專利名稱：：用于改進的電動機控制中心的方法和裝置的制作方法
技術領域：
：本發明總體涉及電動機控制中心，并且更具體地涉及使用可編程邏輯控制器對電動機控制中心組件進行控制和監視。
背景技術：
：電動機控制中心(MCC)用于提供對大型工業電動機(例如，在制造機器人和重型機器時使用的那些電動機)的模塊化、集中式控制。典型地，MCC包括各種不同類型的功能單元或模塊，例如電動機過載傳感器、軟起動器、可變頻率驅動器等。功能模塊容納在集中式封裝中并耦合至對應的電動機。這種MCC及其組件模塊被設計為非常可靠，非常快速且盡可能便宜。特別地，由于涉及高功率切換，所以MCC必須可靠以便安全。此外，典型地，MCC被用在實時應用中，并且因此，MCC必須具有非常快速且一致的響應時間。傳統地，為了滿足這些需求，已經將MCC保持為非常簡單，并且已經將處理能力限于可利用相對簡單的邏輯和確定性的響應時間實現的基本功能。然而，存在對電動機的更精密的監視和控制以及在MCC內使用的各種類型的功能單元的需要。
發明內容本發明的實施例總體涉及用于對MCC進行操作的方法和裝置，并且更具體地，涉及用于對MCC進行監視和控制的控制器的操作。在一些實施例中，本發明提供了一種對電動機控制中心進行操作的方法。所述方法包括確定硬件配置；將所述硬件配置下載至可編程邏輯控制器；基于所述硬件配置，將程序配置為在所述可編程邏輯控制器上運行；以及執行所述程序。在一些其他實施例中，本發明提供了一種電動機控制中心系統。所述電動機控制中心系統包括框架，其適于提供多個功能模塊槽；匯流條，其耦合至所述框架和所述功能模塊槽；網絡，其耦合至所述框架和所述功能模塊槽；可編程邏輯控制器模塊，其適于耦合至功能模塊槽；以及多個功能模塊，其適于耦合至功能模塊槽。所述可編程邏輯控制器模塊包括可編程邏輯控制器，其適于接收硬件配置；將所述硬件配置下載至所述可編程邏輯控制器的存儲器中；基于所述硬件配置，將程序配置為在所述可編程邏輯控制器上運行；以及執行所述程序。在還有一些其他實施例中，本發明提供了一種用于電動機控制中心的可編程邏輯控制器模塊。所述可編程邏輯控制器模塊包括可編程邏輯控制器，所述可編程邏輯控制器適于接收硬件配置；將所述硬件配置下載至所述可編程邏輯控制器的存儲器中；基于所述硬件配置，將程序配置為在所述可編程邏輯控制器上運行；以及執行所述程序。本發明的這些和其他特征和方面將從示例性實施例的以下詳細描述、所附權利要求和附圖變得更加完全顯而易見。本領域普通技術人員將理解，以下描述的附圖僅用于圖示目的。附圖并不意圖以任何方式限制本教導的范圍。圖1是根據本發明的一些實施例的示例電動機控制中心的示意圖。圖IA是根據本發明的一些實施例的示例可編程邏輯控制器模塊的放大示意圖。圖2是描繪根據本發明的一些實施例的包括可編程邏輯控制器模塊的電動機控制中心的系統架構的示例的框圖。圖3是描繪根據現有技術的對傳統可編程邏輯控制器進行操作的傳統方法的流程圖。圖4是描繪根據本發明的一些實施例的對可編程邏輯控制器進行操作的示例方法的流程圖。圖5是描繪根據本發明的一些實施例的圖4的流程圖的操作MCC功能的細節的流程圖。圖6A、6B和6C是描繪根據本發明的一些實施例的與各種類型的功能模塊一起使用的示例數據結構的表示的框圖。具體實施例方式為了解釋本說明書，每當在適當時，以單數使用的術語也將包括復數，并且反之亦然。對“或”的使用意圖表示“和/或”，除非另有聲明。這里對“一”的使用意圖表示“一個或多個”，除非另有聲明或者在對“一個或多個”的使用明顯不合適的情況下。對“包括”、“包含”、“包括在內”、“包含在內”、“將其包括在內”的使用可互換，而并不意圖限制。此外，在一個或多個實施例的描述使用術語“包括”的情況下，本領域普通技術人員將理解，在一些具體實例中，備選地，可以使用語言“實質上由……構成”和/或“由……構成”來描述一個或多個實施例。