CN107831726A - 一种混合架构的功能安全开关量输入模块 - Google Patents

一种混合架构的功能安全开关量输入模块 Download PDF

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张瑞卿
赵锐
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Abstract

本发明公开了一种混合架构的功能安全开关量输入模块，包括微处理器，微处理器的输入端通过第一隔离模块连接有两个并行输入的开关量输入串行化单元，两开关量输入串行化单元采集外部开关量输入信号，微处理器还通过第二隔离模块连接至诊断模块，诊断模块分别连接至两开关量输入串行化单元的输入端，微处理器的输出端通过通讯模块连接至背板总线接口，通讯模块的输出端与微处理器之间还连接有地址检测模块；采用相同的两组开关量输入串行化单元，由同一个微处理器进行采集、诊断、表决，实现了SIL3安全等级，减少了微处理器数量，提高了可靠性、降低了成本、降低了开发难度，避免了微处理器间的通信，减少了诊断及表决所消耗的时间。

Description

一种混合架构的功能安全开关量输入模块
技术领域
本发明涉及PLC产品的自动化安全控制技术领域，尤其涉及一种混合架构的功能安全开关量输入模块。
背景技术
随着现代化工业的快速发展，工业生产过程的控制规模在不断扩大，复杂程度不断增加，工艺过程不断强化，对控制系统的安全要求也越来越高。在生产过程中，用于监视生产过程，在危险条件下采取相应措施防止危险事件发生的安全PLC开始逐步得到应用。
开关量是工业自动化领域中最常用的信号量，开关量输入模块也是安全PLC中用量最大的IO模块。传统具有SIL3安全等级的开关量输入模块均采用的1oo2D或2OO3架构中的一种，这两种架构设计复杂度高，开发难度大，导致产品成本居高不下，阻碍了功能安全产品的进一步推广应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种保证产品的可靠性及安全性的前提下，提高产品的诊断覆盖率，优化产品电路设计的一种混合架构的功能安全开关量输入模块。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种混合架构的功能安全开关量输入模块，连接至PLC的背板总线接口，包括微处理器，所述微处理器的输入端通过第一隔离模块连接有两个并行输入的开关量输入串行化单元，两所述开关量输入串行化单元采集外部开关量输入信号，所述微处理器还通过第二隔离模块连接至诊断模块，所述诊断模块分别连接至两所述开关量输入串行化单元的输入端，所述微处理器的输出端通过通讯模块连接至所述背板总线接口，所述通讯模块的输出端与所述微处理器之间还连接有地址检测模块。
作为优选的技术方案，两所述开关量输入串行化单元并联至外部输入开关K，所述外部输入开关K两端并联有上拉电阻R1，两所述开关量输入串行化单元设置为开关量输入串行化单元A和开关量输入串行化单元B，所述开关量输入串行化单元A设有开关量输入串行器A，所述开关量输入串行化单元B设有开关量输入串行器B。
作为优选的技术方案，所述诊断模块包括，
串联设置的供电端开关S1、输入端开关S0和二极管D0，所述供电端开关S1和所述二极管D0对应连接在所述上拉电阻R1的两端，所述供电端开关S1与所述上拉电阻R1之间还连接有供电电源，所述输入端开关S0与所述供电端开关S1之间并联有模数转换器ADC和所述开关量输入串行器A；
串联设置的供电端开关S11、输入端开关S01和二极管D01，所述供电端开关S11和所述二极管D01对应连接在所述上拉电阻R1的两端，所述供电端开关S11与所述上拉电阻R1之间还连接有供电电源，所述输入端开关S01与所述供电端开关S11之间并联有模数转换器ADC1和所述开关量输入串行器B。
作为优选的技术方案，所述供电电源的电压为+24V。
作为对上述技术方案的改进，所述地址检测模块包括电压采集模块，所述电压采集模块连接至PLC的各槽位电压检测端。
由于采用了上述技术方案，一种混合架构的功能安全开关量输入模块，连接至PLC的背板总线接口，包括微处理器，所述微处理器的输入端通过第一隔离模块连接有两个并行输入的开关量输入串行化单元，两所述开关量输入串行化单元采集外部开关量输入信号，所述微处理器还通过第二隔离模块连接至诊断模块，所述诊断模块分别连接至两所述开关量输入串行化单元的输入端，所述微处理器的输出端通过通讯模块连接至所述背板总线接口，所述通讯模块的输出端与所述微处理器之间还连接有地址检测模块；本发明的有益效果是：采用相同的两组开关量输入串行化单元，由同一个微处理器进行采集、诊断、表决，能够实现以下功能：
