DE202013012166U1

DE202013012166U1 - Distributed control system

Info

Publication number: DE202013012166U1
Application number: DE202013012166.1U
Authority: DE
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2013-04-16
Filing date: 2013-04-16
Publication date: 2015-06-30
Anticipated expiration: 2023-04-17

Abstract

Verteiltes Steuerungssystem, welches aufweist: ein Gehäuse (2), mindestens ein Modul (7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f, 7g, 7h, 7i), welches in dem Gehäuse (2) angeordnet ist, mindestens einem Modul ist ein Wandler (8a, 8b, 8c, 8d, 8e, 8f, 8g, 8h, 8i) zugeordnet, der Wandler (8a, 8b, 8c, 8d, 8e, 8f, 8g, 8h, 8i) ist zum Kommunizieren von Signalen über eine nichtgalvanische Kommunikationsverbindung ausgebildet, wobei der Wandler (8a, 8b, 8c, 8d, 8e, 8f, 8g, 8h, 8i) ausgebildet ist, eine Moduleingabe aufzubereiten, um eine innere Verarbeitung von den Signalen durch das Modul (7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f, 7g, 7h, 7i) zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, dass die Reichweite der nichtgalvanischen Kommunikationsverbindung im Wesentlichen auf die Größe des Gehäuses (2) beschränkt ist.A distributed control system comprising: a housing (2), at least one module (7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f, 7g, 7h, 7i) disposed in the housing (2), at least one module Associated with transducers (8a, 8b, 8c, 8d, 8e, 8f, 8g, 8h, 8i), the transducer (8a, 8b, 8c, 8d, 8e, 8f, 8g, 8h, 8i) is for communicating signals over one a non-galvanic communication link is formed, wherein the converter (8a, 8b, 8c, 8d, 8e, 8f, 8g, 8h, 8i) is adapted to process a module input to allow internal processing of the signals by the module (7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f, 7g, 7h, 7i), characterized in that the range of the non-galvanic communication link is substantially limited to the size of the housing (2).

Description

Die vorliegende Offenbarung bzw. Erfindung bezieht sich auf ein verteiltes Steuerungssystem. Noch genauer bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Kommunikation zwischen benachbarten Modulen oder Modulen innerhalb einer gleichen Gestelleinheit oder Behälters von dem verteilten Steuerungssystem.The present disclosure relates to a distributed control system. More particularly, the present invention relates to communication between adjacent modules or modules within a same rack unit or container from the distributed control system.

Ein verteiltes Steuerungssystem hat üblicherweise die Steuerung einer Vorrichtung, eines Herstellungsprozesses oder eines Kraftwerks durch ein Überwachen seiner Merkmale zum Gegenstand. Moderne verteilte Steuerungssysteme setzen üblicherweise eine automatisierte Vorrichtung ein, wie zum Beispiel eine digitale Datenverarbeitung, um ein System, wie zum Beispiel ein Kraftwerk zu überwachen und automatisch seine betriebsbezogenen Parameter einzustellen.A distributed control system typically involves the control of a device, manufacturing process, or power plant by monitoring its characteristics. Modern distributed control systems typically employ an automated device, such as digital data processing, to monitor a system, such as a power plant, and automatically set its operational parameters.

Zusätzlich zu einer automatisierten Vorrichtung umfassen moderne verteilte Steuerungssysteme ebenso eine Mensch-Maschine-Schnittstelle. Zu diesem Zweck verfolgt das verteilte Steuerungssystem Änderungen des Systems und zeigt Warnungen oder andere Hinweise auf seinen Status, seine Funktionsfähigkeit oder von anderen Merkmalen an. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle erlaubt sodann höhere Niveaus einer Steuerung des Systems insgesamt. Die Schnittstelle ermöglicht es einer Bedienperson, mit dem verteilten Steuerungssystem in Interaktion zu treten und die betriebsbezogenen Parameter des Systems so wie erforderlich einzustellen.In addition to an automated device, modern distributed control systems also include a man-machine interface. For this purpose, the distributed control system tracks changes in the system and displays warnings or other indications of its status, functionality or other characteristics. The man-machine interface then allows higher levels of overall system control. The interface allows an operator to interact with the distributed control system and adjust the system's operating parameters as needed.

Ein verteiltes Steuerungssystem ist üblicherweise aus Feldeinrichtungen und Steuereinheiten aufgebaut. Die Funktionen dieser Module können kombiniert werden, oder sie können sich überlappen. Feldeinrichtungen umfassen Einrichtungen vom Sensortyp sowie Einrichtungen vom Stellantriebtyp. Feldeinrichtungen vom Sensortyp messen Merkmale bzw. Eigenschaften, wie zum Beispiel einen Druck, eine Temperatur oder einen Massenstrom. Feldeinrichtungen stellen ebenso Stellantriebe bereit, wie zum Beispiel Ventile und Positionierer, welche auf hydraulische, pneumatische, magnetische oder sonst eine Art und Weise die gewünschte Steuerung ausführen.A distributed control system is usually composed of field devices and control units. The functions of these modules can be combined or they can overlap. Field devices include sensor-type devices as well as actuator-type devices. Sensor type field devices measure characteristics such as pressure, temperature or mass flow. Field devices also provide actuators, such as valves and positioners, which perform the desired control in a hydraulic, pneumatic, magnetic or other manner.

Die Steuereinheiten erzeugen Einstellungen für Feldeinrichtungen vom Stellantriebtyp basierend auf den Messungen, welche durch eine Feldeinrichtung vom Sensortyp aufgenommen wurden. Zu diesem Zweck wird ein Steueralgorithmus in der Steuereinheit implementiert. Eine Proportional-, Integral- und abgeleitete (PID-)Steuerung ist ein hinlänglich bekanntes Beispiel eines Steueralgorithmus. Neurale Netzwerke und Fuzzy-Logiken sind fortschrittlichere Beispiele von Steueralgorithmen. Der Steueralgorithmus hält ein System bei einem gewünschten Niveau oder treibt es auf dieses Niveau hin an. Er führt dies aus durch ein Minimieren der Differenzen zwischen den Merkmalen, welche durch die Feldeinrichtungen vom Sensortyp gemessen werden, und einem vordefinierten Einstellungspunkt.The controllers generate settings for actuator type field devices based on the measurements taken by a sensor type field device. For this purpose, a control algorithm is implemented in the control unit. Proportional, integral and derivative (PID) control is a well-known example of a control algorithm. Neural networks and fuzzy logic are more advanced examples of control algorithms. The control algorithm keeps a system at a desired level or propels it to that level. It does so by minimizing the differences between the features measured by the sensor type field devices and a predefined set point.

