專利名稱：一種高可靠性模擬量輸出裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高可靠性模擬量輸出裝置，屬于大型操作系統(tǒng)的信號(hào)輸出領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
DCS是數(shù)字控制系統(tǒng)(Digital Control System)的簡(jiǎn)稱，國(guó)內(nèi)一般習(xí)慣稱為數(shù)字 控制系統(tǒng)。它是一個(gè)由過(guò)程控制級(jí)和過(guò)程監(jiān)控級(jí)組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級(jí)計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)，綜合了計(jì)算機(jī)(Computer)、通訊(Communication)、顯示(CRT)和控制(Control)等 4C 技術(shù)，其基本思想是分散控制、集中操作、分級(jí)管理、配置靈活、組態(tài)方便。DCS的控制決策是由過(guò)程控制站完成的，所以控制程序是由過(guò)程控制站執(zhí)行的?？刂葡到y(tǒng)需要建立信號(hào)的輸入和輸出通道，這就是1/0。DCS中的1/0—般是模塊 化的，一個(gè)1/0模塊上有一個(gè)或多個(gè)1/0通道，用來(lái)連接傳感器和執(zhí)行器。目前通用的10模塊包括AI為模擬量輸入信號(hào)；AO為模擬量輸出信號(hào)；DI為數(shù)字 量輸入信號(hào)；DO為數(shù)字量輸出信號(hào)，其中作為控制驅(qū)動(dòng)模擬信號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的AO模塊， 目前現(xiàn)有技術(shù)和產(chǎn)品其基本的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和原理大體如

圖1所示模擬量輸出模塊作為的現(xiàn)場(chǎng)控制站的輸出控制10節(jié)點(diǎn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線通訊接收 組態(tài)下發(fā)的各通道配置輸出值數(shù)據(jù)，在本地進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后，由電流驅(qū)動(dòng)電路輸出電流。現(xiàn)有工業(yè)應(yīng)用模擬量輸出模塊，從核安全級(jí)儀控系統(tǒng)智能10板卡應(yīng)用角度考慮， 在產(chǎn)品可靠性方面無(wú)法滿足要求，具體的說(shuō)，普通的模擬量輸出模塊僅僅在功能上滿足正 常使用在產(chǎn)品運(yùn)行可靠性保證，以及故障診斷，運(yùn)行自監(jiān)視以及通訊獨(dú)立性等等方面，核安 全級(jí)智能10板卡需要具備的性能上沒(méi)有很好的實(shí)現(xiàn)。DCS系統(tǒng)是隨著現(xiàn)代大型工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的不斷興起和過(guò)程控制要求的日益復(fù)雜 應(yīng)運(yùn)而生的綜合控制系統(tǒng)，它是計(jì)算機(jī)技術(shù)、系統(tǒng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和多媒體技術(shù)相 結(jié)合的產(chǎn)物，可提供窗口友好的人機(jī)界面和強(qiáng)大的通訊功能，是完成過(guò)程控制、過(guò)程管理的 現(xiàn)代化設(shè)備?，F(xiàn)場(chǎng)控制站(FCS)接收來(lái)自工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的傳感器或變送器的信號(hào)，進(jìn)行運(yùn)算處 理后，發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與外界交換數(shù)據(jù)。FCS可 以理解為具備輸入輸出和數(shù)據(jù)處理功能的數(shù)字計(jì)算機(jī)，通過(guò)輸入板卡采集現(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù) 據(jù)，數(shù)據(jù)運(yùn)算板卡處理完成信號(hào)轉(zhuǎn)換和邏輯運(yùn)算功能，通過(guò)輸出板卡輸出信號(hào)到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行
器ο模擬量輸出板卡作為FCS中完成輸出模擬信號(hào)功能的智能10板卡，在通用DCS系統(tǒng)中經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，其應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，如北京和利時(shí)公司的針對(duì)核電站常規(guī)島非 安全級(jí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的匪系列產(chǎn)品中，其模擬量輸出模塊在沿用常規(guī)模擬量輸出設(shè)計(jì)基本思 路的情況下，已經(jīng)增加開(kāi)發(fā)了一些如DA輸出回讀，熱插拔等功能，產(chǎn)品的安全性和可靠性 已經(jīng)比常規(guī)電廠DCS系統(tǒng)有了一定幅度的提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)目前現(xiàn)有模擬量輸出裝置產(chǎn)品的可靠性無(wú)法滿足核站安全級(jí)儀控 系統(tǒng)的要求，提供一種高可靠性模擬量輸出裝置。