CN102483616B - 用于改进的电动机控制中心的方法和装置 - Google Patents

Abstract

提供了用于对电动机控制中心进行操作的方法、装置和系统。本发明包括：确定电动机控制中心内的功能模块的硬件配置；将所述硬件配置下载至可编程逻辑控制器；基于所述硬件配置，将程序配置为在所述可编程逻辑控制器上运行；以及执行所述程序。公开了许多附加方面。

Description

用于改进的电动机控制中心的方法和装置

相关申请的交叉引用

本申请要求于2009年7月9日提交的名称为“Siemens Smart Motor Control Center PLC Unit”的美国临时专利申请号61/224,093的优先权，该美国临时专利申请的全部内容通过参考并入此处。优先权申请中引用或参考的所有文献和类似材料（包括但不限于专利、专利申请、文章、书籍、论文和互联网网页，不论这种文献和类似材料的格式如何）的全部内容明确地出于任何目的通过参考并入此处。

技术领域

本发明总体涉及电动机控制中心，并且更具体地涉及使用可编程逻辑控制器对电动机控制中心组件进行控制和监视。

背景技术

电动机控制中心（MCC）用于提供对大型工业电动机（例如，在制造机器人和重型机器时使用的那些电动机）的模块化、集中式控制。典型地，MCC包括各种不同类型的功能单元或模块，例如电动机过载传感器、软起动器、可变频率驱动器等。功能模块容纳在集中式封装中并耦合至对应的电动机。这种MCC及其组件模块被设计为非常可靠，非常快速且尽可能便宜。特别地，由于涉及高功率切换，所以MCC必须可靠以便安全。此外，典型地，MCC被用在实时应用中，并且因此，MCC必须具有非常快速且一致的响应时间。传统地，为了满足这些需求，已经将MCC保持为非常简单，并且已经将处理能力限于可利用相对简单的逻辑和确定性的响应时间实现的基本功能。然而，存在对电动机的更精密的监视和控制以及在MCC内使用的各种类型的功能单元的需要。

发明内容

本发明的实施例总体涉及用于对MCC进行操作的方法和装置，并且更具体地，涉及用于对MCC进行监视和控制的控制器的操作。

在一些实施例中，本发明提供了一种对电动机控制中心进行操作的方法。所述方法包括：确定硬件配置；将所述硬件配置下载至可编程逻辑控制器；基于所述硬件配置，将程序配置为在所述可编程逻辑控制器上运行；以及执行所述程序。

在一些其他实施例中，本发明提供了一种电动机控制中心系统。所述电动机控制中心系统包括：框架，其适于提供多个功能模块槽；汇流条，其耦合至所述框架和所述功能模块槽；网络，其耦合至所述框架和所述功能模块槽；可编程逻辑控制器模块，其适于耦合至功能模块槽；以及多个功能模块，其适于耦合至功能模块槽。所述可编程逻辑控制器模块包括可编程逻辑控制器，其适于：接收硬件配置；将所述硬件配置下载至所述可编程逻辑控制器的存储器中；基于所述硬件配置，将程序配置为在所述可编程逻辑控制器上运行；以及执行所述程序。

在还有一些其他实施例中，本发明提供了一种用于电动机控制中心的可编程逻辑控制器模块。所述可编程逻辑控制器模块包括可编程逻辑控制器，所述可编程逻辑控制器适于：接收硬件配置；将所述硬件配置下载至所述可编程逻辑控制器的存储器中；基于所述硬件配置，将程序配置为在所述可编程逻辑控制器上运行；以及执行所述程序。

