CN107690602B - 用于可编程逻辑控制器的电能供应系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于可编程逻辑控制器的电能供应系统，包括：‑第一电能供应模块(1)，其配置为在主模式下操作以便向所述可编程逻辑控制器传送至少一个电源电压；‑第二电能供应模块(2)，其配置为在从模式下操作，以便在所述第一电能供应模块故障的情况下向所述可编程逻辑控制器传送所述电源电压；‑控制模块，配置为暂时地控制所述第一电能供应模块(1)切换到从模式并且控制所述第二电能供应模块(2)切换到主模式；‑测试模块，其布置为当所述第二电能供应模块(2)切换到主模式时，测试所述第二电能供应模块(2)。

Description

用于可编程逻辑控制器的电能供应系统
技术领域
本发明涉及一种用于可编程逻辑控制器的电能供应系统。该电能供应系统的特别之处在于其包括两个电能供应模块，用于冗余。
现有技术
在安全相关的应用中，有必要保护负责控制安全相关应用的可编程逻辑控制器的电能供应。为了实现这一点，经常采用两个电能供应模块，以用于冗余，被配置为作为主模块操作的一个主电能供应模块，以及被配置为作为从模块操作的备用电能供应模块。这样，在主电能供应模块故障的情况下，备用电能供应模块负责接管。在这种类型的架构中，两个电能供应模块共同承担提供电流的任务是常见的。尽管如此，备用电能供应模块仍然老化。因此，当主电能供应模块故障时，不保证备用电能供应模块能够接管。
文献US2009/158070A1描述了多个电能供应模块之间的冗余的解决方案。所提出的解决方案在于通过测量每个模块的输入处可用的输入电压来确定系统的冗余操作模式。
本发明的目的在于提出一种电能供应系统，该电能供应系统包括被配置为以主模式操作的第一电能供应模块和被配置为以从模式操作的第二电能供应模块，并且这使得可以保证在任何情况下功率都供应到可编程逻辑控制器。
发明内容
该目的通过一种用于可编程逻辑控制器的电能供应系统来实现，其包括：
-第一电能供应模块，其配置为在主模式下操作以便向所述可编程逻辑控制器传送至少一个电源电压；
-第二电能供应模块，其配置为在从模式下操作，以便在所述第一电能供应模块故障的情况下向所述可编程逻辑控制器传送所述电源电压；
其特征在于，所述系统包括：
-控制模块，布置为暂时地控制所述第一电能供应模块切换到从模式，并且控制所述第二电能供应模块切换到主模式；
-测试模块，布置为当所述第二电能供应模块切换到主模式时，以电流测试所述第二电能供应模块。
在文献US2009/158070A1中描述的解决方案中，其仅仅相当于确定电源系统的冗余操作模式。所提出的解决方案没有使得可以确保每个从模块在需要时仍保持能够成为主模块。
根据一个特质，所述测试模块包括：
-测量模块，其布置为当所述第二电能供应模块在主模式下时，测量由所述第二电能供应模块传送的电流；
-比较模块，其用于将所测量的电流与向所述可编程逻辑控制器供电所需的最小阈值比较。
根据一个特质，所述测试模块并入在所述第二电能供应模块内。
根据另一特质，所述测试模块由所述第二电能供应模块循环地启动。
根据另一特质，所述第二电能供应模块的所述测试模块包括测量模块和比较模块，所述测量模块用于测量由模块传送的电压，所述比较模块用于将所述测量的电压与至少一个阈值比较。
根据另一特质，所述阈值根据模块是在主操作模式下还是在从操作模式下来确定。
根据另一特质，所述第一电能供应模块包括测试模块，所述测试模块包括测量模块和比较模块，所述测量模块用于测量由模块传送的电压，所述比较模块用于将所述测量的电压与至少一个阈值比较。所述阈值根据模块是在主操作模式下还是在从操作模式下来确定。
附图说明
其他特征和优点将在以下关于附图给出的详细描述中显现，其中：
-图1示出本发明的电能供应系统的架构；
-图2示出在本发明的电能供应系统中实施的控制方法。
具体实施方式
本发明的电能供应系统旨在向可编程逻辑控制器供应电能。
以已知的方式，可编程逻辑控制器包括例如经由背板总线3连接到彼此的多个模块。可编程逻辑控制器特别地包括中央单元模块4和多个输入/输出模块5。为了操作，可编程逻辑控制器包括向所有模块传送至少一个电源电压的电能供应系统。电源电压通过电能供应系统施加到背板总线3。
参照图1，本发明的电能供应系统包括第一电能供应模块1和第二电能供应模块2。两个模块1、2被关联以用于冗余，以便始终传送向可编程逻辑控制器供应电力所需的至少一个电压。
控制器的模块1、2、4、5例如经由连接器全部连接到背板总线3，模块之间交换的电能供应和数据通过该连接器传递。通过总线，模块借助于通信协议(例如I2C(集成电路间)协议)彼此通信。
第一电能供应模块1和第二电能供应模块2各自包括分别被称为第一微控制器UC1和第二微控制器UC2的微控制器。每个微控制器包括通信模块，该通信模块被布置为使用所选的通信协议通过总线3发送/接收消息。
在附图1中，背板总线3特别地包括：
-用于在模块的两个微控制器之间通信的两条线路30、31(I2C总线)；
-一条电能供应线路32，两个模块向该电能供应线路32施加电压以便为可编程逻辑控制器的模块供电；
