控制器的输出端与所述电流信号输出电路的输入端相连，所述微控制器控制所述电流信号输出电路输出流向所述负载设备的电流；

所述微控制器的输入端与所述电流信号诊断电路的第二输出端相连，所述微控制器实时监测所述输出电流，当监测到所述输出电流超出预设精度范围时，则所述微控制器控制所述输出开关断开和/或控制所述旁路开关闭合和/或控制所述电流信号输出电路进入故障安全状态。

优选的，所述电流信号输出电路包括：数模转换电路、运算放大器、第一电阻以及晶体管，其中：

所述数模转换电路的输入端作为所述电流信号输出电路的输入端与所述微控制器的输出端相连；

所述数模转换电路的输出端与所述第一电阻的一端相连，其公共端作为所述电流信号输出电路的电源输入端与所述配电电源相连；

所述数模转换电路的输出端与所述运算放大器的同相输入端相连，所述运算放大器的反相输入端与所述晶体管的输入端相连，所述运算放大器的输出端与所述晶体管的控制端相连；

所述第一电阻的另一端与所述晶体管的输入端相连，所述晶体管的输出端作为所述电流信号输出电路的输出端与所述电流信号诊断电路的输入端相连。

优选的，所述晶体管为半导体开关管。

优选的，所述半导体开关管为PMOS管。

优选的，所述半导体开关管PNP型晶体管。

优选的，所述电流信号诊断电路包括：模数转换电路、差分放大电路以及第二电阻，其中：

所述第二电阻的第一端作为所述电流信号诊断电路的输入端与所述电流信号输出电路的输出端相连；

所述第二电阻的第二端作为所述电流信号诊断电路的第一输出端与所述输出开关和所述旁路开关相连；

所述差分放大电路的正相输入端与所述第二电阻的第一端相连，所述差分放大电路的反相输入端与所述第二电阻的第二端相连，所述差分放大电路的输出端与所述模数转换电路的输入端相连；

所述模数转换电路的输出端作为所述电流信号诊断电路的第二输出端与所述微控制器的输入端相连。

优选的，所述差分放大电路使用差分放大器或仪表放大器。

一种故障诊断方法，包括：应用于上述所述的电流信号输出及诊断电路，所述故障诊断方法包括：

所述微控制器实时检测所述电流信号输出诊断电路的输出电流值；

当检测所述输出电流值超过预设值时，所述微控制器控制所述输出开关断开和/或控制所述旁路开关闭合和/或控制所述电流信号输出诊断电路进入故障安全状态。

一种电流信号输出及诊断系统，包括：至少一个上述所述的电流信号输出及诊断电路，其中一个所述电流信号输出及诊断电路处于工作状态，其余所述电流信号输出及诊断电路处于备用状态，其中：

处于工作状态的所述电流信号输出及诊断电路的所述微控制器控制对应的所述输出开关闭合，所述旁路开关断开，正常对外输出电流，所述微控制器实时监测输出电流值，当检测到所述输出电流值超过预设值时，控制工作状态的所述所述电流信号输出及诊断电路进入故障安全状态，所述微控制器向处于备用状态的所述电流信号输出及诊断电路的所述微控制器启动，控制处于备用状态的所述电流信号输出及诊断电路输出电流；

处于备用状态的所述电流信号输出及诊断电路的所述微控制器控制对应的所述输出开关断开，所述旁路开关闭合，不对外输出电流。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种电流信号输出及诊断电路、故障诊断方法及系统，该电流信号输出及诊断电路包括：微控制器、电流信号输出电路、电流信号诊断电路、输出开关以及旁路开关，本发明通过微控制器MCU实时监测输出电流值，当监测到输出电流值超过预设值时，通过以下三重故障隔离措施，可以保证输出电路导向安全，即将输出开关S1断开和/或闭合旁路开关S2和/或控制数模转换电路DAC输出0mA电流，使电路进入故障安全状态，另外，本发明可以通过多重的故障隔离措施最大程度的保证电路的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中电流信号输出电路示意图；

图2为本发明实施例提供的一种电流信号输出及诊断电路示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种电流信号输出及诊断电路示意图；

图4为本发明实施例提供的一种故障诊断方法流程示意图；

图5为本发明实施例提供的一种电流信号输出及诊断系统结构拓扑图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅附图2，图2为本发明实施例提供的一种电流信号输出及诊断电路示意图。如图2所示，本实施例公开了一种电流信号输出及诊断电路，该电路1具体包括：微控制器MCU11、电流信号输出电路12、电流信号诊断电路13、输出开关S1以及旁路开关S2，其中：

