CN110376932A - 一种高诊断覆盖率的功能安全开关量输出模块 - Google Patents

一种高诊断覆盖率的功能安全开关量输出模块 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高诊断覆盖率的功能安全开关量输出模块，其中开关量输出单元连接微处理器，将微处理器传来的数字信号转换开关量信号输出；诊断单元一端连接开关量输出单元，采集开关量输出单元的开关量信号；另一端连接微处理器，将采集到的开关量信号反馈给微处理器；诊断单元接收微处理器发送的控制信号和配置信号；开关量输出单元和诊断单元共同组成1OO1D表决架构，诊断单元的开关与开关量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。本发明采用具有丰富自诊断功能的DAC结合诊断单元、输出监控单元、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开关量输出模块
技术领域
本发明涉及具有功能安全需求的开关量输出、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开关量输出模块。
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。
功能安全开关量输出模块是安全PLC中常用的IO模块，传统具有SIL3安全等级的开关量输出模块均采用的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开关量输出模块，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开关量输出模块，包括微处理器、开关量输出单元和诊断单元；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；
开关量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0V或24V开关量信号输出；
诊断单元一端连接开关量输出单元，采集开关量输出单元的开关量信号；另一端连接微处理器，将采集到的开关量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；
开关量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开关量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。
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。
在所述外部监视单元与微处理器之间设置第三隔离电路。
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。
所述开关量输出单元有16个通道数字量输出，当故障时，可以切换到输出安全状态。
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。
在所述开关量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。
诊断单元包括ADC。
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、输出监控单元、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为本发明的模块结构框图。
图2为本发明的以诊断单元为基础的结构框图。
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开关量输出模块通过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。所述开关量输出模块主要由组成，包括微处理器、通信接口、地址检测单元、开关量输出单元、诊断单元、外部电源监视单元及隔离电路等。
所述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；所述开关量输出单元经过隔离单元前后和微处理器连接，将微处理器传来的数字信号转换成为0V或者24V开关量信号输出。所述开关量输出单元采用1OO1D表决架构，处理器控制通道输出开关量信号，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。所述诊断单元主要包括ADC，负责对输出电路进行故障诊断，诊断电路的开关与输出电路开关相串联，通过周期性的输出脉冲测试信号并监视输出进行诊断，若检测出故障，则诊断电路的开关立即关断，使输出处于安全关机状态。所述开关量输出监视单元负责对输出的开关量信号进行监视，及时发现电路故障。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。采用所述结构进行设计，开关量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。
所述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。
所述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。
所述开关量输出单元，由通道输出单元和开路、短路诊断单元组成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。
开关量输出单元，16个通道数字量输出，配有输出监视功能，监测输出状态。当检测到输出故障时，立即切换到输出安全状态。
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。
开关量输出监视单元，输出监视部分采用高速AD实时监控输出通道的方式，来实现对开关量输出模块的输出值的回读。考虑到需要监视开关量输出模块16个通道的输出，所以采用多路模块开关对16个通道进行循环切换采集，然后传送至高速AD，完成对16通道输出值的读取。
电源监视单元可以对开关量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。
通过微处理器控制开关量输出单元芯片实现开关量信号输出。微处理器与开关量输出单元采用隔离单元实现电气上的隔离。开关量输出单元采用具有对浪涌脉冲群及感性负载的输出保护、过热、过流保护的门驱动芯片VN808-E实现，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。开关量输出监视单元对输出的开关量进行监视，当有故障时会自动的断开关量输出通道开关S2，并上报故障信息给控制器。开路/短路诊断单元负责对模块的输出部分硬件电路和现场接线进行定期的诊断，电路有故障时会断开开关量输出模块的供电开关S1，并上报故障信息给控制器。开关量输出单元采用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。
如图2所示为本发明的以诊断单元为基础的结构框图。
由开关量输出单元、诊断单元组合成1oo1D架构，由一个通过SIL3认证的微处理器进行输出控制、诊断、监视、比较。
1)微处理器控制开关量输出单元输出0V或者24V开关量信号，开关量输出监视单元对输出的开关量信号进行采样，微处理器对开关量输出监视单元的数据进行实时处理。
2)当微处理器输出的开关量信号和监视单元采集的开关量数据不一致时，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)通过开关量输出监视单元对输出进行实时监视，发现监视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)开路/短路诊断单元可以对输出通道接线进行开路短路诊断，当检测到通道出现故障后，会立即关断该通道的输出，同时上报安全控制器。该方法可以有效防止模块电路板的算坏。
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。

Claims (10)

1.一种高诊断覆盖率的功能安全开关量输出模块，其特征在于：包括微处理器、开关量输出单元和诊断单元；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；
开关量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0V或24V开关量信号输出；
诊断单元一端连接开关量输出单元，采集开关量输出单元的开关量信号；另一端连接微处理器，将采集到的开关量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；
开关量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开关量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。
2.根据权利要求1所述的高诊断覆盖率的功能安全开关量输出模块，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开关量输出模块，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。
4.根据权利要求2所述的高诊断覆盖率的功能安全开关量输出模块，其特征在于：在所述外部监视单元与微处理器之间设置第三隔离电路。
5.根据权利要求1所述的高诊断覆盖率的功能安全开关量输出模块，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开关量输出模块，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开关量输出模块，其特征在于：所述开关量输出单元有16个通道数字量输出，当故障时，可以切换到输出安全状态。
8.根据权利要求1～3所述的高诊断覆盖率的功能安全开关量输出模块，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开关量输出模块，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开关量输出模块，其特征在于：在所述开关量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。
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