[发明专利]用于测试和保护数字输出电路的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及对工业过程控制系统的输出模块的测试和保护，尤其是对用于紧急停机系统、临界过程控制系统、火气检测和保护系统、旋转机械控制系统、燃烧器管理系统、锅炉和熔炉控制系统、分布式监控系统的工业过程控制系统的输出模块的测试和保护。 

这样的控制系统可应用于很多行业，包括油气开采和炼制、化工生产和处理、发电、造纸和纺织厂以及污水处理厂。 

背景技术

在工业过程控制系统中，容错极其重要。容错是指在系统中出现一个或更多个故障的情况下继续安全运行的能力。 

容错可以通过许多不同的技术实现，每种技术具有其特定的优势和劣势。 

提供冗余的系统的示例有三模冗余(TMR，Triple Modular Redundancy)系统。使用TMR，关键电路被制作三套，并且这三套关键电路同时独立执行相同的功能。在影响系统输出之前，从这三套电路中的每一电路输出的数据都在多数表决电路中进行表决。如果这三套电路之一未通过表决，其数据输出就被忽略。但是，该系统继续向过程输出与多数功能电路一致的值(电压、电流电平或者离散的输出状态)。TMR提供连续的、可预见的操作。 

但是，如果实际上不需要完全的TMR，则实现TMR系统是昂贵的，并且希望利用灵活的体系结构，使得能够取决于特定的系统要求提供不同级别的容错。 

实现容错的另一方法是使用热备份模块。该方法提供以下级别的容错，根据该级别的容错，在模块故障的情况下备用模块维持系统操作。利用该方法，如果各模块自身并不容错，则在转换时间期间系统操作可能中断。 

容错系统理想的是创建故障限制区(FCR)以保证FCR边界内的故障不传播到系统的其余部分。这使得在不影响操作的情况下，多个故障能够共同存在于系统的不同部分。 

容错系统通常采用具有非常快的故障识别和响应时间的专用软硬件测试和诊断体制以提供更安全的系统。 

安全控制系统通常被设计成为“故障-可操作/故障-安全”。故障可操作是指当发生故障时，系统继续操作，则处于故障-可操作状态。在该状态下系统应当继续操作，直到有故障的模块被替换并且系统回到完全可操作状态。 

故障安全操作的示例有：例如，在TMR系统中，如果有故障的模块在并联电路中发生第二故障之前未被替换，则第二故障应当使TMR系统停机，以处于故障安全状态。 

希望自动测试故障安全数字输出通道。特别地，如果当通道处于关断状态时可以检测到两个串联开关之一中的短路故障是有用的。 

希望在不需要存在最小负载电流以检测其中断的情况下，测试数字输出通道的被断电(de-energize)的能力。这在两个输出同时并联驱动同一负载的容错输出通道配置中尤其有用。 

理想的是，保护数字输出通道及其负载不受过压瞬时的影响，理想的是监测处于通电和断电状态的断路和短路故障。 

发明内容

根据本发明，提供一种测试输出通道的方法，该输出通道包括晶体管，该晶体管具有栅极、源极和漏极并且以取决于施加到所述栅极的栅极驱动信号的负载电压和负载电流驱动负载，该方法包括步骤：确定电压阈值；确定电流阈值；在预定时间间隔内使所述栅极驱动信号从起始值开始单调变化；监测负载电流；监测负载电压；并且在负载电压达到电压阈值或者负载电流达到电流阈值或者预定时间间隔终止的情况下，使栅极驱动信号返回到所述起始值。 

在优选实施例中，栅极驱动信号由接收命令信号和斜坡信号的运算放大器产生，并且在要产生单调变化的栅极驱动信号的情况下，斜坡信号包括高频脉冲信号。 

输出通道还可以包括瞬时抑制模块，该瞬时抑制模块包括：串联的两个雪崩二极管，以及与所述各二极管并联并且形成跨所述二极管的分压器的两个电阻器，其中，所述方法还包括使用监测到的负载电流和监测到的负载电压检测各雪崩二极管的短路故障。 

在一个实施例中，栅极驱动信号起始值使负载通电，并且单调变化的所述栅极驱动信号使负载变成部分断电。 

在另一个实施例中，栅极驱动信号起始值使负载断电，并且单调变化的所述栅极驱动信号使负载变成部分通电。 

在负载被部分断电的情况下，所述方法还可以包括步骤：断开通道与负载之间的连接；以及监测测试电阻器上的电压。 

在本发明的可选择实施例中，输出通道包括串联的第一和第二晶体管，可以使用以上方法控制第一和第二晶体管中的任何一个晶体管。