專利名稱：冗余控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種冗余控制系統(tǒng)，包括可以分別連接外部設(shè)備單元的第一和第二控制計算機(jī)；以及雙線測量變換器，其可以利用第一和第二接線頭連接到外部設(shè)備單元上，其中，雙線測量變換器根據(jù)待采集的參數(shù)為外部設(shè)備單元記憶(einpraegen)測量電流。此外，本發(fā)明還涉及一種外部設(shè)備單元，其適合于在該類型的控制系統(tǒng)中使用。
背景技術(shù)：
在2003年版的西門子產(chǎn)品目錄ST 70第1和5章中公開了，帶有冗余結(jié)構(gòu)的高度可用(hochverfuegbar)的自動化系統(tǒng)SIMATIC S7-400H以及接口連接(Anschaltung)IM153-2，后者可以用來將外部設(shè)備單元ET 200M作為在冗佘的PROFIBUS(過程現(xiàn)場總線)-DP系統(tǒng)中的從動裝置與自動化系統(tǒng)SIMATIC S7-400H連接。
在自動化技術(shù)的許多領(lǐng)域中，對自動化系統(tǒng)的可用性以及由此對故障安全性能提出了越來越高的要求。這些領(lǐng)域中設(shè)備停機(jī)會造成極其巨大的代價。在此，僅僅冗佘系統(tǒng)能夠滿足對可用性的要求。例如，如果由于一個或多個故障控制器的部件失靈，則高度可用的SIMATIC S7-400H還能夠繼續(xù)工作。其具備冗余配置的中央功能，并且是用兩個分離的、作為控制計算機(jī)的中央設(shè)備構(gòu)成。這兩臺控制計算機(jī)周期并同步地執(zhí)行相同的處理程序。它們相互監(jiān)視并且獨立的確定哪個控制計算機(jī)有效，即，實際地通過其輸出數(shù)據(jù)來控制過程。為此，在兩個控制計算機(jī)之間通過冗余耦合交換數(shù)據(jù)。冗余構(gòu)成的分布式外部設(shè)備單元ET 200M(在其中根據(jù)不同的使用情況插入了數(shù)字的輸入/輸出部件)分別通過現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP連接在一臺控制計算機(jī)上。借助于測量變換器或測量發(fā)生器，將所獲得的過程輸入信息通過外部設(shè)備單元傳遞至兩臺控制計算機(jī)。在所謂的“熱待機(jī)”運行的條件下，在沒有干擾的情況下兩臺控制計算機(jī)同時執(zhí)行相同的控制程序，只不過僅有一臺控制計算機(jī)有效，即，僅僅一臺控制計算機(jī)的輸出數(shù)據(jù)被進(jìn)一步處理來控制過程。在出現(xiàn)故障的情況下，未受損的設(shè)備單獨承擔(dān)過程的控制。為此，這些設(shè)備自動獲得相同的應(yīng)用程序、相同的數(shù)據(jù)組件、相同的過程描述內(nèi)容以及相同的內(nèi)部數(shù)據(jù)(如時間、計數(shù)值、標(biāo)志等等)。由此，兩臺設(shè)備總是處于當(dāng)前的狀態(tài)，并且可以在出現(xiàn)故障的情況下隨時單獨繼續(xù)引領(lǐng)控制。用來預(yù)先給定從外部設(shè)備單元輸出到控制裝置的信號的過程輸出數(shù)據(jù)，在沒有干擾的情況下通過兩條現(xiàn)場總線提供給外部設(shè)備單元，不過，后者僅僅對由其中一條現(xiàn)場總線接收的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由此，相應(yīng)連接的控制計算機(jī)可以被稱為有效的控制計算機(jī)。
作為測量變換器，經(jīng)常采用所謂的雙線測量變換器，后者根據(jù)待采集的參數(shù)(例如形式為溫度或者壓力的參數(shù))對按照模擬輸入單元形式的外部設(shè)備單元記憶一個測量電流。在冗余系統(tǒng)中這種測量變換器利用其接線頭連接到兩個模擬輸入單元上，其中，在一個模擬輸入單元因為維修而被置換期間另一個模擬輸入單元負(fù)責(zé)測量。為了能夠?qū)崿F(xiàn)這樣一種連續(xù)的測量，例如在模擬輸入單元的接線頭(測量輸入端)上設(shè)置了齊納二極管，后者通常錯接在這些單元的外部、例如在待控制的技術(shù)過程范圍內(nèi)的所謂布線層中。