技术领域
[0001] 本发明涉及继电器技术领域，具体涉及一种适用于氢液化装置的高可靠性安全继电器。
相关背景技术
[0002] 在氢液化生产系统中对设备稳定性要求极高，尤其是安全保护装置作为安全保护的最重要的环节，不能出现失效，误触发等故障行为。因此，如氢液化装置中的透平入口阀门紧急控制、透平控制系统紧急停车信号、主电供电状态信号、设备振动信号等安全联锁设备和信号需要接入到要求较高的安全联锁控制设备中。
[0003] 在现有的安全联锁控制设备中，存在如下问题：1、输出通道由处理芯片或控制器直接控制，存在一定失效风险；2、电路设计上通道及输出单独设计，通道故障后会导致设备失效；3、设备故障时不能及时查看到设备状态，导致控制可靠性较差。为此，亟需提供一种高可靠性、高稳定性的安全联锁控制设备。
具体实施方式
[0022] 为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式并结合附图，对本发明进行详细阐述。
[0023] 下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。虽然附图中显示了本发明的某些实施例，然而应当理解的是，本发明可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本发明。应当理解的是，本发明的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本发明的保护范围。
[0024] 应当理解，本发明的方法实施方式中记载的各个步骤可以按照不同的顺序执行，和/或并行执行。此外，方法实施方式可以包括附加的步骤和/或省略执行示出的步骤。本发明的范围在此方面不受限制。
[0025] 本文使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”；术语“一些实施例”表示“至少一些实施例”。其他术语的相关定义将在下文描述中给出。
[0026] 需要注意，本发明中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。
[0027] 在本发明实施例中尽管在附图中以特定的顺序描述操作或步骤，但是不应将其理解为要求按照所示的特定顺序或是串行顺序来执行这些操作或步骤，或是要求执行全部所示的操作或步骤以得到期望的结果。在本发明的实施例中，可以串行执行这些操作或步骤；也可以并行执行这些操作或步骤；也可以执行这些操作或步骤中的一部分。
[0028] 同时，可以理解的是，本发明技术方案所涉及的数据(包括但不限于数据本身、数据的获取或使用)应当遵循相应法律法规及相关规定的要求。除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，且本发明所涉及公式中的所有参数或者指标均为归一化之后的消除了量纲影响的数值。
[0029] 为了解决现有继电器保护性差的问题，本发明实施例提供了一种适用于氢液化装置的高可靠性安全继电器，一方面，该继电器通过设计冗余原则提高了安全和可靠性，具体来讲，通过双重联锁机制，1:1元器件配置，电路监测及切断控制等设计，来提高系统的安全性和可靠性。其中在控制回路中由继电器组合成联锁回路，由输入通道直接联锁控制输出通道，同时诊断回路负责监测输入及输出回路状态，通过MCU芯片决定切断或允许输出。冗余的设计实现了即使在一个单点元器件失效的情况下，系统仍然能够保持运行，从而大大降低了安全风险。第二方面，该继电器采用背靠背设计原则作为控制核心，具体来讲，该继电器中的两个MCU芯片的背靠背通讯形成了一个冗余控制系统。