CN210666477U - 一种具有电源故障诊断功能的dcs系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有电源故障诊断功能的DCS系统，在每一个电源模块上设置电源诊断模块，用于检测相应的一个电源模块参数，并判断各电源模块状态，根据检测电源参数，控制中心对各电源模块进行诊断与预警，及时掌握每个电源模块的实时情况，实现的对电源模块的实时监测。

Description

一种具有电源故障诊断功能的DCS系统

技术领域

本实用新型涉及工业自动化控制技术领域，尤其是涉及一种具有电源故障诊断功能的DCS系统。

背景技术

目前，DCS系统在各行各业已经普及, 如制药、水处理、石化行业，DCS系统上电源作为整个DCS控制系统的核心,电源质量的好坏直接影响着整套DCS系统的稳定运行,传统DCS电源一般作为一个独立的个体参与DCS系统的供电, 一般采用热备冗余的方式对整个DCS系统进行供电，主电源在供电的同时，热备电源处于热备状态，当主电源出现故障时，热备电源可以在最小控制周期内切换成主电源。但是该传统方法，无法实现对整个DCS系统中各个节点的电源质量进行评估，更不能对一些节点上隐匿的潜在故障做出提前预警，提前让维护人员知道整套系统电源网络存在的隐患。

具体地，一些DCS系统电源冗余采用2个电源通过二极管并联输出的方式，无法分布式的对每个被供电的电源节点进行监控，该分布式电源诊断方法采用了独立的工业总线技术，同时需要MCU参与诊断，很难在原有的基础上进行改造。

因此，如何实现对DCS系统上电源的检测，实时获得电源的状态，是目前亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种具有电源故障诊断功能的DCS系统，在每一个电源模块上设置电源诊断模块，用于检测相应的一个电源模块参数，并判断各电源模块状态，根据参数，控制中心对各电源模块进行诊断与预警，及时掌握每个电源模块的实时情况，实现的对电源模块的实时监测。

本实用新型的上述实用新型目的通过以下技术方案得以实现：

一种具有电源故障诊断功能的DCS系统，DCS系统包括至少一个电源模块、控制中心，各电源模块通过总线与控制中心电连接，还包括与电源模块数量相同的电源诊断模块，在各电源模块与控制中心之间分别设置电源诊断模块，每一电源诊断模块用于检测相应的一个电源模块参数，并判断各电源模块状态，通过总线将检测到的各电源模块参数、状态、地址传输到控制中心，控制中心对各电源模块进行诊断与预警。

本实用新型进一步设置为：电源诊断模块包括中央处理器、供电电压监控单元、供电电流监控单元、峰值电压监控单元、峰值电流I/V转换电路、热损耗监测单元、纹波小信号检波电路、脉宽频率检测电路、输入输出电源功耗监控电路、SPI通讯接口电路，中央处理器分别与供电电压监控单元、供电电流监控单元、峰值电压监控单元、峰值电流I/V转换电路、热损耗监测单元、纹波小信号检波电路、脉宽频率检测电路、输入输出电源功耗监控电路、SPI通讯接口电路连接，各电路分别实现对电源一个性能参数的监测。

本实用新型进一步设置为：供电电压监控单元，包括分压电路、跟随电路，用于对供电电压进行降压后利用跟随电路进行阻抗隔离，然后输入到中央处理器中。

本实用新型进一步设置为：供电电流监控单元包括采样电路、放大电路、电压偏置电路，采样电路用于采样供电电流的大小，放大电路用于将采样到的电流信号进行放大，电压偏置电路用于对放大后的电流信号进行偏置，并将偏置信号传输给中央控制器。

本实用新型进一步设置为：脉宽频率检频电路包括隔离电路，用于将供电电源的PWM信号进行隔离后传输给中央控制器。

本实用新型进一步设置为：热损耗监测单元包括采样电路、滤波电路、电压跟随电路，采样电路用于采集电源模块的温度，滤波电路用于对检测到的温度值进行滤波，电压跟随电路用于实现检测电路与中央控制器之间的阻抗隔离。

本实用新型进一步设置为：纹波小信号检波电路包括信号衰减电路、隔离电路、放大电路、AD转换电路，隔离电路的输入连接信号衰减电路，其输出连接放大电路，放大电路的输出连接AD转换电路，信号衰减电路将检测信号进行缩小，经过隔离电路阻止直流信号通过交流信号后，传输给放大电路进行放大，最后将放大后的模拟量数据转换为数字量数据，再传输给控制中心。

