CN101794134A - 具有可编程的矩阵模块的自动化系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对技术工艺进行控制的自动化系统，具有：电子处理单元(1)；I/O模块(25a-25e)，用于将工艺信号输入和输出到技术工艺的生产设备上、特别是到传感器和作动器上；端子模块(45a-45e)，用于将生产设备连接到I/O模块(25a-25e)上；可编程的矩阵模块(3)，处理单元(1)利用该矩阵模块可以动态地将一个或多个I/O模块(25a-25e)以电路连接的方式分配给一个或多个端子模块(45a-45e)。

Description

具有可编程的矩阵模块的自动化系统

技术领域

本发明涉及一种具有可编程的矩阵模块的自动化系统。

背景技术

自动化设备通常具有大量的输入模块和/或输出模块(EM)，该模块也简称为I/O模块。就此，在自动化设备中的电子处理单元(通常为程控处理器)优选地接收到技术工艺的测量信号或者设备的测量信号并且将调整信号或者控制指令输出到技术工艺的生产设备。为了在多数情况下通过过程电缆线路和现场总线将该I/O模块连接到这些技术生产设备上，例如连接到传感器和作动器上，而设置有例如可以集合到一个端子区域中的大量的端子。

自动化设备通常这样构成：直接的耦合，即一种从电子处理单元经过I/O模块直接到达端子区域的连接类型。其中，为每个I/O模块固定不变地分配一限定的端子，也就是说与该端子硬接线并且因此在功能方面线性地连接。因此，在自动化设备中限定了和固定不变地确定了在每个单独的端子与每个单独的I/O模块之间的顺序、对应关系和位置。这导致了，在I/O模块与端子之间的变换或者自由的、可选择的对应关系、或者在已经装配的设备中的扩展性在没有复杂的拆除连接、重新连接或者改装的情况下是不可能实现的。在有限的空间中，这种重新布置在个别情况下也是不可能的。

在DE 10 2004 010 003 A1中公开了一种自动化设备，该自动化设备具有：用于现场用仪表的接口；用于现场用仪表的供电组件和测量组件；以及连接单元，该单元用于自由选择地将现场用仪表接口与供电组件或测量组件的接口相连接。该自动化系统已经解决了在现场用仪表或者I/O模块和端子之间的固定的对应关系的缺点。虽然现在通过可编程的矩阵模块可以将该处理单元通过I/O模块与端子模块相连接，但是不能实现对于现有的I/O模块的最佳的使用。

发明内容

本发明的目的在于，进一步改进用于对技术工艺进行控制的上述类型的自动化系统，从而可以实现对于现有的I/O模块的最佳的使用。

该目的通过一种根据权利要求1所述的自动化系统来实现。

该自动化系统具有：电子处理单元；I/O模块，用于将工艺信号输入和/或输出到技术工艺的生产设备上、特别是到传感器和作动器上；端子模块，用于将设备的生产设备连接到I/O模块上；此外还设置有可编程的矩阵模块，处理单元利用该可编程的矩阵模块可以动态地将一个或多个I/O模块以电路连接的方式分配给一个或多个端子模块。该处理单元有利地设计为，可以借助于可编程的矩阵模块时间上控制地将多个端子模块以电路连接的方式分配给一个I/O模块，其中，每个端子模块都分配有一个时隙(Zeitschlitz)。通过这种设计方案获得了在I/O模块和端子模块之间的自由的、程序控制的对应关系。该处理单元例如可能在硬件池(该硬件池可以由多个I/O模块所组成)中发出询问，目前哪个硬件处于空闲状态，并且使其随后服务于新的任务，其中，必需的I/O模块被接通至端子模块。因此可能有利的是，例如一个单独的I/O模块例如以一个时间顺序分级地调查在各自的端子模块上的多个生产设备的工艺信号或者顺次地输出至该生产设备。

在一个有利的设计方案中，自动化系统在矩阵模块中具有多路复用器。在此，该多路复用器优选地设计为选择性切换网络(Selektionsschaltnetzwerk)，其中在多路复用器循环地运行的情况下，不同时隙中的几乎是并行的数据流转换为串行的数据流。因此，对不同的端子模块也就在时间上连续分级地(gestafelt)进行扫描并且它们的输入值和输出值通过I/O模块继续向处理单元发送。在这里作为特别的优点要指出的是，自动化任务可以通过该设计方案得以完成，其中首先需要多个I/O模块，并且现在同一个自动化任务可以利用一个唯一的I/O模块来完成。因此得出自动化设备的费用上的优点和结构尺寸上的优点，这是因为可以放弃完整的组件或者额外的I/O模块。