电流信号输出电路12的电源输入端作为电流信号输出及诊断电路1的输入端与配电电源V1相连；输出开关S1的第二端作为电流信号输出及诊断电路1的输出端与负载设备R_load相连，负载设备R_load的另一端接地；电流信号输出电路12的输出端与电流信号诊断电路13的输入端相连；电流信号诊断电路13的第一输出端分别与输出开关S1和旁路开关S2相连，旁路开关S2的另一端接地；微控制器MCU11的输出端与电流信号输出电路12的输入端相连，微控制器MCU11控制电流信号输出电路12输出流向负载设备R_load的输出电流；微控制器MCU11的输入端与电流信号诊断电路13的第二输出端相连，微控制器MCU11实时监测输出电流，当监测到输出电流大于预设值时，则微控制器MCU11控制输出开关S1断开和/或控制旁路开关S2闭合和/或控制电流信号输出电路12进入故障安全状态。

需要说明的是，本发明可以使用独立的电流信号输出及诊断电路对输出电流进行实时的监测，当电路中有器件发生失效，可以立即检测到故障，并可以通过输出0mA电流或断开输出开关S1的方式进入安全状态；当上述两种电路都失效时，本发明还可以通过闭合旁路开关S2，来保证输出电路工作在安全状态。

请参阅附图3，图3为本发明实施例提供的另一种电流信号输出及诊断电路示意图。如图3所示，本实施例公开了一种电流信号输出及诊断电路，该电路1具体包括：微控制器MCU11、电流信号输出电路12、电流信号诊断电路13、输出开关S1以及旁路开关S2，其中：

上述电流信号输出电路12包括：数模转换电路DAC、运算放大器M1、第一电阻R1以及晶体管U1，其中：

如图3所示，数模转换电路DAC的输入端作为电流信号输出电路12的输入端与微控制器MCU11的输出端相连；数模转换电路DAC的输出端与第一电阻R1的一端相连，其公共端作为电流信号输出电路12的电源输入端与配电电源V1相连；数模转换电路DAC的输出端与运算放大器M1的同相输入端(+)相连，运算放大器M1的反相输入端(-)与晶体管U1的输入端相连，运算放大器M1的输出端与晶体管U1的控制端相连；第一电阻R1的另一端与晶体管U1的输入端相连，晶体管U1的输出端作为电流信号输出电路12的输出端与电流信号诊断电路13的输入端相连。

优选的，上述所述晶体管U1为半导体开关管，具体可以为PMOS管或PNP型晶体管。

上述电流信号诊断电路13包括：模数转换电路ADC、差分放大电路M2以及第二电阻R2，其中：

如图3所示，第二电阻R2的第一端作为电流信号诊断电路13的输入端与电流信号输出电路12的输出端相连；第二电阻R2的第二端作为电流信号诊断电路13的第一输出端与输出开关S1和旁路开关S2相连；差分放大电路M2的正相输入端(+)与第二电阻R2的第一端相连，差分放大电路M2的反相输入端(-)与第二电阻R2的第二端相连，差分放大电路M2的输出端与模数转换电路ADC的输入端相连；模数转换电路ADC的输出端作为电流信号诊断电路13的第二输出端与微控制器MCU11的输入端相连。

优选的，上述所述差分放大电路M2可以为差分放大器或仪表放大器，用于采集第二电阻两端的电压。

本方法的实现原理参见附图3，以单个通道为例进行说明，具体参见附图3。其中，V1为配电电源，微控制器MCU11控制数模转换电路DAC输出电压V2，由于后级运算放大器M1的跟随作用，V3的电压和V2一样，则该电路的输出电流即为(V1-V3)/R1，即(V1-V2)/R1。在图3中，经过晶体管U1调节输出的电流一定流经第二电阻R2，则可以通过模数转换电路ADC采集第二电阻R2两端的电压V4，即可获得实际的输出电流V4/R2。

微控制器MCU11实时监测输出电流值，当监测到输出电流值超过预设值时，通过以下三重故障隔离措施，可以保证输出电路导向安全，即将输出开关S1断开和/或闭合旁路开关S2和/或控制数模转换电路DAC输出0mA电流，使电路进入故障安全状态，本发明可以通过多重的故障隔离措施最大程度的保证电路的安全性。

