CN110007663A - 核安全级dcs的开关量输出动态诊断系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了核安全级DCS的开关量输出动态诊断系统及方法，本发明包括处理单元和诊断回读模块；所述处理单元输出故障诊断脉冲信号控制核安全级DCS的开关量输出模块中任一路输出开关组件闭合/断开；所述诊断回读模块用于检测上述输出开关组件的每一个开关的诊断回读信号，并将其上传给处理单元进行处理；所述诊断回读模块同时为上述输出开关组件中的开关进行诊断查询供电。本发明采用集成DC/DC转换器的隔离器实现诊断信号回读，且同时为模块内诊断查询供电，无需依赖外部供电电源，即能实现开关量输出模块的多通道故障诊断；此外，本发明通过对开关量输出模块的各通道内的开关定点诊断，能够精准定位故障位置，便于后续检修及器件更换。
Description
技术领域
本发明涉及核安全级DCS模块故障诊断技术领域，具体涉及核安全级DCS的开关量输出动态诊断系统及方法。
背景技术
在工业控制领域，尤其在核电厂数字化仪控领域，会存在输出大量开关量信号去驱动专设，参与停堆逻辑表决，参与优先级逻辑输入逻辑等。因此一种高可靠性的开关量输出动态诊断方法是很有必要的。
核电领域是一个对安全性和可靠性要求特别高的领域，因此开关量输出系统必须保证安全性、高可靠性。
一种高可靠性的开关量输出电路，必须具备完善的诊断措施，实时监视开关量输出通路的正确性以及下一状态能否正确翻转。同时具备输出通道链路的开路、短路、器件故障等诊断措施。
在工业应用中，无事故的情况下，开关量输出信号基本为一种持续不变的输出状态，实时诊断只能保证开关量输出此时刻的输出是否与预期的输出保持一直。若需要将开关量输出状态翻转时，可能会因为器件故障等原因导致状态应该翻转时，输出通路却无法按照预期的逻辑翻转输出情况。因此，需要周期性的判断开关量输出触点是否可控，输出触点是否发生了粘连或断开故障，来保证及时发现事故，并进行相应安全输出措施。
此外，现有的开关量输出模块故障诊断，仅仅对开关量输出模块通道整体进行进行故障诊断，并没有实现定点诊断，无法定位故障位置，不便于排除故障以及后期维修更换。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的无法及时发现故障以及故障定位不够精准等技术问题，本发明提供了核安全级DCS的开关量输出动态诊断系统及方法。本发明为一种针对系统高安全性、稳定性而设计的开关量输出动态诊断方法，采用了开关量输出诊断回读电路回读开关量输出侧输出触点是否可控，保证执行输出状态翻转的可靠性操作；能够提前判断输出通道是否发生闭合或断开故障，可应用于核电站等大型工程领域，能够保证系统的安全性、可靠性、稳定性。
本发明通过下述技术方案实现：
核安全级DCS的开关量输出动态诊断系统，该系统包括处理单元和诊断回读模块；所述处理单元输出故障诊断脉冲信号控制核安全级DCS的开关量输出模块中任一路输出开关组件闭合/断开；所述诊断回读模块用于检测上述输出开关组件的每一个开关的诊断回读信号，并将其上传给处理单元进行处理；所述诊断回读模块同时为上述输出开关组件中的开关进行诊断查询供电。
本发明针对系统高安全性、稳定性而设计的开关量输出动态诊断方法，采用了开关量输出诊断回读电路回读开关量输出侧输出触点是否可控，保证执行输出状态翻转的可靠性操作；能够提前判断输出通道是否发生闭合或断开故障，保证系统的安全性、可靠性、稳定性。同时本发明直接采用开关量输出诊断回读电路为系统内诊断查询供电，无需外部电源供电，实现小型化。
优选的，所述输出开关组件包括i个开关，其中，i≥1；控制单元输出i个故障诊断脉冲信号分别控制i个开关开关闭合/断开，延时10us后检测i个开关的诊断回读信号；所述处理单元根据i个开关的诊断回读信号实现每个开关的定点故障诊断。
优选的，所述诊断回读模块采用集成DC/DC转换器的双通道隔离器。
优选的，所述开关为PhotoMos继电器、机械继电器、光耦或场效应管。
优选的，该系统还包括用于为开关量输出通道故障进行报警的设备。
本发明能够实现多个开关同时诊断，且多个开关动态诊断互不影响，诊断独立，也无优先级，谁先诊断谁后诊断，软件自定义，同时动态诊断不影响输出信号。且本发明适用于PhotoMos继电器、机械继电器、光耦、场效应管的输出诊断，且开关个数无限制，多个开关之间串联、并联均可诊断。
