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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen
von Daten in einem Steuerungssystem mit einer Vielzahl von räumlich verteilten
Stationen, die über
ein Kommunikationsmedium miteinander verbunden sind, wobei die Stationen
logisch in einer Reihe angeordnet sind, die eine erste Station, zumindest
eine zweite Station und eine letzte Station definiert, mit den Schritten:
- – die
erste Station erzeugt einen Datenrahmen mit einer Vielzahl von Datenfeldern,
wobei jeder zweiten Station und der letzten Station zumindest ein Datenfeld
zum Belegen mit Sendedaten eindeutig zugewiesen ist,
- – die
erste Station sendet den Datenrahmen als hinlaufenden Datenrahmen
an diejenige zweite Station, die der ersten Station in der Reihe
nachfolgt,
- – jede
zweite Station empfängt
den hinlaufenden Datenrahmen von der jeweils vorhergehenden Station
in der Reihe, belegt ein ihr zugewiesenes Datenfeld mit Sendedaten
und sendet den hinlaufenden Datenrahmen mit den Sendedaten an die in
der Reihe nachfolgende Station, und
- – die
letzte Station empfängt
den hinlaufenden Datenrahmen von der vorhergehenden Station in der
Reihe, belegt ein ihr zugewiesenes Datenfeld mit letzten Sendedaten
und sendet den Datenrahmen mit allen Sendedaten als zurücklaufenden Datenrahmen
an die Reihe der Stationen zurück.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Steuerungssystem zum automatisierten
Steuern von Anlagen oder Geräten,
mit einer Vielzahl von räumlich
verteilten Stationen, die über
ein Kommunikationsmedium miteinander verbunden sind, wobei die Stationen
logisch in einer Reihe angeordnet sind, die eine erste Station,
zumindest eine zweite Station und eine letzte Station definiert,
und wobei die Stationen dazu ausgebildet sind, ein Verfahren der
zuvor beschriebenen Art auszuführen.
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Ein
Steuerungssystem und ein Verfahren der vorgenannten Art sind aus
DE 199 34 514 C1 bekannt.
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Die
DE 199 34 514 C1 beschreibt
ein Verfahren zum Konfigurieren einer Station (dort als Busteilnehmer
bezeichnet), die an einen Feldbus angeschlossen wird. Insbesondere
geht es dabei um die fehlersichere Zuweisung einer logischen Adresse
an eine Station, die über
den so genannten Interbus mit anderen Busteilnehmern/Stationen verbunden
ist. Der Interbus ist ein bekanntes und spezifiziertes Feldbussystem,
das vor allem in der industriellen Automatisierung von Anlagen und
Geräten
eingesetzt wird. Weitere bekannte Feldbussysteme sind der so genannte
CAN-Bus und der
so genannte Profibus.
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Die
bekannten Feldbussysteme dienen dazu, eine Vielzahl von räumlich verteilten
Stationen/Busteilnehmern so miteinander zu verbinden, dass diese
Informationen austauschen können.
Dabei sind Feldbussysteme vor allem auf die Kommunikationsanforderungen
zugeschnitten, die sich aus dem Einsatzzweck als Kommunikationsmedium
in Steuerungssystemen zum automatisierten Steuern von Anlagen und
Geräten
ergeben. Neben einer möglichst
einfachen und robusten Verkabelung gehört hierzu vor allem ein determiniertes
Zeitverhalten bei der Übertragung
der Daten sowie die Fähigkeit, relativ
geringe Datenmengen von einer großen Anzahl von Stationen zu
transportieren. Typischerweise sind an einen Feldbus eine oder wenige
(intelligente) Steuerungseinheiten angeschlossen sowie eine große Anzahl
abgesetzter E/A-Einheiten, die Zustandssignale der Anlage oder des
Gerätes über Sensoren aufnehmen
und an die Steuerungseinheiten) melden, und/oder Steuerdaten von
der übergeordneten
Steuerungseinheit empfangen und in Abhängigkeit davon geeignete Aktoren
betätigen.
Beispielsweise kann eine E/A-Einheit die Signale von Positionsschaltern, Lichtschranken,
Drehgebern u.a. aufnehmen und über
den Feldbus an die übergeordnete
Steuerungseinheit übertragen.
Die Steuerungseinheit, häufig eine
speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), bestimmt in Abhängigkeit
von diesen Prozessgrößen Steuerdaten
für Aktoren,
wie z.B. Magnetventile, Schütze,
Antriebe u.a. Die E/A-Einheiten empfangen die Steuerdaten von der übergeordneten
Steuerung über
den Feldbus und betätigen
die Aktoren.
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Der
eingangs genannte Interbus arbeitet wie ein großes Schieberegister, dessen
einzelne Speicherstellen in den angeschlossenen Stationen liegen.
Ein so genannter Busmaster, der häufig räumlich in der übergeordneten
Steuerungseinheit angeordnet ist, erzeugt einen Datenrahmen mit
einer Anzahl von Datenfeldern, die der Anzahl der Speicherstellen
in dem "Schieberegister" entspricht. Dieser Datenrahmen
wird von dem Busmaster an die in Reihe angeschlossenen Stationen
gesendet und dabei Datenfeld für
Datenfeld von einer Station zur nächsten weitergereicht. Von
der letzten Station der Reihe wird der Datenrahmen an den Busmaster
zurückgesendet,
so dass sich letztlich eine Ringstruktur ergibt. Wenn ein vom Busmaster
generiertes Startwort nach dem Durchlaufen der Ringstruktur wieder
beim Busmaster ankommt und in einer anschließenden Prüfsummenauswertung keine Übertragungsfehler
erkannt werden, signalisiert der Busmaster allen angeschlossenen
Stationen über
ein Steuersignal, dass sie die Daten, die dann in ihren jeweiligen
Schieberegistern liegen, zur weiteren Verarbeitung übernehmen
sollen. Umgekehrt "leeren" die einzelnen Stationen
ihre mit Sendedaten belegten internen Schieberegister, indem sie
die dort gespeicherten Daten an die nächstfolgende Station im Ring übertragen, wenn der
Busmaster einen neuen Datenumlauf initiiert. Charakteristisch für den Interbus
ist somit, dass die Anzahl der Datenfelder des umlaufenden Datenrahmens
gleich der Anzahl der Speicherstellen in den angeschlossenen Stationen
ist. Des Weiteren findet eine Kommunikation eigentlich nur zwischen
jeder einzelnen Station und dem Busmaster statt. Ein Querverkehr
zwischen zwei Stationen, die keine Busmasterfunktionalität besitzen,
ist nur von einem Übertragungszyklus
zum nächsten
möglich,
indem die sendende Station ihre Daten zunächst an den Busmaster überträgt und dieser
die Daten anschließend in
einem zweiten Datenzyklus an die Empfangsstation weiterleitet. Ein
Vorteil des Interbus-Konzepts ist das deterministische Zeitverhalten,
d.h. die zum Übertragen
einer Information benötigte
Zeit lässt
sich weitgehend exakt vorhersagen. Außerdem können keine Kollisionen zwischen
konkurrierenden Nachrichten auftreten.
