CN101728725B - 具有不同水平的冗余的可插式底座 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有不同水平的冗余的可插式底座。具体而言，装置包括多个终端底座组件(100)，其各具有至少一个模块(102-108，114)，多个终端底座组件(100)中的至少一些在至少一个模块(102-108，114)中具有可变水平的冗余，多个终端底座组件(100)由各多个终端底座组件(100)中的电路(116)连接在一起。

Description

具有不同水平的冗余的可插式底座

技术领域

本文公开的主题涉及过程监控系统，且更具体地，涉及多个可插式底座，这些可插式底座可以在监控系统构造中连接在一起，而且其中底座可包括不同水平的冗余。

背景技术

在过程工业中，各种过程和设备内在地具有不同水平的关键程度。关键程度通常可由该设备在环境、健康和安全方面的故障引起的损伤、损失的产量和该设备本身的更换或修理成本确定。同样地，使用应用于设备的传感器得到的某些测量可具有不同水平的关键程度。在这种情况下，关键程度由控制系统或操作员对问题作出响应的时间的量和是否有该问题的其它指示来确定。例如，对燃气轮机中的推进位置故障作出响应比上升的壳体振动的问题可能需要更快速的响应时间。

可将单个监控或控制系统应用于不同关键程度的多个设备，各设备可具有不同关键程度的测量。设备的关键程度和测量决定监控或控制装备的必要的可靠性。通常使用冗余来实现更高的可靠性。对于检测、处理等，存在可用于实现特定水平的可靠性的许多水平的冗余。例如，具有冗余传感器的全三模冗余(TMR)系统可用于提供相对高水平的可靠性。对于另一种测量，单个传感器可通过总线连接到例如三个冗余处理模块上。虽然此构造不提供像全TMR系统那样高水平的可靠性，但是总线连接的传感器冗余系统确实表现出比单一的或双冗余系统显著地更高的可靠性，因为具有最高的复杂性且由此具有最高的故障可能性的处理模块已经是冗余的了。

除了各种传感器测量之外，可以存在系统的各模块之间共用的其它信号。这些信号将包括电力(可为冗余的)、通信网络(可为冗余的)、机器速度定时信号，以及模块设备信息信号。由于线缆端子、线缆标示和设计文件的成本的原因，铺设离散的线缆或电缆不利地影响系统成本。而且，离散的线缆和连接器比内部电子组件走线具有更高的故障可能性，并且从而使可靠性降低。

目前对于混合水平的冗余存在几个不同的解决方案，其中没有一个相对满意地适于所涉及的关键程度问题。在一种解决方案中，提供了能够实现TMR的系统后面板结构和能够实现TMR的接口模块。冗余的和单一的模块可混和在系统内，但是，所有模块均分担可冗余的后面板和接口模块基础的代价。如果期望通过总线将相同的传感器信号发送到多个模块，通常使用外部线缆或外部分线板。这产生大量的外部线缆。在另一种解决方案中，个别地使用各具有其本身的传感器或总线连接的传感器的冗余的单独模块的组，将来自各个组的输出发送到表决模块，表决模块基于信号的预定义表决(例如3选2)来提供最终输出。在又一个解决方案中，多个TMR处理器模块对所有的测量提供冗余的处理功率。输入和输出模块可添加到具有可变水平的冗余的系统，但是，由于处理模块必须能够处理所有的I/O信号，所以不管是否需要冗余地处理所有的测量，TMR系统承担三个高功率的冗余处理模块的附加成本。这些已知的系统通常为冗余的I/O模块保留空间，从而导致需要相对大的覆盖区空间。

发明内容

根据本发明的一个方面，装置包括各具有至少一个模块的多个终端底座组件，多个终端底座组件中的至少一些在至少一个模块中具有可变水平的冗余，多个终端底座组件由各多个终端底座组件中的电路连接在一起。

根据本发明的另一个方面，方法包括提供各具有至少一个模块的多个终端底座组件，多个终端底座组件中的至少一些在至少一个模块中具有可变水平的冗余，而且由各多个终端底座组件中的电路将多个终端底座组件连接在一起。

