專利名稱：用于dcs系統(tǒng)的三重冗余模擬量輸出模塊的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種模擬量輸出模塊，尤其涉及一種用于DCS系統(tǒng)的三重冗余模擬量輸出模塊。
背景技術：
目前，DCS系統(tǒng)已被廣泛應用于電力、石油、化工、鋼鐵、造紙、水泥、脫硫、除塵、水處理等自動化控制領域中，它是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，綜合了計算機(Computer)、通訊(Communication)、顯示(CRT)和控制(Control)等4C技術，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態(tài)方便?，F(xiàn)有技術中，許多生產裝置及機組聯(lián)鎖控制系統(tǒng)通常不采用冗余控制系統(tǒng)。在長周期運行的情況下，很容易導致生產裝置停車事故的發(fā)生。因此，為了保證系統(tǒng)的長期安全運行，須采用冗余控制系統(tǒng)，在DCS系統(tǒng)中也是如此。另外，現(xiàn)有技術中，模擬量輸出都是采用一塊單片機同時控制多個通道輸出的模式。由于單片機都是單線程的工作模式，因此在兼顧通訊和檢測外部狀態(tài)的情況下，單片機的工作效率相對較低，模擬量輸出響應較慢。同時，對于模擬量的輸出控制，通常有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種控制策略。如圖4所示，開環(huán)控制不將輸出結果反饋回來以影響當前的控制系統(tǒng)，因而實現(xiàn)起來較為簡單，且響應速度快，但控制精度較差。而閉環(huán)控制是將輸出量直接或間接反饋到輸入端，以對當前控制系統(tǒng)進行調整，具體結構如圖5所示。由于干擾的存在，系統(tǒng)的實際輸出通常在一定程度上偏離期望輸出，通過上述閉環(huán)控制的方式，可利用負反饋所產生的偏差來調整系統(tǒng)輸出，使之恢復到期望輸出。因此，閉環(huán)控制具有較強的抗干擾能力，且控制精度高。在一些高級復雜的工業(yè)控制系統(tǒng)中，采用閉環(huán)控制策略成為優(yōu)選。

實用新型內容有鑒于現(xiàn)有技術的上述缺陷，本實用新型所要解決的技術問題是提供一種用于DCS系統(tǒng)的三重冗余模擬量輸出模塊，其通過三重冗余和任務分級的結構設計，有效的提高了模擬量輸出模塊的容錯能力，保證了生產過程持久穩(wěn)定的運行。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供了一種用于DCS系統(tǒng)的三重冗余模擬量輸出模塊，包括三個相同的輸出模塊，其中，所述輸出模塊包括微處理器，用于與FPGA相連；FPGA，用于與三個獨立的控制器分別相連，即用于與所述微處理器和控制器之間通訊的接口 ；若干單片機，用于與所述微處理器相連，以實現(xiàn)輸出模擬量的閉環(huán)控制；以及若干數(shù)模轉換器，用于分別連接到所述單片機上，以輸出模擬量；其中，所述微處理器與每個單片機之間均連接有光耦，以實現(xiàn)信號隔離。上述的用于DCS系統(tǒng)的三重冗余模擬量輸出模塊，其中，所述微處理器為32位ARM7 的 LPC2212。上述的用于DCS系統(tǒng)的三重冗余模擬量輸出模塊，其中，所述FPGA為XC3S250E。[0010]上述的用于DCS系統(tǒng)的三重冗余模擬量輸出模塊，其中，所述單片機為PIC16F687。上述的用于DCS系統(tǒng)的三重冗余模擬量輸出模塊，其中，所述單片機的個數(shù)為8個。上述的用于DCS系統(tǒng)的三重冗余模擬量輸出模塊，其中，所述微處理器采用磁介質隔離芯片。上述的用于DCS系統(tǒng)的三重冗余模擬量輸出模塊，其中，所述FPGA上設置有5個串口。上述的用于DCS系統(tǒng)的三重冗余模擬量輸出模塊，其中，所述單片機與反饋電路相連，在所述單片機輸出端構成閉環(huán)控制回路。 上述的用于DCS系統(tǒng)的三重冗余模擬量輸出模塊，其中，所述數(shù)模轉換器還與可恢復保險絲和二極管相連。上述的用于DCS系統(tǒng)的三重冗余模擬量輸出模塊，其中，所述三重冗余模擬量輸出模塊還包括看門狗電路，其與所述微處理器相連。因此，本實用新型的用于DCS系統(tǒng)的三重冗余模擬量輸出模塊通過三重冗余的結構設計，極大的提高了 DCS系統(tǒng)的容錯能力，使之可以自動識別并排除故障元件，并且在繼續(xù)完成指定任務的同時，對故障元件進行在線修復而不中斷系統(tǒng)操作，從而滿足工業(yè)現(xiàn)場的各種高級的復雜控制的需求，保證了生產過程的安全穩(wěn)定運行。

