一种4～20mA电流冗余输出转换电路的制作方法

一种4～20ma电流冗余输出转换电路
技术领域
1.本发明涉及集成电路领域，更具体地，涉及一种4～20ma电流冗余输出转换电路。


背景技术：

2.分布式控制系统(dcs，distribution control system)作为一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为连接的多级计算机系统，综合了计算机(computer)、通讯(communication)、显示(crt)和控制(control)等技术(即4c技术)，实现了对于系统的分散控制、集中操作、分级管理、灵活配置以及方便组态等功能。通常来说，dcs被广泛的应用于数据获取、直接数字控制、人机交互以及监控和管理等方面。
3.目前，随着现代计算机技术和通讯网络技术的高速发展，dcs正向着多元化、网络化、开放化以及集成管理的方向发展。因此，对于dcs的性能提出了更高的要求，例如，要求必须能够将dcs与智能设备以及不同的dcs设备进行互连，来实现系统之间的数据交换等。
4.在分布式控制系统中，4～20ma电流输出模块被广泛的应用在工业控制领域，例如应用在石化、电力等行业中存在大量阀门、电机等设备的系统上，以作为电流驱动元件。然而，现有技术中，大多数的4～20ma的电流输出模块都采用单输出模式，很少具备冗余功能。因此，这种模块的驱动电流输出的有效性受到限制。例如，当模块的实际输出电流大小与设计电流大小之间存在差异时，上述设备无法正常的驱动控制系统中相应的元件工作，严重时还会导致生产故障。
5.另外，现有技术中存在一些应用于4～20ma电流输出的冗余实现方法。然而，这种冗余方法，多数会在网络配置时规定出一个主设备、一个从设备，并且主从设备均接受上位机的控制，实现4～20ma的驱动电流输出。在正常工作情况下，主模块输出驱动电流，待主模块出现故障时，上位机指示设备进行主从切换，从而使得从模块提供驱动电流，并保证负载设备继续安全可靠的运行。这种方案存在的问题是，无法实现简单的自动切换，必须采用上位机实现复杂的通信过程和指令的判断与接收，时效性不高，且主从设备之间的切换方式不够灵活。
6.再者，专利文件cn102082463b中介绍了一种dcs系统中4-20ma电流输出的冗余实现方法，并具体公开了：“两个模件的do输出均分别接入到另一模件的di输入”，并且，“两个4-20ma电流输出模件a与b均设有反馈电路：电流输出模件输出线性电压u，两模件的4-20ma电流输出通道do输出回路上各自串联一个5-30欧姆的采样电阻，通过一个差分放大电路将此采样电阻上产生的电压降放大至于u接近，差分放大电路输出电压u0，要求误差小于1％u；通过减法电路计算u-u0，并将差值输入一比较电路；将1％u作为比较电路的阈值，当减法电路的输出值大于1％u时，则电流有效性检测电路输出状态发生改变：此时电流输出的此模件通过开关切除电流输出，将自身的do输出置位；并通过改变do状态，通知另一电流输出模件，接收到此do信号的另一电流输出模件将相应通道的电流输出加倍，完成电流冗余输出功能”。
7.尽管这种方式不再采用主从设备切换的方式实现冗余，也避免了复杂的上位机通
信过程，然而这种方法的附加电路中元件多。例如反馈电路中不仅需要采用光耦隔离电路还需要采用基准电压源、比较器和放大器等元件，这导致电路结构复杂，容易对原有电路发生影响，导致电流输出精度无法保障。另外，这种附加电路需要占用多个4～20ma电流输出模块的输入输出端口，且在对输出电流大小的判断上存在时延，因而限制了这种方法的应用范围，并限制所采用的4～20ma电流冗余模块的输出端口模式。
8.因此，亟需一种新的4～20ma电流冗余输出转换电路。


技术实现要素：

