CN108780118B - 带至少两个冗余的用于测量电流的模拟输入单元的装置 - Google Patents

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Abstract

至少两个冗余的、用于测量电流(I)的模拟输入单元(1、2)，具有并联的模拟输入端(3、4)，用于将分别施加的电压转换成数字测量值(16、30)的电压测量装置(8、19)直接处于模拟输入端处。模拟输入单元(1、2)经由通信连接(29)彼此连接，并且确定一个模拟输入单元(例如1)，其为了对测量电流进行测量并且为了将测量电流(I)转换成数字测量值(16)而将其模拟输入端(3)切换到低欧姆状态，而在每个剩余模拟输入单元(2)中将模拟输入端(4)切换到高欧姆状态。对电流进行测量的模拟输入单元(1)输出由其产生的测量值(16)，并且测量值经由通信连接(29)传输到至少一个另外的模拟输入单元(2)，其代替自有的测量值(30)输出所述的测量值。为了识别故障，尤其为了识别线路中断，每个模拟输入单元(1、2)将由其产生的测量值(16、30)与阈值比较，并且在检测到低于阈值的情况时，输出故障通知。如果在此其模拟输出端(例如3)处于低欧姆状态，那么还促使至少一个另外的模拟输入单元(2)承担电流测量功能并且其模拟输入端(4)切换到低欧姆状态。

Description

带至少两个冗余的用于测量电流的模拟输入单元的装置
技术领域
本发明涉及一种具有至少两个冗余的、用于测量电流的模拟输入单元的装置，模拟输入单元
-具有并联的、用于测量电流的模拟输入端，并且模拟输入单元分别包含
-电流测量电阻，
-具有高欧姆的电压测量输入端的电压测量装置，以用于将施加在电压测量输入端上的电压转换成数字测量值，
-用于输出数字测量值的数字输出端，以及
-可控的切换装置，以用于对模拟输入端在高欧姆状态与低欧姆状态之间进行切换，其中在低欧姆状态下，电流测量电阻同时位于模拟输入端处和高欧姆的电压测量输入端处，其中
-模拟输入单元经由通信连接彼此连接，并且构造用于，确定模拟输入单元之一，这一个模拟输入单元为了对测量电流进行测量并将测量电流转换成数字测量值而将其模拟输入端切换到低欧姆状态，而在每个剩余模拟输入单元中将模拟输入端切换到高欧姆状态。
背景技术
从WO2015/128336A1中已知的这种装置具有两个冗余的输入单元，输入单元分别选择性地作为用于测量电流的模拟输入单元或作为用于电压的二进制输入单元运行。为了在这两个运行状态之间进行切换，每个输入单元包含切换装置，其中由高欧姆电阻和可控开关构成的并联电路与处于输入单元的输入端处的低欧姆电流测量电阻串联。电压测量装置的电压测量输入端处于电流测量电阻处。
在作为二进制输入单元冗余地运行时，在这两个输入单元中分别断开可控开关，从而高欧姆电阻和低欧姆电流测量电阻形成分压器并且电压测量装置测量施加在相应的二进制输入单元的输入端处的电压的高电平和低电平。
在作为用于测量电流的模拟输入单元而冗余地运行时，至少在这两个输入单元之一中闭合可控开关，使得高欧姆电阻无效。如果在这两个输入单元中都闭合可控开关，那么测量电流的各一半分布到这两个低欧姆的电流测量电阻上，使得布置在下游的电压测量装置分别测量一半的测量电流以作为在其低欧姆测量电阻上的电压降。随后，相应的输入单元在其输出测量电流的数字测量值之前以系数2执行计算式校正。如果在这两个输入单元的仅一个中闭合可控开关，那么测量电流以不同的比例分布到具有闭合开关的输入单元中的测量电阻上和另一输入单元中的电阻的串联电路上，使得布置在下游的电压测量装置对测量电流的相应份额进行测量以作为其低欧姆电流测量电阻上的电压降。在此，例如，具有闭合开关的输入单元在其输出数字测量值之前以测量电流到冗余的输入单元上的分布比例来执行计算式校正。以电流测量电阻与高欧姆电阻之间的1:31.33的电阻比，获得测量电流的97％比3％的比例的期望分布。然而，测量电流分布的精确性受到所给出的电阻比例的限制，进而计算式测量值校正的精确性受到这两个模拟输入单元之间的不可避免且未知的导线电阻的限制。
在已知装置的这两个冗余的输入单元之间存在通信连接。经由通信连接，输入单元识别出，是否分别存在冗余伙伴；输入单元确定，它们中的哪一个作为主机实施测量任务，并且在主机失效的情况下，将相对应的功能分配给相应的另一输入单元。
