[發明專利]用于測試和保護數字輸出電路的方法和裝置

有效

• 申請號: 200910004693.0
• 申請日: 2009-02-27
• 公開（公告）號: CN101639697A
• 公開（公告）日: 2010-02-03
• 發明（設計）人: 托馬斯·布魯斯·馬爾;杰拉爾德·羅伯特·克里奇;羅伯特·西德尼·奧德
• 申請（專利權）人: ICS三重技術有限公司
• 主分類號: G05B23/02
• 分類號: G05B23/02
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司
• 代理人: 杜 誠;高少蔚

技術領域

本發明涉及對工業過程控制系統的輸出模塊的測試和保護，尤其是對用于緊急停機系統、臨界過程控制系統、火氣檢測和保護系統、旋轉機械控制系統、燃燒器管理系統、鍋爐和熔爐控制系統、分布式監控系統的工業過程控制系統的輸出模塊的測試和保護。?

這樣的控制系統可應用于很多行業，包括油氣開采和煉制、化工生產和處理、發電、造紙和紡織廠以及污水處理廠。?

背景技術

在工業過程控制系統中，容錯極其重要。容錯是指在系統中出現一個或更多個故障的情況下繼續安全運行的能力。?

容錯可以通過許多不同的技術實現，每種技術具有其特定的優勢和劣勢。?

提供冗余的系統的示例有三模冗余(TMR，Triple?Modular?Redundancy)系統。使用TMR，關鍵電路被制作三套，并且這三套關鍵電路同時獨立執行相同的功能。在影響系統輸出之前，從這三套電路中的每一電路輸出的數據都在多數表決電路中進行表決。如果這三套電路之一未通過表決，其數據輸出就被忽略。但是，該系統繼續向過程輸出與多數功能電路一致的值(電壓、電流電平或者離散的輸出狀態)。TMR提供連續的、可預見的操作。?

但是，如果實際上不需要完全的TMR，則實現TMR系統是昂貴的，并且希望利用靈活的體系結構，使得能夠取決于特定的系統要求提供不同級別的容錯。?

實現容錯的另一方法是使用熱備份模塊。該方法提供以下級別的容錯，根據該級別的容錯，在模塊故障的情況下備用模塊維持系統操作。利用該方法，如果各模塊自身并不容錯，則在轉換時間期間系統操作可能中斷。?

容錯系統理想的是創建故障限制區(FCR)以保證FCR邊界內的故障不傳播到系統的其余部分。這使得在不影響操作的情況下，多個故障能夠共同存在于系統的不同部分。?

容錯系統通常采用具有非常快的故障識別和響應時間的專用軟硬件測試和診斷體制以提供更安全的系統。?

安全控制系統通常被設計成為“故障-可操作/故障-安全”。故障可操作是指當發生故障時，系統繼續操作，則處于故障-可操作狀態。在該狀態下系統應當繼續操作，直到有故障的模塊被替換并且系統回到完全可操作狀態。?

故障安全操作的示例有：例如，在TMR系統中，如果有故障的模塊在并聯電路中發生第二故障之前未被替換，則第二故障應當使TMR系統停機，以處于故障安全狀態。?

希望自動測試故障安全數字輸出通道。特別地，如果當通道處于關斷狀態時可以檢測到兩個串聯開關之一中的短路故障是有用的。?

希望在不需要存在最小負載電流以檢測其中斷的情況下，測試數字輸出通道的被斷電(de-energize)的能力。這在兩個輸出同時并聯驅動同一負載的容錯輸出通道配置中尤其有用。?

理想的是，保護數字輸出通道及其負載不受過壓瞬時的影響，理想的是監測處于通電和斷電狀態的斷路和短路故障。?

發明內容

根據本發明，提供一種測試輸出通道的方法，該輸出通道包括晶體管，該晶體管具有柵極、源極和漏極并且以取決于施加到所述柵極的柵極驅動信號的負載電壓和負載電流驅動負載，該方法包括步驟：確定電壓閾值；確定電流閾值；在預定時間間隔內使所述柵極驅動信號從起始值開始單調變化；監測負載電流；監測負載電壓；并且在負載電壓達到電壓閾值或者負載電流達到電流閾值或者預定時間間隔終止的情況下，使柵極驅動信號返回到所述起始值。?

在優選實施例中，柵極驅動信號由接收命令信號和斜坡信號的運算放大器產生，并且在要產生單調變化的柵極驅動信號的情況下，斜坡信號包括高頻脈沖信號。?

輸出通道還可以包括瞬時抑制模塊，該瞬時抑制模塊包括：串聯的兩個雪崩二極管，以及與所述各二極管并聯并且形成跨所述二極管的分壓器的兩個電阻器，其中，所述方法還包括使用監測到的負載電流和監測到的負載電壓檢測各雪崩二極管的短路故障。?

在一個實施例中，柵極驅動信號起始值使負載通電，并且單調變化的所述柵極驅動信號使負載變成部分斷電。?

在另一個實施例中，柵極驅動信號起始值使負載斷電，并且單調變化的所述柵極驅動信號使負載變成部分通電。?

在負載被部分斷電的情況下，所述方法還可以包括步驟：斷開通道與負載之間的連接；以及監測測試電阻器上的電壓。?

在本發明的可選擇實施例中，輸出通道包括串聯的第一和第二晶體管，可以使用以上方法控制第一和第二晶體管中的任何一個晶體管。?