高可用性裝置級環(huán)底板的制作方法
【專利說明】高可用性裝置級環(huán)底板
[0001 ] 本申請為2012年7月9日提交的申請?zhí)枮?01210251996.4、發(fā)明名稱為“高可用性裝置級環(huán)底板”的發(fā)明專利申請的分案申請。
[0002]對相關(guān)申請的交叉引用
[0003]本申請要求基于臨時(shí)申請?zhí)枮?1/505,888和61/505,892的美國臨時(shí)專利申請的優(yōu)先權(quán)的權(quán)益，每一所述臨時(shí)專利申請?zhí)峤挥?011年7月8日，并且其每一個(gè)的整體內(nèi)容在此通過引用而明確合并入本申請內(nèi)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004]本發(fā)明涉及工業(yè)控制系統(tǒng)，并且具體地，涉及使用網(wǎng)絡(luò)環(huán)的模塊化高可用性工業(yè)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0005]諸如可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)等工業(yè)控制器是用于控制例如工廠環(huán)境中的工業(yè)處理或機(jī)械的專用電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。工業(yè)控制器在多個(gè)方面與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不同。在物理上，它們被構(gòu)造得實(shí)質(zhì)上對沖擊和損害更魯棒，并且更好地抵抗外部污染和極端環(huán)境條件。處理器和操作系統(tǒng)針對實(shí)時(shí)控制而被優(yōu)化，并且執(zhí)行使得易于定制程序以適合于多個(gè)不同的控制器應(yīng)用的語言。工業(yè)控制器可以具有用戶界面，用于例如通過具有鍵盤、鼠標(biāo)和顯示器等的邏輯連接的終端來訪問、控制和/或監(jiān)視工業(yè)控制器。
[0006]通常，工業(yè)控制器具有模塊化架構(gòu)，該模塊化架構(gòu)允許不同數(shù)量和類型的網(wǎng)絡(luò)卡或適配器用于將該控制器連接到要通過適合于高度可靠和可用的實(shí)時(shí)通信的特殊“控制網(wǎng)絡(luò)”來控制的處理或機(jī)械。在工業(yè)控制系統(tǒng)中通常使用的這種控制網(wǎng)絡(luò)例如包括Contro INet、Devi ceNet、EtherNet/IP和Sercos，其規(guī)范已被公布，并且其協(xié)議廣泛地為眾多制造商和供應(yīng)商所使用。通過保證最大通信延遲，控制網(wǎng)絡(luò)與諸如以太網(wǎng)等標(biāo)準(zhǔn)通信網(wǎng)絡(luò)不同。例如，這可通過預(yù)先規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)的帶寬和/或?yàn)榱烁呖捎眯远峁┤哂嗟耐ㄐ拍芰慝@得?？刂凭W(wǎng)絡(luò)還在物理方面(如介質(zhì)的類型(例如同軸電纜、雙絞線、光纖等)、其操作的協(xié)議(例如波特率、信道的數(shù)量、字傳輸大小、連接消息的使用等)以及如何格式化數(shù)據(jù)和如何將數(shù)據(jù)收集到標(biāo)準(zhǔn)消息內(nèi)等)彼此不同。
[0007]許多網(wǎng)絡(luò)還包含用于在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)故障的情況下維修網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議。這些協(xié)議會(huì)需要較長的時(shí)間來重新連接網(wǎng)絡(luò)(長達(dá)30秒)，因此對于受控處理在這個(gè)時(shí)間段期間不能在沒有災(zāi)難性的后果情況下沒有指引的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)來說，這是不可接受的。
