CN103491460B

CN103491460B - 输入输出单元和控制系统

Info

Publication number: CN103491460B
Application number: CN201310223511.5A
Authority: CN
Inventors: 小野塚明弘; 清水俊树; 植村徳; 植村一徳; 白石雅裕
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2033-06-07
Also published as: CN103491460A; JP2013257746A; CA2818367A1; JP5847023B2; CA2818367C

Abstract

提供一种输入输出单元和控制系统，可以确定线路异常位置。该输入输出单元包括：输入输出装置、第一变换装置、第二变换装置、第三变换装置、和第四变换装置。第一变换装置把包含光信号的接收状态的状态应答帧与电信号重叠地向控制装置发送，第二变换装置把由第一变换装置发送的状态应答帧所重叠的电信号变换成光信号，第四变换装置把包含光信号的接收状态的状态应答帧与电信号重叠地向控制装置发送，第三变换装置把由第四变换装置发送的状态应答帧所重叠的电信号变换成光信号，并且从第一变换装置取得第一变换装置的接收状态，针对控制装置来自的状态请求帧，把包含第一变换装置的接收状态的状态应答帧与光信号重叠地向控制装置发送。

Description

输入输出单元和控制系统

技术领域

本发明涉及输入输出单元和控制系统。

背景技术

在化工厂、核电站等的以确保安全为最优先的地方使用的控制系统，对可用性（availability：表示该对象受故障影响的大小的指标，即运转率。）的要求很严格。因为如果系统因某种故障而停止，则造成大事故的可能性很大。在专利文献1中公开了，通过用双CPU装置的构成实现双线路，连接多个RIO（RemoteInputOutput，远程输入输出）单元的构成来提高可用性的技术。

<专利文献1>日本特开2011-113415号公报

发明内容

（发明要解决的问题）

图5中示出了表示用双CPU装置的构成实现双线路、连接多个RIO（RemoteInputOutput）单元（输入输出单元）的专利文献1公开的构成的框图。切断光缆S1和光缆S4时，在专利文献1中，像首先检测光缆S4的异常，在修正光缆S4之后检测光缆S1的异常那样，异常位置的检测必须有两个步骤。

（用来解决问题的方案）

（1）一种输入输出单元，其特征在于，包括：

输入输出装置，根据来自控制装置的控制请求帧控制控制对象装置，并且把针对控制请求帧的控制应答帧与电信号重叠地向控制装置发送；

第一变换装置，包含在第一系统的通信线路中，把经由第一系统的通信线路的控制请求帧所重叠的光信号变换成电信号；

第二变换装置，包含在第一系统的通信线路中，把控制应答帧所重叠的电信号变换成光信号；

第三变换装置，包含在第二系统的通信线路中，把控制应答帧所重叠的电信号变换成光信号；以及

第四变换装置，包含在第二系统的通信线路中，把经由第二系统的通信线路的控制请求帧所重叠的光信号变换成电信号，

第一变换装置针对来自控制装置的状态请求帧，把包含光信号的接收状态的状态应答帧与电信号重叠地向控制装置发送，

第二变换装置把由第一变换装置发送的状态应答帧所重叠的电信号变换成光信号，

第四变换装置针对来自控制装置的状态请求帧，把包含光信号的接收状态的状态应答帧与电信号重叠地向控制装置发送、

第三变换装置把由第四变换装置发送的状态应答帧所重叠的电信号变换成光信号，并且从第一变换装置取得第一变换装置的接收状态，针对来自控制装置的状态请求帧，把包含第一变换装置的接收状态的状态应答帧与光信号重叠地向控制装置发送。

（2）一种控制系统，包括：上述输入输出单元和控制装置，其特征在于：控制装置在从向第一变换装置发送状态请求帧起的预定时间以内未接收到由第一变换装置回复的状态应答帧时，判断第一系统的通信线路为异常。

