CN115839331A - 一种高安全的压缩机控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高安全的压缩机控制系统及其控制方法，压缩机控制系统安装在压缩机集成撬上的防爆控制柜中，包括主CPU控制器、安全CPU控制器和输出检测模块，主CPU控制器用于协调和控制系统的运行，安全CPU控制器用于对主CPU控制器进行异常监测，输出检测模块用于对主CPU控制器的安全控制输出继电器输出状态。首先对主CPU控制器本身的软硬件进行异常检测，再利用安全CPU控制对主CPU控制器的工作模式以及控制逻辑运行通过特征值比对的方法进行异常监测，对于监测到的异常情况，进行紧急安全停机，并报警提示，加强了压缩机的安全监测方法，使其监测范围更加全面，同时能够第一时间知晓异常出现的原因及位置，及时做出补救措施，降低了财产损失，提高了压缩机使用的安全性。

Description

一种高安全的压缩机控制系统及其控制方法

技术领域

本申请涉及自动控制领域，尤其涉及一种高安全的压缩机控制系统及其控制方法。

背景技术

随着氢能源的不断发展，加氢站建设速度不断加快，氢气压缩机作为加氢站的核心重大设备，由于氢气压缩机运行特点(其工作介质氢气为易燃易爆)，其能安全应用是社会共同关注的焦点。

传统的压缩机控制系统作为氢能压缩机安全运行、安全管理的核心，只是针对加氢站设备及管路工艺进行流程控制，而对于压缩机的安全冗余控制、工艺运行流程安全监控、安全控制输出检测等仍存在技术缺失，这就导致对设备的运行安全问题、操作人员的人身安全产生巨大威胁，除了安全问题之外还会造成财产损失等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种高安全的压缩机控制系统及其控制方法，旨在解决现有压缩机安全性低且安全监测不够全面的技术问题。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为提供一种高安全的压缩机控制系统，所述压缩机控制系统安装在压缩机集成撬上的防爆控制柜中，包括主CPU控制器、安全CPU控制器和输出检测模块，所述主CPU控制器用于控制系统的运行，所述安全CPU控制器用于对所述主CPU控制器进行异常监测，所述输出检测模块用于对所述主CPU控制器的安全控制输出继电器输出状态进行检测。

本发明的原理在于，采用双CPU控制器的安全控制技术进行安全监测，通过利用安全CPU控制器对主CPU控制器进行异常监测；利用输出检测模块对主CPU控制器的安全控制输出继电器输出状态进行监测，加强压缩机安全的全面监测，并根据监测结果进行对应的紧急处理，提高压缩机的安全性。

可选的，所述安全CPU控制器配置有主CPU控制器的基本特征样本库，所述基本特征样本库包括主CPU控制器的工作模式、工艺控制流程、运行参数比对库以及流程步骤状态监测点位库。

可选的，所述安全CPU控制器还包含有特征值比对分析模块，所述特征值比对分析模块用于安全CPU控制器对主CPU控制器监测得到的数据信息与所述基本特征样本库进行特征比对。通过建立基本特征样本库与安全CPU控制器捕获的主CPU控制器程序运行产生的各种数据特征进行特征值比对，实现对主CPU控制器的全面安全监测。

可选的，所述安全CPU控制器还包含有紧急停机警报模块，所述紧急停机警报模块用于紧急安全停机并进行警报提示。基于氢气介质自身的安全隐患，对于控制系统出现异常的情况需要进行紧急处理，并对异常情况进行警报提示，以降低安全风险，同时能够第一时间知晓出现异常的原因。

可选的，所述安全CPU控制器拥有独立的第一寄存器单元，所述主CPU控制器拥有独立的第二寄存器单元，且所述第一寄存器单元与所述第二寄存器单元通过共享寄存器单元进行数据共享。建立数据共享的共享寄存器单元有利于主CPU控制器与安全CPU控制器更便捷的实现信息交互。

可选的，所述主CPU控制器还包含有看门狗监测单元，用于对监测到异常的运行程序进行复位重启。

此外，本发明还提供一种高安全的压缩机控制方法，应用于上述一种高安全的压缩机控制系统，包括：

系统上电初始化主CPU控制器和安全CPU控制器；

基于所述主CPU控制器的工作模式、工艺控制流程、运行参数对比库以及流程步骤状态检测点位库，进行标准特征值初始化，建立基本特征样本库，并将所述基本特征样本库配置于所述安全CPU控制器中。