另一方面，本发明还提出了核安全级DCS的开关量输出动态诊断方法，该方法包括以下步骤：
步骤一，处理单元输出故障诊断脉冲信号控制核安全级DCS的开关量输出模块中任一路输出开关组件闭合/断开；
步骤二，诊断回读模块检测上述输出开关组件的每一个开关的诊断回读信号，并将其上传给处理单元进行处理；所述诊断回读模块同时为上述输出开关组件中的开关进行诊断查询供电。
优选的，所述输出开关组件包括i个开关，其中，i≥1；控制单元输出i个故障诊断脉冲信号分别控制i个开关开关闭合/断开，延时10us后检测i个开关的诊断回读信号；所述处理单元根据i个开关的诊断回读信号实现每个开关的定点故障诊断。
优选的，所述诊断回读模块采用集成DC/DC转换器的隔离器。
优选的，所述开关为PhotoMos继电器、机械继电器、光耦或场效应管。
优选的，该方法还包括对相应的通道故障进行报警。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明采用集成DC/DC转换器的隔离器实现诊断信号回读，且同时为模块内诊断查询供电，无需依赖外部供电电源，即能实现开关量输出模块的多通道故障诊断；此外，本发明通过对开关量输出模块的各通道内的开关定点诊断，能够精准定位故障位置，便于后续检修及器件更换。
相较于现有技术，本发明的处理单元通过FPGA-IO口正常输出驱动信号，用于驱动后续负载，进行周期性故障诊断时，通过FPGA-IO口输出一个脉冲信号，实现开关量输出的动态诊断；即本发明的功能信号和诊断信号共用输出接口，无需额外设置其他电路，且对各个开关触点诊断相互隔离，互不影响，诊断独立，同时动态诊断不影响输出信号；本发明易于实现，且结构简单，无需人为干预，由软件自动实现。
本发明诊断覆盖面广，除了能够周期性判断开关量输出触点是否可控，还能够诊断输出触点是否发生了粘连或断开故障，及时发现故障，并给出相应的安全输出措施。
本发明能够快速诊断开关量输出链路，诊断时间优于1ms，保证能在一个周期内完成通道诊断和通道输出功能，以达到诊断的实时性和数据输出的可靠性和准确性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明的实施例1的系统架构图；
图2是本发明的实施例2的系统架构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供了核安全级DCS的开关量输出动态诊断系统，如图1所示，该系统包括处理单元和诊断回读模块；
所述开关量输出模块正常工作时：处理单元通过FPGA-IO口输出驱动控制信号，用于驱动后续负载；当所述开关量输出模块需要进行周期性故障诊断时：处理单元通过FPGA-IO口输出故障诊断脉冲信号，实现开关量输出的动态诊断；即本实施例中，所述开关量输出模块正常驱动控制信号和故障诊断脉冲信号均由FPGA-IO来输出，无需额外的电路来实现。
所述处理单元输出故障诊断脉冲信号控制核安全级DCS的开关量输出模块中任一路输出开关组件闭合/断开；所述诊断回读模块用于检测上述输出开关组件的每一个开关的诊断回读信号，并将其上传给处理单元进行处理；所述诊断回读模块同时为上述输出开关组件中的开关进行诊断查询供电。
本实施例中，如图1所示，所述输出开关组件包括1个开关K，当控制单元输出故障诊断脉冲信号控制开关K开关闭合/断开，延时10us后检测诊断回读信号；所述处理单元根据诊断回读信号进行故障诊断。
本实施例中，所述开关为PhotoMos继电器。在另外的优选实施例中，本实施例的开关量输出动态诊断系统能够实现对机械继电器、光耦或场效应管等开关触点的诊断。
本实施例中，所述诊断回读模块采用集成DC/DC转换器的双通道隔离器。
本实施例中，所述处理单元基于ARM+FPGA实现。
本实施例的开关量输出动态诊断系统各器件工作原理如下：
开关量输出模块通过FPGA-IO口驱动PhotoMOS继电器输出闭合或断开。
PhotoMOS继电器1、2脚为驱动级，当1脚流向2脚的电流为3mA～5mA时，输出触点4、3脚闭合；当1脚流向2脚的电流接近0时，输出触点4、3脚断开。
开关量输出模块通过1个PhotoMOS继电器后输出。通道回读诊断通过集成DC/DC转换器的隔离器回读到FPGA_IO口，当FPGA-IO口输出驱动信号后，延时10us后回读通道诊断数据。
