CN110442114A - 一种模拟量隔离分配通道硬件诊断装置以及诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟量隔离分配通道硬件诊断装置，包括隔离模块、模拟信号分配模块，还包括在隔离模块的输入端增设的输入切换组件、在隔离模块的输出端增设的输出切换组件、以及阈值比较器；其中，输入切换组件的一输入端用于引入原外部输入模拟信号、另一输入端用于引入诊断高精度电压基准源，输入切换组件的输出端接隔离模块的模拟量输入端；输出切换组件的一输出端接模拟信号分配模块、另一输出端接阈值比较器，阈值比较器配置有阈值基准源；还包括同步输出2路切换控制信号的信号组件；所述信号组件输出的2路切换控制信号同步引入到输入切换组件、输出切换组件的受控端。

Description

一种模拟量隔离分配通道硬件诊断装置以及诊断方法

技术领域

本发明涉及核电站安全级DCS领域，具体涉及一种模拟量隔离分配通道硬件诊断装置及其诊断方法。

背景技术

在核电领域数字化仪控系统中，现场传感器或者变送器输入的模拟量信号需要通过隔离分配，输出到安全级的模拟量采集装置进行模拟量信号的采集。

为了保证输入级的安全，需要将现场信号与模拟量采集装置进行隔离，由于同一个模拟量信号可能需要被多个设备进行采集，所以在隔离的同时，还需要具有分配功能。

为了提高该装置传输路径的可靠性，需要对传输路径通道进行高精度的诊断，由于该传输路径为硬件装置，为了保证诊断可靠，需要研究一种专门针对该硬件传输路径的诊断装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟量隔离分配通道硬件诊断装置及其诊断方法；装置和方法从纯硬件的方式完成，具有高可靠性和高速诊断响应的能力。

本发明的具体技术方案为：

一种模拟量隔离分配通道硬件诊断装置，包括隔离模块、模拟信号分配模块，其特征在于,

还包括在隔离模块的输入端增设的输入切换组件、在隔离模块的输出端增设的输出切换组件、以及阈值比较器；

其中，输入切换组件的一输入端用于引入原外部输入模拟信号、另一输入端用于引入诊断高精度电压基准源，输入切换组件的输出端接隔离模块的模拟量输入端；输出切换组件的输入端接隔离模块的模拟量输出端，输出切换组件的一输出端接模拟信号分配模块、另一输出端接阈值比较器，阈值比较器配置有阈值基准源；

还包括同步输出2路切换控制信号的信号组件；所述信号组件输出的2路切换控制信号同步引入到输入切换组件、输出切换组件的受控端。

所述输入切换组件、输出切换组件为光MOS继电器。

所述2路切换控制信号为窄脉冲信号，其周期小于或等于2ms。

本发明涉及的应用于核电仪控系统的隔离分配装置，隔离分配装置将现场变送器或传感器等输出的模拟量信号进行隔离和分配，输入到安全级系统的模拟量采集装置，为了保证隔离分配的可靠性，该装置一般采用纯硬件的电路设计，即不含有处理器及相关软件。因此无法通过传统的CPU+ADC+DAC的方式进行模拟量通道的精度诊断，基于以上原因，发明了一种基于硬件的模拟量隔离分配装置，该装置中信号组件、输入切换组件、输出切换组件、阈值比较器都是采用硬件实现，其整体可以实现硬件诊断，并且具有高精度，低温漂，快速响应等优点。其中，原理上，输入切换组件、输出切换组件在切换控制信号的控制下实现切换，输入切换组件将导通引入诊断高精度电压基准源；输出切换组件将导通到阈值比较器；阈值比较器的阈值基准源与诊断高精度电压基准源为相同电压的信号源，若整个传输路径正常，则阈值比较器获得的诊断高精度电压基准源不会发生漂移，符合预期阈值，则输出低电平，以表示整个通道正常，若整个传输路径异常，则阈值比较器获得的诊断高精度电压基准源发生漂移，超过精度要求时，则输出高电平，以表示整个推导异常。从上述过程可以看出，本发明从纯硬件的方式实现，以此达到高精度诊断的目的。

