CN115316050A - 用于电连接多个功能模块的底板模块和模块化构造的通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于耦联多个功能模块(160‑190；200‑230)的底板模块(20；90)，具有以下特征：基体(21；91)，布置在基体(21；91)内的网络耦联元件(80；100)，至少一个布置在基体(21；91)上的第一连接装置(50；110)，其构造用于耦联功能模块(180；200)，其中至少一个第一连接装置(50；110)具有至少一个通信接口(51；111)，其与网络耦联元件(80；100)的端口(85；103)经由信号导线(244；252)连接，至少一个布置在基体(21；91)上的第二连接装置(30；130)，其构造用于耦联功能模块(160；220)，其中至少一个第二连接装置(30；130)具有至少两个通信接口(31、32；131、132)，其分别与网络耦联元件(80；100)的端口(81、82；106、107)中的一个分别经由单独的信号导线(240、241；254、255)连接，所述信号导线能够共同形成逻辑传输信道。

Description

用于电连接多个功能模块的底板模块和模块化构造的通信 系统

技术领域

本发明涉及一种用于耦联多个功能模块的底板模块以及模块化构造的通信系统，该通信系统具有至少一个这种底板模块。

背景技术

底板(Backplane)系统，也被称为背板系统，例如存在于模块化构造的设备中。例如，底板系统可以具有背板总线和经由背板总线电连接的多个插槽。不同的电子模块可以插入到所述插槽中。

此外已知的是，可并排排列的设备模块通过底板或背板彼此电连接，其中在每两个相邻的模块之间存在点对点连接。在这种情况下，每个设备模块负责将数据转发到在传输方向上布置在转发设备模块之后的模块。然而，在此存在的问题是，如果模块中的一个发生故障，则在传输方向上位于发生故障的模块之后的所有模块也被从通信中切断。在运行中在没有到其他模块的通信损失的情况下也无法移除或更换模块。

GB 2 404 815 B公开了一种分组交换背板或底板，其具有经由背板电连接的多个插槽。已知的背板在此情况下被构造为无源的构件，其经由点对点连接、即以固定的预定方式将插槽相互电连接。包含以太网交换机的聚合卡可以插入到插槽之一中。

US 2005/0078706 A1同样公开了一种分组交换背板，其可以通过各个点对点连接或通过总线将交换节点和有效节点相互连接。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种用于耦联多个功能模块的底板模块，其中，所述底板模块能够实现其连接装置的灵活的电连接以及在连接装置上所连接的功能模块之间的动态可变的通信。另一目的可以在于，提供一种尤其是用于工业过程控制的模块化构造的通信系统，该通信系统具有至少一个这样的底板模块。

本发明的核心思想可以在于，给底板模块(也称为背板模块)配备有源部件，通过该有源部件可以根据需要将插槽灵活地且动态可变地相互连接。有源部件是网络耦联元件，其也可以称为网络转接器(Netzwerkweiche)。

上述技术问题一方面通过权利要求1的特征以及通过权利要求7的特征来解决，该权利要求7涉及一种尤其用于工业过程控制的模块化构造的通信系统。

有利的改进方案和设计方案是从属权利要求的主题。

附图说明

下面借助实施例结合附图1详细阐述本发明。

具体实施方式

图1示出了示例性的模块化构建的通信系统10，该通信系统尤其可以在用于工业过程控制的自动化设备中使用。示例性示出的模块化构建的通信系统10具有至少一个底板模块20，该底板模块用于电、光、电容或电感耦联并且优选也用于机械耦联多个功能模块160-190。功能模块160-190优选是在其中分别实现至少一个电子电路的模块。功能模块例如可以作为输入/输出模块(也公知为I/O模块)、作为控制装置、例如作为可编程逻辑控制器(SPS)来实现，借助其例如可以控制工业过程。输入/输出模块可以是传感器和致动器。示例性的、模块化构造的通信系统10在这种情况下尤其用于，将过程数据经由底板模块20并且如果存在的话经由至少一个另外的底板模块90在功能模块之间传输。

