CN103309329B - 冗余输出装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冗余输出装置,包括分布式控制系统DCS主站、第一输出模块、第二输出模块和冗余端子模块;DCS主站的一端与第一输出模块的一端相连,DCS主站的另一端与第二输出模块的一端相连;第一输出模块的另一端与冗余端子模块的第一端相连;第二输出模块的另一端与冗余端子模块的第二端相连;冗余端子模块的第三端与控制现场的仪器相连;第一输出模块与第二输出模块的结构相同,且通过用于交互信息的冗余通道相连。采用本发明可以减小控制现场的仪器在某一输出模块出现故障到另一输出模块接替其工作的过程中所受的电流冲击,从而延长控制现场的仪器的使用寿命。

Description

冗余输出装置
技术领域
[0001] 本发明涉及信号输出的领域,特别涉及冗余输出装置。
背景技术
[0002] 在分布式控制系统DCS(DistributedControlSystem)中控制现场会存在大量 的仪表、变送器及传感器等仪器。为了使控制现场的仪器能够正常工作,DCS主站需要通过 输出装置为控制现场的仪器提供4~20mA的模拟电流信号(此模拟电流信号为直流信号)。
[0003] 在现有技术中,为了能够给控制现场的仪器提供可靠的电流信号,一般需至少配 备两个输出装置实现冗余功能。在上述多个输出装置中,只有一个为主输出装置,其它均为 备用输出装置。在正常情况下,只有主输出装置向控制现场的仪器输出电流信号,而备用输 出装置并不向控制现场的仪器输出电流信号。只有在主输出装置出现故障时(此时主输出 装置不能给控制现场的仪器提供电流信号),备用输出装置才会向控制现场的仪器输出电 流信号(即实现冗余切换)。由于从主输出装置出现故障到备用输出装置接替其工作的过程 (此过程为冗余切换的过程),势必要经历一个时间段,而在这个时间段是没有电流信号提 供给控制现场的仪器的。
[0004] 因此,在冗余切换的过程中,控制现场的仪器将经历电流信号从有到无再到有的 过程,这将会使得控制现场的仪器所承受的电流冲击较大,从而将缩短控制现场的仪器的 使用寿命。
发明内容
[0005] 有鉴于此,本发明的目的在于提供冗余输出装置,以减小控制现场的仪器在冗余 切换的过程中所受的电流冲击,从而延长控制现场的仪器的使用寿命。
[0006] 为实现上述目的,本发明实施例提供如下技术方案:
[0007] -种冗余输出装置,其特征在于,包括分布式控制系统DCS主站、第一输出模块、 第二输出模块和冗余端子模块;
[0008] 所述分布式控制系统DCS主站的一端与所述第一输出模块的一端相连,所述分布 式控制系统DCS主站的另一端与所述第二输出模块的一端相连;
[0009] 所述第一输出模块的另一端与所述冗余端子模块的第一端相连;
[0010] 所述第二输出模块的另一端与所述冗余端子模块的第二端相连;
[0011] 所述冗余端子模块的第三端与控制现场的仪器相连;
[0012] 所述第一输出模块与所述第二输出模块的结构相同,且通过用于交互信息的冗余 通道相连。
[0013] 优选的,所述第一输出模块包括微控制器、现场可编程门阵列FPGA器件、数模转 换器DAC、模数转换器ADC、电压电流转换电路和采集回读电路;
[0014] 所述微控制器的一端与所述分布式控制系统DCS主站的一端相连,所述微控制器 的另一端与所述现场可编程门阵列FPGA的第一端相连;
[0015] 所述现场可编程门阵列FPGA的第二端与所述数模转换器DAC的一端相连,所述数 模转换器DAC的另一端与所述电压电流转换电路的第一端相连;
[0016] 所述FPGA的第三端与所述模数转换器的ADC的一端相连,所述模数转换器ADC的 另一端分别与所述采集回读电路的第一端和所述电压电流转换电路的第二端相连;
[0017] 所述采集回读电路的第二端与所述电压电流转换电路的第三端相连,所述采集回 读电路的第三端与所述冗余端子模块的第一端相连。
[0018] 优选的,所述电压电流转换电路包括第一运算放大器、电容Cl和三极管;
[0019] 所述第一运算放大器的同相输入端与所述数模转换器DAC的另一端相连,第一运 算放大器的反相输入端与所述模数转换器ADC的另一端相连,第一运算放大器的输出端与 所述三极管相连;
[0020] 所述第一运算放大器的反相输入端还通过所述电容Cl与所述第一运算放大器的 输出端相连。
[0021] 优选的,所述三极管的基极b分别与所述第一运算放大器的输出端和所述电容Cl 相连,集电极C与电源相连,发射极e与所述采集回读电路相连。
