CN107153351A - 作动器的冗余控制系统以及用于其冗余控制的方法 - Google Patents

作动器的冗余控制系统以及用于其冗余控制的方法 Download PDF

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Abstract

两个冗余的控制计算机分别通过总线与各一个外围工作站连接，该外围工作站包括接口模块和至少一个外围组件。待控制的作动器连接在两个外围工作站的分别形成一个输出组件的两个外围组件的彼此退耦的信号输出端上。由控制计算机为作动器产生的输出值由接口模块传递给输出组件。在探测到总线侧的干扰时，相应的接口模块向所有下级布置的输出组件传输用于输出替代值的指令。然而，因为这在冗余运行中会导致有错误的运行状态，因此在其上连接有作动器的两个输出组件通过通信连接交换关于获得这种指令的信息并且仅仅当相应的另外的输出组件同样收到这样的指令时才执行该指令。

Description

作动器的冗余控制系统以及用于其冗余控制的方法
技术领域
过程控制系统，例如像西门子的SIMATIC PCS 7用于对技术设施中的过程进行自动化控制并且通常按照等级地通过多个层面进行结构化。在现场层面上通过现场设备来检测技术过程的状态(传感器)或者有针对性地影响该过程(作动器)。在控制层面中，控制计算机(具有CPU单元的存储器可编程控制装置)执行靠近现场的控制和调节功能，其中，该控制计算机接收来自传感器，例如压力变换器的输入值并且将输出值输出给作动器，例如用于调节阀的位置调节器。在过程引导层面上，在主机中进行对过程的上级控制和调节。
背景技术
在现场设备与控制计算机之间的数据交换通常通过数字现场总线，例如像PROFIBUS DP或者PROFINET实现。因为现场设备通常自己不具有相应的现场总线接口，因此其通过分散式的外围工作站连接至现场总线。外围工作站由用于连接至现场总线的接口模块(头组件)和用于连接现场设备的多个外围组件(数字和模拟的输入和输出组件)构成。外围组件能够具有一个或者多个通道，在其上能够分别连接一个现场设备。
高可用性的系统，例如其由DE 102004034451 A1或者WO 2005/057306 A1所公开的那样，具有冗余地设计的中央功能并且构造具有两个分离的控制计算机。在所谓的“热待机”运行的情况中，这两个控制计算机在无干扰的情况下同时处理相同的控制程序，然而其中仅仅一个控制计算机是活跃的并且利用其输出值对过程进行控制。在故障的情况中，功能正常的控制计算机单独承担过程的控制。这两个控制计算机的输出值通过单独的输出组件提供给作动器，其中，如DE 102004034451 A1所示出的那样，在输出组件的信号输出端处的退耦二极管在一些情况中导致数字输出值的或运算或者模拟的输出值相加。为了交换例如状态和平衡信息的形式的信息，设置有冗余耦合装置，通过其将控制计算机彼此连接。
在由WO 2005/057306 A1所公开的冗余控制系统中，第一控制计算机通过第一总线与第一外围工作站的接口模块，例如西门子的ET200M连接，其包括至少一个外围组件。第二冗余控制计算机通过第二总线与第二外围工作站的接口模块连接，其同样包括至少一个外围组件。作动器布置在两个外围组件的信号输出端处，其形成输出组件并布置在不同的外围工作站中。两个外围工作站的每个接口模块设计用于，通过总线将从相应的控制计算机为作动器获得的输出值传输给相应的输出组件，用于输出给作动器。每个输出组件设计用于对其信号输出端上的干扰进行识别并且呈现给控制计算机，从而实现切换到无干扰的外围单元上。
EP 0 478 288A2公开了一种用于作动器的冗余的自动化系统，该作动器连接在两个输出组件的彼此断开耦合的信号输出端上。两个输出组件通过共同的总线与两个冗余的控制计算机连接。
由EP 2 806 316 A1公开了一种用于传感器的冗余自动化系统，该传感器冗余地连接在两个布置在不同的外围工作站中的外围组件上。两个外围工作站分别包含一个接口模块，其利用该接口模块通过共同的总线连接至自动化设备。
由EP 2 799 947 A1已知一种具有冗余的适配器单元的装置，以将现场设备，例如作动器冗余地连接至两个布置在不同的外围工作站中的外围组件上。
由EP 2 860 598 A1已知一种用于传感器和作动器的冗余的自动化系统，二者连接在外围工作站上。外围工作站通过总线连接至两个子系统，例如自动化设备，其如由上述的DE 10 2004 034 451 A1或者WO 2005/057306 A1所公开的那样循环和同步地处理相同的控制程序并且为此通过同步连接器彼此连接。在此仅仅一个子系统是活跃的，其中在故障的情况中切换到另外的子系统上。为了使得该切换不会对待控制的技术过程产生干扰影响，允许在所连接的外围设备的输出端上出现死区时间，在死区时间期间输出端保持在其最后有效的过程输出值上。
冗余运行的一个问题在于，当布置在输出组件之前的装置，例如像控制计算机或者现场总线被干扰时或者故障时，确定系统的特定反应。在PCS7系统中，这样的现场总线侧的干扰或者这样的故障由外围工作站的接口模块探测，从而由此外围工作站的所有输出组件都通过一个指令(命令“Output Disable”)导致最后获得的输出值被冻结。这在上述的具有两个控制计算机和两个分散式外围工作站的冗余运行中导致，即在直至此时活跃的控制计算机被干扰的情况中在下级布置的输出组件的信号输出端上保持由该活跃的控制计算机最后输出的输出值，而布置在之前不活跃的并且现在活跃的控制计算机之后的输出组件输出最新的输出值。在模拟输出的情况中，作动器因此获得由冻结的和最新的输出值构成的和，并且在数字输出的情况中，在无效的情况中逻辑值持续为“一”。确定出的反应机制因此导致完全的冗余故障。