-一条线路33，系统的每个微控制器可以在该线路33之上向中央单元模块发送信号，以便通知其不再能够提供供电的冗余；
-一条线路34，系统的每个微控制器在该线路34之上通知中央单元模块和可编程逻辑控制器的其它模块它们能够传送所需电压。
在本发明的电能供应系统中，模块中的一个被配置为以主模式(M)操作，而另一个被配置为以从模式(S)操作。这两个模块提供电压，但是与现有的某些解决方案不同，只有处于主模式的模块监视向可编程逻辑控制器供电而传送的电流。
主模式和从模式可以基于硬件被配置在每个模块上。主模式或从模式下的配置由等于1或0的值A来确定，该值A由每个模块的微控制器读取的位获取。当位A取值0时，模块处于主模式，当位A取值1时，模块处于从模式。
第一电能供应模块1包括用于连接到电网络并从该网络接收电源电压的供电输入。存在于模块中的变压器T1使得可以将来自网络的电压转换为用于向可编程逻辑控制器以及可能向连接到控制器的输入/输出模块的传感器或致动器供应电能的一个或多个电压。
第一电能供应模块1包括测量器件，该测量器件用于测量由模块传送的电压以及为由模块施加的每个电压而由电能供应模块产生的电流10。这些测量器件特别地包括存在于第一微控制器中的基于软件的测量模块，其接收模拟电压和电流测量数据。
第一微控制器包括用于测试由模块传送的电压和电流的测试模块。测试模块特别地包括第一比较模块，其被布置成验证：每个电压包括在下阈值和上阈值之间并因此符合模块的主操作模式或从操作模式。上阈值和下阈值被限定，并且对于模块的主操作模式和从操作模式中的每个是不同的。
测试模块包括第二比较模块，其被布置为验证：为每个施加电压所传送的每个电流高于预定阈值，所述阈值被限定为当模块处于主模式时足以用于被供电的部件的操作。
第一微控制器UC1包括控制模块，其被布置为发送控制信号以便对应于模块被配置为所处于的主模式或从模式而向总线3施加电压。
第二电能供应模块2包括供电输入，其用于连接到电网络和从该网络接收电源电压。存在于模块中的变压器T2使得可以将来自网络的电压转换为用于向可编程逻辑控制器以及可能向连接到控制器的输入/输出模块的传感器或致动器供电的一个或多个电压。
第二电能供应模块2包括测量器件，该测量器件用于测量由模块传送的电压以及为由模块施加的每个电压而由电能供应模块产生的电流20。这些测量器件特别地包括存在于微控制器中的基于软件的测量模块，其接收模拟电压和电流测量数据。第二微控制器UC2包括用于测试由模块传送的电压和电流的测试模块。测试模块特别地包括第一比较模块，其被布置成验证：每个电压包括在下阈值和上阈值之间并因此符合模块的主操作模式或从操作模式。测试模块包括第二比较模块，其被布置为验证：为每个施加电压所传送的每个电流高于预定阈值，所述阈值被限定为当模块处于主模式时足以用于被供电的部件的操作。
第二微控制器UC2包括控制模块，该控制模块被布置为发送控制信号以便对应于模块被配置为所处于的主模式或从模式而向总线3施加电压。
当电能供应模块被配置为在主模式下操作时，该电能供应模块能够传送被称为高电压(H)的电压，并且当其被配置成在从模式下操作时，其能够传送被称为低电压(L)的电压。贯穿剩余的说明书和在附图中，将认为每个模块能够传送两个电压24V和3.3V，其被分解为24V H、24V L和3.3V H、3.3V L。
两个微控制器UC1、UC2特别地被布置为彼此通信并且控制被配置为在从模式下操作的电能供应模块的临时测试的实施。测试可以定期启动或由两个模块决定。通常，测试在于将第二电能供应模块切换到主模式，并且将第一电能供应模块切换到从模式，然后测量由第二模块传送的电流并将其与之前针对第一模块测量的电流比较。如果这些值相等，则意味着第二模块仍然可运行，并准备好在第一模块发生故障时从第一模块接管。一旦测试完成，每个电能供应模块返回到其初始配置，即第一模块返回到主模式，第二模块返回到从模式。
更准确地，实施的算法如图2所示。每个模块包括例如三个指示灯，例如发光二极管，其旨在提供关于各种操作状态的信息。对于这两个模块，第一灯D1、D10照亮以指示该模块正正确地操作。第二灯D2、D20照亮以指示该模块处于主模式。如果第二灯D2、D20关闭，则这意味着该模块处于从模式。第三灯D3、D30用于指示冗余状态。如果此灯关闭，则表明该模块有故障，因此不能冗余操作。
基于这些不同的元素，所实施的算法如下：
E1：第一步在于启动电能供应系统。
E2和E20：第一电能供应模块1被配置成在主模式(A＝0)下操作，并且第二电能供应模块2被配置成在从模式(A＝1)下操作。第一电能供应模块1然后能够传送电压24V H和3.3V H，并且第二电能供应模块2然后能够传送电压24V L和3.3V L。灯D2被照亮用于第一模块1并且灯D20被关闭用于第二模块2。
E4：第一模块1的第一微控制器UC1被配置为在主模式下操作，启动其测试模块以验证：由模块传送的电压和电流确实被包括在针对主模式所限定的阈值之间。如果一切适当，则第一模块1保持相同的配置。该测试模块由第一微控制器UC1循环地启动。
