CN108693805B - 一种安全计算机输出控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种安全计算机输出控制系统，包括设有线圈A和线圈B的双线圈继电器，所述线圈A和线圈B并联驱动该双线圈继电器，以使其输出驱动外部设备的所需信号，还设有同时输出且分别驱动线圈A和线圈B的输出控制A系单元和输出控制B系单元以及选择输出控制A系单元和输出控制B系单元哪一个作为主系/备系，并将结果反馈给各系的主备切换模块。本发明大大提高了系统的可靠性，增加了继电器状态检测和报警机制，方便故障检修维护。

Description

一种安全计算机输出控制系统

本发明专利申请是发明创造名称“一种应用于安全计算机的输出控制系统”的分案申请，原申请的申请日为2016年6月14日，申请号为2016104167065。

技术领域

本发明涉及工业控制领域，尤其涉及应用于安全计算机的输出控制系统。

背景技术

在工业控制领域特别是安全相关的工业控制领域，对其核心控制单元——安全计算机控制系统具有很高的可靠性和安全性要求，除了选用高可靠性的电子元器件外，各种安全可靠的计算机控制技术和方法也备广泛应用于计算机控制系统中，输出控制技术作为安全计算机控制系统的关键技术之一，其安全性和可靠性对着整个安全计算机控制系统的安全性和可靠性有着极其重要的影响。

目前在业界普遍采用电磁继电器控制电路来实现安全输出控制，电磁继电器是一种电子控制器件，当输入量达到某一定值，继电器内衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动触点吸合。当输入量降低到某一定值，吸力减小或消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的，即实现控制电路的输出和不输出两种状态。电磁继电器控制电路具有用低输入量控制高输出量运作的能力，可以实现远距离控制和自动化控制，在继电器的输入部分和输出部分之间，还能对输入输出进行耦合隔离，故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

针对业界普遍采用的电磁继电器输出控制电路，下面分析其存在的缺陷。

单一电磁继电器控制电路可靠性较低。在工业控制领域，除了对其使用设备的安全性有着很高的要求以外，设备可靠性也是极其重要的一个指标，局限于采购成本和设备体积等因素，虽然我们在设计计算机控制系统时已经尽量选择可靠性较高的器件，但是，往往最终选择的继电器以及其组成的输出控制电路并不能完全满足系统的可靠性设计要求，特别是在一些安全苛刻的领域中，例如轨道交通、航天航空、军事等，系统会采用很多手段或者辅助设备来保证系统的安全，系统的复杂程度增加将直接导致可靠性的降低，因此会对可靠性设计有更高的要求，而如果依旧采用单一电磁继电器控制电路，将会使得其成为整个系统的可靠性瓶颈。

另外电磁继电器本身工作也存在着较大的能耗。在工业控制领域中，如上所说，为了保证输出安全和减低控制难度，多采用电磁继电器控制电路来实现输出控制，而一般工业控制系统都是大型工业设备或者大型集成系统，其本身系统比较庞大且接口数量很多，这就使得其使用的继电器数量增加很多，从而驱动继电器产生的能耗会变的相当庞大，在某些情况下，可能成为整个系统的能耗瓶颈和巨大负担，大大增加整个系统设计的难度以及整个系统的实施和运营成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种应安全计算机输出控制系统，降低能耗，提高系统的可靠性。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种应用于安全计算机的输出控制系统，包括设有线圈A和线圈B的双线圈继电器，所述线圈A和线圈B并联驱动该双线圈继电器，以使其输出驱动外部设备的所需信号，还设有同时输出且分别驱动线圈A和线圈B的输出控制A系单元和输出控制B系单元以及选择输出控制A系单元和输出控制B系单元哪一个作为主系/备系，并将结果反馈给各系的主备切换模块，所述输出控制A系单元/输出控制B系单元包括驱动控制模块、根据驱动控制模块的输出控制信号产生驱动继电器的电压信号的驱动输出模块以及调整具体的输出电压值的电压调整模块，所述电压调整模块由输出电压控制可调的电源芯片实现或者采用多路电源的开关切换电路实现。