本发明的这些和其他特征和方面将从示例性实施例的以下详细描述、所附权利要求和附图变得更加完全显而易见。

附图说明

本领域普通技术人员将理解，以下描述的附图仅用于图示目的。附图并不意图以任何方式限制本教导的范围。

图1是根据本发明的一些实施例的示例电动机控制中心的示意图。

图1A是根据本发明的一些实施例的示例可编程逻辑控制器模块的放大示意图。

图2是描绘根据本发明的一些实施例的包括可编程逻辑控制器模块的电动机控制中心的系统架构的示例的框图。

图3是描绘根据现有技术的对传统可编程逻辑控制器进行操作的传统方法的流程图。

图4是描绘根据本发明的一些实施例的对可编程逻辑控制器进行操作的示例方法的流程图。

图5是描绘根据本发明的一些实施例的图4的流程图的操作MCC功能的细节的流程图。

图6A、6B和6C是描绘根据本发明的一些实施例的与各种类型的功能模块一起使用的示例数据结构的表示的框图。

具体实施方式

为了解释本说明书，每当在适当时，以单数使用的术语也将包括复数，并且反之亦然。对“或”的使用意图表示“和/或”，除非另有声明。这里对“一”的使用意图表示“一个或多个”，除非另有声明或者在对“一个或多个”的使用明显不合适的情况下。对“包括”、“包含”、“包括在内”、“包含在内”、“将其包括在内”的使用可互换，而并不意图限制。此外，在一个或多个实施例的描述使用术语“包括”的情况下，本领域普通技术人员将理解，在一些具体实例中，备选地，可以使用语言“实质上由……构成”和/或“由……构成”来描述一个或多个实施例。

尽管结合各种实施例来描述本教导，但是并不意图将本教导限于这些实施例。相反，本领域普通技术人员将理解，本教导包含各种备选、修改和等同物。

本发明提供了对MCC进行操作的改进方法。根据本发明的实施例，提供了一种可编程逻辑控制器（PLC），其适于检测功能模块的存在或不存在并对其做出反应，并且即使在一个或多个功能模块丢失、误配置或不操作的情况下仍继续对MCC进行操作。此外，PLC执行程序，该程序适于将MCC动态地配置为使用检测到的功能模块。该程序能够利用预定义数据结构的库，这些预定义数据结构中的每一个与不同功能模块相对应并对与这些功能模块的通信和这些功能模块的控制进行标准化。因此，第三方接口软件可以以与应用程序可经由软件应用编程接口（API）访问更低级别程序的方式类似的方式访问和控制这些功能模块。然而，与这种传统软件系统不同，本发明适于促进在预定义时间帧（timeframe）内的实时环境中访问和控制功能模块硬件。

转至图1，描绘了示例电动机控制中心100。示例MCC 100包括框架102（例如，用于安装组件的垂直结构），该框架102可以是例如所安装的墙、天花板、地板或支架。框架102容纳三相汇流条（未示出），该三相汇流条可以跨越框架102的长度并促进功率分配。在一些实施例中，附加地，汇流条可以在例如MCC 100的顶部部分104中水平地跨越MCC 100，而MCC 100的底部部分106可以包括用于布线安装的访问区。在一些实施例中，该布置可以被反向，和/或，水平汇流条和访问区二者可以彼此相邻地设置在MCC 100的任一端处。

功能模块槽108（仅一个利用参考数字来标记）是沿框架102的长度而设置的。在一些实施例中，功能模块槽108可以以多个垂直列（例如，在图1的示例中示出了两个列）来布置。槽108适于容纳功能模块110（也被称作可配置单元或桶（bucket））。功能模块110（在图1中仅一个利用参考数字来标记）可以包括各种不同类型。例如，功能模块110可以包括电动机过载传感器、软起动器电路、可变频率驱动器、低压断路器、功率监视电路等。这种功能模块110的示例包括模型SIMOCODE（电动机过载传感器）、模型MM440（可变频率驱动器）、模型3RW44（软起动器电路）、模型3WL（低压电路断路器）以及模型PAC3200和9300（功率监视设备），其中的每一个模型由总部位于乔治亚州的Alpharetta的Siemens Energy & Automation有限公司制造并且商业上可以从其获得。在一些实施例中，槽108和对应的功能模块110可以具有标准化的尺度（例如12或18英寸高）和形状因子，以促进硬件的模块性。换言之，MCC 100可以适于允许功能模块110中的任一个被插入到槽108中的任一个上。