Ein verteiltes Steuerungssystem kann im Wege eines nichtbeschränkenden Beispiels verwendet werden, um eine beste Leistung, eine höchste Verfügbarkeit und eine maximale Zuverlässigkeit eines Kraftwerks zu erzielen. Ein verteiltes Steuerungssystem kann insbesondere eingesetzt werden, um eine Erzeugungseffizienz bzw. Produktionseffizienz für ein Stromkraftwerk zu verbessern. Andere Verwendungen eines verteilten Steuerungssystems umfassen eine Prozesssteuerung hinsichtlich einer Herstellung, von Energienetzen sowie häusliche und institutionelle Einstellungen, wo viele umweltbezogene Eigenschaften aufrechterhalten werden.A distributed control system may be used by way of a non-limiting example to achieve best performance, highest availability, and maximum reliability of a power plant. In particular, a distributed control system may be used to improve generation efficiency for a power plant. Other uses of a distributed control system include process control in manufacturing, power networks, and domestic and institutional settings where many environmental characteristics are maintained.

Die Feldeinrichtungen, die Steuereinheiten und die Mensch-Maschine-Schnittstelle kommunizieren entweder über galvanisch gekoppelte Verbindungen oder über nichtgalvanische Verbindungen. Galvanisch gekoppelte Verbindungen sind üblicherweise aus elektrischen Kabeln hergestellt, welche von einem Modul zu einem anderen Modul verlaufen. Eine Kommunikation wird durch ein Übertragen von elektrischen Ladungen durch die Kabel hindurch ausgeführt. Nichtgalvanische Verbindungen umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, optische Verbindungen basierend auf einem Infrarotlicht oder auf Laser, elektrische Verbindungen, wie zum Beispiel magnetische oder elektrische Wellen, akustische Verbindungen, wie zum Beispiel einen Ultraschall, elektromechanische, wie zum Beispiel eine Piezoelektrik. Nichtgalvanische Verbindungen beruhen nicht auf einer direkten Übertragung an elektrischen Ladungen durch Kabel (es kann Schall sein, Transformatoren, Kondensatoren, Licht so wie mit optischen Kopplern). Aus diesem Grund werden Luft oder eine andere atmosphärische, nichtleitende Barriere/Leitungen/Führungen/Rohre, Faseroptiken oder optische Führungen oder Schallführungen als eine nichtgalvanische Isolierung innerhalb des Zusammenhangs von dieser Erfindung betrachtet.The field devices, the control units and the man-machine interface communicate either via galvanically coupled connections or via non-galvanic connections. Galvanically coupled connections are usually made of electrical cables that run from one module to another module. Communication is accomplished by transmitting electrical charges through the cables. Non-galvanic compounds include, but are not limited to, optical compounds based on infrared light or lasers, electrical interconnects such as magnetic or electrical waves, acoustic interconnects such as ultrasound, electromechanical such as piezoelectrics. Non-galvanic connections are not based on direct transmission of electrical charges through cables (it can be sound, transformers, capacitors, light, as well as with optical couplers). For this reason, air or other atmospheric, non-conductive barrier / conduits / guides / tubes, fiber optics or optical guides or sound guides are considered to be non-galvanic isolation within the context of this invention.

Die Kommunikationsverbindungen zwischen den Feldeinrichtungen, den Steuereinheiten und der Mensch-Maschine-Schnittstelle müssen eine Anzahl von in Konflikt zueinander stehenden technischen Anforderungen erfüllen: In gestörten Umgebungen wird jede Anzahl von galvanisch gekoppelten Verbindungen zwischen kommunizierenden Modulen minimiert. Eine vorübergehende elektrische Überspannung könnte ansonsten von einem Modul zu einem zweiten Modul durch ein Kabel übertragen werden. Die übertragene vorübergehende Überspannung kann sodann das zweite Modul zerstören oder es stören oder sein Verhalten beeinträchtigen, was im Rahmen vor allem von Sicherheitsmodulen nicht akzeptiert wird.The communication links between the field devices, the controllers, and the man-machine interface must meet a number of conflicting technical requirements: In disturbed environments, any number of galvanic connections between communicating modules is minimized. A temporary electrical surge could otherwise be transmitted from one module to a second module through a cable. The transmitted transient overvoltage can then destroy the second module or disturbing it or impairing its behavior, which is not accepted in the context of safety modules in particular.

Mechanisch raue Umgebungen oder eine Leichtigkeit einer Wartung durch einen Austausch von Modulen mittels Hotswap können ebenso eine Minimierung der Anzahl von mechanischen Verbindungen zwischen Modulen erfordern. Diese Anforderung trifft insbesondere auf Kommunikationsverbindungen zu, welche mechanische Verbindungen mit sich bringen. Ein typisches Beispiel von solch einer Umgebung würde ein verteiltes Steuerungssystem sein, welches in einem Herstellungsprozess eingesetzt ist. Mechanische Verbindungen, wie zum Beispiel Koaxialkabel, können zum Beispiel durch Gabelstapler beschädigt werden.Mechanically harsh environments or ease of maintenance by replacement of modules by hot swapping may also require minimizing the number of mechanical connections between modules. This requirement applies in particular to communication links which bring about mechanical connections. A typical example of such an environment would be a distributed control system employed in a manufacturing process. Mechanical connections, such as coaxial cables, can be damaged by forklifts, for example.

