用於dcs系統的三重冗餘模擬量輸出模塊的製作方法

2023-05-09 01:47:36 2

專利名稱：用於dcs系統的三重冗餘模擬量輸出模塊的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種模擬量輸出模塊，尤其涉及一種用於DCS系統的三重冗餘模擬量輸出模塊。
背景技術：
目前，DCS系統已被廣泛應用於電力、石油、化工、鋼鐵、造紙、水泥、脫硫、除塵、水處理等自動化控制領域中，它是一個由過程控制級和過程監控級組成的以通信網絡為紐帶的多級計算機系統，綜合了計算機(Computer)、通訊(Communication)、顯示(CRT)和控制(Control)等4C技術，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態方便。現有技術中，許多生產裝置及機組聯鎖控制系統通常不採用冗餘控制系統。在長周期運行的情況下，很容易導致生產裝置停車事故的發生。因此，為了保證系統的長期安全運行，須採用冗餘控制系統，在DCS系統中也是如此。另外，現有技術中，模擬量輸出都是採用一塊單片機同時控制多個通道輸出的模式。由於單片機都是單線程的工作模式，因此在兼顧通訊和檢測外部狀態的情況下，單片機的工作效率相對較低，模擬量輸出響應較慢。同時，對於模擬量的輸出控制，通常有開環控制和閉環控制兩種控制策略。如圖4所示，開環控制不將輸出結果反饋回來以影響當前的控制系統，因而實現起來較為簡單，且響應速度快，但控制精度較差。而閉環控制是將輸出量直接或間接反饋到輸入端，以對當前控制系統進行調整，具體結構如圖5所示。由於幹擾的存在，系統的實際輸出通常在一定程度上偏離期望輸出，通過上述閉環控制的方式，可利用負反饋所產生的偏差來調整系統輸出，使之恢復到期望輸出。因此，閉環控制具有較強的抗幹擾能力，且控制精度高。在一些高級複雜的工業控制系統中，採用閉環控制策略成為優選。

實用新型內容有鑑於現有技術的上述缺陷，本實用新型所要解決的技術問題是提供一種用於DCS系統的三重冗餘模擬量輸出模塊，其通過三重冗餘和任務分級的結構設計，有效的提高了模擬量輸出模塊的容錯能力，保證了生產過程持久穩定的運行。為實現上述目的，本實用新型提供了一種用於DCS系統的三重冗餘模擬量輸出模塊，包括三個相同的輸出模塊，其中，所述輸出模塊包括微處理器，用於與FPGA相連；FPGA，用於與三個獨立的控制器分別相連，即用於與所述微處理器和控制器之間通訊的接口 ；若干單片機，用於與所述微處理器相連，以實現輸出模擬量的閉環控制；以及若干數模轉換器，用於分別連接到所述單片機上，以輸出模擬量；其中，所述微處理器與每個單片機之間均連接有光耦，以實現信號隔離。上述的用於DCS系統的三重冗餘模擬量輸出模塊，其中，所述微處理器為32位ARM7 的 LPC2212。上述的用於DCS系統的三重冗餘模擬量輸出模塊，其中，所述FPGA為XC3S250E。[0010]上述的用於DCS系統的三重冗餘模擬量輸出模塊，其中，所述單片機為PIC16F687。上述的用於DCS系統的三重冗餘模擬量輸出模塊，其中，所述單片機的個數為8個。上述的用於DCS系統的三重冗餘模擬量輸出模塊，其中，所述微處理器採用磁介質隔離晶片。上述的用於DCS系統的三重冗餘模擬量輸出模塊，其中，所述FPGA上設置有5個串口。上述的用於DCS系統的三重冗餘模擬量輸出模塊，其中，所述單片機與反饋電路相連，在所述單片機輸出端構成閉環控制迴路。 上述的用於DCS系統的三重冗餘模擬量輸出模塊，其中，所述數模轉換器還與可恢復保險絲和二極體相連。上述的用於DCS系統的三重冗餘模擬量輸出模塊，其中，所述三重冗餘模擬量輸出模塊還包括看門狗電路，其與所述微處理器相連。因此，本實用新型的用於DCS系統的三重冗餘模擬量輸出模塊通過三重冗餘的結構設計，極大的提高了 DCS系統的容錯能力，使之可以自動識別並排除故障元件，並且在繼續完成指定任務的同時，對故障元件進行在線修復而不中斷系統操作，從而滿足工業現場的各種高級的複雜控制的需求，保證了生產過程的安全穩定運行。