对所述主CPU控制器进行状态检测；

建立所述安全CPU控制器与所述主CPU控制器之间的控制仲裁关系，并利用所述安全CPU控制器对所述主CPU控制器进行安全监测；

若监测结果无异常，则压缩机控制系统进入正常停机。

可选的，所述对主CPU控制器进行状态检测，包括：

通过硬件端口连接，进行硬件心跳检测，并通过通讯端口反馈心跳状态，判断主CPU控制器的硬件和软件是否软件是否异常；

若所述主CPU控制器的硬件和软件任一出现异常，则进行紧急安全停机；

若所述主CPU控制器的硬件和软件均没有异常，则执行安全监测。在进行主CPU控制器的安全监测之前，需要进行主CPU控制器本身的软硬件检测，确定主CPU控制器是正常运行、无异常的，这样能够更清晰的知晓异常出现的原因点，以便进行相应的处理。

可选的，所述建立所述安全CPU控制器与所述主CPU控制器之间的控制仲裁关系，并利用所述安全CPU控制器对所述主CPU控制器进行安全监测，包括：

所述安全CPU控制器接收所述主CPU控制器发送的数据信息，并将所述数据信息与所述基本特征样本库中的数据信息逐一进行特征值比对分析；

若任一项特征值比对分析结果出现异常，则安全CPU控制器主动接过主CPU控制器的控制仲裁权，进入安全停机模式进行紧急安全停机，并进行报警提示；

其中，所述数据信息包括工作模式信息、工艺控制流程信息、运行参数比对库信息以及流程步骤状态监测点位库信息。

可选的，所述安全CPU控制器接收所述主CPU控制器发送的数据信息，并将所述数据信息与所述基本特征样本库中的数据信息逐一进行特征值比对分析之后，还包括：

若全部的特征值比对分析结果均无异常，则对继电器输出状态进行安全检测，具体为，

安全CPU控制器读通过反馈检测电路获取主CPU控制器的安全控制输出继电器输出状态；

若未检测到对应模式的输出状态异常，则安全CPU控制器主动接过主CPU控制器的控制仲裁权，进入安全停机模式进行紧急安全停机，并进行报警提示。

本发明提供了一种高安全的压缩机控制系统及其控制方法，所述压缩机控制系统安装在压缩机集成撬上的防爆控制柜中，包括主CPU控制器、安全CPU控制器和输出检测模块，所述主CPU控制器用于控制系统的运行，所述安全CPU控制器用于对所述主CPU控制器进行异常监测，所述输出检测模块用于对所述主CPU控制器的安全控制输出继电器输出状态进行检测。首先对主CPU控制器本身的软硬件进行异常检测，确认无异常后，利用安全CPU控制器对主CPU控制器的程序运行通过特征值比对的方法进行异常监测，并在监测到异常后立即接管主CPU控制器的控制权，进行紧急安全停机，并报警提示，加强了压缩机的安全监测方法，使其监测范围更加全面，同时能够第一时间知晓异常出现的原因及位置，及时做出补救措施，降低了财产损失，提高了压缩机使用的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是本发明一实施例提供的一种高安全的压缩机控制系统的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的一种程序流程运行出错监测系统结构示意图；

图3是本发明一实施例提供的一种高安全的压缩机控制方法的步骤示意图；

图4是本发明一实施例提供的一种高安全的压缩机其控制方法的流程示意图。

图5是本发明一实施例提供的一种检测程序方法示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明实施例，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，氢能源作为公认的“清洁能源”得到了广泛应用，但因其工作介质氢气为易燃易爆气体，在应用和管控过程中存在严重的安全隐患，因此，如何保证氢能源的安全应用和安全管控是社会共同关注的焦点，传统的压缩机控制系统只是针对加氢站设备及管路工艺进行流程控制，安全监测并不全面，设备安全运行存在严重的安全隐患。

有鉴于此，本发明提出一种高安全的压缩机控制系统及其方法，通过设置双CPU控制器的安全控制技术实现更加全面的安全监测。

作为一种优选的实施例，参照图1所示的一种高安全的压缩机控制系统结构示意图，压缩机控制系统安装在压缩机集成橇上的防爆控制柜(就地防爆控制柜具有防爆IIC等级)中，包括主CPU控制器、安全CPU控制器和输出检测模块，主CPU控制器用于控制系统的运行，安全CPU控制器用于对所述主CPU控制器进行异常监测，输出检测模块用于对主CPU控制器的安全控制输出继电器输出状态进行检测。

