WO2006018426A1 - Peripherieeinheit für ein automatisierungsgerät - Google Patents

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WO2006018426A1
WO2006018426A1 PCT/EP2005/054001 EP2005054001W WO2006018426A1 WO 2006018426 A1 WO2006018426 A1 WO 2006018426A1 EP 2005054001 W EP2005054001 W EP 2005054001W WO 2006018426 A1 WO2006018426 A1 WO 2006018426A1
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WO
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unit
peripheral
analog
peripheral unit
setting
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PCT/EP2005/054001
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French (fr)
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Walter Kreb
Ulrich Lehmann
Robert Schwab
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
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    • G05B19/0423—Input/output
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B2219/20—Pc systems
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    • G05B2219/21117—Universal I-O, same pin is input or output, bidirectional
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/20—Pc systems
    • G05B2219/24—Pc safety
    • G05B2219/24173—One sensor, two I-O channels each for different processor

Definitions

  • Peripheral unit for an automation device Peripheral unit for an automation device
  • the invention relates to a peripheral unit for an automation apparatus.
  • the invention relates to a redundant automation device in which such Peri ⁇ pherieticianen can be used.
  • a peripheral unit of an automation device In automation technology, data is usually transferred between a peripheral unit of an automation device and a sensor, eg a control unit.
  • a sensor eg a control unit.
  • the automation device has peripheral units which are provided with a predetermined number of analog inputs and analog outputs, wherein the peripheral units have corresponding internally defined hardware properties in order to act as an analog input or analog input
  • Analog output unit can be used.
  • peripheral units which can also be used in redundant automation devices, are known from the Siemens catalog ST 70, Chapters 1 and 5, 2003 edition. Redundant automation devices, eg B. from this
  • SIMATIC S7-400H Catalog known automation devices SIMATIC S7-400H, are used in the fields of automation technology ein ⁇ set in which increased demands on the availability and thus the reliability of the automation system are provided. These are areas where a plant shutdown would cause very high costs. Here only redundant systems can meet the requirements for availability.
  • the fault-tolerant SIMATIC S7-400H continues to operate even if parts of the controller have failed due to one or more faults. It has redun- dant designed central functions and is constructed with two separate central processing units as control computer. The two Control computers execute the same processing programs cyclically and synchronously. They monitor each other and independently determine which control computer is active, ie actually control the process via its output data. For this purpose, data is exchanged via a redundancy coupling between the two control computers.
  • Redundantly formed decentralized peripheral units into which, depending on the particular case, digital input / output modules are plugged, are each connected to a control computer by a fieldbus.
  • Process input information obtained with the aid of transducers or transmitters is forwarded by the peripheral unit to both control computers.
  • the two control computers simultaneously operate the same control program in the undisturbed case, but only one control computer is active, ie only the output data of a control computer are processed further to control the process.
  • the intact device alone takes over control of the process.
  • the devices automatically receive the same user program, the same data blocks, the same
  • both devices are always up to date and can always continue the control alone in the event of an error.
  • Process output data by means of which the signals to be output to the actuators from the peripheral unit, are presented to the peripheral unit in the undisturbed case via both field buses, but it only evaluates the control data received from one of the field buses.
  • the respectively connected control computer can thus be characterized as the active control computer.
  • the invention has for its object to provide a peripheral unit of the type mentioned above, which can be operated both as an analog input and as an analog output, wherein from a predetermined number of terminals of Peri ⁇ pherieiki the number of connections, which as inputs, and the number of connections which are to be used as outputs are flexibly adaptable to the respective application.
  • a redundant automation device is to be specified in which such peripheral units can be used.
  • peripheral unit having a control unit, by means of which a supply unit can be switched to a first and a second setting, wherein
  • a digital-to-analog converter in the first setting, can be controlled by the control unit with a constant value, whereby a constant voltage is applied to a transmitter which can be connected to a first connection of the peripheral unit,
  • an impressed by the transmitter current can be fed, which supplies the analog-to-digital converter of the control unit in the form of a corresponding current to the impressed process input signal, wherein the impressed current of at least one measuring circuit detected is.
  • the object is achieved by the measures specified in claim 5.
  • the connections of the peripheral unit are adaptable both for the analog input (reading of sensor signals) and for the analog output (output of actuator signals).
  • the peripheral unit is particularly suitable for HART communication between the peripheral unit and the actuator or sensor.
  • the control unit transmits to the D / A converter. output a HART signal which comprises a digital communication signal and a digital process output signal to be output and from which the digital-to-analog converter generates an analog signal.
  • This analog signal comprises an analog process signal and an analogue communication signal comprising two frequencies (1200 Hz, 2200 Hz).
  • the analog-to-digital converter transmits a digital signal to the control unit, from which the control unit filters the bit information 0 and 1 corresponding to the two frequencies and the digital process values.
  • the first and second settings of the control unit can be adjusted in a menu-controlled manner by a user, whereby the user can configure the connections of the peripheral unit according to his application as
  • the measuring transducers connected to the ten input terminals are subjected to a constant voltage, and via the eight output terminals, a current corresponding to a process signal to be output is supplied to the connected actuators.
  • the peripheral unit is drivable in a non-redundant or in a redundant mode be ⁇ . Both in redundant and non-redundant operation, the load resistance is constant for the analog input. In non-redundant operation, the load resistance is formed by series-connected measuring resistors of two measuring circuits of the peripheral unit. In redundant operation, a measuring circuit of one peripheral unit is connected in series with a measuring circuit of another peripheral unit.
