CN112180219A - 一种工业用数字量输出回路的线缆电路及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业用数字量输出回路的线缆电路及实现方法，直流电源的正端连接MOS开关的s极，MOS开关的d极连接被诊断线缆并输出电源正电压和驱动电流，继电器和检测电阻均与被诊断线缆相连，驱动电流由继电器的正端流入继电器，由继电器的负端流出继电器并经检测电阻回到地；控制器的IO端口连接信号隔离器的输入端并向信号隔离器发出高或低电平控制信号，信号隔离器的输出端和MOS开关的g极相连；模数转换器的输入端和检测电阻相连，并采集检测电阻上的电压信号，模数转换器的通讯端口和控制器的通讯端口相连。当继电器正常工作为失电状态时，控制开关发送检测脉冲，获取检测电阻的电压来实现在线诊断线缆故障的功能。

Description

一种工业用数字量输出回路的线缆电路及实现方法

技术领域：

本发明涉及一种工业用数字量输出回路的线缆电路及实现方法。

背景技术：

工业生产应用中，DO信号驱动现场设备，大量的使用了感性继电器，若运行时，发生线缆短路或断线故障，依靠人工，很难及时发现，等到设备故障时再去处理，已经造成不可挽回的损失。设备检修检查时，需要发出信号，现场设备不动作才会发现线缆异常。尤其在安全要求较高的保护系统中，对设备的可靠性要求更高。因此发明了一种工业用数字量输出回路的线缆电路及实现方法。

发明内容：

本发明提供一种工业用数字量输出回路的线缆电路及实现方法，本发明解决连接工业现场的感性继电器，正常工作在失电状态时，无法在线及时获知线缆的故障情况，能够预警，提前处理，减少生产损失。

本发明所采用的技术方案有：一种工业用数字量输出回路的线缆电路，包括控制器、模数转换器、信号隔离器、MOS开关、继电器、检测电阻和被诊断线缆，直流电源的正端连接MOS开关的s极，MOS开关的d极连接被诊断线缆并输出电源正电压和驱动电流，继电器和检测电阻均与被诊断线缆相连，驱动电流由继电器的正端流入继电器，由继电器的负端流出继电器并经检测电阻回到地；

控制器的IO端口连接信号隔离器的输入端并向信号隔离器发出高或低电平控制信号，信号隔离器的输出端和MOS开关的g极相连；模数转换器的输入端和检测电阻相连，并采集检测电阻上的电压信号，模数转换器的通讯端口和控制器的通讯端口相连。

进一步地，所述电源为直流24V或直流48V。

进一步地，所述MOS开关为PMOS，MOS开关的栅极和源极电压为0时，MOS开关关断；MOS开关的栅极和源极电压小于0时，MOS开关导通；控制器控制MOS开关闭合或关断，并对应使得继电器得电或失电。

进一步地，所述继电器为带有感性负载的继电器。

进一步地，所述信号隔离器为光耦合器。

本发明还提供一种工业用数字量输出回路的线缆电路的实现方法，包括：

1）确定电路中带感性负载继电器中的电感L和电阻R，以及确定继电器的动作延时；

2）确定控制器发出信号的脉冲宽度T，并确定信号延迟时间t，根据公式Ur=U(1-e^(-Rt/L))r/R算出检测电阻的电压；

式中：

U:直流电源Vcc电压值，DC24V或DC48V电源；

L:继电器电感值，该值可通过产品手册获得；

R:继电器直流电阻值，该值可通过产品手册获得；

t:发送高电平测试脉冲后到模数转换器开始采集的延迟；

r:检测电阻值；

根据回路中各个参数的漂移范围，确定检测电阻电压Ur的上限Ur(max)和下限Ur(min)，将Ur(max)和Ur(min) 保存在控制器中；

3）在控制器启动初始化结束后，定期且间隔的向被诊断线缆发送测试信号，在发送测试信号同时，控制器控制MOS开关产生一次高电平测试脉冲，并在检测电阻上产生电压信号；

4）高电平测试脉冲延迟t时间后采集检测电阻的电压值Ur，并将采集的电压值Ur与步骤2）中确定的Ur(max)和Ur(min)比较；

当Ur>Ur(max)时，判定被诊断线缆发生短路故障；

当Ur<Ur(min)时，判定被诊断线缆发生断线故障；

当Ur(min)<Ur<Ur(max)时，判定被诊断线缆无故障。

进一步地，根据回路中各个参数的漂移范围，取根据步骤2）中公式算出检测电阻电压值的±20%确定Ur的上下限。

在线工作时，定期发送高电平诊断脉冲，使的负载短暂得电，回路也会短暂产生电流，此时获取检测电阻的电压值，根据电压值大小来判断线缆是否出现故障。脉冲的宽度和获取的电压值的范围，可根据现场的感性负载特征参数来配置。需要的主要参数有直流电阻R，电感L，继电器动作延时，诊断脉冲宽度需小于该延时，不可让继电器动作。