进一步的，所述驱动控制模块收到上层系统给出的输出指令后输出电压控制信号VO_CTL＝1和电压调节信号VO_ADJ＝0，再采集继电器工作状态，若继电器未吸起，则进行故障报警，通知进行检测维修；若继电器有效吸起，则再判断当前通道是否为主通道，若是主通道，则保持输出电压控制信号VO_CTL＝1和电压调节信号VO_ADJ＝0，保证继电器的可靠吸起，若当前为备通道，则输出电压控制信号VO_CTL＝1和电压调节信号VO_ADJ＝1，备系继电器线圈进入驱动保持状态。

进一步的，所述驱动输出模块收到驱动控制模块输出的驱动控制信号VO_CTL，当VO_CTL＝1时，驱动输出模块输出可以驱动继电器工作的原始电压信号VO1+/-，此时VO1A+/-＝U_额定，当VO_CTL＝0，驱动输出模块则不输出驱动电压，此时VO1+/-＝0。

进一步的，所述电压调整模块收到驱动输出模块输出的原始驱动电压信号VO1+/-，当VO1+/-＝0，电压调整模块不输出驱动电压，此时驱动继电器工作的实际电压信号VO2+/-＝0；当VO1+/-＝U_额定，则继续判断输入的VO_ADJ信号，若VO_ADJ＝0，则输出满额驱动继电器的工作电压，此时VO2+/-＝U_额定，若VO_ADJ＝1，则输出驱动保持的继电器工作电压，此时VO2+/-＝U_保持。

进一步的，所述继电器采集到驱动电压VO2A+/-和VO2B+/-后会进入到不同的工作状态，如果继电器吸起则输出驱动+/-信号，输出继电器状态信号VO_FD＝1；如果继电器未吸起，则不输出用于驱动对外设备的驱动+/-信号，输出继电器状态信号VO_FD＝0。

进一步的，所述安全计算机输出控制系统运用于二乘二取二的计算机联锁输出控制系统，或者继电器输出控制系统。

本发明采用的技术方案，其优点体现在：①双通道冗余的输出控制架构，大大提高了系统的可靠性，②备系继电器线圈吸起后进入吸起保持状态，只需要较低电压驱动，实现节能，单继电器能耗降为(U_保持/U_额定)²，由于U_保持远远小于U_额定，此功耗可忽略，对于整个控制电路，即备通道功耗可忽略，等同于单通道的功耗；③增加了继电器状态检测和报警机制，方便故障检修维护，在控制系统中实际系统的故障率可以接近为0。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

图1是本发明的原理框图；

图2为驱动控制逻辑图；

图3为驱动输出逻辑图；

图4为电压调节逻辑图；

图5为继电器工作逻辑图。

具体实施方式

本发明以轨道交通联锁系统应用中的二乘二取二安全计算机平台为例说明其原理，二乘为双机热备冗余结构，即A系和B系同时工作，只要其中有一系正常，系统就能正常工作，二取二为双通道表决机制，即只有当单系内通道1和通道2的处理单元对输入信息的运算结果一致，此系才能采用此结果或者进行有效输出。

本发明是一种应用于安全计算机的输出控制系统，包括设有线圈A和线圈B的双线圈继电器模块，所述线圈A和线圈B并联驱动继电器，以使其输出驱动外部设备的所需信号，还设有同时输出且分别驱动线圈A和线圈B的输出控制A系单元和输出控制B系单元以及选择输出控制A系单元和输出控制B系单元哪一个作为主系/备系，并将结果反馈给各系的主备切换模块。

