CN104133431B - 在现场设备与诊断装置之间建立兼容性的电路装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在现场设备与诊断装置之间建立兼容性的电路装置和方法，尤其是一种在现场设备或其接口设备与管理系统的诊断装置之间建立兼容性的电路装置，接口设备或现场设备可与管理系统输出端联接。诊断装置设置成通过管理系统输出端将测试信号发送到接口设备或现场设备上，并当管理系统输出端上电响应处于期望范围之外时输出错误信号。电路装置具有用于影响管理系统输出端上电压的电压影响机构，其具有可驱控电流源，利用该电流源可产生电流以影响管理系统输出端上的电压；存在有用于鉴别管理系统输出端上测试信号的电子分析和控制机构，其设置成在鉴别测试信号时驱控可驱控电流源以调节出管理系统输出端上处于期望范围之内的额定电压。

Description

在现场设备与诊断装置之间建立兼容性的电路装置和方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的、用于在现场设备或用于现场设备的接口设备与管理系统的诊断装置之间建立兼容性的电路装置，接口设备或现场设备可与该管理系统的输出端联接。此外，本发明还涉及一种根据权利要求12的前序部分的、用于建立兼容性的相应的方法。

背景技术

管理系统例如可以是可编程逻辑控制器(SPS)。该可编程逻辑控制器利用诊断装置来监控控制回路(即，所联接的设备)。尤其是在应用安全要求等级3(SIL3)的情况下使用诊断功能。

为此，在这种电路装置中，诊断装置设置成用于通过管理系统的输出端将测试信号发送到接口设备或现场设备，并当管理系统的输出端上的电响应处于期望范围之外时，输出错误信号。在此，电路装置具有用于影响管理系统的输出端上的电压的电压影响机构。

测试信号例如可包括输出端上的电压输出的改变或者也可以包括电流脉冲。所联接的现场设备可以导致电响应，也就是说尤其是电压响应或电流响应。该电响应可以理解为，通过现场设备影响输出端上的电压或者输出端的两个电接头之间的电流。诊断装置检验该响应是否处于期望范围之内，也就是说是否处于电压期望范围和/或电流期望范围之内。额外地可以要求在测试信号开始之后的预定的持续时间内达到期望范围。

在这种用于在现场设备或用于现场设备的接口设备与管理系统的诊断装置之间建立兼容性的方法中，诊断装置通过管理系统的输出端将测试信号输出到接口设备或现场设备，并且当管理系统的输出端上的电响应处于期望范围之外时，输出错误信号，其中，利用电压影响机构来影响管理系统的输出端上的电压。

现场设备例如可以是电负载或者比较简单的电部件。此外，为此还有阀或继电器。这些简单的负载将电压响应发送至管理系统的输出端上，该电压响应可以通过常见的诊断装置正确地解释。因此，当所联接的现场设备是不被允许的或者没有正常运行时，在这些简单的负载的情况下，诊断装置可以准确地输出错误信号。

但是，也经常有比较复杂的现场设备或接口设备与管理系统的输出端联接。接口设备用于连接管理系统和现场设备。在此，接口设备例如可以是阀驱动器。尤其是在这些接口设备或现场设备中，常见的诊断装置的测试经常是错误的。

为了尽管如此仍能够在管理系统下使用这些接口设备或现场设备，通常常常使诊断装置解除激活。其中不利的是，取消了管理系统的安全措施。

因此值得期望的是，在尽可能任意的接口设备或现场设备与诊断装置的测试之间建立兼容性。

为了建立兼容性，在公知的电路装置中存在前面提到的电压影响机构，这些电压影响机构影响管理系统的输出端上的电压。

电压影响机构在现有技术中例如可以包括电路分支，该电路分支在管理系统的输出端上与可联接的接口设备或现场设备并联。在该电路分支中置入低欧姆的负载。这可以在诊断装置的特定的静态测试中建立起兼容性。在静态测试中，评估管理系统的输出端上的跟随测试信号的电压响应。在此，不考虑直至出现电压响应所需的持续时间。例如，输出测试电流作为测试信号，该测试电流的大小是预定的。诊断装置随后检查由测试电流产生的电压下降是否处于预定的期望范围内。

