CN110632912B - 一种dcs电源***故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种DCS电源***故障诊断方法，在每一个电源模块上设置电源诊断模块，用于检测相应的一个电源模块参数，并判断各电源模块状态，根据检测电源参数，控制中心对各电源模块进行诊断与预警，及时掌握每个电源模块的实时情况，实现的对电源模块的实时监测。

Description

一种DCS电源***故障诊断方法

技术领域

本发明涉及工业自动化控制技术领域，尤其是涉及一种DCS电源***故障诊断方法。

背景技术

目前，DCS***在各行各业已经普及, 如制药、水处理、石化行业，DCS***上电源作为整个DCS控制***的核心,电源质量的好坏直接影响着整套DCS***的稳定运行,传统DCS电源一般作为一个独立的个体参与DCS***的供电, 一般采用热备冗余的方式对整个DCS***进行供电，主电源在供电的同时，热备电源处于热备状态，当主电源出现故障时，热备电源可以在最小控制周期内切换成主电源。但是该传统方法，无法实现对整个DCS***中各个节点的电源质量进行评估，更不能对一些节点上隐匿的潜在故障做出提前预警，提前让维护人员知道整套***电源网络存在的隐患。

具体地，一些DCS***电源冗余采用2个电源通过二极管并联输出的方式，无法分布式的对每个被供电的电源节点进行监控，该分布式电源诊断方法采用了独立的工业总线技术，同时需要MCU参与诊断，很难在原有的基础上进行改造。

因此，如何实现对DCS***上电源的检测，实时获得电源的状态，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种DCS电源***故障诊断方法，在每一个电源模块上设置电源诊断模块，用于检测相应的一个电源模块参数，并判断各电源模块状态，根据参数，控制中心对各电源模块进行诊断与预警，及时掌握每个电源模块的实时情况，实现的对电源模块的实时监测。

本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：

一种DCS电源***故障诊断方法，DCS***包括至少一个电源模块、控制中心，对各电源模块进行诊断，包括以下步骤：

S1、***初始化；

S2、初始化中断配置；

S3、数据初始化；

S4、判断是否通过RAM校验，若是，进入下一步，若否，转S9；

S5、判断是否请求上报故障诊断数据，若否，进入下一步，若是，转S10；

S6、判断故障诊断树是否有更新，若否，进入下一步，若是，转S11；

S7、判断模拟量数据采集是否完成，若是，进入下一步，若否，等待采集完成；

S8、ADC数据处理并计算各个诊断项数据，转S5；

S9、诊断模块故障报警，转S12；

S10、处理通讯，转S12；

S11、更新故障树；

S12、结束。

本发明进一步设置为：还包括电源诊断模块，电源诊断模块数量与电源模块数量相同，在各电源模块与控制中心之间分别设置电源诊断模块，每一电源诊断模块用于检测相应的一个电源模块参数，并判断各电源模块状态，通过总线将检测到的各电源模块参数、状态、地址传输到控制中心，控制中心对各电源模块进行诊断与预警。

本发明进一步设置为：步骤S4中，是对电源诊断模块中的RAM数据进行校验。

本发明进一步设置为：各电源诊断模块检测的诊断项参数包括：输入功率、输入电压、输入电流、峰值电压、峰值电流、纹波峰值、Buck控制器开关频率、电源转换效率、热损耗的检测与分析。