从WO 03/039904 A2中公开用于对例如电感负载进行切换的半导体开关。半导体开关为敏感场效应管，敏感场效应管经由测量电阻检测与负载电流成比例的子电流。为了提高运行安全性，通过借助信号放大器检测由子电流在测量电阻处引起的电压降并且该电压降转化成数字测量值的方式，还(冗余地)测量了子电流。通过在超过或低于阈值时产生逻辑高信号或逻辑低信号的方式，能够参照预设的上和/或下阈值来评估数字测量值。除了冗余的电流测量之外，为了进一步提高运行安全性，也能够使用两个或更多个敏感场效应管，以便接通同一负载。具有冗余的电流测量的敏感场效应管也能够布置在感应负载的不同电流回路(驱动电流回路和空转电流回路)中。在高欧姆状态与低欧姆状态之间对模拟输入端的切换没有被提出。
发明内容
从由WO2015/128336A1已知的装置出发，本发明所基于的目的是：实现用于测量电流的冗余的模拟输入，模拟输入在没有对所测定的测量值进行计算式校正的情况下就可以实现。
根据本发明，该目的通过如下方式实现，在前文所提出类型的装置中，
-在每个模拟输入单元中，电压测量装置的高欧姆的电压测量输入端直接与模拟输入端连接，并且
-至少两个模拟输入单元中的每个都构造用于，不仅在其模拟输入端的高欧姆状态下而且也在低欧姆状态下，都将由其当前产生的数字测量值与阈值比较，当数字测量值低于阈值时，输出故障通知，并且如果其模拟输出端处于低欧姆状态，那么促使模拟输入单元中的另一个，为了对测量电流进行测量并将测量电流转换成数字测量值而将该另一个模拟输入单元的模拟输入端切换到低欧姆状态。
因为在每个模拟输入单元中电压测量装置的电压测量输入端都直接位于模拟输入端处，所以实际上，所有冗余的模拟输入单元对同一电压进行测量，确切地说是一个模拟输入单元的电流测量电阻处的电压降，该一个模拟输入单元的模拟输入端切换到低欧姆状态。与从前文所述的WO 2015/128336 A1中已知的装置不同的是，不进行电压分配，从而高欧姆电阻与低欧姆电阻之间的电阻比并不重要，进而不仅能够选择得更高，而且在实践中也以大于1000的系数选择得显著更高，因此不会有或仅有在测量精度的范畴中可忽略的测量电流到冗余的模拟输入单元上的分布。
因为如上述那样，所有冗余的模拟输入单元至少近似地检测同一电压降，所以它们能够进行自我监控，这通过以下方式来实现：与每个模拟输入单元的模拟输入端是否分别切换到低欧姆或高欧姆状态无关地，每个模拟输入单元将施加在其模拟输入端处的电压转换成数字测量值并且将数字测量值与阈值比较。因此，在模拟输入单元的模拟输入端处的电压中断或电流中断的情况下，由电压测量装置的电压测量输入端检测到的电压下降到阈值之下，直至下降到数值零为止。这种中断的原因能够是故障，例如导线断裂，又或者进行电流测量的模拟输入单元例如为了校准或由于组件更换的原因而从机架移除。这些情况现在被自动地检测，并且使得相关的模拟输入单元输出故障通知来代替测量值。在此，其能够为位于有效测量范围之外的数值，或者是信息，例如将测量值标识为有故障的比特。当该相关的模拟输入单元为相应的对电流进行测量的、其模拟输入端切换到低欧姆状态的模拟输入单元时，该模拟输入单元将检测信号提供到通信连接上，以便促使一个或另一冗余的模拟输入单元将其模拟输入端切换到低欧姆状态并且承担电流测量功能。此外，至此进行电流测量的模拟输入单元优选将其模拟输入端切换到高欧姆状态。
在理想的情况下，所有冗余的模拟输入单元测量同一电压降，使得原则上每个模拟输入单元能够将其所检测的电压转换成用于测量电流的数字测量值并且经由其数字输出端输出。然而，因为在实践中仅电流测量电阻构造为精密电阻，并且在不同的模拟输入单元的模拟输入端之间可能会存在不可忽略的导线电阻，所以在对测量分辨率有极高要求并由此同样有极高的测量精度的情况下，不再能够简单地认为，由具有高欧姆地接通的模拟输入端的一个或多个模拟输入单元产生的测量值满足所提出的要求。对于这种情况，模拟输入单元优选地构造用于，在其模拟输入端的高欧姆状态下经由通信连接接受由对电流进行测量的、具有低欧姆的模拟输入端的模拟输入单元产生的数字测量值来代替自身产生的测量值并且输出该数字测量值。
如果出于传输测量电流时实现冗余的原因而将冗余的模拟输入单元经由单独的导线连接到提供测量电流的测量电流传感器(例如4-20mA的测量变换器)上，模拟输入单元进行自我监控的情况是尤其有利的。此时，监控每个单独的导线是否有线断裂。
如上面已经阐述的，本发明的主要特征在于，在每个模拟输入单元中电压测量装置的电压测量输入端直接处于模拟输入端处。这能够通过如下方式来实现，切换装置包括由电流测量电阻和可控开关构成的串联电路，该串联电路与模拟输入端处的和电压测量输入端处的高欧姆电阻并联。替代地，切换装置包括由高欧姆电阻和可控开关构成的并联电路，该并联电路与模拟输入端处的和电压测量输入端处的高欧姆电阻串联。
附图说明
为了阐述本发明，下面参考附图；详细地分别以示意图示出：
图1是根据本发明的装置的第一实施例，并且
图2是根据本发明的装置的第二实施例。
相同的附图标记在不同附图中具有相同的意义。
具体实施方式
