CN101110825A - 在自动化技术的不同使用情况下灵活使用的通信系统 - Google Patents

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CN101110825A CNA2007101373697A CN200710137369A CN101110825A CN 101110825 A CN101110825 A CN 101110825A CN A2007101373697 A CNA2007101373697 A CN A2007101373697A CN 200710137369 A CN200710137369 A CN 200710137369A CN 101110825 A CN101110825 A CN 101110825A
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Abstract

本发明涉及一种用于扩展自动化系统的中央模块的模块，其中模块和中央模块之间的数据传输借助具有以环结构或底板结构的点对点连接的串行通信系统进行，为此该模块在位传输层中具有至少两个发送器和至少两个接收器。本发明还涉及一种具有至少一个这种模块和一个中央模块的通信系统。本发明提供了用于自动化系统内的通信系统的模块，该模块可以灵活而简单地适用于相应的应用领域。本发明还提出一种灵活且可缩放的通信系统，用于在模块化地扩展中央模块/CPU的含义下中央模块/CPU和至少一个模块之间的数据传输。在本发明的模块中，参数化位传输层的配置以匹配该模块的可预先给定的应用领域，尤其是在速度、可用性和/或可扩展性方面。

Description

在自动化技术的不同使用情况下灵活使用的通信系统
技术领域
本发明涉及一种用于扩展自动化系统的中央模块的模块，其中在该模块和中央模块之间的数据传输借助具有以环(Daisy-Chain)结构或底板结构形成的点对点连接的串行通信系统进行，并且为此该模块在位传输层中具有至少两个发送器和至少两个接收器。
本发明还涉及一种具有扩展了至少一个模块的中央模块的自动化系统的通信系统，其中该模块和中央模块之间的数据传输借助以环结构或底板结构形成的点对点连接串行地进行。
背景技术
这种模块或通信系统尤其是用在自动化技术中，其中根据自动化系统或远程I/O系统的使用领域而以通信的不同方面为焦点。这些方面例如是用于控制和调节技术中特殊功能的高速，用于传动技术和调节的确定性/时钟同步，高度可用或容错系统的可用性，尤其是在过程工业的系统中的热插拔(插入和拔出)，例如在制造技术中的操作/成本，尤其是在PROFIBUS/以太网路由到通信模块时的通信吞吐量，在远程I/O和可扩展性的分布式外围设备中的应用。目前的系统在一个或多个方面比较刚性地优化。在此这些系统支持自动化技术的典型要求，如周期性的I/O传输，中央模块和扩展该中央模块的至少一个模块之间或该模块和例如用于警报消息的中央模块之间的短反应时间，时钟和时间同步以及高可用性。根据确定的观点在考虑限定的反应时间的条件下进行数据传输，并且通常通过中央模块初始化。
迄今的解决方案例如是在环结构的含义下用作本地(板对板)通信系统的串行总线系统或者在底板结构的含义下的并行总线系统。对串行总线系统来说，可以通过插入模块来进行简单的扩展，而且该总线系统就建立技术(“自建立变形”)而言具有很高的灵活性。另外该系统的特征通过很小的位置需求(就插件的大小而言，力学(Mechanik))以及很小的功率需求(就激励器的数量而言…)表现出来，因此作为低成本变形出现，但是具有比较低的性能(以＜10MBd的位速率串行传输)和比较高的反应时间。相对的，并行系统如VME总线或PCI具有较高的性能(并行传输16/32位)，但是这要以较大的成本(多极插件，复杂的底板)、高的位置需求(插件的大小、力学、ASIC、EMV措施)、有限的传输速率(串扰，激励器技术，总线结构)、低的数据安全性(数据安全机制)、高的功率需求(激励器的数量，...)和关于构造技术的小的灵活性(由于固定的底板结构)为代价。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于自动化系统内的通信系统的模块，该模块可以灵活而简单地适用于各种应用领域。本发明还要解决的技术问题是提供一种灵活而可缩放的通信系统，用于在模块化地扩展中央模块/CPU的含义下中央模块/CPU和至少一个模块之间的数据传输。
