CN110501990A - 数字化仪控系统的控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字化仪控系统的控制电路，包括系统电源输入接口电路、控制器模块电源电路、电源低失效电路和I/O模块电源电路；系统电源输入接口电路用于控制器模块电源电路以及I/O模块电源电路供电；控制器模块电源电路用于产生控制器模块电源；电源低失效电路输出一开关控制信号至I/O模块电源电路的开关控制线；开关控制线用于控制I/O模块电源电路是否给外部的I/O模块供电；电源低失效电路用于在系统电源和/或控制器模块电源失效前使能开关控制信号；I/O模块电源电路用于在开关控制线使能时关闭对I/O模块供电。本发明能够增加核心模块的自我诊断能力并在系统故障条件下能够确保输入输出模块趋于确定的安全状态。
Description
技术领域
本发明涉及工业控制技术领域，特别涉及一种数字化仪控系统的控制电路。
背景技术
集散控制系统简称DCS，也可直译为“分散控制系统”或“分布式计算机控制系统”。DCS是以微处理器为基础，采用控制功能分散、显示操作集中、兼顾分而自治和综合协调的设计原则的新一代仪表控制系统。它采用控制分散、操作和管理集中的基本设计思想，采用多层分级、合作自治的结构形式。其主要特征是它的集中管理和分散控制。目前DCS在电力、冶金、石化等各行各业都获得了极其广泛的应用。
PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)控制系统是专为工业生产设计的一种数字运算操作的电子装置，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分。
一般来说，PLC或DCS由I/O(输入输出)模块和CPU(中央处理单元)构成，现场信号经过输入模块调理后，送到中央处理单元进行逻辑或算术运算，并根据相应的控制功能和算法，将输出结果经输出模块调理后送到现场控制设备。当中央处理模块失效时，无法确保输入模块与输出模块处于确定的失效安全状态。
在普通工业控制领域，对于DCS系统与PLC系统的自诊断功能以及对于失效状态下的接口电路的状态的确定性要求均不高。但随着DCS系统与PLC系统在工业控制领域的广泛应用，特别是应用于高可靠性与安全性的特种领域时，对于系统的核心硬件与软件的诊断要求不断地提高，特别是当系统的硬件或软件处于失效状态下时，需确保输入输出模块自动趋向于确定安全的状态，从而保证在安全系统设计时有一个明确的失效安全状态。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中数字化仪控系统的硬件或软件处于失效状态下时输入输出模块的安全状态有待提高的缺陷，提供一种能够增加核心模块的自我诊断能力并在系统故障条件下能够确保输入输出模块趋于确定的安全状态的数字化仪控系统的控制电路。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
本发明提供了一种数字化仪控系统的控制电路，包括系统电源输入接口电路、控制器模块电源电路、电源低失效电路和I/O模块电源电路；
所述系统电源输入接口电路接入系统电源，所述系统电源输入接口电路用于所述控制器模块电源电路以及所述I/O模块电源电路供电；
所述控制器模块电源电路用于产生控制器模块电源；
所述电源低失效电路接入所述系统电源和所述控制器模块电源，所述电源低失效电路输出一开关控制信号至所述I/O模块电源电路的开关控制线；所述开关控制线用于控制所述I/O模块电源电路是否给外部的I/O模块供电；
所述电源低失效电路用于在所述系统电源和/或所述控制器模块电源失效前使能所述开关控制信号；
所述I/O模块电源电路用于在所述开关控制线使能时关闭对外部的I/O模块供电。
本方案中，电源低失效电路通过分离式的独立硬件确保当系统电源和/或控制器模块电源在失效前即降低到电路无法保证的正常工作范围前，通过外部的硬件分离电路确保关闭I/O模块电源电路的开关控制线，从而关闭I/O模块电源电路的电源输出，使外部的I/O模块的输入输出趋于失电安全状态。
