CN202421819U

CN202421819U - 用于dcs系统的三重冗余模拟量输出模块

Info

Publication number: CN202421819U
Application number: CN2011205455077U
Authority: CN
Inventors: 梁超宇; 李培植
Original assignee: SHANGHAI XINHUA CONTROL TECHNOLOGY (GROUP) Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI XINHUA CONTROL TECHNOLOGY (GROUP) Co Ltd
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2021-12-22

Abstract

本实用新型公开了一种用于DCS系统的三重冗余模拟量输出模块，包括三个相同的输出模块，其中，所述输出模块包括：微处理器，用于与FPGA相连；FPGA，用于与三个独立的控制器分别相连；若干单片机，用于与所述微处理器相连；以及若干数模转换器，用于分别连接到所述单片机上，以输出模拟量；其中，所述微处理器与每个单片机之间均连接有光耦。本实用新型的三重冗余模拟量输出模块通过三重冗余的结构设计，极大的提高了DCS系统的容错能力，使之可以自动识别并排除故障元件，并且在继续完成指定任务的同时，对故障元件进行在线修复而不中断系统操作，从而满足工业现场的各种高级的复杂控制的需求，保证了生产过程的安全稳定运行。

Description

用于DCS系统的三重冗余模拟量输出模块

技术领域

本实用新型涉及一种模拟量输出模块，尤其涉及一种用于DCS系统的三重冗余模拟量输出模块。

背景技术

目前，DCS系统已被广泛应用于电力、石油、化工、钢铁、造纸、水泥、脱硫、除尘、水处理等自动化控制领域中，它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机(Computer)、通讯(Communication)、显示(CRT)和控制(Control)等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。

现有技术中，许多生产装置及机组联锁控制系统通常不采用冗余控制系统。在长周期运行的情况下，很容易导致生产装置停车事故的发生。因此，为了保证系统的长期安全运行，须采用冗余控制系统，在DCS系统中也是如此。

另外，现有技术中，模拟量输出都是采用一块单片机同时控制多个通道输出的模式。由于单片机都是单线程的工作模式，因此在兼顾通讯和检测外部状态的情况下，单片机的工作效率相对较低，模拟量输出响应较慢。

同时，对于模拟量的输出控制，通常有开环控制和闭环控制两种控制策略。如图4所示，开环控制不将输出结果反馈回来以影响当前的控制系统，因而实现起来较为简单，且响应速度快，但控制精度较差。而闭环控制是将输出量直接或间接反馈到输入端，以对当前控制系统进行调整，具体结构如图5所示。由于干扰的存在，系统的实际输出通常在一定程度上偏离期望输出，通过上述闭环控制的方式，可利用负反馈所产生的偏差来调整系统输出，使之恢复到期望输出。因此，闭环控制具有较强的抗干扰能力，且控制精度高。在一些高级复杂的工业控制系统中，采用闭环控制策略成为优选。

实用新型内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种用于DCS系统的三重冗余模拟量输出模块，其通过三重冗余和任务分级的结构设计，有效的提高了模拟量输出模块的容错能力，保证了生产过程持久稳定的运行。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种用于DCS系统的三重冗余模拟量输出模块，包括三个相同的输出模块，其中，所述输出模块包括：微处理器，用于与FPGA相连；FPGA，用于与三个独立的控制器分别相连，即用于与所述微处理器和控制器之间通讯的接口；若干单片机，用于与所述微处理器相连，以实现输出模拟量的闭环控制；以及若干数模转换器，用于分别连接到所述单片机上，以输出模拟量；其中，所述微处理器与每个单片机之间均连接有光耦，以实现信号隔离。

