CN100541363C - 用于冗余控制系统的外围单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于具有第一和第二控制计算机(1，2)的冗余控制系统的外围单元，其中，可以从控制计算机(1，2)之一将代表用于控制电感负载的额定输出电流(I_soll)的控制数据输入到该外围单元(3，4)，其中，通过该外围单元(3，4)可以经由外围单元(3，4)的输出端(12，13)以及经由导线将实测输出电流(I_ist)输入到该电感负载(9)。通过适当的措施识别出在外围输出端上的短路以及外围输出端和电感负载之间导线的断线。

Description

用于冗余控制系统的外围单元

技术领域

本发明涉及一种用于具有第一和第二控制计算机的冗余控制系统的外围单元，其中，可以从控制计算机之一将代表用于控制电感负载的额定输出电流的控制数据输入到该外围单元，其中，通过该外围单元可以经由外围单元的输出端以及经由导线将实测输出电流输入到该电感负载。此外，本发明还涉及一种冗余控制系统。

背景技术

2003年出版的西门子产品目录ST 70第一和五章公开了具有冗余结构的高度可用的自动化系统SIMATIC S7-400H，以及可以将外围单元ET 200M作为在冗余的PROFIBUS-DP系统中的从动装置与自动化系统SIMATICS7-400H连接的连接电路IM153-2。

在自动化技术的许多领域中对于自动化系统的可用性和由此的故障保护提出越来越高的要求。这些领域中设备停止会造成极其高的开销。在此，只有冗余系统可以保证对可用性的要求。例如，即使由于一个或多个故障部分控制器失效，高度可用的SIMATIC S7-400H也继续工作。其具有冗余配置的中央功能，并且是利用两台作为控制计算机的分开的中央设备建造的。两台控制计算机周期和同步地处理相同的处理程序。它们相互监控并且独立地确定哪台控制计算机是主动的，即，实际通过其输出数据控制该过程。为此，通过两台控制计算机之间的冗余耦合交换数据。其中根据应用情况插入了数字输入/输出部件的、冗余构成的分布式外围单元ET 200M分别利用现场总线PROFIBUS-DP连接到一台控制计算机上。借助于测量变换器或测量发送器获得的过程输入信息通过外围单元传递至两台控制计算机。在所谓的“热待机”运行下，两台控制计算机在没有干扰的情况下同时处理同样的控制程序，不过，只有一台控制计算机是主动的，即，仅仅一台控制计算机的输出数据被进一步处理来控制过程。在故障的情况下，完好的设备单独承担过程的控制。为此，该设备自动得到相同的应用程序、相同的数据部分、相同的过程描述内容以及相同的内部数据(例如时间、计数器、标志等等)。由此，两台设备总是处于当前状态并且可以在故障情况下随时单独地继续引导控制。用来预定由外围单元向调整装置输出的信号的过程输出数据，在没有干扰的情况下通过两条现场总线提供给外围单元，不过后者仅仅对由现场总线之一接收的控制数据进行分析。由此，连接的各控制计算机可以被视为主动的控制计算机。

为了例如保证在外围单元的模拟输出端上连接的涡轮机的顺利运行，要求迅速采集和显示在这些模拟输出端上的干扰，由此可以迅速地转接到未受干扰的外围单元上，由后者承担对涡轮机的控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种用于冗余控制系统的外围单元，其可以尽可能迅速地识别输出端上的干扰。此外，还提供了一种可用于基本上无干扰地控制电感负载的冗余控制系统。

上述关于外围单元的技术问题是通过权利要求1的特征部分给出的措施来解决的，而关于冗余控制系统是通过权利要求3中给出的措施来解决的。

通过采集实测输出电流并且与额定输出电流进行比较，可以根据对比较结果的分析识别出外围输出端上的短路。

此外，可以通过采集实测输出电流的变化速度并且与额定输出电流的变化速度进行比较，迅速地识别在外围输出端和执行器之间的导线的断开以及由此导致的执行器完全失灵。在这种情况下，实测输出电流突然崩溃，而额定值则不改变。在此，考虑到了电感负载具有极其高的电感，因此在模拟输出端的电感和供电电压为预定的条件下电流的改变在延迟了数毫秒之后才起作用。