Langfristige, nichtgalvanische Verbindungen zwischen den Modulen eines verteilten Steuerungssystems erzeugen ein Potential für einen Eingriff. Wenn die nichtgalvanische Verbindung zum Beispiel aufgebaut worden ist durch ein Wireless Local Area Network (WLAN), konnte ein Angreifer ein System angreifen und beeinträchtigen unter Verwenden eines standardmäßigen tragbaren Computers. Ein Angriff gegen das verteilte Steuerungssystem würde dann von irgendwo innerhalb der Reichweite des WLAN machbar sein. Das letztere könnte tatsächlich einige hundert Meter weit sein. Die Schwere bzw. Ernsthaftigkeit dieses Angriffs wird des Weiteren verschärft, da viele der Anwendungen von verteilten Steuerungssystemen, wie zum Beispiel (Strom-)Kraftwerke, wesentliche Elemente einer (elektrischen) Infrastruktur sind. Folglich gibt es einen Bedarf, sich auf vorzugsweise kurzwellige, nichtgalvanische Verbindungen in verteilten Steuerungssystemen zu verlassen.Long-term, non-galvanic connections between the modules of a distributed control system create a potential for intervention. For example, if the non-galvanic connection was established through a Wireless Local Area Network (WLAN), an attacker could attack and compromise a system using a standard portable computer. An attack against the distributed control system would then be feasible from anywhere within the range of the WLAN. The latter could actually be a few hundred meters wide. The severity of this attack is further exacerbated as many of the applications of distributed control systems, such as (power) power plants, are essential elements of an (electrical) infrastructure. Consequently, there is a need to rely on preferably shortwave, non-galvanic interconnections in distributed control systems.

Zusätzlich wird es für einen Angreifer unmöglich werden, eine Kommunikationsverbindung abzuhören bzw. abzufangen, wenn es keine Kommunikation gibt, weil die Verbindung nicht aktiv (Ruhezustand) oder entmaterialisiert oder lokalisiert ist (Infrarot, Ultraschall, Light-Fidelity Li-Fi...). Kommunikationsverbindungen zwischen Feldeinrichtungen und zwischen Steuereinheiten sollten somit, wenn immer möglich, in einem Ruhezustand sein. Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kommunikation zwischen den Modulen von einem verteilten Steuerungssystem so verschwiegen wie möglich zu machen.In addition, it will be impossible for an attacker to intercept a communication link when there is no communication because the link is inactive (hibernate) or dematerialized or localized (infrared, ultrasound, light-fidelity Li-Fi ...) , Communication links between field devices and between controllers should therefore be in an idle state whenever possible. It is thus an object of the present invention to make communication between the modules of a distributed control system as secretive as possible.

Eine Cyber-Sicherheit stellt dieser Tage eine reale Bedrohung für elektrische Infrastrukturen dar, wie zum Beispiel (Strom-)Kraftwerke und Stromnetzwerke. Dies ist der Grund, warum ein verteiltes Steuerungssystem etablierte Verfahren einer Verschlüsselung umsetzen sollte ebenso wie proprietäre Protokolle und eine proprietäre Verschlüsselung. Die Verwendung von proprietären Protokollen und einer Verschlüsselung erzielt eine Sicherheit durch eine Unklarheit. In anderen Worten ist ein Angreifer nicht fähig, die Kommunikation zwischen Feldeinrichtungen und zwischen Steuereinheiten abzuhören bzw. abzufangen, da ihm die Protokolle nicht bekannt sind.Cyber security these days is a real threat to electrical infrastructures, such as (power) power plants and power grids. This is why a distributed control system should implement established encryption techniques as well as proprietary protocols and proprietary encryption. The use of proprietary protocols and encryption provides security through ambiguity. In other words, an attacker is unable to intercept communications between field devices and between controllers because they are unaware of the protocols.

Aufgrund von technischen oder finanziellen Einschränkungen ist ein erzwungener Ausfall eines Stromkraftwerks nach einem Defekt eines Moduls von einem verteilten Steuerungssystem nicht realisierbar. Es ist somit für verteilte Steuerungssysteme üblich, eine technische Redundanz zu implementieren durch ein Einsetzen von einer Mehrzahl von Feldeinrichtungen und Steuereinheiten. Üblicherweise kann eine einzelne Feldeinrichtung oder eine einzelne Steuereinheit ausfallen oder außer Betrieb gesetzt werden, ohne den Betrieb des Systems als ein ganzes zu beeinträchtigen. Die Kommunikationsverbindung für ein Überwachen, für Anweisungen eines Umschaltens und/oder Blockierens, für Datenaustausche zwischen den Modulen eines verteilten Steuerungssystems muss folglich einen parallelen Verlauf unterstützen und/oder ein Schalten zwischen zwei technisch redundanten Modulen in einem Fall eines Ausfalls von einem Modul.Due to technical or financial limitations, a forced failure of a power plant following a module failure is not realizable by a distributed control system. It is thus common for distributed control systems to implement technical redundancy by employing a plurality of field devices and control units. Typically, a single field device or unit may fail or be disabled without affecting the operation of the system as a whole. The communication link for monitoring, for switching and / or blocking instructions, for data exchanges between the modules of a distributed control system must therefore support a parallel course and / or switching between two technically redundant modules in the event of a failure of a module.

Eine besondere Situation tritt auf, wenn eine Feldeinrichtung oder eine Steuereinheit ein Ersetzen erfordert, während das System sich im Betrieb befindet. Ein Abschalten von einem gesamten (Strom-)Kraftwerk oder einem Herstellungsprozess zusammen mit dem verteilten Steuerungssystem kann in dieser Situation nicht akzeptierbar sein. Folglich gibt es ein Bedürfnis, ein Abschalten des verteilten Steuerungssystems zu vermeiden, wenn eines von seinen Modulen ein Ersetzen erfordert.A particular situation occurs when a field device or controller requires replacement while the system is in operation. A shutdown of an entire (power) power plant or manufacturing process together with the distributed control system may not be acceptable in this situation. Consequently, there is a need to avoid switching off the distributed control system when one of its modules requires replacement.

