CN107024237A - 具有至少两个外围单元和一个传感器的装置 - Google Patents

具有至少两个外围单元和一个传感器的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有至少两个外围单元(1，2)和一个传感器(7)的装置，其中每一个外围单元(1，2)配置具有：用于将传感器(7)连接至电源电压的接口(5，6)；用于连接传感器(7)的传感器输入端(10，11)；以及此外还有用于检测代表信号状态的传感器电流的测量电阻(12，13)。通过合适的措施实现了在至少两个外围单元(1，2)处对传感器电流的冗余检测和评估或传感器的冗余运行。

Description

具有至少两个外围单元和一个传感器的装置
技术领域
本发明涉及一种具有至少两个外围单元和一个传感器的装置，其中，每个外围单元都配备有用于将传感器连接至电源电压的接口，用于连接传感器的传感器输入端以及此外还有用于检测代表信号状态的传感器电流的测量电阻。此外，本发明涉及一种外围单元，其适用于这种类型的装置。
背景技术
在自动化领域中要求更强的高可用性解决方案(H系统)，其适合将设施的可能出现的停机时间降至最低。该H系统通常具有两个带有多个组件的自动化设备或者存储器可编程控制器(Programmable Logic Controllers)，其中，这两个自动化设备能够对连接至自动化设备的、配备有多个外围组件的外围单元或者分散式外围装置进行读和/或写访问。为了使这两个自动化设备能够同步地运行，二者以规则的间距同步。
此外，对于高可用性系统常常也希望冗余地运行分散式外围装置的两个外围组件或者两个这样类型的分散式外围装置的两个外围组件。对于这些外围组件设计成数字输入组件的情况，通常将一个(单个的)传感器连接在这两个(伙伴式)外围组件上，其中，分散式外围装置通过总线与具有多个组件的自动化设备连接，自动化设备的形式为中央设备或者扩展设备。然而，对于传感器按照DIN19234设计成在过程自动化系统中广泛使用的所谓的NAMUR传感器的情况，该(单个的)NAMUR传感器并不能毫无问题地在两个数字输入组件处同时被驱动，因为在该种情况中由于NAMUR传感器提供的输入电流的原因可能会产生不一致的信号状态。
例如，由西门子设备手册“分散式外围装置ET200S，数字电子模块4DI NAMUR”，2010年3月出版，已知的、设计成数字输入组件的外围单元为所连接的NAMUR传感器施加8.2V的电源电压，其中，通过由传感器输入的电流反映出不同的信号状态“0”，“1”，“线路中断”或者“短路”。小于0.35mA的电流代表在NAMUR传感器和数字输入组件之间的线路中断，0.35mA至1.2mA之间的电流代表信号状态“0”，2.1mA至7mA的电流代表信号状态“1”，并且大于7mA的电流代表短路的NAMUR传感器。电流流过数字输入组件的低欧姆的测量电阻(分流器)并且在该测量电阻(1kOhm)处引起与该输入的电流成比例的电压降，该电压降在组件内部反映或者代表NAMUR传感器的信号状态。
对于数字输入组件的NAMUR传感器例如输入2.4mA的电流的情况，在测量电阻处产生2.4V的电压降，其中，该电压降由数字输入组件解释为信号状态“1”。
相反对于NAMUR传感器同时连接在两个这样的数字输入组件处并被驱动的情况，也就是说该传感器分别连接在这些数字输入组件的输入端上时，组件的测量电阻被并联，由此由NAMUR传感器输入的例如2.4mA电流的电流被成比例的分配并且因此在这两个组件的这两个测量电阻的每一个上仅产生1.2V的电压降。该1.2V的电压降由数字输入组件评估为信号状态“0”，这意味着检测到错误的信号状态。
