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CN107992023A - 一种高精度模拟量输出自诊断冗余切换电路 - Google Patents

一种高精度模拟量输出自诊断冗余切换电路 Download PDF

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CN107992023A CN201711220314.2A CN201711220314A CN107992023A CN 107992023 A CN107992023 A CN 107992023A CN 201711220314 A CN201711220314 A CN 201711220314A CN 107992023 A CN107992023 A CN 107992023A
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陈英博
王冬
胡义武
王硕
詹钟
赵哲
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Abstract

本发明涉及工业控制技术领域，特别是涉及一种自诊断电路及冗余切换方法。本发明提供一种高精度模拟量输出自诊断冗余切换电路，即背板设计在机箱内，带自诊断电路的高精度模拟量输出模块经机箱导槽插到背板正面上，背板背面经转接板或直接输出线缆连接到端子模块。带自诊断电路的高精度模拟量输出模块成对插在机箱内，输出信号经过端子模块合并后到现场执行器。

Description

一种高精度模拟量输出自诊断冗余切换电路
技术领域
本发明涉及工业控制技术领域，特别是涉及一种自诊断电路及冗余切换方法。
背景技术
目前，DCS(Distributed Control System)已被广泛应用于各工业自动化控制领域，其中模拟量输出模块在其中应用尤为重要。模拟量输出模块主要是输出电压或电流信号，是专门控制执行器的设备，比如其可以控制现场各种阀门的开断及其程度大小，从而控制现场温度、湿度、水量、发电量等重要参数。对于模拟量的输出，如果模块输出不准确会造成DCS控制不稳定，频繁操作；若模块故障产生错误信号，作用于执行器，酿成事故。从核安全级仪控系统智能IO板卡应用角度考虑，在产品可靠性方面无法满足要求，具体的说，普通的模拟量输出模块仅仅在功能上满足正常使用在产品运行可靠性保证，以及故障诊断，运行自监视以及通讯独立性等等方面，核安全级智能IO板卡需要具备的性能上没有很好的实现。为保证DCS的精确控制，需要模拟量输出模块高精度输出，为保证DCS的稳定控制，模拟量输出模块需时刻保证长期可靠安全运行。
现有技术中，许多生产装置及机组联锁控制系统通常不采用冗余控制系统。在长周期运行的情况下，很容易导致生产装置停车事故的发生。因此，为了保证系统的长期安全运行，须采用冗余控制系统，在DCS系统中也是如此。
对于模拟量的输出控制，通常有输出无诊断和输出自诊断两种方案。输出无诊断不将输出结果反馈回来，因而实现起来较为简单，且响应速度快，但无法检测输出错误及故障。而输出自诊断是将输出量直接或间接反馈到控制端，可以检测当前输出与预期输出是否一致，判断输出状态正常与否，从而保证不会输出错误信号。由于模块长期运行器件老化及周围环境干扰的存在，实际输出有可能偏离预期，通过自诊断的方式，可以检测出这种问题，从而采取冗余切换的方式防止故障的发生。因此，输出自诊断具有较强的纠错能力，且控制精度高。
因此，亟需研制一种高精度模拟量输出自诊断冗余切换方法，以提高DCS中模拟量输出的精准控制和长期可靠安全运行。
发明内容
本发明目的为针对目前现有模拟量输出装置产品在可靠性要求方面无法满足核安全级仪控系统要求，设计一种高精度模拟量输出自诊断冗余切换方法，以保证DCS中模拟量输出的精准控制和长期可靠安全运行。
实现本发明目的的技术方案：一种高精度模拟量输出自诊断冗余切换电路，带自诊断电路的高精度模拟量输出模块包括处于正常工作状态的主模块A和处于非工作状态并与主模块互为冗余的备用模块B；
