AT982U1 - Programmlogik zur datenübertragung zwischen informationsverarbeitenden stationen bzw. geräten - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Programmlogik zur Datenübertragung zwischen informationsverarbeitenden Stationen bzw. Geräten, z.B. speicherprogrammierbaren Steuerungen, Leitrechnem oder Bediengeräten für die Automatisierungstechnik, die über ein Netzwerk mit seriellem oder parallelem Bus miteinander verbunden sind und wobei die Datenübertragung nach dem Token-passing-Verfahren erfolgt, bei dem eine Station immer nur dann sendet, wenn sie im Besitz der Sendeberechtigung ist, und alle Stationen nach einem konstanten synchronisierten Zeitzyklus arbeiten.

Netzwerke die zur digitalen Datenkommunikation zwischen einzelnen Stationen verwendet werden, sind entweder als Bus- oder Ringsysteme aufgebaut. Bussysteme haben den Vorteil, daß alle Stationen parallel am Datenträger (Busleitung) angeschlossen sind, wodurch bei einer Abschaltung von einzelnen Stationen kein Zusammenbruch des Netzwerkes erfolgt. Bei Bussystemen erfolgt außerdem die Informationsübertragung auch schneller als bei Ringsystemen.

Der "Token" ist eine definierte Bitfolge, die von einer Station, von denen jede eine im Netzwerk eindeutige Identifikationsnummer besitzt, zur nächsten weitergegeben wird. Jede Station gibt den "Token" an die Station mit der nächsthöheren Identifikationsnummer im Netzwerk weiter. Da die Anzahl der zu vergebenden Identifikationsnummern begrenzt ist, erhält die Station mit der niederigsten Nummer den "Token" von der Station mit der höchsten Nummer, wodurch im Netzwerk ein logischer Ring gebildet wird. Der "Token" bleibt während des Sendens bei der Station. Dadurch ist gewährleistet, daß es zu keiner Datenkollision am Bus kommt.

Eine Eigenschaft des Token-passing-Verfahrens ist, daß man jederzeit Stationen weg- oder zuschalten kann. Damit jedoch der logische Tokenring aufrecht erhalten bleibt, ist eine Rekonfiguration notwendig. Wenn eine neue Station eingeschaltet, bzw. zu einem bestehenden Netzwerk zugeschaltet wird, bekommt diese keinen Token, weil zu Beginn bei keiner Station ihre Identifikationsnummer als neue Nummer eingetragen ist. Nach Ablauf des Token-Timeouts sendet die neue Station ein Dauersignal aus und unterbricht somit die momentane Kommunikation. Alle Stationen beginnen nun von der höchsten Identifikationsnummer abwärts zu zählen, 2 AT 000 982 Ul bis sie ihre eigene Stationsnummer erreicht haben. Wenn eine Station ihre eigene Nummer erreicht hat, so versucht sie nun den Token an die Station mit der nächsthöheren weiterzugeben. Gibt es diese Station nicht, so wird versucht den Token an die Station mit der um zwei erhöhten Nummer weiterzugeben. Dies wird solange wiederholt, bis eine vorhandene Station erreicht ist. Dabei wird nach dem Versuch den Token an die Station mit der höchstmöglichen Nummer zu übergeben, versucht den Token an jene mit der niederigstmöglichen Nummer zu senden. Wenn die Tokenweitergabe an eine zweite Station erfolgreich war, wird deren Identifikationsnummer als neue Nummer gespeichert. Die zweite Station versucht nun ihrerseits den Token an die Station mit der nächsthöheren Nummer weiterzugeben, dies wird jeweils um eins erhöht,solange wiederholt, bis die Nachfolgestation erreicht ist. Wenn alle Stationen die Nummer ihrer Nachfolgestationen eingetragen haben, ist die Rekonfiguration abgeschlossen.

