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CN110119369B - 具有可热插拔i/o单元的灵活可扩展自动化装置 - Google Patents

具有可热插拔i/o单元的灵活可扩展自动化装置 Download PDF

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Abstract

本发明关于灵活可扩展自动化装置，具有主控制单元，还具有至少两个I/O单元，I/O单元经由I/O总线而连接到主控制单元并彼此连接，I/O总线根据菊花链技术进行工作，其中I/O总线具有总线信号线和菊花链控制线，其中每个I/O单元具有菊花链控制IN端口以及菊花链控制OUT端口，菊花链控制IN端口配置成接收菊花链控制信号作为菊花链控制IN信号，菊花链控制OUT端口配置成将菊花链控制信号作为菊花链控制OUT信号传递到下一相邻I/O单元。每个I/O单元具有I/O模块载体和可插入且可拔出的I/O模块，其中菊花链控制IN端口和菊花链控制OUT端口是I/O模块载体的一部分，并且每个I/O模块载体具有热插拔控制单元，热插拔控制单元配置成在拔出的I/O模块的情况下自动桥接中断的菊花链。

Description

具有可热插拔I/O单元的灵活可扩展自动化装置
技术领域
本发明关于一种灵活可扩展自动化装置，根据一个实施例，其具有主控制单元，还具有至少两个I/O单元，所述I/O单元经由I/O总线而被连接到主控制单元并彼此连接，所述I/O总线根据菊花链技术(daisy-chain technique)进行工作，其中I/O总线具有总线信号线和菊花链控制线，其中每个I/O单元具有菊花链控制IN端口和菊花链控制OUT端口，所述菊花链控制IN端口被配置成接收菊花链控制信号作为菊花链控制IN信号，所述菊花链控制OUT端口被配置成向下一相邻I/O单元传递菊花链控制信号作为菊花链控制OUT信号。
背景技术
灵活可扩展自动化系统也称为可编程逻辑控制系统或简称为PLC系统。它们可适于各种各样的自动化任务，并且例如被用于工业自动化技术领域中以及被用于开关和控制技术领域中。PLC系统通常以模块化形式来构造，其具有中央子部件(也称为包括PLC控制器的主控制单元)，还具有通信耦合器和扩展模块(例如输入/输出单元，或者简称为I/O单元)。
PLC系统的上下文中的I/O单元是使得PLC控制器能够接收来自真实世界现场装置(例如传感器、开关或编码器等)的信号的单元以用于解译这些真实世界现场装置，并且还使得PLC控制器能够实现对真实世界控制元件或致动器(例如螺线管、阀、马达等)的控制。这通常称为输入/输出或I/O能力。模块化PLC系统使用单独的I/O单元来提供定制的I/O能力。PLC系统的I/O单元有两种基本种类：数字的或模拟的。
在模块化PLC系统中，I/O模块通过I/O总线以链的形式而被连接到主控制单元并被彼此连接。这意味着，I/O模块中的第一个在其输入侧上被连接到主控制单元的输出侧，并且在其输出侧上被连接到下一相邻I/O单元的输入侧，并且第二个I/O单元在其输入侧与第一个I/O单元的输出侧相连接，并且在其输出侧与下一相邻I/O单元的输入侧相连接，等等。
在DE 10 2008 064 A1中示出了这种PLC系统的示例。
这种I/O总线的示范性示例是所谓的串行外围接口总线，简称为SPI总线，其已被设计成根据主从原理来连接电子电路。I/O总线受I/O总线主控器(I/O-bus master)所控制，所述I/O总线主控器可能位于主控制单元中。I/O总线根据菊花链技术来工作。正如在电气工程中已知的，菊花链是一种布线方案，其中多个装置按序而被布线在一起。
灵活可扩展自动化系统中的菊花链I/O总线由在菊花链控制线上传送的菊花链控制信号来补充。邻接于主控制单元的第一个I/O单元获得菊花链控制信号作为菊花链控制IN信号，连同在总线信号线上传送的信息信号的电报字节。在处理电报之后，第一个I/O单元将菊花链控制信号设置为菊花链控制OUT信号，以指示下一个要被寻址的I/O单元。因此，将电报字节从菊花链的一个成员按序传输到下一个成员。
