CN114556873B - 用于过程控制自动化设备中的多功能交换机以及这种过程控制自动化设备 - Google Patents

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Abstract

本发明尤其涉及一种用于过程控制的自动化设备(10)中的多功能交换机(30)，其具有控制单元(31)，多个端口(40‑43；50‑52)，以及存储装置(32)，在该存储装置中能够存储用于实施交换机功能性的第一程序和用于实施控制装置功能性的第二程序和/或用于实施路由器功能性的第三程序，其中，所述控制单元(31)构造用于，在执行第一程序的情况下实施交换机功能性，并且此外在执行第二程序的情况下实施控制装置功能性，和/或在执行第三程序的情况下实施路由器功能性。

Description

用于过程控制自动化设备中的多功能交换机以及这种过程控 制自动化设备
技术领域
本发明涉及一种用于过程控制的自动化设备中的多功能交换机以及一种这样的过程控制的自动化设备。
背景技术
在工业自动化技术中，尤其使用了模块化构造的过程控制自动化设备，其除了外部供能装置之外通常可以具有路由器、交换机、例如用于控制制造过程的可编程逻辑控制器(SPS)形式的控制装置以及多个输入和/或输出模块。所有部件可以模块化地构成并且在空间上彼此分开地安装在承载轨上。在传统的自动化设备中，控制装置与输入和/或输出模块之间的通信通过第一总线系统、例如AXIO总线进行，而控制装置、交换机和路由器之间的通信通过第二总线系统、例如以太网进行。外部供能装置通常通过电缆连接到路由器、交换机和控制装置并且必要时连接到输入和/或输出模块上。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种多功能交换机和过程控制的自动化设备，其能够实现更少的布线费用、更少的位置需求和简化的通信。
本发明的核心思想在于，提供一种多功能交换机，该多功能交换机除了本身的交换机功能性之外还可以实施至少一个另外的功能性、即控制装置功能性和/或路由器功能性，其可以作为虚拟机存储和安装在多功能交换机中。这里，应当注意，交换机功能性优选地在OSI层参考模型的层2中实现，而路由器功能性在OSI层参考模型的层3中实现。例如，控制装置功能性承担传统的可编程逻辑控制器(SPS)的所有任务。
上述技术问题通过权利要求1的特征和权利要求8的特征解决。
有利的改进方案是从属权利要求的主题。
附图说明
下面借助于实施例结合图1详细阐述本发明。
具体实施方式
在图1中示出了示例性的过程控制自动化设备10，其例如可以具有外部的供能装置20、多功能交换机30和至少一个用于连接现场设备(例如传感器和/或执行器)的输入和/或输出模块60。示例性的自动化设备20除了输入和/或输出模块60之外还具有输入和/或输出模块90，优选地，用于控制安全关键的过程的安全目的的现场设备100、101能够连接到输入和/或输出模块60，优选地，用于控制非安全关键的过程的非安全目的的现场设备110和111能够连接到输入和/或输出模块90。供能装置20、多功能交换机30和输入和/或输出模块60和90可以模块式地构造并且尤其设置用于通过总线系统80彼此电连接。总线系统80可以布置在承载轨70、例如帽式轨道中，其中，供能装置20、多功能交换机30和至少两个输入和/或输出模块60和90可以构造用于装配在帽式轨道70上。
多功能交换机30具有控制单元31，该控制单元31优选可以被构造为微控制器并且尤其是被构造为500MHz或更快的控制单元。控制单元31此外构造用于，使多功能交换机30作为交换机、优选作为以太网交换机或千兆比特以太网交换机运行。此外，多功能交换机30具有多个端口40-43和50-52，根据应用情况或实施方式，例如至少一个网络段和/或其他通信网络、例如因特网可连接到所述端口。例如，端口40-43和50-52被构造为RJ-45插接连接器。然而，端口还可以被设计为物理上不同的。端口40-43和50-52可以经由内部背板33(例如，高速总线)电连接。优选地，多功能交换机30的控制单元31和通信接口34也连接到高速总线33上，通过所述通信接口，多功能交换机30例如可以与总线系统80连接。此外，在多功能交换机30中实现存储装置32，在该存储装置32中存储有用于实施交换机功能性的第一程序。优选地，第一程序可以是使多功能交换机30作为交换机运行的固件。
应当注意，多功能交换机30可优选地被配置为高速交换机，其尤其是在执行交换机功能时可支持多个高速端口，例如端口40至43。术语“高速”在此表示：
