專利名稱：一種具有故障診斷能力的數(shù)字量采集電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種信號(hào)采集電路，具體涉及一種能夠識(shí)別被采集設(shè)備信號(hào)故障的數(shù)字量采集電路。
背景技術(shù)：
在工業(yè)控制系統(tǒng)(如DCS或PLC)中，各級(jí)設(shè)備的啟動(dòng)、停止，過程控制、物理量門限狀態(tài)，故障報(bào)警等開關(guān)信號(hào)的狀態(tài)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行與安全具有重要影響，對(duì)這些裝置開關(guān)量信號(hào)的采集與記錄也顯得尤為重要。因此，通常需要設(shè)計(jì)一種開關(guān)量信號(hào)采集卡，來對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行采集并上報(bào)，使得主控系統(tǒng)可以根據(jù)采集到的信號(hào)狀態(tài)做出相應(yīng)的控制保護(hù)輸出，使得整個(gè)DCS系統(tǒng)處于安全狀態(tài)?；诂F(xiàn)場(chǎng)開關(guān)量信號(hào)與DCS控制系統(tǒng)的安全隔離，已及信號(hào)采集電平轉(zhuǎn)換的必要性等，目前業(yè)界最常見的數(shù)字量采集電路通常是使用光耦或 者繼電器類器件實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)量信號(hào)的采集。如圖I所示，使用光耦進(jìn)行開關(guān)信號(hào)采集的基本原理如下，其對(duì)開關(guān)狀態(tài)信號(hào)的采集是通過施加查詢電源(Veiwil)來實(shí)現(xiàn)的，開關(guān)閉合時(shí)光耦前級(jí)二極管導(dǎo)通，根據(jù)光耦的工作原理，光耦后級(jí)三極管輸出電路將也會(huì)導(dǎo)通，從而采集到低電平信號(hào)，反之，開關(guān)的斷開則會(huì)使得光耦后級(jí)三極管輸出電路不導(dǎo)通，則采集到聞電平 目號(hào)。但是上述數(shù)字量采集電路由于不可避免的硬件隨機(jī)失效所導(dǎo)致的安全功能喪失，如查詢電源限流電路失效開路，或者光耦前端二極管失效開路等情況。這些問題的存在對(duì)于普通的過程工業(yè)應(yīng)用來說，基本能夠滿足設(shè)計(jì)功能，但是對(duì)于具有高可靠性和高安全性要求的核電控制保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用來說，由于有極高的可靠性與安全性要求，整個(gè)系統(tǒng)必須使用完善的自診斷措施以保證系統(tǒng)安全指標(biāo)的達(dá)成，一旦通用的數(shù)字量采集電路子功能塊出現(xiàn)硬件失效，DCS系統(tǒng)將無法獲取現(xiàn)場(chǎng)的開關(guān)量采集狀態(tài)，即喪失控制保護(hù)系統(tǒng)功能，這對(duì)于核電站控制保護(hù)系統(tǒng)來說將是不可接受的。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)中數(shù)字量采集電路不能實(shí)現(xiàn)故障診斷的問題，本發(fā)明提供一種即能夠?qū)Σ杉娐愤M(jìn)行故障診斷又能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字量采集的電路。具體方案如下一種具有故障診斷能力的數(shù)字量采集電路，包括待采集信息的觸點(diǎn)型開關(guān)，其特征在于，所述觸點(diǎn)型開關(guān)連接有信號(hào)采集電路A和信號(hào)采集電路B，以及根據(jù)兩條信號(hào)采集電路輸出結(jié)果判斷采集過程是否異常的故障判斷系統(tǒng)。優(yōu)選方案為所述信號(hào)采集電路A和信號(hào)采集電路B分別為光耦信號(hào)采集電路，其中信號(hào)采集電路A中的光耦A(yù)內(nèi)的二極管D3反向端通過保護(hù)二極管Dl、電阻R2與觸點(diǎn)型開關(guān)連接，二極管D3的正向端通過電阻Rl與24V查詢電源電壓連接，光耦A(yù)內(nèi)三極管Ql的集電極輸出采集信號(hào)DI1_A并與故障判斷系統(tǒng)連接，三極管Ql的發(fā)射極接地；信號(hào)采集電路B中的光耦B內(nèi)的二極管D4的正向端通過穩(wěn)壓二極管D2、電阻Rl與電源電壓連接，二極管D4的反向端通過電容Cl、電阻R2與觸點(diǎn)開關(guān)連接，光耦B中三極管Q2的集電極輸出采集信號(hào)DI1_B并與故障判斷系統(tǒng)連接，三極管Q2的發(fā)射極接地。