CN101006396A - 用于自动化装置的***设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于自动化装置的***设备，所述***设备既可被用于模拟量输入又可用于模拟量输出。其中，在所述***设备预先规定数量的接口中，用作输入端接口的数量以及用作输出端接口的数量均可灵活地与各个应用相匹配。此外，本发明还提供一种可使用这种***设备的冗余自动化装置。

Description

用于自动化装置的***设备

技术领域

本发明涉及一种用于自动化装置的***设备。此外，本发明还涉及一种可使用所述***设备的冗余自动化装置。

背景技术

在自动化技术中，自动化装置的***设备和传感器(例如测量温度或压力的传感器)，或***设备和调节器(例如控制阀***形式的调节器)之间通常会借助0-20mA或4-20mA范围内的模拟电流信号进行数据交换。为此，自动化装置的***设备会配有规定数量的模拟量输入端和模拟量输出端，其中，***设备具有相应的内部规定的硬件性能，因而可用作模拟量输入或模拟量输出设备。这种也可用在冗余自动化装置上的***设备公开在西门子2003年出版的产品目录ST07的第一和第五部分内。

冗余自动化装置(例如公开在上述产品目录内的SIMATIC S7-400H自动化装置)，用在对自动化***的可用性和故障安全性有较高要求的自动化技术领域内。也就是那些***一停机就会造成很大损失的领域。在此，只有冗余***才符合上述对可用性的要求。具有高可用性的SIMATIC S7-400H即使在控制***部件失效时仍能继续工作，该失效是由于一个以上故障而造成的。SIMATIC S7-400H具有冗余设计的中央功能，并由两个分隔的中央设备构成两个控制计算机。这两个控制计算机循环并同步地执行相同的处理程序。它们相互监控，并自主确定由哪个控制计算机起作用，即真实地通过其输出数据对过程进行控制。为此需借助两个控制计算机之间的一冗余切换进行数据交换。冗余设计的非集中的***设备(视具体应用而定插有数字输入/输出模块)在每一种应用中通过一现场总线连接于其中一个控制计算机。借助测量变换器或编码器获得的过程输入信息通过***设备传输到两个控制计算机上。在所谓的“热备用”工作模式下，两个控制计算机会在无故障的情况下同时执行同一个控制程序，但只有一个控制计算机是起作用的，也就是说，只有一个控制计算机的输出数据会经过再处理后用于过程控制。出现故障时，则由完好无损的那个控制计算机独立承担过程控制的任务。为此，为达到上述目的的控制计算机会自动获得相同的应用程序、相同的数据块、相同的进程映象内容和相同的内部数据，例如时间、计数器、标志等等。这样，两个控制计算机就总是处于最新状态，并且在出现故障时，可随时独立承担继续控制过程的任务。需要***设备输出至执行器的信号，即过程输出数据，被预先规定，虽然过程输出数据由两个现场总线在无故障的情况下提供给***设备，但***设备只对由其中一个现场总线接收到的控制数据进行分析。与这个现场总线相连的控制计算机就可称为“起作用的控制计算机”。

发明内容

本发明的目的是提供一种开篇所述类型的***设备，其既可用于模拟量输入又可用于模拟量输出，其中，在所述***设备规定数量的接口中，用作输入端接口的数量以及用作输出端接口的数量均可灵活地与各个实际应用相匹配。此外，本发明还提供一种可使用这种***设备的冗余自动化装置。

有关***设备的目的可通过一种***设备而达成，其具有一控制装置，通过所述控制装置可将一供电设备切换至一第一与一第二位置，其中，

-在第一位置上，所述控制装置可借助一恒定值对一数/模转换器进行控制，从而为一可连接在所述***设备的一第一接口上的测量变换器加载一恒定电压，

-在第二位置上，所述控制装置可借助一个值对所述数/模转换器进行控制，所述值与一需要输出的过程输出信号相对应，所述过程输出信号被传输给一能够被连接在所述***设备第一接口上的执行器，

-在第一位置上，可向一模/数转换器输送一由所述测量变换器施加的电流，所述模/数转换器将所述施加电流，以与其相对应的一过程输入信号的形式传输给所述控制装置，其中，所述施加电流可由至少一个测量电路测定。

