CN112631256A - 一种功能安全的开关量输出模块和诊断处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种功能安全的开关量输出模块，包括：CPU单元以及分别与CPU单元耦接的第一/第二输出单元；第一/第二输出单元包括依次耦接的逻辑电路，驱动电路、回检电路和输出开关，以及，与驱动电路耦接的电源电压检测电路，电源电压检测电路用于检测驱动电路电源电压并基于检测电压发送控制信号至另一输出单元的逻辑电路；还公开了一种基于上述功能安全的开关量输出模块的诊断处理方法，可以基于输出开关故障诊断、通信诊断、CPU单元内部故障诊断、电源故障诊断以及线路故障诊断结果控制输出开关的输出,从而导向安全；增加双通道交互设计，提高了安全性能，满足功能安全的同时降低了开发成本并减小产品体积。
Description
技术领域
本发明涉及工业自动控制领域，具体涉及一种功能安全的开关量输出模块和诊断处理方法。
背景技术
工业现场的开关量输出控制系统，是DCS、SIS等工业控制系统中最主要的一个输入组件。现有技术中大部分功能安全相关的开关量输出模块采用2OO3架构，此架构往往需要大量的硬件来构建实现，根据此架构设计出的产品一般成本较高并且体积较大，当实际应用中对安装空间和成本有要求时，2OO3架构产品会具有局限性。
随着技术的日渐成熟，SIS产品设计正在朝向更小体积以及更低成本的方向迈进，更多的设计开始采用1OO2D、1OO2或1OO1D等架构。
公开号为CN106130537B的中国发明专利《一种1OO2D功能安全数字量输出电路》公开的方案当中采用了1OO2D的架构，如图1所示。该设计中采用双通道、双CPU分别控制输出并分别读取本通道诊断数据，而该方案当中的两个通道缺少必要的信息交互，假设其中一路通道发生故障且无法关断输出电路，未出现故障的通道的CPU单元是无法获取诊断信息并执行关断导向安全的，两通道相对独立且缺少交互的设计是存在一定的隐患的。
公开号为CN110376932A的中国发明专利《一种高诊断覆盖率的功能安全开关量输出模块》公开的方案中的1OO1D架构的设计，如图2所示。该设计在一个CPU单元控制一个输出单元的基础上加上了一个诊断单元，诊断单元和输出单元分别控制一个开关，两个开关串联，诊断单元可诊断输出单元同时将信息发给CPU，还可以在发生故障时关断其控制的开关导向安全，但是如过诊断单元本身发生故障并无法向CPU提供可靠的诊断信息时，整个模块就存在安全隐患了。
发明内容
本发明的目的在于解决开关量输出模块的双输出通道缺少交互设计以及诊断单元本身发生故障无法向CPU提供可靠的诊断信息，在两路输出电路之间增加交互诊断的措施，并且增加了通过关断CPU与输出电路之间的通信来关断输出，提高了模块的安全性能，确保模块的导向安全，在满足功能安全的同时降低开发成本并减小产品体积。
本发明的第一个方面提供了一种功能安全的开关量输出模块，包括，CPU单元，以及，分别与CPU单元耦接的第一输出单元和第二输出单元；所述CPU单元用于向第一/第二输出单元发送通讯数据，并基于接收的第一/第二输出单元反馈的诊断数据输出故障信息，从而控制第一/第二输出单元导向安全；所述第一/第二输出单元至少包括依次耦接的逻辑电路，驱动电路、回检电路和输出开关，以及，与驱动电路耦接的电源电压检测电路，其中，第一输出单元的输出开关SW1和第二输出单元的输出开关SW2串联；所述逻辑电路的输入端输入CPU单元发送的通讯数据，并输出至驱动电路，以及，用于接收另一个输出单元的电源电压检测电路输出的故障信号，控制CPU单元与驱动电路之间的通讯通断；
所述驱动电路用于接收和校验CPU单元发送的通讯数据，并在校验通过后依据通讯数据信息控制输出开关断开或闭合，以及采集回检电路的输出状态和输出开关的线路诊断信息；所述回检电路用于检测开关输出状态并将其发送至驱动电路；所述电源电压检测电路用于检测驱动电路电源电压并基于检测电压发送控制信号至另一输出单元的逻辑电路。