另一个为了提高灵活性的、用于自动化系统的设计方案可能性在于，处理单元进一步设计为，即I/O模块通过耦合总线激活。

根据应用，这能够实现：对由技术工艺的生产设备接收到的工艺信号或者对由处理单元测定的并且输出至该生产设备的工艺信号通过编程进行动态的排序。可编程的矩阵模块以可自由编程地进行中继的方式运转，其中每个I/O模块可以与每个端子模块相连接。这种电路连接的对应关系例如可以在自动化系统的配置中用于技术设备或者也可以在运行进行时灵活地更新。设备的技术生产设备，尤其分布在现场中的传感器和作动器，可以因此在运转期间，例如在考虑到最少的电缆费用和排序复杂度的情况下与易于接近的端子模块连接。例如在考虑到各自的设备的布局的情况下，I/O模块也可以不受限制地布置。因此，装配故障和接线故障的危险，例如在I/O模块和端子模块进行对应时发生的混淆情况可以减少到最低限度。

附图说明

本发明的其它有利的实施方式在从属权利要求中给出。以下参照简明引用的附图对本发明进行详细说明。其中示出了：

图1示出了自动化系统的框图，该自动化系统根据本发明配备有额外的可编程的矩阵模块以用于对工艺信号进行排序，和

图2示出了在自动化设备中的接口模块的示例性的结构，根据本发明，该接口模块具有：端子区域；大量的I/O模块和用于工艺信号的可编程的矩阵模块。

具体实施方式

图1以框图的形式示出了根据本发明构造的自动化系统。该自动化系统包括电子处理单元1，例如以可编程存储器的控制装置的形式。该处理单元1以已知的方式借助于技术工艺的专用的工艺信号来进行处理并且从中导出用于影响技术工艺的调整信号和指令。输入和输出信号通过工艺接口42(该工艺接口在图1所示的实施例中在下面示出)例如通过现场总线或者也通过简单的多线连接器与技术设备的生产设备进行交换，也就是说与测量传感器、传感器、作动器等等进行交换。此外数据总线、生产设备和监控装置、以及许多装置可以通过通信接口与处理单元1相连接。这种类型的部件出于简明的原因而没有在图1的框图中示出。

在电子处理单元1与工艺接口42之间，例如在图1所示的实施例中布置有：带有例如以支架的形式的、用于I/O模块的插槽的接收模块2；根据本发明的矩阵模块3；以及带有用于连接端子的插槽的示例性的接线盒4。组件1，2，3和4通过带有输出端5-7的耦合总线与电子处理单元1的第一数据总线接口11以数据处理的方式耦合在一起。因此该耦合总线通过第一数据接口21、底板总线23和第二数据接口22穿过接收模块2形成回路。接收模块2为I/O模块提供插槽，其中，在图1所示的实施例中插槽24不被占用并且I/O模块25a-25e占用其余的插槽。I/O模块可以优选地是指所谓的智能的接口模块。这种类型的模块具有处理装置，利用该处理装置的计算能力能够实现技术工艺的输入信号和输出信号的预处理或者后处理并且进而能够减轻电子处理单元1的负荷。对于这种类型的模块示例性地可以称为用于二进制的或者模拟的工艺信号的输入组件和输出组件。

在每个I/O模块的输出端上的这种信号或者确定用于技术工艺的一个或多个生产设备，或者由一个或多个生产设备所提供。因此必要的是：将在接收模块2中的I/O模块的输出端分配给技术工艺的引导至各自的生产设备的电缆连接。该电缆连接在图1所示的实施例中铺设在端子模块上的工艺接口42上，该工艺接口在接线盒4中聚集在一起。在此，在输出端7上的耦合总线也以数据处理的方式通过数据总线接口41在接线盒4中形成回路并且穿过底板总线43形成回路。在这种情况下，该接线盒4为端子模块提供插槽，其中，在图1所示的实施例中插槽44不被占用并且端子模块45a-45e占用其余的插槽。在此，该端子模块可以配备不同的电缆接线技术，例如配备螺丝接点或者压簧接点。

根据图1，在接收模块2与接线盒4之间布置有矩阵模块3。该矩阵模块示例性地通过数据接口32a，32b与耦合总线6，7的输出端相连接。此外，该矩阵模块通过数据接口31与耦合总线5相连接。就此而言，通过处理单元1可以这样以程序技术给定该矩阵模块3参数，即动态地将一个或多个I/O模块25a-25e以电路连接的方式分配给一个或多个端子模块45a-45e。在图1中示例性地示出这种程序技术的连接，其中，程序路径33a连接模块25a与端子45b，程序路径33b连接模块25b与端子45a，程序路径33c连接模块25d与端子45c，程序路径33d连接模块25e与端子45d，以及程序路径33e连接模块25c与端子45e。该在图1中示出的程序技术的连接仅仅是示例性的并且也许还有可能在运行进行时通过处理单元1动态地调整。