（发明的效果）

根据本发明，可以提供能够确定线路异常位置的输入输出单元和控制系统。

附图说明

图1是示出根据本发明的控制系统的构成的框图。

图2是示出通信帧的构成的图。

图3是正常时的通信的时间关系图。

图4是异常时的通信的时间关系图。

图5是示出根据现有技术的控制系统的构成的框图。

（附图标记说明）

1、2、3：RIO单元；4：指令装置；5：CPU单元；11：RIO装置；41：指令线路；121、122、141、142、341、342：光电变换装置；123、143：链接总线；131、132：电气线路；150、250、350：操作器；151、251、351：传感器

具体实施方式

图1中示出根据本发明的包含RIO单元（输入输出单元）的控制系统的构成。本控制系统由CPU单元5A、CPU单元5B、RIO单元1、RIO单元2、RIO单元3构成，与指令装置4连接。CPU单元A、RIO单元1、RIO单元2、RIO单元3分别用光缆S1～S4、T1～T4相互连接，CPU单元B、RIO单元1、RIO单元2、RIO单元3分别用光缆U1～U4、V1～V4相互连接，CPU单元5A、CPU单元5B、指令装置4分别通过指令线路41相互连接。

CPU单元5A由CPU装置（控制装置）A1、光电变换装置A31、A32构成。CPU装置A1通过第一系列电气线路A21与光电变换装置A31连接，通过第二系列电气线路A22与光电变换装置A32连接。CPU装置A1如后所述，发送到RIO单元内的RIO装置的控制请求帧和到光电变换装置的状态请求帧，并且接收来自RIO单元内的RIO装置的控制应答帧和来自光电变换装置的状态应答帧。包含控制请求帧和状态请求帧的请求帧R以及包含控制应答帧和状态应答帧的应答帧A，在电气线路中与电信号重叠地传送，在光缆中与光信号重叠地传送。光电变换装置A31、A32把从电气侧接收的帧发送到光侧，把从光侧接收的帧发送到电气侧。即，光电变换装置A31、A32把重叠了请求帧R和应答帧A的电信号和光信号相互变换。电气侧接口是发送接收一体，而光侧接口是发送和接收分开。光电变换装置可以以1台为单位装卸。其理由是，例如，在连接到第一系列的光电变换装置A31发生故障而更换它的期间，还可以使用连接到第二系列的光电变换装置A32来使系统继续工作。两台光电变换装置A31和A32通过作为相互发送接收通信的电气线路的链接总线A33来连接。

CPU单元5B也是一样。从指令装置4通过指令线路41，使CPU装置A1或CPU装置B1中的某一方为主系列，另一方为副系列。

RIO单元1由RIO装置11、光电变换装置121、122、141、142构成。RIO装置11通过第一系列电气线路131与光电变换装置121、141连接，通过第二系列电气线路132与光电变换装置122、142连接。操作器150和传感器151与RIO装置11连接，它们与控制对象装置连接。与CPU单元同样地，RIO单元1中包含的两台光电变换装置121、122通过链接总线123相互连接，两台光电变换装置141、142通过链接总线143相互连接。RIO单元2、RIO单元3也是一样。

图2中示出通信帧。开始标记F1表示帧的开头。如果发送目的地址F2与CPU、RIO、光电变换装置各自的地址一致，则接收该帧，如果不一致，则不接收该帧。另外，全部的CPU、RIO、光电变换装置具有不重复的独特的地址。分别连接到第一系列和第二系列的、通过链接总线相互连接的两台光电变换装置是相同的地址。例如，光电变换装置A31和A32是相同的地址。光电变换装置121和122是相同的地址。发送源地址F3记载发送该帧的CPU、RIO、光电变换装置的各自的地址，发送帧。类型F4记载请求帧（REQ）和应答帧（ACK）的区别。线路主站发送请求帧，应答的线路子站回复应答帧。RIO在数据F5中记载输入数据或输出数据。另外，用链接总线相互连接的两台光电变换装置通过经由该链接总线进行的数据通信，相互间一直通报第一系列光接收状态和第二系列光接收状态。因此，光电变换装置可以一直取得表示第一系列和第二系列这二者接收的光信号的异常的接收状态，所以数据F5中可以记载表示第一系列和第二系列的光信号的异常的接收状态。例如，如果是光电变换装置121，则记载自身收集的光缆S1的第一系列光接收状态和通过链接总线连接的光电变换装置122收集的光缆V1的第二系列光接收状态。结束标记F6表示帧的结束。

