CN206133294U - 一种控制器故障保护*** - Google Patents

Abstract

一种控制器故障保护***，包括相互连接的控制器和故障保护装置，其中，所述控制器输出诊断信号，所述诊断信号正常时为脉冲串信号；所述故障保护装置对所述诊断信号进行检测，如判断所述诊断信号的高电平持续时间大于所述脉冲串信号的高电平持续时间T1，或者所述诊断信号的低电平持续时间大于所述脉冲串信号的低电平持续时间T2，则生成故障保护信号。本申请可以及时诊断控制器故障、生成故障保护信号，简单、可靠且具有通用性。

Description

一种控制器故障保护***

技术领域

本实用新型涉及控制器故障保护，更具体地，涉及一种控制器故障保护***。

背景技术

安全依赖于***功能的情况称之为“功能安全”，安全相关***在承担过程监控任务的同时，还承担了安全生产风险控制的任务，功能安全防止的是安全相关***或设备的功能失效所导致的危险。

功能安全控制器是应用风险控制的***、方法进行软硬件设计的一类专门控制器，技术要求高、产品少、价格昂贵。目前仍有相当多的工业应用场合，包括发电厂，由于集中监控和便于维护的需要，更多地采用安全相关控制***与常规的分布式控制***(DCS：Distributed Control System)或可编程逻辑控制器(PLC：Programmable LogicController)硬软件一体化的设计方案，没有用专门的功能安全控制器实现安全保护功能，提高安全保护***可靠性的办法基本上都是单独配置冗余控制器。这会导致***复杂并且增加成本，而且，在冗余的控制器都故障的极端情况下，不能有效地确保被保护设备处于安全状态。

PLC是一种采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

DCS称之为集散控制***，是相对于集中式控制***而言的一种新型计算机控制***，它是在集中式控制***的基础上发展、演变而来的。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***，综合了计算机，通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。

上述DCS和PLC控制器已广泛地应用于各种控制领域，这些控制器在运行过程中，控制器本身和其他外部元器件、软件本身都可能发生故障，使所在控制器失去控制和保护功能，严重时使整个控制***瘫痪，造成极大的经济损失。

传统的控制器故障的保护的基本原理是由操作员根据控制***提供的控制器部件诊断信息和被控参数异常情况进行综合判断，确定控制器是否故障，故障时则操作控制器控制和保护对象的急停按钮，使其处于安全状态。但是，这种故障保护方式耗时长，不能及时发现故障而及时处理、避免危害。而且不具有通用性。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种控制器故障保护***，包括相互连接的控制器和故障保护装置，其中：

所述控制器输出诊断信号，所述诊断信号正常时为脉冲串信号；

所述故障保护装置对所述诊断信号进行检测，如判断所述诊断信号的高电平持续时间大于所述脉冲串信号的高电平持续时间T1，或者所述诊断信号的低电平持续时间大于所述脉冲串信号的低电平持续时间T2，则生成故障保护信号。

上述方案可以及时诊断控制器故障，保护控制器功能安全，简单、可靠且具有通用性。

附图说明

图1是本实用新型实施例一控制器控制器故障保护***的架构图；

图2是本实用新型实施例一、二中故障保护装置的模块图；

图3是本实用新型的应用示例中第一检测回路的电路图；

图4是本实用新型的应用示例中第二检测回路的电路图；

图5是本实用新型的应用示例中信号生成回路的电路图；

图6是本实用新型的应用示例通过继电器触点触发跳闸回路的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

需要说明的是，说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

一种不同于传统故障保护的思路是：控制器的严重故障最终都体现在控制器不能正确有效地执行其被赋予的控制任务，控制器可以在执行控制任务的同时输出一个脉冲串信号作为诊断信号(即提供给外部用于诊断控制器故障的信号)。那么如果诊断信号异常，就表明控制器不能正常执行控制任务。但是，如何基于控制器输出的该诊断信号来实现控制器功能安全，仍然是需要解决的问题。

实施例一

本实施例提供一种控制器故障保护***，如图1所示，包括相互连接的控制器10和故障保护装置20，其中：

所述控制器输出诊断信号，所述诊断信号正常时为脉冲串信号；

所述故障保护装置对所述诊断信号进行检测，如判断所述诊断信号的高电平持续时间大于所述脉冲串信号的高电平持续时间T1，或者所述诊断信号的低电平持续时间大于所述脉冲串信号的低电平持续时间T2，则生成故障保护信号。