盡管結合各種實施例來描述本教導，但是并不意圖將本教導限于這些實施例。相反，本領域普通技術人員將理解，本教導包含各種備選、修改和等同物。本發明提供了對MCC進行操作的改進方法。根據本發明的實施例，提供了一種可編程邏輯控制器(PLC)，其適于檢測功能模塊的存在或不存在并對其做出反應，并且即使在一個或多個功能模塊丟失、誤配置或不操作的情況下仍繼續對MCC進行操作。此外，PLC執行程序，該程序適于將MCC動態地配置為使用檢測到的功能模塊。該程序能夠利用預定義數據結構的庫，這些預定義數據結構中的每一個與不同功能模塊相對應并對與這些功能模塊的通信和這些功能模塊的控制進行標準化。因此，第三方接口軟件可以以與應用程序可經由軟件應用編程接口(API)訪問更低級別程序的方式類似的方式訪問和控制這些功能模塊。然而，與這種傳統軟件系統不同，本發明適于促進在預定義時間幀(timeframe)內的實時環境中訪問和控制功能模塊硬件。轉至圖1，描繪了示例電動機控制中心100。示例MCC100包括框架102(例如，用于安裝組件的垂直結構)，該框架102可以是例如所安裝的墻、天花板、地板或支架。框架102容納三相匯流條(未示出)，該三相匯流條可以跨越框架102的長度并促進功率分配。在一些實施例中，附加地，匯流條可以在例如MCC100的頂部部分104中水平地跨越MCC100，而MCC100的底部部分106可以包括用于布線安裝的訪問區。在一些實施例中，該布置可以被反向，和/或，水平匯流條和訪問區二者可以彼此相鄰地設置在MCC100的任一端處。功能模塊槽108(僅一個利用參考數字來標記)是沿框架102的長度而設置的。在一些實施例中，功能模塊槽108可以以多個垂直列(例如，在圖1的示例中示出了兩個列)來布置。槽108適于容納功能模塊110(也被稱作可配置單元或桶(bucket))。功能模塊110(在圖1中僅一個利用參考數字來標記)可以包括各種不同類型。例如，功能模塊110可以包括電動機過載傳感器、軟起動器電路、可變頻率驅動器、低壓斷路器、功率監視電路等。這種功能模塊110的示例包括模型SIM0C0DE(電動機過載傳感器)、模型MM440(可變頻率驅動器)、模型3RW44(軟起動器電路)、模型3WL(低壓電路斷路器)以及模型PAC3200和9300(功率監視設備)，其中的每一個模型由總部位于喬治亞州的Alpharetta的SiemensEnergy&Automation有限公司制造并且商業上可以從其獲得。在一些實施例中，槽108和對應的功能模塊110可以具有標準化的尺度(例如12或18英寸高)和形狀因子，以促進硬件的模塊性。換言之，MCC100可以適于允許功能模塊110中的任一個被插入到槽108中的任一個上。通過將功能模塊110插入到槽108中，來建立MCC100與功能模塊110之間的連接。這可以包括與匯流條以及網絡112(例如數據網絡)二者的連接，其將所有槽108耦合在一起以促進與所安裝的功能模塊110的通信。因此，功能模塊可以包括通信設施(例如，網絡通信端口、串行端口、以太網端口、USB端口等)。網絡112可以被設置在跨越框架102的長度的一個或多個線槽(wire-Way)114內。在一些實施例中，線槽114可以沿著MCC100的邊和/或在MCC100的中間設置。此外，線槽還可以包含從功能模塊110至現場中的電動機的布線。現在考慮圖1和圖IA二者，MCC100還包括可被插入到槽108中的PLC模塊116。注意，放大了圖IA所描繪的PLC模塊116以示出PLC模塊116的細節。在一些實施例中，可以將PLC模塊116插入到任何槽108中，而在其他實施例中，可以針對PLC模塊116提供特殊槽108。PLC模塊116可以包括若干個組件。例如，PLC模塊116可以包括耦合至網絡112以及外部網絡(未示出)的端子118。