采用热备冗余方法，如果主MCU芯片发生故障，备用MCU芯片将立即接管，保证控制系统的连续性和可靠性。同时MCU芯片会对输入结果进行交叉验证，判断输出结果的有效性。这种设计原则对于预防单点故障至关重要，特别是在那些不能容忍任何中断的关键应用中。第三方面，该继电器具备多种输出模式回路，具体来讲，输出通道具有即时输出和延时输出两种功能模式，其中即时输出接到联锁信号后立刻断开输出而延时输出通道会根据设定时间延时断开输出。即时输出负责响应快的联锁切断场景，延时输出负责有联锁出发后需要延时断开的设备。第四方面，该继电器具备高集成度和良好的热管理，具体来讲，通过高度集成的设计，将元器件集成到一块PCB板上，实现了小体积和灵活安装。同时由于集成程度高设备功耗能有效降低，它确保了即使在连续运行的情况下，组件也不会过热，从而延长了设备的使用寿命及稳定性。
[0030] 下面将结合附图，对本发明实施例提供的一种适用于氢液化装置的高可靠性安全继电器进行详细介绍。
[0031] 图1示出了本发明实施例提供的一种适用于氢液化装置的高可靠性安全继电器的整个模块总原理图，其包含了除输出回路外该模块内所有的元件及工作回路。如图1所示，该高可靠性安全继电器包括：一路使能控制电路、两路输入控制电路、两路输出控制电路和一组控制芯片电路。该高可靠性安全继电器的供电接口由外部直流24V电源进行供电，使设备处于工作状态。下面将结合附图对继电器中的这些电路进行详细介绍。
[0032] 如图1所示，使能控制电路包括使能主回路，该使能主回路中依次串联设置有受到两路输入控制电路控制的第一组输入继电器的常开触头开关和第二组输入继电器的常开触头开关、使能接口XI0+和XI0‑，以及使能继电器K1的线圈。第一组输入继电器的常开触头开关由输入继电器K2的常开触头开关和输入继电器K3的常开触头开关并联连接构成；第二组输入继电器的常开触头开关由输入继电器K4的常开触头开关和输入继电器K5的常开触头开关并联连接构成。使能接口XI0+和XI0‑还并联设置有按键开关S1和使能继电器K1的自锁支路，该使能继电器K1的自锁支路中串联设置有使能继电器K1的常开触头开关以及使能回路接口XI3+和XI3‑。该使能控制电路还包括一个使能输入控制诊断回路，该使能输入控制诊断回路的输入端连接在接入使能接口XI0+和XI0‑与使能继电器K1之间，该使能输入控制诊断回路的输出端连接一组控制芯片电路中的两个冗余设置的MCU A和MCU B的I5针脚。由于后续会对该使能输入控制诊断回路的结构进行详细介绍，此处不再赘述。
[0033] 在上述使能控制电路中，该使能接口XI0+和XI0‑可以连接继电器自带按钮或者外部脉冲信号接入接口，作用为控制输入接口(两路输入)及输出接口(即时输出和延时输出)启用或断开，当使能接口XI0+和XI0‑连接继电器自带按钮时，通过按钮触发启用使能主回路，当使能接口XI0+和XI0‑连接外部脉冲信号接入接口时，外部脉冲信号必须保持接通状态，否则就会导致使能主回路断开。
[0034] 两路输入控制电路包括第一输入控制电路和第二输入控制电路。第一输入控制电路包括第一输入控制主回路，该第一输入控制主回路中串联设置有联锁接口(即输入接口)XI1+和XI1‑，以及第一组输入继电器线圈，该第一组输入继电器线圈由输入继电器K2的线圈和输入继电器K3的线圈并联连接构成；该第二输入控制电路包括第二输入控制主回路，该第二输入控制主回路中串联设置有第二联锁接口(即输入接口)XI2+和XI2‑，以及第二组输入继电器线圈，该第二组输入继电器线圈由输入继电器K4的线圈和输入继电器K5的线圈并联连接构成。