CN110376931A - 一种高诊断覆盖率的功能安全电流输出模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高诊断覆盖率的功能安全电流输出模块，其中电流输出单元连接微处理器，将微处理器传来的数字信号转换成电流信号输出；诊断单元一端连接电流输出单元，采集电流输出单元的电流信号；另一端连接微处理器，将采集到的电流信号反馈给微处理器；电流输出单元和诊断单元共同组成1OO1D表决架构，诊断单元的开关与电流输出单元的开关相互串联；电流回读单元一端连接电流输出单元的输出端，采集输出电流，另一端连接微处理器，将电流输出单元的输出电流回给微处理器，监视输出电流。本发明采用具有丰富自诊断功能的DAC结合诊断单元、电流回读单元、电压监控单元，进一步提高了诊断覆盖率、提高了可靠性、降低了成本、降低了开发难度。

Description

一种高诊断覆盖率的功能安全电流输出模块

技术领域

本发明涉及具有功能安全需求的电流输出、自动化过程控制领域，具体地说是一种高诊断覆盖率的功能安全电流输出模块。

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。

4-20mA信号制是国际电工委员会(IEC):过程控制系统用模拟信号标准。在工业控制过程中，经常需要对一些设备进行控制，4-20mA电流信号由于比电压调制信号具有更好的抗干扰性能，信号适合远距离传输，因此成为工业过程控制的标准。所以，标准的4-20mA电流信号在工业过程控制中有着大量的应用。

功能安全电流输出模块是安全PLC中常用的IO模块，传统具有SIL3安全等级的电流输出模块均采用的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

针对现有技术的不足，本发明提供一种高诊断覆盖率的功能安全电流输出模块,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，降低产品的成本。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种高诊断覆盖率的功能安全电流输出模块，包括微处理器、电流输出单元、诊断单元和电流回读单元；其中

微处理器连接通信接口，通信接口通过PLC背板总线与PLC控制器连接并进行通信；微处理器连接地址检测单元，地址检测单元连接PLC背板总线，采集地址信号发送到微处理器；

电流输出单元连接微处理器，将微处理器传来的数字信号转换成4-20mA电流信号输出；

诊断单元一端连接电流输出单元，采集电流输出单元的电流信号；另一端连接微处理器，将采集到的电流信号反馈给微处理器，进行诊断和故障处理；诊断单元接收微处理器发送的控制信号和配置信号；

电流输出单元和诊断单元共同组成1OO1D表决架构，且诊断单元的开关与电流输出单元的开关相互串联，当故障时，微处理器控制诊断单元的开关断开，使电源输入关断；

电流回读单元一端连接电流输出单元的输出端，采集输出电流，另一端连接微处理器，将电流输出单元的输出电流回给微处理器，监视输出电流。

外部监视单元一端连接外部电源，另一端连接微处理器，采集输入的外部电源信号，对其进行监视，并反馈给微处理器。

在所述开关量输出单元与微处理器之间设置第一隔离电路，在所述诊断单元与微处理器之间设置第二隔离电路，在所述电流回读单元与微处理器之间设置第三隔离电路。

在所述外部监视单元与微处理器之间设置第四隔离电路。

所述地址检测单元采用冗余结构，使用电压检测的方式获取本模块地址。

所述通信接口单元采用冗余结构，采用RS485通信接口实现和安全控制器进行通信。

所述电流输出单元采用DAC进行过压、欠压、过载、过热、开路、短路检测、SPI地址读写错误检测、SPI通信CRC错误检测、内部寄存器CRC检测。

所述微处理器采用通过SIL3认证的安全处理器，安全架构为1OO1D。

在所述外部电源的输入端设置第一保护电路，对模块输入电源进行保护控制。

在所述电流输出单元的输出端设置第二保护电路，对输出端连接的外部设备进行保护。

所述诊断单元主要包括ADC，通过电流检测芯片连接电流输出单元。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明采用1OO1D架构，采用单处理器就实现了SIL3安全等级，减少了微处理器数量，同时由于采用具有丰富自诊断功能的DAC结合诊断单元、电流回读单元、电压监控单元，进一步提高了诊断覆盖率、提高了可靠性、降低了成本、降低了开发难度。

2.本发明采用单处理器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

图1是本发明的模块结构框图；

图2是本发明的基于诊断单元的结构框图；

图3是本发明的电流回读单元结构框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示为本发明的模块结构框图。

