CN109683538B - 一种功能安全压力变送器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及压力变送器技术领域，具体公开了一种功能安全压力变送器，其中，包括：微处理器、时钟电路、故障采集器和输出电路，时钟电路、故障采集器和输出电路均与微处理器连接，输出电路包括依次连接的中间输出电路、控制电路和末端输出电路，中间输出电路和控制电路均与微处理器连接；故障采集器用于采集时钟电路的工作状态；微处理器用于产生控制信号以及用于根据时钟电路的工作状态控制输出电路的工作；中间输出电路用于在时钟电路的工作状态正常时输出控制信号；控制电路用于在时钟电路的工作状态异常时通过末端输出电路输出控制信号。本发明提供的功能安全压力变送器能够实时对时钟电路的故障监测，使得变送器工作在安全状态。
Description
技术领域
本发明涉及压力变送器技术领域，尤其涉及一种功能安全压力变送器。
背景技术
随着石油、化工装置的经济规模日趋大型化，生产装置的密集程度越来越高，对操作、控制及安全的要求也越来越严格。石化装置的产品一般都属于易燃、易爆或有毒介质,生产过程稍有闪失就会酿成灾难性的事故,造成生产、设备、人员等方面的重大损失。作为过程工业安全的重要保障,确保过程工业安全仪表系统。
功能安全压力变送器作为安全仪表系统的重要组成部分，在其设计阶段，要求输入、输出、转换、运算、时钟、存储、微处理器等单元电路发生故障时，必须对发生的故障能够准确可靠判断并进行安全处理。这样，当仪表内部发生故障时，其输出结果必须保持在安全状态。功能安全压力变送器在安全仪表系统中参与重要设备的检测及联锁控制，提高其故障智能诊断能力，尤其当故障被准确检测完成后，自身能及时安全处理故障在设计中是不可或缺的。绝大多数高端非安全功能变送器虽然已经实现了对转换单元、存储单元、微处理器单元、高/低电源电压检测单元等电路的智能诊断，但其一，它未能对影响仪表安全的时钟故障做出有效可靠的诊断；其二，对检测到的故障未能实现安全有效的处理方法。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种功能安全压力变送器，以解决现有技术中的问题。
作为本发明的一个方面，提供一种功能安全压力变送器，其中，所述功能安全压力变送器包括：微处理器、时钟电路、故障采集器和输出电路，所述时钟电路、故障采集器和输出电路均与所述微处理器连接，所述输出电路包括依次连接的中间输出电路、控制电路和末端输出电路，所述中间输出电路和所述控制电路均与所述微处理器连接；
所述故障采集器用于采集时钟电路的工作状态；
所述微处理器用于产生控制信号以及用于根据所述时钟电路的工作状态控制所述输出电路的工作；
所述中间输出电路用于在所述时钟电路的工作状态正常时通过所述控制电路和所述末端输出电路输出所述控制信号；
所述控制电路用于在所述时钟电路的工作状态异常时通过所述末端输出电路输出所述控制信号。
优选地，所述控制电路包括控制单元和看门狗定时器，所述看门狗定时器分别与所述控制单元和微处理器连接，所述看门狗定时器能够在所述时钟电路的工作状态异常时向所述控制单元发送控制指令，所述控制单元能够根据所述控制指令输出所述控制信号。
优选地，所述控制单元包括单片机。
优选地，所述故障采集器包括计数器和参考电容，所述计数器分别与所述微处理器和参考电容连接，所述计数器用于记录在时钟电路的时钟周期内所述参考电容充放电的次数，并将记录的所述参考电容充放电的次数发送至所述微处理器，以使得所述微处理器能够根据所述参考电容充放电的次数判断所述时钟电路的工作状态。
优选地，所述功能安全压力变送器包括传感器，所述传感器与所述微处理器连接，所述传感器用于采集压力信号，并将采集到的压力信号发送至所述微处理器，以使得所述微处理器能够将所述压力信号转变为非标电压信号。
优选地，所述输出电路用于将所述非标电压信号转换为标准电流信号。
优选地，所述功能安全压力变送器包括A/D转换器，所述传感器通过所述A/D转换器与所述微处理器连接，所述A/D转换器用于将所述传感器的模拟信号转换为数字信号。
优选地，所述功能安全压力变送器包括存储器，所述存储器分别与所述A/D转换器和所述微处理器连接，所述存储器用于存储所述传感器的压力信号。