上述的用于DCS系统的三重冗余模拟量输出模块，其中，所述微处理器为32位ARM7的LPC2212。

上述的用于DCS系统的三重冗余模拟量输出模块，其中，所述FPGA为XC3S250E。

上述的用于DCS系统的三重冗余模拟量输出模块，其中，所述单片机为PIC16F687。

上述的用于DCS系统的三重冗余模拟量输出模块，其中，所述单片机的个数为8个。

上述的用于DCS系统的三重冗余模拟量输出模块，其中，所述微处理器采用磁介质隔离芯片。

上述的用于DCS系统的三重冗余模拟量输出模块，其中，所述FPGA上设置有5个串口。

上述的用于DCS系统的三重冗余模拟量输出模块，其中，所述单片机与反馈电路相连，在所述单片机输出端构成闭环控制回路。

上述的用于DCS系统的三重冗余模拟量输出模块，其中，所述数模转换器还与可恢复保险丝和二极管相连。

上述的用于DCS系统的三重冗余模拟量输出模块，其中，所述三重冗余模拟量输出模块还包括看门狗电路，其与所述微处理器相连。

因此，本实用新型的用于DCS系统的三重冗余模拟量输出模块通过三重冗余的结构设计，极大的提高了DCS系统的容错能力，使之可以自动识别并排除故障元件，并且在继续完成指定任务的同时，对故障元件进行在线修复而不中断系统操作，从而满足工业现场的各种高级的复杂控制的需求，保证了生产过程的安全稳定运行。

附图说明

图1是本实用新型的用于DCS系统的三重冗余模拟量输出模块的框架示意图；

图2是本实用新型的用于DCS系统的三重冗余模拟量输出模块中模块冗余的示意图；

图3是本实用新型的用于DCS系统的三重冗余模拟量输出模块中输出量闭环控制的框架示意图；

图4是现有技术中输出量开环控制的框架示意图；

图5是现有技术中输出量闭环控制的框架示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。

本实用新型的用于DCS系统的三重冗余模拟量输出模块是T3000 DCS系统的系统模块之一，其通过三重冗余化的结构与系统配合连接，实现8路相互隔离的模拟量输出，具有很强的容错能力，可适用于各种复杂控制的工业现场。

具体地，如图2所示，本实用新型的用于DCS系统的三重冗余模拟量输出模块采用了三重模块冗余的结构，其包括三个独立的输出模块，其均与系统的三个独立的控制器相连，接收控制器传送的指令和数据，并根据指令分别由指定通道输出模拟量。特别地，每个通道独立地执行控制程序，且三个输出模块间也采用并行工作模式。即任意一个通道的任何一个故障都不会影响到其他7个通道的正常运行，任意一个输出模块内的任何一个故障都不会影响到其他两个输出模块的正常运行。另外，每个通道都会进行转换处理，并同时检测外部输出，最后经过表决之后通过主控卡件通道输出最终输出；且该最终输出还需要同其他两个模块的相应的通道的输出通过一定的仲裁机制进行比较。

对于三个输出模块的输出，采用以下仲裁机制：

a.若三个数据品质全好，则在三者中按设定模式输出；

b.若其中某一个数据品质坏，则关闭品质坏的输出通道，在另外两个数据中按照设定模式输出，并向上报警，降低系统安全级别；

c.若其中某二或三个数据品质坏，则输出保持不变，并向上报警，降低系统安全级别。

因此，通过三重模块冗余和上述仲裁方式，极大的提高了DCS系统的容错能力，使之能够适应高要求的工业生产现场。当一个输出模块故障，甚至两个输出模块故障时，DCS系统会自动诊断出来，并自动切换到另一个输出模块上运行。此时，DCS系统仍然能正常工作，只是安全性有所降低。DCS系统会自动降低安全权限，而不是采取三取二工作方式，其运行状态通过卡件上的发光二极管显示。

具体地，输出模块的具体结构如图1所示。由图可知，该输出模块包括有微处理器，FPGA，以及若干单片机和与单片机一一对应的数模转换器(图中未示出)。其中，微处理器与FPGA相连，FPGA再分别与DCS系统的三个独立的控制器相连，每个单片机再通过光耦连接到微处理器上。最后，单片机的输出端再连接到数模转换器上，得到模拟量输出。该模拟量输出最终输入到主控卡件通道。

本实用新型中，微处理器主要负责与DCS系统控制器之间的通讯，其采用的是32位的ARM7LPC2212芯片，用C语言编程，并通过modbus通讯协议，与8路模拟量输出通道通讯。另外，本实用新型的微处理器采用的是高速磁介质隔离芯片，其可隔离现场设备对其的干扰，保证其正常工作。