優(yōu)選方案為所述光耦A(yù)內(nèi)三極管Ql和光耦B內(nèi)的三極管Q2的集電極分別通過電阻R3和電阻R4與識(shí)別電壓連接。為實(shí)現(xiàn)自我檢測(cè)所述故障判斷系統(tǒng)在DI1_A和DI1_B輸出的信號(hào)相同時(shí)判定為故障狀態(tài)，而DI1_A和DI1_B輸出信號(hào)互為相反時(shí)判定為正常狀態(tài)。本發(fā)明利用兩路采集電路同時(shí)對(duì)同一個(gè)對(duì)象進(jìn)行信號(hào)采集，根據(jù)兩路獲得的采集信號(hào)是否相同或相異來判斷當(dāng)前采集電路是否有存在故障，從而提前做出預(yù)防措施，達(dá)到提高自診覆蓋率的目的。本發(fā)明的數(shù)字量采集電路，不但能夠完成正常信號(hào)采集，而且一旦出現(xiàn)硬件隨機(jī)失效，該采集電路能夠智能的給出相應(yīng)的故障狀態(tài)輸出，以達(dá)到故障診斷，導(dǎo)向安全處理以確保系統(tǒng)安全功能的完整性。


圖I現(xiàn)有技術(shù)中光稱數(shù)子量米集電路不意圖；圖2本發(fā)明的帶有診斷功能的數(shù)字量采集電路示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖2所示，本發(fā)明中數(shù)字量采集裝置對(duì)外采集觸點(diǎn)型開關(guān)，并通過兩路信號(hào)采集電路信號(hào)采集電路A和信號(hào)采集電路B進(jìn)行同一個(gè)觸點(diǎn)型開關(guān)信號(hào)的采集，兩路信號(hào)采集電路將采集到的信號(hào)分別輸送到故障判斷系統(tǒng)中，故障判斷系統(tǒng)根據(jù)兩路信號(hào)采集電路輸出的結(jié)果判斷采集過程是否存在異常，因此一旦出現(xiàn)故障就能夠及早發(fā)現(xiàn)并處理。兩路信號(hào)采集電路的具體連接關(guān)系為信號(hào)采集電路A和信號(hào)采集電路B分別為光耦信號(hào)采集電路，其中信號(hào)采集電路A中的光耦A(yù)內(nèi)的二極管D3反向端通過保護(hù)二極管D1、電阻R2與觸點(diǎn)型開關(guān)連接，二極管D3的正向端通過電阻Rl與電源電壓連接，光耦A(yù)內(nèi)三極管Ql的集電極輸出采集信號(hào)DI1_A并與故障判斷系統(tǒng)連接，三極管Ql的發(fā)射極接地；信號(hào)采集電路B中的光耦B內(nèi)的二極管D4的正向端通過穩(wěn)壓二極管D2、電阻Rl與24V查詢電源電壓連接，電源電壓采用24V可作為采集現(xiàn)場(chǎng)觸點(diǎn)開關(guān)信號(hào)的查詢電源，以驅(qū)動(dòng)光耦內(nèi)二極管D3和二極管D4的前端，二極管D4的反向端通過電容Cl、電阻R2與觸點(diǎn)開關(guān)連接，光耦B中三極管Q2的集電極輸出采集信號(hào)DI1_B并與故障判斷系統(tǒng)連接，三極管Q2的發(fā)射極接地。光耦A(yù)內(nèi)三極管Ql和光耦B內(nèi)的三極管Q2的集電極分別通過電阻R3和電阻R4與識(shí)別電壓連接，識(shí)別電壓為3. 3V，給故障判斷系統(tǒng)中的數(shù)字部分提供電源，這里作為DI1_A和DI1_B電平電源。本發(fā)明中米集信號(hào)DI1_A和米集信號(hào)DI1_B輸出的信號(hào)相同時(shí)為故障狀態(tài)，而DI1.A和DI1_B輸出信號(hào)互為相反時(shí)為采集正常狀態(tài)。本發(fā)明利用光耦A(yù)和光耦B構(gòu)成采集電路，分別對(duì)同一路通道的信號(hào)進(jìn)行采集。電路中的Dl為保護(hù)二極管，用以保護(hù)當(dāng)采集端被誤接入電源引腳時(shí)流入的大電壓信號(hào)，本發(fā)明中通道部分能夠承受最大±40V的信號(hào)。如圖2所示，光耦A(yù)和光耦B分別采用MO⑶213芯片，當(dāng)觸點(diǎn)型開關(guān)閉合時(shí)，電源電流通過Rl分別流入光耦A(yù)內(nèi)部二極管D3的正向端和D2 二極管的反向端，由于觸點(diǎn)型開關(guān)閉合，因此電流很容易通過光耦A(yù)內(nèi)部的正向二極管D3，再經(jīng)過Dl 二極管和觸點(diǎn)型開關(guān)最后流回到電源負(fù)端，形成一個(gè)完整的電源回路。當(dāng)D2 二極管的反向耐壓達(dá)到一定程度時(shí)，大于光耦A(yù)內(nèi)部二極管D3正向端此時(shí)的電壓時(shí)，理論上電源電流不會(huì)擊穿D2 二極管，形成第二條回路。