  • FIGS. 1 and 2 block diagrams of non-redundantly connected peripheral units
  • FIGS. 3 and 4 block diagrams of redundantly switched peripheral units, and FIG. 5 a redundant automation system.
  • DAC4 denotes a digital-to-analog converter of a non-redundantly connected peripheral unit 4, which is connected via a bus to a control unit ST4 and to an analog-to-digital converter ADC4.
  • the control unit ST4 switches a first switch 17a such that a supply unit VE4 can be switched to a first and a second setting.
  • the first switch 17a is in a switch position, whereby a connected to terminals 15a, 16a of the peripheral unit 4 transducer 14 is subjected to a constant voltage.
  • This voltage generates the supply unit VE4 from an output of the digital-to-analog converter DAC4, which the digital-to-analog converter DAC4 forms from a value supplied by the control unit ST4.
  • the Terminal 15a of peripheral unit 4 is assigned as an analog input connection (reading in of a transmitter signal).
  • a measuring current flows via a first and a second measuring circuit 12a, 13a, a second switch controllable by the control unit ST4 18a to a ground potential M (the current flow is represented by a thick line drawn dar ⁇ ).
  • the measuring circuits 12a, 13a each have a measuring resistor R, the resistance value of the measuring resistor being equal to half the load resistance.
  • the measuring circuits 12a, 13a detect the measuring current, wherein, according to the switch position of a switch 19a, the measuring current detected by the measuring circuit 12a or by the measuring circuit 13a is supplied to the analog-to-digital converter ADC4, which transmits to the control unit ST4 a process value corresponding to this measuring current. In the illustrated example, the measuring current detected by the measuring circuit 12a is transmitted to the analog-digital converter ADC4.
  • the peripheral unit 4 is set as an analog output, wherein an actuator 20 is connected to the connection 15a.
  • the conversion from analog input to analog output or from analog output to analog input is preferably menu-driven in
  • a user is provided with a corresponding menu on a display unit connected to the bus, which shows the connections of the peripheral unit.
  • the connections can z. B. be marked with ample Kunststoff ⁇ union colors, with ports for analog inputs with a first and ports for analog outputs are marked with a second color.
  • the control unit ST4 adjusts the connections. After the specification of the terminal 15a as Analog output brings the control unit ST4 the switch 17a of the supply unit VE4 in a switching position in which the actuator 20 is transmitted to a process output signal corresponding current.
  • the digital-to-analog converter DAC4 first generates an analog value, from which the supply unit VE4 derives a current. This current is detected via the first measuring circuit 12a and kept at a constant value via an operational amplifier OP4a of the supply unit VE4. Furthermore, this current is supplied via the switch 19a to the analog-to-digital converter ADC4, which transmits a digital value corresponding to this current to the control unit ST4. As a result of this feedback, the control unit ST4 can detect an interruption of the line via which the actuator 20 is connected to the connection 15a.
  • the redundant automation device is constructed according to a 1-of-2 principle and comprises a first redundancy unit with a first control computer 1 and the peripheral unit 4 and a second redundancy unit with a second control computer 2 and a peripheral unit 5 , B. so-called two-wire transducers, capture Jerusalem ⁇ signals to be controlled technical process, which is read from the peripheral units 4, 5 via lines 10 and via suitable serial or parallel buses 6, 7 the Steuer ⁇ computers 1, 2 in the form of digital Signals transmitted were ⁇ the.
  • the control computers 1, 2 process these signals into corresponding control signals for actuators 20, wherein only one of the redundancy units transmits these control signals to the actuators 20 via a line 11.
  • the redundancy units operate after a master-reserve operation, which means that only one redundancy unit is active, while the other is passive is switched. Only the active redundancy unit controls the actuators 20 via its peripheral unit, the other redundancy unit transmits only a zero signal to its peripheral unit.
  • a redundant coupling 3 is provided, via which the redundancy units are connected to each other.
  • the active redundancy shows the interference via the redundant coupling 3 of the passive redundancy unit, whereby the currently passive redundancy unit changes to the active mode, ie, this redundancy unit is activated and takes over
  • the currently active redundancy unit is switched to passive mode and switches to standby mode.
  • a change of the master shaft must take place in such a way that the control signals are transmitted to the actuators essentially continuously and as far as possible without signal collapses. In addition, it must be ensured that a continuous measurement of the process signals is ensured during a repair-related replacement of a peripheral unit 4, 5.
  • FIG. 3 in which an interconnection of two redundant peripheral units is illustrated.
  • the redundantly constructed peripheral units 4, 5 are parameterized or set such that these units are provided for an analog input (reading in of sensor signals).
  • the function and mode of action of the peripheral unit 5 corresponds to the functional and mode of operation of the peripheral unit 4 described in FIGS. 1 and 2, the parts of the peripheral unit 4 having the reference numbers ST4, VE4, 12a, 13a ... the parts of the peripheral unit 5 correspond to the reference symbols ST5, VE5, 12b, 13b.
  • a first redundant mode of operation of the peripheral units 4, 5 operated as analog inputs is shown.
  • the supply unit VE4 is controlled by the control unit ST4, the second switch 18b of the peripheral unit 5 is closed, but the supply unit VE5 is not activated and the second switch 18a of the peripheral unit 5 is opened.