当所联接的接口设备或现场设备断开时，上面提到的低欧姆的负载可以管理诊断装置的测试电流。由此，可以在该断开状态下产生处于诊断装置的期望范围之内的电压响应。由此避免产生错误信号。但是，负载越低欧姆，那么在接口设备或现场设备的联接状态下的能量损失就越高。由此，负载的电阻值不能任意小地选择。因此，如果诊断装置期望非常低欧姆的负载，那么不能建立起兼容性。因此，这些电压影响机构仅能与少量诊断装置建立兼容性。

此外公知的是，将用于给线路电容器放电的电路作为电压影响机构与管理系统的输出端联接。这种电路适用于建立对一些诊断装置的特定的动态测试的兼容性。在动态测试中，考虑到了电压响应的时间分布。当接口设备或现场设备断开时，之前提到的电路给输出端上的线路的电容器放电。为此，输出端可以通过例如500欧姆的电阻被短路。由此，输出端上的电压水平快速下降，并且可以在很短的持续时间之后就处于电压期望范围之内。因此，该电路避免在这种情况下错误地输出错误信号。但因为提到的电阻不能是任意小的，所以对线路电容器的放电不能任意快速地进行。因此针对一些动态测试，线路电容器没有被及时放电。也可能发生的是，利用电阻产生的电压下降导致电压处于电压期望范围之外。因此仅实现了对诊断装置的特定的动态测试的兼容性。此外，通常以该方式没有提供对静态测试的兼容性。

当在接口设备或现场设备断开的状态下的电压下降超过0.6V时，一些诊断装置就已经输出了错误信号。在该情况下，与管理系统的输出端联接的整流器、反极性保护二极管或其他PN结可能已经导致了错误通报。尤其是在该情况下，上面描述的电压影响机构不适用。

即使当结合针对静态测试和动态测试所描述的两个电压影响机构时，也仅可以对诊断装置的比较少的测试实现兼容性。

发明内容

本发明的任务可以是说明一种电路装置和方法，利用它们能够在现场设备或接口设备与管理系统的尽可能多的不同的诊断装置之间建立兼容性。

该任务通过具有权利要求1的特征的电路装置以及具有权利要求12的特征的方法来解决。

根据本发明的电路装置和根据本发明的方法的有利的变型方案是从属权利要求的主题，并且此外在随后的描述中对其进行阐述。

根据本发明，在上面提到的类型的电路装置中设置：电压影响机构具有可驱控的电流源，利用该电流源可产生电流以影响管理系统的输出端上的电压；存在有电子分析和控制机构，并且这些电子分析和控制机构设置成用于鉴别管理系统的输出端上的测试信号，并且在鉴别出测试信号时驱控可驱控的电流源以调节出在管理系统的输出端上的额定电压，其中，额定电压处于期望范围之内。

根据本发明，在上面描述的类型的方法中设置：电压影响机构具有可驱控的电流源，管理系统的输出端上的测试信号通过电子分析和控制机构来鉴别，在鉴别出测试信号时，可驱控的电流源通过分析和控制机构来驱控以调节出管理系统的输出端上的额定电压，其中，额定电压处于期望范围之内。

本发明的核心思想是，测量诊断装置的测试信号，并且依赖于是否识别出测试信号来驱控电压影响机构。因此有利地，不同的测试信号可以被区分开。针对每个测试信号，可以调节出管理系统的输出端上的适当的电压。由此，针对很多不同的测试信号可以避免错误地输出错误信号。

根据本发明，为此使用可驱控的电流源。该电流源可产生在管理系统的输出端的两个线路接头之间流动的电流。由此，改变了输出端上的电压。因为可以可变地预定由电流源提供的电流的大小，所以能够有利地实现对输出端上的电压的可变的影响。