本实用新型进一步设置为：峰值电压监控单元包括分压电路、第一最大值采样记录电路，第一最大值采样记录电路包括二级跟随电路，在二级跟随电路之间设置有电压存储电路，将经过分压电路后的输入电压信号，经过第一级跟随电路后，传输到电压存储电路中进行存储，当输入电压信号增大时，电压存储电路中对增大的电压值进行存储，当输入电压信号减小时，电压存储电路保存输入电压信号的最大值，第二级跟随电路进行阻抗隔离，将存储的输入电压信号最大值传输给控制中心。

本实用新型进一步设置为：峰值电流I/V转换电路包括依次连接的差分电路、放大电路、最大值采样记录电路，差分电路将采样到的电压值转换为电流值，经过放大电路放大后，再经过最大值采样记录电路采样峰值电流值，并传输给控制中心。

本实用新型进一步设置为：SPI通讯接口电路包括四路，分别通过电阻与控制中心的SPI接口连接，电阻用于限流与解耦，SPI通讯接口电路用于与外部模块集成。

与现有技术相比，本申请的有益技术效果为：

1、本申请通过在每个电源模块上设置电源参数诊断模块，对每个电源模块的参数进行检测，及时掌握每个电源模块的实时情况，实现的对电源模块的实时监测；

2、进一步地，本申请对不同的电源参数分别独立检测，可根据情况设置检测参数，实现对电源模块的相应检测；

3、进一步地，诊断与预警软件综合控制站及电源诊断模块的各类信息，实现了对系统的全面诊断。

附图说明

图1是本申请的一个具体实施例的DCS系统结构示意图；

图2是本申请的一个具体实施例的供电电压监控结构示意图；

图3、4是本申请的一个具体实施例的供电电流监控电路结构示意图；

图5是本申请的一个具体实施例的脉宽频率检频电路结构示意图；

图6是本申请的一个具体实施例的热损耗监测单元结构示意图；

图7是本申请的一个具体实施例的最大值采样记录电路结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

本实用新型的一种具有电源故障诊断功能的DCS系统，如图1所示，DCS系统包括至少一个主站(MN)节点、至少一个从站（CN）节点，每个主站下配备有多个从站，每个节点包括一个电源模块、电源诊断模块，每个电源模块作为整个DCS系统下的从站（CN）节点，具有唯一的ID。各电源模块通过总线与控制中心电连接，在各电源模块与控制中心之间分别设置电源诊断模块，每一个电源诊断模块用于检测相应的一个电源模块参数，根据检测结果判断各电源模块的状态，通过总线将检测到的各电源模块参数、状态、地址传输到控制中心，控制中心通过诊断与预警软件对各电源模块进行诊断与预警。

在本申请的一个具体实施例中，电源诊断模块检测的参数包括：输入功率、输入电压、输入电流、峰值电压、峰值电流、纹波峰值、Buck控制器开关频率、电源转换效率、热损耗的检测与分析。

在本申请的一个具体实施例中，电源诊断模块包括中央处理器、供电电压监控单元、供电电流监控单元、峰值电压监控单元、峰值电流I/V转换电路、热损耗监测单元、纹波小信号检波电路、脉宽频率检测电路、输入输出电源功耗监控电路、SPI通讯接口电路，中央处理器分别与供电电压监控单元、供电电流监控单元、峰值电压监控单元、峰值电流I/V转换电路、热损耗监测单元、纹波小信号检波电路、脉宽频率检测电路、输入输出电源功耗监控电路、SPI通讯接口电路连接，各单元电路分别实现对电源一个性能参数的监测。

中央处理器与控制中心通过SPI、UART、CAN接口中的至少一种实现通讯。

在本申请的一个具体实施例中，供电电压监控单元包括分压电路、跟随电路，用于对供电电压进行降压后利用跟随电路进行阻抗隔离，然后输入到中央处理器中。

具体地，供电电压监控单元，如图2所示，其中，Vin表示输入电压的采样值，经过电阻R207、R219分压之后，将Vin输入电压分压到单片机内部ADC可接受的电压范围内。DZ200用于稳压。L302、C329，R304以及C331构成二级低通滤波器，用于对检测到的采样电压进行滤波，运算放大器U306A组成电压跟随电路，用于增加输入阻抗，形成ADC_V电压，此电压直接进入到中央处理器ADC口，进行ADC采样。

