CN115542848A - 用于模块化过程控制系统的输入/输出设备的接线盒单元 - Google Patents

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CN115542848A CN202210751207.7A CN202210751207A CN115542848A CN 115542848 A CN115542848 A CN 115542848A CN 202210751207 A CN202210751207 A CN 202210751207A CN 115542848 A CN115542848 A CN 115542848A
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罗伯特·诺贝格
贝恩德·万斯纳
托马斯·科尔
斯蒂芬·普克
尤尔夫·汉森
约尔格·舒伯特
乔根·阿斯伦德
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Abstract

一种用于模块化过程控制系统的输入/输出设备(200)的接线盒单元(100)包括：被配置为接纳两个冗余信号调节单元(400，410)的两个插槽元件(110，120)；其中接线盒单元(100)被配置为容纳在输入/输出设备(200)的模块端接单元(300)的一对相邻的两个插槽元件中；其中接线盒单元(100)提供冗余信号调节单元(400，410)到现场设备的并联连接。

Description

用于模块化过程控制系统的输入/输出设备的接线盒单元
技术领域
本发明涉及一种用于模块化过程控制系统的输入/输出设备的接线盒单元、一种具有这样的接线盒单元的输入/输出设备、以及一种具有这样的输入/输出设备的模块化过程控制系统。
背景技术
过程控制系统在现有技术中通常是已知的。过程控制系统包括若干不同的硬件单元，例如，带有若干信号调节单元的至少一个I/O模块、电源、通信接口单元和控制单元。过程控制系统尤其用于控制复杂的生产工厂，例如在加工工业或汽车工业。例如，申请人开发了型号名称为ABB Ability System 800xA Select I/O的这样的系统。
现在很明显，还需要以简单和安全的方式冗余地提供I/O模块的I/O通道。
发明内容
鉴于上述情况，本发明的目的在于提供一种以简单和安全的方式冗余地提供I/O模块的I/O通道的可能性。通过阅读以下描述变得很清楚的这些和其他目的由独立权利要求的主题来解决。从属权利要求涉及本发明的优选实施例。
根据本公开的一个方面，提供了一种用于模块化过程控制系统的输入/输出设备的接线盒单元，该接线盒单元包括：
两个插槽元件，被配置为接纳两个冗余信号调节单元；
其中接线盒单元被配置为容纳在输入/输出设备的模块端接单元的一对相邻的两个插槽元件中；
其中接线盒单元提供冗余信号调节单元到现场设备的并联连接。
值得注意的是，接线盒单元优选地被配置为直接容纳在模块端接单元的一对相邻的两个插槽元件中，即，在模块端接单元的插槽元件与接线盒单元的插头/插座/连接器之间没有布置另外的接触元件、单元、模块等。
在接线盒单元的一个实施例中，并联连接是借助于硬接线和/或借助于包括电子元件的电子冗余电路来提供的，例如用于电压、功率限制和公共电流分流的元件，或诸如保险丝。
在接线盒单元的一个实施例中，接线盒单元不在两个冗余信号调节单元之间提供直接通信通道。
在接线盒单元的一个实施例中，接线盒单元包括冗余接触元件，该冗余接触元件被配置为在冗余信号调节单元之间提供通信链路。通用输入/输出单元处理现场总线通信接口与信号调节单元之间的通信。通用输入/输出单元在上游使用例如模块总线(Modulebus)与现场总线通信接口通信，并且在下游与多达各种信号调节单元(例如，多达16个信号调理单元)通信。这样的通用输入/输出单元可以用于单一或冗余模式。
在接线盒单元的一个实施例中，接线盒单元仅包括被配置为仅接纳两个冗余信号调节单元的两个插槽元件。
在接线盒单元的一个实施例中，接线盒单元包括至少一个阻止元件，该至少一个阻止元件被配置为禁止将某些(例如，不支持的信号系列类型)信号调节单元插入插槽元件中，例如本质上安全的信号调节单元、24V信号调节单元、高压信号调节单元和/或任何其他信号类型系列，其中阻挡元件优选地布置在插槽元件处。
在接线盒单元的一个实施例中，接线盒单元包括编码元件，该编码元件被配置为与信号调节单元的编码元件配合以确定信号调节单元的类型。
在接线盒单元的一个实施例中，接线盒单元包括标识元件，该标识元件被配置为向信号调节单元提供关于接线盒单元是用于接纳两个冗余信号调节单元的冗余接线盒单元的信息。
