高可用性装置级环底板的制作方法
【专利说明】高可用性装置级环底板
[0001 ] 本申请为2012年7月9日提交的申请号为201210251996.4、发明名称为“高可用性装置级环底板”的发明专利申请的分案申请。
[0002]对相关申请的交叉引用
[0003]本申请要求基于临时申请号为61/505,888和61/505,892的美国临时专利申请的优先权的权益，每一所述临时专利申请提交于2011年7月8日，并且其每一个的整体内容在此通过引用而明确合并入本申请内。
技术领域
[0004]本发明涉及工业控制系统，并且具体地，涉及使用网络环的模块化高可用性工业系统。
【背景技术】
[0005]诸如可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)等工业控制器是用于控制例如工厂环境中的工业处理或机械的专用电子计算机系统。工业控制器在多个方面与传统计算机不同。在物理上，它们被构造得实质上对冲击和损害更鲁棒，并且更好地抵抗外部污染和极端环境条件。处理器和操作系统针对实时控制而被优化，并且执行使得易于定制程序以适合于多个不同的控制器应用的语言。工业控制器可以具有用户界面，用于例如通过具有键盘、鼠标和显示器等的逻辑连接的终端来访问、控制和/或监视工业控制器。
[0006]通常，工业控制器具有模块化架构，该模块化架构允许不同数量和类型的网络卡或适配器用于将该控制器连接到要通过适合于高度可靠和可用的实时通信的特殊“控制网络”来控制的处理或机械。在工业控制系统中通常使用的这种控制网络例如包括Contro INet、Devi ceNet、EtherNet/IP和Sercos，其规范已被公布，并且其协议广泛地为众多制造商和供应商所使用。通过保证最大通信延迟，控制网络与诸如以太网等标准通信网络不同。例如，这可通过预先规划网络的带宽和/或为了高可用性而提供冗余的通信能力来获得。控制网络还在物理方面(如介质的类型(例如同轴电缆、双绞线、光纤等)、其操作的协议(例如波特率、信道的数量、字传输大小、连接消息的使用等)以及如何格式化数据和如何将数据收集到标准消息内等)彼此不同。
[0007]许多网络还包含用于在网络节点故障的情况下维修网络的协议。这些协议会需要较长的时间来重新连接网络(长达30秒)，因此对于受控处理在这个时间段期间不能在没有灾难性的后果情况下没有指引的工业控制网络来说，这是不可接受的。
[0008]在工业控制中使网络故障衰弱的风险可经常利用冗余网络拓扑来减少，例如，在所述冗余网络拓扑中，网络节点与监督器连接成环。通常，针对所有的标准数据，该环在监督器节点处打开，从而以通常的线性拓扑来运行。监督器可以在环上的一个方向上发出测试“电报”或“信标”帧，所述测试“电报”或“信标”帧在另一个方向上在监督器处被接收，以指示环的完整性。如果该环例如因为节点或介质故障而断开，则监督器将环的端部结合在一起，以再一次产生现在出现故障的部分分开的连续的线性拓扑。可以使用通知帧将监督器的操作模式从“分开(separated)”变为“结合(joint)”的改变发送到其他节点，使得这些节点可以重建其用于将端口与目的地地址相关联的MAC地址路由表。
[0009]这样的环系统的检错时间可以很快，主要受到信标的传输速率的限制(每几个毫秒)。该速率限定了在其之前检查到错误并可以重新配置环的最大时间。
[0010]而且，作为其增强模块化的一部分，工业控制器可以使用通过控制网络耦合的一个或更多个工业装置。工业装置可以包括一个或更多个专用于特定类型的工业功能的一个或更多个I/o模块，该特定类型的工业功能例如是:与工业处理相结合地检测输入AC或DC信号或控制输出AC或DC信号;或者是运行电机或其他机械。每一个I/O模块可以具有连接器系统，以允许其与其他被选择的I/O模块一起以不同的组合而被安装在工业装置中，以匹配特定应用的需求。多个工业装置可以位于受控处理或机器附近的方便控制点处，以经由控制网络与工业控制器进行通信。
