专利名称：一种高可靠性模拟量输出装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高可靠性模拟量输出装置，属于大型操作系统的信号输出领域。
背景技术：
DCS是数字控制系统(Digital Control System)的简称，国内一般习惯称为数字 控制系统。它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(Computer)、通讯(Communication)、显示(CRT)和控制(Control)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、组态方便。DCS的控制决策是由过程控制站完成的，所以控制程序是由过程控制站执行的。控制系统需要建立信号的输入和输出通道，这就是1/0。DCS中的1/0—般是模块 化的，一个1/0模块上有一个或多个1/0通道，用来连接传感器和执行器。目前通用的10模块包括AI为模拟量输入信号；AO为模拟量输出信号；DI为数字 量输入信号；DO为数字量输出信号，其中作为控制驱动模拟信号执行机构动作的AO模块， 目前现有技术和产品其基本的设计结构和原理大体如
图1所示模拟量输出模块作为的现场控制站的输出控制10节点，通过现场总线通讯接收 组态下发的各通道配置输出值数据，在本地进行数模转换后，由电流驱动电路输出电流。现有工业应用模拟量输出模块，从核安全级仪控系统智能10板卡应用角度考虑， 在产品可靠性方面无法满足要求，具体的说，普通的模拟量输出模块仅仅在功能上满足正 常使用在产品运行可靠性保证，以及故障诊断，运行自监视以及通讯独立性等等方面，核安 全级智能10板卡需要具备的性能上没有很好的实现。DCS系统是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求的日益复杂 应运而生的综合控制系统，它是计算机技术、系统控制技术、网络通讯技术和多媒体技术相 结合的产物，可提供窗口友好的人机界面和强大的通讯功能，是完成过程控制、过程管理的 现代化设备。现场控制站(FCS)接收来自工业控制现场的传感器或变送器的信号，进行运算处 理后，发送给现场的执行器，完成对现场设备的控制，并通过网络与外界交换数据。FCS可 以理解为具备输入输出和数据处理功能的数字计算机，通过输入板卡采集现场仪表的数 据，数据运算板卡处理完成信号转换和逻辑运算功能，通过输出板卡输出信号到现场执行
器ο模拟量输出板卡作为FCS中完成输出模拟信号功能的智能10板卡，在通用DCS系统中经过几十年的发展，其应用已经比较成熟，如北京和利时公司的针对核电站常规岛非 安全级系统开发的匪系列产品中，其模拟量输出模块在沿用常规模拟量输出设计基本思 路的情况下，已经增加开发了一些如DA输出回读，热插拔等功能，产品的安全性和可靠性 已经比常规电厂DCS系统有了一定幅度的提高。
发明内容
本发明是针对目前现有模拟量输出装置产品的可靠性无法满足核站安全级仪控 系统的要求，提供一种高可靠性模拟量输出装置。本发明是通过如下技术方案实现的一种高可靠性模拟量输出装置的设计，所述模拟量输出装置包括D/A转换模块、 电流驱动输出模块、A/D输出回读模块、MCU、复杂逻辑编程控制器及通讯电路组成，其特征 在于所述的电流驱动输出模块为电流驱动器，电流驱动器与信号连接器连接输出电流信 号；D/A转换模块为数字信号转换为模拟信号的芯片，D/A转换模块的一端与电流驱动模块 连接，D/A转换模块的另一端通过串行外围设备接口 SPI与MCU连接；A/D输出回读模块为 将模拟量转换为数字量的转换器，A/D输出回读模块的一端与电流驱动模块连接，A/D输出 回读模块的另一端与串行外围设备接口 SPI连接；所述模拟量D/A转换模块通过SOT总线 接收IO通信单元板卡下行的配置数据，并将配置数据通过SPI 口各通道输入DA芯片中，控 制DA输出，DA输出的电压经电流驱动电路模块输出信号，电流驱动电路模块上设有报警输 出信号EFCM和EFLD及在电流输出总线末端设置信号回读输出信号，回读的输出信号经A/D 输出回读模块处理，通过SPI 口送回板卡MCU，MCU与通道设定值进行比较判断输出状态。所述电流驱动器内部集成Ia检测负载两端电压，Iaott输出成比例电流信号，配置 采样电阻Ria，将配置采样电阻Ria上的电压输入AD，通过AD输出值结合当前通道输出电流 值，即可计算获得通道负载阻抗。所述电流驱动器计算获得通道负载阻抗的步骤具体设计如下考虑板卡输出电流信号Iott时，驱动负载不低于HRS连接器电阻Rhks，按照负载固 定数值时Ria上采样电压为U,配置电阻Rmin，Ria分别选取固定的电阻值根据电流驱动器内部仪放部分工作原理满足如下公式
