输入通道诊断的制作方法

文档序号:6286320阅读:149来源:国知局
专利名称:输入通道诊断的制作方法
技术领域
本发明涉及用于工业过程控制系统的输入通道诊断,所述输入通道诊 断具体用于适用于诸如以下系统之类的示例性系统的工业过程控制系统
紧急停机系统;
临界工艺控制系统;
火气监测和防护系统;
旋转机械控制系统;
燃烧器管理系统;
锅炉和加热炉控制系统;以及
分布式监测和控制系统。
这种控制系统可应用于许多工业,包括油气生产和精炼、化学生产和 加工、发电、造纸和纺织工厂、以及污水处理厂。
背景技术
在工业过程控制系统中,容错性极为重要。容错性是用于在系统内的 一个或更多个故障的情况下继续安全运行的能力。通常才艮据安全完整性等 级(SIL)大小来对容错性进行分类,其中较高的SIL意味着较优的安全 性能。在IEC 61508标准(电器/电子/可编程电子安全相关系统的功能安 全)中定义了 SIL,并且SIL专用于IEC 61511 (过程工业领域的安全仪 表系统的功能安全)中的过程工业。同的技术来实现,每种技术具有其特定的优 点和缺点。
提供冗余的系统的示例是三模冗余(TMR)系统。利用TMR,临界 电#三重化,并且同时独立地执行相同功能。从三个电路中的每个电路
输出的数据在影响系统的输出之前在多lt4决电路中^^决。如果三重化 的电路中的一个电路失败,则该一个电路的数据输出被忽略。但是,系统 继续向过程输出与多数的功能电路相一致的值(电压、电流电平或离散输 出状态)。TMR提供了被配置用于连续的可预测操作的系统的这种操作。
但是,如果实际上并不需要完整的TMR,则实现TMR系统是昂贵 的,并且期望利用提供灵活性的体系结构,以便可以提供取决于特定的系 统需求的不同的容错等级。
另一容错方法是使用热^#模块。该方法提供了如下的容错等级在 模块故障的情况下,*模块借由该容错等级来维持系统工作。利用该方 法,如果所述模块自身并不容错,则在切换时段期间可能存在若干对系统 工作的中断。
容错系统理想地创建故障包容区(FCR),以确保在FCR边R内 的故障不会传播到该系统的剩余部分。这使得多个故障能够并存于系统的 不同部分上而不影响工作。
容错系统通常使用提供了非常快的故障识别时间和响应时间的、专用 的硬件和软件测试和诊断体系,以提供较安全的系统。
安全控制系统通常被i殳计为"故障工作的/故障安全的"。故障工作意 味着在发生故障时系统继续工作系统处于故障工作状态。系统应当在该 状态下继续工作,直到发生故障的模块被替换并且该系统返回到完全工作 状态。
故障安全工作的示例发生在例如以下情况下在TMR系统中,发生 故障的模块在并联电路中发生另一故障之前未被替换,该另一故障将会导
致该TMR系统停机并it^故障安全状态。值得注意的是,即使该另一故 障不是故障安全的,只要第一个故障被检测到并被宣告且其自身是故障安 全的,那么TMR系统就仍可被i人为是安全的。
因此,期望提供一种具有输入通道诊断的用于工业控制过程的输入模 块,以使得任何输入通道上的故障被包容并且不影响正在对相同的源进行 测量的其它并行模块的测量。还期望能够测试或检查输入模块的正确工作。最后,如果发生过载状态,则如果输入模块是故障安全的并且可以检 测到该状态和报告该状态,那么这也是有用的。

发明内容
根据本发明的输入模块致力于解决上文讨论的问题中的一个或更多 个问题。根据本发明的一方面,提供了一种用于接收来自传感器信号源的 经调节的传感器信号的输入电路。该输入电路包括运算放大器以及一个或 更多个串联电阻器。所述串联电阻器具有至少比所述经调节的传感器信号 源的电阻的量值大两个数量级的总电阻。