较佳地，所述电源低失效电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一三极管和第二三极管；
所述第一电阻的一端、所述第二电阻的一端以及所述第一三极管的基极电连接，所述第一电阻的另一端接入所述控制器模块电源；所述第三电阻的一端以及所述第四电阻的一端接入所述系统电源，所述第三电阻的另一端、所述第一三极管的集电极以及所述第二三极管的基极电连接，所述第四电阻的另一端、所述第五电阻的一端、所述第二三极管的集电极与所述I/O模块电源电路的开关控制线电连接；所述第一三极管的发射极、所述第二三极管的发射极、所述第五电阻的另一端以及所述第二电阻的另一端接地。
本方案中，通过第一电阻与第二电阻分压后控制第一三极管的开启与关闭，当控制器模块电源降低到某个特定值时，第一三极管将进入断开状态，而第二三极管将进入导通状态，从而使能I/O模块电源电路的开关控制线，以禁止I/O模块电源电路向外部的I/O模块供电。系统电源将通过第四电阻与第五电阻分压连接至第二三极管的集电极输出，当系统电源降低到某个特定值时，分压后得到的开关控制信号输出至I/O模块电源电路的开关控制线，此时将无法开启I/O模块电源，从而关闭外部I/O模块的电源。
较佳地，所述第一三极管和所述第二三级管均为PNP(电流从发射极流入的三极管)三极管。
较佳地，所述控制电路还包括控制器模块电源监测电路、核心控制器和看门狗电路；
所述控制器模块电源电路用于所述控制器模块电源监测电路、所述核心控制器和所述看门狗电路供电；
所述控制器模块电源监测电路用于监测所述控制器模块电源并在所述控制器电源失效前复位所述看门狗电路与所述核心控制器；
所述电源低失效电路还包括一集电极开路的与门，所述与门包括第一开关控制端、第二开关控制端和输出端，所述输出端与所述第一电阻的另一端电连接；
所述核心控制器用于输出喂狗信号至所述看门狗电路；
所述看门狗电路用于输出看门狗反馈信号至所述核心控制器，所述看门狗电路还用于输出第一开关控制信号至所述第一开关控制端。
本方案中，当控制器模块电源过低时，控制器模块电源监测电路将复位外部的看门狗电路，看门狗电路将输出第一开关控制信号使得第一开关控制端处于关闭状态，经过电源低失效电路中的与门后将关闭I/O模块的电源。
较佳地，所述控制电路还包括系统电源监测电路；
所述控制器模块电源电路还用于所述系统电源监测电路供电；
所述系统电源监测电路用于监测所述系统电源输入接口电路并在所述系统电源失效前输出一失效报警信号至所述核心控制器；
所述核心控制器还用于在收到所述失效报警信号时输出第二开关控制信号至所述第二开关控制端。
本方案中，两路开关控制信号输入至电源低失效电路，电源低失效电路直接监测控制器模块电源电路与系统电源输入接口电路，在正常状态下，将把两路开关控制信号通过电源低失效电路中的与门进行与逻辑后输出给I/O模块电源电路，而当控制器模块电源与系统电源失效前，电源低失效电路将自动关闭开关控制线，使I/O模块电源电路无法给外部的I/O模块供电，以使得I/O模块的输入输出趋于失电安全状态。
较佳地，所述核心控制器还用于在正常工作状态时持续输出所述喂狗信号至所述看门狗电路，所述看门狗电路还用于在收到正常的所述喂狗信号后将看门狗正常的所述看门狗反馈信号输出至所述核心控制器并使能所述第一开关控制信号；所述核心控制器还用于在收到所述看门狗正常的所述看门狗反馈信号后使能所述第二开关控制信号。
本方案中，在数字化仪控系统正常上电启动且核心控制器进入正常状态时，核心控制器将持续输出喂狗信号给看门狗电路，当看门狗电路得到正常输出喂狗信号后，将打开第一开关控制信号，并且将看门狗正常输出状态反馈给核心控制器。核心控制器当得到看门狗正常反馈信号后允许打开第二开关控制信号，两路开关控制信号输入至电源低失效电路以控制输出开关控制信号至I/O模块电源电路。电源低失效电路直接监测控制器模块电源电路与系统电源输入接口电路，在正常状态下，将把两路开关控制信号通过电源低失效电路中的与门进行与逻辑后输出给I/O模块电源电路，而当控制器模块电源与系统电源有一个或者两个失效前，电源低失效电路将自动输出开关控制信号至I/O模块电源电路以关闭开关控制线，使I/O模块电源电路无法给外部的I/O模块供电，以使得I/O模块的输入输出趋于失电安全状态。