[0022] 优选的,所述采集回读电路包括第二运算放大器、滤波电路、电阻Rl和第一二极 管;
[0023] 所述电阻Rl的一端分别与所述滤波电路的第一输入端和所述三极管的发射极e 相连,另一端分别与所述滤波电路的第二输入端和所述第一二极管的阳极相连;
[0024] 所述第一二极管的阴极与所述冗余端子模块的第一端相连;
[0025] 所述滤波电路的第一输出端与所述第二运算放大器的同相输入端相连,第二输出 端与所述第二运算放大器的反相输入端相连;
[0026] 所述第二运算放大器的输出端分别与所述模数转换器ADC的另一端和所述第一 运算放大器的反向输入端相连。
[0027] 优选的,所述现场可编程门阵列FPGA为EP3C10型号的现场可编程门阵列FPGA; 所述数模转换器DAC为DAC8568型号的数模转换器DAC;所述模数转换器ADC为ADS8332型 号的模数转换器ADC。
[0028] 优选的,所述冗余端子模块包括电容C2、瞬态电压抑制器、自恢复保险丝、第二二 极管、第三二极管和地;
[0029] 所述瞬态电压抑制器与所述电容C2并联的公共端一端接地,另一端分别与所述 第二二极管的阴极和所述自恢复保险丝的一端相连;
[0030] 所述自恢复保险丝的另一端与所述控制现场的仪器的一端相连,所述控制现场的 仪器的另一端与所述地相连;
[0031] 所述第二二极管的阳极分别与所述第一输出模块中的第一二极管的阴极和所述 第三二极管的阴极相连;
[0032] 所述第三二极管的阳极与所述第二输出模块中的第一二极管的阴极相连。
[0033] 优选的,所述滤波电路包括电阻R2、电阻R3、电容C3、电容C4和电容C5;
[0034] 所述电阻R3的一端与所述第二运算放大器的同相输入端相连,另一端分别与所 述电容C3的一端和电容C4的一端相连;
[0035] 所述电阻R3的另一端还与所述Rl的一端相连;
[0036] 所述电阻R2的一端与所述第二运算放大器的反相输入端相连,另一端分别与所 述电容C3的另一端和电容C5的一端相连;
[0037] 所述电容C4和所述电容C5的另一端均接地;
[0038] 所述电阻R2的另一端还与所述Rl的另一端相连。
[0039] 从上述的技术方案可以看出,在本发明实施例中,在第一输出模块和第二输出模 块均正常工作的情况下,DCS主站经第一输出模块输出的电流值与DCS主站经第二输出模 块输出的电流值之和为控制现场的仪器实际所需的电流值。其中,第一输出模块输出的电 流与第二输出模块输出的电流将在冗余端子模块进行叠加,并最后提供给控制现场的仪 器。若某一输出模块发生故障,则另一输出模块将会通过冗余通道检测到,并将自身输出的 电流值调整为仪器实际所需电流值(即实现冗余切换)。由上可见,在本发明实施例中,在冗 余切换的过程中,控制现场的仪器只经历电流信号从未发生故障的输出模块所输出的电流 值调整为控制现场的仪器实际所需电流值的过程(即电流逐渐增大的过程),如此将会减小 控制现场的仪器在冗余切换的过程所承受的电流冲击,从而延长控制现场的仪器的使用寿 命。
附图说明
[0040] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0041]图1为本发明提供的冗余输出装置的拓扑图;
[0042]图2为本发明提供的冗余输出装置的另一拓扑图;
[0043] 图3为本发明提供的冗余输出装置的电路图;
[0044] 图4为本发明提供的冗余输出装置的又一电路图;
[0045]图5为本发明提供的冗余输出装置的另一电路图;
[0046] 图6为本发明提供的滤波电路的电路图。
具体实施方式
[0047] 下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本实施例一部分实施例,而不是全部的实施例。基 于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其 他实施例,都属于本发明的保护的范围。
[0048] 本发明公开了冗余输出装置的一种结构,如图1所示,包括分布式控制系统DCS (DistributedControlSystem)主站11、第一输出模块12、第二输出模块13和冗余端子模 块14 ;
[0049] 其中,第一输出模块12和第二输出模块13为从站模块,均受DCS主站11的控制, DCS主站11可以控制第一输出模块12和第二输出模块13所输出的电流值的大小;冗余端 子模块14可将第一输出模块12和第二输出模块13所输出的电流进行叠加,并将叠加后的 电流提供给控制现场的仪器15。
