CN105137966B - 一种开关量输出通道检测方法和结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种开关量输出通道检测结构及检测方法，该结构包括：开关量输出通道、输出开关、安全开关和电源，其中，所述安全开关设置在所述电源和所述输出开关之间，所述开关量输出通道的输出端连接所述输出开关。当检测到开关量输出通道内部或外部发生故障后，控制安全开关断开，如此就能将故障与开关量输出通道隔离，从而使开关量输出通道处于安全状态，提高整个安全仪表系统的故障处理能力和安全性。

Description

一种开关量输出通道检测方法和结构

技术领域

本发明涉及安全仪表系统技术领域，尤其涉及一种开关量输出通道检测方法和结构。

背景技术

目前，SIS(Safety Instrumented System)安全仪表系统，广泛应用于石油、化工等大型过程控制领域，但作为一种高度可靠的安全保护设施，其它行业也有较多应用，包括核电、航空、舰船、高速铁路等系统。它是一种可对石油化工等生产装置可能发生的危险或不采取措施将继续恶化的状态进行及时响应和保护的可编程控制系统，它可使生产装置进入一个预定义的安全停车工况(即输出通道处于断开状态)，从而使危险降低到可以接受的最低程度，保证人员、设备处于安全的状态。

开关量输出通道作为SIS系统中最重要的一个输出组件，通常开关量输出通道主要有多个开关管构成的硬件表决电路实现，硬件表决电路结构通常采用三重化表决结构，即2oo3结构。

现有技术中对开关量输出通道的检测方法中，在检测到输出通道发生故障后，不能对故障采取隔离措施，比如，现有技术的检测方法能够检测到输出通道控制的输出开关发生粘连失效，但是却无法断开输出通道，从而导致现场发生危险。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种开关量输出通道检测结构和方法，以在检测到输出通道发生故障后，能够对故障采取隔离措施，进而提高开关量输出通道的安全性。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种开关量输出通道检测结构，包括：开关量输出通道、输出开关、安全开关和电源，其中，所述安全开关设置在所述电源和所述输出开关之间，所述开关量输出通道的输出端连接所述输出开关。

可选地，所述结构还包括：数据选择器，所述数据选择器的输出端连接所述安全开关。

可选地，所述数据选择器的地址输入端连接所述开关量输出通道的输出端；

所述数据选择器的数据输入端的逻辑电平与所述开关量输出通道的真值表的控制结果对应；

所述数据选择器的输出端选通与所述地址输入端接入的逻辑变量对应的数据输入端。

可选地，所述开关量输出通道和所述输出开关构成2oo3硬件表决电路。

可选地，所述开关量输出通道包括第一开关量输出通道、第二开关量输出通道和第三开关量输出通道，所述输出开关包括第一输出开关、第二输出开关、第三输出开关和第四输出开关，其中，所述第一输出开关和第二输出开关串联形成第一输出开关支路，所述第三输出开关和第四输出开关串联形成第二输出开关支路，所述第一输出开关支路和所述第二输出开关支路并联，所述第一开关量输出通道控制所述第一输出开关和第三输出开关，所述第二开关量输出通道控制所述第一输出开关和第四输出开关，所述第三开关量输出通道控制所述第二输出开关。

