CN111665794A - 用于输入/输出(i/o)通道的灵活冗余i/o方案 - Google Patents

用于输入/输出(i/o)通道的灵活冗余i/o方案 Download PDF

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Abstract

本发明题为“用于输入/输出(I/O)通道的灵活冗余I/O方案”。本发明涉及一种冗余终端面板(114)，该冗余终端面板包括被配置为分别耦接到第一I/O模块和第二I/O模块(104a、104b)的第一接口和第二接口(210a、210b)。该冗余终端面板还包括被配置为耦接到现场设备(102)的第三接口(214)。该冗余终端面板还包括与该I/O模块和该现场设备之间的I/O通道相关联的I/O通道电路(218)。该I/O通道电路被配置为允许用于从该现场设备接收数据的输入电流被分开，以使该输入电流的不同部分由该I/O模块中的不同I/O模块提供。该I/O通道电路还被配置为组合由该I/O模块中的不同I/O模块驱动的多个电流，并提供用于将数据发送到该现场设备的输出电流。

Description

用于输入/输出(I/O)通道的灵活冗余I/O方案
技术领域
本公开整体涉及输入/输出(I/O)系统。更具体地，本公开涉及用于I/O通道的灵活冗余I/O方案。
背景技术
工业过程控制和自动化系统常常用于使大型且复杂的工业过程自动化。这些类型的系统通常包括各种部件，包括传感器、致动器和控制器。控制器中的一些可以可能通过连接的输入/输出(I/O)子系统从传感器接收测量结果并且生成用于致动器的控制信号。现有的过程控制和自动化系统通常具有参与控制和I/O功能的硬件部件，这些硬件部件安装在控制室和现场。这些硬件部件通常用于从现场收集I/O信息，将该I/O信息传输到控制室，执行各种控制功能，以及将I/O信息传输回现场。
发明内容
本公开提供用于I/O通道的灵活冗余输入/输出(I/O)方案。
在第一实施方案中，一种冗余终端面板包括被配置为分别耦接到第一I/O模块和第二I/O模块的第一接口和第二接口。冗余终端面板还包括被配置为耦接到现场设备的第三接口。冗余终端面板还包括与I/O模块和现场设备之间的I/O通道相关联的I/O通道电路。I/O通道电路被配置为允许用于从现场设备接收数据的输入电流被分开，以使输入电流的不同部分由I/O模块中的不同I/O模块提供。I/O通道电路还被配置为组合由I/O模块中的不同I/O模块驱动的多个电流，并提供用于将数据发送到现场设备的输出电流。
在第二实施方案中，一种方法包括将冗余终端面板的第一接口和第二接口分别耦接到第一I/O模块和第二I/O模块。该方法还包括将冗余终端面板的第三接口耦接到现场设备。该方法还包括操作与I/O模块和现场设备之间的I/O通道相关联的I/O通道电路。I/O通道电路被配置为允许用于从现场设备接收数据的输入电流被分开，以使输入电流的不同部分由I/O模块中的不同I/O模块提供。I/O通道电路还被配置为组合由I/O模块中的不同I/O模块驱动的多个电流，并提供用于将数据发送到现场设备的输出电流。
在第三实施方案中，一种系统包括第一I/O模块和第二I/O模块，每个I/O模块被配置为通过一个或多个I/O通道与一个或多个现场设备进行通信。该系统还包括冗余终端面板，该冗余终端面板包括被配置为分别耦接到第一I/O模块和第二I/O模块的第一接口和第二接口，以及被配置为耦接到一个或多个现场设备的第三接口。冗余终端面板还包括与一个或多个I/O通道相关联的一个或多个I/O通道电路。每个I/O通道电路被配置为允许用于从一个或多个现场设备中的一个接收数据的输入电流被分开，以使输入电流的不同部分由I/O模块中的不同I/O模块提供。每个I/O通道电路还被配置为组合由I/O模块中的不同I/O模块驱动的多个电流，并提供用于将数据发送到一个或多个现场设备中的一个的输出电流。
从以下附图、描述和权利要求书中，其他技术特征对本领域的技术人员是显而易见的。
附图说明
为了更完整地理解本公开，现在结合附图参考以下描述，在附图中：
图1示出了根据本公开的示例性工业过程控制和自动化系统；
图2和图3示出了根据本公开的用于工业过程控制和自动化系统或其他系统中的示例冗余终端面板；
图4和图5示出了根据本公开的冗余终端面板的示例使用；
图6示出了根据本公开的被执行以支持冗余终端面板的使用的示例功能；
图7示出了根据本公开的用于支持将冗余终端面板与模拟输入I/O通道一起使用的示例方法；
图8至图10示出了根据本公开的当将冗余终端面板与模拟输入I/O通道一起使用时的示例通信流程；
图11示出了根据本公开的用于支持将冗余终端面板与数字输入I/O通道一起使用的示例方法；
图12至图14示出了根据本公开的当将冗余终端面板与数字输入I/O通道一起使用时的示例通信流程；
图15示出了根据本公开的用于支持将冗余终端面板与模拟输出I/O通道一起使用的示例方法；
图16至图18示出了根据本公开的当将冗余终端面板与模拟输出I/O通道一起使用时的示例通信流程；
图19示出了根据本公开的用于支持将冗余终端面板与数字输出I/O通道一起使用的示例方法；
图20至图22示出了根据本公开的当将冗余终端面板与数字输出I/O通道一起使用时的示例通信流程；
图23示出了根据本公开的涉及与冗余终端面板一起使用的I/O模块的示例通信流程；并且
图24示出了根据本公开的与冗余终端面板一起使用的多个I/O模块之一发生故障期间的操作的示例定时。
具体实施方式
下文所讨论的图1至图24以及用于描述本专利文献中的本发明的原理的各种实施方案仅仅以例证的方式，并且不应以任何方式被解释为限制本发明的范围。本领域的技术人员将理解，本发明的原理可在任何类型的适当布置的设备或系统中实现。
如上所述，工业过程控制和自动化系统通常具有参与各种控制和输入/输出(I/O)功能的硬件部件。在许多情况下，工业过程控制器通过一个或多个I/O模块与一个或多个现场设备(诸如一个或多个传感器或致动器)进行通信。I/O模块通常包括用于促进通过特定类型的I/O通道与现场设备进行通信的电路和其他部件。
在各种行业和应用中，可能有必要或希望在控制和自动化系统或其他系统中支持冗余部件。例如，主过程控制器可以与冗余过程控制器相关联，该冗余过程控制器准备在主过程控制器发生故障时接管控制操作。在石油和天然气精炼、制药、化学加工、安全停机应用或其他可使用冗余部件来帮助确保安全可靠地执行必要或所需操作的应用中，冗余部件的使用是常见的。
令人遗憾的是，在一些基于机架的控制系统或其他类型的系统中可能很难提供冗余的I/O部件。例如，一些控制系统(诸如得自HONEYWELL INTERNATIONAL INC.的CONTROLEDGE系统)可以支持对于非冗余操作而言最佳的基于机架的设备中的I/O通道的独特布置或配置。由于各种原因，诸如在不可能或不方便在冗余I/O模块之间提供共同的感测电阻器或其他部件的情况下，向这些或其他类型的系统添加I/O冗余可能具有挑战性。在一些情况下，添加I/O冗余可能需要对I/O通道、机架或其他设备进行完整的硬件重新设计。
本公开描述了用于在工业过程控制和自动化系统或其他系统中提供I/O冗余的各种方法。这些方法支持使用冗余终端面板，该冗余终端面板可以通信方式耦接到一个或多个现场设备以及耦接到多个I/O模块。此外，冗余终端面板还允许将用于从现场设备接收数据的输入电流在多个I/O模块之间被分开，并且可以对由I/O模块提供的输入电流的各部分的测量结果进行求和，或以其他方式合并或组合以恢复来自现场设备的数据。冗余终端面板还可以合并或组合从不同I/O模块接收到的电流，以产生用于将数据提供给现场设备的输出电流。这样就可以在冗余配置中使用多个I/O模块，并可能在冗余配置中使用多个过程控制器。如果I/O模块支持使用通用或可重新配置的I/O通道，则冗余终端面板可以支持使用I/O模块支持的所有各种类型的I/O通道。
以此方式，可以在各种过程控制和自动化系统或其他系统中，包括在那些以前无法轻易、快速或经济有效地实现这种冗余通信的系统中，实现冗余的I/O通信。此外，一个或多个冗余终端面板还可以允许在使用未被设计成以冗余方式使用的较低成本部件(诸如CONTROLEDGE系统部件)的系统中实现冗余I/O通信。此外，冗余终端面板支持使用通用或可重新配置的I/O通道的能力还可以帮助简化I/O通道安装，并使对现有I/O通道安装的更改更加容易。除此之外，冗余终端面板还支持在同一安装中(且可能在同一设备机架内)混合冗余和非冗余I/O通道，从而降低总体系统成本并缩小物理空间。另外，冗余终端面板的使用还可以帮助减少或消除对物理上重新设计硬件部件以获得冗余I/O通信的需求。
图1示出了根据本公开的示例性工业过程控制和自动化系统100。如图1所示，系统100包括有利于生产或加工至少一种产品或其他材料的各种部件。例如，系统100可用于促进对一个或多个工业工厂中的部件的控制或监视。每个工厂表示一个或多个加工设施(或其一个或多个部分)，诸如用于生产至少一种产品或其他材料的一个或多个制造设施。一般来说，每个工厂可实现一个或多个工业过程并且可单独地或共同地称为过程系统。过程系统通常表示被配置为以某种方式以不同形式加工一种或多种产品或其它材料或能量的任何系统或部分系统。
在图1所示的示例中，系统100包括一个或多个现场设备102。每个现场设备102通常表示向系统100的至少一个其他部件提供输入数据或从系统的至少一个其他部件接收输出数据的设备。例如，现场设备102可包括一个或多个传感器和一个或多个致动器。传感器和致动器表示过程系统中可执行各种各样的功能中的任一种功能的部件。例如，传感器可以测量过程系统中的各种各样的特性，诸如温度、压力或流量。另外，致动器可以改变过程系统中的各种各样的特性。传感器中的每个传感器包括用于测量过程系统中的一个或多个特性的任何合适的结构。致动器中的每个致动器包括用于在过程系统中对一个或多个条件进行操作或影响的任何合适的结构。