[0050] 具体的,DCS主站11的一端111与第一输出模块12的一端121相连,DCS主站的 另一端112与第二输出模块13的一端131相连;
[0051] 第一输出模块12的另一端122与冗余端子模块14的第一端141相连;
[0052] 第二输出模块13的另一端132与冗余端子模块14的第二端142相连;
[0053] 冗余端子模块14的第三端143与控制现场的仪器15相连;
[0054] 第一输出模块12与第二输出模块13的结构相同,且通过用于交互信息的冗余通 道相连。
[0055] 由上可见,在本发明实施例中,在第一输出模块12和第二输出模块13均正常工作 的情况下,DCS主站11经第一输出模块12输出的电流值与DCS主站11经第二输出模块13 输出的电流值之和为控制现场的仪器15实际所需的电流值。其中,第一输出模块12输出 的电流与第二输出模块13输出的电流将在冗余端子模块14进行叠加,并最后提供给控制 现场的仪器15。若某一输出模块发生故障,则另一输出模块将会通过冗余通道检测到,并 将自身输出的电流值调整为仪器实际所需电流值(即实现冗余切换)。由上可见,在本发明 实施例中,在冗余切换的过程中,控制现场的仪器15只经历电流信号从未发生故障的输出 模块所输出的电流值调整为控制现场的仪器实际所需电流值的过程(即电流逐渐增大的过 程),如此将会减小控制现场的仪器15在冗余切换的过程所承受的电流冲击,从而延长控制 现场的仪器15的使用寿命。
[0056] 在本发明其它实施例中,如图2所示,上述所有实施例的装置中的第一输出模 块12可包括微控制器21、现场可编程门阵列FPGA(FieldProgrammableGateArray)器 件 22、数模转换器DAC(DigitaltoAnalogConverter)23、模数转换器ADC(Analogto DigitalConverter) 24、电压电流转换电路25和采集回读电路26 ;
[0057] 其中,微控制器21的一端与DCS主站的一端111相连,微控制器21的另一端与 FPGA(22)的第一端相连;
[0058] FPGA(22)的第二端222与DAC(23)的一端相连,DAC(23)的另一端与电压电流转 换电路25的第一端相连;
[0059] FPGA(22)的第三端与ADC(24)的一端相连,ADC(24)的另一端分别与采集回读 电路26的第一端和电压电流转换电路25的第二端相连;
[0060] 采集回读电路26的第二端262与电压电流转换电路25的第三端相连,采集回读 电路26的第三端与冗余端子模块14的第一端相连。
[0061] 具体的,FPGA(22)可为EP3C10 型号的FPGA,DAC(23)可为DAC8568 型号的DAC, ADC(24)可为ADS8332 型号的ADC。
[0062] 更具体的,微控制器21可采用Ateml公司的8位单片机AT89C51芯片,用C语言 进行编程。而微处理器21可利用profibus协议与DCS主站11进行通信(上报第一输出模 块12和第二输出模块13中的信息,且下发DCS主站11的命令)。
[0063] DAC(23)可将FPGA(22)所输出的数字电压信号转换为模拟电压信号,并将上述模 拟电压信号传送给电压电流转换电路(25 )。
[0064] 电压电流转换电路25可将DAC(23)所输出的电压信号转换为相应的电流信号输 出到冗余端子模块14,同时根据采集回读电路26的反馈,对DAC(23)所输出的电压信号进 行调整。
[0065] 采集回读电路26用于采集自身所输出的电流信号(此电流信号为模拟直流信 号),并将采集到的电流信号转换为相应的电压信号(此电压信号为模拟电压信号)传送给 ADC(24) 〇
[0066]ADC(24)用于将上述模拟电压信号转换为数字电压信号,并将转换后的数字电压 信号传送给FPGA(22)。
[0067]FPGA(22)可将自身所输出到DAC(23)的电压信号与通过采集回读电路(26)所输 入的电压信号进行比较,并查看两者的差值是否在允许范围内,当在允许范围内时,将自身 的质量位ch_ok置为1,并且错误灯灭掉,否则置为0,并将错误灯开打。
[0068] 其中,当第一输出模块12与第二输出模块13同时运行时,两模块均通过冗余通道 查看对方质量位的情况,如果对方的质量位ch_ok为1,则输出之前所设置的电流值,否则 则输出控制现场的仪器15实际所需的电流值。
[0069] 例如,控制现场的仪器15实际所需的电流值为10mA,在正常情况下,第一输出模 块12和第二输出模块13所输出的电流值均为5mA。那么,第一输出模块12和第二输出模 块13的工作过程,如下表所示:
