CN110914769B

CN110914769B - 过程控制

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Publication number: CN110914769B
Application number: CN201880046935.XA
Authority: CN
Inventors: 安德烈亚斯·帕策尔特; 克里斯蒂安·佛斯
Original assignee: Wago Verwaltungs GmbH
Current assignee: Wago Verwaltungs GmbH
Priority date: 2017-08-18
Filing date: 2018-07-13
Publication date: 2023-05-05
Anticipated expiration: 2038-07-13
Also published as: CN110914769A; US11354261B2; EP3669240B1; DE102017007815A1; WO2019034928A1; EP3669240A1; US20200183871A1

Abstract

一种用于控制过程的系统，包括第一控制装置、第一通信单元的第一通信接口、第二控制装置和第二通信单元的第二通信接口，第一控制装置包括第一处理器，其设置用于处理第一数据，第一通信接口设置用于接收第一数据，第二控制装置包括第二处理器，其设置用于处理第二数据，第二通信接口设置用于接收第二数据。第一通信单元包括第三通信接口且第二通信单元包括第四通信接口。第三通信接口连接在第二通信接口上且第一处理器设置用于处理、尤其比较由第三通信接口接收的第二数据和由第一通信接口接收的第一数据。第四通信接口连接在第一通信接口上且第二处理器设置用于处理、尤其比较由第二通信接口接收的第二数据和由第四通信接口接收的第一数据。

Description

过程控制

技术领域

本发明涉及用于控制过程的系统和方法。

背景技术

在面向安全的系统、例如按照DIN EN ISO 13849的类别4的系统中，控制装置或控制装置的元件经常冗余地构造。为了实现用于识别可能的错误的必要的诊断覆盖率，必须在控制装置之间实现用于数据校正的交叉通信。

特别是在如下的控制装置中需要通过交叉通信交换数据，在所述控制装置中，面向安全的协议栈处理输入数据并且将其发送到上一级的安全的控制装置。如果在两个控制装置中通过相同的协议栈处理数据，则必须处理相同的数据，以便得到相同的结果。

有偏差的结果要么通过控制装置本身发现，要么通过上一级的控制单元发现，并且通常导致由控制单元控制的设备进入安全的状态中。然而在所述状态中，所述设备通常不再能满足其真正的任务。

因为控制装置从不100％同步工作，所以特别是在输入时得到不同的读取时间点，所述读取时间点在几纳秒的范围内就能够导致不同的输入数据。此外，在输入开关电路中的不可避免的误差即使同时扫描也能够导致不同的输入数据。

因此，在读取之后，经常在通过控制装置进一步处理前就已经经由交叉通信交换和校正输入数据(例如参见出版文献EP1302826A1的教导)。然而这花费额外的处理器时间并且导致系统的延长的响应时间。

发明内容

对此，本发明丰富了现有技术，因为在根据本发明的系统/方法中的控制装置时间一致地获得输入数据。由此，可以避免通过交叉通信来校正输入数据的必要性。

尤其是除了本身的输入数据流之外，由控制装置读取相应的另一个控制装置的输入数据流，这通过如下方式实现，即两个控制装置并联地驱动两个接口。两个控制装置以这种方式获得相同的双信道的数据库，而不需要交叉通信。代替地，也可以在两个控制装置的存储器中的数据传输结束之后紧接着进行在两个输入数据流之间的数据校正。因此，不需要在通过面向安全的协议栈进一步处理之前通过交叉通信来额外地传输数据。

用于控制过程的根据本发明的系统包括第一控制装置，所述第一控制装置包括第一处理器和第一通信单元的第一通信接口，所述第一处理器设置用于处理第一数据，所述第一通信接口设置用于接收第一数据。所述系统还包括第二控制装置，所述第二控制装置包括第二处理器和第二通信单元的第二通信接口，所述第二处理器设置用于处理第二数据，所述第二通信接口设置用于接收第二数据。

第一通信单元包括第三通信接口并且第二通信单元包括第四通信接口，其中，第三通信接口连接在第二通信接口上并且第一处理器设置用于处理由第三通信接口接收的第二数据和由第一通信接口接收的第一数据、尤其将所述第二数据和第一数据互相比较。

