CN108227650B - 一种安全级dcs系统模块热插拔方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于核电站安全级DCS系统模块热插拔设计领域，具体涉及一种安全级DCS系统模块热插拔方法。本发明包括以下设计①在安全级DCS系统模块电源处设计电源管理电路，在检测到通路中有大电流存在时关断通路，直到电流降低到合理值，从而保护安全级DCS系统模块；②在更换或者插入新的安全级DCS系统模块时，DCS系统的控制器根据既有的组态信息，自动完成对于该模块的配置和组态功能。通过上述技术方案，本发明可以自动完成对于该模块的配置和组态功能，避免了繁琐的重复操作；能及时发现模块处于其不该插入的位置，产生报警并提醒工程人员及时更换模块类型。
Description
技术领域
本发明属于核电站安全级DCS系统模块热插拔设计领域，具体涉及一种安全级DCS系统模块热插拔方法。
背景技术
在DCS系统正常运行时，会经常遇到因故障需要更换模块或者插入新模块的情况。一方面：在插入过程中产生的瞬间高电流，可能对于模块造成直接损坏，导致功能无法执行；另一方面：在现场执行工程维护任务的人员专业知识不足，易发生操作使用，在错误的位置插入某种模块，可能会造成其上送或者输出功能发生错误，对于整个DCS系统的执行造成影响，且此类错误难以被发现。以上两点对于如核电、化工等对于安全性能要求比较高的领域，都是不可接受的。
发明内容
本发明的目的在于解决上述在DCS系统维护易出现的问题，且避免在更换或者新插入模块时对于整个系统产生不良影响，提供一种DCS系统模块热插拔设计方法。
实现本发明目的的技术方案：
一种安全级DCS系统模块热插拔方法，①在安全级DCS系统模块电源处设计电源管理电路，在检测到通路中有大电流存在时关断通路，直到电流降低到合理值，从而保护安全级DCS系统模块；②在更换或者插入新的安全级DCS系统模块时，DCS系统的控制器根据既有的组态信息，自动完成对于该模块的配置和组态功能；
具体包括以下两方面：
(1)热插拔电路的设计
热插拔电路输出的24VDC电源作为后级隔离电源模块的输入，整个电路的电流从+24VIN和24V-GND流入，经过电源管理电路处理后，由+24V和24V-GND流出，控制整体电路电压输出在18V-36V之间；
电源输入端使用18V的齐纳二极管DT1限制输入电压，通过设置DT1防止小于18.4V的过低电压输入到后级；
RT4和CT1串联组成滤波电路，以滤除输入电源的高频噪声；
通过检流电阻RT6，监测模块被人为插入机箱槽位时造成的瞬间电流，在此电流超过预定的值时，电源管理芯片控制MOSFET管QT1关断，以保护后端电路不受瞬间电流损害；
在电流减小后，电源管理芯片让MOSFET管QT1尝试打开；此过程反复几次后，直到进入模块的电流值稳定到小于1.5A的安全值，此时在RT6上的压降小于50mV，电源管理芯片让MOSFET管QT1一直打开，后级电路得到电源供电，从而完成对于后端电路的保护；
在MOSFET管QT1增加RT7和CT3组成保护电路，防止电源管理芯片GATE管脚因为瞬间电压过高烧毁；
电源管理芯片TMR管脚和GND管脚之间的电容CT2控制电源管理芯片动作时间；
电源管理芯片的FB管脚为输出电压反馈端：当加载到此引脚的电压大于1.25V时，GATE管脚为低电平，电源管理芯片控制MOSFET管QT1关断；RT5和RT2电阻将输出电压分压到电源管理芯片的管脚FB上，控制整个热插拔电路输出电压；
在电流检测引脚SNS与VCC引脚之间并联限流电阻R1，当限流电阻两端电压达到50mV时，热插拔电路芯片通过GATE管脚关断功率MOS管FDS3672，让整个电路断开；
热插拔电路末端设置CT4电容起滤波作用，减小输出到后级电路的电源纹波；
