專利名稱：一種三冗錯(cuò)控制系統(tǒng)的分布式三冗余電源供電回路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三冗錯(cuò)控制系統(tǒng)的分布式三冗余電源供電回路，對(duì)于高安全性要 求的三冗錯(cuò)控制系統(tǒng)提供高可靠性的電源供電電路的設(shè)計(jì)，屬于自動(dòng)控制儀表技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
核電、石化行業(yè)的緊急停車系統(tǒng)和電廠的安全保護(hù)系統(tǒng)要求對(duì)集散控制系統(tǒng)(以 下簡(jiǎn)稱為DCS)采用三冗余或三冗錯(cuò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，三個(gè)完全相同的控制器(以下簡(jiǎn)稱為 DPU)或者采用一用兩備方式，或者采用并行工作，輸出通過三取二表決器進(jìn)行判斷后輸出， 因此可靠的供電電路成為三冗余或三冗錯(cuò)控制系統(tǒng)安全性的關(guān)鍵技術(shù)之一。
以往的三冗余控制系統(tǒng)采用雙路電源，第一種方式是在系統(tǒng)外進(jìn)行二選一后饋入 系統(tǒng)的電源總線，每個(gè)DPU或IO板卡只有一路處理后的電源供電，如圖1所示，這種供電電 路在電源的二選一處理模件或系統(tǒng)的電源總線出故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)所有板卡出現(xiàn)崩 潰，即存在單點(diǎn)失效故障模式且故障影響面為100%。
第二種方式是在系統(tǒng)卡籠箱內(nèi)進(jìn)行二選一后饋入系統(tǒng)的電源總線，每個(gè)在該卡籠 箱內(nèi)的DPU或IO板卡仍只有一路處理后的電源供電，如圖2所示，這種供電電路在電源的 二選一處理模件或系統(tǒng)的電源總線出故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)掛入到該卡籠箱電源總線的所有 相應(yīng)板卡出現(xiàn)崩潰，也存在單點(diǎn)失效故障模式且故障影響面為100%除以該電源下掛的卡 籠箱個(gè)數(shù)。
第三種方式是在系統(tǒng)卡籠箱內(nèi)進(jìn)行三選二(即二選一加一后備電源)后饋入系統(tǒng) 的電源總線，每個(gè)在該卡籠箱內(nèi)的DPU或IO板卡仍只有一路處理后的電源供電，如圖3所 示,這種供電電路在電源的系統(tǒng)的電源處理元件均壞時(shí),會(huì)導(dǎo)致整個(gè)掛入到該卡籠箱電源 總線的所有相應(yīng)板卡出現(xiàn)崩潰，且故障影響面為100%除以該電源下掛的卡籠箱個(gè)數(shù)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高可靠性的分布式三冗余電源供電回路，消除因腐蝕開 路或異物短路，使得電源共用部件的損壞而造成系統(tǒng)全部或部分失效的單/雙點(diǎn)失效故障 模式。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種三冗錯(cuò)控制系統(tǒng)的分布式三 冗余電源供電回路，包括三個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓電源，每個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓電源通過一個(gè)空氣切換開關(guān)提 供一路電源，其特征在于三路電源均進(jìn)入卡籠箱后同時(shí)為與該卡籠箱相對(duì)應(yīng)的控制器及 所有輸入輸出IO卡件提供電源,在控制器及每個(gè)輸入輸出IO卡件內(nèi)均設(shè)有一個(gè)各自獨(dú)立 的電源冗余處理部件，所有電源冗余處理部件均采用三冗余方式。
優(yōu)選地，三冗余方式的電源冗余處理部件包括分別串接在三路電源的正極上的三 個(gè)并聯(lián)的二極管，及分別反向串接在三路電源的負(fù)極上的三個(gè)并聯(lián)的二極管。
優(yōu)選地,所述開關(guān)穩(wěn)壓電源米用輸入為交直流220V 二用，輸出為+24VDC的開關(guān)電源。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于
(I)使用三冗余電源方式克服現(xiàn)有技術(shù)中的供電電路在電源的二選一處理模件或 系統(tǒng)的電源總線出故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)所有板卡出現(xiàn)崩潰，即存在單點(diǎn)失效故障模式 且故障影響面極大。同時(shí)克服現(xiàn)有技術(shù)中當(dāng)雙冗余電源中的某個(gè)電源更換期間，從冗余電 源降級(jí)成單個(gè)電源，造成系統(tǒng)的可利用率急劇下跌。