为了针对存在的诊断装置适当地影响电压，必要的是分析和控制机构首先鉴别出诊断装置的测试信号。

测试信号原则上可以是任意的电压改变和/或电流改变。也可考虑该电压改变和/或电流改变的时间分布，以便识别出测试信号。

因此，为了鉴别测试信号，电子分析和控制机构优选可执行对管理系统的输出端上的电压和/或电流的测量。在此，也可以检测电压和/或电流的时间分布。

电子分析和控制机构为此可以设置成用于基于对管理系统的输出端上的电流强度、电流强度改变、电压大小和/或电压大小改变的测量来鉴别测试信号。与常规的电压影响机构相比，当没有执行测试时，由此在任何情况下都不会影响管理系统的输出端上的电压。

利用电子分析和控制机构，能以预定的标准来评估测量结果，以便在不同类型的测试信号之间进行区分。标准可以包括电压和/或电流的大小或改变以及它们的时间分布。该实施方案利用如下认知，即，在诊断装置的不同的测试中，不仅电压期望范围是不同的，而且也输出不同的测试信号，这些测试信号可以利用特定的标准进行区分。

电子分析和控制机构可以在非易失性存储器中包含如下列表，在该列表中列出了不同的标准。针对每个标准储存了如何来驱控电流源。

特别优选的是，电子分析和控制机构设置成用于针对不同类型的测试信号不同地调节由电流源产生的电流的大小和/或持续时间。由此，可以在管理系统的输出端上的不同的电压值之间进行选择。因此，尤其是依赖于之前提到的标准，可以用不同的方式驱控电流源。

为了可以建立对特别多的不同的诊断装置的兼容性，电子分析和控制机构优选设置成用于可以利用预定的标准来识别多个同时的不同类型的测试信号，并且依赖于同时识别出的测试信号来驱控电流源。因此，例如可以调节出管理系统的输出端上的电流分布和/或电压分布，针对该电流分布和/或电压分布，不仅在静态测试而且在动态测试中都不输出错误信号。

特别优选地，电子分析和控制机构的用于鉴别测试信号的标准能可变地调节。由此，本发明的电路装置也可以用于将来的测试。此外，如有需要可以改进这些标准。

为此，电子分析和控制机构可以具有微控制器，利用该微控制器能可变地调节用于鉴别测试信号的标准。此外，可以利用微控制器可变地调节由电流源产生的电流的大小和/或持续时间。由此进一步提升灵活性。电路装置可具有连接接头，输入机构可以与这些连接接头联接，由此使用者可以为微控制器预订新的标准。输入机构例如可以是建立起与电路装置的无线连接或有线连接的电脑。

但代替微控制器，电路装置也可利用分散的构件形成。由此，可以减小制造成本并且在某些情况下也可以减少错误率。

当一些接口设备和现场设备接通时，它们由诊断装置准确地识别出，但当它们断开时，则未被识别出。尤其是针对该情况，电子分析和控制机构设置成用于鉴别所联接的接口设备或现场设备的断开状态，并且当鉴别出所联接的接口设备或现场设备的断开状态时，驱控可驱控的电流源以调节出额定电压和/或产生预定大小的电流。也就是说，当测试信号被鉴别出时，在此不总是驱控电流源，而是仅当附加地断开接口设备或现场设备时才驱控电流源。也可以设置的是，依赖于鉴别出的测试信号的类型，必须附加地存在所联接的接口设备或现场设备的断开状态，由此来驱控电流源。

电子分析和控制机构的供能原则上可以用任意的方式进行。尤其是可以存在用于供能的有线接头或电池。但优选地，电子分析和控制机构设置成用于通过由管理系统在其输出端上输出的电压来覆盖这些电子分析和控制机构的用于控制可驱控的电流源的能量需求。尤其是也可以使用用于供能的测试信号的电流脉冲。也可以设置有存储器，其可以通过管理系统的输出端进行充电。例如电容器、超级电容器或电化学蓄电池都可以用作存储器。

电路装置原则上可以是任意设备的组成部分，只要其布置或可布置在管理系统的诊断装置与待监控的现场设备之间。因此，电路装置例如可与管理系统或现场设备牢固地连接。

但优选地，电路装置是不依赖于管理系统和现场设备的、可在它们之间联接的部件。为了这个目的，本发明也涉及一种用于连接现场设备和管理系统的接口设备，其中，接口设备具有用于建立与管理系统的电连接的第一联接机构和用于建立与现场设备的电连接的第二联接机构。在此，接口设备附加地包括根据本发明的电路装置。代替现场设备，原则上其中一个上面所描述的常规的接口设备，例如阀驱动器也可以与该接口设备连接。

