專利名稱：改進的控制系統(tǒng)仿真器及簡化的互連控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于物理過程的計算機仿真器(“過程仿真器”或“仿真器”)，更具體地，特別涉及以下改進簡化仿真器的布線，減少實施仿真器所需的組件的數(shù)量，以及縮短實施所需的時間長度。本發(fā)明可廣泛地應(yīng)用于各種類型的過程，包括但不限于化學過程、熱過程和機械過程。
背景技術(shù)：
物理過程的計算機仿真廣泛用于工程系統(tǒng)，以開發(fā)新的過程或測試，并優(yōu)化基于 計算機的控制系統(tǒng)的運作。因此，制造用于加工硅晶片的工具的制造商可采用仿真器來運行工具控制系統(tǒng)，從而避免需要使用真實的產(chǎn)品來運行該工具，這可節(jié)省在工具開發(fā)和測試中的時間和金錢。例如，如果一種復雜的半導體晶片加工工具設(shè)計成在真空下加熱硅晶片，然后將硅晶片暴露于多種氣體中，以產(chǎn)生薄膜涂層，那么控制系統(tǒng)必須采用大量傳感器和致動器來實現(xiàn)該加工的目標。因此，該控制系統(tǒng)可能會啟動閥門以隔離處理室，開動泵以排空該處理室，然后在啟動加熱系統(tǒng)之前檢測真空水平，以使得該晶片可嚴格加熱至精確的溫度。一旦晶片達到初始的處理溫度，該工具控制系統(tǒng)會啟動一個或多個質(zhì)量流量控制器，以導入精確的反應(yīng)氣體的混合物。接著控制系統(tǒng)會打開電源，以產(chǎn)生可增強氣體反應(yīng)的等離子體，并最終在晶片上生成膜。在該加工的最后，工具控制系統(tǒng)會關(guān)掉等離子體，關(guān)閉質(zhì)量流量控制器，關(guān)掉閥門，關(guān)閉加熱器，以及使晶片冷卻和再次達到大氣壓強，以便接著將晶片傳送至復雜的半導體加工工藝的下一步。為了優(yōu)化上述的復雜的加工工藝，該半導體加工工具的設(shè)計者必須組裝硬件和編寫軟件，以使該工具按順序進行加工工藝的各個步驟。為了減少貴重的晶片的浪費以及避免使用有毒氣體和有潛在危險的電能時發(fā)生意外，該工具的設(shè)計者會嘗試采用若干方法來模擬該物理過程?！N簡單的用于模擬物理過程的方法是在控制系統(tǒng)軟件程序中嵌入子程序，這些子程序可模仿或模擬如果采用真實的傳感器和致動器時會產(chǎn)生的作用或結(jié)果。例如，用于開啟加熱器的控制系統(tǒng)語句可能會啟動一個軟件子程序，該軟件子程序開始對加熱器能量求和并估計當前的溫度。然后當該控制系統(tǒng)需要從溫度傳感器讀取處理溫度的值時，這個溫度估計會被所測量的溫度取代。因此，控制系統(tǒng)可利用模擬溫度來確定晶片加工是否受控。這樣的簡單仿真是常用的，但它受到一些局限。第一，必須修改該控制系統(tǒng)軟件以忽略真實的傳感器和致動器。所以不用測試真實的軟件，而需要測試該軟件的修改版本。第二，模擬值可能不會準確地表示物理值。真實的傳感器將物理特性一諸如溫度或壓力一轉(zhuǎn)換成電信號。這些電信號接著通過該控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成由仿真器所模擬的數(shù)字表示。如果由上述的簡單的嵌入軟件方法產(chǎn)生的模擬值不能表示由該傳感器產(chǎn)生的電信號，則該控制系統(tǒng)的作用不能表示它在沒有仿真的情況下運作的作用。例如，模擬數(shù)字表示可能具有或多或少的數(shù)值精度，或者體積的動力學或調(diào)速可能不同。因此，這種將軟件嵌入控制系統(tǒng)的簡單的修改的軟件仿真方法存在較大的局限。一種更復雜但有效的用于模擬物理過程的方法是采用另一臺計算機，該計算機能夠檢測由工具控制系統(tǒng)產(chǎn)生的致動信號，然后產(chǎn)生可被該工具控制系統(tǒng)檢測的致動信號。在操作中，如果工具控制系統(tǒng)致動加熱器，電信號會路由至該仿真器計算機而不是加熱器。該仿真器計算機檢測發(fā)送至該加熱器的致動信號，并通過以下方式來響應(yīng)，對該系統(tǒng)中的熱量總和進行集中，接著可能逐漸增大或減小它的輸出電信號，該輸出電信號用于模擬由溫度傳感器產(chǎn)生的電信號。該工具控制系統(tǒng)檢測這個電信號，工具控制系統(tǒng)并不能區(qū)分該電信號和由溫度傳感器產(chǎn)生的電信號。如果該仿真系統(tǒng)設(shè)計合理，該工具控制系統(tǒng)會精確地運作，就像如同沒有采用忽略加熱致動器和溫度傳感器的仿真?zhèn)鞲衅鲿r一樣運作。這樣的基于計算機的傳感器與工具控制系統(tǒng)分離，可以允許在不需要采用物理過程的情況下，開發(fā)、測試和優(yōu)化該工具控制系統(tǒng)。因為不需要修改工具控制軟件來運行真實的物理過程，所以可預期從模擬過程轉(zhuǎn)移至真實過程的步驟更容易進行。 現(xiàn)有技術(shù)的采用另一臺計算機來模擬物理過程的方法雖然有效但是較復雜和昂貴，因為仿真器的復雜度與工具控制系統(tǒng)的復雜度大致相同。此外，這臺仿真器計算機必須與工具控制系統(tǒng)電連接，而該連接較復雜、易出錯且費時。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種基于計算機的仿真器，所述仿真器與計算機控制系統(tǒng)分離。本發(fā)明可簡化基于計算機的仿真器與計算機控制系統(tǒng)之間的電互連，并減少實現(xiàn)基于計算機的仿真器所需的硬件組件的數(shù)量。本發(fā)明還可促使控制和仿真器系統(tǒng)的遠程配置和運作。


圖I所示為表明本發(fā)明的優(yōu)點的太陽能熱水系統(tǒng)。圖2所示為現(xiàn)有技術(shù)的用于控制太陽能熱水系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。圖3所示為現(xiàn)有技術(shù)的具有能夠模擬太陽能熱水系統(tǒng)的運作的輸入/輸出系統(tǒng)的仿真器計算機。圖4所示為包括現(xiàn)有技術(shù)的控制系統(tǒng)和現(xiàn)有技術(shù)的仿真系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)的仿真太陽能熱水系統(tǒng)。圖5所示為本發(fā)明的可配置的連接器式的(connectorized)輸入/輸出模塊,其配置為具有連接至控制系統(tǒng)的輸入/輸出系統(tǒng)的仿真器計算機，其中該組合模擬太陽能熱水系統(tǒng)的運作。圖6所示為本發(fā)明的可配置的連接器式的輸入/輸出模塊，其配置為具有連接至第二可配置的連接器式的輸入/輸出模塊的輸入/輸出系統(tǒng)的仿真器計算機，第二可配置的連接器式的輸入/輸出模塊配置為控制系統(tǒng)，其中該組合模擬太陽能熱水系統(tǒng)的運作。圖7所示為使用標準電纜連接時的圖6中的系統(tǒng)。
圖8所示為根據(jù)本發(fā)明的可配置的輸入/輸出系統(tǒng)的示意圖，所述系統(tǒng)連接至接收(sinking)傳感器、源(sourcing)傳感器、預期連接至接收輸出電路的致動器以及預期連接至源輸出電路的致動器。圖9所示為圖8中的系統(tǒng)的互連布線。圖10所示為根據(jù)本發(fā)明的可配置的接口(interface)裝置。圖11所示為執(zhí)行本發(fā)明的可配置的接口裝置的功能的集成電路。圖12所示為根據(jù)本發(fā)明的加入熱電偶的如圖8所示的可配置的輸入/輸出系統(tǒng)的示意圖，熱電偶以這樣的方式連接以用于測量穿過熱電偶的差分電壓。
具體實施例方式在美國專利號6，892，265,7, 216，191和7，822，896中，描述了一種方法和裝置，其
