高可用性裝置級環底板的制作方法
【專利說明】高可用性裝置級環底板
[0001 ] 本申請為2012年7月9日提交的申請號為201210251996.4、發明名稱為“高可用性裝置級環底板”的發明專利申請的分案申請。
[0002]對相關申請的交叉引用
[0003]本申請要求基于臨時申請號為61/505,888和61/505,892的美國臨時專利申請的優先權的權益，每一所述臨時專利申請提交于2011年7月8日，并且其每一個的整體內容在此通過引用而明確合并入本申請內。
技術領域
[0004]本發明涉及工業控制系統，并且具體地，涉及使用網絡環的模塊化高可用性工業系統。
【背景技術】
[0005]諸如可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)等工業控制器是用于控制例如工廠環境中的工業處理或機械的專用電子計算機系統。工業控制器在多個方面與傳統計算機不同。在物理上，它們被構造得實質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境條件。處理器和操作系統針對實時控制而被優化，并且執行使得易于定制程序以適合于多個不同的控制器應用的語言。工業控制器可以具有用戶界面，用于例如通過具有鍵盤、鼠標和顯示器等的邏輯連接的終端來訪問、控制和/或監視工業控制器。
[0006]通常，工業控制器具有模塊化架構，該模塊化架構允許不同數量和類型的網絡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時通信的特殊“控制網絡”來控制的處理或機械。在工業控制系統中通常使用的這種控制網絡例如包括Contro INet、Devi ceNet、EtherNet/IP和Sercos，其規范已被公布，并且其協議廣泛地為眾多制造商和供應商所使用。通過保證最大通信延遲，控制網絡與諸如以太網等標準通信網絡不同。例如，這可通過預先規劃網絡的帶寬和/或為了高可用性而提供冗余的通信能力來獲得。控制網絡還在物理方面(如介質的類型(例如同軸電纜、雙絞線、光纖等)、其操作的協議(例如波特率、信道的數量、字傳輸大小、連接消息的使用等)以及如何格式化數據和如何將數據收集到標準消息內等)彼此不同。
[0007]許多網絡還包含用于在網絡節點故障的情況下維修網絡的協議。這些協議會需要較長的時間來重新連接網絡(長達30秒)，因此對于受控處理在這個時間段期間不能在沒有災難性的后果情況下沒有指引的工業控制網絡來說，這是不可接受的。
[0008]在工業控制中使網絡故障衰弱的風險可經常利用冗余網絡拓撲來減少，例如，在所述冗余網絡拓撲中，網絡節點與監督器連接成環。通常，針對所有的標準數據，該環在監督器節點處打開，從而以通常的線性拓撲來運行。監督器可以在環上的一個方向上發出測試“電報”或“信標”幀，所述測試“電報”或“信標”幀在另一個方向上在監督器處被接收，以指示環的完整性。如果該環例如因為節點或介質故障而斷開，則監督器將環的端部結合在一起，以再一次產生現在出現故障的部分分開的連續的線性拓撲。可以使用通知幀將監督器的操作模式從“分開(separated)”變為“結合(joint)”的改變發送到其他節點，使得這些節點可以重建其用于將端口與目的地地址相關聯的MAC地址路由表。
[0009]這樣的環系統的檢錯時間可以很快，主要受到信標的傳輸速率的限制(每幾個毫秒)。該速率限定了在其之前檢查到錯誤并可以重新配置環的最大時間。
[0010]而且，作為其增強模塊化的一部分，工業控制器可以使用通過控制網絡耦合的一個或更多個工業裝置。工業裝置可以包括一個或更多個專用于特定類型的工業功能的一個或更多個I/o模塊，該特定類型的工業功能例如是:與工業處理相結合地檢測輸入AC或DC信號或控制輸出AC或DC信號;或者是運行電機或其他機械。每一個I/O模塊可以具有連接器系統，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裝置中，以匹配特定應用的需求。多個工業裝置可以位于受控處理或機器附近的方便控制點處，以經由控制網絡與工業控制器進行通信。
[0011]工業系統可能要求增加、去除和/或修改工業控制器和工業裝置的靈活性。例如，可能期望通過新工業裝置來增加新工業處理，由此增大工業系統的能力或容量。類似地，可能由于工業系統(諸如已經變得陳舊的受控處理或機器等)的需求上的改變而期望修改或去除現有的工業控制器或工業裝置。另外，在一些應用中，在工業系統在積極運行的同時，工業控制器和/或工業裝置可能需要增加、去除或修改。這可能例如在中斷處理會導致成本較大的停機時間和/或產品缺陷的情況下出現。
[0012]象許多其他系統一樣，工業系統(包括工業控制器和工業裝置)也可能受到整個系統中出現的各種故障的影響。例如，固定于工業控制器或工業裝置中的電子裝置、網絡連接或I/O連接或功能卡或電源都可能是由于多種狀況而導致的潛在故障點。然而，在要求運行關鍵應用的高可用性的特定工業系統中，出現在任何點的故障都會導致潛在的災難性狀況。

【發明內容】

[0013]本發明的方面提供了一種用于工業控制系統的底板，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、切換節點和網絡適配器，所述切換節點耦合在第一端口和第二端口之間并且與所述網絡適配器進行通信，所述網絡適配器能夠用于通過控制網絡進行通信;多個I/O基座模塊，每一個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點的功能卡，其中，當將所述功能卡安裝在所述總線插槽中時，每一個I/O基座模塊將第一端口和第二端口耦合到所述切換節點，并且當所述功能卡不在所述總線插槽中時，每一個I/o基座模塊將第一端口與第二端口耦合;并且至少一個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，以形成切換節點的網絡環。
[0014]每一個切換節點可以包含在環中的唯一節點地址，并且每一個總線插槽可以被分配有獨立于該唯一節點地址的唯一物理地址。所述唯一節點地址可以通過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行通信的地址限定線來確定。每一個I/O基座模塊可以進一步包括多個端子，用于可釋放地容納與受控處理或機器進行通信的電導體。
