CN103376746A - 用于工业控制器的输出模块 - Google Patents

Abstract

公开了一种可被配置为简化设定和投产的用于工业控制器的输出模块。该输出模块包括可配置的PWM输出，其可被调度以在PWM时段内的不同时间开始，可被配置为生成固定数目的PWM脉冲，并且可以具有可扩展的PWM时段。输出端子可被配置为在故障生成时进入第一状态并且可被进一步配置为在生成故障之后的可配置的时间延迟之后进入第二状态。该输出模块可以从另一模块直接接收输入信号并且响应于这些信号设定端子处的输出信号。

Description

用于工业控制器的输出模块

相关申请的交叉引用

本申请要求如下美国临时申请的优先权：第61/474,027号、第61/474,042号、第61/474,054号、第61/474,073号，以上美国临时申请均于2011年4月11日提交。每个临时申请的整体内容通过引用合并于此。

技术领域

此处公开的主题内容总体上涉及用于控制机器和工业过程的工业控制网络，更具体地，涉及从网络中的其他节点接收数据并且向机器或过程上的控制致动器或其他装置提供信号的输出模块。

背景技术

工业控制器是用于控制工厂自动化等的特殊用途计算机。工业控制器典型地执行针对特定控制应用高度定制的控制程序。诸如“继电器梯形逻辑”的特殊控制语言通常用于便利装置的编程。在所存储的程序的指导下，工业控制器的处理器定期检查输入装置的状态并且更新输出装置的状态。为了确保机器或过程的可预测的控制，控制程序必须是高度可靠的和确定的，就是说，按良好定义的时间段执行。

随着工业过程的复杂性的增长，数目越来越多的装置连接到工业控制器。这些装置常常分布在机器周围或者沿过程线分布。数目越来越多的装置以及这些装置分布在机器周围需要更加复杂的控制程序。因此，所期望的是，提供如下输出模块，其被配置为简化设置和投产，由此减少开发工业控制系统所牵涉的时间和费用。

工业网络典型地用于连接分布的装置并且允许在装置之间传送数据。然而，数目越来越多的装置需要这些装置之间的增加的通信量。此外，控制器和远程模块上的各种扫描速率以及装置之间的传送延迟引入了维持控制程序的高可靠性和确定性本质的另外的挑战。因此，所期望的是，提供如下输出模块，其被配置为减少装置之间的通信延迟时间以便维持控制程序的高可靠性和确定性本质。

所期望的是，在一个或多个输出端子处生成脉宽调制(PWM)信号。PWM信号在限定的时间段期间在接通状态和断开状态之间交替。输出处于接通状态下的持续时间可以在该时间段内变化以使命令的幅值在零和百分之百之间变化。替选地，PWM信号可以响应于输入信号，按诸如50％的占空周期的固定持续时间输出。因此，PWM输出信号可用于改变受控过程的占空周期或者响应于在输入处检测到期望的初始条件开始重复的过程。

然而，在没有特定限制的情况下不能满足生成PWM输出信号。提供PWM输出信号需要终端用户创建在处理器上执行的程序。此外，处理器监控经由网络从远程位置传送的输入信号，对输入进行处理，并且生成PWM输出信号。PWM输出信号典型地需要固定时间段。传送、扫描和处理延迟可能导致生成另外的脉冲或者响应于输入信号发生期望的脉冲的顶降。如果在同一输出模块上存在多个PWM输出信号，则它们在时段开始时接通并且按它们各自的该时段的期望百分比或者占空周期保持接通。然而，同时接通每个输出导致输出模块的最大负载。因此，所期望的是，提供解决上述限制的生成PWM输出信号的输出模块。

发明内容

这里公开的主题内容描述了一种可被配置为简化设置和投产的用于工业控制器的输出模块。该输出模块包括可配置的PWM输出，其可被调度以在PWM时段内的不同时间开始，可被配置为生成固定数目的PWM脉冲，并且可以具有可扩展的PWM时段。输出端子可被配置为在故障生成时进入第一状态并且可被进一步配置为在生成故障之后的可配置的时间延迟之后进入第二状态。该输出模块可以从另一模块直接接收输入信号并且响应于这些信号设定端子处的输出信号。

根据本发明的一个实施例，一种用于工业控制器的输出模块包括多个输出端子，其被配置为生成输出信号；以及存储器装置，其被配置为存储一系列指令和多个配置参数。这些配置参数限定至少一个脉宽调制波形。处理器被配置为执行系列指令以读取配置参数，根据配置参数生成至少一个脉宽调制输出波形，以及在一个输出端子处输出每个脉宽调制波形。

根据本发明的另一方面，调度模块可以存储在存储器装置中并且处理器可以被进一步配置为执行调度模块以将至少一个脉宽调制波形的接通时间的开始分配在PWM时段内的第一时间处并且将至少一个脉宽调制波形的接通时间的开始分配在PWM时段内的第二时间处。第二脉宽调制波形的接通时间的开始被设定为等于第一脉宽调制波形的接通时间的结束或者在其之后立刻开始。

根据本发明的其他方面，输出模块可以包括限定要生成的固定数目的脉冲的配置参数，并且处理器响应于输入信号生成具有固定数目的脉冲的至少一个脉宽调制波形。输出模块可以包括限定最小接通时间、脉宽调制波形的时段和可变接通时间的配置参数。处理器被进一步配置为执行指令以将可变接通时间与最小接通时间比较，如果可变接通时间大于或等于最小接通时间，则根据配置参数生成第一脉宽调制输出波形，并且如果可变接通时间小于最小接通时间，则根据配置参数生成第二脉宽调制输出波形。

根据本发明的另一实施例，一种用于工业控制器的输出模块包括多个输出端子，其被配置为生成输出信号；以及存储器装置，其被配置为存储一系列指令和多个配置参数。处理器被配置为执行系列指令以读取配置参数，检测故障条件，根据故障条件和配置参数将多个输出中的每个置于第一故障状态，根据配置参数延迟某一时间，以及根据故障条件和配置参数将多个输出中的每个置于第二故障状态。