第四通信接口连接在第一通信接口上并且第二处理器设置用于处理由第二通信接口接收的第二数据和由第四通信接口接收的第一数据、尤其将所述第二数据和第一数据互相比较。

在此，在说明书和权利要求书中使用的“控制装置”的概念尤其要理解为微控制器，所述微控制器例如构造用于控制设备或用作设备控制装置的部件。此外，在说明书和权利要求书中使用的“通信接口”的概念尤其要理解为硬件接口或网络接口，所述硬件接口或网络接口构造用于连接一个或多个电线。

此外，在说明书和权利要求书中使用的“数据”的概念尤其要理解为由电信号得出的数字数据。此外，在说明书和权利要求书中使用的“处理器”的概念尤其要理解为电子的电路，所述电路设置用于基于在存储器中存储的指令来处理数据。

通过第一处理器进行处理优选包括将第一数据与第二数据比较，和/或通过第一处理器进行处理包括进一步传送第一数据和/或第二数据和/或比较结果。

通过第二处理器进行处理优选包括将第一数据与第二数据比较和/或通过第二处理器进行处理包括进一步传送第一数据和/或第二数据和/或比较结果。

第一处理器优选设置成，当由第三通信接口接收的第二数据与由第一通信接口接收的第一数据一致时，基于所接收的第一数据和/或所接收的第二数据来确定第一输出数据，并且第二处理器设置成，当由第二通信接口所接收的第二数据与由第四通信接口所接收的第一数据一致时，基于所接收的第一数据和/或所接收的第二数据来确定第二输出数据。

所述系统优选设置成，比较第一输出数据与第二输出数据，并且，当第一输出数据与第二输出数据一致时，将第一输出数据和/或第二输出数据传输至控制单元，或者，当第一输出数据与第二输出数据不一致时，将错误信号或者根据逻辑的或算术的运算由不一致的第一和第二输出数据确定的第三输出数据(在模拟值的情况下，例如为平均值、最小值、最大值、亦或替换值)传输至控制单元。

所述系统优选还包括控制单元；其中，第一控制装置设置用于将第一输出数据传输至控制单元，并且第二控制装置设置用于将第二输出数据传输至控制单元，并且控制单元设置成，比较第一输出数据与第二输出数据，并且当第一输出数据与第二输出数据不一致时，丢弃第一输出数据与第二输出数据。

第一通信接口和第二通信接口优选构造为串行外设接口(SPI)主设备通信接口并且第三通信接口和第四通信接口构造为SPI从设备通信接口。

根据本发明的方法包括：将第一过程信号同时发送给第一控制装置的串行外设接口(SPI)主设备通信接口与第二控制装置的SPI从设备通信接口，将第二过程信号同时发送给第二控制装置的SPI主设备通信接口与第一控制装置的SPI从设备通信接口。

根据本发明的方法还包括：检查所接收的过程信号的一致性、尤其通过第一控制装置检查，检查所接收的过程信号的一致性、尤其通过第二控制装置检查，当已确定在所接收的过程信号之间的一致性时，基于所接收的过程信号来控制过程，并且当已确定在所接收的过程信号之间无一致性时，将过程转变到预定的状态中。

在此，在说明书和权利要求书中使用的“过程信号”的概念尤其要理解为数字的测量数据或状态数据，所述测量数据或状态数据描述过程的特征。

由第二控制装置接收第一过程信号优选包括通过第二控制装置的SPI从设备通信接口监听第一控制装置的SPI主设备通信接口的通信，并且由第一控制装置接收第二过程信号优选包括通过第一控制装置的SPI从设备通信接口监听第二控制装置的SPI主设备通信接口的通信。

将第一过程信号发送给第二控制装置的SPI从设备通信接口优选包括转换并且尤其是反转第一过程信号。

所述方法优选还包括通过第二控制装置检查转换后的第一过程信号和第二过程信号的一致性，并且当通过第二控制装置已确定在转换后的第一过程信号与第二过程信号之间的一致性时，将过程转变到预定的状态中。