优选地, 一个或更多个串联电阻器包括具有基本上等于IMO的合成 电阻的两个电阻器。优选地,该合成电阻约为源电阻的IOOO倍。
在优选的方面中,在第一 串联器的下游存在与信号源电压相并联的低 值电容器,用于提供低通噪声滤波器。
根据本发明的另 一方面,提供了 一种用于接收传感器信号并将该信号 转换到期望的电压范围以供输入电路使用的场调节电路。该场调节电路包 括感应电阻器、与该感应电阻器相串联的熔丝、以及用于确定该熔丝何时 已熔断的输出端。
优选地,齐纳二极管被定向为与该熔丝相串联并与负载电阻器相并 联,以用于提供负载终端润湿电流和电压衰减。
根据本发明的又一方面,提供了 一种用于接收传感器信号并将该信号 转换到期望的电压范围以供输入电路使用的场调节电路。该场调节电路包 括与辅助感应电阻器相串联的主感应电阻器、用于检测横跨主感应电阻器 及辅助感应电阻器的第一电压的主输出端、以及用于检测横跨辅助感应电 阻器的第二电压的辅助输出端。
所述电阻器提供衰减,所述齐纳二极管向所述熔丝提供过驱动,以确 保所述熔丝在过电压的情况下在损坏更多的灵敏的感应电阻器之前熔断。
根据本发明的另 一方面,提供了 一种用于安全临界系统的场调节电路 中的故障检测方法。该方法包括接收来自传感器的输入感应信号,使用 与辅助感应电阻器相串联的主感应电阻器的输出#测第一输出信号,使 用所述主感应电阻器的输出来检测第二输出信号,以及将取决于所述第一 输出信号和所述第二输出信号的信号发送至处理器以用于分析。优选地,该方法在将所述信号发送至处理器以用于分析之前,还利用 第 一 高阻抗输入电路和模数转换器来处理第 一输出信号,并利用第二高阻 抗输入电路和模数转换器来处理第二输出信号。
在优选的方面中,该方法还对通道专用的差错校验数据进行编码,该 差错校验数据随所述信号一起被发送至处理器以用于分析。
根据本发明的另 一方面,提供了 一种对用于安全临界系统的输入通道
进行内部测试的方法。该方法包括将阈下扰动信号添加到要施加给输入 电路的输入信号上。该方法检测所述输入电路的输出信号,并确定所述扰 动信号的添加是否导致所述输出信号的变化。


现在将参照附图仅以示例方式来描述本发明的实施例,在附图中
图1是示出了装备有本发明的设备且可根据本发明的方法来操作的 分布式工业过程控制系统的体系结构的图示;
图2示意性地例示了图1所示的工业过程控制系统的控制器;
图3例示了图2所示的控制器的可能的配置;
图4示出了用于图3的输入装置和输出装置的各种选项;
图5示出了实现三取二表决策略的输入模块系统的一种可能的配置;
图6例示了用于三取二表决策略的输入模块系统的另一可能的配置;
图7是示出了输入模块的示意性图示;
图8是根据本发明的数字输入终端装置的电路图9是根据本发明的模拟输入终端装置的电路图10是输入通道的图示;以及
图lla和lib是示出了根据本发明的输入电路的电路图。
具体实施例方式
在图1所示的工业过程控制系统中,分布式体系结构祐i殳计以用于不 同的SIL环境中,使得如果需要高的SIL则可以提供高的SIL,但是如 果只需要低的SIL,则该系统可以被降低复杂度,由此减少不必要的额外成本。
示例性工业过程控制系统10包括工作站12、一个或更多个控制器14 以及网关16。工作站12经由至一个或更多个控制网络13的以太网连接 18而与控制器14和网关16进行通信。多个以太网连接18提供了冗余以 改善容错性。工作站12可以经由传统的以太网连接11而连接到另一外部 网络15。
现在将参照图2和3更详细地描述控制器14。
图2示出了控制器14的示意图,控制器14包括输入装置22、处理 器装置24和输出装置26。在该示意性图示中,输入装置24和输出装置 26位于不同的输X/输出a/o)底板上,但是它们同样可以共享单个底板。