该技术问题在开头所述类型的模块中是这样来解决的，参数化位传输层的配置以匹配该模块的可预先给定的应用领域，尤其是在速度、可用性和/或可扩展性方面。该技术问题在开头所述类型的通信系统中这样来解决，即作为模块设置按照本发明的模块。
所述通信系统可以通过参数化所述模块和/或通过插入系统部件如集线器(有源信号分配器)或终端(无源信号分配器)而在各应用领域上得到优化，即各应用领域所需要的基本功能都存在于所有模块(通信连接)中，并且可以相应地启动。由此对终端用户和制造商来说都提供了最大可能的灵活性。从而例如可以单独通过插入集线器部件而明显提高可用性，这当然尤其是在高可用系统中是很重要的。
在附图中详细示出不同的基本配置。由于所示出的多方面的应用可能，可以在性能、功能和成本方面实现尽可能的缩放。
核心是在模块之间具有点对点连接的串行通信系统，其中数据传输根据电报方法进行。每个模块都具有至少两个发送/接收装置(端口)。可以相应地灵活使用，也就是配置点对点(端口到端口)关系。从而例如在从环结构转换为底板结构即机柜系统(Rack system)时只需要更换终端。或者可以在扩展时将多个用于模块的支架系统组合成一个系统结构。本发明的模块在此可以在不改变硬件或固件的条件下用于不同的拓扑选项。由此不需要特殊的扩展来用于不同的变形。
通过位传输层的可参数化配置，本发明的通信系统提供了以下优点：1.功能方面的可缩放性，即功能可以与各应用情况匹配(在不同的应用情况下具有不同的拓扑选择，兼容性)，2.成本方面的可缩放性，即从低成本系统到高性能系统都可以使用相同的模块(和支架系统)；该缩放是通过中央模块和终端的效率来实现的，3.构造性的结构技术方面的可缩放性，即利用实际的结构技术(模块、支架系统、终端)可以涵盖整个功能范围，而为此在公知的解决方案中需要不同的结构技术，4.将当前规则(并行/串行)的优点组合成“新的通信系统”，该信通信系统提供了以下优点：高性能和并行性，低成本变形，在结构技术方面的高灵活性(环，底板)，可缩放性，小的损耗功率，小的位置需求，高的数据安全性，高的确定性(反应时间)和对自动化技术的重要要求如短报警反应时间、时钟/时间同步性等的适应。
在优选实施方式中，所述模块具有用于通过设置硬件来参数化位传输层的配置的装置。这例如可以通过相应地设置在底板中的管脚来进行。
在另一优选实施方式中，所述模块具有用于通过软件设置来参数化位传输层的配置的装置。由此可以通过该通信系统来传送要使用的配置。
在另一优选实施方式中，所述模块具有用于自动识别拓扑变形环结构或底板结构并且相应地参数化位传输层的配置的装置。由此不需要用户的动作。
附图说明
下面借助在附图中示出的实施例详细描述和解释本发明。其中：
图1示出本发明模块的示意图，
图2示出图1中具有针对环结构的配置的模块，
图3示出图1中在选项“提高可用性”方面具有针对底板结构的配置的模块，
图4示出图1中在选项“高速从机”方面具有针对底板结构的配置的模块，
图5是环结构的本发明通信系统的系统拓扑结构的示意图，
图6是图5的通信系统的通信拓扑结构的示意图，
图7是具有集线器的底板结构的本发明通信系统的系统拓扑结构的示意图，
图8是图7的通信系统的通信拓扑结构的示意图，
图9是具有第二集线器的图7中通信系统的系统拓扑结构的示意图，
图10是图9的通信系统的通信拓扑结构的示意图，
图11是具有“高速主机”的底板结构的本发明通信系统的系统拓扑结构的示意图，