通过对诊断信号的高电平持续时间和T1，及诊断信号的低电平持续时间和T2的比较，如果诊断信号的高电平持续时间大于T1或者低电平持续时间大于T2，都说明该诊断信号不再是一个脉冲串信号，因此能够确定诊断信号异常而生成故障保护信号。

本实施例中，如图2所示，所述故障保护装置包括：

第一检测电路201，包括串联的第一开关单元和第一延时动作单元，所述第一开关单元的接通时间受所述第一脉冲串信号的高电平持续时间或低电平持续时间控制，所述第一延时动作单元在所述第一开关单元的接通时间达到预设的第一延时时间T1’时动作，T1’>T1；

第二检测电路202，包括串联的第二开关单元和第二延时动作单元，所述第二开关单元的接通时间受所述第二脉冲串信号的高电平持续时间或低电平持续时间控制，所述第二延时动作单元在所述第二开关单元的接通时间达到预设的第二延时时间T2’时动作，T2’>T2；

信号生成电路203，在检测到所述第一延时动作单元和所述第二延时动作单元中有任何一个动作时，生成故障保护信号。

本实施例中，所述脉冲串信号包括相位相反的第一脉冲串信号和第二脉冲串信号；

所述控制器故障保护***还包括：

第一驱动电路，将输入的所述第一脉冲串信号转换为第一开关单元的通断信号，所述第一开关单元的通断受所述第一脉冲串信号的电平控制；

第二驱动电路，将输入的所述第二脉冲串信号转换为第二开关单元的通断信号，所述第二开关单元的通断受所述第二脉冲串信号的电平控制；

所述第一驱动电路和第二驱动电路是所述控制器的输出驱动电路的一部分，或者是所述故障保护装置的一部分。图2中用虚线框示出了第一驱动电路204和第二驱动电路205，说明这两个电路是可选的，因为也可以在控制器侧来实现。

在另一实施例中，所述脉冲串信号包括第一脉冲串信号；

如图2所示，所述故障保护装置还包括：

第一驱动电路204，将输入的所述第一脉冲串信号转换为第一开关单元的通断信号，所述第一开关单元的通断受所述第一脉冲串信号的电平控制；

反相电路206，将输入的所述第一脉冲串信号反相后，输出为第二脉冲串信号；

第二驱动电路205，将输入的所述第二脉冲串信号转换为第二开关单元的通断信号，所述第二开关单元的通断受所述第二脉冲串信号的电平控制。

这种实现方式与本实施例不同的是，这种实现方式下控制器只输出一路脉冲串信号，需要故障保护装置来将其反相，得到与其相位相反的另一路脉冲串信号。反相电路是一种常见电路，可以采用模拟电路也可以采用数字电路，本实用新型不再赘述。

本实施例中，

所述第一驱动电路包括第一驱动继电器，所述第一开关单元是所述第一驱动继电器的触点，文中称为第一触点；

所述第二驱动电路包括第二驱动继电器，所述第二开关单元是所述第二驱动继电器的触点，文中称为第二触点；

所述第一触点和第二触点的接通分别受所述第一脉冲串信号和第二脉冲串信号的高电平或低电平控制。

但本实用新型并不局限于继电器这种方式，可以实现上述功能的电路或另一控制器均可以采用。

本实施例中，所述脉冲串信号的占空比为1，高电平持续时间T1和低电平持续时间T2均等于所述控制器的控制周期T。但本实用新型不局限于此，如T1和T2也可以等于2T，但是，T1＝T2＝T时能够最快地发现故障。

本实施例中，所述第一延时动作单元为第一延时继电器，所述第二延时动作单元为第二延时继电器。但需要说明的是，可以实现延时动作功能的器件并不限于延时继电器，也可能采用分立元件或集成电路等方式实现，

本实施例中，所述信号生成电路包括组成并联结构的所述第一延时继电器的常开触点和所述第二延时继电器的常开触点；或者，所述信号生成电路包括组成串联结构的所述第一延时继电器的常闭触点和所述第二延时继电器的常闭触点。这样，在所述第一延时动作单元和所述第二延时动作单元中有任何一个动作时，就能够生成故障保护信号。