图1示出两个冗余工作的模拟输入单元1、2，模拟输入单元利用它们的模拟输入端3、4经由单独的导线5、6并联地连接在测量电流传感器7上。测量电流传感器7例如为测量变换器，测量变换器产生与检测到的测量参量成比例的、在4与20mA之间的测量电流I。
模拟输入单元1包含电压测量装置8，电压测量装置由差分放大器9和布置在下游的模数转换器10构成，电压测量装置利用其电压测量输入端11直接位于模拟输入端3处；即模拟输入端3是电压测量输入端11。模拟输入端3借助可控的切换装置12能够在高欧姆状态与低欧姆状态之间进行切换。切换装置12由并联电路构成，并联电路由高欧姆电阻13和可控开关14构成，并联电路与模拟输入端3处的或者说电压测量输入端11处的低欧姆测量电阻15串联。电流测量电阻15构造为精密电阻并且具有例如250Ω的电阻值。高欧姆电阻13具有例如1MΩ的电阻值。在开关14闭合时，即在模拟输入端3的低欧姆状态下，电压测量装置8检测由测量电流I在电流测量电阻15上产生的电压降，并且将该电压降转换成用于检测到的测量参量的数字测量值16。数字测量值由控制装置(CPU)17经由作为接口的数字输出端18输出至在此未示出的上级的控制系统。控制装置17也控制切换装置12。
第二模拟输入单元2与模拟输入单元1结构相同并且包含电压测量装置19，电压测量装置的高欧姆的电压测量输入端20与模拟输入端4重合并且电压测量装置由差分放大器21和布置在下游的模数转换器22构成。切换装置23位于模拟输入端4处或者说电压测量输入端20处，切换装置具有低欧姆的电流测量电阻24，该电流测量电阻与由高欧姆电阻25和可控开关26构成的并联电路串联。可控开关由控制装置27控制，控制装置也经由数字输出端28输出数字测量值。
这两个冗余的模拟输入单元1、2的控制装置17、27经由通信连接29，例如RS-485，彼此通信并且使得，总是仅在这两个模拟输入单元1、2之一中，在此例如在模拟输入单元1中，将模拟输入端3切换到低欧姆状态。在另一个并且可能每个另外的、冗余的模拟输入单元2中，断开开关26，并且与之相应地，将模拟输入端4切换到高欧姆状态。模拟输入单元1测量到测量电流I并且将测量电流转换成数字测量值16并输出该数字测量值，而模拟输入单元2仅监控在其模拟输入端4处的电压，由此将电压同样转换成数字测量值30。由于电阻25的极高电阻值，该电阻不妨碍或者仅以可忽略的低程度妨碍模拟输入单元1中的电流测量。由模拟输入单元2的电压测量装置19测量的电压对应于在模拟输入单元1中的电流测量电阻15上的电压降加上导线5上的由测量电流I引起的电压降。因为最后提到的电压降在测量精度方面是不可忽略的，所以模拟输入单元2接收由对电流进行测量的模拟输入单元1产生的并且经由通信连接29通知的数字测量值16，并且代替自身的测量值30而将该数字测量值冗余地经由其数字输出端28输出。
在这两个模拟输入单元1、2中，相应的控制装置17、27将所产生的数字测量值16、30与预设的阈值比较。在导线6中断的情况下，模拟输入端4处或者说电压测量输入端20处的电压下降到数值零，从而数字测量值30低于预设的阈值。在这种情况下，代替从对电流进行测量的模拟输入单元1经由通信连接29接收的测量值16，输出故障通知，或者将输出的测量值16标识为有故障的。
如果相反在对电流进行测量的模拟输入单元1中识别到线中断，那么同样经由数字输出端18示出故障通知。通过断开开关14，将模拟输入端3切换到高欧姆状态，并且通过经由通信连接29输出检测/命令信号31，促使冗余的模拟输入端2将其模拟输入端4切换为低欧姆、承担电流测量功能、并且经由通信连接29将所产生的测量值30传输到模拟输入单元1。
图2中示出的实施例与图1的区别在于，一方面，这两个模拟输入单元1、2在它们的模拟输入端3、4处直接并联，并且经由一个导线32连接在测量电流传感器7处，并且另一方面，切换装置12、23分别包括由电流测量电阻15、24和可控开关14、26构成的串联电路，串联电路与高欧姆电阻13、25一起分别在模拟输入端3、4处和电压测量输入端11、20处并联。这两个变体彼此独立，并且分别也能够单独地实现。

Claims (11)

1.一种具有至少两个冗余的、用于测量电流(I)的模拟输入单元(1、2)的装置，所述模拟输入单元
-具有并联的、用于所述测量电流(I)的模拟输入端(3、4)，并且所述模拟输入单元分别包含
-电流测量电阻(15、24)，
-具有高欧姆的电压测量输入端(11、20)的电压测量装置(8、19)，以用于将施加在所述电压测量输入端(11、20)上的电压转换成数字测量值(16)，
-用于输出所述数字测量值(16)的数字输出端(18、28)，以及