9.为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种新的4～20ma电流冗余输出转换电路，能够采用简单的二极管单向导通电路实现对电流冗余输出转换电路的控制，从而在一个4～20ma电流输出模块中的电流值过大时，能够将其冗余输出通过负载和邻接的4～20ma电流输出模块排出。
10.本发明采用如下的技术方案。
11.一种4～20ma电流冗余输出转换电路，其中，电路包括第一驱动单元、第二驱动单元、被驱动负载和冗余连接单元；第一驱动单元和第二驱动单元分别为4～20ma电流输出模块；第一驱动单元和第二驱动单元分别通过冗余连接单元与被驱动负载的一端连接；冗余连接单元，与第一驱动单元和第二驱动单元的ao端口连接。
12.优选的，第一驱动单元和第二驱动单元分别包括一个正向模拟输出端口ao 和一个负向模拟输出端口ao-。
13.优选的，冗余连接单元包括第一冗余连接单元和第二冗余连接单元；其中，第一冗余连接单元一端与第一驱动单元的正向模拟输出端口ao 和负向模拟输出端口ao-分别连接，另一端与被驱动负载的一端连接；第二冗余连接单元一端与第二驱动单元的正向模拟输出端口ao 和负向模拟输出端口ao-分别连接，另一端与被驱动负载的另一端连接。
14.优选的，第一冗余连接单元包括第一二极管v1和第二二极管v2；其中，第一二极管v1的正极分别与第一驱动单元的正向模拟输出端口ao 、第二二极管v2的负极连接，负极与被驱动负载连接；第二二极管v2的正极与第一驱动单元的负向模拟输出端口ao-连接。
15.优选的，第二冗余连接单元包括第三二极管v3和第四二极管v4；其中，第三二极管v3的正极分别与第二驱动单元的正向模拟输出端口ao 、第四二极管v4的负极连接，负极与被驱动负载连接；第四二极管v4的正极与第二驱动单元的负向模拟输出端口ao-连接。
16.优选的，当第一驱动单元和第二驱动单元处于正常工作状态且第一驱动电流与第二驱动电流相等时，负载电流与第三二极管v3的正负极电流相等。
17.优选的，当第一驱动单元和第二驱动单元处于正常工作状态且第一驱动电流大于第二驱动电流时，第二二极管v2截止，第四二极管v4导通，且第四二极管v4的导通电流为第一驱动电流与第二驱动电流之差。
18.优选的，当第一驱动单元和第二驱动单元处于正常工作状态且第一驱动电流小于第二驱动电流时，第二二极管v2导通，第四二极管v4截止，且第二二极管v2的导通电流为第二驱动电流与第一驱动电流之差。
19.优选的，当第一驱动单元故障，第二驱动单元处于正常工作状态时，冗余电流依次流经第三二极管v3、第二二极管v2、第一二极管v1和负载，从而实现对第一驱动单元的冗余
备份。
20.优选的，当第二驱动单元故障，第一驱动单元处于正常工作状态时，冗余电流依次流经第一二极管v1、负载、第四二极管v4和第三二极管v3，从而实现对第二驱动单元的冗余备份。
21.本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中一种新的4～20ma电流冗余输出转换电路，能够采用简单的二极管单向导通电路实现对电流冗余输出转换电路的控制，从而在一个4～20ma电流输出模块中的电流值过大时，能够将其冗余输出通过负载和邻接的4～20ma电流输出模块排出，从而保证了转换电路的安全性，保证了输出精度。
22.本发明的有益效果还包括：
23.1、本发明中的方法，能够实现两个4～20ma电流冗余模块之间的互相备份，通过对称连接的方式避免了主从冗余备分方式的复杂逻辑。
24.2、本发明两个4～20ma电流冗余模块之间的连接只需要通过模块上的模拟信号输出ao接口即可实现，节省了大量的芯片引脚或输出端的资源，使得本发明中的电流冗余模块中的其他输出端或引脚可以应用于实现其他功能，不会与其他功能发生冲突，提高了电路的可扩展性，和应用的广泛程度。