集成DC/DC转换器的隔离器内部由隔离电源与逻辑电路(数字隔离)组成，逻辑电路与电源隔开。电源隔离模块输出电压3.15V～5.25V，逻辑电路由隔离电源供电，当逻辑输入端口输入电压大于0.7VCC(VCC为隔离器电源)时，输出回读到FPGA-IO口的为高电平，此时判定开关量输出状态为闭合；当逻辑输入端口电压小于0.8V时，输出回读到FPGA-IO口的为低电平，此时判定开关量输出状态为断开，触点查询电源由集成DC/DC隔离器提供，无需外部提供供电电源。FPGA通过对输出驱动控制信号与诊断回读信号判断是否一致，确定通道是否故障，通道正常反馈“0”，通道故障反馈“1”，处理单元通过总线读取通道诊断信息，完成通道输出与诊断故障信息上报。PhotoMOS继电器与集成DC/DC隔离器的输入/输出均隔离，保证输出侧故障不会漫延至系统，确保严重故障时，系统的安全性。
通过上述过程，一旦开关量输出模块有信号输出，系统就一直在监视开关量输出状态，但不能判断在下个周期想要对开关量输出信号进行翻转操作时，开关量输出触点还是否可控，这就需要提前判断开关量输出信号是否可按照预期进行输出，如不能，上报通道故障，系统提前进入安全状态，提高了系统的安全性与可靠性。
本实施例的开关量输出动态诊断系统用于诊断常开触点通道的工作流程如下：
步骤1：FPGA-IO输出驱动故障诊断脉冲信号控制K开关闭合/断开，延时10us后检测诊断回读信号，若在开关量输出模块运行周期内检测到的K1诊断回读信号为脉冲信号，则说明K输出可控；若检测到的诊断回读信号状态始终为“0”(3次容错)，则说明K发生断开故障，退出动态诊断，上报K断开故障信息。
表1常开触点通道输出动态诊断真值表
| 开关K | 回读 | 输出状态 |
| 0 | 0 | 正常 |
| 脉冲0、1、0 | 脉冲0、1、0 | 正常 |
| 脉冲0、1、0 | 0 | 故障 |
根据表1：当控制端输出脉冲信号为0、1、0时，若回读信号也为脉冲信号0、1、0，则表示开关触点正常；当控制端输出脉冲信号为0、1、0时，若回读信号状态始终为“0”，则表示开关触点故障(即在控制端输出的脉冲信号中给一个上升沿脉冲，回读信号状态仍然为“0”，则表示开关触点无法闭合)。
触点侧的查询电源由集成DC/DC转换器的双通道隔离器提供，无需依赖外部供电电源。
开关量输出模块上电初始化后，通过通信接受来自主控制模块的组态配置信息，其中就包括开关量输出模块动态诊断响应周期配置信息，获取到配置信息后，计数器开始计数直到模块开始执行动态诊断命令。动态诊断完成后，将诊断结果上报给主控器模块，若故障，则相应的通道故障指示灯被点亮(长亮红色指示)，输出进入安全状态。
动态诊断的方式可根据可靠性计算，通过软件灵活配置诊断时间，具体时间依据系统工程实际使用确定，一般确定为4或8小时动态诊断一次。
实施例2
本实施例与上述实施例1的区别仅仅在于：所述输出开关组件包括2个PhotoMos继电器开关K1和K2；控制单元输出两路故障诊断脉冲信号1和故障诊断脉冲信号2，分别控制2个开关K1和K2闭合/断开，延时10us后检测2个开关K1和K2的诊断回读信号；所述处理单元根据2个开关K1和K2的诊断回读信号实现每个开关的定点故障诊断。如图2所示，本实施例中两个Photo MOS继电器串联输出，提高系统的可靠性与安全性。在另一优选实施例中，两个Photo MOS继电器并联输出也适用。
本实施例的开关量输出动态诊断系统用于诊断常开触点通道的工作流程如下：
步骤1：FPGA-IO输出驱动故障诊断脉冲信号1控制K1开关闭合/断开，延时10us后检测诊断回读信号，若在开关量输出模块运行周期内检测到的K1诊断回读信号为脉冲信号，则说明K1输出可控；若检测到的诊断回读信号状态始终为“0”(3次容错)，则说明K1发生断开故障，退出动态诊断，上报K1断开故障信息。
步骤2：FPGA-IO输出驱动故障诊断脉冲信号2控制K2开关闭合/断开，延时10us后检测诊断回读信号，若在开关量输出模块运行周期内检测到K2诊断回读信号为脉冲信号，则说明K2输出可控；若检测到的诊断回读信号状态始终为“0”(3次容错)，则说明K2发生断开故障，退出动态诊断，上报K2断开故障信息。K1，K2触点处于常开状态的动态诊断真值表如表2所示。
表2常开触点通道输出动态诊断真值表