本发明进一步设置为：各电源诊断模块进行检测，包括以下步骤：

A1、将检测到的参数与相应地设定值进行比较，得到比较结果；

A2、判断比较结果是否为异常，若是，进入下一步，若否，选择下一个参数，转A1；

A3、评估故障征兆模式；

A4、与故障库中类型进行匹配，若能与故障库中的类型匹配上，进入下一步，若不能匹配上，则更新故障库；

A5、内部评定，分析故障可能引起的失效模式；

A6、将故障信息、失效模式上报给控制中心。

本发明进一步设置为：控制中心将各电源诊断模块的故障信息、失效模式传输给诊断与预警软件进行分析。

本发明进一步设置为：电源诊断模块包括中央处理器、供电电压监控单元、供电电流监控单元、峰值电压监控单元、峰值电流I/V转换电路、热损耗监测单元、纹波小信号检波电路、脉宽频率检测电路、输入输出电源功耗监控电路、SPI通讯接口电路，中央处理器分别与供电电压监控单元、供电电流监控单元、峰值电压监控单元、峰值电流I/V转换电路、热损耗监测单元、纹波小信号检波电路、脉宽频率检测电路、输入输出电源功耗监控电路、SPI通讯接口电路连接，各电路分别实现对电源一个性能参数的监测。

本发明进一步设置为：中央处理器与控制中心通过SPI、UART、CAN接口中的至少一种实现通讯。

本发明进一步设置为：控制中心包括控制器、上位机，上位机中设置有诊断与预警软件，控制器将电源诊断模块检测到的各项数据，传输到诊断与预警软件进行处理，得到处理结果，并根据处理结果进行预警。

与现有技术相比，本申请的有益技术效果为：

1、本申请通过在每个电源模块上设置电源参数诊断模块，对每个电源模块的参数进行检测，及时掌握每个电源模块的实时情况，实现的对电源模块的实时监测；

2、进一步地，本申请对不同的电源参数分别独立检测，可根据情况设置检测参数，实现对电源模块的相应检测；

3、进一步地，诊断与预警软件综合控制站及电源诊断模块的各类信息，实现了对***的全面诊断。

附图说明

图1是本申请的一个具体实施例的DCS***结构示意图；

图2是本申请的一个具体实施例的DCS***控制流程示意图；

图3是本申请的又一个具体实施例的DCS***控制流程示意图；

图4是本申请的一个具体实施例的供电电压监控结构示意图；

图5、6是本申请的一个具体实施例的供电电流监控电路结构示意图；

图7是本申请的一个具体实施例的脉宽频率检频电路结构示意图；

图8是本申请的一个具体实施例的热损耗监测单元结构示意图；

图9是本申请的一个具体实施例的最大值采样记录电路结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明的一种具有电源故障诊断功能的DCS***，如图1所示，DCS***包括至少一个主站(MN)节点、至少一个从站（CN）节点，每个主站下配备有多个从站，每个节点包括一个电源模块、电源诊断模块，每个电源模块作为整个DCS***下的从站（CN）节点，具有唯一的ID。各电源模块通过总线与控制中心电连接，在各电源模块与控制中心之间分别设置电源诊断模块，每一个电源诊断模块用于检测相应的一个电源模块参数，根据检测结果判断各电源模块的状态，通过总线将检测到的各电源模块参数、状态、地址传输到控制中心，控制中心通过诊断与预警软件对各电源模块进行诊断与预警。

在本申请的一个具体实施例中，电源诊断模块检测的参数包括：输入功率、输入电压、输入电流、峰值电压、峰值电流、纹波峰值、Buck控制器开关频率、电源转换效率、热损耗的检测与分析。