在接线盒单元的一个实施例中，接线盒单元包括至少一个探针孔，该至少一个探针孔用于测量目的，例如，用于测量电压、信号，和/或用于与手持设备的通信链路，以用于诊断、设置、上传测量。
根据另一方面，提供了一种输入/输出设备，该输入/输出设备包括至少一个模块端接单元，该至少一个模块端接单元容纳至少一个通用输入/输出单元和至少一个如上所述的接线盒单元。
在输入/输出设备的一个实施例中，模块端接单元包括8到32个插槽元件，优选地是18个插槽元件，这些插槽元件容纳两个通用输入/输出单元，并且为单个端接块(每个端接块占用一个插槽元件)和/或如上所述的(冗余)端接块(每个端接块占用模块端接块的两个插槽元件)提供16个另外的插槽元件。
根据另一方面，提供了一种模块化过程控制系统，该模块化过程控制系统包括至少一个输入/输出设备，其中至少一个如上所述的接线盒单元被容纳在输入/输出设备的模块端接单元中，并且其中在接线盒单元的插槽元件中，容纳有一对冗余信号调节单元。
在模块化过程控制系统的一个实施例中，两个冗余信号调节单元被配置为并行读取或写入现场设备的过程值。
在模块化过程控制系统的一个实施例中，信号调节单元被配置为提供模拟输出，其中两个信号调节单元共享电流并且驱动现场设备的总过程值，其中两个信号调节单元优选地共享电流并且驱动现场设备的总过程值的50％。
在模块化过程控制系统的一个实施例中，信号调节单元被配置为提供数字输出，其中只有主信号调节单元是活动的并且备用信号调节单元持续侦听通信。
附图说明
在下文中，将参考附图示例性地描述本公开，在附图中：
图1示出了根据本公开的实施例的接线盒单元的示意图；
图2示出了根据本公开的实施例的输入/输出设备的示意性截面图；
图3示出了输入/输出设备中的冗余信号调节单元的示意性示例性接线图；
图4示出了具有冗余接线盒单元和单个接线盒单元的输入/输出设备的示意性俯视图；以及
图5示出了冗余接触元件的示意图。
具体实施方式
在图1中，示意性地示出了用于模块化过程控制系统的输入/输出设备的接线盒单元100。接线盒单元100包括被配置为接纳两个冗余信号调节单元(参见图2)的两个输入/输出插槽元件110和120。冗余信号调节单元优选地是相同的或至少提供相同技术功能的信号调节单元。接线盒单元100可以针对每个端子包括用于连接用于电压测量的测试探针的探针孔130、140。借助于触头连接，例如U形接触元件，接线盒单元100可以被容纳在模块端接单元300的一对相邻的两个插槽元件中(参见图2)。此外，接线盒单元100可以包括用于输入的若干输入夹或螺钉触头160、170，例如电源电压、接地连接等。最后，接线盒单元100可以包括用于将接线盒单元插入模块端接单元300中的插座150。
图2示出了输入/输出设备200的示意性截面图，该输入/输出设备200包括模块端接单元300、被容纳在模块端接单元300中的至少一个如图1所示的接线盒单元100、以及被容纳在接线盒单元100中的至少两个冗余信号调节单元400、410。如图2所示，接线盒单元100还可以包括现场连接180。
图3示出了容纳在输入/输出设备200中的接线盒单元100中的冗余信号调节单元400、410的示意性示例性接线图。如图所示，主信号调节单元400的输入和备用信号调节单元410的输入与现场设备(未示出)的过程输入信号500并联连接。此外，主信号调节单元400的输出和备用信号调节单元410的输出也与至少一个通用输入/输出单元并联连接，其中在所示的优选实施例中，提供有冗余通用输入/输出单元420、430。在优选实施例中，通用输入/输出单元420、430经由通信链路440连接。
图4示出了具有冗余接线盒单元100和单个接线盒单元600的输入/输出设备200的示意性俯视图，其中未使用输入/输出设备200的插槽元件700。如图所示，现场设备(未示出)的过程输入信号500可以与一对冗余的信号调节单元400和410并联连接。输入/输出设备200还包括到系统接口的连接器元件800。还如图4和图5所示，接线盒单元100还可以包括被配置为在冗余信号调节单元400与410之间提供通信链路的冗余接触元件190。
图5更详细地示出了冗余接触元件190及其与冗余信号调节单元400和410的触头。主信号调节单元400的PCB 401及其接触垫402和403在左侧示出，而备用信号调节单元410的PCB 411及其接触垫412和413在右侧示出。借助于冗余接触元件190，接触垫402至403或412至413的短路允许到冗余接线盒的信号调节单元检测。此外，该触头还可以用于为冗余信号调节单元提供通信链路。因此，借助于这种双重功能，可以减少接线盒单元中必要接触元件的数目。在单个接线盒单元600处，没有提供这样的冗余接触元件190，使得接触垫402与403之间短路的不存在可以指示单一端子单元配置。