底板模块20具有基体21，基体21例如可以被构造为壳体。在基体21内部设置有网络耦联元件80，其具有多个端口81-89。网络耦联元件80例如可以是以太网交换机，其可以根据以太网协议有针对性地在其端口81-89之间交换数据包。在基体21上布置有至少一个连接装置50，该连接装置50构造用于电、并且优选也机械地耦联功能模块、例如功能模块180。连接装置50可以构造为以太网插接连接器。连接装置50具有至少一个通信接口51，所述通信接口与网络元件80的端口、例如端口85经由信号导线244连接。功能模块180例如具有带有通信接口181的连接装置，以便能够与连接装置50耦联。在基体21上优选布置有第二连接装置30，该第二连接装置构造用于电、并且优选也机械地耦联功能模块、例如功能模块160。第二连接装置30具有至少两个通信接口31和32，所述通信接口分别与网络耦联元件80的端口经由单独的信号导线连接，所述信号导线能够形成逻辑传输信道。如图所示，通信接口31经由信号导线240与端口81连接，而通信接口32经由信号导线241与网络耦联元件80的端口82连接。在此已经需要提及，在网络耦联元件80的协作下可以针对连接装置30实施所谓的链路聚合功能，其中多个物理接口、例如通信接口31和32可以在逻辑上被聚束成一个信道，以便例如相对于唯一的通信接口提高数据吞吐量和失效安全性。为此例如可以使用链路聚合控制协议(LACP)。换言之：网络耦联元件80可以被配置为执行LACP协议以例如通过聚束两个信号导线240和241的逻辑传输信道从功能模块160接收数据或向功能模块160传输数据。

为了能够例如电连接到连接装置30上，功能模块160具有包含两个通信接口161和162的连接装置。替代地，连接装置30能够光学地、电容地或电感地与通信接口161和162耦联。功能模块160优选地被构造用于，经由包括两个单独的信号导线240和241的逻辑传输信道向网络耦联元件80发送数据并且从网络耦联元件80接收数据。

在基体21上可以设置另外的连接装置40，该连接装置可以具有至少两个通信接口41和42，所述通信接口分别与网络耦联元件80的端口通过单独的信号导线连接。如图所示，通信接口41经由信号导线242与端口83连接，而通信接口42经由信号导线243与网络耦联元件80的端口84连接。根据配置，两个信号导线242和243又可以形成逻辑传输信道。为了能够连接到连接装置40上，功能模块170具有连接装置，所述连接装置包含两个通信接口171和172。连接装置4为此可以与通信接口171和172光学地、感应地、电容地或电地耦联。功能模块170优选地被构造用于通过包括两个单独的信号导线路242和243的逻辑传输信道向网络耦联元件80发送数据并且从网络耦联元件80接收数据。

图1示出布置在基体21上的第四连接装置60，该第四连接装置可以具有至少一个通信接口61，该通信接口与端口86通过信号导线245电连接。功能模块190具有带有通信接口191的连接装置，该通信接口能够与底板模块20的连接装置60电地、光学地、感应地或者电容地并且优选也机械地耦联。应当注意，如图1所示，底板模块20也可以具有多于四个连接装置30至60。

为了能够灵活地扩展模块化构造的通信系统10，可以在基体21上设置另一个连接装置70，该连接装置具有至少一个通信接口。在所示的示例中，连接装置70具有两个通信接口71和72。连接装置70被构造成用于将底板模块20与另一个底板模块90电连接并且尤其也机械耦联。

如在图1中所示，连接装置30、40、50和60关于一条假想的线彼此并排地并且彼此间隔开地布置在基面21a上，该假想的线平行于在图1中所示的坐标系的x轴延伸，该基面位于xz平面中。连接装置70布置在基体21的垂直于基面21a延伸的端面21b上，其中端面21b位于图1所示的坐标系的yz平面中。在此需要注意的是，基面21a可以具有在z方向上的深度，该深度例如相应于功能模块160-190的深度或长度。底板模块20还可以具有卡锁元件22，以便能够卡锁到支撑轨上。

为了能够与底板模块20电耦联和机械耦联，底板模块90具有被布置在基体91上的连接装置150，该连接装置150优选地具有两个通信接口151和152，其中连接装置150被构造为与底板模块20的连接装置70互补。连接装置150布置在基体91的位于yz平面中的端面91b上。如图1所示，连接装置70和150在组装状态下对齐。在端面21b和91b上可以设置互补地构造的卡锁元件，用于将底板模块20和90机械耦联。

