DE10134194C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Synchronbetrieb eines Steuerungssystems - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Synchronbetrieb eines SteuerungssystemsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft Verfahren zum Synchronbetrieb eines Steu
erungssystems, insbesondere Verfahren zur synchronen Steuerung
von Anlagen, die mindestens eine Zentraleinheit oder Zentral
steuerung und eine Vielzahl von Dezentraleinheiten oder Lo
kalsteuerungen jeweils mit Messeinrichtungen und/oder Antriebs-
oder Betätigungseinrichtungen umfassen, und Steuerungsvorrich
tungen zum Synchronbetrieb von Steuerungs- und/oder Messsystemen
mit mindestens einer Zentralsteuerung und einer Vielzahl von Lo
kalsteuerungen.
In der industriellen Produktion und auch in wissenschaftlichen
Großexperimenten werden komplexe, technische Anlagen betrieben,
die eine Vielzahl von dezentral verteilten Mess- und/oder An
triebseinrichtungen aufweisen. Beispielsweise werden in der
Druckindustrie Druckmaschinen mit einer Vielzahl von Antrieben
verwendet. In der chemischen Technologie zeichnen sich Produkti
onsanlagen durch komplizierte Sensor- und Antriebseinrichtungen
aus. Bei einem wissenschaftlichen Großexperiment, wie z. B. dem
Fusionsexperiment "Wendelstein W7-X", werden eine Vielzahl von
Steuerungs-, Diagnostik- und Datenverarbeitungssystemen betrie
ben.
In der Regel sind die Betriebssysteme komplexer, technischer An
lagen hierarchisch gegliedert. Das Steuerungssystem umfasst eine
Zentralsteuerung und mehrere in der Anlage verteilte Lokalsteue
rungen, die sämtlich rechnergekoppelt sind. Die Zentralsteuerung
hat die Aufgabe, die technischen Komponenten der Anlage, insbe
sondere die Daten- und Diagnostiksysteme, in allen Betriebsphasen
zu steuern und zu überwachen. Die Lokalsteuerungen dienen der
Aufnahme lokal anfallender Messwerte und/oder der lokalen Auslö
sung von Antriebs- oder Betätigungseinrichtungen.
Für einen zuverlässigen und effektiven Betrieb technischer Anla
gen ist es notwendig, das aus Zentral- und Lokalsteuerungen be
stehende Steuerungssystem zeitlich zu synchronisieren. Zeit-,
Ereignis- und Triggerdienste müssen an vielen, unter Umständen
weit voneinander entfernten Orten synchron und exakt zur Verfü
gung gestellt werden. Die Komponenten des Steuerungssystems, das
auch als Trigger-Time-Event-System (TTE-System) bezeichnet wird,
unterscheiden sich für die Zentral- und Lokalsteuerungen ent
sprechend den folgenden, funktionellen Besonderheiten.
Die Zentralsteuerung enthält einen Zentraloszillator zur Erzeu
gung eines hochstabilen Referenztaktes, mit dem eine zentrale
Systemuhr betrieben wird. Des Weiteren besitzt die Zentralsteue
rung die Aufgaben der Synchronisation der Lokalsteuerungen (mit
lokalen TTE-Komponenten) und des Empfangens, Verarbeitens und
Auslösens von schnellen Triggersignalen über ein dediziertes
Netzwerk von Triggerleitungen. Die Lokalsteuerung besitzt typi
scherweise einen Zeitzähler, der mit der zentralen Systemuhr
synchronisierbar ist. Des Weiteren dient die Lokalsteuerung dem
Empfang und der Auswertung von Steuersignalen, die insbesondere
Ereignis-Signale (sog. Event Messages) enthalten, und von Trig
gersignalen.
Herkömmliche Steuerungssysteme mit Zentral- und Lokalsteuerungen
besitzen eine Reihe von aufgaben- und funktionsbezogenen
Nachteilen. So werden bisher verwendete Steuerungen in der Regel
mit spezifischen Schaltkreisen realisiert, die für bestimmte
systembezogene Funktionen entwickelt sind. Zur Kombination ver
schiedener Funktionen ergibt sich ein hoher, schaltungstechni
scher Aufwand. Außerdem ist eine anwendungsabhängige Anpassung
der Steuerungs-Schaltkreise auf betriebsbedingte Situationen
nicht ohne Weiteres möglich. Vorhandene Hardwaresignale von Baugruppen
können nicht ohne Weiteres verknüpft werden. Eingriffe
in die Systemsteuerung von außen sind nur beschränkt möglich.
Schließlich ergibt sich bei Verteilung der Triggerimpulse von
der Zentralsteuerung aus insbesondere bei weit verteilten Sys
temen ein hoher Verdrahtungsaufwand.
Ein entscheidender Nachteil herkömmlicher Steuerungssysteme be
steht in der Unsicherheit und Ungenauigkeit der Zeitsynchroni
sation. So erfolgt die Verteilung eines Zeitzählerstandes einer
zentralen Systemuhr in der Zentralsteuerung bisher über ein Da
tennetz, wobei die in einer lokalen Steuerung empfangenen Zeit
zählerstände die aktuelle Zeit repräsentieren. Dies führt bei
einem Ausfall der Datenübertragung sofort zum Ausfall der Zeit
synchronisation. Des Weiteren besteht keine Möglichkeit, Syn
chronisationsfehler zu kompensieren, die durch unterschiedlich
lange Übertragungswege zwischen den Zentral- und Lokalsteuerun
gen entstehen. Abweichungen eines lokalen Zeitzählerstandes von
der zentralen Referenzzeit können nicht erkannt werden. Es be
steht auch keine Möglichkeit, nach Auftreten einer Abweichung
lokale Zeitzählerstände mit der zentralen Systemzeit automa
tisch neu zu synchronisieren.
Aus DE 197 23 497 ist ein Funknetz mit einer Zentrale und Ba
sisstationen bekannt, die mit der Zentrale über Übertragungs
strecken verbunden sind. Von der Zentrale werden Zeitinformati
onen an die Basisstationen übermittelt. Bei der Auswertung der
Zeitsignale werden die Laufzeiten auf den Übertragungsstrecken
berücksichtigt. In US 6 073 053 A wird eine Eingabe-/Ausgabe-
Schnittstelle für eine digitale Steuerschaltung beschrieben.
Aus DE 195 10 466 ist eine digitale Steuerung mit einer Ver
knüpfungseinheit mit einer Vielzahl von Sensoren und Aktoren
bekannt, die zur Abarbeitung bestimmter Prüfschritte zur Über
prüfung von Sensor-Signalen und Aktoren-Aktionen eingerichtet
ist.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren
zum Betrieb eines Steuerungssystems anzugeben, mit dem die
Nachteile herkömmlicher Verfahren überwunden werden und das
insbesondere einen Synchronbetrieb mit einer erhöhten Genauig
keit und Reproduzierbarkeit der Zeitsynchronisation und mit ei
ner erhöhten Konfigurations- und Reaktionssicherheit ermög
licht. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, verbesserte Steu
erungsvorrichtungen zum Synchronbetrieb eines Steuerungssystems
anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch Verfahren und Steuerungsvorrichtun
gen mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1 oder 9 ge
löst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich
aus den abhängigen Ansprüchen.
Zur Lösung der genannten Aufgaben werden bei erfindungsgemäßen
Steuerung ein Synchronbetrieb der Zentral- und Lokalsteuerungen,
eine frei programmierbare Baugruppenverknüpfung an den Lo
kalsteuerungen und/oder eine frei programmierbare Baugruppen
funktionalisierung bereitgestellt. Diese Merkmale werden vor
zugsweise in Kombination implementiert. Erfindungsgemäß können
die Merkmale mit Vorteil aber auch jeweils allein realisiert
werden.