其输出控制原理如图1所示，整个输出控制由A系和B系一起控制，两系同时输出以驱动双线圈继电器模块线圈，线圈A或线圈B只要有一个被驱动，继电器就能吸起，从而保证系统的可靠输出，单系故障不会影响系统工作，另外由主备切换控制模块决定谁是主通道谁是备通道，主系继电器线圈一直处于满额驱动状态，保证继电器的可靠吸起，备系继电器则在吸引后转入吸起保持状态，进入节能模式。

输出控制系(A/B)由驱动控制模块(A/B)，驱动转化模块(A/B)、驱动转化模块(A/B)、电压调整模块(A/B)、双线圈继电器模块组成。

驱动控制模块为控制逻辑的中心，需要采集主备状态、输出电压控制信号和电压调整信号、采集继电器状态等。

驱动输出模块的作用是根据驱动控制模块给出的输出控制信号产生可以驱动继电器的电压信号。

电压调整模块的作用是调整具体输出电压值，以使得继电器进入不同的工作状态。

继电器模块的作用是将控制信号转化为驱动外部设备的所需信号，并达到隔离保护和输出反馈的作用。A系和B系继电器线圈并联驱动输出继电器，只要其中有一路输出系统就能正常输出。

另外图中的主备切换控制模块是两系工作的交互媒介，是输出控制电路正常工作的重要基础，它的作用是进行系间裁决，决策A系和B系谁是主系谁是备系，并将结果反馈给各系。

以下对图中涉及的关键信号作出说明。

VO_CTL信号为驱动控制信号。

VO_ADJ信号为驱动电压调节信号。

VO_FD信号为继电器状态采集信号。

VO1+/-信号为原始继电器驱动电压信号。

VO2+/-信号为实际继电器驱动电压信号。

驱动+/-为外部设备驱动信号。

下面对各模块功能进行详细描述。

●驱动控制模块

在实际电路中，驱动控制模块主要由单片机、控制器或者处理器及其外围电路实现，主要涉及采集主备状态，采集继电器状态，输出控制信号，输出电压调整信号等几个主要功能。

如图2所示，基本控制逻辑如下：驱动控制模块收到上层系统给出的输出指令，输出电压控制信号VO_CTL＝1和电压调节信号VO_ADJ＝0，再采集继电器工作状态，若继电器未吸起，则进行故障报警，通知进行检测维修；若继电器有效吸起，则再判断当前通道是否为主通道，若是主通道，则保持输出电压控制信号VO_CTL＝1和电压调节信号VO_ADJ＝0，保证继电器的可靠吸起，若当前为备通道，则输出电压控制信号VO_CTL＝1和电压调节信号VO_ADJ＝1，备系继电器线圈进入驱动保持状态，即节能工作状态。整个驱动控制过程中，继电器的状态检测和主备状态检测为持续循环的，如果状态有所变化，则会进入不同的逻辑分支。

●驱动输出模块

在实际电路中，电压输出模块由三极管、MOS等基本驱动电路实现控制信号到驱动电压的转化。

如图3所示，基本控制逻辑如下：驱动输出模块收到驱动控制模块输出的驱动控制信号VO_CTL，当VO_CTL＝1时，驱动输出模块输出可以驱动继电器工作的原始电压信号VO1+/-，此时VO1A+/-＝U_额定，当VO_CTL＝0，驱动输出模块则不输出驱动电压，此时VO1+/-＝0。

●电压调整模块

电压调整模块的具体实现方式有多种，例如由输出电压控制可调的电源芯片实现或者采用多路电源的开关切换电路实现等等。

如图4所示，基本控制逻辑如下：电压调整模块收到驱动输出模块输出的原始驱动电压信号VO1+/-，当VO1+/-＝0，电压调整模块不输出驱动电压，此时驱动继电器工作的实际电压信号VO2+/-＝0；当VO1+/-＝U_额定，则继续判断输入的VO_ADJ信号，若VO_ADJ＝0，则输出满额驱动继电器的工作电压，此时VO2+/-＝U_额定，若VO_ADJ＝1，则输出驱动保持的继电器工作电压，此时VO2+/-＝U_保持。

