CN117991676A - 数字量输入信号诊断装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施方式提供一种数字量输入信号诊断装置及方法，属于数字量信号检测技术领域。装置包括：控制器、开关模块、第一信号隔离模块及输出判断模块；开关模块串联在第一信号隔离模块的输入端回路上，控制器与开关模块及第一信号隔离模块的输入端回路连接，输出判断模块连接在第一信号隔离模块的输出端回路上，第一信号隔离模块的输出端回路与控制器的至少两个输入端连接，第一信号隔离模块的输入端回路还用于接入来自外部的数字量输入信号。本发明能够实现数字量输入信号通道100％故障自诊断。

Description

数字量输入信号诊断装置及方法

技术领域

本发明涉及数字量信号检测技术领域，具体地涉及一种数字量输入信号诊断装置及一种数字量输入信号诊断方法。

背景技术

安全仪表***(SIS)的正确运行需要一系列的设备来正常运作，它必须有能够检测到异常操作条件的传感器，如高流量、低液位或错误的阀门定位。需要一个逻辑运算单元来接收传感器的输入信号，根据信号的性质做出适当的决定，并根据用户定义的逻辑改变其输出，其中，逻辑运算单元可以使用电气、电子或可编程电子设备，如继电器、跳闸放大器或可编程逻辑控制器。最后通过逻辑求解器输出的变化导致最终元件对过程采取行动，使其达到安全状态。

在信号传输过程中，输入输出(IO)卡件被广泛应用，为了石油化工领域生产的安全性和可靠性，IO通道的故障诊断能力尤为重要。如果单个IO通道的故障不进行识别和处理，可能对机组的安全及可用性造成较大影响。其中，在传感器端具备数字量输入信号的场景十分常见，表现为阀门的反馈、动设备的到位状态等，以传感器开关为输出，将高/低平两种状态输入到控制器中，控制器将其转化为数字量1或0。在信号采集过程中，通道可能会出现各种断线、干扰或者人为接线错误等情况，这会导致数字量信号采集不准确，影响安全仪表***的可靠性和安全性，该输入信号能否正确采集对整个安全仪表***的功能安全尤为重要。但现有技术无法对信号输入通道进行全覆盖诊断，以及无法长期监测仪表器件性能的退化，实现长期故障预测。

发明内容

本发明实施方式的目的是提供一种数字量输入信号诊断装置及一种数字量输入信号诊断方法，以解决现有技术无法对数字量信号输入通道进行全覆盖诊断的问题。

为了实现上述目的，在本发明的第一方面，提供一种数字量输入信号诊断装置，包括：

控制器、开关模块、第一信号隔离模块及输出判断模块；

所述开关模块串联在所述第一信号隔离模块的输入端回路上，所述控制器与所述开关模块及所述第一信号隔离模块的输入端回路连接，所述输出判断模块连接在所述第一信号隔离模块的输出端回路上，所述第一信号隔离模块的输出端回路与所述控制器的至少两个输入端连接，所述第一信号隔离模块的输入端回路还用于接入来自外部的数字量输入信号；

所述控制器用于向所述第一信号隔离模块的输入端回路发送自检信号，以及向所述开关模块发送开关控制信号以控制所述开关模块导通或断开，所述第一信号隔离模块的输入端回路在所述开关模块导通时导通，在所述开关模块断开时断开；

所述输出判断模块用于在所述第一信号隔离模块的输入端回路断开时通过所述第一信号隔离模块的输出端回路输出高电平的判断信号，所述第一信号隔离模块的输出端回路在所述第一信号隔离模块的输入端回路导通且所述数字量输入信号或所述自检信号为高电平信号时输出低电平的判断信号。

可选地，所述开关模块包括：

开关元件及第一电阻；

所述控制器的第一输出端通过所述第一电阻与所述开关元件的控制端连接，所述控制器通过所述控制器的第一输出端发送所述开关控制信号。

可选地，所述第一信号隔离模块包括：

光耦单元；

所述光耦单元的第一输入端与所述控制器的第二输出端连接并接所述数字量输入信号，所述光耦单元的第二输入端通过所述开元件接地，所述控制器通过所述控制器的第二输出端发送所述自检信号；