较佳地，所述核心控制器为FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)。
本发明的积极进步效果在于：本发明提供的数字化仪控系统的控制电路针对高可靠与安全领域中对于控制系统的要求，采用电源低失效电路确保当系统电源和/或控制器模块电源在失效前，通过外部独立的硬件分离电路确保关闭I/O模块电源电路的开关控制线，从而关闭I/O模块电源电路的电源输出，使外部的I/O模块的输入输出趋于失电安全状态。本发明在传统的数字化仪控系统上增加了诊断手段与独立的硬件电路提高了系统的核心硬件与软件的诊断能力，提供的诊断与失效控制采用双重保护机制，并且分别通过软件(可编程逻辑)的直接控制或独立硬件的搭建，使系统在电源失效或逻辑失效时，确保输入输出模块自动趋向于确定安全的状态，能确保系统进入到确定的安全状态，增加了系统的安全性与可靠性。
附图说明
图1为本发明一较佳实施例的数字化仪控系统的控制电路的模块示意图。
图2为图1中电源低失效电路的电路示意图。
图3为本发明一较佳实施例的数字化仪控系统的控制电路具体实施时的原理图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
如图1所示，本实施例提供了一种数字化仪控系统的控制电路，其包括系统电源输入接口电路1、系统电源监测电路2、控制器模块电源电路3、控制器模块电源监测电路4、核心控制器5、看门狗电路6、电源低失效电路7和I/O模块电源电路8。其中，本实施例中核心控制器5为FPGA。
本实施例中，系统电源输入接口电路1接入系统电源，所述系统电源输入接口电路1用于所述控制器模块电源电路3以及所述I/O模块电源电路8供电。
本实施例中，控制器模块电源电路3用于产生控制器模块电源；所述控制器模块电源电路3还用于所述系统电源监测电路2、所述控制器模块电源监测电路4、所述核心控制器5和所述看门狗电路6供电。
本实施例中，控制器模块电源监测电路4用于监测所述控制器模块电源，并在所述控制器电源失效前复位所述看门狗电路6与所述核心控制器5。
本实施例中，电源低失效电路7接入所述系统电源和所述控制器模块电源，所述电源低失效电路7输出一开关控制信号至所述I/O模块电源电路8的开关控制线；所述开关控制线用于控制所述I/O模块电源电路8是否给外部的I/O模块9供电。
本实施例中，电源低失效电路7用于在所述系统电源和/或所述控制器模块电源失效前使能所述开关控制信号。
本实施例中，I/O模块电源电路8用于在所述开关控制线使能时关闭对外部的I/O模块9供电。
本实施例中，系统电源监测电路2用于监测所述系统电源输入接口电路1并在所述系统电源失效前输出一失效报警信号至所述核心控制器5。
如图2所示，本实施例中所述电源低失效电路7包括一集电极开路的与门U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一三极管Q1和第二三极管Q2。其中所述第一三极管Q1和所述第二三级管Q2均为PNP三极管。所述与门U1包括第一开关控制端A1、第二开关控制端A2和输出端B，所述第一电阻R1的一端、所述第二电阻R2的一端以及所述第一三极管Q1的基极电连接，所述输出端B及所述第一电阻R1的另一端接入所述控制器模块电源；所述第三电阻R3的一端以及所述第四电阻R4的一端接入所述系统电源，所述第三电阻R3的另一端、所述第一三极管Q1的集电极以及所述第二三极管Q2的基极电连接，所述第四电阻R4的另一端、所述第五电阻R5的一端、所述第二三极管Q2的集电极与所述I/O模块电源电路8的开关控制线电连接；所述第一三极管Q1的发射极、所述第二三极管Q2的发射极、所述第五电阻R5的另一端以及所述第二电阻R2的另一端接地。
