CN215219474U - 一种开关量信号通道检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于一种工业自动控制领域，具体涉及一种开关量信号通道检测装置，该检测装置包括：开关量信号单元、信号采集单元、信号处理单元和显示单元；开关量信号单元的输出端与信号采集单元的输入端连接，信号采集单元的输出端与信号处理单元的输入端连接，信号处理单元的输出端与显示单元的输入端连接。本实用新型装置结构简单，操作简便，能够准确、快速地检测出开关量信号通道的四种状态：触点开关闭合、触点开关断开、信号通道断线、信号通道短路。

Description

一种开关量信号通道检测装置

技术领域

本实用新型属于工业自动控制领域，具体涉及一种开关量信号通道检测装置。

背景技术

在工业应用中，开关量信号被广泛应用于对工艺系统或设备的监测或控制，常见的开关量信号有开关量传感器的触点开关状态，阀门的开、关状态，泵、风机的启动、停止状态等。当工艺参数超过设定限值，开关量传感器将会改变其触点的开关状态，或工艺设备的状态发生变化时，外部的控制系统(比如DCS系统、PLC系统、小型单片机系统等)将会采集到开关量信号的状态变化，并在计算机画面上显示出其状态变化，工作人员通过画面获取工艺系统或设备的状态变化。采用开关量信号控制，虽然其接口简单，性能可靠，抗干扰能力强，但当开关量信号通道出现断线状态时，其故障状态与开关触点打开时是一致的；当通道回路出现短路状态时，其故障状态与开关触点闭合时是一致的。当发生上述两种情况时，信号通道回路将失去对工艺系统或设备的有效监测或控制。然而市场上控制系统厂家生产的开关量信号采集板卡一般不具备对开关量信号通道断线和短路的诊断功能，在实际工艺应用中，如果需对开关量信号通道断线故障监测，一般在开关量信号通道回路中并联一个电阻元器件，控制系统通过检测通道回路中电流的大小实现对断线故障监测，但是该措施却无法实现对开关量信号通道出现短路故障的诊断。

以某核电站为例，在该电站的扩建工程中，工艺设计方明确要求DCS控制系统的开关量信号通道需要具有断线及短路故障诊断功能，但市场上控制系统的产品均不具备对开关量信号通道断线和短路的诊断功能，根据以往的经验，通过在开关量信号通道回路中并联一个电阻元器件，仅可实现对断线故障的诊断，却无法对开关量信号通道出现短路故障的诊断。如果要求DCS控制系统厂家开发具有断线和短路的故障诊断功能的控制板卡，不仅需要大量的人力和物力，开发的周期也存在不确定性风险，这会严重影响工程的进度。

因此，在不开发新开关量信号采集板的情况下，急需一种开关量信号通道断线和短路的故障诊断装置，可以快速、准确的实现对开关量信号通道断线和短路的故障诊断，以满足工艺设计要求的需要。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种开关量信号通道检测装置，该装置结构简单，操作简便，能够准确、快速地检测出开关量信号通道的四种状态：触点开关闭合、触点开关断开、信号通道断线、信号通道短路。

实现本实用新型目的的技术方案：一种开关量信号通道检测装置，所述检测装置包括：开关量信号单元、信号采集单元、信号处理单元和显示单元；开关量信号单元的输出端与信号采集单元的输入端连接，信号采集单元的输出端与信号处理单元的输入端连接，信号处理单元的输出端与显示单元的输入端连接；

开关量信号单元根据信号通道状态变化，形成不同的电压信号，并将电压信号发送至信号采集单元；

信号采集单元采集开关量信号单元回路的电压信号，对电压信号进行放大运算处理，产生放大电气信号，并将放大电气信号发送至信号处理单元；

信号处理单元接收信号采集单元发送的放大电气信号，将放大电气信号处理转化成开关量信号触点的不同状态信号，并发送至显示单元；

显示单元接收信号处理单元发送的不同状态信号并对其进行显示。

进一步地，所述开关量信号单元包括开关量信号触点开关、电阻A、电阻B和二极管，开关量信号触点开关的一端与电阻B连接，开关量信号触点开关的另一端与二极管的负极端连接，二极管的正极端与信号采集单元连接，开关量信号触点开关并联连接电阻A。

进一步地，所述信号采集单元包括开关量信号采集板卡和电源，开关量信号采集板卡的正压端与开关量信号单元的二极管的正极端连接，开关量信号采集板卡的负压端与开关量信号单元的电阻B连接，开关量信号采集板卡的正压端与电源连接；所述开关量信号采集板卡采集开关量信号单元两端的电阻值，将电阻值信号转化为电气参数值，并根据电气参数值判断开关量信号单元中开关量信号通道的状态。