所述光耦单元的第一输出端与所述控制器至少两个输入端及所述输出判断模块连接，第二输出端接地。

可选地，所述装置还包括：

第二信号隔离模块及第二电阻；

所述第二信号隔离模块通过所述第二电阻与所述光耦单元的第一输入端连接；

所述控制器的第二输出端通过所述第二信号隔离模块与所述第二电阻连接，所述数字量输入信号通过所述第二信号隔离模块传输至所述光耦单元的第一输入端；

所述第二隔离模块用于隔离所述数字量输入信号及所述自检信号。

可选地，所述第二信号隔离模块包括：

第一二极管及第二二极管；

所述第一二极管的负极端通过所述第二电阻与所述光耦单元的第一输入端连接，所述第一二极管的正极端用于接入所述数字量输入信号；

所述第二二极管的负极端通过所述第二电阻与所述光耦单元的第一输入端连接，所述第二二极管的正极端与所述控制器的第二输出端连接。

可选地，所述输出判断模块包括：

第三电阻及第四电阻；

所述第三电阻的第一端接电源，所述第三电阻的第二端与所述第四电阻的第一端及所述光耦单元的第一输出端连接后与所述控制器的至少两个输入端连接；

所述第四电阻的第二端接地。

在本发明的第二方面，提供一种数字量输入信号诊断方法，应用于上述的数字量输入信号诊断装置，方法包括：

控制器向开关模块发送开关控制信号控制所述开关模块导通，以使得第一信号隔离模块的输入端回路导通；

所述第一信号隔离模块的输入端回路接收来自外部的数字量输入信号，并通过所述第一信号隔离模块的输出端回路输出与所述数字量输入信号对应的第一判断信号至所述控制器的至少两个输入端；

所述控制器将其至少两个输入端接收到的第一判断信号进行模数转换后分别与数字量信号阈值进行比较，若依据比较结果确定所述控制器的任一输入端接收到的第一判断信号异常，生成第一故障报警信号；

自检时，所述控制器向所述第一信号隔离模块的输入端回路发送自检信号，并通过所述第一信号隔离模块的输出端回路输出与所述自检信号对应的第二判断信号至所述控制器的至少两个输入端；

所述控制器将其至少两个输入端接收到的第二判断信号进行模数转换后分别与所述数字量信号阈值进行比较，若依据比较结果确定所述控制器的任一输入端接收到的第二判断信号异常，生成第二故障报警信号。

可选地，若依据比较结果确定所述控制器的任一输入端接收到的第一判断信号异常，包括：

若所述控制器的任一入端接收到的第一判断信号与所述数字量信号阈值的差值大于预设差值范围，确定所述控制器对应输入端接收到的第一判断信号异常；

若依据比较结果确定所述控制器的任一输入端接收到的第二判断信号异常，包括：

若所述控制器的任一入端接收到的第二判断信号与所述数字量信号阈值的差值大于预设差值范围，确定所述控制器对应输入端接收到的第二判断信号异常。

可选地，所述方法还包括：

持续获取预设时间段内，所述控制器的任一输入端接收到的判断信号，生成表征所述控制器对应输入端在所述预设时间段内获取到的判断信号的电压变化趋势的第一曲线；

将所述第一曲线与标准电压变化曲线进行比较，根据比较结果确定所述第一曲线是否异常。

可选地，将所述第一曲线与标准电压变化曲线进行比较，根据比较结果确定所述第一曲线是否异常，包括：

若所述第一曲线与所述标准电压变化曲线的偏差大于曲线偏差阈值，确定所述第一曲线异常。

可选地，所述方法还包括：

若依据比较结果确定所述控制器的任一输入端接收到的第一判断信号无异常，以所述控制器对应输入端接收到的第一判断信号为目标输入信号。

可选地，所述方法还包括：

若依据比较结果确定所述控制器的所有输入端接收到的第一判断信号均无异常，以所述控制器的所有输入端接收到的第一判断信号的均值为目标输入信号。

本发明的电路简单、可靠、器件少，能够实现数字量输入信号通道100％故障自诊断，以及能够通过对标准自检信号模拟量输入电压信号的监测，反映长期电路器件性能退化趋势，实现故障预测，从而有效提高信号传输的可靠性和安全性。

本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：

图1是本发明优选实施方式提供的一种数字量输入信号诊断装置的结构示意图；

图2是本发明优选实施方式提供的一种数字量输入信号诊断装置的电路图；

图3是本发明优选实施方式提供的一种数字量输入信号诊断方法的方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

安全仪表***即SIS，主要应用于过程工业领域，其主要作用为执行特定的控制功能，以便在不可接受的或危险的条件发生时保障或维持一个过程的安全运行，以实现石油化工装置生产过程中的人身保护、环境保护、工厂和设备保护的功能。其中，安全仪表***必须独立于控制同一设备的所有其他控制***，以确保SIS功能不受影响。SIS是由与基本过程控制***即BPCS相同类型的控制元件，包括传感器、逻辑运算单元、执行器和其他控制设备组成。然而，SIS中的所有控制元件都只用于SIS的正常运行，可独立完成工艺装置的安全运行和紧急停车。