如果例如以程序技术将I/O模块的故障报告给处理单元，则因此该处理单元可以借助于可编程的矩阵模块动态地将另一个I/O模块以电路连接的方式分配给所配属的、由于故障的原因而不能再接收工艺信号或传输至处理单元1的端子模块。以这种方式可以实现自动化系统的继续运行。因此例如在冗余的设备测量仪表设施的范畴中，多个I/O模块可以插在接收模块2中，作为对于一般运行是必需的。在这种情况下，处理单元可能动态地将迄今为止未使用的I/O模块以电路连接的方式分配给所涉及的端子模块。

根据自动化系统的实施方式的不同可能的是：处理单元也可以探测技术工艺的生产设备的故障，例如传感器或作动器的故障。在这种情况下利用本发明可以实现：处理单元借助于可编程的矩阵模块动态地将另一个端子模块以电路连接的方式分配给所涉及的、由于故障的原因而不能再将工艺信号发出至技术工艺或相反地从该过程中取得工艺信号的I/O模块。如果这种情况与至少受限制的可运转的设备生产设备相联系，那么有可能在应用了替代工艺信号的情况下保持其运转或者至少实现了有序的停机。如果在冗余的设计的范畴中，该技术工艺配备备用生产设备，例如配备替代泵或者应急设备，则因此有利地随后由处理单元动态地将端子模块以电路连接的方式分配给所涉及的I/O模块，技术设备的冗余的生产设备与该I/O模块相连接。

本发明甚至能够实现：处理单元借助于可编程的矩阵模块有可能动态地将多个端子模块以电路连接的方式分配给一个I/O模块。在这种情况下，该I/O模块有利地循环激活这些端子模块，特别是用于输入和输出工艺信号。这种情况特别是在实践中可以出现，即当技术工艺的生产设备与端子模块相连接时，其中该生产设备的状态与I/O模块的处理速度相比较只能缓慢地变化。这种类型的生产设备例如可以是加热器和与其相连接的温度测量传感器。随后可能的是：一个单独的I/O模块例如在时间顺序分级地(gestaffelt)询问在各自端子模块上的多个生产设备的工艺信号或者顺次地(sukzessive)向多个生产设备发出工艺信号。该矩阵模块随后额外地具有多路复用器的功能。

另一方面利用本发明也可以实现：处理单元借助于可编程的矩阵模块动态地将一个唯一的端子模块以电路连接的方式分配给多个I/O模块。在这种情况下，这些I/O模块也循环激活该端子模块，特别是用于输入和输出工艺信号。这种情况特别是在实践中可以出现，即当技术工艺的生产设备与端子模块相连接时，且该生产设备的状态与所应用的I/O模块的处理速度相比较迅速地改变。这种类型的生产设备例如可以是调节转数的驱动装置和与之相连接的转数测量传感器。随后可能的是：多个I/O模块例如以一个时间顺序借助于时隙方法询问从各自端子模块的唯一的生产设备的迅速变化的工艺信号或者发出至该唯一的生产设备。因此在这种情况下该矩阵模块也随之额外地具有多路复用器的功能。

在另一个有利的实施方式中，处理单元，特别是在起动时，动态地探测在第一搜索过程中存在的I/O模块和在第二搜索过程中与端子模块相连接的技术工艺的生产设备。在此优选地，对该I/O模块和生产设备根据类型和插槽进行探测。因此在一定程度上测定了在可编程的矩阵模块中的可以激活的行和列。该处理单元现在可以动态地自动地进行一个或多个端子模块与一个或多个I/O模块特别是取决于依赖应用的控制程序的电路连接的方式的分配。该处理单元可以优选地在第一次起动时实施这种搜索过程，但是也可以在晚些时候或者重复地实施该搜索过程。因此利用第一搜索过程，该自动化系统首先根据类型和布置识别了所安装的I/O模块，也就是说：图1中接收模块2的插槽由一定的I/O模块占用。在另一个搜索过程中，随后探测了该与在接线盒4中各自的端子模块相连接的技术工艺的生产设备，特别是传感器和作动器。