(2)控制器的设计
控制器具有存储下面控制模块组态信息的功能，且断电不丢失；在控制器上电后，自动尝试与所有槽位的模块进行握手，待有正确的回应后，开始向相应槽位模块发送其存储好的组态信息，帮助模块完成执行正常功能前的组态配置功能；当在工程实施过程中错误类型的模块插入某个槽位，控制器也在握手过程中检测到此状况，通过DCS系统画面产生报警，同时不与该模块通信，提醒工程人员更换模块。
进一步的，如上所述的一种安全级DCS系统模块热插拔方法，电源管理芯片的TMR引脚通过与GND之间的电容来设置电路的早期预警时间、失效时间以及恢复时间：
当限流电阻两端压降达到50mV时，电源管理芯片开始通过内部电流源给电容充电，当VTMR在0-1.25V之间时，为电路早期预警时间；
VTMR在1.25V到1.35V之间时，TMR引脚以较大的电流向电容充电，此段时间为失效时间；
当VTMR继续升高达到1.35V时，电源管理芯片通过GATE引脚关断MOS管，截断电流；
当限流电阻上电压回落到50mV以下时，VTMR通过电容放电，直到VTMR<0.5V，电源管理芯片通过GATE引脚打开MOS管，这段时间为恢复时间。
进一步的，如上所述的一种安全级DCS系统模块热插拔方法，模块与控制器的自动配置和组态设计由两者配合完成。
进一步的，如上所述的一种安全级DCS系统模块热插拔方法，控制器设计有掉电保持存储器，在工程实施前，提前把控制器下的包含每个槽位的模块类型的所有模块配置组态信息存储在其中；在控制器上电后，通过程序让控制器自动开始检测每个槽位是否有模块在位或者插入，且在发送询问报文后给每个模块1ms时间来回复报文，如果在此规定时间内不回复，则认为模块没有在位，继续检测下一个槽位；
在被安全模块插入过程后模块开始进行自诊断操作，并在控制器始尝试握手时，将自身诊断信息发送给控制器：如果诊断信息有误，则控制器认为此模块为故障模块，终止与其通信，并将此信息上送二层显示画面报警，提醒工程人员更换；如果诊断信息无误，那么控制器会按照已经配置好程序下发参数配置信息；
在发送完配置信息后，控制器开始发送组态信息，模块收到此信息后会与自身的组态信息做比较：如果两者相同，则认为组态正确，进入下一个状态机；如果两者不同，则认为是工程人员将自己插入了错误的槽位，在终止自己功能的同时，上送控制器，提醒工程人员更换槽位，防止错误模块对于整个控制系统产生影响；如果两者相同，则认为自己被插入了正确的槽位，接着会再次向控制器上送诊断信息；
此时控制器执行第一步的操作，对模块的自诊断信息再次进行确认：如果自诊断信息无误，则与模块进入正常数据交互的状态，下发控制命令或者采集送上数据；如果自诊断信息有误，则会一直询问，直到模块上送正确的自诊断信息为止，防止模块带故障运行，确保系统稳定性。
本发明的效果在于：
1)自动完成对于该模块的配置和组态功能，避免了繁琐的重复操作；
2)能及时发现模块处于其不该插入的位置，产生报警并提醒工程人员及时更换模块类型。
附图说明
图1为本发明电源管理电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的作进一步描述。
本发明一种安全级DCS系统模块热插拔方法，包括两方面的设计：①在安全级DCS系统模块电源处设计电源管理电路，在检测到通路中有大电流存在时关断通路，直到电流降低到合理值，从而保护安全级DCS系统模块；②在更换或者插入新的安全级DCS系统模块时，DCS系统的控制器根据既有的组态信息，自动完成对于该模块的配置和组态功能；
具体包括以下两方面：
(1)热插拔电路的设计