通过将功能模块110插入到槽108中，来建立MCC 100与功能模块110之间的连接。这可以包括与汇流条以及网络112（例如数据网络）二者的连接，其将所有槽108耦合在一起以促进与所安装的功能模块110的通信。因此，功能模块可以包括通信设施（例如，网络通信端口、串行端口、以太网端口、USB端口等）。网络112可以被设置在跨越框架102的长度的一个或多个线槽（wire-way）114内。在一些实施例中，线槽114可以沿着MCC 100的边和/或在MCC 100的中间设置。此外，线槽还可以包含从功能模块110至现场中的电动机的布线。

现在考虑图1和图1A二者，MCC 100还包括可被插入到槽108中的PLC模块116。注意，放大了图1A所描绘的PLC模块116以示出PLC模块116的细节。在一些实施例中，可以将PLC模块116插入到任何槽108中，而在其他实施例中，可以针对PLC模块116提供特殊槽108。PLC模块116可以包括若干个组件。例如，PLC模块116可以包括耦合至网络112以及外部网络（未示出）的端子118。在一些实施例中，外部网络可以是以太网网络或其他类型的网络。端子118还可以包括用于将PLC模块116耦合至电动机的功率端子。功率端子可以包括短路保护保险丝120。还可以包括用于PLC 124自身的电源122。例如，PLC 124可以是由Siemens Energy & Automation有限公司制造并商业上可从其获得的模型S7-315-2DP/PN。PLC 124包括以下将更详细描述的用于存储和执行PLC程序的控制器和内部存储器。

在一些实施例中，可以将功能模块110插入到任何可用槽108中，并且MCC可以使用逻辑地址而不是物理地址来对功能模块110进行寻址。对逻辑寻址的使用促进功能模块110的自动化配置。因此，在这些实施例中，硬件配置定义无需指定功能模块110的物理位置。

在操作中，功能模块110适于在无需对与MCC 100相连接的电动机断电的情况下被插入槽108和从槽108移除。可以经由人机界面（HMI）210（参见图2）来实现PLC 124的控制，该人机界面（HMI）210经由外部网络耦合至PLC 124。如以下将更详细解释的那样，PLC 124适于经由网络112从功能模块110检测和收集数据。PLC 124还被设计为从HMI 210接收控制信息并使用该控制信息来对功能模块110进行操作和/或监视。

现在转至图2，描绘了MCC 100的示例系统架构200。在一些实施例中，系统200可以被视为三层堆叠，其具有底部上的硬件层202、硬件层202之上的PLC程序层204、以及PLC程序层204顶部上的HMI程序层206。在所示的示例系统200中，每个层提供了其下的层的抽象，以对与MCC耦合的电动机的控制和监视进行标准化和简化。因此，PLC程序层204向硬件层202提供编程接口，并且HMI程序层206向PLC程序层204提供编程接口。换言之，简化了本发明的MCC的使用，这是由于无需对与所访问的层以下的层进行交互的细节的了解。所访问的层关注这些细节，并且简单地返回所请求的值或实现对所请求的动作的执行。

如参照图1和1A所讨论的那样，硬件包括MCC 100，该MCC 100可以包括经由网络112可操作地耦合至PLC 124的多个各种不同类型的功能模块110。此外如上所述，MMC 100可以经由外部网络210耦合至HMI设备208（例如计算机终端、个人计算机等）。外部网络210适于允许HMI设备208与PLC 124之间的数据传送。注意，尽管在图2中示出了仅一个MCC 100和一个HMI设备208，但是在一些实施例中，多个MMC 100可以耦合至一个或多个HMI设备208并经由一个或多个HMI设备208而控制。此外，注意，在一些实施例中，MCC 100内的功能模块110可以作为PLC 124的网络从机进行操作，PLC 124可以作为网络主机进行操作。在备选实施例中，网络112可以被实现为对等网络，其中，每个节点充当网络112上的对等端。

