專利名稱：用于識別和校正連接故障的自動化系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于識別和校正在與自動化設(shè)備系統(tǒng)連接的現(xiàn)場設(shè)備中的連接故障的自動化系統(tǒng)以及方法。
背景技術(shù)：
自動化生產(chǎn)和制造設(shè)備原理上由待自動化的設(shè)備組件(生產(chǎn)和制造裝置)、自動化系統(tǒng)以及設(shè)備和自動化系統(tǒng)之間的連接元件構(gòu)成。這樣的連接元件是傳感器、執(zhí)行器(現(xiàn)場設(shè)備)以及其連接所需的導(dǎo)線部件等等。在此導(dǎo)線部件例如可以是常見的銅導(dǎo)線、熱敏導(dǎo)線、平衡導(dǎo)線、補償接線盒等等。為了采集和影響諸如溫度、壓力、閥門位置等過程量，通常采用無源非智能傳感器，如熱敏元件、熱敏電阻、壓力傳感器、振動傳感器、電阻傳感器、位置傳感器等，以及非智能執(zhí)行器，如閥門、繼電器、電機等等。
為了將傳感器或執(zhí)行器與自動化系統(tǒng)的外圍組件連接，必須將傳感器或執(zhí)行器的接頭與該外圍組件的至少同樣多的接頭連接。在此饋電導(dǎo)線和測量導(dǎo)線是不同的，傳感器除了n＝2個測量導(dǎo)線之外至少還具有m＝0個饋電導(dǎo)線，因為必須通過電流、頻率等等為很多傳感器供電，以顯示可測量的反應(yīng)。執(zhí)行器除了m＝2個用于預(yù)先給定調(diào)節(jié)量的饋電導(dǎo)線之外還具有n＝0個測量導(dǎo)線，以監(jiān)控執(zhí)行器的行為。在此對于很多的傳感器和執(zhí)行器可以采用k＝0個導(dǎo)線來既用于饋電又用于測量。測量參數(shù)和饋電參數(shù)例如可以是電流、電壓、頻率等等。圖1示出在自動化系統(tǒng)的傳統(tǒng)外圍組件2上安裝的現(xiàn)場設(shè)備1的典型結(jié)構(gòu)。其中現(xiàn)場設(shè)備接頭3與饋電部件5的接頭4以及測量部件7的接頭6連接，這些部件與控制單元8連接。
通過由共用的導(dǎo)線進行測量和饋電，使得可以用較少數(shù)量的導(dǎo)線驅(qū)動若干傳感器和執(zhí)行器。在此放棄的導(dǎo)線通常會導(dǎo)致精度的損失。例如對于電阻傳感器導(dǎo)線采用得越少，由導(dǎo)線電阻引起的測量值誤差就會更多。圖2至圖4示出電阻傳感器9具有4個、3個和兩個導(dǎo)線的典型電路。分別由電流對電阻傳感器9饋電，然后測量電壓，從中可以計算出電阻。m個饋電導(dǎo)線10在此用虛線表示，而n個測量導(dǎo)線11和k個組合的饋電/測量導(dǎo)線12由實線表示。
原理上在安裝現(xiàn)場設(shè)備(傳感器或執(zhí)行器)時總是存在出現(xiàn)錯誤連線的固有危險，這樣的現(xiàn)場設(shè)備具有的導(dǎo)線越多，外圍組件對每個電纜就會具有更多的接頭，錯誤也就越容易出現(xiàn)。此外還可能在運行時在導(dǎo)線部件中出現(xiàn)諸如斷路或短路的故障。
與故障是由于錯誤的安裝出現(xiàn)還是在運行時出現(xiàn)無關(guān)，只要沒有立即識別出故障，其通常會導(dǎo)致錯誤或不準確的測量值，明顯干擾制造過程和產(chǎn)品的質(zhì)量，并可能導(dǎo)致出現(xiàn)廢品。同樣在這些情況下會形成查找和消除干擾原因的高額費用。圖5至圖7示出4個、3個和兩個導(dǎo)線電阻傳感器的故障安裝的例子。
目前的外圍組件可以識別故障的存在并由該故障基于故障圖推導(dǎo)出斷路和短路。其缺點是為了消除故障對已識別出的故障的定位要以維護人員的一定資質(zhì)為前提。
公知外圍組件的另一個缺點是在安裝現(xiàn)場設(shè)備時出現(xiàn)的故障不是立即、而是在啟動整個自動化系統(tǒng)時才能診斷出來。由于在此必須手動校正所發(fā)現(xiàn)的故障，因此如果維護人員不能直接現(xiàn)場在故障安裝的現(xiàn)場設(shè)備旁就會形成更高的費用。如果在運行時出現(xiàn)諸如斷路或短路的故障，只要沒有冗余，其大多會導(dǎo)致過程的停止以及相應(yīng)的廢品。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是降低識別和校正自動化系統(tǒng)中的連接故障的費用。