| 开关1 | 开关2 | 回读 | 输出状态 |
| 0 | 0 | 0 | 正常 |
| 0 | 脉冲0、1、0 | 脉冲0、1、0 | 正常 |
| 脉冲0、1、0 | 0 | 脉冲0、1、0 | 正常 |
| 0 | 脉冲0、1、0 | 0 | 故障 |
| 脉冲0、1、0 | 0 | 0 | 故障 |
根据表2：当控制端输出脉冲信号1和输出脉冲信号均为0时，回读信号的状态也为“0”，则表示开关触点正常；当控制端输出脉冲信号1为0，输出脉冲信号2为0、1、0时，若回读信号也为脉冲信号0、1、0，则表示开关触点正常；当控制端输出脉冲信号1为0、1、0，输出脉冲信号2为0时，若回读信号也为脉冲信号0、1、0，则表示开关触点正常；当控制端输出脉冲信号1为0，输出脉冲信号2为0、1、0时，若回读信号状态始终为“0”，则表示开关触点故障；当控制端输出脉冲信号1为0、1、0，输出脉冲信号2为0时，若回读信号状态始终为“0”，则表示开关触点故障(即在控制端输出的脉冲信号中给一个上升沿脉冲，回读信号状态仍然为“0”，则表示开关触点无法闭合)。
在另外的优选实施例中，对三个继电器、四个继电器等多个继电器构成的输出通道也能进行诊断；在另外的优选实施例中，多个继电器并联或串联输出，同样能够对触点进行诊断，只需要对软件进行重新配置即可，即本发明的故障诊断系统适用范围广，不受继电器的数量、多个继电器的连接方式的限制，本发明的故障诊断系统能够适用多种应用场景，比如常闭触点通道的诊断，根据需要进行软件配置即可。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.核安全级DCS的开关量输出动态诊断系统，其特征在于，该系统包括处理单元和诊断回读模块；所述处理单元输出故障诊断脉冲信号控制核安全级DCS的开关量输出模块中任一路输出开关组件闭合/断开；所述诊断回读模块用于检测上述输出开关组件的每一个开关的诊断回读信号，并将其上传给处理单元进行处理；所述诊断回读模块同时为上述输出开关组件中的开关进行诊断查询供电。
2.根据权利要求1所述的核安全级DCS的开关量输出动态诊断系统，其特征在于，所述输出开关组件包括i个开关，其中，i≥1；控制单元输出i个故障诊断脉冲信号分别控制i个开关开关闭合/断开，延时10us后检测i个开关的诊断回读信号；所述处理单元根据i个开关的诊断回读信号实现每个开关的定点故障诊断。
3.根据权利要求1或2所述的核安全级DCS的开关量输出动态诊断系统，其特征在于，所述诊断回读模块采用集成DC/DC转换器的双通道隔离器。
4.根据权利要求1或2所述的核安全级DCS的开关量输出动态诊断系统，其特征在于，所述开关为PhotoMos继电器、机械继电器、光耦或场效应管。
5.根据权利要求1或2所述的核安全级DCS的开关量输出动态诊断系统，其特征在于，该系统还包括用于为开关量输出通道故障进行报警的设备。
6.核安全级DCS的开关量输出动态诊断方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一，处理单元输出故障诊断脉冲信号控制核安全级DCS的开关量输出模块中任一路输出开关组件闭合/断开；
步骤二，诊断回读模块检测上述输出开关组件的每一个开关的诊断回读信号，并将其上传给处理单元进行处理；所述诊断回读模块同时为上述输出开关组件中的开关进行诊断查询供电。
7.根据权利要求6所述的核安全级DCS的开关量输出动态诊断方法，其特征在于，所述输出开关组件包括i个开关，其中，i≥1；控制单元输出i个故障诊断脉冲信号分别控制i个开关开关闭合/断开，延时10us后检测i个开关的诊断回读信号；所述处理单元根据i个开关的诊断回读信号实现每个开关的定点故障诊断。
8.根据权利要求6所述的核安全级DCS的开关量输出动态诊断方法，其特征在于，所述诊断回读模块采用集成DC/DC转换器的隔离器。
9.根据权利要求6-8任一项所述的核安全级DCS的开关量输出动态诊断方法，其特征在于，所述开关为PhotoMos继电器、机械继电器、光耦或场效应管。
10.根据权利要求9所述的核安全级DCS的开关量输出动态诊断方法，其特征在于，该方法还包括对相应的通道故障进行报警。
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