所述核心控制器5用于输出喂狗信号至所述看门狗电路6。所述核心控制器5还用于在收到所述失效报警信号时输出第二开关控制信号至所述第二开关控制端A2。所述看门狗电路6用于输出看门狗反馈信号至所述核心控制器5，所述看门狗电路6还用于输出第一开关控制信号至所述第一开关控制端A1。所述核心控制器5还用于在正常工作状态时持续输出所述喂狗信号至所述看门狗电路6，所述看门狗电路6还用于在收到正常的所述喂狗信号后将看门狗正常的所述看门狗反馈信号输出至所述核心控制器5并使能所述第一开关控制信号；所述核心控制器5还用于在收到所述看门狗正常的所述看门狗反馈信号后使能所述第二开关控制信号。
本实施例中，系统电源输入接口电路1负责给控制器模块电源电路3以及I/O电源模块8供电。系统电源监测电路2负责监测系统电源输入接口电路1的电源情况，并且输出失效报警信号给核心控制器5。控制器模块电源电路3负责给系统电源监测电路2、看门狗电路6以及核心控制器5供电。控制器模块电源监测电路4负责监测控制器模块电源，当该电源低失效前，将复位看门狗电路6与核心控制器5。在数字化仪控系统正常上电启动且核心控制器5进入正常状态后，核心控制器5将持续输出喂狗信号给看门狗电路6，当看门狗电路6得到正常输出的喂狗信号后，将输出第一开关控制信号至电源低失效电路7的第一开关控制端A1，并且将看门狗正常输出的看门狗反馈信号反馈给核心控制器5。核心控制器5当得到看门狗正常输出的看门狗反馈信号后，将输出第二开关控制信号至电源低失效电路7的第二开关控制端A2，两路开关控制信号输入至电源低失效电路7以控制输出开关控制信号至I/O模块电源电路8。电源低失效电路7直接监测控制器模块电源电路3与系统电源输入接口电路1，在正常状态下，将把两路开关控制信号通过电源低失效电路7中的与门U1进行与逻辑后输出给I/O模块电源电路8，而当控制器模块电源和系统电源有一个或者两个失效前，电源低失效电路7将自动输出开关控制信号至I/O模块电源电路8以关闭开关控制线，使I/O模块电源电路8无法给外部的I/O模块9供电，以使得I/O模块9的输入输出趋于失电安全状态。
基于本实施例提供的技术方案在具体实施时的原理图可参考图3。该数字化仪控系统的控制电路提供的诊断与失效控制采用双重保护机制，并且分别通过软件(可编程逻辑)的直接控制或独立硬件的搭建，使数字化仪控系统在电源失效或逻辑失效时，可保证系统趋于安全状态。本发明中，对于系统电源与控制器模块电源有独立的硬件监测电路，当电源失效前，复位外部的看门狗电路，从而输出第一开关控制信号使I/O模块电源电路处于禁止向外部I/O模块供电状态，经过电源低失效电路中的与门后将关断I/O模块的电源。在核心控制器内部，也将同时监测系统电源监测电路的诊断状态，控制器模块电源监测电路的诊断状态以及看门狗输出状态的反馈信号，当诊断状态为故障时，核心控制器将输出第二开关控制信号使I/O模块电源电路处于禁止向外部I/O模块供电的状态，经过电源低失效电路中的与门后将关闭向I/O模块供电。此外，核心控制器也会同时禁止喂狗信号输出，从而关闭外部看门狗电路，同时关闭输出第一开关控制信号。但在看门狗输出状态的反馈信号只有输出正常信号后，才会因为故障状态停止喂狗与关闭输出第二开关控制信号。此外，由于看门狗电路、系统电源监测电路本身需要控制器模块电源电路供电，在电源低状态下，输出无法确保处于正常输出控制状态，本发明在此基础之上增加了电源低失效电路，通过分离式的独立硬件确保当系统电源和控制器电源模块电源在降低到电路无法保证的正常工作范围前，通过外部的硬件分离电路确保关闭I/O模块电源电路的开关控制线。对于控制器模块电源电路将连接至采用集电极开路的与门输出口，通过第一电阻R1与第二电阻R2分压后控制第一三极管Q1的开启与关闭，当控制器模块的电源降低到某个特定值时，第一三极管Q1将进入断开状态，而第二三极管Q2将进入导通状态，从而关闭I/O模块电源电路的开关控制线。对于系统电源接口电路将通过第四电阻R4与第五电阻R5分压连接至第二三极管Q2的集电极输出，当系统电源降低到某个特定值时，分压后的开关控制信号输出至I/O模块电源电路的开关控制线后将无法开启I/O模块的电源，从而关闭I/O模块的电源。