SIS的正确运行需要一系列的设备来正常运作，它必须有能够检测到异常操作条件的传感器，如高流量、低液位或错误的阀门定位。需要一个逻辑运算单元来接收传感器的输入信号，根据信号的性质做出适当的决定，并根据用户定义的逻辑改变其输出。逻辑运算单元可以使用电气、电子或可编程电子设备，如继电器、跳闸放大器或可编程逻辑控制器，通过逻辑运算单元输出的变化导致最终元件对过程采取行动，使其达到安全状态。

基于BPCS的特点，输入输出IO卡件被广泛应用，为了石油化工领域生产的安全性和可靠性，IO通道的故障诊断能力尤为重要。如果单个IO通道的故障不进行识别和处理，可能对机组的安全及可用性造成较大影响。其中，在传感器端具备数字量输入信号的场景十分常见，表现为阀门的反馈、动设备的到位状态等，以传感器开关为输出，将高/低平两种状态输入到控制器中，控制器将其转化为数字量1或0。在信号采集过程中，通道可能会出现各种断线、干扰或者人为接线错误等情况，这会导致数字量信号采集不准确，影响安全仪表***的可靠性和安全性，该输入信号能否正确采集对整个安全仪表***的功能安全尤为重要。同时，安全设备的完整性对硬件安全完整性有明确的量化要求。其中，诊断覆盖率属于硬件安全完整性的内容，定义是通过自动在线诊断测试检测到的危险失效分数，该指标越高代表***的诊断覆盖率越好。

实施例1

为满足对功能安全仪表控制***诊断覆盖率高的要求，如图1所示，本实施例第一方面提供一种数字量输入信号诊断装置，可用于通道故障发现和故障预测，具有简单、可靠、器件少等特点，可适用于石化领域室内和室外监测报警、紧急停车等不同的功能安全应用，该数字量输入信号诊断装置包括：控制器、开关模块、第一信号隔离模块及输出判断模块；开关模块串联在第一信号隔离模块的输入端回路上，控制器与开关模块及第一信号隔离模块的输入端回路连接，输出判断模块连接在第一信号隔离模块的输出端回路上，第一信号隔离模块的输出端回路与控制器的至少两个输入端连接，第一信号隔离模块的输入端回路还用于接入来自外部的数字量输入信号；控制器用于向第一信号隔离模块的输入端回路发送自检信号，以及向开关模块发送开关控制信号以控制开关模块导通或断开，第一信号隔离模块的输入端回路在开关模块导通时导通，在开关模块断开时断开；输出判断模块用于在第一信号隔离模块的输入端回路断开时通过第一信号隔离模块的输出端回路输出高电平的判断信号，第一信号隔离模块的输出端回路在第一信号隔离模块的输入端回路导通且数字量输入信号或自检信号为高电平信号时输出低电平的判断信号。

如此，本实施例的电路简单、可靠、器件少，能够实现数字量输入信号通道100％故障自诊断，以及能够通过对标准自检信号模拟量输入电压信号的监测，反映长期电路器件性能退化趋势，实现故障预测，从而有效提高信号传输的可靠性和安全性。