提供一種可配置的連接器式的模塊，所述模塊用于實現(xiàn)一種能夠連接至傳感器和致動器的輸入/輸出和控制系統(tǒng)。這樣的模塊可通過使用傳感器信息來計算將連接至致動器的致動信號，以執(zhí)行輸入/輸出系統(tǒng)或控制系統(tǒng)的功能。使用本發(fā)明的內(nèi)容而構(gòu)建的模塊已經(jīng)用作用于控制系統(tǒng)的輸入/輸出系統(tǒng)或用作用于不同過程的控制系統(tǒng)。因此，溫度傳感器可電連接至模塊，加熱器致動信號可電連接至加熱器系統(tǒng)。這樣的模塊已經(jīng)證實能夠減少構(gòu)建控制系統(tǒng)所需的組件數(shù)量，同時大大降低互連布線的復雜性。雖然仿真器計算機運作的方式與控制計算機很不相同，但是二種計算機必須電連接以檢測和致動。然而，對照于控制計算機電連接至傳感器和致動器，仿真器計算機則在控制系統(tǒng)開發(fā)的仿真階段中電連接至控制計算機。本發(fā)明使用一種可配置的連接器式的模塊，所述模塊用于實現(xiàn)仿真系統(tǒng)，因而從上面引用的專利的優(yōu)點獲益。為了描述可配置的連接器式的模塊如何作為仿真器來運作，我們將描述一種相對簡單的太陽能熱水加熱系統(tǒng)。太陽能熱水系統(tǒng)包括連接至不同傳感器和致動器的控制器。接著我們將描述根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)容如何實現(xiàn)一種仿真器，從而縮短開發(fā)時間和簡化布線。本文的目的不是描述仿真器如何運作，而是描述采用本發(fā)明的內(nèi)容的仿真器如何簡化與控制系統(tǒng)的互連。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當理解仿真器的功能。I.太陽能熱水系統(tǒng)的范例請參照圖1，現(xiàn)在我們描述一種可在工業(yè)或家居設(shè)置中發(fā)現(xiàn)的太陽能熱水系統(tǒng)?？稍O(shè)置太陽能收集器10以使其在部分白晝時段接收發(fā)出的太陽能。變速泵12可使諸如丙烯乙二醇之類的熱傳導液體循環(huán)流經(jīng)太陽能板并從太陽能板流經(jīng)在第一水箱16中的熱交換器14，以使得從太陽能板返回的液體比第一水箱底部的溫度熱得多，從而傳遞至第一水箱的熱量(最低限度)大于運行所述泵所需的能量以實現(xiàn)熱傳導。流量計18測量丙烯乙二醇的質(zhì)量流率以計算然后顯示熱流量，隨后會分析所述熱流量。由于熱水從第一水箱頂部抽出，冷水會進入第一水箱底部并隨后通過熱交換器加熱，從而對水實現(xiàn)太陽能加熱。為使對仿真器的需求更明顯，我們稍微增加系統(tǒng)的復雜性，即加入第二水箱20以及可將水從第一水箱16傳送至第二水箱20的定速泵22。連接至太陽能熱水系統(tǒng)的溫度傳感器可測量太陽能板頂部溫度24、第一水箱底部溫度26、第一水箱頂部溫度28、和第二水箱底部溫度30。我們關(guān)于太陽能熱水系統(tǒng)的范例還包括壓力傳感器32以監(jiān)測閉路的丙烯乙二醇的壓力。過高的壓力表示乙二醇有沸騰的風險，因此應(yīng)開啟變速泵以冷卻太陽能板。另一方面，在正常運作期間，過低的壓力表示系統(tǒng)存在滲漏而需要警報狀態(tài)。 現(xiàn)參照圖2，在運作中，控制器40會持續(xù)測量所有四個溫度并持續(xù)評估以下邏輯語句一如果((太陽能板頂部溫度)減(第一水箱底部溫度)大于10C)和((第一水箱頂部溫度)小于70C)，則(開啟變速泵)；一如果((第一水箱底部溫度)大于50C)和((太陽能板頂部溫度)減(第一水箱底部溫度)大于10C)和((第二水箱底部溫度)小于45C)，則(開啟定速泵8分鐘)。如果受太陽加熱的太陽能板比第一水箱底部熱IOC以及第一水箱并非過熱(因為其可能沸騰)，則上述的第一邏輯語句會使變速泵開啟。如果第一水箱比第二水箱熱以及第二水箱還未過熱，則上述的第二邏輯語句會使 熱水從第一水箱抽送至第二水箱。定速泵會運行一段時間即8分鐘，這是因為在定速泵啟動后不久，來自第二水箱的冷水會冷卻第一水箱的底部，因而違反第二邏輯語句。換言之，第二邏輯語句會使固定體積的水在第一水箱和第二水箱之間發(fā)生交換，從而使經(jīng)太陽能加熱的水傳送至第二水箱。最后，控制器會持續(xù)測量所抽送的丙烯乙二醇的質(zhì)量流率，并將質(zhì)量流率乘以太陽能板頂部溫度和第一水箱底部溫度之間的溫差。該乘積可衡量單位時間內(nèi)所抽送的熱量?？刂破魅缓髨?zhí)行常用的山尋算法(hill-findingalgorithm),其中可稍微增加或降低變速泵的速度以最大化在變速泵運行期間所抽送的總熱量?；谏鲜龅幕究刂葡到y(tǒng)，現(xiàn)在將描述對仿真器的需求。2.仿真器的需求在配置仿真器之前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)仿真器對于優(yōu)化系統(tǒng)而言很重要。仿真廣泛地用于新的飛機和航天飛行器，這是因為實地測試通常不可能實現(xiàn)以及失敗的代價高。我們特意使太陽能熱水系統(tǒng)的范例很復雜，以致于如果沒有仿真階段，在實地會花費很多時間來測試以及需要返修。為了在許多太陽能周期測試這樣的太陽能系統(tǒng)，在實地需要花費很多天。我們引入山尋算法來使熱傳導最大化。這類算法在問題由多個變量構(gòu)成以及難以確定顯式解時尤其重要。在太陽能熱水系統(tǒng)的情況下，關(guān)于以哪個速度來運行泵的問題的答案并不能通過使用強力破解而簡單計算。例如，增加變速泵的速度會增加質(zhì)量流且短暫地增加熱傳導率。然而，增加質(zhì)量流率往往會降低在太陽能板處的乙二醇的溫度，所以質(zhì)量流率乘以溫差所得到的數(shù)值乘積會增大或減小。具體地，降低穿過太陽能板的溫差會使熱傳導更有效，所以隨變速泵速度的增加而降低的溫度會產(chǎn)生更大的熱流率。同時，這種關(guān)系本身是太陽能輻射(即白晝時間和季節(jié)時間)以及第一水箱的溫度的函數(shù)。如果山尋算法設(shè)計正確，則山尋算法可找出在相應(yīng)的環(huán)境下最佳的變速泵流率。該設(shè)計可包括修改算法或改變其參數(shù)。該設(shè)計在配合真實的太陽能系統(tǒng)而實地運行時比較費時。而仿真器的使用可大大縮短該設(shè)計的時間。在沒有仿真器的情況下，系統(tǒng)的一些運行模式難以測試。例如，我們的太陽能熱水系統(tǒng)采用壓力傳感器來監(jiān)測乙二醇的壓力。如上所述，過高或過低的壓力可表示異常情況。仿真器在正常運作期間可輕易產(chǎn)生這樣的情況，而在真實的操作中要發(fā)生這樣的情況比較困難或甚至比較危險。
因此，太陽能系統(tǒng)的仿真可大大減少優(yōu)化太陽能熱水控制系統(tǒng)的運作所需的時間和嘗試。我們指出這種需求并非只針對這種問題這對于許多類型的過程而言是普遍的需求，但是如前所述，仿真器常常較復雜、昂貴且難以接線進入控制系統(tǒng)。我們現(xiàn)在將描述本發(fā)明如何減少成本、降低布線難度和現(xiàn)有技術(shù)的方法的復雜性。我們將首先描述現(xiàn)有技術(shù)的復雜性，然后比較現(xiàn)有技術(shù)的復雜性與本發(fā)明的簡單性。最后，我們將描述新的仿真器結(jié)構(gòu)的第二個優(yōu)點，即可消除控制系統(tǒng)開發(fā)者需要實體擁有控制器或仿真器硬件我們將描述一種模型的基本原理，所述模型可提供使用遠程放置的硬件，從而減少購買硬件、縮短安裝時間、以及因而減少對制造完整的控制系統(tǒng)的規(guī)劃。3.太陽能熱水仿真器的描述雖然本說明描述用于我們的太陽能熱水系統(tǒng)的范例的仿真器，但是本說明意圖適用于控制系統(tǒng)仿真器的普遍需求。請參考圖3，我們示意性示出一種仿真器60。