Gemäß dem ersten wichtigen Merkmal der Erfindung wird ein Ver
fahren zum Synchronbetrieb eines Steuerungssystems mit mindes
tens einer Zentralsteuerung und einer Vielzahl von Lokalsteue
rungen bereitgestellt, bei dem mit der Zentralsteuerung Datenpa
kete, die Synchronisationsinformationen, eine Zeitmarke und
Steuersignale (insbesondere Ereignis-Steuersignale) enthalten,
erzeugt und an die Lokalsteuerungen übertragen werden, wobei an
den Lokalsteuerungen die aktuelle Systemzeit aus den Synchroni
sationsinformationen, der Zeitmarke und einem vorbestimmten, für
die jeweilige Lokalsteuerung charakteristischen Verzögerungssig
nal ermittelt wird. Durch die Einbeziehung des lokal spezifi
schen Verzögerungssignals ergibt sich vorteilhafterweise eine
Kompensation des Einflusses von Laufzeitunterschieden der von
der Zentralsteuerung an die verschiedenen Lokalsteuerungen über
tragenen Datenpakete. Die Systemzeit kann mit einer Genauigkeit
von bis zu 10 ns synchron in allen Lokalsteuerungen erfasst wer
den.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur
Übertragung der Datenpakete ein unidirektionales Lichtwellenlei
ter-Netzwerk (im Folgenden: LWL-Netz) verwendet, das unabhängig
von einem Datennetzwerk zur Verknüpfung der Zentral- und Lo
kalsteuerungen betrieben wird. Vorteilhafterweise wird die Sys
temsynchronisation unabhängig vom Zustand des Datennetzwerkes
durchgeführt. Durch diese Maßnahme wird die Zuverlässigkeit des
Synchronbetriebes verbessert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als
TTE-Komponente der Lokalsteuerung jeweils eine Schaltkreisanord
nung, z. B. in Form einer Rechnerkarte mit wahlweiser Schnitt
stelle, verwendet, die eine Synchronisationseinrichtung und meh
rere Baugruppen zum Empfang und/oder Verarbeiten von Steuersig
nalen umfasst.
Gemäß dem zweiten, wichtigen Merkmal ist in der TTE-Komponente
eine frei programmierbare Verknüpfungsschaltung vorgesehen, mit
der die Baugruppen anwendungsabhängig je nach der zu realisie
renden Funktion verknüpft oder voneinander getrennt werden.
Durch die Bereitstellung der Verknüpfungsschaltung werden vor
teilhafterweise die Funktion der Lokalsteuerung beschleunigt und
der Aufbau der Lokalsteuerung vereinfacht.
Die Verknüpfungsschaltung (Verknüpfungsmatrix) wird vorzugsweise
durch über eine Rechnerschnittstelle eingegebene Konfigurations
daten programmiert. Die Verknüpfung von Baugruppen der Lo
kalsteuerung in Reaktion auf die gelieferten Steuersignale er
möglicht vorteilhafterweise eine besonders kurze Signalverarbei
tungszeit. Die Ein- und Ausgänge der Baugruppen werden abhängig
vom Zustand der Verknüpfungsschaltung direkt miteinander ver
schaltet, ohne dass Steuerungsprogramme oder dergleichen abgear
beitet werden müssen. Dies ermöglicht charakteristische Signal
laufzeiten auf der TTE-Schaltung und Reaktionszeiten der Lo
kalsteuerungen jeweils im Nanosekunden-Bereich. Das erfindungs
gemäße Verfahren ermöglicht einen Synchronbetrieb, der in Echt
zeit abläuft.
Gemäß dem dritten wichtigen Merkmal ist in der TTE-Komponente
eine frei programmierbare Ereignis-Übertragungsschaltung vorge
sehen, mit der die Baugruppen anwendungsabhängig je nach der zu
realisierenden Funktion angesteuert werden. Durch die Bereit
stellung der Übertragungsschaltung werden vorteilhafterweise die
Funktionen der Baugruppen softwaremäßig steuerbar. Es erfolgt
eine Beschleunigung der Steuerung, die mit Vorteil mit der ge
nauen Synchronisation der Systeme und der Echtzeit-Verknüpfung
von Baugruppen zusammenwirkt.
Gegenstand der Erfindung sind auch Steuerungsvorrichtungen zur
Umsetzung der genannten Verfahren. Eine erfindungsgemäße Lo
kalsteuerung zeichnet sich gemäß dem oben genannten, ersten Merk
mal der Erfindung insbesondere durch eine TTE-Komponente mit ei
ner Verzögerungsschaltung aus, mit der das Verzögerungssignal
zur Bereitstellung der Systemzeit eingestellt oder gebildet
wird. Gemäß dem oben genannten, zweiten Merkmal der Erfindung be
sitzt die TTE-Komponente der Lokalsteuerung insbesondere eine
Verknüpfungsschaltung, die dazu eingerichtet ist, in Reaktion
auf die lokal über eine Rechnerschnittstelle eingegebene Konfi
gurationsdaten Ein- und Ausgänge verschiedener Baugruppen der
Lokalsteuerung miteinander zu verbinden oder voneinander zu
trennen. Gemäß dem oben genannten, dritten Merkmal der Erfindung
besitzt die TTE-Komponente der Lokalsteuerung insbesondere eine
Übertragungsschaltung, die dazu eingerichtet ist, in Reaktion
auf die lokal über eine Rechnerschnittstelle eingegebene Konfi
gurationsdaten Ereignis-Steuersignale an Eingänge verschiedener
Baugruppen weiterzuleiten.
Die Erfindung besitzt die folgenden Vorteile. Der Synchronbe
trieb eines Steuerungssystems wird erheblich vereinfacht, da die
Lokalsteuerungen nicht als gesonderte Spezialschaltungen konzi
piert, sondern bspw. als eine Rechnerkarte mit wahlweiser
Schnittstelle (z. B. PCI, VME oder dergleichen) in einen Rechner
integriert werden. Die lokale TTE-Schaltung wird als program
mierbarer Baustein (Programmable Device) implementiert, dessen
Konfiguration ausschließlich über Softwarebefehle und dessen Re
aktionen über Softwarebefehle, Steuersignale und/oder über Hardwaresignale
möglich ist. Das Konzept der Bereitstellung einer
Systemzeit aus Synchronisationssignal, Zeitmarke und lokal spe
zifischem Verzögerungssignal ermöglicht ein automatisches Syn
chronisieren des lokalen Zeitzählers in Bezug auf das über ein
LWL-Netz übertragene Synchronisationssignal. Diese Synchronisa
tion kann mit einer einstellbaren Fehlertoleranz in Bezug auf
den jeweiligen Zeitzählerstand durchgeführt werden. Es wird eine
bisher nicht realisierte Zeitauflösung von bis zu 10 ns bei
64 Bit Zeitzählerbreite ermöglicht. Auf der Grundlage der in den
Datenpaketen enthaltenen Steuersignale können die individuellen
Reaktionen der Lokalsteuerungen mit einer breiten Variabilität
eingestellt werden. Die Steuerungsvorrichtung erlaubt eine An
passung an die verschiedensten Anwendungen in der industriellen
Produktion oder bei wissenschaftlichen Großexperimenten.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Fol
genden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Blockdarstellung eines erfindungsgemäßen Steue
rungssystems,
Fig. 2 eine Illustration der erfindungsgemäßen Zeitsynchro
nisation,
Fig. 3 eine Blockdarstellung des Aufbaus einer erfindungsge
mäßen TTE-Komponente,
Fig. 4 eine Illustration von weiteren Einzelheiten der in
Fig. 3 dargestellten TTE-Komponente,
Fig. 5 eine Blockdarstellung mit Einzelheiten einer erfin
dungsgemäßen, vorgesehenen Übertragungsschaltung und
Fig. 6 eine schematische Darstellung der Funktion einer
erfindungsgemäß vorgesehenen Verknüpfungsschaltung.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezug auf die
Steuerung des Fusionsexperimentes "Wendelstein W7-X" beschrie
ben, bei dem eine Zentralsteuerung und eine Vielzahl von Lo
kalsteuerungen vorgesehen sind. Die Erfindung ist nicht auf die
beschriebene Anwendung beschränkt, sondern analog zur Steuerung
komplexer Anlagen, z. B. von automatisierten Produktionsabläufen
oder komplexen Messsystemen, anwendbar. Allgemein kann die hie
rarchische Struktur des erfindungsgemäßen Steuerungssystems auf
ein Mehrebenensystem erweitert werden, das mehrere Zentralsteue
rungen und ggf. mehrere Lokalsteuerungen auf verschiedenen Hie
rarchieebenen umfasst.
