CN107607826B

CN107607826B - 一种分布式控制系统io模块断线检测电路及其检测方法

Info

Publication number: CN107607826B
Application number: CN201710828220.7A
Authority: CN
Inventors: 徐瑞东; 池洪伟; 巩向信
Original assignee: ZHEJIANG ZHENGTAI ZHONGZI CONTROL ENGINEERING Co Ltd
Current assignee: ZHEJIANG ZHENGTAI ZHONGZI CONTROL ENGINEERING Co Ltd
Priority date: 2017-09-14
Filing date: 2017-09-14
Publication date: 2019-12-17
Anticipated expiration: 2037-09-14
Also published as: CN107607826A

Abstract

本发明公开了一种分布式控制系统IO模块断线检测电路及其检测方法，其技术方案要点是每个接口电路包括传感器、耦接于传感器的信号输入电路、以及耦接于信号输入电路的信号钳制电路；该信号输入电路基于控制电路的接口选择以将对应传感器的输出信号输出至控制电路，该信号钳制电路用于输出钳制信号至控制电路；控制电路基于接收的输出信号和钳制信号进行判断传感器是否处于正常工作状态；若是，将输出信号转换成当前输出值进行上传；若否，将预设的正常值代替输出信号转换成的当前输出值进行上传。当该IO模块断线检测电路检测到断线或短路故障时，会将传感器错误输出的当前输出值固定在一个预设的正常值上，以有效保证系统可靠地运行。

Description

一种分布式控制系统IO模块断线检测电路及其检测方法

技术领域

本发明涉及工业自动化控制领域，特别涉及一种分布式控制系统IO模块断线检测电路及其检测方法。

背景技术

DCS是分布式控制系统的英文缩写(Distributed Control System)，在国内自控行业又称之为集散控制系统。是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。

DCS是流程工业控制系统的核心，IO模块则相当于其手足，所有信号的输入及输出均是靠IO模块来实现的，如现场输入信号电缆出现断路或短路故障时，其输入信号将会出现错误，导致整个控制逻辑出现错误，而大多数的IO模块并不能判断出此信号是由于外界线路故障引起的，这便导致错误无法发现，直到其引起比较严重的后果后，才能通过逐一排查得到确定，而这将会给生产带来极大的安全隐患。为解决这一问题，在此提出一种分布式控制系统IO模块断线检测电路及其检测方法。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种分布式控制系统IO模块断线检测电路，具有提高系统运行可靠性的特点。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种分布式控制系统IO模块断线检测电路，应用于输入模块中，包括：

若干接口电路和控制电路；

每个接口电路包括传感器、耦接于传感器的信号输入电路、以及耦接于信号输入电路的信号钳制电路；该信号输入电路基于控制电路的接口选择以将对应传感器的输出信号输出至控制电路，该信号钳制电路用于输出钳制信号至控制电路；

控制电路基于接收的输出信号和钳制信号进行判断传感器是否处于正常工作状态；

若是，将输出信号转换成当前输出值进行上传；若否，将预设的正常值代替输出信号转换成的当前输出值进行上传。

优选的，所述传感器为热电阻传感器。

优选的，所述信号输入电路包括：

第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、二极管、开关管和恒流源；

接线输入端B耦接于传感器的一端，依次通过第三电阻、第二电阻耦接至接线输出端VXB，接线输出端VXB耦接于控制电路；

接线输入端C耦接于传感器的一端，依次通过第四电阻、第一电阻耦接至接线输出端VXC，接线输出端VXC耦接于控制电路；

接线输入端D耦接于传感器的另一端，通过第五电阻接地；其中，

开关管的栅极耦接于控制电路以接收控制电路所输出的接口选择的控制信号，开关管的漏极耦接于恒流源后耦接至第一电源电压，开关管的源极耦接于二极管的正极后耦接于第一电阻和第四电阻之间的连接点上。

优选的，所述信号钳制电路包括：

第六电阻，其一端耦接于第二电源电压，其另一端耦接于第一电阻和第四电阻之间的连接点上；

第七电阻，其一端耦接于第二电源电压，其另一端耦接于第二电阻和第三电阻之间的连接点上。

优选的，所述第二电源电压为-0.7V。

优选的，所述控制电路包括：

从控制器，具有输入端和输出端，其输入端通过数模转换器耦接于模拟开关后耦接于若干接口电路以接收相应的输出信号和钳制信号进行判断，将输出信号转换成当前输出值；

主控制器，具有输入端和输出端，其输入端耦接于从控制器的输出端以接收当前输出值，其输出端上耦接有通讯电路以将当前输出值上传。

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种分布式控制系统IO模块断线检测方法，具有提高系统运行可靠性的特点。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种分布式控制系统IO模块断线检测方法，包括如下步骤：