权利要求
1.一种高可靠性模拟量输出装置，所述模拟量输出装置包括D/A转换模块、电流驱动 输出模块、A/D输出回读模块、MCU、复杂逻辑编程控制器及通讯电路组成，其特征在于所 述电流驱动输出模块为电流驱动器，电流驱动器与信号连接器连接输出电流信号；D/A转 换模块为数字信号转换为模拟信号的芯片，D/A转换模块的一端与电流驱动模块连接，D/A 转换模块的另一端通过串行外围设备接口 SPI与MCU连接；A/D输出回读模块为将模拟量 转换为数字量的转换器，A/D输出回读模块的一端与电流驱动模块连接，A/D输出回读模块 的另一端与串行外围设备接口 SPI连接；所述模拟量D/A转换模块通过sm总线接收IO通 信单元板卡下行的配置数据，并将配置数据通过SPI 口各通道输入DA芯片中，控制DA输 出，DA输出的电压经电流驱动电路模块输出信号，电流驱动电路模块上设有报警输出信号 EFCM和EFLD及在电流输出总线末端设置信号回读输出信号，回读的输出信号经A/D输出回 读模块处理，通过SPI 口送回板卡MCU，MCU与通道设定值进行比较判断输出状态。
2.根据权利要求1所述的一种高可靠性模拟量输出装置，其特征在于所述电流驱动 芯片内部集成Ia检测负载两端电压，1_输出成比例电流信号，配置采样电阻Ria，将配置采 样电阻Ria上的电压输入AD，通过AD输出值结合当前通道输出电流值，计算获得通道负载 阻抗。
3.根据权利要求2所述的一种高可靠性模拟量输出装置，其特征在于所述电流驱动 器计算获得通道负载阻抗的步骤具体设计如下考虑板卡输出电流信号Itm时，驱动负载不低于HRS连接器电阻Rhks，按照负载固定数 值时Ria上采样电压为U,配置电阻Rmin，Ria分别选取固定的电阻值根据电流驱动器内部仪放部分工作原理满足如下公式
4.根据权利要求3所述的一种高可靠性模拟量输出装置，其特征在于电流驱动输出 模块采取在输出信号终端进行输出电路信号回读处理，所述输出电路信号回读处理为在板 卡输出通道最末端的电流环路上串接一个小阻值的检测电阻，通过采样这个小电阻上的压 降，经A/D回读通过SPI 口送回板卡MCU，与对应通道设定值进行比对，做为通道输出正常的 判据的基准。
5.根据权利要求4所述的一种高可靠性模拟量输出装置，其特征在于所述D/A转换 模块中的数字信号转换为模拟信号的芯片采用冗余设计；A/D输出回读模块中的模拟量转 换为数字量的转换器采用冗余设计。
6.根据权利要求5所述的一种高可靠性模拟量输出装置，其特征在于sm总线驱动部 分使用网络变压器实现本板卡电路与底板通讯信号的隔离，MCU在与D/A和A/D的SPI通讯采用高速数字隔离器进行隔离，其它低速数字信号通过光耦进行隔离，8路输出通道之间 不隔离。
7.根据权利要求6所述的一种高可靠性模拟量输出装置，其特征在于板卡支持定期 检测各通道D/A控制器芯片的正常响应动态输入信号正常输出，在对上述通道进行检测时 将变换输入码值验证D/A芯片能够正常响应输出，这个检测为在线完成的，此时对应上述 通道电流输出功能保持不受影响，对D/A控制器芯片采用了冗余设计，每个通道均由一个 21模拟开关控制选择常闭触点端对外输出进入电流驱动输出芯片。
8.根据权利要求1所述的一种高可靠性模拟量输出装置，其特征在于MCU通过sm总 线接收IO通信单元板卡下行的配置数据，并将配置数据通过SPI 口各通道输入D/A芯片 中，控制D/A输出；D/A输出的电压经电流驱动器输出信号；同时在最末端的输出通道上串 接一个小阻值的检测电阻，通过采样这个小电阻上的压降，经A/D回读通过SPI 口送回板卡 MCU，与对应通道设定值进行比对，做为通道输出正常的判据。
全文摘要
本发明涉及一种高可靠性模拟量输出装置，所述模拟量输出装置包括D/A转换模块、电流驱动输出模块、A/D输出回读模块、MCU、CPLD及通讯电路，电流驱动输出模块为电流驱动器，电流驱动器与信号连接器连接输出电流信号；D/A转换模块一端与电流驱动模块连接，另一端通过串行外围设备接口SPI与MCU连接；A/D输出回读模块一端与电流驱动模块连接，另一端与串行外围设备接口SPI连接；D/A转换模块通过SN1总线接收IO通信单元板卡下行的配置数据，并将配置数据通过SPI口各通道输入DA芯片中控制DA输出，电流驱动电路模块上设有报警输出信号EFCM和EFLD及在电流输出总线末端设置信号回读输出信号，回读的输出信号经A/D输出回读模块处理，通过SPI口送回板卡MCU，MCU与通道设定值进行比较判断输出状态。
文档编号G05B19/02GK101995826SQ20091024991
公开日2011年3月30日 申请日期2009年12月4日 优先权日2009年8月25日
发明者刘伟, 程康, 郝志坚 申请人:北京广利核系统工程有限公司;中国广东核电集团有限公司