無觸點切換裝置的電路設計

趙晶 吳吉昌 李軒

摘 要：本文針對石化煉油廠控制系統工作安全邊界研究，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計方法，闡述了無觸點切換裝置的內部結構及其工作原理。

關鍵詞：無觸點；切換；電路設計

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 控制系統組成

該控制系統部分框圖如圖1所示，控制系統由控制中心、電位計、無觸點切換裝置、PID、變頻調速器、電機和反饋信號F/V組成。

2 無觸點切換裝置結構設計

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成。其結構框圖如圖2所示。控制中心點輸入的電流信號，經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觸發器控制模擬開關來選通模擬通道，最后通過電流擴展輸出。

3 主要功能模塊設計

3.1 I/V轉換模塊電路

為了保證系統具有可靠的控制精度，需將系統控制工況設備的電流量參數轉換成電壓量。利用反相器和反相加法器的設計計算得到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成；運算放大器選用低噪聲、低失調高開環增益的運放OP-07。

電路的輸出電壓與兩個輸入電壓成正比，實現了差分比例放大。其放大倍數通過調節各電阻阻值來決定。

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，并將輸出結果以高電平和低電平狀態輸出。

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成，具有失調電壓小，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可靠地轉換到另一種狀態，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4066，發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觸發器構成。其中4011中的RS觸發器由兩個輸出端S和R端，這兩個輸出端是互補的。通常以S端的值作為觸發器的狀態，當S為1時，則觸發器處于置位狀態，當S為0時，處于復位狀態。在同一時刻只能處于其中一個狀態。

當R=0，S=1時，選擇A通道輸出。

當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動能力，輸出電路如圖4所示。

4 應用情況

對安無觸點切換裝置進行分塊調試，首先進行零電壓調零，然后進行滿度調整增益，由這兩步來調整其失調誤差和增益誤差，保證其轉換精度。試驗數據如表1所示。輸入4～20mA的電流信號轉換成0～5V脈沖電平信號（4mA對應0V，20mA對應5V）。

在無觸點切換裝置中信號整形調試中，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字信號，工作波形如圖5所示。

當模擬系統工作試驗中，把控制模塊中的開關S閉合后，緩慢調節電位計裝置選擇A通道輸出；當電機達到一定轉速時，斷開開關S，無論怎么調節電位器部分均選擇B通道輸出。

試驗結果表明：無觸點切換裝置滿足低轉速手動控制運轉正常后到高轉速系統控制自動切換的技術要求，完全達到了預期的具體設計目標。在各模塊電路的具體設計中，采取了多種方式保證轉換精度。

采用RC濾波，減少電壓干擾信號，保證轉換精度：

（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，保證電壓穩定輸出；（2）多次試驗調整電路配置，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定。實際應用中應選擇漂移小、穩定性好的聚苯乙烯電容和精密電阻。

5 結語

無觸點切換裝置具有設計簡單、抗干擾能力強、可靠性高等優點，在工程應用中實現了手動控制與自動控制系統的切換，有效地解決了系統與工況間需要人工控制而反復協調的問題。

參考文獻

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[2] 康花光，陳大欽.電子技術基礎數字部分（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006.