Wird der Token an eine Station weitergegeben, die ausgefallen oder vom Netzwerk weggeschaltet ist, geht er verloren. Die momentane Kommunikation ist somit unterbrochen und es beginnt die Rekonfiguration nach dem selben Verfahren wie oben beschrieben.

In der US-PS 4 663 748 ist ein Kommunikationssystem für zu einem Ring zusammengeschaltete Computer beschrieben. Dabei werden alle am Netzwerk angeschlossenen Rechner synchronisiert. Weiters arbeitet dieses System ebenfalls nach dem Token-passing-Verfahren.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine neue Programmlogik zur Datenkommunikation zwischen über einen Bus miteinander verbundenen Stationen, insbesondere speicherprogrammierbaren Steuerungen, zu schaffen, mit dem Datentelegramme sehr schnell und vor allem sicher zwischen den Stationen übertragen werden.

Diese Aufgabenstellung wird durch die Erfindung gelöst, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß der Zeitzyklus in drei Phasen geteilt ist, die in der Reihenfolge 3 AT 000 982 Ul

Synchronisierphase, Broadcastphase und Messagephase ablaufen, wobei Anfang und Ende jeder Phase allen Stationen im Netzwerk bekannt ist, und daß von der zum aktuellen Zeitpunkt wirksamen Phase die Art des Datentelegrammes bestimmt wird, welches von jeder einzelnen Station zum Senden freigegeben wird, wobei in jeder Station Datentelegramme zum Senden freigegeben werden, und daß eines dieser Datentelegramme entweder dann gesendet wird, wenn wie an sich bekannt die jeweilige Station im Besitz der Sendeberechtigung (Token) ist, oder aufgrund von bestimmten, von anderen Stationen empfangenen Datentelegrammen wieder zurückgenommen wird, bevor die Station die Sendeberechtigung erhält, oder deshalb zurückgenommen wird, weil die entsprechende Phase vor Erhalt der Sendeberechtigung zu Ende gegangen ist, und daß in der Synchronisierphase von jeder Station genau ein Synchronisiertelegramm zum Senden freigegeben wird, jedoch nur von der Station, die in diesem Zeitabschnitt als erste die Sendeberechtigung erhält tatsächlich gesendet wird, und daß in der Broadcastphase von jeder Station genau ein Datentele-gramm zum Senden freigegeben und auch tatsächlich gesendet wird, das an alle Stationen im Netzwerk gerichtet ist, und daß in der Messagephase von jeder Station so lange Datentelegramme zum Senden freigegeben und bei Sendeberechtigung abgeschickt werden, bis die Messagephase zu Ende ist, wobei jedes Datentelegramm, welches in dieser Phase zum Senden freigegeben und abgeschickt wird, an eine bestimmte andere Station im Netzwerk gerichtet ist. Dadurch wird die Datenübertragung der zwei Informationsarten, Zustände in einem konstanten Zeitzyklus mit Echtzeitverhalten und Ereignisse (Zustandsänderungen) sicher und zuverlässig unterstützt. Weiters ist ein fixer Zeitraster auch Voraussetzung für die übergreifenden Regel- und Steueraufgaben in einer speicherprogrammierbaren Steuerung.

Von Vorteil ist, daß die Synchronisierphase zu einem fixen Zeitpunkt ab Beginn der vorhergehenden Broadcastphase startet, und daß in der Synchronisierphase von jeder Station ein Datentelegramm freigegeben wird, in dem der Zeitpunkt des Beginns der nächsten Broadcastphase definiert ist, und daß von derjenigen Station, die in dieser Phase als erste in den Besitz der Sendeberechtigung (Token) kommt, dieses Datentelegramm abgeschickt wird, und daß alle anderen Stationen ihr diesbezügliches zum Senden freigegebenes Datentelegramm verwerfen und den Beginn der nächsten 4 AT 000 982 Ul

Broadcastphase gemäß dem Inhalt des empfangenen Datentelegramms synchronisieren. Es wird dadurch in jedem Zeitzyklus eine Station zum Synchronisiermaster, ohne daß besondere Regeln notwendig sind, wenn eine Station zu- oder weggeschaltet wird. Der Synchronisiermaster ergibt sich somit durch das Zufallsprinzip. Eine Station die von vornherein zum Synchronisiermaster bestimmt wird gibt es nicht.