如果链中的一个I/O单元是不可用的，则是因为它已被拔掉，或是因为它是错误的或有缺陷的，因此菊花链被中断，并且不再可能与菊花链的相邻成员进行通信。此外，在已知的菊花链I/O单元布置中，交换I/O单元的功能部分需要下电(power down)和系统复位，这既耗时又费力。
因此，本发明的目的是提供一种灵活可扩展自动化装置，其中在拔出I/O单元时，菊花链将被自动关闭，并且其中在没有系统复位或下电的情况下，I/O单元的功能部分的交换是可能的。在没有系统复位或下电的情况下交换I/O单元的功能部分也被称为热插拔功能性。因此，要由本发明所解决的问题也可以被描述为提供一种具有可热插拔I/O单元的灵活可扩展自动化装置。
发明内容
根据本发明，通过具有一个实施例的特征的灵活可扩展自动化装置来实现所述目的。
因此，根据本发明，每个I/O单元具有I/O模块载体以及可插入且可拔出的I/O模块，其中菊花链控制IN端口和菊花链控制OUT端口是I/O模块载体的一部分，并且每个I/O模块载体具有热插拔控制单元，所述热插拔控制单元被配置成在拔出I/O模块的情况下桥接中断的菊花链。
根据本发明，I/O单元具有I/O模块载体作为承载菊花链控制IN端口和菊花链控制OUT端口的一部分，并且这些是由菊花链中的I/O总线线所连接的部分，其中主控制单元位于链的一端。I/O单元的I/O功能部分被集中在I/O模块中，所述I/O模块可被插入和拔出I/O模块载体。
根据本发明，I/O模块载体不仅是无源组件，而且具有采用热插拔控制单元的形式的有源组件。热插拔控制单元被实现为电子电路，并且它可以包括具有合适外围电路的微控制器，或者它可以是ASIC或诸如此类。
根据本发明，在拔出的I/O模块的情况下，热插拔控制单元自动桥接中断的菊花链。热插拔控制单元能够控制菊花链控制OUT信号。在拔出或错误的I/O模块的情况下，热插拔控制单元自动接管菊花链控制OUT信号的控制。因此，本发明提供了一种灵活可扩展自动化装置，其确保在没有操作员交互的情况下，并且在没有下电或系统复位的情况下，在拔出I/O模块后，中断的菊花链被立即关闭。
根据有利的实施例，热插拔控制单元还能够以像如I/O模块的类似方式与I/O总线主控器进行通信。
根据有利的实施例，I/O模块载体具有配备有用于夹住来自和去往现场装置的I/O信号线的终端夹具的夹具段。I/O模块载体还具有至少一个连接器，其被配置成连接要被插入到I/O模块载体上的I/O模块的插头。因此，I/O模块可以通过插入和拔出而容易被交换。
根据有利的实施例，热插拔控制单元被配置成根据I/O模块信号状态将状态信息发送到I/O总线主控器。
根据有利的实施例，每个I/O模块被配置成从菊花链控制IN端口接收菊花链控制信号作为菊花链控制IN信号，并将菊花链控制信号作为菊花链控制OUT信号传递到菊花链控制OUT端口，以及热插拔控制单元被配置成从菊花链控制IN端口接收菊花链控制IN信号，并从I/O模块接收菊花链控制OUT信号，并且被进一步配置成在不存在来自I/O模块的菊花链控制OUT信号的情况下，生成菊花链控制OUT信号并将菊花链控制OUT信号传递到菊花链控制OUT端口。
附图说明
现在将参照附图更详细地解释本发明，所述附图示出本发明的示范性实施例。
在附图中，
图1示意性且示范性地示出了根据本发明的灵活可扩展自动化装置，
图2示意性且示范性地示出了要在图1的灵活可扩展自动化装置中使用的I/O单元。
具体实施方式
如图1中所示的灵活可扩展自动化装置1是PLC(可编程逻辑控制)系统。它由主控制单元2构成，主控制单元2至少包括PLC控制器，并且主控制单元2可以包括另外的功能单元，例如用于与上级和/或下级通信网络(例如任何种类的串行或并行通信总线、现场总线、或以太网、或到上级DCS系统或到操作员控制设备的无线通信链路、或因特网)进行通信的通信耦合器。它还可以包括带有终端夹具的内置I/O功能单元，以接收来自真实世界现场装置的信号线。