根据本发明的又一实施例，公开了一种用于工业控制器的输出模块。该工业控制器包括中央处理器、至少一个输出模块以及至少一个输入模块。输出模块包括多个输出端子，其被配置为生成输出信号；第一接口，用于从中央处理器接收控制数据；以及第二接口，用于从输入模块接收至少一个输入信号的状态。第二接口不经过中央处理器。存储器装置被配置为存储一系列指令，并且处理器被配置为执行系列指令以根据来自中央处理器的控制数据和来自输入模块的至少一个输入信号的状态生成每个输出端子的输出信号。

通过详细描述和附图，本发明的这些和其他优点及特征对于本领域技术人员将变得明显。然而，应当理解，尽管详细描述和附图指示了本发明的优选实施例，但是其仅被给出作为说明而非限制。在不偏离本发明的精神的情况下可以在本发明的范围内进行许多改变和修改，并且本发明包括所有这些修改。

附图说明

在附图中图示了这里公开的主题内容的各种示例性实施例，其中相同的附图标记通篇表示相同的部件，并且其中：

图1是根据本发明的一个实施例的并入输出模块的示例性工业控制网络的示意性图示；

图2是图1的示例性工业控制网络的一部分的框图图示；

图3是图示用于使多个脉宽调制输出点的接通时间的开始交错的调度模块中的步骤的流程图；

图4是多个脉宽调制输出点的接通时间的交错的调度的曲线图示；

图5是生成固定数目的脉冲以避免额外的脉冲生成的脉宽调制输出的曲线图示；

图6是生成固定数目的脉冲以避免脉冲顶降的脉宽调制输出的曲线图示；

图7是扩展脉宽调制输出的时段以扩展输出处生成的信号范围的曲线图示；

图8是图示根据本发明的示例性实施例的生成脉宽调制输出信号中的步骤的流程图；

图9是从控制网络中的输入模块直接接收输入图像数据的输出模块的框图图示；

图10是根据本发明的一个实施例的用于生成输出模块的输出信号的梯形逻辑格式的示例性编程指令集合；

图11是根据本发明的一个实施例的用于配置输出模块的操作者接口的示例性屏幕；

图12是根据本发明的一个实施例的存储在输出模块中的PWM或PTO输出的示例性曲线图；

图13是作为图12的曲线图的结果而生成的示例性PWM波形；以及

图14是作为图12的曲线图的结果而生成的示例性PTO波形。

在描述图中所示的本发明的各种实施例时，出于清楚的目的采用了特定的术语。然而，本发明并不限于如此选择的特定术语并且应当理解，每个特定术语包括以相似的方式操作以实现相似目的的所有技术等同方案。例如，常常使用词“连接”、“附接”或者与之相似的术语。它们不限于直接连接，而是包括通过其他元件的连接，其中这些连接被本领域技术人员视为等同的。

具体实施方式

最初转向图1，示例性工业控制网络包括一对工业控制器10。如所示出的，工业控制器10是模块化的并且可以由在机架中连接在一起或者安装到轨道的许多不同的模块构成。可以添加另外的模块或者可以移除现有模块，并且工业控制器10可以被重新配置以容纳新的配置。可选地，工业控制器10可以具有预定的和固定的配置。每个图示的工业控制器10包括电源模块12、处理器模块14和网络模块16。每个工业控制器10被进一步示出为具有两个额外的模块18，这两个模块18可以根据应用需要来选择并且可以是例如模拟或数字输入或输出模块。

一个或多个操作者接口20可以连接到工业控制网络。每个操作者接口20可以包括处理装置22、输入装置24和显示装置26，输入装置24包括但不限于键盘、触摸板、鼠标、轨迹球或者触摸屏。预期的是，操作者接口的每个元件可以并入到单个单元中，诸如工业计算机、膝上型计算机或者平板计算机。进一步预期的是，多个显示装置26和/或多个输入装置24可以分布在受控机器或过程周围并且连接到一个或多个处理装置22。操作者接口20可以用于显示受控机器或过程的操作参数和/或条件，从操作者接收命令，或者改变和/或加载控制程序或配置参数。接口线缆28将操作者接口20连接到一个工业控制器10。

工业控制器10根据应用需要通过一个或多个网络连接到其他装置。如所示出的，接口线缆30直接连接每个处理器模块14。通过利用网络线缆32将两个工业控制器10的网络接口模块16连接到一对开关34中的每个来建立冗余网络拓扑。每个开关34通过适当的网络线缆36、38连接到一对远程机架40中的一个。预期的是，接口线缆30或者任何网络线缆32、36、38可以是被配置为经由私有接口通信的定制线缆或者可以是任何标准的工业网络，其包括但不限于Ethernet/IP、DeviceNet或ControlNet。每个网络模块16和开关34被配置为根据其连接的网络的协议进行通信，并且可以被进一步配置为在两个不同的网络协议之间翻译报文。

每个远程机架40可以位于受控机器或过程周围的变化的位置。如所示出的，每个远程机架40是模块化的并且可以由在机架中连接在一起或者安装到轨道的许多不同的模块构成。可以添加另外的模块或者可以移除现有模块，并且远程机架40可以被重新配置以容纳新的配置。可选地，远程机架40可以具有预定的和固定的配置。如所示出的，每个远程机架40包括一对网络模块42、输入模块44和输出模块46，其中每个网络模块42连接到一个冗余网络。每个输入模块44被配置为从受控装置50接收输入信号45，并且每个输出模块46被配置为向受控装置50提供输出信号47。可选地，在远程机架40中可以包括其他模块48。应当理解，在不偏离本发明的范围的情况下，工业控制网络、工业控制器10和远程机架40可以采取许多其他的形式和配置。