冗余I/O模块104a-104b通信地耦接到现场设备102。I/O模块104a-104b便于与传感器、致动器或其他现场设备102进行交互。例如，I/O模块104a-104b可用于从一个或多个现场设备102接收一个或多个模拟输入(AI)、数字输入(DI)或其他输入。I/O模块104a-104b也可以用于向一个或多个现场设备102提供一个或多个模拟输出(AO)、数字输出(DO)或其他输出。如下所述，与一个或多个现场设备102的交互可以通过至少一个冗余终端面板114发生。每个I/O模块104a-104b包括用于从一个或多个现场设备102接收一个或多个输入信号或向所述一个或多个现场设备提供一个或多个输出信号的任何合适的结构。在一些实施方案中，由I/O模块104a-104b提供的I/O通道中的至少一些是“提供”型I/O通道。
系统100还包括一个或多个控制器106a-106b。控制器106a-106b可以在系统100中用于执行各种功能，以便控制一个或多个工业过程。例如，控制器106a-106b可以使用来自一个或多个传感器的测量结果来控制对一个或多个致动器的操作。控制器106a-106b可以经由I/O模块104a-104b与传感器、致动器和其他现场设备102进行交互。在一些实施方案中，控制器106a-106b可被布置成冗余对，其中每对中的一个控制器以主模式操作，而该对中的另一个控制器以冗余或备份模式操作(并且准备好在主控制器发生故障时接管操作)。
每个控制器106a-106b包括用于控制工业过程的一个或多个方面的任何合适的结构。控制器106a-106b中的至少一些可以例如表示比例积分微分(PID)控制器或多变量控制器，诸如鲁棒多变量预测控制技术(RMPCT)控制器或实现模型预测控制(MPC)或其他高级预测控制的其他类型的控制器。作为特定示例，每个控制器106a-106b可以代表运行实时操作系统、WINDOWS操作系统或其他操作系统的计算设备。注意，虽然此处显示为单独的部件，但控制器106a-106b通常可以与一个或多个I/O模块104a-104b和其他部件(例如至少一个电源)集成在一起，诸如在设备机架的同一行中。可以将多个这样的集成部件实例放置在设备机架的同一行、设备机架的不同行或不同的设备机架中。当然，部件可以以任何其他合适的方式集成和定位。
一个或多个网络108将控制器106a-106b和系统100中的其他设备耦接。网络108有利于部件之间的信息传输。网络108可表示任何合适的网络或网络组合。作为特定示例，网络108可表示至少一个以太网网络。
操作员对控制器106a-106b和系统100的其他部件的访问以及与它们的交互可以经由各种操作员站110进行。每个操作员站110可用于向操作员提供信息以及从操作员接收信息。例如，每个操作员站110可向操作员提供识别工业过程的当前状态的信息，诸如各种过程变量的值以及警告、报警或与工业过程相关联的其它状态。每个操作员站110也可接收影响如何控制工业过程的信息，诸如通过接收由控制器106a-106b控制的过程变量的设定值或者接收改变或影响控制器106a-106b如何控制工业过程的其他信息。每个操作员站110包括用于向操作员显示信息以及与操作员进行相互作用的任何合适的结构。
多个操作员站110可分组在一起并在一个或多个控制室112中使用。每个控制室112可包括以任何合适的布置方式布置的任意数量的操作员站110。在一些实施方案中，可使用多个控制室112来控制工业厂房，诸如，当每个控制室112包含用于管理工业厂房的分立部分的操作员站110时。
这表示可用于制造或加工一种或多种材料的一种类型的工业过程控制和自动化系统的简要描述。关于工业过程控制和自动化系统的附加的细节在本领域中是众所周知的，并且对于理解本公开来说是不需要的。另外，工业过程控制和自动化系统是高度可配置的，并且可根据特定需要以任何合适的方式来配置。
在特定实施方案中，图1中的各种I/O模块104a-104b、控制器106a-106b和操作员站110可以表示或包括计算或数据处理设备。例如，I/O模块、控制器和操作员站中的每一个可包括一个或多个处理设备，诸如一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)或分立电路。I/O模块、控制器和操作员站中的每一个还可包括一个或多个存储器，该存储器存储由处理设备或较大设备使用、生成或收集的指令和数据，该较大设备诸如随机存取存储器、只读存储器、闪存存储器、光盘、硬盘或任何其他合适的易失性或非易失性存储设备。I/O模块、控制器和操作员站中的每一个还可包括至少一个接口，诸如能够与其他设备或系统进行通信的一个或多个现场设备协议接口、以太网接口或无线收发器。
在过程控制和自动化系统诸如系统100中，I/O通道用于连接控制器106a-106b和现场设备102。通常，I/O模块104a-104b或其他设备可以支持各种类型的I/O通道，包括AI、DI、AO或DO。不同的I/O信道类型的特征在于不同的输入、输出、电压、电流和配置。通用I/O(UIO)信道是一种专用I/O信道，其可重新配置为作为多种I/O信道类型中的任何一种来操作。UIO电路的示例类型在美国专利No.8,072,098、美国专利No.8,392,626、美国专利No.8,656,065和美国专利公开No.2015/0278144(它们均据此全文以引用方式并入)中示出。支持可得自HONEYWELLINTERNATIONAL INC.的通用通道技术的UIO电路也适用。
如下面更详细描述的，至少一个冗余终端面板114可以在系统100或其他系统中使用以支持I/O冗余。例如，每个冗余终端面板114允许输入电流(诸如AI或DI I/O通道中使用的电流)在不同I/O模块104a-104b中不存在任何故障的情况下在这些I/O模块104a-104b之间被分开。输入电流的各部分可以由I/O模块104a-104b测量，并且可以在控制器106a-106b或其他设备处对测量结果求和或以其他方式合并或组合以恢复AI或DI输入值。如果在I/O模块104a-104b之一中存在故障，则可以由无故障的I/O模块104a或104b来测量整个输入电流。因此，冗余终端面板114支持冗余路径，以使由输入电流携带的数据到达至少一个控制器106a-106b或其他设备。
每个冗余终端面板114还允许由不同的I/O模块104a-104b生成多个电流，然后，在这些I/O模块104a-104b中没有任何故障的情况下，将其合并或以其他方式组合成单个电流(诸如在AO或DO I/O通道中使用的电流)。I/O模块104a-104b可以由至少一个控制器106a-106b或其他设备驱动以生成多个电流。如果在I/O模块104a-104b之一中存在故障，则可以使用无故障的I/O模块104a或104b来生成传出的电流。同样，冗余终端面板114支持冗余路径，以使由输出电流携带的数据到达至少一个现场设备102或其他设备。
虽然图1示出了工业过程控制和自动化系统100的一个示例，但是可以对图1作出各种改变。例如，系统100可以以任何适当的布置包括任何数量的现场设备、I/O模块、控制器、网络、操作员站、冗余终端面板以及其他部件。另外，图1中的系统100的组成和布置方式仅用于例证。部件可根据特定需要添加、省略、组合、进一步细分或以任何其他合适的配置放置。此外，特定功能已被描述为由系统100的特定部件执行。这仅用于例证。一般来说，控制系统和自动化系统是高度可配置的，并且可根据特定需要以任何合适的方式来配置。另外，图1还示出了一个示例操作环境，其中一个或多个冗余终端面板114可用于支持冗余I/O通信。该功能可用于任何其它合适的系统，并且该系统不需要与工业过程控制和自动化相关。
图2和图3示出了根据本公开的用在工业过程控制和自动化系统100或其他系统中的示例冗余终端面板114。为了便于说明，可以将图2和图3的冗余终端面板114描述为在图1的系统100中使用。然而，冗余终端面板114可以用在任何其他合适的系统中，而不管该系统是否用于工业过程控制和自动化。
如图2所示，冗余终端面板114包括基板202，诸如印刷电路板(PCB)或其他结构，在该基板之中或之上可以承载电气部件和其他部件。电源(PS)接口204被配置为耦接到至少一个电导体206a-206b，以便将冗余终端面板114耦接到至少一个电源208a-208b。在该示例中，多个电导体206a-206b将冗余终端面板114耦接到多个电源208a-208b，这允许使用冗余电源。然而，不需要使用冗余电源208a-208b，并且可以使用单个电导体206a或206b以将冗余终端面板114耦接到单个电源208a或208b。电源接口204包括被配置为从一个或多个电源接收电力的任何合适的结构。每个电导体206a-206b包括被配置为传输电力的任何合适的导电结构。每个电源208a-208b包括任何合适的电力源，诸如一个或多个蓄电池、太阳能电池、燃料电池或电源转换器。
I/O模块接口210a-210b被配置为耦接到多个I/O模块104a-104b。例如，每个接口210a-210b可以被配置为耦接到将冗余终端面板114通信地耦接到I/O模块104a-104b之一的多芯电缆或其他电缆212a-212b。I/O模块接口210a-210b允许冗余终端面板114经由电缆212a-212b与I/O模块104a-104b交换在一个或多个I/O通道中使用的电流或其他信号。每个I/O模块接口210a-210b包括被配置为向I/O模块传输I/O信号和从I/O模块接收I/O信号的任何合适的结构。每根电缆212a-212b包括被配置为传输I/O信号的任何合适的导电结构。