i)高速端口、例如端口40至43能够相互独立地分别以至少100Mbit/s、优选地1Gbit/s、2.5Gbit/s、5Gbit/s、10Gbit/s、25Gbit/s、50Gbit/s、100Gbit/s和更大的数据传输速率发送和接收数据，并且
ii)多功能交换机30被配置为优选响应于路由表，以高速端口、例如端口40至43之间的相应数据传输速率交换数据。为此，多功能交换机30优选具有合适的高速传输装置，例如上述高速总线33，其连接高速端口，并具有足够快地工作的控制单元31，例如上述500MHz控制单元。此外，可以实施具有足够存储容量的缓存以存储数据帧。缓存可以是存储装置32的一部分或者作为多功能交换机30中的单独的存储器实施。
优选地，多功能交换机30可以构造为可以支持52千兆比特以太网端口的千兆比特以太网交换机，诸如VSC7449-01型。相应数量的高速端口于是可以在多功能交换机30中实施。在此上下文中还要指出，交换机功能性、特别是高速交换机功能性如上面示例性所解释的那样不能作为纯虚拟交换机在PC中实施。相反，在这种情况下必须使用具有上面示例性示出的硬件和效率的交换机。换言之：特别地，由多功能交换机执行的交换机功能性决定了其所需的效率。还要注意的是，之前示例性阐述的多功能的高速交换机可以被构造用于在自动化技术领域中实施工业应用。
此外，在存储装置32中存储有至少一个另外的程序，即用于执行安全目的的控制装置功能性的第二程序和/或用于执行路由器功能性的第三程序和/或用于执行非安全目的的控制装置功能性的第四程序。要注意的是，尤其可以将第二、第三和/或第四程序分别作为App下载到存储装置32中并且安装在多功能交换机30中。每个App在虚拟机中运行，该虚拟机表示例如安全目的的虚拟控制装置、非安全目的的虚拟控制装置或虚拟路由器。这些App可以通过例如可以连接到端口40的外部计算机或者直接从应用商店下载。
控制单元31可以访问存储在存储装置32中的程序。它被构造用于例如根据同样可存储在存储装置32中的操作系统、在执行第一程序的情况下实施交换机功能性，和/或在执行第二程序的情况下实施安全目的的控制装置功能性，和/或在执行第三程序的情况下实施路由器功能性和/或在执行第四程序的情况下实施非安全目的的控制装置功能性。换言之：只要安装了，就可以同时执行或在时间上彼此分开执行第一程序、第二程序、第三程序和第四程序。
要注意的是，根据一种有利的实施方式，在多功能交换机30中存储了运行交换机功能性或第一程序的操作系统，通过该操作系统提供其它程序或App和/或端口。
过程控制的自动化设备10的特点可以视为，尤其是多功能交换机30和在本示例中输入和/或输出模块60和90可以通过共同的总线系统、在此是总线系统80相互通信。优选地，总线系统80是基于SPE的总线系统，所述总线系统基于单对以太网技术。在这种情况下，通信接口34被构造为基于SPE的接口，所述接口能够与总线系统80的互补的基于SPE的接口81电连接。
以类似的方式，安全目的的输入和/或输出模块60具有基于SPE的接口62，该接口能够与总线系统80的另一个基于SPE的互补的接口82电连接。输入和/或输出模块60可以包括多个基于SPE的接口611-61n，基于SPE的安全目的的现场设备110、101能够直接连接到所述接口。在这种情况下，不需要必须进行通信协议转换的网关。
以类似的方式，非安全目的的输入和/或输出模块90具有基于SPE的接口92，该接口能够与总线系统80的另一基于SPE的互补的接口83电连接。输入和/或输出模块90可以包括多个基于SPE的接口911-91n，基于SPE的非安全目的的现场设备110、111可以直接连接到该接口。在这种情况下也不需要必须进行通信协议转换的网关。
根据一个有利的设计方案，多功能交换机30的能量供应和必要时可连接到输入和/或输出模块60和90上的现场设备的能量供应通过所谓的PoDL技术来进行。在此，缩写PoDL代表“Power over Data Line(通过数据线供能)”。根据PoDL技术，外部供能装置20可以通过基于SPE的总线系统80将能量传输给多功能交换机30和输入和/或输出模块60和90。
为此，供能装置20具有基于SPE的接口21，该接口能够与总线系统80的另一互补的基于SPE的接口84电连接。供能装置20优选可以提供直流电压，例如24V的直流电压。