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Im
Gegensatz dazu sind Kollisionen bei so genannten nachrichtenorientierten
Feldbussystemen, wie etwa dem CAN-Bus, grundsätzlich möglich, da die einzelnen Stationen
von sich aus Datentelegramme erzeugen und absenden können. Beim CAN-Bus
werden derartige Kollisionen dadurch aufgelöst, dass die Stationen unterschiedliche
Prioritäten
besitzen, wobei sich eine Station mit einer höheren Priorität im Fall
einer Kollision durchsetzt. Für
die Station mit niedrigerer Priorität bedeutet dies allerdings,
dass sie zumindest zeitweilig an dem Absenden einer Nachricht gehindert
ist. Um ein deterministisches Zeitverhalten zu realisieren, ist
es daher erforderlich, die maximale Auslastung des Feldbusses zu
begrenzen, da mit zunehmender Auslastung des Busses die Wahrscheinlichkeit
von Kollisionen steigt. Andererseits bieten CAN-Bus-basierte Steuerungssysteme
eine höhere
Flexibilität,
da grundsätzlich
ein Querverkehr ohne Zwischen schaltung eines Busmasters möglich ist.
Dadurch können
vor allem sicherheitsrelevante Daten, wie zum Beispiel ein Not-Aus-Befehl, schneller übertragen
werden, und zwar ggf. auch als Broadcast-Telegramm.
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Außerhalb
der speziellen Feldbustechnologie haben Kommunikationsnetzwerke
auf Basis des so genannten Ethernet-Standards durch das Internet und
die Vernetzung von Personalcomputern eine große Verbreitung gefunden. In
Ethernet-Netzwerken besitzt jeder Teilnehmer (jede Station) eine
individuelle Adresse, die so genannte MAC-Adresse. Grundsätzlich kann
jede Station jederzeit eine Nachricht absenden. Jede sendende Station überwacht
die Verbindungsleitung daraufhin, ob die gesendete Nachricht auch
unverfälscht
lesbar ist, was bei einer Kollision mit einer gleichzeitig sendenden
Station nicht der Fall wäre.
Im Fall einer Kollision sendet jede Station ihre Sendedaten nach
Ablauf einer zufällig ausgewählten Zeitspanne
erneut. Ethernet-Netzwerke
besitzen aufgrund der großen
Verbreitung den Vorteil, dass die entsprechenden Hardwarekomponenten
sehr kostengünstig
sind. Sie bieten jedoch kein deterministisches Zeitverhalten und
sind darüber
hinaus eher für
die azyklische Übertragung
von größeren Datenmengen
von wenigen angeschlossenen Stationen optimiert. Demgegenüber benötigen Steuerungssystem
vor allem eine zyklische Datenübertragung.
Aufgrund der kostengünstigen
Hardwarekomponenten gibt es jedoch seit einigen Jahren das Bestreben,
Ethernet-Technologien auch für
die Kommunikation zwischen den Stationen eines Steuerungssystems
zum Steuern einer technischen Anlage oder eines technischen Gerätes einzusetzen. Grundlagen
und Anbieter von entsprechenden Komponenten sind beispielsweise
in der DE-Zeitschrift "Industrial
Ethernet" beschrieben,
die unter der ISBN 3-8259-1925-0 von der Vogel- Industrie Medien GmbH und Co. KG in
97064 Würzburg
erhältlich
ist. In
DE 298 24
978 U1 ist beispielsweise vorgeschlagen, eine Anpassungsschicht
in einer Feldbuskomponente zu realisieren, um eine ein Feldbusprotokoll abarbeitende
Datensicherungsschicht an eine physikalische Schicht für eine Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung
anzupassen. Die physikalische Schicht kann beispielsweise eine sogenannte Fast-Ethernet-Schicht
sein, die mit Hilfe der Anpassungsschicht an ein Feldbussystem angepasst
wird, wie es im Bereich der industriellen Automation zu finden ist.
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Die
bislang vorgeschlagenen Ansätze
für die Nutzung
von Ethernet-Komponenten in automatisierten Steuerungssystemen sind
jedoch nicht optimal. Schwierigkeiten bereitet insbesondere die Übertragung
von sicherheitsrelevanten Steuerdaten, wie z.B. die Übertragung
eines Not-Aus-Signals, sowie die Übertragung eines von der Steuerungseinheit
daraufhin erzeugten Abschaltbefehls für einen Antrieb. Auch eine
Datenübertragung
mit kurzen Zykluszeiten, die beispielsweise für eine Antriebsregelung benötigt wird,
ist schwierig auf Basis von Ethernet-Komponenten zu realisieren.
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Vor
diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem sich
Daten in einem Steuerungssystem zum automatisierten Steuern einer
Anlage oder eines Gerätes
unter hohen Echtzeitanforderungen übertragen lassen. Es ist weiterhin
eine Aufgabe der Erfindung, ein Steuerungssystem der eingangs ge nannten
Art anzugeben, bei dem für
die Übertragung
von Steuer- und Prozessdaten
kommerzielle Komponenten, insbesondere Ethernet-Komponenten, eingesetzt
werden können,
wobei das System trotzdem die Übertragung von
sicherheitsrelevanten Steuer- und Prozessdaten ermöglichen
soll.
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Diese
Aufgabe wird gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren der eingangs
genannten Art gelöst,
bei dem jede Station den hinlaufenden Datenrahmen an genau eine
nachfolgende Station sendet, und bei dem die Stationen fremde Sendedaten
aus den Datenfeldern des zurücklaufenden
Datenrahmens lesen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird daher ein Steuerungssystem der
eingangs genannten Art vorgeschlagen, bei dem die Stationen dazu
ausgebildet sind, den hinlaufenden Datenrahmen an genau eine nachfolgende
Station zu senden und fremde Sendedaten aus den Datenfeldern des zurücklaufenden
Datenrahmens zu lesen.
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Bevorzugt
sind den Stationen die Datenfelder des hinlaufenden Datenrahmens
zum Belegen mit eigenen Sendedaten und die Datenfelder des zurücklaufenden
Datenrahmens zum Auslesen von fremden Sendedaten individuell zugewiesen.