至少一个现场设备接口214被配置为耦接到一个或多个现场设备102。例如，每个现场设备接口214可以被配置为耦接到一个或多个现场设备连接216，这些连接将冗余终端面板114通信地耦接到一个或多个现场设备102。每个现场设备接口214包括被配置为向至少一个现场设备传输I/O信号和从其接收I/O信号的任何合适的结构。每个现场设备连接216包括被配置为传输I/O信号的任何合适的导电结构。
冗余终端面板114还包括一个或多个I/O通道电路218。每个I/O通道电路218包括有助于将冗余通信路径用于输入和输出电流的电路部件。在一些实施方案中，例如，I/O通道电路218中的每一个包括支持使用不同类型的I/O通道的各种二极管和电气通路。在特定实施方案中，I/O通道电路218中的每一个支持AI、AO、DI和DO I/O通道的使用，这允许将冗余终端面板114与I/O模块104a-104b中的通用或可重新配置的I/O通道一起使用。
在一些实施方案中，I/O模块104a-104b中的每一个可包括至少一个处理设备220、至少一个存储器222和至少一个接口224。每个处理设备220包括任何合适的数据处理设备，诸如微处理器、微控制器、DSP、FPGA、ASIC或分立电路。每个存储器222包括任何合适的易失性或非易失性存储设备，诸如随机存取存储器、只读存储器、闪存存储器、光盘或硬盘，其可以用于存储处理设备220或I/O模块104a-104b所使用、生成或收集的指令和数据。每个接口224包括被配置为与一个或多个现场设备102、控制器106a-106b或其他设备进行通信的任何合适的结构。在一些实施方案中，用于与现场设备102进行通信的接口224包括可用于选择性地激活或去激活各个I/O通道的晶体管开关，以及可被用于去激活这些I/O通道的一个或多个次级去电装置(secondary means of de-energization，SMOD)。
同样，在一些实施方案中，控制器106a-106b中的每一个可包括至少一个处理设备226、至少一个存储器228和至少一个接口230。每个处理设备226包括任何合适的数据处理设备，诸如微处理器、微控制器、DSP、FPGA、ASIC或分立电路。每个存储器228包括任何合适的易失性或非易失性存储设备，诸如随机存取存储器、只读存储器、闪存存储器、光盘或硬盘，其可以用于存储处理设备226或控制器106a-106b所使用、生成或收集的指令和数据。每个接口230包括被配置为与一个或多个I/O模块104a-104b或其他设备进行通信的任何合适的结构。
图3示出了可以在冗余终端面板114中使用的附加部件。如图3所示，接口210a-210b和214中的每一个包括各种连接器302。每个连接器302代表可以耦接到信号导体的结构，例如在电缆212a-212b或现场设备连接216中。每个连接器302还可以耦接到冗余终端面板114内的至少一条信号线或其他电气通路。
二极管304和306以及各种电气通路308将电源接口204电耦接到I/O模块接口210a-210b。二极管304和306有助于确保电能从至少一个电源208a-208b沿期望的方向流动。注意，由于两个电源208a-208b可以耦接到电源接口204，因此这里示出了两个二极管304和306。然而，这里可以使用其他数量的二极管，诸如当单个电源208a或208b耦接到电源接口204时，使用单个二极管304或306。二极管304和306中的每一个包括被配置为限制电能流动方向的任何合适的二极管。每个电气通路308包括被配置为传输电能的任何合适的导电结构，诸如印刷电路板上的导电迹线。
在该示例实施方案中，每个I/O通道电路218使用二极管310和312以及电气通路314、316和318来实现。电气通路314将I/O模块接口210a的连接器302之一耦接到二极管310的阳极，并且电气通路316将另一I/O模块接口210b的连接器302之一耦接到二极管312的阳极。电气通路318将二极管310和312的阴极耦接到现场设备接口214的连接器302之一。二极管310和312可以如下所述地使用，以允许输入电流被分开或组合输出电流。可以将此相同的总体布置用于穿过冗余终端面板114的每个I/O通道。虽然在图3中示出了两个I/O通道电路218的部件，但是针对多达给定数量为n个的I/O通道，可以复制图3中所示的I/O通道电路218，或者可以使用单个I/O通道电路218(取决于实施方式)。
二极管310和312中的每一个包括被配置为限制电能流动方向的任何合适的二极管，诸如普通二极管或齐纳二极管。注意，尽管在图3中示出了单个二极管310和单个二极管312，但是二极管310可以由串联耦接的一串二极管310代替，并且二极管312可以由串联耦接的一串二极管312代替。在那些实施方案中，第一个二极管310的阳极耦接到I/O模块接口210a的一个连接器302，而最后一个二极管310的阴极耦接到现场设备接口214的一个连接器302。此外，第一个二极管312的阳极耦接到I/O模块接口210b的一个连接器302，而最后一个二极管312的阴极耦接到现场设备接口214的一个连接器302。电气通路314、316和318中的每一个包括被配置为传输I/O信号的至少一部分的任何合适的导电结构，诸如印刷电路板上的导电迹线。
一个或多个附加电气通路320和322可用于将I/O模块接口210a的一个或多个连接器302耦接到I/O模块接口210b的一个或多个连接器302。电气通路320和322可用于支持I/O模块104a-104b之间的信息或信令的传递。例如，电气通路320可用于将数据或其他信号从I/O模块104a传输到I/O模块104b，电气通路322可用于将数据或其他信号从I/O模块104b传输到I/O模块104a。当然，I/O模块104a-104b可以以其他方式进行通信，诸如经由I/O模块104a-104b之间的一个或多个专用连接，或者通过控制器106a-106b中的一个或多个，在这种情况下，可以省略电气通路320和322。电气通路320和322中的每一个包括被配置为传输信号的任何合适的导电结构，诸如印刷电路板上的导电迹线。
尽管图2和图3示出了用在工业过程控制和自动化系统100或其他系统中的冗余终端面板114的一个示例，但是可以对图2和图3进行各种更改。例如，图2和图3中的各种部件可以被组合、进一步细分、省略或重新布置，并且可以根据特定需要添加附加部件。另外，冗余终端面板114及其部件的形状因数以及部件的布局仅用于例证。
图4和图5示出了根据本公开的冗余终端面板114的示例使用。特别地，图4示出了具有模拟输入或数字输入I/O通道的冗余终端面板114的示例使用，并且图5示出了具有模拟输出或数字输出I/O通道的冗余终端面板114的示例使用。为了便于说明，可以将图4和图5所示的冗余终端面板114描述为在图1的系统100中使用。然而，冗余终端面板114可以用在任何其他合适的系统中，而不管该系统是否用于工业过程控制和自动化。
如图4所示，I/O模块104a-104b中的每一个包括至少一个处理设备220，在该示例中，该处理设备使用ASIC来实现(但也可以使用其他实施方式)。I/O模块104a-104b中的每一个还包括与电阻器404和感测电阻器406串联耦接的开关402，并且可以针对由I/O模块支持的每个I/O通道复制这些部件。开关402被配置为被选择性地激活(使其导电)和去激活(使其不导电)，以便控制通过电阻器404和406的电流。开关402包括被配置为选择性地允许和阻止电流流动的任何合适的结构，诸如PNP型或其他晶体管。每个电阻器404和406包括具有任何合适的电阻的任何合适的电阻结构。在一些实施方案中，电阻器404具有足够大的电阻以限制可以流经开关402的总电流量。而且，电阻器406通常具有适当小的电阻，该电阻允许处理设备220基于电阻器406两端的电压降来精确地测量流经电阻器406的电流。
I/O模块104a-104b中的每一个还包括至少一个次级去电装置(SMOD)开关408。每个SMOD开关408与I/O通道中的一个或多个串联耦接，并且可以用于激活或去激活那些I/O通道。在一些实施方案中，每个I/O通道可以具有其自己的专用SMOD开关408。在其他实施方案中，多个I/O通道可以耦接到公共SMOD开关408。每个SMOD开关408包括被配置为选择性地允许和阻止电流流动的任何合适的结构，诸如PNP型或其他晶体管。
另外，I/O模块104a-104b中的每一个包括两个输出端子410。在例示的示例中，I/O模块104a的第一输出端子410耦接到冗余终端面板114的一个I/O通道电路218中的二极管310。另外，I/O模块104b的第一输出端子410耦接到冗余终端面板114的I/O通道电路218中的二极管312。二极管310和312耦接到现场设备102的第一端子。I/O模块104a的第二输出端子410接地。I/O模块104b的第二输出端子410接地，并可选地耦接到现场设备102的第二端子。