在本申请的一个具体实施例中，供电电流监控单元包括采样电路、放大电路、电压偏置电路，采样电路用于采样供电电流的大小，放大电路用于将采样到的电流信号进行放大，电压偏置电路用于对放大后的电流信号进行偏置，并将偏置信号传输给中央控制器。

具体地，供电电流监控单元，即I/V转换电路，如图3所示，取样电阻RT串联到Vin输入供电电源的主回路中，VB、VD取样网络为RT取样电阻两端的电压，由U305A、U305B、U306B构成的仪器用放大电路，其两个输入端阻抗平衡并且阻值很高，且输入偏置电流比较低。

为了尽可能的保证将整个测量范围内的电压值，取电压值在ADC采样基准的0.5倍～1倍之间，如图4所示，增加了由R325、R328、R332组成一个电压偏置电路，其输出电压为输入到单片机ADC采集口的采样电压。

在本申请的一个具体实施例中，脉宽频率检频电路包括隔离电路，用于将供电电源的PWM信号进行隔离后传输给中央控制器。

具体地，如图5所示，隔离电路包括逻辑门电路。

在本申请的一个具体实施例中，热损耗监测单元包括采样电路、滤波电路、电压跟随电路，采样电路用于采集电源模块的温度，滤波电路用于对检测到的温度值进行滤波，电压跟随电路用于实现检测电路与中央控制器之间的阻抗隔离。

具体地，热损耗监测单元，如图6所示，Rtemp为取样电阻，与电阻R4组成分压电路，对电压VCC进行分压，得到采样电压，电感L1、电容C1、电感R1、电容C2构成二级低通滤波器，DZ用于稳压，用于将Rtemp的电压值稳定在一个范围内。U3A则进行电压跟随，增加ADC输入口的输入阻抗。最终获得的电压为Temp_check，该电压进入到单片机的ADC采样口进行ADC采样。通过ADC采样值，最终获得温度值，通过温度值，以及输入功率和输出功率，进行建模，从而获得热损耗。

在本申请的一个具体实施例中，纹波小信号检波电路包括信号衰减电路、隔离电路、放大电路、AD转换电路，隔离电路的输入连接信号衰减电路，其输出连接放大电路，放大电路的输出连接AD转换电路，信号衰减电路将检测信号进行缩小，经过隔离电路阻止直流信号通过交流信号后，传输给放大电路进行放大，最后将放大后的模拟量数据转换为数字量数据，再传输给控制中心。

具体地，隔离电路包括电容，AD转换电路包括AD转换芯片。

在本申请的一个具体实施例中，峰值电压监控单元包括分压电路、第一最大值采样记录电路，第一最大值采样记录电路包括二级跟随电路，在二级跟随电路之间设置有电压存储电路，将经过分压电路后的输入电压信号，经过第一级跟随电路后，传输到电压存储电路中进行存储，当输入电压信号增大时，电压存储电路中对增大的电压值进行存储，当输入电压信号减小时，电压存储电路保存输入电压信号的最大值，第二级跟随电路进行阻抗隔离，将存储的输入电压信号最大值传输给控制中心。

具体地，如图7所示，第一最大值采样记录电路包括放大器U3A、U3B、二极管D1、D2、电容C5，放大器U3B作为一级跟随电路对采样分压后的采样值进行跟随，经过由二极管D2、电容C5组成的电压存储电路后，将采样值进行存储，因二极管D2的存在，当输入采样值增加时，电容C5上的值增加，当输入采样值减小时，电容C5上的值保持最大值不变，再经过二级跟随电路，将电容C5上的最大值传输给控制中心。

在本申请的一个具体实施例中，峰值电流I/V转换电路包括依次连接的差分电路、放大电路、最大值采样记录电路，差分电路将采样到的电压值转换为电流值，经过放大电路放大后，再经过最大值采样记录电路采样峰值电流值，并传输给控制中心。