1、两组开关量输入串行化单元均处于工作状态，微处理器对其实时比较；
2、当两组数据不一致时，如果微处理器能够发现其中一组单元故障，微处理器输出正确的数据，同时上传故障信息；
3、当两组数据不一致且无法发现单元故障时，经过一段时间后，微处理器将开关量输入状态设置为无效，同时上传故障信息；
由此可见与单纯1OO2D及2OO3架构相比，本发明实现了1OO2D+1OO1D混合架构，采用微处理器就实现了SIL3安全等级，减少了微处理器数量，提高了可靠性、降低了成本、降低了开发难度，避免了微处理器间的通信，减少了诊断及表决所消耗的时间。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1是本发明实施例的结构框图；
图2是本发明实施例诊断模块的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。
实施例1
如图1所示，一种混合架构的功能安全开关量输入模块，是安全PLC的一个组成部分，连接至PLC的背板总线接口，并通过所述背板总线接口传输给PLC的安全控制器。
本实施例包括微处理器，所述微处理器只有1个，并且通过SIL3功能安全认证，采用1OO1D架构，诊断覆盖率可以达到99%以上。所述微处理器的输入端通过第一隔离模块连接有两个并行输入的开关量输入串行化单元，两所述开关量输入串行化单元采集外部开关量输入信号，所述开关量输入串行化单元负责将并行的开关量数据转化成串行数据，经隔离后传输给所述微处理器，所述微处理器还通过第二隔离模块连接至诊断模块，所述诊断模块分别连接至两所述开关量输入串行化单元的输入端，所述诊断模块责对所述开关量输入串行化单元提供激励，及时发现电路故障，所述微处理器的输出端通过通讯模块连接至所述背板总线接口，所述通讯模块的输出端与所述微处理器之间还连接有地址检测模块。
实施例2
一种混合架构的功能安全开关量输入模块，在实施例1结构的基础上，还包括：如图2所示，两所述开关量输入串行化单元并联至外部输入开关K，所述外部输入开关K两端并联有上拉电阻R1，两所述开关量输入串行化单元设置为开关量输入串行化单元A和开关量输入串行化单元B，所述开关量输入串行化单元A设有开关量输入串行器A，所述开关量输入串行化单元B设有开关量输入串行器B。
实施例3
一种混合架构的功能安全开关量输入模块，在实施例2结构的基础上，还包括：如图2所示，所述诊断模块包括，串联设置的供电端开关S1、输入端开关S0和二极管D0，所述供电端开关S1和所述二极管D0对应连接在所述上拉电阻R1的两端，所述供电端开关S1与所述上拉电阻R1之间还连接有供电电源，所述输入端开关S0与所述供电端开关S1之间并联有模数转换器ADC和所述开关量输入串行器A；串联设置的供电端开关S11、输入端开关S01和二极管D01，所述供电端开关S11和所述二极管D01对应连接在所述上拉电阻R1的两端，所述供电端开关S11与所述上拉电阻R1之间还连接有供电电源，所述输入端开关S01与所述供电端开关S11之间并联有模数转换器ADC1和所述开关量输入串行器B，所述供电电源的电压为+24V。
本实施例的所述诊断模块用于检测开关量输入串行化单元是否处于正常工作状态，主要通过在供电端和输入端加入开关实现。其中所述外部输入开关K为现场信号输入，在正常工作时，所述输入端开关S0处于闭合状态，所述供电端开关S1处于断开状态，对正常数据采集没有影响。所述二极管D0可以防止所述输入端开关S0和所述供电端开关S1同时短路，对另一单元造成影响；所述上拉电阻R1与所述模数转换器ADC用于诊断所述二极管D0和所述输入端开关S0的开路故障。
诊断过程为：对某一输入单元进行诊断时，首先将该单元所有供电端开关（S1）和输入端开关（S0）均断开，此时该单元所有通道均为0。然后通过供电端开关的接通和断开即可对通道置1和置0，进行通道测试。该测试方法能有效检测固定型故障，开路故障，由于每个通道可单独控制，还可以检测通道间的短路，每个通道的诊断覆盖率可以达到90%以上，通过对两个单元数据的比较，诊断覆盖率可以进一步提高到99%以上。当一个单元在进行诊断测试时，另一单元正常工作，可以保证采集的连续性。