接下来参照图2，以框图形式图示了图1的示例性工业控制网络的一部分。由于诸如控制网络的日益分布式的本质以及处理装置的越来越多的能力和减少的成本的因素，预期的是，网络中的每个节点可以包括处理器70至75和存储器装置90至95。处理器70至75被配置为执行指令并且访问或存储相应的存储器装置90至95中存储的操作数据和/或配置参数。处理器70至75可以根据节点需要是任何适当的处理器。预期的是，处理器70至75可以包括单个处理装置或者并行执行的多个处理装置，并且可以在分立的电子装置中实现并且并入在诸如现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)的单个电子装置上。相似地，存储器装置90至95可以是单个装置、多个装置或者可以部分地或整体地并入在FPGA或ASIC内。每个节点还包括时钟80至85，并且每个时钟80至85优选地根据例如IEEE-1588时钟同步标准与其他时钟80至85同步。安装在同一机架中或者容纳在单个壳体内的节点之间的通信经由背板62和相应的背板连接器60进行。经由网络介质28、32、36通信的节点包括被配置为处理相应的网络协议的端口100至103。每个输入模块44包括被配置为从受控装置50接收输入信号45的输入端子110。输入模块44还包括处理输入信号45并且将其从输入端子110传输到处理器74所需的内部连接112、116和任何相关联的逻辑电路114。相似地，每个输出模块46包括被配置为向受控装置50传送输出信号47的输出端子120。输出端子46还包括处理输出信号47并且将其从处理器75传输到输出端子120所需的内部连接122、126和任何相关联的逻辑电路124。

根据本发明的一个方面，输出模块46可被配置为在一个或多个输出端子120处生成PWM输出信号。配置参数被存储在存储器装置95中。配置参数可以经由操作者接口20和网络连接进行修改。可选地，配置参数可以在远程编程环境中预设并且加载到存储器装置中。作为另一种选择，配置参数可以在执行期间由控制程序修改，根据操作条件调整PWM输出信号。参照图11，图示了具有十六个输出端子120的输出模块46的示例性配置窗口。每个输出端子120被定义为从0至15的点。窗口的PWM配置部分310包括五列，其对应于五个配置参数，可针对每个输出端子120分立地配置。使能列312用于选择相应的输出端子120是否将生成PWM输出。如下文更详细讨论的，扩展周期列314用于选择针对相应的输出端子120生成的PWM波形如何响应于小于最小接通时间的命令接通时间。％列316中的接通时间选择接通时间将被指定为总PWM时段的百分比还是按秒给出的实际持续时间。最小接通时间列320限定每个PWM时段期间的关于相应的输出端子120的最小接通时间。交错输出列318用于指示在处理器75上执行的调度模块是否用于改变相应的输出端子120相对于生成PWM输出的其他输出端子120的接通时间的开始。

调度模块如图3的流程图150中所示进行执行。输出模块46可以被配置为具有不同数目的输出端子120，其包括但不限于，每个输出模块46八个、十六个或三十二个输出端子。调度模块针对输出模块46上的每个输出端子120执行图3中的每个步骤152至176。调度模块可以被配置为例如在初始投产期间或者以定期的间隔，基于用户输入运行单次启动，以根据受控机器或过程的需要调整PWM调度。在步骤154处，调度模块从存储器装置95读取配置参数以确定输出端子120是否被配置为生成PWM信号。如果输出端子120未被配置为生成PWM信号，则调度模块针对该端子120结束。如步骤156处所示，如果输出端子120被配置为生成PWM信号，则调度模块接下来从存储器装置95读取配置参数以确定关于该输出端子120的开始时间是否将交错。根据步骤158，如果该输出端子120的PWM信号的开始时间未交错，则接通时间在PWM时段T的开始处开始。

如果该输出端子120的PWM信号的开始时间交错，则调度模块确定该输出端子120生成的输出信号47在时段T的什么点处接通。如步骤160和162中所示，如果输出端子120是被配置为生成PWM输出的输出模块46上的第一端子120，则PWM信号的开始时间是PWM时段的开始。如步骤160和164中所示，对于被配置为生成PWM输出的输出模块46上的每个后继的输出端子120，PWM信号的开始时间是下一开始时间，其中在步骤166处确定下一开始时间。下一开始时间被设定为等于当前PWM信号的结束时间，使得被配置为生成PWM信号的第二输出端子120的接通时间在被配置为生成PWM信号的第一输出端子120的接通时间结束时开始。可选地，在当前PWM信号的结束时间之后，下一开始时间可以被短时间设定，诸如五十微秒，其提供用于前一输出端子120完全断开的时间。在步骤168之后，调度模块确定下一开始时间是否被调度超过当前PWM周期的时段T的结束。如步骤170和172中所示，如果是，则调度模块可以被配置为将下一开始时间重置到PWM周期的开始，或者如步骤170和174中所示，在PWM周期的结束处调度接通时间的一部分并且使接通时间的剩余部分滚动回到PWM周期的开始。

根据本发明的一个实施例，调度模块被配置为在每个PWM周期的开始处执行。对于其中不同的输出端子具有持续时间变化的时段的应用，调度模块使具有相同时段的每个输出端子的PWM信号的开始时间交错。可选地，如果两个时段是彼此的整数倍，则调度模块可以使具有在同一时间开始的时段的输出端子的每个集合的开始交错。在每个PWM时段的开始处执行调度模块允许PWM信号的经调度的开始时间随着PWM信号的占空周期的变化而变化。