具体的，控制器可以为CPU、MCU等，本实施例中，控制器的至少两个输入端优选为控制器的第一输入端和第二输入端。其中，控制器的第一输入端和第二输入端连接有A/D转换模块，输入控制器的第一输入端和第二输入端的模拟信号经A/D转换模块进行A/D变换后，转化为对应的数字信号后传输至控制器的逻辑处理单元，以进行通信、自检、计算等动作。控制器通过向开关模块发送控制信号来控制开关模块导通，此时，第一信号隔离模块的输入端回路处于通路状态，其中，第一信号隔离模块可以为光耦。来自现场的0/24VDC实际数字量信号输入第一信号隔离模块的输入端回路，第一信号隔离模块的输出端回路根据现场数字量信号输出对应的判断信号，例如，现场的数字量信号为24VDC信号时，第一信号隔离模块的输入端回路得电，其内部的发光二极管点亮，控制第一信号隔离模块的输出端回路导通，此时第一信号隔离模块的输出端回路输出低电平的判断信号；若现场的数字量信号为0VDC信号，则第一信号隔离模块内部的发光二极管不会被点亮，第一信号隔离模块的输出端回路断开，此时第一信号隔离模块的输出端回路在输出判断模块的作用下输出高电平的判断信号，从而将数字量输入信号转换成在A/D变换范围内的标准模拟电压信号。第一信号隔离模块的输出端回路输出的判断信号经分别传输至控制器的第一输入端及第二输入端，再由两路A/D转换器同时采集变换为数字量；控制器通过两路转换的数字量与预先设定值的比较，经过两次运算进行结果比较，获得最终用于逻辑处理计算的判断信号，当偏差在预先设定的范围内时，该信号作为最终用于用户逻辑处理计算的输入信号，否则由于输入信号偏差大而报警。需要自检时，控制器通过自检控制程序输出I/O控制信号，经光耦隔离后控制数字开关模块导通，并向第一信号隔离模块输入自检信号，将现场实际信号切换为自检电压信号，从而对数字量输入通道注入检测信号，控制器根据两个输入端接收到的自检信号是否异常来判断数字量输入信号的输入通道是否故障，从而实现对数字量输入信号采集通道的100％故障自诊断。其中，自检信号也可以为0/24VDC的自检信号。

如图2所示，本实施例中，开关模块包括：开关元件及第一电阻R110；控制器的第一输出端通过第一电阻R110与开关元件的控制端连接，控制器通过控制器的第一输出端发送开关控制信号。

第一信号隔离模块包括：光耦单元U44；光耦单元U44的第一输入端与控制器的第二输出端连接并接数字量输入信号，光耦单元U44的第二输入端通过开元件接地，控制器通过控制器的第二输出端发送自检信号；光耦单元U44的第一输出端与控制器至少两个输入端及输出判断模块连接，第二输出端接地。

其中，开关元件为三极管Q5，光耦单元U44采用单通道的光耦器件。控制器的第一输出端通过第一电阻R110与三极管Q5的基极连接，三极管Q5的发射极与接地，三极管Q5的集电极与光耦单元U44的负极端连接，光耦单元U44的正极端与控制器的第二输出端连接及现场输入的数字量信号连接。光耦单元U44的集电极端控制器的第一输入端及第二输入端连接，发射极接地，且输出判断模块连接在光耦单元U44的集电极上。控制器的第一输出端输出的开关控制信号T-N经第一电阻R110至三极管Q5的基极，从而控制三极管Q5集电极和发射极导通，光耦单元U44的输入端回路为通路状态。

其中，装置还包括：第二信号隔离模块及第二电阻R114；第二信号隔离模块通过第二电阻R114与光耦单元U44的第一输入端连接；控制器的第二输出端通过第二信号隔离模块与第二电阻R114连接，数字量输入信号通过第二信号隔离模块传输至光耦单元U44的第一输入端；第二隔离模块用于隔离数字量输入信号及自检信号。

具体的，第二信号隔离模块包括：第一二极管D3及第二二极管D4；第一二极管D3的负极端通过第二电阻R114与光耦单元U44的正极端连接，第一二极管D3的正极端与现场数字量输入信号连接；第二二极管D4的负极端通过第二电阻R114与光耦单元U44的正极端连接，第二二极管D4的正极端与控制器的第二输出端连接，用于接收控制器输出的自检信号TEST，通过第一二极管D3及第二二极管D4的作用，能够有效避免现场数字量输入信号与自检信号的相互干扰。可以理解的，现场数字量输入信号通过传输接口与三极管Q5的发射极连接，传输接口可以为任一数字量输入信号的接口，此处对此不作限定，如图2所述，现场数字量输入信号记为DI2。

本实施例中，输出判断模块包括：第三电阻R113及第四电阻R115；第三电阻R113的第一端接5V稳压供电电源，第三电阻R113的第二端与第四电阻R115的第一端及光耦单元U44的集电极端连接后与控制器的第一输入端及第二输入端连接；第四电阻R115的第二端接地。

第三电阻R113及第四电阻R115并联后与光耦单元U44的集电极端连接，并输出最终用于用户逻辑处理计算的模拟量电压信号CHAN2即判断信号至控制器的第一输入端及第二输入端，控制器内部通过A/D变换将采集的模拟电压信号CHAN2用于诊断与故障预测。