解决该问题的一个可能性在于，在两个外围工作站中的每一个中布置一个附加的数字输出组件作为辅助组件，其在获得指令“Output Disable”时对外部的配电继电器进行驱控，从而将为冗余运行设置的输出组件与电源断开。由此，输出组件的信号输出被强制性地带入到无电流和无电压的状态，其不会通过或运算对由另外冗余的输出组件提供的输出值产生影响。
虽然该问题利用也引起成本提高的这种措施得到解决，但是该措施是有缺陷的，即冗余输出组件在去掉其电源时相对长时间地保持不受控制和未定义的状态，从而不能实现快速切换到相应的另外的输出组件上。
发明内容
根据本发明，以上列出的问题简单地通过一种冗余的控制系统和相应的方法解决，二者相应地也实现了在冗余的输出组件之间的快速的切换。
因此本发明的内容是一种用于作动器的冗余的控制系统，
具有第一控制计算机，该第一控制计算机通过第一总线与第一外围工作站的接口模块连接，该第一外围工作站包含至少一个外围组件，
具有冗余的第二控制计算机，该第二控制计算机通过第二总线与第二外围工作站的接口模块连接，该第二外围工作站同样包含至少一个外围组件，其中
作动器连接在两个外围工作站的分别形成一个输出组件的两个外围组件的彼此退耦的信号输出端上，
每个接口模块设计用于，
通过总线将从相应的控制计算机为作动器获得的输出值传输给输出组件，以输出给作动器，以及
在探测到总线侧的干扰时，向输出组件和外围工作站的所有另外的输出组件传输用于将替代值输出给其信号输出端的指令，并且此外，
在其信号输出端上连接有作动器的两个输出组件通过通信连接彼此连接并且设计用于交换关于获得用于输出替代值的指令的信息，并且该指令仅仅在相应的另外的输出组件同样收到这样的指令时才将被执行。
因此本发明的内容此外是一种用于在控制系统中对作动器进行冗余的控制的方法，其中，
第一控制计算机通过第一总线与第一外围工作站的接口模块连接，该第一外围工作站包含至少一个外围组件，
第二控制计算机通过第二总线与第二外围工作站的接口模块连接，该第二外围工作站同样包含至少一个外围组件，以及
作动器连接在两个外围工作站的分别形成一个输出组件的两个外围组件的彼此退耦的信号输出端上，其中，
每个接口模块通过总线将从相应的控制计算机为作动器获得的输出值传输给输出组件，以输出给作动器，以及
在探测到总线侧的干扰时，向输出组件和外围工作站的所有另外的输出组件传输用于将替代值输出给其信号输出端的指令，并且此外
在其信号输出端上连接有作动器的两个输出组件，通过通信连接交换关于获得用于输出替代值的指令的信息，并且该指令仅仅在相应的另外的输出组件同样收到这样的指令时才被执行。
替代值尤其可以是最后获得的输出值，但是也可以是另外的、与按规定运行的输出值不同的参数化的值。
根据本发明的冗余的控制系统的输出组件可以同样是数字的或者模拟的输出组件。
对于两个冗余的输出组件多通道地设计的情况，仅仅在相应的另外的输出组件同样获得这样的指令时才执行用于输出替代值的指令的这种限制仅仅适用于以下的通道，其中作动器通过二极管连接到该通道上。
附图说明
为了进一步描述本发明，接下来对唯一的附图1进行参考，该附图在示意性的框图中示出了根据本发明的冗余控制系统的实施例。
具体实施方式
图1中示出了过程控制系统的一个部段，其具有：在过程引导层面中的管理装置1；在控制层面中的、存储器可编程控制装置的形式的第一和第二控制计算机2，3；以及在现场层面上的作动器4。现场层面包含另外的、在此没有示出的现场设备，其以传感器的形式检测技术过程的状态并且设计成作动器以便对过程有针对性地影响。管理装置1和控制计算机2，3通过设备总线5(例如以太网)彼此连接。为了产生用于作动器4的输出值，两个控制计算机2，3在冗余运行中分别对一个且相同的控制和应用程序进行处理，其中，其此外对通过单独的数字现场总线6，7(例如PROFIBUS DP)从传感器获得的输入值进行处理。通过第一和第二分散式外围工作站8，9将现场设备连接在两个控制计算机2，3的现场总线6，7上。两个外围工作站8，9中的每一个都由用于连接至相应的现场总线6，7的接口模块10，11(头部组件)以及多个单通道或者多通道的外围组件构成，在此仅仅分别示出了其中一个输出组件12，13。作动器4通过退耦二极管14，15连接在这两个输出组件12，13的信号输出端16，17上。接口模块10从相应的控制计算机2，3获得用于作动器4的输出值，并传递输出值给输出组件12，13，其中用于作动器4的二极管14，15对数字值进行析取(或)运算并且对模拟值(电流)进行相加。这两个输出组件12，13都是活跃的。其在无故障的冗余运行中获得两个相同的输出值。两个控制计算机2，3自身相应地进行平衡。
接口模块10，11相应地对其所连接到的现场总线6，7进行监控，并且在干扰的情况中，例如在控制计算机故障(例如运行状态为停止，电缆被拉走，等等)中向涉及的外围工作站8，9的所有输出组件输出指令，以用于输出例如最后获得的输出值形式的替代值。该行为在非冗余运行中是必要的。然而，这在冗余运行中导致有故障的运行状态。为作动器4冗余地提供输出值的输出组件12，13因此仅在以下时刻执行该指令，即当且只要两个输出组件获得这样的指令时。为了能够实现前述情况，输出组件通过通讯连接(例如RS485)来交换关于获得用于输出替代值的指令的信息。由此阻止了，作动器4例如替代当前的模拟输出值获得该当前模拟输出值和一个根据指令冻结的输出值的和。