Die vorliegende Erfindung ist darauf ausgerichtet, die zuvor erwähnten Erfordernisse zu erfüllen, und in Richtung eines Überwindens der zuvor erwähnten Schwierigkeiten.The present invention is directed to meeting the aforementioned needs and towards overcoming the aforementioned difficulties.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf verbesserte verteilte Steuerungssysteme. Um ein verteiltes Steuerungssystem zu erzielen, welches inhärent sicher ist und eine Redundanz implementiert, wird eine Gruppe von Steuereinheiten oder Feldeinrichtungen in einer Gestelleinheit, vorzugsweise einer Gestelleinheit von 19 Zoll oder einer Gestelleinheit von 23 Zoll, angeordnet. Die Module im Inneren des Gestells kommunizieren über eine nichtgalvanische Verbindung, so dass es keine galvanische Kopplung durch die Kommunikationsverbindung gibt, wobei es ebenso eine mechanische Unabhängigkeit zwischen den Modulen geben wird.The present invention relates to improved distributed control systems. In order to achieve a distributed control system which is inherently safe and implements redundancy, a set of controllers or field devices is placed in a rack unit, preferably a 19-inch rack unit or a 23-inch rack unit. The modules inside the rack communicate via a non-galvanic connection, so there is no galvanic coupling through the communication link, and there will also be mechanical independence between the modules.

Eine kurzwellige, nichtgalvanische Verbindung wird eingesetzt, um zusätzlich das verteilte Steuerungssystem zu sichern. Die Distanz, welche durch die kurzwellige Verbindung abgedeckt wird, ist üblicherweise auf die physikalischen Distanzen zwischen den Steuereinheiten begrenzt, welche im Inneren einer Gestelleinheit angeordnet sind. Das heißt, die Steuereinheiten können auf zuverlässige Art und Weise innerhalb einer Gestelleinheit Signale senden und empfangen.A shortwave, non-galvanic connection is used to additionally secure the distributed control system. The distance, which is covered by the short-wave connection is usually limited to the physical distances between the control units, which are arranged inside a rack unit. That is, the controllers can reliably send and receive signals within a rack unit.

Die kurzwellige, nichtgalvanische Verbindung kann im Wege eines nichtbeschränkenden Beispiels über ein isoliertes Medium, wie zum Beispiel Luft, aufgebaut werden oder eine andere Atmosphäre/Barriere/Leitungen/Rohre/Leiter/optische Fasern durch Infrarot, Laser oder eine Li-Fi-Lösung, über einen Ultraschall oder durch eine kurzwellige Funkfrequenzkommunikation, wie zum Beispiel ein Ultraweitband (UWB, engl.: ultra-wide band), durch einen Transformator oder eine kapazitive Kopplung oder durch eine elektromechanische Kopplung.The shortwave, non-galvanic compound may be built up, by way of non-limiting example, over an isolated medium, such as air, or another atmosphere / barrier / conduits / tubes / conductors / optical fibers by infrared, laser or Li-Fi solution, via an ultrasound or by a short-wave radio frequency communication, such as an ultra-wide band (UWB), by a transformer or a capacitive coupling or by an electromechanical coupling.

Eine nichtgalvanische Verbindung kann nicht Statusinformationen übertragen, während sie sich im Ruhemodus befindet. Es wird dann unmöglich werden, die nichtgalvanische Kommunikation zwischen einem Paar von Modulen abzuhören oder abzufangen. Eine Sicherheit von dem verteilten Steuerungssystem wird weiter verbessert durch ein Schalten der nichtgalvanischen Verbindung in einen Ruhemodus, wann immer es möglich ist.A non-galvanic connection can not transmit status information while in sleep mode. It will then become impossible to intercept or intercept the non-galvanic communication between a pair of modules. Security from the distributed control system is further enhanced by switching the non-galvanic connection to a sleep mode whenever possible.

Selbst wenn es ein Abhörer bewerkstelligt, die Kommunikation zwischen zwei Modulen abzufangen, würde die potentielle Verwendung einer Verschlüsselung oder eines proprietären Protokolls ihn daran hindern, Klartextdaten (entschlüsselte Daten) zu erhalten. Eine Verschlüsselung wird im Wege eines nichtbeschränkenden Beispiels durch einen etablierten Verschlüsselungsalgorithmus umgesetzt, wie zum Beispiel einen Advanced Encryption Standard (AES), einen Data Encryption Standard (DES), einen Ron's Code 4 (RC4) oder einen Blowfish. Die nichtgalvanische Verbindung kann ebenso auf proprietären Protokollen mit oder ohne Verschlüsselung beruhen, um es noch schwieriger zu machen, die Kommunikation zwischen zwei Modulen abzufangen.Even if an interceptor manages to intercept communication between two modules, the potential use of encryption or a proprietary protocol would prevent him from receiving plain text data (decrypted data). Encryption is implemented, by way of non-limiting example, by an established encryption algorithm, such as an Advanced Encryption Standard (AES), a Data Encryption Standard (DES), a Ron's Code 4 (RC4), or a Blowfish. The non-galvanic connection may also rely on proprietary protocols, with or without encryption, to make it even more difficult to intercept communication between two modules.

Es wird somit in Betracht gezogen, die zuvor erwähnten Technologien zu kombinieren, um weiter die Sicherheit des verteilten Steuerungssystems zu verbessern.It is thus contemplated to combine the aforementioned technologies to further enhance the security of the distributed control system.

Eine technische Redundanz wird erreicht durch ein Austauschen hinsichtlich von einem Status, Daten oder Verriegelungen zwischen Modulen. Die Module, welche hier offenbart werden, sind fähig zu einem Austauschen von Statusinformationen ebenso wie hinsichtlich von diagnostischen Daten untereinander. Sie sind ebenso zu einer Synchronisierung fähig. Eine Synchronisierung ebenso wie ein Austausch von Statusinformationen oder Diagnosedaten wird durch die nichtgalvanische Verbindung erreicht. Ein Paar von analogen Modulen kann zum Beispiel jedes eine Überwachungseinheit und einen Wechselrichter für eine optische Kommunikation umfassen. Die (Wechselrichter von den analogen) Module werden dann Daten durch eine optische Verbindung austauschen.Technical redundancy is achieved by swapping status, data or interlock between modules. The modules disclosed herein are capable of interchanging status information as well as diagnostic data among themselves. They are also capable of synchronization. Synchronization as well as an exchange of status information or diagnostic data is achieved by the non-galvanic connection. For example, a pair of analog modules may each include a monitoring unit and an optical communications inverter. The (inverters from the analogue) modules will then exchange data through an optical link.