进一步地，所述开关量信号通道的状态包括：开关触点关、开关触点开、信号通道断线和信号通道短路。

进一步地，所述开关量信号通道的状态为开关触点关时，通道电流为：

开关量信号采集板卡8采集电压为：V₁＝R₅×I₁，

其中，R₁为开关触点的阻值，R₃为电阻B的阻值，R₄为通道连接电缆的阻值，R₅为开关量信号采集板卡采集电压对应的阻值，R₆为开关量信号采集板卡非采集电压对应的阻值，V_D1为二极管对应的电压，V为供电电压。

进一步地，所述开关量信号通道的状态为开关触点开时，通道电流为：

开关量信号采集板卡采集电压为：V₂＝R₅×I₂，

其中，R₂为电阻A的阻值，R₃为电阻B的阻值，R₄为通道连接电缆的阻值，R₅为开关量信号采集板卡采集电压对应的阻值，R₆为开关量信号采集板卡非采集电压对应的阻值，V_D1为二极管对应的电压，V为供电电压。

进一步地，所述开关量信号通道的状态为信号通道断线时，通道电流为：I₃＝0，开关量信号采集板卡采集电压为：V₃＝0。

进一步地，所述开关量信号通道的状态为信号通道短路时，通道电流为：

开关量信号采集板卡采集电压为：V₄＝R₅×I₄，

其中，R₄为通道连接电缆的阻值，R₅为开关量信号采集板卡采集电压对应的阻值，R₆为开关量信号采集板卡非采集电压对应的阻值，V_D1为二极管对应的电压，V为供电电压。

进一步地，所述开关量信号采集板卡包括运算放大电路，运算放大电路的输入端与电阻B连接，运算放大电路的输出端与信号处理单元连接。

进一步地，所述检测装置还包括地线，地线与运算放大电路连接。

进一步地，所述信号处理单元包括信号处理CPU，信号处理CPU的采集端与信号采集单元的运算放大电路的输出端连接，信号处理CPU的输出端与显示单元连接；信号处理CPU接收信号采集单元的运算放大电路发送的电气信号，对电气信号进行处理形成开关量信号触点的不同状态信号，并将不同状态信号发送至显示单元。

进一步地，所述显示单元包括显示计算机，显示计算机与信号处理单元的信号处理CPU的输出端连接，显示计算机接收信号处理单元的信号处理CPU的发送的不同状态信号，并将不同状态信号显示为开关量信号触点的各个状态。

本实用新型的有益技术效果在于：

1、本实用新型提供的一种开关量信号通道检测装置，根据开关量信号采集板卡采集电气参数的不同，可以准确检测出开关量信号通道的四种状态：触点开关闭合、触点开关断开、信号通道断线、信号通道短路；通过快速、准确的诊断信号通道故障，有效提高维修人员的工作效率；

2、本实用新型提供的一种开关量信号通道检测装置，将串联的电阻设计在开关量信号采集板块的运算放大电路单元侧，可以确保多个开关量信号通道采用“共正”或“共负”的接线，不仅可以有效的避免因增加开关量信号诊断功能而增加电缆数量，并且可以确保多个开关量信号采用共线的电缆连接方式，减少电缆数量，可用性强；

3、本实用新型提供的一种开关量信号通道检测装置，串并联的电阻可以根据开关量信号采集板块的不同，选用不同电阻值的电阻元器件，应用广；

4、本实用新型提供的一种开关量信号通道检测装置，将信号回路中的串联电阻、二极管及并联电阻封装成元器件，在开关触点侧可直接连接、断开、更换等，可维护性强；

5、本实用新型提供的一种开关量信号通道检测装置，通过在信号通道回路中串联二极管，当回路电压或电流过大时，利用二极管的截止功能，可以有效避免通道回路中的开关量信号触点开关、开关量信号采集板卡等被损坏，实用性强；

6、本实用新型提供的一种开关量信号通道检测装置，结构简单，电阻元器件、二极管均为市场上常见的设备，制造工艺成熟、成本低，推广性强。

7、本实用新型提供的一种开关量信号通道检测装置，针对原控制系统中的开关量信号通道不具备断线和短路故障诊断功能的情况，通过串联电阻、二极管及并联电阻，即可完成增加开关量信号通道断线和短路故障诊断的功能。