进一步的，所述输出单元还包括与驱动电路耦接的监控电路，所述监控电路用于接收驱动电路数据校验后输出的信号，并输出控制信号控制驱动电路输出开通或关断信号，从而控制输出开关断开或闭合。
进一步的，若所述驱动电路数据校验失败不输出脉冲信号至监控电路，从而控制监控电路输出低电平信号至驱动电路；若所述驱动电路数据校验成功后发送脉冲信号至监控电路，从而控制监控电路输出状态保持不变。
进一步的，所述监控电路包括但不限于单稳态触发器电路。
进一步的，所述逻辑电路至少包括逻辑门芯片；所述逻辑门芯片的输入端输入CPU单元发送的通讯数据，输出经逻辑门芯片转换后的通讯数据至驱动电路；所述逻辑器件用于接收另一个输出单元的驱动电路的电源故障信号，从而控制本输出单元的逻辑门芯片通断。
进一步的，所述CPU单元还用于发出CPU单元内部故障信号至逻辑器件，从而通过逻辑门芯片控制断开CPU单元与驱动电路之间的通讯。
进一步的，所述输出开关SW1和SW2为具有负载电流检测功能的开关。
进一步的，所述驱动电路包括但不限于逻辑芯片CPLD。
本发明的第二个方面提供了一种基于功能安全的开关量输出模块的诊断处理方法，至少包括基于输出开关故障进行诊断处理，具体包括：S1，根据预设状态周期性控制输出开关SW1和SW2的输出状态；S2，回读回检电路检测的输出状态；S3，将一个周期内回读的实际回检结果与预设的回检结果进行比较，并基于比较结果判断是否关断输出开关SW1和SW2的输出。
进一步的，所述步骤S3具体包括，S31，若CPU单元实际回检结果与预设的回检结果相同，则重复步骤S1-S3诊断开关输出状态；S32，若CPU单元实际回检结果与预设的回检结果不一致，则CPU单元控制驱动电路1和驱动电路2同时关断输出开关SW1和SW2的输出。
进一步的，还包括基于通信故障诊断处理，具体包括：基于CPU单元与驱动电路之间通信数据校验，并基于检验通过后的通讯数据信息控制输出开关的输出。
进一步的，还包括基于CPU单元内部故障诊断处理，具体包括：基于CPU单元内部软件或硬件故障发出故障信号至逻辑电路，从而控制通讯的通断。
进一步的，还包括基于电源故障诊断处理，具体包括：基于检测的电源故障，控制另一个输出单元驱动电路和CPU之间关闭通讯，从而控制输出开关的输出。
进一步的，还包括基于线路故障诊断处理，具体包括，CPU单元回读的输出开关检测的负载电流与预设阈值比较，根据比较结果控制输出开关的输出。
本发明的有益技术效果是：
1、主控CPU单元以及两路构成1002架构的输出电路构成本发明1OO1D的整体架构。可以在保证满足功能安全的同时实现更小体积、更低成本，以满足狭小空间或恶劣环境中的应用。
2、通过两路输出电路之间增加交互诊断的措施，在一路通道发生故障且无法关断输出开关时，确保了另一路可以关断输出开关，进一步提升了产品的安全性能。
3、增加了通过关断CPU单元与输出单元之间的通讯，然后由监控电路关断输出的导向安全的机制，确保了CPU无法直接控制输出时仍然能够关断输出。
4、具有对模块中多个部件失效的诊断处理，方法简单易实现，满足了功能安全。
附图说明
图1 1OO2D架构的功能安全数字量输出电路结构框图；
图2 1OO1D架构的高诊断覆盖率的功能安全开关量输出模块结构框图；
图3 1OO2架构示意图；
图4为本发明实施例的功能安全开关量输出模块原理框图；
图5为本发明实施例中输出开关故障诊断处理方法流程示意图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
在描述本发明之前，首先对专有名词进行解释：