附图说明

本发明其他的优点和特征随后参考附加的示意图来描述。其中：

图1示出管理系统和常规的电路装置；

图2示出管理系统和另一常规的电路装置；

图3示出管理系统和根据本发明的电路装置的实施例；

图4示出管理系统的诊断功能；以及

图5示出管理系统的另一诊断功能。

相同的或相同作用的组成部分在图中通常用相同的附图标记表示。

具体实施方式

图1示意性地示出管理系统10和与之联接的常规的电路装置110。

管理系统10也可被称为过程控制系统(PCS，英语：Process Control System)。该管理系统包括在此由两个电插接连接装置11形成的输出端11。现场设备可以与该输出端联接。现场设备可理解为任意的电设备，其可以将信号发送至管理系统或者从管理系统接收信号，或者其能量供给通过管理系统的输出端进行。在输出端11上，也可以中间接入接口设备和/或电路装置，在其后跟随有现场设备。

为了确定所联接的现场设备的存在性、兼容性或功能优异性，管理系统此外还具有诊断装置(未示出)。诊断装置输出电测试信号到输出端11上。此外，诊断装置测量输出端11上的电响应，也就是输出端11上的电压和/或电流。该响应依赖于所联接的现场设备，并且因此给出关于该现场设备的信息。如果管理系统的输出端上的电压响应处于电压期望范围之外或者电流响应处于电流期望范围之外，那么诊断装置输出错误信号。由此指示出没有联接符合规定的现场设备。

但是，在较复杂的现场设备或接口设备的情况下，尽管设备正常运行，电压响应和/或电流响应在一些情况下仍处于期望范围之外。

由于这个原因，可以在管理系统的输出端上安装附加的电路装置。该电路装置具有如下电压影响机构，其针对测试信号影响输出端11上的电压和/或电流，从而使电流和/或电压处于期望范围之内。由此防止错误地输出错误信号。

在图1中，常规的电路装置110与输出端11联接。该电路装置110具有电阻112作为电压影响机构20。该电阻与可联接的现场设备并联地布置在输出端11上。

在与电阻112并联的现场设备的断开状态中，测试信号或测试电流可以流过电阻112。但为了避免在接通现场设备时的很大的能量损失，电阻112不允许任意小地选择。但是由此，电阻112不能产生期望非常低欧姆负载的诊断装置要求的电压响应和/或电流响应。

具有另一常规的电路装置110的管理系统10在图2中示意性地示出。该电路装置110包括控制装置114。通过晶体管的基极，控制装置114可以通过如下方式导致输出端11上的短路，即，在输出端11的两个接头上使用例如500欧姆的电阻116。由此，测试脉冲的电荷可以快速地通过电阻116流走，并且输出端11上的电压水平快速下降。由此可以建立起对特定的动态测试的兼容性。但是由此并没有实现对所有动态测试的兼容性，并且也没有实现对静态测试的兼容性。

结合了图1和图2的电路装置110的部件的电路装置也仅可提供对比较少的静态和动态测试的兼容性。

该问题通过根据本发明的接口设备100来克服，该接口设备与管理系统10一起在图3中示意性地示出。接口设备100包括可与管理系统10的输出端11连接的第一联接机构13。此外，接口设备100具有可与现场设备或其他与根据本发明的接口设备100不同的接口设备联接的第二联接机构15。

接口设备100包括电压影响机构20和电子分析和控制机构30。分析和控制机构30检测输出端11上的电压和/或电流。借助预定的标准，分析和控制机构30可以由检测到的电流和/或检测到的电压识别出由诊断装置在输出端11上输出的测试信号。

只要分析和控制机构30识别出测试信号，那么它们就驱控可驱控的电流源20，从而使该电流源产生在输出端11的两个联接线路之间流动的电流。由此可以调节输出端11上的电流和电压。分析和控制机构以这种方式导致实现了输出端11上的特定的额定电压和/或特定的额定电流。额定电压或额定电流以如下方式预定，即，使它们处于诊断装置的期望范围之内。

