CN112020682A - 输出模块、控制系统和用于测试连接到复杂负载的输出模块的方法 - Google Patents

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Abstract

输出模块(200)包括多个输出(202)，每个输出具有开关(204，208)，其中开关(204，208)被配置为使得负载(212)可连接在开关(204，208)之间，以及校准单元(220)，被配置为在校准时段内将负载(212)从开关(204，208)断开，监测在断开时负载(212)的行为，并且存储负载(212)的行为的样本。本公开的其他方面涉及用于测试连接到复杂负载(212)的输出模块(200)的控制系统(100)和方法(300)。

Description

输出模块、控制系统和用于测试连接到复杂负载的输出模块 的方法
技术领域
本公开的各方面总体上涉及工业和其他自动化系统，并且更具体地涉及输出模块、控制系统和用于测试连接到复杂负载的输出模块的方法。
背景技术
工业自动化系统用于不同的工业领域，以自动执行多个任务，例如制造过程或生产设施的装配线中的任务。工业自动化系统包括多个互连的组件，诸如例如传感器、致动器和控制设备。控制设备可以是例如用于控制和监测过程参数的可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)。
可编程逻辑控制器(PLC)用于监测来自各种输入点(输入传感器)的输入信号，这些输入点报告受控过程中发生的事件和条件。控制程序存储在PLC的存储器中，以指示PLC在遇到特定输入信号或条件时采取什么行动。作为对这些输入信号的响应，PLC导出并生成输出信号，这些输出信号经由PLC的输出点传输到各种输出设备，诸如致动器和继电器，以控制过程。
上面提到的输入和输出点通常分别与输入模块和输出模块相关联。输入模块和输出模块在本文统称为I/O模块。本领域技术人员也可以将这种I/O模块称为I/O卡或I/O板。I/O模块通常可插入位于PLC中的背板上的相应插槽中。
I/O模块，特别是输出模块，需要经历循环测试，以确保其输出的功能性。当输出模块连接到复杂的负载时，这样的功能测试也可能是复杂和耗时的。因此，当复杂负载耦合到输出模块时，可能存在对输出模块的改进的功能测试的需求。
发明内容
简而言之，本公开的各方面涉及输出模块、控制系统和用于测试连接到复杂负载的输出模块的方法。
本公开的第一方面提供了一种输出模块，包括多个输出，每个输出包括开关，其中开关被配置为使得负载可连接在开关之间；以及校准单元，被配置为在校准时段内将负载从开关断开，监测在断开时负载的行为，并存储负载的行为的样本。
本公开的第二方面提供了一种控制系统，包括如本文所述的处理器、电源、输入模块和输出模块。
本公开的第三方面提供了一种用于校准和测试包括多个数字输出的输出模块的方法，每个数字输出包括开关，其中负载连接在开关之间，该方法包括在校准时段内将负载从开关断开；监测在断开时负载的行为；以及存储负载的行为的样本。
附图说明
图1示出了根据本公开的示例性实施例的包括多个模块的控制系统的示意图。
图2示出了根据本公开的示例性实施例的输出模块的示意图。
图3示出了根据本公开的示例性实施例的用于输出模块的方法的流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明的实施例、原理和特征，在下文中参考说明性实施例中的实现来解释它们。特别地，它们是在工业和其他自动化系统的背景下描述的，并且特别是在输出模块和控制系统以及用于测试连接到复杂负载的输出模块的方法的背景下描述的。然而，本发明的实施例不限于在所描述的设备或方法中使用。
下文中描述的组成各种实施例的部件和材料旨在说明而非限制。许多与本文所述材料具有相同或相似功能的合适部件和材料都包含在本发明实施例的范围内。
图1示出了根据本公开的示例性实施例的包括多个模块的控制系统100的示意图。
在示例性实施例中，控制系统100可以被配置和/或包括一个或多个可编程逻辑控制器(PLC)，其可以包括多个模块。如前所述，PLC通常与不同工业领域的自动化系统结合使用，以自动执行多项任务，例如制造过程或生产设施的装配线中的任务。PLC是用于控制和监测过程参数的控制设备。