图12是图11的通信系统的通信拓扑结构的示意图，
图13是按照扩展了两个支架系统的实施方式的本发明通信系统的系统拓扑结构的示意图，
图14是图13的通信系统的通信拓扑结构的示意图。
具体实施方式
图1示出本发明模块1的示意图。模块1具有两个接收器2和两个发送器3，它们组成所述发送/接收装置的两个端口P1、P2。发送器3和接收器2在此作为与串行通信系统的接口而接管“串行器”或“去串行器”的功能。在端口P1、P2接收的电报在提供给后续层4并最后提供给模块应用5之前，由位传输层根据不同的配置而进行不同的处理。后续层4在此根据OSI(开放系统互联参考模型)包括：安全层，中继层，传输层，会话层，显示层和应用层。按照本发明，在此位传输层的配置例外的是对后续的通信层4和应用软件5没有影响。这个例外涉及选项“双总线系统”，下面将在图10中详细解释。原则上将每个在一个端口P1、P2接收的电报从后续层4提供到OSI模型的安全层—层2的第一接收存储器7(REC_BUF)中。此外安全层可以将传送到第一发送存储器8(SEND_BUS)的电报发送给端口P1、P2中的一个或两个。模块1还具有第二接收存储器9和第二发送存储器10，但它们还是只能用于选项“双总线系统”。对待发送和接收的电报的具体处理类型在此通过位传输层6的配置文件来确定。
所示出的模块1可以灵活地通过硬件设置如相应铺设在底板中的管脚，或软件设置、即更改位传输层6的配置文件来与针对各应用领域的相应系统要求匹配。从而模块1可以在不改变硬件或固件的条件下用于不同的拓扑选项，这些拓扑选项在下面的图中示出，而不必对这些变形进行特殊的扩展。在此，根据下面的图中给出的实施方式来参数化位传输层。在此无需用户的动作就可以自动识别拓扑变形环结构或底板结构。
图2示出图1的模块1，其中针对环结构来参数化位传输层6的配置文件，参见图5和图6。在此通常所有到达某个端口—在该图中为P1—的电报11都存储在第一接收存储器7中，同时又发送给另一个端口—在该图中是P2。每个电报11都包括由符号组成的数据、特殊起始符号(SD，“起始分隔符”)和特殊结束符号(ED，“结束分隔符”)。电报11从接收端口P1传递到发送端口P2的等待时间降低到最小值(典型地是2至3个符号)。因此在接收到电报11的起始符号之后，实际上立即开始继续发送所接收的符号，直到通过接收到结束符号而结束该传递为止。通常该传递在两个方向上进行。此外还可以通过相应的端口P1、P2发送传递到第一发送存储器8中的电报11。
图3示出图1的模块1，在此在选项“提高可用性”中对针对底板结构的位传输层6的配置文件进行参数化。通常在底板结构、即机柜系统中，在每个端口P1、P2上接收的所有电报11都接收到第一接收存储器7中，而不分别传递给另一个端口P2、P1。另外通过相应的端口P1、P2发送传递到第一发送存储器8中的电报11。在选项“提高可用性”中，通信系统具有两个集线器模块，并且通信是通过两个集线器双信道地进行的，参照图9和图10。每个通信任务都是并行地通过两个信道(端口P1、P2)进行，并且在目标模块中在相应的两个端口P1、P2上接收。
如果在端口P1上接收起始符号，则仅由该端口P1接收电报11，直到接收到结束符号为止。稍晚到达的电报11(冗余电报)由此被丢弃。如果第二电报11同时到达端口P2，则进行优先权设置，例如信道1(端口P1)具有优选权。由于在选项“提高可用性”中电报11并行地通过两条路径发送，因此可以跳过或检测到某一条路径的故障。此外可以通过端口P1和P2发送传递到第一发送存储器8中的电报11。
图4示出图1的模块1，其中在选项“高速从机”中对针对底板结构的位传输层6的配置文件进行参数化。在该选项中通过在通信系统中采用第二集线器来提供第二通信信道用于使带宽加倍。在此，待发送的电报11分为第一半电报12和第二半电报13，其中例如第一半电报12通过信道1发送，而第二半电报13通过信道2发送。所分开的电报12、13的标记通过特殊的起始符号实现。在模块1中，在两个端口P1、P2接收的半个电报12、13通过相应参数化的位传输层6的配置文件又组合成一个电报，并在第一接收存储器中提供给后续层4和模块应用5使用。另外可以通过两个端口P1和P2发送传递到第一发送存储器8中的、分别分为两个子电报12和13的电报。