冗余控制系统的可用性得到了提高，因为迅速识别并且提示了在外围单元的输出端上的干扰，由此可以迅速地转接到由控制计算机和外围单元组成的控制系统的冗余分支上。例如，这样预先给定时间间隔，使得采集到输出电流的短时间的扰动(t＜20毫秒)并且进行转接。特别是对于控制涡轮机的情况，要求在外围单元的输出端存在干扰时进行迅速的采集和转接；因为对于大约20毫秒的时间段的控制电流的扰动已经会造成数个兆瓦的功率扰动。边界值例如这样预先给定，使得已经识别出由于硬件干机造成的小的偏差。

在本发明的一种实施方式中，配备了电流镜像电路，由此可以简单地采集实测输出电流。

附图说明

下面对照附图所示的一种实施方式对本发明、其扩展以及优点作进一步的说明。图中：

图1表示执行器的冗余控制，

图2表示分析算法的功能图，并且

图3表示冗余的控制系统。

具体实施方式

首先参考图3，其中示出了一种公知的冗余控制系统。该冗余控制系统是根据二选一原则构成的，并且包括带有第一控制计算机1和第一外围单元4的第一冗余单元以及带有第二控制计算机2和第二外围单元5的第二冗余单元。传感器8采集待控制的技术过程的过程信号，这些信号由外围单元4、5通过导线10读入并且通过适当的串行或并行总线6、7按照数字信号的形式向控制计算机1、2传送。控制计算机1、2将这些信号处理成用于执行器9的相应控制信号，其中，仅仅一个冗余单元通过导线11向执行器9传送该控制信号。冗余单元按照主机-备用运行方式来工作，这意味着，仅仅一个冗余单元是主动的，其它的则被动连接。只有该主动的控制计算机通过其外围单元控制执行器9，其它的冗余单元仅仅向其外围单元传送零信号。为了交换例如按照状态信息和调整信息形式的信息，设置了冗余耦合3，通过该冗余耦合冗余单元相互连接。对于主动的冗余单元不能无干扰工作的情况，主动的冗余单元通过冗余耦合3向被动用户定义显示该干扰，由此刚才还是被动的冗余单元转换为主动的运行方式，即该冗余单元转换为主动并且进入主机运行方式，反之，刚才还是主动的冗余单元则转换为被动并且变换为备用运行方式。主机角色的变换必须按照这样的方式方法进行，使得基本上连续并且在尽可能没有信号扰动的条件下向执行器传送控制信号。

按照该关联参考图1，其中示出了对按照电感负载形式的执行器进行冗余的控制。图1和3中示出的相同部件标有相同的附图标记。冗余构成的外围单元4、5具有并联的模拟输出端12、13，其中，根据哪个冗余单元工作在主机运行方式下，外围单元4的输出端12或者外围单元5的输出端13将电流I引入到执行器9′。对于外围单元4所对应的冗余单元是主动的情况，外围单元4通过其输出端12将电流I引入到执行器9′。在这种情况下，包括外围单元5的冗余单元是被动的，由此，外围单元5不将电流引入到执行器9′。对应地，如果外围单元5将电流I引入到执行器9′，则外围单元4转换为被动。

为了外围单元4、5尽可能迅速地识别在其输出端上的干扰，为外围单元4、5设置了分别监控其模拟输出端12、13的输出电流并且向控制计算机显示干扰的装置。为此，每个外围单元4、5具有一个电流镜像电路，该电路首先采集外围单元的实际输出电流、然后数字化，最后将数字化的实测输出电流传送至分析算法。分析算法将该实测输出电流与由控制计算机为外围单元预定的额定输出电流进行比较，其中，该分析算法对于下列情况为控制计算机显示干扰：