Der erfindungsgemäßen Steuerung liegt eine hierarchische Struk
tur zugrunde, die schematisch in Fig. 1 illustriert ist. Das
Steuerungssystem 100 umfasst eine Zentralsteuerung 200 und eine
Vielzahl von Lokalsteuerungen 300, 400, 500, . . ., die über eine
Netzwerkeinrichtung 600 mit einem unidirektionalen Lichtwellen
leiter-Netzwerk 610 (LWL-Netz 610), einem Datennetz 620 und ei
nem Netz dedizierter Triggerleitungen 630 miteinander verbunden
sind. Die Zahl der Lokalsteuerungen 300, 400, 500, . . . ist an
wendungsabhängig gewählt und kann bei einem Großexperiment bspw.
im Bereich von 100 bis 500 liegen. Die Lokalsteuerungen bilden
jeweils ein lokales System mit einer TTE-Schaltung (TTE-
Komponente oder Zeit-Trigger-Ereignis-Schaltkreis) und zugehöri
gen Messeinrichtungen, Datenerfassungseinrichtungen und/oder An
triebs- und Betätigungseinrichtungen und sind innerhalb der An
lage verteilt, die mit dem Steuerungssystem ausgestattet ist. Es
besteht die Aufgabe, nicht nur die technischen Komponenten zu
steuern, die unmittelbar in das Experiment eingreifen oder Mess
werte erfassen und verarbeiten sollen, sondern auch die für den
Betrieb der Anlage notwendigen Zusatz- und Hilfssysteme. Zu die
sen zählen bspw. Stromversorgungen, Heizsysteme, Kühlungen und
Systeme zur Gasversorgung.
Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, dass die Lokalsteu
erungen in ihren Betriebsparametern insbesondere hinsichtlich
der Zeitsynchronisation einfach an die jeweilige Funktion ange
passt werden können. So wird insbesondere von Diagnostiksystemen
mit Echtzeitanforderungen eine Zeitauflösung von t ≦ 20 ns ge
fordert. Im Gegensatz zu dieser hohen Zeitauflösung ist für
Steuerungen auf der Basis von speicherprogrammierbaren Steuerun
gen (SPS) mit Zykluszeiten im Bereich von 50 . . . 10 ms eine
Zeitauflösung von 1 ms sinnvoll. Eine erfindungsgemäße Lo
kalsteuerung kann durch das Zusammenwirken der Synchronisations
einrichtung, der Verzögerungsschaltung und der jeweiligen Bau
gruppen einfach an die jeweils geforderte Zeitauflösung ange
passt werden, wie dies unten erläutert wird.
Die Zentralsteuerung 200 gemäß Fig. 1 enthält einen Zentralos
zillator 210 und einen Zeitzähler 220, die gemeinsam die zentra
le Systemuhr zur Bereitstellung einer einheitlichen Systemzeit
bilden. Mit dem Zentraloszillator 210 wird ein hochstabiler Re
ferenztakt (z. B. 100 MHz) erzeugt, der mit dem Zeitzähler 220
(z. B. 64-Bit-Zeitzähler) gezählt wird. Der aktuelle Zählerstand
repräsentiert die Systemzeit. Weitere Systemuhr-Funktionen wer
den von der Uhrensteuerung 230 übernommen. Mit der Uhrensteue
rung 230 erfolgt bspw. eine Synchronisation des Zeitzählers mit
einem externen Zeitnormal (z. B. "unified time coordinated",
utc), eine Funktionsüberwachung, ein Umschalten auf redundante
Systeme im Fehlerfall und dergleichen.
Die Zentralsteuerung 200 enthält eine Ereignissteuerung 240 zur
Erzeugung von Ereignis-Steuersignalen und/oder Triggersignalen,
die an die Lokalsteuerungen zu übertragen sind. Die Uhrensteue
rung 230 und die Ereignissteuerung 240 sind mit einem Kodierer
250 verbunden, der der unten erläuterten Erzeugung von Datenpa
keten mit Synchronisationsinformationen, Ereignis-Steuersignalen
und Zeitmarken dient. Der Kodierer 250 ist mit der Schnittstelle
260 der Zentralsteuerung 200 verbunden. An die Schnittstelle 260
ist die Netzwerkeinrichtung 600, insbesondere das unidirektiona
le LWL-Netz 610, angeschlossen, mit der die Datenpakete an die
Lokalsteuerungen übertragen werden.
Die Ereignissteuerung 240 kann auch direkt über die Schnittstel
le 260 mit dem Datennetz 620 (z. B. Ethernet, IEEE 802.3) ver
bunden sein, um Informationen von den Lokalsteuerungen zu über
nehmen oder Daten, die nicht zeitsensitiv sind, an die Lo
kalsteuerungen zu übertragen. Das Netz dedizierter Triggerlei
tungen 630 ist ebenfalls mit der Schnittstelle 260 verbunden.
Die Lokalsteuerungen 300, 400, 500, . . . enthalten jeweils eine
Synchronisationseinrichtung, eine Verknüpfungsschaltung und ver
schiedene Baugruppen, die im Einzelnen unten erläutert werden.
Von einer Lokalsteuerung (z. B. 300) werden über das LWL-Netz
610 die genannten Datenpakete und ggf. weitere Steuersignale
ebenfalls über das LWL-Netz 610, das Datennetz 620 und/oder die
Bus-Schnittstelle des lokalen Rechners empfangen, in dem die je
weilige Lokalsteuerung angeordnet ist. In jeder Lokalsteuerung
ist ein lokaler Zeitzähler vorgesehen, der laufend oder zeitwei
lig mit der zentralen Systemzeit synchronisiert ist. Es kann ei
ne Zeit-Schnittstelle vorgesehen sein, an die die aktuelle, loka
le Uhrzeit ausgegeben wird. Mit der Verknüpfungsschaltung werden
anwendungsabhängig dauerhaft oder zeitweilig Verschaltungen der
auf der Lokalsteuerung vorhandenen Baugruppen zur Signalverar
beitung (z. B. Wecker, Time-Capture-Baugruppen, Logik-
Baugruppen, Pulsgeneratoren und dergleichen) realisiert.
Die genannten Netz- oder Leitungsverbindungen zwischen den Steu
erungen sind unabhängig voneinander gebildet und zumindest teil
weise funktionell unterscheidbar. Über das Datennetz 620 (Ethernet)
sind die Rechner der Zentralsteuerung und aller Lokalsteue
rungen, die eine Ethernet-Schnittstelle besitzen, miteinander
vernetzt. Die Lokalsteuerungen können untereinander und mit der
Zentralsteuerung kommunizieren. Das Datennetz 620 ist vor allem
zum Austausch von nicht-zeitkritischen Informationen oder von
Signalen mit geringen Anforderungen an die Zeitauflösung und
Zeitsynchronisation vorgesehen. In der erfindungsgemäß gesteuer
ten Anlage werden Rechner mit Applikationen ohne Echtzeitanfor
derungen oder mit speicherprogrammierbaren Steuerungen, die mit
einem Kommunikationsprozessor für Ethernet ausgerüstet sind,
über eine Ethernet-Kommunikation bspw. auf der Basis des Proto
kolls NTP (Network Time Protocol) oder hardwarespezifischer Pro
gramme (Siemens SPS Simatic S7: SNAP - SubNetwork Attachment
Point) zeitsynchronisiert.