由此可以避免，虽然联接有正常运行的现场设备，但却输出了错误信号。有利地，额定电压和/或额定电流可针对原则上任意类型的测试信号进行调节。

分析和控制机构30也可针对不同类型的测试信号来设置不同的额定电压和/或额定电流。于是，电流源20依赖于测试信号的被识别出的类型以不同的方式来驱控。

由电流源20提供的电流在如下电路路径中流动，该电路路径与可联接到第二联接机构15上的现场设备并联地布置。可以设置的是，分析和控制机构30识别出现场设备与第二联接机构15是联接还是断开，并且分析和控制机构30仅在该情况下驱控电流源20。

管理系统的诊断装置的动态测试的测试信号分别在图4和图5中示出。这两个图分别示出如下图像，其中，随着时间t绘出管理系统的输出端上的电压U。

图4示出用于接通状态的测试信号，在该接通状态中，在管理系统的输出端上，尤其是在时间点t1输出供给电压U0。该供给电压可以用于给联接的现场设备供能，并且例如是24V。

在时间点t2，在输出端上输出测试信号。为此，管理系统的输出端在短时间内切换为高欧姆。因此，输出端上的电压下降。该电压下降由诊断装置来评估。针对符合规定的现场设备而期望的电压期望范围向上通过电压限值U1来限制。如果电压在特定的时间内下降至电压限值U1之下，那么诊断装置就推断为符合规定的现场设备。否则，诊断装置输出错误信号。

在图4的示例中示出电压大致竖直地，也就是说立即地下降至电压限值U1之下。但该电压下降总是需要一定的时间。如果在从测试信号开始起的预定的持续时间内还没有下降至电压限值U1之下，那么就输出错误信号。

像在图4中示出的那样，根据时间点t2的测试信号在预定的时间间隔之后输出另一测试信号。例如可以分别在500毫秒之后输出测试信号，针对该测试信号，输出端在200微秒之内在低欧姆与高欧姆之间进行转换。

图5示出如下情况，其中，当存在断开状态时，输出动态测试的测试信号。也就是说在此，在时间点t1在输出端上不存在供给电压U0，而是存在处于电压限值U2之下的，尤其可以是0V的电压。

在时间点t2产生测试信号。为此，输出端在短时间内被激活，或者切换为低欧姆并随后切换为高欧姆。通过将输出端切换为低欧姆，输出端上的电压在短时间内上升至供给电压U0的范围内的值。如果输出端又切换为高欧姆，那么输出端上的电压又在短时间内下降。

针对诊断装置的测试，应该有两个电压限值被超过。在从激活输出端开始起的预先确定的持续时间，例如100μs之内，应该超过电压限值U3。该电压限值预定在供给电压U0的范围内。此外，在预先确定的持续时间内(在该持续时间之后，输出端又切换为高欧姆)，电压应该下降至电压限值U2之下。

如果这些条件中的至少一个没有被满足或者两个条件均没有被满足，那么由诊断装置输出错误信号。

分析和控制机构30检测输出端11上的通过测试信号引起的电压改变或者电流改变。为此例如仅需要15μs。紧接着以如下方式驱控电流源20，即，使得在非常短的时间，尤其是100μs之内调节出期望的处于U3之上或者U2之下的电压值。因此可以实现的是，没有错误信号被错误地输出。

在图4和图5示出的动态测试的测试脉冲期间也可同时输出静态测试的测试电流。根据本发明的电路装置针对这两个测试可以同时产生输出端上的适当的电压值和电流值。

电流源的重要的优点在于为了输出端上的电压改变所需的特别短的时间。在此，可以产生不同大小和长短的电流，从而针对不同的测试实现兼容性。最后，能量损失也相比于常规的电路装置来说很小。

Claims (11)

1.一种用于在现场设备或用于现场设备的接口设备与管理系统(10)的诊断装置之间建立兼容性的方法，所述接口设备或现场设备与所述管理系统的输出端(11)联接，

其中，所述诊断装置通过所述管理系统(10)的输出端(11)将测试信号(50)发送到所述接口设备或现场设备上，并当所述管理系统(10)的输出端(11)上的电响应处于期望范围之外时，输出错误信号，并且