●双线圈继电器模块

双线圈继电器模块由继电器和外围电路构成，作为最终的输出控制接口，需要完成驱动电压转化输出和继电器状态反馈两个主要功能。

如图5所示，基本控制逻辑如下：继电器采集到驱动电压VO2A+/-和VO2B+/-后会进入到不同的工作状态，如果继电器吸起则输出驱动+/-信号，输出继电器状态信号VO_FD＝1；如果继电器未吸起，则不输出用于驱动对外设备的驱动+/-信号，输出继电器状态信号VO_FD＝0。驱动控制电路根据两系驱动输出情况以及继电器状态回检信号采取对应的控制策略。

另外，本发明主要运用于二乘二取二的计算机联锁输出控制系统，也可以应用在类似架构的冗余计算机输出控制、继电器输出控制等系统中。

Claims (2)

1.一种安全计算机输出控制系统，其特征在于：包括设有线圈A和线圈B的双线圈继电器，所述线圈A和线圈B并联驱动该双线圈继电器，以使其输出驱动外部设备的所需信号，还设有同时输出且分别驱动线圈A和线圈B的输出控制A系单元和输出控制B系单元以及选择输出控制A系单元和输出控制B系单元哪一个作为主系/备系，并将结果反馈给各系的主备切换模块，所述输出控制A系单元/输出控制B系单元包括驱动控制模块、根据驱动控制模块的输出控制信号产生驱动继电器的电压信号的驱动输出模块以及调整具体的输出电压值的电压调整模块，所述电压调整模块由输出电压控制可调的电源芯片实现或者采用多路电源的开关切换电路实现，所述驱动控制模块收到上层系统给出的输出指令后输出电压控制信号VO_CTL＝1和电压调节信号VO_ADJ＝0，再采集继电器工作状态，若继电器未吸起，则进行故障报警，通知进行检测维修；若继电器有效吸起，则再判断当前通道是否为主通道，若是主通道，则保持输出电压控制信号VO_CTL＝1和电压调节信号VO_ADJ＝0，保证继电器的可靠吸起，若当前为备通道，则输出电压控制信号VO_CTL＝1和电压调节信号VO_ADJ＝1，备系继电器线圈进入驱动保持状态，所述驱动输出模块收到驱动控制模块输出的电压控制信号VO_CTL，当VO_CTL＝1时，驱动输出模块输出可以驱动继电器工作的原始驱动电压信号VO1+/-，此时VO1A+/-＝U_额定，当VO_CTL＝0，驱动输出模块则不输出驱动电压，此时VO1+/-＝0，所述电压调整模块收到驱动输出模块输出的原始驱动电压信号VO1+/-，当VO1+/-＝0，电压调整模块不输出驱动电压，此时驱动继电器工作的实际电压信号VO2+/-＝0；当VO1+/-＝U_额定，则继续判断输入的VO_ADJ信号，若VO_ADJ＝0，则输出满额驱动继电器的工作电压，此时VO2+/-＝U_额定，若VO_ADJ＝1，则输出驱动保持的继电器工作电压，此时VO2+/-＝U_保持，所述继电器采集到驱动电压VO2A+/-和VO2B+/-后会进入到不同的工作状态，如果继电器吸起则输出驱动+/-信号，输出继电器状态信号VO_FD＝1；如果继电器未吸起，则不输出用于驱动对外设备的驱动+/-信号，输出继电器状态信号VO_FD＝0，其中：VO1A+/-表示A系原始驱动电压信号，VO2A+/-表示A系实际电压信号，VO2B+/-表示B系实际电压信号。

2.根据权利要求1所述的一种安全计算机输出控制系统，其特征在于：所述安全计算机输出控制系统运用于二乘二取二的计算机联锁输出控制系统，或者继电器输出控制系统。

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