本發(fā)明是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種高可靠性模擬量輸出裝置的設(shè)計(jì)，所述模擬量輸出裝置包括D/A轉(zhuǎn)換模塊、 電流驅(qū)動(dòng)輸出模塊、A/D輸出回讀模塊、MCU、復(fù)雜邏輯編程控制器及通訊電路組成，其特征 在于所述的電流驅(qū)動(dòng)輸出模塊為電流驅(qū)動(dòng)器，電流驅(qū)動(dòng)器與信號(hào)連接器連接輸出電流信 號(hào)；D/A轉(zhuǎn)換模塊為數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的芯片，D/A轉(zhuǎn)換模塊的一端與電流驅(qū)動(dòng)模塊 連接，D/A轉(zhuǎn)換模塊的另一端通過(guò)串行外圍設(shè)備接口 SPI與MCU連接；A/D輸出回讀模塊為 將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的轉(zhuǎn)換器，A/D輸出回讀模塊的一端與電流驅(qū)動(dòng)模塊連接，A/D輸出 回讀模塊的另一端與串行外圍設(shè)備接口 SPI連接；所述模擬量D/A轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)SOT總線 接收IO通信單元板卡下行的配置數(shù)據(jù)，并將配置數(shù)據(jù)通過(guò)SPI 口各通道輸入DA芯片中，控 制DA輸出，DA輸出的電壓經(jīng)電流驅(qū)動(dòng)電路模塊輸出信號(hào)，電流驅(qū)動(dòng)電路模塊上設(shè)有報(bào)警輸 出信號(hào)EFCM和EFLD及在電流輸出總線末端設(shè)置信號(hào)回讀輸出信號(hào)，回讀的輸出信號(hào)經(jīng)A/D 輸出回讀模塊處理，通過(guò)SPI 口送回板卡MCU，MCU與通道設(shè)定值進(jìn)行比較判斷輸出狀態(tài)。所述電流驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部集成Ia檢測(cè)負(fù)載兩端電壓，Iaott輸出成比例電流信號(hào)，配置 采樣電阻Ria，將配置采樣電阻Ria上的電壓輸入AD，通過(guò)AD輸出值結(jié)合當(dāng)前通道輸出電流 值，即可計(jì)算獲得通道負(fù)載阻抗。所述電流驅(qū)動(dòng)器計(jì)算獲得通道負(fù)載阻抗的步驟具體設(shè)計(jì)如下考慮板卡輸出電流信號(hào)Iott時(shí)，驅(qū)動(dòng)負(fù)載不低于HRS連接器電阻Rhks，按照負(fù)載固 定數(shù)值時(shí)Ria上采樣電壓為U,配置電阻Rmin，Ria分別選取固定的電阻值根據(jù)電流驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部?jī)x放部分工作原理滿足如下公式
權(quán)利要求
1.一種高可靠性模擬量輸出裝置，所述模擬量輸出裝置包括D/A轉(zhuǎn)換模塊、電流驅(qū)動(dòng) 輸出模塊、A/D輸出回讀模塊、MCU、復(fù)雜邏輯編程控制器及通訊電路組成，其特征在于所 述電流驅(qū)動(dòng)輸出模塊為電流驅(qū)動(dòng)器，電流驅(qū)動(dòng)器與信號(hào)連接器連接輸出電流信號(hào)；D/A轉(zhuǎn) 換模塊為數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的芯片，D/A轉(zhuǎn)換模塊的一端與電流驅(qū)動(dòng)模塊連接，D/A 轉(zhuǎn)換模塊的另一端通過(guò)串行外圍設(shè)備接口 SPI與MCU連接；A/D輸出回讀模塊為將模擬量 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的轉(zhuǎn)換器，A/D輸出回讀模塊的一端與電流驅(qū)動(dòng)模塊連接，A/D輸出回讀模塊 的另一端與串行外圍設(shè)備接口 SPI連接；所述模擬量D/A轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)sm總線接收IO通 信單元板卡下行的配置數(shù)據(jù)，并將配置數(shù)據(jù)通過(guò)SPI 口各通道輸入DA芯片中，控制DA輸 出，DA輸出的電壓經(jīng)電流驅(qū)動(dòng)電路模塊輸出信號(hào)，電流驅(qū)動(dòng)電路模塊上設(shè)有報(bào)警輸出信號(hào) EFCM和EFLD及在電流輸出總線末端設(shè)置信號(hào)回讀輸出信號(hào)，回讀的輸出信號(hào)經(jīng)A/D輸出回 讀模塊處理，通過(guò)SPI 口送回板卡MCU，MCU與通道設(shè)定值進(jìn)行比較判斷輸出狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高可靠性模擬量輸出裝置，其特征在于所述電流驅(qū)動(dòng) 芯片內(nèi)部集成Ia檢測(cè)負(fù)載兩端電壓，1_輸出成比例電流信號(hào)，配置采樣電阻Ria，將配置采 樣電阻Ria上的電壓輸入AD，通過(guò)AD輸出值結(jié)合當(dāng)前通道輸出電流值，計(jì)算獲得通道負(fù)載 阻抗。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高可靠性模擬量輸出裝置，其特征在于所述電流驅(qū)動(dòng) 器計(jì)算獲得通道負(fù)載阻抗的步驟具體設(shè)計(jì)如下考慮板卡輸出電流信號(hào)Itm時(shí)，驅(qū)動(dòng)負(fù)載不低于HRS連接器電阻Rhks，按照負(fù)載固定數(shù) 值時(shí)Ria上采樣電壓為U,配置電阻Rmin，Ria分別選取固定的電阻值根據(jù)電流驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部?jī)x放部分工作原理滿足如下公式