根据结合附图的以下描述，这些和其它优点和特征将变得更加清楚。

附图说明

在本发明的结尾处的权利要求书中特别地指出和明确地要求保护了被视为本发明的主题。根据结合附图的以下的详细说明，本发明的前述和其它特征和优点将变得清楚，其中：

图1是根据本发明的实施例的一种类型的可插式底座的透视图；

图2是以示例性系统构造连接在一起的、根据本发明的实施例的多个两种不同类型的可插式底座的正视图；

图3是示出了根据本发明的实施例的两个相邻的可插式底座之间的连接的一部分的正视图；

图4是示出了在不同底座中的模决之间通过的通信线路的一部分的、根据本发明的实施例的可插式底座的结构图；

图5是以示例性系统构造连接在一起的根据本发明的实施例的多个可插式底座的结构图，示出了将底座连接在一起的通信线路的一部分；

图6是以示例性系统构造连接在一起的根据本发明的另一个实施例的多个可插式底座的结构图，示出了在各个底座内且将底座连接在一起的信号线路的一部分；

图7是以示例性系统构造连接在一起的根据本发明的又一个实施例的多个可插式底座的结构图，示出了在各个底座内且将底座连接在一起的信号线路的一部分；

图8是示出了将底座的功能模块连接在一起的信号线路的一部分的、根据本发明的另一个实施例的可插式底座的结构图；

图9是示出了将底座的功能模块连接在一起的信号线路的一部分的、根据本发明的又一个实施例的可插式底座的结构图；以及

图10是示出了具有连接在一起且连接到柜内的其它构件上的、根据本发明的实施例的多个可插式底座的柜的实施例的结构图。

参考附图，详细的说明书以实例的方式阐明了本发明的实施例，以及优点和特征。部件列表

100，200	底座
		102，104	处理器模块
106，108	输入模块
		110，112	线缆连接件
114	输出模块
		116	电路板
118	连接器
		119	连接器
120	框架
		122	安装孔
200	底座
		202	系统构造
400	线路
		402，404	端口
500，502，504	底座
		506	构造
508，510	线路
		512，514	模块
516	模块
		518，520	连接器
522	光学端口
		600	系统构造
602，604，606，608，610	底座
		612，614	模块
616，618	模块

620	线路
		622	连接器
700	构造
		702，704，706	底座
708，710	模块
		712	模块
714	线路功率
		716	功率输出
718	功率输入
		720	连接器
722	连接器
		800	底座
802	线路
		804，806	模块
808，810	模块
		812	模块
814	连接器
		816，817	设备
900	底座
		902	电源
904	设备
		906	线缆
908	连接器
		1000	罩
1002，1004，1006，1008	底座
		1010	控制器
1012	构造
		1018	线路
1020	电源
		1022	线路
1024，1026	线路

具体实施方式

参看图1，示出了根据本发明的实施例的一种类型的可插式或终端底座组件100的透视图。本文公开和示出了其它类型的可插式底座，本文公开的可插式底座之间的主要区别是各种类型的底座内实现的冗余量，以及由组成各种类型的底座的构件提供的功能(例如输入和输出的数量、处理模块的数量和类型等)。图1所示的可插式底座100可为更大型的系统的一部分，此更大型的系统可以是，例如，监控不同类型的工业机器的任何数量的健康相关的测量(例如燃气轮机上的若干位置的振动)的机器监控系统，这将在下文进行更加详细的描述和说明。

图1所示出的可插式底座100可为具有总线连接的传感器的双冗余类型。底座100包括插入对应的连接器中的两个处理器模块102、104。各个处理器模块102、104可包括微处理器或其它信号处理构件，以及模块内的其它信号处理和/或存储设备，例如模数转换器(ADCs)和存储设备。图1的可插式底座100还包括两个输入模块106、108。各个输入模块106、108可与多个外部线缆连接件110、112连接，外部线缆连接件110、112可包括简单的孔和螺旋连接件(例如端子板或端线板)，来自例如传感器的线缆插入孔和螺旋连接件中，以便以物理的方式连接到模块106、108上，以使来自传感器的对应信号输入到输入模块。或者，输入模块106、108可从远程传感器接收使用无线通信方法传送的传感器信号。无线通信方法可包括任何类型的光学或电磁方法，例如蓝牙或IEEE802.15.4。输入模块106、108还可使用专有的或开放的现场总线通信协议，接收来自置于总线传感器网络上的一个或多个传感器的传感器信号。取决于应用，传感器输入可包括振动、温度、速度、压力或其它类型的传感器。图1的可插式底座100也可包括输出模块114，输出模块114可包括各种类型的受控输出设备，例如继电器触点。可在输出模块114上提供其它输出类型。因此，图1的可插式底座100是自含式单元，其接受某些类型的输入信号、处理它们，且使处理后的输出信号可被更大型的系统(例如过程监控系统)的其它底座或其它构件使用。在运行时，由于提供了两个处理器模块102、104，所以实现了双冗余构造。另外，处理器模块102、104各以期望的方式处理提供到输入模块106、108的信号，且将处理后的信号提供到输出模块114。