为了在冗余运行时能够形成明确的信号状态，因此强制性地需要这两个数字输入组件的每一个都必须在每个时间点时间识别其伙伴组件的可用性，从而正确地评估检测到的电压。为了实现这一点，因此可以为每个数字输入组件或者数字输入单元配备一个NAMUR传感器，从而确保NAMUR传感器的高可用性。
发明内容
因此本发明的目的在于实现前文所述类型的装置，其能够冗余地检测和评估传感器信号的信号状态或者其实现在至少两个外围单元处的传感器的冗余运行。此外给出一种外围单元，其适用于这种类型的装置。
有利的是，例如对于外围单元设计成数字输入单元的情况，为了冗余地检测和评估例如NAMUR信号而不必为每个数字输入单元配备一个NAMUR传感器。仅仅一个NAMUR传感器被连接到数字输入单元的相应的NAMUR输入端上。数字输入单元中的一个的传感器输入端高欧姆地接通，并且另一个数字输入单元的传感器输入端低欧姆地接通，由此传感器电流几乎完全地流过低欧姆地接通的数字输入单元的测量电阻。在这两个传感器输入端处-前提条件是相同的传感器电源电压-检测到相同的电压降，从而使这两个数字输入单元能够探测到相同的信号状态并且通过电流通量能够识别出线路中断形式的故障。在此确保，对于数字输入单元中的一个发生故障或者这些数字输入单元中的一个脱离控制(“抽出”数字输入单元)的情况，NAMUR传感器的信号状态/NAMUR信号在任何时间对于另外的数字输入单元都是可用的。为了在低欧姆接通的数字输入单元故障时实现前述，每个数字输入单元设计为自身产生或者接收切换信号。在数字输入单元中的一个完全故障的情况中，另外的数字输入单元自己产生切换信号。对于数字输入单元中的一个不能检测到传感器信号(线路中断)的情况，另外的数字输入单元接收来自所述一个数字输入单元的切换信号。
在本发明的一个设计方案中提出，每个数字输入单元此外设计用于接收来自控制器的另外的切换信号。由此确保，控制器例如为了设定基础状态而将数字输入单元中的一个定义或者参数化为主单元并且将另一个数字输入单元定义或者参数化为从单元。在此，术语“控制器”对于本说明书的整个关系来说被如此地规划，即其包括整个设备、装置或者系统，也就是说除了例如像存储器可编程控制器的控制器，自动化设备，分散式外围装置，过程计算机，(工业)计算机和类似物之外还包括驱动控制器和类似物，这些例如适合用于控制，调节和/或监控技术过程。
在本发明的另外的设计方案中，切换装置设计用于通过开关将能跨接的高欧姆的电阻与测量电阻串联连接或者将低欧姆的测量电阻与高欧姆的电阻并联连接。由此能够以简单的连接技术手段实现从低欧姆到高欧姆以及从高欧姆到低欧姆的切换。
此外，在本发明的一个设计方案中提出一种外围单元，其具有：用于将传感器连接至电源电压的接口；用于连接传感器的传感器输入端；以及用于检测代表信号状态的传感器电流的测量电阻。外围单元具有用于连接通信线路的接口，并且外围单元配备有与测量电阻串联连接的切换装置，切换装置设计用于取决于经由通信线路传输的切换信号高欧姆地或者低欧姆地接通传感器输入端。
附图说明
接下来根据实施例参考唯一的附图对本发明的设计方案及其优点进行说明。图中以简化的视图示出了具有两个数字输入单元、用于冗余地检测和评估NAMUR信号的装置。
具体实施方式
该装置具有两个数字输入单元1，2，在本实施例中，其中数字输入单元1被预先设定为主单元并且数字输入单元2被预先设定为从单元。该预先设定通过在此没有示出的控制器预定，控制器相应地向数字输入单元1，2的控制装置3，4传输相应的参数以用于设定主或从基础状态。控制器可以设计成为存储器可编程控制器的CPU单元或者具有多个单元或者组件的分散式外围装置的CPU单元，分散式外围装置通过总线连接与存储器可编程控制器交换信息。其上同时连接有传感器7的数字输入单元1，2当然可以是该分散式外围装置的或者该存储器可编程控制器的单元。