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高可靠性模擬量輸出裝置，其特征在于電流驅(qū)動(dòng)輸出 模塊采取在輸出信號(hào)終端進(jìn)行輸出電路信號(hào)回讀處理，所述輸出電路信號(hào)回讀處理為在板 卡輸出通道最末端的電流環(huán)路上串接一個(gè)小阻值的檢測(cè)電阻，通過(guò)采樣這個(gè)小電阻上的壓 降，經(jīng)A/D回讀通過(guò)SPI 口送回板卡MCU，與對(duì)應(yīng)通道設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)，做為通道輸出正常的 判據(jù)的基準(zhǔn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高可靠性模擬量輸出裝置，其特征在于所述D/A轉(zhuǎn)換 模塊中的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的芯片采用冗余設(shè)計(jì)；A/D輸出回讀模塊中的模擬量轉(zhuǎn) 換為數(shù)字量的轉(zhuǎn)換器采用冗余設(shè)計(jì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種高可靠性模擬量輸出裝置，其特征在于sm總線驅(qū)動(dòng)部 分使用網(wǎng)絡(luò)變壓器實(shí)現(xiàn)本板卡電路與底板通訊信號(hào)的隔離，MCU在與D/A和A/D的SPI通訊采用高速數(shù)字隔離器進(jìn)行隔離，其它低速數(shù)字信號(hào)通過(guò)光耦進(jìn)行隔離，8路輸出通道之間 不隔離。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種高可靠性模擬量輸出裝置，其特征在于板卡支持定期 檢測(cè)各通道D/A控制器芯片的正常響應(yīng)動(dòng)態(tài)輸入信號(hào)正常輸出，在對(duì)上述通道進(jìn)行檢測(cè)時(shí) 將變換輸入碼值驗(yàn)證D/A芯片能夠正常響應(yīng)輸出，這個(gè)檢測(cè)為在線完成的，此時(shí)對(duì)應(yīng)上述 通道電流輸出功能保持不受影響，對(duì)D/A控制器芯片采用了冗余設(shè)計(jì)，每個(gè)通道均由一個(gè) 21模擬開(kāi)關(guān)控制選擇常閉觸點(diǎn)端對(duì)外輸出進(jìn)入電流驅(qū)動(dòng)輸出芯片。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高可靠性模擬量輸出裝置，其特征在于MCU通過(guò)sm總 線接收IO通信單元板卡下行的配置數(shù)據(jù)，并將配置數(shù)據(jù)通過(guò)SPI 口各通道輸入D/A芯片 中，控制D/A輸出；D/A輸出的電壓經(jīng)電流驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)；同時(shí)在最末端的輸出通道上串 接一個(gè)小阻值的檢測(cè)電阻，通過(guò)采樣這個(gè)小電阻上的壓降，經(jīng)A/D回讀通過(guò)SPI 口送回板卡 MCU，與對(duì)應(yīng)通道設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)，做為通道輸出正常的判據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高可靠性模擬量輸出裝置，所述模擬量輸出裝置包括D/A轉(zhuǎn)換模塊、電流驅(qū)動(dòng)輸出模塊、A/D輸出回讀模塊、MCU、CPLD及通訊電路，電流驅(qū)動(dòng)輸出模塊為電流驅(qū)動(dòng)器，電流驅(qū)動(dòng)器與信號(hào)連接器連接輸出電流信號(hào)；D/A轉(zhuǎn)換模塊一端與電流驅(qū)動(dòng)模塊連接，另一端通過(guò)串行外圍設(shè)備接口SPI與MCU連接；A/D輸出回讀模塊一端與電流驅(qū)動(dòng)模塊連接，另一端與串行外圍設(shè)備接口SPI連接；D/A轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)SN1總線接收IO通信單元板卡下行的配置數(shù)據(jù)，并將配置數(shù)據(jù)通過(guò)SPI口各通道輸入DA芯片中控制DA輸出，電流驅(qū)動(dòng)電路模塊上設(shè)有報(bào)警輸出信號(hào)EFCM和EFLD及在電流輸出總線末端設(shè)置信號(hào)回讀輸出信號(hào)，回讀的輸出信號(hào)經(jīng)A/D輸出回讀模塊處理，通過(guò)SPI口送回板卡MCU，MCU與通道設(shè)定值進(jìn)行比較判斷輸出狀態(tài)。
文檔編號(hào)G05B19/02GK101995826SQ20091024991
公開(kāi)日2011年3月30日 申請(qǐng)日期2009年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月25日
發(fā)明者劉偉, 程康, 郝志堅(jiān) 申請(qǐng)人:北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司;中國(guó)廣東核電集團(tuán)有限公司