所有的模块102-114可通过例如焊接或压配连接件直接连接到印刷电路板(PCB)116上，或者通过接受模块且与印刷电路板116连接的插头而连接到印刷电路板116上。PCB 116包括将底座100内的各种模块102-114连接在一起的信号线路。可插式底座100的PCB116包括用于与设置在图1中的底座100的一侧(如左侧)上的另一个可插式底座进行信号连接的连接器118。同样用于连接到另一个可插式底座上的、设置在图1中的底座100的相对(右)侧上的另一个连接器未示出。通过对各个可插式底座和连接器118使用内部PCB 116来将不同的底座连接在一起，离散的外部线缆的数量减小到相对低的数量(即也许甚至是零外部线缆)，从而比具有许多外部线缆的已知设计提供更高的可靠性，而且还提供更小尺寸的可插式底座(即更小的“覆盖区”)，由此可插式底座所在的整个系统的尺寸更小。提供了另一个连接器119，以连接到外部线缆连接件上，例如电源。PCB 116可安装到金属(例如铝)框架120上，金属框架120具有四个安装孔122(可插式底座100的各个角上各一个)，以使用螺栓来安装底座，且PCB 116可安装在例如柜(图10)或一些其它物理构造或设备内。

如上所述，图1的可插式底座100可仅仅是根据本发明的实施例的一种类型的可插式底座。可根据本发明的各种实施例提供其它类型的可插式底座，例如单一的底座200(图2)，其中仅提供了一个处理器模块102。因而，这种单一的底座并不具有冗余性。除此之外，单一的可插式底座200在大多数方面类似于图1的双冗余底座100。根据另一个实施例的可插式底座可包括三个处理器模块，从而提供三模冗余(TMR)。在又一个实例中，处理、输入和输出功能可全部组合在一个单个模块中。对于由这种类型的组合模块构成的三冗余系统，特别地为这种类型的模块而设计的三冗余底座可节省整体系统内的相对较大量的物理空间。如上所述，特定系统需要的或期望的冗余水平取决于组成特定系统的设备的关键程度水平和/或系统内的测量。

可插式底座还可包括单个槽，其中没有用于传感器输入或输出信号的另外的槽。在这种情况下，插入底座中的模块在一个或多个网络上接收和传输其所有的数据。这种类型的底座可用于模块来执行诸如通信协议转换、数据归档和服务器功能的任务，或者基于其它系统模块中得到的测量提供额外的处理或控制。其它类型的可插式底座包括将各种电压的电能提供到底座插入其中的整体系统的电源底座，以及在整体系统内提供网络交换功能的网络交换底座。本发明的实施例还构思了许多其它类型的可插式底座。

参看图2，示出了在一个示例性系统构造202内连接在一起的、根据本发明的实施例的两种不同类型的三个可插式底座100、200的正视图。在图2所示的构造202中，两个最左边的底座100可包括图1的双冗余可插式底座100。图2中的第三个，即最右边的可插式底座200可包括没有处理器冗余的单一底座200，如上所述。底座100、200可通过连接器118彼此连接，连接器118连接底座100、200之间的通信信号。通过图2的系统构造202而总线连接的且仅可由单个源驱动的外部连接件可位于系统202的右端或左端上。这样，当底座100、200插在一起时，底座100、200之间的连接器119就隐藏起来，且由此不可接近，而且仅单个入口点(在图2的左端上的连接器119处)可用于连接到外部设备上。