在一些實施例中，外部網絡可以是以太網網絡或其他類型的網絡。端子118還可以包括用于將PLC模塊116耦合至電動機的功率端子。功率端子可以包括短路保護保險絲120。還可以包括用于PLC124自身的電源122。例如，PLC124可以是由SiemensEnergy&Automation有限公司制造并商業上可從其獲得的模型S7-315-2DP/PN。PLC124包括以下將更詳細描述的用于存儲和執行PLC程序的控制器和內部存儲器。在一些實施例中，可以將功能模塊110插入到任何可用槽108中，并且MCC可以使用邏輯地址而不是物理地址來對功能模塊110進行尋址。對邏輯尋址的使用促進功能模塊110的自動化配置。因此，在這些實施例中，硬件配置定義無需指定功能模塊110的物理位置。在操作中，功能模塊110適于在無需對與MCC100相連接的電動機斷電的情況下被插入槽108和從槽108移除。可以經由人機界面(HMI)210(參見圖2)來實現PLC124的控制，該人機界面(HMI)210經由外部網絡耦合至PLC124。如以下將更詳細解釋的那樣，PLC124適于經由網絡112從功能模塊110檢測和收集數據。PLC124還被設計為從HMI210接收控制信息并使用該控制信息來對功能模塊110進行操作和/或監視。現在轉至圖2，描繪了MCC100的示例系統架構200。在一些實施例中，系統200可以被視為三層堆疊，其具有底部上的硬件層202、硬件層202之上的PLC程序層204、以及PLC程序層204頂部上的HMI程序層206。在所示的示例系統200中，每個層提供了其下的層的抽象，以對與MCC耦合的電動機的控制和監視進行標準化和簡化。因此，PLC程序層204向硬件層202提供編程接口，并且HMI程序層206向PLC程序層204提供編程接口。換言之，簡化了本發明的MCC的使用，這是由于無需對與所訪問的層以下的層進行交互的細節的了解。所訪問的層關注這些細節，并且簡單地返回所請求的值或實現對所請求的動作的執行。如參照圖1和IA所討論的那樣，硬件包括MCC100，該MCC100可以包括經由網絡112可操作地耦合至PLC124的多個各種不同類型的功能模塊110。此外如上所述，MMC100可以經由外部網絡210耦合至HMI設備208(例如計算機終端、個人計算機等)。外部網絡210適于允許HMI設備208與PLC124之間的數據傳送。注意，盡管在圖2中示出了僅一個MCC100和一個HMI設備208，但是在一些實施例中，多個MMC100可以耦合至一個或多個HMI設備208并經由一個或多個HMI設備208而控制。此外，注意，在一些實施例中，MCC100內的功能模塊110可以作為PLC124的網絡從機進行操作，PLC124可以作為網絡主機進行操作。在備選實施例中，網絡112可以被實現為對等網絡，其中，每個節點充當網絡112上的對等端。PLC程序層204包括可被體現為在PLC124上執行的程序的數據管理過程212，并操作用于存儲和檢索與功能模塊110的操作有關的數據。數據管理過程214經由邏輯網絡連接214與MCC100和功能模塊110進行通信。換言之，邏輯網絡連接214經由物理網絡112將在PLC124上運行的數據管理過程214和功能模塊110邏輯耦合。數據管理過程214還將與功能模塊110的操作有關的數據存儲在PLC124存儲器中，但是該數據在與功能模塊110相對應的數據結構216中被組織。以下參照圖6A至6C來圖示這些數據結構216的示例。可以將存儲用于數據管理過程212的數據結構216的PLC124的存儲空間映射至功能模塊110，使得由數據結構216定義的已知存儲位置實時反映功能模塊110的所監視的參數的狀態。同樣地，可以通過將值寫入到由數據結構216定義的已知存儲位置來實現功能模塊110的控制，該數據結構216與功能模塊110的輸入參數相對應。