Sind schnelle Reaktionszeiten auf Signale anderer Lokalsteuerun
gen gefordert, werden Triggersignale verwendet. Die Triggersig
nale werden in einer Lokalsteuerung bei Auftreten vorbestimmter
Systemzustände erzeugt und über die dezidierten Triggerleitungen
630 zu anderen Lokalsteuerungen übertragen. In den Empfängern
der Triggersignale werden nach der Triggersignaldetektion vorab
festgelegte Reaktionen (z. B. Durchführung von Messungen, Auslö
sung von Antrieben oder Betätigungen oder Erzeugung weiterer
Triggersignale) ausgelöst.
Über das unidirektionale LWL-Netz 610 werden von der Zentral
steuerung 200 die Datenpakete mit Synchronisationsinformationen,
Zeitinformationen und Ereignis-Steuersignalen für Steuerungszwe
cke übertragen. Um eine Synchronisation der räumlich verteilten
Lokalsteuerungen untereinander zu ermöglichen und den während
des Betriebes der gesteuerten Anlage aufgetretenen Ereignissen
und Messergebnissen einen genauen Zeitpunkt zuordnen zu können,
arbeiten alle Lokalsteuerungen mit der Systemzeit als einheitli
cher Zeitbasis. Die dazu erforderlichen Referenzinformationen
werden über das LWL-Netz 610 an die Lokalsteuerungen übertragen
und dort entsprechend der folgenden Prozedur ausgewertet.
Die zur Bereitstellung der Systemzeit bei den Lokalsteuerungen
notwendigen Referenzinformationen umfassen ein Referenztaktsig
nal und eine Referenzzeit, die als Synchronisationssignal über
das LWL-Netz 610 an die Lokalsteuerungen übertragen werden. Die
Zweige des LWL-Netzes können Längen von bis zu 1000 m besitzen,
so dass sich für den Übergang der Referenzinformationen zu den
Lokalsteuerungen Laufzeitunterschiede bis in den ns-Bereich er
geben. Erfindungsgemäß werden die Laufzeitunterschiede durch ei
ne lokal spezifische Kompensation der bei der Übertragung der
Referenzinformationen entstehenden Verzögerungszeiten bei der
Ermittlung der Lokalzeit berücksichtigt. Die Kompensation der
Laufzeitunterschiede erfolgt vorzugsweise unter Verwendung einer
in jeder Lokalsteuerung enthaltenen Verzögerungsschaltung, wie
dies im Folgenden unter Bezug auf Fig. 2 erläutert wird.
Im linken Teil von Fig. 2 sind der Zeitzähler 220 und der Ko
dierer 250 der Zentralsteuerung 200 (siehe Fig. 1) und das LWL-
Netz 610 schematisch illustriert. Im rechten Teil von Fig. 2
sind Teile der in einer Lokalsteuerung 300 vorgesehenen Synchro
nisationseinrichtung 310 mit einem Dekodierer 311 und einem lo
kalen Zeitzähler 312 und eine Verzögerungsschaltung 320 illust
riert. Die Verzögerungsschaltung 320 umfasst einen Konfigurati
onskreis 321 und einen Verzögerungskreis 322.
Mit dem Kodierer 250 der Zentralsteuerung 200 werden laufend in
vorbestimmten Abständen (z. B. 100 ms) Datenpakete generiert,
die die folgenden Informationen enthalten. Die Datenpakete um
fassen Zeitmarken und Zeitzählerstände sowie Ereignis-
Steuersignale (ggf. mit Leer-Signalen). Die Informationen werden
mit bestimmten Bitlängen übertragen, in denen ein Referenztakt
kodiert ist. Die Kodierung entspricht vorzugsweise der an sich
bekannten "Manchester-Kodierung". Die Leer-Signale dienen als
Füll-Bits zur Erhaltung der Struktur der Datenpakete. Die Daten
pakete enthalten als Synchronisationsinformationen die Zeitzäh
lerstände des Zeitzählers 220 und den kodierten Referenztakt.
Das Zeitmarkensignal stellt einen Referenzzeitpunkt zur Auswer
tung des Synchronisationssignales dar. Im Dekodierer 311 wird
das Synchronisationssignal zur Ermittlung eines Zeitwertes deko
diert. Die Dekodierung erfolgt derart, dass der aktuell ermit
telte Zeitwert der tatsächlichen Systemzeit entspricht, die bei
Empfang des nächstfolgenden Datenpaketes gegeben sein wird. Der
dekodierte Zeitwert wird an den lokalen Zeitzähler 312 übertra
gen. Zur Feststellung des exakten Bezugpunktes, für den der de
kodierte Zeitwert gültig ist, dient das Zeitmarkensignal. Das
Zeitmarkensignal legt den Bezugszeitpunkt fest, zu dem der im
jeweils vorhergehenden Datenpaket übertragene Zeitwert gültig
ist. Wegen der genannten Laufzeitunterschiede wird das Zeitmar
kensignal jedoch nicht unmittelbar an den Zeitzähler 312 gege
ben, sondern zunächst mit der Verzögerungsschaltung 320 verzö
gert.
Das Zeitmarkensignal wird vom Dekodierer 311 an den Verzöge
rungskreis 322 gegeben. Im Verzögerungskreis 322 wird das Zeit
markensignal entsprechend dem lokal gültigen Laufzeitunterschied
verschoben. Je weiter die Lokalsteuerung von der Zentralsteue
rung entfernt ist, desto geringer ist die mit dem Verzögerungs
kreis 322 dem Zeitmarkensignal aufgeprägte Verzögerung. Die
nächstgelegene Lokalsteuerung erhält die maximale Verzögerung,
während die am weitesten entfernte Lokalsteuerung keine oder ei
ne minimale Verzögerung erhält. Die lokal gültige Verzögerung
wird mit dem Konfigurationskreis 321 entsprechend der Länge des
jeweiligen Zweiges des LWL-Netzes 610 zur Zentralsteuerung 200
voreingestellt. Die Voreinstellung erfolgt bspw. auf der Grundlage
einer Laufzeitmessung nach Abschluss der Installation des
Steuerungssystems.
Jede lokale TTE-Schaltung enthält einen Lokaloszillator, mit dem
ein lokaler Zeitzähler 312 verbunden ist. Der Zeitzähler 312
kann über eine lokale Rechner-Schnittstelle gesetzt werden und
durch den Lokaloszillator getrieben, unabhängig von der Zentral
steuerung laufen. Vorteilhafterweise kann der Zeitzähler 312
auch bei einem Netzwerkausfall weiterlaufen. Andererseits ist
der Zeitzähler 312 erfindungsgemäß mit der Zentralsteuerung syn
chronisierbar. Es ist vorzugsweise ein über eine lokale Rechner-
Schnittstelle programmierbares Konfigurationsregister vorgese
hen, mit dem der Zeitzähler 312 gemäß einem der folgenden Modi
ansteuerbar ist.
In einem ersten Modus erfolgt keine Synchronisation. In einem
zweiten Modus erfolgt eine relative Synchronisation auf der
Grundlage des lokal dekodierten Referenztaktes. In diesem Zu
stand entspricht ein bestimmtes Zeitintervall (z. B. 1 s) lokal
genau dem entsprechenden Zeitintervall in der zentralen System
zeit. In einem dritten Modus erfolgt eine absolute Synchronisa
tion auf der Grundlage des lokal dekodierten Referenztaktes und
der in den Datenpaketen enthaltenen Zeitdaten. Auf der Grundlage
des dekodierten Zeitwertes und des verzögerten Zeitmarkersignals
wird der Zeitzähler gestartet. Der aktuelle Zählerstand ist mit
der Systemzeit der Zentralsteuerung synchronisiert und wird an
eine Lokaluhr (siehe unten) ausgegeben.
