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CN113728590A - 用于在数据传输和控制系统中使用的模块化交换机 - Google Patents

用于在数据传输和控制系统中使用的模块化交换机 Download PDF

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CN113728590A CN202080030686.2A CN202080030686A CN113728590A CN 113728590 A CN113728590 A CN 113728590A CN 202080030686 A CN202080030686 A CN 202080030686A CN 113728590 A CN113728590 A CN 113728590A
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Abstract

本发明涉及一种用于在数据传输和控制系统(10)中使用的模块化交换机(30)。该模块化交换机(30)具有以下特征：第一模块(31)，其具有支持基于以太网的通信的第一总线区段(120)和至少一个第一接口(40‑42)，在该第一接口上优选能够连接两芯或四芯或八芯的电缆(22)以传输以太网数据包；第二模块(32)，其具有支持基于以太网的通信的第二总线区段(121)和多个第二接口(50‑52)，在其上可经由2线导线(100、101)分别连接具有2线接口(91、111)的具有以太网能力的外部I/O设备(90、110)以传输以太网数据包，其中第一模块(31)和第二模块(32)分别布置在单独的壳体中并且分别具有用于电耦合第一和第二总线区段(120、121)的接口(47、53)。

Description

用于在数据传输和控制系统中使用的模块化交换机
技术领域
本发明涉及一种模块化交换机，其尤其可以用于数据传输和控制系统、诸如自动化系统中，以及具有这种模块化交换机的数据传输和控制系统。
背景技术
一般而言，自动化系统的特征在于，多个传感器和执行器可以通过传输介质与叠加的控制装置交换数据。为了结构化和简化自动化系统的安装，可以设置所谓的I/O模块，其通过传输介质与叠加的控制装置连接，其中在每个I/O模块上可以连接多个传感器和执行器。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于在数据传输和控制系统中使用的模块化交换机，其能够实现容易地缩放数据传输和控制系统，并且灵活地使数据传输和控制系统匹配于不同的传输介质和不同的通信协议。
本发明的核心思想在于，提供一种可由模块灵活地构建的交换机，其中内部通信、即在模块之间的、尤其在模块的接口或连接端口之间的通信、以及优选地与连接到模块化交换机上的外部控制装置的通信根据以太网通信协议来进行，而模块的接口和连接到这些接口上的电子或电气设备之间的通信可以通过不同的传输介质来进行。
上述技术问题一方面通过权利要求1的特征解决。
因此，提供了一种用于在数据传输和控制系统中使用的模块化交换机，其中，模块化交换机包括下列特征：
第一模块，其具有支持基于以太网的通信的第一总线区段和用于发送和接收以太网数据包的至少一个第一接口，其中所述至少一个第一接口与第一总线区段电连接，
第二模块，其具有支持基于以太网的通信的第二总线区段和多个第二接口，在所述第二接口上分别能够经由2线导线连接具有2线接口的、具有以太网能力的外部的设备，以传输以太网数据包。以这种方式，能够实现第二总线区段与相应的具有以太网能力的外部的设备之间的以太网通信。第二接口电连接到第二总线区段，其中第一模块和第二模块分别被设置在单独的壳体中并且分别具有用于电耦合第一和第二总线区段的接口。第二模块的第二接口和具有以太网能力的设备的2线接口例如可以分别是单对以太网接口，而2线导线可以构造为单对以太网导线。
要注意的是，数据传输和控制系统例如可以是工业自动化系统或楼宇技术自动化系统，并且外部的具有以太网能力的设备可以是具有以太网能力的I/O设备、例如传感器或执行器。
第一模块可以具有用于连接光纤的至少一个光学接口，其中光学接口经由光电(elektrooptisch)转换器连接到第一总线区段，和/或至少一个第一接口可以构造用于连接两芯、或四芯或八芯电缆。
根据有利的扩展方案，模块化交换机可以扩展有第三模块，该第三模块具有多个第三接口和支持基于以太网的通信的第三总线区段，其中第三接口分别构造为用于连接外部IO链路设备的IO链路接口并且分别经由网关连接到第三总线区段，其中第三模块被布置在单独的壳体中并且具有至少一个接口用于将第三总线区段电耦合到第一或第二总线区段。