HMI程序層206經由邏輯連接218將數據結構216中存儲的值傳送至人操作者和/或在HMI設備208上執行的接口程序220。接口程序220可以以操作者可容易理解的格式將該數據顯示在HMI設備208上。此外，接口程序220適于從操作者接收輸入，并經由數據管理過程212將操作者的選擇傳送至PLC124。例如，操作者可以通過例如激活HMI設備208上的圖形用戶界面控制，來配置由軟起動功能模塊110控制和監視的用于特定電動機的功能模塊，所述HMI設備208邏輯耦合至與軟起動功能模塊110相對應的數據結構216內的配置參數。盡管系統200允許功能模塊110的抽象和標準化，但是功能模塊的控制和監視二者的響應時間均期望保持為確定性的和一致的。因此，本發明的系統100被實現為硬實時操作系統(RT0S)，盡管是抽象層，但該RTOS仍可以幾乎實時地對經由接口程序220接收的請求提供服務。在操作中，數據管理過程212經由網絡從MCC檢索數據，并將該數據保存在PLC124內部存儲器中。HMI接口程序220經由外部網絡210從PLC124檢索用于功能模塊110的數據，然后將該數據顯示在操作者的HMI設備208上(例如視頻屏幕上)。此外，在PLC124上執行的數據管理過程212的顯示和控制是可用的。本發明適于促進HMI程序層206和PLC程序層204二者以便對來自于僅實際上安裝在MCC100中的功能模塊110的數據做出反應并顯示來自于僅實際上安裝在MCC100中的功能模塊110的數據。換言之，丟失的或不操作的功能模塊110不會導致需要操作者干預以繼續或重新起動操作的不能恢復的錯誤。此外，系統架構200適于與來自各種制造品的廣泛的多種HMI程序一起運行，而無需對MCC100或數據管理過程212的適當了解。現在轉至圖3，描繪了描繪根據現有技術的傳統PLC的操作的流程圖。現有技術MCC需要創建專用于MCC的PLC程序。換言之，現有技術PLC需要利用與特定MCC中使用的特定功能模塊相匹配的軟件而被定制編程。在步驟302、304和306中，將與PLC相連接的功能模塊的硬件配置和PLC定制中針對該硬件配置的編程下載至具體MCC的PLC中。在步驟308中，起動MCC的操作。如果已經針對未實際存在于硬件配置(例如錯誤配置)中的功能模塊下載了編程，則在步驟310中，在PLC中產生軟件和/或硬件故障，這可能導致PLC在包括步驟316和318的故障處理過程314中完全停止操作。如果硬件配置包含未實際存在于網絡上的功能模塊的定義，則在步驟312中，產生軟件和/或硬件故障，這可能導致PLC在包括步驟320和318的故障處理過程314中完全停止操作。被適當配置的現有技術系統無法識別存在什么硬件和驗證該硬件的這種不力禁止現有技術系統能夠使用適于所配置的硬件的單個PLC程序。事實上，由于缺少單個可適配的PLC程序，所以典型地，強制操作者創建“模板”PLC程序，然后將硬件配置和PLC編程修改為與硬件配置相匹配。轉至圖4，提供了根據本發明的對MCC進行操作的方法400。本發明提供了能夠將其自身動態配置為與MCC的硬件配置相匹配的單個標準化PLC程序。在步驟402中，定義所有所附接的功能模塊的硬件配置。在一些實施例中，可以基于例如功能模塊標識符來自動確定所有所安裝的功能模塊的硬件配置。在步驟404中，將硬件配置下載至PLC。特別地，在本發明的方法400中不需要確定針對硬件配置而定制的PLC編程(圖3中的步驟304)并下載該編程的步驟。在步驟406中，在啟動或重新起動時，MCC的操作開始。PLC程序詢問硬件配置，然后將駐留的PLC程序配置為與在該配置中定義的硬件一起操作。PLC程序使用硬件配置，以利用包括每種類型的所遇到的功能模塊的細節的數據結構的庫。選擇適當的數據結構和關聯的程序，并且，駐留的PLC程序配置其自身。特別地，本發明去除了現有技術的步驟3108(圖3)和故障處理過程314(圖3)。