  • the measuring current is detected by the first measuring circuit 12a of the peripheral unit 4 and by the second measuring circuit 13b of the peripheral unit 5 (the measuring current flow is shown by a thick line), suitable operational amplifiers of these measuring circuits 12a, 13b Measure the voltage drop caused by the measuring current at the measuring resistor R and transmit a corresponding current via the controllable switches 19a, 19b to the analog-to-digital converters ADC4, ADC5, which supply a digital value corresponding to this measuring current to the control units VE4, VE5.
  • a further redundant mode of operation of the peripheral units 4, 5 connected as an analog input can be effected by controlling the supply unit VE5 of the peripheral unit 5 and closing the second switch 18a of the peripheral unit 4, whereas the second switch 18b of the peripheral unit 5 is open and Supply unit VE4 of peripheral unit 4 not activated.
  • the measuring current is detected by the first measuring circuit 12b of the peripheral unit 5 and by the second measuring circuit 13b of the peripheral unit 4, wherein the controllable switches 19a, 19b are switched accordingly in order to switch to the Measuring circuits 12b, 13a transmitted measuring current to the analog-to-digital converters ADC4, ADC5.
  • the supply unit VE5 is controlled by the control unit ST5 and the switch 18b is closed, whereby the measuring current flows via the resistor R of the first and second measuring circuit 12b, 13b of the peripheral unit 5.
  • the peripheral unit 4 operates in non-redundant operation if the peripheral unit 5 is removed from the control system.
  • the supply unit VE4 of the peripheral unit 4 is activated and switch 18a is closed in this case, whereby the measuring current flows through the resistor R of the first and second measuring circuit 12a, 13a of the peripheral unit 4.
  • peripheral units 4, 5 are parameterized or set in such a way that these units are provided for an analog output (output of actuator signals).
  • FIG. 4 in which a further interconnection of the peripheral units 4, 5 is shown. Due to the setting of the peripheral units 4, 5 as
  • Analog output is the actuator 20 by the peripheral units 4, 5 an output signal corresponding to a process output signal eingargbar.
  • the peripheral units 4, 5 are switched to redundant operation.
  • the supply unit VE4 of the peripheral unit 4 can be activated with regard to the output of a constant current and the current can be switched via the first measuring circuit 12a to the first terminal 15a, 15b of the actuator 20 whose second terminal A16 is connected to the ground potential M.
  • a high level of this control signal causes - The supply unit VE4 the peripheral unit 4 akti ⁇ fourth and
  • the supply unit VE5 of the peripheral unit is deactivated, whereby the output current flows via the first measuring circuit 12a of the peripheral unit 4 and the actuator 20 to the ground potential.
  • the supply unit VE5 the peripheral unit is activated, whereby the output current flows through the first measuring circuit 12b of the peripheral unit 5 and the actuator 20 to the ground potential.
  • the peripheral unit 4 is switched to the non-redundant mode.
  • the supply unit VE4 is activated, whereby the output current flows via the resistor R of the first measuring circuit 12a of the peripheral unit 4 and the actuator 20 to the ground potential M.
  • the peripheral unit 5 operates in non-redundant operation if the peripheral unit 4 is removed from the control system.
  • the supply unit VE5 is activated in this case, as a result of which the output current flows via the resistor R of the first measuring circuit 12b of the peripheral unit 5 and the actuator 20 to the ground potential M.

Abstract

Es wird eine Peripherieeinheit für ein Automatisierungsgerät vorgeschlagen, welche sowohl als Analogeingabe als auch als Analogausgabe betreibbar ist. Dabei sind aus einer vorgegebenen Anzahl von Anschlüssen der Peripherieeinheit die Anzahl der Anschlüsse, welche als Eingänge, und die Anzahl der Anschlüsse, welche als Ausgänge genutzt werden sollen, flexibel an die jeweilige Applikation anpassbar. Darüber hinaus ist ein redundantes Automatisierungsgerät anzugeben, in welchem derartige Peripherieeinheiten einsetzbar sind.

Description

Beschreibung
Peripherieeinheit für ein Automatisierungsgerät
Die Erfindung betrifft eine Peripherieeinheit für ein Auto¬ matisierungsgerät. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein redundantes Automatisierungsgerät, in welchem derartige Peri¬ pherieeinheiten einsetzbar sind.