該技術(shù)問題是通過按照權(quán)利要求1的自動化系統(tǒng)解決的。本發(fā)明的基本思想是，將自動化系統(tǒng)的每個現(xiàn)場設(shè)備接頭并且由此也將所連接的現(xiàn)場設(shè)備的每個接頭隨意與測量或饋電組件的每個接頭連接。為此在自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)備接頭和測量或饋電組件之間插入相應(yīng)的連接單元。
該連接單元優(yōu)選構(gòu)成開關(guān)矩陣。該開關(guān)矩陣既可以直接地又可以集成地用電子的、機械的、微電子機械的、光學(xué)或磁的電路元件實現(xiàn)。
在本發(fā)明的一種實施方式中，開關(guān)矩陣由控制單元控制。為此優(yōu)選采用微控制器、數(shù)字信號處理器(DSP)或有限狀態(tài)機等等。為了對接收的測量值進行處理、濾波、線性化、分析等通常已經(jīng)設(shè)置了這樣的控制單元，為此一般不再需要額外的部件。特別有利的是，開關(guān)矩陣和控制單元構(gòu)成為集成電路的部件。
此外本發(fā)明的技術(shù)問題還通過按照權(quán)利要求5的方法來解決。本發(fā)明的基本思想是為了識別在與自動化系統(tǒng)連接的現(xiàn)場設(shè)備中的連接故障將信號饋入現(xiàn)場設(shè)備，并確定對應(yīng)于該現(xiàn)場設(shè)備的、輸出給可隨意選擇的連接組合的測量參數(shù)，這些連接組合可以借助連接單元以最簡單的方式提供。
在此優(yōu)選該方法如下運行通過饋電部件將信號饋入現(xiàn)場設(shè)備。該信號包含特定于傳感器或執(zhí)行器的電參數(shù)或其它物理參數(shù)。為了確定這些參數(shù)，自動化系統(tǒng)已知所連接的現(xiàn)場設(shè)備的類型。借助連接單元可以向自動化系統(tǒng)的任何現(xiàn)場設(shè)備接頭輸出該信號。測量部件同樣可以借助連接單元確定輸出給自動化系統(tǒng)的任何現(xiàn)場設(shè)備接頭的測量參數(shù)。分析單元從這些測量參數(shù)中可以推斷外部連線，也就是現(xiàn)場設(shè)備的電路連接。
在另一個實施方式中，采用其它連接組合來重復(fù)饋入和確定。通過多個饋入和測量的更替，清楚地識別該現(xiàn)場設(shè)備是如何連接的。在此其更替順序可以硬性預(yù)定或根據(jù)已進行的測量和饋入動態(tài)匹配。所述方法既可以用于時一個測量設(shè)備接頭又可以對任意數(shù)量的現(xiàn)場設(shè)備接頭進行饋入和測量。
此外本發(fā)明的技術(shù)問題還通過按照權(quán)利要求8的方法解決。本發(fā)明的基本思想是在識別與自動化系統(tǒng)連接的現(xiàn)場設(shè)備中的連接故障之后借助連接單元校正該故障。在此為了識別連接故障優(yōu)選采用按照權(quán)利要求5的方法。換句話說本發(fā)明的識別方法和本發(fā)明的校正方法優(yōu)選可以關(guān)聯(lián)使用。
連接故障在此理解為現(xiàn)場設(shè)備的各種非最佳連線，包括導(dǎo)線損壞在內(nèi)。本發(fā)明意義下的連接故障校正除此之外不僅包括通過建立最佳連線來消除連接故障，更多的是指建立連線來保持現(xiàn)場設(shè)備的功能或?qū)p害降至最小。
按照本發(fā)明的實施方式，通過以相應(yīng)于所述現(xiàn)場設(shè)備的最佳連線匹配連接單元來運行現(xiàn)場設(shè)備。為此通過控制單元控制連接單元。該控制單元借助識別的連線并在已知現(xiàn)場設(shè)備的類型和可供使用的部件的情況下給出適于該現(xiàn)場設(shè)備類型的最佳連線。如果例如已知所述現(xiàn)場設(shè)備是溫度電阻，則確定該電阻是與兩線、三線還是四線電路連接的。然后根據(jù)該確定結(jié)果借助控制單元對溫度電阻進行最佳連接，只要該連接沒有存在。在此控制單元優(yōu)選與分析單元組合在一起。因此可以根據(jù)測量值分析的結(jié)果直接控制連接單元。該實施方式尤其是可以用于不知道關(guān)于現(xiàn)場設(shè)備連接的說明的情況。
在本發(fā)明的另一實施方式中，將已識別的連線與已知的計劃、尤其是涉及現(xiàn)場設(shè)備類型、接通類型、接頭鋪設(shè)等的計劃加以平衡。如果連線和計劃之間存在差異則校正連接故障。事先可以在一個中間步驟中通過其它饋入和測量進行較為精確的診斷。此外可以通過在無精度損失的條件下將連接單元與存在的連線匹配來運行現(xiàn)場設(shè)備，只要與計劃相比只是更換了導(dǎo)線，也就是沒有短路、短路等等。