雖然本發(fā)明的描述涉及一種優(yōu)選地設(shè)于可配置的連接器式的模塊之內(nèi)的控制系統(tǒng)仿真器計算機，但是本描述并不排除控制系統(tǒng)仿真器計算機連接至可配置的連接器式的模塊的情況，其中模塊只用于提供控制系統(tǒng)仿真器的代表性的電連接?？晒┻x擇地，系統(tǒng)仿真器的一部分可設(shè)于可配置的連接器式的模塊之內(nèi)，而仿真器的剩余部分可設(shè)于與可配置的連接器式的模塊分離但相互連接的計算機之中。例如，可采用能在計算機工作站上執(zhí)行的現(xiàn)成的可用的仿真語言。該計算機工作站然后連接至可配置的連接器式的模塊。計算機工作站與可配置的連接器式的模塊的組合構(gòu)成控制系統(tǒng)仿真器。為了模擬太陽能系統(tǒng)，圖2中的控制系統(tǒng)40與所有傳感器和致動器是電斷開的。圖3中的控制系統(tǒng)仿真器60然后電連接至控制系統(tǒng)40。請參考圖4，示出了互相連接的太陽能熱水控制系統(tǒng)和仿真器系統(tǒng)80，這可簡化控制系統(tǒng)40與仿真器60之間的互連?？刂葡到y(tǒng)仿真器60必須電感應(yīng)控制系統(tǒng)40的輸出，并且控制系統(tǒng)仿真器60必須產(chǎn)生可由控制系統(tǒng)40感應(yīng)的電致動信號。因此，對于控制系統(tǒng)的每一溫度測量傳感器輸入而言，即圖I中的24、26、28和30,相應(yīng)的仿真溫度傳感器電信號由控制系統(tǒng)仿真器產(chǎn)生,其中所述電信號電連接至控制計算機。因此，控制系統(tǒng)仿真器可產(chǎn)生控制系統(tǒng)計算機所要處理的電信號，以使控制系統(tǒng)可測量到所需要的仿真溫度。以類似的方式，控制系統(tǒng)40電連接至控制系統(tǒng)仿真器60，以使控制系統(tǒng)仿真器可感應(yīng)控制系統(tǒng)的仿真致動輸出。因此，請參考圖I中的仿真配置，當控制系統(tǒng)啟動定速泵22時，控制系統(tǒng)計算機的電輸出可被控制系統(tǒng)仿真器電感應(yīng)，然后控制系統(tǒng)仿真器可作出適當?shù)姆磻?yīng)。在變速泵12的情況下，控制系統(tǒng)計算機的輸出是不斷變化的信號，諸如常用的4至20mA的信號。這個控制系統(tǒng)致動信號由控制系統(tǒng)仿真器感應(yīng)，仿真器然后對這個來自控制系統(tǒng)計算機的信號作出適當?shù)捻憫?yīng)。該適當?shù)捻憫?yīng)包括致使仿真器產(chǎn)生質(zhì)量流率傳感器18的代表性的電信號。有時，流率傳感器會產(chǎn)生一系列的電脈沖，脈沖的頻率與流率成比例。在這個范例中，像簡單流量計可產(chǎn)生與流率成比例的電壓一樣通用的是，控制系統(tǒng)仿真器能夠產(chǎn)生精確地表示丙烯乙二醇的流量的電壓。對于至此所描述的系統(tǒng)而言，丙烯乙二醇的流率與變速泵的速度成比例。控制系統(tǒng)仿真器的適當?shù)捻憫?yīng)還可包括致使在太陽能板10頂部所測量的溫度記錄為較低值，而在第一水箱16的底部的所測量的溫度記錄為較高值，該較高值表示從太陽能板10抽送出且抽送到第一水箱16內(nèi)的熱交換器14的熱乙二醇。4.太陽能熱水仿真器的運作在運作中，控制系統(tǒng)仿真器60電連接至控制系統(tǒng)計算機40?？刂葡到y(tǒng)仿真器60將其輸出設(shè)為由仿真器的用戶限定的適當?shù)某跏紬l件。在這種情況下，例如，太陽能板頂部溫度24可設(shè)為黎明前的溫度20C，以及第一水箱底部溫度26可設(shè)為代表性的黎明前的溫度30C。第一水箱頂部溫度28可以是40C，表示黎明前的第一水箱溫度。第二水箱底部溫度30可以是30C，也表示黎明前的溫度。因為控制系統(tǒng)計算機40電連接至控制系統(tǒng)仿真器60，所以控制系統(tǒng)計算機會電感應(yīng)這些仿真溫度?；谶@些初始條件，控制系統(tǒng)計算機可分析前述的邏輯語句并設(shè)定其輸出致動信號，以關(guān)閉變速泵12和定速泵22。因此，控制系統(tǒng)40處于空閑狀態(tài)，等待日出時接收太陽能。
對于這種類型的控制系統(tǒng)仿真，常用的方法是模擬日出。如圖4所示的控制系統(tǒng)仿真器計算機60會逐漸增加其太陽能板頂部溫度致動信號83，表示太陽能板10正在逐漸加熱。按照慣例，在任一仿真器中，加熱的速率由控制系統(tǒng)仿真程序設(shè)定?？刂葡到y(tǒng)計算機40可感應(yīng)太陽能板頂部溫度致動信號83正在增加。在某刻，當?shù)谝凰涞撞繙囟?6與太陽能板頂部溫度24之間的差值超過IOC時，第一邏輯語句為真。在這刻，控制系統(tǒng)計算機40會通過信號81開啟變速泵輸出42并將其設(shè)為初始速度。由控制系統(tǒng)計算機產(chǎn)生的變速泵致動信號81電連接至控制系統(tǒng)仿真器60。為了響應(yīng)來自控制系統(tǒng)的信號以開啟變速泵，控制系統(tǒng)仿真器會執(zhí)行由其內(nèi)部的程序所設(shè)定的兩件事。第一，控制系統(tǒng)仿真器開始產(chǎn)生其所模擬的流量計輸出信號89的電壓，該電壓與變速泵的設(shè)定速度成比例，從而模擬乙二醇質(zhì)量流量計的輸出。第二，假定由控制系統(tǒng)40設(shè)定變速泵的速度，控制系統(tǒng)仿真器開始計算其它的溫度的變化。例如，假定熱丙烯乙二醇流入第一水箱16內(nèi)的熱交換器14中，第一水箱底部溫度26和第一水箱頂部溫度28開始上升。溫度變化量是由控制系統(tǒng)計算機設(shè)定的可變泵流率和增加的入射在太陽能板上的模擬太陽能輻射的函數(shù)。此外，第一水箱溫度的溫度變化量是從第一水箱抽出的任何熱水的函數(shù)，表示使用的熱水。所抽出的熱水會被冷水代替，從而降低第一水箱16的溫度。控制系統(tǒng)40會響應(yīng)控制系統(tǒng)仿真器60的作用，首先記錄來自模擬的乙二醇流量計信號89的所測量的質(zhì)量流?？刂葡到y(tǒng)計算機開始計算單位時間內(nèi)所傳導的熱量。該計算通過將乙二醇的質(zhì)量流率與太陽能頂部和第一水箱底部之間的溫度之差相乘而執(zhí)行。該計算的單位可由太陽能系統(tǒng)的用戶設(shè)定，例如為kW/小時或BTU/小時?？刂葡到y(tǒng)計算機40接著對每單位時間內(nèi)所傳導的熱量求和，從而測量所傳導的熱能。該計算的單位同樣可由太陽能系統(tǒng)的用戶設(shè)定，例如為kW-小時或BTU?？刂葡到y(tǒng)計算機40然后進一步執(zhí)行其山尋算法，以通過使用信號81來增加或減小變速泵12的速度從而最大化能量流率。該過程繼續(xù)模擬白晝。在某刻，假定存在大量太陽能輻射，控制系統(tǒng)計算機40可確定其應(yīng)當開啟定速泵22以將熱水傳送至第二水箱20。為了響應(yīng)控制系統(tǒng)計算機40致動定速泵22，控制系統(tǒng)仿真器60會使第二水箱20的溫度升高并同時使第一水箱底部溫度下降，如前所述。在最簡單的情況下，該過程繼續(xù)模擬白晝?？稍黾涌刂葡到y(tǒng)仿真器的復雜性，例如模擬陰天或雨天，或者模擬水從第一水箱或第二水箱抽出。但是，這種復雜性只是一種潛在的復雜性，對本說明并不重要，只是為了再次強調(diào)這樣的仿真器的作用。采用這樣的仿真器的主要價值的原因在于，明確的答案并不能通過在控制系統(tǒng)計算機中預先編程來獲得。相反，控制系統(tǒng)程序只可設(shè)計成通過改變其輸出來響應(yīng)其輸入中的相應(yīng)的變化。很少出現(xiàn)響應(yīng)于一種變化的一對一的結(jié)果。例如，在某一天，為了響應(yīng)太陽能板頂部溫度的升高而增加定速泵的速度可能會導致熱傳導率增大。在另一天設(shè)定不同的初始條件，可能會出現(xiàn)相反的情況。因此，仿真器可使控制系統(tǒng)在其運行條件的狀態(tài)空間和范圍內(nèi)運作。