圖I是本實用新型的用於DCS系統的三重冗餘模擬量輸出模塊的框架示意圖；圖2是本實用新型的用於DCS系統的三重冗餘模擬量輸出模塊中模塊冗餘的示意圖；圖3是本實用新型的用於DCS系統的三重冗餘模擬量輸出模塊中輸出量閉環控制的框架示意圖；圖4是現有技術中輸出量開環控制的框架示意圖；圖5是現有技術中輸出量閉環控制的框架示意圖。
具體實施方式
以下將結合附圖對本實用新型的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本實用新型的目的、特徵和效果。本實用新型的用於DCS系統的三重冗餘模擬量輸出模塊是T3000 DCS系統的系統模塊之一，其通過三重冗餘化的結構與系統配合連接，實現8路相互隔離的模擬量輸出，具有很強的容錯能力，可適用於各種複雜控制的工業現場。具體地，如圖2所示，本實用新型的用於DCS系統的三重冗餘模擬量輸出模塊採用了三重模塊冗餘的結構，其包括三個獨立的輸出模塊，其均與系統的三個獨立的控制器相連，接收控制器傳送的指令和數據，並根據指令分別由指定通道輸出模擬量。特別地，每個通道獨立地執行控制程序，且三個輸出模塊間也採用並行工作模式。即任意一個通道的任何一個故障都不會影響到其他7個通道的正常運行，任意一個輸出模塊內的任何一個故障都不會影響到其他兩個輸出模塊的正常運行。另外，每個通道都會進行轉換處理，並同時檢測外部輸出，最後經過表決之後通過主控卡件通道輸出最終輸出；且該最終輸出還需要同其他兩個模塊的相應的通道的輸出通過一定的仲裁機制進行比較。對於三個輸出模塊的輸出，米用以下仲裁機制a.若三個數據品質全好，則在三者中按設定模式輸出；b.若其中某一個數據品質壞，則關閉品質壞的輸出通道，在另外兩個數據中按照設定模式輸出，並向上報警，降低系統安全級別；c.若其中某二或三個數據品質壞，則輸出保持不變，並向上報警，降低系統安全級別。因此，通過三重模塊冗餘和上述仲裁方式，極大的提高了 DCS系統的容錯能力，使之能夠適應高要求的工業生產現場。當一個輸出模塊故障，甚至兩個輸出模塊故障時，DCS系統會自動診斷出來，並自動切換到另一個輸出模塊上運行。此時，DCS系統仍然能正常工作，只是安全性有所降低。DCS系統會自動降低安全權限，而不是採取三取二工作方式，其運行狀態通過卡件上的發光二極體顯示。具體地，輸出模塊的具體結構如圖I所示。由圖可知，該輸出模塊包括有微處理器，FPGA,以及若干單片機和與單片機對應的數模轉換器(圖中未不出)。其中，微處理器與FPGA相連，FPGA再分別與DCS系統的三個獨立的控制器相連，每個單片機再通過光耦連接到微處理器上。最後，單片機的輸出端再連接到數模轉換器上，得到模擬量輸出。該模擬量輸出最終輸入到主控卡件通道。本實用新型中，微處理器主要負責與DCS系統控制器之間的通訊，其採用的是32位的ARM7LPC2212晶片，用C語言編程，並通過modbus通訊協議，與8路模擬量輸出通道通訊。另外，本實用新型的微處理器採用的是高速磁介質隔離晶片，其可隔離現場設備對其的幹擾，保證其正常工作。本實用新型中的FPGA採用的是Spartan_3E系列中的XC3S250E晶片，並使用Verilog語言編程。在FPGA內部搭建有一個2K的雙口 RAM，其可讀可寫，可通過該雙口 RAM與ARM7進行通訊。由於DCS系統的結構特點，有多組數據需通訊，故在FPGA中設置了五個串口，來實現和上位機的數據交換，以及實現ARM7和系統總線之間的接口。另外，FPGA還需要進行一定的解碼工作。本實用新型中採用的單片機為PIC16F687，其使用C語言編程。單片機的個數為8個，對應於8路模擬量輸出通道，用於模擬量的輸出。即每個模擬量輸出通道的輸出工作由單獨的一個單片機來完成，從而有效的提高了系統的響應速度。由於8路模擬量輸出通道之間相互隔離，在最大限度上減小了通訊鏈路的路間影響。另外，在微處理器與單片機之間連接的光耦可對輸出電路進行隔離，能有效地抑制系統噪聲，消除接地迴路的幹擾，具有響應速度較快、壽命長、體積小、耐衝擊等優點。每個通道中的單片機都通過外部24V電壓經過DC/DC轉換為5V之後單獨供電。對於輸入的內部24V電壓，轉換為5V/3. 