下面对本公开的效果和优点进行概述：
一般方面：
对于需要高可用性的配置，输入/输出通道应当被配置为冗余。借助于本公开，可以在通道粒度的基础上为安全和非安全信号配置冗余。用于现场连接的信号未被路由通过背板/模块端接单元(参见图2)。这带来了若干技术和经济利益。只有那些对可用性有高要求的输入/输出通道才需要被配置为冗余。同一基板上的其他通道可以保持单一配置，以保持高通道密度并且降低了成本。在调试期间，这提供了高度的灵活性，可以在项目进度的后期决定是否需要冗余。此外，经过几年的执行，可以将冗余添加到现有通道而无需付出太多努力。
(现场)接线盒单元：
由于背板与接线盒单元之间没有电气连接，因此可以根据所连接的现场设备的要求来选择接线盒类型(例如，单一/冗余、IS/NonIS、24V/120V/230V)。不允许组合的接线盒单元和信号调节单元(例如，非IS SCM和IS FTB)可以包括防止其组合的机械锁。在可以使用多个接线盒单元(例如，单一/冗余)的情况下，不同接线盒单元可以包括自学习功能，插入的信号调节单元可以通过该自学习功能被读出。该信息然后可以被传播到工程工具以简化调试。对于特殊的信号类型，也可以将电子器件添加到接线盒单元中。
信号调理单元冗余：
当两个信号调节单元预期作为冗余对来执行时，它们必须插入冗余接线盒单元，它们通过该接线盒单元并联连接到现场设备。两个冗余信号调节单元之间没有直接的通信通道。这降低了复杂性并且降低了成本。两个冗余信号调节单元可以经由(多个)通用输入/输出单元(参见图3)交换信息。冗余信号调节单元的输入并行读取过程值。冗余信号调节单元的输出并行驱动输出，其中在模拟输出信号调节单元的情况下，两个模块共享电流，并且各自驱动总过程值的50％。这种架构使主冗余信号调节单元和备用冗余信号调节单元始终具有执行所有监控的能力成为可能。这可以防止在冗余切换之后首先检测到任何隐藏错误。对于能够执行HART通信的模拟冗余信号调节单元，只有主冗余信号调节单元处于活动状态，而备用冗余信号调节单元会持续监听通信，以便在冗余切换之后立即提供数据。如果通用输入/输出单元也配置为冗余，则备用通用输入/输出单元会循环检查其与两个冗余信号调节单元的通信链路，以确保冗余切换之后的可用性。主和备用信号调理单元都可以生成警报和事件。这种架构降低了在冗余切换的情况下事件丢失的风险。
可以根据通道决定通道是否冗余，并且到端子的信号未被路由通过模块端子单元：用于安全和非安全单通道通用输入/输出信号的冗余接线盒单元。技术优势：可以在调试的非常晚的步骤中定义通道是否应当冗余。系统调试方式灵活，并且更容易进行后期改变。经过几年的工厂运行后，您可以轻松添加冗余通道。无需更换底板，只需更换接线盒即可。
接线盒单元类型可以根据手头的信号类型来选择，例如继电器。技术优势：高压和根据本公开的接线盒单元可以用于不同的信号。
可以使用接线盒单元检测，因为信号调节单元可以检测它安装在冗余还是非冗余接线盒中。技术优势：可以读出真实配置，以便更轻松地进行系统工程。
没有直接冗余链路的隐式信息交换是可用的。冗余模块之间的数据交换，无需单独的冗余链路，而是经由(多个)通用输入/输出单元。
技术优势：降低了硬件成本
备用通用输入/输出单元可以循环检查到两个冗余信号调节单元的通信链路。技术优势是获取快速的冗余切换。
与活动通道相比，可以通过临时增加/减少备用通道的电压来主动测试为现场设备供电的能力。
输出模块的50/50％输出值共享可以提供在红色切换(red switchover)的情况下输出值仅下降50％的技术优势。
备用信号调节单元可以监听HART—主冗余信号调节单元的通信提供了切换后立即提供HART数据的技术优势。
两个冗余信号调节单元都可以生成事件以在冗余切换期间不会丢失它们。
也已经结合优选实施例作为示例描述了本公开。然而，通过对附图、本公开和权利要求的研究，本领域技术人员可以理解和实现其他变化并且实践所要求保护的发明。值得注意的是，特别地，所呈现的任何步骤可以以任何顺序执行，即，本发明不限于这些步骤的特定顺序。此外，也不需要在某个地方或分布式系统的一个节点处执行不同的步骤，即，每个步骤可以使用不同的设备/数据处理单元在不同的节点处执行。
在权利要求以及说明书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一个(a)”或“一个(an)”不排除多个。单个元件或其他单元可以实现权利要求中列举的多个实体或项目的功能。在相互不同的从属权利要求中列举了某些措施这一事实并不表明这些措施的组合不能用于有利的实现中。

