CN100476642C - 对并联冗余的信号输出通道的诊断 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在信号冗余输出时进行断线检查的装置和方法。为了保证在提供诊断功能的同时尽可能无故障地输出信号、尤其是数字信号，建议将两个尤其是具有集成在每个通道中的二极管的数字输出组件并联连接。诊断功能通过驱动器实现，该驱动器在对于数字信号的阈值为逻辑“1”时，将通道连接为逻辑“1”，而将与该通道并联连接的通道短时置为逻辑“0”并同时对置为逻辑“1”的通道进行中断检查。

Description

对并联冗余的信号输出通道的诊断
技术领域
本发明涉及用于对输出电信号的冗余并联的输出通道进行中断检查的处理单元、自动化设备以及方法。
本发明例如用于在自动化技术领域里控制连续的过程，尤其用在化学、过程技术或制药工业中。在此为了提高设备可用性设置了与例如用于输出用于控制运行器的电信号的输出组件并联的第二冗余组件。如果一个组件发生故障，也总是可以由第二个组件提供输出信号。
背景技术
在手册“SIMATIC-Automatisierungssystem  S 7-400H-HochverfuegbareSystem”，01/2004中公开了一种用于提高设备可用性的冗余数字输出组件的并联电路。在此，数字输出信号由两个输出端并联的组件提供，从而在一个组件发生故障时始终仍然能够提供信号。在并联的组件中，每个通道都集成了一个防止组件间相互影响的二极管(见图1)。在该手册中同样还公开了具有用于识别连接中断的诊断功能的组件。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，将通过冗余的输出装置输出电信号与对输出装置的可靠诊断相结合。
本发明的技术问题通过一种用于对提供电信号的至少一个第一通道和第二通道进行中断检查的处理装置来解决，其中，第二通道与第一通道冗余和并联的连接，以及处理装置具有用于预先给出信号的驱动器。其中，该驱动器用于对第一通道短时预先给出第一信号，第一通道通过该信号而有目的的处于无电流状态，以及该处理装置在第一通道处于无电流状态时对第二通道进行中断检查。
本发明的技术问题还通过一种具有这样的处理装置的自动化设备解决。
此外，本发明的技术问题还通过一种用于对提供电信号的至少一个第一通道和第二通道进行中断检查的方法解决。其中，第二通道与第一通道冗余和并联的连接，以及其中，由驱动器预先给出电信号，其中，利用驱动器对第一通道短时预先给出第一信号，第一通道通过该信号而有目的的处于无电流状态，以及利用处理装置在第一通道处于无电流状态时对第二通道进行中断检查。
并联连接两个通道以提供一个输出信号的目的在于提高设备可用性。两个通道提供相同的输出信号，从而在一个通道出现故障时，仍能从第二冗余通道提供相应的输出信号。
本发明基于这样的认知，在实践中由于组件容差而使通道的负载不同。由此例如可能出现这样的情况，尽管两个通道应提供相同的输出信号，但仅有一个通道有电流通过。由此可能误将没有电流流过的通道检测为断线。为了尽管存在这样的问题也能保证可靠的中断检查，按照本发明，在检查第二通道是否存在可能的断线时，将第一通道无电流连接。由于第一通道的无电流状态保证了在第二通道中没有中断时，在第二通道中一定会有电流流过。
在处理装置的特别优选的实施方式中，驱动器用于预先给出数字逻辑信号。在这样的情况下按照本发明的中断检查的实施尤其简单。在此合适的是处理装置用于当施加在并联连接的通道的输出端的输出信号被应用程序置为逻辑“1”时进行中断检查。
在将数字输出通道并联连接时，优选第一和第二通道分别具有至少一个用于对这些通道去耦合的电子阀门，尤其是二极管。
如果在这样的情况下应用程序预见到输出为逻辑“1”，则二极管的组件参数或其安装位置的最细微的差别都会使仅有一个通道中流有电流。
而这在不实施本发明的情况下无电流的通道会错误地报告断线。但一旦将有电流的通道有目的地转换为无电流的，则电流将会自动转到先前无电流的通道。现在可对该先前无电流的通道检查可能的中断。
在数字输出信号的情况下，通过有目的地对通道进行无电流连接来实施中断检查尤其简单，其中，驱动器用于在进行中断检查期间通过对第二通道的第二信号进行反转而产生第一信号。只要输出信号应置于逻辑“1”，则在运行期间除了在中断检查持续期间之外，该第一和第二信号就应为逻辑“1”。如果现在应对第二通道进行中断检查，则将第一信号反转，即设置为逻辑“0”，从而有目的地将第一通道连接为无电流状态。由此保证第二通道中有电流流过，由此可以对通道进行可靠的中断检查。