进一步参考图1，控制系统100包括中央处理单元(CPU)110、包括数字和/或模拟输入点122、124的输入模块120、包括数字和/或模拟输出点132、134的输出模块130以及向CPU110、输入模块120和输出模块130提供电力，特别是直流(DC)电力的电源140。输入/输出模块120、130通常以24伏(V)的直流电(DC)操作，而CPU 110通常以5V的DC的操作。CPU120还可以包括一个或多个存储器(ROM和/或RAM)112和一个或多个以太网接口114。
控制系统100监测来自输入点122、124的输入信号，诸如输入传感器，其报告受控过程中发生的事件和条件。应用150，本文也称为控制程序，被下载并存储在CPU 110内，并且包括在遇到特定输入信号或条件时采取什么动作的指令。响应于输入信号，CPU 110导出并生成输出信号，该输出信号经由输出点132、134传输到各种输出设备，诸如致动器和继电器。
控制系统100的其他组件可以包括操作员终端，该操作员终端向控制系统提供接口，用于监测、控制和向操作员或最终用户显示信息。操作员终端也称为人机界面(Human-Machine-Interface，HMI)设备，它允许从人端(即操作员或最终用户)对自动化系统的组件和设备进行有效的操作和控制，同时自动化系统的组件/设备将信息反馈给操作员/最终用户。应当注意，本领域技术人员熟悉这种控制系统和PLC。
图2示出了根据本公开的示例性实施例的输出模块200的示意图。在示例中，输出模块200可以是控制系统100的组件，诸如参考图1描述的，特别是图1的输出模块130。
如前所述，I/O模块，特别是输出模块，需要经历循环测试，以确保其输出的功能。这种测试包括例如在短的、参数化时间量内断开(openning)(释放)输出开关，并读回特定的值或电平，诸如电压电平。然后将这些值或电平与预定义(多个)值或(多个)电平进行比较，其中如果输出模块的行为不在指定的窗口内和/或在指定的(多个)阈值以下/以上，则创建错误消息。然而，当复杂负载(诸如电容性和/或电感性负载)连接到输出模块的一个或多个输出时，要监测和比较的值或电平的行为取决于复杂负载本身。这意味着(多个)输出处的值或电平将缓慢改变，因为复杂负载需要时间放电，并且容性负载越高，值或电平发生显著改变所需的时间越长。
进一步参考图2，示例性输出模块200包括多个输出202，其可以是数字和/或模拟输出。每个输出202包括一个或多个开关，通常是半导体开关。输出202包括第一半导体开关204和第二半导体开关208。开关204、208被配置为使得负载212可连接在开关204、208之间。开关204、208在本文也被称为P开关和M开关，其中模块200可以在P和M之间切换，使得两个开关都闭合或断开，或者一个开关闭合，一个开关断开。输出模块200还包括控制器230，控制器230控制输出模块，包括通过发送相应的信号T1、T2来控制P和M开关，以断开或闭合开关204、208。控制器230可以是例如微控制器，通常在大约1.3V的DC下操作。
在示例性实施例中，输出模块200还包括校准单元220，用于在耦合到负载212时校准和/或测试输出模块200，负载212特别是复杂负载。校准单元220被配置为软件或硬件或软硬件的组合。
如本文所使用的复杂负载212包括电容和/或电感特性。复杂负载212的示例包括RLC电路负载，该RLC电路负载包括电阻器(R)、电感器(L)和电容器(C)、或具有主要电容特性的电磁阀(solenoid valves)。
校准单元220被配置为当诸如电磁阀的复杂负载212耦合到输出202时，执行用于校准和/或测试输出模块200的方法。在示例性实施例中，所描述的方法包括两个阶段，即是校准阶段和常规测试阶段。为了执行该方法的某些步骤，校准单元220与输出模块200的控制器230通信。将参照图3详细描述用于校准和/或测试输出模块200的方法。
在另一个示例性实施例中，输出模块200包括与校准单元220通信的模数(analog-to-digital，A/D)转换器240，其中A/D转换器240被配置为接收负载212的行为的样本的模拟信号(例如电压电平或值)，并将模拟信号转换成数字信号用于进一步处理，诸如例如存储。A/D转换器240可以集成在控制器230中。