类似于底板模块20，具有多个端口101至109的网络耦联元件100被布置在底板模块90的基体91中，该网络耦联元件100又优选地被构造为以太网交换机。此外，底板模块90例如具有带有通信接口111的连接装置110、带有通信接口121的另一连接装置120、带有两个通信接口131和132的另一连接装置130和带有两个通信接口141和142的另一连接装置140。与底板模块20类似，连接装置110至140布置在基体91的位于xz平面中的基面91a上。在连接装置110至140上可以分别连接功能模块。然而，底板模块90也可以具有多于四个连接装置110至140。如在图1中所示出的那样，具有通信接口201的功能模块200能够与连接装置110电地、光学地、电容地或电感地并且优选也机械地耦联。具有通信接口211的功能模块210可以与底板模块90的连接装置120电地、光学地、电容地或电感地并且优选也机械地耦联。具有两个通信接口221和222的另一个功能模块220能够与同样具有两个通信接口131和132的连接装置130电地、光学地、电容地或电感地并且优选也机械地耦联。具有两个通信接口231和232的另一通信模块230可以与连接装置140电地、光学地、电容地或电感地并且优选也机械地耦联。如在图1中可见，通信接口111通过信号导线252与网络耦联元件100的端口103连接。通信接口151经由信号导线250与端口101连接，通信接口152经由信号导线251与端口102连接，通信接口121与端口104连接，连接装置130的两个通信接口131和132经由信号导线254与端口106连接或经由信号导线255与端口107连接，而连接装置140的两个通信接口141和142经由信号导线257与端口109连接并且经由信号导线256与网络通信元件100的端口108连接。

应当注意，两个网络耦联元件80和100可以根据由网络技术已知的堆叠方法彼此相连，使得它们以及因此两个底板模块20和90对外显示为仅具有一个IP地址的系统单元。为此，例如可以使用包括信号导线247和251或信号导线246和250的连接或单独的连接(未示出)。

在与端面91b相对的端面91c处，可以在底板模块90的基体91处设置另外的连接装置270，该另外的连接装置270例如具有两个通信接口271和272，这两个通信接口271和272经由信号导线261例如与端口250连接并且经由信号导线260与网络耦联元件100的端口105连接。另一底板模块(未示出)的连接装置可以连接到所述连接装置270上。底板模块90的基体91也可以具有用于卡锁到支撑轨上的卡锁元件92，在所示的示例性实施例中，该支撑轨将平行于x轴延伸。

这两个网络耦联元件80和100可以分别构造为具有VLAN能力的网络耦联元件。通过这种方式可以实现，在网络耦联元件80或网络耦联元件100之内或者甚至经由两个网络耦联元件80和100在各个连接装置之间并且因此在功能模块160至230中的一些之间、例如在功能模块160和230之间构建虚拟连接或逻辑子网络。例如，以这种方式可以通过信号导线240、246、250和257在连接装置30与连接装置140之间建立虚拟连接。以这种方式可以实现功能，例如冗余功能模块(例如功能模块160和230)的同步，而不必为此实施单独的、仅为该功能设置的通信技术。

由于使用了分别具有有源网络耦联元件的底板模块，可以以简单和灵活的方式和方法实现复杂的模块化构造的通信系统10，该通信系统可以尤其被构造用于工业过程控制。

下面再次总结了上述示例性方面中的至少一些方面。

提供了一种用于耦联多个功能模块的底板模块，其中，例如以在图1中示出的底板模块20或底板模块90为基础。例如功能模块160至190可以连接到底板模块20上，并且例如功能模块200至230可以连接到底板模块90上。底板模块20或90可以具有以下特征：

基体21；91，

在基体21；91内部布置的网络耦联元件80；100，具有多个端口81-89；101-109，

至少一个布置在基体21；91上的第一连接装置50；110，其用于耦联功能模块180；200，其中，所述至少一个第一连接装置50；110具有至少一个通信接口51；111，其与网络耦联元件80；100的端口85；103经由信号导线244；252连接，

