DE10134194C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Synchronbetrieb eines Steuerungssystems - Google Patents

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.

1. Steuerungssystem mit Zentral- und Lokalsteuerungen

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.

2. Kompensation von Laufzeitunterschieden im LWL-Netz

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.

3. Aufbau der lokalen TTE-Schaltung

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:

1. Busschnittstelle (345)

Die Busschnittstelle stellt die Verbindung zwischen der Lo­ kalsteuerung und der Zentralsteuerung über PCI-, compact PCI- bzw. VME-Bus her.

2. LWL-Schnittstelle (342)

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.

3. Oszillator-Baugruppe (361)

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.

4. Trigger-Schnittstelle (343)

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.

5. Programmier- und Testschnittstelle (344)

Eine Schnittstelle nach dem JTAG-Standard dient zum Programmie­ ren eines neuen Boot-Images der programmierbaren Logik der TTE-Karte und als Testport.

6. Weitere Baugruppen

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).

Tabelle 1

Baugruppen der Lokalsteuerung

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.

4. Baugruppenverknüpfung auf der Lokalsteuerung

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.

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.

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.