In der Automatisierungstechnik werden gewöhnlich Daten zwi¬ schen einer Peripherieeinheit eines Automatisierungsgerätes und einem Sensor, z. B. einem Sensor für eine Temperatur¬ oder Druckmessung, oder einem Aktor, z. B. einem Aktor in Form eines Stellungsreglers für Regelventile, über analoge Stromsignale im Bereich von 0 - 20 mA bzw. 4 - 20 mA aus¬ getauscht. Dazu weist das Automatisierungsgerät Peripherie¬ einheiten auf, welche mit einer vorgegebenen Anzahl von Analogeingängen und Analogausgängen versehen sind, wobei die Peripherieeinheiten entsprechende intern festgelegte Hard- ware-Eigenschaften aufweisen, um als Analogeingabe- oder
Analogausgabe-Einheit eingesetzt werden zu können. Derartige Peripherieeinheiten, welche auch in redundanten Automatisie¬ rungsgeräten einsetzbar sind, sind aus dem Siemens-Katalog ST 70, Kapitel 1 und 5, Ausgabe 2003 bekannt. Redundante Automatisierungsgeräte, z. B. die aus diesem
Katalog bekannten Automatisierungsgeräte SIMATIC S7-400H, werden in den Bereichen der Automatisierungstechnik ein¬ gesetzt, in denen erhöhte Anforderungen an die Verfügbarkeit und damit an die Ausfallsicherheit des Automatisierungs- Systems gestellt werden. Es sind Bereiche, in denen ein An¬ lagenstillstand sehr hohe Kosten verursachen würde. Hier können nur redundante Systeme den Anforderungen an die Ver¬ fügbarkeit gerecht werden. Die hochverfügbare SIMATIC S7-400H arbeitet auch dann weiter, wenn durch einen oder mehrere Feh- ler Teile der Steuerung ausgefallen sind. Sie besitzt redun¬ dant ausgelegte zentrale Funktionen und ist mit zwei getrenn¬ ten Zentralgeräten als Steuerrechner aufgebaut. Die beiden Steuerrechner arbeiten zyklisch und synchron die gleichen Verarbeitungsprogramme ab. Sie überwachen sich gegenseitig und legen selbständig fest, welcher Steuerrechner aktiv ist, d. h. tatsächlich über seine Ausgabedaten den Prozess steu- ert. Hierzu werden Daten über eine Redundanzkopplung zwischen den beiden Steuerrechnern ausgetauscht. Redundant ausgebil¬ dete dezentrale Peripherieeinheiten, in welche je nach Ein¬ satzfall digitale Ein-/Ausgabebaugruppen gesteckt sind, sind jeweils mit einem Feldbus an die einen Steuerrechner ange- schlössen. Mit Hilfe von Messumformern oder -gebern gewonnene Prozesseingangsinformationen werden durch die Peripherie¬ einheit an beide Steuerrechner weitergeleitet. Beim so ge¬ nannten „Hot Stand By"-Betrieb arbeiten die beiden Steuer¬ rechner im ungestörten Fall gleichzeitig dasselbe Steuer- programm ab, es ist jedoch nur ein Steuerrechner aktiv, d. h., nur die Ausgabedaten eines Steuerrechners werden zur Steuerung des Prozesses weiterverarbeitet. Im Fehlerfall übernimmt das intakte Gerät allein die Steuerung des Prozes¬ ses. Dazu erhalten die Geräte automatisch das gleiche An- Wenderprogramm, die gleichen Datenbausteine, die gleichen
Prozessabbildinhalte sowie die gleichen internen Daten, wie z. B. Zeiten, Zähler, Merker usw. Dadurch sind beide Geräte immer auf dem aktuellen Stand und können im Fehlerfall jeder¬ zeit die Steuerung alleine weiterführen. Prozessausgabedaten, durch welche die an die Stellglieder von der Peripherie¬ einheit auszugebenden Signale vorgegeben werden, werden der Peripherieeinheit im ungestörten Fall über beide Feldbusse angeboten, sie wertet jedoch nur die von einem der Feldbusse empfangenen Steuerdaten aus. Der jeweils angeschlossene Steuerrechner kann somit als der aktive Steuerrechner be¬ zeichnet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Peripherie¬ einheit der eingangs genannten Art zu schaffen, welche sowohl als Analogeingabe als auch als Analogausgabe betreibbar ist, wobei aus einer vorgegebenen Anzahl von Anschlüssen der Peri¬ pherieeinheit die Anzahl der Anschlüsse, welche als Eingänge, und die Anzahl der Anschlüsse, welche als Ausgänge genutzt werden sollen, flexibel an die jeweilige Applikation anpass¬ bar sind. Darüber hinaus ist ein redundantes Automatisie¬ rungsgerät anzugeben, in welchem derartige Peripherieeinhei- ten einsetzbar sind.
Im Hinblick auf die Peripherieeinheit wird diese Aufgabe mit einer Peripherieeinheit gelöst, welche eine Steuereinheit aufweist, durch die eine Versorgungseinheit in eine erste und eine zweite Einstellung schaltbar ist, wobei
- in der ersten Einstellung ein Digital-Analog-Wandler durch die Steuereinheit mit einem konstanten Wert ansteuerbar ist, wodurch ein an einem ersten Anschluss der Peripherie¬ einheit anschließbarer Messumformer mit einer konstanten Spannung beaufschlagt wird,
- in der zweiten Einstellung der Digital-Analog-Wandler durch die Steuereinheit mit einem einem auszugebenden Prozess-Ausgangssignal entsprechenden Wert ansteuerbar ist, das einem an den ersten Anschluss der Peripherie- einheit anschließbaren Aktor zugeführt wird,
- in der ersten Einstellung einem Analog-Digital-Wandler ein durch den Messumformer eingeprägter Strom zuführbar ist, welcher der Analog-Digital-Wandler der Steuereinheit in Form eines dem eingeprägten Strom entsprechenden Prozess- Eingangssignals zuführt, wobei der eingeprägte Strom von mindestens einem Messkreis erfassbar ist.