由此可见，两所述开关量输入串行化单元采用1OO2D（二取一带诊断表决逻辑结构，该逻辑结构由二个IO通道和一个诊断通道构成）冗余表决架构，冗余输入通道同时采集开关量状态，并由所述微处理器进行表决。所述诊断模块负责对两所述开关量输入串行化单元提供激励，及时发现电路故障。所述微处理器采用通过SIL3（安全完整性等级）认证的安全处理器，安全架构为1OO1D（一取一带诊断表决逻辑结构，该逻辑结构由一个IO通道和一个诊断通道构成），与两所述开关量输入串行化单元组成1OO1D+1OO2D的混合架构，使混合架构降低了设计难度，提高了可靠性、安全性。
所述地址检测模块包括电压采集模块，所述电压采集模块连接至PLC的各槽位电压检测端，即所述地址检测模块采用电压检测的方式获取本模块地址，电压由PLC背板产生，PLC不同的槽位具有不同的电压，分别代表不同的地址。
本实施例的所述开关量输入串行化单元A和所述开关量输入串行化单元B组成1oo2D架构，所述开关量输入串行化单元A和所述开关量输入串行化单元B均连接至诊断模块。在开关量采集过程中，可以实现通道自身的硬件诊断和通道之间的比较诊断。所述微处理器与所述开关量输入串行化单元采用所述第一隔离模块和所述第二隔离模块实现电气上的隔离。所述第一隔离模块与所述第二隔离模块具体结构为本技术领域内普通技术人员所熟知的内容，在此不再详细说明。在每个采集周期及诊断周期之后，所述微处理器会对采集数据及诊断数据进行处理，并通过所述通讯模块将数据上传。本实施例中选用符合SIL3等级的微处理器，因此在所述微处理器采用1oo1D安全架构的情况下，电路整体仍能到达SIL3等级。
本发明采用相同的两组所述开关量输入串行化单元，由同一个所述微处理器进行采集、诊断、表决，能够实现以下功能：
1、两组开关量输入串行化单元均处于工作状态，微处理器对其实时比较；
2、当两组数据不一致时，如果微处理器能够发现其中一组单元故障，微处理器输出正确的数据，同时上传故障信息；
3、当两组数据不一致且无法发现单元故障时，经过一段时间后，微处理器将开关量输入状态设置为无效，同时上传故障信息；
由此可见与单纯1OO2D及2OO3架构相比，本发明实现了1OO2D+1OO1D混合架构，采用微处理器就实现了SIL3安全等级，减少了微处理器数量，提高了可靠性、降低了成本、降低了开发难度，避免了微处理器间的通信，减少了诊断及表决所消耗的时间。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种混合架构的功能安全开关量输入模块，连接至PLC的背板总线接口，其特征在于：包括微处理器，所述微处理器的输入端通过第一隔离模块连接有两个并行输入的开关量输入串行化单元，两所述开关量输入串行化单元采集外部开关量输入信号，所述微处理器还通过第二隔离模块连接至诊断模块，所述诊断模块分别连接至两所述开关量输入串行化单元的输入端，所述微处理器的输出端通过通讯模块连接至所述背板总线接口，所述通讯模块的输出端与所述微处理器之间还连接有地址检测模块。
2.如权利要求1所述的一种混合架构的功能安全开关量输入模块，其特征在于：两所述开关量输入串行化单元并联至外部输入开关K，所述外部输入开关K两端并联有上拉电阻R1，两所述开关量输入串行化单元设置为开关量输入串行化单元A和开关量输入串行化单元B，所述开关量输入串行化单元A设有开关量输入串行器A，所述开关量输入串行化单元B设有开关量输入串行器B。
3.如权利要求2所述的一种混合架构的功能安全开关量输入模块，其特征在于：所述诊断模块包括，
串联设置的供电端开关S1、输入端开关S0和二极管D0，所述供电端开关S1和所述二极管D0对应连接在所述上拉电阻R1的两端，所述供电端开关S1与所述上拉电阻R1之间还连接有供电电源，所述输入端开关S0与所述供电端开关S1之间并联有模数转换器ADC和所述开关量输入串行器A；
串联设置的供电端开关S11、输入端开关S01和二极管D01，所述供电端开关S11和所述二极管D01对应连接在所述上拉电阻R1的两端，所述供电端开关S11与所述上拉电阻R1之间还连接有供电电源，所述输入端开关S01与所述供电端开关S11之间并联有模数转换器ADC1和所述开关量输入串行器B。
4.如权利要求3所述的一种混合架构的功能安全开关量输入模块，其特征在于：所述供电电源的电压为+24V。
5.如权利要求1至4任一权利要求所述的一种混合架构的功能安全开关量输入模块，其特征在于：所述地址检测模块包括电压采集模块，所述电压采集模块连接至PLC的各槽位电压检测端。
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