因此可以判斷出此時(shí)，DI1_A信號(hào)由于光耦A(yù)流過足夠的電流和電壓而導(dǎo)致后級(jí)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，因而為由于電流在D2處被阻隔掉，因此沒有足夠的電流和電壓穿過光耦B，光耦后級(jí)不會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，繼續(xù)維持為上拉“I”。相反，當(dāng)觸點(diǎn)型開關(guān)斷開時(shí)，電源信號(hào)通過Rl同樣分別流入光耦A(yù)內(nèi)部二極管D3的正向端和D2 二極管的反向端，此時(shí)由于觸點(diǎn)型開關(guān)斷開，因此即便電源信號(hào)通過光耦內(nèi)部二極管D3，D1 二極管和R2后仍然無法形成回路流回電源負(fù)端，只能更加趨向于通過D2反向端形成回路；當(dāng)D2 二極管的反向耐壓小于電源電壓時(shí)，電源信號(hào)將可以擊穿D2，流過光耦B最后形成完整的回路，流回到電源負(fù)端。本發(fā)明中故障判斷系統(tǒng)是根據(jù)信號(hào)采集電路A和信號(hào)采集電路B輸出的DI1_A和 DI1_B的閉合和斷開兩種狀態(tài)來判斷是否存在故障，即DI1_A和DI1_B的信號(hào)在正常工作時(shí)均處在互為相反的狀態(tài)，只有當(dāng)通道采集異常時(shí)，導(dǎo)致光耦后端發(fā)送信號(hào)異常的翻轉(zhuǎn)，才出現(xiàn)DI1_A和DI1_B處在相同狀態(tài)的情況。故障判斷系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)見表一。表一 DI 1_A和DI 1_B的信號(hào)狀態(tài)表
采集電路狀態(tài)觸點(diǎn)狀態(tài)~ DI I—ADI I—B 處理措施
正常閉合OI閉合狀態(tài)數(shù)據(jù)有效
IO斷開狀態(tài)數(shù)據(jù)有效
III通道故障，數(shù)據(jù)無效并報(bào)警
IOO通道故障，數(shù)據(jù)無效并報(bào)警根據(jù)上述原理，則Rl，R2，R3，R4和Dl，D2以及Cl的參數(shù)就可以確定一個(gè)完整的范圍，R3和R4為3. 3V的上拉電阻，因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，R3和R4分別取4. 7Κ。Rl和R2電阻的參數(shù)與D2 二極管的VZ密切相關(guān)。當(dāng)觸點(diǎn)型開關(guān)斷開時(shí)，D2 二極管必須被擊穿并長時(shí)間工作在反向區(qū)，所以選擇齊納二極管，VZ<電源電壓(24V±20%)-光f禹二極管導(dǎo)通電壓(1.5V)，所以VZ〈17. 5V。當(dāng)觸點(diǎn)型開關(guān)閉合時(shí)，D2 二極管不能被擊穿工作在反向區(qū)，因此VZ —定要求大于Rl在導(dǎo)通時(shí)遠(yuǎn)離電源的一端。這里考慮光耦的導(dǎo)通電流在4mA左右，則R=Rl+R2=(24-2) / 4=5. 5K ;考慮到R2和Rl的比例影響VZ方向電壓最低值，所以取R2=510，R1=5. 1K。此時(shí)VZ(min) = (24-2) * 510 / (510+5100)+2=4. 0V，所以 D2 齊納二極管的VZ選型區(qū)間在(4. OV 17. 5V)。當(dāng)觸點(diǎn)型開關(guān)斷開時(shí)，光耦導(dǎo)通電流計(jì)算公式為I=(24-VZ-1) / 5. lk，且VZMV，因此使用VZ=8V的光耦器件MMSZ5237BT1G，其反向電壓VZ=8V，此時(shí)可得I=3mA。Dl 二極管起到保護(hù)作用，即當(dāng)DIl端被誤接入電源電壓時(shí)起到保護(hù)作用，根據(jù)安全級(jí)IO板卡系統(tǒng)需求，DI通道可以承受±40V，所以Dl必須能夠完全具備40V以上的反向電壓保護(hù)功能。由于Dl只起到反向保護(hù)功能，對(duì)Dl消耗的電壓，反向工作狀態(tài)等均不做要求，可以采用整流二極管MMSD4148T1G，該器件正常時(shí)反向耐壓100V，完全滿足設(shè)計(jì)需求。