一种高诊断覆盖率的功能安全电流输出模块通过PLC背板总线接口和安全控制器通信，实现对现场设备的控制。所述电流输出模块主要包括微处理器、通信接口、地址检测单元、电流输出单元、诊断单元、电流回读单元、电源监视单元及隔离单元等。

通信接口采用冗余结构通过PLC背板总线与PLC控制器进行通信；所述地址检测单元采用冗余结构负责检测本模块地址；所述电流输出单元经过隔离单元前后和微处理器连接，将处理器传来的数字信号转换成为4-20mA电流信号输出。电流输出单元采用1OO1D表决架构，处理器控制通道输出电流信号，并由诊断单元进行诊断，诊断信息经过隔离后传输给微处理器进行故障处理。输出电路诊断单元负责对输出电路硬件进行诊断，及时发现硬件电路故障。电流回读单元负责对输出的电流信号进行监视，及时发现电路故障。电源监视单元负责对模块外供电电压和电流进行监视，及时发现外供电故障。微处理器采用通过SIL3认证的安全处理器，安全架构为1OO1D。采用所述结构进行设计，电流输出模块诊断覆盖率≥99％，安全完整性等级为SIL3。支持各种低要求、高要求、连续各种操作模式，支持断点跳闸应用、通电跳闸应用。

地址检测单元采用冗余架结构，使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。其中一组地址检测单元出现故障不会影响系统运行。

通信接口单元采用冗余架结构，采用RS485通信接口实现和安全控制器进行通信。其中一组通信接口单元出现故障不会影响系统运行。

电流输出单元，由通道输出单元和诊断单元组成1OO1D架构。微处理器结合通道输出数据和诊断数据实现对硬件故障的诊断。

电流输出单元每个通道都具有电流采样电阻和通道开关，采样电阻实现对通道电流的采样，监视电流。通道开关是当某个通道输出故障时可以通过通道开关关闭该通道的输出。

微处理器只有1个，并且通过SIL3功能安全认证，采用1OO1D架构。

电流输出单元采用具有丰富自诊断功能的DAC(数模转换器)，可进行过压、欠压、过载、过热、开路、短路检测、SPI地址读写错误检测、SPI通信CRC(循环冗余校验)错误检测、内部寄存器CRC检测等等。采用该DAC，在不采用外部诊断电路的情况下诊断覆盖率可以达到90％以上。

电流回读单元，通过电流采样电路，将每个通道的电流值转换成电压值，经过ADC(模数转换器)转换成数字信号给微处理器进行计算和判断，输出值和回读值应在安全范围内。

电源监视单元可以对电流输出模块的外供电的电压、电流进行监控，及时发现故障并做安全处理。

通过微处理器控制电流输出单元芯片实现4-20mA电流输出。微处理器与电流输出单元采用隔离单元实现电气上的隔离。电流输出单元采用具有丰富自诊断功能的DAC(数模转换器)，可进行过压、欠压、过载、过热、开路、短路检测、SPI地址读写错误检测、SPI通信CRC(循环冗余校验)错误检测、内部寄存器CRC检测等等。采用该DAC，在不采用外部诊断电路的情况下诊断覆盖率可以达到90％以上。电流回读单元对输出的电流值进行监视，当有故障时会自动的断电流输出通道开关S2，并上报故障信息给控制器。输出电路诊断单元负责对模块的输出部分硬件电路进行定期的诊断，电路有故障时会断开电流输出模块的供电开关S1，并上报故障信息给控制器。电流输出单元采用1OO1D表决架构，在每个控制周期及诊断周期之后，微处理器会对输出数据及诊断数据进行处理，并通过通信单元将数据上传。本例选用符合SIL3等级的微处理器，因此在微处理器采用1oo1D安全架构的情况下，电路整体仍能到达SIL3等级。