(2)采用三冗余電源處理部件的分散化設(shè)計(jì)理念，電源冗余處理元件沒有任何整 套系統(tǒng)的全部或部分的共用部件，而是將之分布到系統(tǒng)的最小級(jí)組件一卡塊上，從而將三 冗余電源處理部件均壞的超小概率事件的事故控制在最小范圍，而不影響系統(tǒng)的其它部 件?？朔F(xiàn)有技術(shù)中的電源處理元件均壞時(shí)，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)掛入到該卡籠箱電源總線的所有 相應(yīng)板卡出現(xiàn)崩潰，造成系統(tǒng)的可利用率也會(huì)下跌。
本發(fā)明另外引申的優(yōu)點(diǎn)在于
(I)模擬量輸入卡件給變送器供電的電源由卡件經(jīng)DC/DC點(diǎn)點(diǎn)隔離后輸出，對(duì)于 每個(gè)DC/DC均由三路冗余電源饋電，比變送器采用獨(dú)立的外供電電源(單個(gè)或雙冗余)具 有更高可靠性的特征。
(2)開關(guān)量輸入卡件的查詢電源由DC/DC隔離后輸出，對(duì)于每個(gè)DC/DC均由三路冗 余電源饋電，比用獨(dú)立外供電電源(單個(gè)或雙冗余)作為查詢電源具有更高可靠性的特征。
(3)模擬量輸出卡輸出電源4_20mA或0-10V等采用DC/DC點(diǎn)點(diǎn)隔離后輸出，對(duì)于 每個(gè)DC/DC均由三路冗余電源饋電，比現(xiàn)有技術(shù)的電源回路設(shè)計(jì)具有更高可靠性。


圖1為傳統(tǒng)的外回路雙冗余電源供電電路示意圖2為傳統(tǒng)的內(nèi)回路雙冗余電源供電電路示意圖3為新型的三冗余電源供電電路示意圖4為本發(fā)明的分布式三冗余電源供電電路示意圖。
具體實(shí)施方式
三冗錯(cuò)控制系統(tǒng)的每組控制器下可以掛接96塊各種類型的卡件，整個(gè)系統(tǒng)可以 具有64個(gè)組控制器，以下以一個(gè)最小的DEMO演示系統(tǒng)為例，結(jié)合實(shí)施例來具體說明本發(fā)明。
如圖4所示，本發(fā)明提供的一種三冗錯(cuò)控制系統(tǒng)的分布式三冗余電源供電回路包 括三個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓電源、三個(gè)空氣切換開關(guān)及電源重新設(shè)計(jì)處理的控制處理器DPU、三塊模擬 量輸入卡件Al、三塊模擬量輸出卡件A0、三塊開關(guān)量輸入卡件DI和三塊開關(guān)量輸出卡件 D0。
對(duì)于核電廠、煉化廠和火電廠等行業(yè)而言，其電源供電方式可以是一路來自廠 用220VAC電源，一路來自UPS提供的220VAC電源和一路來自廠用電氣蓄電池組提供的 220VDC電源。它的容量根據(jù)系統(tǒng)所掛接的卡件數(shù)量決定，但會(huì)考慮有50%的電源裕度。
由于控制處理器的最大功耗為15W，模擬量輸入卡件Al最大功耗為7W，模擬量輸 出卡件AO最大功耗為7W，開關(guān)量輸入卡件DI最大功耗為5W，開關(guān)量輸出卡件DO最大功耗 為3W，整套DEMO演示系統(tǒng)設(shè)備最大功耗約為111W，因此，開關(guān)穩(wěn)壓電源選用250W，24V，10A的開關(guān)電源，電源裕度超過50%。
每個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓電源通過一個(gè)空氣切換開關(guān)提供一路電源。其中，在本實(shí)施例中，切 換開關(guān)采用單路雙開型的空氣開關(guān)，它自身具有過熱保護(hù)、過流保護(hù)和欠壓保護(hù)，同時(shí)對(duì)于 設(shè)備檢修時(shí)提供電源切除功能。它的容量選型根據(jù)系統(tǒng)所掛接的卡件數(shù)量決定。
三路電源均進(jìn)入卡籠箱后同時(shí)為與該卡籠箱相對(duì)應(yīng)的控制器及所有輸入輸出IO 卡件提供電源，在本實(shí)施例中，輸入輸出IO卡件包括模擬量輸入卡件Al、模擬量輸出卡件 A0、開關(guān)量輸入卡件DI和開關(guān)量輸出卡件D0。