1002架构：1002架构包含两个并列的通道，任何一个都能执行安全功能。在不影响安全功能执行的前提下，它能容许一个通道发生失效，只有当两个通道都发生危险失效时，才会导致安全功能的失效。其架构示意如图3所示。
基于上述解释，以下是对本发明的技术方案进行详细描述。
如图4所示，本实施例所述的一种功能安全的开关量输出模块，包括CPU单元，以及，分别与CPU单元耦接的第一输出单元和第二输出单元。其中，CPU单元用于向第一/第二输出单元发送通讯数据，并基于接收的第一/第二输出单元反馈的诊断数据输出故障信息，从而控制第一/第二输出单元导向安全。第一/第二输出单元至少包括依次耦接的逻辑电路，驱动电路、回检电路和输出开关，以及，与驱动电路耦接的电源电压检测电路，其中，第一输出单元的输出开关SW1和第二输出单元的输出开关SW2串联。逻辑电路的输入端输入CPU单元发送的通讯数据，并输出至驱动电路，以及，用于接收另一个输出单元的电源电压检测电路输出的故障信号，控制CPU单元与驱动电路之间的通讯通断。驱动电路用于接收和校验CPU单元发送的通讯数据，并在校验通过后依据通讯数据信息控制输出开关断开或闭合，以及采集回检电路的输出状态和输出开关的线路诊断信息；回检电路用于检测开关输出状态并将其发送至驱动电路；电源电压检测电路用于检测驱动电路电源电压并基于检测电压发送控制信号至另一输出单元的逻辑电路。
以本示出实施例的开关量输出模块中，以图4中的第一输出单元为例，第一输出单元包括驱动电路1、回检电路1、监控电路1、电源电压检测电路1和输出开关SW1，输出开关SW1的一端耦接+24V，另一端和第二输出单元的输出开关SW2的一端串联，输出开关SW2的另一端用于输出开关量并和负载耦接。
在本示出实施例中，作为优选实施方式，认为系统的安全状态应该为输出状态为off，需要输出开关SW1和/或SW2断开。CPU单元向驱动电路1发送包括开关量信息的控制数据。驱动电路1对接收的控制数据进行通信校验，如果校验通过，则根据CPU单元发送的控制数据控制输出开关SW1断开还是闭合状态。驱动电路1还通过回检电路1采集输出开关SW1的输出状态，以及直接读取输出开关SW1反馈的线路状态。输出开关SW1自带线路故障诊断功能，在发生失效情况下，可反馈故障信息至驱动电路。CPU单元从驱动电路1中统一读取回检数据，并可根据第一输出单元和第二输出单元的回检数据统一分析。
若驱动电路1的电源VCC1发生过压、欠压等故障，则电源电压检测电路1发送VCC1_Check故障信号至第二输出单元的逻辑器件2，逻辑器件2接收第二输出单元的VCC1_Check故障信号，并控制逻辑门芯片IC2关闭驱动电路2和CPU单元之间的通讯，驱动电路2因此不会向监控电路2发送脉冲信号，监控电路2在1.6s超时以后，向驱动电路2输出低电平信号，使驱动电路2关断对应的输出开关SW2，使模块导向安全。
在本示出实施例中，作为优选实施方案，驱动电路一般采用CPLD等逻辑芯片进行编程，实现数据校验和输出控制信号至输出开关的功能。监控电路一般采用单稳态触发器电路，触发脉冲时间为1.6s。
本发明还提出了一种基于上述功能安全的开关量输出模块的诊断处理方法，本实施例的流程示意图如图5所示，至少包括基于输出开关故障进行诊断处理，具体包括：S1，根据预设状态周期性控制输出开关SW1和SW2的输出状态；S2，回读回检电路检测的输出状态；S3，将一个周期内回读的实际回检结果与预设的回检结果进行比较，并基于比较结果判断是否关断输出开关SW1和SW2的输出。
下面结合图3中对本实施例中示出的多个故障诊断处理方法进行分别说明，以便本领域技术人员能够更好地理解本发明的技术方案。
输出开关故障诊断处理：在一些实施例中，输出开关存在开路、短路等失效模式。输出开关故障诊断处理主要针对输出开关SW1和SW2可能的开路、短路等失效模式。
CPU单元周期性的按照下表的预设状态按照1-4共4种状态循环，顺序的控制SW1和SW2的状态。