Claims (15)

1.一种用于模块化过程控制系统的输入/输出设备(200)的接线盒单元(100)，包括：
两个插槽元件(110，120)，被配置为接纳两个冗余信号调节单元(400，410)；
其中所述接线盒单元(100)被配置为被容纳在输入/输出设备(200)的模块端接单元(300)的一对相邻的两个插槽元件中；
其中所述接线盒单元(100)提供所述冗余信号调节单元(400，410)到现场设备的并联连接。
2.根据权利要求1所述的接线盒单元(100)，其中用于所述冗余信号调节单元(400，410)的所述并联连接是借助于硬接线和/或借助于电子冗余电路来提供的。
3.根据权利要求1或2所述的接线盒单元(100)，其中所述接线盒单元(100)不在两个冗余信号调节单元(400，410)之间提供直接通信通道。
4.根据前述权利要求中任一项所述的接线盒单元(100)，其中所述接线盒单元(100)包括冗余接触元件(190)，所述冗余接触元件(190)被配置为在所述冗余信号调节单元(400，410)之间提供通信链路。
5.根据前述权利要求中任一项所述的接线盒单元(100)，其中所述接线盒单元(100)仅包括被配置为仅接纳所述两个冗余信号调节单元(400，410)的两个插槽元件(110，120)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的接线盒单元(100)，其中所述接线盒单元(100)包括至少一个阻止元件，所述至少一个阻止元件被配置为禁止将某些信号调节单元插入所述插槽元件(110，120)中，优选地不受支持的信号系列类型，例如本质上安全的信号调节单元、高压信号调节单元和/或24V信号调节单元，其中所述阻止元件优选地布置在所述插槽元件(110，120)处。
7.根据前述权利要求中任一项所述的接线盒单元(100)，其中所述接线盒单元(100)包括编码元件，所述编码元件被配置为与信号调节单元(400，410)的编码元件配合以确定信号调节单元(400，410)的类型。
8.根据前述权利要求中任一项所述的接线盒单元(100)，其中所述接线盒单元(100)包括标识元件，所述标识元件被配置为向所述信号调节单元(400，410)提供关于所述接线盒单元(100)是用于接纳两个冗余信号调节单元(400，410)的接线盒单元(100)的信息。
9.根据前述权利要求中任一项所述的接线盒单元(100)，其中所述接线盒单元(100)包括至少一个探针孔(130，140)，所述至少一个探针孔(130，140)用于测量目的，例如电压测量、信号测量，和/或用于提供与手持设备的通信链路以用于诊断、设置和/或上传目的。
10.一种输入/输出设备(200)，包括至少一个模块端接单元(300)，所述至少一个模块端接单元(300)容纳至少一个通用输入/输出单元(420，430)、以及至少一个根据前述权利要求中任一项所述的接线盒单元(100)。
11.根据权利要求10所述的输入/输出设备(200)，其中所述模块端接单元(300)包括8到32个插槽元件，优选地是18个插槽元件，这些插槽元件容纳两个通用输入/输出单元(420，430)、单个和/或多个根据权利要求1至9中任一项所述的接线盒。
12.一种模块化过程控制系统，包括至少一个输入/输出设备(200)，其中至少一个根据权利要求1至9中任一项所述的接线盒单元(100)被容纳在输入/输出设备(200)的模块端接单元(300)中，并且其中在所述接线盒单元(100)的所述插槽元件(110，120)中，容纳有一对冗余信号调节单元(400，410)。
13.根据权利要求12所述的模块化过程控制系统，其中所述两个冗余信号调节单元(400，410)被配置为并行读取现场设备的过程值。
14.根据权利要求12或13所述的模块过程控制系统，其中所述信号调节单元(400，410)被配置为提供模拟输出，其中两个信号调节单元(400，410)共享电流并且驱动所述现场设备的总过程值，其中所述两个信号调节单元(400，410)优选地共享电流并且驱动所述现场设备的总过程值的50％。
15.根据权利要求12或13所述的模块过程控制系统，其中所述信号调节单元(400，410)被配置为提供数字输出，其中只有主信号调节单元(400)是活动的，并且备用信号调节单元(410)持续监听通信。
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