CN114115055A - 用于符合电动执行机构功能安全的冗余控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于符合电动执行机构功能安全的冗余控制系统及方法，其中，用于符合电动执行机构功能安全的冗余控制系统包括：指令发送模块；控制模块，用于控制电动执行机构执行指令；位置检测模块，用于检测阀门开度，并将阀门开度检测结果反馈给控制模块；接收模块，用于接收控制模块根据阀门开度检测结果发送的反馈信息；信号输入模块，用于将指令发送模块发送的控制指令传递给控制模块；信号输出模块，用于将控制模块输出的反馈信息传递给接收模块；输出检测模块，用于将信号输出模块输出结果反馈给控制模块。本方案能有效增加电动执行机构的控制可靠性及安全性，保证电动执行机构可靠、安全运行。

Description

用于符合电动执行机构功能安全的冗余控制系统及方法

技术领域

本发明属于电动执行机构控制领域，特别是涉及一种用于符合电动执行机构功能安全的冗余控制系统及方法。

背景技术

电动执行机构是工业过程控制系统中的末端执行设备，其主要作用是将控制系统发出的控制信号转换成相应的动作，达到控制阀门内截流件的位置或其他调节机构位置的目的，被广泛应用于电力、冶金、石化、供热、水泥、建材、轻纺、食品等行业。

目前，电动执行机构常常通过单回路控制，在运行过程中任一部分电路出现故障时，都会影响电动执行机构的正常运行，无法保证电动执行机构相应功能的安全、稳定、及时、准确执行。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于符合电动执行机构功能安全的冗余控制系统及方法，以增加电动执行机构的控制可靠性及安全性，保证电动执行机构安全、可靠运行。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于符合电动执行机构功能安全的冗余控制系统，包括：

指令发送模块，用于发送控制指令，控制指令包括阀门开度控制指令和阀门开关控制指令；

控制模块，用于控制电动执行机构执行指令，所述执行指令包括阀门开度执行指令和阀门开关执行指令；

位置检测模块，用于检测阀门开度，并将阀门开度检测结果反馈给控制模块；

接收模块，用于接收控制模块根据阀门开度检测结果发送的反馈信息；

信号输入模块，用于将指令发送模块发送的控制指令传递给控制模块，所述信号输入模块包括相同输入不同输出的第一信号输入子模块和第二信号输入子模块；

信号输出模块，用于将控制模块输出的反馈信息传递给接收模块，所述信号输出模块包括第一信号输出子模块和第二信号输出子模块；

输出检测模块，用于将信号输出模块输出结果反馈给控制模块。

进一步地，所述第一信号输入子模块包括：

第一开关信号输入单元，用于将指令发送模块发送的阀门开关控制指令经限流、光电隔离处理后发送给控制模块；

第一模拟信号输入单元，用于将指令发送模块发送的阀门开度控制指令经有源I/V变换电路和线性光电隔离处理后发送给控制模块；

当所述控制模块接收到阀门开关控制指令时，输出使电动执行机构控制阀门全开、全关或停止动作；当所述控制模块接收到阀门开度控制指令时，输出使电动执行机构控制阀门开启到对应开度的执行指令。

进一步地，所述第二信号输入子模块包括：

第二开关量输入单元，用于将指令发送模块发送的阀门开关控制指令经限流、磁电隔离处理后发送给控制模块；

第二模拟信号输入单元，用于将指令发送模块发送的阀门开度控制指令经无源I/D变换电路、线性光电隔离处理后发送给控制模块。

进一步地，所述第一信号输出子模块和第二信号输出子模块均包括：

开关量输出单元，用于将控制模块发送的阀门开度检测结果经过磁电隔离处理后输出给接收模块；

模拟量输出单元，用于将控制模块发送的阀门开度检测结果经过光电隔离、D/A转换、V/I变换后输出给接收模块；

所述输出检测模块分别对所述开关量输出单元输出信号和模拟量输出单元输出信号进行检测，并将检测结果反馈给控制模块。

进一步地，所述控制模块包括：

输入信号检测模块，用于对第一信号输入子模块和第二信号输入子模块输入的控制指令进行检测，判断所接收到的控制指令是否出现错误，当所接收到的控制指令之一出现错误时，生成故障反馈信息，并选择执行正确的控制指令。