有关冗余自动化装置的目的通过权利要求5所述的措施而达成。

所述***设备的接口既可用于模拟量输入(即读入传感器信号)又可用于模拟量输出(即输出执行器信号)，是有利的。所述***设备特别适用于与执行器或传感器(视情况而定)的基于高速寻址远程变送协议(HART)的通讯。在这种通讯过程中，控制装置输出时向数/模转换器传输一HART信号，这个HART信号包括一数字通讯信号与一需要输出的数字过程输出信号，数/模转换器根据这个HART信号生成一模拟信号。所述模拟信号包括一模拟过程信号与一包括两个频率(1200Hz、2200Hz)的模拟通讯信号。输入时，模/数转换器向控制装置传输一数字信号，控制装置从这个数字信号中滤去与所述的两个频率对应的位信息0和1以及数字过程值。

根据本发明的一实施方案，控制装置的第一和第二位置可由一用户以菜单提示的方式进行调整，用户由此可根据实际应用将***设备的接口设置为输入端或输出端。举例而言，可将一具有16个接口的***设备中的10个接口用作连接测量变换器的输入端，将8个接口用作连接执行器的输出端。在此情况下，连接在10个输入接口上的测量变换器会被加载一恒定电压，通过8个输出接口则可向连接在这些接口上的执行器输送一与一需要输出的过程信号对应的电流。

本发明的另一实施方案是，在第二位置上，与需要输出的过程输出信号对应的值将被反馈回模/数转换器。在此情况下，当连接一执行器与***设备的一输出接口的线路发生中断时，该中断情况可以被检测到。

根据权利要求4所述的本发明的一实施方案，所述***设备可以在一非冗余运行模式或一冗余运行模式工作。

无论在冗余工作模式还是在非冗余工作模式下，对于模拟量输入而言，负载电阻是恒定的。在非冗余工作模式下，负载电阻由在***设备的两个测量电路中串联的复数个测量电阻器构成。在冗余工作模式下，一***设备的一测量电路与另一***设备的一测量电路串联。

附图说明

下面借助附图所示的实施例对本发明及其实施方案和优点作进一步说明，其中：

图1和图2为非冗余切换的***设备的框图；

图3和图4为冗余切换的***设备的框图；

图5为一冗余自动化***。

具体实施方式

附图所示的相同部件用相同的参考符号表示。

图1中的DAC4表述一非冗余切换***设备4的一数/模转换器，其借助一总线与一控制装置ST4和一模/数转换器ADC4相连。控制装置ST4通过一图中未作图示的控制线对一第一开关17a进行控制，从而使得一供电设备VE4可以切换至一第一与一第二位置。在所示实施例中，第一开关17a所处的开关位置使得连接在***设备4的接口15a、16a上的测量变换器14具有一恒定电压。这个电压是供电设备VE4根据数/模转换器DAC4的一输出变量而产生的，而所述输出变量是数/模转换器DAC4根据一由控制装置ST4传输给该数/模转换器DAC4的值而产生的。在这个位置上，***设备4的接口15a用于模拟量输入接口(即读入一测量变换器信号)。由于需要在一预先规定的恒定电压下通过测量变换器14测量一过程变量(例如一温度)，会有一被测电流通过一第一测量电路12a与一第二测量电路13a以及一可由控制装置ST4控制的第二开关18a，流至一接地电位(Massepotential)M(电流的流动情况用粗线表示)。测量电路12a、13a分别具有一测量电阻器R，其中，每个所述测量电阻器的电阻值相当于负载电阻的一半。被测电流由测量电路12a、13a测定，其中，视一开关19a所处的开关位置而定由测量电路12a或由测量电路13a测定的被测电流被输送至模/数转换器ADC4，模/数转换器ADC4再向控制装置ST4传输一与所述被测电流对应的过程值。在所示实施例中，所述被测电流由测量电路12a测定，并被传输至模/数转换器ADC4。

图2所示的***设备4被设定为用于模拟量输出，其中，接口15a上连接有一执行器20。从模拟量输入到模拟量输出或从模拟量输出到模拟量输入的转换，可以借助一已知的工程***，优选的以菜单提示的形式进行配置和参数化过程，所述的已知工程***例如为一公开在西门子2004年出版的产品目录PCS7第四部分内的工程***。为此会向用户提供一显示***设备接口的菜单，这个菜单布置在一连接在总线上的指示装置上。所述接口例如可标以不同的颜色，其中，用于模拟量输入的接口可标以一第一颜色，用于模拟量输出的接口可标以一第二颜色。控制装置ST4根据上述标志设置上述接口。将接口15a规定为模拟量输出端后，控制装置ST4将供电设备VE4的开关17a切换至一位置，当开关17a处于这一位置时，会有一与一过程输出信号对应的电流被输送至执行器20。数/模转换器DAC4先根据控制装置ST4的这个过程输出信号生成一模拟值，随后由供电设备VE4从这个模拟值中导出一电流。这个电流由第一测量电路12a测定，并通过供电设备VE4的一运算放大器OP4a保持在一恒定值上。随后，这个电流通过开关19a被输送至模/数转换器ADC4，模/数转换器ADC4将与这个电流相对应的一数字值传输给控制装置ST4。通过这样一种反馈，当连接执行器20和接口15a的线路发生中断时，控制装置ST4可以检测出来。