至少一个布置在基体21；91上的第二连接装置30；130，其用于耦联功能模块160；220，其中，所述至少一个第二连接装置30；130具有至少两个通信接口31、32；131、132，其分别与网络耦联元件80；100的端口81、82；106、107之一分别经由单独的信号导线240、241；254、255相连，这些信号导线可以一起构成逻辑传输信道，其中网络耦联元件80；100用于从所述至少一个第一连接装置50；110和所述至少一个第二连接装置30；130接收数据包和向所述至少一个第一连接装置50；110和所述至少一个第二连接装置30；130发送数据包。

优选在基体21；91上布置至少一个第三连接装置70；270，其具有至少一个通信接口71、72；271、272，所述通信接口用于将底板模块20；90与另外的底板模块耦联。

紧凑且节省空间的布置例如由此得到，即，至少一个第一连接装置50；110和所述至少一个第二连接装置30；130关于假想的线彼此并排地并且彼此间隔开地在基体21；91的基面21a；91a上布置，并且

所述至少一个第三连接装置70；150布置在基体21；91的垂直于基面21a；91a延伸的面21b；91b上。

有利地，网络耦联元件80；100可以被构造为以太网交换机。

底板模块20；90的工作能力可以通过以下方式提高，即网络耦联元件80；100可选地或附加地可以被构造为有VLAN能力的网络耦联元件。

为了使底板模块20；90能够例如安装到开关柜中，可以在基体21；91上构造安装元件22；92，用于将底板模块20；90安装在支撑轨上。

根据另一方面，设置模块化构造的通信系统10，该通信系统尤其可以被构造用于工业过程控制，该通信系统可以具有以下特征：

如先前所解释的第一底板模块20，

至少一个第一功能模块180，所述第一功能模块具有带有至少一个通信接口181的连接装置，其中所述至少一个第一功能模块180通过所述至少一个第一连接装置50与所述第一底板模块20光学地、电容地、电学地或感应地并且优选也机械地耦联，

至少一个第二功能模块160，所述第二功能模块具有带有至少两个通信接口161、162的连接装置，并且所述第二功能模块经由所述第二连接装置30与所述第一底板模块20光学地、电容地、电地或感应地并且优选也机械地耦联。

有利的改进提供了前面已经描述的耦联到第一底板模块20的第二底板模块90，其中第一底板模块20的网络耦联元件80和第二底板模块90的网络耦联元件100通过至少一个电连接(246、250；247、251)彼此连接。电连接可以具有信号导线246和250。可替换的或附加的连接可以具有信号导线247和251。设置至少一个第三功能模块200，所述第三功能模块具有带有至少一个通信接口201的连接装置，其中至少一个第三功能模块200通过至少一个第一连接装置110与第二底板模块90光学地、电容地、电地或电感地并且优选也机械地耦联。此外，设置有至少一个第四功能模块220，所述第四功能模块具有带有至少两个通信接口221、222的连接装置，并且所述第四功能模块经由至少一个第二连接装置130与第二底板模块90光学地、电容地、电地或感应地并且优选也机械地耦联。

例如，为了能够提高至少两个功能模块之间的数据吞吐量，功能模块(例如功能模块160和170)能够借助于网络耦联元件80经由至少两个单独的电连接彼此连接，所述至少两个单独的电连接能够形成一个逻辑传输信道。在示例情况下，一个电连接具有例如信号导线240和242，而另一连接可以包括信号导线241和243。

优选地，功能模块中的至少两个、例如功能模块160和230能够通过虚拟连接通信。在这种情况下，可以通过通信接口31、信号导线240、网络耦联元件80的端口81和89、信号导线246和250、网络耦联元件100的端口101和109、信号导线257和通信接口232来建立虚拟连接。

优选地，功能模块160-230中的每一个都能够构造为I/O模块、通信模块或者控制器。

还要注意，通信接口在最简单的情况下可以是电接头。但是，它们也可以被构造为电感的、光学的或电容的耦联元件。

Claims (11)