附图说明

图1为本实用新型所提供的一种开关量信号通道检测装置的电路原理图；

图中：1-开关量信号触点开关；2-电阻A；3-电阻B；4-二极管；5-电源；6-运算放大电路单元；7-地线；8-开关量信号采集板卡；9-信号处理CPU；10-显示计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型提供的一种开关量信号通道检测装置，包括开关量信号单元、信号采集单元、信号处理单元和显示单元。

开关量信号单元的输出端与信号采集单元的输入端连接，信号采集单元的输出端与信号处理单元的输入端连接，信号处理单元的输出端与显示单元的输入端连接。

因开关量信号通道状态变化，开关量信号单元回路的电流值将发生不同范围内变化，开关量信号单元两端的电压值也随之发生不同范围内的变化；因此，开关量信号单元根据信号通道状态变化，形成不同的电压信号，并将电压信号发送至信号采集单元。

信号采集单元采集开关量信号单元回路的电压信号，对电压信号进行放大运算处理，产生放大电气信号，并将放大电气信号发送至信号处理单元。

信号处理单元接收信号采集单元发送的放大电气信号，将放大电气信号处理转化成开关量信号触点的不同状态信号，并发送至显示单元。

显示单元接收信号处理单元发送的不同状态信号并对其进行显示。

开关量信号单元包括开关量信号触点开关1、电阻A2、电阻B3和二极管4；信号采集单元包括开关量信号采集板卡8、电源5和地线7；信号处理单元包括信号处理CPU9；显示单元包括显示计算机10。

开关量信号单元包括开关量信号触点开关1、电阻A2、电阻B3和二极管4，开关量信号触点开关1的一端与电阻B3连接，开关量信号触点开关1的另一端与二极管4的负极端连接，二极管4的正极端与信号采集单元的开关量信号采集板卡8的正压端连接，开关量信号触点开关1并联连接电阻A2。二极管4用于保护信号通道回路，防止过压或过流；将电阻A2、电阻B3、二极管4封装成元器件，在开关量信号触点开关1侧可直接连接、断开、更换。

信号采集单元包括开关量信号采集板卡8和电源5，开关量信号采集板卡8的正压端与二极管4的正极端连接，开关量信号采集板卡8的负压端与电阻B3连接，开关量信号采集板卡8中设有运算放大电路6，运算放大电路单元6用于对开关量信号采集板卡8采集到的信号进行运算放大处理，运算放大电路6的输入端与电阻B3连接，运算放大电路6的输出端与信号处理单元的信号处理CPU9的采集端连接，运算放大电路6与检测装置中的地线7连接，用于保护信号通道回路；开关量信号采集板卡8的正压端与电源5连接，用于给开关量信号采集板卡8供电。

开关量信号采集板卡8采集开关量信号单元两端的电阻值，将电阻值信号转化为电气参数值，并根据电气参数值判断开关量信号单元中开关量信号通道的状态，并形成状态处理信号发送至运算放大电路6，运算放大电路6接收状态处理信号并对其进行放大处理形成电气信号，将电气信号发送至信号处理单元的信号处理CPU9，经信号处理单元的信号处理CPU9处理后产生开关量信号触点的不同状态信号，不同状态显示信号被送至显示单元10显示。

其中，开关量信号通道的状态包括：(1)开关触点关、(2)开关触点开、(3)信号通道断线、(4)信号通道短路，

(1)开关触点正常闭合状态时：

通道电流：

开关量信号采集板卡8采集电压：V₁＝R₅×I₁；

(2)开关触点正常断开状态时：

通道电流：

开关量信号采集板卡8采集电压：V₂＝R₅×I₂；

(3)信号通道断线状态时：

通道电流：I₃＝0，

开关量信号采集板卡8采集电压：V₃＝0；

(4)信号通道短路状态时：

通道电流：

开关量信号采集板卡8采集电压：V₄＝R₅×I₄；

其中，R₁为开关触点的阻值，R₂为电阻A2的阻值，R₃为电阻B3的阻值，R₄为通道连接电缆的阻值，R₅为开关量信号采集板卡8采集电压对应的阻值，R₆为开关量信号采集板卡8非采集电压对应的阻值，V_D1为二极管4对应的电压，V为供电电压。

开关触点关、开关触点开、信号通道断线、信号通道短路四种状态下开关量信号采集板卡8采集电压的区域范围(区域范围不能有交叉)，根据上述公式，当供电电压V为24V时，四种状态下的电压区域范围可选取如下范围：

