一種安全儀表控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的安全儀表控制系統(tǒng)，是一種應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，以保護(hù)人員生命安全和現(xiàn)場設(shè)備為主要功能的控制系統(tǒng)。本發(fā)明是四重化安全儀表控制系統(tǒng)，具備可編程、多重冗余、診斷覆蓋率高、實時響應(yīng)速度快的特點。本發(fā)明的技術(shù)要點在于，采用了循環(huán)三選二表決和多重冗余的方式提高可靠性并增加診斷覆蓋率。
【專利說明】
一種安全儀表控制系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明的安全儀表控制系統(tǒng)，是一種應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，以保護(hù)人員生命安全和現(xiàn)場設(shè)備為主要功能的控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]由于人工控制發(fā)生的隨機(jī)性錯誤和人的主觀誤差會導(dǎo)致的控制的粗糙而降低生產(chǎn)效率，工業(yè)生產(chǎn)中越來越廣泛的應(yīng)用了各種工業(yè)控制系統(tǒng)，根據(jù)應(yīng)用的環(huán)境和功能大致分為:過程控制系統(tǒng)(PLC )、離散控制系統(tǒng)(DCS )、安全儀表系統(tǒng)(SIS/ESD )。其中:PLC規(guī)模小、成本低、控制速度快;DCS規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，總成本較高;SI S可靠性高，具備較高的故障自診斷能力。
[0003]為了進(jìn)一步提高SIS系統(tǒng)的可靠性和故障診斷的覆蓋率，本發(fā)明設(shè)計了一種新式的四重化安全儀表控制系統(tǒng)?？梢员粦?yīng)用于石油、石化、煤化工、電力等存在高危險生產(chǎn)環(huán)節(jié)的工業(yè)領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出的一種安全儀表控制系統(tǒng)，具備可編程、多重冗余、診斷覆蓋率高、實時響應(yīng)速度快的特點。
[0005]本發(fā)明提出的控制系統(tǒng)，支持?jǐn)?shù)字量輸入(DI)，模擬量輸入(Al)，數(shù)字量輸出(DO)，模擬量輸出(AO)，同步工廠時鐘(RTU)，轉(zhuǎn)數(shù)讀取(SPI)，串口 485/422/232通信，以太網(wǎng)通信，CAN通信，用戶自定義邏輯，歷史曲線、重大事件記錄。
[0006]本發(fā)明的創(chuàng)新點在于，采用了循環(huán)三選二表決和多重冗余的方式提高可靠性并增加診斷覆蓋率。
[0007]循環(huán)三選二表決是指，四個獨(dú)立的計算通道形成一個表決環(huán)路，任意一個通道都可以獲取相鄰的兩個通道的數(shù)據(jù)，與自身通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行三選二表決，然后將表決結(jié)果作為新的數(shù)據(jù)再次進(jìn)行三選一表決，表決結(jié)果將作為該通道的最終數(shù)據(jù)發(fā)送到下一級。
[0008]多重冗余是指，系統(tǒng)的輸入模塊通過循環(huán)三選二表決，實現(xiàn)第一重冗余，邏輯處理模塊通過循環(huán)三選二表決，實現(xiàn)第二重冗余，輸出模塊通過循環(huán)三選二表決，實現(xiàn)第三重冗余。
【附圖說明】
[0009]圖1安全儀表控制系統(tǒng)的多重冗余和循環(huán)三選二結(jié)構(gòu)圖2安全儀表控制系統(tǒng)的數(shù)字量表決真值表圖3安全儀表控制系統(tǒng)的十進(jìn)制數(shù)值表決真值表圖4數(shù)字量輸出硬件表決電路圖5模擬量輸出硬件表決電路
【具體實施方式】
系統(tǒng)的循環(huán)三選二表決和多重冗余的具體實現(xiàn)方法
參照圖1，系統(tǒng)分成4個通道，編號為A、B、C、D。其中A通道與B通道的軟硬件組件完全一致，C通道與D通道的軟硬件完全一致，A通道與C通道的軟硬件功能一致而軟硬件的具體設(shè)計方法不一致。
[0010]參照圖1，每個通道包含輸入模塊、邏輯處理模塊、輸出模塊。輸入模塊的數(shù)量大于等于I，邏輯處理模塊的數(shù)量等于I，輸出模塊的數(shù)量大于等于I。
[0011]參照圖1，不同通道的輸入模塊將進(jìn)行數(shù)字量(數(shù)值只有O和I)的循環(huán)三選二表決，其中A通道通過交叉通信，能夠獲得A通道、B通道和D通道的數(shù)據(jù)，那么如果使用[A]來代表A通道的原始數(shù)據(jù)，[B]來代表B通道的原始數(shù)據(jù)，[D]來代表D通道的原始數(shù)據(jù)。A通道第一次表決的結(jié)果是[A]*[B] + [A]*[D] + [B]*[D]，注:此處的運(yùn)算符號表示邏輯與運(yùn)算，運(yùn)算符號“+”表示邏輯或運(yùn)算，保存表決結(jié)果為⑷。A通道再次獲得A通道、B通道和D通道記錄的表決結(jié)果，然后第二次表決，表決結(jié)果為(A)*(B)*(D)，保存表決結(jié)果為{AhA通道的輸入模塊將{A}發(fā)送給A通道的邏輯處理模塊。
