CN215526449U - 一种io开关量故障诊断系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种IO开关量故障诊断系统，包括：IO输入输出模块、开关量输出模块、开关量输入模块、IO开关量自诊断模块。IO输入输出信号经过开关量输入、输出模块的调理，在维持原有正常的开关量输入输出控制的基础上，将采集到的原始开关量数据输入IO开关量自诊断模块，进行算法逻辑处理，获取IO开关量的工作状态，实现开关量故障诊断的功能，从而大幅提升现场故障诊断效率，降低故障诊断人力物力成本。

Description

一种IO开关量故障诊断系统

技术领域

本实用新型涉及故障诊断领域，具体涉及一种IO开关量故障诊断系统。

技术背景

IO输入输出是信息处理系统中一种非常常见且非常重要的数据通讯方式，广泛应用在各行各业。当IO输入输出模块在现场应用出现故障时，需要有丰富经验的工程师到现场进行故障检查和定位，而往往会因为系统复杂、涉及地故障点较为广泛等原因，很难在短时间内进行系统故障诊断，从而在实际应用场景中会消耗大量人力物力成本。

实用新型内容

本实用新型提供一种IO开关量故障诊断系统，用以解决现有技术中IO 输入输出模块出现故障时无法短时间内自动化诊断，导致人力物力成本消耗大的问题。

一种IO开关量故障诊断系统，包括：IO输入输出模块、开关量输出模块、开关量输入模块、IO开关量自诊断模块；

所述IO输入输出模块的IO输入端连接所述开关量输入模块的IO信号输出端，所述IO输入输出模块的IO输出端连接所述开关量输出模块的IO信号输入端；

所述开关量输入模块的开关量输出端连接所述IO开关量自诊断模块的第一诊断输入端；

所述开关量输出模块的开关量输出端连接所述IO开关量自诊断模块的第二诊断输入端。

可选的，所述开关量输出模块包括：第一光耦隔离单元、继电器控制单元、第一外部接口；

所述第一光耦隔离单元的输入端作为所述开关量输出模块的IO信号输入端，所述第一光耦隔离单元的输出端连接所述继电器控制单元的输入端，所述继电器控制单元的第一输出端连接所述第一外部接口，所述继电器控制单元的第二输出端作为所述开关量输出模块的开关量输出端连接所述IO开关量自诊断模块的第二诊断输入端。

可选的，所述开关量输入模块包括：电平转换单元、第二光耦隔离单元、第二外部接口；

所述第二外部接口的输出端连接所述第二光耦隔离单元的输入端，所述第二光耦隔离单元的第一输出端连接所述电平转换单元的输入端，所述第二光耦隔离单元的第二输出端作为所述开关量输入模块的开关量输出端连接所述IO开关量自诊断模块的第一诊断输入端，所述电平转换单元的输出端作为所述开关量输入模块的IO信号输出端。

可选的，所述IO开关量自诊断模块包括第一电流诊断单元、第一电压诊断单元、第二电流诊断单元、第二电压诊断单元及自诊断主控单元；

所述第一电流诊断单元、第一电压诊断单元的输入端均与IO开关量自诊断模块的第二诊断输入端连接，所述第一电流诊断单元、第一电压诊断单元的输出端均与所述自诊断主控单元的输入端连接；

所述第二电流诊断单元、第二电压诊断单元的输入端均与IO开关量自诊断模块的第一诊断输入端连接，所述第二电流诊断单元、第二电压诊断单元的输出端均与所述自诊断主控单元的输入端连接。

可选的，所述第一电流诊断单元包括如下电路构成：依次连接的第一电流转电压电路、第一分压电路、第一电压采样电路，所述第一电流转电压电路的输入端作为所述第一电流诊断单元的输入端，所述第一电压采样电路的输出端作为所述第一电流诊断单元的输出端。

可选的，所述第二电流诊断单元包括如下电路构成：依次连接的第二电流转电压电路、第二分压电路、第二电压采样电路，所述第二电流转电压电路的输入端作为所述第二电流诊断单元的输入端，所述第二电压采样电路的输出端作为所述第二电流诊断单元的输出端。

可选的，所述第一电压诊断单元包括如下电路构成：依次连接的第三分压电路和第三电压采样电路，所述第三分压电路的输入端作为所述第一电压诊断单元的输入端，所述第三电压采样电路的输出端作为所述第一电压诊断单元的输出端。

可选的，所述第二电压诊断单元包括如下电路构成：依次连接的第四分压电路和第四电压采样电路，所述第四分压电路的输入端作为所述第二电压诊断单元的输入端，所述第四电压采样电路的输出端作为所述第二电压诊断单元的输出端。