Diese Art einer Verbindung ist besonders nützlich, wenn ein Modul einen Ersatz erfordert, während sich das verteilte Steuerungssystem im Betrieb befindet. Aufgrund des Austauschs von Statusinformationen zwischen einem Paar von Modulen können Module einen identischen Status aufweisen. In dem Fall, dass eines von den zwei Modulen ausfällt, kann das andere Modul die Rolle des ersten Moduls einnehmen und seine Funktion innerhalb des verteilten Steuerungssystems ersetzen. Auf diese Weise kann das ausgefallene Modul ersetzt werden, ohne den Betrieb des verteilten Steuerungssystems zu beeinträchtigen.This type of connection is particularly useful when a module requires replacement while the distributed control system is in operation. Due to the exchange of status information between a pair of modules, modules can have an identical status. In the event that one of the two modules fails, the other module can take the role of the first module and replace its function within the distributed control system. In this way, the failed module can be replaced without affecting the operation of the distributed control system.

Es wird ebenso möglich sein, ein Modul zu einem bestehenden verteilten Steuerungssystem hinzuzufügen, welches sich selbst mit einem Modul synchronisiert, das schon ein Teil von dem System ist. Es wird des Weiteren möglich sein, ein ausgefallenes Modul herauszuziehen und es mit einem neuen Modul zu ersetzen. Das neue Modul wird sich sodann selbst synchronisieren mit einem schon bestehenden Modul und wird ein Teil von dem verteilten Steuerungssystem werden. Die nichtgalvanische Verbindung kann ebenso einen Austausch von Daten zwischen Modulen unterstützen. Optische Lösungen (insbesondere Li-Fi mit einer kürzlich verbesserten Bandbreite) könnten selbst ein Implementieren von einem optischen Bus zwischen mehreren Modulen eines Gestells für einen Datenaustausch ermöglichen (z. B. zwischen einem CPU- und einem I/O-Modul). Die Erfindung umfasst ebenso einen redundanten oder nichtredundanten bidirektionalen Bus (Adressen + Daten + Steuersignale einschließlich von Synchronisierungssignalen). Sie umfasst ebenso Typen von einem seriellen Bus (eine bidirektionale, nichtgalvanische Verbindung) und/oder Typen von einem parallelen Bus (mit mehreren bidirektionalen, nichtgalvanischen Verbindungen).It will also be possible to add a module to an existing distributed control system which self-synchronizes with a module that is already part of the system. It will also be possible to extract a failed module and replace it with a new module. The new module will then synchronize itself with an existing module and become part of the distributed control system. The non-galvanic connection may also support an exchange of data between modules. Optical solutions (notably Li-Fi with a recently improved bandwidth) could even allow for the implementation of an optical bus between multiple modules of a rack for data exchange (eg, between a CPU and an I / O module). The invention also includes a redundant or non-redundant bidirectional bus (addresses + data + control signals including synchronization signals). It also includes types of a serial bus (a bidirectional, non-galvanic connection) and / or types of a parallel bus (with multiple bidirectional, non-galvanic connections).

Die zuvor angegebenen Ziele und viele von den damit einhergehenden Vorteilen dieser Erfindung werden unmittelbar wahrgenommen werden, wenn dieselbige durch eine Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung besser verstanden werden wird, wenn sie im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen hergenommen wird, wobei:The foregoing objects and many of the attendant advantages of this invention will be readily appreciated as the same becomes better understood by reference to the following detailed description when taken in conjunction with the accompanying drawings, wherein:

1 eine dreidimensionale Vorderansicht einer Gestelleinheit 1 bereitstellt. 1 a three-dimensional front view of a frame unit 1 provides.

2 eine schematische Ansicht mit Details von der Kommunikation zwischen benachbarten Modulen m und n ist. 2 is a schematic view with details of the communication between adjacent modules m and n.

3 schematisch eine Gruppe von neun IO-Modulen zeigt, welche durch eine gemeinsame Quelle synchronisiert sind. Diese Quelle kann technisch redundant sein. 3 schematically shows a group of nine IO modules, which are synchronized by a common source. This source can be technically redundant.

4 schematisch zehn Module 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f, 10g, 10h, 10i, 10j zeigt, welche zu synchronisieren sind und/oder zum Austauschen von Daten vorgesehen sind. 4 schematically ten modules 10a . 10b . 10c . 10d . 10e . 10f . 10g . 10h . 10i . 10j shows which are to be synchronized and / or provided for exchanging data.

Die 1 stellt eine dreidimensionale Vorderansicht einer Gestelleinheit 1 bereit. Bei einer bevorzugten Ausführungsform würde die Gestelleinheit 1 eine Gestelleinheit von 19 Zoll oder eine Gestelleinheit von 23 Zoll sein. Diese Einheiten sind jeweils 48,26 cm oder 58,42 cm breit.The 1 represents a three-dimensional front view of a frame unit 1 ready. In a preferred embodiment, the frame unit would 1 a rack unit of 19 inches or a rack unit of 23 inches. These units are each 48.26 cm or 58.42 cm wide.

Das Gestell 1 stellt ein Gehäuse 2 bereit. Das Gehäuse 2 nimmt eine Mehrzahl von Modulen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g, 3h, 3i, 3j auf. Die Module 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g, 3h, 3i, 3j sind Seite an Seite angeordnet. Jedes Modul kann mittels eines Montagelochs 4 und einer Schraube befestigt sein. Das Gehäuse 2 kann ebenso Schienen bereitstellen, entlang von welchen die Module 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g, 3h, 3i, 3j in dem Gehäuse 2 gleiten können.The frame 1 represents a housing 2 ready. The housing 2 takes a plurality of modules 3a . 3b . 3c . 3d . 3e . 3f . 3g . 3h . 3i . 3y on. The modules 3a . 3b . 3c . 3d . 3e . 3f . 3g . 3h . 3i . 3y are arranged side by side. Each module can by means of a mounting hole 4 and a screw attached. The housing 2 can also provide rails along which the modules run 3a . 3b . 3c . 3d . 3e . 3f . 3g . 3h . 3i . 3y in the case 2 can slide.