图5示出按照环结构的本发明通信系统的系统拓扑结构的示意图。在此模块1和中央单元14通过简单的无源元件(终端)而固定在支架系统15上。在此，扩展是模块粒度的，也就是说该结构的机械扩展只通过待连接的模块1的数量来确定。这是一种功能受到相应限制的低成本变形，如例如不能在运行时取出或插入模块1以及有限的性能。
图6示出图5通信系统的通信拓扑结构的示意图。在通信技术中，该通信拓扑结构是一种线形结构。在所示例子中通过箭头表示从中央单元14到模块1的查询完全向右发送，其中位于中间的模块1转发该请求，即在端口P1上接收并传递给与下个模块的端口P1连接的端口P2。
图7示出按照底板结构的、具有集线器16的本发明通信系统的系统拓扑结构的示意图。在这种机柜系统中，模块1、中央单元/CPU14和集线器16通过提供n个装入位置的无源元件(底板)固定在支架系统15上。在此可扩展性通过底板的实施来确定。支架系统15/底板在此实施为纯无源的。特别是在机柜系统中可以根据不同的应用情况采取另外的选项。
图8示出图7的通信系统的通信拓扑结构的示意图。在通信技术中，该拓扑结构是一种星形结构。该通信基础设施(集线器功能/星形)通过独立的集线器模块16来辨认。利用具有多个端口、如P1至P16的该集线器模块16，模块1和中央单元14分别通过其端口P1相互连接。在该图中通过箭头表示的、完全向右进行的从中央单元14到模块1的请求(查询)，通过集线器16转发给所涉及的模块1。在该图中CPU 14与集线器模块16的端口P3连接，受到查询的模块1与集线器16的端口P16连接。
图9示出图7的具有第二集线器16的通信系统的系统拓扑结构的示意图，由此提供了第二个物理通信信道。因此可以实现将在图10中详细解释的不同选项。
图10示出图9的通信系统的通信拓扑结构的示意图。通过两个集线器模块16，为CPU 14提供了两条通向右侧模块1的通信路径，如通过绘出的箭头所表示的。这两条通信路径可以对不同的应用情况用在不同选项中，其中对所有选项可以采用相同的底板。只是通过对主机或从机的参数化来选择要采用的变形。在此底板(在选项“提高可用性”中唯一不能在运行时更换的元件)不包含有源元件，因此具有特别高的可用性。
·“提高可用性”
通过添加第二集线器模块16实现了物理通信信道的冗余。在此提高了该系统的可用性，因为总线基础设施(集线器模块16)的故障不会导致该系统的失灵。在该上下文中，通信通过两个集线器16双信道地进行。每个通信任务都通过请求者(CPU 14)并行地发送给信道1(P1)和信道2(P2)。响应者(在所述例子中是右侧的模块1)同样在两个端口P1、P2上接收该任务，并且并行地向两个信道(端口P1，P2)返回响应。请求者14同样在两个信道P1和P2上接收该响应。通过这种方法可以无反作用地跳过一条信道的故障。此外在该变形中，可以在运行时更换集线器模块16，而不会中断通信。
·“双总线系统”
原则上可以采用两个物理信道作为独立的/自主的总线系统。通常对一个通信系统存在两个不同的要求：
-快速的确定性访问并具有短的反应时间，
-相对慢的通信，但是一般有较大的数据量。
如果两个功能都通过一条信道实现，则会产生相反的耦合(通常在时间特性上)。这种耦合可以通过用不同的自主信道(通信系统)实现所述功能来阻止。在选项“双总线系统”中，可以完全自主地使用两个通信信道，如信道1用于确定性的传输，而信道2用于时间上不重要的通信。
·“高速从机”
还可以将物理通信信道的冗余用于提高带宽，即总线主机通过两个端口P1、P2发送电报11。在此该电报11非冗余地传送。该电报12的一半通过端口P1传送，而另一半13通过端口P2传送。分开的电报通过一个特殊的起始分隔符来标记。由此原理上使得带宽加倍。相应的电报必须在接收端根据相同的算法重新组合在一起。该算法例如可以如下所述：通过端口P1传送所有奇数字节，通过端口P2传送所有偶数字节。