這樣的仿真運作的總體目標是設(shè)計一種控制系統(tǒng)計算機程序，其可在不同天氣和運行條件下最大化轉(zhuǎn)移至商用或家用熱水系統(tǒng)的太陽能能量。a.關(guān)于現(xiàn)有技術(shù)的太陽能熱水仿真器計算機與現(xiàn)有技術(shù)的太陽能熱水控制系統(tǒng)計算機互連的說明請參考圖4，我們現(xiàn)在描述現(xiàn)有技術(shù)的熱水仿真器計算機60與現(xiàn)有技術(shù)的太陽能熱水控制系統(tǒng)計算機40之間的電連接80。八個裝置一六個傳感器和兩個致動器通常連接至太陽能熱水控制系統(tǒng)計算機40。為了模擬該八個裝置的功能，控制系統(tǒng)仿真器計算機60·必須替換該八個裝置而電連接。裝置#1，乙二醇變速泵信號81 :太陽能熱水控制計算機40使用常用的4_20mA的信號來設(shè)置乙二醇泵12的速度。因此，4mA的信號要求最小速度,而12mA要求半速,20mA要求全速。4mA與20mA之間的值代表成比例的速度要求。如在現(xiàn)有技術(shù)中常見的，在太陽能熱水控制計算機上的電流(current)輸出模塊41必須設(shè)有電源。兩條額外的電線將電流輸出信號81連接至在太陽能熱水仿真器計算機60上的電流輸入模塊61。還是如現(xiàn)有技術(shù)中常見的，在太陽能熱水仿真器計算機上的電流輸入模塊61必須設(shè)有電源。兩條電線81位于太陽能熱水控制計算機40和太陽能熱水仿真器計算機60之間。此外，兩條電線必須將所述二個模塊中的每一個模塊連接至其相應(yīng)的設(shè)備電源42和66。裝置#2’乙二醇壓力傳感器信號82 :乙二醇壓力傳感器32使用常用的4_20mA的信號來產(chǎn)生乙二醇壓力信號82。該信號和布線與裝置#1的情況不同，即其中一條電線位于太陽能熱水控制計算機40和太陽能熱水仿真器計算機60之間。該不同之處反映諸如乙二醇壓力傳感器32的大多數(shù)壓力傳感器是所謂的回路供電，所以可預期一個由仿真器計算機60內(nèi)部產(chǎn)生的電源信號。此外，兩條電線必須將所述二個模塊中的每一個模塊連接至其相應(yīng)的設(shè)備電源42和66。裝置#3，乙二醇質(zhì)量流量計信號89 乙二醇質(zhì)量流量計18使用電壓信號來將流量信息傳送至太陽能熱水控制計算機40。如在本領(lǐng)域中常見的，質(zhì)量流量計18可產(chǎn)生與流率成比例的電壓。需要小心布線來避免將太陽能熱水控制計算機設(shè)備電源42連接至太陽能熱水仿真器計算機設(shè)備電源66。這需要小心的原因在于太陽能熱水控制計算機必須在其連接至乙二醇質(zhì)量流量計時提供電源。然而，在太陽能熱水仿真器計算機連接時，該電源信號需要除去，這是因為用于產(chǎn)生模擬流量信號的電源源自太陽能熱水仿真器計算機設(shè)備電源66。需要接駁五條電線來連接所述兩臺計算機。裝置#4，太陽能板頂部溫度傳感器信號83 :使用常用的4_20mA的信號來將四個溫度傳感器連接至太陽能熱水控制計算機。當太陽能熱水仿真器計算機60代替溫度傳感器而連接時，必須小心考慮電源，這是因為太陽能熱水仿真器計算機60的電流輸出模塊電路63和太陽能熱水控制計算機40的電流輸入模塊電路43都需要電源。然而，如果兩個設(shè)備電源42和66相互連接，則所述兩個電源會進入不穩(wěn)定狀態(tài)以致系統(tǒng)故障。因此，兩個設(shè)備電源必須經(jīng)由它們的共通接地參考連接84而小心地參考。電線84將4-20mA的信號從太陽能熱水控制計算機40傳送至太陽能熱水仿真器計算機60。兩條額外的電線45和65用于將設(shè)備電源連接至它們相應(yīng)的電流模塊電路。這里我們所描述的實際上比大多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)簡單，簡單之處在于，現(xiàn)有技術(shù)普遍將每個電流輸入通道互相隔開。因此，每個電流輸入通道都需要單獨的電源和布線。我們將描述比預期更少的布線。裝置#5，第一水箱頂部溫度傳感器信號85 :與裝置M相同。裝置#6，第一水箱底部溫度傳感器信號86 :與裝置#4相同。裝置#7，第二水箱底部溫度傳感器信號87 :與裝置#4相同。裝置#8，定速泵致動信號88 :采用通用的24VDC邏輯電路的數(shù)字或開/關(guān)信號由太陽能熱水控制計算機40來產(chǎn)生。 b.關(guān)于本發(fā)明的太陽能熱水仿真器計算機與太陽能熱水控制系統(tǒng)計算機互連的說明我們現(xiàn)在就前述的太陽能控制系統(tǒng)和現(xiàn)有技術(shù)仿真器的范例的優(yōu)點，來比較本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)。請參考圖5，我們描述太陽能熱水控制系統(tǒng)與本發(fā)明的仿真器之間的互連。在優(yōu)選的實施例中，可配置的連接器式的輸入/輸出模塊90包含25針輸入/輸出連接器91?？刹捎萌魏螖?shù)目的引腳，適當?shù)臄?shù)目可由商業(yè)和技術(shù)需求來確定?？膳渲玫倪B接器式的模塊還包含連接至模塊電源93的電源連接器92。通過電源連接器的來自模塊電源的電源有兩個目的。第一，來自模塊電源93的電源用于給控制系統(tǒng)仿真器計算機通電。第二，所述電源還可通過可配置的方法和裝置而選擇性地路由至輸入/輸出連接器91的某些引腳。我們注意到，與現(xiàn)有技術(shù)不同的是，現(xiàn)有技術(shù)不能通過可配置的裝置來選擇性地路由電源，因而需要布纜或布線以達到相同結(jié)果。我們還注意到，可配置的連接器式的模塊的任何引腳可設(shè)置為輸入、輸出、供電或接地，輸入和輸出信號可具有各種形式，包括例如不同電壓、電流或頻率。此外，電源可設(shè)置為不同電壓，諸如5伏特、24伏特或根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)用所需的其它電壓。第三連接器94可提供諸如以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)連接。所述網(wǎng)絡(luò)連接可用于安裝軟件、調(diào)整參數(shù)、可視化仿真過程以及記錄仿真結(jié)果。如本文前面所述，可配置的連接器式的模塊可使仿真器計算機的部件邏輯分離或提供仿真器計算機的所有功能。特別在大型或復雜的仿真中，采用更大型的仿真器計算機或多個計算機可產(chǎn)生更好的結(jié)果。但是，在這種情況下，模塊仍然提供控制系統(tǒng)仿真器的代表性的電連接方法和裝置，因而提供本發(fā)明的優(yōu)點，即簡化布線、縮短安裝時間和減少實現(xiàn)仿真器功能所需的仿真器硬件的數(shù)量。相比于圖4所示的現(xiàn)有技術(shù)，圖5所示的可配置的連接器式的輸入/輸出模塊90與太陽能熱水控制計算機40的互連簡單很多。雖然在該二幅圖中，相同數(shù)目的信號81至89將太陽能熱水控制計算機40互連至仿真器計算機60，但是與圖5所示的本發(fā)明相比，在圖4中的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中，10條額外的電線必須人工接線，且必須加上另外一個電源。圖5所示的本發(fā)明采用可配置的連接器式的方法和裝置，其中標準電纜可連接至可配置的連接器式的輸入/輸出模塊90，且所述電纜的另一端可連接至太陽能熱水控制系統(tǒng)40。但不需要前述的第二設(shè)備電源42。因此，本發(fā)明的系統(tǒng)更加簡單，需要的互連更少，并且去除了很多硬件組件。本發(fā)明的可配置的連接器式的輸入/輸出模塊的另一個優(yōu)點是減少現(xiàn)有技術(shù)中的輸入和輸出模塊。請參考圖4，我們注意到，仿真器計算機60采用四個不同的諸如61和63的輸入/輸出模塊。