本发明的有益效果在于：设备工作时，可以在线连续定期地对线缆诊断，并在故障时及时给出报警，提醒运行人员及时处理该线缆故障，同时简单的给出线缆的故障类型，方便故障的排查。项目人员可以根据不同参数的感性继电器进行不同的参数配置，主要是测试脉冲宽度，检测电阻的高低阈值，从而扩大了应用范围。而且诊断功能进行时不会使现场设备发生误动作，不会对正常的设备运行造成干扰，增加了现场设备运行的可靠性和安全性，并且电路和实现方法简单，降低了运行成本。

附图说明：

图1为本发明的诊断电路示意图。

图2为隔离器U3的详细示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1和图2，本发明一种工业用数字量输出回路的线缆电路，包括控制器U1、模数转换器U2、信号隔离器U3、MOS开关K、检测电阻r、被诊断线缆F以及带有感性负载的继电器J。

直流电源正端连接MOS开关的S极，MOS开关的D极连接被诊断线缆F并输出电源正电压和驱动电流。被诊断线缆连接继电器正端，驱动电流由正端流入该继电器，继电器负端连接被诊断线缆，驱动电流从负端流出继电器。被诊断线缆再连接检测电阻r，驱动电流流经检测电阻r最终回到地。

控制器U1的IO端口连接信号隔离器U3的输入端，发出高或低电平控制信号进入信号隔离器U3。

信号隔离器U3的输出端和MOS开关K的g极相连，信号隔离器U3发电平控制信号给MOS开关K。模数转换器U2的输入端和检测电阻r的驱动电流输入端相连，检测电阻r上的电压信号会被模数转换器U2采集。模数转换器U2的通讯端口和控制器U1的通讯端口相连，它们之间通过通讯信号传输采集到的电压信息。

本发明中的电源为直流24V或直流48V。

MOS开关K为MOSFET且为PMOS，MOS开关K的栅极和源极电压Vgs=0时，MOS开关K关断，Vgs＜0时，MOS开关K导通。

MOS开关K受控制器U1控制闭合或关断，使得继电器负载得电或失电。MOS开关K由一个短的测试脉冲控制，在不影响继电器负载动作的情况下，使得检测电阻r产生脉冲电压信号。

控制器U1可以和模数转换器U2通讯，可以发出控制信号，且该控制信号的脉宽可调整控制。根据继电器J的主要参数电感L和电阻R，以及测试脉冲到采集的延迟时间t，可以算出检测检测电阻r上的电压值，根据参数的漂移范围可以大致划分该电压值的高低阈值。该高低阈值数据需要存储在控制器U1中，作为判断基准。控制器U1可以将获得的电压值和阈值进行比较，来判断线缆的故障类型。

继电器J为带有感性负载的继电器，继电器的参数需要被获取，包括得电动作延时、电感L和电阻R。

信号隔离器U3，为光耦合器，输入正端接控制器IO口，输入负端接控制器U1的地。输出负端接直流电源的地。输出正端接2个串联的电阻，再接直流电源正端。2个串联电阻的连接处接MOS开关K的g极。随着光耦合器的导通和关断，Vg的电压也会变化。

检测电阻r：串联在整个输出回路中，位于感性继电器负载的负端线缆末尾处。检测电阻r一端接地，另一端产生的电压由模数转换器U2采集。

如图1电路连接，虚线框中的线缆为诊断对象。正常状态下，继电器负载不得电，开关K关断。工作步骤如下：

1）确定电路中的带有感性负载的继电器的参数，动作延时，电感L和电阻R。

2）确定控制器U1发出的信号脉冲宽度T，此时不可使继电器误动作，再确定信号延迟t。

根据公式Ur=U(1-e^(-Rt/L))r/R算出检测电阻的电压；

式中：

U:直流电源Vcc电压值，一般工业领域常用的DC24V或DC48V电源。

L:继电器电感值，该值可通过产品手册获得。

R:继电器直流电阻值，该值可通过产品手册获得。

t:发送脉冲后到模数转换器开始采集的延迟。

r:检测电阻值。

根据回路中各个参数的漂移范围，例如±20%可以去确定Ur的上下限，Ur(max)和Ur(min)，将Ur(max)和Ur(min)保存在控制器中，

3）上电，控制器启动初始化结束后，开始定期间隔连续发送测试信号。比如1分钟或10分钟发送一次脉冲控制信号，通过控制MOS开关K，产生一次高电平测试脉冲。会在检测电阻r上产生短暂的电压信号。