Im Hinblick auf das redundante Automatisierungsgerät wird die Aufgabe durch die im Anspruch 5 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Vorteilhaft ist, dass die Anschlüsse der Peripherieeinheit sowohl für die Analogeingabe (Einlesen von Sensorsignalen) als auch für die Analogausgabe (Ausgeben von Aktorsignalen) anpassbar sind. Die Peripherieeinheit ist insbesondere für eine HART-Kommunikation zwischen der Peripherieeinheit und dem Aktor bzw. Sensor geeignet. Während dieser Kommunikation übermittelt die Steuereinheit dem Digital-Analog-Wandler wäh- rend der Ausgabe ein HART-Signal, welches ein digitales Kom¬ munikationssignal und ein auszugebendes digitales Prozess- Ausgangssignal umfasst und aus welchem der Digital-Analog- Wandler ein Analogsignal erzeugt. Dieses Analogsignal umfasst ein analoges Prozesssignal und ein analoges, zwei Frequenzen (1200 Hz, 2200 Hz) umfassendes Kommunikationssignal. Während der Eingabe übermittelt der Analog-Digital-Wandler der Steuereinheit ein Digitalsignal, aus welchem die Steuer¬ einheit die den beiden Frequenzen entsprechenden Bitinforma- tionen 0 und 1 und die digitalen Prozesswerte filtert.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die erste und zweite Einstellung der Steuereinheit durch einen Anwender menü¬ gesteuert einstellbar, wodurch der Anwender die Anschlüsse der Peripherieeinheit entsprechend seiner Applikation als
Eingänge oder Ausgänge vorsehen kann. Es ist z. B. möglich, zehn Anschlüsse einer sechzehn Anschlüsse umfassenden Peri¬ pherieeinheit als Eingänge zum Anschluss von Messumformern und acht Anschlüsse als Ausgänge zum Anschluss von Aktoren zu betreiben. In diesem Fall werden die an den zehn Eingangs-An¬ schlüssen angeschlossenen Messumformer mit einer konstanten Spannung beaufschlagt, über die acht Ausgangs-Anschlüsse wird den angeschlossenen Aktoren ein einem auszugebenden Prozess¬ signal entsprechender Strom zugeführt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der zweiten Einstellung dem Analog-Digital-Wandler der dem auszugebenden Prozess-Ausgangssignal entsprechende Wert zurückgeführt wird. Dadurch ist eine Unterbrechung einer Leitung, über welche ein Aktor an einen Ausgabe-Anschluss der Peripherieeinheit angeschlossen ist, detektierbar.
In einer Ausgestaltung der Erfindung gemäß den im Anspruch 4 angegebenen Maßnahmen ist die Peripherieeinheit in einer nichtredundanten oder in einer redundanten Betriebsart be¬ treibbar. Sowohl im redundanten als auch im nichtredundanten Betrieb ist für die Analogeingabe der Bürdenwiderstand konstant. Im nichtredundanten Betrieb wird der Bürdenwiderstand durch in Serie geschaltete Messwiderstände von zwei Messkreisen der Peripherieeinheit gebildet. Im redundanten Betrieb ist ein Messkreis einer Peripherieeinheit mit einem Messkreis einer anderen Peripherieeinheit in Serie geschaltet.
Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Er- findung veranschaulicht ist, werden im Folgenden die Erfin¬ dung, deren Ausgestaltungen sowie Vorteile näher erläutert.
Es zeigen:
Figuren 1 und 2 Blockschaltbilder von nichtredundant ge- schalteten Peripherieeinheiten,
Figuren 3 und 4 Blockschaltbilder von redundant geschalte¬ ten Peripherieeinheiten und Figur 5 ein redundantes Automatisierungssystem.
Die in den Figuren dargestellten gleichen Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In Figur 1 ist mit DAC4 ein Digital-Analog-Wandler einer nichtredundant geschalteten Peripherieeinheit 4 bezeichnet, welcher über einen Bus mit einer Steuereinheit ST4 und einem Analog-Digital-Wandler ADC4 verbunden ist. Über eine hier nicht dargestellte Steuerleitung schaltet die Steuereinheit ST4 einen ersten Schalter 17a derart, dass eine Versorgungs¬ einheit VE4 in eine erste und eine zweite Einstellung schalt- bar ist. Im dargestellten Beispiel ist der erste Schalter 17a in einer Schalterstellung, wodurch ein an Anschlüssen 15a, 16a der Peripherieeinheit 4 angeschlossener Messumformer 14 mit einer konstanten Spannung beaufschlagt wird. Diese Span¬ nung erzeugt die Versorgungseinheit VE4 aus einer Ausgangs- große des Digital-Analog-Wandlers DAC4, die der Digital- Analog-Wandler DAC4 aus einem durch die Steuereinheit ST4 zugeführten Wert bildet. In dieser Einstellung ist der An- Schluss 15a der Peripherieeinheit 4 als Analogeingabe-An- schluss (Einlesen eines Messumformer-Signals) belegt. Auf¬ grund einer zu messenden Prozessgröße (z. B. einer Tempera¬ tur) durch den Messumformer 14 und der vorgegebenen konstan- ten Spannung fließt ein Messstrom über einen ersten und einen zweiten Messkreis 12a, 13a, einen durch die Steuereinheit ST4 steuerbaren zweiten Schalter 18a zu einem Massepotential M (der Stromfluss ist durch eine dick gezeichnete Linie dar¬ gestellt) . Die Messkreise 12a, 13a weisen jeweils einen Mess- widerstand R auf, wobei der Widerstandswert des Messwider¬ stands gleich dem halben Bürdenwiderstand ist. Die Messkreise 12a, 13a erfassen den Messstrom, wobei entsprechend der Schalterstellung eines Schalters 19a der durch den Messkreis 12a oder der durch den Messkreis 13a erfasste Messstrom dem Analog-Digital-Wandler ADC4 zugeführt wird, welcher der Steuereinheit ST4 einen diesem Messstrom entsprechenden Prozesswert übermittelt. Im dargestellten Beispiel wird der durch den Messkreis 12a erfasste Messstrom dem Analog-Digi¬ tal-Wandler ADC4 übermittelt.