假如CPU装置A1是主系列，以CPU装置A1为线路主站、RIO装置11、21、31为子站进行通信，分别通过操作器150、250、350对RIO装置11、21、31进行到控制对象装置的数据输出，并且通过传感器151、251、351进行来自控制对象装置的数据输入。CPU装置B1进行CPU装置A1的通信内容的取入（监听，snoop：引申自偷听的意思，指监视网络等）。为了实现它，光电变换装置121、342具有一直把从光侧接收的到CPU装置A1的帧向光侧（连接光缆U1、V4的一侧）和电气侧（连接第一系列电气线路131的一侧）发送的功能。通过经由光缆U1、V4把到CPU装置A1的帧向CPU装置B1发送，实现监听。CPU装置B1为主系列时的光电变换装置122、341也是一样。这样，由于光电变换装置121、122、341、342与其它光电变换装置E/O不同，所以在图1中表示为E/O-RC。另外，由于CPU单元5A、5B内的光电变换装置A31、A32、B31、B32也与其它光电变换装置E/O不同，所以在图1中表示为E/O-CP。

图3示出作为正常时的通信的时间关系图，CPU单元5A中的发送接收通信帧的例子。周期性地进行通信。从CPU装置向RIO装置、第一系列光电变换装置、第二系列光电变换装置进行通信。CPU装置和RIO装置向第一系列线路和第二系列线路发送相同的请求帧R。首先，CPU装置在第一系列线路中把到RIO的请求帧R经由光缆S1发送，在第二系列线路中把到RIO的请求帧R经由光缆T4发送。发送的请求帧R通过光电变换装置传送而返回到CPU装置，但是CPU装置自己的地址与该请求帧的地址不一致，所以不接收该返回的请求帧。接着，CPU装置，在第一系列线路中经由光缆S4，在第二系列线路中经由光缆T1，从RIO装置接收到CPU装置的应答帧A。

接着，CPU装置，在第一系列线路中经由光缆S1发送到第一系列的光电变换装置的请求帧R，在第二系列线路中经由光缆T4发送到第二系列的光电变换装置的请求帧R。发送的请求帧R通过光电变换装置传送而返回到CPU装置，但是CPU装置自己的地址与该请求帧的地址不一致，所以不接收该返回的请求帧。光电变换装置向被连接的线路发送帧。CPU装置，在第一系列线路中经由光缆S4从第一系列的光电变换装置接收到CPU装置的应答帧A，在第二系列线路中经由光缆T1从第二系列的光电变换装置接收到CPU装置的应答帧A。图3示出通信的1个周期。示出RIO、第一系列光电变换装置、第二系列光电变换装置分别是1台时的例子，但连接多台时，重复进行与它们所连接的台数相应的通信。在图3中用虚线表示。光电变换装置（E/O、E/O-RC、E/O-CP）向光线路和电气线路这两个线路发送应答帧。这是为了向CPU装置A1、CPU装置B1这两台CPU传送光接收状态。

图4示出异常时的通信的时间关系图。在图1中为光缆S1、S4都是异常时。第二系列可以正常发送接收，第一系列完全不能接收。CPU装置A1在发送控制请求帧和状态请求帧后，等待接收来自RIO装置的控制应答帧和来自光电变换装置的状态应答帧，在预定时间以内没有接收控制应答帧和状态应答帧时，中止接收。将其作为应答超时检测。从发送请求帧到应答超时检测的时间，作为应答超时时间，设为从光缆S1、S4都正常时发送请求帧到可以接收应答帧的时间的最大值以上的值。CPU装置A1基于应答超时检测，判断由光缆S1、S2、S3、S4构成的第一系列的通信线路，即，包含光电变换装置121和141的第一系列的通信线路为异常。通过这样判断，可以转移到下一个发送控制请求帧或状态请求帧的处理。同样地，CPU装置A1基于应答超时检测，判断由光缆T1、T2、T3、T4构成的第二系列的通信线路，即，包含光电变换装置142和122的第二系列的通信线路为异常。通过这样判断，针对每一个系统的通信线路都可以转移到下一个发送控制请求帧或状态请求帧的处理。