其中，由于本发明属于核安全控制领域，需要其具备快速响应能力，为了实现该目的，本发明对于切换控制信号作出了规定，规定其为周期小于或等于2ms的窄脉冲信号；在同时还可以进一步要求输入切换组件、输出切换组件为光MOS继电器；光MOS继电器具有高速切换能力，其中2ms的窄脉冲信号可以使得切换组件维持在诊断状态下的时间很短，因此基于上述2个要点中的至少1个要点，都可以实现其快速响应，以实现快速诊断的目的。

优选的，由于本发明属于核安全控制领域，其还需要其在诊断时实现在线，即要求在切换诊断时，模拟信号分配模块依然能输出信号；为了解决该问题，同时符合快速切换的目的；本发明还包括采样保持放大器，所述采样保持放大器串联在模拟信号分配模块与输出切换组件之间，还包括输出采样保持控制信号的信号组件，信号组件将采样保持控制信号引入采样保持放大器的模式切换受控端，采样保持控制信号同步于2路切换控制信号。采样保持放大器具有2种模式，一种是跟踪模式、一种是保持模式，其组成部分包括输入放大器、电容输出缓冲器、开关电路等，在跟踪模式下，保持电容的电压跟随输入信号。在保持模式下，开关断开，电容保持与输入缓冲器断开之前存在电压，因此可以持续提供稳定的输出。也就是说，采样保持放大器能保持前一状态的输出值，保持的时间在2ms，不会影响正常的信号输出。

由于为了实现诊断在线，本发明采用了采样保持放大器，但由于采样保持放大器维持时间短，因此也需要诊断时间短，二者互相配合，才能协同完成稳定的诊断，因此上述实现快速切换、以及设置窄脉冲的切换控制信号的目的，也能使得在电容处于非稳定输出前完成诊断。二者之间具有互相协同的作用，因此优选的，所述采样保持放大器选择在保持模式下、其电容维持输出电压稳定时间大于或等于2ms的采样保持放大器。

进一步的，为了能对诊断结果锁存进行控制，实现定期诊断的目的，本发明还包括锁存器，所述锁存器连接到阈值比较器的输出端，还包括输出锁存控制信号的信号组件，所述信号组件将锁存控制信号引入到锁存器的受控端，锁存控制信号同步于2路切换控制信号。

优选的，诊断高精度电压基准源选择高精度2.5V基准电压源，阈值基准源选择高精度2.5V基准电压源，阈值比较器的比较精度为±0.1％，高精度2.5V基准电压源的精度为±0.01％。

基于一种模拟量隔离分配通道硬件诊断装置的诊断方法，包括以下步骤：

诊断时：

同步输出2路切换控制信号的信号组件同步输出2路切换控制信号从而控制输入切换组件和输出切换组件，使得输入切换组件引入诊断高精度电压基准源的一端被导通、引入原外部输入模拟信号的一端被截止，输出切换组件接模拟信号分配模块的一端被截止、接阈值比较器的一端被导通；诊断高精度电压基准源经输入切换组件进入隔离模块进入输出切换组件，再经输出切换组件进入阈值比较器；

观测阈值比较器的输出结果，从而判断诊断结果。

基于一种模拟量隔离分配通道硬件诊断装置的诊断方法，包括以下步骤：

诊断时：

同步输出2路切换控制信号的信号组件同步输出2路切换控制信号从而控制输入切换组件和输出切换组件，使得输入切换组件引入诊断高精度电压基准源的一端被导通、引入原外部输入模拟信号的一端被截止，输出切换组件接模拟信号分配模块的一端被截止、接阈值比较器的一端被导通；诊断高精度电压基准源经输入切换组件进入隔离模块进入输出切换组件，再经输出切换组件进入阈值比较器；

在输出2路切换控制信号的同时，用输出采样保持控制信号的信号组件输出采样保持控制信号，使采样保持放大器转为保持模式，采样保持放大器通过其电容保持前一状态的输出值给模拟信号分配模块提供持续信号；

观测阈值比较器的输出结果，从而判断诊断结果。

上述诊断方法，还包括以下步骤：

在诊断的过程中，如果诊断高精度电压基准源在传输路径上内发生漂移，阈值比较器，则产生一个异常的高电平，该高电平被锁存器进行锁存；若在下一次诊断时，诊断高精度电压基准源在传输路径内未发生漂移，传输路径恢复正常，则锁存器高电平恢复为低电平输出，若在下一次诊断时，诊断高精度电压基准源在传输路径内发生漂移，则保持锁存器高电平输出。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本发明用于核电厂数字化仪控系统中安全级设备模拟量输入隔离分配通道的硬件诊断。该装置和方法具有可靠性高，电路简单，精度高，温漂低等优点，诊断快速，干扰时间短等特点，适合在核电厂数字化仪控系统领域使用。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是模拟量隔离分配通道的结构示意图。