Im Folgenden wird auf Figur 2 verwiesen. Dort ist die Peri¬ pherieeinheit 4 als Analogausgabe eingestellt, wobei am An- schluss 15a ein Aktor 20 angeschlossen ist. Die Umstellung von Analogeingabe auf Analogausgabe bzw. von Analogausgabe auf Analogeingabe erfolgt vorzugsweise menügesteuert im
Rahmen einer Projektierung und Parametrierung mit Hilfe eines an sich bekannten Engineering-Systems, z. B. eines aus dem Siemens-Katalog PCS 7, Kapitel 4, Ausgabe 2004 bekannten Engineering-Systems. Dazu wird einem Anwender ein entspre- chendes Menü auf einer an den Bus angeschlossenen Anzeige¬ einheit bereitgestellt, das die Anschlüsse der Peripherie¬ einheit zeigt. Die Anschlüsse können z. B. mit unterschied¬ lichen Farben gekennzeichnet werden, wobei Anschlüsse für Analogeingaben mit einer ersten und Anschlüsse für Analog- ausgaben mit einer zweiten Farbe markierbar sind. Entspre¬ chend der Markierung stellt die Steuereinheit ST4 die An¬ schlüsse ein. Nach der Vorgabe des Anschlusses 15a als Analogausgabe bringt die Steuereinheit ST4 den Schalter 17a der Versorgungseinheit VE4 in eine Schaltstellung, in der dem Aktor 20 ein einem Prozess-Ausgangssignal entsprechender Strom übermittelt wird. Aus dem Prozess-Ausgangssignal der Steuereinheit ST4 erzeugt der Digital-Analog-Wandler DAC4 zunächst einen analogen Wert, aus dem die Versorgungseinheit VE4 einen Strom ableitet. Dieser Strom wird über den ersten Messkreis 12a erfasst und über einen Operationsverstärker OP4a der Versorgungseinheit VE4 auf einem konstanten Wert gehalten. Ferner wird dieser Strom über den Schalter 19a dem Analog-Digital-Wandler ADC4 zugeführt, der einen diesem Strom entsprechenden Digitalwert der Steuereinheit ST4 übermittelt. Durch diese Rückführung kann die Steuereinheit ST4 eine Unterbrechung der Leitung, über die der Aktor 20 an den An- Schluss 15a angeschlossen ist, erkennen.
Im Folgenden wird auf einen redundanten Einsatz der Peri¬ pherieeinheit 4 näher eingegangen.
Dazu wird zunächst auf Figur 5 verwiesen, in welcher ein an sich bekanntes redundantes Automatisierungsgerät dargestellt ist. Das redundante Automatisierungsgerät ist gemäß einem l-von-2-Prinzip aufgebaut und umfasst eine erste Redundanz¬ einheit mit einem ersten Steuerrechner 1 und der Peripherie- einheit 4 und eine zweite Redundanzeinheit mit einem zweiten Steuerrechner 2 sowie einer Peripherieeinheit 5. Sensoren 8, z. B. so genannte Zweileiter-Messumformer, erfassen Prozess¬ signale eines zu steuernden technischen Prozesses, welche von den Peripherieeinheiten 4, 5 über Leitungen 10 eingelesen und über geeignete serielle oder parallele Busse 6, 7 den Steuer¬ rechnern 1, 2 in Form von digitalen Signalen übermittelt wer¬ den. Die Steuerrechner 1, 2 verarbeiten diese Signale zu ent¬ sprechenden Steuersignalen für Aktoren 20, wobei nur eine der Redundanzeinheiten diese Steuersignale den Aktoren 20 über eine Leitung 11 übermittelt. Die Redundanzeinheiten arbeiten nach einem Master-Reserve-Betrieb, was bedeutet, dass nur eine Redundanzeinheit aktiv ist, die andere dagegen passiv geschaltet ist. Nur die aktive Redundanzeinheit steuert die Aktoren 20 über ihre Peripherieeinheit an, die andere Redun¬ danzeinheit übermittelt ihrer Peripherieeinheit lediglich ein Nullsignal. Zum Austausch von Informationen, z. B. in Form von Status- und Abgleichinformationen, ist eine Redundanz¬ kopplung 3 vorgesehen, über welche die Redundanzeinheiten miteinander verbunden sind. Für den Fall, dass die aktive Re¬ dundanzeinheit nicht störungsfrei arbeitet, zeigt die aktive Redundanzeinheit über die Redundanzkopplung 3 der passiven Redundanzeinheit die Störung an, wodurch die gerade passive Redundanzeinheit in die aktive Betriebsart wechselt, d. h., diese Redundanzeinheit wird aktiv geschaltet und übernimmt den Master-Betrieb, dagegen wird die gerade aktive Redundanz¬ einheit passiv geschaltet und wechselt in den Reserve-Be- trieb. Ein Wechsel der Masterschaft muss in der Art und Weise erfolgen, dass den Aktoren die Steuersignale im Wesentlichen kontinuierlich und möglichst ohne Signaleinbrüche übermittelt werden. Darüber hinaus ist sicherzustellen, dass während ei¬ nes reparaturbedingten Austausches einer Peripherieeinheit 4, 5 eine kontinuierliche Messung der Prozesssignale gewähr¬ leistet ist. Ein durch einen Zweileiter-Messumformer den Peripherieeinheiten 4, 5 eingeprägter Messstrom, der abhängig ist von einer zu erfassenden Größe, z. B. eine Größe in Form einer Temperatur oder eines Druckes, muss z. B. für den Fall, dass die Peripherieeinheit 4 ausgefallen ist, von der Peri¬ pherieeinheit 5 erfasst werden, um eine störungsfreie Pro¬ zesssteuerung zu bewirken.