像图1中示出的那样，根据本发明的RIO单元（输入输出单元）1具有：RIO装置11、光电变换装置121、光电变换装置141、光电变换装置122、光电变换装置142。RIO装置11根据来自CPU装置A1的控制请求帧R控制控制对象装置，并且把针对控制请求帧R的控制应答帧A与电信号重叠地向CPU装置A1发送。光电变换装置121包含在第一系列的通信线路中，把经由第一系列的通信线路的控制请求帧R所重叠的光信号变换成电信号，并且针对来自CPU装置A1的状态请求帧R把包含光信号的接收状态的状态应答帧A与电信号重叠地向CPU装置A1发送。光电变换装置141把控制应答帧R所重叠的电信号变换成光信号，并且把由光电变换装置121发送的状态应答帧A所重叠的电信号变换成光信号。光电变换装置122，包含在第二系列的通信线路中，把经由第二系列的通信线路的控制请求帧R所重叠的光信号变换成电信号，并且把由光电变换装置142发送的状态应答帧A所重叠的电信号变换成光信号。光电变换装置122进一步从光电变换装置121取得光电变换装置121的接收状态，针对来自CPU装置A1的状态请求帧R，把包含光电变换装置121的接收状态的状态应答帧A与光信号重叠地向CPU装置A1发送。光电变换装置142包含在第二系列的通信线路中，把经由第二系列的通信线路的控制请求帧R所重叠的光信号变换成电信号，并且针对来自CPU装置A1的状态请求帧R，把包含光信号的接收状态的状态应答帧A与电信号重叠地向CPU装置A1发送。因此，即使光缆S1和S4都被切断，也可以基于从光电变换装置122到CPU装置A1的状态应答帧A，检测光缆S1的切断。

利用链接总线进行的数据通信定时，在上述的实施方式中是一直发送和一直接收。但是，光电变换装置也可以以接收来自CPU装置的请求帧作为契机，经由链接总线对其它系列的光电变换装置发送包含其它系列光接收状态的数据要求的状态询问命令，在作为其应答被通知的状态通知响应中包含关于其它系列光接收状态的数据。通过这样，无须一直相互通报第一系列和第二系列的光接收状态，所以可以节省经由链接总线进行的数据通信处理性能。光电变换装置把这样取得的其它系列光接收状态与自身系列光接收状态一起，记载在针对来自CPU装置的请求帧的应答帧中，与CPU装置通信。

在切换CPU装置的主系列（CPU装置A1）和副系列（CPU装置A2）之前，可以通过经由从连接到第一系列的光电变换装置到连接到第二系列的光电变换装置的链接总线的数据通信，通过第二系列线路收集光缆U1～U4的异常。这样，通过把由CPU装置A2收集的光缆U1～U4的异常通知给指令装置4，指令装置4的操作者中止CPU装置的系列切换，由此可以避免刚刚切换后不能通信、不能继续利用CPU装置控制控制对象的情况。