下面对***设备4的冗余应用进行详细说明。

为此先对图5所示的一已知的冗余自动化装置进行说明。所示冗余自动化装置按“二选一”原理(1-von-2-Prinzip)构建，包括一第一冗余单元与一第二冗余单元，所述第一冗余单元具有一第一控制计算机1和***设备4，所述第二冗余单元具有一第二控制计算机2与一***设备5。传感器8(例如所谓的双线测量变换器)检测一需要控制的工艺过程的过程信号，***设备4、5通过线路10读入所述过程信号，并借助合适的串联或并联总线6、7将其以数字信号的形式传输给控制计算机1、2。控制计算机1、2将这些信号处理成相应的、用于控制执行器20的控制信号，其中，只有其中一个冗余单元会通过一线路11将这些控制信号传输给执行器20。所述冗余单元以主/备模式(Master-Reserve-Betrieb)进行工作，即，只有一个冗余单元是起作用的，另一个冗余单元则不起作用。只有起作用的冗余单元才通过其***设备对执行器20进行控制，而另一个冗余单元只向其***设备传输一零接地信号。为达到交换信息(例如状态信息和调整信息)的目的，提供一可将所述冗余单元彼此相连的冗余连接3。当起作用的冗余单元出现故障时，其会通过冗余连接3向不起作用的冗余单元表明故障情况，这样，不起作用的冗余单元就会转成起作用的工作模式，即，这个冗余单元切换至主操作模式，在此之前起作用的冗余单元则切换至备用模式。主/备切换的方式必须保证传输到执行器的控制信号实质上保持不间断，并尽可能避免出现信号中断。此外还须确保，在出于维修原因而更换一***设备4、5期间，对过程信号的测量不得间断。***设备4、5会被一双线测量变换器外加一与一需要检测的变量(例如一关于温度或压力的变量)相关的被测电流，当例如***设备4发生故障时，为了实现无故障的过程控制，必须由***设备5测定所述被测电流。

下面对图3所示的两个冗余***设备的一互连方式进行说明。

首先假定冗余设计的***设备4、5经过赋值参数或调整(视情况而定)后用于模拟量输入(即读入传感器信号)。

***设备5的功能、工作方式与图1、2所述的***设备4的功能、工作方式相一致，其中，***设备4的参考符号分别为ST4、VE4、12a、13a...的部件与***设备5的参考符号分别为ST5、VE5、12b、13b...的部件相对应。

在本例中显示的是用于模拟量输入的***设备4、5的一第一冗余工作模式。其中，供电设备VE4由控制装置ST4控制，***设备5的第二开关18b处于接通位置；与此相反，供电设备VE5则不受控制，***设备4的第二开关18a处于断开位置。在此情况下，被测电流由***设备4的第一测量电路12a和***设备5的第二测量电路13b测定(测量电流的流动情况用粗线表示)，其中，测量电路12a、13b的合适的运算放大器会对由被测电流在测量电阻器R上引起的电压降进行测量，并通过可控开关19a、19b向模/数转换器ADC4、ADC5传输一与电压降对应的电流，模/数转换器ADC4、ADC5再将与所述被测电流对应的一数字值传输给控制装置VE4、VE5。

用于模拟量输入的***设备4、5进一步的冗余工作模式可通过下述方法而实现，即，***设备5的供电设备VE5受控制，***设备4的第二开关18a处于接通位置；与此相反，***设备5的第二开关18b处于断开位置，***设备4的供电设备VE4则不受控制。在此情况下，被测电流由***设备5的第一测量电路12b和***设备4的第二测量电路13a测定，其中，可控开关19a、19b的切换会受到控制，从而将在测量电路12b、13a测定的被测电流传输至模/数转换器ADC4、ADC5。