Die TTE-Schaltungen der Lokalsteuerungen werden erfindungsgemäß
vorzugsweise als Rechnerkarte implementiert, mit der die Rech
ner-basierten, lokalen Komponenten der gesteuerten Anlage ausge
rüstet werden. Der mit der Lokalsteuerungs-Rechnerkarte zu be
stückende Rechner besitzt einen freien Steckplatz mit einer
PCI-, Compact-PCI- oder VME-Schnittstelle und ggf. einer Ether
net-Schnittstelle. Die Rechnerkarte umfasst neben der Synchroni
sationseinrichtung und der Verzögerungsschaltung weitere Bau
gruppen, die zur Umsetzung der Funktionen der lokalen TTE-
Schaltung notwendig sind. Die auf der TTE-Schaltung vorgesehenen
Baugruppen sind beispielhaft schematisch in Fig. 3 zusammenge
stellt und mit weiteren Einzelheiten in Fig. 4 illustriert.
Fig. 3 zeigt als Teile der Synchronisationseinrichtung mindes
tens den Lokaloszillator 313, die Lokaluhr 314 und einen Abso
lutzeit-Wecker 315. Des Weiteren sind die Verzögerungsschaltung
320 (siehe auch Fig. 2, Delay-Timer, z. B. 8 Stück; 48-Bit-Re
loadwert) und als funktionsbezogene Baugruppen 330 ein Eingangs-
Ausgangs-Trigger 331, eine Logik-Baugruppe 332, eine Finite-
State-Maschine-Baugruppe 333 und ein Zeitspeicher 334 (Time Cap
ture) vorgesehen. Die Lokaluhr 314 wird zumindest zeitweilig
über das LWL-Netz 610 (siehe Fig. 2) mit der zentralen System
zeit synchronisiert. Dabei können anwendungsabhängig die folgen
den Verfahrensweisen vorgesehen sein.
Erstens kann ein ständiger Abgleich der Lokaluhr 314 mit der vom
lokalen Zeitzähler 312 (siehe Fig. 2) gelieferten Systemzeit
erfolgen (siehe oben, dritter Modus). Bei jedem empfangenen Da
tenpaket mit Referenzinformationen wird die Lokaluhr auf die ak
tuelle Systemzeit eingestellt. Zweitens kann ein Abgleich der
Lokaluhr 314 in vorbestimmten Zeitabständen (Abgleichsinterval
le) erfolgen. Die Abgleichsintervalle werden je nach Funktion
der Lokalsteuerung und der erforderlichen Zeitsynchronisation
gewählt und können in Extremfällen der Gesamtbetriebszeit (ein
ziger Abgleich bei Beginn der Steuerung, im Übrigen unabhängiger
Lauf der Lokaluhr 314, siehe oben, erster Modus) oder auch dem
Abstand von jeweils zwei Datenpaketen entsprechen. Schließlich
kann vorgesehen sein, dass ein Abgleich der Lokaluhr 314 erfol
get, wenn der zeitliche Abstand zwischen der Lokalzeit und der
zentralen Systemzeit größer als eine voreingestellte Fehler
schranke ist.
Die Möglichkeit des fehlerabhängigen Abgleichs der Lokaluhr
stellt einen besonderen Vorteil der Erfindung dar. Der fehlerab
hängige Abgleich wird mit dem folgenden Konzept realisiert. An
der TTE-Schaltung werden drei Referenzparameter eingestellt,
nämlich eine Fehlerschranke, ein Maximalfehler und eine Maximal
fehlerzahl. Die jeweilige Fehlerschranke wird je nach den loka
len Gegebenheiten als Zahlenwert vordefiniert, der einen be
stimmten Zeitfehler, bspw. im µs- oder ns-Bereich entspricht.
Wenn der Zählerabstand zwischen dem lokalen Zeitzähler 312 und
der Lokaluhr 314 kleiner als die Fehlerschranke ist, so wird die
von der Lokaluhr 314 gelieferte Lokalzeit als ausreichend genau
betrachtet. Wenn der Zählerabstand größer als die Fehlerschranke
ist, wird der Zählerstand eines lokalen Fehlerzählers (nicht
dargestellt) erhöht. Eine Neusynchronisation (Abgleich) der Lo
kalzeit erfolgt, wenn der Zählerstand des lokalen Fehlerzählers
größer als die Maximalfehlerzahl oder der Zählerabstand zwischen
dem lokalen Zeitzähler 312 und der Lokaluhr 314 größer als der
Maximalfehler ist.
In Fig. 4 sind weitere Einzelheiten der Lokalsteuerungs-
Rechnerkarte illustriert. Neben den oben beschriebenen Schaltun
gen 313 bis 315, 320 und 334, die Zeitfunktionen übernehmen,
sind Schnittstellen 340, die Verknüpfungsschaltung 350 und die
Datenverarbeitungs-Baugruppen 360 dargestellt. Die Schnittstel
len 340 umfassen eine Signalschnittstelle 341 mit der LWL-
Schnittstelle 342, Triggerschnittstellen 343 und einer Program
mier- und Testschnittstelle 344, eine Busschnittstelle 345 und
ggf. eine Zeitschnittstelle 346. Die Verknüpfungsschaltung 350
dient der konfigurationsabhängigen Verbindung insbesondere von
Baugruppen der lokalen TTE-Schaltung entsprechend der unten un
ter 4. beschriebenen Verfahrensweise. Die Datenverarbeitungs-
Baugruppen 360 umfassen anwendungsabhängig verschiedene Spei
cher-, Dekodierer- und Register-Schaltungen und eine Oszillator-
Baugruppe 361.
Die Funktionen der Lokalsteuerungs-Rechnerkarte können in die
drei Funktionsbereiche Triggerfunktionen, Zeitfunktionen und Er
eignisfunktionen unterteilt werden. Zur Umsetzung der Trigger
funktionen werden die von der Lokalsteuerung empfangenen Trig
gersignale als Auslöser für bestimmte, lokale Systemreaktionen
betrachtet. Die Triggersignale werden dann verwendet, wenn
schnelle Reaktionen auf Schaltanforderungen notwendig sind. Die
Bedingungen zum Auslösen von Triggersignalen und die Reaktionen
auf ein detektiertes Triggersignal werden vorab definiert. Es
werden Hardware- und Sofware-Triggersignale sowie periodische
Triggersignale unterschieden. Die Verwendung von Triggersignalen
unterstützt die Einbeziehung von nicht-intelligenter Front-End-
Elektronik in das Steuerungssystem.
Die Zeitfunktionen umfassen alle Gesichtpunkte der zeitlichen
Synchronisation der Lokalsteuerungen. Dies betrifft die oben ge
nannte Verteilung und Aktualisierung der zentralen Systemzeit
und die Realisierung der Verzögerung der Zeitmarkensignale sowie
Weckfunktionen durch Baugruppen der TTE-Rechnerkarte. In die
Zeitfunktionen können auch vorgegebene Bibliotheksfunktionen für
den Anwender implementiert werden, die bspw. allgemeine zeitbe
zogene Aufgaben, z. B. Kalenderfunktionen oder das Rechnen mit
Zeitvariablen, betreffen.
Ereignis-Steuersignale repräsentieren Informationen (Nachrich
ten) über einen aktuellen Systemzustand, dessen Ursache in der
Vergangenheit liegt und als Grundlage für zukünftige Reaktionen
an einer oder mehren Lokalsteuerungen dienen kann. Die Reaktion
auf ein empfangenes Ereignis-Steuersignal ist nutzerspezifisch
und kann erfindungsgemäß vorteilhafterweise im Rahmen der gege
benen Baugruppen auf der Rechnerkarte definiert werden. Ereignis-Steuersignale
können gespeichert und über eine Rechner
schnittstelle an andere Applikationen weitergeleitet werden. Al
ternativ können in Reaktion auf empfangene Ereignis-
Steuersignale Hardwarereaktionen der auf der Rechnerkarte be
findlichen Baugruppen ausgelöst werden.
Die Ereignis-Steuersignale besitzen eine vorbestimmte Daten
struktur, die insbesondere eine Ereignisnummer, die Zeit des
Auftreten des Ereignisses, eine Prioritätsinformation, eine Pa
rameterliste und ggf. die Daten der Verknüpfungsmatrix (siehe
unten) umfasst. Die Ereignis-Steuersignale können über das LWL-
Netz 610 und/oder über die übrigen Rechner-Schnittstellen 341,
345 empfangen werden.