當(dāng)DI通道外部接入-40V時(shí)，可以根據(jù)現(xiàn)有阻值得出，由于經(jīng)過Rl后的電壓實(shí)際被拉下，所以D2 二極管肯定不會(huì)被反向?qū)?，將電源電壓估算?0V，則R2上的分壓接近6.5V，計(jì)算下來P=V~2 / R=O. 083W，考慮到盡可能保證器件運(yùn)行正常，采用了 1210封裝，功耗為I / 2W的電阻，以最大限度保證其運(yùn)行正常。在-40V時(shí)，Rl上的分壓高達(dá)64V。其功耗為P=V~2 / R=O. 83W，因此采用5. IK電阻，最大功耗1W。電阻最大功耗選擇IW的優(yōu)勢(shì)在于當(dāng)出現(xiàn)-40V極度惡劣情況時(shí)，電阻方面能夠完全保證DIS數(shù)字量輸入板卡通道采集功能的正常運(yùn)行?！楸苊馔獠块_關(guān)頻繁的動(dòng)作導(dǎo)致電流出現(xiàn)大的尖峰，使得光耦和外部的開關(guān)減少壽命，甚至損壞。本發(fā)明引入了耐高壓低容值的電容作為保護(hù)措施，當(dāng)開關(guān)跳變時(shí)，瞬時(shí)的能量沖擊先充電到電容，然后在由新的回路將能量泄放出去。以上所述僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專利的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述提示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具有故障診斷能力的數(shù)字量采集電路，包括待采集信息的觸點(diǎn)型開關(guān)，其特征在于，所述觸點(diǎn)型開關(guān)連接有信號(hào)采集電路A和信號(hào)采集電路B，以及根據(jù)兩條信號(hào)采集電路輸出結(jié)果判斷采集過程是否異常的故障判斷系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求I所述的數(shù)字量采集電路，其特征在于，所述信號(hào)采集電路A和信號(hào)采集電路B分別為光耦信號(hào)采集電路，其中信號(hào)采集電路A中的光耦A(yù)內(nèi)的二極管D3反向端通過保護(hù)二極管D1、電阻R2與觸點(diǎn)型開關(guān)連接，二極管D3的正向端通過電阻Rl與24V查詢電源電壓連接，光耦A(yù)內(nèi)三極管Ql的集電極輸出采集信號(hào)DI1_A并與故障判斷系統(tǒng)連接，三極管Ql的發(fā)射極接地；信號(hào)采集電路B中的光耦B內(nèi)的二極管D4的正向端通過穩(wěn)壓二極管D2、電阻Rl與電源電壓連接，二極管D4的反向端通過電容Cl、電阻R2與觸點(diǎn)開關(guān)連接，光耦B中三極管Q2的集電極輸出采集信號(hào)DI1_B并與故障判斷系統(tǒng)連接，三極管Q2的發(fā)射極接地。
3.如權(quán)利要求2所述的數(shù)字量采集電路，其特征在于，所述光耦A(yù)內(nèi)三極管Ql和光耦B內(nèi)的三極管Q2的集電極分別通過電阻R3和電阻R4與識(shí)別電壓連接。
4.如權(quán)利要求3所述的數(shù)字量采集電路，其特征在于，所述故障判斷系統(tǒng)在DI1_A和DI1_B輸出的信號(hào)相同時(shí)判定為故障狀態(tài)，而DI1_A和DI1_B輸出信號(hào)互為相反時(shí)判定為正常狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種具有故障診斷能力的數(shù)字量采集電路，包括待采集信息的觸點(diǎn)型開關(guān)，所述觸點(diǎn)型開關(guān)連接有信號(hào)采集電路A和信號(hào)采集電路B，以及根據(jù)兩條信號(hào)采集電路輸出結(jié)果判斷采集過程是否異常的故障判斷系統(tǒng)。本發(fā)明利用兩路采集電路同時(shí)對(duì)同一個(gè)對(duì)象進(jìn)行信號(hào)采集，根據(jù)兩路獲得的采集信號(hào)是否相同或相異來判斷當(dāng)前采集電路是否有存在故障，從而提前做出預(yù)防措施，達(dá)到提高自診覆蓋率的目的。本發(fā)明的數(shù)字量采集電路，不但能夠完成正常信號(hào)采集，而且一旦出現(xiàn)硬件隨機(jī)失效，該采集電路能夠智能的給出相應(yīng)的故障狀態(tài)輸出，以達(dá)到故障診斷，導(dǎo)向安全處理以確保系統(tǒng)安全功能的完整性。
文檔編號(hào)G01R31/28GK102916689SQ20121045107
公開日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2012年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月12日
發(fā)明者程康, 伍希, 李熊, 唐慶, 周飛, 高超, 張春雷 申請(qǐng)人:北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司, 中國廣東核電集團(tuán)有限公司