其缺點尤其是，由于額外的部件而導(dǎo)致布線昂貴，并且負(fù)載電阻依賴于恰好采用的模擬輸入單元的數(shù)目；因為在冗余運行中使用了兩個模擬輸入單元，而在非冗余運行中(例如在置換一個模擬輸入單元的期間)僅僅使用一個模擬輸入單元。尤其是在測量變換器必須滿足按照HART規(guī)范的要求并且要傳送HART信號的條件下，該可變的負(fù)載電阻會引起干擾。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種本文開始部分所述類型的冗余控制系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中外部設(shè)備單元的置換能夠就負(fù)載電阻而言基本上是無反作用的。此外，還提供一種適合于在該類型的冗余控制系統(tǒng)中使用的外部設(shè)備單元。
上述關(guān)于外部設(shè)備單元的技術(shù)問題是通過權(quán)利要求1的特征部分給出的措施來解決的，關(guān)于冗余控制系統(tǒng)的技術(shù)問題是通過權(quán)利要求3中給出的措施來解決的。
優(yōu)選地，在布線層中不再需要齊納二極管。
在本發(fā)明的一種優(yōu)選的實施方式中，外部設(shè)備單元可以轉(zhuǎn)換到非冗余類型的運行方式。
與控制系統(tǒng)是工作在冗余的還是非冗余的運行中無關(guān)的是，負(fù)載電阻是常數(shù)。負(fù)載電阻是通過兩個測量電路的串聯(lián)連接的測量電阻而構(gòu)成的。在非冗余的運行中，外部設(shè)備單元的兩個測量電路被串聯(lián)，而在冗余運行中將兩個外部設(shè)備單元之一的一個測量電路與另一個外部設(shè)備單元的一個測量電路串聯(lián)。


下面對照表示本發(fā)明的實施方式的附圖對本發(fā)明、其結(jié)構(gòu)以及優(yōu)點作進(jìn)一步的說明，圖中圖1表示兩個冗余外部設(shè)備單元的錯接，以及圖2表示一個冗余控制系統(tǒng)。
具體實施例方式
首先參考圖2，其中示出了一個公知的冗余控制系統(tǒng)。該冗余控制系統(tǒng)是按照2選1(1-von-2)原則構(gòu)成的，并且包括帶有第一控制計算機(jī)1和第一外部設(shè)備單元4的第一冗余單元，以及帶有第二控制計算機(jī)2和外部設(shè)備單元5的第二冗余單元。傳感器8(例如所謂的雙線測量變換器)采集待控制的技術(shù)過程的過程信號，該過程信號由外部設(shè)備單元4、5通過導(dǎo)線10讀入并且通過適當(dāng)?shù)拇谢虿⑿锌偩€6、7按照數(shù)字信號的形式被傳送至控制計算機(jī)1、2。控制計算機(jī)1、2將這些信號處理成用于執(zhí)行器9的對應(yīng)控制信號，其中，僅僅冗余單元之一通過導(dǎo)線11將控制信號傳送至執(zhí)行器9。這些冗余單元按照主控-備用(Master-Reserve)運行的方式工作，這意味著，僅僅一個冗余單元是主動，而另一個則是被動連接的。只有該主動的冗余單元通過其外部設(shè)備單元控制執(zhí)行器9，另一個冗余單元則僅向其外部設(shè)備單元傳送一個零信號(Nullsignal)。為了交換例如按照狀態(tài)和比較信息形式的信息，設(shè)置了冗余耦合3，通過其冗余單元相互連接。對于主動的冗余單元不是無故障工作的情形，主動的冗余單元通過冗余耦合3向被動的冗余單元指示該故障，由此剛才被動的冗余單元轉(zhuǎn)換到主動的運行形式，即，該冗余單元變換為主動的并且擔(dān)任主控運行，反之，剛才主動的冗余單元變?yōu)楸粍硬⑶肄D(zhuǎn)換為備用運行。該主控特性的轉(zhuǎn)換必須按照這樣的方式和方法進(jìn)行即，基本上要連續(xù)并且盡可能沒有信號中斷地將控制信號傳送給執(zhí)行器。此外，還要保證在一個外部設(shè)備單元4、5因為維修而被置換期間能夠?qū)^程信號連續(xù)測量。通過雙線測量變換器為外部設(shè)備單元4、5所記憶的測量電流取決于待測量的參數(shù)、例如作為溫度或者壓力的參數(shù)，且在外部設(shè)備單元4失靈的情況下必須由外部設(shè)備單元5進(jìn)行采集，以實現(xiàn)無故障的過程控制。
按照這種關(guān)聯(lián)參考圖1，其中示出了兩個冗余外部設(shè)備單元的錯接。在圖1和2中示出的相同部件標(biāo)有相同的參考標(biāo)記。