可选的，所述自诊断主控单元包括微处理器，所述微处理器用于对所述第一电流诊断单元、第一电压诊断单元、第二电流诊断单元、第二电压诊断单元的输出信号进行采样分析，输出IO开关量诊断结果。

本实用新型提供一种IO开关量故障诊断系统，IO输入输出信号经过开关量输入、输出模块的调理，在维持原有正常的开关量输入输出控制的基础上，将采集到的原始开关量数据输入IO开关量自诊断模块，进行算法逻辑处理，获取IO开关量的工作状态，实现开关量故障诊断的功能，从而大幅提升现场故障诊断效率，降低故障诊断人力物力成本。

附图说明

图1为本实用新型实施例IO开关量故障诊断系统结构示意图

图2为本实用新型实施例开关量输出模块结构示意图

图3为本实用新型实施例开关量输入模块结构示意图

图4为本实用新型实施例自诊断模块结构示意图

图5为本实用新型实施例第一电流诊断单元结构示意图

图6为本实用新型实施例第二电流诊断单元结构示意图

图7为本实用新型实施例第一电压诊断单元结构示意图

图8为本实用新型实施例第二电压诊断单元结构示意图

图9为本实用新型实施例一种电流、电压诊断单元电路图

附图标记说明：

10、IO输入输出模块；20、开关量输出模块；21、第一光耦隔离单元； 22、继电器控制单元；23、第一外部接口；30、开关量输入模块；31、电平转换单元；32、第二光耦隔离单元；33、第二外部接口；40、IO开关量自诊断模块；41、第一电流诊断单元；42、第一电压诊断单元；43、第二电流诊断单元；44、第二电压诊断单元；45、自诊断主控单元；411、第一电流转电压电路；412、第一分压电路；413、第一电压采样电路；421、第三分压电路； 422、第三电压采样电路；431、第二电流转电压电路；432、第二分压电路； 433、第二电压采样电路；441、第四分压电路；442、第四电压采样电路。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在IO输入输出模块的实际应用场景中，会出现由于IO故障导致的关键外设停止运行或出现异常状况的现象，由此可见IO输入输出的故障自诊断功能就显得尤为重要。

本实用新型提出一种IO输入输出的故障诊断系统，包括IO输入输出模块10、开关量输出模块20、开关量输入模块30和IO开关量自诊断模块40 四部分，系统结构如图1所示。

IO输入输出模块10包括但不限于工控机、车道控制器等，主要功能在于提供IO输出信号和接收IO输入信号，其中，车道控制机可以说是整个收费系统的大脑，负责收集信息、发出指令，协调所有设备运转，只有它工作正常其他设备才能完好的协同工作,其是整个收费系统中最重要的设备，因此其是否能够正常的输入输出IO信号尤为重要。

开关量输入模块30用于获取外部设备的开关量状态信息分别传输到IO 输入输出模块10以及IO开关量自诊断模块40。开关量是指非连续性信号的采集和输出，包括遥控采集和遥控输出，它有1和0两种状态，这是数字电路中的开关性质，而电力上是指电路的开和关或者说是触点的接通和断开，“开”和“关”是电器最基本、最典型的功能，一般开关量装置通过内部继电器实现开关量的输出。

开关量输出模块20用于将从IO输入输出模块10获取的IO输出信号作为开关量控制信息输出到外部设备进行开关控制以及输出到IO开关量自诊断模块40；

IO开关量自诊断模块40用于获取开关量输入模块30输出的开关量状态信息以及开关量输出模块20输出的开关量控制信息进行开关量诊断，需要说明的是IO开关量自诊断模块40可以采用常规的现有诊断算法对获取的开关量状态信息或者开关量控制信息进行诊断，本实用新型对此不做具体限定，本方案的核心在于系统架构的设计，而非采用的计算机软件程序及相关算法。

本实用新型实施例公开的IO开关量故障诊断系统，IO输入输出信号经过开关量输入、输出模块的调理，在维持原有正常的开关量输入输出控制的基础上，将采集到的原始开关量数据输入IO开关量自诊断模块，进行算法逻辑处理，获取IO开关量的工作状态，实现开关量故障诊断的功能，从而大幅提升现场故障诊断效率，降低故障诊断人力物力成本。