本实用新型中的FPGA采用的是Spartan-3E系列中的XC3S250E芯片，并使用Verilog语言编程。在FPGA内部搭建有一个2K的双口RAM，其可读可写，可通过该双口RAM与ARM7进行通讯。由于DCS系统的结构特点，有多组数据需通讯，故在FPGA中设置了五个串口，来实现和上位机的数据交换，以及实现ARM7和系统总线之间的接口。另外，FPGA还需要进行一定的译码工作。

本实用新型中采用的单片机为PIC16F687，其使用C语言编程。单片机的个数为8个，对应于8路模拟量输出通道，用于模拟量的输出。即每个模拟量输出通道的输出工作由单独的一个单片机来完成，从而有效的提高了系统的响应速度。由于8路模拟量输出通道之间相互隔离，在最大限度上减小了通讯链路的路间影响。

另外，在微处理器与单片机之间连接的光耦可对输出电路进行隔离，能有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰，具有响应速度较快、寿命长、体积小、耐冲击等优点。每个通道中的单片机都通过外部24V电压经过DC/DC转换为5V之后单独供电。对于输入的内部24V电压，转换为5V/3.3V/1.8V/1.2V的电压对模块的控制和通讯部分进行供电。

本实用新型中的数模转换器采用的是12位D/A转换芯片DAC7611。单片机接收微处理器的指令后，将数据输出给数模转换器，以输出电压信号。

为了保证输出结果的抗干扰能力和精确度，本实用新型的输出结果采用闭环控制的方式，具体结构如图3所示。对于每一个通道，将单片机与后级的反馈电路相连，从而在单片机的输出端构成了闭环控制回路。具体地，将单片机的输出与输出电压的反馈值进行比较，如果有误差则进行调整，使得最终输出值与期望输出相符。

在本实用新型中，每一个通道都采用MOSFET晶体管为开关，从而可通过组态界面或者上位机指令单独控制各个通道的输出，使整个模拟量输出模块的输出控制更加灵活；同时，在每个通道的输出端都使用了可恢复保险丝和二极管，从而避免了外部浪涌干扰的冲击，保证输出回路安全可靠。

另外，为了保证每个输出模块的正常运行，每个微处理器均连接有看门狗电路，用于防止程序跑飞。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种用于DCS系统的三重冗余模拟量输出模块，其特征在于，包括三个相同的输出模块，其中，所述输出模块包括：

微处理器，用于与FPGA相连；

FPGA，用于与三个独立的控制器分别相连；

若干单片机，用于与所述微处理器相连；

以及若干数模转换器，用于分别连接到所述单片机上，以输出模拟量；

其中，所述微处理器与每个单片机之间均连接有光耦。

2.如权利要求1所述的用于DCS系统的三重冗余模拟量输出模块，其特征在于，所述微处理器为32位ARM7的LPC2212。

3.如权利要求1所述的用于DCS系统的三重冗余模拟量输出模块，其特征在于，所述FPGA为XC3S250E。

4.如权利要求1所述的用于DCS系统的三重冗余模拟量输出模块，其特征在于，所述单片机为PIC16F687。

5.如权利要求1所述的用于DCS系统的三重冗余模拟量输出模块，其特征在于，所述单片机的个数为8个。

6.如权利要求1所述的用于DCS系统的三重冗余模拟量输出模块，其特征在于，所述微处理器采用磁介质隔离芯片。

7.如权利要求1所述的用于DCS系统的三重冗余模拟量输出模块，其特征在于，所述FPGA上设置有5个串口。

8.如权利要求1所述的用于DCS系统的三重冗余模拟量输出模块，其特征在于，所述单片机与反馈电路相连，在所述单片机输出端构成闭环控制回路。

9.如权利要求1所述的用于DCS系统的三重冗余模拟量输出模块，其特征在于，所述数模转换器还与可恢复保险丝和二极管相连。

10.如权利要求1所述的用于DCS系统的三重冗余模拟量输出模块，其特征在于，所述三重冗余模拟量输出模块还包括看门狗电路，其与所述微处理器相连。