[0015]所述適配器基座模塊和所述多個I/O基座模塊的每一個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I/o基座模塊的第四端口耦合到前一個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，以形成所述網絡環。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由外部附接的網絡電纜耦合到所述適配器基座模塊的第一端口。
[0016]所述切換節點之一可以是活動環監督器，用于操作為:(a)以第一速率從每一個端口發送信標幀，并且監視另一端口的信標幀的接收，其中，所述信標幀指示環網絡的操作狀態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據幀來響應在第一端口和第二端口之間的信標幀的接收；(C)通過改變為閉合模式使數據幀在第一端口和第二端口之間通過來響應所述信標幀穿過所述環的失敗;并且其中，不是所述活動環監督器的切換節點用于操作為:(a)使信標幀在第一端口和第二端口之間通過；(b)響應所述網絡環由于以下狀況中的任一個而導致的操作狀態的改變:(i)在任一端口上未接收到信標幀；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地址路由表的信標幀。
[0017]所述適配器基座模塊可以進一步包括: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絡適配器進行通信的切換節點；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絡適配器進行通信的切換節點，其中:(a)當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，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點；(b)當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，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點；并且(C)當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，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點，將所述第一功能卡的切換節點耦合到所述第二功能卡的切換節點，并且將第二端口耦合到第二功能卡的切換節點。
[0018]所述I/O基座模塊可以進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點的第二功能卡，其中，(a)當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，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點；(b)當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，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點；(C)當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，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點，將所述第一功能卡的切換節點耦合到所述第二功能卡的切換節點，并且將第二端口耦合到所述第二功能卡的切換節點;并且(d)當兩個功能卡均不在所述總線插槽中時，所述I/o基座模塊將第一端口耦合到第二端口。
[0019]本發明的另一個實施例提供了一種工業控制系統，該工業控制系統包括:多個排組，每一個排組包括多個I/O基座模塊，每一個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點的功能卡，其中，當所述功能卡被安裝在所述總線插槽中時，每一個I/o基座模塊將第一端口和第二端口耦合到所述切換節點，并且當所述功能卡不在所述總線插槽中時，每一個I/o基座模塊將第一端口耦合到第二端口，至少一個I/O基座模塊在總線插槽中安裝有功能卡。第一個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、切換節點和網絡適配器，該切換節點耦合在第一端口和第二端口之間，并且與所述網絡適配器進行通信，所述網絡適配器可用于通過控制網絡進行通信。在所述第一個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I/O基座模塊的第一端口，除了每一個排組中的最后的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，除了最后一個排組中的最后一個I/O基座模塊將第二端口耦合到在第一個排組中的適配器基座模塊的第一端口之外，每一個排組中的每一個I/O基座模塊的第二端口耦合到同一排組中的下一個I/O基座模塊的第一端口，以形成切換節點的網絡環。
[0020]本發明的另一實施例提供了用于工業系統的I/O基座模塊，包括:外殼，該外殼提供左側面和右側面;可釋放電連接器，該可釋放電連接器支撐于所述左側面和右側面上，被暴露為連接左側和右側上的相鄰基座模塊;可釋放機械連接器，該可釋放機械連接器在左側和右側上基座模塊固定于相鄰基座模塊;多個電端子，所述多個電端子容納暴露于所述外殼的表面上的導體，以可釋放地保持與固定在所述外殼內的I/O功能卡進行通信的電導體;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體通信，以建立在附接的基座模塊之間進行通信的環網絡，所述基座模塊在一個電連接器處設置第一端口并且在第二個電連接器處設置第二端口，使得所述基座模塊可被布置成環，其中，每一個基座模塊的第一和第二端口耦合到所述環的不同基座模塊。所述可釋放機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，本發明的這些和其他目的、優點和方面將變得清楚。在此所述的特定目的和優點可以僅適用于落在權利要求內的一些實施例，并且因此并不限制本發明的范圍。在該說明中，參考了形成本說明書的一部