第一输入控制电路还包括第一输入控制第一诊断回路(即第一路输入控制诊断A#)和第一输入控制第二诊断回路(即第一路输入控制诊断B#)，第一输入控制第一诊断回路的输入端连接在第一联锁接口XI1+和XI1‑与输入继电器K2的线圈之间，第一输入控制第一诊断回路的输出端连接一组控制芯片电路中的两个冗余设置的MCU A和MCU B的I6针脚；第一输入控制第二诊断回路的输入端连接在第一联锁接口XI1+和XI1‑与输入继电器K3的线圈之间，第一输入控制第二诊断回路的输出端连接一组控制芯片电路中的两个冗余设置的MCU A和MCU B的I7针脚。第二输入控制电路还包括第二输入控制第一诊断回路(即第二路输入控制诊断A#)和第二输入控制第二诊断回路(即第二路输入控制诊断B#)，第二输入控制第一诊断回路的输入端连接在第二联锁接口(即输入接口)XI2+和XI2‑与输入继电器K4的线圈之间，第二输入控制第一诊断回路的输出端连接一组控制芯片电路中的两个冗余设置的MCU A和MCU B的I8针脚；第二输入控制第二诊断回路的输入端连接在第二联锁接口XI2+和XI2‑与输入继电器K5的线圈之间，第二输入控制第二诊断回路的输出端连接一组控制芯片电路中的两个冗余设置的MCU A和MCU B的I9针脚。由于后续会对该第一输入控制第一诊断回路和第一输入控制第二诊断回路，以及第二输入控制第一诊断回路和第二输入控制第二诊断回路的结构进行详细介绍，此处不再赘述。
[0035] 在上述的两路输入控制电路中，第一联锁接口XI1+和XI1‑以及第二联锁接口XI2+和XI2‑作为输入接口，其作用为输入控制条件，通过将外部需要保护的设备切断信号接入该输入接口，一旦该输入接口未接通，两路输出控制电路中的第一输入控制主回路和第二输入控制主回路将会联锁断开。例如，氢液化系统中透平设备的运转保护信号、失速传感器输出信号、透平入口阀门状态信号、设备振动信号需接入该输入接口。
[0036] 两路输出控制电路包括即时输出控制电路和延时输出控制电路。即时输出控制电路包括第一路即时输出控制主回路，该第一路即时输出控制主回路中依次串联设置有一组控制芯片电路中的第一路输出控制驱动电路中的供电控制继电器K的第一常闭开关O1、使能继电器K1的常开触头开关、第一组输入继电器常开触头开关以及一组即时继电器线圈；第一组输入继电器常开触头开关由输入继电器K2的常开触头开关和输入继电器K3的常开触头开关并联连接构成，一组即时继电器线圈由第一即时继电器J1的线圈和第二即时继电器J2的线圈并联连接构成。延时输出控制电路包括延时输出控制主回路，该延时输出控制主回路中依次串联设置有一组控制芯片电路中的第二路输出控制驱动电路中的供电控制继电器K的第二常闭开关O2、使能继电器K1的常开触头开关、第二组输入继电器常开触头开关以及一组延时继电器线圈；第二组输入继电器常开触头开关由输入继电器K4的常开触头开关和输入继电器K5的常开触头开关并联连接构成，一组延时继电器线圈由第一延时继电器J3的线圈和第二延时继电器J4的线圈并联连接构成。即时输出控制电路还包括第一即时输出诊断回路(即第一路输出控制诊断A#)和第二即时输出诊断回路(即第一路输出控制诊断B#)，第一即时输出诊断回路的输入端连接在第一组输入继电器常开触头开关与第一即时继电器J1的线圈之间，第一即时输出诊断回路的输出端连接一组控制芯片电路中的两个冗余设置的MCU A和MCU B的I1针脚；第二即时输出诊断回路的输入端连接在第一组输入继电器常开触头开关与第二即时继电器J2的线圈之间，第二即时输出诊断回路的输出端连接一组控制芯片电路中的两个冗余设置的MCU A和MCU B的I2针脚。延时输出控制电路还包括第一延时输出诊断回路(即第二路延时输出控制诊断A#)和第二延时输出诊断回路(即第二路延时输出控制诊断B#)，第一延时输出诊断回路的输入端连接在第二组输入继电器常开触头开关与第一延时继电器J3的线圈之间，第一延时输出诊断回路的输出端连接一组控制芯片电路中的两个冗余设置的MCU A和MCU B的I3针脚；第二延时输出诊断回路的输入端连接在第二组输入继电器常开触头开关与第二延时继电器J4的线圈之间，第二延时输出诊断回路的输出端连接一组控制芯片电路中的两个冗余设置的MCU A和MCU B的I4针脚。由于后续会对该第一即时输出诊断回路、第二即时输出诊断回路、第一延时输出诊断回路和第二延时输出诊断回路的结构进行详细介绍，此处不再进行赘述。
