专利名称：一种具有故障诊断能力的数字量采集电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种信号采集电路，具体涉及一种能够识别被采集设备信号故障的数字量采集电路。
背景技术：
在工业控制系统(如DCS或PLC)中，各级设备的启动、停止，过程控制、物理量门限状态，故障报警等开关信号的状态对整个系统的运行与安全具有重要影响，对这些装置开关量信号的采集与记录也显得尤为重要。因此，通常需要设计一种开关量信号采集卡，来对这些信号进行采集并上报，使得主控系统可以根据采集到的信号状态做出相应的控制保护输出，使得整个DCS系统处于安全状态。基于现场开关量信号与DCS控制系统的安全隔离，已及信号采集电平转换的必要性等，目前业界最常见的数字量采集电路通常是使用光耦或 者继电器类器件实现对开关量信号的采集。如图I所示，使用光耦进行开关信号采集的基本原理如下，其对开关状态信号的采集是通过施加查询电源(Veiwil)来实现的，开关闭合时光耦前级二极管导通，根据光耦的工作原理，光耦后级三极管输出电路将也会导通，从而采集到低电平信号，反之，开关的断开则会使得光耦后级三极管输出电路不导通，则采集到闻电平 目号。但是上述数字量采集电路由于不可避免的硬件随机失效所导致的安全功能丧失，如查询电源限流电路失效开路，或者光耦前端二极管失效开路等情况。这些问题的存在对于普通的过程工业应用来说，基本能够满足设计功能，但是对于具有高可靠性和高安全性要求的核电控制保护系统应用来说，由于有极高的可靠性与安全性要求，整个系统必须使用完善的自诊断措施以保证系统安全指标的达成，一旦通用的数字量采集电路子功能块出现硬件失效，DCS系统将无法获取现场的开关量采集状态，即丧失控制保护系统功能，这对于核电站控制保护系统来说将是不可接受的。

发明内容
为解决现有技术中数字量采集电路不能实现故障诊断的问题，本发明提供一种即能够对采集电路进行故障诊断又能够实现数字量采集的电路。具体方案如下一种具有故障诊断能力的数字量采集电路，包括待采集信息的触点型开关，其特征在于，所述触点型开关连接有信号采集电路A和信号采集电路B，以及根据两条信号采集电路输出结果判断采集过程是否异常的故障判断系统。优选方案为所述信号采集电路A和信号采集电路B分别为光耦信号采集电路，其中信号采集电路A中的光耦A内的二极管D3反向端通过保护二极管Dl、电阻R2与触点型开关连接，二极管D3的正向端通过电阻Rl与24V查询电源电压连接，光耦A内三极管Ql的集电极输出采集信号DI1_A并与故障判断系统连接，三极管Ql的发射极接地；信号采集电路B中的光耦B内的二极管D4的正向端通过稳压二极管D2、电阻Rl与电源电压连接，二极管D4的反向端通过电容Cl、电阻R2与触点开关连接，光耦B中三极管Q2的集电极输出采集信号DI1_B并与故障判断系统连接，三极管Q2的发射极接地。优选方案为所述光耦A内三极管Ql和光耦B内的三极管Q2的集电极分别通过电阻R3和电阻R4与识别电压连接。为实现自我检测所述故障判断系统在DI1_A和DI1_B输出的信号相同时判定为故障状态，而DI1_A和DI1_B输出信号互为相反时判定为正常状态。本发明利用两路采集电路同时对同一个对象进行信号采集，根据两路获得的采集信号是否相同或相异来判断当前采集电路是否有存在故障，从而提前做出预防措施，达到提高自诊覆盖率的目的。本发明的数字量采集电路，不但能够完成正常信号采集，而且一旦出现硬件随机失效，该采集电路能够智能的给出相应的故障状态输出，以达到故障诊断，导向安全处理以确保系统安全功能的完整性。


图I现有技术中光稱数子量米集电路不意图；图2本发明的带有诊断功能的数字量采集电路示意图。