25.3、本发明中通过简单的二极管单向导通电路实现了对两个4～20ma电流冗余模块中驱动电流大小的相互检测，当其中一个电流冗余模块中驱动电流较大时，尽管尚未到达故障阈值，驱动电流也可以与另一模块中的驱动电流实现平均分配，从而使得负载能够被分配到平均后的驱动电流，确保dcs系统的正常工作。
26.4、本发明方法中，当其中一个电流冗余模块发生内部故障时，其仍然能够接收到来自另一模块的驱动电流，从而形成有效的电流回路，在故障时得到另一个备份设备的驱动，从而仍然对负载的有效控制。
附图说明
27.图1为本发明中一种4～20ma电流冗余输出转换电路的结构示意图。
具体实施方式
28.下面结合附图对本技术作进一步描述。以下实施示例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本技术的保护范围。
29.图1为本发明中一种4～20ma电流冗余输出转换电路的结构示意图。如图1所示，一种4～20ma电流冗余输出转换电路，其中，电路包括第一驱动单元、第二驱动单元、被驱动负载和冗余连接单元；第一驱动单元和第二驱动单元分别为4～20ma电流输出模块；第一驱动单元和第二驱动单元分别通过冗余连接单元与被驱动负载的一端连接；冗余连接单元，与第一驱动单元和第二驱动单元的ao端口连接。
30.本发明中，两个电流冗余输出单元可以通过冗余连接单元分别连接到负载上，从而实现对于被驱动的负载的驱动电流供应。当两个电流冗余单元中均能够正常工作时，驱动电流就与两个驱动单元的电流相等。当两个电流冗余单元中的驱动电流不相同时，冗余电流可以与较大的一个驱动电流相同，同时两个驱动单元可以根据单向二极管的导通和冗余连接单元的控制实现驱动电流的平衡。当其中一个驱动单元无法正常工作时，另一个冗
余单元仍然可以根据冗余连接单元实现负载驱动电流的回路。
31.因此，本发明通过上述冗余连接单元的方式实现了负载回路和对负载提供驱动电流。只要有一个驱动单元能够处于正常工作状态，即使另一个驱动单元无法正常工作，或者另一个驱动单元能够正常工作但是驱动电流不稳定的情况，本发明的方法都能够实现对于负载的准确驱动，从而实现了两个驱动单元的相互冗余备份，实现了高精度的驱动电流输出。
32.优选的，第一驱动单元和第二驱动单元分别包括一个正向模拟输出端口ao 和一个负向模拟输出端口ao-。
33.本发明中，为了实现两个驱动单元的相互冗余，并不需要4～20ma电流冗余模块的多个输入输出端口。本发明的方法，只是需要每一个电流冗余模块提供一个正向ao端口和负向ao端口即可。因此，本发明的方法大量节省了端口资源。
34.优选的，冗余连接单元包括第一冗余连接单元和第二冗余连接单元；其中，第一冗余连接单元一端与第一驱动单元的正向模拟输出端口ao 和负向模拟输出端口ao-分别连接，另一端与被驱动负载的一端连接；第二冗余连接单元一端与第二驱动单元的正向模拟输出端口ao 和负向模拟输出端口ao-分别连接，另一端与被驱动负载的另一端连接。
35.可以理解的是，本发明中的第一冗余连接单元、第二冗余连接单元可以分别实现两个驱动单元与被驱动负载的连接。每一个冗余连接单元中的一个二极管可以实现驱动单元到负载或到另一驱动单元的单向电流传输，其中的另一个二极管则可以实现其自身中正向输出到负向输出的回路。
36.优选的，第一冗余连接单元包括第一二极管v1和第二二极管v2；其中，第一二极管v1的正极分别与第一驱动单元的正向模拟输出端口ao 、第二二极管v2的负极连接，负极与被驱动负载连接；第二二极管v2的正极与第一驱动单元的负向模拟输出端口ao-连接。
37.可以理解的是，本发明中第一冗余连接单元包括第一二极管v1就用于连接第一驱动单元和负载，而第二二极管v2就可以实现其自身正负输出电压端的连接。