例如在图1中示出的过程控制的自动化设备10能够实现，供能装置20除了能量之外还可以将数据、例如诊断数据通过总线系统80传输到多功能交换机30。如果多功能交换机30例如作为虚拟的安全目的的控制装置工作，也就是说，控制单元31执行第二程序，供能装置20的诊断数据则可以由多功能交换机30评估和处理，以便例如安全地控制连接到输入和/或输出模块60的安全目的的现场设备。例如，假设控制单元31执行与控制装置功能性相关的第二程序。
下面示例性地阐述多功能交换机30的工作方式。
假设，供能装置20将例如指示供能装置20的故障运行的诊断数据经由接口21和84、经由总线系统80和接口81和34以及经由高速总线33传输到控制单元31。控制单元31被构造为识别出已经传输了诊断数据。控制单元31响应于从供能装置20接收到的诊断数据来执行存储在存储装置32中的第二程序，即执行安全目的的虚拟SPS的功能。一种可能的情景规定，在响应诊断数据的情况下，控制单元31将所有连接在输入和/或输出模块60上的安全目的的执行器(未示出)转换到安全状态，其方式是，相应的控制数据从控制单元31通过高速总线33和接口34和81以及通过总线系统80和通过接口82和62输送给相应的安全目的的执行器。
根据另一示例场景可以规定，在图1中示出的过程控制自动化设备10应当与连接到端口50的因特网通信。在这种情况下，控制单元31执行存储在存储装置32中的路由器功能性，使多功能交换机30通过端口50进行在因特网和过程控制的自动化设备10之间的通信。
例如可以考虑，由连接在输入和/或输出模块60上的安全目的的传感器、例如传感器100产生的测量数据应该存储在因特网中。为此，测量数据从传感器100通过总线系统80传输到多功能交换机30，并且随后在控制作为虚拟路由器工作的控制单元31的情况下通过端口50传输到因特网。
此外可设想的是，多功能交换机30的控制单元31例如同时作为虚拟的路由器和虚拟的安全目的的控制装置工作。起到虚拟的安全目的的控制装置作用的控制单元31配置用于分析由传感器100接收的测量数据并且将相应的控制数据传输给预先确定的、连接在输入和/或输出模块60上的安全目的的执行器、例如执行器101，以便例如将执行器101转换到安全状态中。
下面再次总结了上述方面中的至少一些。
本发明提供了一种用于在过程控制的自动化设备10中使用的多功能交换机30，其中，所述多功能交换机30可以具有以下特征：
控制单元31，其可以被形成为微控制器，
多个端口或接口40-43和50-52，以及
存储装置32，在其中可以存储用于执行交换机功能性的第一程序和用于执行控制装置功能性的第二程序和/或用于执行路由器功能性的第三程序，
其中，控制单元31被构造用于，
在执行第一程序的情况下实施交换机功能性，并且此外
在执行第二程序的情况下实施控制装置功能性，和/或
在执行所述第三程序的情况下实施路由器功能性。
有利地，控制单元31被构造用于根据分别要执行的程序将端口中的至少一些分配给相应要实施的功能性。
适宜地，多功能交换机30可以具有基于SPE的接口34，用于根据PoDL技术给多功能交换机供能的外部供能装置20能够连接到该接口上。
优选地，多功能交换机30构造为用于安装在承载轨70上的模块。
根据有利的实施例，多功能交换机30能够通过总线系统70电连接到用于与现场设备100、101或110、111通信的至少一个输入和/或输出模块60、90。
作为第二程序，非安全目的的控制装置功能性可以存储在存储装置32中，并且作为第四程序，安全目的的控制装置功能性可以存储在存储装置32中，其中
控制单元31被构造用于，
在执行所述第四程序的情况下执行安全目的的控制装置功能性。
多功能交换机30优选可以构造为高速交换机，尤其是构造为千兆比特以太网交换机。多个端口40-43和50-52中的至少一些端口40-43可以被配置为高速端口，这些高速端口可以分别构造为以至少100Mbit/s、优选地1Gbit/s、2.5Gbit/s、5Gbit/s、10Gbit/s、25Gbit/s、50Gbit/s、100Gbit/s和更大的传输速率来发送和传输数据，其中控制单元31可以被构造为在运行第一程序的情况下执行交换机功能性，并且尤其响应于路由表以至少100Mbit/s、优选地1Gbit/s、2.5Gbit/s、5Gbit/s、10Gbit/s、25Gbit/s、50Gbit/s、100Gbit/s和更大的数据传输速率在高速端口40-43之间传输数据。
根据另一个方面，设置过程控制的自动化设备10，其具有以下特征：
总线系统80，
与总线系统80能够电连接的根据上述说明的多功能交换机30，和