所述方法优选还包括：由所接收的过程信号得出过程数据，基于过程数据通过第一控制装置和第二控制装置确定控制数据，执行关于第一控制装置和第二控制装置的控制数据的交叉比较，由控制数据得出控制信号以及输出控制信号。

附图说明

以下在详细的描述中借助实施例解释本发明，其中，参照附图，在附图中：

图1示出示例性的系统的方框图；

图2示出在图1的系统中的示例性的信号变化曲线；

图3示出具有其他元件的、图1的示例性的系统的方框图；以及

图4示出示例性的方法的流程图。

在此，在附图中，相同的元件通过相同的附图标记来表示。

具体实施方式

图1示出示例性的系统10的方框图。所述系统10包括第一控制装置12和第二控制装置14(例如微控制器)。第一控制装置12包括第一处理器P1和第一通信单元16，并且第二控制装置14包括第二处理器P2和第二通信单元18。在此，第一控制装置12和第二控制装置14可以具有相同的构件。

通信单元16、18各自包括两个通信接口S1和S3或者说S2和S4。第一通信接口S1与第一I/O单元20连接并且第二通信接口S2与第二I/O单元22连接。I/O单元20、22例如可以构造为(8位、16位、32位等等的)I/O端口扩展器。

第一通信接口S1和第二通信接口S2可以构造为SPI主设备接口，所述SPI主设备接口控制从I/O单元20、22的SPI从设备接口处基于时钟信号读取第一和第二数据D1、D2。在此，I/O单元20、22可以设置用于，当在I/O单元20、22的时钟信号输入端上施加时钟信号SCLK时，在MISO输出端上输出第一和第二数据D1、D2。

第一数据D1和第二数据D2还可以基于共同的数据库，从而当系统10无错误地正常工作时，第一数据D1对应于第二数据D2。因此，通过比较第一数据D1和第二数据D2或通过比较由第一数据D1或第二数据D2得出的数据，能够检查系统10是否有错误。

为了能够没有时间延迟地将第一通信单元16的第二数据D2提供使用，第三通信接口S3连接在第二通信接口S2上。例如，第三通信接口S3可以构造为SPI从设备接口，其中，第三通信接口S3的MOSI(主出从入)输入端与第二通信接口S2的MISO(主入从出)输入端或者第二I/O单元22的MISO(主入从出)输出端连接。

同样地，为了能够没有时间延迟地将第二通信单元18的第一数据D1提供使用，第四通信接口S4连接在第一通信接口S1上。例如，第四通信接口S4可以如第三通信接口S3那样构造为SPI从设备接口，其中，第四通信接口S4的MOSI输入端与第一通信接口S1的MISO输入端或者第一I/O单元20的MISO输出端连接。

对此，图2示出在系统10的输出端/输入端上的示例性的信号变化曲线。如果通过第一通信接口S1(SPI主设备接口)在输出端1.1上输出时钟信号SCLK，则第一I/O单元20输出第一数据D1，所述第一数据D1被第一通信接口S1通过输入端1.3(MISO)读取。此外，第一数据D1由第四通信接口S4通过输入端2.6(MOSI)读取，因为由第一通信接口S1生成的时钟信号SCLK施加在第四通信接口S4(SPI从设备接口)的输入端2.5上。

同样地，如果通过第二通信接口S2(SPI主设备接口)在输出端2.1上输出时钟信号SCLK，则第二I/O单元22输出第二数据D2，所述第二数据D2被第二通信接口S2通过输入端2.3(MISO)读取。此外，第二数据D2由第三通信接口S3通过输入端1.6(MOSI)读取，因为由第二通信接口S2生成的时钟信号SCLK施加在第三通信接口S3(SPI从设备接口)的输入端1.5上。

在此，不重要的是，第一和第二通信接口S1、S2的时钟信号SCLK不是完全同步的，因为可以将数据存储到下一次传输。因此，仅仅需要在通信接口S1与S4或者说S2与S3之间同步，以便将第一和第二数据D1、D2正确地传输到第一和第四通信接口S1、S4或者说第二和第三通信接口S2、S3上。然而这已经通过共同的时钟线路实现。