从具有三个槽以容纳多达三个模块的一个或更多个通信底板部分中 创建装置22、 24、 26以及终端装置,所述终端装置具有一个、两个或三 个槽并与场传感器和换能器相接口 。终端装置可以横跨两个连续的底板部 分。模块包括具有用于插到通信底板和终端装置上的多个接插件的插入 卡。
应当理解,在通信底板部分中具有三个槽是一个设计选项,在不偏离 所附的权利要求中限定的本发明的范围的情况下,使用更多(或更少)的 槽的其它设计选项是可行的。
图3示出了控制器14的可能的物理配置。在本发明的本实施例中, 通过将不同类型的模块分组到分离的通信底板上,使得输入装置22、输 出装置26和处理器装置24在物理上彼此相分离。
在所示出的示例中,输入装置22包括两个通信底板部分22'、 22"。 第一个底板部分22'具有三重输入终端装置和三个输入模块22a、 22b、 22c,第二个底板部分22"具有双重输入终端装置22"和两个输入模块22d、 22e。处理器装置24包括具有三个处理器模块24a、 24b和24c的单个处 理器底板部分24'。输出装置26包括两个底板部分26'、 26"。第一个底板 部分26'具有双重输出终端装置,该双重输出装置具有两个输出模块26a、 26b,第二个底板部分26"具有单一的输出终端装置,该单一的输出终端 装置具有单个输出模块26c。
现在将参照图4更详细地描述输入装置22的灵活性。
输入装置22包括一个或更多个底板部分以及终端装置22' 、 22" 、 22"' 等。例如,具有三个模块22a、 22b、 22c的三重部分22'可以用于高可用性需求,具有两个模块22d、 22e的双重部分22"可以被提供用于容错应 用,具有单个模块22f的单一部分22"'可以被提供用于故障安全应用。终 端装置可以具有不同类型的场调节电路。例如,装置22'可以具有24V直 流场调节电路41,装置22"可以具有120V直流场调节电路42,装置22'" 可以具有4-20mA场调节电路43。类似地,示出了用于输出装置26的可 能的配置。应当理解,具有各种不同数量的模块和各种不同类型的场调节 电路的底板部分和终端装置的诸多配置是可行的,并且本发明不限于在这 些示例中示出的那些配置。
在装置为了冗余目的而提供了多于一个模块的情况下,可以在工业过 程控制系统工作时用替换模块来替掩义生故障的模块,在此也将此称为在 线替换(即,可以进行替换而不必执行系统停机)。对于单一装置而言, 在不中断过程的情况下在线替换不可行。在这种情况下,各种"保持最后 状态"的策略可能是可接受的,或者也可以将传感器信号路由至在系统中 别的地方的不同模块。
在替换处理器模块变得有效之前,处理器装置使用来自并行模块的数 据来配置该替换处理器模块。
场调节电路41、 42、 43将从传感器监测工业过程控制装备接收的信 号转换到期望的电压范围,并根据需要将该信号分发给输入模块。每个场 调节电路41、 42、 43还取决于输入终端装置的配置而连接到场电源(field power)和场回路(field return)(或接地装置),所述场电源和场回路(或 接地装置)可以按通道地独立地与所有其它接地装置相隔离。由于独立的 通道隔离是最灵活的,因此它是优选的配置。场调节电路41、 42、 43包 括简单的非有效部分,并且不可在线替换。
图5和图6例示了在此描述的体系结构的灵活性,其示出了用于生成 与高可用性需求相一致的SIL3信号的三重系统的不同的配置。参照图5, 三模块输入装置51经由终端装置54中的场调节电路来接收来自传感器 50的信号。场调节电路54将信号转换到期望的电压范围,并将信号分发 给三个重复的输入模块53a、 53b、 53c。每个输入模块对该信号进行处理, 并且结果^L送给三^n表决器52,以生成依赖于所述结果的结果信号。
