CN105116833A - 一种基于双机冗余策略的超高压电源测控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双机冗余策略的超高压电源测控系统及方法，包括双控制器冗余模块、联锁保护模块、高压采样模块、光电隔离模块、测量转换模块、远程/本地双模式监控系统。电源测控系统工作时，两个控制器通过时钟信号及通讯处理程序与故障诊断模块进行实时对话，故障诊断模块根据预设的逻辑程序自动地选择优先的或有效的控制器对电源系统进行实时监测与控制。在紧急情况下控制器通过保护电路触发联锁装置对高压电源停机。高压采样与测量转换两个模块通过光电隔离模块进行信号隔离。远程监测系统与控制器之间采用百兆以太网通讯。本发明有效地改善超高压电源的高可用性与高安全性，为强流氘氚聚变中子源的高压加速器稳定运行提供了可靠的技术保障。

Description

一种基于双机冗余策略的超高压电源测控系统及方法

技术领域

本发明属于高能物理装置特种超高压直流电源技术领域，特别是涉及一种基于双机冗余策略的超高压电源测控系统及方法。

背景技术

随着核科学与技术的发展，以加速器为代表的高能物理装置成为国内外科学家探索神奇的物理世界不可或缺的设备。高压倍压加速器作为强流氘氚聚变中子源的离子能量增强器，利用倍压整流电路产生的直流高电压加速氘离子。高压加速器的核心供电装置是一台特种超高压直流电源。该电源输出电压高，输出电流特大，对稳定度、动态响应及纹波要求特别高。由于电源各部件工作在一个高电压、强电磁干扰的环境中，提高电源测控系统的高可用性与高安全性，使操作员准确稳定地测量与控制电源的安全运行是一项非常重要工作，可以极大程度地避免操作事故的发生和财产的损失。另外，高压电源常规的控制系统一般采用单控制器对电源工作过程中的参数进行采集和控制，控制系统的通讯接口采用0-10V或4-20mA的模拟量进行远程通讯，这种通讯方式抗干扰能力比较差。另外，在监控软件的设计和开发上，不能根据用户的实际需求灵活配置。

专利“一种除尘用高频高压电源的充放电控制系统及方法”(201310495700.8)，其控制系统通过RS485总线与高频高压电源相连，采用手操器控制高频高压电源的充放电过程；专利“高压电源控制系统和无线控制器及其方法”(200610111880.5)，利用无线联网技术来控制并监视高压测试设备，从而为高压测试模块提供完全电流隔离的控制方式；专利“基于MCU和FPGA的PSM高压电源控制系统”(201410424491.2)，MCU逻辑控制器和FPGA脉冲控制器与基于PSM技术的高压电源系统部件之间采用光纤连接，MCU逻辑控制器和FPGA脉冲控制器执行外部信号指令并根据上位机控制系统输入的电源运行；专利“用于静电除尘器的三相高压电源控制系统”(201320509648.2)，采用可控硅与单片机相结合的方式，连接整流升压变压器与变压器取样板，控制高压电源的输入与输出。

上述4项专利，均不具备本发明所述的一种基于双机冗余策略的超高压电源测控系统及方法的特征。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：针对超高压电源这类特种装置，在强高压与强电磁环境下，电源的测量与控制系统容易受到干扰而出现故障。本发明提供了一种基于双机冗余策略的超高压电源测控系统及方法，利用双控制器冗余模块根据电源实际工况对控制器自主选择以及智能切换，有效地提高电源测量与控制系统的高可用性与高安全性。

本发明解决其技术问题的技术方案是：一种基于双机冗余策略的超高压电源测控系统，包括双控制器冗余模块、联锁保护模块、高压采样模块、光电隔离模块、测量转换模块、远程/本地双模式监控系统，其中：

所述的双控制器冗余模块包括两套性能稳定的不同的工业级可编程控制器和故障诊断模块，控制器采用标准模块化结构，故障诊断模块用于监测两套控制器的状态，并根据预设的逻辑程序自动地选择优先的或有效的控制器对电源系统进行实时监测与控制；

所述的联锁保护模块采用失效导致安全和最优切断的设计原理，控制器中分配有专用的电源状态监测区，实时监测高压电源的过压、过流、过温、打火等状态，在电源处于异常工况时，通过驱动保护电路为联锁装置提供一个无源触点信号，使电源及时停机，进入保护状态。