在本申请的一个具体实施例中，DCS电源***故障诊断方法，如图2所示，包括以下步骤：

S1、***初始化；

S2、初始化中断配置；

S3、数据初始化；

S4、判断是否通过RAM校验，若是，进入下一步，若否，转S9；

S5、判断是否请求上报故障诊断数据，若否，进入下一步，若是，转S10；

S6、判断故障诊断树是否有更新，若否，进入下一步，若是，转S11；

S7、判断模拟量数据采集是否完成，若是，进入下一步，若否，等待采集完成；

S8、ADC数据处理并计算各个诊断项数据，转S5；

S9、诊断模块故障报警，转S12；

S10、处理通讯，转S12；

S11、更新故障树；

S12、结束。

其中， 步骤S4中，电源诊断模块中的控制芯片MCU读取其模块上的RAM，然后将整片RAM区数据进行CRC16校验，校验通过之后，认为电源诊断模块上的RAM正常。

步骤S5中，电源诊断模块中的控制芯片MCU根据对诊断数据的判定结果，如果存在故障，就上报故障诊断数据，如果没有故障存在，则不进行上报。

步骤S6中，电源诊断模块将诊断出的故障与故障库中的故障类型进行比对，如果故障已经存在，则进入内部评定；如果故障不存在，则对故障树进行更新。

步骤S7中，电源诊断模块对诊断项进行数据采集，当对所有的诊断项数据采集完成后，进行步骤S8，若是对所有的诊断项数据未采集完成，则继续进行相应诊断项数据的采集，直至采集完成所有的诊断项数据。

电源诊断模块进行检测，如图3所示，包括以下步骤：

A1、将检测到的参数与相应地设定值进行比较，得到比较结果；

A2、判断比较结果是否为异常，若是，进入下一步，若否，选择下一个参数，转A1；

A3、评估故障征兆模式；

A4、与故障库中类型进行匹配，若能与故障库中的类型匹配上，进入下一步，若不能匹配上，则更新故障库；

A5、内部评定，分析故障可能引起的失效模式；

A6、将故障信息、失效模式上报给控制中心。

具体地，步骤A1中，将检测到的各参数与其相应地设定值进行比较，得到各参数与设定值的比较结果。

步骤A2中，电源诊断模块根据各参数的比较结果，判断是否出现异常，若比较结果符合条件，则认为电源正常，若比较结果不符合条件，则认为电源出现异常。

步骤A3中，当出现电源异常情况时，根据出现异常的参数类型，评价故障征兆模式。

步骤A4、A5中，将评估的故障征兆模式与电源诊断模块内储存的故障库中的故障模式进行比对，如果比对不上，更新故障库，将新的故障模式加入故障库中；如果能够比对上，则进行内部评定，分析出故障可能引起的失效模式。

步骤A6中，当主站访问有故障的从站时，从站的电源诊断模块把故障失效模式上报给主站也即控制器，主站将所有的从站节点故障信息以及可能引起的故障失效模式，传输给诊断与预警软件，诊断与预警软件根据故障参数与失效模式，进行故障诊断与预警。

在本申请的一个具体实施例中，电源诊断模块包括中央处理器、供电电压监控单元、供电电流监控单元、峰值电压监控单元、峰值电流I/V转换电路、热损耗监测单元、纹波小信号检波电路、脉宽频率检测电路、输入输出电源功耗监控电路、SPI通讯接口电路，中央处理器分别与供电电压监控单元、供电电流监控单元、峰值电压监控单元、峰值电流I/V转换电路、热损耗监测单元、纹波小信号检波电路、脉宽频率检测电路、输入输出电源功耗监控电路、SPI通讯接口电路连接，各单元电路分别实现对电源一个性能参数的监测。

中央处理器与控制中心通过SPI、UART、CAN接口中的至少一种实现通讯。

在本申请的一个具体实施例中，供电电压监控单元包括分压电路、跟随电路，用于对供电电压进行降压后利用跟随电路进行阻抗隔离，然后输入到中央处理器中。

具体地，供电电压监控单元，如图4所示，其中，Vin表示输入电压的采样值，经过电阻R207、R219分压之后，将Vin输入电压分压到单片机内部ADC可接受的电压范围内。DZ200用于稳压。L302、C329，R304以及C331构成二级低通滤波器，用于对检测到的采样电压进行滤波，运算放大器U306A组成电压跟随电路，用于增加输入阻抗，形成ADC_V电压，此电压直接进入到中央处理器ADC口，进行ADC采样。