一种开关量输出通道检测方法，包括：

开关量输出通道的输入端接收初始控制信号，将所述初始控制信号转换为用于控制输出开关的驱动信号；

利用所述驱动信号控制所述输出开关；

检测输出开关的控制结果；

根据所述驱动信号和所述驱动信号对应的输出开关的控制结果检测开关量输出通道是否故障，如果是，控制安全开关断开。

可选地，所述根据所述驱动信号和所述驱动信号对应的所述输出开关的控制结果检测开关量输出通道是否故障，如果是，控制安全开关断开，具体包括：

根据所述驱动信号和所述驱动信号对应的所述输出开关的控制结果检测开关量输出通道是否故障，如果是，判断所述故障是否为严重故障，如果是，控制安全开关断开；

所述严重故障为任意改变驱动信号，输出开关的控制结果始终处于ON状态。

可选地，所述判断所述故障是否为严重故障，如果否，控制安全开关的状态保持不变。

可选地，所述驱动信号为多个，所述根据所述驱动信号和所述驱动信号对应的输出开关的控制结果检测开关量输出通道是否故障，具体包括：

判断每个所述驱动信号对应的输出开关的控制结果是否与开关量输出通道的真值表中的与所述驱动信号相同的驱动信号对应的输出开关的控制结果是否一致；

当至少一个驱动信号对应的输出开关的控制结果与开关量输出通道的真值表中的与所述至少一个驱动信号对应的输出开关的控制结果不一致时，则确定所述开关量输出通道发生故障。

可选地，所述检测输出开关的控制结果，具体包括：

检测在所述驱动信号的控制下所述输出开关下游的电压；

比较检测得到的电压与阈值电压的关系，当所述检测得到的电压大于等于阈值电压时，输出开关的控制结果为“1”，当所述检测得到的电压小于阈值电压时，输出开关的控制结果为“0”。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的开关量输出通道的检测结构中，在电源和输出开关之间设置有安全开关，当检测到开关量输出通道内部或外部发生故障后，控制安全开关断开，如此就能将故障与开关量输出通道隔离，从而使开关量输出通道处于安全状态，提高整个安全仪表系统的故障处理能力和安全性。

附图说明

为了清楚地理解本发明的具体实施方式，下面将描述本发明具体实施方式时用到的附图作一简要说明。显而易见地，这些附图仅是本发明的部分实施例，本领域技术人员在未付出创造性劳动的前提下还可以获得其它附图。

图1是本发明实施例一提供的开关量输出通道检测结构的一种结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的开关量输出通道检测结构的另一种结构示意图；

图3是本发明实施例一提供的开关量输出通道检测结构的又一种结构示意图；

图4是本发明实施例二提供的开关量输出通道检测方法的流程示意图；

图5是本发明实施例三提供的开关量输出通道检测方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术手段和有益效果更加清楚完整，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述。

实施例一

图1是本发明实施例一提供的开关量输出通道检测结构的示意图。如图1所示，本发明实施例提供的开关量输出通道检测结构包括：

开关量输出通道11、输出开关K、安全开关K0和电源PW1，其中，电源PW1与输出开关K连接，所述安全开关K0设置在所述电源PW1和所述输出开关K之间，所述开关量输出通道11的输出端连接所述输出开关K，以使所述开关量输出通道11输出的驱动信号控制所述输出开关K的关断和闭合。输出开关K输出到现场负载R。

需要说明的是，在本发明实施例中，开关量输出通道11可以为单输出通道，其控制的输出开关K也为一个。此外，开关量输出通道11也可以为多输出通道，其控制的输出开关K可以为多个。

而且，作为SIS系统中最主要的一个输出组件，开关量输出通道通常由多个开关管构成的硬件表决电路实现，该硬件表决电路结构通常采用三重化表决结构，即2oo3结构。所述2oo3结构为三通道表决结构，只要其中2个通道正常就能保证安全仪表系统的安全功能。此外，开关量输出通道11也可以为其它表决结构，如1oo2表决结构。由于开关量输出通道11的表决结构不属于本发明的发明点，所以在此不再详细描述。

作为示例，当图1所示的开关量输出通道11为三重化表决结构如2oo3结构时，上述所述的开关量输出通道的检测结构示意图如图2所示。图2所示的开关量输出通道检测结构包括：

电源PW1、安全开关K0、第一开关量输出通道A、第二开关量输出通道B、第三开关量输出通道C、第一输出开关K1、第二输出开关K2、第三输出开关K3和第四输出开关K4；其中，第一输出开关K1和第二输出开关K2串联形成第一输出开关支路。第三输出开关K3和第四输出开关K4串联形成第二输出开关支路，其中，第一输出开关支路和第二输出开关支路并联连接，所述安全开关K0设置在第一输出开关支路与第二输出开关支路并联的总路上，并且，安全开关K0设置在电源PW1和总路之间。4个输出开关K1至K4构成2oo3硬件表决电路输出到现场负载。

