CN1894638A - 冗余控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种冗余控制系统，包括第一和第二控制计算机(1，2)，在两个控制计算机上可以分别连接外部设备单元(4，5)。该冗余控制系统还包括双线测量变换器(14)，其可以利用第一和第二接线头(15a，15b，16a，16b)连接到外部设备单元上，其中，该双线测量变换器(14)根据待采集的参数为外部设备单元(4，5)记忆测量电流。适当的措施保证了，在该系统中外部设备单元的置换能够就负载电阻而言基本上是无反作用的。

Description

冗余控制系统
技术领域
本发明涉及一种冗余控制系统，包括：可以分别连接外部设备单元的第一和第二控制计算机；以及双线测量变换器，其可以利用第一和第二接线头连接到外部设备单元上，其中，双线测量变换器根据待采集的参数为外部设备单元记忆(einpraegen)测量电流。此外，本发明还涉及一种外部设备单元，其适合于在该类型的控制系统中使用。
背景技术
在2003年版的西门子产品目录ST 70第1和5章中公开了，带有冗余结构的高度可用(hochverfuegbar)的自动化系统SIMATIC S7-400H以及接口连接(Anschaltung)IM153-2，后者可以用来将外部设备单元ET 200M作为在冗佘的PROFIBUS(过程现场总线)-DP系统中的从动装置与自动化系统SIMATIC S7-400H连接。
在自动化技术的许多领域中，对自动化系统的可用性以及由此对故障安全性能提出了越来越高的要求。这些领域中设备停机会造成极其巨大的代价。在此，仅仅冗佘系统能够满足对可用性的要求。例如，如果由于一个或多个故障控制器的部件失灵，则高度可用的SIMATIC S7-400H还能够继续工作。其具备冗余配置的中央功能，并且是用两个分离的、作为控制计算机的中央设备构成。这两台控制计算机周期并同步地执行相同的处理程序。它们相互监视并且独立的确定哪个控制计算机有效，即，实际地通过其输出数据来控制过程。为此，在两个控制计算机之间通过冗余耦合交换数据。冗余构成的分布式外部设备单元ET 200M(在其中根据不同的使用情况插入了数字的输入/输出部件)分别通过现场总线PROFIBUS-DP连接在一台控制计算机上。借助于测量变换器或测量发生器，将所获得的过程输入信息通过外部设备单元传递至两台控制计算机。在所谓的“热待机”运行的条件下，在没有干扰的情况下两台控制计算机同时执行相同的控制程序，只不过仅有一台控制计算机有效，即，仅仅一台控制计算机的输出数据被进一步处理来控制过程。在出现故障的情况下，未受损的设备单独承担过程的控制。为此，这些设备自动获得相同的应用程序、相同的数据组件、相同的过程描述内容以及相同的内部数据(如时间、计数值、标志等等)。由此，两台设备总是处于当前的状态，并且可以在出现故障的情况下随时单独继续引领控制。用来预先给定从外部设备单元输出到控制装置的信号的过程输出数据，在没有干扰的情况下通过两条现场总线提供给外部设备单元，不过，后者仅仅对由其中一条现场总线接收的控制数据进行分析。由此，相应连接的控制计算机可以被称为有效的控制计算机。
作为测量变换器，经常采用所谓的双线测量变换器，后者根据待采集的参数(例如形式为温度或者压力的参数)对按照模拟输入单元形式的外部设备单元记忆一个测量电流。在冗余系统中这种测量变换器利用其接线头连接到两个模拟输入单元上，其中，在一个模拟输入单元因为维修而被置换期间另一个模拟输入单元负责测量。为了能够实现这样一种连续的测量，例如在模拟输入单元的接线头(测量输入端)上设置了齐纳二极管，后者通常错接在这些单元的外部、例如在待控制的技术过程范围内的所谓布线层中。其缺点尤其是，由于额外的部件而导致布线昂贵，并且负载电阻依赖于恰好采用的模拟输入单元的数目；因为在冗余运行中使用了两个模拟输入单元，而在非冗余运行中(例如在置换一个模拟输入单元的期间)仅仅使用一个模拟输入单元。尤其是在测量变换器必须满足按照HART规范的要求并且要传送HART信号的条件下，该可变的负载电阻会引起干扰。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种本文开始部分所述类型的冗余控制系统，在该系统中外部设备单元的置换能够就负载电阻而言基本上是无反作用的。此外，还提供一种适合于在该类型的冗余控制系统中使用的外部设备单元。