冗余構(gòu)成的外部設(shè)備單元4、5分別具有第一和第二測量電路12a，12b，13a，13b，這些測量電路分別具有測量電阻R，其中該測量電阻R的阻值等于負(fù)載電阻的一半。雙線測量變換器14可以利用第一接線頭15a，15b通過第一可控開關(guān)17a，17b經(jīng)由第一測量電路12a，12b與供電導(dǎo)線VL連接，以及可以利用第二接線頭16a，16b通過第二可控開關(guān)18a，18b經(jīng)由第二測量電路13a，13b與外部設(shè)備單元4、5的接地點連接。
通過外部設(shè)備單元4、5的錯接以及通過這些單元4、5的結(jié)構(gòu)，可以有四種(兩種冗佘的以及兩種非冗余的)運行方式。
在示出的實施方式中表示出了第一冗余運行方式。在此，外部設(shè)備單元4的第一開關(guān)17a以及外部設(shè)備單元5的第二開關(guān)18b接通，而外部設(shè)備單元4的第二開關(guān)18a以及外部設(shè)備單元5的第一開關(guān)17b斷開。在這種情況下，測量電流是通過外部設(shè)備單元4的第一測量電路12a以及通過外部設(shè)備單元5的第二測量電路13b被采集的(該測量電流是通過粗線示出的)，其中，這些測量電路12a、13b的適當(dāng)?shù)倪\算放大器19測量由于測量電流在測量電阻R上所形成的電壓降，并且通過可控開關(guān)19a、19b傳遞給外部設(shè)備單元4、5的沒有示出的求值電路。
另一種冗余的運行方式可以如下實現(xiàn)外部設(shè)備單元5的第一開關(guān)17b以及外部設(shè)備單元4的第二開關(guān)18a接通，而外部設(shè)備單元5的第二開關(guān)18b以及外部設(shè)備單元4的第一開關(guān)17a斷開。在這種情況下，測量電流是通過外部設(shè)備單元5的第一測量電路12b以及通過外部設(shè)備單元4的第二測量電路13b被采集的，其中，可控開關(guān)19a、19b對應(yīng)地接通，使得測量電路12b、13a的、在電阻R上降落的電壓被傳遞給求值電路。
對于例如外部設(shè)備單元4出現(xiàn)故障并且必須從控制系統(tǒng)中去除的情況，將外部設(shè)備單元5轉(zhuǎn)換為非冗余的運行方式。在這種情況下，開關(guān)17b、18b接通，由此測量電流通過外部設(shè)備單元5的第一和第二測量電路12b、13b流動。反之，如果將外部設(shè)備單元5從控制系統(tǒng)中去除，則外部設(shè)備單元4工作在非冗余的運行中。在這種情況下，開關(guān)17a、18a接通，由此測量電流通過外部設(shè)備單元4的第一和第二測量電路12a、13a流動。
外部設(shè)備單元4的可控開關(guān)17a、18a、19a以及外部設(shè)備單元5的可控開關(guān)17b、18b、19b的開關(guān)狀態(tài)，是依賴于主動的控制計算機(jī)傳送給外部設(shè)備單元4、5的控制信號的。例如，送入外部設(shè)備單元4、5的控制信號的高電平所起的作用是-開關(guān)17a、18b接通，-開關(guān)17b、18a斷開，并且-開關(guān)19a、19b這樣連接，使得測量電流通過第一測量電路12a以及第二測量電路13b被采集。
反之，該控制信號的低電平起到的作用是-開關(guān)17b、18a接通，-開關(guān)17a、18b斷開，并且-開關(guān)19a、19b這樣連接，使得測量電流通過第一測量電路13a以及第二測量電路12b被采集。
該控制信號的另一個電平或者另外一個控制信號的一個電平起到的作用是，激勵正為主動的外部設(shè)備單元4、5的相應(yīng)第一和第二測量電路12a、13a或12b、13b，這意味著，開關(guān)17a、18a或17b、18b被接通。開關(guān)19a以及19b的狀態(tài)是這樣的，即，使得測量電流通過對應(yīng)的外部設(shè)備單元4或5的第一或者第二測量電路被采集。
權(quán)利要求