采用由电流输出单元、诊断单元、电流回读单元组合成1oo1D架构，由一个通过SIL3认证的微处理器进行输出控制、诊断、回读、比较。

1)微处理器控制电流输出单元输出4-20mA电流，电流回读单元对输出的电流信号进行采样，微处理器对电流回读单元的数据进行实时处理。

2)当微处理器输出的电流数据和回读的电流数据不一致时，微处理器会通过通道开关关闭有故障的通道，同时上报故障信息给安全控制器。

3)通过电流回单元对输出进行实时监视，发现回读数据与期望输出不同时，立即由诊断电路关断输出。同时上报故障信息

4)诊断单元可以对输出通道的硬件进行诊断，通过周期性的输出不超过安全精度的信号测试电流，实现高的诊断覆盖率。

5)微处理器的诊断及电流采集电路的诊断均依靠芯片内部强大的自诊断功能实现，外部诊断电路大大减少。

如图2所示是本发明的基于诊断单元的结构框图。

诊断单元电路用于检测供电开关是否能够正常的开启与关闭，主要通过插入周期性的输出脉冲测试信号来实现，并结合输出监视实现高的诊断覆盖率。

S1和S2为输出电路供电开关，并联后接至外部电源24V，一旦检测到输出故障，S1、S2立即断开关闭输出。S3为输出端开关，输出端开关的作用是强制打开或关闭某个输出通道。ADC通过判断供电开关输出电流值来诊断供电开关的开路故障。输出端二极管D1的作用是防止断电后电流流入。

诊断过程为：

步骤1：闭合S1、S2，使DAC芯片能正常工作，断开S3，禁止输出到输出端子；

步骤2：更改输出命令；

步骤3：检测并核实测试结果；

步骤4：闭合S3，恢复正常输出命令；

步骤5：检测并核实测试结果。

如图3所示是本发明的电流回读单元结构框图。

电流输出监视单元采用高速A/D实时监控输出通道的方式，来实现对电流输出模块的输出电流值的回读。考虑到需要监视电流输出模块8个通道的输出，所以采用多路模拟开关对8个通道进行循环切换采集，然后传送至高速A/D，完成对8通道输出值的读取。除此之外，该部分还包括高速A/D与微处理器的数字隔离电路。

Claims (10)

1.一种高诊断覆盖率的功能安全电流输出模块，其特征在于：包括微处理器、电流输出单元、输出电路诊断单元和电流回读单元；其中

微处理器连接通信接口，通信接口通过PLC背板总线与PLC控制器连接并进行通信；微处理器连接地址检测单元，地址检测单元连接PLC背板总线，采集地址信号发送到微处理器；

电流输出单元连接微处理器，将微处理器传来的数字信号转换成4-20mA电流信号输出；

输出电路诊断单元一端连接电流输出单元，采集电流输出单元的电流信号；另一端连接微处理器，将采集到的电流信号反馈给微处理器，进行诊断和故障处理；输出电路诊断单元接收微处理器发送的控制信号和配置信号；

电流输出单元和输出电路诊断单元共同组成1OO1D表决架构，且输出电路诊断单元的开关与电流输出单元的开关相互串联，当故障时，微处理器控制输出电路诊断单元的开关断开，使电源输入关断；

电流回读单元一端连接电流输出单元的输出端，采集输出电流，另一端连接微处理器，将电流输出单元的输出电流回给微处理器，监视输出电流。

2.根据权利要求1所述的高诊断覆盖率的功能安全电流输出模块，其特征在于：外部监视单元一端连接外部电源，另一端连接微处理器，采集输入的外部电源信号，对其进行监视，并反馈给微处理器。

3.根据权利要求1所述的高诊断覆盖率的功能安全电流输出模块，其特征在于：在所述开关量输出单元与微处理器之间设置第一隔离电路，在所述诊断单元与微处理器之间设置第二隔离电路，在所述电流回读单元与微处理器之间设置第三隔离电路。

4.根据权利要求2所述的高诊断覆盖率的功能安全电流输出模块，其特征在于：在所述外部监视单元与微处理器之间设置第四隔离电路。

5.根据权利要求1所述的高诊断覆盖率的功能安全电流输出模块，其特征在于：所述地址检测单元采用冗余结构，使用电压检测的方式获取本模块地址。

6.根据权利要求1所述的高诊断覆盖率的功能安全电流输出模块，其特征在于：所述通信接口单元采用冗余结构，采用RS485通信接口实现和安全控制器进行通信。

7.根据权利要求1所述的高诊断覆盖率的功能安全电流输出模块，其特征在于：所述电流输出单元采用DAC进行过压、欠压、过载、过热、开路、短路检测、SPI地址读写错误检测、SPI通信CRC错误检测、内部寄存器CRC检测。

8.根据权利要求1～3所述的高诊断覆盖率的功能安全电流输出模块，其特征在于：所述微处理器采用通过SIL3认证的安全处理器，安全架构为1OO1D。

9.根据权利要求2所述的高诊断覆盖率的功能安全电流输出模块，其特征在于：在所述外部电源的输入端设置第一保护电路，对模块输入电源进行保护控制。

10.根据权利要求1所述的高诊断覆盖率的功能安全电流输出模块，其特征在于：在所述电流输出单元的输出端设置第二保护电路，对输出端连接的外部设备进行保护。