本发明在传统的数字化仪控系统基础上增加了诊断手段与独立的硬件电路，使数字化仪控系统在发生失效前，能确保数字化仪控系统进入到确定的安全状态，增加了数字化仪控系统的安全性与可靠性。本发明主要是针对高可靠与安全领域中对于系统的要求，提高了数字化仪控系统的核心硬件与软件的诊断能力，特别是当数字化仪控系统的硬件或软件处于失效状态下，确保输入输出模块自动趋向于确定安全的状态。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种数字化仪控系统的控制电路，其特征在于，包括系统电源输入接口电路、控制器模块电源电路、电源低失效电路和I/O模块电源电路；
所述系统电源输入接口电路接入系统电源，所述系统电源输入接口电路用于所述控制器模块电源电路以及所述I/O模块电源电路供电；
所述控制器模块电源电路用于产生控制器模块电源；
所述电源低失效电路接入所述系统电源和所述控制器模块电源，所述电源低失效电路输出一开关控制信号至所述I/O模块电源电路的开关控制线；所述开关控制线用于控制所述I/O模块电源电路是否给外部的I/O模块供电；
所述电源低失效电路用于在所述系统电源和/或所述控制器模块电源失效前使能所述开关控制信号；
所述I/O模块电源电路用于在所述开关控制线使能时关闭对外部的I/O模块供电。
2.如权利要求1所述的数字化仪控系统的控制电路，其特征在于，所述电源低失效电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一三极管和第二三极管；
所述第一电阻的一端、所述第二电阻的一端以及所述第一三极管的基极电连接，所述第一电阻的另一端接入所述控制器模块电源；所述第三电阻的一端以及所述第四电阻的一端接入所述系统电源，所述第三电阻的另一端、所述第一三极管的集电极以及所述第二三极管的基极电连接，所述第四电阻的另一端、所述第五电阻的一端、所述第二三极管的集电极与所述I/O模块电源电路的开关控制线电连接；所述第一三极管的发射极、所述第二三极管的发射极、所述第五电阻的另一端以及所述第二电阻的另一端接地。
3.如权利要求2所述的数字化仪控系统的控制电路，其特征在于，所述第一三极管和所述第二三级管均为PNP三极管。
4.如权利要求2所述的数字化仪控系统的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括控制器模块电源监测电路、核心控制器和看门狗电路；
所述控制器模块电源电路用于所述控制器模块电源监测电路、所述核心控制器和所述看门狗电路供电；
所述控制器模块电源监测电路用于监测所述控制器模块电源并在所述控制器电源失效前复位所述看门狗电路与所述核心控制器；
所述电源低失效电路还包括一集电极开路的与门，所述与门包括第一开关控制端、第二开关控制端和输出端，所述输出端与所述第一电阻的另一端电连接；
所述核心控制器用于输出喂狗信号至所述看门狗电路；
所述看门狗电路用于输出看门狗反馈信号至所述核心控制器，所述看门狗电路还用于输出第一开关控制信号至所述第一开关控制端。
5.如权利要求4所述的数字化仪控系统的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括系统电源监测电路；
所述控制器模块电源电路还用于所述系统电源监测电路供电；
所述系统电源监测电路用于监测所述系统电源输入接口电路并在所述系统电源失效前输出一失效报警信号至所述核心控制器；
所述核心控制器还用于在收到所述失效报警信号时输出第二开关控制信号至所述第二开关控制端。
6.如权利要求5所述的数字化仪控系统的控制电路，其特征在于，所述核心控制器还用于在正常工作状态时持续输出所述喂狗信号至所述看门狗电路，所述看门狗电路还用于在收到正常的所述喂狗信号后将看门狗正常的所述看门狗反馈信号输出至所述核心控制器并使能所述第一开关控制信号；所述核心控制器还用于在收到所述看门狗正常的所述看门狗反馈信号后使能所述第二开关控制信号。
7.如权利要求4至6任一项所述的数字化仪控系统的控制电路，其特征在于，所述核心控制器为FPGA。
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