至少一个与总线系统80能够电连接的输入和/或输出模块60、90。
总线系统80有利地是基于SPE的总线系统，所述总线系统构成为用于设置在承载轨70中。
多功能交换机30有利地构造用于在通过控制单元31执行第二程序的情况下控制自动化设备10。
有利地，自动化设备10可以包括外部的、具有基于SPE的接口21的供能装置20，该供能装置能够连接到多功能交换机30的基于SPE的接口34上，其中外部的供能装置20构造用于，借助PoDL技术尤其是给多功能交换机30供给能量。
要注意的是，例如可以作为App存储在存储装置32中的程序代表虚拟机，例如虚拟的路由器、虚拟的安全目的的控制装置、虚拟的非安全目的的控制装置。换言之：除了其作为交换机的本身的任务之外，多功能交换机30至少执行虚拟机的功能。

Claims (13)

1.用于过程控制的自动化设备(10)中的多功能交换机(30)，具有
控制单元(31)，
多个端口(40-43、50-52)，以及
存储装置(32)，在该存储装置中存储有用于实施交换机功能性的第一程序和用于实施控制装置功能性的第二程序，
其中，所述控制单元(31)构造用于，
在执行第一程序的情况下实施交换机功能性，并且
在执行第二程序的情况下实施控制装置功能性，其中所述控制装置功能性承担所述过程控制的自动化设备的可编程逻辑控制器的任务，并且其中，
所述多功能交换机(30)能够通过总线系统(80)与至少一个用于与现场设备通信的输入和/或输出模块(60、90)电连接。
2.根据权利要求1所述的多功能交换机，
其特征在于，
在所述存储装置(32)中储存有用于实施路由器功能性的第三程序，并且其中所述控制单元(31)构造用于，在执行第三程序的情况下实施路由器功能性。
3.根据权利要求1或2所述的多功能交换机，
其特征在于，
所述控制单元(31)构造为根据相应要执行的程序，将端口(40-44；50-52)中的至少一个端口分配给相应要实施的功能性。
4.根据权利要求1所述的多功能交换机，
其特征在于，
设置基于单对以太网的接口(34)，用于根据多功能交换机(30)的PoDL技术进行能量供应的外部供能装置(20)能够连接到所述接口上。
5.根据权利要求1所述的多功能交换机，
其特征在于，
所述多功能交换机(30)构造为用于安装在承载轨(70)上的模块。
6.根据权利要求1所述的多功能交换机，
其特征在于，
第二程序构造用于执行安全目的的控制装置功能性，并且用于执行非安全目的的控制装置功能性的第四程序被存储在存储装置(32)中，其中所述控制单元(31)被构造用于，在执行所述第四程序的情况下实施非安全目的的控制装置功能性。
7.根据权利要求1所述的多功能交换机，
其特征在于，
所述多功能交换机(30)构造为高速交换机，所述多个端口(40-43)中的至少多个端口被构造为高速端口，这些高速端口分别构造用于以至少100Mbit/s的传输速率发送和传输数据，并且
所述控制单元(31)被构造用于，在执行所述第一程序的条件下实施交换机功能性并且以至少100Mbit/s的数据传输速率在所述高速端口(40-43)之间交换数据。
8.根据权利要求7所述的多功能交换机，
其特征在于，
所述高速交换机为千兆比特以太网交换机。
9.过程控制的自动化设备(10)，包括
总线系统(80)，
根据权利要求1至8中任一项所述的多功能交换机(30)，所述多功能交换机能够与总线系统(80)电连接，以及
至少一个能够与总线系统(80)电连接的输入和/或输出模块(60、90)。
10.根据权利要求9所述的过程控制的自动化设备，
其特征在于，
所述总线系统(80)是基于单对以太网的总线系统，该总线系统被构造为用于设置在承载轨(70)中。
11.根据权利要求9或10所述的过程控制的自动化设备，
其特征在于，
所述多功能交换机(30)被构造用于在通过控制单元(31)执行第二程序的情况下控制自动化设备(10)。
12.根据权利要求9或10所述的过程控制的自动化设备，
其特征在于，
设置具有基于单对以太网的接口(21)的外部的供能装置(20)，所述供能装置能够连接到所述多功能交换机(30)的基于单对以太网的接口(34)上，其中外部的所述供能装置(20)构造用于，借助PoDL技术供给能量。
13.根据权利要求12所述的过程控制的自动化设备，
其特征在于，
外部的所述供能装置(20)构造用于借助PoDL技术给所述多功能交换机(30)供给能量。
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