[0070]
Figure CN103309329BD00081
Figure CN103309329BD00091
[0072] 需要说明的是,可将第一输出模块12和第二输出模块13在正常情况下,所输出的 电流值均设置为控制现场的仪器15实际所需电流值的一半。
[0073] 在本发明其它实施例中,如图3所述,电压电流转换电路25可包括第一运算放大 器31、电容Cl(32)和三极管33 ;
[0074] 其中,第一运算放大器31的同相输入端与DAC(23)的另一端相连,第一运算放大 器31的反相输入端与ADC(24)的另一端相连,第一运算放大器31的输出端与三极管33相 连;
[0075] 第一运算放大器31的反相输入端还通过电容Cl (32)与第一运算放大器31的输 出端相连;
[0076] 具体的,三极管33的基极b分别与第一运算放大器31的输出端和电容Cl(32)相 连,集电极c与电源相连,发射极e与采集回读电路26相连。
[0077] 更具体的,此电源可为24V的电源;第一运算放大器可为1倍运算放大器。
[0078] 在本发明其它实施例中,如图4所示,上述所有实施例中的装置中的采集回读电 路26可包括第二运算放大器41、滤波电路42、电阻Rl(43)和第一二极管44 ;
[0079] 其中电阻Rl(43)的一端分别与滤波电路42的第一输入端和三极管33的发射极 e相连,另一端分别与滤波电路42的第二输入端和第一二极管44的阳极相连;
[0080] 滤波电路42的第一输出端与第二运算放大器41的同相输入端相连,滤波电路42 的第二输出端与第二运算放大器41的反相输入端相连,
[0081] 第二运算放大器41的输出端分别与ADC的另一端和第一运算放大器31的反向输 入端相连。
[0082] 在本发明其它实施例中,如图5所示,上述所有实施例中的冗余端子模块14可包 括电容C2(51)、瞬态电压抑制器52、自恢复保险丝53、第二二极管54、第三二极管55和地 56 ;瞬态电压抑制器52可将控制现场的仪器15所引入的一些干扰引入到大地(即消除干 扰),从而避免干扰进入到第一输出模块和第二输出模块。
[0083] 其中,瞬态电压抑制器52与电容C2 (51)并联的公共端一端接地,另一端分别与 第二二极管54的阴极和自恢复保险丝53的一端相连;
[0084] 自恢复保险丝53的另一端与控制现场的仪器15的一端相连,控制现场的仪器15 的另一端与所述地相连56;
[0085] 第二二极管54的阳极分别与第三二极管55的阴极和第一输出模块12中的第 一二极管44的阴极相连;
[0086] 第三二极管55的阳极与第二输出模块13中的第一二极管的阴极相连。
[0087] 同时如图6所示,滤波电路42可包括电阻R2 (61)、电阻R3 (62)、电容C3 (63)、电容 C4(64)和电容C5 (65);
[0088] 其中,电阻R3 (62)的一端与第二运算放大器41的同相输入端相连,另一端分别 与电容C3 (63)的一端和电容C4 (64)的一端相连;
[0089] 电阻R3 (62)的另一端还与Rl(43)的一端相连;
[0090] 电阻R2 (61)的一端与第二运算放大器41的反相输入端相连,另一端分别与电容 C3 (63)的另一端和电容C5 (65)的一端相连;
[0091] 电容C4 (64)和C5 (65)的另一端都接地;
[0092] 电阻R2 (61)的另一端还与Rl(43)的另一端相连。
[0093] 更具体的,此滤波电路可以消除共模和差模干扰,并且电阻R2 (61)和R3 (62)均 可为阻值4. 7KQ的电阻,电容C3 (63)可为阻值为100nF,耐压值为50V的电容,电容C4 (64)和C5 (65)均可为阻值为IOnF,耐压值为1000V的电容。
[0094] 需要说明的是,本发明中的冗余输出装置只需增加电流信号调整电路和采集回读 电路即可提供多路电流信号给控制现场的仪器。例如,控制现场的仪器需8路电流信号(控 制现场的不同仪器可能所需的电流信号不尽相同),只需将第一输出模块和第二输出模块 中的信号调整电路和采集回读电路分别增加为8个即可。
[0095] 由于本发明中的FPGA可以同时控制多路电流信号同时进行切换,如此大大缩短 了切换的时间。
[0096] 需要说明的是,以上实施例所述的是冗余机制用于双冗余输出装置,当然本发明 中的冗余机制还可以用于三冗余输出装置中。
