CN108369403A - 现场总线耦合器、系统和用于配置故障保险模块的方法 - Google Patents

现场总线耦合器、系统和用于配置故障保险模块的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于配置故障保险模块(15)的方法，该故障保险模块通过子总线(12)连接到工业自动化系统的现场总线耦合器(11)，从而通过现场总线(3)传输模块(15)的安全相关数据，所述方法包括以下步骤：通过现场总线耦合器(11)确定与现场总线(3)兼容的安全协议(5)的类型，以及通过现场总线耦合器(11)向至少一个故障保险模块(15)发送配置指令，从而使模块(15)采用所确定类型的安全协议(5)。另外，本发明还涉及现场总线耦合器(11)或包含现场总线耦合器(11)和至少一个故障保险模块(15)的系统，该现场总线耦合器(11)或该系统被设计为实施所述方法。

Description

现场总线耦合器、系统和用于配置故障保险模块的方法
技术领域
本发明涉及一种用于配置故障保险模块(以下也被简称为FS模块)的方法，该模块通过子总线被连接到工业自动化系统的现场总线耦合器，从而经现场总线传输FS模块的安全相关数据。本发明还涉及一种现场总线耦合器以及一种适合于实施所述方法的包含现场总线耦合器和FS模块的系统。
背景技术
在工业自动化系统中，现场总线被用于在一个或多个中央控制计算机(被称为主机或可编程逻辑控制器(PLCs))与现场设备之间传输控制数据和/或测量值。例如，现场设备可以是与工业自动化系统相关的传感器和/或致动器。通常并不是每一个单独的现场设备都被直接耦合到现场总线，而是如之前所述那样经现场总线耦合器进行耦合，现场总线耦合器一方面构成现场总线与专用子总线之间的接口，另一方面使多个具备总线接入能力的模块可以被耦合到所述子总线。
这些模块的多种不同的配置是已知的，例如，所述模块可以提供数字的和/或模拟的输入和/或输出通道，这些模块被设计为信号转换器或继电器模块、计数器模块或用于其他总线的接口模块。这种包括现场总线耦合器和相连模块的系统也被整体地称为模块化分散式输入与输出站点，或者简称为“远程I/O”。
为了处理与安全相关的数据，工业自动化系统要求一些在现场总线和/或子总线中通常使用的协议所不能保证的特殊安全预防措施。为了实现安全的数据传输，例如带有非常高的数据冗余水平以及提供用于检测丢失的数据和/或出错的数据的监控机制，已经开发出了特殊的安全相关的数据协议。这种功能上实现安全传输的协议也被称为故障保险协议或安全协议。例如，在本文中提到了"PROFIsafe"协议或"Fail Safe over EtherCAT(FSoE)"协议或"OpenSAFETY"协议。
由于安全协议是数据密集和处理密集的，通常不是所有的现场总线通信都通过这些协议来完成。取而代之的是安全相关数据根据安全协议被转换成数据包(容器)，然后采用“普通现场总线协议”传输所述数据包。例如，安全协议的校验和保证了在经现场总线或子总线传输的期间的容器的非刻意讹误被排除或不发生漏检。
为了实现安全相关数据的无瑕疵传输，在设立和配置工业自动化系统时必须注意所有的安全相关组件(即FS模块)以及评估安全相关数据的控制计算机(例如可编程逻辑控制器(PLC))使用一致的安全协议，所述安全协议还必须得到已采用现场总线协议的支持且与已采用现场总线协议兼容。
发明内容
本发明的目标是以一种理论上简单而泛用的方式阻止不兼容的安全相关组件的布置，由此增强工业自动化系统的功能可靠性。另一个目标是创造一种能增强工业自动化系统的安全性的现场总线耦合器或具有现场总线耦合器和相连FS模块的系统。
所述目标通过具备相应独立权利要求的特征的方法、现场总线耦合器以及包含现场总线耦合器与至少一个相连FS模块的系统而实现。有利的实施例和进一步的发展是从属权利要求的主题。
根据本发明的用于配置在引言中所提到类型的FS模块的方法包括以下步骤：现场总线耦合器确定与现场总线兼容的安全协议类型。现场总线耦合器随后向至少一个FS模块发送配置指令，从而使所述FS模块采用所确定类型的安全协议。
现场总线耦合器将现场总线协议转换成在子总线中所使用的协议，或者，如果必须确保其内容不受影响，则将其封装入协议依从型容器内，如同安全协议所做的那样。因此，现场总线耦合器作为现场总线与FS模块之间的联结。现场总线耦合器确定所采用的安全协议以及对相连FS模块的后续配置是有利的，因为不是每一个FS模块都需要独立地执行这样的评价或者能够执行这样的评价。