| 预设状态 | SW1状态 | SW2状态 | 预期回检结果 |
| 1 | ON | ON | ON |
| 2 | ON | OFF | OFF |
| 3 | OFF | ON | OFF |
| 4 | OFF | OFF | OFF |
以一个周期为例，CPU单元在一个周期的4个实际回检结果与4个预期结果比较，如果实际回检结果与预期结果不一致，则认为输出开关SW1或SW2故障，此时CPU单元控制驱动电路1和驱动电路2同时关断SW1和SW2的输出，导向安全。为了避免负载误动作，诊断的脉宽应该小于负载的响应时间，典型值为2ms。
通讯故障诊断处理：在一些实施例中，CPU单元与驱动电路之间存在通讯故障。以图3中的CPU单元与驱动电路1之间说明通信数据诊断的具体步骤，CPU单元发送包括控制信息在内的通讯信息至驱动电路1，驱动电路1接收通信息并开始内部的通信数据校验。当数据校验通过时，驱动电路1会向监控电路1发送一个脉冲信号，维持监控电路1的输出状态不变，从而监控电路1的输出不影响驱动电路1输出至输出开关SW1的状态。
当CPU与驱动电路1之间的通信出现故障时，驱动电路1内部的通信数据无法校验通过，驱动电路1不会向监控电路1发送脉冲信号，监控电路1在1.6s超时以后，输出状态发生反转，向驱动电路1输出低电平信号，强制对应的输出开关SW1输出OFF，使模块导向安全。
CPU单元内部故障诊断处理：CPU内部软、硬件有可能出现故障，在一些实施例中，当CPU单元内部发生故障以后，往往需要一个外部的独立电路来保证系统处于安全状态。CPU单元内部发生故障后，发出故障指示信号ERROR至逻辑器件1，逻辑器件1接收故障指示信号ERROR，并控制IC1停止工作，从而切断CPU单元与驱动电路1之间的通信。
同时，由于驱动电路1收不到CPU单元发送的通讯数据，所以不会向监控电路1发送脉冲信号，最终监控电路1因为超时向驱动电路1发出低电平信号，从而驱动电路控制输出开关SW1输出OFF，使模块导向安全的信号。
电源故障诊断处理：在一些实施例中，驱动电路的电源可能发生过压、欠压等故障。为保证系统处于安全状态，以图3中所示的第一输出单元为例，当驱动电路1的电源VCC1出现过压或欠压等故障时，电源电压检测电路1会检测到故障，但由于此时的驱动电路1已经处于供电异常的状态，无法保证其一定能关断输出，因此电源电压检测电路1会向逻辑器件2发送信号关闭IC2,从而关闭CPU单元与驱动电路2之间的通信，利用正常工作的驱动电路2来关断输出开关SW2，从而输出导向安全；同理，当驱动电路2的电源出现故障时，可以通过正常工作的驱动电路1来关断SW1来使模块导向安全。
线路故障诊断处理：在一些实施例中，由于输出开关SW1和SW2带有负载电流检测功能。当负载电流不满足预设阈值需求，即在线路发生故障短路时大于预设的阈值，或者在线路发生短路时小于预设的阈值时，输出开关SW1的芯片的指示引脚的信号发生翻转，CPU单元可以通过驱动电路1将SW1指示的线路故障信息以及输出状态信息一同回读。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (15)
1.一种功能安全的开关量输出模块，其特征在于，包括：
CPU单元，以及，分别与CPU单元耦接的第一输出单元和第二输出单元；
所述CPU单元用于向第一/第二输出单元发送通讯数据，并基于接收的第一/第二输出单元反馈的诊断数据输出故障信息，从而控制第一/第二输出单元导向安全；
所述第一/第二输出单元至少包括依次耦接的逻辑电路，驱动电路、回检电路和输出开关，以及，与驱动电路耦接的电源电压检测电路，其中，第一输出单元的输出开关SW1和第二输出单元的输出开关SW2串联；