参照图6,重复的传感器60a、 60b、 60c各自经由终端装置64a、 64b、 64c中的相应的场调节电路而将信号发送给相应的单一装置61a、 61b、 61c。每个输入模块63a、 63b、 63c处理该信号,并将输出发送给三取二 表决器62,以生成依赖于所述输出的信号。应当理解,除了在此例示的这些变化和配置之外的许多变化和配置也是可行的。
图7示意性地例示了根据本发明的输入模块70。
输入模块70包括八个隔离的通道71。每个通道71接收来自终端装 置74中的场调节电路的信号72、 73a、 73b。每个通道与经由未隔离的底 板接口 76而与I/O底板(未示出)相接口的场可编程门阵列(FPGA) 75进行通信。发光二极管(LED) 77用于经由红色指示器和绿色指示器 来指示模块的状态。
应当理解,具有八个通道是一个设计选项,并且在不偏离所附的权利 要求中限定的本发明的范围的情况下,使用更多(或更少)的通道的其它 设计选项是可行的。
现在将参照图8和9更详细地描述终端装置74和信号72、 73a、 73b。
图8例示了根据本发明的数字输入场调节电路,图9例示了根据本发 明的模拟输入场调节电路。
现在参照图8,用于测量高电平场输入电压的数字输入场调节电路包 括与熔丝92串联连接的雪崩二极管或齐纳二极管91。当向输入端施加了 极限过载时,二极管91迫使熔丝熔断。熔断熔丝信号72被输出至输入模 块,以允许输入模块感测到熔断熔丝状态和报告熔断熔丝状态。
在本发明的优选实施例中,第一感应电阻器93具有IOOQ的电阻,第 二感应电阻器94具有20Q的电阻。熔丝的4吏用意味着感应电阻器93、 94 只需要工作至熔丝的最大额定值,在优选实施例中该最大额定值为 50mA。在优选实施例中,齐纳二极管91与电阻器95并联连接。电阻器 95用于提供"润湿电流"终端电阻,以用于除了提供电压衰减之外还向 感应电阻器93、 94提供电流。
参照图9,用于测量场4-20mA模拟电流环路信号的模拟输入场调节 电路包括与感应电阻器103、 104相串联的熔丝101。此外,熔丝的使用 意味着感应电阻器93、 94只需要工作至熔丝的最大额定值,在优选实施 例中该最大额定值为50mA。此外,熔断熔丝信号72被输出至输入模块, 以允许输入模块感测到熔断熔丝状态和报告熔断熔丝状态。
图8和图9所示的场调节电路输出主感应信号73a和辅助感应信号 73b,现在将参照图10来更详细地描述输入通道71对主感应信号73a和 辅助感应信号73b的^f吏用。输入通道71包括熔断熔丝电路111、主输入电路113和辅助输入电路
112。
图10例示了如何为了确定主测量器件的正确工作而使用辅助并行异 构测量通道112来感测辅助感应信号73b。辅助通道4吏用与主通道所使用 的电阻器93/103相串联的附加感应电阻器94/104来测量辅助感应信号 73b。
的感应电阻器、输入调节电路和m转换器中的任一者中的漂移故障。
来自感应电阻器103和104 (或93、 94 )的串联组合的信号73b连接 到辅助输入电路112。输入电路112将模拟输出信号109b发送至微计算 机114,在微计算机114处通过十位分辨率^转换器116将模拟输出信 号109b转换成数字辅助感应信号。
类似地,来自感应电阻器104 (或94)的信号73a连接到主输入电路 113。输入电路113将模拟输出信号109a发送至微计算机115,在微计算 机115处通过十六位分辨率m转换器117将模拟输出信号109a转换成 数字主感应信号。