在本申请的一个具体实施例中，供电电流监控单元包括采样电路、放大电路、电压偏置电路，采样电路用于采样供电电流的大小，放大电路用于将采样到的电流信号进行放大，电压偏置电路用于对放大后的电流信号进行偏置，并将偏置信号传输给中央控制器。

具体地，供电电流监控单元，即I/V转换电路，如图5、6所示，取样电阻RT串联到Vin输入供电电源的主回路中，VB、VD取样网络为RT取样电阻两端的电压，由U305A、U305B、U306B构成的仪器用放大电路，其两个输入端阻抗平衡并且阻值很高，且输入偏置电流比较低。

为了尽可能的保证将整个测量范围内的电压值，电压值做到在ADC采样基准的0.5倍～1倍之间，如图5所示，增加了由R325、R328、R332组成一个电压偏置电路，其输出电压为输入到单片机ADC采集口的采样电压。

在本申请的一个具体实施例中，脉宽频率检频电路包括隔离电路，用于将供电电源的PWM信号进行隔离后传输给中央控制器。

具体地，如图7所示，隔离电路包括逻辑门电路。

在本申请的一个具体实施例中，热损耗监测单元包括采样电路、滤波电路、电压跟随电路，采样电路用于采集电源模块的温度，滤波电路用于对检测到的温度值进行滤波，电压跟随电路用于实现检测电路与中央控制器之间的阻抗隔离。

具体地，热损耗监测单元，如图8所示，Rtemp为取样电阻，与电阻R4组成分压电路，对电压VCC进行分压，得到采样电压，电感L1、电容C1、电感R1、电容C2构成二级低通滤波器，DZ用于稳压，用于将Rtemp的电压值稳定在一个范围内。U3A则进行电压跟随，增加ADC输入口的输入阻抗。最终获得的电压为Temp_check，该电压进入到单片机的ADC采样口进行ADC采样。通过ADC采样值，最终获得温度值，通过温度值，以及输入功率和输出功率，进行建模，从而获得热损耗。

在本申请的一个具体实施例中，纹波小信号检波电路包括信号衰减电路、隔离电路、放大电路、AD转换电路，隔离电路的输入连接信号衰减电路，其输出连接放大电路，放大电路的输出连接AD转换电路，信号衰减电路将检测信号进行缩小，经过隔离电路阻止直流信号通过交流信号后，传输给放大电路进行放大，最后将放大后的模拟量数据转换为数字量数据，再传输给控制中心。

具体地，隔离电路包括电容，AD转换电路包括AD转换芯片。

在本申请的一个具体实施例中，峰值电压监控单元包括分压电路、第一最大值采样记录电路，第一最大值采样记录电路包括二级跟随电路，在二级跟随电路之间设置有电压存储电路，将经过分压电路后的输入电压信号，经过第一级跟随电路后，传输到电压存储电路中进行存储，当输入电压信号增大时，电压存储电路中对增大的电压值进行存储，当输入电压信号减小时，电压存储电路保存输入电压信号的最大值，第二级跟随电路进行阻抗隔离，将存储的输入电压信号最大值传输给控制中心。

具体地，如图9所示，第一最大值采样记录电路包括放大器U3A、U3B、二极管D1、D2、电容C5，放大器U3B作为一级跟随电路对采样分压后的采样值进行跟随，经过由二极管D2、电容C5组成的电压存储电路后，将采样值进行存储，因二极管D2的存在，当输入采样值增加时，电容C5上的值增加，当输入采样值减小时，电容C5上的值保持最大值不变，再经过二级跟随电路，将电容C5上的最大值传输给控制中心。

在本申请的一个具体实施例中，峰值电流I/V转换电路包括依次连接的差分电路、放大电路、最大值采样记录电路，差分电路将采样到的电压值转换为电流值，经过放大电路放大后，再经过最大值采样记录电路采样峰值电流值，并传输给控制中心。

