CN203786481U - 燃气轮机冗余控制系统模拟量输入模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的燃气轮机冗余控制系统模拟量输入模块，采用三重冗余结构，有效的提高了模拟量输入模块的容错能力，保证了生产过程持久稳定的运行；采用调整放大电路的放大倍数，使得一个固定的通道，通过不同的参数设置，实现对电压、电流以及热电偶TC信号的采集，不必因为信号类型的改变而更换通道，而且保证模拟信号采集的精度，同时也降低了系统配置的成本；进行在线断线检测，识别并屏蔽模拟量输入模块的线路故障，进一步提高可靠性。

Description

燃气轮机冗余控制系统模拟量输入模块

技术领域

本实用新型涉及一种模拟量输入模块，尤其涉及一种用于燃气轮机控制系统的三重冗余模拟量输入模块。

背景技术

目前，分布式控制系统（distributed control systems，简称DCS）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双冗余控制系统。因为许多生产装置是在长周期运行的情况下，由于控制设备本身也会导致生产装置的故障发生。因此，为了保证系统的长期可靠安全运行，须采用更多冗余的控制系统，在DCS系统中也是如此，因此衍生了三重冗余控制系统。

燃气轮机控制系统（Gas Turbine Unit Control System）它是一个完整的三重冗余控制系统，使燃气轮机适应各种运行工况的控制系统。包括燃气轮机转速、负荷、温度控制系统和液压伺服系统，还包括自启停、报警、保护和监视操作等子系统。

在燃气轮机控制系统中，模拟量输入模块主要负责模拟量，如4-20mA电流信号、0-5V电压信号以及热电偶TC信号的采集。

在实际使用中，由于现场情况千差万别，需要采集的模拟信号的类型也各不相同，很可能出现某些类型的采集通道不够用而另一些类型的采集通道空置的情况，在这种情况下，只能增加模拟信号采集模块，从而增加了系统配置的成本。

对于模拟量的采集，如果某些干扰信号或错误被当作有效信号输入到系统内部，参与控制，会造成逻辑错误，酿成事故。

因此本领域技术人员致力于研究可靠性高的模拟量输入模块，以提高燃气轮机控制系统的抗干扰性和可靠性。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型提供一种用于燃气轮机控制系统的模拟量输入模块，通过三重冗余的结构设计，有效的提高了模拟量输入模块的容错能力，保证了生产过程持久稳定的运行。

本实用新型提供的模拟信号采集装置，采用调整放大电路的放大倍数，使得一个固定的通道，通过不同的参数设置，实现对电压、电流以及热电偶TC信号的采集，不必因为信号类型的改变而更换通道，而且保证模拟信号采集的精度，同时也降低了系统配置的成本。

本实用新型提供一种模拟量输入模块，包括三重冗余的多路选择开关、三重冗余的放大电路、三重冗余的模数转换模块、三重冗余的FPGA模块、三重冗余的处理器以及至少一组三重冗余的模拟量输入通道，每组三重冗余的模拟量输入通道用于采集同一模拟量，相应的模拟量输入通道、多路选择开关、放大电路、模数转换模块、FPGA模块和处理器依次连接，模拟量输入模块还包括表决模块，其中

模拟量输入通道用于输入模拟量；

多路选择开关用于选通模拟量输入通道；

放大电路用于放大输入的模拟量；

模数转换模块用于将放大后的模拟量转换为数字量；

FPGA模块用于采集模拟量转换后的数字量；

处理器用于设置模拟量输入通道的输入类型，将FPGA模块采集的模拟量转换的数字量送至表决模块；

表决模块用于对三重冗余的模拟量输入通道采集的模拟量进行表决输出；

模拟量输入通道的输入类型为0-5V电压信号、4-20mA电流信号或热电偶TC信号。

进一步地，放大电路的放大倍数对应于模拟量输入通道的输入类型，以模拟信号的类型对应的放大倍数，对模拟信号进行放大，以保证模拟信号采集的精度。

进一步地，模拟量输入通道被配置为：在模拟量输入通道输入端的负端，偏置设定电压，当模拟量输入通道采集的电压值为0V时，外部接线正常；当模拟量输入通道采集的电压值小于0V时，外部接线为断线状态，模拟量输入通道的工作状态为不正常；处理器将模拟量输入通道的工作状态传送至表决模块。采用这样的结构，可以及时发现外部接线的问题，进一步提高采集模拟量的可靠性。设定电压是指一微小的电压。