如图2，开关量输出模块20包括第一光耦隔离单元21、继电器控制单元 22和第一外部接口23三部分。光耦隔离就是采用光耦合器进行隔离，光耦合器的结构相当于把发光二极管和光敏三极管封装在一起，光耦隔离电路使被隔离的两部分电路之间没有电的直接连接，主要是防止因有电的连接而引起的干扰，特别是低压的控制电路与外部高压电路之间。IO输出信号从IO输入输出模块10输出之后经过第一光耦隔离单元21，其功能是将光耦原边和副边进行隔离，起到保护IO输出引脚的作用。继电器控制单元22可以由继电器和驱动三极管组成，当IO输出信号为高电平时，驱动三极管导通，给继电器供电，控制继电器吸合，使第一外部接口23导通，输出的开关量状态为开。当IO输入信号为低电平时，驱动三极管截止，继电器不通电，输出的开关量状态为关。同时将继电器控制单元22的开关量输出信号接入IO开关量自诊断模块40。第一外部接口23用于控制交通信号灯或栏杆机等设备。

如图3所示，开关量输入模块30包括第二光耦隔离单元32、电平转换单元31和第二外部接口33三部分。通过第二外部口33可以获取外部设备的开关量输入信号，开关量输入信号通过第二外部接口33引入到第二光耦隔离单元32，其功能是将光耦原边和副边进行隔离，起到保护IO输出引脚的作用。隔离后的信号一分为二，一路用于正常的开关量输入，由于外部电平一般高于IO输入输出模块10的电平，故需要引入电平转换单元31，使电平匹配。最终输入到IO输入输出模块10，构成完整的开关量输入回路。另一路开关量输入信号接入IO开关量自诊断模块40。

如图4所示，IO开关量自诊断模块40包括第一电流诊断单元41、第一电压诊断单元42、第二电流诊断单元43、第二电压诊断单元44和自诊断主控单元45五部分。

参考图，5-8所示，第一电压诊断单元42包含有依次连接的第三分压电路421和第三电压采样电路422；第二电压诊断单元44包含有依次连接的第四分压电路441和第四电压采样电路442；第一电流诊断单元41包含有依次连接的第一电流转电压电路411、第一分压电路412和第一电压采样电路413；第二电流诊断单元43包含有依次连接的第二电流转电压电路431、第二分压电路432和第二电压采样电路433。

如图9所示，第一电压诊断单元42和第二电压诊断单元44可以采用相同的电路结构，第三分压电路421及第四分压电路441均由R1、R2和R3三个电阻构成，第三电压采样电路422及第四电压采样电路442均由运算放大器U3组成。当然，第一电压诊断单元42和第二电压诊断单元44也可以采用不同的电路结构，此处不做具体限定。此外还可以包含由稳压二极管D2构成的稳压电路。具体工作原理为：在继电器吸合的回路上引出一点，通过R1、 R2和R3三个电阻进行分压，从而将电压信号接入运算放大器U3组成的电压采样电路，进行AD采样，将采集结果反馈给自诊断主控单元45。其中D2 为稳压二极管，将输入电压限制在阈值电压以下，用于保护运算放大器U3的正端输入引脚。当IO输出信号为高电平时，AD采样结果为高电平。当IO输出信号为低电平时，AD采样结果为低电平。从而达到获取该路IO输出的导通状态。

继续参考图9，第一电流诊断单元41和第二电流诊断单元43可以采用相同的电路结构，第一电流转电压电路411及第二电流转电压电路431均包括 R1及霍尔电流传感器U2，第一分压电路412及第二分压电路432均由R4及 R5组成，第一电压采样电路413及第二电压采样电路433均由运算放大器 U1电路构成，当然，第一电流诊断单元41和第二电流诊断单元43也可以采用不同的电路结构，此处不做具体限定。此外还可以包括由稳压二极管D1构成的稳压电路。具体工作原理为：在继电器吸合的回路上串入一个采样电阻 R1，将霍尔电流传感器U2的RS+和RS-引脚接在采样电阻R1两端，采集流过采样电阻R1的电流值，转化为电压输出。其中D1为稳压二极管，将输入电压限制在阈值电压以下，用于保护运算放大器U1的正端输入引脚。霍尔电流传感器U2的电压输出结果经过R4、R5进行分压，接入运算放大器U1构成的电压采样电路，进行AD采样，获取该点电流值，将结果反馈给自诊断主控单元45，从而获得该路IO输出的电流状况，进而更为精准的监控该路IO 输出的工作状态。