优选地，所述功能安全压力变送器包括D/A转换器，所述D/A转换器的输入端与所述微处理器连接，所述D/A转换器的输出端与所述输出电路连接，所述D/A转换器用于将所述微处理器输出的数字信号转换为模拟信号。
优选地，所述功能安全压力变送器包括通信单元，所述通信单元分别与所述微处理器和所述输出电路连接，所述通信单元用于实现所述微处理器以及所述输出电路与上位机的通信。
本发明提供的功能安全压力变送器，将原本为一个整体的输出电路拆分为中间输出电路和末端输出电路，在二者之间添加一个控制电路，从而实现了可靠的输出安全功能。通过故障采集器有效地完成对时钟电路的可靠监控，解决了安全仪表中对CPU所需时钟工作状态实时监控的难题，通过输出电路有效地解决当时钟发生故障时，使变送器工作在安全状态。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明提供的功能安全压力变送器的结构框图。
图2为本发明提供的功能安全压力变送器的一种具体实施方式的结构框图。
图3为本发明提供的功能安全压力变送器的另一种具体实施方式的结构框图。
图4为本发明提供的功能安全压力变送器的具体实施方式流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
作为本发明的一个方面，提供一种功能安全压力变送器，其中，如图1所示，所述功能安全压力变送器1包括：微处理器30、时钟电路80、故障采集器10和输出电路60，所述时钟电路80、故障采集器10和输出电路60均与所述微处理器30连接，所述输出电路60包括依次连接的中间输出电路61、控制电路62和末端输出电路63，所述中间输出电路61和所述控制电路62均与所述微处理器30连接；
所述故障采集器10用于采集时钟电路80的工作状态；
所述微处理器30用于产生控制信号以及用于根据所述时钟电路的工作状态控制所述输出电路的工作；
所述中间输出电路61用于在所述时钟电路80的工作状态正常时通过所述控制电路62和所述末端输出电路63输出所述控制信号；
所述控制电路62用于在所述时钟电路80的工作状态异常时通过所述末端输出电路输出所述控制信号。
本发明提供的功能安全压力变送器，将原本为一个整体的输出电路拆分为中间输出电路和末端输出电路，在二者之间添加一个控制电路，从而实现了可靠的输出安全功能。通过故障采集器有效地完成对时钟电路的可靠监控，解决了安全仪表中对CPU所需时钟工作状态实时监控的难题，通过输出电路有效地解决当时钟发生故障时，使变送器工作在安全状态。
具体地，所述控制电路62包括控制单元621和看门狗定时器622，所述看门狗定时器622分别与所述控制单元621和微处理器30连接，所述看门狗定时器622能够在所述时钟电路80的工作状态异常时向所述控制单元621发送控制指令，所述控制单元621能够根据所述控制指令输出所述控制信号。
需要说明的是，所述控制电路62还包括模拟开关。其中，所述模拟开关是中间输出电路和末端输出电路的桥梁，用于连接所述中间输出电路和末端输出电路。
优选地，所述控制单元621包括单片机。
具体地，所述末端输出电路63包括V/I转换电路和电源电路。其中，所述V/I转换电路用于完成电压-电流的转化；电源电路用于把外部24V电压转换为3V电压，以供变送器内部电路使用。
具体地，所述故障采集器10包括计数器12和参考电容11，所述计数器12分别与所述微处理器30和参考电容11连接，所述计数器12用于记录在时钟电路80的时钟周期内所述参考电容11充放电的次数，并将记录的所述参考电容11充放电的次数发送至所述微处理器30，以使得所述微处理器30能够根据所述参考电容11充放电的次数判断所述时钟电路80的工作状态。
应当理解的是，以时钟电路80周期为基准，对参考电容11进行充电和放电，让计数器12记录一定周期内参考电容11充电和放电的次数，计算出参考电容11的容量值是否发生了变化，从而检测出时钟电路80是否发生故障。
具体地，因为参考电容11的电容量的检测是基于时钟电路80周期的，所以当时钟电路80工作在半频时，参考电容11的电容量的值为正常工作时的一半；当时钟电路80工作在倍频时，参考电容11的电容量的值变为正常工作时的两倍。微处理器 30从存储器 70中读出正常工作时的电容量进行比较，从而发现时钟电路80故障；而当时钟80不工作时，微处理器 30也无法工作， 看门狗定时器622接管控制权直接指挥控制单元621。