具体地，放大电路采用仪器放大电路，提高放大的精确度。

在本申请的一个具体实施例中， SPI通讯接口电路包括四路，分别通过电阻与控制中心的SPI接口连接，电阻用于限流与解耦，SPI通讯接口电路用于与外部模块集成。

本具体实施方式的实施例均为本实用新型的较佳实施例，并非依此限制本实用新型的保护范围，故：凡依本实用新型的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有电源故障诊断功能的DCS系统，DCS系统包括至少一个电源模块、控制中心，各电源模块通过总线与控制中心电连接，其特征在于：还包括与电源模块数量相同的电源诊断模块，在各电源模块与控制中心之间分别设置电源诊断模块，每一电源诊断模块用于检测相应的一个电源模块参数，并判断各电源模块状态，通过总线将检测到的各电源模块参数、状态、地址传输到控制中心，控制中心对各电源模块进行诊断与预警。

2.根据权利要求1所述的具有电源故障诊断功能的DCS系统，其特征在于：电源诊断模块包括中央处理器、供电电压监控单元、供电电流监控单元、峰值电压监控单元、峰值电流I/V转换电路、热损耗监测单元、纹波小信号检波电路、脉宽频率检测电路、输入输出电源功耗监控电路、SPI通讯接口电路，中央处理器分别与供电电压监控单元、供电电流监控单元、峰值电压监控单元、峰值电流I/V转换电路、热损耗监测单元、纹波小信号检波电路、脉宽频率检测电路、输入输出电源功耗监控电路、SPI通讯接口电路连接，各电路分别实现对电源一个性能参数的监测。

3.根据权利要求2所述的具有电源故障诊断功能的DCS系统，其特征在于：供电电压监控单元，包括分压电路、跟随电路，用于对供电电压进行降压后利用跟随电路进行阻抗隔离，然后输入到中央处理器中。

4.根据权利要求2所述的具有电源故障诊断功能的DCS系统，其特征在于：供电电流监控单元包括采样电路、放大电路、电压偏置电路，采样电路用于采样供电电流的大小，放大电路用于将采样到的电流信号进行放大，电压偏置电路用于对放大后的电流信号进行偏置，并将偏置信号传输给中央控制器。

5.根据权利要求2所述的具有电源故障诊断功能的DCS系统，其特征在于：脉宽频率检频电路包括隔离电路，用于将供电电源的PWM信号进行隔离后传输给中央控制器。

6.根据权利要求2所述的具有电源故障诊断功能的DCS系统，其特征在于：热损耗监测单元包括采样电路、滤波电路、电压跟随电路，采样电路用于采集电源模块的温度，滤波电路用于对检测到的温度值进行滤波，电压跟随电路用于实现检测电路与中央控制器之间的阻抗隔离。

7.根据权利要求2所述的具有电源故障诊断功能的DCS系统，其特征在于：纹波小信号检波电路包括信号衰减电路、隔离电路、放大电路、AD转换电路，隔离电路的输入连接信号衰减电路，其输出连接放大电路，放大电路的输出连接AD转换电路，信号衰减电路将检测信号进行缩小，经过隔离电路阻止直流信号通过交流信号后，传输给放大电路进行放大，最后将放大后的模拟量数据转换为数字量数据，再传输给控制中心。

8.根据权利要求2所述的具有电源故障诊断功能的DCS系统，其特征在于：峰值电压监控单元包括分压电路、第一最大值采样记录电路，第一最大值采样记录电路包括二级跟随电路，在二级跟随电路之间设置有电压存储电路，将经过分压电路后的输入电压信号，经过第一级跟随电路后，传输到电压存储电路中进行存储，当输入电压信号增大时，电压存储电路中对增大的电压值进行存储，当输入电压信号减小时，电压存储电路保存输入电压信号的最大值，第二级跟随电路进行阻抗隔离，将存储的输入电压信号最大值传输给控制中心。

9.根据权利要求2所述的具有电源故障诊断功能的DCS系统，其特征在于：峰值电流I/V转换电路包括依次连接的差分电路、放大电路、最大值采样记录电路，差分电路将采样到的电压值转换为电流值，经过放大电路放大后，再经过最大值采样记录电路采样峰值电流值，并传输给控制中心。

10.根据权利要求2所述的具有电源故障诊断功能的DCS系统，其特征在于：SPI通讯接口电路包括四路，分别通过电阻与控制中心的SPI接口连接，电阻用于限流与解耦，SPI通讯接口电路用于与外部模块集成。

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