In diesem Zusammenhang wird auf Figur 3 verwiesen, in welcher eine Verschaltung von zwei redundanten Peripherieeinheiten dargestellt ist.
Es ist zunächst angenommen, dass die redundant aufgebauten Peripherieeinheiten 4, 5 derart parametriert bzw. eingestellt sind, dass diese Einheiten für eine Analogeingabe (Einlesen von Sensorsignalen) vorgesehen sind. Die Funktions- und Wirkungsweise der Peripherieeinheit 5 ent¬ spricht der in den Figuren 1 und 2 beschriebenen Funktions¬ und Wirkungsweise der Peripherieeinheit 4, wobei die Teile der Peripherieeinheit 4 mit den Bezugszeichen ST4, VE4, 12a, 13a ... den Teilen der Peripherieeinheit 5 mit den Bezugs¬ zeichen ST5, VE5, 12b, 13b ... entsprechen.
Im vorliegenden Beispiel ist eine erste redundante Betriebs¬ art der als Analogeingaben betriebenen Peripherieeinheiten 4, 5 gezeigt. Dabei ist die Versorgungseinheit VE4 durch die Steuereinheit ST4 angesteuert, der zweite Schalter 18b der Peripherieeinheit 5 ist geschlossen, dagegen wird die Ver¬ sorgungseinheit VE5 nicht angesteuert und der zweite Schalter 18a der Peripherieeinheit 5 ist geöffnet. Der Messstrom wird in diesem Fall durch den ersten Messkreis 12a der Peripherie¬ einheit 4 und durch den zweiten Messkreis 13b der Peripherie¬ einheit 5 erfasst (der Messstromfluss ist durch eine dick gezeichnete Linie dargestellt) , wobei geeignete Operations¬ verstärker dieser Messkreise 12a, 13b den durch den Messstrom am Messwiderstand R verursachten Spannungsabfall messen und einen dazu entsprechenden Strom über die steuerbaren Schalter 19a, 19b den Analog-Digital-Wandlern ADC4, ADC5 übermitteln, welche einen diesem Messstrom entsprechenden Digitalwert den Steuereinheiten VE4, VE5 zuführen.
Eine weitere redundante Betriebsart der als Analogeingabe geschalteten Peripherieeinheiten 4, 5 kann dadurch bewirkt werden, dass die Versorgungseinheit VE5 der Peripherieeinheit 5 angesteuert und der zweite Schalter 18a der Peripherie- einheit 4 geschlossen ist, dagegen ist der zweite Schalter 18b der Peripherieeinheit 5 geöffnet und die Versorgungs¬ einheit VE4 der Peripherieeinheit 4 nicht angesteuert. Der Messstrom wird in diesem Fall durch den ersten Messkreis 12b der Peripherieeinheit 5 und durch den zweiten Messkreis 13b der Peripherieeinheit 4 erfasst, wobei die steuerbaren Schal¬ ter 19a, 19b entsprechend geschaltet werden, um den in den Messkreisen 12b, 13a erfassten Messstrom den Analog-Digital- Wandlern ADC4, ADC5 zu übermitteln.
Für den Fall, dass z. B. die Peripherieeinheit 4 gestört ist und aus dem Steuersystem entfernt werden muss, wird die Peri¬ pherieeinheit 5 in die nichtredundante Betriebsart geschal¬ tet. In diesem Fall wird die Versorgungseinheit VE5 durch die Steuereinheit ST5 angesteuert und der Schalter 18b geschlos¬ sen, wodurch der Messstrom über den Widerstand R des ersten und zweiten Messkreises 12b, 13b der Peripherieeinheit 5 fließt. Dagegen arbeitet die Peripherieeinheit 4 im nicht¬ redundanten Betrieb, falls die Peripherieeinheit 5 aus dem Steuersystem entfernt wird. Die Versorgungseinheit VE4 der Peripherieeinheit 4 wird aktiviert und Schalter 18a in diesem Fall geschlossen, wodurch der Messstrom über den Widerstand R des ersten und zweiten Messkreises 12a, 13a der Peripherie¬ einheit 4 fließt.
