CN114124032A - 用于测试冗余信号路径中的滤波器的系统和方法 - Google Patents

用于测试冗余信号路径中的滤波器的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本公开内容涉及用于测试冗余信号路径中的滤波器的系统和方法。公开了用于在冗余信号路径的操作期间检测冗余信号路径中的故障的系统和方法。将测试信号顺序地注入每个信号路径中，同时由并非正在接收测试信号的其他信号路径传导输入信号。以一定频率选择测试信号以验证沿着每个路径串联连接的滤波器的操作。处理器生成测试信号，将测试信号注入在滤波器的输入端处并且接收滤波器的输出。然后，处理器根据来自滤波器的输出和原始测试信号生成每个信号路径中的滤波器的频率响应。将沿着冗余信号路径中的每个路径所获得的频率响应相互比较，以检测沿着相应信号路径存在的滤波器中的一个滤波器的故障。

Description

用于测试冗余信号路径中的滤波器的系统和方法
技术领域
本文公开的主题涉及检测滤波器路径内的故障。更具体地，公开了确定滤波器内的故障部件的系统和方法，其中滤波器位于冗余信号路径中。
背景技术
工业控制器是用于控制工业机器或处理的专用计算机。在存储的控制程序的指导下，工业控制器检查反映受控机器或处理的状态的一系列输入，并且改变控制机器或处理的一系列输出。输入和输出可以是二进制的(即，开或关)或模拟的(提供在基本上连续的范围内的值)。输入可以从附接至受控处理的传感器获得，并且输出可以是关于受控处理的致动器的信号。
“安全工业控制系统”是旨在确保在工业处理的环境中工作的人的安全的工业控制系统。这样的系统可以包括与紧急停止按钮、光幕和其他机器锁定相关联的电子装置。安全工业控制系统不是针对能够长时段无错误地运行的“可用性”优化的，而是针对能够准确地检测不安全的操作状况并关闭的“安全性”优化的。安全工业控制器在安全关闭时通常为其输出提供预定的安全状态，这些输出的预定值旨在使工业处理进入其最安全的静态模式。
安全工业控制系统可以与指示给定的风险降低量的“安全完整性等级”(SIL)相关联。标准IEC EN 61508定义了SIL-1至SIL-4的四个SIL等级，数字越大代表风险降低量越高。
作为提供SIL-2以及更高等级的系统的一部分的工业控制器通常使用与工业控制器同时运行的诊断程序来诊断工业控制器的硬件的操作以确保其正确地工作。
提供SIL-3和更高等级的安全工业控制系统优选地在硬件中提供“完全冗余”，例如，使用具有单独的微处理器、存储系统、通信系统等的两个不同的工业控制器在硬件中提供“完全冗余”。在这样的完全冗余系统中，工业控制器并行运行并且对其结果进行比较。如果这些结果不匹配，则可以指示“安全故障”，使得控制系统改变至安全状态。
如本领域技术人员已知的，达到期望的SIL安全等级的一个方面是验证系统内的部件的操作并且检测部件的故障。冗余硬件的比较允许工业控制器检测每组硬件之间的差异。在正常操作下，冗余硬件中的每个路径都以相同的方式操作并且产生相同的输出。如果控制器检测到两个路径之间的差异，则该差异指示路径中的一个路径没有正常操作并且已经经历故障。工业控制器然后可以将受控机器或处理带入安全状态并且提供检测到的故障的指示。
然而，检测冗余路径中的故障并非没有一定挑战。例如，由成对传感器产生的成对模拟输入信号经由导体或成对冗余导体被发送并且在输入模块处或在冗余输入模块处被接收。可以对所述成对信号进行滤波并将其从模拟信号转换为数字信号，并且然后将其作为数字值提供至输入模块中的处理器。虽然可以比较两个数字值，但是两个值之间的差仅指示传感器与输入模块中的处理器之间的某个位置处存在故障。技术人员必须对传感器、导体和输入模块进行另外的调查，以在能够校正故障之前识别故障的来源。
因此，期望提供识别冗余信号路径中的故障的具体位置的改进的系统和方法。
在某些应用中，模拟信号在延长的时间段(例如，数天或数周)内可以是恒定的。例如，某些生产线可以在恒定的温度或压力下运行，并且用于监测温度或压力的传感器接收对应于该温度或压力的通常恒定的电压信号。温度或压力可以仅在切换至新的零件、新的配方时改变或针对定期维护改变。然而，存在如下可能性：在信号保持恒定值的延长的时间段期间，信号路径中的电子部件可能发生故障。例如，如果电子部件是信号路径中的滤波器的一个元件，则该部件可能仅影响沿信号路径的瞬态或变化的信号，并且可能不影响恒定值，例如指示恒定的温度或压力的信号。在没有检测故障部件的情况下，电子部件可能保持故障达一段时间，直到在输入信号中存在变化。
因此，期望提供改进的系统和方法，用于在不依赖于输入信号的状态的情况下检测冗余信号路径中的故障电子部件。
发明内容
根据本发明的一个实施方式，公开了一种用于测试冗余信号路径中的滤波器的方法。该方法包括：以预定义频率生成测试信号；将测试信号注入第一信号路径中；测量来自可操作地连接在第一信号路径中的第一滤波器的第一输出信号；以及根据测试信号和第一输出信号确定第一滤波器的第一频率响应。将测试信号注入第二信号路径中，并且测量来自可操作地连接在第二信号路径中的第二滤波器的第二输出信号。根据测试信号和第二输出信号确定第二滤波器的第二频率响应，并且将第一频率响应与第二频率响应进行比较。当第一频率响应与第二频率响应之间的差超过预定义阈值时，在第一滤波器或第二滤波器中识别到故障。