-在可预定的时间间隔期间该实测输出电流和额定输出电流之间的差大于一个可预定的边界值(监控短路)，和/或

-该实测输出电流的变化速度基本上与该额定输出电流的变化速度不同步(监控断线)。

按照该关联参考图2，其中示出了外围单元的分析算法的功能图。差形成器14从实测输出电流I_ist和额定输出电流I_soll中确定差值，其中，在一个可由延迟元件17预先设定的时间间隔τ上将通过值形成器15确定的该差的值与边界值调整器16的可预先设定的边界值Gw1进行比较。如果在该可预先设定的时间间隔τ期间差小于可预先设定的边界值Gw1，则通过“与”或者“或”逻辑元件23传送故障信号F，该信号向控制计算机显示外围单元的模拟输出端存在干扰。为了能够识别由于极小硬件干扰造成的偏差，将边界值Gw1设置得非常小。

如果实测输出电流I_ist的变化速度(ΔI_ist/Δt)基本上与额定输出电流I_soll的变化速度(ΔI_soll/Δt)不同步，则也向控制计算机显示故障信号F，其中该故障显示表明：外围单元的模拟输出端的硬件完全失灵。这种失灵例如可能是由于外围单元4、5和执行器9′(图1)之间的导线11的断线所造成的。元件18、19采集实测输出电流I_ist和额定输出电流I_soll的变化速度，其中，如果“与”逻辑元件22检测到一方面实测输出电流I_ist的变化速度是负的、该变化速度低于可由边界值调整器19预先设定的边界值Gw2，并且另一方面基本上与实测输出电流I_ist的变化同步地额定输出电流I_soll没有变化，则通过“与”或者“或”逻辑元件23触发故障信号F。在此，从这样的认知出发：执行器9作为电磁系统具有非常高的电感L。由此，在模拟输出端的电感和供电电压U预定的条件下电流的改变ΔI在延迟了数毫秒之后才起作用，其中下式成立：

$\mathrm{\Δt}=L*\frac{\mathrm{\ΔI}}{U}.$

为了避免“不正确”的故障提示，不是未经滤波地将额定和实测输出电流的偏差传递至控制计算机，而是首先通过多个时间级别进行滤波。只有偏差存在的时间大于时间Δt，才触发故障提示和进行转换。

Claims (3)

1.一种用于具有第一和第二控制计算机(1，2)的冗余控制系统的外围单元，其中，可以从控制计算机(1，2)之一将代表用于控制电感负载的额定输出电流I_soll的控制数据输入到该外围单元(3，4)，其中，通过该外围单元(3，4)可以经由外围单元(3，4)的输出端(12，13)以及经由导线将实测输出电流I_ist输入到该电感负载(9)，

其特征在于，为所述外围单元(3，4)配备了这样的装置：该装置采集所述实测输出电流I_ist并且将该实测输出电流I_ist与所述额定输出电流I_soll进行比较，和/或采集所述实测输出电流I_ist的变化速度并且与所述额定输出电流I_soll的变化速度进行比较，其中，该装置对于下列情况向控制计算机之一显示该外围单元的输出端(12，13)存在干扰：

-在可预定的时间间隔(τ)期间该实测输出电流I_ist和额定输出电流I_soll之间的差大于一个可预定的边界值Gw1，和/或

-该实测输出电流I_ist的变化速度基本上与该额定输出电流I_soll的变化速度不同步。

2.根据权利要求1所述的外围单元，其特征在于，所述装置配备有电流镜像电路用于采集所述实测输出电流。

3.一种带有第一和第二控制计算机的冗余控制系统，其中，为每台控制计算机(1，2)配置根据权利要求1或2所述的外围单元，并且这些外围单元可以通过共同的连接点与所述电感负载(9)连接。

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