[0097] 以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人 员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以作出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1. 一种冗余输出装置,其特征在于,包括分布式控制系统DCS主站、第一输出模块、第 二输出模块和冗余端子模块; 所述分布式控制系统DCS主站的一端与所述第一输出模块的一端相连,所述分布式控 制系统DCS主站的另一端与所述第二输出模块的一端相连; 所述第一输出模块的另一端与所述冗余端子模块的第一端相连; 所述第二输出模块的另一端与所述冗余端子模块的第二端相连; 所述冗余端子模块的第三端与控制现场的仪器相连; 所述第一输出模块与所述第二输出模块的结构相同,且通过用于交互信息的冗余通道 相连; 所述第一输出模块包括微控制器、现场可编程门阵列FPGA器件、数模转换器DAC、模数 转换器ADC、电压电流转换电路和采集回读电路; 所述微控制器的一端与所述分布式控制系统DCS主站的一端相连,所述微控制器的另 一端与所述现场可编程门阵列FPGA的第一端相连; 所述现场可编程门阵列FPGA的第二端与所述数模转换器DAC的一端相连,所述数模转 换器DAC的另一端与所述电压电流转换电路的第一端相连; 所述FPGA的第三端与所述模数转换器的ADC的一端相连,所述模数转换器ADC的另一 端分别与所述采集回读电路的第一端和所述电压电流转换电路的第二端相连; 所述采集回读电路的第二端与所述电压电流转换电路的第三端相连,所述采集回读电 路的第三端与所述冗余端子模块的第一端相连。
2. 根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述电压电流转换电路包括第一运算放 大器、电容Cl和三极管; 所述第一运算放大器的同相输入端与所述数模转换器DAC的另一端相连,第一运算放 大器的反相输入端与所述模数转换器ADC的另一端相连,第一运算放大器的输出端与所述 三极管相连; 所述第一运算放大器的反相输入端还通过所述电容Cl与所述第一运算放大器的输出 端相连。
3. 根据权利要求2所述的装置,其特征在于,所述三极管的基极b分别与所述第一运算 放大器的输出端和所述电容Cl相连,集电极c与电源相连,发射极e与所述采集回读电路 相连。
4. 根据权利要求3所述的装置,其特征在于,所述采集回读电路包括第二运算放大器、 滤波电路、电阻Rl和第一二极管; 所述电阻Rl的一端分别与所述滤波电路的第一输入端和所述三极管的发射极e相连, 另一端分别与所述滤波电路的第二输入端和所述第一二极管的阳极相连; 所述第一二极管的阴极与所述冗余端子模块的第一端相连; 所述滤波电路的第一输出端与所述第二运算放大器的同相输入端相连,第二输出端与 所述第二运算放大器的反相输入端相连; 所述第二运算放大器的输出端分别与所述模数转换器ADC的另一端和所述第一运算 放大器的反向输入端相连。
5. 根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述现场可编程门阵列FPGA为EP3C10型 号的现场可编程门阵列FPGA;所述数模转换器DAC为DAC8568型号的数模转换器DAC;所述 模数转换器ADC为ADS8332型号的模数转换器ADC。
6. 根据权利要求4所述的装置,其特征在于,所述冗余端子模块包括电容C2、瞬态电压 抑制器、自恢复保险丝、第二二极管、第三二极管和地; 所述瞬态电压抑制器与所述电容C2并联的公共端一端接地,另一端分别与所述第 二二极管的阴极和所述自恢复保险丝的一端相连; 所述自恢复保险丝的另一端与所述控制现场的仪器的一端相连,所述控制现场的仪器 的另一端与所述地相连; 所述第二二极管的阳极分别与所述第一输出模块中的第一二极管的阴极和所述第 三二极管的阴极相连; 所述第三二极管的阳极与所述第二输出模块中的第一二极管的阴极相连。
7. 根据权利要求6所述的装置,其特征在于,所述滤波电路包括电阻R2、电阻R3、电容 C3、电容C4和电容C5 ; 所述电阻R3的一端与所述第二运算放大器的同相输入端相连,另一端分别与所述电 容C3的一端和电容C4的一端相连; 所述电阻R3的另一端还与所述Rl的一端相连; 所述电阻R2的一端与所述第二运算放大器的反相输入端相连,另一端分别与所述电 容C3的另一端和电容C5的一端相连; 所述电容C4和所述电容C5的另一端均接地; 所述电阻R2的另一端还与所述Rl的另一端相连。
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