图2是本发明的具体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1、图2所示：

一种模拟量隔离分配通道硬件诊断装置，包括隔离模块、模拟信号分配模块，其特征在于,

还包括在隔离模块的输入端增设的输入切换组件、在隔离模块的输出端增设的输出切换组件、以及阈值比较器；

其中，输入切换组件的一输入端用于引入原外部输入模拟信号、另一输入端用于引入诊断高精度电压基准源，输入切换组件的输出端接隔离模块的模拟量输入端；输出切换组件的输入端接隔离模块的模拟量输出端，输出切换组件的一输出端接模拟信号分配模块、另一输出端接阈值比较器，阈值比较器配置有阈值基准源；

还包括同步输出2路切换控制信号的信号组件；所述信号组件输出的2路切换控制信号同步引入到输入切换组件、输出切换组件的受控端。

所述输入切换组件、输出切换组件为光MOS继电器。

所述2路切换控制信号为窄脉冲信号，其周期小于或等于2ms。

本发明涉及的应用于核电仪控系统的隔离分配装置，隔离分配装置将现场变送器或传感器等输出的模拟量信号进行隔离和分配，输入到安全级系统的模拟量采集装置，为了保证隔离分配的可靠性，该装置一般采用纯硬件的电路设计，即不含有处理器及相关软件。因此无法通过传统的CPU+ADC+DAC的方式进行模拟量通道的精度诊断，基于以上原因，发明了一种基于硬件的模拟量隔离分配装置，该装置中信号组件、输入切换组件、输出切换组件、阈值比较器都是采用硬件实现，其整体可以实现硬件诊断，并且具有高精度，低温漂，快速响应等优点。其中，原理上，输入切换组件、输出切换组件在切换控制信号的控制下实现切换，输入切换组件将导通引入诊断高精度电压基准源；输出切换组件将导通到阈值比较器；阈值比较器的阈值基准源与诊断高精度电压基准源为相同电压的信号源，若整个传输路径正常，则阈值比较器获得的诊断高精度电压基准源不会发生漂移，符合预期阈值，则输出低电平，以表示整个通道正常，若整个传输路径异常，则阈值比较器获得的诊断高精度电压基准源发生漂移，超过精度要求时，则输出高电平，以表示整个推导异常。从上述过程可以看出，本发明从纯硬件的方式实现，以此达到高精度诊断的目的。

其中，由于本发明属于核安全控制领域，需要其具备快速响应能力，为了实现该目的，本发明对于切换控制信号作出了规定，规定其为周期小于或等于2ms的窄脉冲信号；在同时还可以进一步要求输入切换组件、输出切换组件为光MOS继电器；光MOS继电器具有高速切换能力，其中2ms的窄脉冲信号可以使得切换组件维持在诊断状态下的时间很短，因此基于上述2个要点中的至少1个要点，都可以实现其快速响应，以实现快速诊断的目的。

优选的，由于本发明属于核安全控制领域，其还需要其在诊断时实现在线，即要求在切换诊断时，模拟信号分配模块依然能输出信号；为了解决该问题，同时符合快速切换的目的；本发明还包括采样保持放大器，所述采样保持放大器串联在模拟信号分配模块与输出切换组件之间，还包括输出采样保持控制信号的信号组件，信号组件将采样保持控制信号引入采样保持放大器的模式切换受控端，采样保持控制信号同步于2路切换控制信号。采样保持放大器具有2种模式，一种是跟踪模式、一种是保持模式，其组成部分包括输入放大器、电容输出缓冲器、开关电路等，在跟踪模式下，保持电容的电压跟随输入信号。在保持模式下，开关断开，电容保持与输入缓冲器断开之前存在电压，因此可以持续提供稳定的输出。也就是说，采样保持放大器能保持前一状态的输出值，保持的时间在2ms，不会影响正常的信号输出。由于采样保持放大器能输出保持的时间在2ms，因此需要切换控制时间控制在2ms内。