因此，根据本发明，实现自动地配置至少一个FS模块以用于正确的安全协议。由此，自动化了FS模块中的安全协议的正确配置，且不容易出错。
就本专利申请而言，现场总线耦合器可以是一种经现场总线而连接到控制计算机或安全控制计算机的独立组件。但是，现场总线耦合器也可以被集成在控制计算机或安全控制计算机中，例如紧凑型控制器的情况。紧凑型控制器直接提供能够与包括安全模块在内的输入与输出模块相连的子总线。在内部，至少在物理层上，但典型地也在逻辑层上，现场总线协议被集成的现场总线耦合器转换成子总线协议。
在所述方法的有利实施例中，基于对经现场总线和子总线被发送给故障保险模块的消息的评价来确定安全协议的类型。这利用了这一事实，即：在系统起动后，消息通常例如从控制计算机或安全控制计算机发送给任何已有的FS模块以用于采集或配置。这些消息能被现场总线耦合器评价以确定所采用的安全协议的类型。
所以，出于评价的目的，可以优选地以各种预定方式生成表征安全协议类型的消息校验和。然后，基于与所述消息中所含检验和的比较来确定安全协议的类型。这利用了各种已知类型的安全协议采用不同的算法来确定校验和这一事实。所采用的生成校验和的方式能通过试错法被确定，从而推导出所用的安全协议。
在所述方法的另一种有利实施例中，首先通过现场总线耦合器确定已经被连接到或将要被连接到现场总线耦合器的现场总线的类型。然后，基于消息确定安全协议的类型。被采用的某种类型的现场总线通常、或者在部分情形下必然与将被采用的某种安全协议相关联。当现场总线耦合器已经检测出被采用的安全协议的类型后，优选地从现场总线耦合器经子总线将配置指令发送到至少一个故障保险模块，从而使故障保险模块采用已确定类型的安全协议。由于已经被连接到或被设置为将要被连接到现场总线的现场总线耦合器位于现场总线与FS模块之间，所以现场总线耦合器特别适合于确定已经被连接或将要被连接的现场总线的类型，因此能选择合适的安全协议以及通过子总线配置FS模块。
在所述方法的另一个有利实施例中，在连接有多于一个FS模块的情形下，前述配置方法针对几个、优选所有的被连接到子总线的故障保险模块而执行。
在所述方法的另一有利实施例中，确定故障保险模块之一原则上是否不适合于用于所需要的安全协议。例如，FS模块可能仅适合用于一种特殊的不兼容的安全协议，以及可能是不可重新配置的。还可想到的是，FS模块基本上是可重新配置的且可以采用不同的安全协议工作而不是仅采用优选的那一种协议工作。如果识别出了这样的不兼容的FS模块，则配置过程可以被中断，且报警信号直接发给现场总线耦合器，或者报警消息从现场总线耦合器经现场总线发给控制计算机、特定的安全控制计算机、或工业自动化系统的监控系统。
一种引言中所述类型的根据本发明的现场总线耦合器或者一种包含所述现场总线耦合器与至少一个相连的故障保险模块的系统被设立以执行上述的方法。这产生了与上述方法有关的益处。
附图说明
本发明将通过实施例并结合附图进行详细说明：
图1示出了包含现场总线耦合器与故障保险模块的工业自动化系统的框图；
图2示出了用于配置被连接到现场总线耦合器的故障保险模块的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了用于控制工业系统(未示出)的工业自动化系统的可能设计的示意图。
所述自动化系统具有控制计算机1，它通过现场总线3连接到远程输入与输出站点10(“远程I/O”)。现场总线3按照已知的标准(比如“PROFIBUS”、“PROFINET”Modbus或“EtherCAT”)而设计，并采用相应的现场总线协议4。现场总线协议4在图1中例示在现场总线3下方且以交换数据来表示。
输入与输出站点10包括现场总线耦合器11，它被连接到现场总线3。现场总线耦合器11将经现场总线3交换的数据优选地转换给串联的子总线12，各种模块通过子总线12耦合到现场总线耦合器11。
除了在本实施例中仅起到传递数据作用的子总线12外，用于给模块和/或现场总线耦合器11供电的另外的总线(未示出)可以存在于输入与输出站点10。为了提供电源电流，供电模块也被设置，且这些供电模块可以被布置在图示模块布置的一端，或者位于带有现场总线耦合器的模块与其他模块之间。
在输入与输出站点10的模块中，两个输入与输出模块13通过示例的方式被示出，通过这两个模块的连接，测量与控制信号作为输入与输出信号14与被控制的系统进行交换。
此外，存在用于接收或输出安全相关信号16的两个例示模块15，以下简称为FS模块。