安全CPU控制器配置有主CPU控制器的基本特征样本库，包括主CPU控制器的工作模式、工艺控制流程、运行参数比对库以及流程步骤状态监测点位库，并且安全CPU控制器还包含有特征值比对分析模块，通过捕获主CPU控制器的数据特征与该基本特征样本库进行特征值比对，从而确定异常情况的位置，并进行相应的处理措施。

此外，为了应对异常情况的发生，本实施例中安全CPU控制器还包含有紧急停机警报模块，即当主CPU控制器出现异常后，立刻进行紧急停机处理，并进行警报提示，警报提示内容包括不限于异常警报位置，异常警报内容。

本实施例提出的一种高安全的压缩机控制系统，通过双CPU控制器的安全控制技术，对压缩机进行了全面的安全监测，通过特征值比对的方法实现了检测精度的提升，并且基于紧急停机处理以及警报提示，能够第一时间保证压缩机的安全，并对于异常状态做出及时的提醒和异常情况说明，以便工作人员第一时间了解到异常情况并做出相应的补救措施或维护措施。

作为一种优选的实施例，如图2所示的程序流程运行出错监测示意图，该压缩机控制系统包括安全控制部分和主控制部分。

安全CPU控制器和主CPU控制器有各自独立的IO模拟量寄存器区，通过设置共享寄存器区将两个控制器的数据进行了共享，两者之间通过串口通讯协议进行通信。其中，安全控制部分的运行程序1和主控制部分运行程序2功能一样。

主控制部分设置有看门狗监测，主要用于监测死机异常，而安全控制部分没有看门狗监测，其原因在于安全控制部分是不允许死机异常的，当主控制部分监测到死机异常时，会将运行程序复位重启。

安全控制部分设置有监测程序，通过特征值模型算法，对主控制部分进行安全监测，当监测到主控制部分程序流程异常进行时，监测程序将系统的控制权通过仲裁机制交接给安全控制部分实现异常保护停机。

本实施例通过建立共享寄存器区将主CPU控制器和安全CPU控制器的数据进行共享交互，极大的节省了数据在传输过程中的数据处理时间，使得安全CPU控制器能够更好的根据接收到的主CPU控制器的数据进行相应的安全监测，更快的得到监测结果，若出现监测异常，也能够第一时间知晓异常情况，从而做出紧急停机处理，并进行报警提示，在针对氢能的安全监测中，处理时间的快慢极大的影响了设备安全隐患的发生率，更快的处理时间能够极大的提高压缩机的安全性。

作为一种优选实施例，结合图3所示的步骤示意图和图4所示的流程示意图。

S11、系统上电初始化主CPU控制器和安全CPU控制器。

在系统上电之前，首先监测各个单元的电气连接，确认电气无异常，进而初始化主CPU控制器和安全CPU控制器。

S12、基于主CPU控制器的工作模式、工艺控制流程、运行参数对比库以及流程步骤状态检测点位库，进行标准特征值初始化，建立基本特征样本库，并将基本特征样本库配置于安全CPU控制器中。

初始化主CPU控制器和安全CPU控制器之后，进行安全CPU控制器配置监测主CPU控制器的工作模式、工艺控制流程、运行参数对比库以及流程步骤状态检测点位库，进行标准特征值初始化，形成基本特征样本库。

S13、对主CPU控制器进行状态检测。

在对主CPU控制器进行状态检测时，需要对主CPU控制器本身的软件和硬件进行状态检测，首先通过通讯端口传输扫描数据，判断软件是否正常运行，再通过硬件端口连接，进行硬件心跳检测，并通过通讯端口反馈心跳状态，判断主CPU控制器硬件和软件是否异常。在此过程中，若出现异常则安全CPU控制器进入控制停机模式进行安全停机，控制各个工艺电动或气动阀门，同时进行报警提示，保证压缩机的安全。