根据本发明的另一实施方式，公开了一种用于测试冗余信号路径中的滤波器的系统。该系统包括第一信号路径、第二信号路径、第一滤波器、第二滤波器和处理器。第一信号路径包括第一输入端和第一输出端，其中，第一输入端被配置成从外部装置接收输入信号并且第一输出端被配置成向至少一个处理器提供第一输出信号。第一滤波器沿着第一信号路径串联连接在第一输入端与第一输出端之间，其中第一滤波器被配置成接收输入信号并生成第一输出信号。第二信号路径包括第二输入端和第二输出端，其中第二输入端被配置成从外部装置接收输入信号并且第二输出端被配置成向至少一个处理器提供第二输出信号。第二滤波器沿着第二信号路径串联连接在第二输入端与第二输出端之间，其中第二滤波器被配置成接收输入信号并生成第二输出信号。处理器被配置成以预定义频率生成测试信号，将测试信号注入第一信号路径中，测量来自第一滤波器的第一输出信号，并且根据测试信号和第一输出信号确定第一滤波器的第一频率响应。处理器还被配置成将测试信号注入第二信号路径中，测量来自第二滤波器的第二输出信号，并且根据测试信号和第二输出信号确定第二滤波器的第二频率响应。处理器将第一频率响应与第二频率响应进行比较，并且当第一频率响应与第二频率响应之间的差超过预定义阈值时在第一滤波器或第二滤波器中识别到故障。
根据本发明的又一实施方式，公开了一种用于测试用于工业控制器的输入模块的冗余信号路径中的滤波器的方法。该方法包括：在输入模块处从外部装置接收输入信号；在将来自外部装置的输入信号沿着第二信号路径传递至输入模块的处理器时，利用处理器将测试信号注入第一信号路径中；在将测试信号注入第一信号路径中时，利用处理器周期性地对第一信号路径的输出进行采样；以及根据测试信号和第一信号路径的输出确定第一信号路径的第一频率响应。该方法还包括：在将来自外部装置的输入信号沿着第一信号路径传递至输入模块的处理器时，利用处理器将测试信号注入第二信号路径中；在将测试信号注入第二信号路径中时，利用处理器周期性地对第二信号路径的输出进行采样；以及根据测试信号和第二信号路径的输出确定第二信号路径的第二频率响应。当第一频率响应与第二频率响应之间的差超过预定义阈值时，在第一信号路径或第二信号路径中识别到故障。
根据详细描述和附图，本发明的这些和其他优点及特征对于本领域技术人员将变得明显。然而，应当理解，详细的描述和附图虽然指示本发明的优选实施方式，但是是以说明而非限制的方式给出的。在不脱离本发明的精神的情况下，可以在本发明的范围内进行许多变化和修改，并且本发明包括所有这样的修改。
附图说明
在附图中示出了本文公开的主题的各种示例性实施方式，其中，类似的附图标记始终表示类似的部分，并且在附图中：
图1是结合本发明的一个实施方式的示例性工业控制器的环境视图；
图2是图1的工业控制器的部分框图表示；
图3是在图1的工业控制器中使用的输入模块的冗余信号路径的一个实施方式的部分框图表示；
图4是在图1的工业控制器中使用的输入模块的冗余信号路径的另一实施方式的部分框图表示；
图5是在图1的工业控制器中使用的成对输入模块的冗余信号路径的又一实施方式的部分框图表示；
图6是存在于图3至图5的冗余信号路径之一中的滤波器的一个实施方式的框图表示；以及
图7是通过图4的滤波器获得的频率响应的图形表示。
在对附图中所示的本发明的各种实施方式进行描述时，为了清楚起见，将采用特定术语。然而，本发明并不旨在限于如此选择的特定术语，并且应当理解，每个特定术语包括以类似方式操作以实现类似目的的所有技术等同物。例如，经常使用词语“连接”、“附接”或与其类似的术语。它们不限于直接连接，而是包括通过其他元件的连接，其中这样的连接被本领域技术人员认为是等同的。
具体实施方式
参照在以下描述中详细描述的非限制性实施方式，更全面地说明本文公开的主题的各种特征和有利细节。
公开了用于识别沿着冗余信号路径的故障的具体位置的系统和方法。更具体地，对沿着信号路径串联连接的滤波器内的故障的检测限定了故障的具体位置。提供检测到的故障的指示提醒技术人员：需要维修或更换沿着信号路径的特定元件或子系统。冗余信号路径至少包括第一信号路径和第二信号路径。每个信号路径中所使用的电子部件都是相同的，使得每个信号路径的性能是相同的。进入第一信号路径或第二信号路径的信号在每个信号路径的对应输出处产生在电子部件的制造公差内相同的信号。
为了实现期望的SIL安全等级，应用可能需要沿着第一信号路径和第二信号路径发送输入信号。该应用可能还需要在冗余路径的操作期间检测故障状况。也就是说，当输入信号也由冗余路径传导时，输入模块必须针对每个信号路径的正确操作进行测试。工业控制器中的输入模块在单个输入端子处接收输入信号，或可选地在第一输入端子和第二输入端子处接收冗余信号。输入信号沿着第一传导路径和第二传导路径发送。输入模块中的处理器被配置成以预定义频率生成测试信号。根据本发明的一个方面，将预定义频率选择为被测滤波器的交叉频率。处理器被配置成一次将测试信号注入信号路径中的一个路径中。生成测试信号的处理器还被配置成从冗余信号路径接收输入信号。当处理器沿着一个信号路径注入测试信号时，处理器自身沿着另一个信号路径接收输入信号。沿着被测信号路径，测试信号可能叠加在输入信号上。可选地，还可以设想，可以将一个或更多个诸如晶体管的电子开关装置控制成暂时断开信号路径与输入信号的连接，并且由该信号路径自身发送测试信号。处理器接收从滤波器输出的单独的或者叠加在输入信号上并由滤波器衰减的测试信号。然后，处理器生成从滤波器输出的信号相对于原始测试信号的频率响应以确定滤波器的操作。在针对信号路径中的一个信号路径获得频率响应之后，针对另一个信号路径重复该处理。因为第一信号路径和第二信号路径被构造为彼此相同，所以第一信号路径的频率响应应当与第二信号路径的频率响应匹配。如果第一频率响应与第二频率响应之间的差超过容许量，则处理器检测到沿着相应信号路径存在的两个滤波器中的一个滤波器已经发生故障。