中断检查可以两种方式进行。在第一种实施方式中，处理单元用于在其中应用程序将输出信号置为逻辑“1”的波形开始时对第二通道进行中断检查。一旦应用程序要将输出从逻辑“0”置为逻辑“1”，则首先只将第二通道的第二信号置为逻辑“1”。由此保证在波形开始时第一通道中无电流并由此使全部电流流入第二通道。现在可在短的时间窗内对第二通道检查可能的中断。在该时间窗结束之后将第一通道的第一信号也置于逻辑“1”，从而使两个通道冗余地提供输出信号。
在另一实施方式中，处理单元用于在应用程序的输出信号和驱动器的第一和第二信号被置为逻辑“1”之后，对第二通道进行中断检查。在这种情况下一旦应用程序预先给出相应的命令，就首先将第一和第二信号都置为逻辑“1”。在特定的时间之后将第一通道的第一信号短时间置为逻辑“0”，以保证第一通道在短时间内无电流，全部电流需流过第二通道。对第二通道进行中断检查，并且只要没有确定出中断，就将第一通道仍置为逻辑“1”。
优选在一定的等待时间之后，将第二通道置为逻辑“0”以将其置于无电流状态，并对第一通道进行中断检查，即处理装置用于在应用程序的输出信号置为逻辑“1”的脉冲期间对两个通道进行中断检查。因此在并联电路的输出端为逻辑“1”时，发生转换过程，其中，首先是对第一通道然后对第二通道进行断线检查。
尤其是在自动化技术中，处理单元的尤其具有优势的应用在于，处理单元是可存储编程控制器的一部分。处理单元例如是执行应用程序的CPU。在应用程序中可预先给出输出信号的值。这些值例如用于控制执行器。
优选将驱动器实施为作为应用程序的组成部分的软件驱动器。还可以将驱动器实施为作为固件存储在处理装置的存储区域中的软件驱动器。
一种具有所描述的处理装置的一种实施方式的自动化设备的优选实施方式是，其包括具有第一通道的第一组件和具有第二通道的第二组件。典型的自动化设备是可存储编程控制器，第一和第二组件可与其耦合。为了提高设备可用性，将第一组件和第二组件并联连接。
尤其是在数字输出组件的情况下，在优选实施方式中在第一组件中集成有第一二极管，在第二组件中集成有第二二极管。
附图说明
以下借助附图所示实施例对本发明的进行详述。图中示出：
图1示出两个数字输出组件的并联电路；
图2示出具有用于实施中断检查的处理单元的两个数字输出组件的并联电路；
图3示出用于实施中断检查的方法的第一实施方式的信号变化；
图4示出用于实施中断检查的方法的第二实施方式的信号变化；
图5示出具有用于实施中断检查的处理单元的自动化设备。
具体实施方式
图1示出两个数字输出组件的并联电路，如在现有技术中公知的用于提高设备可用性的并联电路。执行器4通过数字输出信号U控制。为了提高数字输出信号U的可用性，将第一和第二组件并联连接。
第一组件通过第一通道K1提供第一信号U1，第二组件通过第二通道K2提供第二信号U2。处理装置这样控制这两个通道，使得它们提供所期望的输出信号U。如果一个组件发生故障，则仍然可以由冗余的组件提供信号，从而可使执行器4始终正确地运行。
为使两个通道K1、K2相互去耦合，在第一通道K1中集成了第一二极管D1，在第二通道K2中集成了第二二极管D2。由此避免了当一个通道连接在另一个通道之前时，一个组件为另一个组件供能。
在实践中两个二极管D1、D2并不完全相同。其结果是在输出信号U为逻辑“1”时，两个通道K1、K2中仅有一个流有电流。由此可能错误地在实际不存在断线的无电流的通道上检测到断线。这导致不期望的且不合理的故障报告。
图2示出具有用于实施中断检查的处理单元1的两个数字输出组件的并联电路。如图1已示出的，具有集成的第一二极管D1的第一数字输出组件的第一通道K1与具有集成的第二二极管D2的第二数字输出组件的第二通道K2并联连接。
在处理单元上设置有驱动器2，利用该驱动器2为第一通道K1提供第一信号U1，为第二通道K2提供第二信号U2。两个数字输出组件或第一和第二通道K1、K2用于冗余地提供控制执行器4的输出信号U。只要不进行中断检查，则由驱动器2预先给定的第一信号U1和第二信号U2的值就相应于所期望的输出信号U。
对于进行中断检查的情况，驱动器2短时间地将通道K1、K2中的一个转换为无电流。当并联电路的输出信号U为逻辑“1”时进行中断检查。在这种情况下两个通道K1、K2之一被短时转换为逻辑“0”，而对另一个通道检查中断或断线。以这种方式可以保证，只要待检查的通道处于正常状态其中就在任何情况下都有电流流过。
图3示出用于实施中断检查的方法的第一实施方式的信号变化。其中所采用的附图标记和参数符号与图2中采用的相对应。图中从上至下示出输出信号U的时间变化、第一通道K1上第一信号U1的时间变化和第二通道K2上第二信号U2的时间变化。