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Besonders
bevorzugt beinhalten die Stationen außerdem zumindest eine Steuerungseinheit, die
dazu ausgebildet ist, Prozessdaten zyklisch zu verarbeiten und in
Abhängigkeit
davon Steuerdaten zu erzeugen, sowie eine Vielzahl von E/A-Baugruppen,
die dazu ausgebildet sind, Prozessdaten an die Steuerungseinheit
zu senden und Steuerdaten von der Steuerungseinheit zu empfangen.
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Grundsätzlich kann
das neue Verfahren jedoch auch bei anderen Steuerungssystemen und/oder
Kommunikationsnetzwerken eingesetzt werden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt schlägt
die vorliegende Erfindung ein Kommunikationsmodul für eine Station
in einem Steuerungssystem der zuvor genannten Art vor, wobei das
Kommunikationsmodul dazu ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren,
mit anderen Worten also ein darauf basierendes Kommunikationsprotokoll,
in der Station zu implementieren.
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Die
vorliegende Erfindung basiert damit auf einem Konzept, wie es grundsätzlich vom
Interbus her bekannt ist, nämlich
der Erzeugung und Übertragung
eines Datenrahmens mit einer Vielzahl von Datenfeldern, wobei der
Datenrahmen in einer Reihe von Stationen von einer Station zur nächsten weitergegeben
wird. Die Erfindung unterscheidet sich jedoch von dem bekannten
Interbus, weil die einzelnen Stationen fremde Sendedaten direkt
aus dem zurücklaufenden
Datenrahmen lesen, während
das Lesen von Daten beim Interbus grundsätzlich nur aus dem hinlaufenden
Datenrahmen erfolgt. Bevorzugt lesen die einzelnen Stationen fremde
Sendedaten ausschließlich
aus dem zurücklaufenden
Datenrahmen, und sie legen eigene Sendedaten ausschließlich in
die Datenfelder des hinlaufenden Datenrahmens. Abweichend hiervon
ist es in einer allgemeineren Ausgestaltung der Erfindung jedoch
auch möglich,
Ausnahmen von diesem generellen Prinzip zuzulassen.
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In
der praktischen Implementierung unterscheidet sich die vorliegende
Erfindung grundlegend von dem Interbus, der spezifikationsgemäß als großes "Schieberegister" ausgebildet ist.
Im Gegensatz dazu ist die vorliegende Erfindung unabhängig von der
physikalischen Realisierung des Kommunikationsmediums. In einer
besonders bevorzugten Ausgestaltung, auf die weiter unten noch eingegangen wird,
ist das Kommunikationsmedium eine Ethernetkompatible Übertragungsstrecke,
und der Datenrahmen ist ein Ethernet-kompatibler Datenrahmen, d.h. ein
Datenrahmen, dessen grundsätzlicher
Aufbau sich in die Ethernet-Spezifikationen einpasst.
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Während der
bekannte Interbus für
die Übertragung
der Daten eine Ringstruktur implementiert, bei der die letzte Station
den Datenrahmen logisch direkt an die erste Station zurücksendet,
realisiert die vorliegende Erfindung eine Doppellinie, bei der sowohl
der hinlaufende als auch der zurücklaufende Datenrahmen
sämtliche
Stationen logisch durchläuft. Erst
dadurch ist es möglich,
dass die einzelnen Stationen eigene Sendedaten in die Datenfelder
des hinlaufenden Datenrahmens ablegen und fremde Sendedaten aus
dem zurücklaufenden
Datenrahmen auslesen. Aufgrund dieser Eigenschaft erhält jede Station
den umlaufenden Datenrahmen innerhalb eines Übertragungszyklus zweimal.
Dadurch ist es möglich,
dass ein beliebiger Querverkehr zwischen zwei oder mehr beliebigen
Stationen innerhalb eines Übertragungszyklus
abgeschlossen werden kann. Die vorliegende Erfindung ermöglicht daher
eine Datenkommunikation, die hohen Echtzeitanforderungen genügt.
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Da
zudem jede Station den hinlaufenden Datenrahmen an genau eine nachfolgende
Station sendet, wird die Bildung von Schleifen verhindert. Außerdem werden
Kollisionen auf der Übertragungsstrecke ausgeschlossen,
wodurch ein deterministisches Zeitverhalten mit sehr kurzen Zykluszeiten
realisierbar ist.
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Darüber hinaus
ermöglicht
die vorliegende Erfindung eine äußerst flexible
Kommunikation zwischen beliebigen Stationen. Damit besitzt die vorliegende
Erfindung die Vorteile der nachrichtenorientierten Übertragungsverfahren,
wie beispielsweise einer CAN-Bus- oder Ethernet-Verbindung.
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Mit
Hilfe des umlaufenden Datenrahmens und der erfindungsgemäßen Möglichkeit
einer direkten Querkommunikation ermöglicht die vorliegende Erfindung
eine sehr schnelle und deterministische Kommunikation. Damit ist
sie gut geeignet, um auch sicherheits relevante Steuerdaten in einer
nachfolgend noch näher
beschriebenen Weise zu übertragen.
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Die
oben genannten Aufgaben sind daher vollständig gelöst.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erzeugt die erste
Stationen den hinlaufenden Datenrahmen in festgelegten Zeitabständen zyklisch und
sendet ihn an die nachfolgende zweite Station.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
die Zykluszeit, also die Zeit zwischen dem Absenden zweier aufeinanderfolgender,
jedoch voneinander unabhängiger
Datenrahmen, einstellbar. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
kann die Zykluszeit zwischen etwa 60 μs und etwa 6 ms in verschiedenen
Zwischenschritten eingestellt werden.
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Diese
Ausgestaltung ist besonders gut für ein Steuerungssystem zum
automatisierten Steuern von technischen Anlagen oder Geräten geeignet,
da Informationen in einem solchen Steuerungssystem üblicherweise
zyklisch anfallen. Insbesondere bei kurzen Zykluszeiten, von beispielsweise
62,5 μs,
ermöglicht
diese Ausgestaltung, die zur Regelung eines Antriebs bei einer Maschine
erforderlichen Prozess- und Steuerdaten mit Hilfe des neuen Verfahrens
zu übertragen.
Mit anderen Worten kann das Steuerungssystem dieser Ausgestaltung
in den Regelkreis der Antriebssteuerung einer Maschine integriert
werden, was eine besonders kostengünstige und flexible Automatisierung
einer Anlage oder eines Gerätes
ermöglicht.
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In
einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet der Datenrahmen zumindest
eine erste und eine zweite Gruppe von Datenfeldern, wobei die Datenfelder
der ersten Gruppe den einzelnen Stationen über alle Datenrahmen hinweg
fest zugewiesen werden, und wobei die Datenfelder der zweiten Gruppe
den Stationen auf individu elle Anforderung für jeweils einen Datenrahmen
zugewiesen werden.