首先转到图1，示出了结合本发明的一个实施方式的示例性工业控制器10。工业控制器10可以被配置为安全控制器并且根据期望的安全等级包括冗余模块16、18和其他硬件配置。所示出的工业控制器10包括电力供应模块12，该电力供应模块12具有连接至合适的电源(例如，公用电网)的电力线缆13。处理器模块14包括被配置成执行控制程序35的至少一个处理器30(也参见图2)。可选地，处理器模块14可以包括：以冗余方式布置的多个处理器；多个处理器，每个处理器被配置成执行专用处理任务；单个处理器芯片上的多个核，每个核以冗余方式布置或被布置成执行专用处理任务；或其组合。处理器模块14被示出为连接至网络15。可以设想，网络可以是以太网、工业网络、标准网络、专有网络、外部网络、内部网络、有线网络、无线网络或其任何组合。网络15可以将处理器模块连接至操作员接口、编程终端、远程机架等。可选地，工业控制器10还可以包括专用网络模块(未示出)，该专用网络模块被配置成连接至网络15并且在处理器模块14与网络15之间提供接口。
以冗余方式设置第一输入模块16A和第二输入模块16B。第一输入模块16A连接至第一组输入装置20A，并且第二输入模块16B连接至第二组输入装置20B。可选地，第一输入模块16A和第二输入模块16B可以各自以冗余方式连接至第三组输入装置21。输入装置20A、20B或21可以是例如被配置成产生用于工业控制器10的输入信号的开关、传感器、继电器等。提供单个块以便于说明每组输入装置20A、20B或21。然而，可以设想，许多输入装置20A、20B或21可以位于受控机器或处理的周围。以冗余方式设置第一输出模块18A和第二输出模块18B。第一输出模块18A连接至第一组输出装置25A，并且第二输出模块18B连接至第二组输出装置25B。可选地，第一输出模块18A和第二输出模块18B可以各自以冗余方式连接至第三组输出装置28。第三组输出装置中的每个输出装置28可以包括例如冗余输入端，其中每个冗余输入端接收输出信号29A、29B中的一个，并且在输出装置28对输出信号做出响应之前，输出装置28验证冗余输入信号是相同的。输出装置25A、25B或28可以是例如被配置成根据来自工业控制器10的输出信号对受控机器或处理执行期望控制操作的阀门、开关、螺线管或其他致动器。提供单个块以便于说明每组输出装置25A、25B或28。然而，可以设想，许多输出装置25A、25B或28可以位于受控机器或处理的周围。
接下来转到图2，以框图形式至少部分地示出图1的工业控制器10。处理器模块14包括与存储器32通信的至少一个处理器30。存储器32可以是单个装置或多个装置，并且可以包括易失性存储器、非易失性存储器或其组合。存储器32存储被配置成由至少一个处理器30执行的控制程序35。控制程序包括检查输入信号的当前状态以产生输出信号的一系列指令。如本领域中已知的，控制程序35可以包括梯形逻辑，其中每个梯级37被顺序地执行以产生期望的输出信号。可选地，控制程序35可以包括来自任何合适的语言的一组指令以实现工业控制器10的控制。处理器模块14还包括被配置成连接至网络15的通信接口34，以及被配置成连接至背板38的背板连接器36，其中背板38在工业控制器10中的模块之间延伸以提供模块之间的通信。可选地，在模块中的一个或更多个模块上还可以包括另外的通信端口，其中可以在模块之间连接专用通信线缆以用于通信。
每个输入模块16包括一组输入端子40，每个输入端子40被配置成连接至输入装置20之一并且从输入装置20之一接收输入信号22。逻辑电路42连接在输入模块16内的输入端子40与处理器44之间。逻辑电路42可以在将输入信号22传递至处理器44之前执行一些初始处理，例如将模拟输入信号滤波或转换为数字信号。可以设想，处理器44可以是：在单个管芯(die)上实现的单个处理单元；多个处理单元，每个处理单元在不同的管芯上实现；在单个管芯上实现的多个处理单元或其组合。处理器44与输入模块16中的存储器46通信。存储器46可以是单个装置或多个装置，并且可以包括易失性存储器、非易失性存储器或其组合。存储器46可以包括用于由处理器44执行的一系列指令。存储器46还可以存储输入信号22的值以用于随后传输至处理器模块14。每个输入模块16包括被配置成连接至背板38的背板连接器36以用于模块之间的通信。
根据所示出的实施方式，每个输入装置20、21连接至成对端子40，并且来自输入装置的输入信号22、23连接至第一输入端子和第二输入端子。根据本发明的一个方面，输入装置20可以是配对装置，如所示的，其中第一输入装置20A与第二输入装置20B配对。来自第一传感器的第一输入信号22A到达第一端子40并且第二输入信号22B到达第二端子。由处理器44对第一输入信号22A与第二输入信号22B进行比较以验证两个输入信号22A、22B是相同的。可选地，两个配对输入装置(20A、20B)可以各自将其相应的输入信号22A、22B连接至成对输入端子40，并且可以根据应用需求利用冗余输入信号以实现期望的安全等级。根据本发明的另一方面，单个输入装置21可以向两个不同的输入模块16A、16B提供冗余输入信号23A、23B。冗余输入模块16A、16B经由背板38或经由专用通信接口彼此通信。输入模块16A、16B中的一个或两个可以被配置成比较冗余输入信号23A、23B以验证正确的操作。如可以在图2中观察到的并且如将在图3至图5中更详细地讨论的，可以设想在不偏离本发明的范围的情况下，可以在许多不同的配置中建立冗余信号路径。
每个输出模块18包括一组输出端子50，每个输出端子50被配置成连接至输出装置25之一并且向输出装置25之一发送输出信号27。逻辑电路52连接在输出模块18内的处理器54与输出端子50之间。逻辑电路52可以在将来自处理器54的输出信号27发送至输出装置25之前执行一些处理，例如将输出信号拆分给配对输出端子或将数字值转换为模拟信号。处理器54与输出模块18中的存储器56通信。存储器56可以是单个装置或多个装置，并且可以包括易失性存储器、非易失性存储器或其组合。存储器56可以包括用于由处理器54执行的一系列指令。存储器56还可以存储输出信号27的值以用于由处理器54或由处理器模块14随后使用。每个输出模块18包括被配置成连接至背板38的背板连接器36以用于模块之间的通信。