自诊断主控单元45内部集成微处理器，可将第一电流诊断单元41、第一电压诊断单元42、第二电流诊断单元43、第二电压诊断单元44采集到的AD 采样结果进行分析，电流信息可用于跟踪开关量输入或开关量输出回路的运行状态，若电流值明显高于平均水平后可触发预警信号，考虑外接设备的短路或负载功耗过大。电压信息可用于判断开关量输入或开关量输出回路是否存在断路现象。

基于上述IO输入输出模块10、开关量输出模块20、开关量输入模块30 和IO开关量自诊断模块40的相互配合协作，可以使设备自动化的诊断出IO 输入输出信号的故障情况。可大幅提高故障定位的准确性及效率，降低人力物力成本。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参阅前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种IO开关量故障诊断系统，其特征在于，包括：IO输入输出模块、开关量输出模块、开关量输入模块、IO开关量自诊断模块；

所述IO输入输出模块的IO输入端连接所述开关量输入模块的IO信号输出端，所述IO输入输出模块的IO输出端连接所述开关量输出模块的IO信号输入端；

所述开关量输入模块的开关量输出端连接所述IO开关量自诊断模块的第一诊断输入端；

所述开关量输出模块的开关量输出端连接所述IO开关量自诊断模块的第二诊断输入端。

2.根据权利要求1所述的诊断系统，其特征在于，所述开关量输出模块包括：第一光耦隔离单元、继电器控制单元、第一外部接口；

所述第一光耦隔离单元的输入端作为所述开关量输出模块的IO信号输入端，所述第一光耦隔离单元的输出端连接所述继电器控制单元的输入端，所述继电器控制单元的第一输出端连接所述第一外部接口，所述继电器控制单元的第二输出端作为所述开关量输出模块的开关量输出端连接所述IO开关量自诊断模块的第二诊断输入端。

3.根据权利要求1所述的诊断系统，其特征在于，所述开关量输入模块包括：电平转换单元、第二光耦隔离单元、第二外部接口；

所述第二外部接口的输出端连接所述第二光耦隔离单元的输入端，所述第二光耦隔离单元的第一输出端连接所述电平转换单元的输入端，所述第二光耦隔离单元的第二输出端作为所述开关量输入模块的开关量输出端连接所述IO开关量自诊断模块的第一诊断输入端，所述电平转换单元的输出端作为所述开关量输入模块的IO信号输出端。

4.根据权利要求1所述的诊断系统，其特征在于，所述IO开关量自诊断模块包括第一电流诊断单元、第一电压诊断单元、第二电流诊断单元、第二电压诊断单元及自诊断主控单元；

所述第一电流诊断单元、第一电压诊断单元的输入端均与IO开关量自诊断模块的第二诊断输入端连接，所述第一电流诊断单元、第一电压诊断单元的输出端均与所述自诊断主控单元的输入端连接；

所述第二电流诊断单元、第二电压诊断单元的输入端均与IO开关量自诊断模块的第一诊断输入端连接，所述第二电流诊断单元、第二电压诊断单元的输出端均与所述自诊断主控单元的输入端连接。

5.根据权利要求4所述的诊断系统，其特征在于，所述第一电流诊断单元包括如下电路构成：依次连接的第一电流转电压电路、第一分压电路、第一电压采样电路，所述第一电流转电压电路的输入端作为所述第一电流诊断单元的输入端，所述第一电压采样电路的输出端作为所述第一电流诊断单元的输出端。

6.根据权利要求4所述的诊断系统，其特征在于，所述第二电流诊断单元包括如下电路构成：依次连接的第二电流转电压电路、第二分压电路、第二电压采样电路，所述第二电流转电压电路的输入端作为所述第二电流诊断单元的输入端，所述第二电压采样电路的输出端作为所述第二电流诊断单元的输出端。

7.根据权利要求4所述的诊断系统，其特征在于，所述第一电压诊断单元包括如下电路构成：依次连接的第三分压电路和第三电压采样电路，所述第三分压电路的输入端作为所述第一电压诊断单元的输入端，所述第三电压采样电路的输出端作为所述第一电压诊断单元的输出端。

8.根据权利要求4所述的诊断系统，其特征在于，所述第二电压诊断单元包括如下电路构成：依次连接的第四分压电路和第四电压采样电路，所述第四分压电路的输入端作为所述第二电压诊断单元的输入端，所述第四电压采样电路的输出端作为所述第二电压诊断单元的输出端。

9.根据权利要求4所述的诊断系统，其特征在于，所述自诊断主控单元包括微处理器，所述微处理器用于对所述第一电流诊断单元、第一电压诊断单元、第二电流诊断单元、第二电压诊断单元的输出信号进行采样分析，输出IO开关量诊断结果。

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