Jedes Modul 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g, 3h, 3i, 3j im Inneren des Gehäuses 2 kann ebenso eine oder mehrere sichtbare Anzeigen 5 aufweisen, um Informationen mit einer Bedienperson auszutauschen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die sichtbaren Anzeigen lichtemittierende Dioden (LEDs).Every module 3a . 3b . 3c . 3d . 3e . 3f . 3g . 3h . 3i . 3y inside the case 2 can also have one or more visible ads 5 to exchange information with an operator. In a preferred embodiment, the visible displays are light emitting diodes (LEDs).

Die Gestelleinheit 1 kann ebenso einen Stromschalter 6 aufweisen. Der Stromschalter 6 verbindet oder trennt die hauptsächliche Versorgung für die Module 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g, 3h, 3i, 3j von der Gestelleinheit 1. Vorzugsweise ist ebenso eine Anzeige hinsichtlich des Zustands (an oder aus) von dem Stromschalter 6 vorgesehen.The frame unit 1 can also have a power switch 6 exhibit. The power switch 6 connects or disconnects the main supply for the modules 3a . 3b . 3c . 3d . 3e . 3f . 3g . 3h . 3i . 3y from the rack unit 1 , Preferably, an indication as to the state (on or off) of the power switch is also provided 6 intended.

Die 2 ist eine schematische Ansicht mit Details von der Kommunikation zwischen benachbarten Modulen m und n. Die 2 zeigt zwei analoge Module, von denen jedes Modul eine Mehrzahl von Einheiten aufweist. Die Module m und n, welche in der 2 gezeigt sind, weisen jedes die Einheiten auf, welche gekennzeichnet sind mit AO-Modul-Management, gekennzeichnet sind mit FPGA (Feldprogrammierbares Gate-Array), gekennzeichnet sind mit Aufbereitung-Ausgangssignal, gekennzeichnet sind mit Zugehörige Modulüberwachung und gekennzeichnet sind mit Wechselrichter mit einer optischen Kommunikation. AO steht für Analoger Ausgang (engl.: Analogue Output) und ist ein Beispiel und irgendeine Art eines Moduls kann die Erfindung zum Implementieren einer Redundanz verwenden.The 2 is a schematic view showing details of the communication between adjacent modules m and n 2 shows two analog modules, each module having a plurality of units. The modules m and n, which in the 2 are each shown the units, which are marked with AO module management, are marked with FPGA (field programmable gate array), are marked with conditioning output signal, are marked with associated module monitoring and are marked with inverters with an optical Communication. AO stands for Analogue Output and is an example and some type of module may use the invention to implement redundancy.

Ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA) ist vorgesehen. Das FPGA würde üblicherweise Daten verarbeiten und Anweisungen an eine Feldeinrichtung vom Typ Stellantrieb weitergeben. Diese Anweisungen müssen jedoch aufbereitet werden, so dass die Anweisungen an die Feldeinrichtung vom Typ Stellantrieb übertragen werden können. Die 2 zeigt, dass jedes Modul eine Einheit aufweist, welche für ein Aufbereiten eines Ausgangssignals verantwortlich ist. Das Aufbereiten des Ausgangssignals führt den Schritt eines Umwandelns des Ausgangs von dem FPGA in ein Format aus, welches eine Übertragung zu der Feldeinrichtung vom Typ Stellantrieb erlaubt.A field programmable gate array (FPGA) is provided. The FPGA would typically process data and pass instructions to an actuator type field device. However, these instructions must be prepared so that the instructions can be transmitted to the actuator type field device. The 2 shows that each module has a unit which is responsible for conditioning an output signal. The conditioning of the output signal performs the step of converting the output from the FPGA to a format that allows transmission to the actuator-type field device.

Die Einheit, welche mit zugehörige Modulüberwachung gekennzeichnet ist, die in der 2 gezeigt ist, verfolgt Änderungen von dem Modul und sammelt Indizien von seinem Status, seiner Funktionsfähigkeit und von anderen Merkmalen. Jedes von den zwei Modulen, welche in der 2 gezeigt sind, weist eine Einheit auf, welche gekennzeichnet ist mit zugehörige Modulüberwachung, und eine Einheit, welche gekennzeichnet ist mit Wechselrichter oder Ausgabenschalter mit einer optischen Kommunikation. Die letzteren Einheiten bereiten digitale oder analoge Signale von der Einheit auf, welche mit zugehörige Modulüberwachung gekennzeichnet ist, durch ihr Umwandeln in optische Signale. Die analogen Ausgabemodule m und n stehen miteinander durch ihre Einheiten in Kommunikation, welche mit Wechselrichter gekennzeichnet sind, mit einer optischen Kommunikation. Zu diesem Zweck müssen die zwei Einheiten, welche mit Wechselrichter gekennzeichnet sind, mit einer optischen Kommunikation miteinander verbunden sein. Diese Verbindung ist in der 2 durch gestrichelte Pfeile angegeben. Vorzugsweise wird eine nichtgalvanische Verbindung verwendet, um die zwei Einheiten, welche gekennzeichnet sind mit Wechselrichter, mit einer optischen Kommunikation zu verbinden. Da die analogen Ausgangsmodule m und n nebeneinander angeordnet sind, könnte die nichtgalvanische Verbindung oder sollte tatsächlich eine im Kurzwellenbereich sein. Die Verbindung ist vorzugsweise bidirektional. Die gestrichelten Pfeile, welche eine bidirektionale Verbindung angeben, sind in der 2 gezeigt.The unit which is marked with associated module monitoring, which in the 2 is tracking changes from the module and collects indicia of its status, functionality and other features. Each of the two modules used in the 2 2 comprises a unit, which is characterized with associated module monitoring, and a unit which is characterized with inverters or output switches with an optical communication. The latter units prepare digital or analog signals from the unit, which is marked with associated module monitoring, by converting them to optical signals. The analog output modules m and n communicate with each other through their units, which are labeled inverter, with optical communication. For this purpose, the two units, which are marked with inverters, must be connected to each other with an optical communication. This connection is in the 2 indicated by dashed arrows. Preferably, a non-galvanic connection is used to connect the two units, which are labeled with inverters, to optical communication. Since the analog output modules m and n are juxtaposed, the non-galvanic connection could or should actually be one in the shortwave range. The connection is preferably bidirectional. The dashed arrows indicating a bidirectional connection are in the 2 shown.