在图4所示的配置中，正在使用模拟输入或数字输入I/O通道。在这种布置中，I/O模块104a-104b可以实现“提供型”AI或DI I/O通道，这意味着I/O模块104a-104b将电流提供给现场设备102。在正常操作期间，当与模拟输入I/O通道一起使用时，输入电流由I/O模块104a-104b驱动(提供)到现场设备102，现场设备102可以更改其电阻或其他特性以改变从I/O模块104a-104b汲取的电流，以表示模拟值。这些电流可以在I/O模块104a-104b处测量(通过它们的感测电阻器406)。至少一个控制器106a-106b可以从I/O模块104a-104b接收电流测量结果并且对测量结果求和，以恢复AI I/O通道的值。在正常操作期间，当与数字输入I/O通道一起使用时，输入电流由I/O模块104a-104b驱动(提供)到现场设备102，现场设备102可以更改其电阻或其他特性以改变从I/O模块104a-104b汲取的电流，以表示数字值(也称为数字状态)。这些电流可以在I/O模块104a-104b处测量(通过它们的感测电阻器406)，并用于识别数字输入状态。至少一个控制器106a-106b可以对所识别的数字输入状态进行逻辑“或”运算以恢复DI I/O通道的值。以此方式，冗余终端面板114允许将AI或DI输入电流在多个I/O模块104a-104b之间分开，并且一个或多个控制器106a-106b可以基于由I/O模块104a-104b进行的测量来恢复AI或DI输入值。
如果I/O模块104a-104b之一发生故障，则有故障的I/O模块104a-104b可以停止向现场设备102驱动电流。因此，控制器106a-106b可以使用由剩余I/O模块104a-104b确定的电流或数字输入状态来恢复AI或DI输入值。如下所述，在I/O模块104a-104b或控制器106a-106b中可以支持去抖动算法或其他算法，以抑制由I/O模块故障引起的AI或DI输入值的快速变化，至少直到过去了一段时间。
在图5所示的配置中，正在使用模拟输出或数字输出I/O通道。在这种布置中，I/O模块104a-104b可以实现“提供型”模拟输出或数字输出I/O通道，并且在I/O模块104a-104b中可能不需要电阻器404。在正常操作期间，当与模拟输出I/O通道一起使用时，不同的I/O模块104a-104b将输出电流的部分(诸如一半)驱动到冗余终端面板114，并且冗余终端面板114将这些部分组合起来，以向现场设备102提供所需的模拟输出电流。在正常操作期间，当与数字输出I/O通道一起使用时，不同的I/O模块104a-104b驱动数字输出信号，并且冗余终端面板114可以对数字输出信号进行逻辑“或”运算，以向现场设备102提供所需的数字输出信号。在一些实施方案中，每个I/O模块104a-104b可以与另一个I/O模块104a-104b通信，以便识别另一个I/O模块的状态。然后，每个I/O模块104a-104b可以基于另一个I/O模块104a-104b是否正常工作来确定是输出整个电流信号还是输出一部分电流信号。
如果I/O模块104a-104b之一发生故障，则控制器106a-106b可以停止驱动有故障的I/O模块104a-104b，并且仅使用剩余的I/O模块104a-104b来驱动AO或DO输出电流。同样，如下所述，在I/O模块104a-104b或控制器106a-106b中可以支持去抖动算法或其他算法，以抑制由I/O模块故障引起的AO或DO输出值的快速变化，至少直到过去了一段时间。
尽管图4和图5示出了冗余终端面板114的示例使用，但是可以对图4和图5进行各种更改。例如，部件402、404、406和408可以在I/O模块104a-104b内被复制任何次数，以在I/O模块104a-104b中提供所需数量的I/O通道。类似地，二极管310和312(以及上述的相关电气通路314、316和318)可以在冗余终端面板114内被复制任何次数，以在冗余终端面板114中提供所需数量的I/O通道。而且，尽管这里示出了使用两个冗余I/O模块104a-104b，但是如果需要或期望的话，可以支持两个以上的I/O模块104a-104b。
图6示出了根据本公开的被执行以支持冗余终端面板114的使用的示例功能。特别地，图6示出了可以由控制器106a-106b和I/O模块104a-104b为支持将冗余终端面板114与不同类型的I/O通道(即，AI、AO、DI和DO通道)一起使用而执行的示例功能。但是，冗余终端面板114可以与任何其他合适的部件一起使用并且可以在任何其他合适的系统中使用，而不管这些部件或系统是否用于工业过程控制和自动化。
如图6所示，每个控制器106a-106b被配置为执行冗余功能块602以支持诸如I/O逻辑和错误处理之类的功能。例如，当与数字输入I/O通道一起使用时，冗余功能块602可以用于对由I/O模块104a-104b测量的值DI1和DI2进行数字求和或逻辑“或”运算(基于流经它们的感测电阻器406的电流)以在正常操作期间生成最终的数字输入值DI。当与模拟输入I/O通道一起使用时，冗余功能块602可用于对I/O模块104a-104b测量的值AI1和AI2进行求和(基于流经它们的感测电阻器406的电流)以在正常操作期间生成最终的模拟输入值AI。如果I/O模块104a-104b之一发生故障，则冗余功能块602可以使用由剩余的I/O模块104a-104b测量的电流值或数字状态(基于流经其感测电阻器406的电流)来生成最终的数字输入或模拟输入值。当与模拟输出或数字输出I/O通道一起使用时，冗余功能块602可以用于将AO或DO值驱动到I/O模块104a-104b。I/O模块104a-104b可以生成适当的输出信号，所述输出信号可以由冗余终端面板114组合(如果多个I/O模块104a-104b生成多个信号的话)。
I/O模块104a-104b中的每一个可以执行I/O处理以支持各种类型的I/O通道的使用。例如，当与数字输入或模拟输入I/O通道一起使用时，每个I/O模块104a-104b可以测量其电流(诸如，通过使用其感测电阻器406)并生成提供给控制器106a-106b的值(诸如，电流测量结果或数字状态)。这里，I/O模块104a-104b可能不知道它们是在接收整个AI或DI输入信号还是仅接收AI或DI输入信号的一部分。当与数字输出I/O通道一起使用时，每个I/O模块104a-104b可以驱动表示所需的数字值的合适的输出，并且冗余终端面板114可以组合这些输出(诸如，通过执行逻辑“或”运算)以产生所需的数字输出值。这里，I/O模块104a-104b可能不知道它们是单独生成还是共同生成DO输出信号。当与模拟输出I/O通道一起使用时，每个I/O模块104a-104b可以根据另一个I/O模块104a-104b的状态来驱动整个AO输出电流或AO输出电流的一部分。如上所述，I/O模块104a-104b可以经由冗余终端面板114的电气通路320和322、经由控制器106a-106b、或以任何其他合适的方式进行通信。
在图6中，可以使用任何适当的方法来管理I/O模块104a-104b之间的冗余。例如，每个I/O模块104a-104b可以被配置为向另一个I/O模块104a-104b传输通常为“高”的数字信号或其他信号。因此，一个I/O模块104a-104b可以识别另一I/O模块104a-104b的故障，诸如当数字信号变低时(至少在指定数量的间隔内或指定的时间量内)。类似地，可以使用任何合适的方法来管理控制器106a-106b之间的冗余。同样，控制器106a-106b中的冗余功能块602可用于支持各种功能，诸如过程变量计算(例如识别AI或DI输入值)、输出驱动(例如提供AO或DO输出值)和诊断(例如识别开路、短路或其他情况)。其他功能可以包括与另一个控制器106a-106b的数据同步、定时控制以及I/O数据的无扰传输。
尽管图6示出了为支持冗余终端面板114的使用而执行的功能的示例，但可以对图6进行各种更改。例如，冗余终端面板114可以与冗余I/O模块104a-104b和单个控制器106a或106b一起使用。而且，冗余终端面板114可以与在任何其他合适的系统中支持一个或多个I/O通道的任何其他合适的部件一起使用。
图7至图24示出了示例方法和通信流程，所述方法和通信流程涉及冗余终端面板或与冗余终端面板结合使用的部件(诸如一个或多个I/O模块104a-104b或一个或多个控制器106a-106b)。为了便于说明，图7至图24中的方法和通信流程可被描述为涉及在图1的系统100中使用图2和图3的冗余终端面板114、I/O模块104a-104b和控制器106a-106b。然而，图7至24中的方法和通信流程可以涉及在任何其他合适的系统中使用任何其他合适的部件，而不管这些部件或系统是否用于工业过程控制和自动化。
图7示出了根据本公开的用于支持将冗余终端面板114与模拟输入I/O通道一起使用的示例方法700。特别地，方法700可以由多个I/O模块104a-104b中的每一个执行以支持通过冗余终端面板114的冗余AI通道的使用。如图7所示，在步骤702，配置AI通道。这可以包括例如将通用或可重新配置的I/O通道配置为模拟输入通道的I/O模块104a-104b。另选地，这可以包括人员将支持模拟输入通道的电路安装到I/O模块104a-104b中。
在步骤704，为AI通道接通“提供”电流。这可以包括例如I/O模块104a-104b激活用于AI通道的开关402，以允许电流流过AI通道。如果尚未激活，则还可以包括I/O模块104a-104b激活该通道的SMOD开关408。在步骤706，运行一个或多个通道诊断。这可以包括例如I/O模块104a-104b基于使用感测电阻器406捕获的测量结果来测量流经开关402的电流。这也可以包括I/O模块104a-104b确定是否检测到一个或多个条件，诸如所测量的电流是否指示短路或开路条件。