Im Folgenden ist nun angenommen, dass die redundant aufgebau- ten Peripherieeinheiten 4, 5 derart parametriert bzw. ein¬ gestellt sind, dass diese Einheiten für eine Analogausgabe (Ausgeben von Aktorsignalen) vorgesehen sind. Dazu wird auf Figur 4 verwiesen, in welcher eine weitere Verschaltung der Peripherieeinheiten 4, 5 dargestellt ist. Aufgrund der Einstellung der Peripherieeinheiten 4, 5 als
Analogausgabe ist dem Aktor 20 durch die Peripherieeinheiten 4, 5 ein einem Prozess-Ausgangssignal entsprechender Aus¬ gangsstrom einprägbar. In Abhängigkeit eines Steuersignals werden die Peripherieeinheiten 4, 5 in den redundanten Be- trieb geschaltet. Dabei ist die Versorgungseinheit VE4 der Peripherieeinheit 4 im Hinblick auf die Ausgabe eines Kon¬ stantstroms aktivierbar und der Strom über den ersten Mess¬ kreis 12a an den ersten Anschluss 15a, 15b des Aktors 20 schaltbar, dessen zweiter Anschluss A16 an das Massepotential M angeschlossen ist. Z. B. bewirkt ein High-Pegel dieses Steuersignals, dass - die Versorgungseinheit VE4 der Peripherieeinheit 4 akti¬ viert und
- die Versorgungseinheit VE5 der Peripherieeinheit deakti¬ viert ist, wodurch der Ausgangsstrom über den ersten Messkreis 12a der Peripherieeinheit 4 und den Aktor 20 zum Massepotential fließt.
Ein Low-Pegel dieses Steuersignals bewirkt dagegen, dass - die Versorgungseinheit VE4 der Peripherieeinheit 4 de¬ aktiviert und
- die Versorgungseinheit VE5 der Peripherieeinheit aktiviert ist, wodurch der Ausgangsstrom über den ersten Messkreis 12b der Peripherieeinheit 5 und den Aktor 20 zum Massepotential fließt.
Für den Fall, dass z. B. die Peripherieeinheit 5 gestört ist und aus dem Automatisierungssystem entfernt werden muss, wird die Peripherieeinheit 4 in die nichtredundante Betriebsart geschaltet. In diesem Fall wird die Versorgungseinheit VE4 aktiviert, wodurch der Ausgangsstrom über den Widerstand R des ersten Messkreises 12a der Peripherieeinheit 4 und den Aktor 20 zum Massepotential M fließt. Dagegen arbeitet die Peripherieeinheit 5 im nichtredundanten Betrieb, falls die Peripherieeinheit 4 aus dem Steuersystem entfernt wird. Die Versorgungseinheit VE5 wird in diesem Fall aktiviert, wodurch der Ausgangsstrom über den Widerstand R des ersten Mess¬ kreises 12b der Peripherieeinheit 5 und den Aktor 20 zum Massepotential M fließt.

Claims

Patentansprüche
1. Peripherieeinheit für ein Automatisierungsgerät, mit einer Steuereinheit (ST4, ST5) , durch die eine Versorgungseinheit (VE4, VE5) in eine erste und eine zweite Einstellung schalt¬ bar ist, wobei
- in der ersten Einstellung ein Digital-Analog-Wandler (DAC4, DAC5) durch die Steuereinheit (ST4, ST5) mit einem konstanten Wert ansteuerbar ist, wodurch ein an einem ersten Anschluss (15a, 15b) der Peripherieeinheit (4, 5) anschließbarer Messumformer (14) mit einer konstanten Spannung beaufschlagt wird,
- in der zweiten Einstellung der Digital-Analog-Wandler (DAC4, DAC5) durch die Steuereinheit (ST4, ST5) mit einem einem auszugebenden Prozess-Ausgangssignal entsprechenden Wert ansteuerbar ist, das einem an den ersten Anschluss (15a, 15b) der Peripherieeinheit (4, 5) anschließbaren Aktor (20) zugeführt wird,
- in der ersten Einstellung einem Analog-Digital-Wandler (ADC4, ADC5) ein durch den Messumformer (14) eingeprägter Strom zuführbar ist, welcher der Analog-Digital-Wandler (ADC4, ADC5) der Steuereinheit (ST4, ST5) in Form eines dem eingeprägten Strom entsprechenden Prozess-Eingangs- signals zuführt, wobei der eingeprägte Strom von min- destens einem Messkreis (12a, 13a, 12b, 13b) erfassbar ist.
2. Peripherieeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Einstellung der Steuereinheit (ST4, ST5) durch einen Anwender menügesteuert einstellbar ist.
3. Peripherieeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass in der zweiten Einstellung dem Analog-Digital- Wandler (ADC4, ADC5) der dem auszugebenden Prozess-Ausgangs- signal entsprechende Wert rückgeführt wird.
4. Peripherieeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da¬ durch gekennzeichnet, dass in der ersten Einstellung
- in einer redundanten Betriebsart ein erster oder ein zwei¬ ter Messkreis (12a, 13a, 12b, 13b) den eingeprägten Strom erfasst,
- in einer nichtredundanten Betriebsart der erste und der zweite Messkreis (12a, 13a, 12b, 13b) den eingeprägten Strom erfassen.
5. Redundantes Steuersystem mit Peripherieeinheiten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei
- jeweils an den ersten Anschluss (15a, 15b) der Peripherie¬ einheiten (4, 5) ein erster Anschluss eines Aktors (20) oder eines Messumformers (14) anschließbar ist, - ein zweiter Anschluss des Aktors (20) jeweils an einen mit einem Massepotential versehenen weiteren Anschluss der Peripherieeinheiten (4, 5) anschließbar ist,
- ein zweiter Anschluss des Messumformers jeweils über den zweiten Messkreis (13a, 13b) an den weiteren Anschluss der Peripherieeinheiten (4, 5) anschließbar ist.
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