[0037] 在上述的两路输出控制电路中，当联锁由输入接口经一组控制芯片电路中的MCU芯片计算校验后，即时输出控制电路和延时输出控制电路会进行断开操作，及时或延时断开需要保护的设备。即时输出：例如氢液化系统中透平入口阀门的切断阀门需要接入到即时输出中，当氢液化装置发生故障或紧急情况时，该即时输出会立刻输出信号切断透平入口阀门，从而保护透平装置不受损害。延时输出：例如氢液化系统中轴承气供气阀门需要接入到延时输出中，当氢液化装置发生故障或紧急情况时，该延时输出会等到设定时间达到后再输出切断信号，从而使轴承供气阀门可以持续供气至设备完全停机再断开，保护了设备不受损害。
[0038] 一组控制芯片电路包括两个冗余设置的MCU芯片即MCU A和MCU B、一个通讯处理芯片以及两路输出控制驱动电路。该通讯处理芯片具体为485通讯处理芯片，两路输出控制驱动电路包括第一路输出控制驱动电路和第二路输出控制驱动电路，分别用于控制即时输出控制电路中的第一常闭开关O1和延时输出控制电路中的第二常闭开关O2。MCU A和MCU B的I1针脚均连接第一即时输出诊断回路的输出端、I2针脚均连接第二即时输出诊断回路的输出端、I3针脚均连接第一延时输出诊断回路的输出端、I4针脚均连接第二延时输出诊断回路的输出端、I5针脚均连接使能输入控制诊断回路的输出端、I6针脚均连接第一输入控制第一诊断回路的输出端、I7针脚均连接第一输入控制第二诊断回路的输出端、I8针脚均连接第二输入控制第一诊断回路的输出端、I9针脚均连接第二输入控制第二诊断回路的输出端。MCU A的RX1针脚和MCU B的TX1针脚连接，MCU A的TX1针脚和MCU B的RX1针脚连接。MCU A和MCU B的O1针脚均连接第一路输出控制驱动电路的输入端，MCU A和MCU B的O2针脚均连接第二路输出控制驱动电路的输入端。MCU A的RX2针脚和TX2针脚分别连接485通讯处理芯片的TX1针脚和RX1针脚，MCU B的RX2针脚和TX2针脚分别连接485通讯处理芯片的TX2针脚和RX2针脚，用于与485通讯处理芯片进行通信。
[0039] 在上述的一路使能控制电路、两路输入控制电路和两路输出控制电路中，使能输入控制诊断回路、第一输入控制第一诊断回路、第一输入控制第二诊断回路、第二输入控制第一诊断回路、第二输入控制第二诊断回路、第一即时输出诊断回路、第二即时输出诊断回路、第一延时输出诊断回路和第二延时输出诊断回路，均为具有相同结构的诊断回路。如图4所示，该相同结构的诊断回路由电阻R、二极管D、光耦开关U构成，电阻R起到降压保护的作用，二极管D起到限制电流方向的作用，电阻R的一端连接整个诊断回路的输入端J‑VCC，电阻R的另外一端与二极D管串联后连接光耦开关U的一次侧，光耦开关U的二次侧中上接线端连接整个诊断回路的输出端MAU‑I，光耦开关U的一次侧的另外一个接线端用于连接整个诊断回路的输入端J‑GND，光耦开关U的二次侧的另外一个接线端用于连接整个诊断回路的输出端MAU‑GND，输入端J‑GND和输出端MAU‑GND均为接地端，用于接地。在整个诊断回路的输入端J‑VCC检测到高电平电压输入后，会导通光耦开关U的输出端MAU‑I，从而会向一组控制芯片电路中的MCU芯片输出高电平信号。
