CN114063592A - 一种基于时间冗余的安全仪表控制单元故障诊断方法 - Google Patents

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刘明哲
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王志平
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Abstract

本发明涉及一种基于时间冗余的安全仪表控制单元故障诊断方法。本发明通过控制器的串行冗余结构设计和软件实现时间冗余的控制单元故障诊断；控制器1和控制器2以相同的方法进行数据转换；控制器1和控制器2的转换时间相差一个时钟周期；控制器2通过数据仲裁后将数据通过总线输出。本发明通过冗余芯片的时间冗余处理，解决了安全仪表冗余结构的共因失效问题，具有很大的应用推广空间。

Description

一种基于时间冗余的安全仪表控制单元故障诊断方法
技术领域
本发明涉及一种基于时间冗余的安全仪表控制单元故障诊断方法，属于工业过程控制领域。
背景技术
随着工业控制技术的不断发展，工业设备和生产过程的自动化程度越来越复杂，人们日趋认识到安全仪表系统的重要性，安全仪表系统不但可以保护生产资源和操作人员安全，还可以提高生产率，提高工业系统的可用性和可靠性。
安全仪表系统监视生产过程的状态，在危险条件出现时采取相应措施，防止危险事件发生，避免潜在的危险对人身、设备、环境造成伤害并减轻后果造成的损失。
安全仪表与普通仪表的核心区别在于保证系统本身不会失效，即使元器件的失效不可避免，失效是在可预见的范围内，系统一旦失效，将进入安全模式为确保生产过程的安全可靠运行发挥了非常重要的作用。
现有的安全仪表通过冗余的方式，能够提高仪表本身的安全完整性水平，由于受到仪表本身空间的限制，一般以2重冗余为主，冗余芯片基本都采用相同的芯片，由于相同的外界因素，例如在同一时刻，强电磁干扰可能导致两片芯片同时发生相同的数据跳变，冗余数据比较诊断不出位跳变故障，冗余功能失效，产生共因失效的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，为了降低共因失效对仪表的影响，本发明提出冗余控制器运行时间的控制方法，实现时间上容错，避免了共因失效对仪表的影响，用于安全仪表冗余架构的选择及共因失效的避免。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于时间冗余的安全仪表控制单元故障诊断方法，用于安全仪表的冗余结构，包括以下步骤：
控制器1通过传感器采集原始数据，并将采集的原始数据进行变换得到输出值1，通过串行接口发送给控制器2；
控制器2在一个时钟节拍后，从接收到的控制器1的原始数据开始，按照与控制器1相同的数据变换方式进行数据转换，得到输出值2；
将控制器1的输出值1和控制器2的输出值2进行比较：当二者差值超出设定阈值后，通过总线输出报警信号；当二者差值在设定阈值范围内，通过总线将控制器2得到的输出值2通过总线发出。
所述控制器1与控制器2为不同型号的处理器。
所述控制器1与控制器2连接不同频率的晶振，程序运行的时钟节拍不同。
所述控制器1与控制器2进行串口通信；控制器1进行数据传输时，在数据位后面加入16位CRC。
所述控制器2从原始数据计算出对应的输出值2，在时间上落后控制器1一个时钟节拍，实现时间上的冗余。
一种基于时间冗余的安全仪表控制单元故障诊断系统，包括：
控制器1，用于通过传感器实现数据采集，并将采集的原始数据进行变换得到输出值1，通过串行接口进行数据传输；
控制器2，用于接收控制器1发来原始数据和输出值1，在控制器1输出原始数据的一个时钟节拍后，对原始数据进行数据转换得到输出值2，并根据输出值1和输出值2进行数据仲裁，将仲裁结果通过总线输出。
所述控制器2设定比较阈值，将串口得到的控制器1输出值1和控制器2的输出值2进行数据仲裁：
当输出值1和输出值2的差值在阈值内，将控制器2的输出值2通过总线输出；
否则，当连续设定时间内二者差值超过阈值，则通过总线发出报警信号。
所述控制器1与控制器2连接不同频率的晶振，程序运行的时钟节拍不同。
本发明是用来实现一种基于时间冗余的安全仪表控制单元故障诊断方法。它具有如下优点：
1.可靠性高。本发明基于成熟的2重冗余架构，通过时间控制实现时间的容错，无需增加额外的硬件，可靠性较高。
2.无需特殊的硬件。本发明基于2重冗余架构，在原有系统的基础上，通过软件实现控制单元的时间冗余控制，无需增加额外硬件器件，系统设计简单。