所述逻辑电路的输入端输入CPU单元发送的通讯数据，并输出至驱动电路，以及，用于接收另一个输出单元的电源电压检测电路输出的故障信号，控制CPU单元与驱动电路之间的通讯通断；
所述驱动电路用于接收和校验CPU单元发送的通讯数据，并在校验通过后依据通讯数据信息控制输出开关断开或闭合，以及采集回检电路的输出状态和输出开关的线路诊断信息；
所述回检电路用于检测开关输出状态并将其发送至驱动电路；
所述电源电压检测电路用于检测驱动电路电源电压并基于检测电压发送控制信号至另一输出单元的逻辑电路。
2.如权利要求1所述的开关量输出模块，其特征在于，所述输出单元还包括与驱动电路耦接的监控电路，所述监控电路用于接收驱动电路数据校验后输出的信号，并输出控制信号控制驱动电路输出开通或关断信号，从而控制输出开关断开或闭合。
3.如权利要求2所述的开关量输出模块，其特征在于，若所述驱动电路数据校验失败不输出脉冲信号至监控电路，从而控制监控电路输出低电平信号至驱动电路；若所述驱动电路数据校验成功后发送脉冲信号至监控电路，从而控制监控电路输出状态保持不变。
4.如权利要求2所述的开关量输出模块，其特征在于，所述监控电路包括但不限于单稳态触发器电路。
5.如权利要求1所述的开关量输出模块，其特征在于，所述逻辑电路至少包括逻辑门芯片；所述逻辑门芯片的输入端输入CPU单元发送的通讯数据，输出经逻辑门芯片转换后的通讯数据至驱动电路；
所述逻辑器件用于接收另一个输出单元的驱动电路的电源故障信号，从而控制本输出单元的逻辑门芯片通断。
6.如权利要求1所述的开关量输出模块，其特征在于，所述CPU单元还用于发出CPU单元内部故障信号至逻辑器件，从而通过逻辑门芯片控制断开CPU单元与驱动电路之间的通讯。
7.如权利要求1所述的开关量输出模块，其特征在于，所述输出开关SW1和SW2为具有负载电流检测功能的开关。
8.如权利要求1-7任一所述的开关量输出模块，其特征在于，所述驱动电路包括但不限于逻辑芯片CPLD。
9.一种基于权利要求1-8任一所述的开关量输出模块的诊断处理方法，其特征在于，至少包括基于输出开关故障进行诊断处理，具体包括：
S1，根据预设状态周期性控制输出开关SW1和SW2的输出状态；
S2，回读回检电路检测的输出状态；
S3，将一个周期内回读的实际回检结果与预设的回检结果进行比较，并基于比较结果判断是否关断输出开关SW1和SW2的输出。
10.如权利要求9所述的诊断处理方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括，S31，若CPU单元实际回检结果与预设的回检结果相同，则重复步骤S1-S3诊断开关输出状态；S32，若CPU单元实际回检结果与预设的回检结果不一致，则CPU单元控制驱动电路1和驱动电路2同时关断输出开关SW1和SW2的输出。
11.如权利要求9所述的诊断处理方法，其特征在于，还包括基于通信故障诊断处理，具体包括：基于CPU单元与驱动电路之间通信数据校验，并基于检验通过后的通讯数据信息控制输出开关的输出。
12.如权利要求9所述的诊断处理方法，其特征在于，还包括基于CPU单元内部故障诊断处理，具体包括：基于CPU单元内部软件或硬件故障发出故障信号至逻辑电路，从而控制通讯的通断。
13.如权利要求9所述的诊断处理方法，其特征在于，还包括基于电源故障诊断处理，具体包括：基于检测的电源故障，控制另一个输出单元驱动电路和CPU之间关闭通讯，从而关断输出开关的输出以导向安全。
14.如权利要求9所述的诊断处理方法，其特在于，还包括基于线路故障诊断处理，具体包括：CPU单元回读的输出开关检测的负载电流与预设阈值比较，根据比较结果控制输出开关的输出。
15.如权利要求9-14任一所述的诊断处理方法，其特征在于，所述一个周期的时间小于负载的响应时间。
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