还参照图4，图示了关于输出模块46的八个输出端子Pt0至Pt7的示例性PWM调度。每个输出端子Pt0至Pt7被配置为生成PWM输出，但是仅输出端子Pt0、Pt1和Pt3至Pt7被配置为使各自的PWM输出的接通时间的开始交错。第一输出端子Pt0的接通时间t_on在PWM时段T的开始处开始。第二输出端子Pt1的接通时间t_on在时间130处开始，其对应于第一输出端子Pt0的接通时间t_on的结束。由于第三输出端子Pt2不具有交错的开始时间，因此第三输出端子Pt2的接通时间t_on在PWM时段T的开始处开始。第四输出端子Pt3被配置为具有交错的开始时间，并且因此第四输出端子Pt3的接通时间t_on在时间132处开始，其对应于第二输出端子Pt1的接通时间t_on的结束。由于第五输出端子Pt4的接通时间t_on的结束对应于PWM时段T的结束，因此第六输出端子Pt5的接通时间t_on的开始对应于PWM时段T的开始。第八输出端子Pt7图示了调度模块处置接通时间t_on的一种选择，该接通时间t_on在前一输出端子Pt6的接通时间t_on的结束处开始，并且随后延伸超过PWM时段T的结束。根据图示实施例，第一接通时间t_on的一部分在第一PWM时段T的开始处执行，接通时间t_on的剩余部分在第一PWM时段T的结束处执行。尽管后继的时段T以相似的方式划分接通时间t_on，但是最终结果是第八输出端子Pt7的接通时间t_on呈现为在两个时段T之间扩展。可选地，第八输出端子Pt7的接通时间t_on的开始可以被设定到PWM时段T的开始，并且任何后继的输出端子从该端子的接通时间t_on的结束处开始。

接下来参照图5和6，输出模块46可被配置为响应于命令信号CMD在输出端子120处生成PWM波形。可由在处理器模块14中执行的控制程序根据一个或多个输入信号45或内部状态(例如，计数器的完成位)生成命令信号。可选地，可以根据如下文参照对等通信更详细描述的在输出模块46处的处理器75上执行的控制程序的一部分来生成命令信号CMD。

在特定应用中，当命令信号有效时，期望生成PWM波形的固定数目的脉冲，而不是提供连续的PWM输出。例如，方形对象可到达工作站，对邻近开关或任何其他这样的检测装置设定设定指示对象就位的输入。该过程可能需要在对象的每侧进行动作(例如打印、盖戳、检查、钻孔等)。PWM输出可用来为致动器提供能量，致动器在PWM波形的接通时间期间进行动作。分度装置然后在PWM波形的断开时间期间旋转方形对象，使得下一侧在接着的接通时间就位。然而，如果输入信号远离控制器，在控制系统中延迟时间是固有的，例如远程I/O机架和控制器处的输入图像的扫描时间，远程I/O机架和控制器之间的传送时间，控制器的处理延迟，以及在输出图像中设定命令的更新延迟。这些延迟会导致另外的脉冲，该另外的脉冲造成第二次作用在对象的一侧上，该延迟或者导致脉冲顶降，这会造成不作用在对象的一侧上。因此，期望控制PWM波形以生成固定数目的输出脉冲(即示例性过程中的四个(4))。

参考图5，输出模块46被配置成响应于命令信号变为有效而输出四个脉冲。具有固定的接通时间的单个PWM波形被示出为第一输出通道上的输出Pt0。响应于命令信号CMD变为有效，在第一时段180、第二时段182、第三时段184和第四时段186的每个期间生成脉冲。然而，如图所示，命令信号保持接通超过第四时段186的结束。存储在存储器装置95中的配置参数可被设定或重置以分别使能或禁止用于PWM波形的周期限制。如果被设定，则第二配置参数响应于命令信号变为有效存储由PWM波形输出的若干脉冲。如图5所示，脉冲数目被设定为四。当命令信号保持接通到第五时段时，并且如果周期限制配置参数被设定，则不生成另外的脉冲。在移除命令信号之后，重置周期限制，使输出Pt0准备好，以在下次命令信号变为有效时生成四个另外的脉冲。替选地，如果用于周期限制的配置参数被禁用且命令信号保持接通到第五时段，则输出Pt0将生成第五脉冲并继续生成脉冲直到命令信号无效。

参考图6，输出模块48再次被配置为响应于命令信号变为有效输出四个脉冲。具有固定的接通时间的单个PWM波形被示出为第一输出通道上的输出Pt0。响应于命令信号CMD变为有效，在第一时段180、第二时段182、第三时段184和第四时段186的每个期间生成脉冲。然而，如图所示，在第四时段186的开始之前断开命令信号。存储在存储器装置95中的配置参数可被设定或重置为响应于命令信号变为有效分别使能或禁止执行配置参数中设定的每个期望周期，配置参数存储由PWM波形输出的若干脉冲。如图6所示，脉冲数被设定为四。尽管在第四时段186的开始之前断开命令信号，但是如果使能执行所有周期配置参数，则仍生成第四脉冲。在完成第四脉冲时，重置周期限制，使输出Pt0准备好，以在下一次命令信号变为有效时生成四个另外的脉冲。替选地，如果禁止用于执行所有周期的配置参数，则输出Pt0将仅生成三个脉冲，当命令信号无效时停止PWM输出信号。

在特定应用中，输出模块48可被配置为生成具有可变的持续接通时间的PWM波形。然而，通常对PWM波形可具有的最小接通时间具有实际的限制。例如，燃烧器可能在增加被加热对象的温度之前需要接通几秒或数十秒。相似地，即使是诸如电子螺线管的快速动作装置，也需要有限的时间从断电状态移到通电状态。如图11所示，配置参数320可存储关于生成PWM波形的每个输出端子120的最小接通时间。

根据应用需要在处理器75中生成期望的PWM波形。从存储器95读取期望的时段T，且接通时间从时段的0％到100％变化。在操作期间，可能期望使接通时间少于如配置参数中所设定的被允许的最小接通时间。例如，受控的过程需要输出接通1秒，而最小接通时间是二秒。现在参考图7，第一组波形190示出了在扩展周期配置参数被禁止时生成的PWM波形。第一时段T1可以例如为10秒。期望的接通时间是1秒，然而输出端子Pt0保持断开，因为最小接通时间是2秒。因而，不生成PWM波形，直到接通时间等于或超过2秒。与之对照，第二组波形192示出了在扩展周期配置参数被使能时生成的PWM波形。计算用于PWM波形的新时段T2。该时段被扩展，使得新的时段T2等于原始时段的持续时间T1乘以最小接通时间与期望接通时间的比。根据该示例，该时段因此被扩展为20秒。输出端子的接通时间被设定为等于2秒的最小接通时间。结果，生成PWM波形，该PWM波形具有接通时间与断开时间的期望的比，同时满足输出端子120的最小接通时间需要320。