进一步地，表决模块被配置为：检查来自三重冗余的模拟量输入通道的模拟量转换的数字量，是否超过限定值，当超过限定值，相应的模拟量输入通道的工作状态为不正常。

限定值是指输入模拟量的合理范围。

进一步地，表决模块被配置为：针对来自三重冗余的模拟量输入通道的模拟量转换的数字量，当一路模拟量输入通道与另外两路模拟量输入通道之间的差值超过设定值，相应的模拟量输入通道的工作状态为不正常；当三路模拟量输入通道之间的差值均超过设定值，三路模拟量输入通道的工作状态均为不正常。

设定值通常是指量程的百分比。

进一步地，表决模块被配置为：根据来自三重冗余的模拟量输入通道的模拟量转换的数字量和工作状态，进行表决输出：

当三重冗余的模拟量输入通道均工作正常时，将三路模拟量输入通道采集的模拟量转换的数字量，进行取平均、中选、高选或者低选处理，输出处理的结果；

当三重冗余的模拟量输入通道中两路工作正常时，将工作正常的两路模拟量输入通道采集的模拟量转换的数字量，进行取平均、高选或者低选处理，输出处理的结果；

当三重冗余的模拟量输入通道中一路工作正常时，输出工作正常的一路模拟量输入通道采集的模拟量转换的数字量，同时发出报警信息；

当三重冗余的模拟量输入通道均工作不正常，维持原状，同时发出报警信息。

进一步地，模拟量输入模块还包括三重冗余的电源模块。

进一步地，模拟量输入通道的输入端设置可恢复保险丝，以避免了外部浪涌干扰的冲击。

与现有技术相比，本实用新型提供的模拟量输入模块具有如下有益效果：

（1）采用三重冗余结构，有效的提高了模拟量输入模块的容错能力，保证了生产过程持久稳定的运行；

（2）采用调整放大电路的放大倍数，使得一个固定的通道，通过不同的参数设置，实现对电压、电流以及热电偶TC信号的采集，不必因为信号类型的改变而更换通道，而且保证模拟信号采集的精度，同时也降低了系统配置的成本；

（3）进行在线断线检测，识别并屏蔽模拟量输入模块的线路故障，进一步提高可靠性。

附图说明

图1是本实用新型的一个实施例中的模拟量输入模块的结构示意图。

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。

如图1所示，本实用新型的一个实施例中的模拟量输入模块，用于燃气轮机控制系统，是燃气轮机控制系统的系统模块之一，采用三重冗余结构，提高模拟量输入模块可靠性，从而提高燃气轮机控制系统的可靠性。

本实用新型提供一种模拟量输入模块，包括三重冗余的多路选择开关、放大电路、模数转换模块、FPGA模块、处理器以及至少一组三重冗余的模拟量输入通道，例如模拟量输入通道1A、模拟量输入通道1B和模拟量输入通道1C为一组三重冗余的模拟量输入通道，模拟量输入通道2A、模拟量输入通道2B和模拟量输入通道2C为另一组三重冗余的模拟量输入通道，每组三重冗余的模拟量输入通道用于采集同一模拟量。

三重冗余的模拟量输入通道可以为一组，模拟量输入模块采集一个模拟量；三重冗余的模拟量输入通道也可以为多组，如图1所示，模拟量输入模块可以采集多个模拟量。

相应的模拟量输入通道、多路选择开关、放大电路、模数转换模块、FPGA模块和处理器依次连接，其中

模拟量输入通道用于输入模拟量；

多路选择开关用于选通模拟量输入通道；

放大电路用于放大输入的模拟量；

模数转换模块用于将放大后的模拟量转换为数字量；模数转换模块用于将放大后的模拟量转换为数字量，采用16位A/D转换芯片ADS8320，该模数转换器能达到500k/s转换速率。