Claims (6)

1.一种用于作动器(4)的冗余控制系统，
具有第一控制计算机(2)，所述第一控制计算机通过第一总线(6)与第一外围工作站(8)的接口模块(10)连接，该第一外围工作站包含至少一个外围组件，
具有冗余的第二控制计算机(3)，所述第二控制计算机通过第二总线(7)与第二外围工作站(9)的接口模块(11)连接，该第二外围工作站同样包含至少一个外围组件，其中
所述作动器(4)连接在两个外围工作站(8，9)的分别形成一个输出组件(12，13)的两个外围组件的彼此退耦的信号输出端(16，17)上，
每个接口模块(10，11)设计用于，
通过总线(6，7)将从相应的控制计算机(2，3)为所述作动器(4)获得的输出值传输给所述输出组件(12，13)，以输出给所述作动器(4)，以及
在探测到总线侧的干扰时，向所述输出组件(12，13)和所述外围工作站(8，9)的所有另外的输出组件传输用于将替代值输出给所述输出组件的信号输出端(16，17)的指令，并且此外，
在所述信号输出端(16，17)上连接有所述作动器(4)的两个所述输出组件(12，13)通过通信连接(18)彼此连接并且设计用于交换关于获得用于输出替代值的指令的信息，并且该指令仅仅在相应的另外的输出组件同样收到这样的指令时才被执行。
2.根据权利要求1所述的冗余的控制系统，其特征在于，两个所述输出组件(12，13)是数字输出组件。
3.根据权利要求1所述的冗余的控制系统，其特征在于，两个所述输出组件(12，13)是模拟输出组件。
4.根据前述权利要求中任一项所述的冗余的控制系统，其特征在于，在所述输出组件(12，13)的多通道构造的情况中，所述输出组件设计为，仅仅对于信号输出端连接至所述作动器(4)的通道受限地执行为输出所述替代值而获得的指令，即所述另外的输出组件也接收到这样的指令。
5.一种用于在控制系统中对作动器(4)进行冗余控制的方法，其中，第一控制计算机(2)通过第一总线(6)与第一外围工作站(8)的接口模块(10)连接，该第一外围工作站包含至少一个外围组件，
冗余的第二控制计算机(3)通过第二总线(7)与第二外围工作站(9)的接口模块(11)连接，该第二外围工作站同样包含至少一个外围组件，其中
所述作动器(4)连接在两个外围工作站(8，9)的分别形成一个输出组件(12，13)的两个外围组件的彼此退耦的信号输出端(16，17)上，其中，
每个接口模块(10，11)通过总线(6，7)将从相应的所述控制计算机(2，3)为所述作动器(4)获得的输出值传输给所述输出组件(12，13)，以输出给所述作动器(4)，以及
在探测到总线侧的干扰时，向所述输出组件(12，13)和所述外围工作站(8，9)的所有另外的输出组件传输用于将替代值输出给所述输出组件的信号输出端(16，17)的指令，并且此外，
在所述信号输出端(16，17)上连接有所述作动器(4)的两个所述输出组件(12，13)通过通信连接(18)交换关于获得用于输出替代值的指令的信息，并且该指令仅仅在相应的另外的输出组件同样收到这样的指令时才被执行。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述输出组件(12，13)的多通道构造的情况中，所述输出组件仅仅对于信号输出端连接至所述作动器(4)的通道受限地执行用于输出所述替代值的指令，即所述另外的输出组件也接收到这样的指令。
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CN107738739A (zh) * 2017-09-14 2018-02-27 北京精密机电控制设备研究所 一种新型离合器及基于离合器实现的并联冗余机电作动器
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