本发明简化了动态的编程的使用，其方法是：I/O模块的近似神经元的联网可以利用端子模块来实现。这能够实现更加面向目标地来执行控制程序，从而使自动化系统的重要的功率特征，例如冗余、处理速度、精确性都比迄今为止可更好地进行定标。借助于程控的矩阵模块来自由分配I/O模块到程序端子也能够实现对控制中的新功能的执行。因此该处理单元例如在硬件池中可以探测，哪个I/O模块暂时处于空闲状态。该I/O模块随后可以利用新的或者可替换的控制任务或测量任务得到委托并且通过矩阵模块与必需的端子连接。这种动态的分配也可以随机地预测性地或者本身优化地实现。

图2示出了用于自动化系统的单独的接口模块8的示例性的结构。该接口模块的壳体81在背面811上配备有用于保持支承轨道的啮合件。该壳体81的正面设计为连接区域812，该区域具有在上部区域中的接口平面83和在下部区域中的布线平面82。该布线平面82示例性地具有大量的接线端子821。可以将从技术设备引导过来的工艺信号线铺设在这些接线端子上。在图2所示的实施例中，各相邻的两列编为一组且每列包括各六个相互上下垂直布置的接口。此外，在图2所示的实施例中，三个处于接口平面83的左侧端部的插槽分别装配有一个I/O模块832a，832b，832c，而右侧紧接着的另外三个插槽不被占用。旁边还连接有另一个I/O模块832d。I/O模块通过底板总线831以数据处理的方式相互连接。该底板总线也构成了未示出的处理单元的连接。根据本发明，将I/O模块832a-832d分配至所选择的端子模块借助于可编程的矩阵模块来实现。该矩阵模块集成在壳体81中并且以这种方式通过底板总线831以数据处理的方式与I/O模块832a-832d、处理单元和接线端子821相连接。如上面详细说明地，可以利用矩阵模块自由地、动态地将I/O模块832a-832d分配到布线平面82中的任意的端子模块。因此可以将不受限制的工艺信号电缆以连接技术有利的方式与临近的端子模块相连接，或者也在考虑到其它的排列标准的情况下进行连接。

Claims (9)

1.一种用于对技术工艺进行控制的自动化系统，具有：

-电子处理单元(1)；

-至少一个I/O模块(25a-25e)，用于将工艺信号输入和输出到所述技术工艺的生产设备上；

-至少一个端子模块(45a-45e)，用于将所述生产设备连接到所述I/O模块(25a-25e)上；

-可编程的矩阵模块(3)，所述处理单元(1)可利用所述可编程的矩阵模块动态地将一个或多个I/O模块(25a-25e)以电路连接的方式分配给一个或多个端子模块(45a-45e)，

其特征在于，所述处理单元(1)设计为用于，借助于所述可编程的矩阵模块(3)在时间上控制地将多个端子模块(45a-45e)以电路连接的方式分配给一个I/O模块(25a-25e)，其中，每个端子模块都分配有一个时隙。

2.根据权利要求1所述的自动化系统，其中，所述矩阵模块(3)具有多路复用器。

3.根据权利要求1或2所述的自动化系统，其中，所述处理单元(1)还设计为用于通过耦合总线(5)激活所述I/O模块(25a-25e)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的自动化系统，所述处理单元(1)设计为用于探测I/O模块(25a-25e)的故障并且借助于所述可编程的矩阵模块(3)动态地将另一I/O模块(25a-25e)以电路连接的方式分配给发生故障的I/O模块(25a-25e)的端子模块(45a-45e)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的自动化系统，其中，所述处理单元(1)设计为用于监控所述I/O模块(25a-25e)并且测定利用率以及在一定条件下以电路连接的方式暂时地分配给另一个端子模块。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的自动化系统，其中，所述处理单元(1)在探测所述技术工艺的一个生产设备的故障时借助于所述可编程的矩阵模块(3)动态地将另一端子模块(45a-45e)以电路连接的方式分配给发生故障的生产设备的I/O模块(25a-25e)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的自动化系统，其中，所述处理单元(1)动态地以电路连接的方式分配一个端子模块(45a-45e)，在所述端子模块上连接有所述技术工艺的一个冗余的生产设备。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的自动化系统，其中，所述处理单元(1)动态地将多个端子模块(45a-45e)以电路连接的方式分配给一个I/O模块(25a-25e)，所述技术工艺的生产设备以与所述I/O模块的处理速度相比缓慢变化的状态与所述端子模块相连接。

9.根据权利要求1所述的自动化系统，其中，所述处理单元(1)具有搜索装置，所述搜索装置设计为用于动态地识别在第一搜索过程中存在的I/O模块(25a-25e)，和动态地识别在第二搜索过程中与所述端子模块(45a-45e)相连接的所述技术工艺的生产设备。

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