[0012]參照圖2，數(shù)字量的數(shù)值通過表決計算得到的真值表，通過真值表整理出最終的表決結(jié)果和原始的數(shù)據(jù)之間的關(guān)系為{A} = {B} = {C} = {D} = [A]*[B]*[C] + [A]*[B]*[D] + [A]*[C]*[D] + [B]*[C]*[D]，從而實現(xiàn)任意兩個通道的數(shù)據(jù)為O時，最終的表決結(jié)果為O的功能。
[0013]參照圖1，不同通道的邏輯處理模塊和輸出模塊，在數(shù)字量的循環(huán)三選二表決中，使用了和輸入模塊完全一致的方法。那么單個通道輸入模塊的故障或者計算錯誤將不會被傳遞到邏輯處理模塊，同樣單個邏輯處理模塊的故障或者計算錯誤將不會傳遞到輸出模塊，并且單個輸出模塊的故障或者計算錯誤將不會被傳遞到最終的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。多重冗余的系統(tǒng)特性被實現(xiàn)。
[0014]參照圖1，不同的輸入模塊也進(jìn)行十進(jìn)制數(shù)值的循環(huán)三選二表決，其中A通道能夠獲取的A通道、B通道和D通道的數(shù)據(jù)，那么用[a]、[b]、[d]來分別代表A、B、D三個通道的數(shù)值。A通道第一次表決的結(jié)果是[a]、[b]、[d]的中值，即對[a]、[b]、[d]按照大小進(jìn)行排序，然后取中間位置的值，記錄表決結(jié)果表示為(a)。第二次表決的結(jié)果為(a)、(b)、(d)中保留數(shù)值不同的值并計算平均值，記錄表決結(jié)果為{a}。
[0015]參照圖3，十進(jìn)制數(shù)值表決計算得到的真值表可以得到最終的表決值與原始數(shù)值的關(guān)系為:將四個通道的數(shù)值進(jìn)行排序后，去掉一個最大值，去掉一個最小值，然后對剩余的兩個值取平均數(shù)。
[0016]模塊的具體實現(xiàn)方案
使用ARM微處理器作為模塊核心控制單元和數(shù)據(jù)交換單元。邏輯處理模塊與輸入模塊或輸出模塊之間的通信采用CAN總線，不同通道之間的模塊通信采用高速同步串行總線。
[0017]數(shù)字量輸入模塊，采用光電耦合器實現(xiàn)對現(xiàn)場信號的傳遞和干擾的隔離，主控芯片通過并行的通用輸入端口直接采集數(shù)字量。
[0018]模擬量輸入模塊，通過采樣電阻將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，然后使用AD芯片將電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)值并通過串行方式被主控芯片獲取。
[0019]數(shù)字量輸出模塊，采用光電繼電器實現(xiàn)控制信號的傳遞和干擾的隔離，主控芯片通過并行的通用輸出端口直接輸出數(shù)字量。
[0020]模擬量輸出模塊，通過向電容發(fā)送高頻脈沖，實現(xiàn)電壓輸出，通過功率放大器維持輸出的電壓信號并擴(kuò)大電流的輸出范圍。
[0021 ]硬件表決和數(shù)據(jù)通信的實現(xiàn)方法
數(shù)字量輸出信號硬件表決，采用H型電路實現(xiàn)雙重二選一。
[0022]模擬量輸出信號硬件表決，使用開關(guān)控制參與表決的模擬量信號數(shù)量，通過二極管保證輸出最大的電壓值，通過下拉電阻防止發(fā)生輸出無負(fù)載的情況發(fā)生，最終的表決結(jié)果為輸出最大的模擬量值。
[0023]通信方式，數(shù)據(jù)的打包格式按照modbus標(biāo)準(zhǔn)格式執(zhí)行，CAN總線采用多個輸入模塊(或多個輸出模塊)和一個邏輯處理模塊連接到同一條總線上，軟件主動通信，硬件自動仲裁，同步串行通信采用兩個通信的模塊獨(dú)立占有一條通信線，每次只需要同步存在差異的數(shù)據(jù)。
【主權(quán)項】
1.安全儀表控制系統(tǒng)，其特征在于，采用循環(huán)三選二表決和多重冗余的方法，循環(huán)三選二表決是指，四個獨(dú)立的計算通道形成一個表決環(huán)路，任意一個通道都可以獲取相鄰的兩個通道的數(shù)據(jù)，與自身通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行三選二表決，然后將表決結(jié)果作為新的數(shù)據(jù)再次進(jìn)行三選一表決，表決結(jié)果將作為該通道的最終數(shù)據(jù)發(fā)送到下一級，多重冗余是指，系統(tǒng)的輸入模塊通過循環(huán)三選二表決，實現(xiàn)第一重冗余，邏輯處理模塊通過循環(huán)三選二表決，實現(xiàn)第二重冗余，輸出模塊通過循環(huán)三選二表決，實現(xiàn)第三重冗余。
【文檔編號】G05B19/418GK106094742SQ201610371855
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月31日
【發(fā)明人】劉建平, 薛曉, 劉曉亮
【申請人】蘇州時代華理電氣有限公司, 北京昊圖科技有限公司, 劉建平