在***正常运行未进行自诊断时，由于无需自诊断，TEST信号为低电平，即控制器无自检信号输入，T-N控制信号为高电平，此时三极管Q5导通。如果此时外部的数字量输入信号DI2输入为24V高电平，则DI2导通第一二极管D3和第二电阻R114控制光耦U44的输入端，光耦U44输入端的内部发光二极管被导通发光，光耦U44输出端接收输入端的发光信号导通接地，发送给控制器的输出模拟电压信号CHAN2为低电平0V；如果此时数字量输入外部信号DI2输入为0V低电平，则第一二极管D3和第二电阻R114处于截止状态，光耦U44输入端被截止不发光，光耦U44输出端接收不到输入端的发光信号也截止，发送给控制器的输出模拟电压信号CHAN2在上拉电阻R113和5V电源的作用下为高电平，显示为5V。

在***正常运行需要进行自诊断的时候，若TEST信号为高电平，T-N控制信号为高电平，此时三极管Q5导通。此时处于不安全状态，若数字量输入外部信号DI2不带电，为低电平0V，则TEST信号导通第一二极管D3和第二电阻R114控制光耦U44输入端，光耦U44输入端被导通发光，光耦U44输出端接收输入端的发光信号导通接地，发送给控制器的输出模拟电压信号CHAN2为低电平0V。

在***正常运行需要进行自诊断的时候，若TEST信号为低电平，T-N控制信号为高电平，此时三极管Q5导通。此时处于不安全状态，若数字量输入外部信号DI2不带电，即DI2为低电平0V，则第一二极管D3和第二电阻R114处于截止状态，光耦U44输入端被截止不发光，光耦U44输出端接收不到输入端的发光信号也截止，发送给CPU的输出模拟电压信号CHAN2在上拉电阻R113和5V电源的作用下为高电平，显示为5V。

在***正常运行需要进行自诊断的时候，若TEST信号为高电平，T-N控制信号为高电平，此时三极管Q5导通。此时处于安全状态，若数字量输入外部信号DI2带电，即DI2输入为24V高电平，则DI2导通第一二极管D3和第二电阻R114控制光耦U44输入端，光耦U44输入端被导通发光，光耦U44输出端接收输入端的发光信号导通接地，发送给控制好钱的输出模拟电压信号CHAN2为低电平0V。

在正常运行需要进行自诊断的时候，若TEST信号为低电平，T-N控制信号为高电平，此时三极管Q5导通。此时处于安全状态，数字量输入外部信号DI2带电，DI2输入为24V高电平，则DI2导通第一二极管D3和第二电阻R114控制光耦U44输入端，光耦U44输入端被导通发光，光耦U44输出端接收输入端的发光信号导通接地，发送给CPU的输出模拟电压信号CHAN2为低电平0V。

在***正常运行需要进行自诊断的时候，若T-N控制信号为低电平，此时三极管Q5截止。则无论TEST信号为高、低电平时，光耦U44输入端断路截止不发光，U44输出端接收不到输入端的发光信号也截止，发送给控制器的输出模拟电压信号CHAN2在上拉电阻R113和5V电源的作用下为高电平，显示为5V。

同时，还可以通过持续采集外部现场数字量输入信号对应的输出模拟电压信号CHAN2至控制器内部的A/D转换器，例如，通过3个月的运转，持续监测光耦U44及第三电阻R113和第四电阻R115漂移和退化趋势，可以进行故障预测。可以理解的，由于第三电阻R113和第四电阻R115的阻值已知，通过采集输出模拟电压信号CHAN2的电压值即可计算得到第三电阻R113和第四电阻R115的电压值，其计算过程为现有技术，此处不做限定。

实施例2

如图3所示，在本发明的第二方面，提供一种数字量输入信号诊断方法，应用于上述的数字量输入信号诊断装置，方法包括：

控制器向开关模块发送开关控制信号控制开关模块导通，以使得第一信号隔离模块的输入端回路导通；

第一信号隔离模块的输入端回路接收来自外部的数字量输入信号，并通过第一信号隔离模块的输出端回路输出与数字量输入信号对应的第一判断信号至控制器的至少两个输入端；

控制器将其至少两个输入端接收到的第一判断信号进行模数转换后分别与数字量信号阈值进行比较，若依据比较结果确定控制器的任一输入端接收到的第一判断信号异常，生成第一故障报警信号；

自检时，控制器向第一信号隔离模块的输入端回路发送自检信号，并通过第一信号隔离模块的输出端回路输出与自检信号对应的第二判断信号至控制器的至少两个输入端；

控制器将其至少两个输入端接收到的第二判断信号进行模数转换后分别与数字量信号阈值进行比较，若依据比较结果确定控制器的任一输入端接收到的第二判断信号异常，生成第二故障报警信号。