[0040] 在上述的两路输出控制驱动电路中，第一路输出控制驱动电路和第二路输出控制驱动电路均为具有相同结构的驱动控制电路。如图5所示，该驱动控制电路主要由三极管Q1构成，该三极管Q1的基极连接电阻R2的一端，电阻R2的另外一端(即图5中连接MAU‑0的一端)作为整个驱动控制电路的输入端，用于连接一组控制芯片电路中的MCU芯片的针脚O1或者O2，该三极管Q1的发射极接GND；该三极管Q1的基极和发射极之间通过电阻R3连接；该三极管Q1的集电极通过电阻R1连接电源VCC，同时通过两路二极管支路接地，一路二极管支路中串联设置有一个二极管D1，另一路二极管支路中串联设置有一个二极管D2和一个供电控制继电器K，用于对两路输出控制电路中的供电控制继电器K的第一常闭开关O1和第二常闭开关O2进行控制。当三极管Q1接收到MCU芯片的高电平信号后，三极管Q1会导通将VCC高电平输出至供电控制继电器K的线圈，从而驱动供电控制继电器K的线圈吸合，线圈吸合后两路输出控制电路中的供电控制继电器K的第一常闭开关O1和第二常闭开关O2会断开，从而切断两路输出控制电路的供电。
[0041] 另外，在整个高可靠性安全继电器还设置有与使能主回路并联连接的灯管指示回路，该灯光指示回路中设置有LED指示灯，用于指示整个高可靠性安全继电器的工作状态。
[0042] 在上述的适用于氢液化装置的高可靠性安全继电器中，基础电路采用继电器制作联锁回路，使能控制电路中的使能主回路为开启两路输入控制电路中的主回路联锁条件，两路输入控制电路中的主回路控制两路输出控制电路中的主回路联锁。一组控制芯片电路通过诊断回路采集使能控制电路及两路输入控制电路的主回路通断状态，计算结果对两路输出控制电路的主回路进行安全切断。
[0043] 本发明实施例提供的一种适用于氢液化装置的高可靠性安全继电器还包括两路即时输出回路和两路延时输出回路，两路即时输出回路采用相同电路结构以互为冗余，两路延时输出回路也采用相同电路结构以互为冗余。图2和图3分别示出了一路即时输出回路和一路延时输出回路的电路图。在图2中的即时输出回路中，第一即时继电器J1的常开触头开关和第二即时继电器J2的常开触头开关并联连接；在图3中的延时输出回路中，第一延时继电器J3的常开触头开关和第二延时继电器J4的常开触头开关并联连接。
[0044] 上述适用于氢液化装置的高可靠性安全继电器的工作过程如下：
[0045] 1、初始化
[0046] 当外部DC24V电源接入VCC24V和GND0V时，整个高可靠性安全继电器系统开始供电。LED指示灯点亮，表示电路进入工作状态。
[0047] 2、使能控制电路
[0048] 如图1所示，在使能控制电路中，使能主回路中的使能继电器K1的线圈和常开触头开关构成了继电器联锁回路，使能继电器K1作为总启用控制，使用本安全继电器自带按钮或外部脉冲信号接入使能接口XI0+和XI0‑进行使能触发，且触发使能周期内，使能回路接口XI3+和XI3‑必须保持接通状态，例如可接入紧急保护按钮等，确认使能状态。使能回路(使能接口XI0+和XI0‑所在回路)接通后，即使能信号被触发后，使能继电器电器K1的线圈吸合，与之相关的常开触头开关也随之接通，此时两路输入控制电路和两路输出控制电路正式开启。同时，使能输入控制诊断回路触发光耦信号，将闭合信号传至一组控制芯片电路中MCU芯片的I5针脚，MCU芯片解锁本安全继电器的两路输出控制电路。
[0049] 3、输入控制电路