在模块被人为插入机箱槽位时，会造成较大的瞬间电流，这个瞬间电流会对于模块的后级电路产生损坏；通过如图1所示的热插拔电路中的检流电阻RT6，可以监测这个电流，在此电流超过预定的值时，电源管理芯片会控制MOSFET管QT1关断，以保护后端电路不受瞬间电流损害；在电流减小后，电源管理芯片会让MOSFET关尝试打开；此过程反复几次后，直到进入模块的电流值稳定到一个安全值，从而完成对于后端电路的保护。本实施例中，热插拔电路芯片的型号为LT4356IMS-1#PBF。
热插拔电路输出的24VDC电源作为后级隔离电源模块的输入，整个电路的电流从+24VIN和24V-GND流入，经过电源管理电路处理后，由+24V和24V-GND流出，不会过流，控制整体电路电压输出在18V-36V之间；
电源输入端使用18V的齐纳二极管DT1限制输入电压，由于热插拔芯片管脚SHDN电压值大于0.4V才能使电路正常工作；通过设置DT1防止小于18.4V的过低电压输入到后级；
RT4和CT1串联组成滤波电路，以滤除输入电源的高频噪声；
通过检流电阻RT6，监测模块被人为插入机箱槽位时造成的瞬间电流，在此电流超过预定的值时，电源管理芯片控制MOSFET管QT1关断，以保护后端电路不受瞬间电流损害；按照后级电路正常需要1A电路计算，按照经验值选择整个热插拔电路的瞬间动作电流为1.5A左右，因此选择RT6＝50mV/33mΩ(50mV为UT1芯片的管脚5VCC和管脚6SNS之间检测的动作电压)；
在电流减小后，电源管理芯片让MOSFET管QT1尝试打开；此过程反复几次后，直到进入模块的电流值稳定到小于1.5A的安全值，此时在RT6上的压降小于50mV，电源管理芯片让MOSFET管QT1一直打开，后级电路得到电源供电，从而完成对于后端电路的保护；
在MOSFET管QT1增加RT7和CT3组成保护电路，防止电源管理芯片GATE管脚(控制QT1的门级控制端)因为瞬间电压过高烧毁；
电源管理芯片TMR管脚和GND管脚之间的电容CT2控制电源管理芯片动作时间，按照经验值选取220nF较为合理。
电源管理芯片的FB管脚为输出电压反馈端：当加载到此引脚的电压大于1.25V时，GATE管脚为低电平，电源管理芯片控制MOSFET管QT1关断；RT5和RT2电阻将输出电压分压到电源管理芯片的管脚FB上，控制整个热插拔电路输出电压；本设计的后端电路最高容忍电压为30V，故选择RT5＝115K，RT2＝4.99K，这样就把热插拔电路的输出电压最高限制在了1.25×(115+4.99)/4.99＝30V。
电源管理芯片的TMR引脚通过与GND之间的电容来设置电路的早期预警时间、失效时间以及恢复时间：
当限流电阻两端压降达到50mV时，电源管理芯片开始通过内部电流源给电容充电，当VTMR在0-1.25V之间时，为电路早期预警时间；
VTMR在1.25V到1.35V之间时，TMR引脚以较大的电流向电容充电，此段时间为失效时间；
当VTMR继续升高达到1.35V时，电源管理芯片通过GATE引脚关断MOS管，截断电流；
当限流电阻上电压回落到50mV以下时，VTMR通过电容放电，直到VTMR<0.5V，电源管理芯片通过GATE引脚打开MOS管，这段时间为恢复时间；
在电流检测引脚SNS与VCC引脚之间并联限流电阻R1，当限流电阻两端电压达到50mV时，热插拔电路芯片通过GATE管脚关断功率MOS管FDS3672，让整个电路断开。
根据对模块整板功耗的估算(输入电流不应大于1.5A为例)，限流电阻阻值＝50mV/1.5A＝0.033Ω。
热插拔电路末端设置CT4电容起滤波作用，减小输出到后级电路的电源纹波。
(2)控制器的设计
控制器具有存储下面控制模块组态信息的功能，且断电不丢失；在控制器上电后，自动尝试与所有槽位的模块进行握手，待有正确的回应后，开始向相应槽位模块发送其存储好的组态信息，帮助模块完成执行正常功能前的组态配置功能；当在工程实施过程中错误类型的模块插入某个槽位，控制器也在握手过程中检测到此状况，通过DCS系统画面产生报警，同时不与该模块通信，提醒工程人员更换模块；
