一种安全仪表控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明的安全仪表控制系统，是一种应用于工业控制领域，以保护人员生命安全和现场设备为主要功能的控制系统。本发明是四重化安全仪表控制系统，具备可编程、多重冗余、诊断覆盖率高、实时响应速度快的特点。本发明的技术要点在于，采用了循环三选二表决和多重冗余的方式提高可靠性并增加诊断覆盖率。
【专利说明】
一种安全仪表控制系统
技术领域
[0001]本发明的安全仪表控制系统，是一种应用于工业控制领域，以保护人员生命安全和现场设备为主要功能的控制系统。
【背景技术】
[0002]由于人工控制发生的随机性错误和人的主观误差会导致的控制的粗糙而降低生产效率，工业生产中越来越广泛的应用了各种工业控制系统，根据应用的环境和功能大致分为:过程控制系统(PLC )、离散控制系统(DCS )、安全仪表系统(SIS/ESD )。其中:PLC规模小、成本低、控制速度快;DCS规模庞大、结构复杂，总成本较高;SI S可靠性高，具备较高的故障自诊断能力。
[0003]为了进一步提高SIS系统的可靠性和故障诊断的覆盖率，本发明设计了一种新式的四重化安全仪表控制系统。可以被应用于石油、石化、煤化工、电力等存在高危险生产环节的工业领域。
【发明内容】
[0004]本发明提出的一种安全仪表控制系统，具备可编程、多重冗余、诊断覆盖率高、实时响应速度快的特点。
[0005]本发明提出的控制系统，支持数字量输入(DI)，模拟量输入(Al)，数字量输出(DO)，模拟量输出(AO)，同步工厂时钟(RTU)，转数读取(SPI)，串口 485/422/232通信，以太网通信，CAN通信，用户自定义逻辑，历史曲线、重大事件记录。
[0006]本发明的创新点在于，采用了循环三选二表决和多重冗余的方式提高可靠性并增加诊断覆盖率。
[0007]循环三选二表决是指，四个独立的计算通道形成一个表决环路，任意一个通道都可以获取相邻的两个通道的数据，与自身通道的数据进行三选二表决，然后将表决结果作为新的数据再次进行三选一表决，表决结果将作为该通道的最终数据发送到下一级。
[0008]多重冗余是指，系统的输入模块通过循环三选二表决，实现第一重冗余，逻辑处理模块通过循环三选二表决，实现第二重冗余，输出模块通过循环三选二表决，实现第三重冗余。
【附图说明】
[0009]图1安全仪表控制系统的多重冗余和循环三选二结构图2安全仪表控制系统的数字量表决真值表图3安全仪表控制系统的十进制数值表决真值表图4数字量输出硬件表决电路图5模拟量输出硬件表决电路
【具体实施方式】
系统的循环三选二表决和多重冗余的具体实现方法
参照图1，系统分成4个通道，编号为A、B、C、D。其中A通道与B通道的软硬件组件完全一致，C通道与D通道的软硬件完全一致，A通道与C通道的软硬件功能一致而软硬件的具体设计方法不一致。
[0010]参照图1，每个通道包含输入模块、逻辑处理模块、输出模块。输入模块的数量大于等于I，逻辑处理模块的数量等于I，输出模块的数量大于等于I。
[0011]参照图1，不同通道的输入模块将进行数字量(数值只有O和I)的循环三选二表决，其中A通道通过交叉通信，能够获得A通道、B通道和D通道的数据，那么如果使用[A]来代表A通道的原始数据，[B]来代表B通道的原始数据，[D]来代表D通道的原始数据。A通道第一次表决的结果是[A]*[B] + [A]*[D] + [B]*[D]，注:此处的运算符号表示逻辑与运算，运算符号“+”表示逻辑或运算，保存表决结果为⑷。A通道再次获得A通道、B通道和D通道记录的表决结果，然后第二次表决，表决结果为(A)*(B)*(D)，保存表决结果为{AhA通道的输入模块将{A}发送给A通道的逻辑处理模块。