-可控的切换装置(12、23)，以用于对所述模拟输入端(3、4)在高欧姆状态与低欧姆状态之间进行切换，其中在所述低欧姆状态下，所述电流测量电阻(15、24)同时位于所述模拟输入端(3、4)处和所述高欧姆的电压测量输入端(11、20)处，其中
-所述模拟输入单元(1、2)经由通信连接(29)彼此连接并且构造用于，确定所述模拟输入单元中的一个模拟输入单元，所述一个模拟输入单元为了对测量电流进行测量并且为了将所述测量电流(I)转换成数字测量值(16)而将该一个模拟输入单元的模拟输入端(3)切换到所述低欧姆状态，而在每个剩余模拟输入单元(2)中将模拟输入端(4)切换到所述高欧姆状态，
其特征在于，
-在每个模拟输入单元(1、2)中，所述电压测量装置(8、19)的所述高欧姆的电压测量输入端(11、20)直接与所述模拟输入端(3、4)连接，并且
-至少两个所述模拟输入单元(1、2)中的每个模拟输入单元都构造用于，不仅在该模拟输入单元的所述模拟输入端(3、4)的所述高欧姆状态下而且也在所述低欧姆状态下，都将由该模拟输入单元当前产生的所述数字测量值(16、30)与阈值比较，当所述数字测量值(16、30)低于所述阈值时，输出故障通知，并且如果该模拟输入单元的所述模拟输入端处于所述低欧姆状态，那么促使所述模拟输入单元中的另一个模拟输入单元，为了对测量电流进行测量和将所述测量电流(I)转换成数字测量值而将该另一个模拟输入单元的所述模拟输入端(4)切换到所述低欧姆状态。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每个模拟输入单元还构造用于，当所述数字测量值(16、30)低于所述阈值时，所述模拟输入单元的处于低欧姆状态的所述模拟输入端(3)切换到所述高欧姆状态。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每个模拟输入单元还构造用于，在所述模拟输入单元的所述模拟输入端(4)的高欧姆状态下，代替自身产生的测量值(30)，输出由具有低欧姆的模拟输入端(3)的模拟输入单元(1)产生的且从该模拟输入单元经由所述通信连接(29)获得的数字测量值(16)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述切换装置(12、23)包括由所述电流测量电阻(15、24)和可控开关(14、26)构成的串联电路，其中所述串联电路与所述模拟输入端(3、4)处的和所述电压测量输入端(11、20)处的高欧姆电阻(13、25)并联。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述切换装置(12、23)包括由高欧姆电阻(13、25)和可控开关(14、26)构成的并联电路，所述并联电路与所述模拟输入端(3、4)处的和所述电压测量输入端(11、20)处的所述电流测量电阻(15、24)串联。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，冗余的所述模拟输入单元(1、2)经由单独的导线(5、6)连接在提供所述测量电流(I)的测量电流传感器(7)处。
7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，冗余的所述模拟输入单元(1、2)经由单独的导线(5、6)连接在提供所述测量电流(I)的测量电流传感器(7)处。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，冗余的所述模拟输入单元(1、2)经由单独的导线(5、6)连接在提供所述测量电流(I)的测量电流传感器(7)处。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，冗余的所述模拟输入单元(1、2)在所述模拟输入单元的所述模拟输入端(3、4)处经由导线(32)并联地连接在提供所述测量电流(I)的测量电流传感器(7)处。
10.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，冗余的所述模拟输入单元(1、2)在所述模拟输入单元的所述模拟输入端(3、4)处经由导线(32)并联地连接在提供所述测量电流(I)的测量电流传感器(7)处。
11.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，冗余的所述模拟输入单元(1、2)在所述模拟输入单元的所述模拟输入端(3、4)处经由导线(32)并联地连接在提供所述测量电流(I)的测量电流传感器(7)处。
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