进一步地，所述控制模块还包括：

输出信号检测模块，用于对第一信号输出子模块和第二信号输出子模块的输出结果进行检测，判断其是否出现错误，若出现错误，生成对应的故障反馈信息。

进一步地，所述用于符合电动执行机构功能安全的冗余控制系统还包括选择模块，当所述输出信号检测模块判断第一信号输出子模块和第二信号输出子模块的任一输出结果错误时，选择正确的输出结果输出给接收模块。

进一步地，所述位置检测模块包括两个分别向控制模块进行开度反馈的反馈单元。

进一步地，所述用于符合电动执行机构功能安全的冗余控制系统还包括用于根据故障反馈信息发出报警的故障报警模块。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种用于符合电动执行机构功能安全的冗余控制方法，包括：

指令发送模块发送控制指令；

相同的控制指令经过第一信号输入子模块和第二信号输入子模块不同处理后传递给控制模块；

控制模块根据接收到的控制指令输出执行指令，电动执行机构执行指令；

位置检测模块检测执行后的阀门开度，并将阀门开度反馈结果反馈给控制模块；

控制模块将位置检测模块的反馈结果分别通过第一信号输出子模块和第二信号输出子模块输出给接收模块；

输出检测模块将第一信号输出子模块和第二信号输出子模块输出结果反馈给控制模块。

如上所述，本发明的用于符合电动执行机构功能安全的冗余控制系统及方法，具有以下有益效果：

第一信号输入子模块、第二信号输入子模块的设置，使得其中任一出现故障时，控制指令均能被控制模块接收到。

第一信号输出子模块和第二信号输出子模块的设置，使得其中任一出现故障时，执行指令均能被接收模块接收到。

第一信号输入子模块和第二信号输入子模块为相同输入不同输出，这样能有效避免控制回路共因失效。

本方案能有效增加电动执行机构的控制可靠性、安全性，保证电动执行机构可靠、安全运行。

附图说明

图1为本发明实施例中用于符合电动执行机构功能安全的冗余控制系统的结构框图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

实施例

如图1所示，本实施例提供了一种用于符合电动执行机构功能安全的冗余控制系统，包括：

指令发送模块，用于发送控制指令，控制指令包括阀门开度控制指令和阀门开关控制指令；阀门开关控制指令用于控制阀门全开、全关和停止动作。本实施例中的控制指令，可以通过控制开关发送，也可以通过上级控制系统发送，例如：通过SIS系统(安全仪表系统)进行阀门开关控制指令的发送，通过DCS系统(集散控制系统)进行阀门开度控制指令的发送。

控制模块，用于控制电动执行机构执行指令，所述执行指令包括阀门开度执行指令和阀门开关执行指令；

位置检测模块，用于检测阀门开度，并将阀门开度检测结果反馈给控制模块；所述位置检测模块包括两个分别向控制模块进行开度反馈的反馈单元。

接收模块，用于接收控制模块根据阀门开度检测结果发送的反馈信息；本实施例中接收模块可以是显示屏，也可以是SIS系统和DCS系统，通过SIS系统和DCS系统辅助控制电动执行机构。

信号输入模块，用于将指令发送模块发送的控制指令传递给控制模块，所述信号输入模块包括相同输入不同输出的第一信号输入子模块和第二信号输入子模块；

信号输出模块，用于将控制模块输出的反馈信息传递给接收模块，所述信号输出模块包括第一信号输出子模块和第二信号输出子模块；

输出检测模块，用于将信号输出模块输出结果反馈给控制模块。

可选地，第一信号输入子模块包括：

第一开关信号输入单元，用于将指令发送模块发送的阀门开关控制指令经限流、光电隔离处理后发送给控制模块。即第一开关信号输入单元包括过压保护器件、过流保护器件和光电隔离器件。