参看图3，示出了显示根据本发明的实施例的两个相邻的可插式底座之间的连接的一部分的正视图。为了符合某些标准，机壳安全接地连接必须能够支持相对高的电流，例如高达30安培。这通过使用各个可插式底座中的金属底板120和通过如图3所示的那样交迭端部从而使得端部彼此物理接触来实现。除了提供充分的接地电流通路之外，这种设计还将可插式底座稳固地连结在一起。

参看图4，示出了根据本发明的实施例的图1的双冗余可插式底座100的结构图。图4示出了以例如总线构造将底座100的各种功能模块102-108、114连接在一起的通信信号线路400的一部分。图4仅示出了用于通信的那些信号线路400。各个模块102-108、114内和各模块102-108、114之间的典型的连接线路(例如功率、非通信信号等)未显示。在实施例中，通信线路400可包括与已知的以太网连接构造相关联的线路。然而，可使用其它类型的通信线路，例如PCI-Express、Rapid-IO、USB等。为了使可插式底座一起作为系统操作，线路400中的一些线路必须是与别个不同的，且仅由一个模块102-108，114驱动。相对高速的串行通信线路可包括在各端带有终端阻抗的点对点连接。通过使通信总线400旋转来实现提供通向各个模块102-108、114的与别个不同的信号线路。图4的可插式底座100根据由处理模块102、104使用的端口线路的数量来旋转网络总线。在图4的实例中，两个处理模块102、104中的各个使用来自各个冗余的端口对402、404的一个端口(分别为“端口A”、“端口B”)，从而使得各个冗余的端口对402、404在用于各个端口402、404的对应的连接器处旋转两个位置。端口连接器可包括用于各处理器模块102、104的各端口A和端口B的单独的RJ-45连接器。在另一个实施例中，处理器模块102、104以无线的方式与远程网络交换模块通信，且消除了旋转的网络总线。无线网络交换模块可以以物理的方式插入底座系统中，并且从而共用系统功率和标识资源，或者无线网络交换模块可设置在远的地方。

参看图5，示出了在示例性系统构造506中连接在一起的根据本发明的实施例的多个可插式底座500、502、504的结构图，其示出了将底座502-504连接在一起的通信信号线508、510的一部分。通信线路508、510分别连接两个底座502、504内的内部单一的或冗余的内部网络交换/桥接模块512、514。最左边的可插式底座500包括电源模块516。对应的底座502、504的通信信号线路508、510通过对应的连接器518连接在一起，连接器518还将电源底座500连接到底座502上。多个RJ-45连接器520连接到两个网络交换/桥接模块512、514上，以为上层网络、控制器、Historians或其它主机提供网络连接。通过这些网络端口的通信可包括专有的或开放的协议或两者的混合。显示了设置在最右边的网络交换/桥接底座504上的可选的光纤端口522。显示了SC型连接器，但认识到还可使用任何连接器类型，例如ST或MTRJ。交换模块还可采用无线通信方法代替有线RJ-45连接器和/或光纤连接器。

为网络交换模块提供了底座，该底座旋转底座上的主要和次要通信网络。通过这种设计，紧接着插到控制或监控(处理器)底座(未示出)的左边的第一交换机514自动被指定为主要(端口A)交换机514。多个(例如7个)处理器可插入底座可连接到底座504的右边。将另一个交换机512插入主要交换机514的左边会自动连接到次要(端口B)网络上。注意，如果另一个交换机错误地放置到第二交换机512的左边，则该另一个交换机不会连接到网络的任何一个上，且将负面地影响网络性能。除了旋转的通信线路之外，在各个模块的附近提供本地网络插头518，以便在需要的时候允许底座独立地操作。

参看图6，示出了包括连接在一起的多个可插式底座602-610的根据本发明的实施例的系统构造600的结构图。在这个实施例中，双冗余网络沿两个方向(即图6中从左到右，以及从右到左)路由。图6中的最左边和最右边上的底座602、610分别包括电源模块612、614。在底座602、610之间中的三个可插式底座604-608中的各个均包括一对冗余处理器模块616、618。以太网信号线路620被示为通过对应的连接器622而连接在各模块602-610之间。主要网络设置在图6中的左边，次要网络设置在图6中的右边。在这种情况下，插入左侧中的交换机底座自动地成为主要网络交换机，插入右侧底座中的交换机底座成为次要网络交换机。这个实施例的另外的好处是减少了底座之间需要的管脚。