接着参考图8，示出了根据存储在存储器95中的配置参数、在输出模块46中的处理器75上执行的PWM波形生成模块200中的步骤。针对配置成生成PWM波形的输出模块46中的每个输出端子120定期地重复执行这些步骤。在步骤202处，PWM波形生成模块确定输出端子120是否被命令生成PWM波形。如果为否，则步骤220和230确定输出端子120是否已被配置为执行所有周期以及是否已生成脉冲的至少一部分。如果输出既未被配置为执行所有周期也没有已生成脉冲的一部分，则在该输出处不生成PWM波形。如果输出被配置为执行所有周期且已生成脉冲的一部分，则将继续生成PWM波形，直到生成了期望数目的脉冲。

如果输出端子120被命令为生成PWM波形，则在步骤204处确定占空周期或一个PWM时段内的百分比接通时间。接通时间可以是固定的持续时间且存储为配置参数，或其可以是可变的持续时间且由处理器75根据应用需要生成。在步骤206处，接通时间与最小接通时间320比较。如步骤222所示，如果接通时间小于最小接通时间，则PWM波形生成模块确定是否设定扩展周期314配置参数。如果接通时间小于最小接通时间且没有设定扩展周期314参数，则不生成PWM波形。如果接通时间小于最小接通时间且设定了扩展周期314参数，则如上文所述且如步骤224和226中所示调整时段和接通时间，且根据新的时段和接通时间在步骤216处生成PWM波形。

如果输出端子120被命令生成PWM波形且占空周期大于最小接通时间，则PWM波形生成模块在步骤208处继续确定是否设定了周期限制配置参数。如果否，则PWM波形生成模块根据期望的占空周期和时段T开始生成连续的PWM波形。如步骤210所示，如果设定了周期限制配置参数，则PWM波形生成模块读取周期的期望数目。周期的期望数目可以是固定的且存储在配置参数中，或可以是可变的且由PWM波形生成模块根据应用需要来确定。如步骤212所示，PWM波形生成模块针对PWM波形输出的每个脉冲使计数器递增。如步骤214和216所示，PWM波形生成模块生成PWM波形，直到计数器达到周期的期望数目。如步骤214和218所示，如果计数器达到周期的期望数目且生成PWM波形的命令仍然接通，则PWM波形生成模块退出而不生成另外的脉冲。如步骤220所示，一旦生成PWM波形的命令被移除，则计数器被重置，使得在命令信号被重新使能时PWM波形生成模块准备好生成期望数目的脉冲。应理解，图8所示的步骤200代表PWM波形生成模块的一个实施例，且可以在不脱离本发明的范围的情况下根据配置参数重新排列步骤、以不同的顺序执行步骤，或者添加或移除步骤。

进一步预期的是，每个输出端子120可被配置成生成脉冲序列输出(PTO)。PTO的波形与之前讨论的PWM波形相似，不同之处在于PTO波形是具有百分之五十占空周期的方波。可与配置成生成PTO的每个输出端子120协作地配置第二输出端子120，其中第二输出端子120限定接收PTO的受控对象的极性，诸如前进/倒退或上/下。输出脉冲的速率或频率控制受控对象响应PTO波形的速率。例如，步进电动机可接收PTO波形，使得响应于PTO波形的每个脉冲电动机递增固定的量。通过第二输出端子120生成的方向信号控制旋转的方向，且通过从第一输出端子120输出脉冲的速率控制旋转的速度。

PWM波形和PTO信号中的每个可包括存储在存储器装置95中的曲线图400。如图12所示，曲线图400可包括加速斜线402，恒定操作点404和减速斜线406。可选地，可以存储任何其他曲线图400，其包括但不限于简单的接通/断开曲线或S曲线加速和减速曲线图。存储在存储器装置95中的配置参数限定曲线图400，其包括但不限于期望的恒定操作点，加速或减速斜线的类型，加速和减速斜线的持续时间以及恒定操作的持续时间。也参考图13和图14，示例性PWM波形408和示例性PTO波形410分别被示为根据图12中的曲线图400控制装置50。PWM波形408包括加速斜线402，其中波形的时段保持恒定，然而占空周期增加。在恒定操作点404处，PWM波形的占空周期和时段保持恒定。如所示出的，占空周期是100％，意味着输出被示为完全接通。结果，受控装置50将在额定或最大的操作下操作。可选地，占空周期可小于百分百，然而在若干时段上保持恒定以在小于其最大操作点的点处生成恒定操作。最终，PWM波形408包括减速斜线406，其中波形的时段保持恒定且占空周期减小。PTO波形410包括加速斜线402，其中占空周期保持固定然而波形的时段减小。在恒定操作点404处，PTO波形410的时段和占空周期都保持恒定。在减速斜线406期间，占空周期再次保持恒定，然而PTO波形的时段增加。

通过在输出模块46中存储曲线图400，可通过输出模块46进行简单的运动控制任务，而不是将输出信号从处理器模块14传送到输出模块46。可通过从处理器模块14传送的状态位发起曲线图的执行，或如下所述，直接通过从输入模块以对等连接的方式传输的输入信号发起曲线图的执行。进一步预期的是，时间偏移配置参数可与每个曲线图相关联。可以监视来自时钟85的时间信号，且执行被延迟时间偏移的持续时间，而非在接收到发起信号之后立即执行。