1.一种用于耦联多个功能模块(160-190；200-230)的底板模块(20；90)，所述底板模块具有：

基体(21；91)，

布置在所述基体(21；91)内部、具有多个端口(81-89；101-109)的网络耦联元件(80；100)，

至少一个布置在所述基体(21；91)上的第一连接装置(50；110)，所述第一连接装置构造用于耦联功能模块(180；200)，其中，所述至少一个第一连接装置(50；110)具有至少一个通信接口(51；111)，所述通信接口与所述网络耦联元件(80；100)的端口(85；103)经由信号导线(244；252)连接，

至少一个布置在所述基体(21；91)上的第二连接装置(30；130)，所述第二连接装置构造用于耦联功能模块(160；220)，其中所述至少一个第二连接装置(30；130)具有至少两个通信接口(31、32；131、132)，所述通信接口分别与所述网络耦联元件(80；100)的端口(81、82；106、107)中的一个分别经由单独的信号导线(240、241；254、255)连接，所述信号导线能够共同形成逻辑传输信道，其中所述网络耦联元件(80；100)构造用于从所述至少一个第一连接装置(50；110)和所述至少一个第二连接装置(30；130)接收数据包和向所述至少一个第一连接装置(50；110)和所述至少一个第二连接装置(30；130)发送数据包。

2.根据权利要求1所述的底板模块，

其特征在于，

在基体(21；91)上布置有至少一个具有至少一个通信接口(71、72；271、272)的第三连接装置(70；270)，所述通信接口被构造用于将底板模块(20；90)与另外的底板模块耦联。

3.根据权利要求2所述的底板模块，

其特征在于，

所述至少一个第一连接装置(50；110)和所述至少一个第二连接装置(30；130)相对于假想线彼此并排且彼此间隔地布置在所述基体(21；91)的基面(21a；91a)上，并且

所述至少一个第三连接装置(70；150)设置在所述基体(21；91)的垂直于所述基面(21a；91a)延伸的面(21b；91b)上。

4.根据前述权利要求中任一项所述的底板模块，

其特征在于，

所述网络耦联元件(80；100)是以太网交换机。

5.根据前述权利要求中任一项所述的底板模块，

其特征在于，

所述网络耦联元件(80；100)是具有VLAN能力的网络耦联元件。

6.根据前述权利要求中任一项所述的底板模块，

其特征在于，

在所述基体(21；91)上构造用于将所述底板模块(20；90)安装在支撑轨上的安装元件(22；92)。

7.一种尤其用于工业过程控制的模块化构造的通信系统(10)，具有：

根据前述权利要求中任一项所述的第一底板模块(20)，

至少一个第一功能模块(180)，所述第一功能模块具有带有至少一个通信接口(181)的连接装置，其中所述至少一个第一功能模块(180)经由所述至少一个第一连接装置(50)与所述第一底板模块(20)耦联，

至少一个第二功能模块(160)，所述第二功能模块具有带有至少两个通信接口(161、162)的连接装置并且所述第二功能模块经由所述第二连接装置(30)与所述第一底板模块(20)耦联。

8.根据权利要求7所述的模块化构造的通信系统，

其特征在于，

耦联到第一底板模块(20)的根据权利要求1至6中任一项所述的第二底板模块(90)，其中

所述第一底板模块(20)的网络耦联元件(80)和所述第二底板模块(90)的网络耦联元件(100)通过至少一个电连接(246、250；247、251)相互连接，

至少一个第三功能模块(200)，所述第三功能模块具有带有至少一个通信接口(201)的连接装置，其中所述至少一个第三功能模块(200)经由所述至少一个第一连接装置(110)与所述第二底板模块(90)耦联，

至少一个第四功能模块(220)，所述第四功能模块具有带有至少两个通信接口(221、222)的连接装置并且所述第四功能模块经由所述至少一个第二连接装置(130)与所述第二底板模块(90)耦联。

9.根据权利要求8所述的模块化构造的通信系统，

其特征在于，

所述功能模块(160-230)中的至少两个通过至少两个连接相互连接，所述连接能够形成逻辑传输信道。

10.根据权利要求8或9所述的模块化构造的通信系统，

其特征在于，

所述功能模块(160-230)中的至少两个通过虚拟连接通信。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的模块化构造的通信系统，

其特征在于，

所述功能模块(160-230)中的每个构造为I/O模块、通信模块或者控制器。

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