在步骤708，确定是否所有诊断都成功。如果是，则可以将AI通道置于正常使用状态。在这段时间内，在步骤710读取(测量)通过AI通道汲取的电流，并在步骤712将读取的电流报告给至少一个控制器。这可以包括例如I/O模块104a-104b基于使用感测电阻器406捕获的测量结果来测量流经开关402的电流。这也可以包括I/O模块104a-104b向一个或多个控制器106a-106b报告其电流测量结果。如上所述，在这段时间内，控制器106a-106b可以组合来自多个I/O模块104a-104b的电流测量结果，以恢复由现场设备102发送的AI输入值。这里可以将步骤706-712重复任何次数。
如果在步骤708并非所有诊断都成功，则可以在步骤714断开I/O模块的所有通道，并向至少一个控制器报告故障。例如，这可以包括I/O模块104a-104b针对所有通道(可能包括用于将其状态传达给另一I/O模块104a-104b的通道)使其SMOD开关408去激活。这也可以包括I/O模块104a-104b向一个或多个控制器106a-106b发送标识故障的警报或其他指示。如上所述，在这段时间内，控制器106a-106b可以使用来自任何剩余的(无故障)I/O模块104a-104b的测量结果来恢复由现场设备102发送的AI输入值。注意，在断定已经发生实际故障之前，I/O模块104a-104b可以首先接受去抖动处理过程。在步骤716，确定是否已经为有故障的I/O模块给出了用户重置(或其他重置指示)。如果是，则在步骤718，可以重新连接(现在恢复的)I/O模块的通道，并且可以将恢复报告给至少一个控制器。这可以包括例如恢复的I/O模块104a-104b针对所有通道激活其SMOD开关408。这也可以包括I/O模块104a-104b向一个或多个控制器106a-106b发送标识恢复的警报或其他指示。此时，I/O模块104a-104b可以返回到步骤706。
图8至图10示出了根据本公开的当将冗余终端面板114与模拟输入I/O通道一起使用时的示例通信流程。特别地，图8示出了在模拟输入通道的正常操作期间的示例通信流程800，图9示出了在模拟输入通道的潜在故障之后的去抖动期间的示例通信流程900，并且图10示出了在去抖动之后和在模拟输入通道的确认故障之后的示例通信流程1000。
如图8所示，在模拟输入通道的正常操作期间，用户/用户界面801向至少一个控制器(诸如控制器106a)发送读取AI通道的电流的请求802。作为响应，控制器106a向I/O模块104a发送读取AI通道的电流的命令804，从而使I/O模块104a将电流806驱动到现场设备102。I/O模块104a捕获现场设备102所汲取的电流的测量结果808，并将包含该测量结果的响应810发送到控制器106a。控制器106a还向I/O模块104b发送读取AI通道的电流的命令812，从而使I/O模块104b将电流814驱动到现场设备102。I/O模块104b捕获现场设备102所汲取的电流的测量结果816，并将包含该测量结果的响应818发送到控制器106a。控制器106a对由I/O模块104a-104b报告的两个电流测量结果求和，并将包含所得的总和的响应820发送到用户/用户界面801。
如图9所示，用户/用户界面801向至少一个控制器(诸如控制器106a)发送读取AI通道的电流的请求902。作为响应，控制器106a向I/O模块104a发送读取AI通道的电流的命令904，从而使I/O模块104a将电流906驱动到现场设备102。然而，在这种情况下，发生初始诊断故障，这意味着I/O模块104a可能会获得或可能无法获得有效的测量结果。因此，I/O模块104a捕获现场设备102所汲取的电流的测量结果908，并将包含该测量结果和“不良数据软故障”指示的响应910发送到控制器106a。“不良数据软故障”指示通知控制器106a已经检测到潜在故障，因此，I/O模块104a正进入去抖动时段，在该时段，在I/O模块104a可以确定是否已经发生实际故障之前需要经过指定的时间量。控制器106a还向I/O模块104b发送读取AI通道的电流的命令912，从而使I/O模块104b将电流914驱动到现场设备102。I/O模块104b捕获现场设备102所汲取的电流的测量结果916，并将包含该测量结果的响应918发送到控制器106a。控制器106a将包含最后的已知良好AI值的响应920发送到用户/用户界面801，这有助于防止将可能无效的AI值提供给用户/用户界面801。
如图10所示，用户/用户界面801向至少一个控制器(诸如控制器106a)发送读取AI通道的电流的请求1002。作为响应，控制器106a向I/O模块104a发送读取AI通道的电流的命令1004，从而使I/O模块104a将电流1006驱动到现场设备102。但是，在这种情况下，诊断故障得到确认，这意味着I/O模块104a(先前已检测到潜在错误并开始去抖动，如图9所示)已经确认存在故障。因此，I/O模块104a捕获现场设备102所汲取的电流的测量结果1008，并且向控制器106a发送报告“软故障”的响应1010。软故障指示通知控制器106a I/O模块104a已经发生故障。控制器106a还向I/O模块104b发送读取AI通道的电流的命令1012，从而使I/O模块104b将电流1014驱动到现场设备102。I/O模块104b捕获现场设备102所汲取的电流的测量结果1016，并将包含该测量结果的响应1018发送到控制器106a。控制器106a使用由I/O模块104b报告的电流测量结果，并将包含测量值的响应1020发送到用户/用户界面801。
图11示出了根据本公开的用于将冗余终端面板114与数字输入I/O通道一起使用的示例方法1100。特别地，方法1100可以由多个I/O模块104a-104b中的每一个执行以支持通过冗余终端面板114的冗余DI通道的使用。如图11所示，在步骤1102，配置DI通道。这可以包括例如将通用或可重新配置的I/O通道配置为数字输入通道的I/O模块104a-104b。另选地，这可以包括人员将支持数字输入通道的电路安装到I/O模块104a-104b中。
在步骤1104，为DI通道接通“提供”电流。这可以包括例如I/O模块104a-104b激活用于DI通道的开关402，以允许电流流过DI通道。如果尚未激活，则还可以包括I/O模块104a-104b激活该通道的SMOD开关408。在步骤1106，运行一个或多个通道诊断。这可以包括例如I/O模块104a-104b基于使用感测电阻器406捕获的测量结果来测量流经开关402的电流。这也可以包括I/O模块104a-104b确定是否检测到一个或多个条件，诸如所测量的电流是否指示短路或开路条件。
在步骤1108，确定是否所有诊断都成功。如果是，则可以将DI通道置于正常使用状态。在这段时间内，在步骤1110读取(测量)通过DI通道汲取的电流，并在步骤1112将一个或多个阈值应用于所测量的电流，以确定DI通道的数字状态。这可以包括例如I/O模块104a-104b基于使用感测电阻器406捕获的测量结果来测量流过开关402的电流，并将一个或多个阈值应用于电流测量结果。在步骤1114，将确定的数字状态报告给至少一个控制器。这可以包括例如I/O模块104a-104b向一个或多个控制器106a-106b报告所确定的数字状态。如上所述，在这段时间内，控制器106a-106b可以对从多个I/O模块104a-104b接收到的数字状态进行逻辑“或”运算，以恢复由现场设备102发送的DI输入值。这里可以将步骤1106-1114重复任何次数。
如果在步骤1108并非所有诊断都成功，则可以在步骤1116断开I/O模块的所有通道，并向至少一个控制器报告故障。例如，这可以包括I/O模块104a-104b针对所有通道(可能包括用于将其状态传达给另一I/O模块104a-104b的通道)使其SMOD开关408去激活。这也可以包括I/O模块104a-104b向一个或多个控制器106a-106b发送标识故障的警报或其他指示。如上所述，在这段时间内，控制器106a-106b可以使用来自任何剩余的(无故障)I/O模块104a-104b的数字状态来恢复由现场设备102发送的DI输入值。注意，在断定已经发生实际故障之前，I/O模块104a-104b可以首先接受去抖动处理过程。在步骤1118，确定是否已经为有故障的I/O模块给出了用户重置(或其他重置指示)。如果是，则在步骤1120，可以重新连接(现在恢复的)I/O模块的通道，并且可以将恢复报告给至少一个控制器。这可以包括例如恢复的I/O模块104a-104b针对所有通道激活其SMOD开关408。这也可以包括I/O模块104a-104b向一个或多个控制器106a-106b发送标识恢复的警报或其他指示。此时，I/O模块104a-104b可以返回到步骤1106。
图12至图14示出了根据本公开的当将冗余终端面板114与数字输入I/O通道一起使用时的示例通信流程。特别地，图12示出了在数字输入通道的正常操作期间的示例通信流程1200，图13示出了在数字输入通道的潜在故障之后的去抖动期间的示例通信流程1300，并且图14示出了在去抖动之后和在数字输入通道的确认故障之后的示例通信流程1400。
如图12所示，在数字输入通道的正常操作期间，用户/用户界面801向至少一个控制器(诸如控制器106a)发送读取DI通道的数字状态的请求1202。作为响应，控制器106a向I/O模块104a发送读取DI通道的数字状态的命令1204，从而使I/O模块104a将电流1206驱动到现场设备102。I/O模块104a捕获现场设备102所汲取的电流的测量结果1208，并将包含基于该测量结果的数字状态的响应1210发送到控制器106a。控制器106a还向I/O模块104b发送读取DI通道的数字状态的命令1212，从而使I/O模块104b将电流1214驱动到现场设备102。I/O模块104b捕获现场设备102所汲取的电流的测量结果1216，并将包含基于该测量结果的数字状态的响应1218发送到控制器106a。控制器106a使用逻辑“或”运算来组合由I/O模块104a-104b报告的两个数字状态测量结果，并将包含结果的响应1220发送到用户/用户界面801。