接下来转到图3，另外详细地示出了用于在单个输入模块16中建立的冗余信号路径的一个实施方式的逻辑电路42的一部分。每个输入信号22连接至冗余信号路径。根据所示出的实施方式，输入信号22各自连接至成对输入端子40。输入信号22连接至的第一端子至少部分地限定了第一信号路径60，并且输入信号22连接至的第二端子至少部分地限定了第二信号路径62。第一信号路径60和第二信号路径62在输入模块16内各自连接至逻辑电路42。在逻辑电路42内，第一滤波器70串联连接在第一信号路径60中，并且第二滤波器72串联连接在第二信号路径62中。每个滤波器70、72可以根据应用需求进行配置；然而，针对相同的输入信号22，用于每个第一信号路径60的第一滤波器70与第二信号路径62中的对应的第二滤波器72以相同的方式进行配置。滤波器70、72可以是例如低通滤波器、带通滤波器、陷波滤波器或高通滤波器。可以设想，滤波器可以是一阶滤波器、二阶滤波器或其他配置的滤波器。本文出于说明的目的并且不限制本发明的范围，将把滤波器70、72作为二阶低通滤波器来讨论。每个滤波器70、72的输出端76连接至处理器44以用于输入信号之间的比较以及用于输入信号的测量。
如果期望更高的SIL等级和改进的诊断覆盖，则处理器44可以被拆分成两个处理器44、45，其中第一滤波器70的输出被提供至第一处理器44并且第二滤波器72的输出被提供至第二处理器45。处理器44、45可以经由背板38彼此通信或者可以具有在两个处理器之间建立的专用通信接口47。接下来转向图4和图5，示出了为分开的处理器建立的冗余信号路径的两个示例性实施方式。
在图4中，单个输入模块16包括冗余处理器。类似于图3，输入信号22各自连接至成对输入端子40。输入信号22连接至的第一端子至少部分地限定了第一信号路径60，并且输入信号22连接至的第二端子至少部分地限定了第二信号路径62。第一信号路径60和第二信号路径62在输入模块16内各自连接至逻辑电路42。在逻辑电路42内，第一滤波器70串联连接在第一信号路径60中，并且第二滤波器72串联连接在第二信号路径62中。每个滤波器70、72可以根据应用需求进行配置；然而，针对相同的输入信号22，用于每个第一信号路径60的第一滤波器70与第二信号路径62中的对应的第二滤波器72以相同的方式进行配置。然而，代替如图3中所示的每个滤波器70、72的输出端76连接至单个处理器44，用于每个第一信号路径60的第一滤波器70的输出端76连接至第一处理器44，并且用于每个第二信号路径62的第二滤波器72的输出端76连接至第二处理器45。专用通信接口47设置在处理器44、45之间并且可以是例如安装有处理器44、45两者的电路板上的通信总线。
在图5中，成对输入模块16A、16B提供冗余处理器。根据所示出的实施方式，示出了第三组输入装置21，其中每个输入装置向第一输入模块16A提供第一输入信号23A以及向第二输入模块16B提供第二输入信号23B。可以设想，第一组输入装置20A和第二组输入装置20B可以类似地分别为第一输入模块16A和第二输入模块16B产生第一输入信号22A和第二输入信号22B。来自每个输入装置21的第一输入信号23A至少部分地限定第一信号路径60，并且来自每个输入装置21的第二输入信号23B至少部分地限定第二信号路径62。第一信号路径60和第二信号路径62各自在相应的输入模块16A、16B内连接至对应的逻辑电路42。在第一输入模块16A的逻辑电路42内，第一滤波器70串联连接在第一信号路径60中，并且在第二输入模块16B的逻辑电路42内，第二滤波器72串联连接在第二信号路径62中。每个滤波器70、72可以根据应用需求进行配置；然而，对于相同对输入信号23A、23B，用于每个第一信号路径60的第一滤波器70与第二信号路径62中对应的第二滤波器72以相同的方式进行配置。每个第一滤波器70的输出端76被提供至第一输入模块16A中的处理器44，并且每个第二滤波器72的输出端76被提供至第二输入模块16B中的处理器44。专用通信接口47设置在处理器44之间，并且可以是例如背板38、专用通信链路或连接在输入模块之间的工业网络15。
还参照图4，每个滤波器70、72在滤波器的输入端74处接收输入信号22。选择滤波器70、72的阻抗(Z1至Z4)以实现滤波器的期望性能。为了方便起见且不进行限制，所示出的滤波器70、72的讨论将针对截止频率在大约10千赫兹(10kHz)处的低通滤波器。应当理解，滤波器可以具有各种配置，并且可以被配置成根据应用需求在各种频率下进行操作。输入信号22通过滤波器70、72，并且根据滤波器的特性衰减输入信号22上存在的不期望的电分量。经滤波的信号出现在滤波器的输出端76处。然后根据应用需求使用经滤波的信号。可以设想，逻辑电路42还可以包括附加处理诸如将模拟输入信号转换为数字值的模数转换，所述数字值在处理器44处接收。可选地，逻辑电路42可以包括比较器、求和器等，并且在将信号提供至处理器之前对经滤波的信号执行附加处理。
处理器44还可以被配置成向滤波器70、72供应测试信号79和/或控制信号。可以在滤波器的输入端74处的求和点80处将测试信号79添加至输入信号22。可以设想，测试信号将是期望频率的至少一个周期或脉冲信号。可以根据被评估的滤波器70、72的特性来选择期望的频率。对于具有在大约10千赫兹处的截止频率的低通滤波器，期望频率可以是10千赫兹。可选地，测试信号可以包括多个频率。例如，为了评估滤波器的通带和阻带区域的操作，除了10千赫兹频率之外，还可以选择其他频率，例如1千赫兹(1kHz)和100千赫兹(100kHz)。可以生成期望频率中的每个频率的至少一个完整周期的测试信号79，例如正弦信号，并将其注入每个滤波器70、72中以评估滤波器的操作。在一些应用中，可能期望当测试信号79被注入滤波器中时，断开输入信号22与滤波器70、72的连接。可以由处理器44生成控制信号，该控制信号提供至电子开关(例如，晶体管)，以在应用测试信号79时断开输入信号22与滤波器的输入端74的连接。类似地，滤波器70、72的输出端76可以连接至逻辑电路42内的附加处理，以用于与冗余信号路径等中的其他信号路径的公共输入，并且可能期望断开滤波器70、72的输出端76与附加处理的连接，以防止测试信号79通过附加处理或与附加处理交叉耦合。可以从处理器44生成另一控制信号并且将其提供至电子开关(例如，晶体管)，以在将测试信号79应用于滤波器70、72时断开滤波器70、72的输出端76与附加处理的连接。