第一处理器P1设置用于，处理由第三通信接口S3接收的第二数据D2和由第一通信接口S1接收的第一数据D1。所述处理可以包括将第一数据D1与第二数据D2比较并且进一步的处理可以基于比较的结果。例如，当将第一数据D1与第二数据D2比较而得出所述第一数据与第二数据不相同时，可以中断进一步的处理，改为生成/输出错误信号。

同样地，第二处理器P2设置用于，处理由第四通信接口S4接收的第一数据D1和由第二通信接口S2接收的第二数据D2。所述处理可以包括将第二数据D2与第一数据D1比较并且进一步的处理可以基于比较的结果。例如，当将第二数据D2与第一数据D1比较而得出所述第一数据与第二数据不相同时，可以中断进一步的处理，改为生成/输出错误信号。

图3示出具有其他元件的、图1的示例性的系统10的方框图。因此，在图3中所示的系统10a包括传感器电路24、执行器电路26和上一级的控制装置(控制单元)28。包括一个或多个传感器的传感器电路24提供描述设备的状态的测量值。将测量值传输至I/O单元20、22，所述I/O单元将测量值作为第一数据D1和第二数据D2传输至通信接口S1、S4或者说通信接口S2、S3。在此，将测量值传输至I/O单元20、22能够串联地或并联地实现，其中，I/O单元20、22例如可以包括串并转换器。

控制装置12、14的处理器P1、P2比较所接收的数据D1、D2，以便识别测量错误和/或传输错误。如果确定没有错误，则控制装置12、14确定控制信号或者将所接收的数据D1、D2进一步传递至上一级的控制装置28，所述控制装置由所接收的数据D1、D2确定控制数据并且将其提供给控制装置12、14。控制装置12、14借助控制数据的或者由控制数据得出的数据的交叉通信来校正所确定的控制数据。

如在图3中所示，通过通信接口S1、S4或者说通信接口S2、S3执行交叉通信。例如，当通信接口S1、S2构造为SPI主设备接口时，可以通过“片选”输出端1.7、2.7使SPI从设备接口S3、S4做出反应，从而仅仅在输入端1.8、2.8上读取在MOSI输出端1.2、2.2上输出的数据。

如果校正成功，则在I/O单元20、22借助“片选”输出端1.4、2.4做出相应的反应时，通过MOSI输出端1.2、2.2将控制数据或者由控制数据得出的控制信号传输至I/O单元20、22，所述I/O单元将控制数据/控制信号传输至执行器电路26。执行器电路26可以包括一个或多个执行器并且基于所接收的控制数据/控制信号控制所述一个或多个执行器，其中，所述一个或多个执行器用于控制设备的状态。

反之，如果识别出测量错误和/或传输错误或控制数据的校正失败，则控制装置12、14中的一个控制装置或上一级的控制装置28可以生成/输出错误信号。错误信号例如可以引起执行器电路26将系统10a或设备转变到安全的状态。

图4示出示例性的方法的流程图。在步骤30中，将第一过程信号D1同时发送给第一控制装置12的串行外设接口(SPI)主设备通信接口S1和第二控制装置14的SPI从设备通信接口S4。

在步骤32中，将第二过程信号D2发送给第二控制装置14的SPI主设备通信接口S2和第一控制装置12的SPI从设备通信接口S3。

在步骤34中，检查所接收的过程信号的一致性，例如通过第一控制装置12或上一级的控制装置28检查。

在步骤36中，检查所接收的过程信号的一致性，例如通过第二控制装置14或上一级的控制装置28检查。

在步骤38中，当已确定在所接收的过程信号之间的一致性时，基于所接收的过程信号D1/D2控制过程。

在步骤40中，当确定在所接收的过程信号之间无一致性时，将过程转变到预定的状态。

如在图1至图3中所示，所述方法的基础在于，两个控制装置12、14驱动彼此独立的串联的接口S1、S2，所述接口例如用于操控端口扩展器。例如，SPI接口S1、S2可以用于操控串并转换器以及并串转换器。