参看图7，示出了根据本发明的又一个实施例的系统构造700的结构图。构造700包括连接在一起的多个可插式底座702、704、706。两个最左边的底座702、704分别包括电源模块708、710。最右边的底座706包括网络交换机，网络交换机包括网络交换模块712。线路功率714被提供给两个底座702、704，且各个底座702、704包括功率输出716。将另外的交换机功率输入718提供给网络交换模块712，从而使得如维护模块时的情况，当从模块702和704中移除功率时，交换机可保持有功率。在最左边的底座702上提供连接器720中的电源，同时还示出了将底座702-706连接在一起的连接器722。网络交换模块712可包括以太网网络交换机，且可为管理型或非管理型。管理型交换机通常还将包括处理器。在备选方案中，网络交换模块712可包括网络集线器、桥接器、路由器或网关。

对底座706进行优化，以与分别作为底座702、704的一部分的冗余电源708、710一起使用。电源输入通过底座706旋转，从而使得插到处理器底座706的左边的第一电源底座704自动被指定为主要的。插到电源底座704的左边的另外的电源底座702自动被指定为次要的。在电源底座702的侧面提供连接器720，且连接器720连接到旋转的电源708上。这样，单个电源模块710可插入对应的底座704中，且被指定为主要的和外部的电源，例如电池后备的不间断电源可连接为用于次要电源708的输入。注意，通过旋转，如果主要和次要电源710、708两者均已插在一起，则外部电源连接器是未连接的，而且使电源连接到连接器720上不影响系统700。内部电源还输出与输入AC线路频率同相的数字电平信号。使这个信号可由插入的底座使用，以便由处理模块102和104(图1)使用，以根据线路频率使处理同步。当处理来自连接到电网的机器(例如发电机或AC供电电动机)的信号时，这种同步是有用的。必须由单个源唯一地驱动的其它控制和定时线路也与网络线路类似地旋转。可由任何监控器(例如以负逻辑、有线OR构造)驱动的线路直接通过底座702-706，而无需旋转。

参看图8，示出了根据本发明的另一个实施例的可插式底座800的结构图。图8示出了将底座800的功能模块连接在一起的信号线路802的一部分。这些模块包括一对处理模块804、806，一对输入模块808、810，以及输出模块812。还示出了用于连接到其它底座上的一对连接器814。当诸如过程监控系统的系统包括可变的底座时，系统必须能够确定什么底座组成系统。这种能力由可插式底座800内的几个经编程的识别设备816和817提供。这些设备816可编程有各种信息，例如底座类型、诸如零件编号和序列号的设备信息，以及处理器模块插到其上的槽编号。设备817根据相邻的底座指示底座类型。存储在设备816中的信息足以使主机获得信息，以为用户提供演示、图形，或者以别的方式显示模块的分组、特别布置和类型。在实施例中，虽然认识到可使用任何其它存储类型的设备和接口，但是识别是基于使用可商购获得的单线技术的只读存储设备816、817的。

参看图9，示出了根据本发明的又一个实施例的可插式底座900的结构图。当诸如图9中的电源902的非智能设备插入处理器模块旁边(例如左边)时，整体系统需要确定这些非智能底座在系统内的相对位置。与存储在设备904中的信息结合的位置信息足以使主机获得信息，以对用户提供演示、图形，或者以别的方式显示模块的分组、特别布置和类型。非智能模块的右边的第一处理模块使用旋转的寻址方案来从相邻的底座收集设备信息。当插入底座时，此方案为各个底座提供与别个不同的的地址，且允许各个底座和电源对处理模块唯一地标识自己。电源模块902可基于电源模块902相对于在整体系统内连接的任何其它电源模块的相对位置，为多个电源分配线路中的一个提供功率。图9示出了一线缆设备904、使一线缆设备904与底座900连接的信号线缆906，以及使底座900连接到其它底座上的外部连接器908。