E5：但是，如果电压不适当或者所传送的电流不足，则第一模块1被切换到从模式。第一微控制器命令第二灯D2关闭。第一模块1然后被配置为传送电压24V L和3.3V L。
E6：第一微控制器UC1通知第二微控制器UC2：第二模块2必须被配置为在主模式下操作。第二微控制器UC2命令第二模块2切换到主模式并且第二灯D20打开。第二模块2然后被配置为传送电压24V H和3.3V H。
E40：如在第一模块中，第二微控制器UC2被布置为循环地启动其测试模块以测试第二模块2可以传送的电压。该测试在于将两个电压24V和3.3V相对于上面限定的两个上阈值和下阈值进行比较。
如果所测量的电压不可接受，则第二模块2保持在从模式，并且第二微控制器UC2命令第三灯D30关闭，该第三灯D30关闭指示第二模块不能提供冗余(E80)。
E50：然而，如果测量的电压确实在预定限度内，则两个微控制器UC1、UC2被布置成决定是否实施被配置为在从模式下操作的第二模块2的测试。该测试例如是循环执行的。
如果不需要测试，则第二模块2保持在从模式(步骤E20)。
E60：如果需要测试，则第一微控制器UC1启动控制模块以命令第一模块1暂时切换到从模式，并且第二微控制器UC2启动控制模块以命令第二模块2暂时切换到主模式。
E70：第二微控制器UC2启动其测试模块以测量当电压为3.3V和24V时第二模块2能够传送的电流。测试在于将测量的电流与当第一模块处于主模式时由第一模块传送的电流值比较。后者的电流值例如已经事先由第一模块1存储并且当命令测试时被发送到第二模块2。
如果测试返回肯定结果，则第二模块2返回到从属模式，并且第一模块1返回到主模式(从而返回到步骤E2和E20)。
E80：如果测试返回至少一个否定结果，则这意味着第二模块2有故障并且不能提供冗余。第一微控制器UC1命令第一模块1切换到主模式，第二微控制器UC2命令第二模块2切换到从模式。第二微控制器UC2命令第三灯D13关闭，指示第二模块2不能提供冗余。
根据本发明，两个微控制器UC1、UC2通过总线交换消息。本发明的系统设想，如果配置成在主模式下操作的模块在预定持续时间之后不响应从模块，则从模块自动切换到主模式。
根据本发明，当然后被配置成在主模式下操作的电能供应模块故障时，另一电能供应模块接管并被配置成从从模式切换到主模式。故障模块被新的模块替换，然后该新的模块被配置为在从模式下操作。即使该新的模块取代最初处于主模式的模块，新的模块也不被配置为在主模式下操作，而是在从模式下操作。
因此，本发明的解决方案呈现许多优点，其中：
-循环地测试从模块使得，即使在主模块故障的情况下，也可以保证电能供应；
-强制主模块老化并维持从模块；
-通知模块故障。

Claims (8)

1.一种用于可编程逻辑控制器的电能供应系统，包括：
-第一电能供应模块(1)，其配置为在主模式下操作以便向所述可编程逻辑控制器传送至少一个电源电压；
-第二电能供应模块(2)，其配置为在从模式下操作，以便在所述第一电能供应模块故障的情况下向所述可编程逻辑控制器传送所述电源电压；
其特征在于，所述系统包括：
-控制模块，其布置为暂时地控制所述第一电能供应模块(1)切换到从模式并且控制所述第二电能供应模块(2)切换到主模式；
-测试模块，其布置为当所述第二电能供应模块(2)切换到主模式时，以电流测试所述第二电能供应模块(2)。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测试模块包括：
-测量模块，其布置为当所述第二电能供应模块(2)在主模式下时，测量由所述第二电能供应模块(2)传送的电流；
-比较模块，其用于将所测量的电流与向所述可编程逻辑控制器供电所需的最小阈值比较。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述测试模块并入在所述第二电能供应模块内。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述测试模块由所述第二电能供应模块循环地启动。
5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述第二电能供应模块的所述测试模块包括用于测量由所述第二电能供应模块传送的电压的测量模块和用于将所述测量的电压与至少一个阈值比较的比较模块。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述阈值根据所述第二电能供应模块是在主操作模式下还是在从操作模式下来确定。
7.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述第一电能供应模块包括测试模块，所述测试模块包括用于测量由所述第一电能供应模块传送的电压的测量模块和用于将所述测量的电压与至少一个阈值比较的比较模块。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述阈值根据所述第一电能供应模块是在主操作模式下还是在从操作模式下来确定。
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