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Diese
Ausgestaltung erhöht
die Flexibilität bei
der Kommunikation und ermöglicht
eine Optimierung des Steuerungssystems in Bezug auf Datendurchsatz
und Übertragungsgeschwindigkeit.
Die erste Gruppe von Datenfeldern kann zum Übertragen von Daten verwendet
werden, ohne dass diese um Adressinformationen ergänzt werden
müssen.
Durch die feste Zuordnung der einzelnen Datenfelder ist nämlich eine
Adressstruktur fest vorgegeben. Andererseits ermöglicht es die zweite Gruppe
von Datenfeldern, einzelnen Stationen auf Anforderung zusätzliche Übertragungskapazität einzuräumen. Die
zweite Gruppe von Datenfeldern ist besonders vorteilhaft zum Übertragen
von azyklischen Daten, wie beispielsweise Diagnosedaten. Darüber hinaus
können die
Datenfelder der zweiten Gruppe auch sehr vorteilhaft dazu verwendet
werden, systemfremde Daten über
das vorhandene Kommunikationsmedium zu übertragen, beispielsweise Druckerdaten,
die von einem PC an einen an das Kommunikationsnetzwerk angeschlossenen
Drucker gesendet werden. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
erfolgt die Vergabe der Datenfelder der zweiten Gruppe unter Verwendung
eines Belegt-Flags, das bei jedem neuen Datenrahmen auf den Zustand "Datenfeld(er) frei" zurückgesetzt
wird. Eine Station, die ein Datenfeld der zweiten Gruppe belegen
möchte,
muss dann nur das Belegt-Flag prüfen
und ggf. auf „Belegt" setzen. Die azyklische
Kommunikation wird vorzugsweise unter Verwendung von an sich bekannten
Adressierungsverfahren abgewickelt, wobei die Adressen dann ebenfalls
in den Datenfeldern der zweiten Gruppe übertragen werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung durchläuft der zurücklaufende Datenrahmen die
Reihe der Stationen in umgekehrter Reihenfolge wie der hinlaufende
Datenrahmen.
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Alternativ
hierzu wäre
es grundsätzlich
auch möglich,
den zurücklaufenden
Datenrahmen in einer anderen Reihenfolge zu führen. Darüber hinaus wäre es grundsätzlich auch
möglich,
den zurücklaufenden Datenrahmen
an mehrere oder alle angeschlossen Stationen gleichzeitig zu versenden,
was beispielsweise bei einer Funkstrecke als Übertragungsmedium ohne weiteres
möglich
ist. Die vorliegende Ausgestaltung besitzt demgegenüber den
Vorteil, dass der Verwaltungsaufwand zur Gewährleistung einer fehlerfreien
Kommunikation vereinfacht ist. Insbesondere kann die erste Station
in der bevorzugten Ausgestaltung sehr leicht überwachen, ob der zurücklaufende
Datenrahmen alle angeschlossenen Stationen erreicht hat. Dies ist
insbesondere für
die Übertragung
von sicherheitsrelevanten Daten, wie beispielsweise Not-Aus-Steuerbefehlen,
von großer Bedeutung.
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In
einer weiteren Ausgestaltung überwacht die
erste Station, ob der zurücklaufende
Datenrahmen innerhalb einer definierten Zeitspanne eintrifft.
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Die Überwachung
des zurücklaufenden
Datenrahmens in der ersten Station ist besonders vorteilhaft für die Übertragung
von sicherheitsrelevanten Daten, da sich hierdurch ein Ausfall der
Kommunikationsverbindung sehr schnell feststellen lässt. Abhängig von
den Echtzeitanforderungen kann die erste Station dann entweder einen
Wiederholrahmen initiieren oder eine Fehlerbehandlungsroutine starten.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das Kommunikationsmedium
eine Ethernet-kompatible Übertragungsstrecke,
und der Datenrahmen ist ein Ethernet-kompatibler Datenrahmen.
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Diese
Ausgestaltung ermöglicht
es, zumindest teilweise auf kommerziell erhältliche und damit sehr kostengünstige Hardwarekomponenten
zurückzugreifen.
Darüber
hinaus ist es in dieser Ausgestaltung sehr leicht möglich, die
an sich für
Steuerungsaufgaben verwendete Datenübertragungsstrecke auch für andere
Zwecke zu nutzen, beispielsweise TCP/IP-kompatible Datenpakete zu übertragen.
Infolge dessen lassen sich erhebliche Kosten bei der Vernetzung
von Komponenten in einer Werkhalle oder dergleichen einsparen. Charakteristisch
an dieser Ausgestaltung ist unter anderem, dass jede Station über eine
eigene MAC-Adresse verfügt,
was grundsätzlich
eine wahlfreie Kommunikation zwischen verschiedenen Stationen ermöglichen
würde. Im
Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung versendet jede Station
jedoch zumindest den hinlaufenden Datenrahmen (und bevorzugt auch
den zurücklaufenden
Datenrahmen) an jeweils nur genau eine exakt definierte andere Station.
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In
einer weiteren Ausgestaltung versendet jede Station den hinlaufenden
Datenrahmen im so genannten cut-through-Verfahren an die nachfolgende
Station der Reihe.
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Das
cut-through-Verfahren ist für
Ethernet-kompatible Übertragungsstrecken
spezifiziert und beinhaltet, dass eine Station einen eingehenden Datenrahmen
bereits analysiert und weiterleitet, bevor er von der betroffenen
Station vollständig
empfangen wurde. Durch diese Ausgestaltung wird die Verzögerungszeit
zwischen dem Empfangen und Weiterleiten des hinlaufenden Daten rahmens
reduziert. Dadurch lässt
sich die Zykluszeit des Systems sehr einfach minimieren.
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In
einer weiteren Ausgestaltung erzeugt die erste Station mehrere Datenrahmen
und versendet diese in unmittelbarer zeitlicher Abfolge als hinlaufenden
Datenrahmen an die nachfolgende zweite Station.
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In
dieser Ausgestaltung erzeugt und versendet die erste Station mehrere
Datenrahmen innerhalb eines Übertragungszyklus.
Mit anderen Worten werden innerhalb der Zykluszeit ein erster hinlaufender Datenrahmen
sowie unmittelbar folgende weitere Datenrahmen (Folgerahmen) versendet.
Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, wenn die zyklisch
zu übertragende
Datenmenge sehr groß ist und
andererseits die Länge
eines einzelnen Datenrahmens einen bestimmten Maximalwert nicht überschreiten
soll. Die vorliegende Ausgestaltung ist daher besonders vorteilhaft,
wenn viele zyklische Daten übertragen
werden sollen, die verwendeten Datenrahmen jedoch die in der Ethernet-Spezifikation definierten
Längen
von etwa 1500 Byte nicht überschreiten
sollen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung werden einzelne Datenfelder eines Datenrahmens
wechselweise von zumindest zwei Stationen mit Sendedaten belegt.
