DE102005055447A1 - Verfahren und Gerätebus zur selbsttätigen Erfassung von Busteilnehmern - Google Patents

Abstract

In bekannten Bussystemen ist es stets entweder nötig, Busadressen händisch in die Endgeräte einzupflegen oder diese automatisch zu verteilen, wobei im letzteren Falle ein Adressstack im Endgerät vorgehalten werden muss.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine selbsttätige Erfassung und Adressierung von Busteilnehmern zu leisten, welche keinen Adressstack aufweisen.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einem Bussystem, das sich in Unterabschnitte zerlegen kann und innerhalb dieser Unterabschnitte Erfassungen und Adressierungen automatisch vornimmt. Die Adressspeicherung wird dazu in Verbindungsgeräten, den Gateways, vorgenommen.
Verwalten von Bussystemen.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Gerätebus zur selbsttätigen Erfassung von Busteilnehmern.
• Bussysteme finden bereits seit Langem Anwendung in vielen Bereichen der Technik, wo sie zur Verbindung von Einzelgeräten eingesetzt werden, die untereinander oder mit einer zentralen Kopfstation Daten austauschen sollen. Die Busverbindung an sich sorgt dabei dafür, dass nicht jeder Busteilnehmer direkt mit dieser Zentralstation verbunden werden muss. Stattdessen wird eine zentrale Busleitung für alle Teilnehmer eingesetzt, wobei der Zugriff nach unterschiedlichen möglichen Verfahren geregelt ist.
• Besonders bekannt sind dabei etwa die CSMA-Verfahren (Carrier Sense Multiple Access), bei denen die Busleitung vor dem Senden einer Nachricht zunächst abgehört wird und erst bei einer freien Leitung gesendet wird. Ein weiteres mögliches Verfahren stellt das Token-Ring-Verfahren dar, bei dem eine Nachricht mit einem austauschbaren Datenpaket einen kreisförmig angelegten Bus fortwährend durchläuft.
• In jedem dieser Fälle beruht das Funktionieren der Kommunikation jedoch darauf, dass bekannt ist, welcher Busteilnehmer der Empfänger der jeweiligen Nachricht ist. Ohne eine Adressierung der auf dem Bus versendeten Nachrichten könnten entweder alle Busteilnehmer auf jede oder auf gar keine Nachricht reagieren.
• In der Praxis spielt die Adressierung der Busteilnehmer eine ganz erhebliche Rolle, da die Adressierung aus den genannten Gründen eineindeutig sein muss. Es ist daher bekannt, den Busteilnehmern eine Adressierung einzuprägen, welche sie im Bussystem eindeutig ansprechbar macht. Es muss sich folglich bei jedem Busteilnehmer um eine Adresse handeln, die nur genau einmal innerhalb des Bussystems vorhanden ist. Bekannt ist es beispielsweise, Busteilnehmern, wie etwa beim Profibus von Siemens, mithilfe von Schaltern eine feste Adresse aufgrund der Schalterstellung zuzuordnen. Da diese Zuordnung von Hand erfolgen muss, ist sie mitunter fehleranfällig und führt dazu, dass die Eindeutigkeit der Adressen nicht in allen Fällen sichergestellt ist. Eine etwa versehentlich falsch eingestellte Adresse kann daher zu einem vollständigen Ausfall des Bussystems führen. Eine Kommunikation ist dann nicht mehr möglich.
• Die auf dem Ethernet häufig betriebenen Protokolle TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) erfordern ebenfalls eine solche eindeutige Adressierung der am Bus teilnehmenden Geräte, die Adresse wird in diesem Fall jedoch softwaremäßig eingestellt. Dies führt zunächst nicht zu weniger Fehlern, bietet allerdings die Möglichkeit, die Adressvergabe zu automatisieren.
• Eine Automatisierung softwaremäßiger Adressvergabe kann beispielsweise mithilfe eines sogenannten DHCP-Controllers (Dynamic Host Configuration Protocol) erfolgen, wobei dieses Konfigurationsprotokoll die automatische Vergabe einer IP-Adresse regelt. Diese dynamische Vergabe von IP-Adressen führt bereits zu einer sehr großen Bequemlichkeit in diesem Bereich, da eine mehrfache Adressvergabe somit vermieden ist. Ein Busteilnehmer muss lediglich angeschlossen werden und sich als DHCP-Client eine IP-Adresse zuweisen lassen.
• Der generelle Nachteil dieser Vorgehensweise ist jedoch, dass in jedem Busteilnehmer ein IP-Stack vorgehalten werden muss, was für sehr einfache Geräte wie Lampen oder Schalter ein relativ großer Kostenfaktor wäre.