建立接口电路中传感器工作状态的判断公式；

获取接口电路中信号输入电路根据传感器输出的输出信号、以及信号钳制电路输出的钳制信号，其中，输出信号包括接线输出端VXB电压值和接线输出端VXC电压值；

基于输出信号、钳制信号判断传感器是否处于正常工作状态；

优选的，建立接口电路中传感器工作状态的判断公式，包括：

若，0<接线输出端VXC电压值<VALUE_A，0<接线输出端VXB电压值<VALUE_A，则传感器工作状态的状态标签为正常；

若，0<接线输出端VXC电压值<VALUE_A，接线输出端VXB电压值＝-0.7V，则传感器工作状态的状态标签为接线输入端B断线；

若，接线输出端VXC电压值＝VALUE_B，接线输出端VXB电压值＝0V，则传感器工作状态的状态标签为接线输入端C断线；

若，接线输出端VXC电压值＝VALUE_B，接线输出端VXB电压值＝VALUE_B，则传感器工作状态的状态标签为接线输入端D断线；

若，接线输出端VXC电压值＝VALUE_B，接线输出端VXB电压值＝-0.7V，则传感器工作状态的状态标签为接线输入端B、接线输入端C、接线输入端D断线；

若，0<接线输出端VXC电压值<VALUE_A，接线输出端VXB电压值＝0V，则传感器工作状态的状态标签为接线输入端B、接线输入端D短路；

若，接线输出端VXC电压值＝0V，接线输出端VXB电压值＝0V，则传感器工作状态的状态标签为接线输入端B、接线输入端C、接线输入端D短路；

其中，VALUE_A和VALUE_B为固定电压值。

优选的，还包括如下步骤：

若传感器处于正常工作状态，将输出信号转换成当前输出值进行上传的同时上传正常的状态标签；若传感器处于非正常工作状态，将预设的正常值代替输出信号转换成的当前输出值进行上传的同时上传对应非正常的状态标签。

优选的，所述预设的正常值包括传感器处于正常工作状态时最后的输出信号、或传感器处于非正常工作状态时的异常设定值。

综上所述，本发明对比于现有技术的有益效果为：

该IO模块断线检测电路能够时刻检测输入模块中线路状态，当传感器的接线出现断路或短路故障时，能够快速地判断出来是哪一根接线出现了问题，并及时上报，以便管理人员快速发现及定位；

并且，当该IO模块断线检测电路检测到断线或短路故障时，会将传感器错误输出的当前输出值固定在一个预设的正常值上，以防止其他故障的发生，通过上述两种保护措施，以有效保证系统可靠地运行。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为现有技术中分布式控制系统的结构示意图；

图2为本发明技术方案提供的输入模块的结构示意图；

图3A为本发明技术方案提供的信号钳制电路的电路示意图；

图3B为本发明技术方案提供的信号输入电路的电路示意图；

图4为本发明技术方案提供的传感器工作状态判断方式的示意图；

图5为本发明技术方案提供的一种分布式控制系统IO模块断线检测方法的流程示意图。

具体实施方式

为了更好的使本发明的技术方案清晰的表示出来，下面结合附图对本发明作进一步说明。

基于现有技术的分布式控制系统可知，一般包括输入模块、主控模块、输出模块和上位机，连接关系结合图1所示，输入模块和输出模块都是通过冗余的CNet网络与主控模块相连，上位机通过冗余的SNet网络与主控模块相连，主控模块会周期性的接收所有输入模块和输出模块的信息，并控制他们进行相应的操作。如在一个锅炉控制系统中，锅炉需要保持在一个固定的温度范围内，如果温度低了，需要加热，高了需要减少燃烧物质，甚至关火，由此，主控模块就需要时刻采集锅炉的温度值，并通过输出模块控制电机完成送煤量多少的控制。

但是，一般的IO模块，对于输入模块输入的输入信号仅是进行简单的放大或缩小处理后，便直接进行采集，这样的电路，当采集的电信号为零时，根本无法区分其是正常信号，还是由于外界信号线路断线或短路造成的。

基于上述现有技术的缺陷，本发明技术方案提供了解决思路。本发明技术方案为输入模块建立了断线检测电路，该断线检测电路能够时刻检测输入模块中线路状态，当输入模块中的传感器接线出现断路或短路故障时，能够快速地判断出来是哪一根接线出现了问题，并及时上报，以便管理人员快速发现及定位；并且，当该IO模块断线检测电路检测到断线或短路故障时，会将传感器错误输出的当前输出值固定在一个预设的正常值上，以防止其他故障的发生。