其中，利用电压影响机构(20)来影响所述管理系统(10)的输出端(11)上的电压，

其中，所述电压影响机构(20)具有能驱控的电流源(20)；

其中，所述管理系统(10)的输出端(11)上的测试信号(50)通过电子分析和控制机构(30)来鉴别；

其中，在鉴别出测试信号(50)时，所述能驱控的电流源(20)由所述分析和控制机构(30)来驱控以调节出所述管理系统(10)的输出端(11)上的额定电压，其中，所述额定电压处于所述期望范围之内。

2.一种用于连接管理系统(10)与现场设备或现场设备的另一接口设备的接口设备，其中，所述接口设备具有用于建立与管理系统(10)的电连接并且用于接收通过所述管理系统(10)的诊断装置输出的测试信号(50)的第一联接机构(13)，其中，所述接口设备具有用于建立与现场设备或所述另一接口设备的电连接的第二联接机构(15)，

其中，所述接口设备具有用于在所述现场设备或所述另一接口设备与所述管理系统(10)的诊断装置之间建立兼容性的电路装置，

其中，所述电路装置具有用于影响所述管理系统(10)的输出端(11)上的电压的电压影响机构(20)，

其中，所述电压影响机构(20)具有能驱控的电流源(20)，

其中，所述电路装置具有电子分析和控制机构(30)，所述电子分析和控制机构设置成用于

-鉴别所述管理系统(10)的输出端(11)上的测试信号(50)，以及

-在鉴别出测试信号(50)时驱控所述能驱控的电流源(20)以调节出所述管理系统(10)的输出端(11)上的额定电压，其中，所述额定电压处于期望范围之内，用以避免在现场设备正常运行的情况下在期望范围之外的电压响应和/或电流响应，以防错误地通过所述诊断装置输出错误信号。

3.根据权利要求2所述的接口设备，

其特征在于，

为了鉴别测试信号(50)，利用所述电子分析和控制机构(30)能执行对所述管理系统(10)的输出端(11)上的电压和/或电流的测量。

4.根据权利要求2或3所述的接口设备，

其特征在于，

所述电子分析和控制机构(30)设置成用于基于对所述管理系统(10)的输出端(11)上的电流强度、电流强度改变、电压大小和/或电压大小改变的测量来鉴别测试信号(50)。

5.根据权利要求3所述的接口设备，

其特征在于，

利用所述电子分析和控制机构(30)，能以预定的标准来评估测量结果，以便在不同类型的测试信号之间进行区分。

6.根据权利要求2或3所述的接口设备，

其特征在于，

所述电子分析和控制机构(30)设置成用于针对不同类型的测试信号不同地调节由所述电流源(20)产生的电流的大小和/或持续时间。

7.根据权利要求5所述的接口设备，

其特征在于，

所述电子分析和控制机构(30)设置成用于利用所述预定的标准来识别多个同时的不同类型的测试信号，并依赖于同时识别出的测试信号来驱控所述电流源(20)。

8.根据权利要求5所述的接口设备，

其特征在于，

所述电子分析和控制机构(30)的用于鉴别测试信号(50)的标准能可变地调节。

9.根据权利要求8所述的接口设备，

其特征在于，

所述电子分析和控制机构(30)具有微控制器，利用所述微控制器，能可变地调节所述用于鉴别测试信号(50)的标准并且能可变地调节由所述电流源(20)产生的电流的大小和/或持续时间。

10.根据权利要求2或3所述的接口设备，

其特征在于，

所述电子分析和控制机构(30)设置成用于鉴别所联接的现场设备的断开状态，并且当鉴别出断开状态时，驱控所述能驱控的电流源(20)以调节出所述额定电压和/或产生预定大小的电流。

11.根据权利要求2或3所述的接口设备，

其特征在于，

所述电子分析和控制机构(30)设置成用于由测试信号的电流脉冲来覆盖所述电子分析和控制机构的用于控制所述能驱控的电流源(20)的能量需求。