本实施例中，所述信号生成电路还包括：与所述并联结构或串联结构串联的第三继电器。该第三继电器的触点可以提供给外部电路，例如将第三继电器的触点接入所述控制器控制和保护对象的跳闸回路，用于触发所述跳闸回路动作，实现所述对象的功能安全。

在一个实施例中，上述控制器是采用单控制器配置的控制***中的一个控制器。

在另一实施例中，该控制器可以是冗余控制***中的冗余控制器，所述冗余控制***中所有的冗余控制器通过公共的接口输出所述诊断信号。显然，这里的公共接口在控制器输出一个脉冲串信号时可以只需要有一个，而在控制器输出两个脉冲串信号时，则需要有两个。这样，当诊断到冗余控制器故障时，就可以确定所述冗余控制***中所有的冗余控制器均发生了故障，而及时进行保护。

本实施例中，所述控制器是在执行控制任务的同时执行数字信号翻转逻辑，生成脉冲串信号并作为所述诊断信号输出。

实施例二

本实施例提供一种故障保护装置，用于对正常为脉冲串信号的诊断信号进行诊断，其功能与实施例一中的故障保护装置一致，但本实施例主要是描述其本身的结构，如图2所示，该故障保护装置包括：

第一检测电路201，包括串联的第一开关单元和第一延时动作单元，所述第一延时动作单元在所述第一开关单元的接通时间达到预设的第一延时时间时动作；

第二检测电路202，包括串联的第二开关单元和第二延时动作单元，所述第二延时动作单元在所述第二开关单元的接通时间达到预设的第二延时间时动作；

信号生成电路203，在检测到所述第一延时动作单元和所述第二延时动作单元中有任何一个动作时，生成故障保护信号。

本实施例中，所述第一开关单元是控制器外部接口提供的第一触点；所述第二开关单元是所述控制器外部接口提供的第二触点。但在另一实施例中，上述两个触点在故障保护装置侧，具体地，有两种结构：

结构一：

所述故障保护装置还包括：

第一驱动电路，包括第一驱动继电器，所述第一开关单元是所述第一驱动继电器的触点，所述第一驱动继电器的输入端用于接收外部信号输入；

第二驱动电路，包括第二驱动继电器，所述第二开关单元是所述第二驱动继电器的触点，所述第一驱动继电器的输入端用于接收外部信号输入。

该结构可以将两个脉冲串信号转换为相应的触点通断信号。

结构二：

所述故障保护装置还包括：

第一驱动电路，包括第一驱动继电器，所述第一开关单元是所述第一驱动继电器的触点，所述第一驱动继电器的输入端用于接收外部信号输入；

反相电路，接收外部信号输入，将所述外部信号反相后输出；

第二驱动电路，包括第二驱动继电器，所述第二开关单元是所述第二驱动继电器的触点，所述第二驱动继电器的输入端与所述反相电路的输出端连接。

该结构可以在只有一个脉冲串信号输入时，通过反相电路生成另一个相位相反的脉冲串信号，再转换为两个触点的通断信号。

本实施例中，所述第一延时动作单元为第一延时继电器，所述第二延时动作单元为第二延时继电器。

本实施例中，

所述信号生成电路包括组成并联结构的所述第一延时继电器的常开触点和所述第二延时继电器的常开触点；或者

所述信号生成电路包括组成串联结构的所述第一延时继电器的常闭触点和所述第二延时继电器的常闭触点。

本实施例中，

所述信号生成电路还包括：与所述并联结构或串联结构串联的第三继电器。

本实施例中，

所述第一延时动作单元的第一延时时间等于所述第二延时动作单元的第二延时时间。

下面再用几个示例对本实用新型进行说明。

示例一

本示例诊断控制器(例如DCS、PLC等)故障，采用附加继电器回路生成故障保护信号，该故障保护信号可作用于控制器所保护设备的跳闸回路，实现保护的目的。

本示例中，控制器输出的正常的诊断信号是以控制周期T为宽度、占空比为1的第一脉冲串信号(也可以称为控制器脉动信号)和与其相位相反的第二脉冲串信号。该两个脉冲串信号通过驱动电路分别转换为第一触点和第二触点的通断信号后从外部端口输出。驱动电路可以简单地通过接收两个脉冲串信号输入的第一驱动继电器和第二驱动继电器实现，第一驱动器的触点的接通受第一脉冲串信号的高电平控制，第二驱动器的触点的接通受第二脉冲串信号的高电平控制；当然如果是常闭触点，两个触点的接通也可以分别受二个脉冲串信号的低电平控制。如果控制器故障，脉冲串信号将变为长时间为1或长时间为0，不再是脉冲串信号，即表现为诊断信号异常。相应地，两个触点中总有一个会长时间处于接通状态。

