小电流输出设备的电流回检解决方案
解群眺，徐文卿，郭淳，周琴
浙江中控技术股份有限公司，浙江杭州，310053
摘
要： 4mA～20mA小电流信号是现代工业现场应用的主流信号，该类型小电流输出设备的可靠
性严重影响着工业生产的可靠性。因此需要对小电流输出设备的运行状况进行实时检测并能快速启动故障响应机制，最大程度的降低由于电流输出设备故障而造成的损失。结合当前工业控制系统模拟电流输出技术，以常用的系统侧与现场侧信号隔离的小电流输出设备为研究对象，提出了多种小电流输出设备的电流回检解决方案，详细分析了各个方案的特点与优劣。 关键字：电流回检，隔离传输，故障，可靠性
中图分类号：TH861 文献标识码：
The low-power solution of equipment with small current output
Xie Quntiao, Xu Wenqing, Guo Chun, Zhou Qin
Zhejiang SUPCON Technology Co., Ltd, Hangzhou, Zhejiang, 310053
Abstract: Simulation current signals between 4 mA to 20 mA are the mainstream signals in the modern industrial field application. Its generator reliability seiously influences the reliability of the industrial production.Therefore, the operation situation of the small current analog signal generator needs to be monitored at any time and the fault response procedure will be activated as soon as possible, in order to extremly reduce damages caused by the failure of the simulation current generator. Combining with the simulation current generating technology in the modern industrial control system, the paper introduced some current detection solutions of the small current generator, whose characteristics and quality were detailed.
Keywords：current detection, isolation transmission, failure, reliability
前言
工业控制现场信号的传输会受到各种各样的干扰，如浪涌、电脉冲、静电等，这些干扰往往造成输入输出信号的畸变，引起控制系统的不稳定，严重威胁着工业生产甚至生命安全[1-3]。为提高控制系统的可靠性，控制工业现场仪表的小电
流输出设备常用一种抗干扰措施为使系统侧与现场侧信号相隔离，使得工业现场对小电流输出设备现场侧的干扰不会影响系统侧。可靠的系统要求故障率低且故障发生时能快速检测到故障，从而启动故障响应机制保障生产安全。小电流输出设备直接驱动现场仪表，要求电流值精确地按预
1
定值进行输出，若小电流输出设备输出电流失控，轻者导致工业控制系统性能降低、甚至功能丧失，造成严重的经济损失，重者造成工业现场仪表失控，发生火灾、爆炸，造成人员伤亡，危及公众生活和国家安全。因此小电流输出设备能准确、快速地检测到输出电流故障，从而启动故障响应机制保障控制系统的稳定对工业生产安全非常重要。而系统侧与现场侧信号隔离的电流输出设备的输出电流回检需要解决回检信号的隔离传输问题，该问题一直是工控领域的一个难点。
本文以系统侧与现场侧信号隔离的电流输出设备为研究对象，提出了多种不同的输出电流回检方案。
1 小电流输出原理
如图1为常用的小电流输出电路原理图，负载R表示变送器等工业仪表的输入阻抗，一般为
0～750Ω，Io表示输出电流，Io?ViR。输出电
J流回检的对象为Io，回检电路的目的是实时检测输出电流Io是否正常，并隔离传输到系统侧的控制电路进行诊断处理。因此，基于图1常用的小电流输出结构，回检的采样信号通常有以下两种：1、直接采样电流IO，此种方式检测范围最大，但采样电流难度大；2、采样VRJ信号，VRJ信号在RJ采样电阻不变的情况下，直接反应输出电流的变化，此种方式的不足为RJ阻抗小幅度变化会引起输出电流变化而不会引起VRJ变化，因此对于VRJ参数漂移的检测存在盲区。
图1 小电流输出原理图
2 方案分析
2.1基于光耦的模拟信号线性隔离传输回检思想
光耦是一种工业设备中常用的隔离器件，本文分别利用常用的高速、低速、线性光耦提出了三种基于光耦的模拟信号线性隔离传输回检方案。
一种最直接的方案为利用线性光耦采集VRJ，所谓线性光耦，隔离原理与普通光耦类似，在单发单收模式基础上增加光接收电路用于反馈，利用两个光接收电路非线性特性的一致性来实现模拟信号的线性隔离传输。常用的线性光耦有HCNR200/HCNR201，其线性度达到0.25%/0.05%，温度系数达到65ppm/℃，因此检测精度可以做到很高，但是成本较高，特别对于多通道的小电流输出设备而言将会大大增加设备成本。