为了实现期望的安全等级，期望在系统中的故障发生之后不久，并且优选地在可能致使冗余信号路径不工作的第二故障之前检测到系统中的故障。在一些应用中，提供至输入模块16的模拟输入信号22频繁地变化。例如，当产品装入包装内时，模拟输入信号可以用于检测产品的量。该信号可以由天平、水平传感器、压力传感器或在包装被填充时检测产品的存在的其他传感器产生。当输入信号对应于期望的填充水平时，将新的包装传送至填充站并且重复该处理。在其他应用中，提供至输入模块16的模拟输入信号22总体可以保持恒定。例如，模拟输入信号可以用于测量商用炉中的温度，其中产品通过商用炉进行固化并且期望温度保持基本恒定。在模拟输入信号频繁变化的那些应用中，输入模块16可以被配置成利用模拟输入信号22作为测试信号，在滤波器70、72的输入处监测输入信号并且监测经滤波的输出以确定滤波器的频率响应。然而，变化的模拟输入信号可能不包括所有感兴趣的期望频率处的电分量。此外，在模拟输入信号总体保持恒定的那些应用中，冗余信号路径可以相互比较以验证模拟信号的直流(DC)水平；然而，不能验证滤波器70、72的操作。限定滤波器70、72中的阻抗(Z1至Z4)的诸如电阻器或电容器的电子部件的故障会影响滤波器的动态响应。虽然可以利用可变模拟信号检测某些故障，但是故障可能是依赖于频率的并且并非所有故障都可以被检测到。类似地，通过滤波器70、72的模拟信号的恒定的DC值没有动态内容并且不能检测滤波器内的许多电子部件的故障。
在操作中，输入模块16中的处理器44可以被配置成在不中断输入模块16的操作的情况下实时地测试冗余信号路径内的滤波器70、72的操作。第一信号路径60和第二信号路径62两者接收输入信号22。处理器44生成测试信号79，该测试信号79用于验证对应信号路径60、62中的滤波器70、72的操作。为了允许工业控制器10的操作在测试期间不中断地继续，处理器44被配置成一次测试信号路径60、62中的一个，并且输入信号22通过冗余信号路径中的另一个连续地传导至处理器44。首先，处理器44可以生成测试信号79并且将测试信号注入第一信号路径60中。输入信号22在不存在测试信号的情况下通过第二信号路径62传导。处理器44测量第一滤波器70的输出端76并且根据测试信号和来自第一滤波器的输出信号确定第一滤波器70的频率响应。处理器44停止沿着第一信号路径60注入测试信号79，并且然后可以开始沿着第二信号路径62注入测试信号79。输入信号22在不存在测试信号的情况下通过第一信号路径60传导。处理器44测量第二滤波器72的输出端76并且根据测试信号和来自第二滤波器的输出信号确定第二滤波器72的频率响应。为每个滤波器70、72选择的电子部件具有标称值和预期的结果性能。结果，在部件中的每个部件的制造公差内，针对第一滤波器70确定的频率响应应当与针对第二滤波器72确定的频率响应匹配。考虑到例如由于制造公差或测量分辨率导致的某些变化，将第一频率响应与第二频率响应进行比较。如果第一频率响应的幅度与第二频率响应的幅度之间的差超过预定义阈值，则处理器44识别到第一滤波器70或第二滤波器72中的故障。输入模块16中的处理器44可以经由背板38向处理器模块14发送信号，使得在处理器模块14中执行的控制程序35意识到故障，并且可以采取任何需要的动作来将受控机器或处理置于安全操作状态和/或向技术人员通知故障。
以期望频率生成测试信号，其中可以根据被评估的滤波器70、72的特性来选择期望频率。为滤波器选择的电子部件具有标称值和预期的结果性能。对于低通滤波器，可以测试滤波器的一个操作点是截止频率。当在截止频率下将信号输入至滤波器70、72时，滤波器70、72将输入信号22衰减3分贝(3dB)。输入信号22的3分贝衰减通过
Figure BDA0003231260380000121
的因数或大约0.707的因数使信号的幅度降低。在该幅度处，滤波器70、72的衰减是明显的，但是信号的幅度仍然足够使得在幅度方面的变化容易被发现。
还参照图7，示出了连接在信号路径中的一个信号路径中的滤波器70、72的性能的图形表示100。示出了对应于滤波器的预期操作的基线曲线102。示出了对应于截止频率的操作点105。还示出了四个附加曲线104、106、108、110，其展示了滤波器70、72的示例性操作，其中构成滤波器的电子部件中的至少一个已经完全地或部分地发生故障，使得该部件的实际电阻或电容在相应部件的预期制造公差之外。频率响应在操作点105处的幅度的比较表明，基线曲线102的频率响应的幅度与四个附加曲线104、106、108、110的幅度相比的差异。
根据本发明的一个方面，基线频率响应102可以存储在存储器46中并且由输入模块的处理器44访问。基线频率响应可以在制造输入模块16时根据存在于滤波器70、72中的部件的标称值来确定。可选地，可以在输入模块16的调试处理期间确定基线频率响应102。滤波器70、72的初始频率响应可以被测量并存储在存储器46中，使得基线频率响应102对应于在每个输入模块16的滤波器70、72中使用的电子部件的实际值。