Die Ausgestaltung eines Programmschrittes besteht darin, daß in der Synchronisierphase von jeder Station nur jeweils das erste empfangene Datentelegramm zum Synchronisieren verwendet wird und alle nachfolgenden ignoriert werden. Da im Normal&ll die "Token"-Weitergabe schneller ist als die Empfangsbehandlung und das Löschen des eigenen Sendeauftrages ist diese Maßnahme notwendig.

Nach einer Weiterbildung gibt am Beginn der Broadcastphase jede Station ein bereits vorbereitetes Datentelegramm zum Senden frei, wobei jene Station, die als erste die Sendeberechtigung in dieser Phase erhält, anschließend ein Datentelegramm zum Senden freigibt, welches das Ende der Broadcastphase kennzeichnet, und das nach genau einmaligem Umlauf der Sendeberechtigung im Netzwerk abgeschickt wird, und allen Stationen mitteilt, daß die Broadcastphase zu Ende ist, und die nächste Phase beginnt. Jene Station die der Broadcastmaster ist, der das Datentelegramm sendet, welches das Ende der Broadcastphase anzeigt, ergibt sich dadurch ebenfalls zufällig. Es ist somit nicht vorgesehen, eine Station von vornherein zum Broadcastmaster zu erklären. In der Broadcastphase erfogt auch eine optimale Ausnützung des Token-passing-Verfahrens, weil mit jeder Tokenweitergabe ein Datentelegramm gesendet wird.

Vorteilhafterweise beinhaltet das Datentelegramm in der Broadcastphase ein Abbild von Benutzerdaten, wobei die Bedeutung der Daten an die Position im Telegramm gebunden ist, und ausschließlich durch Projektierung definiert und geändert wird, und daß jede Station aus den in der Broadcastphase empfangenen Datentelegrammen nur jene Positionen auswählt, die für die interne Weiterverarbeitung benötigt werden. In jeder Station sind sogenannte virtuelle Ein- und Ausgangskarten mit einer 5 AT 000 982 Ul bestimmten Anzahl von virtuellen Ein- und Ausgängen projektiert. Jedes Broadcast-telegramm der einzelnen Stationen beinhaltet den momentanen Zustand der einzelnen virtuellen Ausgänge. Jede Station wählt aus den Broadcasttelegrammen jene Daten von den virtuellen Ausgängen aus die für ihre virtuellen Eingänge durch die Projektierung bestimmt sind.

Ein weiterer Vorteil ist, daß jene Stationen, bei denen keine Benutzerdaten projektiert sind, in der Broadcastphase ein leeres Datentelegramm senden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, daß alle Stationen am Netzwerk in der Broadcastphase den Ausfall von Stationen erkennen können. Bei erkanntem Ausfall eines Broadcasttelegrammes werden die betroffenen Eingänge von virtuellen Eingangskarten in den Empfangsstationen mit der Kennung "nicht plausibel" versehen.

Eine Ausgestaltung besteht darin, daß die Messagephase mit dem Ende der Broadcastphase beginnt und zu einem fixen Zeitpunkt ab Beginn der letzten Broadcastphase endet, und daß am Beginn der Messagephase in jeder Station jenes Datentelegramm, das an eine bestimmte Station gerichtet ist, und das in der Broadcastphase bereits vorbereitet wurde, zum Senden freigegeben wird und nach Erhalt der Sendeberechtigung abgeschickt wird.

Ein weiterer Vorteil ist, daß für die Messagephase eine Nachlaufzeit berücksichtigt ist, während der ein zum Zeitpunkt des Endes der Messagephase gerade im Senden begriffenes Datentelegramm noch fertig gesendet wird. Bei allen anderen Stationen, welche in dieser Phase ein Datentelegramm zum Senden freigegeben haben wird dieses zurückgenommen und für die nächste Messagephase in Auftrag gestellt.