這些模塊比較大型、昂貴，且當考慮在相應(yīng)的模塊上的輸入和輸出信號的數(shù)目時，這些模塊利用率較低。通過比較，圖5中的本發(fā)明的系統(tǒng)只采用單個可配置的連接器式的輸入/輸出模塊90，所述模塊可根據(jù)本發(fā)明的步驟而通過其連接器的引腳來提供任何所需的信號和電源，從而可大大減少硬件組件、因而減少空間和降低成本。在本發(fā)明的最通用的設(shè)備中，本發(fā)明可電連接至在過去50年中所使用的典型控制系統(tǒng)。但是，通過使用本發(fā)明的可配置的連接器式的輸入/輸出系統(tǒng)，很多控制系統(tǒng)應(yīng)用可采用新的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。如果本發(fā)明的仿真器與由可配置的連接器式的輸入/輸出系統(tǒng)實現(xiàn)的控制系統(tǒng)組合在一起，可產(chǎn)生很多優(yōu)點。現(xiàn)在我們將描述這種由本發(fā)明與由可配置的連接器式的輸入/輸出系統(tǒng)實現(xiàn)的控制系統(tǒng)組合的系統(tǒng)。c.關(guān)于本發(fā)明的太陽能熱水仿真器計算機與采用可配置的連接器式的輸入/輸 出系統(tǒng)的太陽能熱水控制系統(tǒng)計算機互連的說明如圖示的太陽能熱水仿真器的范例所描述的，本發(fā)明的優(yōu)點是可大大地減少硬件組件、降低復雜性以及因而減少勞動力。如果現(xiàn)在將該系統(tǒng)與采用本發(fā)明的太陽能熱水仿真器和通過可配置的連接器式的輸入/輸出系統(tǒng)而實現(xiàn)的太陽能熱水控制系統(tǒng)的系統(tǒng)相比較，會發(fā)現(xiàn)相似程度的改進。我們現(xiàn)在將進行這樣的比較。請參考圖6，我們可看出太陽能熱水仿真器計算機60與圖5相同。但是，圖5中的實現(xiàn)太陽能熱水控制計算機40所需的大量硬件在圖6中大大減少。這是因為采用可配置的連接器式的輸入/輸出模塊90來實施太陽能熱水控制計算機40的功能直接降低了該復雜性。與圖5所示的現(xiàn)有技術(shù)控制系統(tǒng)40需要二個電源、接線板和20條電線相比，圖6所示的太陽能熱水控制系統(tǒng)40只需10條電線，而不需要接線板、傳統(tǒng)的布纜或線束。此外，太陽能熱水控制系統(tǒng)40和太陽能熱水仿真器60現(xiàn)在共享模塊電源93，因而可進一步簡化。圖7示出了采用二個可配置的連接器式的輸入/輸出模塊90來實現(xiàn)控制/仿真系統(tǒng)的另一個優(yōu)點，其中采用標準電纜95來互連二個可配置的連接器式的輸入/輸出模塊90。標準電纜只是一條簡單的電纜，其中每個引腳通過電線連接至在電纜另一端的引腳。這些電纜可在很多商店和持有現(xiàn)貨的網(wǎng)站購買。雖然標準電纜是簡單的裝置，但是本發(fā)明還可使用其它類型的電纜互連，其中電纜采用一個、二個或二個以上的連接器，或不同電線可組合或連接以提高信號線或電源線的利用率。然而，使用標準電纜95可大大簡化太陽能熱水控制系統(tǒng)和太陽能熱水仿真器且降低它們的成本。因為可配置的連接器式的輸入/輸出模塊能夠在任一連接器引腳上路由信號和電源，所以可大大降低布線的復雜度、所需組件的數(shù)量、以及組裝用于仿真器計算機或仿真器和控制計算機的組合的系統(tǒng)所需的勞動量。下面將對可配置的連接器式的輸入/輸出模塊進行說明。如圖8所不,方框圖表不包括輸入/輸出系統(tǒng)65的可配置的連接器式的系統(tǒng),輸入/輸出系統(tǒng)65用于將傳感器和致動器80-84連接至系統(tǒng)控制器72?？膳渲玫妮斎?輸出系統(tǒng)65包括輸入/輸出模塊66,輸入/輸出模塊66是一個或多個電路板,其可選地安裝于外殼中或插于后面板中。模塊66包括一個或多個設(shè)備通信連接器69。設(shè)備通信連接器69可以是簡單的接線板連接器，一條導線或插頭式連接器可與設(shè)備通信連接器69連接。這種插入可連接一條或多條導線。為清晰起見，圖8表示大多數(shù)普遍情況，其中所有設(shè)備通信連接器69連接一條導線。導線68將設(shè)備80-84互連至可配置的輸入/輸出模塊66。所述設(shè)備可包含設(shè)備端連接器71，其可以類似于或不類似于設(shè)備通信連接器69?？蛇x地，導線68可以已經(jīng)粘附于連接器69B和71B，其分別與相應(yīng)的輸入/輸出模塊的設(shè)備通信連接器69和設(shè)備端連接器71聯(lián)接?？晒┻x擇的，導線68不具有連接器69B和/或71B，而是直接連接至設(shè)備通信連接器69和/或設(shè)備端連接器71。例如，如上所述，可采用接線板連接器來進行這種直接連接。導線68可以分組成電纜。所有電纜68B優(yōu)選為相同，但是本發(fā)明還允許使用具有不同數(shù)目和配置的導線的電纜68B。設(shè)備通信連接器69和設(shè)備端連接器71可類似地分組，以匹配電纜中的導線數(shù)目。通過這種操作，整個電纜可連接至或斷開設(shè)備或輸入/輸出模塊或這兩者。另一方面，如果例如任何設(shè)備80—84制造成具有引線設(shè)置，其中導線68已經(jīng)連接至所述設(shè)備，則可完全不采用設(shè)備端連接器71。在這種情況下，引線可直接連接至設(shè)備通信連接器69，設(shè)備通信連接器69可以是接線板?？晒┻x擇的，引線可包括連接至導線的線端 的連接器69B，連接器可直接連接至設(shè)備通信連接器69。連接器69B和71B可通過彎曲、焊接、鍛接、銅焊或類似的粘附方法而連接至導線68?？晒┻x擇的，這些導線可通過例如使用螺絲或彈簧型接線板而直接夾住，因此不需要采用一個或二個配用連接器69B和71B?？膳渲玫妮斎?輸出模塊66包括微處理器82、內(nèi)置電源91和接口裝置97。內(nèi)置電源91為接口裝置97供電，因此可從輸入/輸出模塊66而為設(shè)備80-84供電。內(nèi)置電源91還可為模塊66的所有組件的運作提供電源。內(nèi)置電源91連接至外置電源79。下面將參考圖10來詳細描述接口裝置97。微處理器82可編程以對可配置的輸入/輸出模塊66和設(shè)備80-84之間以及模塊66和系統(tǒng)控制器72之間的信號的流向進行特別控制。微處理器包含緩沖存儲器92?？刂破魍ㄐ胚B接器76可連接至用于模塊66和系統(tǒng)控制器72之間的通信的網(wǎng)絡(luò)連接78 (優(yōu)選為以太網(wǎng))。網(wǎng)絡(luò)連接78可以是包括標準連接器76B的電纜，標準連接器76B可使電纜易于與輸入/輸出模塊66連接或斷開。網(wǎng)絡(luò)連接78還可以是背板連接器，例如模塊66可插入可編程邏輯控制器或嵌入式控制器的背板，或者模塊可執(zhí)行嵌入式控制器的功能。網(wǎng)絡(luò)連接78還可使用無線技術(shù)而不脫離本發(fā)明的本質(zhì)。系統(tǒng)控制器72通常用于整合多個可配置的輸入/輸出模塊66。但是，可配置的輸入/輸出模塊66可在沒有連接至系統(tǒng)控制器72的情況下運作。在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，可配置的輸入/輸出模塊66可以用作所謂的嵌入式控制器；可以是作為大型系統(tǒng)的一部分的電路板；或可以親自執(zhí)行系統(tǒng)控制器的功能。請參考圖8，表示四個不同的傳感器和致動器連接至本發(fā)明的單個可配置的輸入/輸出模塊。具體地，源傳感器80、接收傳感器81、和二種致動器類型連接至可配置的輸入/輸出模塊66，其中在所述的二種類型的致動器中，一個致動器設(shè)計成由源輸出電路(見83和84)驅(qū)動，另一個致動器設(shè)計成由接收輸出電路(見82)驅(qū)動。作為對比，等效的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)需要四個不同的輸入/輸出模塊。