为了更好的观察并进行简化，在本实施例中仅仅示出了数字输入单元1，2的一个通道。通常，数字输入单元1，2具有多个通道，其中在每个通道处能够连接一个NAMUR传感器或者另外的传感器。
数字输入单元1，2中的每一个都具有用于将NAMUR传感器7连接至例如8.2V的电源电压的接口5，6，其中，数字输入单元1，2的直流电压源8，9为NAMUR传感器7加载该电源电压。此外，每个数字输入单元1，2都配备有用于连接NAMUR传感器7的传感器输入端10，11以及用于检测代表信号状态的传感器电流的低欧姆的测量电阻12，13，NAMUR传感器7通过传感器输入端10，11将该传感器电流输入给数字输入单元1，2。这两个数字输入单元1，2此外分别具有一个切换装置，其允许将相应的输入端10，11高欧姆地接通。在本实施例中，为此相应地设置有与相应的测量电阻12，13串联连接的能控制的开关14，15以及与之并联连接的高欧姆电阻16，17。电阻在本发明的具体实施例中如此地设定规格，即相应的高欧姆电阻16，17的电阻值是相应的测量电阻12，13的电阻值的100倍。对于例如使用1kOhm测量电阻的情况，因此为切换装置设置100kOhm的电阻。切换装置也能够以这样的方式和方法实现，即与高欧姆电阻(例如100kOhm)并联地布置能够经由受控开关接入的低欧姆电阻。
开关14，15的控制分别根据经由通信线路18引导的切换或控制信号来实现或者根据用于将相应的数字输入单元预设为主或从单元的另外的切换或控制信号来实现。例如在检测传感器电流期间，数字输入单元1经由控制装置3产生的控制信号为数字输入单元2示出其当前状态(主状态)。借助经由连接了数字输入单元1，2的接口19，20的通信线路18的这种信息交换，每个数字输入单元1，2识别出相应的另一个数字输入单元1，2的状态。
下面将深入探讨本装置的功能和作用方式。在此，如上所述，数字输入单元1预先设定为主单元并且数字输入单元2预先设定为从单元，其中为了该设定，相应的控制装置3，4基于由控制器传输的参数分别产生用于控制开关14，15的控制信号。为了将数字输入单元1预先设定为主单元，控制装置3产生控制信号以闭合开关14。相反，控制装置14产生用于打开开关15的控制信号，由此数字输入单元2承担从功能。
开关14，15的这种预先设定的开关状态使得，一方面高欧姆电阻17与从单元2的低欧姆的测量电阻13串联，并且另一方面跨接了主单元1的高欧姆电阻16，这意味着，传感器电流几乎完全地流经数字输入单元1、主单元1的低欧姆测量电阻12。在这两个传感器输入端10，11处检测到相同的电压降，从而这两个数字输入单元1，2(内部)探测到相同的信号状态。
从预先设定的开关状态出发，即数字输入单元1定义或设定作为主单元并且数字输入单元2定义或设定作为从单元，鉴于装置具有同时连接到数字输入单元1，2的NAMUR传感器7，阐述以下场景：
A)去除从单元(数字输入单元2)：
数字输入单元1(主单元)如前所述那样检测电流通量、测定信号状态并且将信号状态传输给控制器。控制器基于缺少控制装置4的信号而识别出从单元不再存在于装置中。
B)去除主单元(数字输入单元1)：
由于通信线路18基于缺少主单元而中断，借助控制装置4闭合数字单元2的开关15。数字输入单元2因此承受电流通量并且因此承担主单元的角色。现在，数字输入单元2测定信号状态并且将信号状态传输给控制器。控制器基于缺少控制装置3的信号而识别出，数字输入单元1不再存在于装置中。
C)在从单元(数字输入单元2)和NAMUR传感器7之间有线路中断：
由于数字输入单元2在输入端11处没有测量到电压，数字输入单元2识别出线路中断，这根据NAMUR定义意味着非有效信号。这种状态经由适当的诊断信息传输给控制器。主单元(数字输入单元1)还提供有效信号状态或者有效状况。
D)在主单元(数字输入单元1)和NAMUR传感器7之间有线路中断：