Die auf der Lokalsteuerungs-Rechnerkarte umgesetzten Funktionen
können durch eine Einteilung in Baugruppen systematisiert wer
den. Es werden bspw. die folgenden Hauptgruppen unterschieden:
Die Busschnittstelle stellt die Verbindung zwischen der Lo
kalsteuerung und der Zentralsteuerung über PCI-, compact PCI-
bzw. VME-Bus her.
Über die LWL-Schnittstelle werden Datenpakete für die Zeitzäh
ler-Synchronisation und für die Ereignis-Verarbeitung empfangen
und dekodiert. Die Datenpakete werden einer Fehlerüberprüfung
unterzogen, und die Daten werden anschließend auf die angeschlos
senen Baugruppen aufgeteilt und weitergeleitet. Aus dem ankom
menden Datenstrom werden Signale zur Synchronisation des lokalen
Oszillators gewonnen.
Ein Oszillator 361 erzeugt den Systemtakt der lokalen Baugrup
pen, die mit einem Takt von z. B. 100 MHz arbeiten. Die Phase
und die Frequenz des Oszillators kann durch ein Synchronisati
onssignal geregelt werden.
Für die wahlweise Ein/Ausgabe von Triggersignalen steht ein 8
Bit breiter Port 345 zur Verfügung, der mit LVTTL-Signalcharak
teristik und als symmetrischer Port (symmetrischer Ausgang; Dif
ferenzeingang) vorliegt. Die Portsignale 0-5 sind zusätzlich auf
Lemo-Buchsen geschaltet.
Eine Schnittstelle nach dem JTAG-Standard dient zum Programmie
ren eines neuen Boot-Images der programmierbaren Logik der
TTE-Karte und als Testport.
Die Lokalsteuerung besitzt 12 unterschiedliche Typen von
TTE-Baugruppen (Trigger-Time-Event-Baugruppen). Diese Baugruppen
erfüllen spezielle Funktionen des lokalen Systems. In Tabelle 1
sind die TTE-Baugruppen mit einer beispielhaften Kurzbeschrei
bung ihrer Funktionalität und der Anzahl dieser Baugruppen auf
einer TTE-Karte zusammengefasst (siehe Fig. 3, 4).
Die genannten Baugruppen und Schnittstellen wirken zur Realisie
rung der Funktionen der Lokalsteuerung wie folgt zusammen. Die
aufgeführten Zeit-Funktionen werden durch die Zeitzähler-
Baugruppe 312, die Wecker-Baugruppe 315, Time-Capture-Baugruppen
334, Delay-Timer/Counter-Baugruppen 320 sowie die Zeit-
Schnittstelle 346 realisiert. Die Zeitzähler-Baugruppe 312 über
nimmt das Generieren der lokalen Uhrzeit. Diese wird durch einen
64-Bit-Zähler erzeugt, der mit dem lokalen Oszillator getaktet
wird und bei Bedarf mit einem von der Zentralsteuerung 200 kom
menden Sollwert für den Zeitzählerstand abgeglichen werden kann.
Diese Sollwerte werden über das LWL-Netz mit Hilfe von periodi
schen Daten oder Zeitpaketen im gesamten System verbreitet. Die
Verteilung der Datenpakete und der damit verbundene Ablauf eines
Synchronisationszyklus wird alle 100 ms durchgeführt, wie es o
ben beschrieben wurde. Das angesprochene Problem der unter
schiedlichen Verzögerungszeiten bei verschiedenen Leiterlängen
kann durch eine für jede lokale Karte individuell einstellbare
Offset-Verzögerungszeit gelöst werden. Die gewünschte Zeitauflö
sung von z. B. 10 ns ergibt eine Taktfrequenz von 100 MHz. Um
für weitere Entwicklungen noch eine Reserve zu behalten, wird
für das Bit 0 des Zeitzählers eine Auflösung von 5 ns definiert
und je nach zunächst realisierbarer Taktfrequenz Bit 1 oder Bit
2 getaktet. Damit ergibt sich ein Zählumfang, der für jede Steu
erungsanwendung ausreicht. Der 64-Bit-Zeitwert kann über die
Zeit-Schnittstelle 343 an externe Elektronik zur weiteren Verar
beitung ausgegeben werden. Die Ausgabefrequenz und die damit
verbundene Genauigkeit ist einstellbar und entspricht maximal
der internen Zeitauflösung.
Durch die Wecker-Baugruppe 315 kann eine vorab definierte Reak
tion beim Erreichen einer bestimmten Uhrzeit ausgelöst werden.
Die Weckzeit ist als 64-Bit-Wert als Absolutzeit oder bezüglich
des Startzeitpunktes des Weckers als Relativzeit einstellbar.
Durch die Time-Capture-Baugruppen 334 wird das Speichern der
Uhrzeit beim Auftreten bestimmter Ereignisse ermöglicht.
Die Trigger-Funktionen werden mittels der flexibel programmier
baren Eingang-Ausgang-Triggerbaugruppen 331 realisiert. Diese
Baugruppen können als Ein- bzw. Ausgangsports konfiguriert wer
den, über welche externe Elektronik angeschlossen werden kann.
Die Eingang-Ausgang-Triggerbaugruppe 331 stellt verschiedene
Funktionen wie Latch-Mode zum Halten eines Signalpegels, Trig
ger-Mode für Impulse mit definiert einstellbarer Länge und De
tektierung von Flanken zur Verfügung, mit deren Hilfe eine An
passung der Signalcharakteristik der Eingang-Ausgang-Signale an
die vorliegenden Bedingungen ermöglicht wird. Die Polarität der
Ein- bzw. Ausgangsports ist einstellbar. Konfigurierbare Filter
sollen eventuelle dem Nutzsignal überlagerte, hochfrequente Stö
rungen unterdrücken. Die Baugruppen 331 unterstützen auch das
Wandeln von Hardware-Trigger-Signalen in Software-Trigger, die
über die Busschnittstelle der TTE-Karte weitergeleitet werden.
Zum Generieren von periodischen Trigger-Impulsen werden program
mierbare Pulsgeneratoren verwendet. Mehrere Pulsgeneratoren,
auch von verschiedenen, örtlich getrennten, lokalen TTE-Karten,
können synchron laufen. Erreicht wird die Synchronisation mehre
rer Pulsgeneratoren durch das Auswerten des über das LWL-Netz
empfangenen, periodischen Zeitpakets.
Die Ereignis-Funktionen des Systems werden durch eine Ereignis-
Baugruppe (siehe Fig. 5) realisiert. Ereignis-Steuersignale
können entweder von der Zentralsteuerung über das LWL-
Netzereignis an die lokalen TTE-Systeme verteilt werden oder ü
ber das Ethernet von einer beliebigen Station zu einer anderen
gesendet werden. Die über Ethernet empfangenen Ereignis-
Steuersignale werden anschließend über die Busschnittstelle vom
Host zur lokalen TTE-Karte übertragen und dort ausgewertet. In
einem solchen Ereignis-Steuersignal-Paket ist eine Ereignis-
Nummer zur Identifikation eines im System aufgetretenen Ereig
nisses und eine variable Anzahl von Parameterbytes enthalten.
Entsprechend der Darstellung in Fig. 5 wird die Übertragungs
matrix (Ereignis-Mapping-Matrix) oder Übertragungsschaltung 362
über eine Rechner-Schnittstelle 363 konfiguriert. Je nach der
Konfiguration wird das eintreffende Ereignis-Steuersignal verar
beitet. Sind die Ein- und Ausgangsverknüpfungen sämtlich auf 0
gesetzt, wo erfolgt keine Reaktion. Alternativ erfolgt die Ein
tragung der Ausgangssignale der Verknüpfungsschaltung 362 in den
FIFO-Speicher 364 (siehe unten). Schließlich können zur Auslö
sung von Baugruppenreaktionen über eine Triggereinrichtung 365
Schaltpegel an die Ein- oder Ausgängen der Baugruppen gelegt
werden.