控制處理器、所有輸入輸出IO卡件的電源處理部分均采用三冗余電源設(shè)計(jì)，電源 正極三個(gè)二極管并聯(lián)，電源負(fù)極三個(gè)二極管反向并聯(lián)，利用二極管在正向電壓作用下電阻 很小，處于導(dǎo)通狀態(tài)，相當(dāng)于一只接通的開關(guān)；在反向電壓作用下，導(dǎo)通電阻極大或無窮大， 處于截止?fàn)顟B(tài)，如同一只斷開的開關(guān)。因?yàn)槿齻€(gè)電源電壓值會(huì)有極小的差值，因此最高電壓 值的二極管會(huì)處于導(dǎo)通狀態(tài)，而另兩個(gè)處于截止?fàn)顟B(tài)。也就是說，無論三個(gè)入口電源任意一 個(gè)或兩個(gè)喪失，總有一個(gè)會(huì)導(dǎo)通。
本發(fā)明中的任意一路電源、電源器件及電源總線發(fā)生開路或短路故障，整套系統(tǒng) 均能工作正常。本發(fā)明中的任意二路電源、電源器件及電源總線發(fā)生開路或短路故障，整套 系統(tǒng)均能工作正常。
當(dāng)整個(gè)核電廠、煉化廠或火電廠發(fā)生全廠停電事故時(shí)，由于一路來自UPS提供的 220VAC電源，通常設(shè)計(jì)支撐該控制(保護(hù))系統(tǒng)大于36小時(shí)，而另一路來自廠用電氣蓄電 池組提供的220VDC電源，通常會(huì)被設(shè)計(jì)支撐該控制(保護(hù))系統(tǒng)大于72小時(shí)。
本發(fā)明的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括以下兩點(diǎn)
(I)三冗錯(cuò)控制系統(tǒng)下的任意控制部件(控制器和所有的輸入輸出IO卡件)之間 沒有任何共用的電源冗余處理部件，因此不存在單點(diǎn)失效故障或雙點(diǎn)失效故障。
(2)電源冗余處理部件分布在控制系統(tǒng)的最小單元(單個(gè)控制器或單塊輸入輸出 IO卡件)內(nèi)，且這個(gè)最小單元的電源冗余處理部件采用三冗余方式。當(dāng)控制系統(tǒng)的最小單 元的電源冗余處理部件出現(xiàn)三點(diǎn)失效情況下，該故障僅局限于自身的這個(gè)最小單元，不會(huì) 影響其他組件，達(dá)成電源故障的可控性和故障最小化原則。
權(quán)利要求
1.一種三冗錯(cuò)控制系統(tǒng)的分布式三冗余電源供電回路，包括三個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓電源，每個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓電源通過一個(gè)空氣切換開關(guān)提供一路電源，其特征在于三路電源均進(jìn)入卡籠箱后同時(shí)為與該卡籠箱相對(duì)應(yīng)的控制器及所有輸入輸出IO卡件提供電源，在控制器及每個(gè)輸入輸出IO卡件內(nèi)均設(shè)有一個(gè)各自獨(dú)立的電源冗余處理部件，所有電源冗余處理部件均采用三冗余方式。
2.如權(quán)利要求1所述的一種三冗錯(cuò)控制系統(tǒng)的分布式三冗余電源供電回路，其特征在于三冗余方式的電源冗余處理部件包括分別串接在三路電源的正極上的三個(gè)并聯(lián)的二極管，及分別反向串接在三路電源的負(fù)極上的三個(gè)并聯(lián)的二極管。
3.如權(quán)利要求1所述的一種三冗錯(cuò)控制系統(tǒng)的分布式三冗余電源供電回路，其特征在于所述開關(guān)穩(wěn)壓電源米用輸入為交直流220V 二用，輸出為+24VDC的開關(guān)電源。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種三冗錯(cuò)控制系統(tǒng)的分布式三冗余電源供電回路，由三個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓電源、三個(gè)空氣切換開關(guān)及電源重新設(shè)計(jì)處理的控制處理器DPU、所有輸入輸出IO卡件(包括模擬量輸入卡件、模擬量輸出卡件、開關(guān)量輸入卡件和開關(guān)量輸出卡件等)。三冗錯(cuò)控制系統(tǒng)下的任意控制部件(控制器DPU和所有的IO卡件)之間沒有任何共用的電源冗余處理部件，電源冗余處理部件分布在控制系統(tǒng)的最小單元(單個(gè)控制器或單塊IO卡件)內(nèi)，且這個(gè)最小單元的電源冗余處理部件采用三冗余方式。本發(fā)明提供了一種高可靠性的分布式三冗余電源供電回路，消除因腐蝕開路或異物短路，使得電源共用部件的損壞而造成系統(tǒng)全部或部分失效的單/雙點(diǎn)失效故障模式。
文檔編號(hào)H02J9/00GK103051045SQ20121058187
公開日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月27日
發(fā)明者章偉杰, 屠勤, 驪曉雪 申請(qǐng)人:上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院