[0011]工业系统可能要求增加、去除和/或修改工业控制器和工业装置的灵活性。例如，可能期望通过新工业装置来增加新工业处理，由此增大工业系统的能力或容量。类似地，可能由于工业系统(诸如已经变得陈旧的受控处理或机器等)的需求上的改变而期望修改或去除现有的工业控制器或工业装置。另外，在一些应用中，在工业系统在积极运行的同时，工业控制器和/或工业装置可能需要增加、去除或修改。这可能例如在中断处理会导致成本较大的停机时间和/或产品缺陷的情况下出现。
[0012]象许多其他系统一样，工业系统(包括工业控制器和工业装置)也可能受到整个系统中出现的各种故障的影响。例如，固定于工业控制器或工业装置中的电子装置、网络连接或I/O连接或功能卡或电源都可能是由于多种状况而导致的潜在故障点。然而，在要求运行关键应用的高可用性的特定工业系统中，出现在任何点的故障都会导致潜在的灾难性状况。
【发明内容】
[0013]本发明的方面提供了一种用于工业控制系统的底板，该底板包括:适配器基座模块，该适配器基座模块具有第一端口、第二端口、切换节点和网络适配器，所述切换节点耦合在第一端口和第二端口之间并且与所述网络适配器进行通信，所述网络适配器能够用于通过控制网络进行通信;多个I/O基座模块，每一个I/O基座模块具有第一端口、第二端口和总线插槽，所述总线插槽用于可释放地容纳具有切换节点的功能卡，其中，当将所述功能卡安装在所述总线插槽中时，每一个I/O基座模块将第一端口和第二端口耦合到所述切换节点，并且当所述功能卡不在所述总线插槽中时，每一个I/o基座模块将第一端口与第二端口耦合;并且至少一个I/o基座模块在总线插槽中安装有功能卡。所述适配器基座模块的第二端口耦合到下一个I/o基座模块的第一端口，除了最后的I/O基座模块将第二端口耦合到所述适配器基座模块的第一端口之外，每一 I/o基座模块的第二端口耦合到下一 I/O基座模块的第一端口，以形成切换节点的网络环。
[0014]每一个切换节点可以包含在环中的唯一节点地址，并且每一个总线插槽可以被分配有独立于该唯一节点地址的唯一物理地址。所述唯一节点地址可以通过MAC地址来确定。所述唯一物理地址可以通过在各总线插槽之间进行通信的地址限定线来确定。每一个I/O基座模块可以进一步包括多个端子，用于可释放地容纳与受控处理或机器进行通信的电导体。
[0015]所述适配器基座模块和所述多个I/O基座模块的每一个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基座模块的第二端口耦合到最后的I/O基座模块的第三端口，并且除了第一个I/O基座模块的第四端口耦合到所述适配器基座模块的第三端口之外，每一个I/o基座模块的第四端口耦合到前一个I/O基座模块的第三端口，所述适配器基座模块的第四端口耦合到所述适配器基座模块的第一端口，以形成所述网络环。第二端口和第三端口可以是第一电连接器的一部分，并且第一端口和第四端口可以是第二电连接器的一部分。最后的I/o基座模块的第二端口可以经由外部附接的端盖外壳而耦合到最后的I/O基座模块的第三端口。所述适配器基座模块的第四端口可以经由外部附接的网络电缆耦合到所述适配器基座模块的第一端口。
[0016]所述切换节点之一可以是活动环监督器，用于操作为:(a)以第一速率从每一个端口发送信标帧，并且监视另一端口的信标帧的接收，其中，所述信标帧指示环网络的操作状态为闭合模式或打开模式；(b)通过在打开模式中阻挡在第一端口和第二端口之间的数据帧来响应在第一端口和第二端口之间的信标帧的接收；(C)通过改变为闭合模式使数据帧在第一端口和第二端口之间通过来响应所述信标帧穿过所述环的失败;并且其中，不是所述活动环监督器的切换节点用于操作为:(a)使信标帧在第一端口和第二端口之间通过；(b)响应所述网络环由于以下状况中的任一个而导致的操作状态的改变:(i)在任一端口上未接收到信标帧；或(ii)接收到用于指示操作在闭合模式或打开模式之间改变以重置其MAC地址路由表的信标帧。