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Diese
Ausgestaltung realisiert einen Multiplexbetrieb, in dem einzelne
Datenfelder von einem Zyklus zum nächsten von unterschiedlichen
Stationen belegt werden. Dabei sind die jeweiligen Datenfelder jedoch
den beteiligten Stationen weiterhin eindeutig zugewiesen. Der Multiplexbetrieb
ist besonders vorteilhaft, wenn innerhalb eines Steuerungssystems
zyklische Daten mit unterschiedlichen Wiederholgeschwindigkeiten
vorliegen. In diesem Fall können
sich langsamere Stationen einzelne Datenfelder im Multiplexbetrieb
teilen, so dass die insgesamt zur Verfügung stehende Übertragungskapazität optimal
ausgenutzt wird.
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In
einer weiteren Ausgestaltung belegen einzelne Stationen zumindest
ein Datenfeld des Datenrahmens mit Sendedaten, die zu einem Feldbustelegramm
kompatibel sind. Besonders bevorzugt ist es, wenn die genannten
Sendedaten kompatibel sind zu Telegrammen des CAN-Bus, Profibus
und/oder Devicenet.
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In
dieser Ausgestaltung werden die genannten Feldbus-Telegramme mit
dem neuen Verfahren "getunnelt" übertragen. Diese Ausgestaltung
ermöglicht
es, bestehende Feldbusnetze und deren Komponenten sehr einfach zu
integrieren. Besonders bevorzugt ist es, sicherheitsrelevante Prozess-
und Steuerdaten in dieser Weise getunnelt zu übertragen, da in diesem Fall
bewährte
und zertifizierte bzw. zugelassene Komponenten für die sicherheitsgerichtete
Automatisierung genutzt werden können.
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In
einer weiteren Ausgestaltung erzeugt die erste Station jeden hinlaufenden
Datenrahmen mit einer Vielzahl von Statusfeldern, wobei jeder zweiten Station
zumindest ein Statusfeld zugewiesen wird, und wobei jede zweite
Station ihr Statusfeld bei jedem Durchlauf des hinlaufenden Datenrahmens ändert.
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Mit
Hilfe derartiger Statusfelder lässt
sich auf sehr einfache Weise eine Lebensüberwachung realisieren. Dadurch,
dass jede Station ihr Statusfeld beim Durchlauf ändert, kann die erste Station
am Ende jedes Zyklus kontrollieren, ob die ursprünglich vorhandenen zweiten
Stationen noch vorhanden und aktiv sind. Die Ausgestaltung ist besonders
vorteilhaft, wenn mit Hilfe des neuen Verfahrens sicherheitsrelevante
Prozess- und Steuerdaten übertragen werden
sollen, da der Ausfall einer sicherheitsrelevanten Station einen
sicherheitskritischen Zustand darstellt und eine entsprechende Fehlermeldung oder
Fehlerbehandlungsroutine gestartet werden muss.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
des neuen Steuerungssystems in einer schematischen Darstellung,
-
2 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
des neuen Steuerungssystems in einer schematischen Darstellung,
-
3 ein
symbolisches Diagramm zur Erläuterung
des neuen Verfahrens,
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4 Zeitdiagramme,
die verschiedene Betriebsarten des neuen Steuerungssystems bzw.
verschiedene Ausführungsbeispiele
des neuen Verfahrens zeigen,
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5 mehrere
Ethernet-Telegramme, die in einem Ausführungsbeispiel des neuen Verfahrens zeitlich
hintereinander gesendet werden,
-
6 mehrere
Ethernet-Telegramme, die in einem weiteren Ausführungsbeispiel des neuen Verfahrens
zeitlich hintereinander gesendet werden,
-
7 eine
schematische Darstellung einer Station aus dem neuen Steuerungssystem.
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel
des neuen Steuerungssystems in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
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Das
Steuerungssystem 10 beinhaltet eine Steuereinheit 12,
beispielsweise in Form einer speicherprogrammierbaren Steuerung,
die hier als PLC (programmable logic controller) bezeichnet ist.
Alternativ hierzu könnte
es sich auch um eine andere Steuereinheit handelt, beispielsweise
ein Industrie-PC. Die Steuereinheit 12 übernimmt auf der Anwendungsebene
die Steuerung einer hier nicht näher dargestellten
technischen Anlage, wie z.B. einer Fertigungs- oder Förderanlage.
Dazu verarbeitet sie Prozess- oder Zustandsdaten der Anlage, die
mit Hilfe von Sensoren erfasst werden, und sie erzeugt Steuerdaten,
mit denen Aktoren betätigt
werden. Für die
Kommunikation mit den Sensoren und Aktoren bedient sich die Steuereinheit 12 eines
Kommunikationsnetzwerkes, das in der nachfolgend beschriebenen Weise
ein Ausführungsbeispiel
des neuen Verfahrens implementiert.
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Für die Kommunikation
mit den dezentralen Sensoren und Aktoren besitzt die Steuereinheit 12 hier
einen so genannten Busmanager 14, der eine erste Station
im Sinne der vorliegenden Erfindung ist. In anderen Ausführungsbeispielen
der Erfindung kann der Busmanager getrennt von der Steuereinheit 12 implementiert
sein. Die Steuereinheit 12 könnte in diesem Fall ein Kommunikationsmodul
beinhalten, mit dessen Hilfe sie als zweite Station im Sinne der vorliegenden
Erfindung an das Kommunikationsnetzwerk angeschlossen ist.
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Das
Steuerungssystem 10 beinhaltet ferner eine Vielzahl von
Stationen 16, 18, 20, 22, 24,
wobei die Stationen 16–22 zweite
Stationen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind, während die
Station 24 in diesem Ausführungsbeispiel eine letzte
Station im Sinne der Erfindung ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Stationen 16–24 jeweils E/A-Baugruppen,
die dazu ausgebildet sind, Eingangssignale von Sensoren aufzunehmen
und Steuersignale an Aktoren abzugeben.
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Der
Busmanager 14 (und damit die Steuereinheit 12)
ist über
ein Kommunikationsmedium 26 mit den Stationen 16 bis 24 verbunden.
Dabei beinhaltet das Kommunikationsmedium 26 in diesem
Fall einen Switch 28, der hier beispielhaft für eine mögliche Realisierung
dargestellt ist. Konkret ist der Busmanager 14 hier über ein
Ethernet-Kabel mit einem Anschluss des Switches 28 verbunden.
Ein zweiter Anschluss des Switches 28 ist über ein
weiteres Ethernet-Kabel mit einem ersten Anschluss der Station 16 verbunden.