PLC程序层204包括可被体现为在PLC 124上执行的程序的数据管理过程212，并操作用于存储和检索与功能模块110的操作有关的数据。数据管理过程214经由逻辑网络连接214与MCC 100和功能模块110进行通信。换言之，逻辑网络连接214经由物理网络112将在PLC 124上运行的数据管理过程214和功能模块110逻辑耦合。

数据管理过程214还将与功能模块110的操作有关的数据存储在PLC 124存储器中，但是该数据在与功能模块110相对应的数据结构216中被组织。以下参照图6A至6C来图示这些数据结构216的示例。可以将存储用于数据管理过程212的数据结构216的PLC 124的存储空间映射至功能模块110，使得由数据结构216定义的已知存储位置实时反映功能模块110的所监视的参数的状态。同样地，可以通过将值写入到由数据结构216定义的已知存储位置来实现功能模块110的控制，该数据结构216与功能模块110的输入参数相对应。

HMI程序层206经由逻辑连接218将数据结构216中存储的值传送至人操作者和/或在HMI设备208上执行的接口程序220。接口程序220可以以操作者可容易理解的格式将该数据显示在HMI设备208上。此外，接口程序220适于从操作者接收输入，并经由数据管理过程212将操作者的选择传送至PLC 124。例如，操作者可以通过例如激活HMI设备208上的图形用户界面控制，来配置由软起动功能模块110控制和监视的用于特定电动机的功能模块，所述HMI设备208逻辑耦合至与软起动功能模块110相对应的数据结构216内的配置参数。

尽管系统200允许功能模块110的抽象和标准化，但是功能模块的控制和监视二者的响应时间均期望保持为确定性的和一致的。因此，本发明的系统100被实现为硬实时操作系统（RTOS），尽管是抽象层，但该RTOS仍可以几乎实时地对经由接口程序220接收的请求提供服务。

在操作中，数据管理过程212经由网络从MCC检索数据，并将该数据保存在PLC 124内部存储器中。HMI接口程序220经由外部网络210从PLC 124检索用于功能模块110的数据，然后将该数据显示在操作者的HMI设备208上（例如视频屏幕上）。此外，在PLC 124上执行的数据管理过程212的显示和控制是可用的。本发明适于促进HMI程序层206和PLC程序层204二者以便对来自于仅实际上安装在MCC 100中的功能模块110的数据做出反应并显示来自于仅实际上安装在MCC 100中的功能模块110的数据。换言之，丢失的或不操作的功能模块110不会导致需要操作者干预以继续或重新起动操作的不能恢复的错误。此外，系统架构200适于与来自各种制造品的广泛的多种HMI程序一起运行，而无需对MCC 100或数据管理过程212的适当了解。

现在转至图3，描绘了描绘根据现有技术的传统PLC的操作的流程图。现有技术MCC需要创建专用于MCC的PLC程序。换言之，现有技术PLC需要利用与特定MCC中使用的特定功能模块相匹配的软件而被定制编程。在步骤302、304和306中，将与PLC相连接的功能模块的硬件配置和PLC定制中针对该硬件配置的编程下载至具体MCC的PLC中。在步骤308中，起动MCC的操作。如果已经针对未实际存在于硬件配置（例如错误配置）中的功能模块下载了编程，则在步骤310中，在PLC中产生软件和/或硬件故障，这可能导致PLC在包括步骤316和318的故障处理过程314中完全停止操作。如果硬件配置包含未实际存在于网络上的功能模块的定义，则在步骤312中，产生软件和/或硬件故障，这可能导致PLC在包括步骤320和318的故障处理过程314中完全停止操作。

被适当配置的现有技术系统无法识别存在什么硬件和验证该硬件的这种不力禁止现有技术系统能够使用适于所配置的硬件的单个PLC程序。事实上，由于缺少单个可适配的PLC程序，所以典型地，强制操作者创建“模板”PLC程序，然后将硬件配置和PLC编程修改为与硬件配置相匹配。