上述关于外部设备单元的技术问题是通过权利要求1的特征部分给出的措施来解决的，关于冗余控制系统的技术问题是通过权利要求3中给出的措施来解决的。
优选地，在布线层中不再需要齐纳二极管。
在本发明的一种优选的实施方式中，外部设备单元可以转换到非冗余类型的运行方式。
与控制系统是工作在冗余的还是非冗余的运行中无关的是，负载电阻是常数。负载电阻是通过两个测量电路的串联连接的测量电阻而构成的。在非冗余的运行中，外部设备单元的两个测量电路被串联，而在冗余运行中将两个外部设备单元之一的一个测量电路与另一个外部设备单元的一个测量电路串联。
附图说明
下面对照表示本发明的实施方式的附图对本发明、其结构以及优点作进一步的说明，图中：
图1表示两个冗余外部设备单元的错接，以及
图2表示一个冗余控制系统。
具体实施方式
首先参考图2，其中示出了一个公知的冗余控制系统。该冗余控制系统是按照2选1(1-von-2)原则构成的，并且包括：带有第一控制计算机1和第一外部设备单元4的第一冗余单元，以及带有第二控制计算机2和外部设备单元5的第二冗余单元。传感器8(例如所谓的双线测量变换器)采集待控制的技术过程的过程信号，该过程信号由外部设备单元4、5通过导线10读入并且通过适当的串行或并行总线6、7按照数字信号的形式被传送至控制计算机1、2。控制计算机1、2将这些信号处理成用于执行器9的对应控制信号，其中，仅仅冗余单元之一通过导线11将控制信号传送至执行器9。这些冗余单元按照主控-备用(Master-Reserve)运行的方式工作，这意味着，仅仅一个冗余单元是主动，而另一个则是被动连接的。只有该主动的冗余单元通过其外部设备单元控制执行器9，另一个冗余单元则仅向其外部设备单元传送一个零信号(Nullsignal)。为了交换例如按照状态和比较信息形式的信息，设置了冗余耦合3，通过其冗余单元相互连接。对于主动的冗余单元不是无故障工作的情形，主动的冗余单元通过冗余耦合3向被动的冗余单元指示该故障，由此刚才被动的冗余单元转换到主动的运行形式，即，该冗余单元变换为主动的并且担任主控运行，反之，刚才主动的冗余单元变为被动并且转换为备用运行。该主控特性的转换必须按照这样的方式和方法进行：即，基本上要连续并且尽可能没有信号中断地将控制信号传送给执行器。此外，还要保证在一个外部设备单元4、5因为维修而被置换期间能够对过程信号连续测量。通过双线测量变换器为外部设备单元4、5所记忆的测量电流取决于待测量的参数、例如作为温度或者压力的参数，且在外部设备单元4失灵的情况下必须由外部设备单元5进行采集，以实现无故障的过程控制。
按照这种关联参考图1，其中示出了两个冗余外部设备单元的错接。在图1和2中示出的相同部件标有相同的参考标记。
冗余构成的外部设备单元4、5分别具有第一和第二测量电路12a，12b，13a，13b，这些测量电路分别具有测量电阻R，其中该测量电阻R的阻值等于负载电阻的一半。双线测量变换器14可以利用第一接线头15a，15b通过第一可控开关17a，17b经由第一测量电路12a，12b与供电导线VL连接，以及可以利用第二接线头16a，16b通过第二可控开关18a，18b经由第二测量电路13a，13b与外部设备单元4、5的接地点连接。
通过外部设备单元4、5的错接以及通过这些单元4、5的结构，可以有四种(两种冗佘的以及两种非冗余的)运行方式。
在示出的实施方式中表示出了第一冗余运行方式。在此，外部设备单元4的第一开关17a以及外部设备单元5的第二开关18b接通，而外部设备单元4的第二开关18a以及外部设备单元5的第一开关17b断开。在这种情况下，测量电流是通过外部设备单元4的第一测量电路12a以及通过外部设备单元5的第二测量电路13b被采集的(该测量电流是通过粗线示出的)，其中，这些测量电路12a、13b的适当的运算放大器19测量由于测量电流在测量电阻R上所形成的电压降，并且通过可控开关19a、19b传递给外部设备单元4、5的没有示出的求值电路。
另一种冗余的运行方式可以如下实现：外部设备单元5的第一开关17b以及外部设备单元4的第二开关18a接通，而外部设备单元5的第二开关18b以及外部设备单元4的第一开关17a断开。在这种情况下，测量电流是通过外部设备单元5的第一测量电路12b以及通过外部设备单元4的第二测量电路13b被采集的，其中，可控开关19a、19b对应地接通，使得测量电路12b、13a的、在电阻R上降落的电压被传递给求值电路。
