开关量输出通道冗余容错控制方法及冗余开关量输出通道

摘要

本申请公开了一种开关量输出通道冗余容错控制方法，应用于DEH控制系统模块三冗余开关量输出通道，该方法包括：所述开关量输出通道的输入端接收FPGA发出的控制信号，将所述控制信号进行处理获取输出信号，所述输出信号各自通过二极管直接并联冗余；所述开关量输出通道通过自检回读方式，判断所述开关量输出通道内部或外部是否故障；预先设置降级模式，当有故障发生时，按照所述降级模式进行输出量的输出。该方法通过三个独立的冗余开关量输出通道，具有降级模式，并通过自检回读机制，有效判断通道内部或外部故障，保障了运行过程的稳定性。本发明还公开了一种冗余开关量输出通道，极大的提高了整个系统的容错能力。

说明书

技术领域

本发明涉及冗余容错控制技术领域，更具体的说，是涉及一种开关量输 出通道冗余容错控制方法及冗余开关量输出通道。

背景技术

目前，DCS（Distributed Control System，分散控制系统）即集散控制系 统，已被广泛应用于石油，电力，化工、钢铁、水泥、制造、水处理等自动 化控制领域，其是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带 的多级计算机系统，综合了计算机、通讯、显示和控制等4C技术，其基本思 想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活和组态方便等。

随着计算机技术的发展及其在自动化领域中的应用，出现了以数字计算 机为基础的DEH（Digital Electro-Hydraulic Control System，汽轮机数字电液 控制系统），简称数字电调，是DCS的重要组成部分。在DCS系统中最主要 的是开关量的冗余容错控制，现有技术中开关量输出通道冗余方式有两种：a、 双冗余开关量输出通道，通过高选或低选方式进行输出；b、三冗余开关量输 出通道，采用三取二表决机制进行输出。对于用于DCS系统的三重冗余开关 量输出模块，包括三个独立的输出模块，均与系统的三个独立的控制器相连， 接收控制器传送的指令和数据，并根据指令和数据进行开关量的输出，三个 输出模块的输出最终输入到端子模块中，由端子模块进行三选二的选择，从 而驱动电路驱动器工作。常见的双冗余开关量输出通道，当一个通道发生故 障时，使得表决电路很难判断，只能通过高选或低选方式进行数据输出，即 双重冗余中只要有一个通道故障，数据输出可能就是不正确的，虽然三冗余 开关量输出通道采用三取二的表决机制，大大提供了输出数据的正确性，但 是当两个通道发生故障时，系统将导向安全，无法保障运行过程的稳定性。

因此，提供一种开关量输出通道冗余容错控制方法及冗余开关量输出通 道，以有效判断通道内部或外部故障，保障运行过程的稳定性，是本领域技 术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种开关量输出通道冗余容错控制方法及冗余 开关量输出通道，以克服现有技术中由于当两个通道发生故障时，系统将导 向安全，无法保障运行过程的稳定性的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种开关量输出通道冗余容错控制方法，应用于DEH控制系统模块三冗 余开关量输出通道，该方法包括：

所述开关量输出通道的输入端接收FPGA发出的控制信号，将所述控制 信号进行处理获取输出信号，所述输出信号各自通过二极管直接并联冗余；

所述开关量输出通道通过自检回读方式，判断所述开关量输出通道内部 或外部是否故障；

预先设置降级模式，当有故障发生时，按照所述降级模式进行输出量的 输出。

其中，所述降级模式为3-2-1-0降级模式。

其中，所述3-2-1-0降级模式具体为：所述三冗余开关量输出通道直接并 联，当其中一个通道故障不输出时则实现3降2；当其中两个通道故障不输出 时则实现2降1；当三个通道同时故障不输出时则实现1降0。

本发明在上述公开的一种开关量输出通道冗余容错控制方法的基础上， 还公开了一种冗余开关量输出通道，应用于DEH控制系统模块三冗余开关量 输出通道，该冗余开关量输出通道包括：三个相互独立的开关量输出通道、 所述开关量输出通道的输出端分别通过二极管直接并联及与所述二极管的一 端相连的开关量输出端。