第一模拟信号输入单元，用于将指令发送模块发送的阀门开度控制指令经有源I/V变换电路和线性光电隔离处理后发送给控制模块。即第一模拟信号输入单元包括有源I/V变换电路和线性光电隔离器件。

当所述控制模块接收到阀门开关控制指令时，输出使电动执行机构控制阀门全开、全关或停止动作；当所述控制模块接收到阀门开度控制指令时，输出使电动执行机构控制阀门开启到对应开度的执行指令。

可选地，第二信号输入子模块包括：

第二开关量输入单元，用于将指令发送模块发送的阀门开关控制指令经限流、磁电隔离处理后发送给控制模块；即第二开关量输入单元包括：过压保护器件、过流保护器件以及磁电隔离器件。本实施例中过压保护器件和过流保护器件均为电阻。

第二模拟信号输入单元，用于将指令发送模块发送的阀门开度控制指令经无源I/D变换电路、线性光电隔离处理后发送给控制模块。即第二模拟信号输入单元包括无源I/V变换电路和线性光电隔离器件。

可选地，第一信号输出子模块和第二信号输出子模块均包括：

开关量输出单元，用于将控制模块发送的阀门开度检测结果经过磁电隔离处理后输出给接收模块；开关量输出单元均包括磁电隔离器件，磁电隔离器件的输出端均与对应的输出检测模块的输入端连接，输出检测模块的输出端与控制模块的输入端连接。

模拟量输出单元，用于将控制模块发送的阀门开度检测结果经过光电隔离、D/A转换、V/I变换后输出给接收模块；模拟量输出单元均包括：光电隔离器件、D/A转换器和V/I变换器。

所述输出检测模块分别对所述开关量输出单元输出信号和模拟量输出单元输出模拟信号进行检测，并将检测结果反馈给控制模块。

可选地，控制模块包括：

输入信号检测模块，用于对第一信号输入子模块和第二信号输入子模块输入的控制指令进行检测，判断所接收到的控制指令是否出现错误，当所接收到的控制指令之一出现错误时，生成故障反馈信息，并选择执行正确的控制指令。

输出信号检测模块，用于对第一信号输出子模块和第二信号输出子模块的输出结果进行检测，判断其是否出现错误，若出现错误，生成对应的故障反馈信息。

可选地，用于符合电动执行机构功能安全的冗余控制系统还包括：

选择模块，当所述输出信号检测模块判断第一信号输出子模块和第二信号输出子模块的任一输出结果错误时，选择正确的输出结果输出给接收模块。选择模块包括电子却换开关。

故障报警模块，用于发出报警，本实施例中的故障报警模块包括报警指示灯。

使用时，控制模块选用MCU芯片。控制模块上还连接有带独立时基和时间窗的看门狗,来监控MCU芯片程序的执行和晶振的漂移。程序初始化时对片内FLASH，RAM，EEPROM进行诊断，程序运行时定时对寄存器、堆栈指针、程序计数器进行诊断，确保程序执行正常。