FPGA模块用于采集模拟量转换后的数字量，采用Spartan-3E系列中的XC3S250E芯片，使用Verilog语言编程；在FPGA模块内部搭建有一个2K的双口RAM，其可读可写，可通过该双口RAM与处理器ARM7进行通讯。由于燃气轮机控制系统的结构特点，需要传输多组数据，故在FPGA模块中设置了三个串口，来实现和表决模块的数据交换，以及实现处理器ARM7和系统总线之间的接口。另外，FPGA模块还需要进行一定的译码工作。

模拟量输入模块还包括表决模块，表决模块用于对三重冗余的模拟量输入通道采集的模拟量进行表决输出；

处理器用于设置模拟量输入通道的输入类型，将FPGA模块采集的模拟量转换的数字量送至表决模块；处理器采用32位的ARM7LPC2212芯片，使用C语言编程，本实施例中的处理器采用的是高速磁介质隔离芯片，可以隔离现场设备对其的干扰，保证其正常工作。

模拟量输入通道的输入类型为0-5V电压信号、4-20mA电流信号或热电偶TC信号。

本实施例中的模拟信号采集装置工作过程如下：

现场需要采集两个模拟信号，第一个为0-5V电压信号，第二个为热电偶TC信号。

使用第一组三重冗余的模拟量输入通道1A、1B、1C采集0-5V电压信号；使用第二组三重冗余的模拟量输入通道2A、2B、2C采集热电偶TC信号。

首先由处理器配置模拟量输入通道的输入类型：

处理器A配置模拟量输入通道1A的输入类型为0-5V电压信号，配置模拟量输入通道2A的输入类型为热电偶TC信号，将0-5V电压信号连接到模拟量输入通道1A的输入端，将热电偶TC两端连接到模拟量输入通道2A的输入端；

处理器B配置模拟量输入通道1B的输入类型为0-5V电压信号，配置模拟量输入通道2B的输入类型为热电偶TC信号，将0-5V电压信号连接到模拟量输入通道1B的输入端，将热电偶TC两端连接到模拟量输入通道2B的输入端；

处理器C配置模拟量输入通道1C的输入类型为0-5V电压信号，配置模拟量输入通道2C的输入类型为热电偶TC信号，将0-5V电压信号连接到模拟量输入通道1C的输入端，将热电偶TC两端连接到模拟量输入通道2C的输入端；

由处理器控制对两组输入通道轮流采集：

由控制器A控制对模拟量输入通道1A和2A轮流采集，当采集模拟量输入通道1A时，处理器A根据配置发出控制指令，控制多路选择开关A接通模拟量输入通道1A，控制放大电路A以0-5V电压信号对应的倍数放大，输出到模数转换模块A进行模数转换，经FPGA模块A传送到处理器A；当采集模拟量输入通道2A时，处理器A根据配置发出控制指令，控制多路选择开关A接通模拟量输入通道1A，控制放大电路A以热电偶TC信号对应的倍数放大，输出到模数转换模块A进行模数转换，经FPGA模块A传送到处理器A；处理器A控制再次采集模拟量输入通道1A的模拟信号，然后再次采集模拟量输入通道2A的模拟信号，如此循环。

由控制器B控制对模拟量输入通道1B和2B轮流采集，由控制器C控制对模拟量输入通道1C和2C轮流采集。

如果需要在采集4-20mA电流信号时，首先通过处理器将模拟量输入通道的输入类型配置为4-20mA电流信号，使需采集的电流信号流过250欧姆的电阻，将电阻两端连接到一组三重冗余的模拟量输入通道的输入端，即可进行采集；处理器控制放大电路以4-20mA电流信号对应的倍数放大后，输出到模数转换模块进行模数转换，经FPGA模块传送到处理器。

针对不同的输入类型，采用不同的放大倍数对采集的模拟量进行放大，使得同一个模拟量输入通道可以采集不同类型的模拟量信号，又能够保证采集模拟量的精度。

本实施例中的模拟量输入通道输入端的负端，偏置一微小的设定电压，当模拟量输入通道采集的电压值为0V时，表明外部接线正常；而当模拟量输入通道采集的电压值小于0V为负值时，表明外部接线为断线状态，相应模拟量输入通道的工作状态为不正常；处理器将模拟量输入通道的工作状态传送至表决模块。采用这样的结构，可以及时发现外部接线的问题，进一步提高采集模拟量的可靠性。