实施例2

一种在线诊断装置，该在线诊断装置是在实施例1的基础上进一步实现。虽然本实施例实现了在线诊断，但并不代表实施例1不包括在线诊断的情形，其实施例1也可以采用其他形式的在线诊断设计来实现，本实施例2仅仅提供了一种优选方式。

如图1、图2所示：

由于为了实现诊断在线，本发明采用了采样保持放大器，但由于采样保持放大器维持时间短，因此也需要诊断时间短，二者互相配合，才能协同完成稳定的诊断，因此上述实现快速切换、以及设置窄脉冲的切换控制信号的目的，也能使得在电容处于非稳定输出前完成诊断。二者之间具有互相协同的作用，因此优选的，所述采样保持放大器选择在保持模式下、其电容维持输出电压稳定时间大于或等于2ms的采样保持放大器。

实施例3

在实施例1的基础上，进一步的，为了能对诊断结果锁存进行控制，实现定期诊断的目的，本发明还包括锁存器，所述锁存器连接到阈值比较器的输出端，还包括输出锁存控制信号的信号组件，所述信号组件将锁存控制信号引入到锁存器的受控端，锁存控制信号同步于2路切换控制信号。

另外，

优选的，诊断高精度电压基准源选择高精度2.5V基准电压源，阈值基准源选择高精度2.5V基准电压源，阈值比较器的比较精度为±0.1％，高精度2.5V基准电压源的精度为±0.01％。

实施例4

基于一种模拟量隔离分配通道硬件诊断装置的诊断方法，包括以下步骤：

诊断时：

同步输出2路切换控制信号的信号组件同步输出2路切换控制信号从而控制输入切换组件和输出切换组件，使得输入切换组件引入诊断高精度电压基准源的一端被导通、引入原外部输入模拟信号的一端被截止，输出切换组件接模拟信号分配模块的一端被截止、接阈值比较器的一端被导通；诊断高精度电压基准源经输入切换组件进入隔离模块进入输出切换组件，再经输出切换组件进入阈值比较器；

观测阈值比较器的输出结果，从而判断诊断结果。

实施例5

基于一种模拟量隔离分配通道硬件诊断装置的诊断方法，包括以下步骤：

诊断时：

同步输出2路切换控制信号的信号组件同步输出2路切换控制信号从而控制输入切换组件和输出切换组件，使得输入切换组件引入诊断高精度电压基准源的一端被导通、引入原外部输入模拟信号的一端被截止，输出切换组件接模拟信号分配模块的一端被截止、接阈值比较器的一端被导通；诊断高精度电压基准源经输入切换组件进入隔离模块进入输出切换组件，再经输出切换组件进入阈值比较器；

在输出2路切换控制信号的同时，用输出采样保持控制信号的信号组件输出采样保持控制信号，使采样保持放大器转为保持模式，采样保持放大器通过其电容保持前一状态的输出值给模拟信号分配模块提供持续信号；

观测阈值比较器的输出结果，从而判断诊断结果。

上述诊断方法，还包括以下步骤：

在诊断的过程中，如果诊断高精度电压基准源在传输路径上内发生漂移，阈值比较器，则产生一个异常的高电平，该高电平被锁存器进行锁存；若在下一次诊断时，诊断高精度电压基准源在传输路径内未发生漂移，传输路径恢复正常，则锁存器高电平恢复为低电平输出，若在下一次诊断时，诊断高精度电压基准源在传输路径内发生漂移，则保持锁存器高电平输出。

另外在上述实施例中，信号组件可以是同一个，也可以是各自独立的，但需要在同一计时器的计时控制下进行。

总的来说：

本发明实现模拟量隔离分配通道硬件诊断，通过高精度基准源、MOSFET切换组件，比较器、信号组件、采样保持放大器、锁存器等器件实现对通道精度的诊断，在0℃～50℃的条件下，诊断误差不大于±0.2％。

其只采用硬件的方式实现对模拟量隔离分配通道的精度诊断，且诊断精度优于±0.2％。

其方法通过高精度基准源实现对模拟量隔离分配通道的精度诊断。

通过MOSFET类的切换组件、比较器和阈值的设定实现诊断通道的切换和精度判断。

采用采样保持放大器对之前的模拟量信号进行采样保持，保证在诊断的过程中通道有稳定的输出。

采用锁存器对诊断结果进行锁存，然后输出通道状态，通道状态一直保持到下一次诊断结果出现。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟量隔离分配通道硬件诊断装置，包括隔离模块、模拟信号分配模块，其特征在于,