实施例一

结合本发明技术方案的上述发明思路，本实施例提供了一种分布式控制系统IO模块断线检测电路，结合图2所示，包括：

若干接口电路、控制电路、以及用于提供电能的电源和基准源。

本实施例中，接口电路设置有8个。每个接口电路包括传感器、耦接于传感器的信号输入电路、以及耦接于信号输入电路的信号钳制电路。

控制电路包括从控制器和主控制器，从控制器的输出端与主控制器的输入端之间通过UART接口相连，并且在从控制器和主控制器相连的线路上设置有磁隔离器。主控制器的输出端上连接有存储电路、通讯电路和指示灯电路。

从控制器的输入端上连接有数模转换器，从控制器通过数模转换器连接有模拟开关，模拟开关分别连接于每个接口电路，由此，从控制器能够输出接口选择的控制信号至模拟开关以接收对应接口电路中传感器的输出信号。

需要说明的是，在接口电路中传感器的类型包括热电阻传感器、热电偶传感器以及其他传感器类型，本实施例不做具体限定。本实施例以热电阻传感器RTD为例进行说明。

具体地，在接口电路中的信号输入电路如图3A所示，该信号输入电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、二极管D1、开关管Q1和恒流源I1；

接线输入端B耦接于传感器的一端，依次通过第三电阻R3、第二电阻R2耦接至接线输出端VXB，接线输出端VXB耦接于控制电路；

接线输入端C耦接于传感器的一端，依次通过第四电阻R4、第一电阻R1耦接至接线输出端VXC，接线输出端VXC耦接于控制电路；

接线输入端D耦接于传感器的另一端，通过第五电阻R5接地；其中，

开关管Q1的栅极耦接于控制电路以接收控制电路所输出的接口选择的控制信号contrl，开关管的漏极耦接于恒流源I1后耦接至第一电源电压，开关管Q1的源极耦接于二极管D1的正极后耦接于第一电阻R1和第四电阻R4之间的连接点上。

其中，为防止开关管Q1在开断过程中产生较大的冲击，开关管Q1的漏极和源极上并联连接相互串接的第八电阻R8和第六电容C6。

本实施例中，第一电源电压的电压值为3.3V。

由此，当控制电路采集其中一个接口电路的传感器输出信号时，控制电路将输出控制信号contrl至开关管Q1的栅极，控制开关管Q1导通，从而在接线输出端VXB和接线输出端VXC获得传感器的电压值，上述两个电压值即为本实施例中传感器的输出信号。

其中，接口电路中的信号钳制电路如图3B所示。该信号钳制电路用于输出钳制信号至控制电路，具体地，该信号钳制电路包括第六电阻R6、第二电源电压和第七电阻R7。第六电阻R6的一端耦接于第二电源电压，其另一端耦接于第一电阻R1和第四电阻R4之间的连接点上；第七电阻R7的一端耦接于第二电源电压，其另一端耦接于第二电阻R2和第三电阻R3之间的连接点上。本实施例中，第六电阻R6和第七电阻R7的阻值为5M。第二电源电压的电压值为-0.7V。

需要说明的是，通过5M的第六电阻R6和第七电阻R7分别连接在接线输入端B和接线输入端C上；当传感器正常输出输出信号时，接线输出端VXB和接线输出端VXC输出的电压值都是正值；当传感器断线时，信号钳制电路会把接线输出端VXB和接线输出端VXC的电压值钳制到-0.7V，使得接线输出端VXB和接线输出端VXC输出的电压值为负值。由此，控制电路采集接线输出端VXB和接线输出端VXC输出的电压值是否为负值，即可判断出传感器是否断线。其中，由于此钳制信号是比较弱的，当传感器正常输出输出信号时，不会对控制电路对输出信号的采集精度造成影响。

为使传感器中各个接线输入端断线、短路的情况更加可靠、全面。即，从控制器基于接收的输出信号和钳制信号进行判断传感器是否处于正常工作状态。本实施例中，结合图4所示，具体地判断方式如下：

其中，VALUE_A和VALUE_B为固定电压值，具体地，输出信号具有一个量程上限，当输出信号为正常信号时不会超过此固定电压值VALUE_A，但由于测量时可能引入一定的误差，故固定电压值VALUE_A是在量程上限的基础上加上了一个余量值，此固定电压值VALUE_A是为了判断自行定义的。

本实施例中，固定电压值VALUE_B大于固定电压值VALUE_A。如果传感器发生短路，其电压约等于恒流源供电电压，供电电压为3.3V，而输入信号的上限值不会超过0.1V，故固定电压值VALUE_B大于固定电压值VALUE_A，固定电压值VALUE_B是硬件电路决定的。

由此，从控制器将根据上述判断方式判断传感器的工作状态，并对传感器的工作状态添加相应的状态标签。当从控制器判断传感器的工作状态为正常工作状态时，从控制器将输出信号转换成当前输出值进行上传，并相应上传传感器正常的状态标签。主控制器接收到当前输出值和正常的状态标签并通过通讯电路上传至主控模块，主控模块上传至上位机以供管理人员观察，主控模块并相应下发至输出模块实现对有关设备的控制。

