CN102396187A - 用于确定输入输出设备中事件的发生时间的方法和通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种方法以及一种通信系统，能够低成本简单地在一个上级控制单元(20)确定记录在输入输出设备(51-53)的事件发生的时间。在此，上级控制单元(20)有一个带系统时钟(25)。此外，上级控制单元(20)连接一个输入输出连接单元(40)，多个第一输入输出设备(51-53)可连接在该单元，其中，输入输出连接单元(40)和第一输入输出设备(51-53)都没有本地时钟。此外，一个含有时钟的第二输入输出设备(50)与输入输出连接单元(40)的连接。通过同步设备使第二输入输出设备(50)的时钟与上级控制单元(20)的系统时钟(25)同步。由至少一个第一输入输出设备(51-53)准备的状态数据，和由第二输入输出设备(50)提供的最新的时间数据被同时传输给输入输出连接单元(40)；输入输出连接单元(40)把由至少一个第一输入输出设备(51-53)所接收的状态数据分配给所接收的最新的时间数据并且把这些数据传输给上级控制单元(20)。

Description

用于确定输入输出设备中事件的发生时间的方法和通信系统
技术领域
本发明涉及一种通信系统以及一种用于在这样一种通信系统中确定一个由输入输出设备记录的事件发生的时间的方法，该通信系统包括一个与系统时钟上级控制单元和至少一个与上级控制单元连接的输入输出连接单元，连接单元总是与一个第一输入输出设备连接。
背景技术
熟悉的自动化系统通常包括一个上级控制单元，例如，可编程序控制器(简称SPS)，这种控制单元可通过一个现场总线系统与输入输出设备，也被称作IO设备，进行通信。优选，输入输出设备为传感器或执行器。为了能够以智能的方式把输入输出设备与一个自动化系统连在一起，近一段时期以来一直使用一种特殊的连接系统，输入输出连接通信系统。这种标准化的输入输出连接通信系统包含一个输入输出连接主机，多个在输入输出连接标准中所述的输入输出连接设备按星形拓扑结构与这个主机连接。因此，输入输出连接通信系统也被叫做点-对-点-通信系统。在这样一种输入输出连接通信系统中，输入输出连接设备可以由输入输出连接主机同步或同时动作。优选，只根据输入输出连接主机的要求在输入输出连接主机和与其相连的输入输出连接设备之间进行通信。这里有周期性与非周期性数据通信之分。过程数据在数据帧中被周期性传输。服务数据应输入输出连接主机的询问非周期性地从输入输出连接单元被传输到输入输出连接主机。通过输入输出连接主机，输入输出连接单元最终与自动化系统的上级控制单元通信。
为了能够准确无误地控制和监控流程，要求上级控制单元准确地知道，一个输入输出连接传感器什麽时候记录测量数据或一个输入输出连接执行器什麽时侯执行一个动作。
发明内容
本发明的任务是，准备一种方法以及一种通信系统，能够低成本并且简单地在一个上级控制单元确定由输入输出设备记录的事件发生的时间。
本发明的核心思想是，输入输出设备通过一个输入输出连接系统，优选，标准化的输入输出连接通信系统与上级控制单元连接。在此，多个输入输出设备按星形拓扑结构与输入输出连接单元连接。这些输入输出设备优选是传感器和执行器。无论是输入输出设备还是输入输出连接单元都没有本地时钟。取而代之的是，有一个时钟作为另一个输入输出设备与输入输出连接单元连接，该时钟与上级控制单元的一个系统时钟同步。因为由时钟提供的时间数据和由其余的输入输出设备记录的测量数据或状态数据被同时读取并且被传送给输入输出连接单元，因此可以给由输入输出设备记录的测量数据或事件配置一个精确的时间戳。
上述的技术问题一部分将通过权利要求1的特征来解决。
据此，通信系统包括一个带系统时钟的上级控制单元。此外，通信系统还包含至少一个与上级控制单元连接的输入输出连接单元，该连接单元有多个也被叫做端口的连接设备，可各连接一个第一输入输出设备。第一输入输出设备以及输入输出连接单元没有本地时钟。一个含有时钟的第二输入输出设备与输入输出连接单元的其中一个端口连接。此外，还规定有一个同步设备，负责使与输入输出连接单元连接的时钟和上级控制单元的系统时钟同步。由至少一个第一输入输出设备准备的状态数据，和由第二输入输出设备提供的最新的时间数据被同时传输给输入输出连接单元。输入输出连接单元把由至少一个第一输入输出设备所接收的状态数据分配给接收到的最新的时间数据并且把这些数据传输给上级控制单元。