所述的高压采样模块用于为高压电源测控系统提供指示、测量及反馈的电路信号，采用抗电磁干扰能力比较强的机械式传感器，将采集到的高压电源各种参数转换为机械体本身的弹性形变，并通过相应的变送器转换成各种电信号。

所述的光电隔离模块利用电-光-电信号单向传输的光耦原理，将高压采样模块和测量转换模块完全电气隔离。高压采样、光电隔离与测量转换三个模块间通过多芯屏蔽电缆通讯，屏蔽电缆的金属屏蔽网与地良好接触。

所述的测量转换模块将光电隔离模块输出的各种电信号进行运算和滤波处理，转换为控制器可接受的模拟量信号或数字量信号，或者将控制器输出的控制量通过执行器或变送器驱动高压电源执行相应的动作。

其中，所述的故障诊断模块用于监测两套控制器的状态，并根据预设的逻辑程序自动地选择优先的或有效的控制器对电源系统进行实时监测与控制。故障诊断模块以软件的形式下载到两套控制器中，由时钟信号决策程序、通讯处理程序以及自主切换逻辑程序组成。时钟信号决策程序通过读取每套控制器CPU的时钟信号，并结合相应的判决条件判断该套控制器的异常工况。通讯处理程序通过相应的函数将正在工作的控制器每次循环运算后的信息发送给冗余的控制器，冗余的控制器将接收到的数据与监控系统传递的数据通过相应的函数进行循环比较运算。时钟信号决策程序与通讯处理程序的处理结果通过“或”逻辑作为自主切换逻辑程序的使能信号。

其中，所述的远程监控系统包含工业计算机以及专用的监控软件，监控软件由应用层、变量管理层和通信层组成。远程监控软件应用层通过可视化的监控界面实现人机对话，包括电源启停区、电压电流数字与趋势显示区、电源状态显示区、故障报警记录区等，变量管理层将高压电源需要监控的参数变量按一定的规则进行命名与数据归档，通信层通过通讯驱动软件实现上位机与控制器的远程通讯，采用基于TCP/IP协议的百兆以太网；

所述的本地监控系统的仪表与开关根据人因工程学原理布局在控制柜的操作面板上，电源的本地启动、停止等操作采用性能良好的灭弧开关，本地仪表采用四位半的数显。

其中，控制器采用标准模块化结构，由CPU、存储模块、I/O模块以及通信模块组成，各种模块相互独立，安装在固定的机架上，通过背板总线构成一个完整的信号处理系统。控制器用于采集电源系统的运行数据，进行必要的转换和运算后传送到监控系统，同时接受监控系统发送的命令，按照控制策略计算出控制量送至电源系统中。

本发明还提供一种基于双机冗余策略的超高压电源测控方法，其特征在于实现步骤如下：

S1：控制器1接收监控系统的指令，执行相应的运算，将运算结果写入输出数据缓存区；

S2：测量转换模块与联锁保护模块根据输出数据缓存区的信息执行相应的动作；

S3：故障诊断模块根据预设的逻辑程序自动地选择优先的控制器1。如果当前运行的控制器无故障，则直接执行步骤S5，如果当前运行的控制器有故障，则执行步骤S4；

S4：故障诊断模块根据S3的执行结果，提供一个使能信号，电源监控系统自动切换到控制器2；测量转换模块将光电隔离后的采样数据进行运算和滤波处理，转换为控制器2可接受的模拟量信号或数字量信号，写入控制器的输入数据缓存区；控制器2读取输入数据缓存区信息，根据预设的程序运算后写入输出数据缓存区，同时根据每个物理参数对应的链接变量发送到监控系统供工作人员进行可视化操作或数据归档；执行步骤S7；

S5：测量转换模块将光电隔离后的采样数据进行运算和滤波处理，转换为控制器1可接受的模拟量信号或数字量信号，写入控制器的输入数据缓存区；

S6：控制器1读取输入数据缓存区信息，根据预设的程序运算后写入输出数据缓存区，同时根据每个物理参数对应的链接变量发送到监控系统供工作人员进行可视化操作或数据归档；执行步骤S7；

S7：结束。

本发明与现有技术相比的优点在于:本发明控制系统基于双机冗余策略,两个控制器通过时钟信号及通讯处理程序与故障诊断模块进行实时对话，故障诊断模块根据预设的逻辑程序自动地选择优先的或有效的控制器对电源系统进行实时监测与控制。