模块与控制器的自动配置和组态设计由两者配合完成。
控制器设计有掉电保持存储器，在工程实施前，提前把控制器下的包含每个槽位的模块类型的所有模块配置组态信息存储在其中；在控制器上电后，通过程序让控制器自动开始检测每个槽位是否有模块在位或者插入，且在发送询问报文后给每个模块1ms时间来回复报文，如果在此规定时间内不回复，则认为模块没有在位，继续检测下一个槽位。
在被安全模块插入过程后模块开始进行自诊断操作，并在控制器始尝试握手时，将自身诊断信息发送给控制器：如果诊断信息有误，则控制器认为此模块为故障模块，终止与其通信，并将此信息上送二层显示画面报警，提醒工程人员更换；如果诊断信息无误，那么控制器会按照已经配置好程序下发参数配置信息。
在发送完配置信息后，控制器开始发送组态信息，模块收到此信息后会与自身的组态信息做比较：如果两者相同，则认为组态正确，进入下一个状态机；如果两者不同，则认为是工程人员将自己插入了错误的槽位，在终止自己功能的同时，上送控制器，提醒工程人员更换槽位，防止错误模块对于整个控制系统产生影响；如果两者相同，则认为自己被插入了正确的槽位，接着会再次向控制器上送诊断信息。
此时控制器执行第一步的操作，对模块的自诊断信息再次进行确认：如果自诊断信息无误，则与模块进入正常数据交互的状态，下发控制命令或者采集送上数据；如果自诊断信息有误，则会一直询问，直到模块上送正确的自诊断信息为止，防止模块带故障运行，确保系统稳定性。
本发明是实现在DCS系统中在不影响其它模块正常工作的前提下随时更换故障模块或添加新模块的设计方法。通过本模块设计的防瞬间过流硬件电路，可以消除在模块插入过程中产生的过大电流，既保护本模块的硬件电路，又防止对于并接在电源的其他模块产生影响；同时，在每个模块设计的物理地址采集电路，使模块在插入相应背板槽位时自动生成物理地址，无需手动配置；最后，当DCS系统的控制器发现新模块插入时，会自动向该模块下发预先配置好的组态信息，让模块开始采集或者下发数据。正是通过以上设计方法，使得在DCS系统中更换或者插入新模块变得更加快捷、可靠，极大地减小因人为失误造成地系统异常。
Claims (4)
1.一种安全级DCS系统模块热插拔方法，其特征在于：①在安全级DCS系统模块电源处设计电源管理电路，在检测到通路中有大电流存在时关断通路，直到电流降低到合理值，从而保护安全级DCS系统模块；②在更换或者插入新的安全级DCS系统模块时，DCS系统的控制器根据既有的组态信息，自动完成对于该模块的配置和组态功能；
具体包括以下两方面：
(1)热插拔电路的设计
热插拔电路输出的24VDC电源作为后级隔离电源模块的输入，整个电路的电流从+24VIN和24V-GND流入，经过电源管理电路处理后，由+24V和24V-GND流出，控制整体电路电压输出在18V-36V之间；
电源输入端使用18V的齐纳二极管DT1限制输入电压，通过设置DT1防止小于18.4V的过低电压输入到后级；
RT4和CT1串联组成滤波电路，以滤除输入电源的高频噪声；
通过检流电阻RT6，监测模块被人为插入机箱槽位时造成的瞬间电流，在此电流超过预定的值时，电源管理芯片控制MOSFET管QT1关断，以保护后端电路不受瞬间电流损害；电源管理芯片的型号为LT4356IMS-1#PBF；
在电流减小后，电源管理芯片让MOSFET管QT1尝试打开；此过程反复几次后，直到进入模块的电流值稳定到小于1.5A的安全值，此时在RT6上的压降小于50mV，电源管理芯片让MOSFET管QT1一直打开，后级电路得到电源供电，从而完成对于后端电路的保护；
在MOSFET管QT1增加RT7和CT3组成保护电路，防止电源管理芯片GATE管脚因为瞬间电压过高烧毁；