图2中，当时钟电路80发生故障，微处理器30也无法正常工作，为了能在时钟电路80发生故障时压力变送器处于安全状态，压力变送器上电时让与时钟电路80工作无关的看门狗定时器622启动并开始工作。如果时钟电路80工作正常，微处理器30指挥看门狗定时器（WDT）622发出正确指令；如果时钟电路80发生异常，看门狗定时器622接管控制权直接指挥制单元621，使末端输出电路63实现可靠的安全输出信号。
具体地，如图3所示，所述功能安全压力变送器1包括传感器100，所述传感器100与所述微处理器30连接，所述传感器100用于采集压力信号，并将采集到的压力信号发送至所述微处理器30，以使得所述微处理器30能够将所述压力信号转变为非标电压信号。
具体地，所述输出电路60用于将所述非标电压信号转换为标准电流信号。
具体地，所述功能安全压力变送器包括A/D转换器40，所述传感器100通过所述A/D转换器40与所述微处理器30连接，所述A/D转换器40用于将所述传感器100的模拟信号转换为数字信号。
具体地，所述功能安全压力变送器1包括存储器70，所述存储器70分别与所述A/D转换器40和所述微处理器30连接，所述存储器70用于存储所述传感器100的压力信号。
具体地，所述功能安全压力变送器1包括D/A转换器50，所述D/A转换器50的输入端与所述微处理器30连接，所述D/A转换器50的输出端与所述输出电路60连接，所述D/A转换器50用于将所述微处理器30输出的数字信号转换为模拟信号。
具体地，所述功能安全压力变送器1包括通信单元90，所述通信单元90分别与所述微处理器30和所述输出电路60连接，所述通信单元90用于实现所述微处理器30以及所述输出电路60与上位机的通信。
应当理解的是，所述微处理器30和所述输出电路60均可以通过所述通信单元90与上位机实现通信，接收所述上位机的指令信号。
优选地，所述微处理器30包括CPU，所述存储器70包括EEPROM。
具体地，传感器100产生的模拟电信号由A/D转换器40将模拟信号转换为数字信号。CPU 30从EEPROM 70中读出传感器100的特征数据，此特征数据和从A/D转换器30所输入实测电信号值为基准，通过适当的算法计算出实际的压力信号值。
CPU 30输出的实际物理值输入到D/A转换器50，D/A转换器50将数字信号转换成模拟信号。然后，通过输出电路60将非标电压信号转化为标准的电流信号发送给外部仪表或监视器，实现对工业现场压力参量的控制或者监视工作。
CPU 30通过故障采集器10采集传感器100、A/D转换器40、EEPROM 70、D/A转换器50、输出电路60的监测信号进行诊断，有故障产生时，CPU 30通过控制输出电路60实现可靠的安全输出信号。
下面结合图2和图4对本发明提供的功能安全压力变送器的工作过程进行详细描述。
首先S01步骤用CPU 30启动与其相连结的看门狗定时器622，让看门狗定时器622独立于CPU 30开始工作。S03步骤用CPU 30通过计数器12采集参考电容11的电容值。S05步骤用CPU 30从EEPROM 70读出时钟电路80正常工作时参考电容11的电容值，和实时采集到的电容值进行比较，如果超出设置的范围，就执行S07步骤，显示时钟电路80故障，并提醒用户故障类型，如果未超出设置的范围的，CPU 30执行步骤S09，让看门狗定时器622清零，防止看门狗定时器622超时溢出产生错误故障。
承接前面，继续看门狗定时器622的分析，由于看门狗定时器622独立于CPU 30工作，当看门狗定时器622开始工作后，一直循环执行S04步骤检测其内部的计数器是否超时溢出，如果超时溢出，说明时钟电路80发生了故障，执行S06步骤，看门狗定时器622发送指令，S08步骤接收看门狗定时器622发送的指令，指挥控制单元621执行安全功能，控制单元621使末端输出电路63输出可靠的电流值。