表决模块检查来自三重冗余的模拟量输入通道的模拟量转换的数字量，是否超过限定值，当超过限定值，表明相应的模拟量输入通道的工作状态为不正常。

限定值是指输入模拟量的合理范围。

表决模块针对来自三重冗余的模拟量输入通道的模拟量转换的数字量，当一路模拟量输入通道与另外两路模拟量输入通道之间的差值超过设定值，相应的模拟量输入通道的工作状态为不正常；当三路模拟量输入通道之间的差值均超过设定值，三路模拟量输入通道的工作状态均为不正常。

设定值通常是指量程的百分比，本实施例中设定值为量程的15%，也可以根据不同的应用设定。

表决模块根据来自三重冗余的模拟量输入通道的模拟量转换的数字量和工作状态，进行表决输出：

当三重冗余的模拟量输入通道均工作正常时，将三路模拟量输入通道采集的模拟量转换的数字量，进行取平均、中选、高选或者低选处理，输出处理的结果；

当三重冗余的模拟量输入通道中两路工作正常时，将工作正常的两路模拟量输入通道采集的模拟量转换的数字量，进行取平均、高选或者低选处理，输出处理的结果；

当三重冗余的模拟量输入通道中一路工作正常时，输出工作正常的一路模拟量输入通道采集的模拟量转换的数字量，同时发出报警信息；

当三重冗余的模拟量输入通道均工作不正常，维持原状，同时发出报警信息。

维持原状是指保持原先的输出值不变。

本实用新型提供的模拟量输入模块，还包括三重冗余的电源模块。

本实用新型提供的模拟量输入通道的输入端设置可恢复保险丝，以避免了外部浪涌干扰的冲击。

采用光耦对输入电路进行隔离，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。

本实用新型提供的模拟量输入模块，采用三重冗余结构，有效的提高了模拟量输入模块的容错能力，保证了生产过程持久稳定的运行；采用调整放大电路的放大倍数，使得一个固定的通道，通过不同的参数设置，实现对电压、电流以及热电偶TC信号的采集，不必因为信号类型的改变而更换通道，而且保证模拟信号采集的精度，同时也降低了系统配置的成本；进行在线断线检测，识别并屏蔽模拟量输入模块的线路故障，进一步提高可靠性。

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做出诸多修改和变化。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 (4)

1.一种模拟量输入模块，其特征在于，所述模拟量输入模块包括三重冗余的多路选择开关、三重冗余的放大电路、三重冗余的模数转换模块、三重冗余的FPGA模块、三重冗余的处理器以及至少一组三重冗余的模拟量输入通道，每组所述三重冗余的模拟量输入通道用于采集同一模拟量，相应的所述模拟量输入通道、所述多路选择开关、所述放大电路、所述模数转换模块、所述FPGA模块和所述处理器依次连接，所述模拟量输入模块还包括表决模块，其中 

所述模拟量输入通道用于输入所述模拟量； 

所述多路选择开关用于选通所述模拟量输入通道； 

所述放大电路用于放大输入的所述模拟量； 

所述模数转换模块用于将放大后的所述模拟量转换为数字量； 

所述FPGA模块用于采集所述模拟量转换后的数字量； 

所述处理器用于设置所述模拟量输入通道的输入类型，将所述FPGA模块采集的所述模拟量转换的数字量送至所述表决模块； 

所述表决模块用于对所述三重冗余的模拟量输入通道采集的所述模拟量进行表决输出； 

所述模拟量输入通道的输入类型为0-5V电压信号、4-20mA电流信号或热电偶TC信号。 

2.如权利要求1所述的模拟量输入模块，其特征在于，所述放大电路的放大倍数对应于所述模拟量输入通道的输入类型。 

3.如权利要求1所述的模拟量输入模块，其特征在于，所述模拟量输入模块还包括三重冗余的电源模块。 

4.如权利要求1所述的模拟量输入模块，其特征在于，所述模拟量输入通道的输入端设置可恢复保险丝，以避免了外部浪涌干扰的冲击。