优选的结构形式属于从属权利要求的内容。
第一输入输出设备优选是传感器和/或执行器，从而使准备的状态数据主要是一个传感器的测量事件或一个执行器的动作事件。一个执行器动作事件可以是一个切换事件，例如，开关一个继电器或阀门。
输入输出连接单元，第一输入输出设备以及第二输入输出设备都是按照输入输出连接标准形成。这样一种输入输出连接通信系统的特点是，输入输出设备按星形拓扑结构与输入输出连接单元连接。触发一个要求指令，输入输出设备得数据被同步传输给输入输出连接单元。由第一输入输出设备准备的数据和由第二输入输出设备提供的时间数据此时可以周期性地或非周期性地被传输。
但是，需要说明的是，输入输出连接单元也可能是一种其它的，为人所熟悉的或者还有待开发的传感器执行器连接系统。
为了能够精确地确定记录在第一输入输出设备中的状态数据的时间，即，所记录的测量事件和/或动作事件发生的时间，在每个第一输入输出设备中确定一个时间矫正值并且在必要时存储起来。时间矫正值说明的是在一个第一输入输出设备内部进行的传输周期期间，记录状态数据和状态数据传输时间之间的内部时间偏差。在通信周期期间，可以把时间矫正值作为参数从任一第一输入输出设备读取。
上述技术问题另一方面将通过权利要求4的方法步骤解决。
因此，可以获得一个用于在通信系统中确定一个由一个第一输入输出设备记录的测量事件或动作事件发生的时间的方法。状态数据代表测量事件或动作事件。通信系统包括一个带系统时钟的上级控制单元和至少一个与上级控制单元连接的输入输出连接单元，连接单元有多个端口，连接单元总是与一个第一输入输出设备连接。第一输入输出设备以及输入输出连接单元没有本地时钟。此外，与其中一个端口连接的是一个含有时钟的第二输入输出设备。
为了能够精确地确定由至少一个第一输入输出设备记录的事件的发生时间，使与输入输出连接单元连接的时钟和上级控制单元的系统时钟同步。
状态数据，即由第一输入输出设备记录的测量事件和/或动作事件，与由时钟提供的最新的时间数据同时被传输给输入输出连接单元。在输入输出连接单元，由至少一个第一输入输出设备接收的状态数据被分配给接收的最新时间数据。分配的数据然后被传输给上级控制单元。
把状态数据分配给新时间数据的执行方法是，利用同一个传输帧把状态数据从输入输出连接单元传输给上级控制单元。如果时间数据和数据是以不同的帧传输，可以使用一个能证明数据和时间数据从属性的明显的标记。
优选的结构形式属于从属权利要求的内容。
为了能够在时间上精确地确定记录在至少一个第一输入输出设备中事件，在每个连接的第一输入输出设备中确定一个时间矫正值并且存储起来。各矫正值通过输入输出连接单元被传输上级控制单元。然后，在上级控制单元中对每个第一输入输出设备所接收的最新时间数据根据应的时间矫正值进行校正。
可持续地或者在设定的时间执行系统时钟和与输入输出连接单元连接的时钟之间的同步化。在这里，可以通过传输过程数据用的通信路径传送同步化数据。可以选择或者补充，在上级控制单元和输入输出时钟之间建立单独的同步化数据通信路径，例如，通过蓝牙连接或者红外线连接。
附图说明
以下将借助一个实施示例并结合唯一的一个视图对本发明进行详细的说明。
图1中显示一个包括可编程序控制器(SPS)20的自动化系统10作为通信系统。鉴于只是一个简单的示意图，因此在可编程序控制器(SPS)20介绍了一个系统时钟25。例如，可编程序控制器(SPS)20与一个现场总线30连接。传感器和执行器通过所谓的输入输出连接模块与现场总线30连接并且与可编程序控制器(SPS)20进行通信。鉴于只是一个简单的示意图，因此只有两个输入输出连接模块40和60与现场总线连接。可以按照标准的输入输出连接通信协议在可编程序控制器(SPS)20和输入输出连接模块40和60之间进行数据交换。为此需要使用不同的报文类别，以便把过程数据，服务数据，事件发生的时间和其它的数据作为输入和输出数据进行传输。
具体实施方式