其中，从控制器接收到的输出信号为接线输出端VXB和接线输出端VXC电压值，由于，恒流源的电流恒定，由此可以获得传感器(热电阻传感器)的电阻值，通过传感器(热电阻传感器)温度值与电阻值之间的关系表从而转换获得传感器当前测量的温度值，该温度值即为当前输出值。

反之，当从控制器判断传感器的工作状态为非正常工作状态时(非正常工作状态为传感器正常工作状态之外的其他工作状态)，从控制器将预设的正常值代替输出信号转换成的当前输出值进行上传，并相应上传对应非正常的状态标签。由此，主控制器接收到预设的正常值和非正常的状态标签并通过通讯电路上传至主控模块，主控器相应通过指示灯电路控制对应的接口电路上的指示灯亮起进行指示，其中，主控模块上传至上位机以供管理人员观察，上位机检测到相应的非正常的状态标签后对管理人员进行声光报警，主控模块并相应下发至输出模块实现对有关设备的控制。

具体地，预设的正常值包括传感器处于正常工作状态时最后的输出信号、或传感器处于非正常工作状态时的异常设定值。异常设定值是由管理人员通过上位机进行设定并下发至从控制器中预先存储的。其中，预设的正常值即为已经转换好的温度值。

由此，该IO模块断线检测电路能够时刻检测输入模块中线路状态，当传感器的接线出现断路或短路故障时，能够快速地判断出来是哪一根接线出现了问题，并及时上报，以便管理人员快速发现及定位；并且，当该IO模块断线检测电路检测到断线或短路故障时，会将传感器错误输出的当前输出值固定在一个预设的正常值上，以防止其他故障的发生，通过上述两种保护措施，以有效保证系统可靠地运行。

实施例二

基于本发明技术方案的上述实施例，本实施例提供了一种分布式控制系统IO模块断线检测方法，结合图5所示，包括如下步骤：

S100，建立接口电路中传感器工作状态的判断公式；

S200，获取接口电路中信号输入电路根据传感器输出的输出信号、以及信号钳制电路输出的钳制信号，其中，输出信号包括接线输出端VXB电压值和接线输出端VXC电压值；

S300，基于输出信号、钳制信号判断传感器是否处于正常工作状态；若是，将输出信号转换成当前输出值进行上传；若否，将预设的正常值代替输出信号转换成的当前输出值进行上传。

值得说明的是，建立接口电路中传感器工作状态的判断公式，包括：

其中，VALUE_A和VALUE_B为固定电压值。

还包括如下步骤：

S400，若传感器处于正常工作状态，将输出信号转换成当前输出值进行上传的同时上传正常的状态标签；若传感器处于非正常工作状态，将预设的正常值代替输出信号转换成的当前输出值进行上传的同时上传对应非正常的状态标签。

需要说明的是，预设的正常值包括传感器处于正常工作状态时最后的输出信号、或传感器处于非正常工作状态时的异常设定值。

以上所述仅是本发明的示范性实施方式，而非用于限制本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。

Claims

1.一种分布式控制系统IO模块断线检测电路，应用于输入模块中，其特征在于，包括：若干接口电路和控制电路；

控制电路建立接口电路中传感器工作状态的判断公式，并基于接收的输出信号和钳制信号进行判断传感器是否处于正常工作状态；

若是，将输出信号转换成当前输出值进行上传；若否，将预设的正常值代替输出信号转换成的当前输出值进行上传；

建立接口电路中传感器工作状态的判断公式，包括：

其中，VALUE_A和VALUE_B为固定电压值。

2.根据权利要求1所述的一种分布式控制系统IO模块断线检测电路，其特征在于，所述传感器为热电阻传感器。

3.根据权利要求2所述的一种分布式控制系统IO模块断线检测电路，其特征在于，所述信号输入电路包括：

4.根据权利要求3所述的一种分布式控制系统IO模块断线检测电路，其特征在于，所述信号钳制电路包括：

5.根据权利要求4所述的一种分布式控制系统IO模块断线检测电路，其特征在于，所述第二电源电压为-0.7V。

6.根据权利要求1所述的一种分布式控制系统IO模块断线检测电路，其特征在于，所述控制电路包括：

7.一种基于如权利要求1至6任意一项所述的分布式控制系统IO模块断线检测电路的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

建立接口电路中传感器工作状态的判断公式；

建立接口电路中传感器工作状态的判断公式，包括：

其中，VALUE_A和VALUE_B为固定电压值。

8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，还包括如下步骤：

9.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，所述预设的正常值包括传感器处于正常工作状态时最后的输出信号、或传感器处于非正常工作状态时的异常设定值。