4）延迟短暂t时间后采集检测电阻r的电压值Ur，将其和Ur(max)和Ur(min)比较。

当Ur>Ur(max)时，判定线缆发生短路故障；

当Ur<Ur(min)时，判定线缆发生断线故障；

当Ur(min)<Ur<Ur(max)时，判定线缆无故障。

控制器U1完成这一系列的控制过程和判断结果。

开始诊断时，控制器U1发送控制脉冲信号经信号隔离器U2隔离后，控制开关K短暂打开再关闭，使得回路产生一个短暂的高电平脉冲信号，由于继电器为感性负载，回路中也会缓慢产生一个短暂的脉冲电流，最终在检测电阻r上产生相应的检测电压Ur被模数转换器U3采集。该脉冲宽度需要小于继电器的动作延时，不可让继电器误动作。可以计算出模数转换器读取的理论电压值Ur。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种工业用数字量输出回路的线缆电路，其特征在于：包括控制器、模数转换器、信号隔离器、MOS开关、继电器、检测电阻和被诊断线缆，直流电源的正端连接MOS开关的s极，MOS开关的d极连接被诊断线缆并输出电源正电压和驱动电流，继电器和检测电阻均与被诊断线缆相连，驱动电流由继电器的正端流入继电器，由继电器的负端流出继电器并经检测电阻回到地；

控制器的IO端口连接信号隔离器的输入端并向信号隔离器发出高或低电平控制信号，信号隔离器的输出端和MOS开关的g极相连；模数转换器的输入端和检测电阻相连，并采集检测电阻上的电压信号，模数转换器的通讯端口和控制器的通讯端口相连。

2.如权利要求1所述的工业用数字量输出回路的线缆电路，其特征在于：所述电源为直流24V或直流48V。

3.如权利要求1所述的工业用数字量输出回路的线缆电路，其特征在于：所述MOS开关为PMOS，MOS开关的栅极和源极电压为0时，MOS开关关断；MOS开关的栅极和源极电压小于0时，MOS开关导通；控制器控制MOS开关闭合或关断，并对应使得继电器得电或失电。

4.如权利要求1所述的工业用数字量输出回路的线缆电路，其特征在于：所述继电器为带有感性负载的继电器。

5.如权利要求1所述的工业用数字量输出回路的线缆电路，其特征在于：所述信号隔离器为光耦合器。

6.一种工业用数字量输出回路的线缆电路的实现方法，其特征在于：包括：

1）确定电路中带感性负载继电器中的电感L和电阻R，以及确定继电器的动作延时；

2）确定控制器发出信号的脉冲宽度T，并确定信号延迟时间t，根据公式Ur=U(1-e^(-Rt/L))r/R算出检测电阻的电压；

式中：

U:直流电源Vcc电压值；

L:继电器电感值，该值可通过产品手册获得；

R:继电器直流电阻值，该值可通过产品手册获得；

t:发送高电平测试脉冲后到模数转换器开始采集的延迟；

r:检测电阻值；

根据回路中各个参数的漂移范围，确定检测电阻电压Ur的上限Ur(max)和下限Ur(min)，将Ur(max)和Ur(min) 保存在控制器中；

3）在控制器启动初始化结束后，定期且间隔的向被诊断线缆发送测试信号，在发送测试信号同时，控制器控制MOS开关产生一次高电平测试脉冲，并在检测电阻上产生电压信号；

4）高电平测试脉冲延迟t时间后采集检测电阻的电压值Ur，并将采集的电压值Ur与步骤2）中确定的Ur(max)和Ur(min)比较；

当Ur>Ur(max)时，判定被诊断线缆发生短路故障；

当Ur<Ur(min)时，判定被诊断线缆发生断线故障；

当Ur(min)<Ur<Ur(max)时，判定被诊断线缆无故障。

7.如权利要求6所述的工业用数字量输出回路的线缆电路的实现方法，其特征在于：根据回路中各个参数的漂移范围，取根据步骤2）中公式算出检测电阻电压值的±20%确定Ur的上下限。

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