指令发送模块发送控制指令后，若控制指令为阀门开关控制指令，则通过第一开关信号输入单元和第二开关信号输入单元传递给控制模块。第一开关量信号输入单元和第二开关量信号输入单元对控制指令分别进行不同的处理，使得第一开关量信号输入单元高电平有效，第二开关量信号输入单元低电平有效，然后通过控制模块的不同输入端输入控制模块。控制模块对第一开关量信号输入单元和第二开关信号输入单元输入的控制指令进行诊断，当诊断正常(无错误)时，采用二取一方式，任一有效则可以运行后续程序。当判断到某一路信号故障(存在错误)时，通过仲裁以正常的电路信号作为阀门开关控制指令信号并生成故障反馈信号输出给接收模块。当两路均判断故障时，停止执行相应控制指令并生成故障反馈信号输出给接收模块。若控制指令为阀门开度控制指令，通过第一模拟信号输入单元和第二模拟信号输入单元分别进行不同的处理后，输出给控制模块。控制模块对第一模拟信号输入单元和第二模拟信号输入单元输入的控制指令进行诊断，当诊断正常(无错误)时，采用二取一方式，任意一有效可以运行后续程序。当判断到某一路信号故障(存在错误)时，通过仲裁以正常的电路信号作为阀门开关控制指令信号并生成故障反馈信号输出给接收模块。当两路均判断故障时，停止执行相应控制指令并生成故障反馈信号输出给接收模块。故障报警模块根据故障反馈信号进行故障报警。

控制模块根据有效的控制指令，控制电动执行机构动作，以实现阀门开度的调节。控制模块输出的执行指令包括阀门开关执行指令和阀门开度执行指令，若控制模块输出的是阀门开关执行指令，电动执行机构执行相应指令后，位置检测模块检测阀门开度，也就是检测对应执行指令的执行结果，并将阀门开度检测结果反馈给控制模块，之后，经过第一信号输出子模块和第二信号输出子模块中的开关量输出单元进行相同的信号处理后输出给接收模块，通过输出检测模块将开关量输出单元处理输出后的信号反馈给控制模块，控制模块对开关量输出单元的输出结果进行诊断，若任一输出结果不正常时，通过选择模块切换到正常输出的开关量输出单元。同理，控制模块输出的是阀门开度执行指令时，阀门开度检测结果反馈给控制模块后，通过第一信号输出子模块和第二信号输出子模块中的模拟量输出单元进行相同的信号处理后输出给接收模块，通过输出检测模块将模拟量输出单元处理输出后的信号反馈给控制模块，控制模块对模拟量输出单元的输出结果进行诊断，若任一输出结果不正常时，通过选择模块切换到正常输出的模拟量输出单元。

位置检测模块用于检测对应执行指令是否执行到位。位置检测模块中的两个反馈单元将信号转换为行程百分比后，进行差运算，控制模块根据运算结果，调控执行指令，控制电动执行机构中的电机向减小两信号差的绝对值得方向运行，直至两差值的绝对值小于等于允许的误差范围内时，停止电机运行，从而实现电动执行机构的定位控制。

针对上述用于符合电动执行机构功能安全的冗余控制系统，本实施例还提供一种用于符合电动执行机构功能安全的冗余控制方法，包括：

指令发送模块发送控制指令；

相同的控制指令经过第一信号输入子模块和第二信号输入子模块不同处理后传递给控制模块；

控制模块根据接收到的控制指令输出执行指令，电动执行机构执行指令；

位置检测模块检测执行后的阀门开度，并将阀门开度反馈结果反馈给控制模块；

控制模块将位置检测模块的反馈结果分别通过第一信号输出子模块和第二信号输出子模块输出给接收模块；

输出检测模块将第一信号输出子模块和第二信号输出子模块输出结果反馈给控制模块。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种用于符合电动执行机构功能安全的冗余控制系统，其特征在于，包括：