为了增强I/O能力，灵活可扩展自动化系统1具有多个附加I/O单元3、4、5。使用与菊花链技术一起工作的I/O总线，这些多个附加I/O单元3、4、5在菊花链配置中至少以信号方式来连接。在此处示出的示例中，I/O总线是SPI总线，但是它可以是使用菊花链技术的任何I/O总线(通用的或专用的)。I/O总线6受位于主控制单元2中的I/O总线主控器所控制。I/O总线6具有传输数据电报的一个或多个总线信号线7，并且I/O总线6具有传送菊花链控制信号的菊花链控制线8。总线信号线7和菊花链控制线8在图2中被详细示出。总线信号线原则上可以是单向或双向的。优选实施例是总线信号线被配置以用于双向数据传输。
I/O单元3、4、5中的每个都具有I/O模块载体9和可插入且可拔出的I/O模块10。每个I/O模块10都可被插入到I/O模块载体9上或从I/O模块载体9拔出。
每个I/O模块10都具有外壳(此处未详细示出)，并且在外壳内部具有一个或若干印刷电路板(PCB)，其旨在容纳I/O模块10的电子子部件。每个I/O模块10还具有至少一个插头11，此处在示例中，每个I/O模块具有三个插头11、11’、11”。插头11、11’、11”以电方式和以信号方式被内部连接到至少一个PCB，并凸出I/O模块外壳。
I/O模块载体9具有作为I/O模块10的接收对应物的至少一个连接器12，此处在示例中，I/O模块载体9具有三个连接器12、12’、12”。连接器12、12’、12”的数量和种类以互补的方式对应于插头11、11’、11”的数量和种类，使得I/O模块载体9被配置成连接I/O模块10的一个或多个插头。
模块载体9还具有配备有终端夹具14的夹具段13。这些终端夹具14被配置成连接到I/O信号线，示范性地示出了一个这样的信号线15，其将I/O模块连接到技术过程(即连接到真实世界现场装置)，其中仅示范性地示出了一个现场装置16。I/O信号线可以是用于来自和/或去往现场装置的模拟或数字信号的信号线，其被采用于相应现场装置提供的接口种类。刚才示范性提到的示例是模拟(4-20mA或0-10V)，或者数字(其中0V是逻辑“0”，24V是逻辑“1”)。在要由PLC系统所控制的过程中，I/O信号线分别连接到现场的任何种类的传感器、致动器或其它现场仪器。每个I/O模块载体9具有内部信号线(此处未示出)，其将终端夹具14连接到相应的连接器12、12’、12”，以便在终端夹具14和I/O模块10、10’、10”之间提供电连接和/或信令连接。
每个I/O模块载体9具有I/O总线IN终端17和I/O总线OUT终端18。当I/O单元3、4、5彼此连接并被连接到主控制器单元2时，I/O总线IN终端17和I/O总线OUT终端18分别连接到总线信号线7和菊花链控制线8。
每个I/O模块载体9具有内部布线结构，所述内部布线结构确保总线信号线7和菊花链控制线8被连接到相应连接器12、12’、12”，当I/O模块10被插入到I/O模块载体上时，所述相应连接器12、12’、12”然后连接到相应插头11、11’、11”。
I/O总线通信与已知且所谓的菊花链技术一起工作。链中紧密邻接于主控制单元2的第一模块10获得与第一电报字节一起输入的链信号。在处理电报之后，第一模块10设置菊花链输出，以指示将被寻址的下一模块10’，其是与在其右侧的先前模块相邻排列的模块。在根据现有技术的菊花链布置中，如果一个模块已被拔出或是错误的，则菊花链将被中断，并且在I/O总线上没有通信将是可能的。
为了解决这个问题，在根据本发明的灵活可扩展自动化系统1中，每个I/O模块载体9具有热插拔控制单元19，也称为热插拔控制器19。热插拔控制器19的任务是在拔出的模块的情况下桥接中断的菊花链。现在将参考图2来解释此。