1.一種冗余控制系統(tǒng)，包括-第一和第二控制計算機(jī)(1，2)，在兩個控制計算機(jī)上可以分別連接外部設(shè)備單元(4，5)，-雙線測量變換器(14)，其可以利用第一和第二接線頭(15a，15b，16a，16b)連接到外部設(shè)備單元(4，5)，其中，該雙線測量變換器(14)根據(jù)待采集的參數(shù)為外部設(shè)備單元(4，5)記憶測量電流，其特征在于，-為每個外部設(shè)備單元(4，5)配備了用于采集測量電流的第一和第二測量電路(12a，12b，13a，13b)，其中，可以通過第一可控開關(guān)(17a，17b)將供電導(dǎo)線(VL)經(jīng)由第一測量電路(12a，12b)接通到所述雙線測量變換器(14)的第一接線頭(15a，15b)，并且可以通過第二可控開關(guān)(18a，18b)將地電平經(jīng)由第二測量電路(13a，13b)接通到所述雙線測量變換器(14)的第二接線頭(16a，16b)，其中，所述測量電路(12a，12b，13a，13b)分別具有一個測量電阻(R)，-按照冗余的運行方式，一個外部設(shè)備單元(4，5)的第一測量電路(12a，12b)可以與另一個外部設(shè)備單元(5，4)的第二測量電路(13a，13b)串聯(lián)，其中，根據(jù)在每個外部設(shè)備單元(4，5)中的控制信號對第一測量電路(12a，12b)或第二測量電路(13a，13b)的測量電流進(jìn)行求值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冗余控制系統(tǒng)，其特征在于，所述每個外部設(shè)備單元(4，5)都可以轉(zhuǎn)換到非冗余類型的運行方式，其中，在該運行方式中每個外部設(shè)備單元(4，5)的第一測量電路(12a，12b)和第二測量電路(13a，13b)串聯(lián)。
3.一種用于連接根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的冗余控制系統(tǒng)的控制計算機(jī)的外部設(shè)備單元，其中，所述外部設(shè)備單元(4，5)可以與一臺控制計算機(jī)以及雙線測量變換器(14)的第一和第二接線頭(15a，15b，16a，16b)連接，其中，該雙線測量變換器(14)根據(jù)待采集的參數(shù)記憶測量電流，其特征在于，所述外部設(shè)備單元(4，5)-包括用于采集測量電流的第一測量電路(12a，12b)和第二測量電路(13a，13b)，其中，可以通過第一可控開關(guān)(17a，17b)將供電導(dǎo)線(VL)經(jīng)由第一測量電路(12a，12b)接通到所述雙線測量變換器(14)的第一接線頭，并且可以通過第二可控開關(guān)(18a，18b)將地電平經(jīng)由第二測量電路(13a，13b)接通到所述雙線測量變換器(14)的第二接線頭，其中，所述測量電路(12a，12b，13a，13b)分別具有一個測量電阻(R)，-可以按照冗余的運行方式被運行，其中，在該運行方式中，所述供電導(dǎo)線(VL)連接到雙線測量變換器(14)的第一接線頭(15a，15b)，而所述地電平則不連接到雙線測量變換器(14)的第二接線頭(16a，16b)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的外部設(shè)備單元，其特征在于，所述外部設(shè)備單元(4，5)可以運行在非冗余的運行方式下，其中，該運行方式中每個外部設(shè)備單元(4，5)的第一測量電路(12a，12b)和第二測量電路(13a，13b)串聯(lián)。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種冗余控制系統(tǒng)，包括第一和第二控制計算機(jī)(1，2)，在兩個控制計算機(jī)上可以分別連接外部設(shè)備單元(4，5)。該冗余控制系統(tǒng)還包括雙線測量變換器(14)，其可以利用第一和第二接線頭(15a，15b，16a，16b)連接到外部設(shè)備單元上，其中，該雙線測量變換器(14)根據(jù)待采集的參數(shù)為外部設(shè)備單元(4，5)記憶測量電流。適當(dāng)?shù)拇胧┍ＷC了，在該系統(tǒng)中外部設(shè)備單元的置換能夠就負(fù)載電阻而言基本上是無反作用的。
文檔編號G05B19/05GK1894638SQ200480037642
公開日2007年1月10日 申請日期2004年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月16日
發(fā)明者沃爾特·克雷布, 烏爾里克·萊曼 申請人:西門子公司