转至图4，提供了根据本发明的对MCC进行操作的方法400。本发明提供了能够将其自身动态配置为与MCC的硬件配置相匹配的单个标准化PLC程序。在步骤402中，定义所有所附接的功能模块的硬件配置。在一些实施例中，可以基于例如功能模块标识符来自动确定所有所安装的功能模块的硬件配置。在步骤404中，将硬件配置下载至PLC。特别地，在本发明的方法400中不需要确定针对硬件配置而定制的PLC编程（图3中的步骤304）并下载该编程的步骤。

在步骤406中，在启动或重新起动时，MCC的操作开始。PLC程序询问硬件配置，然后将驻留的PLC程序配置为与在该配置中定义的硬件一起操作。PLC程序使用硬件配置，以利用包括每种类型的所遇到的功能模块的细节的数据结构的库。选择适当的数据结构和关联的程序，并且，驻留的PLC程序配置其自身。特别地，本发明去除了现有技术的步骤310（图3）和故障处理过程314（图3）。由于本发明的PLC程序将其自身配置为与硬件的配置相匹配，因此去除了检测和处理导致需要停止操作的故障所需的现有技术软件。如果在步骤408中检测到所配置的但实际上未在网络上找到的功能模块，则记录I/O错误以向监视系统指示，但是PLC程序通过循环返回至步骤406，在不发生故障的情况下继续操作。

因此，本发明给MCC的操作者提供了若干个优势。PLC程序不再需要定制的编程，并且因此，操作者具有针对所有其应用的标准化接口。这意味着：出于备份/安全原因而需要维持的PLC程序的数目被限制。维修（servicing）得到简化，这是由于可以利用标准PLC程序来快速且自动地创建硬件配置。即使在需要立即替换多个功能模块的严重硬件故障的情况下，这也确保了较短的停机时间。PLC在启动/接通电源期间读取其自身的硬件配置的能力促进了这些优势，并允许去除软件需求，例如PLC的定制编程和非标准故障处理例程。

转至图5，图示了图4的步骤406中的对MCC进行操作的细节。在步骤502中，起动PLC。在步骤504中，PLC请求MCC中安装的功能模块的列表。这是在步骤402（图4）中创建的硬件配置的一部分。在步骤506中，PLC循环通过功能模块的列表。在步骤508中，对于硬件配置中列出的每个模块，从数据结构的库中选择数据结构，并在PLC存储器中创建指针表（pointer table），从而定义要处理的网络上的有效功能模块以及如何处理这些有效功能模块。该表被填充有例如功能模块的输入/输出（I/O）地址、功能模块的I/O大小以及设备类型标识符。针对每个功能模块重复该操作，直到到达功能模块列表的末尾为止，此时，在步骤510中，PLC进入运行模式。在运行模式中，PLC主动扫描来自所有所附接的功能模块的数据。在步骤512中，PLC循环通过功能模块的列表。在步骤514中，对于所找到的每个模块，PLC软件管理PLC与功能模块之间的数据传送。如果模块不可用，则PLC进入下一模块。如果到达列表的末尾，则PLC循环返回至列表的开始。

转至图6A至6C，图示了用于不同类型的功能模块的三个示例数据结构602、604、606。这些数据结构602、604、606是在从对应的功能模块每次读取数据期间更新的复杂数据类型。此外，在一些实施例中，可以将配置数据从PLC发送回到功能模块，以在不使用外部编程软件的情况下调整配置。图6A的示例数据结构602是与电动机过载功能模块一起使用的。该示例数据结构602包括用于存储以下内容的字段：计量数据（例如电流、电压、功率等）；事件日志；诊断数据；以及设备配置数据。图6B的示例数据结构604是与软起动器功能模块一起使用的。该特定示例数据结构604包括用于存储以下内容的字段：计量数据（例如电流、电压、功率等）；事件日志；诊断数据；设备配置数据；犯错（trip）日志；错误日志；以及统计数据。图6C的数据结构605是与可变频率驱动（VFD）功能模块一起使用的。该特定示例数据结构606包括用于存储以下内容的字段：计量数据（例如电流、电压、功率等）；以及设备配置数据。可以使用许多其他数据结构格式，并且可以采用用于不同类型的功能模块的许多附加数据结构。