开关触点正常闭合状态时，3.0V≤V₁≤3.8V；

开关触点正常断开状态时，1V≤V₂≤2.2V；

信号通道断线状态时，V₃＝0V；

信号通道短路状态时，4.2V≤V₄≤5V。

信号处理单元包括信号处理CPU9，显示单元包括显示计算机10，信号处理CPU9的采集端与信号采集单元的运算放大电路6的输出端连接，信号处理CPU9的输出端与显示计算机10的输入端连接，信号处理CPU9接收信号采集单元的运算放大电路6发送的电气信号，对电气信号进行处理形成开关量信号触点的不同状态信号，并将不同状态信号发送至显示单元的显示计算机10，显示计算机10接收不同状态信号，并将不同状态信号显示为开关量信号触点的各个状态。

工作原理：当开关量信号单元的电阻值发生变化时，开关量信号采集板卡8内部电路电气参数同时发生变化，开关量信号采集板卡8根据电气参数值判断出开关量信号单元中开关量信号通道的状态，即开关触点开、开关触点关、信号通道断线、信号通道短路，经过运算放大电路6的放大处理后，将处理后的电气信号发送至信号处理CPU9，信号处理CPU 9对信号进行处理，然后发送至显示计算机10中显示；通过显示计算机10即可获取到开关量信号触点开关1以及信号通道所处的状态；同时在显示计算机10中根据不同的信号通道状态设置不同的报警方式，及时提醒工作人员发现开关量信号通道故障，及时处理故障，保证工艺系统或设备的安全稳定运行。

串并联电阻元器件电阻A2、电阻B3的阻值，可根据开关量触点开关1的阻值、开关量信号采集板卡8采集电压对应的阻值、开关量信号采集板卡8非采集电压对应的阻值以及通道回路中电缆的阻值确定；然后根据阻值选用市场上常见的阻值电阻元器件即可。

需要注意的是，开关量信号采集板卡8中需具有运算放大电路单元6；电阻A2和电阻B3的电阻功率选型时需考虑供电电源异常的极端情况；二极管4选型时需考虑供电电源异常的极端情况。

采用本实用新型提供的一种开关量信号通道检测装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤(1)、将开关量信号触点开关1打开，连接至检测装置中；

步骤(2)、打开电源5的供电电源；开关量信号触点开关1在显示计算机10显示的状态为打开；

步骤(3)、将开关量信号触点开关1闭合；开关量信号触点开关1在显示计算机10显示的状态为闭合；

步骤(4)、拆除开关量信号触点开关1；显示计算机10显示的状态为信号通道断线状态；

步骤(5)、使用电缆代替开关量信号触点开关1连接到检测装置中，显示计算机10显示的状态为信号通道短路状态；

步骤(6)、拆除步骤5中使用的连接电缆，将开关量信号触点开关1打开，连接至检测装置中；

步骤(7)、将步骤6中拆除的连接电缆依次分别并联至开关量信号触点开关1、电阻A2、电阻B3的两端，显示计算机10显示的状态均为信号通道短路状态；

步骤(8)、拆除步骤6中的连接电缆；

步骤(9)、拆除电阻A2，显示计算机10显示的状态为信号通道断线状态；将电阻A2恢复连接，显示计算机10显示的状态为打开；拆除电阻B3，显示计算机10显示的状态为信号通道断线状态；将电阻B3恢复连接，显示计算机10显示的状态为打开；拆除二极管4，显示计算机10显示的状态为信号通道断线状态；将二极管4恢复连接，显示计算机10显示的状态为打开；

步骤(10)、将开关量信号触点开关1闭合；开关量信号触点开关1在显示计算机10显示的状态为闭合；拆除电阻A2，显示计算机10显示的状态为信号通道断线状态；将电阻A2恢复连接，显示计算机10显示的状态为闭合；拆除电阻B3，显示计算机10显示的状态为信号通道断线状态；将电阻B3恢复连接，显示计算机10显示的状态为闭合；拆除二极管4，显示计算机10显示的状态为信号通道断线状态；将二极管4恢复连接，显示计算机10显示的状态为闭合。

通过上述步骤可以完成开关量信号触点开关1各状态下的检测。

上面结合附图和实施例对本实用新型作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。本实用新型中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (12)

1.一种开关量信号通道检测装置，其特征在于，所述检测装置包括：开关量信号单元、信号采集单元、信号处理单元和显示单元；开关量信号单元的输出端与信号采集单元的输入端连接，信号采集单元的输出端与信号处理单元的输入端连接，信号处理单元的输出端与显示单元的输入端连接；