如图13所示，用户/用户界面801向至少一个控制器(诸如控制器106a)发送读取DI通道的数字状态的请求1302。作为响应，控制器106a向I/O模块104a发送读取DI通道的数字状态的命令1304，从而使I/O模块104a将电流1306驱动到现场设备102。然而，在这种情况下，发生初始诊断故障，这意味着I/O模块104a可能会获得或可能无法获得有效的测量结果。因此，I/O模块104a捕获现场设备102所汲取的电流的测量结果1308，并且将包含基于该测量结果的数字状态和“不良数据软故障”指示的响应1310发送至控制器106a。“不良数据软故障”指示通知控制器106a已经检测到潜在故障，因此，I/O模块104a正进入去抖动时段，在该时段，在I/O模块104a可以确定是否已经发生实际故障之前需要经过指定的时间量。控制器106a还向I/O模块104b发送读取DI通道的数字状态的命令1312，从而使I/O模块104b将电流1314驱动到现场设备102。I/O模块104b捕获现场设备102所汲取的电流的测量结果1316，并将包含基于该测量结果的数字状态的响应1318发送到控制器106a。控制器106a将包含最后的已知良好DI值的响应1320发送到用户/用户界面801，这有助于防止将可能无效的DI值提供给用户/用户界面801。
如图14所示，用户/用户界面801向至少一个控制器(诸如控制器106a)发送读取DI通道的数字状态的请求1402。作为响应，控制器106a向I/O模块104a发送读取DI通道的数字状态的命令1404，从而使I/O模块104a将电流1406驱动到现场设备102。但是，在这种情况下，诊断故障得到确认，这意味着I/O模块104a(先前已检测到潜在错误并开始去抖动)已经确认存在故障。因此，I/O模块104a捕获现场设备102所汲取的电流的测量结果1408，并且向控制器106a发送报告“软故障”的响应1410。软故障指示通知控制器106a I/O模块104a已经发生故障。控制器106a还向I/O模块104b发送读取DI通道的数字状态的命令1412，从而使I/O模块104b将电流1414驱动到现场设备102。I/O模块104b捕获现场设备102所汲取的电流的测量结果1416，并将包含基于该测量结果的数字状态的响应1418发送到控制器106a。控制器106a使用由I/O模块104b报告的数字状态，并将包含数字状态的响应1420发送到用户/用户界面801。
图15示出了根据本公开的用于支持将冗余终端面板114与模拟输出I/O通道一起使用的示例方法1500。特别地，方法1500可以由多个I/O模块104a-104b中的每一个执行以支持通过冗余终端面板114的冗余AO通道的使用。如图15所示，在步骤1502，配置AO通道。这可以包括例如将通用或可重新配置的I/O通道配置为模拟输出通道的I/O模块104a-104b。另选地，这可以包括人员将支持模拟输出通道的电路安装到I/O模块104a-104b中。
在步骤1504，将由至少一个控制器命令的驱动电流的一部分(诸如一半或某一其他百分比)驱动到AO通道中。这可以包括例如I/O模块104a-104b激活用于AO通道的开关402，以允许该百分比的所请求的驱动电流流过AO通道。如果尚未激活，则还可以包括I/O模块104a-104b激活该通道的SMOD开关408。在步骤1506测量读回电流，并且在步骤1508运行一个或多个通道诊断。这可以包括例如I/O模块104a-104b基于使用感测电阻器406捕获的测量结果来测量流经开关402的电流。这也可以包括I/O模块104a-104b确定是否检测到一个或多个条件，诸如所测量的电流是否指示短路或开路条件。在步骤1510，确定是否所有诊断都成功。如果是，则在步骤1512将读回电流报告给至少一个控制器。这允许控制器106a-106b确认向现场设备102提供了适当的AO值。
如果在步骤1510并非所有诊断都成功，则可以在步骤1514断开I/O模块的所有通道，并向至少一个控制器报告故障。例如，这可以包括I/O模块104a-104b针对所有通道(可能包括用于将其状态传达给另一I/O模块104a-104b的通道)使其SMOD开关408去激活。这也可以包括I/O模块104a-104b向一个或多个控制器106a-106b发送标识故障的警报或其他指示。如上所述，在这段时间内，控制器106a-106b可以使用任何剩余的(无故障)I/O模块104a-104b来驱动被发送到现场设备102的AO输出电流。注意，在断定已经发生实际故障之前，I/O模块104a-104b可以首先接受去抖动处理过程。在步骤1516，确定是否已经为有故障的I/O模块给出了用户重置(或其他重置指示)。如果是，则在步骤1518，可以重新连接(现在恢复的)I/O模块的通道，并且可以将恢复报告给至少一个控制器。这可以包括例如恢复的I/O模块104a-104b针对所有通道激活其SMOD开关408。这也可以包括I/O模块104a-104b向一个或多个控制器106a-106b发送标识恢复的警报或其他指示。
在步骤1512或1518之后，在步骤1520，在I/O模块处确定冗余集中的另一个I/O模块是否健康。这可以包括例如I/O模块104a-104b使用从另一个I/O模块104a-104b接收(或不是从其接收)的信号来确定另一个I/O模块的健康状况。如果另一个I/O模块保持健康，则过程返回到步骤1504，以便每个I/O模块可以继续驱动AO通道中使用的部分电流。如果另一个I/O模块不健康，则在步骤1522，将健康的I/O模块用于将所有驱动电流驱动到AO通道中。以此方式，I/O模块104a-104b能够将所需的电流量共同驱动到AO通道中。
图16至图18示出了根据本公开的当将冗余终端面板114与模拟输出I/O通道一起使用时的示例通信流程。特别地，图16示出了在模拟输出通道的正常操作期间的示例通信流程1600，图17示出了在模拟输出通道的潜在故障之后的去抖动期间的示例通信流程1700，并且图18示出了在去抖动之后和在模拟输出通道的确认故障之后的示例通信流程1800。
如图16所示，在模拟输出通道的正常操作期间，用户/用户界面801向至少一个控制器(诸如控制器106a)发送设置AO通道的电流的请求1602。作为响应，控制器106a向I/O模块104a发送驱动AO通道的电流的命令1604，从而使I/O模块104a将电流1606作为所请求的电流的一部分(诸如一半或某一其他百分比)驱动到现场设备102。I/O模块104a捕获电流的读回测量结果1608，并将包含该测量结果的响应1610发送到控制器106a。控制器106a向I/O模块104b发送驱动AO通道的电流的命令1612，从而使I/O模块104b将电流1614作为所请求的电流的一部分(诸如一半或某一其他百分比)驱动到现场设备102。I/O模块104b捕获电流的读回测量结果1616，并将包含该测量结果的响应1618发送到控制器106a。控制器106a对由I/O模块104a-104b报告的两个电流测量结果求和，并将包含所得的读回总和的响应1620发送到用户/用户界面801。
如图17所示，用户/用户界面801向至少一个控制器(诸如控制器106a)发送设置AO通道的电流的请求1702。作为响应，控制器106a向I/O模块104a发送驱动AO通道的电流的命令1704，从而使I/O模块104a将电流1706作为所请求的电流的一部分(诸如一半或某一其他百分比)驱动到现场设备102。然而，在这种情况下，发生初始诊断故障，这意味着I/O模块104a可能会获得或可能无法获得有效的读回测量结果。因此，I/O模块104a捕获电流的读回测量结果1708，并将包含该测量结果和“不良数据软故障”指示的响应1710发送到控制器106a。“不良数据软故障”指示通知控制器106a已经检测到潜在故障，因此，I/O模块104a正进入去抖动时段，在该时段，在I/O模块104a可以确定是否已经发生实际故障之前需要经过指定的时间量。控制器106a向I/O模块104b发送驱动AO通道的电流的命令1712，从而使I/O模块104b将电流1714作为所请求的电流的一部分(诸如一半或某一其他百分比)驱动到现场设备102。I/O模块104b捕获电流的读回测量结果1716，并将包含该测量结果的响应1718发送到控制器106a。控制器106a将包含最后的已知良好读回值的响应1720发送到用户/用户界面801，这有助于防止将可能无效的AO读回值提供给用户/用户界面801。
如图18所示，用户/用户界面801向至少一个控制器(诸如控制器106a)发送设置AO通道的电流的请求1802。作为响应，控制器106a向I/O模块104a发送驱动AO通道的电流的命令1804，从而使I/O模块104a将电流1806作为所请求的电流的一部分(诸如一半或某一其他百分比)驱动到现场设备102。但是，在这种情况下，诊断故障得到确认，这意味着I/O模块104a(先前已检测到潜在错误并开始去抖动)已经确认存在故障。因此，I/O模块104a捕获电流的读回测量结果1808，并且向控制器106a发送报告“软故障”的响应1810。软故障指示通知控制器106a I/O模块104a已经发生故障。控制器106a还向I/O模块104b发送驱动AO通道的电流的命令1812，从而使I/O模块104b将电流1814驱动到现场设备102。因为I/O模块104b可以检测到I/O模块104a的故障，所以I/O模块104b可以驱动全部所请求的电流。I/O模块104b捕获电流的读回测量结果1816，并将包含该测量结果的响应1818发送到控制器106a。控制器106a使用由I/O模块104b报告的读回测量结果，并将包含测量值的响应1820发送到用户/用户界面801。