Eine Weiterbildung liegt darin, daß in der Messagephase jede Station die Möglichkeit erhält, mindestens ein Datentelegramm zu senden, und daß die Sendefreigabe von Datentelegrammen, für die vor Ablauf der Messagephase keine Sendeberechtigung mehr erteilt wird, wieder zurückgenommen werden, und somit in der nächsten Messagephase neuerlich zum Senden freigegeben werden. 6 AT 000 982 Ul

Von Vorteil ist, daß in der Messagephase jedes Datentelegramm, daß von der Empfangsstation nicht übernommen wird, von der Sendestation nach einer definierbaren Lebensdauer verworfen wird.

Letztlich ist von Vorteil, daß in der Messagephase jedes von der Empfangsstation übernommene und gültige Datentelegramm durch ein an die Sendestation gerichtetes Quittungstelegramm bestätigt wird, und daß, sofeme das Datentelegramm von der Empfangsstation zwar übernommen, aber nicht bestätigt wird, dieses nach einem definierbaren Zeitintervall in der laufenden oder darauffolgenden Messagephase als Datentelegrammwiederholung abermals zum Senden freigegeben wird, und nach Durchführung einer definierbaren Anzahl von Sendewiederholungen endgültig verworfen wird.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

Die Fig 1 zeigt schematisch die bekannte Zusammenschaltung einzelner Stationen über einen Bus, die Fig. 2 zeigt den Zeitzyklus mit den einzelnen Phasen als Kreis und in dem Diagramm in Fig. 3 ist der Ablauf des Zeitzyklus bei fünf am Bus angeschlossenen Stationen dargestellt.

In der Fig. 1 sind an den Bus 6, der ein serieller oder paralleler sein kann, fünf Stationen 1,2, 3,4, 5 angeschlossen. Jede Station 1,2, 3,4, 5 weist einen Netzwerk-Controller 7 auf, über den die Datenkommunikation zwischen den einzelnen Stationen 1, 2, 3, 4, 5 erfolgt. Der Netzwerk-Controller 7 kann hard- oder software-mäßig realisiert werden.

Aus der Fig. 2 ist ersichtlich, daß der Beginn der Broadcastphase 8 bei der Zeit t = 0 festgelegt ist. In dieser Phase 10 sendet jede Station 1,2, 3,4, 5 ein Datentelegramm an alle Stationen 1,2, 3,4,5. Mit 10 ist ein solches Datentelegramm schematisiert. In dieser Broadcastphase 8 erhalten alle am Bus 6 angeschlossenen Stationen die Sendeberechtigung (Token) und schicken ein freigegebenes Datentelegramm 10 ab. Das Broadcastende-Telegramm 11 sendet jene Station, die in dieser Phase 8 als erste, 7 AT 000 982 Ul also zum Zeitpunkt t = 0 die Sendeberechtigung erhalten hat. Die Dauer der Broadcastphase ist abhängig von der Anzahl der am Bus 6 angeschlossenen Stationen 1,2,3,4, 5. Der Broadcastphase folgt die Messagephase 9, in der jede Station 1,2, 3, 4, 5 ein Datentelegramm an eine bestimmte andere Station 1, 2, 3, 4, 5, sofeme sie die Sendeberechtigung erhält, senden kann. Nach dem Ende der Messagephase 9 ist noch eine Nachlaufzeit 12 vorgesehen, in der ein zum Zeitpunkt des Endes der Messagephase 9 gerade im Senden begriffenes Datentelegramm noch fertig gesendet wird. Der Nachlaufzeit 12 folgt die Synchronisierphase 13,14 mit dem dem ersten 13 und dem zweiten Synchronisiertelegramm 14.