例如，这两个输入输出连接模块40和60各有4个端口41，42，43和44或61，62，63和64，在每个端口可以各连接一个输入输出设备。在本示例中，只在输入输出连接模块40连接有输入输出设备。具体而言，在端口42连接一个传感器51，端口43连接一个执行器52，端口44又连接一个传感器53。需要说明的是，输入输出连接模块40，两个传感器51和53以及执行器52都没有本地时钟。在输入输出连接模块40的端口41连接的是含有一个时钟的另一个输入输出设备50。按星形拓扑结构与输入输出连接模块40连接的输入输出设备50，51，52和53同时把其各自的时间数据，测量数据和状态数据传输给输入输出连接模块40。
可以在可编程序控制器(SPS)20执行一个同步化单元(没有显示出)，该单元通过控制一个同步化协议实现，与输入输出连接模决40连接的输入输出连接时钟50持续地或者在预先设定的时间被同步化。同步化数据可以按照周期性的或者非周期性的通信周期作为控制数据通过现场总线30被传输给输入输出连接时钟50。也可以选择，使同步数据通过一个单独的无线连接或者有线连接从可编程序控制器(SPS)20传输到输入输出连接时钟50。借此可以减轻通过现场总线30进行的数据交换。例如，可以根据IEEE 1588标准执行系统时钟25与输入输出连接时钟50之间的同步化。可以按照与输入输出连接模块40类似的方式连接输入输出连接模块60，以便能够在其中的一个端口连接一个包含一个本地时钟的输入输出设备。
一个特殊的结构形式规定，传感器51和53以及执行器52可以有针对性地，例如，单个地或者成组群地，由可编程序控制器(SPS)20动作，使数据通过输入输出连接模块40传输到可编程序控制器(SPS)20。到底是哪个传感器或执行器把数据传输给输入输出连接模块40，这无关紧要。时钟50的最新时间数据总是与相应地被读取的传感器或执行器的状态数据同步传输给输入输出连接模块40。
现在将借助一个实施示例对通信系统10的作用方式进行详细说明。
假定，传感器51和53的状态数据和输入输出时钟50周期性地，例如，每秒钟，并且同时被读取。例如，作后的一个读取周期发生在11:55:01。此外，还假定，传感器51和53中有最新的传感器数据，而在执行器52中存储有关于一个动作事件的最新状态数据。传感器和执行器的状态数据可以是二进制状态(0或1)，例如，超过或者低于一个阈值，或接通或切断一个继电器。现在假定，传感器51和53以及执行器52中的状态自上一个读取周期每次都从0变到1。执行器52以及传感器51和53的最新的状态数据按照输入输出连接模块40的重新要求与时钟50的最新的时间数据同时被传输给输入输出连接模块40。在读取时刻，时钟50的最新的时间为11:55:02。输入输出连接标准方面的专业人士都熟悉这种通信形式。执行器52以及传感器51和53的状态数据被分配给由时钟50提供的最新的时间数据，它们，例如被包裹在一个共用的数据帧中并随后从输入输出连接模块40传输到可编程序控制器(SPS)20。通过这种方式给由传感器51和53以及执行器52记录的状态数据盖上一个精确的时间戳。时间戳可以使可编程序控制器(SPS)20精确地确定测量事件或动作事件的时间，尽管无论是输入输出连接模块40还是传感器51和53以及执行器52都没有一个本地时钟。因为可编程序控制器(SPS)20知晓传感器51和53以及执行器52上一个读取周期的状态数据，即，逻辑数字0，因此它可以确定最近的状态变化的时间。因为最新的读取周期会像可编程序控制器(SPS)20透露，传感器51和53以及执行器52的状态数据已经从0变成1，并且是在11:55:02。可编程序控制器(SPS)20因此知道，11:55:01和11:55:02之间在传感器51和53以及执行器52中各发生一次状态变化。因此，可编程序控制器(SPS)20可通过一个精确的并且与两个前后发生的读取周期之间的时间间隔相符的时间来确定状态数据的记录时间或状态数据发生变化的时间。