图19示出了根据本公开的用于支持将冗余终端面板114与数字输出I/O通道一起使用的示例方法1900。特别地，方法1900可以由多个I/O模块104a-104b中的每一个执行以支持通过冗余终端面板114的冗余DO通道的使用。如图19所示，在步骤1902，配置DO通道。这可以包括例如将通用或可重新配置的I/O通道配置为数字输出通道的I/O模块104a-104b。另选地，这可以包括人员将支持数字输出通道的电路安装到I/O模块104a-104b中。
在步骤1904，根据至少一个控制器的命令接通或关闭DO通道。这可以包括例如I/O模块104a-104b激活用于DO通道的开关402，以允许电流在“接通”时间段内流过DO通道，并去激活用于DO通道的开关402，以在“关闭”期间阻止电流流过DO通道。如果尚未激活，则还可以包括I/O模块104a-104b根据需要激活该通道的SMOD开关408。在步骤1906测量读回电流，并且在步骤1908运行一个或多个通道诊断。这可以包括例如I/O模块104a-104b基于使用感测电阻器406捕获的测量结果来测量流经开关402的电流。这也可以包括I/O模块104a-104b确定是否检测到一个或多个条件，诸如所测量的电流是否指示短路或开路条件。在步骤1910，确定是否所有诊断都成功。如果是，则在步骤1912，将读回电流用于识别数字状态，并将该数字状态报告给控制器。这允许控制器106a-106b确认向现场设备102提供了适当的DO值。
如果在步骤1910并非所有诊断都成功，则可以在步骤1914断开I/O模块的所有通道，并向至少一个控制器报告故障。例如，这可以包括I/O模块104a-104b针对所有通道(可能包括用于将其状态传达给另一I/O模块104a-104b的通道)使其SMOD开关408去激活。如上所述，在这段时间内，一个或多个控制器106a-106b可以使用任何剩余的(无故障)I/O模块104a-104b来驱动被发送到现场设备102的DO输出电流。注意，在断定已经发生实际故障之前，I/O模块104a-104b可以首先接受去抖动处理过程。在步骤1916，确定是否已经为有故障的I/O模块给出了用户重置(或其他重置指示)。如果是，则在步骤1918，可以重新连接(现在恢复的)I/O模块的通道，并且可以将恢复报告给至少一个控制器。这可以包括例如恢复的I/O模块104a-104b针对所有通道激活其SMOD开关408。这也可以包括I/O模块104a-104b向一个或多个控制器106a-106b发送标识恢复的警报或其他指示。
图20至图22示出了根据本公开的当将冗余终端面板114与数字输入I/O通道一起使用时的示例通信流程。特别地，图20示出了在数字输出通道的正常操作期间的示例通信流程2000，图21示出了在数字输出通道的潜在故障之后的去抖动期间的示例通信流程2100，并且图22示出了在去抖动之后和在数字输出通道的确认故障之后的示例通信流程2200。
如图20所示，在数字输出通道的正常操作期间，用户/用户界面801向至少一个控制器(诸如控制器106a)发送驱动DO通道的数字状态的请求2002。作为响应，控制器106a向I/O模块104a发送驱动DO通道的数字状态的命令2004，从而使I/O模块104a向现场设备102驱动创建数字状态的电流2006。I/O模块104a捕获电流的读回测量结果2008，并将包含基于该测量结果的数字状态的响应2010发送到控制器106a。控制器106a还向I/O模块104b发送驱动DO通道的数字状态的命令2012，从而使I/O模块104b将创建数字状态的电流2014驱动到现场设备102。I/O模块104b捕获电流的读回测量结果2016，并将包含基于该测量结果的数字状态的响应2018发送到控制器106a。控制器106a使用逻辑“或”运算来组合由I/O模块104a-104b报告的两个数字状态测量结果，并将包含结果的响应1220发送到用户/用户界面801。
如图21所示，用户/用户界面801向至少一个控制器(诸如控制器106a)发送驱动DO通道的数字状态的请求2102。作为响应，控制器106a向I/O模块104a发送驱动DO通道的数字状态的命令2104，从而使I/O模块104a将电流2106驱动到现场设备102。然而，在这种情况下，发生初始诊断故障，这意味着I/O模块104a可能会获得或可能无法获得有效的测量结果。因此，I/O模块104a捕获电流的读回测量结果2108，并将包含基于测量结果的数字状态和“不良数据软故障”指示的响应2110发送至控制器106a。“不良数据软故障”指示通知控制器106a已经检测到潜在故障，因此，I/O模块104a正进入去抖动时段，在该时段，在I/O模块104a可以确定是否已经发生实际故障之前需要经过指定的时间量。控制器106a还向I/O模块104b发送驱动DO通道的数字状态的命令2112，从而使I/O模块104b将电流2114驱动到现场设备102。I/O模块104b捕获电流的读回测量结果2116，并将包含基于该测量结果的数字状态的响应2118发送到控制器106a。控制器106a将包含最后的已知良好读回值的响应2120发送到用户/用户界面801，这有助于防止将可能无效的DO值提供给用户/用户界面801。
如图22所示，用户/用户界面801向至少一个控制器(诸如控制器106a)发送驱动DO通道的数字状态的请求2202。作为响应，控制器106a向I/O模块104a发送驱动DO通道的数字状态的命令2204，从而使I/O模块104a将电流2206驱动到现场设备102。但是，在这种情况下，诊断故障得到确认，这意味着I/O模块104a(先前已检测到潜在错误并开始去抖动)已经确认存在故障。因此，I/O模块104a捕获电流的读回测量结果2208，并且向控制器106a发送报告“软故障”的响应2210。软故障指示通知控制器106a I/O模块104a已经发生故障。控制器106a还向I/O模块104b发送驱动DO通道的数字状态的命令2212，从而使I/O模块104b将电流2214驱动到现场设备102。I/O模块104b捕获现场设备102所汲取的电流的读回测量结果2216，并将包含基于该测量结果的数字状态的响应2218发送到控制器106a。控制器106a使用由I/O模块104b报告的数字状态，并将包含数字状态的响应2220发送到用户/用户界面801。
图23示出了根据本公开的涉及与冗余终端面板114一起使用的I/O模块104a-104b的示例通信流程。特别地，图23示出了两个I/O模块104a-104b可如何通信以支持在不同时间驱动AO通道。如图23所示，当两个I/O模块104a-104b均正常运行时，I/O模块104a将另一个I/O模块104b的数字输出2302驱动为高，而I/O模块104b将另一个I/O模块104a的数字输出2304驱动为高。这些输出2302和2304可以在电气通路320和322上或以任何其他合适的方式传输。因此，每个I/O模块104a-104b都能够识别另一个I/O模块104a-104b是健康的。因此，I/O模块104b驱动现场设备102的输出电流2306的一部分(诸如一半)，并且I/O模块104a驱动现场设备102的输出电流2308的另一部分(诸如一半)。
如果I/O模块104a发生故障，则I/O模块104a将另一个I/O模块104b的数字输出2310驱动为低(例如，通过去激活相关联的SMOD开关408)，而I/O模块104b将另一个I/O模块104a的数字输出2312驱动为高。这些输出2310和2312也可以在电气通路320和322上或以任何其他合适的方式传输。因此，I/O模块104b能够识别另一个I/O模块104a不健康。因此，I/O模块104b驱动现场设备102的所有输出电流2314，而I/O模块104a不驱动现场设备102的输出电流2316。
如果I/O模块104a被恢复，则I/O模块104a再次将另一个I/O模块104b的数字输出2318驱动为高，并且I/O模块104b将另一个I/O模块104a的数字输出2320驱动为高。这些输出2318和2320也可以在电气通路320和322上或以任何其他合适的方式传输。因此，每个I/O模块104a-104b都能够识别另一个I/O模块104a-104b是健康的。因此，I/O模块104b驱动现场设备102的输出电流2322的一部分(诸如一半)，并且I/O模块104a驱动现场设备102的输出电流2324的另一部分(诸如一半)。
图24示出了根据本公开的与冗余终端面板114一起使用的多个I/O模块104a-104b之一的故障期间的操作的示例定时。特别地，图24示出了在上述各种方法和通信流程中如何发生去抖动的一个示例。在该示例中，线2402代表I/O模块104a-104b的健康，线2404代表由I/O模块104a-104b输出的软故障指示，并且线2406代表I/O模块104a-104b中的SMOD开关408的状态。
在此示例中，在时间0处，I/O通道是健康的并且运行正常，且该I/O通道的软故障值可以设置为“0”。假设在10ms的时间存在读回或其他故障。作为响应，可以将去抖动时间设置为指定值(诸如60ms)，并且可以将I/O通道的软故障指示设置为值“59”(这可能表示不良数据)。这允许至少一个控制器106a-106b保持I/O通道的最后的好值，直到确认故障为止。在10ms至70ms之间，未确认故障，因此SMOD开关408仍处于激活状态，并且冗余I/O模块不知道去抖动。