在本发明实施例中，第一开关量输出通道A的输出端连接第一输出开关K1和第三输出开关K3，第二开关量输出通道B的输出端连接第一输出开关K1和第四输出开关K4，第三开关量输出通道C的输出端连接第二输出开关K2。即，所述第一开关量输出通道A输出的驱动信号控制所述第一输出开关K1和第三输出开关K3，所述第二开关量输出通道B的驱动信号控制所述第一输出开关K1和第四输出开关K4，所述第三开关量输出通道C的驱动信号控制所述第二输出开关K2。因此，在本发明实施例中，第一输出开关K1同时由第一开关量输出通道A和第二开关量输出通道B共同控制，其可以通过两个二极管并联实现或逻辑，即只要第一开关量输出通道A和第二开关量输出通道B有一个输出信号“1”，第一输出开关K1就处于闭合状态。

此外，在本发明实施例中，安全开关K0的关断与闭合可以由逻辑表决进行控制。为了实现安全开关通过逻辑表决进行控制，在上述图1或图2所示的开关量输出通道检测结构中，还可以包括数据选择器。作为示例，图3示出了在图2所示的开关量输出通道的检测结构的基础上增设数据选择器的结构示意图。图3所示的开关量输出通道的检测结构除了具有图2所示的各个结构以外，还可以包括数据选择器U1，其中，数据选择器U1的输出端连接安全开关K0，即数据选择器U1的输出信号控制安全开关K0。当数据选择器U1的输出端Y输出的信号为“1”时，控制安全开关K0闭合，安全仪表系统能够正常工作，当数据选择器U1的输出端Y输出的信号为“0”时，控制安全开关K0断开，安全仪表系统停止工作。

可选地，数据选择器U1的地址输入端A’、B’、C’分别连接第一开关量输出通道A、第二开关量输出通道B和第三开关量输出通道C的输出端；数据选择器U1的数据输入端D0至D7的逻辑电平固定，其与开关量输出通道的真值表的控制结果对应；数据选择器的输出端Y选通与所述地址输入端A’、B’、C’接入的逻辑变量对应的数据输入端。

在图2或图3所示的开关量输出通道检测结构中，一共有三个开关量输出通道，这三个开关量输出通道的输出逻辑变量共有8种组合，这8种逻辑变量的组合对应8种输出开关的输出状态，具体如表1所示。表1为开关量输出通道的真值表。所述真值表是表示逻辑变量取值对控制结果的状态表。换句话说，真值表是表征逻辑事件输入和输出之间全部可能状态的表格。在本发明实施例中，开关量输出通道的真值表是开关量输出通道的所有驱动信号和该所有驱动信号对应的输出开关的控制结果的状态表。

当在输出开关的下游检测点S处检测该检测点上的检测信号时，可以得到开关量输出通道的8种逻辑变量组合对应的控制结果，具体如表1所示。

表1输出真值表

需要说明的是，在本发明实施例中，检测点S处的检测信号具体为该检测点处的检测电压。当输出开关的输出状态为闭合状态时，检测点S处的检测电压＝电源PM1的电压电压-输出开关上的压降，又因为输出开关的输出状态为闭合状态时，输出开关上的压降很小，所以，此时检测点S处的检测电压约等于电源电压，对应的检测信号为“1”。当输出开关的输出状态为断开状态时，输出开关上的压降很大，接近电源电压，此时检测点S处的检测电压约等于0，对应的检测信号为“0”。在本发明实施例中，设定一阈值电压，当检测点S处的检测电压大于阈值电压时，对应的检测信号为“1”，当检测点S处的检测电压小于阈值电压时，对应的检测信号为“0”。举例来说，当电源PW1的电压为24V时，设置阈值电压为20V。

另外，由于数据选择器U1的数据输入端D0至D7的逻辑电平固定，其与开关量输出通道的真值表的控制结果对应，所以，数据选择器U1的数据输入端D0至D7的逻辑电平与表1中的CHK对应，数据选择器U1的数据输入端D0至D7的逻辑电平依次分别为0、0、0、1、0、1、1、1。

此外，又由于数据选择器U1的输出端Y选通与所述地址输入端A’、B’、C’接入的逻辑变量对应的数据输入端，所以，当数据选择器U1的地址输入端A’、B’和C’连接表1中的序号1对应的输出状态时，输出端Y选通数据输出端D0，当数据选择器U1的地址输入端A’、B’和C’连接表1中的序号2对应的输出状态时，输出端Y选通数据输出端D1，依次类推，最终得到数据选择器U1的逻辑表，如表2所示。