Ein zweiter Anschluss der Station 16 ist über ein
weiteres Ethernet-Kabel mit einem ersten Anschluss der Station 18 verbunden.
Schließlich
ist die Station 18 über
einen zweiten Anschluss und ein weiteres Ethernet-Kabel mit der
Station 20 verbunden. Der Busmanager 14, der Switch 28 und die
Stationen 16–20 sind
damit physikalisch in einer Reihe angeordnet, wobei jeder Teilnehmer über eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung
mit seinem Nachbarn in der Reihe verbunden ist.
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Der
Switch 28 ist in diesem Ausführungsbeispiel ferner über einen
dritten Anschluss und ein weiteres Ethernet-Kabel mit der Station 22 sowie über einen
vierten Anschluss und ein weiteres Ethernet-Kabel mit der Station 24 verbunden.
Das Kommunikationsnetzwerk des Steuerungssystems 10 besitzt
damit in diesem Ausführungsbeispiel
eine Mischform von einer Reihen- und einer Stern-Topologie. Logisch sind
jedoch sämtliche
Stationen 16–24 und
der Busmanager 14 in einer Reihe angeordnet, wie nachfolgend
noch weiter erläutert
ist.
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In
diesem vereinfachten Ausführungsbeispiel
ist an die Station 16 eine Schutztür 30 angeschlossen.
Dabei handelt es sich um einen Sensor, mit dessen Hilfe der Öffnungs-
oder Schließzustand einer
Schutztür überwacht
werden kann. In ähnlicher Weise ist
an die Station 18 ein Not-Aus-Taster 32 und an
die Station 20 ein Lichtgitter 34 angeschlossen. Die
drei genannten Sensoren 30, 32, 34 sind
typische Beispiele von Sensoren zur Absicherung einer automatisiert
arbeitenden Anlage. Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung
nicht auf die Verwendung von solchen Sicherheitssensoren beschränkt ist,
d.h. an die Stationen 16–20 können gleichermaßen auch Sensoren
für Standardsteuerungsaufgaben
angeschlossen sein.
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An
die Stationen 22 und 24 sind hier beispielhaft
Magnetventile 36, 38 sowie ein Antrieb 40 angeschlossen.
Hierbei handelt es sich um typische Aktoren, die bei einer automatisiert
gesteuerten Anlage Verwendung finden, wenngleich die vorliegende
Erfindung nicht auf diese Aktoren beschränkt ist.
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Die
Verbindung der einzelnen Stationen mit dem Busmanager und dem Switch
ist in diesem Ausführungsbeispiel über Ethernet-Kabel CAT5 realisiert.
Dementsprechend sind die einzelnen Anschlüsse 42 der Stationen,
des Busmanagers und des Switches als RJ45-Anschlüsse 42 realisiert.
In anderen Ausführungsbeispielen
der Erfindung können
jedoch auch andere Leitungen, beispielsweise Glasfaserkabel, oder
auch Funkstrecken (z.B. WLAN) zum Einsatz kommen.
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Gemäß dem neuen
Verfahren erzeugt der Busmanager 14 in regelmäßigen Zeitabständen ein Bustelegramm 44,
das einen Datenrahmen 46 mit einer Vielzahl von Datenfeldern
(hier nicht gesondert gezeigt) beinhaltet. In dem Ausführungsbeispiel
in 1 ist das Bustelegramm 44 ein Ethernet-kompatibles
Telegramm mit einem Ethernet-Header am Anfang und einer abschließenden Prüf summe.
Der vom Ethernet-Telegramm zur Verfügung gestellte Datenbereich
ist der Datenrahmen 46.
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Der
Busmanager 14 versendet das Bustelegramm 44 an
die Station 16, die ihm in der logischen Reihe nachfolgt.
Dabei adressiert er die Station 16 in der vom Ethernet
bekannten Weise über
ihre MAC-Adresse. Die Station 16 empfängt das Bustelegramm 44,
belegt ein ihr zugewiesenes Datenfeld in einer nachfolgend beschriebenen
Weise mit Sendedaten und sendet den Datenrahmen 46 mit
einem neuen Ethernet-kompatiblen Bustelegramm (hier nicht gezeigt)
an die nächstfolgende
Station 18. Dabei adressiert die Station 16 die
Station 18 wiederum über
deren MAC-Adresse. In gleicher Weise überträgt die Station 18 den
Datenrahmen an die Station 20. Die Station 20 sendet
den Datenrahmen als nächstes
an die Station 22. von dort wird der Datenrahmen an die
Station 24 weitergesendet, und anschließend läuft der Datenrahmen 24 in
umgekehrter Reihenfolge durch die Stationen 22 bis 16 und
anschließend
zum Busmaster 14. Die Weitergabe des Datenrahmens 46 erfolgt
dabei von einer Station zur nächsten
unter Verwendung der jeweiligen MAC-Adresse der Zielstation. Der
Switch 28 ist transparent, d.h. er ist zwar physisch vorhanden,
leitet den Datenrahmen 46 jedoch lediglich von der jeweils
sendenden Station an die adressierte Empfängerstation, ohne dass der
Datenrahmen 46 dabei verändert wird.
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2 zeigt
die Weitergabe des Datenrahmens 46 von einer Station zur
nächsten
und zurück in
einem vereinfachten Ausführungsbeispiel,
in dem die physikalische Topologie des Kommunikationsnetzwerkes
auch der logischen Reihe entspricht. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen
dabei dieselben Elemente wie zuvor.
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Der
Datenrahmen 46 wird zunächst
vom Busmanager 14 an die Station 16 gesendet,
wobei der Busmanager 14 die Station 16 über ihre MAC-Adresse
adressiert. Die Station 16 belegt ein ihr zugewiesenes
Datenfeld innerhalb des Datenrahmens 46 mit Sendedaten
und sendet einen Datenrahmen 46' mit den neuen Sendedaten an die
Station 18. Die Station 18 legt ihre Sendedaten
in ein ihr zugewiesenes Datenfeld und sendet einen Datenrahmen 46" mit den Sendedaten
der Station 16 und der Station 18 an die Station 20.
Die Station 20 belegt ein ihr zugewiesenes Datenfeld mit
ihren Sendedaten und sendet einen Datenrahmen 46''' mit
allen Sendedaten wieder an die Station 18 zurück. Auf
dem Rückweg
durchläuft
der Datenrahmen 46''' sämtliche Stationen, bis er beim
Busmanager 14 ankommt. Jede Station einschließlich des
Busmanagers kann dadurch fremde Sendedaten der anderen Stationen lesen,
sofern dies entsprechend konfiguriert ist.