[0017]所述适配器基座模块可以进一步包括:第一总线插槽，用于可释放地容纳第一功能卡，所述第一功能卡包含与所述网络适配器进行通信的切换节点；以及第二总线插槽，用于可释放地容纳第二功能卡，所述第二功能卡包含与第二网络适配器进行通信的切换节点，其中:(a)当在所述第一总线插槽中安装所述第一功能卡并且所述第二功能卡不在所述第二总线插槽中时，所述适配器基座模块将第一端口和第二端口耦合到所述第一功能卡的切换节点；(b)当在所述第二总线插槽中安装所述第二功能卡并且所述第一功能卡不在所述第一总线插槽中时，所述适配器基座模块将第一端口和第二端口耦合到所述第二功能卡的切换节点；并且(C)当在所述第一总线插槽中安装所述第一功能卡并且从在所述第二总线插槽中安装所述第二功能卡时，所述适配器基座模块将第一端口耦合到所述第一功能卡的切换节点，将所述第一功能卡的切换节点耦合到所述第二功能卡的切换节点，并且将第二端口耦合到第二功能卡的切换节点。
[0018]所述I/O基座模块可以进一步包括第二总线插槽，所述第二总线插槽用于可释放地容纳具有切换节点的第二功能卡，其中，(a)当在所述第一总线插槽中安装所述第一功能卡并且所述第二功能卡不在所述第二总线插槽中时，所述I/O基座模块将第一端口和第二端口耦合到所述第一功能卡的切换节点；(b)当在所述第二总线插槽中安装所述第二功能卡并且从所述第一功能卡不在所述第一总线插槽中时，所述I/O基座模块将第一端口和第二端口耦合到所述第二功能卡的切换节点；(C)当在所述第一总线插槽中安装所述第一功能卡并且从在所述第二总线插槽中安装所述第二功能卡时，所述I/O基座模块将第一端口耦合到所述第一功能卡的切换节点，将所述第一功能卡的切换节点耦合到所述第二功能卡的切换节点，并且将第二端口耦合到所述第二功能卡的切换节点;并且(d)当两个功能卡均不在所述总线插槽中时，所述I/o基座模块将第一端口耦合到第二端口。
[0019]本发明的另一个实施例提供了一种工业控制系统，该工业控制系统包括:多个排组，每一个排组包括多个I/O基座模块，每一个I/O基座模块具有第一端口、第二端口和总线插槽，所述总线插槽用于可释放地容纳具有切换节点的功能卡，其中，当所述功能卡被安装在所述总线插槽中时，每一个I/o基座模块将第一端口和第二端口耦合到所述切换节点，并且当所述功能卡不在所述总线插槽中时，每一个I/o基座模块将第一端口耦合到第二端口，至少一个I/O基座模块在总线插槽中安装有功能卡。第一个排组包括适配器基座模块，所述适配器基座模块具有第一端口、第二端口、切换节点和网络适配器，该切换节点耦合在第一端口和第二端口之间，并且与所述网络适配器进行通信，所述网络适配器可用于通过控制网络进行通信。在所述第一个排组中的适配器基座模块将第二端口耦合到在同一排组中的某个I/O基座模块的第一端口，除了每一个排组中的最后的I/O基座模块将第二端口耦合到在下一个排组中的第一 I/o基座模块的第一端口之外，除了最后一个排组中的最后一个I/O基座模块将第二端口耦合到在第一个排组中的适配器基座模块的第一端口之外，每一个排组中的每一个I/O基座模块的第二端口耦合到同一排组中的下一个I/O基座模块的第一端口，以形成切换节点的网络环。
[0020]本发明的另一实施例提供了用于工业系统的I/O基座模块，包括:外壳，该外壳提供左侧面和右侧面;可释放电连接器，该可释放电连接器支撑于所述左侧面和右侧面上，被暴露为连接左侧和右侧上的相邻基座模块;可释放机械连接器，该可释放机械连接器在左侧和右侧上基座模块固定于相邻基座模块;多个电端子，所述多个电端子容纳暴露于所述外壳的表面上的导体，以可释放地保持与固定在所述外壳内的I/O功能卡进行通信的电导体;及底板电路，该底板电路固定在所述外壳中，并且与所述可释放电导体通信，以建立在附接的基座模块之间进行通信的环网络，所述基座模块在一个电连接器处设置第一端口并且在第二个电连接器处设置第二端口，使得所述基座模块可被布置成环，其中，每一个基座模块的第一和第二端口耦合到所述环的不同基座模块。所述可释放机械连接器可以被配置为通过向DIN轨道的附接而将基座模块固定到相邻的基座模块。
[0021]通过下面的说明，本发明的这些和其他目的、优点和方面将变得清楚。在此所述的特定目的和优点可以仅适用于落在权利要求内的一些实施例，并且因此并不限制本发明的范围。在该说明中，参考了形成本说明书的一部