根据有利的扩展方案，模块化交换机可以可选地或附加地扩展有第四模块，该第四模块具有多个第四接口和支持基于以太网的通信的第四总线区段，其中第四接口分别构造为用于连接外部无线设备的无线接口并且分别经由网关连接到第四总线区段，其中第四模块被布置在单独的壳体中并且具有至少一个用于将第四总线区段电耦合到总线区段之一的接口。
为了实现紧凑的结构方式，模块的壳体可以以侧贴侧的布置直接并排排列。模块的壳体例如可以具有机械的卡锁元件，这些卡锁元件使模块的机械接合变得容易。
根据有利的扩展方案，模块的壳体可以具有卡锁元件，借助于该卡锁元件，壳体可以卡锁在支承轨道上。
根据有利的扩展方案，模块化交换机具有内部的控制单元，该内部的控制单元被构造用于控制以太网数据包经由总线区段向接口或者从接口的传输。优选地，内部控制单元被实施在第一模块中。可以设想的是，内部控制单元也可以在模块化交换机的单独的模块、或者第二至第四模块之一中实施。
根据有利的扩展方案，第一模块可以具有用于分别连接光源导体的多个光学接口，其中光学接口分别经由光电转换器连接到第一总线区段。可以设想，附加地或可选地可以在第二、和/或第三、和/或第四和/或另外的模块中实施用于分别连接光纤的光学接口，其中每个光学接口然后通过光电转换器、即介质转换器连接到相应的总线区段。
另一方面，上述技术问题通过权利要求9的特征解决。
因此，提供了一种数据传输和控制系统，其包括至少一个根据前述权利要求1至8中的任一项所述的模块化交换机。此外，数据传输和控制系统具有经由两芯、或者四芯或者八芯电缆连接到第一模块的第一接口之一上的控制装置和至少一个具有2线接口的、具有以太网能力的设备、尤其是具有以太网能力的I/O设备，所述2线接口经由2线电缆连接到用于传输以太网数据包的模块化交换机的第二模块的第二接口之一上。
附图说明
下面借助于实施例结合唯一的附图详细阐述本发明。
具体实施方式
在附图中示出了示例性的数据传输和控制系统10，其例如可以是工业自动化系统。示例性的自动化系统10例如包括叠加的、具有以太网能力的控制装置20，该控制装置可以构造为可编程逻辑控制器(SPS)。此外，示例性的自动化系统10可以具有至少一个模块化交换机30。表述“具有以太网能力”优选理解为，构造有用于根据标准以太网通信协议进行通信的装置。
模块化交换机30具有第一模块31，该第一模块31具有第一总线区段120和至少一个基于以太网的第一接口，但优选具有多个基于以太网的第一接口40至42，在这些接口上分别可连接用于连接外部电子设备的两芯、或四芯或八芯的电缆22。第一接口40至42电连接到第一总线区段120。优选地，可以经由第一总线区段120和所述两芯、或四芯或八芯的电缆传输根据标准以太网通信协议的以太网数据包。三个第一接口40至42例如可以构造为RJ45插座。控制装置20具有基于以太网的接口21。因此，为了发送和接收以太网数据包，控制装置20例如可以经由两芯或四芯或八芯的电缆22与第一模块31的第一接口40电连接。
在所示的实施例中，第一模块31也可以具有用于分别连接光纤的光学接口43和44。两个光学接口43和44分别通过光电(elektrooptisch)转换器45或46与第一总线区段120连接。光电转换器在此起到介质转换器的作用。
模块化交换机30包括第二模块32，该第二模块具有第二总线区段121和多个第二接口50至52，其上能够分别经由2线导线连接带有2线接口的、外部的、具有以太网能力的设备，尤其是具有以太网能力的I/O设备。第二接口50至52分别连接到第二总线区段121上并且可以实施双线转换器的功能，以便将经由2线导线接收的以太网数据包转换用于经由四芯或八芯导线传输，并且反之亦然。
示出了两个外部的、具有以太网能力的I/O设备90、110，其分别具有2线接口91或111。2线接口91和111可以被构造为RJ45插座，其中接口91可以经由2线导线100连接到I/O设备90，并且接口111经由2线导线101连接到I/O设备110。具有以太网能力的I/O设备90可以是温度传感器，而具有以太网能力的I/O设备110例如可以是执行器。以太网数据包可以经由第二总线区段121和2线导线100和101传输。第二模块32的第二接口50至52和具有以太网能力的设备90或110的2线接口91和111例如可以分别是单对以太网接口，而2线导线100和101可以分别构造为单对以太网导线。
第一模块31和第二模块32各自被布置在单独的壳体中并且各自具有接口47或53，用于将第一总线区段电耦合到第二总线区段。接口47终结第一总线区段120，而接口53终结第二总线区段121。接口47和53如此布置在相对的壳体侧上，使得模块31和32的壳体能够以侧贴侧的布置直接并排排列，并且两个总线区段120和121在装配状态中彼此电连接。第二总线区段121在其第二端连接到另一个接口54，该接口54布置在壳体的相对侧上并且构造用于电耦合到另一个模块的总线区段。