其中，所述开关量输出通道的电路包括：供电电路、与所述供电电路连 接的输出电路、及与所述供电电路和输出电路相连的回读电路，其中，

所述供电电路包括开关三极管Q1、R0为所述开关三极管Q1提供基极电 流，当所述开关三极管Q1导通时阻值相同的R和R1分压，为MOS管M1 提供栅极电压，使所述MOS管M1导通；

所述输出电路包括继电器的两个节点S1和S2、防反二极管D1和嵌位二 极管D2，所述S1为常开节点，所述S2为常闭节点、所述防反二极管D1和 嵌位二极管D2为保证输出为正值；

所述回读电路包括光耦U1、反相器、限流电阻R2和限流电阻R3、及上 拉电阻R4，所述限流电阻R3为所述光耦U1提供电流，使所述光耦U1导通。

优选的，所述开关量输出通道的电路还包括：当出现短路故障时，熔断 以保护所述开关量输出通道的自恢复保险丝F1。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种开关量 输出通道冗余容错控制方法，应用于DEH控制系统模块三冗余开关量输出通 道，该方法包括：所述开关量输出通道的输入端接收FPGA发出的控制信号， 将所述控制信号进行处理获取输出信号，所述输出信号各自通过二极管直接 并联冗余；所述开关量输出通道通过自检回读方式，判断所述开关量输出通 道内部或外部是否故障；预先设置降级模式，当有故障发生时，按照所述降 级模式进行输出量的输出。该方法通过三个独立的冗余开关量输出通道，具 有降级模式，并通过自检回读机制，有效判断通道内部或外部故障，保障了 运行过程的稳定性。本发明还公开了一种冗余开关量输出通道，其输出端通 过二极管直接并联冗余，并通过降级模式，从而极大的提高了整个系统的容 错能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面 描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不 付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种开关量输出通道冗余容错控制方法的流 程图；

图2为本发明实施例公开的一种冗余开关量输出通道的结构示意图；

图3为本发明实施例公开的开关量输出通道电路硬件框图；

图4为本发明实施例公开的开关量输出通道电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种开关量输出通道冗余容错控制方法，应用于DEH控制 系统模块三冗余开关量输出通道，该方法包括：所述开关量输出通道的输入 端接收FPGA发出的控制信号，将所述控制信号进行处理获取输出信号，所 述输出信号各自通过二极管直接并联冗余；所述开关量输出通道通过自检回 读方式，判断所述开关量输出通道内部或外部是否故障；预先设置降级模式， 当有故障发生时，按照所述降级模式进行输出量的输出。该方法通过三个独 立的冗余开关量输出通道，具有降级模式，并通过自检回读机制，有效判断 通道内部或外部故障，保障了运行过程的稳定性。本发明还公开了一种冗余 开关量输出通道，其输出端通过二极管直接并联冗余，并通过降级模式，从 而极大的提高了整个系统的容错能力。

请参阅附图1，为本发明实施例公开一种开关量输出通道冗余容错控制方 法的流程图。本发明实施例公开了一种开关量输出通道冗余容错控制方法， 应用于DEH控制系统模块三冗余开关量输出通道，该方法步骤具体包括：

步骤101：开关量输出通道的输入端接收FPGA发出的控制信号，将控制 信号进行处理获取输出信号，输出信号各自通过二极管直接并联冗余。

步骤102：开关量输出通道通过自检回读方式，判断开关量输出通道内部 或外部是否故障。

具体的，自检回读方式判断内部故障或外部故障的具体方式：

1.通过回读与输出状态的比较，可以自检整个回路的故障，只要发生不 一致，无论是通道内部故障或外部故障，均可以检出。

2.刚上电时，若回读值DO_TEST与输入值DO不一致时，判断通道内 部故障。

3.若通道内部正常，则控制继电器S1闭合，S2断开，电路正常工作， 当DO_TEST与DO不一致时，此时关断S1，先检测通道内部是否故障，如 果通道内部正常，则判断外部短路。