互为冗余的两个模块间通过心跳信号和电平信号进行通信，当主模块A自诊断检测到输出故障时，将备用模块B切换为工作状态；
心跳信号是主模块A和备用模块B通过背板输出给对方的包含冗余信息的脉冲信号；心跳线信息用于主模块A和备用模块B交互冗余信息及运行状态信息；主模块A通过心跳线信息告知备用模块B当前主模块A为主且运行正常或出现故障由主变为备，备用模块B通过心跳线信息告知主模块A当前存在备用模块且运行正常或由备变成主或存在故障，上述几种信息的心跳线频率不同；
电平信号是主模块A和备用模块B通过端子板输出给对方的包含模块输出信息的电平信号；
主模块A与备用模块B为完全相同的模块，通过背板槽位地址来区分，其结构包括FPGA冗余判断及控制单元、高精度数模转换电路、诊断电路、执行切换电路；
当主模块A与备用模块B都与背板模块相连接时，备用模块B保持热备状态，不中断与通信总线连接，其与主模块A接收到的数据一致，但只收不发，同时备用模块B的高精度数模转换电路按通信数据输出，执行切换电路的开关关闭；
主模块A与备用模块B分别与背板模块相连接，通过背板模块中背板内的连接总线实现相互之间的心跳线隔离通信，分别经背板模块与端子模块相连，通过端子模块中端子板内的连接总线实现相互之间的电平隔离通信。
进一步的，如上所述的一种高精度模拟量输出自诊断冗余切换电路，选用多线程FPGA作为FPGA冗余判断及控制单元控制芯片。
进一步的，如上所述的一种高精度模拟量输出自诊断冗余切换电路，高精度数模转换电路选用大于等于16位的模拟量输出芯片，同时选用高速SPI总线。
进一步的，如上所述的一种高精度模拟量输出自诊断冗余切换电路，背板模块用于提供模块插装的机械支持、模块供电、主模块A与备用模块B间的心跳线隔离通信连接。
进一步的，如上所述的一种高精度模拟量输出自诊断冗余切换电路，端子模块用于主模块A与备用模块B输出的信号合并、与现场的线路连接、主模块A与备用模块B的电平隔离通信连接。
进一步的，如上所述的一种高精度模拟量输出自诊断冗余切换电路，电平信号控制执行切换电路的开关切换，决定模块的输出；同时将主备模块当前输出信息传递给对方，通过冗余模块对执行电路进行诊断。
进一步的，如上所述的一种高精度模拟量输出自诊断冗余切换电路，执行切换电路为故障关断模式设计。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)对现场执行器来说，模拟量输出模块不输出好过乱输出，因此设计增加执行控制电路，避免模块受到干扰或出现故障造成的不安全输出，保证执行器的稳定控制。
(2)在心跳线的基础上增加执行开关控制信号交互，减小因单一冗余信息交互链路故障导致的主备模块同时输出问题。
(3)选用FPGA芯片，能够兼顾通讯、诊断及多通道输出多线程工作，工作效率相对较搞，模拟量输出响应较快。
(4)增加自诊断电路，提高单模块输出的可靠性。
(5)增加主备模块间相互诊断方法，提高模拟量整体输出的可靠性。
(6)主备模块时刻保持与通信总线连接，接收数据一致，保证输出信息统一，只是备用模块受控不将信号输出，一旦出现故障，能够保证快速响应，实现热备切换。
附图说明
图1为本发明所述的一种模拟量输出模块工作结构。
图中：1主模块，2备用模块，3背板模块，4端子模块，5转接板。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，本发明提供一种高精度模拟量输出自诊断冗余切换电路，即背板设计在机箱内，带自诊断电路的高精度模拟量输出模块经机箱导槽插到背板正面上，背板背面经转接板或直接输出线缆连接到端子模块。带自诊断电路的高精度模拟量输出模块成对插在机箱内，输出信号经过端子模块合并后到现场执行器。
具体的，本发明一种高精度模拟量输出自诊断冗余切换电路，带自诊断电路的高精度模拟量输出模块包括处于正常工作状态的主模块A和处于非工作状态并与主模块互为冗余的备用模块B；互为冗余的两个模块间通过心跳信号和电平信号进行通信，当主模块A自诊断检测到输出故障时，将备用模块B切换为工作状态；心跳信号是主模块A和备用模块B通过背板输出给对方的包含冗余信息的脉冲信号；心跳线信息用于主模块A和备用模块B交互冗余信息及运行状态信息；主模块A通过心跳线信息告知备用模块B当前主模块A为主且运行正常或出现故障由主变为备，备用模块B通过心跳线信息告知主模块A当前存在备用模块且运行正常或由备变成主或存在故障，上述几种信息的心跳线频率不同；