模块化交换机10可以扩展有第三模块33，该第三模块可以例如连接到第二模块32，但是也可以连接到第一模块31。第三模块33具有多个第三接口60、63以及第三总线区段122，经由第三总线区段122优选可以根据标准以太网通信协议传输以太网数据包。第三接口60、63分别构造为IO链路接口，在其上能够分别连接外部的IO链路设备。IO链路设备可以是能够与叠加的控制装置20通信的智能传感器或执行器。IO链路接口60经由网关61电连接到第三总线区段，而另一IO链路接口63经由网关62电连接到第三总线区段122。也可想到，IO链路接口60和网关61、或者IO链路接口63和网关62分别形成单个组件。当然，第三模块33也可具有多于两个的IO链路接口。网关61和62尤其是用作协议转换器，其将IO链路通信协议转换成以太网通信协议并且反之亦然，从而IO链路设备可以经由模块式交换机30与叠加的具有以太网能力的控制装置20交换数据。
第三模块33又被布置在单独的壳体中并且具有终结第三总线区段122的接口64，用于电耦合到例如第二模块32的第二总线区段121。接口64和54这样设置在相对置的壳体侧上，使得模块32和33的壳体能够在侧贴侧的布置中直接并排排列，并且两个总线区段121和122在装配状态下相互电连接。第三总线区段122在其第二端连接到另一个接口65，接口65设置在壳体的相对侧上并且构造用于电耦合到另一个模块的总线区段。
在所示的实施例中，模块化交换机30可以扩展有第四模块34，该第四模块例如可以与第三模块33连接。第四模块34具有多个第四接口70、73以及第四总线区段123。第四接口70、73可以被构造为无线接口，在其上可以分别连接外部的无线电设备。无线接口70和73可以经由网关71或网关72电连接到第四总线区段123。也可以考虑，无线接口70和网关71、或者无线接口73和网关72分别形成单个组件。当然，第四模块34也可具有多于两个的无线接口。网关71和72又尤其用作协议转换器，其将无线或无线电通信协议转换成以太网通信协议并且反之亦然，使得无线设备能够与叠加的具有以太网能力的控制装置20经由模块化交换机30交换数据。
第四模块34又被布置在单独的壳体中并且具有终结第四总线区段123的接口74，用于电耦合到例如第三模块33的第三总线区段122。接口74和65这样设置在相对置的壳体侧上，使得模块33和34的壳体能够以侧贴侧的布置直接并排排列，并且两个总线区段122和123在装配状态下相互电连接。第四总线区段123在其第二端连接到另一个接口75，该接口75布置在壳体的相对侧上，并构造用于电耦合到另一个模块的总线区段。
为了能够为模块31至34及其电气和/或电子构件供给能量，可以设置另外的模块35，该模块35例如可以与模块34耦合。模块35除了另外的总线区段124之外还具有两个接头，例如外部的24V直流电源可以连接到这两个接头上。高效的实现方案规定，通过总线区段120至124也可以将供电电压传输给相应的模块。在这种情况下，两个接头80和81与总线区段124电连接。总线区段124可以在两端分别与接口83或82连接，以便能够与相邻模块的总线区段电连接。
模块31至35的壳体可以具有卡锁元件，从而模块的壳体也可以机械地相互耦联。在模块31至35的组装状态下，总线区段120至124形成用于传输以太网数据包并且必要时用于传输能量的总线。
有利地，模块31至35的壳体可具有用于卡锁在支承轨道(未示出)上的卡锁器件。在这种情况下，总线区段120至124平行于支承轨道的纵轴延伸。
为了能够在叠加的控制装置20和连接在第一接口40至42、和/或光学接口43和44、和/或第二接口50至52、和/或第三接口60、63、和/或第四接口70、73上的I/O设备之间交换数据，设置有交换机内部的控制单元48，其被构造用于控制经由总线区段120至123传输的以太网数据包向相应接口或相应网关的转发。优选地，内部的控制单元48被布置在第一模块31中。
示例性地在附图中示出的数据传输和控制系统10因此例如具有模块化交换机30、能通过四芯或八芯的电缆22连接到模块化交换机20的接口40的具有以太网能力的控制装置20、以及两个具有以太网能力的I/O设备90和110，所述I/O设备分别通过相应的2线导线100或101连接到第二模块32的接口51和52。
如已经提到的，具有以太网能力的I/O设备90可以是温度传感器，该温度传感器在控制单元92的控制下将数字测量值打包成以太网数据包并且可以经由2线以太网接口91、2线导线100、第二接口51和两个总线区段121和120以及经由第一接口40传输到叠加的控制装置20，其中控制单元92例如可以被构造为微控制器。
由于模块化构造的交换机30，数据传输和控制系统10在可用的传输介质和可用的通信协议方面具有高度灵活性，并且具有高度可缩放性。此外，由于模块化交换机30，数据传输和控制系统10以及由此尤其是工业自动化系统可以在不使用I/O模块的情况下被安装，I/O现场设备通常被连接到该I/O模块上。