为了能够精确地确定记录时间或者变化时间，传感器51和53以及执行器52各有一个计数器来测量两个读取周期之间的时间。一旦记录下状态数据或确定状态发生变化，可以令停计数器止。计数器的计数状态与时间矫正值或内部时间偏移相符，该内部时间偏移反映的是输入输出连接读取周期方面的时间偏移。例如，计数值相当于时间间隔20微秒，这说明，在11:55:01发生的上一次读取周期20微秒之后出现状态改变。存储在传感器和执行器内的内部时间偏移可以作为通信周期内的参数从传感器和执行器中读取并通过输入输出连接模块40传输给可编程序控制器(SPS)20。响应各时间偏移，可编程序控制器(SPS)20为每个输入输出设备逐个校正由输入输出连接时钟50接收的最新的时间数据。

Claims (6)

1.一种通信系统(10)，包括：
带有系统时钟(25)的上级控制单元(20)，
至少一个与上级控制单元(20)连接的输入输出连接单元(40)，该输入输出连接单元有多个端口(41-44)，这些端口每一个都能连接一个第一输入输出设备(51-53)，其中，输入输出连接单元(40)和第一输入输出设备(51-53)都没有本地时钟，
其特征在于，含有时钟的第二输入输出设备(50)与输入输出连接单元(40)的一个端口(41)连接；设置有同步设备，所述同步设备用于使第二输入输出设备(50)的时钟与上级控制单元(20)的系统时钟(25)同步；并且
由至少一个第一输入输出设备(51-53)准备的状态数据和由第二输入输出设备(50)提供的最新的时间数据被同时传输给输入输出连接单元(40)；输入输出连接单元(40)把从所述至少一个第一输入输出设备(51-53)所接收的状态数据分配给所接收的最新的时间数据，并且把这些数据传输给上级控制单元(20)。
2.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，输入输出连接单元(40)和输入输出设备(50-53)按照输入输出连接标准形成，并且
由第一输入输出设备(51-53)准备的数据和由第二输入输出设备(50)提供的时间数据周期性地或非周期性地被传输。
3.根据权利要求1或2所述的通信系统，其特征在于，每个第一输入输出设备(51-53)都有用来确定时间校正因数的设备，该时间校正因数能被存储在存储器，并且
上级控制单元(20)能根据时间校正数据针对相应的第一输入输出设备(51-53)校正所接收的时间数据。
4.一种用于确定通信系统(10)由第一输入输出设备(51-53)所记录的事件发生的时间的方法，该系统包括带有系统时钟(25)的上级控制单元(20)和至少一个与上级控制单元(20)连接的输入输出连接单元(40)，该输入输出连接单元有多个端口(41-44)，这些端口中每一个都能连接一个第一输入输出设备(51-53)，其中第一输入输出设备(51-53)和输入输出连接单元(40)都没有本地时钟，并且含有时钟的第二输入输出设备(50)与所述端口(41)之一连接，所述方法包含下述步骤：
使与输入输出连接单元(40)连接的时钟与系统时钟(25)同步；
由至少一个第一输入输出设备(51-53)准备的代表所记录的事件的状态数据和由第二输入输出设备(50)的时钟提供的最新的时间数据被同时传输给输入输出连接单元(40)；
在输入输出连接单元(40)中将所接收的所述至少一个第一输入输出设备(51-53)的状态数据分配给所接收到的最新的时间数据；
所述至少一个第一输入输出设备(51-53)的状态数据和所述最新的时间数据被输入输出连接单元(40)传输给上级控制单元(20)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在每个连接的第一输入输出设备(51-53)中确定时间校正值；各校正值被传输给上级控制单元(20)，并且在上级控制单元(20)中针对每个第一输入输出设备(51-53)根据相应的时间校正值对所接收的最新的时间数据进行校正。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，输入输出连接单元和输入输出设备按照输入输出连接标准形成，并且同时从时钟读取时间数据和从连接的第一输入输出设备读取状态数据并把这些数据传输给输入输出连接单元。
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