S14、建立安全CPU控制器与主CPU控制器之间的控制仲裁关系，并利用安全CPU控制器对主CPU控制器进行安全监测。

在确定主CPU控制器正常之后，建立安全CPU控制器与主CPU控制器之间的控制仲裁关系，安全CPU控制器进入监测模式，主CPU控制器根据设备运行进入不同的工作模式进行工作，双方根据约定的协议，主CPU控制器向安全CPU控制器发送工作模式、监测数据及控制状态信息，安全CPU控制器将接收到的各种数据信息与配置好的预定模式、流程、运行参数库、状态监测点位库进行捕获特征值对比分析。

具体的，若模式与流程库对比特征值分析出现监测异常，安全CPU控制器主动接过主CPU控制器的控制仲裁权，进入安全停机模式进行紧急安全停机，同时进行报警提示；

若模式与流程库对比捕获特征值对比分析未出现异常，安全CPU控制器读取主CPU控制器的运行参数与运行参数库进行对比监测，若对比监测异常，安全CPU控制器主动接过主CPU控制器的控制仲裁权，进入安全停机模式进行紧急安全停机，同时进行报警提示；

若未出现监测异常，安全CPU控制器读取主CPU控制器的监测控制状态与控制状态监测点位库进行对比捕获特征值监测，若对比监测异常，安全CPU控制器主动接过主CPU控制器的控制仲裁权，进入安全停机模式进行紧急安全停机，同时进行报警提示。

若未出现监测异常，安全CPU控制器通过反馈检测电路获取主CPU控制器的安全控制输出继电器输出状态，若未检测到对应模式的输出状态，安全CPU控制器主动接过主CPU控制器的控制仲裁权，进入安全停机模式进行紧急安全停机，同时进行报警提示。

其中，在进行程序安全监测时，如图5所示，在安全CPU控制器中设置有特征值堆栈，通过监测程序中的特征值模型，分析主控制部分每个程序段的监测数据，如异常变量值、程序段号、异常捕获值、程序段大小等参数。计算出特征值λ，将每段程序的λ值放入堆栈中，进行异常比对。

具体捕获特征值算法为：

设A是n阶方阵，如果存在数m和非零n维列向量x，使得Ax＝λx成立，则称λ是A的一个特征值。

特征多项式：|A-λE|＝0,f(λ)＝|A-λE|，λ为特征值。

针对于压缩机的进气压力P0、排气压力P1、油系统压力P2、油温度T1、冷却水温度T2、电机电流A、控制阀门状态F、压缩机启停状态Q等数据参数。

利用矩阵进行计算特征值λ：如压缩机的进气压力P0,

一般情况下，n取值为5(n值也可以根据压缩机控制工况进行验证取值大小)，计算出压缩机的进气压力P0特征值λ1。

同理可得，排气压力P1、油系统压力P2、油温度T1、冷却水温度T2、电机电流A、控制阀门状态F、压缩机启停状态Q等数据参数特征值λ。

根据以上公式算法特征值形成特征样本，组成特征样本库，

B＝(λ₁、λ₂、λ₃.........λ_n)，

安全CPU控制器根据主CPU控制器数据和压缩机的状态值进行运行中特征值计算，与特征样本库对比分析，如果异常出现异常特征值就进行停机保护。

S15、若监测结果无异常，则压缩机控制系统进入正常停机

在进行输出检测无异常之后，主CPU控制器系统进行正常工作，根据控制模式完成情况，进入正常停机。

本实施例提供了一种高安全的压缩机控制方法，通过系统上电初始化主CPU控制器和安全CPU控制器；基于主CPU控制器的工作模式、工艺控制流程、运行参数对比库以及流程步骤状态检测点位库，进行标准特征值初始化，建立基本特征样本库，并将基本特征样本库配置于所述安全CPU控制器中，对主CPU控制器进行状态检测；建立安全CPU控制器与主CPU控制器之间的控制仲裁关系，并利用安全CPU控制器对主CPU控制器进行安全监测；若监测结果无异常，则压缩机控制系统进入正常停机。首先对主CPU控制器本身的软硬件进行异常检测，确认无异常后，利用安全CPU控制对主CPU控制器的程序运行通过特征值比对的方法进行异常监测，并在监测到异常后立即接管主CPU控制器的控制权，进行紧急安全停机，并报警提示，加强了压缩机的安全监测方法，使其监测范围更加全面，同时能够第一时间知晓异常出现的原因及位置，及时做出补救措施，降低了财产损失，提高了压缩机使用的安全性。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高安全的压缩机控制系统，其特征在于，所述压缩机控制系统安装在压缩机集成撬上的防爆控制柜中，包括主CPU控制器、安全CPU控制器和输出检测模块，所述主CPU控制器用于控制系统的运行，所述安全CPU控制器用于对所述主CPU控制器进行异常监测，所述输出检测模块用于对所述主CPU控制器的安全控制输出继电器输出状态进行检测。