[0008]在工業(yè)控制中使網(wǎng)絡(luò)故障衰弱的風(fēng)險(xiǎn)可經(jīng)常利用冗余網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪頊p少，例如，在所述冗余網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與監(jiān)督器連接成環(huán)。通常，針對所有的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，該環(huán)在監(jiān)督器節(jié)點(diǎn)處打開，從而以通常的線性拓?fù)鋪磉\(yùn)行。監(jiān)督器可以在環(huán)上的一個(gè)方向上發(fā)出測試“電報(bào)”或“信標(biāo)”幀，所述測試“電報(bào)”或“信標(biāo)”幀在另一個(gè)方向上在監(jiān)督器處被接收，以指示環(huán)的完整性。如果該環(huán)例如因?yàn)楣?jié)點(diǎn)或介質(zhì)故障而斷開，則監(jiān)督器將環(huán)的端部結(jié)合在一起，以再一次產(chǎn)生現(xiàn)在出現(xiàn)故障的部分分開的連續(xù)的線性拓?fù)??？梢允褂猛ㄖ獛瑢⒈O(jiān)督器的操作模式從“分開(separated)”變?yōu)椤敖Y(jié)合(joint)”的改變發(fā)送到其他節(jié)點(diǎn)，使得這些節(jié)點(diǎn)可以重建其用于將端口與目的地地址相關(guān)聯(lián)的MAC地址路由表。
[0009]這樣的環(huán)系統(tǒng)的檢錯(cuò)時(shí)間可以很快，主要受到信標(biāo)的傳輸速率的限制(每幾個(gè)毫秒)。該速率限定了在其之前檢查到錯(cuò)誤并可以重新配置環(huán)的最大時(shí)間。
[0010]而且，作為其增強(qiáng)模塊化的一部分，工業(yè)控制器可以使用通過控制網(wǎng)絡(luò)耦合的一個(gè)或更多個(gè)工業(yè)裝置。工業(yè)裝置可以包括一個(gè)或更多個(gè)專用于特定類型的工業(yè)功能的一個(gè)或更多個(gè)I/o模塊，該特定類型的工業(yè)功能例如是:與工業(yè)處理相結(jié)合地檢測輸入AC或DC信號或控制輸出AC或DC信號;或者是運(yùn)行電機(jī)或其他機(jī)械。每一個(gè)I/O模塊可以具有連接器系統(tǒng)，以允許其與其他被選擇的I/O模塊一起以不同的組合而被安裝在工業(yè)裝置中，以匹配特定應(yīng)用的需求。多個(gè)工業(yè)裝置可以位于受控處理或機(jī)器附近的方便控制點(diǎn)處，以經(jīng)由控制網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制器進(jìn)行通信。
[0011]工業(yè)系統(tǒng)可能要求增加、去除和/或修改工業(yè)控制器和工業(yè)裝置的靈活性。例如，可能期望通過新工業(yè)裝置來增加新工業(yè)處理，由此增大工業(yè)系統(tǒng)的能力或容量。類似地，可能由于工業(yè)系統(tǒng)(諸如已經(jīng)變得陳舊的受控處理或機(jī)器等)的需求上的改變而期望修改或去除現(xiàn)有的工業(yè)控制器或工業(yè)裝置。另外，在一些應(yīng)用中，在工業(yè)系統(tǒng)在積極運(yùn)行的同時(shí)，工業(yè)控制器和/或工業(yè)裝置可能需要增加、去除或修改。這可能例如在中斷處理會(huì)導(dǎo)致成本較大的停機(jī)時(shí)間和/或產(chǎn)品缺陷的情況下出現(xiàn)。
[0012]象許多其他系統(tǒng)一樣，工業(yè)系統(tǒng)(包括工業(yè)控制器和工業(yè)裝置)也可能受到整個(gè)系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種故障的影響。例如，固定于工業(yè)控制器或工業(yè)裝置中的電子裝置、網(wǎng)絡(luò)連接或I/O連接或功能卡或電源都可能是由于多種狀況而導(dǎo)致的潛在故障點(diǎn)。然而，在要求運(yùn)行關(guān)鍵應(yīng)用的高可用性的特定工業(yè)系統(tǒng)中，出現(xiàn)在任何點(diǎn)的故障都會(huì)導(dǎo)致潛在的災(zāi)難性狀況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的方面提供了一種用于工業(yè)控制系統(tǒng)的底板，該底板包括:適配器基座模塊，該適配器基座模塊具有第一端口、第二端口、切換節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)適配器，所述切換節(jié)點(diǎn)耦合在第一端口和第二端口之間并且與所述網(wǎng)絡(luò)適配器進(jìn)行通信，所述網(wǎng)絡(luò)適配器能夠用于通過控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信;多個(gè)I/O基座模塊，每一個(gè)I/O基座模塊具有第一端口、第二端口和總線插槽，所述總線插槽用于可釋放地容納具有切換節(jié)點(diǎn)的功能卡，其中，當(dāng)將所述功能卡安裝在所述總線插槽中時(shí)，每一個(gè)I/O基座模塊將第一端口和第二端口耦合到所述切換節(jié)點(diǎn)，并且當(dāng)所述功能卡不在所述總線插槽中時(shí)，每一個(gè)I/o基座模塊將第一端口與第二端口耦合;并且至少一個(gè)I/o基座模塊在總線插槽中安裝有功能卡。