参看图10，示出了具有根据本发明的实施例连接在一起且连接到柜1000内的其它构件上的多个可插式底座1002-1008的柜或某个其它类型的罩1000的实施例的结构图。柜1000还包括控制器1010，控制器1010可包括计算机控制的设备。根据本发明的实施例连接在一起的可插式底座1002-1006中的三个可插式底座的构造1012具有将构造1012与控制器1010连接的输入信号线路1014。并且，具有来自可插式底座1002中的一个可插式底座上的输出模块的继电器触点的状态的信号线路1016连接到控制器1010上。出于通风的目的，在构造1012周围提供足够的间隙。用于测量轴旋转速度和为测量振动相位滞后角提供基准的一对定时信号线路1018连接在底座1006、1008之间。一对电源1020将线路1022上的电功率提供给底座1002-1008。传感器配线线路1024、1026从各对应的底座1002、1008离开。

本发明的实施例提供紧凑且灵活的可插式底座，该可插式底座支持不同水平的冗余且处理对以下这种系统的需要，即该系统提供用于使具有可变水平的冗余的模块和计入系统中的信道与共用信号结合的方法，同时仅需要最小的外部离散配线和最小空间。系统可从单个单一的单元扩充到多个冗余单元。单一的和冗余的底座可在相同的系统中混合。系统自动检测插在一起的底座的类型，且自动将诸如电源的系统资源指定为主要的和次要的。本发明的实施例允许用户使单个系统内的可变水平的冗余与共用的处理、通信、控制、电源、输入/输出、交换机和/或定时信号资源混合。本发明的实施例提供用于通过提供为冗余和对于功能的输入/输出要求而特别地设计的底座，同时保持内部走线上的配线的大多数，来优化空间利用的方法。因此，这些实施例相对于已知的对比解决方案显著地减小了所需要的外部配线终端的量，同时改进了整体集成性和可量测性，且同时简化了所提供的功能。

虽然仅结合有限数量的实施例对本发明进行了描述，但是应当容易地理解，本发明不限于这些公开的实施例。相反，本发明可修改成结合迄今未描述过但却与本发明的精神和范围相当的任何数量的变型、变更、替换或等效布置。另外，虽然已经对本发明的各种实施例进行了描述，但是应当理解，本发明的方面可仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本发明不应被视为由前述描述限制，而是仅由权利要求书的范围限制。

Claims (8)

1.一种具有多个终端底座组件的装置，包括：

所述多个终端底座组件各具有至少一个模块，所述多个终端底座组件中的至少一些在所述至少一个模块中具有可变水平的冗余，所述多个终端底座组件由各所述多个终端底座组件内的电路连接在一起；

通过使通信总线切换来实现提供通向各个模块的与别个不同的信号线路；

所述多个终端底座组件由各所述多个终端底座组件内的通信信号连接在一起；

其中，所述通信信号中的一些仅由所述至少一个模块中的一个驱动，从而为各所述至少一个模块提供所述通信信号中的与别个不同的通信信号。

2.根据权利要求1所述的具有多个终端底座组件的装置，其特征在于，所述至少一个模块来自包括智能模块和非智能模块的组。

3.根据权利要求1所述的具有多个终端底座组件的装置，其特征在于，所述至少一个模块包括处理器模块，所述处理器模块来自包括冗余处理器模块和非冗余处理器模块的组。

4.根据权利要求1所述的具有多个终端底座组件的装置，其特征在于，所述至少一个模块包括网络交换模块。

5.根据权利要求1所述的具有多个终端底座组件的装置，其特征在于，所述至少一个模块包括输入模块和输出模块中的至少一个。

6.根据权利要求5所述的具有多个终端底座组件的装置，其特征在于，所述输入模块通过有线连接件和/或无线连接件接收一个或多个输入信号。

7.根据权利要求1所述的具有多个终端底座组件的装置，其特征在于，所述至少一个模块中的驱动所述通信信号中的一些的所述一个模块根据由组成所述至少一个模块的任何一个或多个处理器模块所使用的多个端口线路来切换所述通信信号。

8.根据权利要求1所述的具有多个终端底座组件的装置，其特征在于，当所述至少一个模块包括至少一个处理器模块时，所述至少一个处理器模块以无线的方式与至少一个远程无线网络交换模块通信。