具体的，来自现场的0/24VDC数字量信号经过光耦隔离，转换成在A/D变换范围内的标准模拟电压信号；再由控制器的两路A/D转换器同时采集变换为数字量；控制器通过两路转换的数字量与预先设定的数字量信号阈值进行比较，经过两次运算进行结果比较，获得最终用于逻辑处理计算的判断信号，当偏差在预先设定的范围内时，该信号作为最终用于用户逻辑处理计算的数字量输入信号，否则由于产生数字量输入信号偏差大而报警。例如，现场的数字量信号经过光耦隔离转换为在A/D变换范围内的标准模拟电压信号后，分别传输至控制器的两路A/D转换器，经A/D转换器将输出的模拟电压信号转换为对应的数字量，控制器先对每一路A/D转换器转换得到的数字量进行判断，判断其是否在预先设定的范围内，若是，则判断该路转换后的数字量值有效，否则，判断该路转换后的数字量值无效，标记该路转换后的数字量值无效并产生故障报警。若两路转换后的数字量值均有效，则可随机确定一路转换后的数字量值为作为最终用于用户逻辑处理计算的数字量输入信号，或者基于两路转换后的数字量值进行预设计算后确定最终用于用户逻辑处理计算的数字量输入信号，此处对此不作限定。

其中，若依据比较结果确定控制器的任一输入端接收到的第一判断信号异常，包括：若控制器的任一输入端接收到的第一判断信号与数字量信号阈值的差值大于预设差值范围，确定控制器对应输入端接收到的第一判断信号异常；若依据比较结果确定控制器的任一输入端接收到的第二判断信号异常，包括：若控制器的任一入端接收到的第二判断信号与数字量信号阈值的差值大于预设差值范围，确定控制器对应输入端接收到的第二判断信号异常。

本实施例中，若控制器的第一输入端及第二输入端中某一路判断信号经A/D转换的数字量与预设的数字量信号阈值的差值大于预设差值范围，则可确定该路输入的判断信号异常，则该路的输入值无效，该值不能作为控制器用于逻辑计算的目标值，控制器产生故障报警。例如，现场的数字量信号经过光耦隔离转换为在A/D变换范围内的标准模拟电压信号后，分别传输至控制器的两路A/D转换器，经A/D转换器将输出的模拟电压信号转换为对应的数字量，控制器先对每一路A/D转换器转换得到的数字量进行判断，判断其是否在预先设定的范围内，若是，则判断该路转换后的数字量值有效，否则，判断该路转换后的数字量值无效，标记该路转换后的数字量值无效并产生故障报警。在确定该路转换后的数字量有效后，控制器还进一步计算该路转换后的数字量与预设的数字量信号阈值的差值，并将得到的差值与预设差值范围比较，若该差值大于预设的差值范围，则判定该路的输入信号异常，标记该路输入值为无效，不能将其作为控制器用于逻辑计算的目标值，并产生故障报警；若得到的差值不大于预设的差值范围，则判定该路的输入信号正常，将其作为控制器用于逻辑计算的目标值。或者，在控制器的两个输入端将输出的模拟电压信号转换为对应的数字量后，直接计算转换后的数字量与预设的数字量信号阈值的差值，并将得到的差值与预设差值范围比较，若该差值大于预设的差值范围，则判定该路的输入信号异常，标记该路输入值为无效，不能将其作为控制器用于逻辑计算的目标值，并产生故障报警；若得到的差值不大于预设的差值范围，则判定该路的输入信号正常，将其作为控制器用于逻辑计算的目标值。

本实施例中，方法还包括：若依据比较结果确定控制器的任一输入端接收到的第一判断信号无异常，以控制器对应输入端接收到的第一判断信号为目标输入信号；若依据比较结果确定控制器的所有输入端接收到的第一判断信号均无异常，以控制器的所有输入端接收到的第一判断信号的均值为目标输入信号。

具体的，若控制器的第一输入端及第二输入端接收到的判断信号经两路A/D转换的数字量均在设定范围，则两路转换的数字量值均有效，则对两路数值求算数平均后，作为此采集通道的数字量输入信号的计算值；如果只有一路转换的数字量值在预先规定的范围内，则此路转换的数字量值有效，作为此采集通道的数字量输入信号计算值，例如，控制器的第一输入端接收到的判断信号经A/D转换后被判定无效，控制器的第二输入端接收到的判断信号经A/D转换后被判定有效，则以控制器的第二输入端得到的值作为此采集通道的数字量输入信号计算值，控制器的第一输入端转换的数字量值因不在预先规定的范围内，标记此路转换的数字量值无效，并产生故障报警；如果两路转换的数字量值都不在预先规定的范围内，则标记两路转换的数字量值均无效，并产生故障报警。