Claims (10)

1.用于在数据传输和控制系统(10)中使用的模块化交换机(30)，其中所述模块化交换机(30)具有以下特征：
第一模块(31)，其具有支持基于以太网的通信的第一总线区段(120)和至少一个用于发送和接收以太网数据包的第一接口(40-42)，其中所述至少一个第一接口(40-42)与第一总线区段(120)电连接，
第二模块(32)，其具有支持基于以太网的通信的第二总线区段(121)和多个第二接口(50-52)，在所述第二接口上能够经由2线导线(100、101)分别连接具有2线接口(91、111)的、具有以太网能力的外部的设备(90、110)以传输以太网数据包，其中
所述第二接口(50-52)与第二总线区段(121)电连接，其中
所述第一模块(31)和第二模块(32)分别布置在单独的壳体中并且分别具有用于电耦合第一总线区段和第二总线区段(120、121)的接口(47、53)。
2.根据权利要求1所述的模块化交换机，
其特征在于，
所述第一模块(31)具有用于连接光纤的至少一个光学接口(43、44)，其中所述光学接口(43、44)经由光电转换器(45、46)与所述第一总线区段(120)相连，和/或其中所述至少一个第一接口(40-42)构造用于连接两芯、或者四芯或者八芯的电缆(22)。
3.根据权利要求1或2所述的模块化交换机，
其特征在于，
第三模块(33)，其具有多个第三接口(60、63)和支持基于以太网的通信的第三总线区段(122)，其中所述第三接口(60、63)分别被构造为用于连接外部IO链路设备的IO链路接口并且分别通过网关(61、62)与第三总线区段(122)连接，其中所述第三模块(33)被布置在单独的壳体中并且具有至少一个接口(64、65)，所述接口用于将第三总线区段(122)与第一总线区段或第二总线区段(120、121)电耦合。
4.根据权利要求1、2或3所述的模块化交换机，
其特征在于，
第四模块(34)，其具有多个第四接口(70、73)和支持基于以太网的通信的第四总线区段(123)，其中所述第四接口(70、73)分别被构造为用于连接外部无线设备的无线接口，并且分别通过网关(71、72)与所述第四总线区段(123)连接，其中所述第四模块(34)被布置在单独的壳体中并且具有至少一个接口(74、75)，所述接口用于将所述第四总线区段(123)与总线区段(120-122)之一电耦合。
5.根据权利要求1至4之一所述的模块化交换机，
其特征在于，
模块的壳体能够以侧贴侧的布置并排排列。
6.根据权利要求1至5之一所述的模块化交换机，
其特征在于，
模块的壳体能够卡锁在支承轨道上。
7.根据前述权利要求之一所述的模块化交换机，
其特征在于，
内部控制单元(48)，其构造用于控制以太网数据包经由总线区段(120-123)到接口(40-44；50-52；60、63；70、73)的传输或从接口(40-44；50-52；60、63；70、73)的传输。
8.根据权利要求7所述的模块化交换机，
其特征在于，所述内部控制单元(48)实施在所述第一模块(31)中。
9.数据传输和控制系统(10)，其包括：
至少一个根据上述权利要求之一所述的模块化交换机(30)，
控制装置(20)和至少一个具有2线接口(91、111)的、具有以太网能力的设备(90、110)，所述控制装置通过两芯、或四芯或八芯的电缆(22)连接在第一模块(31)的第一接口(40)之一上，所述设备通过2线电缆(100、101)连接在第二模块(32)的第二接口(51、52)之一上，以传输以太网数据包。
10.根据权利要求9所述的数据传输和控制系统(10)，
其特征在于，
具有以太网能力的所述设备(90、110)是具有以太网能力的I/O设备。
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