可以使用基线频率响应102来检测第二故障状况。如上面所讨论的，处理器44被配置成将测试信号顺序地注入冗余信号路径的每个信号路径中。将从第一信号路径获得的频率响应与从第二信号路径获得的频率响应进行比较。如果第一频率响应与第二频率响应之间的差超过第一预定义阈值，则这指示在沿着相应信号路径的两个滤波器70、72中的一个滤波器中发生了错误。然而，如果两个滤波器70、72例如由于以类似的方式损坏两个滤波器70、72的意外的输入信号而经历了共同的故障模式，则两个频率响应的比较可能不能检测两个滤波器70、72中的故障。因此，处理器44还可以被配置成将第一频率响应和第二频率响应与基线频率响应进行比较。基线频率响应可能已经在输入模块16的制造期间或调试期间被存储。如果第一频率响应或第二频率响应与基线频率响应之间的差超过第二预定义阈值，则处理器44识别出与相对于基线频率响应的变化量大于预定义阈值的频率响应对应的滤波器70、72中的故障。可以设想，第二预定义阈值可以被配置为与第一预定义阈值相同的值或不同的值。除了检测两个滤波器70、72中的突然变化之外，可以使用第一频率响应和第二频率响应与基线频率响应的比较来检测电子部件值随时间的逐渐变化。
可以设想，处理器44被配置成定期测试冗余信号路径的操作。如前面所讨论的，某些应用生成至输入模块16的通常恒定的模拟输入信号。处理器44可以生成测试信号并将测试信号周期性地注入每个信号路径中。处理器44生成测试信号的频率可以由存储在输入模块的存储器46中的参数定义，并且可以根据应用需求进行配置。可以设想，测试信号可以以一定间隔产生，该间隔在例如从几秒到几分钟或甚至每天的范围内。每次将测试信号注入每个信号路径中时，处理器44确定频率响应并且检查任一信号路径中的滤波器70、72是否已经发生故障。因此，即使在存在恒定输入信号的情况下，处理器44也可以检测信号路径中的故障，使得处理器44可以根据期望安全等级采取适当的措施以将受控机器或处理置于安全操作状态。
在某些应用中，可能不期望在测试信号路径时通过该信号路径传导输入信号22。根据应用需求并且根据冗余信号路径的设计，存在如下可能性：将所注入的测试信号传送或耦合至当前未被测试的信号路径。一个或更多个电子开关可以可操作地连接至每个信号路径。当测试信号被注入信号路径中时，可以使用电子开关断开输入信号与滤波器的输入的连接。在某些应用中，每个信号路径可以连接至公共连接，其中可能发生经由公共连接的交叉耦合，并且可能期望将信号路径与公共连接断开连接。应当理解，可以根据需要在信号路径中添加电子开关，以在注入测试频率期间将一个信号路径与另一个信号路径隔离。
对于具有大约10千赫兹处的截止频率的低通滤波器，期望频率可以是10千赫兹。可选地，测试信号可以包括多个频率。例如，为了评估滤波器的通带和阻带区域的操作，除了10千赫兹频率之外，还可以选择诸如1千赫兹(1kHz)和100千赫兹(100kHz)的其他频率。可以生成期望频率中的每个频率的至少一个完整周期的测试信号79，例如正弦信号，并且将其注入每个滤波器70、72中以评估滤波器的操作。每个频率的测试信号可以顺序地注入第一信号路径中，并且在每个频率下为第一信号路径确定频率响应。然后可以将每个频率的测试信号顺序地注入第二信号路径中，并且在每个频率下为第二信号路径确定频率响应。在每个频率下将第一信号路径的频率响应与第二信号路径的频率响应进行比较。当检测到在测试频率中的任一频率下两个信号路径的频率响应之间的差异时，可以识别出信号路径之一中的滤波器70、72中的故障。例如，当一个信号路径正常操作并呈现与图7中所示的基线频率响应102类似的频率响应，而另一个信号路径已经经历了导致与由图7中的曲线104所示的频率响应类似的频率响应的故障时，注入多个频率的信号可能特别有用。虽然频率响应102和104的形状实质上不同，但是在1千赫兹(1kHz)和10千赫兹(10kHz)处频率响应的幅度相当一致。通带中的该频率处和截止频率处的差可能不足以超过预定义阈值，因此，故障将被忽视。然而，阻带中100千赫兹(100kHz)处的频率响应102和104的幅度实质上不同，并且处理器44将识别到呈现曲线104所示的频率响应的滤波器中的故障。
上面已经针对一对冗余信号路径讨论了本发明。上面的发明不旨在是限制性的，而是为了方便起见用作本发明的一个实施方式。上面讨论的构思也可以应用于两个以上的冗余信号路径。测试信号可以顺序地注入第一信号路径、第二信号路径、第三信号路径和任何其他信号路径。信号路径之间的比较仍然可以识别信号路径之间的差异，该差异指示信号路径中的至少之一中的滤波器已经发生故障。
在一些应用中，可以配置三个信号路径用于冗余操作。如果三个信号路径中的至少两个信号路径正确地操作，则可以允许操作继续。作为初始检查，可以将信号路径相互比较。如果所有三个路径的频率响应是相同的，则可能所有三个路径都正确地操作。然而，存在三个信号路径中的每个信号路径都经历了共同故障并且各自以相同方式(但错误地)操作的可能性。如果信号路径不仅相互比较，而且还与基线频率响应进行比较，则处理器44可以检测到这样的故障。此外，初始检查指示信号路径中的至少一个已经发生故障，处理器44可以将来自匹配的两个信号路径中的一个信号路径的频率响应与基线频率响应进行比较。然后，处理器44可以确定两个匹配的信号路径是否正确地操作，或者两个信号路径是否已经发生故障以及是否只有单个路径正确地操作。输入模块16中的处理器44可以相应地生成报告消息并且将该消息发送至处理器模块14，使得在处理器模块上执行的控制程序可以在必要时将受控机器或处理置于安全操作状态。
应当理解，本发明在其应用方面不限于本文阐述的部件的构造和布置的细节。本发明能够具有其他实施方式并且能够以各种方式实践或实施。前述的变型和修改在本发明的范围内。还应当理解，本文公开和限定的发明扩展至根据文本和/或附图提及或明显的两个或更多个单独特征的所有替选组合。所有这些不同的组合构成了本发明的各种替选方面。本文描述的实施方式说明了用于实践本发明的已知最佳模式，并且将使得本领域的其他技术人员能够利用本发明。

Claims (19)