按照本發(fā)明的該實施方式的連接故障校正一方面可以借助連接單元將找到的連線與初始計劃匹配。另一方面還可以通過更改初始計劃來校正連接故障。換句話說就是借助連接單元將連線與發(fā)現(xiàn)的連接故障匹配。為此更改初始計劃并以新版本存儲。由此實現(xiàn)了計劃與當前連線之間的一致，從而維護人員等始終可以訪問最新的數(shù)據(jù)。
在設(shè)備啟動時通過本發(fā)明的自動化系統(tǒng)或本發(fā)明的識別和校正方法給出自動識別傳感器/執(zhí)行器連線的優(yōu)點。此外在計劃和連線之間不一致時可以進行詳細診斷、自動校正導(dǎo)線更換以及在最佳運行方式下自動運行傳感器/執(zhí)行器。
本發(fā)明的方法還可以在運行時用于檢查和校正安裝故障。如果在運行時發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線故障(斷路、短路等)，不僅可以為維護人員進行準確的診斷，此外連接單元在很多情況下還可以匹配該故障，以便在沒有明顯精度損失的情況下以備用狀態(tài)的方式繼續(xù)運行部件。為了將精度損失降至最小，可以引入在用于配置連接的測量時獲得的數(shù)據(jù)。如果無法在備用狀態(tài)下運行，可以向維護人員提供對存在的故障的精確診斷。該方法還可用于檢查故障是否已由維護人員校正，從而在必要時自動恢復(fù)正常的運行模式。換句話說可以在運行時出現(xiàn)導(dǎo)線損壞的情況下將過程靜止狀態(tài)減至最小或完全通過以下有利特征避免自動檢查導(dǎo)線損害、詳細診斷導(dǎo)線損害、存在很多損壞的導(dǎo)線時進入備用狀態(tài)而沒有明顯的精度損失、在通過維護人員消除故障后自動恢復(fù)正常的運行模式。
通過本發(fā)明的自動化系統(tǒng)或本發(fā)明的識別和校正方法可以實現(xiàn)自主維護的自動化系統(tǒng)。特別有利的是將本發(fā)明用于具有無源非智能執(zhí)行器和傳感器的自動化系統(tǒng)?？梢栽跊]有外部干預(yù)的情況下成本特別低廉地自動消除所出現(xiàn)的故障。由此大大降低了自動化系統(tǒng)的維護費用。


下面利用借助附圖詳細解釋的實施例描述本發(fā)明。
圖8示出在外圍組件的開關(guān)矩陣上的傳感器/執(zhí)行器的設(shè)置，圖9示出在外圍組件的開關(guān)矩陣上的4線電阻傳感器的設(shè)置，圖10示出在外圍組件的開關(guān)矩陣上的3線電阻傳感器的設(shè)置，圖11示出在外圍組件的開關(guān)矩陣上的兩線電阻傳感器的設(shè)置，圖12示出4線電阻傳感器的故障安裝的識別，圖13示出對圖12的故障連線的校正，圖14示出在圖13的連線出現(xiàn)斷路之后的備用狀態(tài)，圖15示出在替換連接單元上的傳感器/執(zhí)行器的設(shè)置，圖16示出在棄用差分信號的情況下在替換連接單元上的傳感器/執(zhí)行器的設(shè)置。
具體實施例方式
按照本發(fā)明實施方式的自動化系統(tǒng)具有計算單元(CPU)和多個通過總線系統(tǒng)與該計算單元連接的組件，其中例如用于將自動化系統(tǒng)與生產(chǎn)設(shè)備連接的外圍組件13等。作為外圍組件13在此采用模擬輸入/輸出組件用于連接執(zhí)行器和傳感器。
如圖8示意性示出的，按照本發(fā)明的實施方式在自動化系統(tǒng)的外圍組件13中在一方面外圍組件13的現(xiàn)場設(shè)備接頭14和饋電電子電路16的q＞0個接頭15之間、在另一方面外圍組件13的現(xiàn)場設(shè)備接頭14和測量電子電路18的p＞0個接頭17之間插入開關(guān)矩陣19。與現(xiàn)場設(shè)備接頭13連接的傳感器20在此占用了n+m-k個接頭。外圍組件13的未被傳感器20占用的j≥0個接頭處于自由狀態(tài)。在本發(fā)明的另一個實施方式中可以不用傳感器20而連接執(zhí)行器。