输出模块46可进一步被配置成对输出端子120生成的脉冲进行计数，输出端子120被配置成生成PWM或PTO波形。配置参数限定每个计数器使用的寄存器和/或变量，其包括但不限于用于输出脉冲的累计值的寄存器或用于观察窗的接通和断开设定的寄存器。根据本发明的一个实施例，输出模块46包括限定第一和第二观察窗的配置参数。每个观察窗包括分立的接通和断开参数。当输出脉冲的累计值达到接通参数中的计数值时，窗口被激活。窗口保持有效，直到输出脉冲的累计值达到断开参数中的计数值。在一个窗口有效时，输出端子120可被配置为生成输出信号47。每个观察窗可例如与存储的曲线图相协作地使用，以在通过曲线图控制第一装置的时间的一部分期间激活第二装置。作为示例，曲线图可控制使工件转动一次旋转的电动机。观察窗可激活吹风机、切割装置、打印机或若干其他这样的装置中的任何一个，以在期望部分的旋转上作用于工件上。

在工业控制器网络执行时，在受控机器或过程中或者在生成故障条件的控制网络内会出现条件。在一些应用中，响应于每个故障条件关闭和重启受控机器或过程耗时且成本高。此外，一些故障条件可直接解决，或冗余的部件可接管故障部件，允许控制网络继续操作。因而，输出模块46可被配置成包括中间故障状态，这给予工业控制网络在故障条件下恢复的机会。

接着参考图11，输出模块46包括一组故障处置配置参数330以控制在故障条件下输出模块46的每个输出端子120如何响应。在出现故障条件时，每个输出端子120被配置成进入初始状态，如在故障模式列334期间的输出状态中所限定的。输出端子120可切换到断开状态、接通状态或保持在其当前状态。每个输出端子120可进一步被配置成保持该初始状态预先限定的时间336。根据本发明一个实施例，中间状态的持续时间可以在0-10秒之间。可选地，输出端子可被配置成无限期地保持在初始故障状态，或直到故障被清除且恢复正常操作。在中间状态的持续时间结束时，每个输出端子120被进一步配置成进入最终故障状态338。再次地，每个输出端子120可被配置成切换到断开状态、接通状态或保持在其当前状态。

如之前所述，查找远离处理器模块14的输出模块会导致一些时间延迟。例如，在处理器模块14中执行的控制程序需要来自输入模块的输入数据以确定输出模块46中的输出端子120的结果状态。延迟可能来自于例如在远程输入和输出模块处以及在处理器模块处的输入和输出图像的扫描时间。传送和处理扫描时间会引入输入信号改变状态时和输出端子120的状态响应于输入信号更新时之间的另外的延迟。因而，每个输出模块46可被配置成与诸如输入模块44的其他模块直接接驳。

接下来参考图9，示出了根据本发明的一个实施例的配置对等通信和随后的数据传送的过程。工业控制网络包括至少一个处理器模块14、输出模块46和输入模块44。分别经由配置通信13和15从处理器模块14传送输入模块44和输出模块46的初始配置。在通电或另一用户发起的配置序列期间，处理器模块14将初始配置报文13传送到输入模块44且将另一个初始配置报文15传送到输出模块。输入模块44将响应配置报文13传送到处理器模块14，分别建立处理器模块14与输入模块44之间的通信。到输出模块46的配置报文15识别对等关系，限定输出模块46要连接到的输入模块44的类型和关于该输入模块44的数据结构。可选地，对等关系可以在输出模块46和任何其他类型的模块之间建立，只要处理器模块14和输出模块46之间的初始配置报文15限定了模块的类型和其中的相应的数据结构。输出模块46然后生成到对等输入模块44的初始配置报文17。对等输入模块44将响应配置报文17发送到输出模块46，建立输入模块44和输出模块46之间的通信。在成功地建立对等连接之后，输出模块46生成到处理器模块14的响应配置报文15，建立处理器模块14和输出模块46之间的通信，以及对处理器模块14指示已建立对等连接。

在完成初始配置序列之后且在正常操作期间，处理器模块14定期地与输入模块44和输出模块46中的每个通信。处理器模块14和输出模块46之间的报文25包括但不限于对从处理器模块14到输出模块46的输出表的更新以及各个模块之间的操作状态。相似地，处理器模块14和输入模块44之间的报文21、23包括但不限于对从输入模块44到处理器模块14的输入表的更新以及各模块之间的操作状态。输出模块46还从输入模块接收报文23，报文23提供输入模块44中的输入端110的当前状态。另外，可在输出模块46和输入模块44之间传送心搏报文31，以验证两个模块之间的通信通道保持运作。

输出模块46可被配置成根据分别来自控制器或来自输入模块的报文25或23生成一个或更多个输出端子120处的输出信号。图10示出了“梯形逻辑”格式的控制程序250的示例性片段。典型地，处理器模块14根据在处理器70中执行的控制程序接收输入信号262的状态并设定/重置输入信号264。这些输出信号264的期望状态至少部分地是经由处理器模块14和输出模块46之间的报文25传送的控制数据的内容。输出模块46然后根据来自该处理器模块14的该控制数据生成输出端子120处的输出信号。然而，如前所述，扫描时间延迟和传送延迟会限制响应于输入信号设定输出的速率。

如果通过到输入模块44的对等连接配置输出模块46，则可响应于输入信号直接生成输出信号，增加了输出模块46的响应性。在分布式控制网络中，以对等连接配置的输入模块44和输出模块46都可以布置在受控机器或过程上的相同点处，然而远离中央处理器模块14。实际上，输入模块44和输出模块46可安装在同一机架中且共享背板62。输出模块46中的表可被配置成识别到其的对等连接所期望的每个装置的地址。该表进一步包括针对输出模块46中的每个输出端子120的条目，该条目识别来自输入模块44或来自处理器模块14的每个信号，该信号用来生成关于该输出端子120的输出信号。在该表中还存储输入信号的状态(例如接通、断开、逻辑一或逻辑零)以及输入信号之间的关联(例如逻辑和或者逻辑或)。结果，可通过处理器模块14、输入模块44或其组合控制输出端子120中的任何输出端子。可选地，输出模块46可被配置成从经由网络连接30、32、36和38远程安装的输入模块44接收通信，或从本地连接、在同一安装机架中连接或远程连接的多个模块接收通信。通过将输入信号直接传递到输出模块46并响应于这些输入信号生成输出信号，改进了输出模块46的响应性。

