無觸點(diǎn)切換裝置的電路設(shè)計(jì)

趙晶 吳吉昌 李軒

摘 要：本文針對(duì)石化煉油廠控制系統(tǒng)工作安全邊界研究，提出了一種基于手動(dòng)控制與自動(dòng)控制無觸點(diǎn)切換裝置的設(shè)計(jì)方法，闡述了無觸點(diǎn)切換裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作原理。

關(guān)鍵詞：無觸點(diǎn)；切換；電路設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM564 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）15-0061-02

0 引言

針對(duì)某石化煉油廠遠(yuǎn)距離控制要求，設(shè)計(jì)了一種無觸點(diǎn)切換裝置，該裝置的主要特點(diǎn)是沒有可運(yùn)動(dòng)的觸頭部件，切換時(shí)不出現(xiàn)電弧或火花，動(dòng)作迅速，壽命長(zhǎng)，可靠性高，一旦手工啟動(dòng)完成，便自動(dòng)投入集中控制，可滿足遠(yuǎn)距離控制需求。

1 控制系統(tǒng)組成

該控制系統(tǒng)部分框圖如圖1所示，控制系統(tǒng)由控制中心、電位計(jì)、無觸點(diǎn)切換裝置、PID、變頻調(diào)速器、電機(jī)和反饋信號(hào)F/V組成。

2 無觸點(diǎn)切換裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無觸點(diǎn)切換裝置主要由I/V變換、差分放大、窗口比較、選通電路和電流擴(kuò)展等模塊構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示?？刂浦行狞c(diǎn)輸入的電流信號(hào)，經(jīng)I/V變換變成0～5V的直流電壓信號(hào)和電位器給定電壓，通過差分放大器輸出給由四個(gè)與非門組成的RS觸發(fā)器控制模擬開關(guān)來選通模擬通道，最后通過電流擴(kuò)展輸出。

3 主要功能模塊設(shè)計(jì)

3.1 I/V轉(zhuǎn)換模塊電路

為了保證系統(tǒng)具有可靠的控制精度，需將系統(tǒng)控制工況設(shè)備的電流量參數(shù)轉(zhuǎn)換成電壓量。利用反相器和反相加法器的設(shè)計(jì)計(jì)算得到0～5V線性變化的電壓輸出。因?yàn)槎际侵苯玉詈?，所以運(yùn)算放大器選用低失調(diào)運(yùn)放U1MC1458， 為了保證變換精度，要求運(yùn)算放大器和電阻的溫漂、時(shí)漂小。

3.2 差分放大模塊

為了消除外界共模干擾，輸入級(jí)采用差分放大。輸入信號(hào)首先經(jīng)過RC濾波，濾除高頻干擾。利用線性電路的疊加原理，差動(dòng)放大器可以看成是由一個(gè)反相放大器和一個(gè)同相放大器構(gòu)成；運(yùn)算放大器選用低噪聲、低失調(diào)高開環(huán)增益的運(yùn)放OP-07。

電路的輸出電壓與兩個(gè)輸入電壓成正比，實(shí)現(xiàn)了差分比例放大。其放大倍數(shù)通過調(diào)節(jié)各電阻阻值來決定。

3.3 窗口比較模塊

窗口電路由兩個(gè)集電極開路比較器構(gòu)成，門檻電壓正負(fù)極分別接到兩個(gè)比較器的同相輸入端和反相輸入端；將一個(gè)模擬量輸入電壓與兩個(gè)參考門檻電壓進(jìn)行比較，并將輸出結(jié)果以高電平和低電平狀態(tài)輸出。

窗口比較模塊由窗口比較電路、門檻電壓模塊組成。其中門檻電壓模塊由LM339和MC1458構(gòu)成反相器得到兩個(gè)基準(zhǔn)門檻電壓。

LM339是由四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器構(gòu)成，具有失調(diào)電壓小，典型值為2mV，電源電壓范圍寬，雙電源電壓為±1V～±18V；差動(dòng)輸入電壓可以等于電源電壓，兩個(gè)輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，輸出端電位可靈活方便地選用。

3.4 選通電路模塊

將得到的信號(hào)通過二極管將信號(hào)隔離和RC低通濾波電路濾除高頻干擾，之后經(jīng)過選通電路模塊選通輸出。電路由門電路CD4011，運(yùn)放LM339，四雙向開關(guān)4066，發(fā)光二極管等器件組成。其電路圖如圖3所示。

CD4011是由兩個(gè)與非門和RS觸發(fā)器構(gòu)成。其中4011中的RS觸發(fā)器由兩個(gè)輸出端S和R端，這兩個(gè)輸出端是互補(bǔ)的。通常以S端的值作為觸發(fā)器的狀態(tài)，當(dāng)S為1時(shí)，則觸發(fā)器處于置位狀態(tài)，當(dāng)S為0時(shí)，處于復(fù)位狀態(tài)。在同一時(shí)刻只能處于其中一個(gè)狀態(tài)。

當(dāng)R=0，S=1時(shí)，選擇A通道輸出。

當(dāng)R=1，S=0時(shí)，選擇B通道輸出。

3.5 電流擴(kuò)展模塊

采用電流擴(kuò)展模塊來增加輸出的驅(qū)動(dòng)能力，輸出電路如圖4所示。

4 應(yīng)用情況

對(duì)安無觸點(diǎn)切換裝置進(jìn)行分塊調(diào)試，首先進(jìn)行零電壓調(diào)零，然后進(jìn)行滿度調(diào)整增益，由這兩步來調(diào)整其失調(diào)誤差和增益誤差，保證其轉(zhuǎn)換精度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。輸入4～20mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～5V脈沖電平信號(hào)（4mA對(duì)應(yīng)0V，20mA對(duì)應(yīng)5V）。

在無觸點(diǎn)切換裝置中信號(hào)整形調(diào)試中，由差分放大模塊輸出的電壓模擬信號(hào)通過窗口比較器后變成高低電平的數(shù)字信號(hào)，工作波形如圖5所示。

當(dāng)模擬系統(tǒng)工作試驗(yàn)中，把控制模塊中的開關(guān)S閉合后，緩慢調(diào)節(jié)電位計(jì)裝置選擇A通道輸出；當(dāng)電機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)，斷開開關(guān)S，無論怎么調(diào)節(jié)電位器部分均選擇B通道輸出。

試驗(yàn)結(jié)果表明：無觸點(diǎn)切換裝置滿足低轉(zhuǎn)速手動(dòng)控制運(yùn)轉(zhuǎn)正常后到高轉(zhuǎn)速系統(tǒng)控制自動(dòng)切換的技術(shù)要求，完全達(dá)到了預(yù)期的具體設(shè)計(jì)目標(biāo)。在各模塊電路的具體設(shè)計(jì)中，采取了多種方式保證轉(zhuǎn)換精度。

采用RC濾波，減少電壓干擾信號(hào)，保證轉(zhuǎn)換精度：

（1）電位計(jì)輸出電壓后加射極跟隨器，高阻抗來濾除負(fù)載所帶來的壓降，保證電壓穩(wěn)定輸出；（2）多次試驗(yàn)調(diào)整電路配置，得到最佳的電路配置；（3）電路中元器件都必須隨著溫度變化保持穩(wěn)定。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)選擇漂移小、穩(wěn)定性好的聚苯乙烯電容和精密電阻。

5 結(jié)語

無觸點(diǎn)切換裝置具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在工程應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)的切換，有效地解決了系統(tǒng)與工況間需要人工控制而反復(fù)協(xié)調(diào)的問題。

參考文獻(xiàn)

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