1.一种用于测试冗余信号路径中的滤波器的方法，所述方法包括以下步骤：
以预定义频率生成测试信号；
将所述测试信号注入第一信号路径中；
测量来自可操作地连接在所述第一信号路径中的第一滤波器的第一输出信号；
根据所述测试信号和所述第一输出信号确定所述第一滤波器的第一频率响应；
将所述测试信号注入第二信号路径中；
测量来自可操作地连接在所述第二信号路径中的第二滤波器的第二输出信号；
根据所述测试信号和所述第二输出信号确定所述第二滤波器的第二频率响应；
比较所述第一频率响应与所述第二频率响应；以及
当所述第一频率响应与所述第二频率响应之间的差超过预定义阈值时，在所述第一滤波器或所述第二滤波器中识别到故障。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
在将所述测试信号注入所述第一信号路径中时，在所述第二信号路径上接收输入信号；以及
在将所述测试信号注入所述第二信号路径中时，在所述第一信号路径上接收所述输入信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一滤波器和所述第二滤波器是工业控制器的输入模块的一部分，所述方法还包括以下步骤：
在所述工业控制器的处理器模块上执行控制程序，其中：
当执行所述控制程序时，所述控制程序从所述第一信号路径或所述第二信号路径接收所述输入信号，以及
当所述处理器模块执行所述控制程序时，所述输入模块生成所述测试信号并将所述测试信号注入所述第一信号路径和所述第二信号路径中。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一信号路径和所述第二信号路径两者都连接至公共输入端子，所述方法还包括以下步骤：
在将所述测试信号注入所述第一信号路径中时，断开所述第一信号路径与所述公共输入端子的连接；以及
在将所述测试信号注入所述第二信号路径中时，断开所述第二信号路径与所述公共输入端子的连接。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述测试信号是周期信号，并且生成至少一个周期的所述周期信号并将所述至少一个周期的所述周期信号注入所述第一信号路径和所述第二信号路径两者中。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述测试信号包括多个预定义频率，还包括以下步骤：
以所述多个预定义频率中的每个预定义频率生成所述测试信号；
在所述多个预定义频率中的每个预定义频率下将所述测试信号注入所述第一信号路径中；
在所述多个预定义频率中的每个预定义频率下测量来自所述第一滤波器的所述第一输出信号；
在所述多个预定义频率中的每个预定义频率下，根据所述多个预定义频率中的每个预定义频率的所述测试信号和对应的第一输出信号，确定所述第一滤波器的所述第一频率响应；
在所述多个预定义频率中的每个预定义频率下将所述测试信号注入所述第二信号路径中；
在所述多个预定义频率中的每个预定义频率下测量来自所述第二滤波器的所述第二输出信号；
在所述多个预定义频率中的每个预定义频率下，根据所述多个预定义频率中的每个预定义频率的所述测试信号和对应的第二输出信号，确定所述第二滤波器的所述第二频率响应；
对于所述多个预定义频率中的每个预定义频率，比较所述第一频率响应与所述第二频率响应；以及
当在所述多个预定义频率中的任一预定义频率下所述第一频率响应与所述第二频率响应之间的差超过所述预定义阈值时，在所述第一滤波器或所述第二滤波器中识别到故障。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
存储初始第一频率响应或初始第二频率响应中的至少一个；
分别将所述第一频率响应或所述第二频率响应中的至少一个与所存储的初始第一频率响应或初始第二频率响应进行比较；
当所述第一频率响应与所述初始第一频率响应之间的差超过第二预定义阈值时，在所述第一滤波器中识别到故障；以及
当所述第二频率响应与所述初始第二频率响应之间的差超过所述第二预定义阈值时，在所述第二滤波器中识别到故障。
8.一种用于测试冗余信号路径中的滤波器的系统，所述系统包括：
第一信号路径，包括第一输入端和第一输出端，其中，所述第一输入端被配置成从外部装置接收输入信号并且所述第一输出端被配置成向至少一个处理器提供第一输出信号；
第一滤波器，沿着所述第一信号路径串联连接在所述第一输入端与所述第一输出端之间，其中，所述第一滤波器被配置成接收所述输入信号并生成所述第一输出信号；
第二信号路径，包括第二输入端和第二输出端，其中，所述第二输入端被配置成从所述外部装置接收所述输入信号并且所述第二输出端被配置成向所述至少一个处理器提供第二输出信号；
第二滤波器，沿着所述第二信号路径串联连接在所述第二输入端与所述第二输出端之间，其中，所述第二滤波器被配置成接收所述输入信号并生成所述第二输出信号；以及
处理器，被配置成：
以预定义频率生成测试信号；
将所述测试信号注入所述第一信号路径中；
测量来自所述第一滤波器的所述第一输出信号；
根据所述测试信号和所述第一输出信号确定所述第一滤波器的第一频率响应；
将所述测试信号注入所述第二信号路径中；
测量来自所述第二滤波器的所述第二输出信号；
根据所述测试信号和所述第二输出信号确定所述第二滤波器的第二频率响应；
比较所述第一频率响应与所述第二频率响应；以及
当所述第一频率响应与所述第二频率响应之间的差超过预定义阈值时，在所述第一滤波器或所述第二滤波器中识别到故障。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述处理器还被配置成：
在将所述测试信号注入所述第一信号路径中时，在所述第二信号路径上接收所述输入信号；以及