电平信号是主模块A和备用模块B通过端子板输出给对方的包含模块输出信息的电平信号；主模块A与备用模块B为完全相同的模块，通过背板槽位地址来区分，其结构包括FPGA冗余判断及控制单元、高精度数模转换电路、诊断电路、执行切换电路；当主模块A与备用模块B都与背板模块相连接时，备用模块B保持热备状态，不中断与通信总线连接，其与主模块A接收到的数据一致，但只收不发，同时备用模块B的高精度数模转换电路按通信数据输出，执行切换电路的开关关闭；
主模块A与备用模块B分别与背板模块相连接，通过背板模块中背板内的连接总线实现相互之间的心跳线隔离通信，分别经背板模块与端子模块相连，通过端子模块中端子板内的连接总线实现相互之间的电平隔离通信。
在本实施例中，选用多线程FPGA作为FPGA冗余判断及控制单元控制芯片；高精度数模转换电路选用大于等于16位的模拟量输出芯片，同时选用高速SPI总线；背板模块用于提供模块插装的机械支持、模块供电、主模块A与备用模块B间的心跳线隔离通信连接；端子模块用于主模块A与备用模块B输出的信号合并、与现场的线路连接、主模块A与备用模块B的电平隔离通信连接；电平信号控制执行切换电路的开关切换，决定模块的输出；同时将主备模块当前输出信息传递给对方，通过冗余模块对执行电路进行诊断；执行切换电路为故障关断模式设计。
下面结合图1进一步阐述本发明实现的过程:
主模块A和备用模块B插到机箱内上电自诊断(初始化检测、电源诊断、通信诊断、通道诊断等)通过后，槽位号为偶数的模块确定为主模块A，槽位号为奇数的模块为备用模块B。
主模块A通过脉冲定时功能输出心跳线1(例如为10KHz)，通过背板传送给隔离的备用模块B；同时控制单位A输出电平信号A，打开主模块A对应的执行切换电路，通过端子模块传送给隔离的备用模块B。
备用模块B也输出心跳线2(例如为5KHz)，输出电平信号B，关闭备用模块B对应的执行切换电路，关闭通信发送。
主模块A和备用模块B同时接收总线上的数据，而只有主模块A对应的通信控制电路A可以发送，且主模块A对应的高精度数模转换电路A和备用模块B对应的B都按通信数据输出，但因备用模块B对应的执行切换电路B关闭，只有主模块A输出数据经端子模块去现场。
运行过程中主模块A和备用模块B实时监测对方的心跳线及电平信号，主模块A通过监测心跳线判断是否有备用模块B及备用模块B是否正常运行，经过监测电平信号B判断备用模块B是否有出现控制故障，强制输出。备用模块B通过监测心跳线判断是否有主模块A是否正常运行，经过监测备用模块B对应的电平信号判断主模块B是否有输出。
主模块A和备用模块B在运行过程中实时在进行自诊断，若诊断出故障，其都会将模块运行状态置于故障模式。当主备模块都存在且运行正常时，主模块诊断出故障，此时主模块A运行状态置于故障模式，脉冲定时功能输出5KHz，主模块A对应的执行电路关闭，通信发送A关闭，备用模块B会通过心跳线检测到A已变成备用模块，同时确认主模块A对应的执行电路已关闭后，会由备变成主，脉冲定时功能输出10KHz，备用模块B对应的执行电路打开，通信发送打开。
备用模块B在自诊断过程中，发现故障，会将模块运行状态置于故障模式，此时不输出心跳线，关闭备用模块B对应的执行切换电路，关闭通信发送。主模块A检测不到备用模块心跳线(备用模块故障或无备用模块)，会上送通信总线无备用模块信息。
主模块A检测到无备用模块或备用模块已出现故障且无输出，但自身也诊断出故障时，主模块也会将运行状态置于故障模式，脉冲定时功能输出5KHz，主模块A对应的执行电路关闭，通信发送关闭。
当任一方发现对方电平信号与其目前所处状态不一致时，会通过心跳线(例如20KHz)告知对方，从而采取相应策略。当备用模块发现并告知主模块发生此故障时，主模块会将本模块置为故障。当主模块发现并告知备用模块发生此故障时，主模块会关闭执行电路，同时将故障信息上报；备用模块会将本模块运行状态置为故障。只有当主模块检测到备用模块心跳线频率为2KHz，执行电路控制信电平信号为低时，才会打开执行电路。