4.当外部发生短路时，间歇性的控制S1闭合，判断外部是否恢复正常。

步骤103：预先设置降级模式，当有故障发生时，按照所述降级模式进行 输出量的输出。

其中，上述所述的降级模式为3-2-1-0降级模式。所述3-2-1-0降级模式 具体为：所述三冗余开关量输出通道直接并联，当其中一个通道故障不输出 时则实现3降2；当其中两个通道故障不输出时则实现2降1；当三个通道同 时故障不输出时则实现1降0。

本发明公开了一种开关量输出通道冗余容错控制方法，应用于DEH控制 系统模块三冗余开关量输出通道，该方法包括：所述开关量输出通道的输入 端接收FPGA发出的控制信号，将所述控制信号进行处理获取输出信号，所 述输出信号各自通过二极管直接并联冗余；所述开关量输出通道通过自检回 读方式，判断所述开关量输出通道内部或外部是否故障；预先设置降级模式， 当有故障发生时，按照所述降级模式进行输出量的输出。该方法通过三个独 立的冗余开关量输出通道，具有降级模式，并通过自检回读机制，有效判断 通道内部或外部故障，保障了运行过程的稳定性。

在上述本发明公开的实施例的基础上，本发明实施例还公开了一种冗余 开关量输出通道，应用于DEH控制系统模块三冗余开关量输出通道，该冗余 开关量输出通道包括：三个相互独立的开关量输出通道201、所述开关量输出 通道201的输出端分别通过二极管202直接并联及与所述二极管202的一端 相连的开关量输出端203。具体的，请参阅附图2，为本发明实施例公开的一 种冗余开关量输出通道的结构示意图。如图2所示，三个开关量输出通道在 三个模块上各自独立，输出端通过二极管直接并联冗余，实现降级模式，从 而极大的提高了整个系统的容错能力。

其中，上述所述的降级模式为3-2-1-0降级模式。所述3-2-1-0降级模式 具体为：所述三冗余开关量输出通道直接并联，当其中一个通道故障不输出 时则实现3降2；当其中两个通道故障不输出时则实现2降1；当三个通道同 时故障不输出时则实现1降0。

具体的，请参阅附图3，为本发明实施例公开的开关量输出通道电路硬件 框图。所述开关量输出通道的电路包括：供电电路、与所述供电电路连接的 输出电路、及与所述供电电路和输出电路相连的回读电路，其中，

所述供电电路包括开关三极管Q1、R0为所述开关三极管Q1提供基极电 流，当所述开关三极管Q1导通时阻值相同的R和R1分压，为MOS管M1 提供栅极电压，使所述MOS管M1导通；所述输出电路包括继电器的两个节 点S1和S2、防反二极管D1和嵌位二极管D2，所述S1为常开节点，所述 S2为常闭节点、所述防反二极管D1和嵌位二极管D2为保证输出为正值；所 述回读电路包括光耦U1、反相器、限流电阻R2和限流电阻R3、及上拉电阻 R4，所述限流电阻R3为所述光耦U1提供电流，使所述光耦U1导通。

优选的，上述所述开关量输出通道的电路还包括：当出现短路故障时， 熔断以保护所述开关量输出通道的自恢复保险丝F1。

当控制信号DO为“1”时，U1导通，输出“0”经反相器后回读“1”， S1和S2为继电器的两个节点，其中S1为常开节点，S2为常闭节点，D1为 防反二极管，D2为嵌位二极管，保证输出为正值。

DO是FPGA发出的控制信号，控制P沟道MOS管M1的通断，DO为 “1”时，开关三极管Q1导通，MOS管M1栅极电压12V，MOS管M1导通， DO为“0”时，开关三极管Q1关断，MOS管M1栅极电压24V，MOS管 M1截止。S1和S2为同一继电器的两个独立节点，S1为常开节点，S2为常 闭节点。DOUT为输出信号，DO_TEST为上报FPGA的回读信号，U1为光 耦隔离开关通道与回读电路，回读电路与板内控制器部分连接。