[0050] 两路输入控制电路中的第一联锁接口XI1+和XI1‑以及第二联锁接口XI2+和XI2‑作为输入接口，在运行期间，该输入接口需保持接通，可分别接入需要联锁的设备信号，例如透平设备的运转保护信号等。在接通后会触发每个输入控制电路中的输入控制继电器吸合，为保证稳定性此时每个输入控制电路会有两个继电器同时吸合，在第一输入控制电路中是输入继电器K2和输入继电器K3的线圈吸合，在第二输入控制电路中是输入继电器K4和输入继电器K5的线圈吸合，输入继电器K2、K3、K4和K5均为输入控制继电器，此时两路输入控制电路启动。
[0051] 同时，每个输入控制继电器同时有各自的输入控制诊断回路，如输入继电器K2、输入继电器K3、输入继电器K4和输入继电器K5的输入控制诊断回路依次为第一输入控制第一诊断回路、第一输入控制第二诊断回路、第二输入控制第一诊断回路、第二输入控制第二诊断回路，此时输入控制诊断回路会检测到闭合信号，将信号传至一组控制芯片电路中MCU芯片针脚，针脚分别是I6、I7、I8、I9，MCU芯片对信号进行校验处理，判断信号是否具备触发条件及当前通道元器件是否正常工作。
[0052] 4、控制芯片电路
[0053] 一组控制芯片电路中MCU芯片会接收使能控制电路和输入控制电路的通断状态信号，并通过内置算法计算结果。若所有条件均满足，MCU芯片会控制两路输出控制电路的即时输出电路和延时输出控制电路闭合，否则，任何一个输入条件不满足或发生故障，MCU芯片将触发两路输出控制电路的即时输出电路和延时输出控制电路断开，切断设备的工作状态。
[0054] 5、输出控制电路
[0055] 当联锁条件满足后，一组控制芯片电路中MCU芯片会控制即时输出控制电路的主回路闭合，从而控制即时输出电路闭合。例如，在氢液化系统中，透平入口阀门的切断信号会通过即时输出电路立即关闭阀门，保护系统安全。同时，一组控制芯片电路中MCU芯片会控制延时输出控制电路的主回路闭合，此时主回路中的延时继电器控制延时输出电路，例如轴承气供气阀门会在设定的延时后切断，确保设备完全停机后再断开供气，避免损坏设备。
[0056] 6、诊断回路
[0057] 两路输入控制电路的主回路中的继电器以及两路输出控制电路中的主回路的输出控制继电器具有各自的诊断回路，诊断回路用于监测两路输入控制电路的主回路以及两路输出控制电路中的主回路的工作状态，并将监测结果反馈至一组控制芯片电路中MCU芯片，用于判断两路输出控制电路中的主回路的正常与否。当MCU芯片输出高电平信号时，驱动两路输出控制驱动电路中的三极管Q1导通，从而驱动供电控制继电器K的线圈吸合，控制两路输出控制电路的供电断开。同时所有诊断回路检测到的状态通过一组控制芯片电路中MCU芯片进行分析，并实时输出至485传输芯片，将该设备实时状态传输至其它控制系统里，进行实时监控。
[0058] 本发明实施例所提供的上述适用于氢液化装置的高可靠性安全继电器能够高可靠性地始终处于最佳运行状态，同时在功能上能够实现紧急切断输出，输入通道检测，故障安全保护，延时输出等功能，具体来讲：
[0059] 提高了安全性：通过双重监测机制，包括物理联锁和电子监测，确保在任何监测通道发现异常时，系统能够迅速响应，具备故障报警输出至第三方设备接口及时反馈设备运行状态，从而提高整个控制系统的安全性。
[0060] 增强了可靠性：控制核心的背靠背设计形成冗余控制系统，以应对单点故障，确保控制系统的连续性和可靠性。
[0061] 具备多种输出模式：具有即时输出和延时输出通道，通过可调延时输出回路，根据不同的控制需求调整延时长度，使继电器能够更好地适应各种控制模式。
[0062] 实现了高集成度和良好的热管理：通过将元器件集成到一块PCB板上，设计小体积和灵活安装的同时，保证长时间稳定运行，进一步提高可靠性。
[0063] 需要说明的是：以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