Claims (8)

1.一种高精度模拟量输出自诊断冗余切换电路，其特征在于：
带自诊断电路的高精度模拟量输出模块包括处于正常工作状态的主模块A和处于非工作状态并与主模块互为冗余的备用模块B；
互为冗余的两个模块间通过心跳信号和电平信号进行通信，当主模块A自诊断检测到输出故障时，将备用模块B切换为工作状态；
心跳信号是主模块A和备用模块B通过背板输出给对方的包含冗余信息的脉冲信号；心跳线信息用于主模块A和备用模块B交互冗余信息及运行状态信息；主模块A通过心跳线信息告知备用模块B当前主模块A为主且运行正常或出现故障由主变为备，备用模块B通过心跳线信息告知主模块A当前存在备用模块且运行正常或由备变成主或存在故障，上述几种信息的心跳线频率不同；
电平信号是主模块A和备用模块B通过端子板输出给对方的包含模块输出信息的电平信号；
主模块A与备用模块B为完全相同的模块，通过背板槽位地址来区分，其结构包括FPGA冗余判断及控制单元、高精度数模转换电路、诊断电路、执行切换电路；
当主模块A与备用模块B都与背板模块相连接时，备用模块B保持热备状态，不中断与通信总线连接，其与主模块A接收到的数据一致，但只收不发，同时备用模块B的高精度数模转换电路按通信数据输出，执行切换电路的开关关闭；
主模块A与备用模块B分别与背板模块相连接，通过背板模块中背板内的连接总线实现相互之间的心跳线隔离通信，分别经背板模块与端子模块相连，通过端子模块中端子板内的连接总线实现相互之间的电平隔离通信。
2.根据权利要求1所述的一种高精度模拟量输出自诊断冗余切换电路，其特征在于：选用多线程FPGA作为FPGA冗余判断及控制单元控制芯片。
3.根据权利要求1所述的一种高精度模拟量输出自诊断冗余切换电路，其特征在于：高精度数模转换电路选用大于等于16位的模拟量输出芯片，同时选用高速SPI总线。
4.根据权利要求1所述的一种高精度模拟量输出自诊断冗余切换电路，其特征在于：背板模块用于提供模块插装的机械支持、模块供电、主模块A与备用模块B间的心跳线隔离通信连接。
5.根据权利要求1所述的一种高精度模拟量输出自诊断冗余切换电路，其特征在于：端子模块用于主模块A与备用模块B输出的信号合并、与现场的线路连接、主模块A与备用模块B的电平隔离通信连接。
6.根据权利要求1所述的一种高精度模拟量输出自诊断冗余切换电路，其特征在于：电平信号控制执行切换电路的开关切换，决定模块的输出；同时将主备模块当前输出信息传递给对方，通过冗余模块对执行电路进行诊断。
7.根据权利要求1所述的一种高精度模拟量输出自诊断冗余切换电路，其特征在于：执行切换电路为故障关断模式设计。
8.根据权利要求1所述的一种高精度模拟量输出自诊断冗余切换电路，其特征在于：选用多线程FPGA作为FPGA冗余判断及控制单元控制芯片；高精度数模转换电路选用大于等于16位的模拟量输出芯片，同时选用高速SPI总线；背板模块用于提供模块插装的机械支持、模块供电、主模块A与备用模块B间的心跳线隔离通信连接；端子模块用于主模块A与备用模块B输出的信号合并、与现场的线路连接、主模块A与备用模块B的电平隔离通信连接；电平信号控制执行切换电路的开关切换，决定模块的输出；同时将主备模块当前输出信息传递给对方，通过冗余模块对执行电路进行诊断；执行切换电路为故障关断模式设计。
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