在最初时可经由操作者接口30直接编程存储输出端子120的配置的表，或通过在针对操作者接口20的处理装置22中执行的模块间接编程该表。可选地，该模块可在工业控制器10的处理模块14中执行或在适于执行模块的任何其他处理器上执行。再次参考图10，操作者可生成操作者接口20或另一个编程端子处的控制程序250。梯级(rung)258、260例如接收输入262，输入262用来生成针对输出模块46上的两个输出端子120的输出信号264。根据本发明一个实施例，操作者可直接输入配置表中的地址和输入信号信息以下载到输出模块46的存储器装置95中。根据本发明另一实施例，操作者可将所有梯级252至260输入到控制程序250和在操作者接口20上执行的模块中，或远程编程端子将梯级258和260上的输入信号262和输出信号264识别为属于可被配置为用于对等连接的输入模块44和输出模块46。模块可将梯级258、260上的指令从控制程序250移到配置表并建立装置之间的对等连接。

与前述可配置的故障处置相协作地，被配置为具有对等配置的模块可具有图11所示之外的其他故障配置参数330。输入模块44和输出模块46可远离工业控制器10来布置，并被配置成通过对等配置生成输出信号。该配置可控制关于机器或过程的远程操作，该远程操作理想地用于在中央工业控制器10呈现故障条件的情况下维持例如控制加热器以在期望的温度将流体保持在浸泡槽中。因为控制逻辑258、260已存储在输出模块46中，输出模块46中的处理器75可继续响应于来自输入模块44的通信23执行和生成输出信号。故障配置参数允许输入模块44和输出模块46中的每个跟踪工业控制器10或工业控制器连接到的对等模块的故障状态。因而，远程操作可继续执行，这会加速从出现在工业控制器10处的故障条件的恢复。

根据本发明的另一方面，输出模块44可进一步被配置成接收强制命令(override command)，该强制命令可例如测试输出端子120的操作或存储在输出模块44中的对等逻辑的操作。强制命令可将输出端子120强制到期望的接通或断开状态，而不管控制逻辑的状态，该控制逻辑的状态另外地生成输出端子120的输出信号。可选地，强制命令可将输入表中的输入信号的状态强制到期望的接通或断开状态，而不考虑物理信号的状态。结果，如果以对等通信配置输出模块46，则可将来自对等输入模块44的输入信号的一个或多个设定在期望的状态。因此，强制命令可用来测试输出模块46的操作或配置在其中的控制逻辑的操作。

根据本发明另一方面，输出模块44可被进一步配置成保持针对每个输出端子120生成的输出信号的记录。每个输出模块46包括根据例如IEEE-1588时钟同步标准被同步到主时钟的时钟电路85。按预先限定的时间间隔，与时钟电路85生成的当前时间相对应地，将每个输出端子120的状态连同时间戳一起存储在存储器装置93中。可选地，每当输出信号47改变状态时，可以连同对应的时间戳一起将每个输出端子120的状态存储在存储器装置93中。

根据本发明的一个实施例，每个输出端子120具有保存在存储器装置95中的先入先出(FIFO)缓冲器。按每个间隔，输出端子120的当前状态和时间戳存储在FIFO缓冲器中。一旦缓冲器满，例如在五十个条目之后，最旧的条目被覆写。以这种方式，建立环形缓冲器，存储最后五十个时间间隔上的每个输出端子的状态。可选地，与每个输出端子的状态相对应地，可存储单个时间戳。根据本发明另一实施例，存储每个输出端子的间隔可被配置且保存在配置参数中。可将FIFO缓冲器中的每个下载到例如操作者接口20或另一远程计算机。具有最早的时间戳的条目被识别，且输出的状态在存储的时间间隔上在视觉上显示。该数据可例如显示为表或带状图，该表或带状图示出关于时间的转换。进一步预期的是，包括输入模块44、输出模块46或任何其他模块的多个模块可包括相似的FIFO缓冲器集合。因为每个模块中的时钟被同步到主时钟，所以可在对应的时间间隔上显示来自多个模块的数据。强制和数据记录特征中的每个可用来减少工业控制网络的投产或维护所涉及的时间和成本。

本申请通过引用并入与本申请同日提交的、受让于本发明的同一受让人的题为“Industrial Control System with Distributed Motion Planningand Input Module for an Industrial Controller”的美国专利申请第______号。

应理解本发明不限于应用于此处阐述的部件的构造和布置的细节。本发明能够有其他实施例，且能够以各种方式来实践或执行。以上所述的变化和修改也落在本发明的范围内。还应理解此处公开和限定的本发明扩展到此处提及、或从文本和/或附图明显可见的各个特征中的两个或更多个的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本发明的各种可替代方面。此处所述的实施例解释了用于实施本发明已知的最佳方式，且使得本领域技术人员能够利用本发明。

图11中图示的注释说明如下：

Module Properties：模块性质

Configuration：配置

Point：点

Output State During：以下模式期间的输出状态

Program Mode：编程模式

Fault Mode：故障模式

Output State：输出状态

Fault Duration：故障持续时间

Fault Final State：故障最终状态

Pulse Width Modulation：脉宽调制

Enable：使能

Extend Cycle：扩展周期

On Time in％：按％的接通时间

Stagger Outs：交错输出

Minimum On Time(Sec)：最小接通时间(秒)

Electronic Fuse：电子熔丝

Off：断开

On：接通

Hold：保持

Forever：永久

Second：秒

Reset：重置

Communication Failure：通信故障

If communication fail in Program Mode：如果在编程模式中发生通信故障

Leave outputs in Program Mode state：使输出保持在编程模式状态

Change outputs to Fault Mode state：使输出变为故障模式状态

Status：状态

Offline：离线

OK：确定

Cancel：取消

Apply：应用

Help：帮助

Claims (19)