具体地，放大电路采用仪器放大电路，提高放大的精确度。

在本申请的一个具体实施例中， SPI通讯接口电路包括四路，分别通过电阻与控制中心的SPI接口连接，电阻用于限流与解耦，SPI通讯接口电路用于与外部模块集成。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种DCS电源***故障诊断方法，DCS***包括至少一个电源模块、控制中心，其特征在于：各电源模块具有唯一的ID，对各电源模块进行诊断，包括以下步骤：

S1、***初始化；

S2、初始化中断配置；

S3、数据初始化；

S4、判断电源模块是否通过RAM校验，若是，进入下一步，若否，转S9；

S5、根据电源模块是否存在故障，判断是否请求上报故障诊断数据，若否，进入下一步，若是，转S10；

S6、将诊断出的故障与故障库中的故障类型进行比对，判断故障诊断树是否有更新，若否，进入下一步，若是，转S11；

S7、判断模拟量数据采集是否完成，若是，进入下一步，若否，等待采集完成；

S8、ADC数据处理并计算各个诊断项数据，转S5；

S9、诊断模块故障报警，转S12；

S10、处理通讯，转S12；

S11、更新故障树；

S12、结束。

2.根据权利要求1所述的DCS电源***故障诊断方法，其特征在于：还包括电源诊断模块，电源诊断模块数量与电源模块数量相同，在各电源模块与控制中心之间分别设置电源诊断模块，每一电源诊断模块用于检测相应的一个电源模块参数，并判断各电源模块状态，通过总线将检测到的各电源模块参数、状态、地址传输到控制中心，控制中心对各电源模块进行诊断与预警。

3.根据权利要求2所述的DCS电源***故障诊断方法，其特征在于：步骤S4中，是对电源诊断模块中的RAM数据进行校验。

4.根据权利要求2所述的DCS电源***故障诊断方法，其特征在于：各电源诊断模块检测的诊断项参数包括：输入功率、输入电压、输入电流、峰值电压、峰值电流、纹波峰值、Buck控制器开关频率、电源转换效率、热损耗的检测与分析。

5.根据权利要求2所述的DCS电源***故障诊断方法，其特征在于：各电源诊断模块进行检测，包括以下步骤：

A1、将检测到的参数与相应地设定值进行比较，得到比较结果；

A2、判断比较结果是否为异常，若是，进入下一步，若否，选择下一个参数，转A1；

A3、评估故障征兆模式；

A4、与故障库中类型进行匹配，若能与故障库中的类型匹配上，进入下一步，若不能匹配上，则更新故障库；

A5、内部评定，分析故障可能引起的失效模式；

A6、将故障信息、失效模式上报给控制中心。

6.根据权利要求2所述的DCS电源***故障诊断方法，其特征在于：控制中心将各电源诊断模块的故障信息、失效模式传输给诊断与预警软件进行分析。

7.根据权利要求2所述的DCS电源***故障诊断方法，其特征在于：电源诊断模块包括中央处理器、供电电压监控单元、供电电流监控单元、峰值电压监控单元、峰值电流I/V转换电路、热损耗监测单元、纹波小信号检波电路、脉宽频率检测电路、输入输出电源功耗监控电路、SPI通讯接口电路，中央处理器分别与供电电压监控单元、供电电流监控单元、峰值电压监控单元、峰值电流I/V转换电路、热损耗监测单元、纹波小信号检波电路、脉宽频率检测电路、输入输出电源功耗监控电路、SPI通讯接口电路连接，各电路分别实现对电源一个性能参数的监测。

8.根据权利要求7所述的DCS电源***故障诊断方法，其特征在于：中央处理器与控制中心通过SPI、UART、CAN接口中的至少一种实现通讯。

9.根据权利要求1所述的DCS电源***故障诊断方法，其特征在于：控制中心包括控制器、上位机，上位机中设置有诊断与预警软件，控制器将电源诊断模块检测到的各项数据，传输到诊断与预警软件进行处理，得到处理结果，并根据处理结果进行预警。

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