为了防止因通道短路故障引起的控制器部分电路损坏，F1为自恢复保险 丝，其开关容量为200mA，当出现短路故障时，200mA保险丝F1熔断以保 护通道，待故障排除后，F1自恢复保险丝自动恢复接通状态。

工作原理：当DO为“1”时，DO_TEST为“1”，DO为“0”时，DO_TEST 为“0”，具体的为：

1．刚上电时，继电器不动作，开关S1断开，S2闭合，系统输出与外界 脱离因开关S1为断开状态，信号不会经过D1输出，即使此时S1发生粘连故 障，因为S2为闭合状态，输出接地，将导向安全，不影响外部输出，通过回 读值DO_TEST可判断通道内部是否故障，若通道正常，则控制S1闭合，S2 断开，电路正常工作。通过继电器特性可知，小电流情况下，开关先断后合。

2．电路正常工作时，继电器不动作，由MOS管负责DO输出，输出电 流最大200mA。

3.检测到输出与回读不一致，则控制S1断开，S2闭合。

对其故障分析：自检的原则是检出通道故障，不区分具体的故障原因， 以下所说的不影响外部状态是指在冗余模式下：

1.通过回读与输出状态的比较，可以自检整个回路的故障，只要发生不 一致，无论是通道内部故障或外部故障，均可以检出。

2.刚上电时，若回读值DO_TEST与输入值DO不一致时，判断通道内 部故障。

3.若通道内部正常，则控制继电器S1闭合，S2断开，电路正常工作， 当DO_TEST与DO不一致时，此时关断S1，先检测通道内部是否故障，如 果通道内部正常，则判断外部短路。

4.当外部发生短路时，间歇性的控制S1闭合，判断外部是否恢复正常。

具体的，请参阅附图4，为本发明实施例公开的开关量输出通道电路原理 图。如图4所示为DO电路原理图，DO1为输入控制信号，DO1_OUT为输出 信号，DO1_TEST为回读信号，DO_K1为继电器控制信号。

当输入控制信号DO1为“1”时，Q14导通，+24V_DO经电阻R810， R811分压后得到MOS管栅极电压为+12V，MOS管导通；刚上电时，继电 器不工作，此时常开节点断开，常闭节点闭合，输出与外界脱离，不影响外 部输出，通过回读值DO_TEST可判断通道内部是否故障，若通道正常，则控 制S1闭合，S2断开，电路正常工作，通过MOS管输出最大200mA的DO 信号。

当输入控制信号DO为“0”时，MOS管栅极电压为+24V，MOS管截止。 K9为欧姆龙的G6B型小功率继电器，具有相互独立的一路常开、一路常闭触 点，二极管D343保护MOS管，防止因电阻R810短路导致MOS管损坏， D130为防反二极管，当多路DO冗余工作时，二极管D130可以防止电流倒 灌。

综上所述：本发明公开了一种开关量输出通道冗余容错控制方法，应用 于DEH控制系统模块三冗余开关量输出通道，该方法包括：所述开关量输出 通道的输入端接收FPGA发出的控制信号，将所述控制信号进行处理获取输 出信号，所述输出信号各自通过二极管直接并联冗余；所述开关量输出通道 通过自检回读方式，判断所述开关量输出通道内部或外部是否故障；预先设 置降级模式，当有故障发生时，按照所述降级模式进行输出量的输出。该方 法通过三个独立的冗余开关量输出通道，具有降级模式，并通过自检回读机 制，有效判断通道内部或外部故障，保障了运行过程的稳定性。本发明还公 开了一种冗余开关量输出通道，其输出端通过二极管直接并联冗余，并通过 降级模式，从而极大的提高了整个系统的容错能力。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用 本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易 见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下， 在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例， 而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。