一旦完成去抖动时间段(这里在70ms时)，如果I/O通道仍然存在故障，则确认通道故障。因此，可以将发生故障的通道的软故障指示设置为“36”(这可能表示读回测试故障)。与发生故障的I/O通道一起，可以去激活所有其他I/O通道的SMOD开关408，并且可以将这些通道的软故障指示设置为“60”(这可能表示它们是由于另一个通道的故障而关闭的)。这允许至少一个控制器106a-106b忽略来自有故障的I/O模块的值并使用任何剩余的无故障I/O模块。由于有故障的I/O模块的所有SMOD开关408均可以被关闭，因此无故障的I/O模块可以检测到有故障的I/O模块的信号丢失(诸如以上参考图23所描述的)，从而允许无故障的I/O模块如上所述完全驱动任何AO信号。
尽管图7至图24示出了涉及冗余终端面板或与冗余终端面板结合使用的部件的方法和通信流程的示例，但可以对图7至图24进行各种更改。例如，虽然方法700、1100、1500和1900分别被示为一系列步骤，但每种方法中的各个步骤都可以重叠、并行发生、以不同顺序发生或发生任何次数。而且，虽然用户或用户界面801被示为参与各种通信流程，但是用户或用户界面801可以由经由至少一个I/O通道进行通信的任何自动化部件或其他部件来代替。另外，尽管以上参考图24讨论了特定时间和指示值，但是这些时间和指示值仅用于例证。
在一些实施方案中，本专利文献中描述的各种功能由计算机程序来实现或支持，该计算机程序由计算机可读程序代码形成并且体现在计算机可读介质中。短语“计算机可读程序代码”包括任何类型的计算机代码，包括源代码、目标代码和可执行代码。短语“计算机可读介质”包括能够被计算机访问的任何类型的介质，诸如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、硬盘驱动器、光盘(CD)、数字视频光盘(DVD)或任何其他类型的存储器。“非暂态”计算机可读介质排除传输瞬时电信号或其他信号的有线、无线、光学或其他通信链路。非暂态计算机可读介质包括可永久地存储数据的介质以及可存储和之后覆写数据的介质，诸如可重写光盘或可擦除存储设备。
阐述贯穿本专利文献中使用的某些字词和短语的定义可能是有利的。术语“应用程序”和“程序”是指适于以合适的计算机代码(包括源代码、目标代码或可执行代码)实现的一个或多个计算机程序、软件部件、指令集、过程、功能、对象、类、实例、相关的数据或其一部分。术语“通信”以及其衍生词涵盖直接通信和间接通信两者。术语“包括”和“包含”以及其衍生词意指包括但不限于此。术语“或”是包括性的，意指和/或。短语“与...相关联”以及其衍生词可以意指包括、包括在...内、与...互连、包含、包含在...内、连接到...或与...连接、耦接到...或与...耦接、可与...通信、与...协作、交错、并置、与...接近、结合到...或与...结合、具有、具有...的属性、具有与...的关系或与...具有关系等。当与项列表一起使用时，短语“...中的至少一个”意指可以使用所列的项中的一个或多个项的不同组合，并且可能仅需要列表中的一个项。例如，“A、B和C中的至少一者”包括以下任何组合：A，B，C，A和B，A和C，B和C，以及A和B和C。
不应将本申请中的描述理解为暗示任何特定元件、步骤或功能是必须包括在权利要求书范围内的基本或关键要素。专利保护的主题的范围仅由所允许的权利要求书限定。此外，权利要求书都未关于所附权利要求书或权利要求要素中的任何一项援引35U.S.C.§112(f)，除非在特定权利要求书中明确使用后面是识别功能的分词短语的“用于...的装置”或“用于...的步骤”的确切字词。在权利要求书内使用术语诸如(但不限于)“机构”、“模块”、“设备”、“单元”、“部件”、“元件”、“构件”、“装置”、“机器”、“系统”、“处理器”或“控制器”被理解为并且旨在指代相关领域的技术人员已知的结构，如权利要求书本身特征进一步修改的或增强的，并且不旨在援引35U.S.C.§112(f)。
虽然本公开已描述了某些实施方案和大体上相关联的方法，但是这些实施方案和方法的变更和置换对于本领域的技术人员来说将是显而易见的。因此，上文对示例性实施方案的描述不限定或约束本公开。在不脱离如以下权利要求书限定的本公开的实质和范围的情况下，其他改变、替换和变更也是可能的。

Claims (11)

1.一种冗余终端面板，包括：
第一接口和第二接口(210a、210b)，其被配置为分别耦接到第一输入/输出(I/O)模块和第二输入/输出(I/O)模块(104a、104b)；
第三接口(214)，其被配置为耦接到现场设备(102)；和
I/O通道电路(218)，其与所述I/O模块和所述现场设备之间的I/O通道相关联，其中所述I/O通道电路被配置为：
允许用于从所述现场设备接收数据的输入电流被分开，以使所述输入电流的不同部分由所述I/O模块中的不同I/O模块提供；以及
组合由所述I/O模块中的不同I/O模块驱动的多个电流，并提供用于将数据发送到所述现场设备的输出电流。
2.根据权利要求1所述的冗余终端面板，其中所述I/O通道电路包括：
一个或多个第一二极管(310)，其耦接在所述第一接口和所述第三接口之间；和
一个或多个第二二极管(312)，其耦接在所述第二接口和所述第三接口之间；
其中所述一个或多个第一二极管中的一个和所述一个或多个第二二极管中的一个耦接在一起。
3.根据权利要求1所述的冗余终端面板，还包括：
耦接到所述第一接口和所述第二接口的至少一个电气通路(320、322)，所述至少一个电气通路被配置为允许所述第一I/O模块和所述第二I/O模块之间的通信。
4.根据权利要求1所述的冗余终端面板，其中：
所述第三接口被配置为耦接到多个现场设备(102)；并且
所述冗余终端面板包括与所述I/O模块和所述现场设备之间的多个I/O通道相关联的多个I/O通道电路(218)。
5.根据权利要求1所述的冗余终端面板，其中所述I/O通道电路还被配置为在所述第一I/O模块发生故障时：
允许所述输入电流完全由所述第二I/O模块提供并提供给所述现场设备；以及
将完全由所述第二I/O模块驱动的单个电流作为所述输出电流提供给所述现场设备。
6.一种系统，包括：
第一输入/输出(I/O)模块和第二输入/输出(I/O)模块(104a、104b)，其均被配置为通过一个或多个I/O通道与一个或多个现场设备(102)进行通信；和
冗余终端面板(114)，其包括根据权利要求1-5中任一项所述的装置，所述装置包括与所述一个或多个I/O通道相关联的一个或多个I/O通道电路(218)。
7.根据权利要求6所述的系统，其中：
对于包括模拟输入通道的每个I/O通道，所述第一I/O模块和所述第二I/O模块中的每一个被配置为提供与模拟值相关联的输入电流的一部分，并测量与所述模拟值相关联的所述输入电流的所述部分；
对于包括数字输入通道的每个I/O通道，所述第一I/O模块和所述第二I/O模块中的每一个被配置为提供与数字状态相关联的输入电流；
对于包括模拟输出通道的每个I/O通道，所述第一I/O模块和所述第二I/O模块中的每一个被配置为驱动与模拟值相关联的输出电流的一半；并且
对于包括数字输出通道的每个I/O通道，所述第一I/O模块和所述第二I/O模块中的每一个被配置为驱动与数字状态相关联的输出电流。
8.根据权利要求7所述的系统，其中每个I/O模块还被配置为在另一个I/O模块发生故障时：
提供所有与所述模拟值相关联的所述输入电流，并测量与所述模拟值相关联的所述输入电流；或者
驱动所有与所述模拟值相关联的所述输出电流。
9.根据权利要求6所述的系统，还包括过程控制器(106a、106b)，其被配置为：
对于包括模拟输入通道的每个I/O通道，从所述第一I/O模块和所述第二I/O模块接收所述输入电流的测量部分并对其进行求和，以生成模拟输入值；
对于包括数字输入通道的每个I/O通道，从所述第一I/O模块和所述第二I/O模块接收数字状态并对其进行逻辑“或”运算，以生成数字输入值；
对于包括模拟输出通道的每个I/O通道，从所述第一I/O模块和所述第二I/O模块接收所述输出电流的测量部分并对其进行求和，以生成模拟输出值；以及
对于包括数字输出通道的每个I/O通道，从所述第一I/O模块和所述第二I/O模块接收读回数字状态并对其进行逻辑“或”运算，以生成数字输出值。
10.一种方法，包括：
将冗余终端面板(114)的第一接口和第二接口(210a、210b)分别耦接到第一输入/输出(I/O)模块和第二输入/输出(I/O)模块(104a、104b)；
将所述冗余终端面板的第三接口(214)耦接到现场设备(102)；以及
操作与所述I/O模块和所述现场设备之间的I/O通道相关联的I/O通道电路(218)，所述I/O通道电路被配置为：
允许用于从所述现场设备接收数据的输入电流被分开，以使所述输入电流的不同部分由所述I/O模块中的不同I/O模块提供；以及
组合由所述I/O模块中的不同I/O模块驱动的多个电流，并提供用于将数据发送到所述现场设备的输出电流。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述I/O通道电路还被配置为在所述第一I/O模块发生故障时：
允许所述输入电流完全由所述第二I/O模块提供并提供给所述现场设备；以及
将完全由所述第二I/O模块驱动的单个电流作为所述输出电流提供给所述现场设备。
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