由于本發明的PLC程序將其自身配置為與硬件的配置相匹配，因此去除了檢測和處理導致需要停止操作的故障所需的現有技術軟件。如果在步驟408中檢測到所配置的但實際上未在網絡上找到的功能模塊，則記錄I/O錯誤以向監視系統指示，但是PLC程序通過循環返回至步驟406，在不發生故障的情況下繼續操作。因此，本發明給MCC的操作者提供了若干個優勢。PLC程序不再需要定制的編程，并且因此，操作者具有針對所有其應用的標準化接口。這意味著出于備份/安全原因而需要維持的PLC程序的數目被限制。維修(servicing)得到簡化，這是由于可以利用標準PLC程序來快速且自動地創建硬件配置。即使在需要立即替換多個功能模塊的嚴重硬件故障的情況下，這也確保了較短的停機時間。PLC在啟動/接通電源期間讀取其自身的硬件配置的能力促進了這些優勢，并允許去除軟件需求，例如PLC的定制編程和非標準故障處理例程。轉至圖5，圖示了圖4的步驟406中的對MCC進行操作的細節。在步驟502中，起動PLC。在步驟504中，PLC請求MCC中安裝的功能模塊的列表。這是在步驟402(圖4)中創建的硬件配置的一部分。在步驟506中，PLC循環通過功能模塊的列表。在步驟508中，對于硬件配置中列出的每個模塊，從數據結構的庫中選擇數據結構，并在PLC存儲器中創建指針表(pointertable)，從而定義要處理的網絡上的有效功能模塊以及如何處理這些有效功能模塊。該表被填充有例如功能模塊的輸入/輸出(I/O)地址、功能模塊的I/O大小以及設備類型標識符。針對每個功能模塊重復該操作，直到到達功能模塊列表的末尾為止，此時，在步驟510中，PLC進入運行模式。在運行模式中，PLC主動掃描來自所有所附接的功能模塊的數據。在步驟512中，PLC循環通過功能模塊的列表。在步驟514中，對于所找到的每個模塊，PLC軟件管理PLC與功能模塊之間的數據傳送。如果模塊不可用，則PLC進入下一模塊。如果到達列表的末尾，則PLC循環返回至列表的開始。轉至圖6A至6C，圖示了用于不同類型的功能模塊的三個示例數據結構602、604、606。這些數據結構602、604、606是在從對應的功能模塊每次讀取數據期間更新的復雜數據類型。此外，在一些實施例中，可以將配置數據從PLC發送回到功能模塊，以在不使用外部編程軟件的情況下調整配置。圖6A的示例數據結構602是與電動機過載功能模塊一起使用的。該示例數據結構602包括用于存儲以下內容的字段計量數據(例如電流、電壓、功率等)；事件日志；診斷數據；以及設備配置數據。圖6B的示例數據結構604是與軟起動器功能模塊一起使用的。該特定示例數據結構604包括用于存儲以下內容的字段計量數據(例如電流、電壓、功率等)；事件日志；診斷數據；設備配置數據；犯錯(trip)日志；錯誤日志；以及統計數據。圖6C的數據結構605是與可變頻率驅動(VFD)功能模塊一起使用的。該特定示例數據結構606包括用于存儲以下內容的字段計量數據(例如電流、電壓、功率等)；以及設備配置數據。可以使用許多其他數據結構格式，并且可以采用用于不同類型的功能模塊的許多附加數據結構。已經以圖示的方式描述了教導的實施例。應當理解，已使用的術語意圖本質上是描述的詞語而不是限制的詞語。依照上述教導，實施例的許多修改和變更是可能的。因此，在所附權利要求的范圍內，可以以與具體描述不同的方式實行這些實施例。權利要求1.一種對電動機控制中心進行操作的方法，包括確定硬件配置；將所述硬件配置下載至可編程邏輯控制器；基于所述硬件配置，將程序配置為在所述可編程邏輯控制器上運行；以及執行所述程序。2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述硬件配置定義在所述電動機控制中心中安裝的功能模塊的列表。3.