In der Initialisierungsphase muss festgelegt werden, ob und wie
auf empfangene Ereignisse reagiert werden soll. Durch sog. Er
eignis-Trigger können beim Eintreffen von Ereignissen interne
Trigger-Signale generiert werden, die dann in anderen Baugruppen
vorher definierte Vorgänge starten. Anhand der Ereignis-Nummern
wird bei der Initialisierung eingestellt, welche Ereignisse wel
che Ereignis-Trigger in Gang setzen. Im FIFO-Speicher (first in,
first out) können die Ereignis-Steuersignale zwischengespeichert
werden, um dann über die Busschnittstelle in den Arbeitsspeicher
des Hosts zu gelangen. Die Zuordnung, welche Ereignisse in den
FIFO geschrieben werden und welche Ereignis-Triggersignale aus
lösen, wird in einer Übertragungs-Matrix 362 festgelegt.
Die Logik-Baugruppen werden eingesetzt, um frei programmierbare
logische Verknüpfungen von Baugruppenausgängen zu ermöglichen.
Die Ausgänge der Logik-Baugruppen können dann wieder über die
Verknüpfungsmatrix als Eingang anderer Baugruppen dienen.
Mit Hilfe der Finite-State-Machine-Baugruppe (FSM-Baugruppe)
können logische (und zeitliche) Abhängigkeiten zwischen Baugruppenausgängen
realisiert werden. Sie ermöglicht eine flexible
Programmierung von Zustandsmaschinen (Moore- und Mealy-
Automaten), wobei die Anzahl der Zustände auf 16 begrenzt ist.
Die Programmierung von Verknüpfungsmatrix, Logik-Baugruppen und
FSM-Baugruppe wird in der Initialisierungsphase vorgenommen,
kann aber bei Bedarf zu einem späteren Zeitpunkt verändert wer
den.
In der Interrupt-Baugruppe werden alle Interrupt-Anforderungen
der Baugruppen zusammengefasst. Ein Interrupt-Status-Register
ermöglicht die Unterscheidung der einzelnen Interrupts. Durch
ein Interrupt-Masken-Register können alle möglichen Interrupts
getrennt freigeschaltet oder gesperrt werden.
Über die Busschnittstelle wird die Anbindung an den PCI- bzw.
VME-Bus gewährleistet. Es werden sämtliche Einstellungen für die
Konfiguration aller Baugruppen durch den Host sowie der Daten
austausch zwischen lokaler TTE-Karte und Host bei laufendem Be
trieb unterstützt.
Um das Design der Lokalsteuerungs-Rechnerkarte möglichst einfach
zu gestalten, werden die Baugruppen vorzugsweise in ein FPGA Xi
linx 1000E integriert. Die Generierung eines Taktsignals von 50
bzw. 100 MHz und dessen Synchronisation mit dem Bittakt der LWL-
Übertragung erfolgt als separate Baugruppe auf der Karte.
Von besonderem Vorteil für die Variabilität und Reaktionsge
schwindigkeit der erfindungsgemäßen Systemsteuerung ist die auf
der Lokalsteuerungs-Rechnerkarte vorgesehene Verknüpfungsschal
tung 350, deren Funktion im Folgenden unter Bezug auf Fig. 6
erläutert wird.
Ein flexibles Zusammenschalten und Kombinieren der Signale der
oben genannten Baugruppen wird durch das Konzept der Verknüp
fungsmatrix und mehrere Logik-Baugruppen ermöglicht. Mit Hilfe
der Verknüpfungsmatrix können die Ein- und Ausgänge der einzel
nen Baugruppen beliebig miteinander verschaltet werden. Somit
ist es dem Anwender möglich, Strukturen für die Signalverarbei
tung durch die Verkopplungen der Baugruppen aufzubauen, die auch
für komplexere Aufgabenstellungen geeignet sind. Die Verknüp
fungsmatrix wird mit der Verknüpfungsschaltung 350 umgesetzt.
Wie in Fig. 6 schematisch illustriert ist, sind alle Ein- und
Ausgänge der auf der TTE-Rechnerkarte vorhandenen, funktionalen
Baugruppen über programmierbare Schalter 352 miteinander verbun
den. Je nach der Schalterposition sind die Ein- und Ausgänge
verbunden oder getrennt. Die Schalter werden entsprechend den
Werten von Konfigurationssignalen betätigt, die über die Rech
nerschnittstelle geliefert werden. Die Konfigurationssignale
enthalten bspw. an den Matrixstellen, die jeweils einer Verknüp
fung von Ein- oder Ausgängen von Baugruppen entsprechen, 0- oder
1-Werte. Entsprechend den eingetragenen Werten wird nach Empfang
der Konfigurationssignale der jeweils entsprechende Schalter
zwischen den Aus- und Eingängen geöffnet oder geschlossen. Dar
aus ergibt sich vorteilhafterweise eine extrem kurze Konfigura
tions- und Verarbeitungszeit im ns-Bereich.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den
Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl ein
zeln als in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der
Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung
sein.
Claims (8)
1. Verfahren zum Betrieb eines Steuerungssystems (100) mit
einer Zentralsteuerung (200) und einer Vielzahl von Lokalsteu
erungen (300, 400, 500, . . .), wobei
von der Zentralsteuerung (200) Datenpakete, die jeweils Syn chronisationsinformationen, eine Zeitmarke und Ereignis- Steuersignale enthalten, erzeugt und an die Lokalsteuerungen (300, 400, 500, . . .) übertragen werden, und
zwischen der Zentralsteuerung und den Lokalsteuerungen Steu ersignale ausgetauscht werden, die für Ereignisse und/oder Zu stände des Steuerungssystems oder einer mit dem Steuerungssys tem gesteuerten Anlage charakteristisch sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zentralsteuerung und die Lokalsteuerungen über ein uni direktionales Lichtwellenleiter-Netzwerk (610) miteinander verbunden sind,
an jeder Lokalsteuerung Baugruppen mit Ein- und Ausgängen vorgesehen sind, von denen mindestens eine Baugruppe eine Syn chronisationseinrichtung (310) und eine Verzögerungsschaltung (320) und mindestens eine weitere Baugruppe eine Verknüpfungs schaltung (350) mit einer Vielzahl von programmierbaren Schal tern (352) umfasst, die über eine Rechner-Schnittstelle mit Konfigurationssignalen so geschaltet wird, dass die Ein- und Ausgänge der übrigen Baugruppen miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden,
an jeder Lokalsteuerung ein bestimmtes Verzögerungssignal gespeichert ist, das für die Laufzeit von Signalen von der Zentralsteuerung (200) zur jeweiligen Lokalsteuerung charakte ristisch ist, wobei mit der Synchronisationseinrichtung (310) und der Verzögerungsschaltung (320) aus den Synchronisationsinformationen, der Zeitmarke und dem Verzögerungssignal eine aktuelle Systemzeit ermittelt wird, und
alle Lokalsteuerungen (300) und deren Baugruppen mit der Systemzeit als einheitlicher Zeitbasis synchron arbeiten.
von der Zentralsteuerung (200) Datenpakete, die jeweils Syn chronisationsinformationen, eine Zeitmarke und Ereignis- Steuersignale enthalten, erzeugt und an die Lokalsteuerungen (300, 400, 500, . . .) übertragen werden, und
zwischen der Zentralsteuerung und den Lokalsteuerungen Steu ersignale ausgetauscht werden, die für Ereignisse und/oder Zu stände des Steuerungssystems oder einer mit dem Steuerungssys tem gesteuerten Anlage charakteristisch sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zentralsteuerung und die Lokalsteuerungen über ein uni direktionales Lichtwellenleiter-Netzwerk (610) miteinander verbunden sind,
an jeder Lokalsteuerung Baugruppen mit Ein- und Ausgängen vorgesehen sind, von denen mindestens eine Baugruppe eine Syn chronisationseinrichtung (310) und eine Verzögerungsschaltung (320) und mindestens eine weitere Baugruppe eine Verknüpfungs schaltung (350) mit einer Vielzahl von programmierbaren Schal tern (352) umfasst, die über eine Rechner-Schnittstelle mit Konfigurationssignalen so geschaltet wird, dass die Ein- und Ausgänge der übrigen Baugruppen miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden,
an jeder Lokalsteuerung ein bestimmtes Verzögerungssignal gespeichert ist, das für die Laufzeit von Signalen von der Zentralsteuerung (200) zur jeweiligen Lokalsteuerung charakte ristisch ist, wobei mit der Synchronisationseinrichtung (310) und der Verzögerungsschaltung (320) aus den Synchronisationsinformationen, der Zeitmarke und dem Verzögerungssignal eine aktuelle Systemzeit ermittelt wird, und
alle Lokalsteuerungen (300) und deren Baugruppen mit der Systemzeit als einheitlicher Zeitbasis synchron arbeiten.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem mindestens eine Lo
kalsteuerung (300) eine Übertragungsschaltung (362) enthält,
die über eine Rechner-Schnittstelle so programmiert wird, dass
in Abhängigkeit von den Ereignis-Steuersignalen vorbestimmte
Baugruppen der jeweiligen Lokalsteuerung (300) angesteuert
werden.