图11示出按照底板结构的具有“高速主机”的本发明通信系统的系统拓扑结构的示意图。该“高速主机”是具有多个端口的中央单元/CPU14，其中每个端口都与一个模块1连接。在通常情况下，I/O传送周期地在一个限定的时间间隔内进行，并且顺序地启动每一个模块1。
图12示出图11的通信系统的通信拓扑结构的示意图。每个模块1的端口P1都与“高速主机”—中央单元/CPU 14的一个端口连接。因此每个模块1都从某种程度上通过独立的总线调用，即在该选项中I/O传送是完全并行执行的—调用I/O模块被同时，这在有10个模块1的情况下通常会导致所提供的带宽增大十倍。
图13示出在增加了两个支架系统15的实施方式中本发明通信系统的系统拓扑结构的示意图。该扩展简单地通过插入接口模块17来进行，该接口模块通过另一个支架系统15上的另一个接口模块17而与另一个集线器16连接，而该集线器16又与其它模块1连接。
图14示出图13的通信系统的通信拓扑结构的示意图。通过插入部件—接口模块17，可以为该系统增加具有n个模块1或插入位置的一个或多个支架系统15。在此模块1的寻址例如通过惯例(机柜.插槽)来进行，其中机柜、即支架系统15在所示例子中从上到下可用Rack0，Rack1，Rack2表示，并且插槽给出在各机柜中的插入位置的编号。从而例如中间集线器模块16的地址是(1.1)，而下面的接口模块17的地址是(2.4)。
综上所述，本发明涉及一种用于扩展自动化系统的中央模块的模块，其中模块和中央模块之间的数据传输借助具有按照环结构或底板结构的点对点连接的串行通信系统进行，其中所述模块为此在位传输层中具有至少两个发送器和至少两个接收器。本发明还涉及一种具有至少一个这种模块和一个中央模块的通信系统。本发明要解决的技术问题是提供一种用于自动化系统内的通信系统的模块，该模块可以灵活而简单地与相应的应用领域相匹配。本发明还要解决的技术问题是提供一种灵活和可缩放的通信系统，用于在模块化地扩展中央模块/CPU的含义下中央模块/CPU和至少一个模块之间的数据传输。该技术问题在开头所述类型的模块中是这样解决的，即参数化位传输层的配置以匹配该模块的可预先给定的应用领域，尤其是在速度、可用性和/或可扩展性方面。

Claims (7)

1.一种用于扩展自动化系统的中央模块(14)的模块(1)，其中，在该模块(1)和中央模块(14)之间的数据传输借助具有以环结构或底板结构形成的点对点连接的串行通信系统进行，并且为此该模块(1)在位传输层中具有至少两个发送器(3)和至少两个接收器(2)，其特征在于，可以对所述位传输层的配置进行参数化以匹配该模块(1)的可预先给定的应用领域，尤其是在速度、可用性和/或可扩展性方面。
2.根据权利要求1所述的模块，其中，该模块(1)具有用于通过设置硬件来参数化位传输层的配置的装置。
3.根据权利要求1或2所述的模块，其中，该模块(1)具有用于通过软件设置来参数化位传输层的配置的装置。
4.根据上述权利要求之一所述的模块，其中，该模块(1)具有用于自动识别拓扑变形环结构或底板结构并相应地参数化所述位传输层的配置的装置。
5.一种自动化系统的通信系统，具有扩展了至少一个模块(1)的中央模块(14)，其中在该模块(1)和中央模块(14)之间的数据传输借助以环结构或底板结构形成的点对点连接串行地进行，其特征在于，作为模块(1)设置了按照权利要求1至4中任一项所述的模块(1)。
6.根据权利要求5所述的通信系统，其中，所述通信系统具有至少一个集线器(16)。
7.根据权利要求5或6所述的通信系统，其中，所述通信系统具有至少一个接口模块(17)用于扩展该通信系统。
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