[发明专利]一种高精度模拟量输出自诊断冗余切换电路

说明书

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。