输入与输出模块13通过子总线12被现场总线耦合器11定址。根据输入或输出信号14确定输入与输出模块13的输入数据，通过现场总线耦合器11转换成符合现场总线协议4的数据包，然后被发送到控制计算机1。反之，控制计算机所接收到的用于输入与输出模块13的输出或配置值由现场总线耦合器11接收并通过子总线12被发送给输入与输出模块13。
类似地，当涉及到来自例如光垒或光闸、门触点或紧急按钮等等的输入信号时，安全相关信号16被相应的FS模块15转换并装入符合安全协议5的数据容器。所述数据容器通过子总线12被FS模块15发送到现场总线耦合器11，在这里它不经处理地被装入符合现场总线协议4的数据包，然后通过现场总线3发送。符合安全协议5的安全相关数据能够在控制计算机1中被评价。或者，像本实施例中那样，可以设置代表了安全相关问题的独立控制系统的安全控制器2。安全控制计算机2同样被连接到现场总线3，并与控制计算机1交换数据。
安全协议5考虑安全相关问题，并设置成保证安全的数据传输，例如通过加密机制和冗余传输。此外，设置监控机制，通过该监控机制可检测到有遗漏的或有错误的数据交换。安全协议例如可以是一种已知的协议，比如PRO-Flsafe或者OpenSAFETY。
包含之前所述的FS模块15的工业自动化系统的运行前提是所述FS模块15能采用合适的安全协议5并被正确地配置以运用该安全协议5。
根据本专利申请，这通过自动配置FS模块15而实现。一种合适的用于配置输入与输出站点10的FS模块15的方法在下面参考图2的流程进行说明。例如，所述方法可以由图1中所示的工业自动化系统实施。以下参考图1的特征和附图标记以示例的方式来说明该方法。
所述的配置方法由包含现场总线耦合器11和FS模块15的系统实施，例如一旦在连接到现场总线耦合器11的模块13，15的组合发生改变后就实施所述配置方法。所述方法也可以随着现场总线耦合器11的每一次重启动被执行，例如在施加电源电压后。在其布置可能在运行中发生改变的输入与输出站点10，所述组合中的任何改变都可能引起配置过程的执行。所述组合中的变化可以例如通过相连模块的规律轮询而实现。
在所述方法开始后，在初始的步骤S1中，现场总线耦合器11确定将被采用的现场总线协议4。在现场总线耦合器11仅适合用于现场总线协议4的情况下，将被采用的现场总线协议4自然地被确定。如果现场总线耦合器11适合用于不同的现场总线协议，则关于将被采用的现场总线协议4的信息能从现场总线耦合器11的配置数据中获取。
在后续的步骤S2中，现场总线耦合器11根据与将被采用的现场总线协议4相关的信息来确定所需要的安全协议5的类型。为此，需要时有多种选择可供选用。某些现场总线协议要求一种单一的特殊类型的安全协议5。在这种情况下，所需的安全协议5的类型直接取决于被采用的现场总线协议4。在不同的安全协议5原则上可以被所采用类型的现场总线所取代的情况下，所需的安全协议5通常被存储在现场总线耦合器11的配置数据中，或被自动检测。
替代实施例可以基于控制计算机1或安全控制计算机2发给FS模块15的(第一)消息来确定所需的安全协议5的类型。例如，在系统启动后，控制计算机1或安全控制计算机2频繁给任何已有的FS模块15发送消息，例如所谓的“广播”消息，这些消息传达到全部的已有FS模块15，从而检测或配置这些模块。所述消息可以被FS模块15独立地评价或者被现场总线耦合器11评价，从而确定被采用的安全协议的类型。
为了评价的目的，例如可以以多种预定的方式生成表征安全协议的类型的消息校验和。根据与所述消息中所含的校验和的比较，能够确定已经被控制计算机1或安全控制计算机2所采用的安全协议6的类型。各种已知类型的安全协议一般使用不同的算法来确定校验和。通过试错法来确定所用的校验和的类型，然后据此推导得出所使用的安全协议。
接下来，所述方法经过步骤S3和S7之间的循环结构。作为所述循环的一部分，所有的相连模块13,15作为在循环上被执行的步骤S4到S6的一部分而被依次定址和操作。应当明白所述方法的替代实施例可以规定所述方法不考虑所有的已连接模块，而是具体地涉及到个别模块或一组特定的模块。
当第一次循环经过步骤S4至S6时，步骤S4确定第一模块是否是一种可重新配置FS模块。如果为否，则跳过步骤S5和S6，然后对下一个连接到子总线12的模块应用步骤S3与S7之间的循环结构。
如果步骤S4确定当前正被操作的模块是可重新配置FS模块，例如图1的FS模块15之一，则步骤S5轮询该模块是否当前被设置为采用所需要的安全协议5。如果相应地已经如此设置，则再跳过步骤S6，然后对下一个模块执行步骤S4-S6之间的循环结构。
如果步骤S5确定当前的FS模块15没有被设置为采用所需要的安全协议5，则所述方法前进到S6，由此现场总线耦合器11经子总线12向FS模块发送配置指令，从而将FS模块15设置为适于用于所需要的安全协议5。