在所示的情况中，在输出信号U从0向1的波形变化的开始对第二通道K2进行中断检查。在波形的开始输出信号U变到逻辑“1”，而在第二信号跳到逻辑“1”时第一信号首先保持在逻辑“0”，并由此确定输出信号U的值。直到第一时间窗T1结束后第一信号U1才跳到逻辑“1”
在第一时间窗T1中保证第二通道K2中有电流流过，因为此时第一通道K1处于逻辑“0”并因此而肯定是无电流的。由此，可在该时间窗内可靠地对第二通道K2进行中断检查。在第一时间窗T1结束后两个通道都处于逻辑“1”，从而冗余地提供输出信号U。在若干时间之后，第二信号U2被置为逻辑“0”，从而在第二通道K2中肯定没有电流。在第二时间窗T2中对第一通道K1进行中断检查。直到第二时间窗T2结束之后，第二信号才又为逻辑“1”，从而冗余地提供输出信号U。
第一和第二时间窗T1、T2应选择地尽可能小，因为在进行中断检查的时间内仅由一个通道提供输出信号U。由此时间窗造成了空隙，在该空隙中当被检查的通道发生故障时不能通过另一个通道不间断地提供输出信号。
图4示出用于实施中断检查的方法的第二实施方式的信号变化。在此也采用与图2和3中相应的附图标记。
在所示出的情况下，在输出信号U从0跳到1的波形变换时，第一信号U1和第二信号U2都处于逻辑“1”。首先不进行中断检查，直到一定时间之后才将第一信号U1转变为逻辑“0”，并且在第一时间窗T1持续期间保持这种状态。在第一时间窗T1内也要保证第一通道K1中无电流而在第二通道K2中有电流，从而对第二通道K2进行可靠地中断检查。在第一时间窗T1结束后第一信号U1又被置为逻辑“1”。
在一定时间之后，第二信号U2被置为逻辑“0”，以使第二通道K2无电流。在第二时间窗T2内可以对第一通道K1进行可靠的中断检查。在第二时间窗T2结束后第二信号U2被置为逻辑“1”，从而又能冗余地提供输出信号U。
图5示出具有用于实施中断检查的处理单元1的自动化设备3的实施方式。处理单元1例如为自动化设备3的CPU。在此，自动化设备3尤其可以是可存储编程控制器，如通常在自动化技术中使用的。
借助可存储编程控制器3可以执行在其中确定执行器4的额定状态的应用程序。执行器4需要这种数字输出信号U形式的额定预定参数。数字输出信号U由两个冗余的数字输出组件B1、B2提供，其中，第一组件B1的第一通道K1与第二组件B2的第二通道K2并联连接。本例中每个输出组件包括八个数字输出通道，在此仅示例性地示出第一组件B1的第一通道K1与第二组件B2的第二通道K2的并联电路。
两个通道K1、K2分别包含使该两个通道K1、K2去耦合的集成的二极管D1、D2。为了对通道K1、K2进行中断检查，处理单元1上运行的驱动器2对通道K1、K2之一预先给出一个值，该值使该通道有目的地处于无电流状态。只要通道K1、K2之一达到无电流状态，就可以对另一通道检查可能的中断。在此采用图3和图4示出的方法。
本发明不限于在此举例示出的实施方式。还可以考虑其它本发明包含的实施方式，只要不脱离本发明的基本思想，即在将两个并联通道K1、K2中的一个通道强制置为无电流状态时，对其中的另一个通道进行中断检查。尤其是，本发明的方法还可以用于对并联连接的模拟输出组件进行中断检查。但在这样的实施中对于并联通道的去耦合电路要比仅在每个通道中集成一个二极管复杂得多。
总之，本发明涉及一种在冗余输出信号的情况下进行断线检查的方法和装置。为了保证在同时提供诊断功能时尽可能无故障地输出信号、尤其是数字信号，建议将两个尤其是具有集成在每个通道中的二极管的数字输出组件并联连接。诊断功能通过驱动器实现，该驱动器在对于数字信号的阈值为逻辑“1”时，将通道连接为逻辑“1”，而将与该通道并联连接的通道短时置为逻辑“0”，并同时对置为逻辑“1”的通道进行中断检查。

Claims (24)

1.一种用于对提供电信号(U1，U2)的至少一个第一通道和第二通道(K1，K2)进行中断检查的处理装置(1)，其中，该第二通道(K2)与该第一通道(K1)冗余和并联的连接，以及，该处理装置(1)具有为第一通道(K1)提供第一信号(U1)并为第二通道(K2)提供第二信号(U2)的驱动器(2)，其特征在于，该驱动器(2)用于对第一通道(K1)短时预先给出第一信号(U1)，第一通道(K1)通过该信号而有目的地处于无电流状态，以及该处理装置(1)在第一通道(K1)处于无电流状态时对第二通道(K2)进行中断检查，其中该处理装置(1)用于当并联连接的通道(K1，K2)的输出端上的输出信号(U)被应用程序置为逻辑“1”时进行中断检查。