根據權利要求2所述的方法，其中，所述功能模塊包括電動機過載模塊、可變頻率驅動模塊和軟起動模塊中的至少一個。4.根據權利要求2所述的方法，其中，在所述電動機控制中心中安裝的功能模塊包括通信端口，其用于耦合至所述電動機控制中心內的網絡。5.根據權利要求1所述的方法，其中，配置所述程序包括訪問數據結構的庫，每個數據結構對應于在所述電動機控制中心內使用的功能模塊的類型。6.根據權利要求1所述的方法，其中，配置所述程序包括在所述可編程邏輯控制器的存儲空間中產生指針表，其定義所述可編程邏輯控制器能夠訪問的有效功能模塊。7.根據權利要求6所述的方法，其中，所述指針表被填充有所述功能模塊的輸入/輸出地址、以及所述功能模塊的輸入/輸出大小以及設備類型標識符中的至少一個。8.根據權利要求2所述的方法，其中，所述功能模塊能夠被所述可編程邏輯控制器使用邏輯地址來尋址。9.根據權利要求8所述的方法，其中，所述可編程邏輯控制器不知道所述功能模塊的物理位置或地址。10.一種電動機控制中心系統，包括框架，其適于提供多個功能模塊槽；匯流條，其耦合至所述框架和所述功能模塊槽；網絡，其耦合至所述框架和所述功能模塊槽；可編程邏輯控制器模塊，其適于耦合至功能模塊槽；以及多個功能模塊，其適于耦合至功能模塊槽，其中，所述可編程邏輯控制器模塊包括可編程邏輯控制器，其適于接收硬件配置；將所述硬件配置下載至所述可編程邏輯控制器的存儲器中；基于所述硬件配置，將程序配置為在所述可編程邏輯控制器上運行；以及執行所述程序。11.根據權利要求10所述的電動機控制中心系統，其中，所述硬件配置定義在所述電動機控制中心中安裝的功能模塊的列表。12.根據權利要求11所述的電動機控制中心系統，其中，所述功能模塊包括電動機過載模塊、可變頻率驅動模塊和軟起動模塊中的至少一個。13.根據權利要求11所述的電動機控制中心系統，其中，在所述電動機控制中心中安裝的功能模塊包括通信端口，其用于耦合至所述電動機控制中心內的網絡。14.根據權利要求10所述的電動機控制中心系統，其中，配置所述程序包括訪問數據結構的庫，每個數據結構對應于在所述電動機控制中心內使用的功能模塊的類型。15.根據權利要求10所述的電動機控制中心系統，其中，配置所述程序包括在所述可編程邏輯控制器的存儲器中產生指針表，其定義所述可編程邏輯控制器能夠訪問的有效功能模塊。16.根據權利要求15所述的電動機控制中心系統，其中，所述指針表被填充有所述功能模塊的輸入/輸出地址、以及所述功能模塊的輸入/輸出大小以及設備類型標識符中的至少一個。17.根據權利要求11所述的電動機控制中心系統，其中，所述功能模塊能夠被所述可編程邏輯控制器使用邏輯地址來尋址。18.根據權利要求17所述的電動機控制中心系統，其中，所述可編程邏輯控制器不知道所述功能模塊的物理位置或地址。19.一種用于電動機控制中心的可編程邏輯控制器模塊，所述可編程邏輯控制器模塊包括可編程邏輯控制器，其適于接收硬件配置；將所述硬件配置下載至所述可編程邏輯控制器的存儲器中；基于所述硬件配置，將程序配置為在所述可編程邏輯控制器上運行；以及執行所述程序。20.根據權利要求20所述的可編程邏輯控制器模塊，其中，所述硬件配置定義在電動機控制中心中安裝的功能模塊的列表。全文摘要提供了用于對電動機控制中心進行操作的方法、裝置和系統。本發明包括確定電動機控制中心內的功能模塊的硬件配置；將所述硬件配置下載至可編程邏輯控制器；基于所述硬件配置，將程序配置為在所述可編程邏輯控制器上運行；以及執行所述程序。公開了許多附加方面。文檔編號G05B19/042GK102483616SQ201080040252公開日2012年5月30日申請日期2010年7月9日優先權日2009年7月9日發明者S.埃爾-迪納里A.,E.鮑威爾B.,R.赫拉喬維克D.,A.肯吉J.,A.梅迪納-里奧斯P.,R.梅爾拉普迪S.申請人:西門子工業公司