本实施例中，方法还包括：持续获取预设时间段内，控制器的任一输入端接收到的判断信号，生成表征控制器对应输入端在预设时间段内获取到的判断信号的电压变化趋势的第一曲线；将第一曲线与标准电压变化曲线进行比较，根据比较结果确定第一曲线是否异常。

其中，将第一曲线与标准电压变化曲线进行比较，根据比较结果确定第一曲线是否异常，包括：若第一曲线与标准电压变化曲线的偏差大于曲线偏差阈值，确定第一曲线异常。

具体的，持续获取一段时间内如3个月内的判断信号，通控制器的两个输入端得到判断信号对应的电压值，分别构建该时间段内，控制器的第一输入端接收到的电压值的第一曲线及控制器的第二输入端接收到的电压值的第一曲线。分别将控制器的第一输入端对应的第一曲线及控制器的第二输入端对应的第一曲线与预设的标准电压变化曲线进行匹配，确定每一第一曲线与标准电压变化曲线的偏差，其中，标准电压变化曲线为理想状态下，判断信号的电压变化曲线。可以理解的，若第一曲线中的多个点位与标准电压变化曲线上同点位的偏差大于偏差阈值，则认为对应数字量输入通路存在电路故障。其中，多个点位与标准电压变化曲线上同点位的偏差大于偏差阈值可以是连续N个监测点位的电压值与标准电压变化曲线上同点位的电压值偏差均大于偏差阈值，也可以是第一曲线的某一区间内的N个监测点位的电压值与标准电压变化曲线上同点位的电压值偏差大于偏差阈值，还可以是第一曲线的所有监测点位中的N个监测点位的电压值与标准电压变化曲线上同点位的电压值偏大于偏差阈值，对此本实施例不作限定。

通过上述方法，将一段时间内的两路电压采集数据进行滤波处理，提取其变化趋势，当某路电压趋势变化程度超过规定的范围时，则标记此路器件性能退化超标，并产生故障预警。

综上，通过本发明的数字量输入信号采集通道的自诊断电路及方法，能够实现数字量输入信号采集通道100％故障自诊断；将数字量输入信号电压作为模拟量信号采集，配合软件算法，可长期监测数字量输入信号采集通道的器件性能退化趋势，实现故障预测；同时，本发明的电路结构简单、可靠、器件少，适用于功能安全SIS控制***。

以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。

本领域技术人员可以理解实现上述实施方式的方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本发明各个实施方式方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。

Claims (12)

1.一种数字量输入信号诊断装置，其特征在于，包括：

控制器、开关模块、第一信号隔离模块及输出判断模块；

所述开关模块串联在所述第一信号隔离模块的输入端回路上，所述控制器与所述开关模块及所述第一信号隔离模块的输入端回路连接，所述输出判断模块连接在所述第一信号隔离模块的输出端回路上，所述第一信号隔离模块的输出端回路与所述控制器的至少两个输入端连接，所述第一信号隔离模块的输入端回路还用于接入来自外部的数字量输入信号；

所述控制器用于向所述第一信号隔离模块的输入端回路发送自检信号，以及向所述开关模块发送开关控制信号以控制所述开关模块导通或断开，所述第一信号隔离模块的输入端回路在所述开关模块导通时导通，在所述开关模块断开时断开；

所述输出判断模块用于在所述第一信号隔离模块的输入端回路断开时通过所述第一信号隔离模块的输出端回路输出高电平的判断信号，所述第一信号隔离模块的输出端回路在所述第一信号隔离模块的输入端回路导通且所述数字量输入信号或所述自检信号为高电平信号时输出低电平的判断信号。

2.根据权利要求1所述的数字量输入信号诊断装置，其特征在于，所述开关模块包括：

开关元件及第一电阻；

所述控制器的第一输出端通过所述第一电阻与所述开关元件的控制端连接，所述控制器通过所述控制器的第一输出端发送所述开关控制信号。

3.根据权利要求2所述的数字量输入信号诊断装置，其特征在于，所述第一信号隔离模块包括：

光耦单元；

所述光耦单元的第一输入端与所述控制器的第二输出端连接并接所述数字量输入信号，所述光耦单元的第二输入端通过所述开元件接地，所述控制器通过所述控制器的第二输出端发送所述自检信号；