在将所述测试信号注入所述第二信号路径中时，在所述第一信号路径上接收所述输入信号。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述第一滤波器、所述第二滤波器和所述处理器是工业控制器的输入模块的一部分，并且其中，所述处理器还被配置成：
当所述工业控制器中的处理器模块执行控制程序时，将来自所述第一信号路径或所述第二信号路径的所述输入信号发送至所述处理器模块，以及
在所述处理器模块执行所述控制程序时，生成所述测试信号并将所述测试信号注入所述第一信号路径和所述第二信号路径中。
11.根据权利要求9所述的系统，还包括：
第一电子开关，被配置成至少部分地响应于由所述处理器生成的第一控制命令而隔离所述第一信号路径，其中，所述处理器还被配置成在将所述测试信号注入所述第一信号路径中时，利用所述第一控制命令隔离所述第一信号路径；以及
第二电子开关，被配置成至少部分地响应于由所述处理器生成的第二控制命令而隔离所述第二信号路径，其中，所述处理器还被配置成在将所述测试信号注入所述第二信号路径中时，利用所述第二控制命令隔离所述第二信号路径。
12.根据权利要求8所述的系统，其中，所述测试信号是周期信号，并且生成至少一个周期的所述周期信号并将所述至少一个周期的所述周期信号注入所述第一信号路径和所述第二信号路径两者中。
13.根据权利要求8所述的系统，其中，所述测试信号包括多个预定义频率，并且其中，所述处理器还被配置成：
以所述多个预定义频率中的每个预定义频率生成所述测试信号；
在所述多个预定义频率中的每个预定义频率下将所述测试信号注入所述第一信号路径中；
在所述多个预定义频率中的每个预定义频率下测量来自所述第一滤波器的所述第一输出信号；
在所述多个预定义频率中的每个预定义频率下，根据所述多个预定义频率中的每个预定义频率的所述测试信号和对应的第一输出信号，确定所述第一滤波器的所述第一频率响应；
在所述多个预定义频率中的每个预定义频率下将所述测试信号注入所述第二信号路径中；
在所述多个预定义频率中的每个预定义频率下测量来自所述第二滤波器的所述第二输出信号；
在所述多个预定义频率中的每个预定义频率下，根据所述多个预定义频率中的每个预定义频率的所述测试信号和对应的第二输出信号，确定所述第二滤波器的所述第二频率响应；
对于所述多个预定义频率中的每个预定义频率，比较所述第一频率响应与所述第二频率响应；以及
当在所述多个预定义频率中的任一预定义频率下所述第一频率响应与所述第二频率响应之间的差超过所述预定义阈值时，在所述第一滤波器或所述第二滤波器中识别到故障。
14.根据权利要求8所述的系统，还包括与所述处理器通信的存储器，其中，所述处理器还被配置成：
将初始第一频率响应或初始第二频率响应中的至少一个存储在所述存储器中；
分别将所述第一频率响应或所述第二频率响应中的至少一个与所存储的初始第一频率响应或初始第二频率响应进行比较；
当所述第一频率响应与所述初始第一频率响应之间的差超过第二预定义阈值时，在所述第一滤波器中识别到故障；以及
当所述第二频率响应与所述初始第二频率响应之间的差超过所述第二预定义阈值时，在所述第二滤波器中识别到故障。
15.一种用于测试用于工业控制器的输入模块的冗余信号路径中的滤波器的方法，所述方法包括以下步骤：
在所述输入模块处从外部装置接收输入信号；
在将来自所述外部装置的所述输入信号沿着第二信号路径传递至所述输入模块的处理器时，利用所述处理器将测试信号注入第一信号路径中；
在将所述测试信号注入所述第一信号路径中时，利用所述处理器对所述第一信号路径的输出周期性地进行采样；
根据所述测试信号和所述第一信号路径的所述输出确定所述第一信号路径的第一频率响应；
在将来自所述外部装置的所述输入信号沿着所述第一信号路径传递至所述输入模块的所述处理器时，利用所述处理器将所述测试信号注入所述第二信号路径中；
在将所述测试信号注入所述第二信号路径中时，利用所述处理器对所述第二信号路径的输出周期性地进行采样；
根据所述测试信号和所述第二信号路径的所述输出确定所述第二信号路径的第二频率响应；以及
当所述第一频率响应与所述第二频率响应之间的差超过预定义阈值时，在所述第一信号路径或所述第二信号路径中识别到故障。
16.根据权利要求15所述的方法，其中：
所述第一信号路径包括第一滤波器；
在所述第一滤波器的输入端处将所述测试信号注入所述第一信号路径中；
所述第一频率响应对应于所述第一滤波器的操作；
所述第二信号路径包括第二滤波器；
在所述第二滤波器的输入端处将所述测试信号注入所述第二信号路径中；以及
所述第二频率响应对应于所述第二滤波器的操作。
17.根据权利要求15所述的方法，其中：
所述测试信号是周期信号，
将至少一个周期的所述周期信号注入所述第一信号路径中，以及
将至少一个周期的所述周期信号注入所述第二信号路径中。
18.根据权利要求15所述的方法，其中：
所述测试信号包括多个预定义频率，
对于所述多个预定义频率中的每个预定义频率，将所述测试信号注入所述第一信号路径和所述第二信号路径中，
对于所述多个预定义频率中的每个预定义频率，确定所述第一频率响应和所述第二频率响应，以及
当在所述多个预定义频率中的任一预定义频率下所述第一频率响应与所述第二频率响应之间的差超过所述预定义阈值时，在所述第一信号路径或所述第二信号路径中识别到故障。
19.根据权利要求15所述的方法，还包括以下步骤：
存储初始第一频率响应或初始第二频率响应中的至少一个；
分别将所述第一频率响应或所述第二频率响应中的至少一个与所存储的初始第一频率响应或初始第二频率响应进行比较；
当所述第一频率响应与所述初始第一频率响应之间的差超过第二预定义阈值时，在所述第一信号路径中识别到故障；以及
当所述第二频率响应与所述初始第二频率响应之间的差超过所述第二预定义阈值时，在所述第二信号路径中识别到故障。
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