当例如***设备4发生故障，必须将其从控制***中拆除时，***设备5就会切换到非冗余工作模式。在此情况下，供电设备VE5由控制装置ST5控制，开关18b切换至接通位置，从而使被测电流流经***设备5的第一和第二测量电路12b、13b的电阻器R。而如果将***设备5从控制***中拆除后，***设备4就会以非冗余运行模式工作。在此情况下，***设备4的供电设备VE4开始工作，开关18a切换至接通位置，从而使被测电流流经***设备4的第一和第二测量电路12a、13a的电阻器R。

下面假定冗余设定的***设备4、5经过赋值参数或调整(视情况而定)后用于模拟量输出(即输出执行器信号)。在此可借助于图4所示的内容，即***设备4、5的进一步互连方式，进行说明。

由于***设备4、5被设定用于模拟量输出，因此可通过***设备4、5给执行器20外加一与一过程输出信号相对应的输出电流。***设备4、5在一控制信号的控制下切换至冗余工作模式。其中，为了一恒定电流的输出***设备4的供电设备VE4开始工作，这个电流通过第一测量电路12a流动至执行器20的第一接口15a、15b，其第二接口A16连接在接地电位M上。例如所述控制信号的一高电平会引起

-***设备4的供电设备VE4开始工作，以及

-***设备5的供电设备VE5停止工作，

从而使所述输出电流通过***设备4的第一测量电路12a和执行器20流向所述接地电位。

而所述控制信号的一低电平会引起

-***设备4的供电设备VE4停止工作，以及

-***设备5的供电设备VE5开始工作，

从而使所述输出电流通过***设备5的第一测量电路12b和执行器20流向所述接地电位。

当例如***设备5发生故障，必须将其从自动化***中拆除时，***设备4就会切换到非冗余工作模式。在此情况下，供电设备VE4开始工作，从而使所述输出电流通过***设备4的第一测量电路12a的电阻器R和执行器20流向接地电位M。而如果将***设备4从控制***中拆除后，***设备5就会以非冗余运行模式工作。在此情况下，供电设备VE5开始工作，从而使所述输出电流通过***设备5的第一测量电路12b的电阻器R和执行器20流向接地电位M。

Claims (5)

1.一种用于一自动化装置的***设备，所述***设备具有一控制装置(ST4，ST5)，通过所述控制装置可将一供电设备(VE4，VE5)切换至一第一与一第二位置，其中，

在所述第一位置上，所述控制装置(ST4，ST5)借助一恒定值控制一数/模转换器(DAC4，DAC5)，从而为一连接在所述***设备(4，5)的一第一接口(15a，15b)上的测量变换器(14)加载一恒定电压，

在所述第二位置上，所述控制装置(ST4，ST5)可借助一个值对所述数/模转换器(DAC4，DAC5)进行控制，所述值与一需要输出的过程输出信号相对应，所述过程输出信号被传输给一连接在所述***设备(4，5)的第一接口(15a，15b)上的执行器(20)，

在所述第一位置上，向一模/数转换器(ADC4，ADC5)输送一由所述测量变换器(14)外加的电流，所述模/数转换器(ADC4，ADC5)将所述外加电流以与其相对应的一过程输入信号的形式传输给所述控制装置(ST4，ST5)，其中，所述外加电流可由至少一个测量电路(12a，13a，12b，13b)测定。

2.根据权利要求1所述的***设备，其特征在于，

所述控制装置(ST4，ST5)的第一和第二位置可由一用户以菜单提示的辅助方式进行设置。

3.根据权利要求1或2所述的***设备，其特征在于，

在所述第二位置上，与所述需要输出的过程输出信号对应的值被反馈给所述模/数转换器(ADC4，ADC5)。

4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的***设备，其特征在于，

在所述第一位置上，

在一冗余工作模式下，一第一或一第二测量电路(12a，13a，12b，13b)测定所述外加电流，

在一非冗余工作模式下，所述第一与所述第二测量电路(12a，13a，12b，13b)测定所述外加电流。

5.一种具有根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的***设备的冗余控制***，其中，

所述***设备(4，5)的第一接口(15a，15b)上可连接一执行器(20)或一测量变换器(14)的一第一接口，

所述执行器(20)的一第二接口始终连接在所述***设备(4，5)配有一接地电位的另一接口上，

所述测量变换器的一第二接口始终通过所述第二测量电路(13a，13b)连接在所述***设备(4，5)的所述另一接口上。

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