具体实施例方式如图2所示，本发明中数字量采集装置对外采集触点型开关，并通过两路信号采集电路信号采集电路A和信号采集电路B进行同一个触点型开关信号的采集，两路信号采集电路将采集到的信号分别输送到故障判断系统中，故障判断系统根据两路信号采集电路输出的结果判断采集过程是否存在异常，因此一旦出现故障就能够及早发现并处理。两路信号采集电路的具体连接关系为信号采集电路A和信号采集电路B分别为光耦信号采集电路，其中信号采集电路A中的光耦A内的二极管D3反向端通过保护二极管D1、电阻R2与触点型开关连接，二极管D3的正向端通过电阻Rl与电源电压连接，光耦A内三极管Ql的集电极输出采集信号DI1_A并与故障判断系统连接，三极管Ql的发射极接地；信号采集电路B中的光耦B内的二极管D4的正向端通过稳压二极管D2、电阻Rl与24V查询电源电压连接，电源电压采用24V可作为采集现场触点开关信号的查询电源，以驱动光耦内二极管D3和二极管D4的前端，二极管D4的反向端通过电容Cl、电阻R2与触点开关连接，光耦B中三极管Q2的集电极输出采集信号DI1_B并与故障判断系统连接，三极管Q2的发射极接地。光耦A内三极管Ql和光耦B内的三极管Q2的集电极分别通过电阻R3和电阻R4与识别电压连接，识别电压为3. 3V，给故障判断系统中的数字部分提供电源，这里作为DI1_A和DI1_B电平电源。本发明中米集信号DI1_A和米集信号DI1_B输出的信号相同时为故障状态，而DI1.A和DI1_B输出信号互为相反时为采集正常状态。本发明利用光耦A和光耦B构成采集电路，分别对同一路通道的信号进行采集。电路中的Dl为保护二极管，用以保护当采集端被误接入电源引脚时流入的大电压信号，本发明中通道部分能够承受最大±40V的信号。如图2所示，光耦A和光耦B分别采用MO⑶213芯片，当触点型开关闭合时，电源电流通过Rl分别流入光耦A内部二极管D3的正向端和D2 二极管的反向端，由于触点型开关闭合，因此电流很容易通过光耦A内部的正向二极管D3，再经过Dl 二极管和触点型开关最后流回到电源负端，形成一个完整的电源回路。当D2 二极管的反向耐压达到一定程度时，大于光耦A内部二极管D3正向端此时的电压时，理论上电源电流不会击穿D2 二极管，形成第二条回路。因此可以判断出此时，DI1_A信号由于光耦A流过足够的电流和电压而导致后级发生翻转，因而为由于电流在D2处被阻隔掉，因此没有足够的电流和电压穿过光耦B，光耦后级不会发生翻转，继续维持为上拉“I”。相反，当触点型开关断开时，电源信号通过Rl同样分别流入光耦A内部二极管D3的正向端和D2 二极管的反向端，此时由于触点型开关断开，因此即便电源信号通过光耦内部二极管D3，D1 二极管和R2后仍然无法形成回路流回电源负端，只能更加趋向于通过D2反向端形成回路；当D2 二极管的反向耐压小于电源电压时，电源信号将可以击穿D2，流过光耦B最后形成完整的回路，流回到电源负端。本发明中故障判断系统是根据信号采集电路A和信号采集电路B输出的DI1_A和 DI1_B的闭合和断开两种状态来判断是否存在故障，即DI1_A和DI1_B的信号在正常工作时均处在互为相反的状态，只有当通道采集异常时，导致光耦后端发送信号异常的翻转，才出现DI1_A和DI1_B处在相同状态的情况。故障判断系统的标准见表一。表一 DI 1_A和DI 1_B的信号状态表
采集电路状态触点状态~ DI I—ADI I—B 处理措施
正常闭合OI闭合状态数据有效
IO断开状态数据有效
III通道故障，数据无效并报警
IOO通道故障，数据无效并报警根据上述原理，则Rl，R2，R3，R4和Dl，D2以及Cl的参数就可以确定一个完整的范围，R3和R4为3. 3V的上拉电阻，因此根据经验参数，R3和R4分别取4. 7Κ。Rl和R2电阻的参数与D2 二极管的VZ密切相关。当触点型开关断开时，D2 二极管必须被击穿并长时间工作在反向区，所以选择齐纳二极管，VZ<电源电压(24V±20%)-光f禹二极管导通电压(1.5V)，所以VZ〈17. 5V。当触点型开关闭合时，D2 二极管不能被击穿工作在反向区，因此VZ —定要求大于Rl在导通时远离电源的一端。这里考虑光耦的导通电流在4mA左右，则R=Rl+R2=(24-2) / 4=5. 5K ;考虑到R2和Rl的比例影响VZ方向电压最低值，所以取R2=510，R1=5. 1K。此时VZ(min) = (24-2) * 510 / (510+5100)+2=4. 