[0012]参照图2，数字量的数值通过表决计算得到的真值表，通过真值表整理出最终的表决结果和原始的数据之间的关系为{A} = {B} = {C} = {D} = [A]*[B]*[C] + [A]*[B]*[D] + [A]*[C]*[D] + [B]*[C]*[D]，从而实现任意两个通道的数据为O时，最终的表决结果为O的功能。
[0013]参照图1，不同通道的逻辑处理模块和输出模块，在数字量的循环三选二表决中，使用了和输入模块完全一致的方法。那么单个通道输入模块的故障或者计算错误将不会被传递到逻辑处理模块，同样单个逻辑处理模块的故障或者计算错误将不会传递到输出模块，并且单个输出模块的故障或者计算错误将不会被传递到最终的执行机构。多重冗余的系统特性被实现。
[0014]参照图1，不同的输入模块也进行十进制数值的循环三选二表决，其中A通道能够获取的A通道、B通道和D通道的数据，那么用[a]、[b]、[d]来分别代表A、B、D三个通道的数值。A通道第一次表决的结果是[a]、[b]、[d]的中值，即对[a]、[b]、[d]按照大小进行排序，然后取中间位置的值，记录表决结果表示为(a)。第二次表决的结果为(a)、(b)、(d)中保留数值不同的值并计算平均值，记录表决结果为{a}。
[0015]参照图3，十进制数值表决计算得到的真值表可以得到最终的表决值与原始数值的关系为:将四个通道的数值进行排序后，去掉一个最大值，去掉一个最小值，然后对剩余的两个值取平均数。
[0016]模块的具体实现方案
使用ARM微处理器作为模块核心控制单元和数据交换单元。逻辑处理模块与输入模块或输出模块之间的通信采用CAN总线，不同通道之间的模块通信采用高速同步串行总线。
[0017]数字量输入模块，采用光电耦合器实现对现场信号的传递和干扰的隔离，主控芯片通过并行的通用输入端口直接采集数字量。
[0018]模拟量输入模块，通过采样电阻将电流信号转变为电压信号，然后使用AD芯片将电压信号转变为二进制数值并通过串行方式被主控芯片获取。
[0019]数字量输出模块，采用光电继电器实现控制信号的传递和干扰的隔离，主控芯片通过并行的通用输出端口直接输出数字量。
[0020]模拟量输出模块，通过向电容发送高频脉冲，实现电压输出，通过功率放大器维持输出的电压信号并扩大电流的输出范围。
[0021 ]硬件表决和数据通信的实现方法
数字量输出信号硬件表决，采用H型电路实现双重二选一。
[0022]模拟量输出信号硬件表决，使用开关控制参与表决的模拟量信号数量，通过二极管保证输出最大的电压值，通过下拉电阻防止发生输出无负载的情况发生，最终的表决结果为输出最大的模拟量值。
[0023]通信方式，数据的打包格式按照modbus标准格式执行，CAN总线采用多个输入模块(或多个输出模块)和一个逻辑处理模块连接到同一条总线上，软件主动通信，硬件自动仲裁，同步串行通信采用两个通信的模块独立占有一条通信线，每次只需要同步存在差异的数据。
【主权项】
1.安全仪表控制系统，其特征在于，采用循环三选二表决和多重冗余的方法，循环三选二表决是指，四个独立的计算通道形成一个表决环路，任意一个通道都可以获取相邻的两个通道的数据，与自身通道的数据进行三选二表决，然后将表决结果作为新的数据再次进行三选一表决，表决结果将作为该通道的最终数据发送到下一级，多重冗余是指，系统的输入模块通过循环三选二表决，实现第一重冗余，逻辑处理模块通过循环三选二表决，实现第二重冗余，输出模块通过循环三选二表决，实现第三重冗余。
【文档编号】G05B19/418GK106094742SQ201610371855
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】刘建平, 薛晓, 刘晓亮
【申请人】苏州时代华理电气有限公司, 北京昊图科技有限公司, 刘建平