開關(guān)矩陣19與用于控制該開關(guān)矩陣的分析和控制單元21連接。同時分析和控制單元21還與饋電電子電路16和測量電子電路18連接，并且在此除了控制饋電電子電路16之外還分析由測量電子電路18接收的測量結(jié)果。作為分析和控制單元21采用數(shù)字信號處理器。分析和控制單元21通過通信組件與自動化系統(tǒng)的計算單元連接(未示出)。在外圍組件13中對傳感器信號進行準備、線性化和縮放等等，然后將該傳感器信號傳遞給計算單元。在計算單元中執(zhí)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)或控制例程，結(jié)束之后將控制信息返回給分析和控制單元21。最后由分析和控制單元21基于返回的控制信息對過程進行有目的的影響。校正已知的連接故障所需的信息、如現(xiàn)場設(shè)備類型或計劃在此存儲在外圍組件13的非易失性存儲器中(未示出)，分析和控制單元21可以訪問該外圍組件。
饋電電子電路16包括由分析和控制單元21控制的電流或電壓源。為此采用數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器和連接在后的放大器，該放大器根據(jù)預(yù)定的信號值輸出電流或電壓。測量電子電路18包括模擬測量放大器和用于轉(zhuǎn)換為分析和控制單元21設(shè)置的信號的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。
在本發(fā)明的實施方式中，僅示意性示出的開關(guān)矩陣19與饋電電子電路16、測量電子電路18、分析和控制單元21一起用一個集成電路來實現(xiàn)?？蛇x地，還可以形成開關(guān)矩陣與晶體管或模擬電路的離散結(jié)構(gòu)。重要的是開關(guān)矩陣的通斷可以在沒有手動操縱的情況下自動進行。
圖9至圖11舉例示出4線、3線和兩線電阻傳感器正確連接時的本發(fā)明開關(guān)矩陣19的位置。在此將建立連接的矩陣結(jié)點22突出顯示。通過在不同的、由開關(guān)矩陣19以簡單方式實現(xiàn)的電阻傳感器23的接頭14組合上的饋電和測量，可以例如識別饋電和測量導(dǎo)線以及對導(dǎo)線電阻進行測量。
作為本發(fā)明的應(yīng)用例在圖12和圖13中示出對電阻傳感器23的安裝故障的校正。
圖12示出故障連接的電阻傳感器23。為了識別該連接配置首先測量接頭A和B之間的電阻。為此閉合開關(guān)K9和K14，通過饋電電子電路16向A和B之間饋入電流。開關(guān)K1和K6也同樣被閉合。利用測量電子電路18測量接頭A和B之間的電壓。分析和控制單元21根據(jù)該電壓測量結(jié)果和所饋入的電流大小計算出接頭A和B之間的電阻。然后確定接頭A和C之間的電阻(K1、K7、K9和K15閉合)、接頭A和D之間的電阻(K1、K8、K9和K16閉合)以及接頭C和D之間的電阻(K3、K8、K11和K16閉合)。由于在當前的連接配置下接頭A和B之間以及接頭C和D之間的電阻比接頭A和C之間以及A和D之間的接近相等的電阻要小得多，可以從中唯一地推導(dǎo)出當前的故障連線。
該故障連線由圖13所示的開關(guān)矩陣19的位置在不損失精度并且沒有投入維護人員的情況下自動校正，其中開關(guān)矩陣19從分析和控制單元21獲得相應(yīng)的控制指令。
作為本發(fā)明的另一個應(yīng)用例在圖14和圖15中示出對電阻傳感器23上的斷路的校正。
如果由于移動、例如由于觸線或可移動的傳感器電路等等導(dǎo)致饋電導(dǎo)線10的斷裂，傳感器20就不能再運行。通過應(yīng)用本發(fā)明不再需要停止生產(chǎn)設(shè)備、更換傳感器20、然后又啟動生產(chǎn)設(shè)備，而只需要借助開關(guān)矩陣19對該連線進行內(nèi)部校正，例如將測量導(dǎo)線11之一用作饋電導(dǎo)線10。由此保證在不停止生產(chǎn)設(shè)備的情況下繼續(xù)運行傳感器20。
如果例如在圖13的故障連線中在接頭B處出現(xiàn)斷路，則可以通過與上述例子相同的電阻測量唯一地識別該故障。電阻傳感器23可以用圖14所示的開關(guān)矩陣19位置作為3線電阻傳感器運行。測量精度基于接頭A和電阻傳感器23之間的導(dǎo)線電阻給出。由于該電阻可以隨時近似確定，因此可以在稍后的測量值處理時補償測量精度。
對于不同于上述實施例的連線故障或斷路，必須根據(jù)第一電阻測量與其它測量的順序和類型匹配。
在本發(fā)明的另一實施方式中，不采用顯式開關(guān)矩陣而采用隱式連接單元，其通過測量和饋電導(dǎo)線10、11以及對應(yīng)的測量和饋電部件24、25的倍增而實現(xiàn)。這樣的連接單元26在圖15中示出。其優(yōu)選用于只需要少量饋電和測量導(dǎo)線10、11的應(yīng)用。在此為外圍組件13的j個接頭的所有j×(j+1)/2種組合進行測量和饋電。但是為了識別連線并自動校正連接故障和導(dǎo)線損壞根據(jù)不同的傳感器或執(zhí)行器類型不需要測量和饋電的全部組合。如果棄用差分信號，只需要存在最多j個饋電和j個測量。這樣的連接單元27在圖16中示出。