Da die analogen Ausgabemodule m und n miteinander in Kommunikation stehen, können sie Informationen hinsichtlich eines Status sowie diagnostische Daten austauschen. Die analogen Ausgabemodule werden sodann einen identischen Status aufweisen. In einem Fall eines Ausfalls von einem der analogen Ausgabemodule m wird das andere analoge Ausgabemodul n betrieben werden, als wäre es das analoge Ausgabemodul m. In anderen Worten wird die technische Redundanz durch das Verwenden von einer kurzwelligen, nichtgalvanischen Verbindung erreicht.Since the analog output modules m and n are in communication with each other, they can exchange information regarding status and diagnostic data. The analog output modules will then have an identical status. In case of a failure of one of the analog output modules m, the other analog output module n will be operated as it were the analogue output module m. In other words, the technical redundancy is achieved by using a shortwave, non-galvanic connection.

Die 3 zeigt schematisch eine Gruppe von neun IO-Modulen (Input-Output-Modulen) 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f, 7g, 7h, 7i. Jedes von den IO-Modulen des Stapels ist zu einem Wandler 8a, 8b, 8c, 8d, 8e, 8f, 8g, 8h, 8i hinzugefügt. Die analogen Ausgabemodule und die Wechselrichter mit einer optischen Kommunikation der 2 sind spezielle Beispiele von den IO-Modulen und von den Wandlern der 3. Benachbarte IO-Module können miteinander durch die kurzwelligen, nichtgalvanischen Verbindungen kommunizieren. Ein Pfeil 9 gibt diese Art einer Verbindung zwischen den Wandlern 8f und 8g an. Diese Implementierung von Modulen ist lediglich ein Beispiel, und die Erfindung kann auf sämtliche Arten von Zusammenfügungen von Modulen und Gestelleinheiten angewendet werden.The 3 schematically shows a group of nine IO modules (input-output modules) 7a . 7b . 7c . 7d . 7e . 7f . 7g . 7h . 7i , Each of the IO modules of the stack is a converter 8a . 8b . 8c . 8d . 8e . 8f . 8g . 8h . 8i added. The analog output modules and the inverters with an optical communication of the 2 are special examples of IO modules and converters 3 , Neighboring IO modules can communicate with each other through the shortwave, non-galvanic connections. An arrow 9 gives this kind of connection between the converters 8f and 8g at. This implementation of modules is merely an example, and the invention can be applied to all types of module and rack assembly.

Die kurzwellige, nichtgalvanische Verbindung zwischen den Modulen kann ebenso für ein Verriegeln nützlich sein. Die Türen eines Aufzugs zum Beispiel erfordern ein Verriegeln, so dass sich eine Tür nicht öffnet, wenn der Aufzug nicht auf der gleichen Etage ist. Ein Verriegelungsmodul würde in diesem Fall die Position des Aufzugs von einer Feldeinrichtung vom Typ Sensor auslesen. Das Verriegelungsmodul würde ein Verriegelungssignal erzeugen, welches zu den Steuermodulen für die Aufzugtüren auf jeder Etage zu senden ist. Das Verriegelungsmodul würde dieses Signal an sämtliche Steuermodule für Aufzugstüren senden, welche nicht geöffnet werden müssen. Die Kommunikation zwischen dem Verriegelungsmodul und den Modulen für die Aufzugtüren kann durch eine kurzwellige, nichtgalvanische Verbindung aufgebaut werden. Idealerweise wird eine bidirektionale Verbindung verwendet, so dass die Steuermodule für die Aufzugtüren periodisch überprüfen, ob das Verriegelungsmodul sich in Funktion befindet.The shortwave, non-galvanic connection between the modules may also be useful for locking. For example, the doors of an elevator require locking so that a door does not open when the elevator is not on the same floor. A locking module in this case would read the position of the elevator from a sensor-type field device. The lock module would generate a lock signal to be sent to the lift door control modules on each floor. The interlock module would send this signal to all lift door control modules which do not need to be opened. The communication between the locking module and the modules for the elevator doors can be established by a shortwave, non-galvanic connection. Ideally, a bidirectional connection is used so that the elevator door control modules periodically check to see if the lock module is in function.

Die 4 zeigt schematisch zehn Module 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f, 10g, 10h, 10i, 10j, welche zu synchronisieren sind. Jedes Modul weist eine Wandlereinheit auf, obwohl keine Wandlereinheiten in der 4 gezeigt sind. Die 4 zeigt ebenso einen Impulsgeber 11. Der Impulsgeber ist vorzugsweise zusammen mit den Modulen 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f, 10g, 10h, 10i, 10j, in dem gleichen Gehäuse 2 von der gleichen Gestelleinheit 1 angeordnet. Der Impulsgeber 11 wird üblicherweise die gleiche kurzwellige, nichtgalvanische Verbindung einsetzen, um im Wege eines nichtbeschränkenden Beispiels Impulse einer Funkfrequenz, optische oder akustische Impulse auszusenden. Die Verzögerung zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen würde üblicherweise fünf Sekunden sein.The 4 schematically shows ten modules 10a . 10b . 10c . 10d . 10e . 10f . 10g . 10h . 10i . 10j which are to be synchronized. Each module has a transducer unit, although no transducer units in the 4 are shown. The 4 also shows a pulse generator 11 , The pulse generator is preferably together with the modules 10a . 10b . 10c . 10d . 10e . 10f . 10g . 10h . 10i . 10j in the same case 2 from the same frame unit 1 arranged. The pulse generator 11 Typically, the same shortwave non-galvanic connection will be used to transmit pulses of radio frequency, optical or acoustic pulses, by way of a non-limiting example. The delay between successive pulses would usually be five seconds.