2.根据权利要求1所述的一种高安全的压缩机控制系统，其特征在于，所述安全CPU控制器配置有主CPU控制器的基本特征样本库，所述基本特征样本库包括主CPU控制器的工作模式、工艺控制流程、运行参数比对库以及流程步骤状态监测点位库。

3.根据权利要求2所述的一种高安全的压缩机控制系统，其特征在于，所述安全CPU控制器还包含有特征值比对分析模块，所述特征值比对分析模块用于安全CPU控制器对主CPU控制器监测得到的数据信息与所述基本特征样本库进行特征比对。

4.根据权利要求1所述的一种高安全的压缩机控制系统，其特征在于，所述安全CPU控制器还包含有紧急停机警报模块，所述紧急停机警报模块用于紧急安全停机并进行警报提示。

5.根据权利要求1所述的一种高安全的压缩机控制系统，其特征在于，所述安全CPU控制器拥有独立的第一寄存器单元，所述主CPU控制器拥有独立的第二寄存器单元，且所述第一寄存器单元与所述第二寄存器单元通过共享寄存器单元进行数据共享。

6.根据权利要求1所述的一种高安全的压缩机控制系统，其特征在于，所述主CPU控制器还包含有看门狗监测单元，用于对监测到异常的运行程序进行复位重启。

7.一种高安全的压缩机控制方法，其特征在于，应用于所述一种高安全的压缩机控制系统，包括：

系统上电初始化主CPU控制器和安全CPU控制器；

基于所述主CPU控制器的工作模式、工艺控制流程、运行参数对比库以及流程步骤状态检测点位库，进行标准特征值初始化，建立基本特征样本库，并将所述基本特征样本库配置于所述安全CPU控制器中。

对所述主CPU控制器进行状态检测；

建立所述安全CPU控制器与所述主CPU控制器之间的控制仲裁关系，并利用所述安全CPU控制器对所述主CPU控制器进行安全监测；

若监测结果无异常，则压缩机控制系统进入正常停机。

8.根据权利要求7所述的一种高安全的压缩机控制方法，其特征在于，所述对主CPU控制器进行状态检测，包括：

通过硬件端口连接，进行硬件心跳检测，并通过通讯端口反馈心跳状态，判断主CPU控制器的硬件和软件是否软件是否异常；

若所述主CPU控制器的硬件和软件任一出现异常，则进行紧急安全停机；

若所述主CPU控制器的硬件和软件均没有异常，则执行安全监测。

9.根据权利要求7所述的一种高安全的压缩机控制方法，其特征在于，所述建立所述安全CPU控制器与所述主CPU控制器之间的控制仲裁关系，并利用所述安全CPU控制器对所述主CPU控制器进行安全监测，包括：

所述安全CPU控制器接收所述主CPU控制器发送的数据信息，并将所述数据信息与所述基本特征样本库中的数据信息逐一进行特征值比对分析；

若任一项特征值比对分析结果出现异常，则安全CPU控制器主动接过主CPU控制器的控制仲裁权，进入安全停机模式进行紧急安全停机，并进行报警提示；

其中，所述数据信息包括工作模式信息、工艺控制流程信息、运行参数比对库信息以及流程步骤状态监测点位库信息。

10.根据权利要求9所述一种高安全的压缩机控制方法，其特征在于，所述安全CPU控制器接收所述主CPU控制器发送的数据信息，并将所述数据信息与所述基本特征样本库中的数据信息逐一进行特征值比对分析之后，还包括：

若全部的特征值比对分析结果均无异常，则对继电器输出状态进行安全检测，具体为，

安全CPU控制器通过反馈检测电路获取主CPU控制器的安全控制输出继电器输出状态；

若未检测到对应模式的输出状态异常，则安全CPU控制器主动接过主CPU控制器的控制仲裁权，进入安全停机模式进行紧急安全停机，并进行报警提示。

Images