[发明专利]一种功能安全的开关量输出模块和诊断处理方法

说明书

本发明公开了一种功能安全的开关量输出模块，包括：CPU单元以及分别与CPU单元耦接的第一/第二输出单元；第一/第二输出单元包括依次耦接的逻辑电路，驱动电路、回检电路和输出开关，以及，与驱动电路耦接的电源电压检测电路，电源电压检测电路用于检测驱动电路电源电压并基于检测电压发送控制信号至另一输出单元的逻辑电路；还公开了一种基于上述功能安全的开关量输出模块的诊断处理方法，可以基于输出开关故障诊断、通信诊断、CPU单元内部故障诊断、电源故障诊断以及线路故障诊断结果控制输出开关的输出,从而导向安全；增加双通道交互设计，提高了安全性能，满足功能安全的同时降低了开发成本并减小产品体积。

技术领域

本发明涉及工业自动控制领域，具体涉及一种功能安全的开关量输出模块和诊断处理方法。

背景技术

工业现场的开关量输出控制系统，是DCS、SIS等工业控制系统中最主要的一个输入组件。现有技术中大部分功能安全相关的开关量输出模块采用2OO3架构，此架构往往需要大量的硬件来构建实现，根据此架构设计出的产品一般成本较高并且体积较大，当实际应用中对安装空间和成本有要求时，2OO3架构产品会具有局限性。

随着技术的日渐成熟，SIS产品设计正在朝向更小体积以及更低成本的方向迈进，更多的设计开始采用1OO2D、1OO2或1OO1D等架构。

公开号为CN106130537B的中国发明专利《一种1OO2D功能安全数字量输出电路》公开的方案当中采用了1OO2D的架构，如图1所示。该设计中采用双通道、双CPU分别控制输出并分别读取本通道诊断数据，而该方案当中的两个通道缺少必要的信息交互，假设其中一路通道发生故障且无法关断输出电路，未出现故障的通道的CPU单元是无法获取诊断信息并执行关断导向安全的，两通道相对独立且缺少交互的设计是存在一定的隐患的。

公开号为CN110376932A的中国发明专利《一种高诊断覆盖率的功能安全开关量输出模块》公开的方案中的1OO1D架构的设计，如图2所示。该设计在一个CPU单元控制一个输出单元的基础上加上了一个诊断单元，诊断单元和输出单元分别控制一个开关，两个开关串联，诊断单元可诊断输出单元同时将信息发给CPU，还可以在发生故障时关断其控制的开关导向安全，但是如过诊断单元本身发生故障并无法向CPU提供可靠的诊断信息时，整个模块就存在安全隐患了。

发明内容

本发明的目的在于解决开关量输出模块的双输出通道缺少交互设计以及诊断单元本身发生故障无法向CPU提供可靠的诊断信息，在两路输出电路之间增加交互诊断的措施，并且增加了通过关断CPU与输出电路之间的通信来关断输出，提高了模块的安全性能，确保模块的导向安全，在满足功能安全的同时降低开发成本并减小产品体积。

本发明的第一个方面提供了一种功能安全的开关量输出模块，包括，CPU单元，以及，分别与CPU单元耦接的第一输出单元和第二输出单元；所述CPU单元用于向第一/第二输出单元发送通讯数据，并基于接收的第一/第二输出单元反馈的诊断数据输出故障信息，从而控制第一/第二输出单元导向安全；所述第一/第二输出单元至少包括依次耦接的逻辑电路，驱动电路、回检电路和输出开关，以及，与驱动电路耦接的电源电压检测电路，其中，第一输出单元的输出开关SW1和第二输出单元的输出开关SW2串联；所述逻辑电路的输入端输入CPU单元发送的通讯数据，并输出至驱动电路，以及，用于接收另一个输出单元的电源电压检测电路输出的故障信号，控制CPU单元与驱动电路之间的通讯通断；

所述驱动电路用于接收和校验CPU单元发送的通讯数据，并在校验通过后依据通讯数据信息控制输出开关断开或闭合，以及采集回检电路的输出状态和输出开关的线路诊断信息；所述回检电路用于检测开关输出状态并将其发送至驱动电路；所述电源电压检测电路用于检测驱动电路电源电压并基于检测电压发送控制信号至另一输出单元的逻辑电路。

进一步的，所述输出单元还包括与驱动电路耦接的监控电路，所述监控电路用于接收驱动电路数据校验后输出的信号，并输出控制信号控制驱动电路输出开通或关断信号，从而控制输出开关断开或闭合。