所述適配器基座模塊的第二端口耦合到下一個(gè)I/o基座模塊的第一端口，除了最后的I/O基座模塊將第二端口耦合到所述適配器基座模塊的第一端口之外，每一 I/o基座模塊的第二端口耦合到下一 I/O基座模塊的第一端口，以形成切換節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)。
[0014]每一個(gè)切換節(jié)點(diǎn)可以包含在環(huán)中的唯一節(jié)點(diǎn)地址，并且每一個(gè)總線插槽可以被分配有獨(dú)立于該唯一節(jié)點(diǎn)地址的唯一物理地址。所述唯一節(jié)點(diǎn)地址可以通過MAC地址來確定。所述唯一物理地址可以通過在各總線插槽之間進(jìn)行通信的地址限定線來確定。每一個(gè)I/O基座模塊可以進(jìn)一步包括多個(gè)端子，用于可釋放地容納與受控處理或機(jī)器進(jìn)行通信的電導(dǎo)體。
[0015]所述適配器基座模塊和所述多個(gè)I/O基座模塊的每一個(gè)可以具有耦合在一起的第三端口和第四端口，其中，最后的I/O基座模塊的第二端口耦合到最后的I/O基座模塊的第三端口，并且除了第一個(gè)I/O基座模塊的第四端口耦合到所述適配器基座模塊的第三端口之外，每一個(gè)I/o基座模塊的第四端口耦合到前一個(gè)I/O基座模塊的第三端口，所述適配器基座模塊的第四端口耦合到所述適配器基座模塊的第一端口，以形成所述網(wǎng)絡(luò)環(huán)。第二端口和第三端口可以是第一電連接器的一部分，并且第一端口和第四端口可以是第二電連接器的一部分。最后的I/o基座模塊的第二端口可以經(jīng)由外部附接的端蓋外殼而耦合到最后的I/O基座模塊的第三端口。所述適配器基座模塊的第四端口可以經(jīng)由外部附接的網(wǎng)絡(luò)電纜耦合到所述適配器基座模塊的第一端口。
[0016]所述切換節(jié)點(diǎn)之一可以是活動(dòng)環(huán)監(jiān)督器，用于操作為:(a)以第一速率從每一個(gè)端口發(fā)送信標(biāo)幀，并且監(jiān)視另一端口的信標(biāo)幀的接收，其中，所述信標(biāo)幀指示環(huán)網(wǎng)絡(luò)的操作狀態(tài)為閉合模式或打開模式；(b)通過在打開模式中阻擋在第一端口和第二端口之間的數(shù)據(jù)幀來響應(yīng)在第一端口和第二端口之間的信標(biāo)幀的接收；(C)通過改變?yōu)殚]合模式使數(shù)據(jù)幀在第一端口和第二端口之間通過來響應(yīng)所述信標(biāo)幀穿過所述環(huán)的失敗;并且其中，不是所述活動(dòng)環(huán)監(jiān)督器的切換節(jié)點(diǎn)用于操作為:(a)使信標(biāo)幀在第一端口和第二端口之間通過；(b)響應(yīng)所述網(wǎng)絡(luò)環(huán)由于以下狀況中的任一個(gè)而導(dǎo)致的操作狀態(tài)的改變:(i)在任一端口上未接收到信標(biāo)幀；或(ii)接收到用于指示操作在閉合模式或打開模式之間改變以重置其MAC地址路由表的信標(biāo)幀。
[0017]所述適配器基座模塊可以進(jìn)一步包括:第一總線插槽，用于可釋放地容納第一功能卡，所述第一功能卡包含與所述網(wǎng)絡(luò)適配器進(jìn)行通信的切換節(jié)點(diǎn)；以及第二總線插槽，用于可釋放地容納第二功能卡，所述第二功能卡包含與第二網(wǎng)絡(luò)適配器進(jìn)行通信的切換節(jié)點(diǎn)，其中:(a)當(dāng)在所述第一總線插槽中安裝所述第一功能卡并且所述第二功能卡不在所述第二總線插槽中時(shí)，所述適配器基座模塊將第一端口和第二端口耦合到所述第一功能卡的切換節(jié)點(diǎn)；(b)當(dāng)在所述第二總線插槽中安裝所述第二功能卡并且所述第一功能卡不在所述第一總線插槽中時(shí)，所述適配器基座模塊將第一端口和第二端口耦合到所述第二功能卡的切換節(jié)點(diǎn)；并且(C)當(dāng)在所述第一總線插槽中安裝所述第一功能卡并且從在所述第二總線插槽中安裝所述第二功能卡時(shí)，所述適配器基座模塊將第一端口耦合到所述第一功能卡的切換節(jié)點(diǎn)，將所述第一功能卡的切換節(jié)點(diǎn)耦合到所述第二功能卡的切換節(jié)點(diǎn)，并且將第二端口耦合到第二功能卡的切換節(jié)點(diǎn)。