校准单元220还可以被配置为改变或创建负载212的电平(例如电压电平)，该电平不超过控制器230的指定范围，特别是控制器230的输入电压的指定范围。因此，校准单元220可以包括电平转换器(changer)和/或放大器。如前所述，当控制器230被设计为微控制器时，其通常在大约1.3V的DC的范围内操作，其中负载212的采样电压电平或值可能需要相应地改变，使得控制器230的功能不会受到损害。
此外，校准单元220可包括预定义负载250，其可用于减少复杂负载212完全放电所需的时间，例如实现更短的放电时间。在这种情况下，预定义负载250可以在放电期间被“添加”到复杂负载212，以实现更快的放电。
图3示出了根据本公开的示例性实施例的输出模块200的方法300的流程图。此处提供的方法300是指前面参照图1和图2描述的组件和元件。
如前所述，输出模块200，特别是校准单元220，被配置为当复杂负载212(诸如电磁阀)耦合到输出202时，执行用于校准和/或测试输出模块200的方法。在示例性实施例中，所描述的方法包括两个阶段，即是校准阶段和常规测试阶段。
对于第一阶段，即校准阶段，该方法包括从开关204、208断开310负载212，监测320在断开时负载212的行为，以及存储330负载212的行为的样本。在实施例中，校准单元220被配置为断开复杂负载212、监测在断开时负载212的行为、以及存储负载212的行为的样本。为了断开310负载212，校准单元220向控制器230发送相应的信号，控制器230进而断开负载212，即经由信号T1和T2断开两个开关204、208。
一旦负载212断开，负载212就开始放电，例如在预定义条件下，这将根据负载212本身花费一定的时间。在放电期间，校准单元220被配置为监测和存储复杂负载212的完全放电的样本。校准单元220监测并存储例如放电曲线和放电曲线的样本。样本可包括电压电平或值以及达到电压电平或值所需的时间量。例如，样本可以包括一分钟后达到3V的电压电平，或者包括三分钟后达到0V的电压电平。
当负载212的放电完成时(例如，电压电平为0V)，已经获得并存储了负载212的行为或“指纹”。负载212的行为或“指纹”显示采样值或电平发生显著改变的时间。例如，电压电平的显著改变可以在断开后一分钟后发生，其中这种显著改变的时间可以用于模块200随后的常规输出测试(而不是完全放电所需的时段)。例如，当已经达到负载212的放电的50％时，可以称为发生显著改变。该步骤包括基于负载212的行为的样本来确定340输出模块200的测试时段。测试时段短于输出模块200的校准阶段内所需的校准时段，例如负载212的完全放电。
放电曲线和/或样本永久存储在非易失性存储器中。存储器可以是输出模块200的一部分，或者样本可以远程存储，例如存储在参考图1描述的控制系统100的CPU 110的存储器中。在另一示例性实施例中，放电曲线和/或样本可用于参数化。例如，可以确定和存储描述放电曲线的一个或多个参数方程。因此，只需要存储(多个)方程，而不需要存储样本的完整放电曲线。
校准阶段可以在输出模块200和负载212已安装但尚未操作时执行，即在输出模块200的安装阶段期间。校准阶段还可以以大的间隔执行，例如一年一次，以验证获得的数据和样本仍然是正确的。
对于第二阶段，即常规测试阶段，输出模块200处于操作中，并且例如是控制系统100的操作部分(参见图1)。复杂负载212耦合在开关204、208之间(见步骤350)。在预定义时间间隔中，输出模块200需要经历循环测试，以确保输出202正常工作。对于这样的常规功能测试，校准单元212被配置为将负载212从开关204、208断开(见步骤360)，并且监测负载212的行为，例如电压电平或值和时间(见步骤370)。
由于负载212的行为或“指纹”，包括用于输出测试的适当时间的测试时段，该测试时段可以是例如当采样值或电平发生显著改变时(例如已经达到50％的放电)，先前已经获得并存储(在校准阶段期间)，所以测试仅在先前确定的测试时段内进行。这意味着复杂负载212不需要完全放电，而只需要指定的时间量放电，其中获得的数据和样本然后与存储的样本和/或行为的放电曲线进行比较(见步骤380)。因此，当执行模块200的常规测试时，测试可以在比包括完全放电的校准时段所需的时间更短的时段(测试时段)内进行。