附图说明

图1是本发明基于双机冗余策略的超高压电源测控系统的功能框图；

图2是本发明基于双机冗余策略的超高压电源测控系统的人机界面示意图；

图3是本发明基于双机冗余策略的超高压电源测控系统的软件架构；

图4是本发明基于双机冗余策略的超高压电源测控系统的工作流程图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更换的理解本发明，下面将结合本发明中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

实施例1：

使用基于双机冗余策略的超高压电源测控系统及方法，完成控制器1正常工作时，测控系统的处理过程。

如图1所示，本发明包括双控制器冗余模块、联锁保护模块、高压采样模块、光电隔离模块、测量转换模块、远程/本地双模式监控系统；

操作员在远程监控模式下登录操作界面，如图2所示，根据电源的运行需求进行相应的参数设置；

监控软件通过可视化的监控界面实现人机对话；

电源启停区用于控制电源的启动或停止；

电压电流的反馈值通过数字和趋势两种形式展示给操作员；

电源状态显示区实时显示高压电源的正常、过压、过流、过温、打火等状态；

故障诊断显示区实时显示电源操作过程中的故障信息和报警记录；

测控系统运行时，每一个处理进程都由相应的程序模块执行，电源测控系统的软件架构如图3所示；

监控系统的程序接收操作指令，实时将操作指令通过通讯驱动程序写入下位机控制系统；

下位机控制系统反馈的现场参数进行显示和归档，变量管理层将高压电源需要监控的参数变量按一定的规则进行命名与归档；

通讯驱动程序以基于TCP/IP协议的百兆以太网为介质，实现监控系统与控制器的远程通讯；

测控系统工作流程图如图4所示，系统上电后测控系统首先进行通讯自检操作，自检结束后如果系统正常，则进行下面的进程，如果系统出现故障，则将自检信息返回到操作界面，提示操作人员进行断电检修；

测控系统工作时，故障诊断模块根据预设的故障判决条件，判断各控制器的状态，如果控制器1状态正常，则测控系统优先选择控制器1执行监控系统发送的指令；

在控制器1正常工作时，时钟信号决策程序不断读取其CPU的时钟信号；

控制器1执行操作指令相应的进程，并将运算结果写入输出数据缓存区；

通讯处理程序通过相应的函数将控制器1每次循环运算后的信息发送给冗余的控制器2；

电源状态监测区实时监测高压电源的过压、过流、过温、打火等状态,并将状态信号传送到监控系统和联锁保护程序块；

如果电源出现过压、过流、过温、打火等现象，驱动保护电路为联锁装置提供一个无源触点信号，使电源及时停机；

测控系统将输出数据缓存区的数据通过执行器或变送器驱动高压电源执行相应的动作；

在操作过程中，如果控制器1无故障，测控系统循环执行相应的进程。

实施例2：

使用基于双机冗余策略的超高压电源测控系统及方法，当控制器1出现故障，或者在处理操作指令的进程中出现故障时，测控系统将执行以下工作过程。

操作员登录监控系统，测控系统工作流程图如图4所示，系统上电后测控系统自检正常；

测控系统工作时，故障诊断模块根据预设的故障判决条件，判断各控制器的状态，如果控制器1状态异常，则测控系统自主切换到控制器2执行监控系统发送的指令；

控制器2执行操作指令相应的进程，并将运算结果写入输出数据缓存区；

如果控制器1状态开始工作时正常，测控系统自主切换到控制器1执行监控系统发送的指令，时钟信号决策程序不断读取其CPU的时钟信号，同时通讯处理程序通过相应的函数将控制器1每次循环运算后的信息发送给冗余的控制器2；

在处理数据的过程中，如果时钟信号决策程序读取的控制器1的CPU时钟信号出现异常，或者控制器2将接收到的数据与监控系统传递的数据通过函数运算后结果偏差太大，测控系统则自主切换到控制器2继续执行监控系统发送的指令。

本发明中涉及到的本领域公知技术未详细阐述。

Claims (5)

1.一种基于双机冗余策略的超高压电源测控系统，其特征在于：包括双控制器冗余模块、联锁保护模块、高压采样模块、光电隔离模块和测量转换模块，其中：

所述的双控制器冗余模块包括两套性能稳定的不同的工业级可编程控制器和故障诊断模块，控制器采用标准模块化结构，故障诊断模块用于监测两套控制器的状态，并根据预设的逻辑程序自动地选择优先的或有效的控制器对电源系统进行实时监测与控制；