而本發(fā)明通過單個可配置的輸入/輸出模塊66來實現(xiàn)此需求。此外，現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)不能由輸入/輸出模塊來供電，相反，本發(fā)明可使用可配置的I/O連接來提供電源和接地回路。最后，現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中的四個不同的輸入輸出模塊的電路利用率低，相反本發(fā)明可利用可配置的輸入/輸出模塊的所有必要的連接。應(yīng)該注意到，在圖8所示的系統(tǒng)中，該組傳感器和致動器不需要另外三條可配置的輸入/輸出通道。因此，如果需要這三條通道，則它們可用于附加的傳感器和致動器。圖8示出了本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點。通過本發(fā)明，只需要少得多的連接就可達到如現(xiàn)有技術(shù)一樣的效果。此外，本發(fā)明可高效利用輸入/輸出模塊，從而使分散的控制器結(jié)構(gòu)更受歡迎。圖9所示為圖8中系統(tǒng)的布線。導線對應(yīng)于四個設(shè)備而分成四組。每組的導線均可方便地組合成一條電纜，所以可使用四條相同的電纜。圖9描述本發(fā)明的可配置輸入/輸出模塊的另一個優(yōu)點。與現(xiàn)有技術(shù)的布線必須是復雜的線束而無法進行簡化相比，本發(fā)明的布線比較有效和簡單，例如包括用于每一傳感器和致動器的分開的、簡單的電纜?？膳渲玫倪B接器式的輸入/輸出模塊的性質(zhì)允許使用標準的、相同的電纜組，這是因為所需的信號可直接傳送至所需的接觸器(contact)。這種簡化的布纜通過標準電纜來平衡人工接線板連接器和電纜。因此，本發(fā)明可降低布線控制系統(tǒng)的成本和復雜性。通過比較現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明，清楚地表明本發(fā)明的簡化的布線模式如何采用可接線的連接器式的布線系 統(tǒng)。能夠使用四條相同的電纜可大大簡化傳感器和致動器與可配置的輸入/輸出模塊之間的連接。此外，顯而易見的是，本發(fā)明極大地提高了輸入/輸出通道的利用率以及減少布線所需的空間。上述的兩個優(yōu)點減少采用中央控制系統(tǒng)的需求，而使尋求已久的分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)切實可行。本發(fā)明促使采用標準電纜連接至傳感器和致動器。但是，并不排除使用人工接線、單芯電纜接線板連接器，因為這種設(shè)置是最簡單的標準電纜連接。某些輸入/輸出系統(tǒng)的用戶傾向使用人工接線、單芯導線系統(tǒng)。本發(fā)明可大大簡化這樣的系統(tǒng)且大大提高輸入/輸出模塊的利用率。圖10示出輸入/輸出模塊66以及更詳細的接口裝置97?？膳渲玫妮斎?輸出模塊66可包含任何數(shù)目的接口裝置974、978、97(>..。每一接口裝置連接至一設(shè)備連接器69和可選地通過內(nèi)置交叉開關(guān)而連接至另一設(shè)備連接器。(見圖11和相關(guān)描述)。每一接口裝置包含任何數(shù)目的互連裝置，每一互連裝置具有繼電器。在所示的特定實施例中，示出12個互連裝置及其相應(yīng)的繼電器R1-R12。接口裝置97A可將多個信號中的任何信號路由并連接至設(shè)備連接器69。圖10是高度程式化的且意圖傳達本發(fā)明的本質(zhì)。在優(yōu)選的實施例中，圖10所示的包括互連裝置以及繼電器Rl至R12的接口裝置通過三極管而實現(xiàn)。包括諸如如圖11所示的互連裝置的接口裝置可設(shè)置成集成電路(1C)。IC可對應(yīng)于每一設(shè)備連接器69而在輸入/輸出模塊66中重復設(shè)置。因此，如果存在25個設(shè)備連接器69，則可采用25個集成電路。像任何模塊可包含任何數(shù)目的設(shè)備連接器69 —樣，模塊66可包含任何數(shù)目的集成電路。另一個實施例可采用不同的IC結(jié)構(gòu)，其中在每一集成電路中處理多個設(shè)備連接器69，或多個集成電路用于處理一個或多個設(shè)備連接器。由于現(xiàn)代半導體工藝的微型化，使用集成電路可大大減少模塊66的尺寸和制造成本。圖11是可實現(xiàn)接口裝置97A的集成電路的方框圖。集成電路198特別設(shè)計成互連裝置，因此其可稱為專用集成電路(ASIC)。該ASIC特別設(shè)計成可執(zhí)行互連裝置的功能。將來ASIC可能成為由集成電路廠商制成的標準產(chǎn)品。因此，本文所使用的術(shù)語ASIC可包括標準集成電路，其設(shè)計成可作為接口裝置。此外，本文所使用的術(shù)語集成電路(IC)意圖包括以下裝置范圍ASIC、混合集成電路、低溫共燒陶瓷(LTCC)混合集成電路、多芯片模塊(MCM)以及系統(tǒng)級封裝(SiP)裝置。混合集成電路是微型電子電路，其具有和(單塊)集成電路一樣的功能。MCM包括至少兩個IC ;本發(fā)明的接口裝置可通過MCM來實現(xiàn)，其中所需的功能分別由多個集成電路執(zhí)行。Sip也可稱為芯片封裝MCM，是包含在單個封裝或模塊中的若干數(shù)目的集成電路。與MCM相似，SiP也可用于本發(fā)明。理論上，可編程邏輯裝置可用于實現(xiàn)本發(fā)明的接口裝置。但是，目前可獲得的諸如現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的可編程邏輯裝置存在若干功能局限性，而使得它們很少使用一例如FPGA不能將電源或接地端路由至給定的引腳。圖11所示為引腳驅(qū)動器ASIC 198的方框圖。當引腳驅(qū)動器通過諸如SPI接口的串行通信總線206而連接至微處理器82時，圖10中的微處理器82可命令引腳驅(qū)動器ASIC198執(zhí)行互連裝置97A的電路的功能。雖然圖11中的電路系統(tǒng)與互連裝置97A不同，但是ASIC 198能夠執(zhí)行相同的或相似的所需要的功能。與圖10是用于傳達本發(fā)明的精髓的理想圖不同，圖11包括更多可設(shè)置于ASIC內(nèi)部的電路元件。然而，圖11可安裝圖10中的 所有電路元件。例如，圖10示出可連接至設(shè)備通信連接器69的數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(D/A或DAC)。在圖11中，數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器226可通過開關(guān)220而連接至輸出引腳208。本發(fā)明還包括用于相同或相似目的的其它ASIC 198的電路布置。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該知道如何設(shè)計不同的這樣的電路系統(tǒng)，而本發(fā)明應(yīng)該包括這些不同的電路系統(tǒng)?，F(xiàn)在將簡單描述圖11中的ASIC的示例性特性?？赏ㄟ^閉合高電流開關(guān)222b、以及將電源選擇器227設(shè)置為任何可獲得的電源電壓，諸如24伏特、12伏特、5伏特、接地或負12伏特，以將電源施加于引腳208。ASIC可通過閉合低電流開關(guān)222以及讀取由模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器216轉(zhuǎn)換的電壓來測量引腳208上的電壓。熱電偶溫度傳感器可在點/引腳208處直接連接至ASIC 198，其中所述傳感器可產(chǎn)生非常低的電壓信號。