在另一个示例性实施例中，校准单元220被配置为当负载212的行为在电平或值的预定义窗口之外或在预定义阈值以上/以下时发出错误或警告消息(见步骤390)。例如，当测试时段完成并且负载212的电压电平不在预定义电压电平窗口内时，校准单元220(向操作者或用户)发出错误或警告消息，指示模块200的输出202有故障。应当理解，所描述的方法300可以包括更多步骤，或者一些步骤可以重复多次，或者一些步骤是可选的。例如，可以根据需要经常执行常规测试，其中对于模块，校准测试可以执行一次。
应当进一步注意，所提供的组件和功能不仅可以应用于如本文所述的控制系统的输出模块，还可以应用于被配置为输出模拟和/或数字信号并耦合到复杂的DC操作负载的许多其他模块或设备。

Claims (18)

1.一种输出模块(200)，包括：
多个输出(202)，每个输出包括开关(204，208)，其中开关(204，208)被配置为使得负载(212)可连接在开关(204，208)之间；以及
校准单元(220)，被配置为
在校准时段内将负载(212)从开关(204，208)断开，
监测在断开时负载(212)的行为，和
存储负载(212)的行为的样本。
2.根据权利要求1所述的输出模块(200)，其中，负载(212)包括电容和/或电感特性。
3.根据权利要求2所述的输出模块(200)，其中，负载(212)包括电磁阀或RLC电路负载。
4.根据权利要求2所述的输出模块(200)，其中，监测在从开关(204，208)断开时负载(212)的放电。
5.根据权利要求2所述的输出模块(200)，其中，校准单元(220)被配置为监测负载(212)的电压电平。
6.根据权利要求1所述的输出模块(200)，其中，负载(212)的行为的样本存储在非易失性存储器中。
7.根据权利要求1所述的输出模块(200)，还包括：
与校准单元(220)通信的控制器(230)和模数(A/D)转换器(240)，其中A/D转换器(240)被配置为接收负载(212)的行为的样本的模拟信号，并将模拟信号转换成数字信号。
8.根据权利要求4所述的输出模块(200)，其中，校准单元(220)包括用于减少负载(212)的放电时间的预定义负载(250)。
9.一种控制系统(100)，包括：
处理器(110)，
电源(140)，
输入模块(120)，以及
根据权利要求1至8所述的输出模块(130，200)。
10.根据权利要求9所述的控制系统(100)，其被配置为可编程逻辑控制器(PLC)。
11.一种用于校准和测试包括多个数字输出(202)的输出模块(200)的方法(300)，每个数字输出(202)包括开关(204，208)，其中，负载(212)连接在开关(204，208)之间，所述方法(300)包括：
在校准时段内将负载(212)从开关(204，208)断开(310)；
监测(320)在断开时负载(212)的行为；和
存储(330)负载(212)的行为的样本。
12.根据权利要求11所述的方法(300)，其中，负载(212)包括电容和/或电感特性。
13.根据权利要求12所述的方法(300)，其中，监测(320)负载(212)的行为包括监测在从开关(204，208)断开时负载(212)的放电。
14.根据权利要求13所述的方法(300)，还包括：
通过增加预定义负载(250)来减少负载(212)的放电时间。
15.根据权利要求11所述的方法(300)，还包括：
基于存储的负载(212)的行为的样本来确定(340)测试时段，其中，测试时段小于校准时段。
16.根据权利要求15所述的方法(300)，其中，负载(212)的行为的改变发生在测试时段期间。
17.根据权利要求15所述的方法(300)，还包括：
在开关(204，208)之间连接(350)负载(212)，
在测试时段内将负载(212)从开关(204，208)断开(360)，
监测(370)在断开时负载(212)的行为，以及
将测试时段的负载(212)的行为与先前存储的校准时段期间负载的行为的样本进行比较(380)。
18.根据权利要求17所述的方法(300)，还包括：
当测试时段的负载(212)的行为在预定义窗口之外或在预定义阈值以上时，发出(390)错误消息。
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