因此，本发明提供的功能安全压力变送器，在所述功能安全压力变送1发生故障时，绕开D/A转换器和中间输出电路，由CPU指挥控制电路直接控制末端输出电路，使功能安全压力变送的输出信号控制在安全输出范围；所述功能安全压力变送1发生时钟故障时，绕开D/A转换器和中间输出电路，由看门狗定时器指挥控制单元直接控制末端输出电路，使功能安全压力变送1的输出信号控制在安全输出范围；由参考电容和计数器组成的故障检测器，在固定周期采集参考电容的值来判断时钟工作在不起振状态、减半状态还是倍频状态，完成对时钟电路的可靠监控。
本发明提供的功能安全压力变送器，将原本为一个整体的输出电路拆分为中间输出电路和末端输出电路，在二者之间添加一个控制电路，从而实现了可靠的输出安全功能。用检测参考电容的设计方法，有效地完成对时钟的可靠监控解决了安全仪表中对CPU所需时钟工作状态实时监控的难题。使用看门狗定时器指挥控制单元，有效地解决当时钟发生故障时，使变送器工作在安全状态。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种功能安全压力变送器，其特征在于，所述功能安全压力变送器包括：微处理器、时钟电路、故障采集器和输出电路，所述时钟电路、故障采集器和输出电路均与所述微处理器连接，所述输出电路包括依次连接的中间输出电路、控制电路和末端输出电路，所述中间输出电路和所述控制电路均与所述微处理器连接；
所述故障采集器用于采集时钟电路的工作状态；
所述微处理器用于产生控制信号以及用于根据所述时钟电路的工作状态控制所述输出电路的工作；
所述中间输出电路用于在所述时钟电路的工作状态正常时通过所述控制电路和所述末端输出电路输出所述控制信号；
所述控制电路用于在所述时钟电路的工作状态异常时通过所述末端输出电路输出所述控制信号。
2.根据权利要求1所述的功能安全压力变送器，其特征在于，所述控制电路包括控制单元和看门狗定时器，所述看门狗定时器分别与所述控制单元和微处理器连接，所述看门狗定时器能够在所述时钟电路的工作状态异常时向所述控制单元发送控制指令，所述控制单元能够根据所述控制指令输出所述控制信号。
3.根据权利要求2所述的功能安全压力变送器，其特征在于，所述控制单元包括单片机。
4.根据权利要求1所述的功能安全压力变送器，其特征在于，所述故障采集器包括计数器和参考电容，所述计数器分别与所述微处理器和参考电容连接，所述计数器用于记录在时钟电路的时钟周期内所述参考电容充放电的次数，并将记录的所述参考电容充放电的次数发送至所述微处理器，以使得所述微处理器能够根据所述参考电容充放电的次数判断所述时钟电路的工作状态。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的功能安全压力变送器，其特征在于，所述功能安全压力变送器包括传感器，所述传感器与所述微处理器连接，所述传感器用于采集压力信号，并将采集到的压力信号发送至所述微处理器，以使得所述微处理器能够将所述压力信号转变为非标电压信号。
6.根据权利要求5所述的功能安全压力变送器，其特征在于，所述输出电路用于将所述非标电压信号转换为标准电流信号。
7.根据权利要求5所述的功能安全压力变送器，其特征在于，所述功能安全压力变送器包括A/D转换器，所述传感器通过所述A/D转换器与所述微处理器连接，所述A/D转换器用于将所述传感器的模拟信号转换为数字信号。
8.根据权利要求7所述的功能安全压力变送器，其特征在于，所述功能安全压力变送器包括存储器，所述存储器分别与所述A/D转换器和所述微处理器连接，所述存储器用于存储所述传感器的压力信号。
9.根据权利要求1至4中任意一项所述的功能安全压力变送器，其特征在于，所述功能安全压力变送器包括D/A转换器，所述D/A转换器的输入端与所述微处理器连接，所述D/A转换器的输出端与所述输出电路连接，所述D/A转换器用于将所述微处理器输出的数字信号转换为模拟信号。
10.根据权利要求1至4中任意一项所述的功能安全压力变送器，其特征在于，所述功能安全压力变送器包括通信单元，所述通信单元分别与所述微处理器和所述输出电路连接，所述通信单元用于实现所述微处理器以及所述输出电路与上位机的通信。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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