Die Ablaufrichtung des Zeitzyklus ist in dieser Fig. mit einem Pfeil angedeutet.

Die Dauer eines Zeitzyklus liegt im Bereich von einigen 100ms.

Die senkrechten Linien in Fig. 3 stellen fünf an einen Bus 6 angeschlossene Stationen 1, 2, 3, 4, 5 dar. Der "Token" 15, welcher von einer Station zur nächsten weitergegebenen wird, ist durch ein Dreieck symbolisiert. Datentelegramme 10 die von allen Stationen empfangen werden sind in dieser Fig. strichliert eingezeichnet.

An oberster Stelle ist in diesem Diagramm das erste Synchronisiertelegramm 13, welches hier gerade von der Station 1 gesendet wird, eingezeichnet. Auf ein zweites Synchronisiertelegramm 14 wurde verzichtet. Da aufgrund des Telegrammes 13 nun alle Stationen 1,2, 3,4, 5 synchronisiert sind, beginnt bei t = 0 die Broadcastphase 8. Das erste Datentelegramm 10 sendet die Station 2, die am Schluß dieser Phase 8 auch das Broadcastende-Telegramm 11 abschickt, mit dem allen Stationen 1, 2, 3, 4, 5 mitgeteilt wird, daß die Broadcastphase 8 zu Ende ist In der anschließenden Messagephase 9 sendet hier die Station 3 ein Datentelegramm an die Station 1, anschließend die Station 4 an die Station 3 und danach die Station 5 an die Station 2. Da anschließend der "Token" 15 bei der Station 1 ist und die Zeit für die Messagephase 9 schon fast abgelaufen ist, sendet diese Station 1 ihr Quittungstelegramm 16 für das von der Station 1 empfangene Datentelegramm bereits in der Nachlaufzeit 12 der Messagephase 9. Der "Token" 15 wird an die Station 2 weitergegeben, die das erste Synchronisiertelegramm 13 an alle Stationen abschickt. 8

Claims (6)