数字输入单元1根据消失的电流通量识别出电路中断并经由通信线路18传输切换信号，例如如下地，即数字输入单元1“无电流地接通”通信线路18。数字输入单元2的控制装置4据此闭合开关15，由此数字输入单元2承担主功能并且将NAMUR传感器7的信号状态传输给控制器。数字输入单元1(目前为止的主单元)借助适当的诊断报文或诊断信息向控制器报告线路中断。
E)在NAMUR传感器7中有线路中断或者在接口5，6和NAMUR传感器7之间有线路中断：
这两个数字输入单元1，2同时识别出线路中断(没有电流通量)，其中主单元或者这两个数字输入单元1，2经由适当的诊断信息向控制器报告NAMUR传感器7故障。
F)NAMUR传感器7短路：
短路电流(>7mA)接近完全地流经数字输入单元1(主单元)的测量电阻12；在数字输入单元1，2的输入端10，11处检测到相同的电压降，从而这两个数字输入单元1，2探测到相同的信号状态(NAMUR传感器7短路)。该探测出的信号状态借助数字输入单元1(主单元)的控制装置3传输给控制器。

Claims (8)

1.一种具有至少两个外围单元(1，2)和一个传感器(7)的装置，其中每一个所述外围单元(1，2)配置具有：用于将所述传感器(7)连接至电源电压的接口(5，6)；用于连接所述传感器(7)的传感器输入端(10，11)；以及用于检测代表信号状态的传感器电流的测量电阻(12，13)，其特征在于，所述外围单元(1，2)通过通信线路(18)彼此连接，并且每个所述外围单元(1，2)都配备有切换装置，所述切换装置设计用于取决于经由所述通信线路(18)传输的切换信号低欧姆或者高欧姆地接通所述传感器输入端(10，11)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每个所述外围单元(1，2)还设计用于接收控制器的另外的切换信号。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述切换装置设计用于通过开关(14，15)将能跨接的高欧姆的电阻(16，17)与所述测量电阻(12，13)串联连接或者将低欧姆的所述测量电阻(12，13)与高欧姆的电阻并联连接。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，如果所述外围单元(1，2)中的一个低欧姆地接通，所述外围单元(1，2)中的另一个高欧姆地接通。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，如果所述外围单元(1，2)中的一个低欧姆地接通，所述外围单元(1，2)中的另一个高欧姆地接通。
6.一种用于根据权利要求1至5中任一项所述的装置的外围单元，具有：用于将传感器(7)连接至电源电压的接口；用于连接所述传感器(7)的传感器输入端(10，11)；以及用于检测代表信号状态的传感器电流的测量电阻(12，13)，其特征在于，所述外围单元(1，2)具有用于连接通信线路(18)的接口(19，20)，并且所述外围单元(1，2)配备有与所述测量电阻(12，13)串联连接的切换装置，所述切换装置设计用于取决于经由所述通信线路(18)传输的切换信号高欧姆地或者低欧姆地接通所述传感器输入端(10，11)。
7.根据权利要求6所述的外围单元，其特征在于，所述外围单元(1，2)设计用于接收控制器的另外的切换信号。
8.根据权利要求6或7所述的外围单元，其特征在于，所述切换装置设计用于通过开关(14，15)将能跨接的高欧姆的电阻(16，17)与所述测量电阻(12，13)串联连接或者将低欧姆的所述测量电阻(12，13)与高欧姆的电阻并联连接。
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