指令发送模块，用于发送控制指令，控制指令包括阀门开度控制指令和阀门开关控制指令；

控制模块，用于控制电动执行机构执行指令，所述执行指令包括阀门开度执行指令和阀门开关执行指令；

位置检测模块，用于检测阀门开度，并将阀门开度检测结果反馈给控制模块；

接收模块，用于接收控制模块根据阀门开度检测结果发送的反馈信息；

信号输入模块，用于将指令发送模块发送的控制指令传递给控制模块，所述信号输入模块包括相同输入不同输出的第一信号输入子模块和第二信号输入子模块；

信号输出模块，用于将控制模块输出的反馈信息传递给接收模块，所述信号输出模块包括第一信号输出子模块和第二信号输出子模块；

输出检测模块，用于将信号输出模块输出结果反馈给控制模块。

2.根据权利要求1所述的用于符合电动执行机构功能安全的冗余控制系统，其特征在于，所述第一信号输入子模块包括：

第一开关信号输入单元，用于将指令发送模块发送的阀门开关控制指令经光电隔离处理后发送给控制模块；

第一模拟信号输入单元，用于将指令发送模块发送的阀门开度控制指令经有源I/V变换电路和线性光电隔离处理后发送给控制模块；

当所述控制模块接收到阀门开关控制指令时，输出使电动执行机构控制阀门全开、全关或停止动作；当所述控制模块接收到阀门开度控制指令时，输出使电动执行机构控制阀门开启到对应开度的执行指令。

3.根据权利要求2所述的用于符合电动执行机构功能安全的冗余控制系统，其特征在于，所述第二信号输入子模块包括：

第二开关量输入单元，用于将指令发送模块发送的阀门开关控制指令经磁电隔离处理后发送给控制模块；

第二模拟信号输入单元，用于将指令发送模块发送的阀门开度控制指令经无源I/D变换电路、线性光电隔离处理后发送给控制模块。

4.根据权利要求3所述的用于符合电动执行机构功能安全的冗余控制系统，其特征在于，所述第一信号输出子模块和第二信号输出子模块均包括：

开关量输出单元，用于将控制模块发送的阀门开度检测结果经过磁电隔离处理后输出给接收模块；

模拟量输出单元，用于将控制模块发送的阀门开度检测结果经过光电隔离、D/A转换、V/I变换后输出给接收模块；

所述输出检测模块分别对所述开关量输出单元输出信号和模拟量输出单元输出信号进行检测，并将检测结果反馈给控制模块。

5.根据权利要求1所述的用于符合电动执行机构功能安全的冗余控制系统，其特征在于，所述控制模块包括：

输入信号检测模块，用于对第一信号输入子模块和第二信号输入子模块输入的控制指令进行检测，判断所接收到的控制指令是否出现错误，当所接收到的控制指令之一出现错误时，生成故障反馈信息，并选择执行正确的控制指令。

6.根据权利要求1所述的用于符合电动执行机构功能安全的冗余控制系统，其特征在于，所述控制模块还包括：

输出信号检测模块，用于对第一信号输出子模块和第二信号输出子模块的输出结果进行检测，判断其是否出现错误，若出现错误，生成对应的故障反馈信息。

7.根据权利要求1所述的用于符合电动执行机构功能安全的冗余控制系统，其特征在于，所述用于符合电动执行机构功能安全的冗余控制系统还包括选择模块，当所述输出信号检测模块判断第一信号输出子模块和第二信号输出子模块的任一输出结果错误时，选择正确的输出结果输出给接收模块。

8.根据权利要求1所述的用于符合电动执行机构功能安全的冗余控制系统，其特征在于，所述位置检测模块包括两个分别向控制模块进行开度反馈的反馈单元。

9.根据权利要求6所述的用于符合电动执行机构功能安全的冗余控制系统，其特征在于，所述用于符合电动执行机构功能安全的冗余控制系统还包括用于根据故障反馈信息发出报警的故障报警模块。

10.一种用于符合电动执行机构功能安全的冗余控制方法，其特征在于，包括：

指令发送模块发送控制指令；

相同的控制指令经过第一信号输入子模块和第二信号输入子模块不同处理后传递给控制模块；

控制模块根据接收到的控制指令输出执行指令，电动执行机构执行指令；

位置检测模块检测执行后的阀门开度，并将阀门开度反馈结果反馈给控制模块；

控制模块将位置检测模块的反馈结果分别通过第一信号输出子模块和第二信号输出子模块输出给接收模块；

输出检测模块将第一信号输出子模块和第二信号输出子模块输出结果反馈给控制模块。

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