CN104568195A - 功能安全温度变送器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种功能安全温度变送器，涉及变送器领域，包括：一单片机，一信号处理电路与一主采样A/D连接，所述主采样A/D与所述单片机连接，所述单片机上还连接有一D/A模块，所述D/A模块与一电流输出模块连接；一模拟开关及处理电路、一诊断A/D串接在所述D/A模块与所述单片机之间，所述诊断A/D同时与所述信号处理电路连接；一带时窗开看门狗连接在所述单片机与电流输出模块之间。本发明通过带时窗看门狗、模拟开关及处理电路、诊断A/D与单片机连及变送器安全执行部分连接，使得功能安全温度变送器可对生产装置或设备可能发生的危险采取紧急措施，并对继续恶化的状况进行及时响应，使其进入一个预定义的安全停车工况。
Description
技术领域
本发明涉及一种变送器，尤其涉及一种功能安全温度变送器。
背景技术
2000年，IEC61508.1-7 《电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全》标准的颁布标志着功能安全作为独立的安全学科进入实际应用阶段。
相较于一般的工业仪表，功能安全温度变送器具有如下基本特征：
1、一定的安全完整等级
IEC61508作为基础标准，充分考虑了安全仪表系统的整体安全生命周期，提出了评估安全仪表系统的整体安全生命周期，提出了评估安全仪表系统的安全完整性等级SIL （safety integrity level ）的方法，规范了为实现必要的功能安全所使用的工具与措施。功能安全温度变送器的设计与开发过程必须遵循IEC61508，并通过独立机构的功能安全评估和认证，取得认证证书，才能在工业现场中应用。
2、全面的故障自诊断能力
功能安全温度变送器的安全完整性要求还包括避免失效的要求和系统故障控制的要求，同时，构成系统的各个部件均需明确故障诊断措施和失效后的行为。对于SIL2等级功能安全温度变送器的系统整体诊断覆盖率高达90%以上。硬件具有高度可靠性，能承受大多数环境应力，如现场电磁干扰等，从而较好应用于各种工业环境。
3、FMEA评估
在功能安全温度变送器开发时，必须对所有使用到的电子元器件逐一进行FMEA分析，明确每种失效模式、失效影响及故障诊断措施，并结合现场返修部件统计数据或元器件失效率手册，计算出各种显性/隐性、安全/危险失效率。这些数据是计算安全失效分数SFF、故障诊断覆盖率DC、平均失效概率PFD等安全完整性等级相关参数的基础。
在国外，尤其是欧盟，对功能安全的研究已较为深入，而且取得安全认证的产品越来越多，范围也在逐步扩大。在我国，功能安全还只是一个名词概念，尽管在工业控制领域有一定的推广，但是国内生产的电气仪表获得功能安全认证的还很少。
发明内容
本发明公开了一种功能安全温度变送器，用以解决现有技术中智能温度变送器无法应用在一些安全级别要求较高场合的问题。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：
一种功能安全温度变送器，其中，包括：一单片机，一信号处理电路与一主采样A/D连接，所述主采样A/D与所述单片机连接，所述单片机上还连接有一D/A模块，所述D/A模块与一电流输出模块连接；一模拟开关及处理电路、一诊断A/D串接在所述D/A模块与所述单片机之间，所述诊断A/D同时与所述信号处理电路连接；一带时窗开看门狗连接在所述单片机与电流输出模块之间。
如上所述的功能安全温度变送器，其中，所述单片机上连接有一显示装置、一显示灯、一按键。
如上所述的功能安全温度变送器，其中，所述信号处理电路包括：RC滤波网络、EMC保护电路、TC传感器、RTD输入选择网络。
如上所述的功能安全温度变送器，其中，所述主采样A/D包括：24位A/D，所述主采样A/D还包括：两路激励电流。
如上所述的功能安全温度变送器，其中，所述单片机采用16位低功耗单片机。
如上所述的功能安全温度变送器，其中，所述D/A模块内具有：电源模块、基准模块。
如上所述的功能安全温度变送器，其中，所述电流输出模块具有一EMC抗干扰保护模块。
如上所述的功能安全温度变送器，其中，所述模拟开关处理电路包括：传感器断线/短路诊断模块、3.3V电源电压过压/欠压保护模块。
如上所述的功能安全温度变送器，其中，所述诊断A/D包括：主采样A/D故障诊断模块、D/A故障诊断模块、TC冷端短路/断路/漂移诊断模块、RTD激励电流漂移诊断模块。
如上所述的功能安全温度变送器，其中，所述带时窗看门狗包括：MCU无中断/连续中断模块、3.3V 电源故障模块、4～20mA电流输出故障模块。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明解决了现有技术中智能温度变送器无法应用在一些安全级别要求较高场合的问题，本发明通过带时窗看门狗、模拟开关及处理电路、诊断A/D与单片机连及变送器安全执行部分连接，使得功能安全温度变送器可对生产装置或设备可能发生的危险采取紧急措施，并对继续恶化的状况进行及时响应，使其进入一个预定义的安全停车工况，从而使危险和损失降到最低程度，保证生产、设备、环境和人员安全。本发明符合IEC61508标准中规定的SIL2 安全等级要求，是基于故障导向安全的指导方针进行设计，即使在自身发生故障的情况下也能够输出安全电流或者断电，使系统保持在安全状态。该项技术特别适合在一些安全等级要求较高的工业环境。