本发明在上述公开的一种电流信号输出及诊断电路基础上，还公开了一种故障诊断方法，具体请参见如下：

请参阅附图4，图4为本发明实施例提供的一种故障诊断方法，其应用于上述上述所述的电流信号输出及诊断电路，该故障诊断方法包括如下步骤：

S401、微控制器实时监测电流信号输出诊断电路的输出电流值；

S402、判断所述输出电流值是否超过预设值，若是，则执行步骤S403，若否，则返回步骤S401继续监测电流信号输出诊断电路的输出电流值；

S403、微控制器控制输出开关断开和/或控制旁路开关闭合和/或控制电流信号输出诊断电路进入故障安全状态。

本发明提供的故障诊断方法通过微控制器MCU实时监测输出电流值，当监测到输出电流值超过预设值时，通过以下三重故障隔离措施，可以保证输出电路导向安全，即将输出开关S1断开和/或闭合旁路开关S2和/或控制数模转换电路DAC输出0mA电流，使电路进入故障安全状态，本发明可以通过多重的故障隔离措施最大程度的保证电路的安全性。

请参阅附图5，图5为本发明实施例提供的一种电流信号输出及诊断系统拓扑图。如图5所示，本实施例公开了一种电流信号输出及诊断系统，该系统包括：至少一个上述所述的电流信号输出及诊断电路，其中一个电流信号输出及诊断电路处于工作状态，其余电流信号输出及诊断电路处于备用状态，多个电流信号输出及诊断电路的电源输入端相连，作为电源输入端与配电电源相连，多个电流信号输出及诊断电路的输出端相连，作为输出端与负载设备相连，其中：

处于工作状态的电流信号输出及诊断电路(又称为工作通道)的微控制器控制对应的输出开关闭合，旁路开关断开，正常对外输出电流，微控制器实时监测输出电流值，当监测到输出电流值超过预设值时，控制工作状态的电流信号输出及诊断电路进入故障安全状态，微控制器向处于备用状态的电流信号输出及诊断电路的微控制器启动，控制处于备用状态的电流信号输出及诊断电路输出电流；

处于备用状态的电流信号输出及诊断电路(又称为备用通道)的微控制器控制对应的输出开关断开，旁路开关闭合，不对外输出电流。

如图5给出了一种实现多重冗余输出的实例，具体以两个电流信号输出及诊断电路为例来说明，其中电流信号输出及诊断电路1处于输出状态的通道，电流信号输出及诊断电路2处于备用状态的通道：

处于工作状态的通道，微控制器MCU1控制输出开关S1闭合，旁路开关S2断开，正常对外输出电流，微控制器MCU1实时监测输出电流值，当监测到输出电流值超过预设值时，则电流信号输出及诊断电路立即控制输出开关S1断开和/或旁路开关S2闭合和/或控制输出电流输出0mA，然后给处于备用状态下的电流信号输出及诊断电路输出电流。

处于备用状态的通道，微控制器MCU2控制输出开关S3断开，旁路开关S4闭合，不对外输出电流，由于存在R3->R4->S4的电流回路，微控制器MCU2可以对电路进行全量程的电流输出能力诊断。

电路实现多重冗余配置使用时，还可以对输出开关S1和旁路开关S2是否失效进行诊断：当微控制器MCU1处于备用状态时，同时将输出开关S1和旁路开关S2断开，并控制输出一个微小的电流，如果监测到输出电流V4/R2为0mA，则认为输出开关S1和旁路开关S2均可以可靠的断开；若断开输出开关S1，闭合旁路开关S2，控制输出最大量程的电流值，如果检测到输出电流V4/R2正常，则认为S2可以可靠的闭合。

需要说明的是，在正常工作过程中，只有一个为工作状态，其他作为备用状态，其工作通道可以周期性的切换为备用通道，以对电流信号输出电路和输出开关S1、旁路开关S2进行诊断。由于通道间切换的速度很快，负载上电流的扰动幅度和时间可控，切换过程的扰动对负载工作无影响。

利用图3所示的方案，还可以实现其他任意组合的多重冗余输出电路，提高电路的可用性。

通过上述分析可以得出，本方法通过实时检测输出电流值，实现了对电流输出电路的故障诊断能力，同时通过采用输出开关和旁路开关，实现了故障电路的多重隔离能力，以及故障电路导向安全状态的能力，提高电路的安全性；本方法在多重冗余配置使用时，可以通过周期性进行工作状态和备用状态的切换，对输出电路在全量程范围内的电流输出能力，以及通道输出开关进行诊断，可以实现故障的提前报警。

本发明采用实时诊断的方法解决了电路诊断覆盖率低、诊断电路不可靠的缺点；采用多重冗余、故障切换的方式解决电路可用性低的问题；另外，本发明采用多重故障隔离等方式提高了电路的安全性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种电流信号输出及诊断电路，其特征在于，包括：微控制器、电流信号输出电路、电流信号诊断电路、输出开关以及旁路开关，其中：