38.优选的，第二冗余连接单元包括第三二极管v3和第四二极管v4；其中，第三二极管v3的正极分别与第二驱动单元的正向模拟输出端口ao 、第四二极管v4的负极连接，负极与被驱动负载连接；第四二极管v4的正极与第二驱动单元的负向模拟输出端口ao-连接。
39.可以理解的是，本发明中，第二冗余单元的连接方式类似于第一冗余单元，与第一冗余单元不同的是，第三二极管不与负载直接连接，而是通过回路的方式实现与第一驱动单元中的正向模拟输出端ao 连接。通过这种连接方式，本发明中的电路能够实现v1、负载、v4、v3到v2的回路连接。也就是说，图1中当模块a或模块b中任意一个出现故障时，仍然具备驱动电流在负载上的回路。
40.优选的，当第一驱动单元和第二驱动单元处于正常工作状态且第一驱动电流与第二驱动电流相等时，负载电流与第三二极管v3的正负极电流相等。
41.可以理解的是，本发明中的第一驱动单元和第二驱动单元可以处在正常的工作状态下。两个驱动单元可以采用相同的参数或相同型号的元件，因此在大多数情况下，当两个驱动单元都正常工作时，两个驱动单元输出的驱动电流应当是完全相等的。于是，模块a、第一二极管v1、负载、模块b和第三二极管v3之间形成一个驱动回路，从而实现了对于负载的驱动。
42.优选的，当第一驱动单元和第二驱动单元处于正常工作状态且第一驱动电流大于第二驱动电流时，第二二极管v2截止，第四二极管v4导通，且第四二极管v4的导通电流为第一驱动电流与第二驱动电流之差。
43.可以理解的是，本发明中当第一驱动单元和第二驱动单元处于正常工作状态时，也有小部分的可能是两个驱动单元输出的驱动电流不等的情况。在这种情况下，可能有一个驱动单元存在出现故障的风险，但是，电流参数仍然尚未到达故障阈值，也就是说驱动单元仍然在正常运行。另外一种情况，两个驱动电路均处于正常工作状态下，但是由于温度、噪声等各种原因的影响，电路中的电流与设计的电流值之间存在一定的差异，这种小幅度的差异使得驱动电流可以偏移的较高或较低。为了解决这种问题，本发明中可以采用第二二极管v2或第四二极管v4对较高或较低的电流分量进行抵消和平衡，从而实现更加精确的输出。
44.优选的，当第一驱动单元和第二驱动单元处于正常工作状态且第一驱动电流小于第二驱动电流时，第二二极管v2导通，第四二极管v4截止，且第二二极管v2的导通电流为第二驱动电流与第一驱动电流之差。
45.具体来说，根据基尔霍夫电流定律，无论两个驱动单元中那个驱动单元的电流较大，v2或v4上流经的电流大小都是两个电流之差。
46.优选的，当第一驱动单元故障，第二驱动单元处于正常工作状态时，冗余电流依次流经第三二极管v3、第二二极管v2、第一二极管v1和负载，从而实现对第一驱动单元的冗余备份。
47.可以理解的是，本发明中，当第一驱动单元故障第二驱动单元正常时，冗余电流可以是经过模块b和前文中所述的回路实现对负载的导通回路的，此时，模块a实际上处于短路状态，而第二二极管v2则承担了对于模块a的短路作用。
48.优选的，当第二驱动单元故障，第一驱动单元处于正常工作状态时，冗余电流依次流经第一二极管v1、负载、第四二极管v4和第三二极管v3，从而实现对第二驱动单元的冗余备份。
49.同样的，当模块b故障时，负载可以经过第四二极管v4对模块b进行短路，从而实现导通回路。
50.本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中一种新的4～20ma电流冗余输出转换电路，能够采用简单的二极管单向导通电路实现对电流冗余输出转换电路的控制，从而在一个4～20ma电流输出模块中的电流值过大时，能够将其冗余输出通过负载和邻接的4～20ma电流输出模块排出，从而保证了转换电路的安全性，保证了输出精度。
51.本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。