3V/1. 8V/1. 2V的電壓對模塊的控制和通訊部分進行供電。本實用新型中的數模轉換器採用的是12位D/A轉換晶片DAC7611。單片機接收微處理器的指令後，將數據輸出給數模轉換器，以輸出電壓信號。為了保證輸出結果的抗幹擾能力和精確度，本實用新型的輸出結果採用閉環控制的方式，具體結構如圖3所示。對於每一個通道，將單片機與後級的反饋電路相連，從而在單片機的輸出端構成了閉環控制迴路。具體地，將單片機的輸出與輸出電壓的反饋值進行比較，如果有誤差則進行調整，使得最終輸出值與期望輸出相符。在本實用新型中，每一個通道都採用MOSFET電晶體為開關，從而可通過組態界面或者上位機指令單獨控制各個通道的輸出，使整個模擬量輸出模塊的輸出控制更加靈活；同時，在每個通道的輸出端都使用了可恢復保險絲和二極體，從而避免了外部浪湧幹擾的衝擊，保證輸出迴路安全可靠。另外，為了保證每個輸出模塊的正常運行，每個微處理器均連接有看門狗電路，用於防止程序跑飛。以上詳細描述 了本實用新型的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術無需創造性勞動就可以根據本實用新型的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本實用新型的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護範圍內。
權利要求1.一種用於DCS系統的三重冗餘模擬量輸出模塊,其特徵在於,包括三個相同的輸出模塊，其中，所述輸出模塊包括 微處理器，用於與FPGA相連； FPGA，用幹與三個獨立的控制器分別相連； 若干單片機，用幹與所述微處理器相連； 以及若干數模轉換器，用於分別連接到所述單片機上，以輸出模擬量； 其中，所述微處理器與每個單片機之間均連接有光耦。
2.如權利要求I所述的用於DCS系統的三重冗餘模擬量輸出模塊，其特徵在於，所述微處理器為32位ARM7的LPC2212。
3.如權利要求I所述的用於DCS系統的三重冗餘模擬量輸出模塊，其特徵在於，所述FPGA 為 XC3S250E。
4.如權利要求I所述的用於DCS系統的三重冗餘模擬量輸出模塊，其特徵在於，所述單片機為 PIC16F687。
5.如權利要求I所述的用於DCS系統的三重冗餘模擬量輸出模塊，其特徵在於，所述單片機的個數為8個。
6.如權利要求I所述的用於DCS系統的三重冗餘模擬量輸出模塊，其特徵在於，所述微處理器採用磁介質隔離晶片。
7.如權利要求I所述的用於DCS系統的三重冗餘模擬量輸出模塊，其特徵在於，所述FPGA上設置有5個串ロ。
8.如權利要求I所述的用於DCS系統的三重冗餘模擬量輸出模塊，其特徵在於，所述單片機與反饋電路相連，在所述單片機輸出端構成閉環控制迴路。
9.如權利要求I所述的用於DCS系統的三重冗餘模擬量輸出模塊，其特徵在於，所述數模轉換器還與可恢復保險絲和ニ極管相連。
10.如權利要求I所述的用於DCS系統的三重冗餘模擬量輸出模塊，其特徵在於，所述三重冗餘模擬量輸出模塊還包括看門狗電路，其與所述微處理器相連。
專利摘要本實用新型公開了一種用於DCS系統的三重冗餘模擬量輸出模塊，包括三個相同的輸出模塊，其中，所述輸出模塊包括微處理器，用於與FPGA相連；FPGA，用於與三個獨立的控制器分別相連；若干單片機，用於與所述微處理器相連；以及若干數模轉換器，用於分別連接到所述單片機上，以輸出模擬量；其中，所述微處理器與每個單片機之間均連接有光耦。本實用新型的三重冗餘模擬量輸出模塊通過三重冗餘的結構設計，極大的提高了DCS系統的容錯能力，使之可以自動識別並排除故障元件，並且在繼續完成指定任務的同時，對故障元件進行在線修復而不中斷系統操作，從而滿足工業現場的各種高級的複雜控制的需求，保證了生產過程的安全穩定運行。
文檔編號G05B19/048GK202421819SQ20112054550
公開日2012年9月5日 申請日期2011年12月22日 優先權日2011年12月22日
發明者李培植, 梁超宇 申請人:上海新華控制技術(集團)有限公司