在CPU装置的系列切换中具有副系列的CPU装置B1，副系列的CPU装置B1与主系列的CPU装置A1定期地状态同步。另一方面，光电变换装置121针对来自CPU装置A1的状态请求帧R把包含光信号的接收状态的状态应答帧A与电信号重叠地向CPU装置A1发送，并且把包含接收状态的状态应答帧A与光信号重叠，通过光缆U1向CPU装置B1发送。另外，光电变换装置123，从光电变换装置121取得光电变换装置121的接收状态，针对来自CPU装置A1的状态请求帧R，把包含光电变换装置121的接收状态的状态应答帧A与光信号重叠地向CPU装置A1发送，并且把包含光电变换装置121的接收状态的状态应答帧A与电信号重叠地向与CPU装置A1状态同步的副系列的CPU装置B1发送。与电信号重叠的包含光电变换装置121的接收状态的状态应答帧A，利用光电变换装置342与光信号重叠，通过光缆V4到达副系列的CPU装置B1。这样，CPU装置B1由于监听光电变换装置向CPU装置A1发送的应答帧，所以可以比利用定期的状态同步的异常位置确定更快地进行异常位置确定。

Claims

1.一种输入输出单元，其特征在于，包括：

输入输出装置，根据来自控制装置的控制请求帧控制控制对象装置，并且把针对上述控制请求帧的控制应答帧与电信号重叠地向上述控制装置发送；

第一变换装置，包含在第一系统的通信线路中，把经由上述第一系统的通信线路的上述控制请求帧所重叠的光信号变换成电信号；

第二变换装置，包含在上述第一系统的通信线路中，把上述控制应答帧所重叠的电信号变换成光信号；

第三变换装置，包含在第二系统的通信线路中，把上述控制应答帧所重叠的电信号变换成光信号；以及

第四变换装置，包含在上述第二系统的通信线路中，把经由上述第二系统的通信线路的上述控制请求帧所重叠的光信号变换成电信号，

上述第一变换装置针对来自上述控制装置的状态请求帧，把包含光信号的接收状态的状态应答帧与电信号重叠地向上述控制装置发送，

上述第二变换装置把由上述第一变换装置发送的上述状态应答帧所重叠的电信号变换成光信号，

上述第四变换装置针对来自上述控制装置的状态请求帧，把包含光信号的接收状态的状态应答帧与电信号重叠地向上述控制装置发送，

上述第三变换装置把由上述第四变换装置发送的上述状态应答帧所重叠的电信号变换成光信号，并且从上述第一变换装置取得上述第一变换装置的上述接收状态，针对来自上述控制装置的状态请求帧，把包含上述第一变换装置的上述接收状态的状态应答帧与光信号重叠地向上述控制装置发送。

2.如权利要求1所述的输入输出单元，其特征在于：

上述第一变换装置在检测出上述控制请求帧所重叠的上述光信号的异常时，向上述第三变换装置通知表示上述光信号的上述异常的上述接收状态；

上述第三变换装置基于来自上述第一变换装置的上述通知，取得上述第一变换装置的上述接收状态。

3.如权利要求2所述的输入输出单元，其特征在于：

上述第三变换装置向上述第一变换装置发送包含关于上述第一变换装置的上述接收状态的数据要求的状态询问命令；

上述第一变换装置将表示上述光信号的上述异常的上述接收状态包含在针对上述状态询问命令的状态通知响应中地通知给上述第二变换装置。

4.如权利要求2所述的输入输出单元，其特征在于：

上述第三变换装置从上述第一变换装置取得上述第一变换装置的上述接收状态，针对来自上述控制装置的上述状态请求帧，把包含上述第一变换装置的上述接收状态的上述状态应答帧与上述光信号重叠地向上述控制装置发送，并且把包含上述第一变换装置的上述接收状态的上述状态应答帧与电信号重叠地向与上述控制装置状态同步的副系列的控制装置发送。

5.一种控制系统，其特征在于，包括：

输入输出单元和控制装置，

上述输入输出单元包括：

上述第三变换装置把由上述第四变换装置发送的上述状态应答帧所重叠的电信号变换成光信号，并且从上述第一变换装置取得上述第一变换装置的上述接收状态，针对来自上述控制装置的状态请求帧，把包含上述第一变换装置的上述接收状态的状态应答帧与光信号重叠地向上述控制装置发送，

上述控制装置在从向上述第一变换装置发送上述状态请求帧起的预定时间以内未接收到由上述第一变换装置回复的上述状态应答帧时，判断上述第一系统的通信线路为异常。