表2数据选择器的逻辑表

基于上述图1至图3所示的开关量输出通道检测结构，本发明实施例还提供了检测开关量输出通道是否发生故障的方法。具体参见实施例二。

实施例二

图4是本发明实施例二提供的开关量输出通道检测方法流程示意图。如图4所示，其包括以下步骤：

S401、开关量输出通道的输入端接收初始控制信号，将所述初始控制信号转换为用于控制输出开关的驱动信号：

开关量输出通道的输入端接收微处理器MCU发出的初始控制信号，开关量输出通道利用内部的电路将所述初始控制信号转换为用于控制输出开关的驱动信号。

S402、利用所述驱动信号控制所述输出开关：

S403、检测输出开关的控制结果：

作为本发明的一个具体实施例，所述检测输出开关的控制结果具体为：检测在所述驱动信号的控制下输出开关下游的电压；比较输出开关下游的电压与阈值电压的关系；根据输出开关下游的电压和阈值电压的关系确定输出开关的控制结果。具体地，当输出开关下游的电压大于等于阈值电压时，输出开关的控制结果为“1”，当输出开关下游的电压小于阈值电压时，输出开关的控制结果为“0”。其中，阈值电压＝电源电压-输出开关上的压降。在本发明实施例中，输出开关下游的电压即为检测点S处的电压。

当输出开关的控制结果为“1”时，负载处于得电状态，当输出开关的控制结果为“0”时，负载处于失电状态。

S404、根据所述驱动信号和所述驱动信号对应的输出开关的控制结果判断开关量输出通道是否故障，如果是，执行步骤S405：

需要说明的是，本发明实施例可以采用本领域常用的技术手段检测开关量输出通道是否发生故障，如采样输出通道中的电流值，或者通过回读输出通道的电压来判断输出通道内部或外部是否发生故障。此外，本发明实施例还可以采用开关量输出通道的真值表来检测开关量输出通道内部或外部是否发生故障。本发明实施例所述的开关量输出通道的真值表如表1所示。

通过比对检测过程中的驱动信号和真值表中与之相同的驱动信号对应的输出开关的控制结果是否相同来检测开关量输出通道是否发生故障，当检测过程中的所有驱动信号和真值表中与之相同的驱动信号对应的输出开关的控制结果相同时，则说明开关量输出通道没有发生故障，如果检测过程中的至少一个驱动信号和真值表中与之相同的驱动信号对应的输出开关的控制结果不同时，则说明开关量输出通道发生故障。

举例来说，当第三输出开关K3和第四输出开关K4发生粘连故障，即K3和K4始终处于闭合状态(ON状态)，检测表1中的序号1，将第一开关量输出通道A、第二开关量输出通道B和第三开关量输出通道C的驱动信号分别设置为0、0、0，由于K3和K4始终处于闭合状态，因此，虽然三个开关量输出通道的驱动信号均为0，但是检测点S处的检测信号却为“1”。而在真值表中对应的检测信号为“0”，因而该检测结果表明开关量输出通道发生了故障。该示例的检测结果如表3所示。

表3检测序号1检测结果

检测序号	Output A	Output B	OutputC	Output A+B	CHK
						1	0	0	0	0	1

需要说明的是，由于开关量输出通道输出的驱动信号为多个，在上述实施例所述的检测方法中，当采用开关量输出通道的真值表来检测开关量输出通道内部或外部是否发生故障时，通常需要检测真值表中所有的驱动信号，这样才能将开关量输出通道内部或外部是否发生故障检测彻底。举例来说，当真值表如表1所示时，需要检测8组驱动信号对应的控制结果，即表1中检测序号1～8对应的驱动信号对应的CHK信号。

当检测过程中的至少一个驱动信号对应的输出开关的控制结果与真值表中的与所述检测过程中的至少一个驱动信号对应的输出开关的控制结果不一致时，则确定所述开关量输出通道发生故障。只有当检测过程中的所有驱动信号对应的输出开关的控制结果均与真值表中的与检测过程中所有驱动信号对应的输出开关的控制结果一致时，才表明开关量输出通道未发生故障。

S405、控制安全开关断开：

为了将输出通道与故障隔离开来，提高输出通道的安全性，当输出通道发生故障后，控制安全开关断开，从而将电源与开关量输出通道个输出开关断开，因而将开关量输出通道断开，如此即可实现当输出通道发生故障后，断开输出通道，从而使输出通道处于安全状态，即输出开关处于断开状态。