交叉開關(guān)210可使精密差動放大器212連接至熱電偶的二個引線，其中熱電偶的一引線連接至與連接器69 (圖10)的引腳連接的節(jié)點/引腳208，熱電偶的另一引線連接至與4路交叉輸入輸出214連接器連接的連接器69的另一引腳。因此，交叉開關(guān)210可使連接器69的兩個相鄰的引腳通過差動放大器212而連接至同一模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器216。ASIC 198可測量流入或流出節(jié)點208的電流值，節(jié)點208在圖11中標示為“引腳”。在這種情況下，引腳驅(qū)動電路198采用其A/D轉(zhuǎn)換器216來測量流入或流出引腳節(jié)點208的電流，從而可探測過高的電流，或可探測連接至引腳節(jié)點208的裝置是否正確運作或布線。ASIC 198還可監(jiān)測流入或流出引腳節(jié)點208的電流以便單方面斷開電路198，以保護ASIC 198不被短路或其它潛在的破壞條件損壞。ASIC 198可采用所謂的“濫用檢測電路”218來監(jiān)測可能潛在損壞ASIC 198的快速電流變化。低電流開關(guān)220、221和222以及高電流開關(guān)222b可響應(yīng)濫用檢測電路218而斷開引腳208。ASIC 198的濫用檢測電路218可設(shè)置引腳208的電流限制，其中電流限制可通過微處理器82來編程設(shè)定。如選擇器224所示。
ASIC 198可測量引腳節(jié)點208處的電壓以使微處理器82確定連接至引腳節(jié)點的數(shù)字輸入狀態(tài)。因此，數(shù)字輸入的閾值可通過編程設(shè)定而不是通過硬件設(shè)置。數(shù)字輸入的閾值可通過使用數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器226而由微處理器82來設(shè)定。數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器226的輸出可施加于鎖定比較器225的一側(cè)。鎖定比較器225的另一個輸入由引腳208路由且表示數(shù)字輸入。因此，當引腳208上的數(shù)字輸入的電壓超過由數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器226設(shè)定的閾值時，微處理器82可確定輸入的變化繼而推斷數(shù)字輸入的狀態(tài)已改變。ASIC 198可接收或產(chǎn)生頻率信號。如果諸如打印機的串行通信設(shè)備連接至引腳208，則頻率信號可通過低電流開關(guān)221而路由至通用異步收發(fā)器(UART)或類似的可解譯頻率信息的電路元件(未示出)。在模塊66中的所有ASIC 198 (見圖10)可將頻率信息路由至組成頻率總線230的四條導線中的一條。通過采用頻率總線230，模塊66可接收和傳送設(shè)置為單端或差分的頻率信號。諸如RS-422的串行電氣標準可提供差分串行信息。ASIC 198可在引腳節(jié)點處產(chǎn)生電流源，電流源是用于連接各種工業(yè)控制裝置的標準方法。ASIC 198可產(chǎn)生在4-20mA和0-20mA的標準范圍內(nèi)變化的信號。這種電流源方法通過微處理器82來實現(xiàn)，因為微處理器82可致使數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器226產(chǎn)生電壓，所述電 壓路由至可選增益電壓緩沖器或電流驅(qū)動器231然后通過可選源極電阻器227，其中可選源極電阻器227可通過微處理器82來設(shè)定適當?shù)碾娮柚狄詫崿F(xiàn)所需的輸出電流。可選增益電壓緩沖器或電流驅(qū)動器231可通過使用通過模擬開關(guān)229的反饋來調(diào)制所述電流，其中模擬開關(guān)229采用路徑A。ASIC 198可測量在引腳節(jié)點處出現(xiàn)的電流信號，所述電流信號可由各種工業(yè)控制裝置產(chǎn)生。ASIC 198可測量在4-20mA和0_20mA的標準范圍內(nèi)變化的信號。這種電流測量方法可通過微處理器82來實現(xiàn)，因為微處理器82可致使可選增益電壓緩沖器231在其輸出端產(chǎn)生諸如O伏特的方便電壓。同時，微處理器82可致使可選源極電阻器228施加電阻于來自工業(yè)控制裝置的電流路徑以及其電流輸出。該電流可通過引腳208而流入ASIC198。在已知的電阻的一側(cè)施加的電壓可致使來自外置裝置的未知電流在引腳208處產(chǎn)生電壓，該電壓然后通過低電流開關(guān)222而由模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器216測量。微處理器82采用歐姆定律來計算由工業(yè)控制裝置產(chǎn)生的未知電流。本發(fā)明的另一改進是，模塊66可獨立控制連接至模塊66的裝置。例如，如果熱電偶或其它溫度傳感器連接至模塊66以及加熱器，則微處理器82可讀取溫度傳感器，并致使加熱器達到所需的溫度。加熱器通常采用可將模塊66的低電平輸出轉(zhuǎn)換成能夠驅(qū)動加熱器的高功率輸出的放大器(諸如繼電器)。因此，模塊66可執(zhí)行閉環(huán)控制。在這種情況下，熱電偶可連接至二個相鄰的設(shè)置為輸入的引腳208，而加熱器可連接至二個引腳208，加熱器引腳設(shè)置為輸出。在運作中，微處理器82可測量如上所述的溫度傳感器的電壓。微處理器82可通過使用已知的控制算法來將所需的溫度施加于所測量的溫度，并且還可通過使用可接受的方法來產(chǎn)生致動信號。微處理器然后可使用連續(xù)變化的模擬信號或脈沖寬度調(diào)制(PWM)開/關(guān)信號來致動加熱器。因此，可獨立控制連接至模塊66的裝置。ASIC 198的功能可參考如上所述的接口裝置97的功能。例如，ASIC 198可包括具有數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器226的互連裝置，其中微處理器82可編程以直接接收來自微處理器82的數(shù)字信號，然后致使數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器226將所述信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，并且在引腳208處復制所述模擬信號。見圖10和11。
ASIC 198還可包括具有模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器216的互連裝置，其中微處理器82可編程以檢測任何所選的接觸器69上的模擬信號，并致使模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器216將所述信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號且輸出復制的數(shù)字信號至微處理器82。ASIC 198還可包括電源選擇器227和設(shè)置于選擇器227和引腳208之間的高電流開關(guān)222b。微處理器82可編程以操作電源選擇器227而產(chǎn)生連接至第一接觸器69的電源電壓，以及產(chǎn)生連接至第二接觸器69的電源回流。請參考圖11，存在2X8交叉開關(guān)210，其用于將傳感器連接至二個相鄰的引腳208，所述二個引腳208接著連接至二個相鄰的設(shè)備通信連接器69。交叉開關(guān)210可使諸如熱電偶的傳感器連接至精密差動放大器212。精密差動放大器212可通過低電流開關(guān)222和2X8交叉開關(guān)210而連接至4路交叉輸入/輸出214以及連接至在相鄰的集成電路19(用于相鄰的接觸器69)上的另一 4路交叉輸入/輸出214。