所述光耦单元的第一输出端与所述控制器至少两个输入端及所述输出判断模块连接，第二输出端接地。

4.根据权利要求3所述的数字量输入信号诊断装置，其特征在于，所述装置还包括：

第二信号隔离模块及第二电阻；

所述第二信号隔离模块通过所述第二电阻与所述光耦单元的第一输入端连接；

所述控制器的第二输出端通过所述第二信号隔离模块与所述第二电阻连接，所述数字量输入信号通过所述第二信号隔离模块传输至所述光耦单元的第一输入端；

所述第二隔离模块用于隔离所述数字量输入信号及所述自检信号。

5.根据权利要求4所述的数字量输入信号诊断装置，其特征在于，所述第二信号隔离模块包括：

第一二极管及第二二极管；

所述第一二极管的负极端通过所述第二电阻与所述光耦单元的第一输入端连接，所述第一二极管的正极端用于接入所述数字量输入信号；

所述第二二极管的负极端通过所述第二电阻与所述光耦单元的第一输入端连接，所述第二二极管的正极端与所述控制器的第二输出端连接。

6.根据权利要求3所述的数字量输入信号诊断装置，其特征在于，所述输出判断模块包括：

第三电阻及第四电阻；

所述第三电阻的第一端接电源，所述第三电阻的第二端与所述第四电阻的第一端及所述光耦单元的第一输出端连接后与所述控制器的至少两个输入端连接；

所述第四电阻的第二端接地。

7.一种数字量输入信号诊断方法，应用于权利要求1-6所述的数字量输入信号诊断装置，其特征在于，方法包括：

控制器向开关模块发送开关控制信号控制所述开关模块导通，以使得第一信号隔离模块的输入端回路导通；

所述第一信号隔离模块的输入端回路接收来自外部的数字量输入信号，并通过所述第一信号隔离模块的输出端回路输出与所述数字量输入信号对应的第一判断信号至所述控制器的至少两个输入端；

所述控制器将其至少两个输入端接收到的第一判断信号进行模数转换后分别与数字量信号阈值进行比较，若依据比较结果确定所述控制器的任一输入端接收到的第一判断信号异常，生成第一故障报警信号；

自检时，所述控制器向所述第一信号隔离模块的输入端回路发送自检信号，并通过所述第一信号隔离模块的输出端回路输出与所述自检信号对应的第二判断信号至所述控制器的至少两个输入端；

所述控制器将其至少两个输入端接收到的第二判断信号进行模数转换后分别与所述数字量信号阈值进行比较，若依据比较结果确定所述控制器的任一输入端接收到的第二判断信号异常，生成第二故障报警信号。

8.根据权利要求7所述的数字量输入信号诊断方法，其特征在于，若依据比较结果确定所述控制器的任一输入端接收到的第一判断信号异常，包括：

若所述控制器的任一输入端接收到的第一判断信号与所述数字量信号阈值的差值大于预设差值范围，确定所述控制器对应输入端接收到的第一判断信号异常；

若依据比较结果确定所述控制器的任一输入端接收到的第二判断信号异常，包括：

若所述控制器的任一输入端接收到的第二判断信号与所述数字量信号阈值的差值大于预设差值范围，确定所述控制器对应输入端接收到的第二判断信号异常。

9.根据权利要求7所述的数字量输入信号诊断方法，其特征在于，所述方法还包括：

持续获取预设时间段内，所述控制器的任一输入端接收到的判断信号，生成表征所述控制器对应输入端在所述预设时间段内获取到的判断信号的电压变化趋势的第一曲线；

将所述第一曲线与标准电压变化曲线进行比较，根据比较结果确定所述第一曲线是否异常。

10.根据权利要求9所述的数字量输入信号诊断方法，其特征在于，将所述第一曲线与标准电压变化曲线进行比较，根据比较结果确定所述第一曲线是否异常，包括：

若所述第一曲线与所述标准电压变化曲线的偏差大于曲线偏差阈值，确定所述第一曲线异常。

11.根据权利要求7所述的模拟量输入信号诊断方法，其特征在于，所述方法还包括：

若依据比较结果确定所述控制器的任一输入端接收到的第一判断信号无异常，以所述控制器对应输入端接收到的第一判断信号为目标输入信号。

12.根据权利要求11所述的模拟量输入信号诊断方法，其特征在于，所述方法还包括：

若依据比较结果确定所述控制器的所有输入端接收到的第一判断信号均无异常，以所述控制器的所有输入端接收到的第一判断信号的均值为目标输入信号。