所述的联锁保护模块根据控制器对高压电源过压、过流、过温、打火运行状态的监测结果，驱动保护电路为联锁装置提供一个无源触点信号，在电源处于异常工况时及时停机，进入保护状态；

所述的高压采样模块用于为高压电源测控系统提供指示、测量及反馈的电路信号，采用抗电磁干扰能力比较强的耐高压机械式传感器，将采集到的高压电源各种参数转换为机械体本身的弹性形变，并通过相应的变送器转换成测量转换模块可接受的电信号；

所述的光电隔离模块将高压采样模块和测量转换模块完全电气隔离，防止测量转换模块以及控制器被高压损坏；

所述的测量转换模块将光电隔离模块输出的各种电信号进行运算和滤波处理，转换为控制器可接受的模拟量信号或数字量信号，另一方面将控制器输出的控制量通过执行器或变送器驱动高压电源执行相应的动作。

2.根据权利要求1所述的一种基于双机冗余策略的超高压电源测控系统，其特征在于：所述的故障诊断模块以软件的形式下载到两套控制器中，由时钟信号决策程序、通讯处理程序以及自主切换逻辑程序组成；时钟信号决策程序通过读取每套控制器CPU的时钟信号，并结合相应的判决条件判断该套控制器的异常工况；通讯处理程序通过相应的函数将正在工作的控制器每次循环运算后的信息发送给冗余的控制器，冗余的控制器将接收到的数据与监控系统传递的数据通过相应的函数进行循环比较运算；时钟信号决策程序与通讯处理程序的处理结果通过“或”逻辑作为自主切换逻辑程序的使能信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于双机冗余策略的超高压电源测控系统，其特征在于：该系统还包括远程/本地双模式监控系统，远程/本地双模式监控系统包括远程监控系统和本地监控系统，所述的远程监控系统包含工业计算机以及专用的监控软件，监控软件由应用层、变量管理层和通信层组成，远程监控软件应用层通过可视化的监控界面实现人机对话，包括电源启停区、电压电流数字与趋势显示区、电源状态显示区、故障报警记录区，变量管理层将高压电源需要监控的参数变量按一定的规则进行命名与数据归档，通信层通过通讯驱动软件实现上位机与控制器的远程通讯，采用基于TCP/IP协议的百兆以太网；

所述的本地监控系统的仪表与开关根据人因工程学原理布局在控制柜的操作面板上，电源的本地启动、停止操作采用性能良好的灭弧开关，本地仪表采用四位半的数显。

4.根据权利要求1所述的一种基于双机冗余策略的超高压电源测控系统，其特征在于：控制器采用标准模块化结构，由CPU、存储模块、I/O模块以及通信模块组成，各种模块相互独立，安装在固定的机架上，通过背板总线构成一个完整的信号处理系统，控制器用于采集电源系统的运行数据，进行必要的转换和运算后传送到监控系统，同时接受监控系统发送的命令，按照控制策略计算出控制量送至电源系统中。

5.一种基于双机冗余策略的超高压电源测控方法，其特征在于实现步骤如下：

S1：控制器1接收监控系统的指令，执行相应的运算，将运算结果写入输出数据缓存区；

S2：测量转换模块与联锁保护模块根据输出数据缓存区的信息执行相应的动作；

S3：故障诊断模块根据预设的逻辑程序自动地选择优先的控制器1；如果当前运行的控制器无故障，则直接执行步骤S5，如果当前运行的控制器1有故障，则执行步骤S4；

S4：故障诊断模块根据S3的执行结果，提供一个使能信号，电源监控系统自动切换到控制器2；测量转换模块将光电隔离后的采样数据进行运算和滤波处理，转换为控制器2可接受的模拟量信号或数字量信号，写入控制器的输入数据缓存区；控制器2读取输入数据缓存区信息，根据预设的程序运算后写入输出数据缓存区，同时根据每个物理参数对应的链接变量发送到监控系统供工作人员进行可视化操作或数据归档；执行步骤S7；

S5：测量转换模块将光电隔离后的采样数据进行运算和滤波处理，转换为控制器1可接受的模拟量信号或数字量信号，写入控制器的输入数据缓存区；

S6：控制器1读取输入数据缓存区信息，根据预设的程序运算后写入输出数据缓存区，同时根据每个物理参数对应的链接变量发送到监控系统供工作人员进行可视化操作或数据归档；执行步骤S7；

S7：结束。