一个好的故障保护装置应满足：①电路可靠性高，无需借助于其它控制器等复杂电子器件，生成的保护信号可直接应用到设备保护回路，使设备动作到安全状态；②控制器输出的脉冲串信号正常时，无保护动作(保护动作采用正逻辑时，保护信号状态为0即低电平；保护动作采用负逻辑时，保护信号状态为1即高电平)；而当控制器输出的脉冲串信号异常时，有保护动作(保护动作采用正逻辑时，保护信号状态为1；保护动作采用负逻辑时，保护信号状态为0)。本示例以保护动作采用正逻辑为例说明故障保护信号生成电路的构成：

本示例中，故障保护信号生成电路采用继电器组成，只要继电器电磁线圈和触点容量选择合适，其可靠性高，传统保护回路，包括高压电气保护回路都是由继电器构成的；

请参见图3至图6，是本示例故障保护装置包括的几个回路，图3表示的是第一检测回路、图4表示的是第二检测回路，图5表示的是信号生成回路。这些回路可以位于同一个控制电路中，

图3、图4中，第一触点通过控制器配备的开关量输出卡DO的通道引出，标示为DOPULSE1；第二触点通过控制器配备的开关量输出卡DO的另一通道引出，标示为DOPULSE2。DOPULSE1和DOPULSE2分别送到第一延时继电器和第二延时继电器，所述两个延时继电器的延时时间均大于控制器的控制周期，本示例设置为控制周期的2倍。延时时间太长将影响保护动作的及时性，而较短的话易导致误发保护动作信号。实际延时时间可根据控制器的控制周期的确定性情况(即控制周期是否准确和稳定)进行适当调整。

当控制器脉动信号正常时，两个延时继电器都不动作，无保护信号生成；当控制器故障时，若第一脉冲串信号长时间(大于第一延时继电器的延时时间)停留在1状态时，图3中的第一延时继电器产生动作，触点闭合。若第二脉冲串信号长时间(大于第二延时继电器的延时时间)停留在1状态时，图4中的第二延时继电器产生动作，触点闭合。在图5中，2个延时继电器的触点是并联结构，有一个闭合，该并联结构就会产生控制器故障保护信号，本示例中这是一个得电的信号。该故障保护信号可以用于控制第三继电器的通断，进而用该第三继电器的触点来触发被保护设备的跳闸回路动作，实现及时保护的目的。除了使控制器保护设备跳闸外，上述故障保护信号还可以用于其他用途，例如，不同控制方式的切换，产生故障报警等。

容易理解的是，在另一示例中，当第一延时继电器和第二延时继电器的触点采用常闭触点时，图5中该两个延电器的触点则应该采用串联结构，从而在任一延时继电器动作时产生故障保护信号，与本示例不同的是，该故障保护信号是一个失电的信号。

如上所述，本示例的控制器故障保护***实现了对控制器故障的及时检测，可以生成故障保护信号，且简单、可靠和具有通用性。

在另一示例中，上述控制器是冗余控制***中的冗余控制器，冗余的控制器的特点是多个(通常为2个)互为冗余备用的控制器执行同样的控制任务，当正在执行控制任务的控制器故障时，将自动切换到它的备用控制器继续执行控制任务，只有当所有冗余控制器都故障时，才需要采用其他办法进行保护。因此，该示例冗余控制***中所有的冗余控制器都将诊断信号通过公共接口输出，这样，在检测出该公共接口输出的诊断信号异常时，就表明该冗余控制***中所有的冗余控制器故障而需要通过辅助方式进行保护。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种控制器故障保护***，其特征在于，包括相互连接的控制器和故障保护装置，其中：