应当理解,优选实施例中的数模转换器的精确度只是一个设计选项, 在不偏离所附的权利要求中限定的本发明的范围的情况下,使用更大(或 更小)的精确度的其它设计选项是可行的。
微计算机115将数字主感应信号发送至微计算机114,在微计算机114 处将数字主感应信号连同数字辅助感应信号一fet送至FPGA75(图7), 用于转交给处理器模块以供分析。
处理器模块对这两个感应信号进行比较,并报告在预定的精度等级内 的任何误差。
对高分辨率主信号检查最低有效位的变化。微计算机115生成小的扰 动信号119,如果输入信号具有静态特性,即,如果在预定时间内不存在 最低有效位的变化,则可以将所述小的扰动信号119添加到主模拟感应信 号73a上。由于^lt转换器117的高分辨率,该系统的固有性质是应当存 在由最低有效位记录的噪声。
扰动测试信号幅度被缩放为具有相对于最终输出特有的分辨率(在优 选实施例中为十二位)的阈下幅度,但H以确保输入通道能够记录动态
活动,即,通过引起最低有效位的值的变化来记录动态活动。用于输入通道的校准系数被局部存储在每个微计算机114、 115中。 在通道被校准时,将通道号随校准数据一起存储,以提供用于检测通道独 立性故障。通道号被转换(factor)为循环冗余校验(CRC)码,该循环 冗余校验码被从微计算机114发送至处理器模块,使得根据处理器模块所 检测到的CRC差错将会检测到通道之间的任何干扰。
由于在终端装置中的场调节电路中使用了两个串联的电阻器,因此可 以检测到在它们之上发生的安全临界的漂移误差。如果多于一个的输入模 块,皮安装用于监测终端装置电压,则可以将误差故障与输入模块测量通道 之一或终端装置相隔离。
在使用冗余的系统中重要的是防止一个输入电路上的短路故障影响 接i!M目同信号的另 一重复的输入电路所进行的测量。
图lla例示了包括低输入电流低偏移电压运算放大器81 (例如模拟 器件公司的AD8538 )的输入电路112。运算放大器81经由与输入信号串 联连接的两个高值电阻器83、 84来接收输入信号73b,以提脉晴确的电 压跟随器。在本实施例中,每个电阻器83、 84的值是499KQ,由此提供 了约1MQ的总串联电阻。这提供了在短路故障(或低阻抗短路型故障) 的情况下对输入电流的限制。还预见了除了提供诸如上文讨论的1MQ 之类的静态电阻阈值之外,所述串联电阻还可以被提供为取决于源信号的 电阻。 一个这样的配置提供了约为源电阻的1000倍的串联电阻。
图lib例示了具有用于接收扰动测试信号119的测试通路的、类似的 输入电路113。用标以符号","的类似编号来标记图lla和llb中的类似 组件。
对于装备有约为IMO的串联电阻的那些实施例而言,如果信号源具 有1 KD的输入电阻,则由于该串联电阻约比信号源的电阻大三个数量级, 因此由这种故障导致的信号干扰将小于0.1%。优选地,合成电阻至少比 信号源电阻大两个数量级,并且更为优选地,合成电阻至少比信号源电阻 大三个数量级。优选地,4C供一个或更多个低值电容器以用于提供低通噪 声滤波。如果该电容器具有47 pF的值,则该低通滤波器的截止频率为 6.8 KHz。电容器85的短路故障将导致来自具有1 KH的输入电阻的信号 源的0.2%的干扰。但是,在本发明的优选实施例中,信号源电阻为120 n。
应当理解,为了清楚起见在各自的实施例的上下文中描述的本发明的 某些特征也可以在单个实施例中以组合方式提供。相反地,为了简洁起见在单个实施例的上下文中描述的本发明的各种特征也可以个别地提供或 以任何适当的组合方式来提供。
应当认识到,在不偏离所附的权利要求中限定的本发明的范围的情况 下,可以将各种变更、修改和/或添加引入上述部分的结构和布置中。