請參考圖8和10，微處理器82通常通過控制器72來設(shè)置/編程以從控制器接收 所需的指令，從而檢測設(shè)備80-81中的一個特別選定的設(shè)備或致動設(shè)備82-84中的一個設(shè)備，以及提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)至系統(tǒng)控制器。微處理器82還可由控制器72來編程/控制以施加特定的信號至任何一個或多個選定的接觸器69繼而施加至相應(yīng)的導線68。此外，微處理器82可編程以響應(yīng)控制，以將來自一個或多個設(shè)備80-84的選定的信號類型發(fā)送至系統(tǒng)控制器72。換句話說，微處理器可控制接口裝置97的配置，且微處理器通常由系統(tǒng)控制器控制。可供選擇的，接口裝置可配置成響應(yīng)在模塊66的微處理器82的內(nèi)存中所存儲的信息。在另一個可選擇的方法中，接口裝置可配置成響應(yīng)安裝于模塊電路板上的一組跳接線塊，其中插入或移除跳接線塊可確定上述配置。在優(yōu)選的實施例中，微處理器82具有嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。個人計算機可通過以太網(wǎng)電纜或無線通信設(shè)備而連接至系統(tǒng)65，繼而連接至因特網(wǎng)。這里，個人計算機也可以是系統(tǒng)控制器。嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器可為連接至模塊66的每一裝置提供配置頁面。用戶然后可使用鼠標或其它鍵盤輸入來設(shè)置裝置功能和分配輸入/輸出引腳。用戶可在配置頁面上簡單地拖拽圖標來確定對應(yīng)于每一接觸器的特定的互連裝置。在系統(tǒng)65的運作的例子中，微處理器82可編程以識別諸如在網(wǎng)絡(luò)電纜78上的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包所包含的特別的輸入數(shù)據(jù)，其中網(wǎng)絡(luò)電纜78包含用于將在特別的電線94上的作為模擬信號的數(shù)據(jù)傳送至設(shè)備80-84中的一個特別的設(shè)備的指令。在這種情況下，程序可命令微處理器控制/轉(zhuǎn)換通過在接口裝置97中的具有數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器的裝置的數(shù)據(jù)。用于進行該連接的設(shè)備標示為繼電器“R1”，可致使繼電器來進行所需的連接。作為另一個例子，如果電線94用于將5伏特電壓傳送至設(shè)備80-84中的一個設(shè)備，則微處理器82可編程以響應(yīng)來自控制器72的信號以致動繼電器R6。通過這種方式，系統(tǒng)65允許通過諸如94的任何選定的電線的選定的各種類型的通信，以及可將多種信號中的任一信號發(fā)送至諸如94的任何選定的電線，繼而發(fā)送至相應(yīng)的裝置。電路開關(guān)裝置(Rl-Rl2)圖示為電磁繼電器。在一個實施例中，所述開關(guān)裝置可通過半導體電路而實現(xiàn)。(見圖11和相關(guān)說明)。半導體電路非常廉價且運行比電磁繼電器電路更快。可使用電磁繼電器以示出本發(fā)明的精髓。圖12還示出本發(fā)明的相鄰的可配置連接的優(yōu)點。圖12示出了熱電偶101加入圖8中的系統(tǒng)中。如上所述，圖8所示的實施例比現(xiàn)有技術(shù)所使用的通道更加有效。圖8所示的系統(tǒng)中有三個通道沒有使用，具體是編號為13、14和15的設(shè)備通信連接器。如圖12所示，熱電偶是一種類型的溫度傳感器，其連接至通信連接器14和15。為了精確測量較小的熱電偶電壓，精密差動放大器212通過使用交叉開關(guān)210而連接至熱電偶。見圖11。 圖12表示單個可配置輸入/輸出模塊66可同時進行與源、接收、數(shù)字和模擬傳感器以及致動器之間的連接。因此，可有效地使用在輸入/輸出模塊上的可獲得的通道。相反，現(xiàn)有技術(shù)的固定配置的輸入/輸出模塊不能容納一個以上的不同裝置。雖然已經(jīng)圖示和描述了本發(fā)明的特定實施例，但是對本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的是，在不脫離本發(fā)明的精神的情況下，可對本發(fā)明作出修改和變型。因此，所附的權(quán)利要求書應(yīng)當包括這些修改和變型，這些修改和變型應(yīng)當屬于本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于物理過程的控制系統(tǒng)的過程仿真系統(tǒng)，所述過程仿真系統(tǒng)包括 Ca)可配置的連接器模塊，所述可配置的連接器模塊包括 (i )設(shè)備通信連接器裝置，所述設(shè)備通信連接器裝置用于將至少一條導線連接在所述模塊和至少一個控制系統(tǒng)輸入或輸出信號之間； 以及 (ii)接口裝置，所述接口裝置用于致使所述模塊將多個信號中的任何信號設(shè)置于所述設(shè)備通信連接器裝置的多個接觸器中的任何接觸器上；其中所述接口裝置包括至少一個電子集成電路，所述電子集成電路提供可選擇的互連裝置給所述接觸器中的一個特定接觸器；所述接口裝置可由所述系統(tǒng)的用戶配置；以及 (b)仿真器，所述仿真器用于管理與仿真物理過程相對應(yīng)的信號；其特征在于，所述控制系統(tǒng)在物理過程中的運作被仿真。
2.如權(quán)利要求I所述的過程仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述仿真器設(shè)置于所述模塊之外。
3.如權(quán)利要求2所述的過程仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述仿真器通過網(wǎng)絡(luò)連接而連接至所述模塊。
4.如權(quán)利要求I所述的過程仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述仿真器設(shè)置于所述模塊之內(nèi)。
5.如權(quán)利要求I所述的過程仿真系統(tǒng)，還包括第二可配置連接器模塊，其中所述第二模塊被配置成用于仿真所述控制系統(tǒng)。
6.一種在可配置的連接器式的系統(tǒng)上配置仿真器通道的方法，所述系統(tǒng)包括模塊，所述模塊包括(i)設(shè)備通信連接器裝置，所述設(shè)備通信連接器裝置具有多個接觸器；以及(i i )接口裝置，所述接口裝置包括至少一個電子集成電路，所述電子集成電路提供可選擇的互連裝置給所述接觸器中的相應(yīng)的至少一個接觸器； 所述方法包括步驟命令所述接口裝置將多個信號中的任何信號設(shè)置在所述設(shè)備通信連接器裝置的所述多個接觸器中的任何接觸器上；其中所述命令步驟包括系統(tǒng)控制器命令將通信指令傳送至所述模塊以仿真在由控制系統(tǒng)控制的物理過程中的多個步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于計算機的仿真器，所述仿真器與計算機控制系統(tǒng)分離，本發(fā)明可簡化基于計算機的仿真器與計算機控制系統(tǒng)之間的電互連，并減少實現(xiàn)基于計算機的仿真器所需的硬件組件的數(shù)量。本發(fā)明還可促使控制和仿真器系統(tǒng)的遠程配置和運作。
文檔編號G06G7/48GK102918542SQ201180025276
公開日2013年2月6日 申請日期2011年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月22日
發(fā)明者P·薩格斯 申請人:Xio股份有限公司