对于例如外部设备单元4出现故障并且必须从控制系统中去除的情况，将外部设备单元5转换为非冗余的运行方式。在这种情况下，开关17b、18b接通，由此测量电流通过外部设备单元5的第一和第二测量电路12b、13b流动。反之，如果将外部设备单元5从控制系统中去除，则外部设备单元4工作在非冗余的运行中。在这种情况下，开关17a、18a接通，由此测量电流通过外部设备单元4的第一和第二测量电路12a、13a流动。
外部设备单元4的可控开关17a、18a、19a以及外部设备单元5的可控开关17b、18b、19b的开关状态，是依赖于主动的控制计算机传送给外部设备单元4、5的控制信号的。例如，送入外部设备单元4、5的控制信号的高电平所起的作用是：
-开关17a、18b接通，
-开关17b、18a断开，并且
-开关19a、19b这样连接，使得测量电流通过第一测量电路12a以及第二测量电路13b被采集。
反之，该控制信号的低电平起到的作用是
-开关17b、18a接通，
-开关17a、18b断开，并且
-开关19a、19b这样连接，使得测量电流通过第一测量电路13a以及第二测量电路12b被采集。
该控制信号的另一个电平或者另外一个控制信号的一个电平起到的作用是，激励正为主动的外部设备单元4、5的相应第一和第二测量电路12a、13a或12b、13b，这意味着，开关17a、18a或17b、18b被接通。开关19a以及19b的状态是这样的，即，使得测量电流通过对应的外部设备单元4或5的第一或者第二测量电路被采集。

Claims (4)

1.一种冗余控制系统，包括：
-第一和第二控制计算机(1，2)，在两个控制计算机上可以分别连接外部设备单元(4，5)，
-双线测量变换器(14)，其可以利用第一和第二接线头(15a，15b，16a，16b)连接到外部设备单元(4，5)，其中，该双线测量变换器(14)根据待采集的参数为外部设备单元(4，5)记忆测量电流，
其特征在于，
-为每个外部设备单元(4，5)配备了用于采集测量电流的第一和第二测量电路(12a，12b，13a，13b)，其中，可以通过第一可控开关(17a，17b)将供电导线(VL)经由第一测量电路(12a，12b)接通到所述双线测量变换器(14)的第一接线头(15a，15b)，并且可以通过第二可控开关(18a，18b)将地电平经由第二测量电路(13a，13b)接通到所述双线测量变换器(14)的第二接线头(16a，16b)，其中，所述测量电路(12a，12b，13a，13b)分别具有一个测量电阻(R)，
-按照冗余的运行方式，一个外部设备单元(4，5)的第一测量电路(12a，12b)可以与另一个外部设备单元(5，4)的第二测量电路(13a，13b)串联，其中，根据在每个外部设备单元(4，5)中的控制信号对第一测量电路(12a，12b)或第二测量电路(13a，13b)的测量电流进行求值。
2.根据权利要求1所述的冗余控制系统，其特征在于，所述每个外部设备单元(4，5)都可以转换到非冗余类型的运行方式，其中，在该运行方式中每个外部设备单元(4，5)的第一测量电路(12a，12b)和第二测量电路(13a，13b)串联。
3.一种用于连接根据权利要求1或2所述的冗余控制系统的控制计算机的外部设备单元，其中，所述外部设备单元(4，5)可以与一台控制计算机以及双线测量变换器(14)的第一和第二接线头(15a，15b，16a，16b)连接，其中，该双线测量变换器(14)根据待采集的参数记忆测量电流，
其特征在于，所述外部设备单元(4，5)
-包括用于采集测量电流的第一测量电路(12a，12b)和第二测量电路(13a，13b)，其中，可以通过第一可控开关(17a，17b)将供电导线(VL)经由第一测量电路(12a，12b)接通到所述双线测量变换器(14)的第一接线头，并且可以通过第二可控开关(18a，18b)将地电平经由第二测量电路(13a，13b)接通到所述双线测量变换器(14)的第二接线头，其中，所述测量电路(12a，12b，13a，13b)分别具有一个测量电阻(R)，
-可以按照冗余的运行方式被运行，其中，在该运行方式中，所述供电导线(VL)连接到双线测量变换器(14)的第一接线头(15a，15b)，而所述地电平则不连接到双线测量变换器(14)的第二接线头(16a，16b)。
4.根据权利要求3所述的外部设备单元，其特征在于，所述外部设备单元(4，5)可以运行在非冗余的运行方式下，其中，该运行方式中每个外部设备单元(4，5)的第一测量电路(12a，12b)和第二测量电路(13a，13b)串联。
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