[0018]所述I/O基座模塊可以進(jìn)一步包括第二總線插槽，所述第二總線插槽用于可釋放地容納具有切換節(jié)點(diǎn)的第二功能卡，其中，(a)當(dāng)在所述第一總線插槽中安裝所述第一功能卡并且所述第二功能卡不在所述第二總線插槽中時(shí)，所述I/O基座模塊將第一端口和第二端口耦合到所述第一功能卡的切換節(jié)點(diǎn)；(b)當(dāng)在所述第二總線插槽中安裝所述第二功能卡并且從所述第一功能卡不在所述第一總線插槽中時(shí)，所述I/O基座模塊將第一端口和第二端口耦合到所述第二功能卡的切換節(jié)點(diǎn)；(C)當(dāng)在所述第一總線插槽中安裝所述第一功能卡并且從在所述第二總線插槽中安裝所述第二功能卡時(shí)，所述I/O基座模塊將第一端口耦合到所述第一功能卡的切換節(jié)點(diǎn)，將所述第一功能卡的切換節(jié)點(diǎn)耦合到所述第二功能卡的切換節(jié)點(diǎn)，并且將第二端口耦合到所述第二功能卡的切換節(jié)點(diǎn);并且(d)當(dāng)兩個(gè)功能卡均不在所述總線插槽中時(shí)，所述I/o基座模塊將第一端口耦合到第二端口。
[0019]本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例提供了一種工業(yè)控制系統(tǒng)，該工業(yè)控制系統(tǒng)包括:多個(gè)排組，每一個(gè)排組包括多個(gè)I/O基座模塊，每一個(gè)I/O基座模塊具有第一端口、第二端口和總線插槽，所述總線插槽用于可釋放地容納具有切換節(jié)點(diǎn)的功能卡，其中，當(dāng)所述功能卡被安裝在所述總線插槽中時(shí)，每一個(gè)I/o基座模塊將第一端口和第二端口耦合到所述切換節(jié)點(diǎn)，并且當(dāng)所述功能卡不在所述總線插槽中時(shí)，每一個(gè)I/o基座模塊將第一端口耦合到第二端口，至少一個(gè)I/O基座模塊在總線插槽中安裝有功能卡。第一個(gè)排組包括適配器基座模塊，所述適配器基座模塊具有第一端口、第二端口、切換節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)適配器，該切換節(jié)點(diǎn)耦合在第一端口和第二端口之間，并且與所述網(wǎng)絡(luò)適配器進(jìn)行通信，所述網(wǎng)絡(luò)適配器可用于通過控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。在所述第一個(gè)排組中的適配器基座模塊將第二端口耦合到在同一排組中的某個(gè)I/O基座模塊的第一端口，除了每一個(gè)排組中的最后的I/O基座模塊將第二端口耦合到在下一個(gè)排組中的第一 I/o基座模塊的第一端口之外，除了最后一個(gè)排組中的最后一個(gè)I/O基座模塊將第二端口耦合到在第一個(gè)排組中的適配器基座模塊的第一端口之外，每一個(gè)排組中的每一個(gè)I/O基座模塊的第二端口耦合到同一排組中的下一個(gè)I/O基座模塊的第一端口，以形成切換節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)。
[0020]本發(fā)明的另一實(shí)施例提供了用于工業(yè)系統(tǒng)的I/O基座模塊，包括:外殼，該外殼提供左側(cè)面和右側(cè)面;可釋放電連接器，該可釋放電連接器支撐于所述左側(cè)面和右側(cè)面上，被暴露為連接左側(cè)和右側(cè)上的相鄰基座模塊;可釋放機(jī)械連接器，該可釋放機(jī)械連接器在左側(cè)和右側(cè)上基座模塊固定于相鄰基座模塊;多個(gè)電端子，所述多個(gè)電端子容納暴露于所述外殼的表面上的導(dǎo)體，以可釋放地保持與固定在所述外殼內(nèi)的I/O功能卡進(jìn)行通信的電導(dǎo)體;及底板電路，該底板電路固定在所述外殼中，并且與所述可釋放電導(dǎo)體通信，以建立在附接的基座模塊之間進(jìn)行通信的環(huán)網(wǎng)絡(luò)，所述基座模塊在一個(gè)電連接器處設(shè)置第一端口并且在第二個(gè)電連接器處設(shè)置第二端口，使得所述基座模塊可被布置成環(huán)，其中，每一個(gè)基座模塊的第一和第二端口耦合到所述環(huán)的不同基座模塊。所述可釋放機(jī)械連接器可以被配置為通過向DIN軌道的附接而將基座模塊固定到相鄰的基座模塊。
[0021]通過下面的說明，本發(fā)明的這些和其他目的、優(yōu)點(diǎn)和方面將變得清楚。在此所述的特定目的和優(yōu)點(diǎn)可以僅適用于落在權(quán)利要求內(nèi)的一些實(shí)施例，并且因此并不限制本發(fā)明的范圍。在該說明中，參考了形成本說明書的一部