I/O总线IN终端17可以在功能上被拆分成总线信号IN端口20和菊花链控制IN端口21。因此，I/O总线OUT终端18可以在功能上被拆分成总线信号OUT端口22和菊花链控制OUT端口23。I/O模块载体9的内部布线和连接结构使得每个I/O模块10在被插入到I/O模块载体9时，从菊花链控制IN端口21接收菊花链控制信号作为菊花链控制IN信号24，并将菊花链控制信号作为菊花链控制OUT信号25传递到菊花链控制OUT端口23。热插拔控制单元19还从菊花链控制IN端口21接收菊花链控制IN信号24，并且它还从I/O模块10接收菊花链控制OUT信号25。
热插拔控制单元19的内部逻辑被配置成确定来自I/O模块10的菊花链控制OUT信号25是否存在或者是否缺失。来自I/O模块10的菊花链控制OUT信号25可以另外包含反映I/O模块的功能状态的状态信息。因此，热插拔控制单元19的逻辑电路可以另外确定I/O模块10是否存在并且在功能上良好，或者I/O模块10是否存在但不起作用或存在并且是错误的。
在热插拔控制单元19的内部逻辑确定I/O模块缺失或其存在但不起作用或错误的情况下，热插拔控制单元19的内部逻辑被配置成代表I/O模块10生成菊花链控制OUT信号25，并将菊花链控制OUT信号25传递到菊花链控制OUT端口23。热插拔控制单元19因此能够控制菊花链控制OUT信号25。在拔出I/O模块10的情况下，热插拔控制单元19接管菊花链控制OUT信号25的控制。
这在I/O模块10被拔出或不起作用或错误的情况下能够实现I/O模块10的菊花链式桥接。并且通过这，有可能在没有下电或系统重置要求的情况下拔出I/O模块或插上新的I/O模块，这被称为热插拔功能性。
如图2中能看出的，热插拔控制单元19还并行接收总线信号线7。因此，热插拔控制单元19能够类似于IO模块一样也以数据方式与IO总线主控器进行通信。并且另外，热插拔控制单元19能够根据I/O模块载波信号状态将状态信息发送到IO总线主控器。
图2以示范性和示意性的方式示出了如何实现热插拔控制单元19的桥接功能的一个有用实施例。为此目的，I/O模块载体9另外具有接口逻辑，也称为胶连逻辑26组件。如在电子技术领域中已知的，胶连逻辑是描述定制逻辑电路的术语，该定制逻辑电路用于通过接口来连接许多其它的、特别是不是定制的集成电路。
为了使桥接功能被实现，热插拔控制单元19生成热插拔控制信号27，该热插拔控制信号27作为控制信号而被提供给胶连逻辑26。热插拔控制信号27包含反映如已由热插拔控制单元19所确定的I/O模块10的状态的信息。作为示例，状态信息可以是“I/O模块被插入”或“I/O模块被拔出”，或者甚至“I/O模块被插入并起作用”或“I/O模块被插入但不起作用”。
热插拔控制单元19的逻辑电路另外生成热插拔链控制OUT信号28，其与菊花链控制OUT信号25并行地被馈送到胶连逻辑26的输入侧。
在热插拔控制信号27包含信息“I/O模块被拔出”或“I/O模块被插入但不起作用”的情况下，胶连逻辑26将使热插拔控制单元19中生成的热插拔链控制OUT信号28穿过，并使其作为菊花链控制线8上的菊花链控制输出信号穿过到菊花链控制OUT端口23。
另一方面，在热插拔控制信号27包含信息“I/O模块被插入”或“I/O模块被插入且起作用”的情况下，胶连逻辑26将使由I/O模块10所生成的菊花链控制OUT信号25穿过，并将使其作为菊花链控制线8上的菊花链控制输出信号穿过到菊花链控制OUT端口23。
热插拔控制单元19还能够经由总线信号线7将状态信息从I/O模块载体发送到I/O总线主控器，所述状态信息例如是“I/O模块被插入”或“I/O模块被插入且起作用”或“I/O模块被插入但未起作用或错误”或“I/O模块被拔出”。然后，I/O总线主控器可以进一步将该状态信息报告给成阶层的数字控制系统或者触发警报，使系统的用户做出反应并检查I/O模块或者更换它。
参考符号列表

Claims (10)

1.一种灵活可扩展自动化装置(1)，具有主控制单元(2)，还具有至少两个I/O单元(3，4，5)，所述I/O单元(3，4，5)经由I/O总线(6)而被连接到所述主控制单元(2)并彼此连接，所述I/O总线(6)根据菊花链技术进行工作，
其中所述I/O总线(6)具有总线信号线(7)和菊花链控制线(8)，