开关量信号单元根据信号通道状态变化，形成不同的电压信号，并将电压信号发送至信号采集单元；

信号采集单元采集开关量信号单元回路的电压信号，对电压信号进行放大运算处理，产生放大电气信号，并将放大电气信号发送至信号处理单元；

信号处理单元接收信号采集单元发送的放大电气信号，将放大电气信号处理转化成开关量信号触点的不同状态信号，并发送至显示单元；

显示单元接收信号处理单元发送的不同状态信号并对其进行显示。

2.根据权利要求1所述的一种开关量信号通道检测装置，其特征在于，所述开关量信号单元包括开关量信号触点开关(1)、电阻A(2)、电阻B(3)和二极管(4)，开关量信号触点开关(1)的一端与电阻B(3)连接，开关量信号触点开关(1)的另一端与二极管(4)的负极端连接，二极管(4)的正极端与信号采集单元连接，开关量信号触点开关(1)并联连接电阻A(2)。

3.根据权利要求2所述的一种开关量信号通道检测装置，其特征在于，所述信号采集单元包括开关量信号采集板卡(8)和电源(5)，开关量信号采集板卡(8)的正压端与开关量信号单元的二极管(4)的正极端连接，开关量信号采集板卡(8)的负压端与开关量信号单元的电阻B(3)连接，开关量信号采集板卡(8)的正压端与电源(5)连接；所述开关量信号采集板卡(8)采集开关量信号单元两端的电阻值，将电阻值信号转化为电气参数值，并根据电气参数值判断开关量信号单元中开关量信号通道的状态。

4.根据权利要求3所述的一种开关量信号通道检测装置，其特征在于，所述开关量信号通道的状态包括：开关触点关、开关触点开、信号通道断线和信号通道短路。

5.根据权利要求4所述的一种开关量信号通道检测装置，其特征在于，所述开关量信号通道的状态为开关触点关时，通道电流为：

开关量信号采集板卡(8)采集电压为：V₁＝R₅×I₁，

其中，R₁为开关触点的阻值，R₃为电阻B(3)的阻值，R₄为通道连接电缆的阻值，R₅为开关量信号采集板卡(8)采集电压对应的阻值，R₆为开关量信号采集板卡(8)非采集电压对应的阻值，V_D1为二极管(4)对应的电压，V为供电电压。

6.根据权利要求4所述的一种开关量信号通道检测装置，其特征在于，所述开关量信号通道的状态为开关触点开时，通道电流为：

开关量信号采集板卡(8)采集电压为：V₂＝R₅×I₂，

其中，R₂为电阻A(2)的阻值，R₃为电阻B(3)的阻值，R₄为通道连接电缆的阻值，R₅为开关量信号采集板卡(8)采集电压对应的阻值，R₆为开关量信号采集板卡(8)非采集电压对应的阻值，V_D1为二极管(4)对应的电压，V为供电电压。

7.根据权利要求4所述的一种开关量信号通道检测装置，其特征在于，所述开关量信号通道的状态为信号通道断线时，通道电流为：I₃＝0，开关量信号采集板卡(8)采集电压为：V₃＝0。

8.根据权利要求4所述的一种开关量信号通道检测装置，其特征在于，所述开关量信号通道的状态为信号通道短路时，通道电流为：

开关量信号采集板卡(8)采集电压为：V₄＝R₅×I₄，

其中，R₄为通道连接电缆的阻值，R₅为开关量信号采集板卡(8)采集电压对应的阻值，R₆为开关量信号采集板卡(8)非采集电压对应的阻值，V_D1为二极管(4)对应的电压，V为供电电压。

9.根据权利要求4所述的一种开关量信号通道检测装置，其特征在于，所述开关量信号采集板卡(8)包括运算放大电路(6)，运算放大电路(6)的输入端与电阻B(3)连接，运算放大电路(6)的输出端与信号处理单元连接。

10.根据权利要求9所述的一种开关量信号通道检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括地线(7)，地线(7)与运算放大电路(6)连接。

11.根据权利要求10所述的一种开关量信号通道检测装置，其特征在于，所述信号处理单元包括信号处理CPU(9)，信号处理CPU(9)的采集端与信号采集单元的运算放大电路(6)的输出端连接，信号处理CPU(9)的输出端与显示单元连接；信号处理CPU(9)接收信号采集单元的运算放大电路(6)发送的电气信号，对电气信号进行处理形成开关量信号触点的不同状态信号，并将不同状态信号发送至显示单元。

12.根据权利要求11所述的一种开关量信号通道检测装置，其特征在于，所述显示单元包括显示计算机(10)，显示计算机(10)与信号处理单元的信号处理CPU(9)的输出端连接，显示计算机(10)接收信号处理单元的信号处理CPU(9)的发送的不同状态信号，并将不同状态信号显示为开关量信号触点的各个状态。

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