已经以图示的方式描述了教导的实施例。应当理解，已使用的术语意图本质上是描述的词语而不是限制的词语。

依照上述教导，实施例的许多修改和变更是可能的。因此，在所附权利要求的范围内，可以以与具体描述不同的方式实行这些实施例。

Claims (20)

1.一种对电动机控制中心进行操作的方法，包括：

确定硬件配置；

将所述硬件配置下载至可编程逻辑控制器；

基于所述硬件配置，将程序配置为在所述可编程逻辑控制器上运行；以及

执行所述程序。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述硬件配置定义在所述电动机控制中心中安装的功能模块的列表。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述功能模块包括电动机过载模块、可变频率驱动模块和软起动模块中的至少一个。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，在所述电动机控制中心中安装的功能模块包括通信端口，其用于耦合至所述电动机控制中心内的网络。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，配置所述程序包括访问数据结构的库，每个数据结构对应于在所述电动机控制中心内使用的功能模块的类型。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，配置所述程序包括在所述可编程逻辑控制器的存储空间中产生指针表，其定义所述可编程逻辑控制器能够访问的有效功能模块。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述指针表被填充有所述功能模块的输入/输出地址、以及所述功能模块的输入/输出大小以及设备类型标识符中的至少一个。

8.根据权利要求2所述的方法，其中，所述功能模块能够被所述可编程逻辑控制器使用逻辑地址来寻址。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述可编程逻辑控制器不知道所述功能模块的物理位置或地址。

10.一种电动机控制中心系统，包括：

框架，其适于提供多个功能模块槽；

汇流条，其耦合至所述框架和所述功能模块槽；

网络，其耦合至所述框架和所述功能模块槽；

可编程逻辑控制器模块，其适于耦合至功能模块槽；以及

多个功能模块，其适于耦合至功能模块槽，

其中，所述可编程逻辑控制器模块包括可编程逻辑控制器，其适于：

接收硬件配置；

将所述硬件配置下载至所述可编程逻辑控制器的存储器中；

基于所述硬件配置，将程序配置为在所述可编程逻辑控制器上运行；以及

执行所述程序。

11.根据权利要求10所述的电动机控制中心系统，其中，所述硬件配置定义在所述电动机控制中心中安装的功能模块的列表。

12.根据权利要求11所述的电动机控制中心系统，其中，所述功能模块包括电动机过载模块、可变频率驱动模块和软起动模块中的至少一个。

13.根据权利要求11所述的电动机控制中心系统，其中，在所述电动机控制中心中安装的功能模块包括通信端口，其用于耦合至所述电动机控制中心内的网络。

14.根据权利要求10所述的电动机控制中心系统，其中，配置所述程序包括访问数据结构的库，每个数据结构对应于在所述电动机控制中心内使用的功能模块的类型。

15.根据权利要求10所述的电动机控制中心系统，其中，配置所述程序包括在所述可编程逻辑控制器的存储器中产生指针表，其定义所述可编程逻辑控制器能够访问的有效功能模块。

16.根据权利要求15所述的电动机控制中心系统，其中，所述指针表被填充有所述功能模块的输入/输出地址、以及所述功能模块的输入/输出大小以及设备类型标识符中的至少一个。

17.根据权利要求11所述的电动机控制中心系统，其中，所述功能模块能够被所述可编程逻辑控制器使用逻辑地址来寻址。

18.根据权利要求17所述的电动机控制中心系统，其中，所述可编程逻辑控制器不知道所述功能模块的物理位置或地址。

19.一种用于电动机控制中心的可编程逻辑控制器模块，所述可编程逻辑控制器模块包括：

可编程逻辑控制器，其适于：

接收硬件配置；

将所述硬件配置下载至所述可编程逻辑控制器的存储器中；

基于所述硬件配置，将程序配置为在所述可编程逻辑控制器上运行；以及

执行所述程序。

20.根据权利要求20所述的可编程逻辑控制器模块，其中，所述硬件配置定义在电动机控制中心中安装的功能模块的列表。