3.通用性强。对于功能要求较高的安全仪表变送器来说，通常使用冗余的架构，在此基础上通过软件实现时间的冗余，对仪表本身其他参数没有特殊要求，通用性强。
附图说明
图1是本发明基于时间冗余的安全仪表控制单元结构图；
图2是本发明控制器计算时间冗余示意图；
图3是本发明时间冗余的安全仪表控制单元计算流程图。
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。
一种基于时间冗余的安全仪表控制单元故障诊断方法，用于安全仪表的冗余结构设计，对两个控制器型号和厂家没有要求，可以存在差异化；
控制器1和控制器2通过串行接口进行数据传输；
控制器1连接传感器，用于实现数据采集，并将采集的数据进行变换得到输出值；
控制器2连接控制器1，接收到控制器1,数据进行数据转换，并进行数据仲裁，将仲裁结果通过总线输出；
所述控制器1进行数据采集后，对采集值进行计算处理，得到转换的输出值，并通过串口将原始采集值和输出值传给控制器2；
所述控制器1与控制器2连接不同频率的晶振，程序运行的时钟节拍不同；
所述处理器1与控制器2进行串口通信，在数据位后面加入16位CRC。
所述控制器2接收到控制器1的原始数据和最终输出值后，从原始数据开始重新计算，得到控制器2的最终输出值。
所述控制器2设定比较阈值，将串口得到的控制器1输出值和控制器2输出值进行比较，当比较值在设定阈值内，将控制器2输出值通过总线输出，否则，如果当连续比较超限，则通过总线发出报警信号；
所述控制器2从采集值计算出该值对应的输出值，在时间上落后控制器1一个时钟节拍，实现时间上的冗余。
实现步骤为：
通过控制器1读取传感器输出采集值，并从采集值开始，进行数据转换，得出输出值；
控制器1通过串口将采集原始值和输出值通过串口发送给控制器2；
控制器2在一个时钟节拍后，从接收到的控制器1的采集值开始，按照相同的计算方法，进行数据转换，计算得到输出值；
将控制器1的输出值和控制器2的输出值进行比较，当超出设定阈值后，通过总线输出报警信号；当比较值在设定阈值范围内，通过总线将控制器2得到的输出值通过总线发送出去。
图1是本发明基于时间冗余的安全仪表控制结构。
通过芯片选型和软件实现时间冗余的控制单元故障诊断，其中控制器1和控制器2可以为差异芯片；
时间冗余的计算过程如下：控制器1读取传感器输出采集值，并从采集值开始，进行数据转换，得出输出值；控制器2在一个时钟节拍后，从接收到的控制器1的采集值开始，按照相同的计算方法，进行数据转换，计算得到输出值。
数据仲裁过程如下：将控制器1的输出值和控制器2的输出值进行比较，当超出设定阈值后，通过总线输出报警信号；当比较值在设定阈值范围内，通过总线将控制器2得到的输出值通过总线发送出去。
图2是本发明控制器计算时间冗余示意图。
控制器1和控制器2按照同样的方法进行计算，在时间上相差1个时钟节拍。Datan为Tn时刻的采集值，Cacu n1为Tn时刻控制器1的计算值，其中n代表第Tn时刻，Out n1为Tn时刻控制器1的输出值。
时间冗余的执行过程如下：
在T1时刻，控制器1从采集值Data1开始，经过计算得到中间过程Cacu11，最后计算得到Out11，此时刻控制器2没有得到控制器1的数据，不进行计算；
在在T2时刻，控制器1从采集值Data2开始，经过计算得到中间过程Cacu21，最后计算得到Out21，此时刻控制器2从串口接到的采集值Data1开始，经过计算得到中间过程Cacu12，最后计算得到Out12；控制器2通过比较Out11和Out12的值，来判断控制器是否有失效发生。
在在Tn时刻，控制器1从采集值Datan开始，经过计算得到中间过程Cacun1，最后计算得到Outn1，此时刻控制器2从串口接到的采集值Data(n-1)开始，经过计算得到中间过程Cacu(n-1)2，最后计算得到Out(n-1)2；控制器2通过比较Out(n-1)1和Out(n-1)2的值，来判断控制器是否有失效发生。
图3是本发明时间冗余的安全仪表控制单元计算流程图。计算的过程如下，仪表开始运行，控制器1接收传感器数据，得到传感器的采集值，控制器进行数据转换，得到输出值；
控制器1与控制器2通过串口通信，将控制器1采集值和输出值传给控制器2；
控制器2通过串口得到控制器1的采集值和输出值，一个时钟节拍后，控制器2进行数据转换，控制器2得到输出值；控制器2当前输出值和控制器1输出值进行比较，两者相差不在设定阈值内，输出报警信号到总线，当两者比较在阈值范围内，将控制器2将输出值发送到总线，按照上述流程循环执行。