电源管理芯片TMR管脚和GND管脚之间的电容CT2控制电源管理芯片动作时间；
电源管理芯片的FB管脚为输出电压反馈端：当加载到此引脚的电压大于1.25V时，GATE管脚为低电平，电源管理芯片控制MOSFET管QT1关断；RT5和RT2电阻将输出电压分压到电源管理芯片的管脚FB上，控制整个热插拔电路输出电压；
在电流检测引脚SNS与VCC引脚之间并联限流电阻R1，当限流电阻两端电压达到50mV时，热插拔电路芯片通过GATE管脚关断功率MOS管FDS3672，让整个电路断开；
热插拔电路末端设置CT4电容起滤波作用，减小输出到后级电路的电源纹波；
(2)控制器的设计
控制器具有存储下面控制模块组态信息的功能，且断电不丢失；在控制器上电后，自动尝试与所有槽位的模块进行握手，待有正确的回应后，开始向相应槽位模块发送其存储好的组态信息，帮助模块完成执行正常功能前的组态配置功能；当在工程实施过程中错误类型的模块插入某个槽位，控制器也在握手过程中检测到此状况，通过DCS系统画面产生报警，同时不与该模块通信，提醒工程人员更换模块。
2.如权利要求1所述的一种安全级DCS系统模块热插拔方法，其特征在于：电源管理芯片的TMR引脚通过与GND之间的电容来设置电路的早期预警时间、失效时间以及恢复时间：
当限流电阻两端压降达到50mV时，电源管理芯片开始通过内部电流源给电容充电，当VTMR在0-1.25V之间时，为电路早期预警时间；
VTMR在1.25V到1.35V之间时，TMR引脚以较大的电流向电容充电，此段时间为失效时间；
当VTMR继续升高达到1.35V时，电源管理芯片通过GATE引脚关断MOS管，截断电流；
当限流电阻上电压回落到50mV以下时，VTMR通过电容放电，直到VTMR<0.5V，电源管理芯片通过GATE引脚打开MOS管，这段时间为恢复时间。
3.如权利要求2所述的一种安全级DCS系统模块热插拔方法，其特征在于：模块与控制器的自动配置和组态设计由两者配合完成。
4.如权利要求3所述的一种安全级DCS系统模块热插拔方法，其特征在于：控制器设计有掉电保持存储器，在工程实施前，提前把控制器下的包含每个槽位的模块类型的所有模块配置组态信息存储在其中；在控制器上电后，通过程序让控制器自动开始检测每个槽位是否有模块在位或者插入，且在发送询问报文后给每个模块1ms时间来回复报文，如果在此规定时间内不回复，则认为模块没有在位，继续检测下一个槽位；
在被安全模块插入过程后模块开始进行自诊断操作，并在控制器始尝试握手时，将自身诊断信息发送给控制器：如果诊断信息有误，则控制器认为此模块为故障模块，终止与其通信，并将此信息上送二层显示画面报警，提醒工程人员更换；如果诊断信息无误，那么控制器会按照已经配置好程序下发参数配置信息；
在发送完配置信息后，控制器开始发送组态信息，模块收到此信息后会与自身的组态信息做比较：如果两者相同，则认为组态正确，进入下一个状态机；如果两者不同，则认为是工程人员将自己插入了错误的槽位，在终止自己功能的同时，上送控制器，提醒工程人员更换槽位，防止错误模块对于整个控制系统产生影响；如果两者相同，则认为自己被插入了正确的槽位，接着会再次向控制器上送诊断信息；
此时控制器执行第一步的操作，对模块的自诊断信息再次进行确认：如果自诊断信息无误，则与模块进入正常数据交互的状态，下发控制命令或者采集送上数据；如果自诊断信息有误，则会一直询问，直到模块上送正确的自诊断信息为止，防止模块带故障运行，确保系统稳定性。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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