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Die
Zuweisung, welche Datenfelder die einzelnen Stationen 16 bis 20 mit
eigenen Sendedaten belegen dürfen,
und welche Datenfelder mit fremden Sendedaten die Stationen 16 bis 20 und
der Busmanager 14 auslesen dürfen, wird in einem Konfigurationsmodus
vor Aufnahme des Steuerungsbetriebes individuell eingestellt, was
durch Blockpfeile 48 symbolisch dargestellt ist.
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3 zeigt
den zyklischen Umlauf des Datenrahmens 46 und die Belegung
sowie das Auslesen einzelner Datenfelder in einer symbolischen Darstellung.
Der Datenrahmen 46 ist hier als Kreissegment mit acht Datenfeldern 50 unterschiedlicher
Größe dargestellt.
Jeder der hier acht Stationen ist ein Datenfeld 50 exklusiv
zum Belegen mit Sendedaten zugewiesen. Beispielsweise belegt die
Station 18 das Datenfeld 2 mit Sendedaten, die
Station 20 belegt das Datenfeld 3, und die Station 22 belegt
das Datenfeld 4. Das Belegen der Datenfelder 50 mit Sendedaten
erfolgt jeweils dann, wenn die Stationen den Datenrahmen 46 von
der vorhergehenden Station empfangen haben und bevor oder während die Stationen
den Datenrahmen 46 an die nachfolgende Station weitersenden.
Das Empfangen und Weitersenden des Datenrahmens 46 ist
anhand des Pfeils 52 symbolisch dargestellt.
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Wenn
der mit allen Sendedaten belegte Datenrahmen 46 von der
letzten Station 24 in umgekehrter Richtung zurückgesendet
wird (Pfeil 54), können
die einzelnen Stationen fremde Sendedaten aus den anderen Datenfeldern
auslesen. Beispielhaft zeigt 3, dass
die Station 18 Sendedaten aus dem Datenfeld 1,
also Sendedaten der Station 16, ausliest. Die Station 20 liest
hier Sendedaten aus den Datenfeldern 2 und 5 und
die Station 22 aus dem Datenfeld 7. Wenn der Datenrahmen 46 einmal
vom Busmanager 14 zur letzten Station 24 und wieder
zurück
gesendet wurde, haben alle beteiligten Stationen die Möglichkeit
gehabt, eigene Sendedaten zu versenden und fremde Sendedaten auszulesen.
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4 zeigt
die zeitliche Abfolge beim Versenden der Datenrahmen 46 in
verschiedenen Ausführungsbeispielen
der Erfindung. Bei Bezugsziffer 60 ist die Länge eines
Datenrahmens 46 (genau genommen eines Bustelegramms 44,
das den Datenrahmen 46 beinhaltet) angegeben. Bezugsziffer 62 bezeichnet
die Zykluszeit, d.h. die Zeit zwischen dem Erzeugen zweier aufeinanderfolgender,
jedoch voneinander unabhängiger
Datenrahmen 46.
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4A zeigt ein Zeitdiagramm, bei dem in jeder
Zykluszeit 62 genau ein Datenrahmen 46 erzeugt
und versendet wird. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
muss der Datenrahmen 46 auch innerhalb der Zykluszeit 62 wieder
beim Bus manager 14 eintreffen, so dass der Busmanager 14 gegebenenfalls
einen Wiederholrahmen in der nächsten
Zykluszeit 62 versenden kann. Diese bevorzugte Ausführung besitzt
den Vorteil, dass auf den Verbindungsstrecken zwischen den einzelnen
Stationen stets jeweils nur ein Bustelegramm 44 unterwegs ist,
wodurch Ethernet-typische Kollisionen vermieden sind. Alternativ
hierzu ist es jedoch grundsätzlich möglich, einen
zweiten Datenrahmen 46b schon zu versenden, bevor der erste
Datenrahmen 46a wieder beim Busmanager 14 ankommt.
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4B zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem der
Busmanager 14 in jeder Zykluszeit 62 zwei unmittelbar
aufeinanderfolgende Datenrahmen 46, 64 erzeugt
und versendet. Der jeweils zweite Datenrahmen 64 ist ein
so genannter Folgerahmen, der mit einem eigenen Bustelegramm versendet
wird. Logisch gehören
die beiden Datenrahmen 46, 64 jedoch zusammen,
d.h. die Aufteilung in zwei getrennte Rahmen 46, 64 geschieht
hier nur, um die Telegrammbreite der Ethernet-Spezifikation einzuhalten, selbst
wenn die Anzahl der im Ethernet-Telegramm zur Verfügung gestellten
Datenwörter
(typischerweise 1500 Byte) nicht ausreicht, um für alle angeschlossen Stationen
die benötigten
Datenfelder bereitzustellen.
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4c zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem einzelne
Datenfelder 50 im Multiplexbetrieb genutzt werden. In einem
ersten Übertragungszyklus wird
das Datenfeld 50a beispielsweise von der Station 18 mit
Sendedaten belegt. Im nachfolgenden Übertragungszyklus wird dasselbe
Datenfeld (nun als 50b bezeichnet) statt dessen von der
Station 20 mit Sendedaten belegt. Im dritten Übertragungszyklus
belegt wiederum die Station 18 das Datenfeld 50a usw.
Gleichzeitig können
die übrigen
Datenfelder des Datenrahmens 46 anderen Stationen alleine
zugewiesen sein. Wie bereits erwähnt,
ist es mit Hilfe des Multiplexbetriebes möglich, einzelnen Stationen
zeitlich enger aufeinanderfolgende Übertragungszyklen zu ermöglichen
als anderen Stationen.
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4D zeigt ein Ausführungsbeispiel, das sowohl
von Folgerahmen gemäß 4B als auch von dem Multiplexbetrieb gemäß 4C Gebrauch macht. Bevorzugterweise werden
die Datenfelder des Multiplexbetriebs dabei nur in den Folgerahmen 64 übertragen.
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5 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
des neuen Verfahrens, bei dem verschiedene Ethernet-Bustelegramme 44a, 44b und 44c über das
Kommunikationsmedium 26 übertragen werden. Jedes Ethernet-Bustelegramm besitzt
in bekannter Weise einen Ethernet-Header 70 und eine Prüfsumme 72. Der
Ethernet-Header 70 beinhaltet unter anderem die MAC-Adressen
des Senders und des Empfängers,
wie dies für
Ethernet-kompatible Kommunikationsmedien spezifiziert ist. Im Datenbereich
des Ethernet-Telegramms sind die Datenfelder 50 untergebracht,
die den einzelnen Stationen individuell zugeordnet sind. Die Datenfelder 50 sind
in 5 nicht getrennt dargestellt, jedoch mit dem Begriff "zyklisch" bezeichnet, da die
individuell zugewiesenen Datenfelder vorzugsweise für die zyklische Übertragung von
Daten in jedem n-ten
Bustelegramm mit n = 1, 2, 3 ... verwendet werden. Darüber hinaus
beinhaltet das Bustelegramm 44 hier in seinem Datenbereich einen
azyklischen Datenbereich 74. Den azyklischen Datenbereich
können
die einzelnen Stationen auf Anforderung mit Sendedaten belegen.