3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder
2, bei dem an den Lokalsteuerungen (300, 400, 500, . . .) die
Lokalzeit unabhängig von einer aktuellen Systemzeit oder syn
chron zur aktuellen Systemzeit ermittelt wird, wobei Referenz
informationen von der Zentralsteuerung und ein lokaler Zeit
zähler verwendet werden, um die Lokalzeit abzugleichen.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem an den Lokalsteuerun
gen (300, 400, 500, . . .) die Lokalzeit laufend oder in vorbe
stimmten Abgleichsintervallen in Abhängigkeit von einer Feh
lerabweichung der Lokalzeit von der aktuellen Systemzeit abge
glichen wird.
5. Steuerungssystem (100) mit einer Zentralsteuerung (200)
und einer Vielzahl von Lokalsteuerungen (300, 400, 500, . . .),
die über eine Netzwerkeinrichtung (600) verbunden und zum Aus
tausch von Synchronisationsinformationen und Steuerungssigna
len eingerichtet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Netzwerkeinrichtung (600) ein unidirektionales Lichtwel lenleiter-Netzwerk (610) umfasst,
an jeder Lokalsteuerung Baugruppen mit Ein- und Ausgängen vorgesehen sind, von denen mindestens eine Baugruppe eine Synchronisationseinrichtung (310) und eine Verzögerungsschaltung (320) und mindestens eine weitere Baugruppe eine Verknüpfungs schaltung (350) mit einer Vielzahl von programmierbaren Schal tern (352) umfasst, die über eine Rechner-Schnittstelle mit Konfigurationssignalen so schaltbar sind, dass Ein- und Aus gänge von vorbestimmten Baugruppen der jeweiligen Lokalsteue rung (300) miteinander verbunden oder voneinander getrennt sind, und an jeder Lokalsteuerung ein bestimmtes Verzögerungs signal gespeichert ist, das für die Laufzeit von Signalen von der Zentralsteuerung (200) zur jeweiligen Lokalsteuerung cha rakteristisch ist, wobei mit der Synchronisationseinrichtung (310) und der Verzögerungsschaltung (320) aus den Synchronisa tionsinformationen, einer Zeitmarke und einem Verzögerungssig nal eine aktuelle Systemzeit als einheitliche Zeitbasis für einen Synchronbetrieb von allen Lokalsteuerungen und deren Baugruppen ermittelbar ist.
die Netzwerkeinrichtung (600) ein unidirektionales Lichtwel lenleiter-Netzwerk (610) umfasst,
an jeder Lokalsteuerung Baugruppen mit Ein- und Ausgängen vorgesehen sind, von denen mindestens eine Baugruppe eine Synchronisationseinrichtung (310) und eine Verzögerungsschaltung (320) und mindestens eine weitere Baugruppe eine Verknüpfungs schaltung (350) mit einer Vielzahl von programmierbaren Schal tern (352) umfasst, die über eine Rechner-Schnittstelle mit Konfigurationssignalen so schaltbar sind, dass Ein- und Aus gänge von vorbestimmten Baugruppen der jeweiligen Lokalsteue rung (300) miteinander verbunden oder voneinander getrennt sind, und an jeder Lokalsteuerung ein bestimmtes Verzögerungs signal gespeichert ist, das für die Laufzeit von Signalen von der Zentralsteuerung (200) zur jeweiligen Lokalsteuerung cha rakteristisch ist, wobei mit der Synchronisationseinrichtung (310) und der Verzögerungsschaltung (320) aus den Synchronisa tionsinformationen, einer Zeitmarke und einem Verzögerungssig nal eine aktuelle Systemzeit als einheitliche Zeitbasis für einen Synchronbetrieb von allen Lokalsteuerungen und deren Baugruppen ermittelbar ist.
6. Steuerungssystem gemäß Anspruch 5, bei dem die Zentral
steuerung einen Kodierer zur Erzeugung von Datenpaketen auf
weist, die jeweils die Synchronisationsinformationen, eine
Zeitmarke und Ereignis-Steuersignale enthalten.
7. Steuerungssystem (100) gemäß Anspruch 6, bei dem mindes
tens eine Lokalsteuerung (300) eine Übertragungsschaltung
(362) aufweist, die über eine Rechner-Schnittstelle so pro
grammierbar ist, dass in Abhängigkeit von den Ereignis-
Steuersignalen vorbestimmte Baugruppen der jeweiligen Lo
kalsteuerung (300) angesteuert sind.
8. Steuerungssystem gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, bei
dem die Lokalsteuerungen jeweils Trigger-Time-Event-
Schaltungen mit der Synchronisationseinrichtung (310), der
Verzögerungsschaltung, der Verknüpfungsschaltung (350)
und/oder der Übertragungsschaltung (362) aufweisen, die als
Rechnerkarten gebildet sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10134194A DE10134194C2 (de) | 2001-07-13 | 2001-07-13 | Verfahren und Vorrichtung zum Synchronbetrieb eines Steuerungssystems |
Applications Claiming Priority (1)
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DE10134194A DE10134194C2 (de) | 2001-07-13 | 2001-07-13 | Verfahren und Vorrichtung zum Synchronbetrieb eines Steuerungssystems |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10134194A1 DE10134194A1 (de) | 2003-01-30 |
DE10134194C2 true DE10134194C2 (de) | 2003-12-18 |
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ID=7691731
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DE10134194A Expired - Fee Related DE10134194C2 (de) | 2001-07-13 | 2001-07-13 | Verfahren und Vorrichtung zum Synchronbetrieb eines Steuerungssystems |
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---|---|
DE (1) | DE10134194C2 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105182174A (zh) * | 2014-06-19 | 2015-12-23 | 国网山西省电力公司电力科学研究院 | 基于备用通道的自我补偿式纵联保护对调同步控制器 |
EP2380830B2 (de) † | 2010-04-20 | 2016-06-01 | Bizerba GmbH & Co. KG | Steuerungsverfahren für einen Linienvereiniger und Linienvereiniger |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19510466A1 (de) * | 1995-03-26 | 1996-10-02 | Klaschka Gmbh & Co | Digitale Steuerung und Verknüpfungseinheit für eine solche |
DE19723497A1 (de) * | 1997-06-05 | 1998-12-10 | Rohde & Schwarz | Funknetz |
US6073053A (en) * | 1998-04-08 | 2000-06-06 | Rockwell Technologies, Llc | Industrial controller input/output card providing reflex response |
-
2001
- 2001-07-13 DE DE10134194A patent/DE10134194C2/de not_active Expired - Fee Related
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CN105182174B (zh) * | 2014-06-19 | 2018-03-06 | 国网山西省电力公司电力科学研究院 | 基于备用通道的自我补偿式纵联保护对调同步控制器 |
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Publication number | Publication date |
---|---|
DE10134194A1 (de) | 2003-01-30 |
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