如上所述，安全开关可以由逻辑表决控制。因此，安全开关的断开可以通过逻辑表决控制。

当安全开关由图3所示的数据选择器U1的输出端控制时，此时，数据选择器U1的地址输入端A’、B’和C’分别接入第一开关量输出通道A、第二开关量输出通道B和第三开关量输出通道C的输出端，从而实现三个开关量输出通道分别向三个地址输入端发送驱动信号0、0、0，数据选择器U1的输出端Y选通D0通道，即Y＝D0＝0，控制安全开关K0断开。

以上为本发明实施例提供的开关量输出通道检测结构及检测方法。通过该实施例提供的开关量输出通道检测方法，当开关量输出通道发生故障后，断开安全开关，从而使开关量输出通道处于安全的OFF状态，进而提高整个安全仪表系统的安全性。

此外，在开关量输出通道所在的电路中，当开关量输出通道发生轻度故障后，开关量输出通道所在的电路还可以继续使用。因此，为了提高开关量输出通道所在电路的可用性，只有在确定开关量输出通道发生的故障为严重故障时，才断开安全开关。为此，本发明实施例还提供了开关量输出通道检测方法的另一种实施方式，具体实施例二。

实施例二

图5是本发明实施例二提供的开关量输出通道检测方法流程示意图。如图5所示，该检测方法包括以下步骤：

步骤S501至步骤是S504与步骤S401至步骤S404相同，为了简要起见，在此不再详细描述，具体参见步骤S401至步骤S404的相关描述。

S505、判断开关量输出通道存在的故障是否为严重故障，如果是，执行步骤S506，如果否，执行步骤S507：

需要说明的是，在本发明实施例中，严重故障是指任意改变开关量输出通道的逻辑变量，即任意改变驱动信号，由开关量输出通道控制的输出开关的控制结果始终处于ON状态。此时，位于输出开关下游的负载始终处于得电状态。

举例来说，当第三输出开关K3和第四输出开关K4发生粘连后，不管如何改变三个开关量输出通道输出的驱动信号，检测点S处的检测信号CHK始终为“1”。此时，开关量输出通道存在的故障为严重故障。

S506、控制安全开关断开：

当开关量输出通道存在的故障为严重故障时，控制安全开关断开，以将开关量输出通道与故障隔离开来，以此提高开关量输出通道的安全性。

S507、控制安全开关的状态保持不变。

通过实施例二所述的开关量输出通道的检测方法只有在开关量输出通道内部或外部存在的故障为严重故障时，才会控制安全开关断开，如此，提高安全仪表系统的安全性，并且当开关量输出通道内部或外部存在的故障为轻度故障时，不会影响开关量输出通道所在电路的可用性，因此，此时，可以控制安全开关的状态保持不变，由此提高开关量输出通道所在电路的可用性。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (3)

1.一种开关量输出通道检测结构，其特征在于，包括：开关量输出通道、输出开关、安全开关和电源，其中，所述安全开关设置在所述电源和所述输出开关之间，所述开关量输出通道的输出端连接所述输出开关；

所述结构还包括：数据选择器，所述数据选择器的输出端连接所述安全开关；所述数据选择器的地址输入端连接所述开关量输出通道的输出端；

所述数据选择器的数据输入端的逻辑电平与所述开关量输出通道的真值表的控制结果对应；

所述数据选择器的输出端选通与所述地址输入端接入的逻辑变量对应的数据输入端。

2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述开关量输出通道和所述输出开关构成2oo3硬件表决电路。

3.根据权利要求2所述的结构，其特征在于，所述开关量输出通道包括第一开关量输出通道、第二开关量输出通道和第三开关量输出通道，所述输出开关包括第一输出开关、第二输出开关、第三输出开关和第四输出开关，其中，所述第一输出开关和第二输出开关串联形成第一输出开关支路，所述第三输出开关和第四输出开关串联形成第二输出开关支路，所述第一输出开关支路和所述第二输出开关支路并联，所述第一开关量输出通道控制所述第一输出开关和第三输出开关，所述第二开关量输出通道控制所述第一输出开关和第四输出开关，所述第三开关量输出通道控制所述第二输出开关。