圖I是本實用新型的用于DCS系統(tǒng)的三重冗余模擬量輸出模塊的框架示意圖；圖2是本實用新型的用于DCS系統(tǒng)的三重冗余模擬量輸出模塊中模塊冗余的示意圖；圖3是本實用新型的用于DCS系統(tǒng)的三重冗余模擬量輸出模塊中輸出量閉環(huán)控制的框架示意圖；圖4是現(xiàn)有技術中輸出量開環(huán)控制的框架示意圖；圖5是現(xiàn)有技術中輸出量閉環(huán)控制的框架示意圖。
具體實施方式
以下將結合附圖對本實用新型的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本實用新型的目的、特征和效果。本實用新型的用于DCS系統(tǒng)的三重冗余模擬量輸出模塊是T3000 DCS系統(tǒng)的系統(tǒng)模塊之一，其通過三重冗余化的結構與系統(tǒng)配合連接，實現(xiàn)8路相互隔離的模擬量輸出，具有很強的容錯能力，可適用于各種復雜控制的工業(yè)現(xiàn)場。具體地，如圖2所示，本實用新型的用于DCS系統(tǒng)的三重冗余模擬量輸出模塊采用了三重模塊冗余的結構，其包括三個獨立的輸出模塊，其均與系統(tǒng)的三個獨立的控制器相連，接收控制器傳送的指令和數(shù)據(jù)，并根據(jù)指令分別由指定通道輸出模擬量。特別地，每個通道獨立地執(zhí)行控制程序，且三個輸出模塊間也采用并行工作模式。即任意一個通道的任何一個故障都不會影響到其他7個通道的正常運行，任意一個輸出模塊內的任何一個故障都不會影響到其他兩個輸出模塊的正常運行。另外，每個通道都會進行轉換處理，并同時檢測外部輸出，最后經(jīng)過表決之后通過主控卡件通道輸出最終輸出；且該最終輸出還需要同其他兩個模塊的相應的通道的輸出通過一定的仲裁機制進行比較。對于三個輸出模塊的輸出，米用以下仲裁機制a.若三個數(shù)據(jù)品質全好，則在三者中按設定模式輸出；b.若其中某一個數(shù)據(jù)品質壞，則關閉品質壞的輸出通道，在另外兩個數(shù)據(jù)中按照設定模式輸出，并向上報警，降低系統(tǒng)安全級別；c.若其中某二或三個數(shù)據(jù)品質壞，則輸出保持不變，并向上報警，降低系統(tǒng)安全級別。因此，通過三重模塊冗余和上述仲裁方式，極大的提高了 DCS系統(tǒng)的容錯能力，使之能夠適應高要求的工業(yè)生產現(xiàn)場。當一個輸出模塊故障，甚至兩個輸出模塊故障時，DCS系統(tǒng)會自動診斷出來，并自動切換到另一個輸出模塊上運行。此時，DCS系統(tǒng)仍然能正常工作，只是安全性有所降低。DCS系統(tǒng)會自動降低安全權限，而不是采取三取二工作方式，其運行狀態(tài)通過卡件上的發(fā)光二極管顯示。具體地，輸出模塊的具體結構如圖I所示。由圖可知，該輸出模塊包括有微處理器，F(xiàn)PGA,以及若干單片機和與單片機對應的數(shù)模轉換器(圖中未不出)。其中，微處理器與FPGA相連，F(xiàn)PGA再分別與DCS系統(tǒng)的三個獨立的控制器相連，每個單片機再通過光耦連接到微處理器上。最后，單片機的輸出端再連接到數(shù)模轉換器上，得到模擬量輸出。該模擬量輸出最終輸入到主控卡件通道。本實用新型中，微處理器主要負責與DCS系統(tǒng)控制器之間的通訊，其采用的是32位的ARM7LPC2212芯片，用C語言編程，并通過modbus通訊協(xié)議，與8路模擬量輸出通道通訊。另外，本實用新型的微處理器采用的是高速磁介質隔離芯片，其可隔離現(xiàn)場設備對其的干擾，保證其正常工作。本實用新型中的FPGA采用的是Spartan_3E系列中的XC3S250E芯片，并使用Verilog語言編程。在FPGA內部搭建有一個2K的雙口 RAM，其可讀可寫，可通過該雙口 RAM與ARM7進行通訊。由于DCS系統(tǒng)的結構特點，有多組數(shù)據(jù)需通訊，故在FPGA中設置了五個串口，來實現(xiàn)和上位機的數(shù)據(jù)交換，以及實現(xiàn)ARM7和系統(tǒng)總線之間的接口。另外，F(xiàn)PGA還需要進行一定的譯碼工作。本實用新型中采用的單片機為PIC16F687，其使用C語言編程。單片機的個數(shù)為8個，對應于8路模擬量輸出通道，用于模擬量的輸出。即每個模擬量輸出通道的輸出工作由單獨的一個單片機來完成，從而有效的提高了系統(tǒng)的響應速度。由于8路模擬量輸出通道之間相互隔離，在最大限度上減小了通訊鏈路的路間影響。