权利要求
1.一种用于接收来自经调节的传感器信号源的经调节的传感器信号的输入电路,所述输入电路包括一个或更多个串联电阻器;运算放大器;以及其中所述串联电阻器具有至少比所述经调节的传感器信号源的电阻的量值大两个数量级的总电阻。
2. 根据权利要求1所述的输入电路,其中所述一个或更多个串联电 阻器包括具有合成电阻的两个电阻器,所述合成电阻介于约1MQ与约为 所述经调节的传感器信号源的电阻的1000倍之间。
3. 根据权利要求1所述的输入电路,还包括与所述信号源电压相 并联的用于提供低通噪声滤波器的低值电容器。
4. 一种用于接收传感器信号并将所述传感器信号转换到期望的电压 范围以供输入电路使用的场调节电路,其中所述场调节电路包括感应电阻器;与所述感应电阻器相串联的熔丝;以及 用于确定所述熔丝何时已熔断的输出端。
5. 根据权利要求4所述的场调节电路,其中所述感应电阻器还被限 定为主感应电阻器,并且所述调节电路包括与所述主感应电阻器相串联的 辅助感应电阻器。
6. 根据权利要求4所述的场调节电路,其中所述输出端包括对横跨所述主感应电阻器及所述辅助感应电阻器的第一电压进行检 测的主输出端;以及用于检测横跨所述辅助感应电阻器的第二电压的辅助输出端。
7. —种用于安全临界系统的场调节电路中的故障检测方法,所述方 法包括接收来自传感器的输入感应信号;从与辅助感应电阻器相串联的主感应电阻器的输出中检测第一输出 信号;从所述主感应电阻器的输出中检测第二输出信号;将取决于所述第一输出信号和第二输出信号的信号传送至处理器以 用于分析。
8. 根据权利要求7所述的方法,还包括 在将所述信号传送至所述处理器以用于分析之前,利用第 一 高阻抗输入电路和模数转换器来处理所述第 一输出信号;以及利用第二高阻抗输入电路和模数转换器来处理所述第二输出信号。
9. 一种对用于安全临界系统的输入通道进行内部测试的方法,所述 方法包括将扰动信号添加到要施加给输入电路的输入信号;检测来自所述输入电路的输出信号;以及确定所述扰动信号的添加是否导致了所述输出信号的变化。
10. 根据权利要求9所述的方法,其中所述扰动信号被确定为所述输 出信号的工作值的阈下缩放的幅度。
11. 根据权利要求9所述的方法,其中从输入电路传递所述输入信号, 所述输入电路包括具有总电阻的一个或更多个串联电阻器,所述总电阻介 于约1MQ与约为所述经调节的传感器信号源的电阻的1000倍之间。
12. 根据权利要求9所述的方法,还包括通过布置与信号源电压相 并联的低值电容器,对所述经调节的传感器信号源进行低通噪声滤波。
13. 根据权利要求9所述的方法,还包括通过被定向为与熔丝相串 联且与一个或更多个串联电阻器相并联的齐纳二极管,提供负载终端润湿 电;危和电压衰减。
全文摘要
本发明涉及输入通道诊断。公开了一种输入电路、场调节电路、故障检测方法以及对用于安全临界系统的输入通道进行内部测试的方法。本发明涉及用于工业过程控制系统的输入通道诊断。本发明提供了涉及故障包容、过载保护和输入通道诊断的、改进的设备和方法。其中所述输入电路用于接收来自经调节的传感器信号源的经调节的传感器信号,包括一个或更多个串联电阻器以及运算放大器,其中所述串联电阻器具有至少比所述经调节的传感器信号源的电阻的量值大两个数量级的总电阻。
文档编号G05B23/02GK101539779SQ200910005138
公开日2009年9月23日 申请日期2009年2月1日 优先权日2008年2月1日
发明者托马斯·布鲁斯·马尔, 杰拉尔德·罗伯特·克里奇 申请人:Ics三重技术有限公司
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