Wenn der azyklische Datenbereich 74 von einer Station mit
Sendedaten belegt wurde, wird dies über ein Belegtflag (hier nicht
dargestellt) signalisiert, welches beispielsweise zu Beginn des
azyklischen Bereichs vorgesehen sein kann. Eine Station, die Daten
in dem azyklischen Datenbereich 74 versenden möchte, kann
dies daher nur dann tun, wenn der azyklische Datenbereich 74 nicht
bereits von einer vorhergehenden Station belegt ist. Letzteres kann
anhand des Belegtflags (nicht dargestellt) einfach erkannt werden.
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In
einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung können
zwischen zwei derartigen Ethernet-Bustelegrammen 44a, 44c weitere
Ethernet-Bustelegramme 44b übertragen werden, wobei die
weiteren Telegramme 44b beispielsweise eine Protokollstruktur
gemäß TCP/IP
einhalten. Auf diese Weise können
neben den Steuerdaten für
das Steuerungssystem 10 auch andere Daten übertragen
werden. Beispielsweise kann so ein an das Kommunikationsmedium 26 angeschlossener PC
Druckerdaten an einen ebenfalls an das Kommunikationsmedium angeschlossenen
Drucker übertragen,
wobei diese Daten vollkommen unabhängig von den Steuerdaten sein
können.
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6 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel,
wie Steuerdaten und andere Daten gemeinsam über das Kommunikationsmedium 26 übertragen werden
können.
Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel
gemäß 5 werden
die TCP/IP-kompatiblen Daten hier in dem azyklischen Datenbereich 74 jedes
Bustelegramms 44a, 44b, 44c übertragen. Diese
Alternative ist besonders bevorzugt, wenn die Zykluszeit des Systems
eine gesonderte Übertragung
von herkömmlichen
Ethernet-Telegrammen nicht oder nur bei erhöhtem Kollisionsrisiko zulässt. Die
Datenfelder 50 für
die zyklische Übertragung
von Steuerdaten werden jedoch in den bevorzugten Ausführungsbeispielen
der Erfindung stets für
die jeweiligen Stationen, denen die Datenfelder 50 individuell zugewiesen
sind, freigehalten.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel beinhalten
die Bustelegramme 44 in den Darstellungen der 5 und 6 noch
einen weiteren Datenbereich 76, der dazu verwendet wird,
Telegrammdaten zu übertragen,
die zu einem herkömmlichen
Feldbustelegramm kompatibel sind. In einem besonders bevorzugten
Ausführungsbeispiel
werden in dem Datenbereich 76 Sendedaten übertragen,
die den Spezifikationen des sogenannten SafetyBUS p entsprechen.
Hierbei handelt es sich um ein spezielles Bussystem auf Basis des
CAN-Bus (CAN-kompatibel), bei dem durch eine zusätzliche Protokollebene die Übertragung
von sicherheitsrelevanten Steuerdaten möglich ist. In einem besonders
bevorzugten Ausführungsbeispiel
werden in den Datenfeldern 50 Steuerdaten für Standard-Steueraufgaben übertragen,
in dem Datenbereich 74 werden SafetyBUS p-kompatible sicherheitsrelevante
Steuerdaten, wie z.B. die Zustandsinformationen der Sicherheitssensoren 30, 32, 34 sowie
Stoppbefehle für
die Aktoren 36 bis 40 übertragen, und in dem Datenbereich 74 werden
Diagnosedaten übertragen,
die die einzelnen Stationen jeweils nur auf individuelle Anforderung
versenden.
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7 zeigt
in einem vereinfachten Blockschaltbild den strukturellen Aufbau
einer einzelnen Station, wie z.B. der Station 16. Bezugsziffer 80 bezeichnet
einen Microcontroller, der stellvertretend für die Anwendungsebene der Station 16 steht.
Der Microcontroller implementiert die Funktion der Station 16 innerhalb
des Steuerungssystems 10, in diesem Fall also die Funktion
der E/A-Baugruppe. Anstelle eines Microcontrollers kann hier auch
eine andere Komponente verwendet werden, die eine applikationsspezifische
Aufgabe erfüllt,
beispielsweise ein PC oder ein anwendungsspezifisches IC (ASIC).
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Die
Applikation 80 kommuniziert mit einem Kommunikationsmodul 82,
das dazu ausgebildet ist, das Kommunikationsprotokoll gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
zu implementieren. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem das Kommunikationsmedium 26 eine
Ethernet-kompatible Übertragungsstrecke
ist, ist das Kommunikationsmodul 82 über zwei Anschlüsse 84, 86 mit
jeweils einem Protokollbaustein 88, 90 verbunden.
Die Protokollbausteine 88, 90 führen auf
die RJ45-Anschlüsse 42 und
erzeugen die Ethernet-kompatiblen Bustelegramme 44, in
die die Datenrahmen 46 gemäß der vorliegenden Erfindung
eingebettet sind. Die Datenrahmen 46 sowie die Datenbereiche 74, 76 (sofern verwendet)
werden von dem Kommunikationsmodul 82 erzeugt. Des Weiteren
beinhaltet jede Station 16 einen Speicher 92,
in dem unter anderem die Konfigurationsdaten abgelegt sind, mit
denen jeder Station Datenfelder 50 zum Schreiben und Lesen
von eigenen bzw. fremden Sendedaten zugewiesen werden. Ein Oszillator 94 erzeugt
einen Referenztakt.
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In
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 7 ist das
Kommunikationsmodul 82 als ASIC realisiert, was insbesondere
für kurze
Zykluszeiten von beispielsweise 62,5 μs oder 125 μs bevorzugt ist. Alternativ
hierzu kann das Kommunikationsmodul 82 auch als Softwarebaustein
realisiert sein, der auf einer geeigneten Hardwareplattform abläuft. Letzteres ist
insbesondere bei längeren
Zykluszeiten von beispielsweise 1 ms oder 5 ms bevorzugt.
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Die
bevorzugten Ausführungsbeispiele
der Erfindung wurden anhand eines Ethernet-kompatiblen Kommunikationsmediums
erläutert.
Dies ist vor allem deshalb bevorzugt, weil Ethernet eine verbreitete
Kommunikationsplattform ist und die benötigten Hardware- und Softwarekomponenten
daher kommerziell sehr güns tig
zur Verfügung
stehen. Alternativ hierzu kann die vorliegende Erfindung grundsätzlich jedoch
auch auf anderen Kommunikationsmedien implementiert werden.