Claims (8)

1.一种基于时间冗余的安全仪表控制单元故障诊断方法，其特征在于，用于安全仪表的冗余结构，包括以下步骤：
控制器1通过传感器采集原始数据，并将采集的原始数据进行变换得到输出值1，通过串行接口发送给控制器2；
控制器2在一个时钟节拍后，从接收到的控制器1的原始数据开始，按照与控制器1相同的数据变换方式进行数据转换，得到输出值2；
将控制器1的输出值1和控制器2的输出值2进行比较：当二者差值超出设定阈值后，通过总线输出报警信号；当二者差值在设定阈值范围内，通过总线将控制器2得到的输出值2通过总线发出。
2.根据权利要求1所述的一种基于时间冗余的安全仪表控制单元故障诊断方法，所述控制器1与控制器2为不同型号的处理器。
3.根据权利要求1所述的一种基于时间冗余的安全仪表控制单元故障诊断方法，所述控制器1与控制器2连接不同频率的晶振，程序运行的时钟节拍不同。
4.根据权利要求1所述的一种基于时间冗余的安全仪表控制单元故障诊断方法，其特征在于，所述控制器1与控制器2进行串口通信；控制器1进行数据传输时，在数据位后面加入16位CRC。
5.根据权利要求1所述的一种基于时间冗余的安全仪表控制单元故障诊断方法，所述控制器2从原始数据计算出对应的输出值2，在时间上落后控制器1一个时钟节拍，实现时间上的冗余。
6.一种基于时间冗余的安全仪表控制单元故障诊断系统，其特征在于，包括：
控制器1，用于通过传感器实现数据采集，并将采集的原始数据进行变换得到输出值1，通过串行接口进行数据传输；
控制器2，用于接收控制器1发来原始数据和输出值1，在控制器1输出原始数据的一个时钟节拍后，对原始数据进行数据转换得到输出值2，并根据输出值1和输出值2进行数据仲裁，将仲裁结果通过总线输出。
7.根据权利要求6所述的一种基于时间冗余的安全仪表控制单元故障诊断系统，其特征在于，所述控制器2设定比较阈值，将串口得到的控制器1输出值1和控制器2的输出值2进行数据仲裁：
当输出值1和输出值2的差值在阈值内，将控制器2的输出值2通过总线输出；
否则，当连续设定时间内二者差值超过阈值，则通过总线发出报警信号。
8.根据权利要求6所述的一种基于时间冗余的安全仪表控制单元故障诊断系统，所述控制器1与控制器2连接不同频率的晶振，程序运行的时钟节拍不同。
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