另外，在微處理器與單片機之間連接的光耦可對輸出電路進行隔離，能有效地抑制系統(tǒng)噪聲，消除接地回路的干擾，具有響應速度較快、壽命長、體積小、耐沖擊等優(yōu)點。每個通道中的單片機都通過外部24V電壓經(jīng)過DC/DC轉換為5V之后單獨供電。對于輸入的內部24V電壓，轉換為5V/3. 3V/1. 8V/1. 2V的電壓對模塊的控制和通訊部分進行供電。本實用新型中的數(shù)模轉換器采用的是12位D/A轉換芯片DAC7611。單片機接收微處理器的指令后，將數(shù)據(jù)輸出給數(shù)模轉換器，以輸出電壓信號。為了保證輸出結果的抗干擾能力和精確度，本實用新型的輸出結果采用閉環(huán)控制的方式，具體結構如圖3所示。對于每一個通道，將單片機與后級的反饋電路相連，從而在單片機的輸出端構成了閉環(huán)控制回路。具體地，將單片機的輸出與輸出電壓的反饋值進行比較，如果有誤差則進行調整，使得最終輸出值與期望輸出相符。在本實用新型中，每一個通道都采用MOSFET晶體管為開關，從而可通過組態(tài)界面或者上位機指令單獨控制各個通道的輸出，使整個模擬量輸出模塊的輸出控制更加靈活；同時，在每個通道的輸出端都使用了可恢復保險絲和二極管，從而避免了外部浪涌干擾的沖擊，保證輸出回路安全可靠。另外，為了保證每個輸出模塊的正常運行，每個微處理器均連接有看門狗電路，用于防止程序跑飛。以上詳細描述 了本實用新型的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本實用新型的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本實用新型的構思在現(xiàn)有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內。
權利要求1.一種用于DCS系統(tǒng)的三重冗余模擬量輸出模塊,其特征在于,包括三個相同的輸出模塊，其中，所述輸出模塊包括 微處理器，用于與FPGA相連； FPGA，用干與三個獨立的控制器分別相連； 若干單片機，用干與所述微處理器相連； 以及若干數(shù)模轉換器，用于分別連接到所述單片機上，以輸出模擬量； 其中，所述微處理器與每個單片機之間均連接有光耦。
2.如權利要求I所述的用于DCS系統(tǒng)的三重冗余模擬量輸出模塊，其特征在于，所述微處理器為32位ARM7的LPC2212。
3.如權利要求I所述的用于DCS系統(tǒng)的三重冗余模擬量輸出模塊，其特征在于，所述FPGA 為 XC3S250E。
4.如權利要求I所述的用于DCS系統(tǒng)的三重冗余模擬量輸出模塊，其特征在于，所述單片機為 PIC16F687。
5.如權利要求I所述的用于DCS系統(tǒng)的三重冗余模擬量輸出模塊，其特征在于，所述單片機的個數(shù)為8個。
6.如權利要求I所述的用于DCS系統(tǒng)的三重冗余模擬量輸出模塊，其特征在于，所述微處理器采用磁介質隔離芯片。
7.如權利要求I所述的用于DCS系統(tǒng)的三重冗余模擬量輸出模塊，其特征在于，所述FPGA上設置有5個串ロ。
8.如權利要求I所述的用于DCS系統(tǒng)的三重冗余模擬量輸出模塊，其特征在于，所述單片機與反饋電路相連，在所述單片機輸出端構成閉環(huán)控制回路。
9.如權利要求I所述的用于DCS系統(tǒng)的三重冗余模擬量輸出模塊，其特征在于，所述數(shù)模轉換器還與可恢復保險絲和ニ極管相連。
10.如權利要求I所述的用于DCS系統(tǒng)的三重冗余模擬量輸出模塊，其特征在于，所述三重冗余模擬量輸出模塊還包括看門狗電路，其與所述微處理器相連。
專利摘要本實用新型公開了一種用于DCS系統(tǒng)的三重冗余模擬量輸出模塊，包括三個相同的輸出模塊，其中，所述輸出模塊包括微處理器，用于與FPGA相連；FPGA，用于與三個獨立的控制器分別相連；若干單片機，用于與所述微處理器相連；以及若干數(shù)模轉換器，用于分別連接到所述單片機上，以輸出模擬量；其中，所述微處理器與每個單片機之間均連接有光耦。本實用新型的三重冗余模擬量輸出模塊通過三重冗余的結構設計，極大的提高了DCS系統(tǒng)的容錯能力，使之可以自動識別并排除故障元件，并且在繼續(xù)完成指定任務的同時，對故障元件進行在線修復而不中斷系統(tǒng)操作，從而滿足工業(yè)現(xiàn)場的各種高級的復雜控制的需求，保證了生產過程的安全穩(wěn)定運行。
文檔編號G05B19/048GK202421819SQ20112054550
公開日2012年9月5日 申請日期2011年12月22日 優(yōu)先權日2011年12月22日
發(fā)明者李培植, 梁超宇 申請人:上海新華控制技術(集團)有限公司