还包括在隔离模块的输入端增设的输入切换组件、在隔离模块的输出端增设的输出切换组件、以及阈值比较器；

其中，输入切换组件的一输入端用于引入原外部输入模拟信号、另一输入端用于引入诊断高精度电压基准源，输入切换组件的输出端接隔离模块的模拟量输入端；输出切换组件的输入端接隔离模块的模拟量输出端，输出切换组件的一输出端接模拟信号分配模块、另一输出端接阈值比较器，阈值比较器配置有阈值基准源；

还包括同步输出2路切换控制信号的信号组件；所述信号组件输出的2路切换控制信号同步引入到输入切换组件、输出切换组件的受控端。

2.根据权利要求1所述的一种模拟量隔离分配通道硬件诊断装置，其特征在于，所述输入切换组件、输出切换组件为光MOS继电器。

3.根据权利要求1所述的一种模拟量隔离分配通道硬件诊断装置，其特征在于，所述2路切换控制信号为窄脉冲信号，其周期小于或等于2ms。

4.根据权利要求1所述的一种模拟量隔离分配通道硬件诊断装置，其特征在于，还包括采样保持放大器，所述采样保持放大器串联在模拟信号分配模块与输出切换组件之间，还包括输出采样保持控制信号的信号组件，信号组件将采样保持控制信号引入采样保持放大器的模式切换受控端，采样保持控制信号同步于2路切换控制信号。

5.根据权利要求4所述的一种模拟量隔离分配通道硬件诊断装置，其特征在于，所述采样保持放大器选择在保持模式下、其电容维持输出电压稳定时间大于或等于2ms的采样保持放大器。

6.根据权利要求1所述的一种模拟量隔离分配通道硬件诊断装置，其特征在于，还包括锁存器，所述锁存器连接到阈值比较器的输出端，还包括输出锁存控制信号的信号组件，所述信号组件将锁存控制信号引入到锁存器的受控端，锁存控制信号同步于2路切换控制信号。

7.根据权利要求1所述的一种模拟量隔离分配通道硬件诊断装置，其特征在于，诊断高精度电压基准源选择高精度2.5V基准电压源，阈值基准源选择高精度2.5V基准电压源，阈值比较器的比较精度为±0.1％，高精度2.5V基准电压源的精度为±0.01％。

8.基于一种模拟量隔离分配通道硬件诊断装置的诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

诊断时：

同步输出2路切换控制信号的信号组件同步输出2路切换控制信号从而控制输入切换组件和输出切换组件，使得输入切换组件引入诊断高精度电压基准源的一端被导通、引入原外部输入模拟信号的一端被截止，输出切换组件接模拟信号分配模块的一端被截止、接阈值比较器的一端被导通；诊断高精度电压基准源经输入切换组件进入隔离模块进入输出切换组件，再经输出切换组件进入阈值比较器；

观测阈值比较器的输出结果，从而判断诊断结果。

9.基于一种模拟量隔离分配通道硬件诊断装置的诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

诊断时：

同步输出2路切换控制信号的信号组件同步输出2路切换控制信号从而控制输入切换组件和输出切换组件，使得输入切换组件引入诊断高精度电压基准源的一端被导通、引入原外部输入模拟信号的一端被截止，输出切换组件接模拟信号分配模块的一端被截止、接阈值比较器的一端被导通；诊断高精度电压基准源经输入切换组件进入隔离模块进入输出切换组件，再经输出切换组件进入阈值比较器；

在输出2路切换控制信号的同时，用输出采样保持控制信号的信号组件输出采样保持控制信号，使采样保持放大器转为保持模式，采样保持放大器通过其电容保持前一状态的输出值给模拟信号分配模块提供持续信号；

观测阈值比较器的输出结果，从而判断诊断结果。

10.根据权利要求8或9所述的任意诊断方法，还包括以下步骤：

在诊断的过程中，如果诊断高精度电压基准源在传输路径上内发生漂移，阈值比较器，则产生一个异常的高电平，该高电平被锁存器进行锁存；若在下一次诊断时，诊断高精度电压基准源在传输路径内未发生漂移，传输路径恢复正常，则锁存器高电平恢复为低电平输出，若在下一次诊断时，诊断高精度电压基准源在传输路径内发生漂移，则保持锁存器高电平输出。