因此，对所有的模块执行受到步骤S3和S7控制的S4-S6步骤循环。
在后续步骤S8中，可选地再启动子总线12，即，执行例如寻址程序和/或用于将相连模块13,15的当前配置载入现场总线耦合器的配置存储器的程序。但是，只有在对应的现场总线耦合器11的配置存储器没有随配置步骤S6同步更新时才需要该步骤。步骤S8后，根据本申请的用于FS模块15的自动配置过程终止于子总线12。
所述方法的替代实施例，除了FS模块15的自动配置之外，还可以提供对未正确配置FS模块的识别。例如，步骤S4-S6还可以提供是否不能够针对所需要的安全协议而设置FS模块15之一的轮询，例如由于FS模块15之一不支持所需要的安全协议。但是，还可想到的是，FS模块之一原则上只支持一种正好与所需要的安全协议不匹配的特定安全协议。
被检测到的不能通过重新配置被重新恢复的不兼容性要么被通知到现场总线耦合器11要么作为警报从现场总线11传送到控制计算机1或安全控制计算机2。
附图标记列表
1 控制计算机
2 安全控制计算机
3 现场总线
4 现场总线协议
5 安全协议
10 输入与输出站点
11 现场总线耦合器
12 现场总线
13 输入与输出模块
14 输入或输出信号
15 故障保险模块(FS模块)
16 安全相关信号。

Claims (10)

1.一种用于配置故障保险模块(15)的方法，所述故障保险模块通过子总线(12)连接到工业自动化系统的现场总线耦合器(11)，从而通过现场总线(3)传输所述模块(15)的安全相关数据，所述方法包括以下步骤：
-通过现场总线耦合器(11)确定与所述现场总线(3)兼容的安全协议(5)的类型，
-通过所述现场总线耦合器(11)向至少一个故障保险模块(15)发送配置指令，从而使所述故障保险模块(15)采用所确定类型的安全协议(5)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述安全协议(5)的类型是基于对经所述现场总线(3)和所述现场总线耦合器(11)而发送给所述故障保险模块(15)的消息的评价而确定的。
3.根据权利要求2所述的方法，其中为了进行评价，以多种预定的方式生成表征安全协议的类型的消息校验和，且所述现场总线耦合器(11)中的所述安全协议(5)的类型是基于与所述消息中所包含的校验和的比较而确定的。
4.根据权利要求1所述的方法，其中已经连接到或将连接到所述现场总线耦合器(11)的所述现场总线(3)的类型由所述现场总线耦合器(11)确定，且所述安全协议(5)的类型由所述现场总线耦合器(11)基于所述现场总线(3)的类型来识别。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中配置指令从所述现场总线耦合器(11)经所述子总线(12)被发送给至少一个故障保险模块(15)，从而使所述故障保险模块(15)采用所确定类型的安全协议(5)。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中多个且优选所有的被连接到所述子总线(12)的故障保险模块(15)都由所述现场总线耦合器(11)配置。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中所述现场总线耦合器(11)检验连接到所述子总线(12)的故障保险模块(15)是否适合于采用所确定类型的安全协议(5)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中如果确定不适合于采用所确定类型的安全协议(5)的故障保险模块(15)被连接到所述子总线(12)，则所述现场总线耦合器(11)输出报警信号或报警消息。
9.一种用于经子总线(12)将至少一个故障保险模块(15)耦合到工业自动化系统的现场总线(3)的现场总线耦合器(11)，其特征在于现场总线耦合器用于执行一种根据权利要求1-8中任一项所设立的配置至少一个故障保险模块(15)的方法。
10.一种包含现场总线耦合器(11)和至少一个相连的故障保险模块(15)的系统，所述至少一个相连的故障保险模块(15)经现场总线耦合器(11)和子总线(12)被耦合到工业自动化系统的现场总线(3)，其中所述系统用于执行一种根据权利要求1-8中任一项所设立的配置至少一个故障保险模块(15)的方法。
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