2.根据权利要求1所述的处理装置(1)，其中，所述驱动器(2)用于预先给出数字逻辑信号。
3.根据权利要求1所述的处理装置(1)，其中，所述第一和第二通道(K1，K2)分别具有至少一个用于对这些通道(K1，K2)去耦合的电子阀门。
4.根据权利要求3所述的处理装置(1)，其中，所述电子阀门是二极管(D1，D2)。
5.根据权利要求1所述的处理装置(1)，其中，所述驱动器(2)用于在进行中断检查期间通过对第二通道(K2)的第二信号(U2)进行反转而产生第一信号(U1)。
6.根据权利要求1所述的处理装置(1)，其中，处理装置(1)用于在其中应用程序将输出信号置为逻辑“1”的波形开始时对第二通道(K2)进行中断检查。
7.根据权利要求1所述的处理装置(1)，其中，所述处理装置(1)用于在应用程序的输出信号(U)和驱动器(2)的第一和第二信号(U1，U2)被置为逻辑“1”之后，对第二通道(K2)进行中断检查。
8.根据权利要求1所述的处理装置(1)，其中，所述处理装置(1)用于在应用程序将输出信号(U)置为逻辑“1”的脉冲期间对两个通道(K1，K2)进行中断检查。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的处理装置(1)，其中，该处理装置(1)是可存储编程控制器的一部分。
10.根据权利要求9所述的处理装置(1)，其中，所述驱动器(2)实施为作为应用程序一部分的软件驱动器。
11.根据权利要求9所述的处理装置(1)，其中，所述驱动器(2)实施为作为固件存储在该处理装置(1)的存储区域中的软件驱动器。
12.一种自动化设备(3)，其具有根据权利要求1所述的处理装置(1)。
13.根据权利要求12所述的自动化设备(3)，包括具有第一通道(K1)的第一组件(B1)，以及具有第二通道(K2)的第二组件(B2)。
14.根据权利要求13所述的自动化设备(3)，其中，在第一组件(B1)中集成有第一二极管(D1)，在第二组件(B2)中集成有第二二极管(D2)。
15.一种用于对至少一个第一通道和第二通道(K1，K2)进行中断检查的方法，其中，第二通道(K2)与第一通道(K1)冗余和并联的连接，以及其中，由驱动器(2)为第一通道(K1)提供第一信号(U1)并为第二通道(K2)提供第二信号(U2)，其特征在于，利用该驱动器(2)对第一通道(K1)短时预先给出第一信号(U1)，第一通道(K1)通过该信号而处于无电流状态，以及利用处理装置(1)在第一通道(K1)处于无电流状态时对第二通道(K2)进行中断检查，其中，利用所述处理装置(1)当并联连接的通道(K1，K2)的输出端上的输出信号(U)被应用程序置为逻辑“1”时进行中断检查。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，利用所述驱动器(2)预先给出数字逻辑信号。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述通道(K1，K2)具有至少一个用于将第一和第二通道(K1，K2)去耦合的电子阀门。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述电子阀门是二极管(D1，D2)。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，利用所述驱动器(2)在进行中断检查期间通过对第二通道(K2)的第二信号(U2)进行反转而产生第一信号(U1)。
20.根据权利要求15所述的方法，其中，利用处理装置(1)在其中应用程序将输出信号置为逻辑“1”的波形开始时对第二通道(K2)进行中断检查。
21.根据权利要求15所述的方法，其中，利用所述处理装置(1)在应用程序的输出信号(U)和驱动器(2)的第一和第二信号(U1，U2)被置为逻辑“1”之后，对第二通道(K2)进行中断检查。
22.根据权利要求15所述的方法，其中，利用所述处理装置(1)在应用程序将输出信号(U)置为逻辑“1”的脉冲期间对两个通道(K1，K2)进行中断检查。
23.根据权利要求15至22中任一项所述的方法，其中，采用作为应用程序一部分的软件驱动器作为所述驱动器(2)。
24.根据权利要求15至22中任一项所述的方法，其中，采用作为固件存储在处理装置(1)的存储区域中的软件驱动器作为所述驱动器(2)。
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