1. AT 000 982 Ul ANSPRÜCHE 1. Programmlogik zur Datenübertragung zwischen informationsverarbeitenden Stationen bzw. Geräten, z.B. speicherprogrammierbaren Steuerungen, Leitrechnem oder Bediengeräten für die Automatisierungstechnik, die Ober ein Netzwerk mit seriellem oder parallelem Bus miteinander verbunden sind und wobei die Datenübertragung nach dem Token-passing-Verfahren erfolgt, bei dem eine Station immer nur dann sendet, wenn sie im Besitz der Sendeberechtigung ist, und alle Stationen nach einem konstanten synchronisierten Zeitzyklus arbeiten, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitzyklus in drei Phasen geteilt ist, die in der Reihenfolge Synchronisierphase (13, 14), Broadcastphase (8) und Messagephase (9) ablaufen, wobei Anfang und Ende jeder Phase allen Stationen (1, 2, 3, 4, 5) im Netzwerk bekannt ist, und daß von der zum aktuellen Zeitpunkt wirksamen Phase die Art des Datentelegrammes bestimmt wird, welches von jeder einzelnen Station (1, 2, 3, 4, 5) zum Senden freigegeben wird, wobei in jeder Station (1, 2, 3, 4, 5) Datentelegramme zum Senden freigegeben werden, und daß eines dieser Datentelegramme entweder dann gesendet wird, wenn wie an sich bekannt die jeweilige Station (1, 2, 3, 4, 5) im Besitz der Sendeberechtigung (15) ist, oder aufgrund von bestimmten, von anderen Stationen (1,2,3,4, 5) empfangenen Datentelegrammen wieder zurückgenommen wird, bevor die Station (1,2, 3, 4, 5) die Sendeberechtigung (15) erhält, oder deshalb zurückgenommen wird, weil die entsprechende Phase vor Erhalt der Sendeberechtigung (15) zu Ende gegangen ist, und daß in der Synchronisierphase (13, 14) von jeder Station (1, 2, 3, 4, 5) genau ein Synchronisiertelegramm (13) zum Senden freigegeben wird, jedoch nur von der Station (1, 2, 3, 4, 5), die in diesem Zeitabschnitt als erste die Sendeberechtigung (15) erhält tatsächlich gesendet wird, und daß in der Broadcastphase (8) von jeder Station (1, 2, 3, 4, 5) genau ein Datentelegramm zum Senden freigegeben und auch tatsächlich gesendet wird, das an alle Stationen (1, 2, 3, 4, 5) im Netzwerk gerichtet ist, und daß in der Messagephase (9) von jeder Station (1, 2, 3, 4, 5) so lange Datentelegramme zum Senden freigegeben und bei Sendeberechtigung (15) abgeschickt werden, bis die Messagephase (9) zu Ende ist, wobei jedes Daten- 9 AT 000 982 Ul telegramm, welches in dieser Phase zum Senden freigegeben und abgeschickt wird, an eine bestimmte andere Station (1,2,3,4,5) im Netzwerk gerichtet ist.
2. 2. Programmlogik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisierphase (13, 14) zu einem fixen Zeitpunkt ab Beginn der vorhergehenden Broadcastphase (8) startet, und daß in der Synchronisierphase (13, 14) von jeder Station (1, 2, 3, 4, 5) ein Datentelegramm freigegeben wird, in dem der Zeitpunkt des Beginns der nächsten Broadcastphase (8) definiert ist, und daß von derjenigen Station (1, 2, 3, 4, 5), die in dieser Phase als erste in den Besitz der Sendeberechtigung (Token) (IS) kommt, dieses Datentelegramm abgeschickt wird, und daß alle anderen Stationen (1, 2, 3, 4, 5) ihr diesbezügliches zum Senden freigegebenes Datentelegramm verwerfen und den Beginn der nächsten Broadcastphase (8) gemäß dem Inhalt des empfangenen Datentelegramms synchronisieren.
3. 3. Programmlogik nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Synchronisierphase (13, 14) von jeder Station (1, 2, 3, 4, 5) nur jeweils das erste empfangene Datentelegramm zum Synchronisieren verwendet wird und alle nachfolgenden ignoriert werden.
4. 4. Programmlogik nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Beginn der Broadcastphase (8) jede Station (1, 2, 3, 4, 5) ein bereits vorbereitetes Datentelegramm zum Senden freigibt, wobei jene Station (1, 2, 3, 4, 5), die als erste die Sendeberechtigung in dieser Phase erhält, anschließend ein Datentelegramm zum Senden freigibt, welches das Ende der Broadcastphase (8) kennzeichnet, und das nach genau einmaligem Umlauf der Sendeberechtigung im Netzwerk abgeschickt wird, und allen Stationen (1, 2, 3, 4, 5) mitteilt, daß die Broadcastphase (8) zu Ende ist, und die nächste Phase beginnt.
5. 5. Programmlogik nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Datentelegramm in der Broadcastphase (8) ein Abbild von Benutzerdaten beinhaltet, wobei die Bedeutung der Daten an die Position im Telegramm gebunden ist, und ausschließlich durch Projektierung definiert und geändert wird, und daß 10 AT 000 982 Ul nicht übernommen wird, von der Sendestation nach einer definierbaren Lebensdauer verworfen wird.
6. 11.Programmlogik nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Messagephase (9) jedes von der Empfangsstation übernommene und gültige Datentelegramm durch ein an die Sendestation gerichtetes Quittungstelegramm (16) bestätigt wird, und daß, sofeme das Datentelegramm von der Empfangsstation zwar übernommen, aber nicht bestätigt wird, dieses nach einem definierbaren Zeitintervall in der laufenden oder darauffolgenden Messagephase (9) als Datentelegrammwiederholung abermals zum Senden freigegeben wird, und nach Durchführung einer definierbaren Anzahl von S ende Wiederholungen endgültig verworfen wird. 11