控制装置12、14可以通过驱动串联的同步的接口来扫描输入端并且还彼此独立地切换输出操控信号。在此规定，两个控制装置12、14在读取输入端和输出端的输入数据D1、D2(数字输入端的数据、模拟输入端的数据、输出端的回读信号等等)期间就已经同时获得I/O数据。这能实现避免通过交叉通信第一次交叉校正输入数据D1、D2。

因此，为了优化软件循环时间，除了自身的输入数据流之外，还由两个控制装置12、14读取相应的其他I/O信道的输入数据流。因此，两个控制装置12、14驱动两个接口。例如，其中一个控制装置12、14驱动其中一个作为SPI主设备接口的SPI接口，并且驱动用于“窃听”作为SPI从设备的另一个控制装置12、14的另一个SPI接口。

两个控制装置12、14以所述方式获得相同的二信道的数据库，而没有额外的数据交换。此外，在两个输入数据流之间的数据校正可以在两个控制装置12、14的存储器(未示出)中的数据传输结束之后紧接着实现。不需要在例如通过面向安全的协议栈进一步处理之前通过交叉通信来额外地传输数据。

此外，可以反转地读取两个输入数据流中的一个输入数据流。这例如可以帮助识别在SPI接口的数据导线之间的短接。此外，节省用于交叉通信的通信周期，缩短响应时间，尤其是缩短安全响应时间，并且可以使用较简单的且较迟钝的控制装置12、14。

附图标记列表

10 系统

12 控制装置

14 控制装置

16 通信单元

18 通信单元

20 I/O单元(输入/输出单元)

22 I/O单元(输入/输出单元)

24 传感器电路

26 执行器电路

28 上一级的控制装置/控制单元

30-40 步骤

D1 数据

D2 数据

P1 处理器

P2 处理器

S1 接口

S2 接口

S3 接口

S4 接口

SCLK 时钟信号

Claims

1.一种用于控制过程的系统(10、10a)，所述系统包括：

第一控制装置(12)，所述第一控制装置包括第一处理器(P1)和第一通信单元(16)的第一通信接口(S1)，所述第一处理器设置用于处理第一数据(D1)，所述第一通信接口设置用于接收第一数据(D1)；

第二控制装置(14)，所述第二控制装置包括第二处理器(P2)和第二通信单元(18)的第二通信接口(S2)，所述第二处理器设置用于处理第二数据(D2)，所述第二通信接口设置用于接收第二数据(D2)；

其中

所述第一通信单元(16)包括第三通信接口(S3)并且所述第二通信单元(18)包括第四通信接口(S4)，其中，

所述第三通信接口(S3)连接在所述第二通信接口(S2)上并且所述第一处理器(P1)设置用于处理由所述第三通信接口(S3)接收的第二数据(D2)和由所述第一通信接口(S1)接收的第一数据(D1)；并且

所述第四通信接口(S4)连接在所述第一通信接口(S1)上并且所述第二处理器(P2)设置用于处理由所述第二通信接口(S2)接收的第二数据(D2)和由所述第四通信接口(S4)接收的第一数据(D1)；

其特征在于，

所述第一通信接口(S1)和所述第二通信接口(S2)构造为串行外设接口(SPI)主设备通信接口；并且

所述第三通信接口(S3)和所述第四通信接口(S4)构造为SPI从设备通信接口。

2.根据权利要求1所述的系统(10、10a)，其中，

通过所述第一处理器(P1)进行处理包括比较所述第一数据(D1)与所述第二数据(D2)，和/或

其中，通过所述第一处理器(P1)进行处理包括进一步传送所述第一数据(D1)和/或所述第二数据(D2)和/或比较结果。

3.根据权利要求1所述的系统(10、10a)，其中，

通过所述第二处理器(P2)进行处理包括比较所述第一数据(D1)与所述第二数据(D2)，和/或

其中，通过所述第二处理器(P2)进行处理包括进一步传送所述第一数据(D1)和/或所述第二数据(D2)和/或比较结果。

4.根据权利要求2所述的系统(10、10a)，其中，

5.根据权利要求1所述的系统(10、10a)，其中，

所述第一处理器(P1)设置成，当由所述第三通信接口(S3)接收的第二数据(D2)与由所述第一通信接口(S1)接收的第一数据(D1)一致时，基于所接收的第一数据(D1)和/或所接收的第二数据(D2)确定第一输出数据(A1)；并且