1.一种用于工业控制器的输出模块，包括：

多个输出端子，被配置为生成输出信号；

存储器装置，被配置为存储一系列指令和多个配置参数，其中所述配置参数限定至少一个脉宽调制波形；以及

处理器，被配置为执行所述一系列指令以：

读取所述配置参数；

根据所述配置参数生成至少一个脉宽调制输出波形；以及

在一个输出端子处输出每个脉宽调制波形。

2.根据权利要求1所述的输出模块，进一步包括存储在所述存储器装置中的调度模块，其中所述处理器被进一步配置为执行所述调度模块以将至少一个脉宽调制波形的接通时间的开始分配在脉宽调制PWM时段内的第一时间处并且将至少一个脉宽调制波形的接通时间的开始分配在PWM时段内的第二时间处。

3.根据权利要求2所述的输出模块，其中第二脉宽调制波形的接通时间的开始被设定为等于第一脉宽调制波形的接通时间的结束。

4.根据权利要求3所述的输出模块，其中：

如果第二脉宽调制波形的接通时间的结束小于PWM时段的结束，则第二脉宽调制波形的接通时间的开始保持设定为等于第一脉宽调制波形的接通时间的结束，但是

如果第二脉宽调制波形的接通时间的结束大于PWM时段的结束，则第二脉宽调制波形的接通时间的开始被设定为等于PWM时段的开始并且第二脉宽调制波形的接通时间的整体持续时间从PWM时段的开始处执行。

5.根据权利要求3所述的输出模块，其中：

如果第二脉宽调制波形的接通时间的结束小于PWM时段的结束，则第二脉宽调制波形的接通时间的开始保持设定为等于第一脉宽调制波形的接通时间的结束，但是

如果第二脉宽调制波形的接通时间的结束大于PWM时段的结束，则第二脉宽调制波形的接通时间的第一部分从第一脉宽调制波形的接通时间的结束处执行直至PWM时段的结束，并且第二脉宽调制波形的接通时间的第二部分从PWM时段的开始处通过第二脉宽调制波形的接通时间的剩余部分来执行。

6.根据权利要求1所述的输出模块，其中：

所述配置参数限定固定数目的脉冲；以及

所述处理器响应于输入信号生成具有所述固定数目的脉冲的至少一个脉宽调制波形。

7.根据权利要求1所述的输出模块，其中：

所述配置参数限定最小接通时间、脉宽调制波形的时段和可变接通时间，

所述处理器被进一步配置为执行指令以：

将所述可变接通时间与所述最小接通时间比较；

如果所述可变接通时间大于或等于所述最小接通时间，则根据所述配置参数生成第一脉宽调制输出波形；以及

如果所述可变接通时间小于所述最小接通时间，则根据所述配置参数生成第二脉宽调制输出波形。

8.根据权利要求7所述的输出模块，其中所述第二脉宽调制输出波形具有等于所述最小接通时间的接通时间以及等于原始时段的持续时间乘以所述最小接通时间与原始接通时间的比的时段。

9.一种用于工业控制器的输出模块，包括：

多个输出端子，被配置为生成输出信号；

存储器装置，被配置为存储一系列指令和多个配置参数；以及

处理器，被配置为执行所述一系列指令以：

读取所述配置参数；

检测故障条件；

根据所述故障条件和所述配置参数将多个输出中的每个置于第一故障状态；

根据所述配置参数延迟某一时间；以及

根据所述故障条件和所述配置参数将多个输出中的每个置于第二故障状态。

10.根据权利要求9所述的输出模块，进一步包括时钟电路，其生成被配置为与来自主时钟的时间信号同步的时间信号，其中所述存储器装置被进一步配置为以预先限定的时间间隔将每个输出端子的状态和时间信号存储在缓冲器中。

11.根据权利要求10所述的输出模块，其中每个输出端子的缓冲器具有预先限定的长度，并且每个输出端子的状态和相应的时间信号以先入先出方式存储。

12.一种用于工业控制器的输出模块，其中所述工业控制器包括中央处理器、至少一个输出模块以及至少一个输入模块，所述输出模块包括：

多个输出端子，被配置为生成输出信号；

第一接口，用于从所述中央处理器接收控制数据；

第二接口，用于从所述输入模块接收至少一个输入信号的状态，其中所述第二接口不经过所述中央处理器；

存储器装置，被配置为存储一系列指令；

处理器，被配置为执行所述一系列指令以根据来自所述中央处理器的控制数据和来自所述输入模块的至少一个输入信号的状态生成每个输出端子的输出信号。

13.根据权利要求12所述的输出模块，其中所述第一接口和所述第二接口均为连接在所述输出模块与所述中央处理器和所述输入模块中的每个之间的背板。

14.根据权利要求12所述的输出模块，其中所述第一接口和所述第二接口中的至少一个是连接在所述输出模块与所述中央处理器或所述输入模块之间的网络介质。

15.根据权利要求12所述的输出模块，其中所述处理器被进一步配置为，当所述中央处理器指示存在故障条件时，执行所述一系列指令以根据来自所述输入模块的状态继续生成至少一个输出信号。

16.根据权利要求12所述的输出模块，其中所述输出模块被配置为强制所述控制数据和来自所述输入模块的输入信号的状态中的至少之一。

17.根据权利要求12所述的输出模块，其中所述存储器装置被进一步配置为存储配置表，其中对于每个输出端子，所述配置表包括：

所述输出模块与其通信的所述输入模块的地址，以及

逻辑表，识别每个输入信号如何用于生成相应的输出端子的输出信号。

18.根据权利要求17所述的输出模块，其中所述逻辑表被预先配置并且存储在所述存储器装置中。

19.根据权利要求17所述的输出模块，其中用户接口选择在所述中央处理器上执行的控制程序的一部分并且根据所选择的部分配置所述逻辑表。

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