所述电流信号输出电路的电源输入端作为所述电流信号输出及诊断电路的输入端与配电电源相连；

所述输出开关的第二端作为所述电流信号输出及诊断电路的输出端与负载设备相连，所述负载设备的另一端接地；

所述电流信号输出电路的输出端与所述电流信号诊断电路的输入端相连；

所述电流信号诊断电路的第一输出端分别与所述输出开关和所述旁路开关相连，所述旁路开关的另一端接地；

所述微控制器的输出端与所述电流信号输出电路的输入端相连，所述微控制器控制所述电流信号输出电路输出流向所述负载设备的电流；

所述微控制器的输入端与所述电流信号诊断电路的第二输出端相连，所述微控制器实时监测所述输出电流，当监测到所述输出电流超出预设精度范围时，则所述微控制器控制所述输出开关断开和/或控制所述旁路开关闭合和/或控制所述电流信号输出电路进入故障安全状态。

2.根据权利要求1所述的电流信号输出及诊断电路，其特征在于，所述电流信号输出电路包括：数模转换电路、运算放大器、第一电阻以及晶体管，其中：

所述数模转换电路的输入端作为所述电流信号输出电路的输入端与所述微控制器的输出端相连；

所述数模转换电路的输出端与所述第一电阻的一端相连，其公共端作为所述电流信号输出电路的电源输入端与所述配电电源相连；

所述数模转换电路的输出端与所述运算放大器的同相输入端相连，所述运算放大器的反相输入端与所述晶体管的输入端相连，所述运算放大器的输出端与所述晶体管的控制端相连；

所述第一电阻的另一端与所述晶体管的输入端相连，所述晶体管的输出端作为所述电流信号输出电路的输出端与所述电流信号诊断电路的输入端相连。

3.根据权利要求2所述的电流信号输出及诊断电路，其特征在于，所述晶体管为半导体开关管。

4.根据权利要求3所述的电流信号输出及诊断电路，其特征在于，所述半导体开关管为PMOS管。

5.根据权利要求3所述的电流信号输出及诊断电路，其特征在于，所述半导体开关管PNP型晶体管。

6.根据权利要求1所述的电流信号输出及诊断电路，其特征在于，所述电流信号诊断电路包括：模数转换电路、差分放大电路以及第二电阻，其中：

所述第二电阻的第一端作为所述电流信号诊断电路的输入端与所述电流信号输出电路的输出端相连；

所述第二电阻的第二端作为所述电流信号诊断电路的第一输出端与所述输出开关和所述旁路开关相连；

所述差分放大电路的正相输入端与所述第二电阻的第一端相连，所述差分放大电路的反相输入端与所述第二电阻的第二端相连，所述差分放大电路的输出端与所述模数转换电路的输入端相连；

所述模数转换电路的输出端作为所述电流信号诊断电路的第二输出端与所述微控制器的输入端相连。

7.根据权利要求6所述的电流信号输出及诊断电路，其特征在于，所述差分放大电路使用差分放大器或仪表放大器。

8.一种故障诊断方法，其特征在于，包括：应用于上述权利要求1-7所述的电流信号输出及诊断电路，所述故障诊断方法包括：

所述微控制器实时检测所述电流信号输出诊断电路的输出电流值；

当检测所述输出电流值超过预设值时，所述微控制器控制所述输出开关断开和/或控制所述旁路开关闭合和/或控制所述电流信号输出诊断电路进入故障安全状态。

9.一种电流信号输出及诊断系统，其特征在于，包括：至少一个上述权利要求1-7任意一项所述的电流信号输出及诊断电路，其中一个所述电流信号输出及诊断电路处于工作状态，其余所述电流信号输出及诊断电路处于备用状态，其中：

处于工作状态的所述电流信号输出及诊断电路的所述微控制器控制对应的所述输出开关闭合，所述旁路开关断开，正常对外输出电流，所述微控制器实时监测输出电流值，当检测到所述输出电流值超过预设值时，控制工作状态的所述所述电流信号输出及诊断电路进入故障安全状态，所述微控制器向处于备用状态的所述电流信号输出及诊断电路的所述微控制器启动，控制处于备用状态的所述电流信号输出及诊断电路输出电流；

处于备用状态的所述电流信号输出及诊断电路的所述微控制器控制对应的所述输出开关断开，所述旁路开关闭合，不对外输出电流。