0V，所以 D2 齐纳二极管的VZ选型区间在(4. OV 17. 5V)。当触点型开关断开时，光耦导通电流计算公式为I=(24-VZ-1) / 5. lk，且VZMV，因此使用VZ=8V的光耦器件MMSZ5237BT1G，其反向电压VZ=8V，此时可得I=3mA。Dl 二极管起到保护作用，即当DIl端被误接入电源电压时起到保护作用，根据安全级IO板卡系统需求，DI通道可以承受±40V，所以Dl必须能够完全具备40V以上的反向电压保护功能。由于Dl只起到反向保护功能，对Dl消耗的电压，反向工作状态等均不做要求，可以采用整流二极管MMSD4148T1G，该器件正常时反向耐压100V，完全满足设计需求。
当DI通道外部接入-40V时，可以根据现有阻值得出，由于经过Rl后的电压实际被拉下，所以D2 二极管肯定不会被反向导通，将电源电压估算为30V，则R2上的分压接近6.5V，计算下来P=V~2 / R=O. 083W，考虑到尽可能保证器件运行正常，采用了 1210封装，功耗为I / 2W的电阻，以最大限度保证其运行正常。在-40V时，Rl上的分压高达64V。其功耗为P=V~2 / R=O. 83W，因此采用5. IK电阻，最大功耗1W。电阻最大功耗选择IW的优势在于当出现-40V极度恶劣情况时，电阻方面能够完全保证DIS数字量输入板卡通道采集功能的正常运行。·为避免外部开关频繁的动作导致电流出现大的尖峰，使得光耦和外部的开关减少寿命，甚至损坏。本发明引入了耐高压低容值的电容作为保护措施，当开关跳变时，瞬时的能量冲击先充电到电容，然后在由新的回路将能量泄放出去。以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。
权利要求
1.一种具有故障诊断能力的数字量采集电路，包括待采集信息的触点型开关，其特征在于，所述触点型开关连接有信号采集电路A和信号采集电路B，以及根据两条信号采集电路输出结果判断采集过程是否异常的故障判断系统。
2.如权利要求I所述的数字量采集电路，其特征在于，所述信号采集电路A和信号采集电路B分别为光耦信号采集电路，其中信号采集电路A中的光耦A内的二极管D3反向端通过保护二极管D1、电阻R2与触点型开关连接，二极管D3的正向端通过电阻Rl与24V查询电源电压连接，光耦A内三极管Ql的集电极输出采集信号DI1_A并与故障判断系统连接，三极管Ql的发射极接地；信号采集电路B中的光耦B内的二极管D4的正向端通过稳压二极管D2、电阻Rl与电源电压连接，二极管D4的反向端通过电容Cl、电阻R2与触点开关连接，光耦B中三极管Q2的集电极输出采集信号DI1_B并与故障判断系统连接，三极管Q2的发射极接地。
3.如权利要求2所述的数字量采集电路，其特征在于，所述光耦A内三极管Ql和光耦B内的三极管Q2的集电极分别通过电阻R3和电阻R4与识别电压连接。
4.如权利要求3所述的数字量采集电路，其特征在于，所述故障判断系统在DI1_A和DI1_B输出的信号相同时判定为故障状态，而DI1_A和DI1_B输出信号互为相反时判定为正常状态。
全文摘要
本发明公开一种具有故障诊断能力的数字量采集电路，包括待采集信息的触点型开关，所述触点型开关连接有信号采集电路A和信号采集电路B，以及根据两条信号采集电路输出结果判断采集过程是否异常的故障判断系统。本发明利用两路采集电路同时对同一个对象进行信号采集，根据两路获得的采集信号是否相同或相异来判断当前采集电路是否有存在故障，从而提前做出预防措施，达到提高自诊覆盖率的目的。本发明的数字量采集电路，不但能够完成正常信号采集，而且一旦出现硬件随机失效，该采集电路能够智能的给出相应的故障状态输出，以达到故障诊断，导向安全处理以确保系统安全功能的完整性。
文档编号G01R31/28GK102916689SQ20121045107
公开日2013年2月6日 申请日期2012年11月12日 优先权日2012年11月12日
发明者程康, 伍希, 李熊, 唐庆, 周飞, 高超, 张春雷 申请人:北京广利核系统工程有限公司, 中国广东核电集团有限公司