Der Signalpfad für die Impulse ist in der 4 durch die gestrichelten Pfeile angegeben. Die Wandlereinheiten der Module 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f, 10g, 10h, 10i, 10j, empfangen diese Impulse und verwenden sie zum Synchronisieren ihrer inneren Taktgeber.The signal path for the pulses is in the 4 indicated by the dashed arrows. The converter units of the modules 10a . 10b . 10c . 10d . 10e . 10f . 10g . 10h . 10i . 10j , receive these pulses and use them to synchronize their internal clocks.

Dementsprechend wird der innere Taktgeber von jedem Modul mit der gleichen Quelle synchronisiert. Eine Synchronisierung zwischen den Modulen durch eine kurzwellige, nichtgalvanische Verbindung kann insbesondere nützlich sein, wenn irgendein anderer Bus zwischen den Modulen nicht eine Synchronisierung implementiert oder nicht freie Signalpfade für eine Synchronisierung bereitstellt.Accordingly, the inner clock of each module is synchronized with the same source. Synchronization between the modules through a shortwave non-galvanic connection may be particularly useful if any other bus between the modules does not implement synchronization or does not provide free signal paths for synchronization.

Das gleiche Schema kann ebenso zum Austauschen von Informationen angewendet werden und kann die Basis für einen optischen bidirektionalen Bus zwischen Modulen und einer CPU zum Beispiel sein (basierend zum Beispiel auf Li-Fi). Der Signalpfad kann verkörpert werden durch ein isoliertes Medium, wie zum Beispiel Luft oder eine andere Atmosphäre/Barrieren/Leitungen/Rohre/Optik oder Schallleiter/optische Faser. Der Signalpfad kann unidirektional oder bidirektional sein, kann seriell und/oder parallel sein, kann simplex oder redundant sein.The same scheme may also be used to exchange information and may be the basis for an optical bidirectional bus between modules and a CPU, for example (based on Li-Fi, for example). The signal path may be embodied by an isolated medium, such as air or other atmosphere / barriers / conduits / tubes / optics or sound conductor / optical fiber. The signal path may be unidirectional or bidirectional, may be serial and / or parallel, may be simplex or redundant.

Obwohl die Erfindung vollständig im Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist es offensichtlich, dass Modifikationen innerhalb des Umfangs von ihr eingeführt werden können, wobei nicht die Anwendung erachtet wird, durch diese Ausführungsformen beschränkt zu sein, sondern durch die Inhalte von den nachfolgenden Ansprüchen.While the invention has been fully described in connection with the preferred embodiments, it will be obvious that modifications may be practiced within the scope thereof which are not deemed to be limited to such embodiments, but by the terms of the following claims ,

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Gestelleinheitframe unit
22: Gehäusecasing
3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g, 3h, 3i, 3j3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g, 3h, 3i, 3j: Modulemodules
44: Montagelochmounting hole
55: sichtbare Anzeigevisible display
66: Stromschalterpower switch
7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f, 7g, 7h, 7i7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f, 7g, 7h, 7i: Eingangs-/Ausgangsmodule bzw. Input-/OutputmoduleInput / output modules or input / output modules
8a, 8b, 8c, 8d, 8e, 8f, 8g, 8h, 8i8a, 8b, 8c, 8d, 8e, 8f, 8g, 8h, 8i: Wandlerconverter
99: nichtgalvanische Verbindung zwischen zwei Wandlernnon-galvanic connection between two transducers
10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f, 10g, 10h, 10i, 10j10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f, 10g, 10h, 10i, 10j: Modulemodules
1111: Impulsgeberpulse

Claims

A distributed control system comprising: a housing ( 2 ), at least one module ( 7a . 7b . 7c . 7d . 7e . 7f . 7g . 7h . 7i ), which in the housing ( 2 ), at least one module is a converter ( 8a . 8b . 8c . 8d . 8e . 8f . 8g . 8h . 8i ), the converter ( 8a . 8b . 8c . 8d . 8e . 8f . 8g . 8h . 8i ) is adapted to communicate signals via a non-galvanic communication link, the converter ( 8a . 8b . 8c . 8d . 8e . 8f . 8g . 8h . 8i ) is adapted to process a module input in order to enable internal processing of the signals by the module ( 7a . 7b . 7c . 7d . 7e . 7f . 7g . 7h . 7i ), characterized in that the range of the non-galvanic communication link is substantially the size of the housing ( 2 ) is limited.

A distributed control system according to claim 1, wherein the housing ( 2 ) by a frame unit ( 1 ) is provided.

A distributed control system according to claim 2, wherein the housing ( 2 ) by a frame unit ( 1 ) of 23 inches is provided.

A distributed control system according to claim 2, wherein the housing ( 2 ) by a frame unit ( 1 ) of 19 inches is provided.

A distributed control system according to any one of claims 1 to 4, wherein at least one transducer is adapted to condition the output of the module to enable transmission of the signals generated by the module through the non-galvanic communication link.

A distributed control system according to any one of claims 1 to 5, wherein the communication link is constructed by (for example, among many other solutions) an infrared link.

A distributed control system according to any one of claims 1 to 5, wherein the communication link is constituted by optics (a fiber, infrared, Li-Fi, ...).

Distributed control system according to one of claims 1 to 5, wherein the communication connection is constructed by an ultrasound.

A distributed control system according to any one of claims 1 to 5, wherein the communication link is established by a shortwave radio frequency communication.

The distributed control system of claim 9, wherein the communication link is established by ultra-wideband communication.

A distributed control system according to any one of claims 1 to 10, wherein the communication is encrypted by the communication link.

A distributed control system according to any one of claims 1 to 11, wherein the communication link is adapted to switch to a sleep mode.

A distributed control system according to any one of claims 1 to 12, further comprising a pulse generator ( 11 ) configured to transmit pulses of limited duration over the non-galvanic communication link and / or bidirectional data.

A distributed control system according to claim 13, further comprising a pulse generator ( 11 ), which is designed to transmit synchronization pulses (for example every five seconds).