附图说明
图1是本发明功能安全温度变送器的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述：
图1是本发明功能安全温度变送器的结构框图，请参见图1，一种功能安全温度变送器，其中，包括：一单片机11，一信号处理电路12与一主采样A/D13连接，主采样A/D13与单片机11连接，单片机11上还连接有一D/A模块14，D/A模块14与一电流输出模块15连接；一模拟开关及处理电路21、一诊断A/D22串接在D/A模块14与单片机11之间，诊断A/D22同时与信号处理电路12连接；一带时窗开看门狗23连接在单片机11与电流输出模块15之间。
本发明的单片机11上连接有一显示装置、一显示灯、一按键33。
进一步的，显示装置包括配置界面31，显示灯为LCD32。
本发明的信号处理电路12包括：RC滤波网络、EMC保护电路、TC传感器、RTD输入选择网络，其中，RC滤波网络实现mv信号的信号滤波，EMC保护电路提高传感器输入通道的EMC抗干扰能力，TC传感器/RTD 输入选择网络则用来配置传感器的输入方式，具体包括：热电偶TC输入，RTD 2线制输入，RTD 3线制输入。
本发明的主采样A/D13包括：24位A/D，主采样A/D还包括：两路激励电流，两路激励电流用来提供RTD 2线制/RTD 3线制所需要的激励电流。主采样A/D 主要用来采集传感器信号将模拟量mv值转换为数字量经SPI通讯传送给单片机（MCU）。
本发明的单片机11采用16位低功耗单片机。本发明的单片机主要包括安全功能和诊断功能：
安全功能：将A/D转换的数字量根据不同的传感器类型转换为温度信号。并将温度信号转换成4～20mA电流信号。
诊断功能：RAM诊断，ROM诊断，EEPROM诊断，堆栈诊断，PC指针诊断，指令诊断等。根据评估，MCU内部诊断方法可以达到90%以上诊断覆盖率。
本发明的D/A模块14内具有：电源模块、基准模块，电源模块主要将24V电源转换为系统所需要的3.3V电源给系统供电；基准用来给主采样A/D 提供基准电压；D/A模块将MCU提供的数字量转换为模拟量。
本发明的电流输出模块15具有一EMC抗干扰保护模块，电流输出是将模拟量转换为4～20mA电流输出，EMC抗干扰保护模块提供过/欠压保护，防反接保护，EMC抗干扰保护。
本发明的模拟开关处理电路21包括：传感器断线/短路诊断模块、3.3V电源电压过压/欠压保护模块。
本发明的诊断A/D22包括：主采样A/D故障诊断模块、D/A故障诊断模块、TC冷端短路/断路/漂移诊断模块、RTD激励电流漂移诊断模块。
本发明的带时窗看门狗23包括：MCU无中断/连续中断模块、3.3V 电源故障模块、4～20mA电流输出故障模块。进一步的，本发明的MCU无中断/连续中断模块还可以具有程序程序无法顺序执行诊断功能。
本发明公开的功能安全温度变送器是全国首个通过TUV功能安全认证的产品，对于我国的国民经济发展和国家战略安全具有积极作用。
Claims (10)
1.一种功能安全温度变送器，其特征在于，包括：一单片机，一信号处理电路与一主采样A/D连接，所述主采样A/D与所述单片机连接，所述单片机上还连接有一D/A模块，所述D/A模块与一电流输出模块连接；一模拟开关及处理电路、一诊断A/D串接在所述D/A模块与所述单片机之间，所述诊断A/D同时与所述信号处理电路连接；一带时窗开看门狗连接在所述单片机与电流输出模块之间。
2.根据权利要求1所述的功能安全温度变送器，其特征在于，所述单片机上连接有一显示装置、一显示灯、一按键。
3.根据权利要求1所述的功能安全温度变送器，其特征在于，所述信号处理电路包括：RC滤波网络、EMC保护电路、TC传感器、RTD输入选择网络。
4.根据权利要求1所述的功能安全温度变送器，其特征在于，所述主采样A/D包括：24位A/D，所述主采样A/D还包括：两路激励电流。
5.根据权利要求1所述的功能安全温度变送器，其特征在于，所述单片机采用16位低功耗单片机。
6.根据权利要求1所述的功能安全温度变送器，其特征在于，所述D/A模块内具有：电源模块、基准模块。
7.根据权利要求1所述的功能安全温度变送器，其特征在于，所述电流输出模块具有一EMC抗干扰保护模块。
8.根据权利要求1所述的功能安全温度变送器，其特征在于，所述模拟开关处理电路包括：传感器断线/短路诊断模块、3.3V电源电压过压/欠压保护模块。
9.根据权利要求1所述的功能安全温度变送器，其特征在于，所述诊断A/D包括：主采样A/D故障诊断模块、D/A故障诊断模块、TC冷端短路/断路/漂移诊断模块、RTD激励电流漂移诊断模块。
10.根据权利要求1所述的功能安全温度变送器，其特征在于，所述带时窗看门狗包括：MCU无中断/连续中断模块、3.3V 电源故障模块、4～20mA电流输出故障模块。
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