基于线性光耦思想，可以采用双低速光耦实现模拟信号线性隔离传输，把VRJ线性地传递到系统侧，原理图如图2所示。根据此原理，中电四十一所的郭庆亮通过实验得到，输入电压为1V~10V时，其输出相对误差小于3%[4]；空军长春飞行学院的佘辉，同样利用此原理，得到了0V～5V模拟电压的线性隔离传输[5]。
2
根据图2得到输入输出电压关系： 现模拟信号线性隔离传输的原理图可以看出。
Vo?CTR1*R5*VRJ，
CTR2*R3VO?IO*CTR*R采样电阻
该方案不需要考虑不同光耦CTR的一致性，但是在温度变化较大的领域需要考虑光耦CTR的温度特性。在精度要求较高的地方采用该硬件方案，可以结合一定的软件算法来提高检测精度。该方案CTR1表示光耦U1的电流传输比，CTR2表示光耦U2的电流传输比，R3，R5分别表示电阻大小。由于电阻的温漂系数一般比较小，因此误差主要来源于光耦CTR（Current Trasfer Ratio,电流转化因子）的温度系数差异性。要提高精度就要求两个光耦受温度影响一致，即温度变化对CTR变化率的影响一致。初始误差可以通过设备出厂前标定等手段消除，对精度影响可以忽略。
考虑到光耦CTR温度系数的差异性，该电路适用于精度要求一般或者温度稳定的环境。若要提高精度，可以采用双通道光耦，如TOSHIBA的
TLP521-2等，这样光耦CTR的温度系数一致性可以得到较大改善。同时，若用量不大，可以考虑对光耦进行筛选处理。
图2 双低速光耦实现模拟信号线性隔离传输
第三种方案由高速光耦实现。高速光耦由发光二极管、光电二极管和三极管三部分组成[6]。光耦传输的非线性主要由三极管引起。小电流时，发光二极管的发光强度与电流呈很好的线性关系，传输比例为a，光电二极管的光电流与接收的光强度也呈线性关系，传输比例为b，因此输出电流和输入电流呈比例为ab的线性关系。根据图3高速光耦实
的优点为硬件实现简单，检测范围大，成本低，缺点为应用中需要考虑CTR的温度特性。
VO
图3 高速光耦实现模拟信号线性隔离传输
2.2 V-F转换思想
由于模拟信号隔离传输较困难，在此介绍一种将现场侧的电压模拟信号转换成不同频率的数字信号并通过光耦传递到系统侧的方案。
市面上有专用的V-F电压转频率芯片，如Fairchild公司的LM331专用芯片，配合一些简单的外围电路即可达到把VRJ转换为相应的频率信号的目的。该频率信号可以用光电耦合器传递到系统侧的CPU进行诊断处理，原理框图如图4所示。用V-F专用芯片的优点是转换精度高，缺点为价格较昂贵。
另一种实现V-F转换的方法如下：根据VCO思想，用一个积分器和比较器实现，即利用两个普通的运算放大器加少量的外围电路即可实现V-F转换的功能。
3
f?A*VRJ
其中A是常数，与积分器充放电电流，积分电容，比较器翻转阈值有关。转换出来的频率与VRJ成线性关系。同时，频率的大小，可以通过简单的参数调整设定。相比用专用芯片实现VF转换功能，其中T1为用于比较的基准积分周期，Vref为电压基准。该方案的优点为精度高，跟电路中众多分离器件参数的离散性无关系，只由基准电压以及比较的积分周期T1决定。T1一般由MCU产生，精度高，但是从系统侧传递到现场侧的过程需要隔离。该方案的优点为价格便宜，缺点为由于分离器件多，导致器件离散性大，转换精度低于专用芯片，一般可以做到3%。
图4 V-F转换回检方案原理框图
2.3 V-占空比转换思想
图5 V-占空比转换原理框图
V-占空比的思想与V-F思想类似，是把电压信号转换为不同占空比的数字信号进行传输检测。
电压转占空比电路的常用实现方法有以下两种：
1、用双积分电路的思想，得到占空比与输入电压即VRJ的线性关系。
D?T2VRJT1?V ref基准可以选择温漂系数小的来实现转换电路的高精度性能。
2、采用三角波产生电路和比较器来实现，用比较器切割固定幅度的三角波实现电压与占空比的转换，该方案的难点为产生固定幅度的三角波。同时，由于三角波充放电的非线性性将影响转换精度，因此该方案只适用于精度要求不高的领域。
3 结论
本文从工业现场控制系统的可靠性出发，以系统侧与现场侧信号隔离的小电流输出设备为研究对象，提出了多种不同的解决方案。对于采样电阻稳定度不高的场合，需要对其检测，可以采用高速光耦线性传输方案实现；对于检测精度要求高的场合可以采用线性光耦方案、高速光耦线性传输方案、专用芯片实现的V-F转换方案和基于双积分思想的V-占空比转换方案，但是高速光耦线性传输方案在温度变化较大的环境检测精度会有较大影响；对于成本要求较高的领域，可以采用双低速光耦方案，高速光耦方案，分离器件实现的V-F转换方案。在实际使用中需要根据使用环境、检测精度要求、成本要求进行衡量和选择。由于能力有限，不能提供所有的解决方案，只希望通过本文能为解决工控领域这个难题提供一定的解决思路。
参考文献
4
[1] 仇国庆,杨志龙等. 看门狗电路的设计与应用[J].自
动化与仪器仪表, 2005, 4: 16-20
[6] 石允翔. 高速光耦合器的设计要点与应用[J].安徽大学学报（自然科学版），1996，22（1）:59-61
作者简介：解群眺，男，浙江杭州人，硕士，主要从事[2] 丁仰春, 孙艳荣. 关于DCS系统中干扰问题的探讨
[J]. 工业控制计算机, 2009, 22(1):91
[3] 艾莉, 程加堂.. PLC控制系统的电磁抗干扰技术研
究[J]. 机械工程与自动化, 2009（8）, 4: 167-170
DCS系统硬件电路设计。 [4] 郭庆亮. 非线性光耦实现模拟信号线性隔离[J]. 科
技信息，2010（11）, 33, 106
[5] 佘辉，陈乃刚. 光耦隔离传输中的非线性补偿[J]. 长
春工程学院学报（自然科学版）, 2001, 2(2), 21-22
5