權(quán)利要求
1.一種自動化系統(tǒng)，具有-用于現(xiàn)場設(shè)備(20)的接頭(14)，-用于該現(xiàn)場設(shè)備(20)的饋電部件(16)和測量部件(18)，-連接單元(19)，用于將現(xiàn)場設(shè)備接頭(14)隨意與測量或饋電組件(16，18)的接頭連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動化系統(tǒng)，其特征在于，所述連接單元(19)是開關(guān)矩陣。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自動化系統(tǒng)，其特征在于，由控制單元(21)控制所述開關(guān)矩陣(19)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自動化系統(tǒng)，其特征在于，所述開關(guān)矩陣(19)和控制單元(19)構(gòu)成為集成電路的部件。
5.一種用于識別與自動化系統(tǒng)連接的現(xiàn)場設(shè)備(20)中的連接故障的方法，具有步驟-將信號通過饋電部件(16)饋入現(xiàn)場設(shè)備(20)，-通過測量部件(18)確定對應(yīng)于該現(xiàn)場設(shè)備(20)的測量參數(shù)，-通過分析單元(21)分析該測量參數(shù)，其中，借助用于將現(xiàn)場設(shè)備接頭(14)隨意與測量或饋電組件(16，18)的接頭(15，17)連接的連接單元(19)為了饋入信號和確定測量參數(shù)而分別采用可隨意選擇的接頭組合。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，采用其它接頭組合重復(fù)所述饋入和確定。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述重復(fù)和/或選擇所使用的接頭(14)根據(jù)對先前測量的分析的結(jié)果來進行。
8.一種用于校正與自動化系統(tǒng)連接的現(xiàn)場設(shè)備(20)中的連接故障的方法，具有步驟-識別連接故障，-借助用于將現(xiàn)場設(shè)備接頭(14)與測量或饋電組件(16，18)的接頭(15，17)隨意連接的連接單元(19)來校正該連接故障。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述連接故障的校正包括將連接單元(19)與現(xiàn)場設(shè)備類型相匹配。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述連接故障的校正包括對已知計劃的平衡和對連接單元(19)的相應(yīng)匹配。
11.根據(jù)權(quán)利要求5至10中任一項所述的方法，其特征在于，所述連接單元(19)由控制單元(21)控制。
12.一種將連接單元(19)用于使自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)備接頭(14)與該自動化系統(tǒng)的測量或饋電組件(16，18)的接頭(15，17)隨意連接的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于識別和校正與自動化系統(tǒng)連接的現(xiàn)場設(shè)備中的連接故障的自動化系統(tǒng)和方法。為了降低識別和校正自動化系統(tǒng)中連接故障的費用，建議將連接單元(19)用于使自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)備接頭(14)與該自動化系統(tǒng)的測量或饋電組件(16，18)的接頭(15，17)隨意連接。
文檔編號G05B23/02GK1926483SQ200580006753
公開日2007年3月7日 申請日期2005年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月1日
發(fā)明者烏爾夫·博曼, 哈拉爾德·岡瑟, 迪特爾·芒茲, 托斯滕·沃格特 申請人:西門子公司