其中每个I/O单元(3，4)具有菊花链控制IN端口(21)以及菊花链控制OUT端口(23)，所述菊花链控制IN端口(21)被配置成接收菊花链控制信号作为菊花链控制IN信号(24)，所述菊花链控制OUT端口(23)被配置成将所述菊花链控制信号作为菊花链控制OUT信号(25)传递到下一相邻I/O单元，
其特征在于，
每个I/O单元(3，4)具有I/O模块载体(9)和可插入且可拔出的I/O模块(10)，
其中所述菊花链控制IN端口(21)和所述菊花链控制OUT端口(23)是所述I/O模块载体(9)的一部分，并且每个I/O模块载体(9)具有热插拔控制单元(19)，所述热插拔控制单元(19)被配置成在或者缺失或者存在但不起作用或错误的I/O模块(10)的情况下通过执行以下步骤来自动桥接中断的菊花链：
由所述热插拔控制单元(19)接收来自所述I/O模块(10)的所述菊花链控制OUT信号(25)，以及
如果所述热插拔控制单元(19)通过评估所述菊花链控制OUT信号(25)确定或者所述I/O模块(10)缺失或者所述I/O模块(10)存在但不起作用或错误，则生成所述菊花链控制OUT信号(25)并且将所述菊花链控制OUT信号(25)传递到所述菊花链控制OUT端口(23)。
2.根据权利要求1所述的灵活可扩展自动化装置(1)，其中所述热插拔控制单元(19)被实现为包括微控制器的电子电路。
3.根据权利要求1所述的灵活可扩展自动化装置(1)，其中所述热插拔控制单元(19)被配置成能够以类似于I/O模块(10)的方式与所述I/O总线主控器进行通信。
4.根据权利要求1所述的灵活可扩展自动化装置(1)，其中所述I/O模块载体(9)具有配备有终端夹具(14)的夹具段(13)，所述终端夹具(14)用于夹住来自和去往现场装置(16)的I/O信号线(15)，并且还具有至少一个连接器(12)，所述至少一个连接器(12)被配置成连接要被插入到所述I/O模块载体(9)上的I/O模块(10)的插头(11)。
5.根据权利要求1所述的灵活可扩展自动化装置(1)，其中所述热插拔控制单元(19)被配置成确定关于所述I/O模块(10)的状态的状态信息，并生成热插拔控制信号(27)，所述热插拔控制信号(27)包含反映所述I/O模块(10)的所确定的状态的信息。
6.根据权利要求5所述的灵活可扩展自动化装置(1)，其中所述I/O模块载体(9)具有接口逻辑(26)，并且其中所述热插拔控制信号(27)作为控制信号而被提供给所述接口逻辑(26)。
7.根据权利要求6所述的灵活可扩展自动化装置(1)，其中所述热插拔控制单元(19)被配置成生成热插拔链控制OUT信号(28)，并将所述热插拔链控制OUT信号(28)与所述菊花链控制OUT信号(25)并行地馈送到接口逻辑(26)的输入侧。
8.根据权利要求7所述的灵活可扩展自动化装置(1)，其中所述接口逻辑(26)被配置成在所述热插拔控制信号(27)包含关于或者缺失或者存在但不起作用或错误的I/O模块(10)的信息的情况下，使所述热插拔控制单元(19)中生成的所述热插拔链控制OUT信号(28)穿过，并使所述热插拔链控制OUT信号(28)作为所述菊花链控制线(8)上的菊花链控制输出信号穿过到所述菊花链控制OUT端口(23)。
9.根据权利要求8所述的灵活可扩展自动化装置(1)，其中所述接口逻辑(26)被配置成在所述热插拔控制信号(27)包含关于插入并起作用的I/O模块(10)的信息的情况下，使由所述I/O模块(10)所生成的所述菊花链控制OUT信号(25)穿过，并使所述菊花链控制OUT信号(25)作为所述菊花链控制线(8)上的菊花链控制输出信号穿过到所述菊花链控制OUT端口(23)。
10.根据权利要求1所述的灵活可扩展自动化装置(1)，其中所述热插拔控制单元(19)被配置成根据所述I/O模块(10)信号状态将状态信息发送到I/O总线主控器，所述状态信息反映所述I/O模块(10)的功能状态。
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