趙晶 吳吉昌 李軒

摘 要：本文針對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控制與自動控制無觸點切換裝置的設(shè)計方法，闡述了無觸點切換裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作原理。

關(guān)鍵詞：無觸點；切換；電路設(shè)計

中圖分類號：TM564 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）15-0061-02

0 引言

針對某石化煉油廠遠距離控制要求，設(shè)計了一種無觸點切換裝置，該裝置的主要特點是沒有可運動的觸頭部件，切換時不出現(xiàn)電弧或火花，動作迅速，壽命長，可靠性高，一旦手工啟動完成，便自動投入集中控制，可滿足遠距離控制需求。

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、無觸點切換裝置、PID、變頻調(diào)速器、電機和反饋信號F/V組成。

2 無觸點切換裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

3 主要功能模塊設(shè)計

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)計計算得到0～5V線性變化的電壓輸出。因為都是直接耦合，所以運算放大器選用低失調(diào)運放U1MC1458， 為了保證變換精度，要求運算放大器和電阻的溫漂、時漂小。

3.2 差分放大模塊

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

電路的輸出電壓與兩個輸入電壓成正比，實現(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

窗口電路由兩個集電極開路比較器構(gòu)成，門檻電壓正負極分別接到兩個比較器的同相輸入端和反相輸入端；將一個模擬量輸入電壓與兩個參考門檻電壓進行比較，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)成反相器得到兩個基準門檻電壓。

LM339是由四個獨立的電壓比較器構(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；差動輸入電壓可以等于電源電壓，兩個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

將得到的信號通過二極管將信號隔離和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)器由兩個輸出端S和R端，這兩個輸出端是互補的。通常以S端的值作為觸發(fā)器的狀態(tài)，當(dāng)S為1時，則觸發(fā)器處于置位狀態(tài)，當(dāng)S為0時，處于復(fù)位狀態(tài)。在同一時刻只能處于其中一個狀態(tài)。

當(dāng)R=0，S=1時，選擇A通道輸出。

當(dāng)R=1，S=0時，選擇B通道輸出。

3.5 電流擴展模塊

采用電流擴展模塊來增加輸出的驅(qū)動能力，輸出電路如圖4所示。

4 應(yīng)用情況

對安無觸點切換裝置進行分塊調(diào)試，首先進行零電壓調(diào)零，然后進行滿度調(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。試驗數(shù)據(jù)如表1所示。輸入4～20mA的電流信號轉(zhuǎn)換成0～5V脈沖電平信號（4mA對應(yīng)0V，20mA對應(yīng)5V）。

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

當(dāng)模擬系統(tǒng)工作試驗中，把控制模塊中的開關(guān)S閉合后，緩慢調(diào)節(jié)電位計裝置選擇A通道輸出；當(dāng)電機達到一定轉(zhuǎn)速時，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。

試驗結(jié)果表明：無觸點切換裝置滿足低轉(zhuǎn)速手動控制運轉(zhuǎn)正常后到高轉(zhuǎn)速系統(tǒng)控制自動切換的技術(shù)要求，完全達到了預(yù)期的具體設(shè)計目標。在各模塊電路的具體設(shè)計中，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，保證轉(zhuǎn)換精度：

（1）電位計輸出電壓后加射極跟隨器，高阻抗來濾除負載所帶來的壓降，保證電壓穩(wěn)定輸出；（2）多次試驗調(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

無觸點切換裝置具有設(shè)計簡單、抗干擾能力強、可靠性高等優(yōu)點，在工程應(yīng)用中實現(xiàn)了手動控制與自動控制系統(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

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