所述控制器输出诊断信号，所述诊断信号正常时为脉冲串信号；

所述故障保护装置对所述诊断信号进行检测，如判断所述诊断信号的高电平持续时间大于所述脉冲串信号的高电平持续时间T1，或者所述诊断信号的低电平持续时间大于所述脉冲串信号的低电平持续时间T2，则生成故障保护信号。

2.如权利要求1所述的控制器故障保护***，其特征在于：

所述脉冲串信号包括相位相反的第一脉冲串信号和第二脉冲串信号；

所述控制器故障保护***还包括：

第一驱动电路，将输入的所述第一脉冲串信号转换为第一开关单元的通断信号，所述第一开关单元的通断受所述第一脉冲串信号的电平控制；

第二驱动电路，将输入的所述第二脉冲串信号转换为第二开关单元的通断信号，所述第二开关单元的通断受所述第二脉冲串信号的电平控制；

所述第一驱动电路和第二驱动电路是所述控制器的输出驱动电路的一部分，或者是所述故障保护装置的一部分。

3.如权利要求1所述的控制器故障保护***，其特征在于：

所述脉冲串信号包括第一脉冲串信号；

所述故障保护装置还包括：

第一驱动电路，将输入的所述第一脉冲串信号转换为第一开关单元的通断信号，所述第一开关单元的通断受所述第一脉冲串信号的电平控制；

反相电路，将输入的所述第一脉冲串信号反相后，输出为第二脉冲串信号；

第二驱动电路，将输入的所述第二脉冲串信号转换为第二开关单元的通断信号，所述第二开关单元的通断受所述第二脉冲串信号的电平控制。

4.如权利要求2或3所述的控制器故障保护***，其特征在于：

所述第一驱动电路包括第一驱动继电器，所述第一开关单元是所述第一驱动继电器的触点；

所述第二驱动电路包括第二驱动继电器，所述第二开关单元是所述第二驱动继电器的触点；

所述第一驱动继电器的触点和第二驱动继电器的触点的接通分别受所述第一脉冲串信号和第二脉冲串信号的高电平或低电平控制。

5.如权利要求2或3所述的控制器故障保护***，其特征在于：

所述故障保护装置包括：

第一检测电路，包括串联的第一开关单元和第一延时动作单元，所述第一开关单元的接通时间受所述第一脉冲串信号的高电平持续时间或低电平持续时间控制，所述第一延时动作单元在所述第一开关单元的接通时间达到预设的第一延时时间T1’时动作，T1’>T1；

第二检测电路，包括串联的第二开关单元和第二延时动作单元，所述第二开关单元的接通时间受所述第二脉冲串信号的高电平持续时间或低电平持续时间控制，所述第二延时动作单元在所述第二开关单元的接通时间达到预设的第二延时时间T2’时动作，T2’>T2；

信号生成电路，在检测到所述第一延时动作单元和所述第二延时动作单元中有任何一个动作时，生成故障保护信号。

6.如权利要求5所述的控制器故障保护***，其特征在于：

所述第一延时动作单元为第一延时继电器，所述第二延时动作单元为第二延时继电器。

7.如权利要求6所述的控制器故障保护***，其特征在于：

所述信号生成电路包括组成并联结构的所述第一延时继电器的常开触点和所述第二延时继电器的常开触点；或者

所述信号生成电路包括组成串联结构的所述第一延时继电器的常闭触点 和所述第二延时继电器的常闭触点。

8.如权利要求7所述的控制器故障保护***，其特征在于：

所述信号生成电路还包括：与所述并联结构或串联结构串联的第三继电器，所述第三继电器的触点接入所述控制器控制和保护对象的跳闸回路，用于触发所述跳闸回路动作，实现所述对象的功能安全。

9.如权利要求1-3、6-8中任一所述的控制器故障保护***，其特征在于：

所述脉冲串信号的占空比为1，高电平持续时间T1和低电平持续时间T2均等于所述控制器的控制周期T。

10.如权利要求1-3、6-8中任一所述的控制器故障保护***，其特征在于：

所述控制器是采用单控制器配置的控制***中的一个控制器；或者

所述控制器为冗余控制***中的冗余控制器，所述冗余控制***中所有的冗余控制器通过公共的接口输出所述诊断信号。