所述第二处理器(P2)设置成，当由所述第二通信接口(S2)接收的第二数据(D2)与由所述第四通信接口(S4)接收的第一数据(D1)一致时，基于所接收的第一数据(D1)和/或所接收的第二数据(D2)确定第二输出数据(A2)。

6.根据权利要求4所述的系统(10、10a)，其中，

7.根据权利要求6所述的系统(10、10a)，其中，所述系统(10、10a)设置成，比较所述第一输出数据(A1)与所述第二输出数据(A2)；并且

当所述第一输出数据(A1)与所述第二输出数据(A2)一致时，将所述第一输出数据(A1)和/或所述第二输出数据(A2)传输至控制单元；或者

当所述第一输出数据(A1)与所述第二输出数据(A2)不一致时，将错误信号或者根据逻辑的或算术的运算由不一致的第一和第二输出数据确定的第三输出数据传输至控制单元。

8.根据权利要求6所述的系统(10、10a)，所述系统还包括：

控制单元(28)；其中，

所述第一控制装置(12)设置用于将所述第一输出数据(A1)传输至所述控制单元(28)；并且

所述第二控制装置(14)设置用于将所述第二输出数据(A2)传输至所述控制单元(28)；并且

所述控制单元(28)设置成，比较所述第一输出数据(A1)与所述第二输出数据(A2)，并且当所述第一输出数据(A1)与所述第二输出数据(A2)不一致时，丢弃所述第一输出数据(A1)与所述第二输出数据(A2)。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统(10、10a)，其中，

由第一通信接口(S1)生成的时钟信号(SCLK)施加在第四通信接口(S4)的输入端2.5上；并且

由第二通信接口(S2)生成的时钟信号(SCLK)施加在第三通信接口(S3)的输入端1.5上。

10.一种用于控制过程的方法，所述方法包括：

将第一过程信号同时发送(30)给第一控制装置(12)的串行外设接口(SPI)主设备通信接口和第二控制装置(14)的SPI从设备通信接口；

将第二过程信号同时发送(32)给所述第二控制装置(14)的SPI主设备通信接口和所述第一控制装置(12)的SPI从设备通信接口；

检查(34)通过第一控制装置(12)的SPI主设备通信接口和SPI从设备通信接口所接收的过程信号的一致性；

检查(36)通过第二控制装置(14)的SPI主设备通信接口和SPI从设备通信接口所接收的过程信号的一致性；

当已确定在所接收的过程信号之间的一致性时，基于所接收的过程信号控制(38)过程；并且

当已确定在所接收的过程信号之间无一致性时，将过程转变(40)到预定的状态中。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，

通过所述第二控制装置(14)接收所述第一过程信号包括通过所述第二控制装置(14)的SPI从设备通信接口监听第一控制装置(12)的SPI主设备通信接口的通信；并且

通过所述第一控制装置(12)接收所述第二过程信号包括通过第一控制装置(12)的SPI从设备通信接口监听所述第二控制装置(14)的SPI主设备通信接口的通信。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，将第一过程信号发送给所述第二控制装置(14)的SPI从设备通信接口包括转换所述第一过程信号。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，将第一过程信号发送给所述第二控制装置(14)的SPI从设备通信接口包括转换所述第一过程信号。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，将第一过程信号发送给所述第二控制装置(14)的SPI从设备通信接口包括反转所述第一过程信号。

15.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括：

通过所述第二控制装置(14)检查转换后的第一过程信号与第二过程信号的一致性；并且

当通过所述第二控制装置(14)已确定在转换后的第一过程信号与第二过程信号的一致性时，将过程转变到预定的状态中。

16.根据权利要求13所述的方法，所述方法还包括：

17.根据权利要求10至16中任一项所述的方法，所述方法还包括：

由所接收的过程信号得出过程数据；

通过所述第一控制装置(12)和所述第二控制装置(14)基于过程数据确定控制数据，

执行关于所述第一控制装置(12)的和所述第二控制装置(14)的控制数据的交叉比较；

由控制数据得出控制信号，以及

输出控制信号。