• Ferner ist die automatische Adressvergabe willkürlich, da einem in das Bussystem eintretenden Gerät die nächste freie Adresse zugewiesen wird. Rückschlüsse auf seine Position im Bussystem oder gar den räumlichen Standort sind nicht möglich.
• Jedoch ist es gerade in der Haustechnik durchaus gewünscht, Geräte wie Lampen und Schalter mithilfe eines Gerätebusses kostengünstig und einfach ansteuerbar zu machen. Ebenfalls soll der Benutzer erkennen, wo ein Gerät sich befindet.
• Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einfache Geräte wirksam mit einem Gerätebus zu verbinden und selbsttätig zu lokalisieren und zu adressieren, ohne dass in jedem Gerät ein Adressspeicher vorgehalten werden muss.
• Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit dem Verfahren zur selbsttätigen Erfassung von Busteilnehmern gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs. Ebenfalls ist eine Lösung mit dem Gerätebus nach den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 9 möglich. Sinnvolle Ausgestaltungen können den Unteransprüchen 2 bis 8 entnommen werden.
• Erfindungsgemäß wird ein hierarchisch strukturierter Bus aufgebaut, wobei jeweils benachbarte Ebenen der Busstruktur mithilfe sogenannter Gateways datenverbunden werden. Diese Gateways schleifen den Bus in die nächste Ebene durch und ermöglichen gleichzeitig den Anschluss einfacher Geräte wie Lampen oder Schalter an den Bus. Die notwendigen Adressspeicher befinden sich für jeden Busteilnehmer direkt im Speicher des Gateways. Das Gateway besitzt ebenfalls Mittel, die Verbindung des Busses mit den hierarchisch unterhalb des betreffenden Gateways liegenden Geräten zu trennen. Eine Adressierung sämtlicher Busteilnehmer wird dadurch erreicht, dass jedes Gateway die Verbindung des Busses zu den tiefer liegenden Schichten trennt und diese im folgenden als eigenständigen Bus betrachtet. Hierbei gibt das Gateway eventuell tiefer liegenden Gateways die Anweisungen, ebenso zu verfahren und schließlich die Adressen der tiefer liegenden Busteilnehmer zurückzumelden. Auf diese Weise werden in einem im Prinzip rekursiven Verfahren die im Bus vorhandenen Busteilnehmer selbsttätig erfasst und gleichzeitig adressiert.
• Mit Vorteil weist jedes verwendete Gateway ein Schaltelement auf, mit dessen Hilfe eine elektrische Trennung der tiefer liegenden Schichten ermöglicht ist. Dieses Schaltelement ist sinnvoller Weise von einer Kopfstation oder einem hierarchisch höher gelegenen Gateway fernsteuerbar.
• In vorteilhafter Ausgestaltung werden die Informationen über die einem Gateway nachgeordneten Busteilnehmer in einem Datenspeicher des jeweiligen Gateways vorgehalten. Es ist dadurch gewährleistet, dass eine Busabfrage erheblich beschleunigt wird, wenn nicht jede Instanz ihrerseits jede niedrigere Instanz zur Ermittlung der Busdaten aufrufen muss.
• In Weiterbildung dieses Vorteils werden diese Informationen an die höheren Instanzen übertragen, so dass ein Rückmeldeeffekt auftritt, der eine Abfrage eines höher liegenden Gateways oder einer Kopfstation abschließt.
• Es hat sich zudem als vorteilhaft erwiesen, eine Abfrage nach allen im Bus verfügbaren Busteilnehmern in regelmäßigen Abständen durchzuführen, um etwa bei der Übertragung aufgetretene Fehler zu beheben.
• Den direkt an das jeweilige Gateway angeschlossenen Busteilnehmern weist das Gateway mit Vorteil selbst die Adressen zu. Hierzu bietet es sich an, ein bestimmtes Schema vorzugeben, nach dem die entsprechenden Adressen strukturiert sind. Ebenfalls sind von der Busadresse des Gateways abhängige Adressen denkbar, nämlich wenn für jedes Gateway ein seiner Anschlusskapazität entsprechender Adressbereich reserviert ist.
• Da es sich bei den an die Gateways anzuschließenden Busteilnehmern per se nicht um busfähige Geräte handelt, ist ein gesonderter Anschluss am Gateway erforderlich. Die hierfür vorgesehene Anschlussleiste weist eine Reihe von Anschlüssen für Aktoren und Sensoren auf, welche ständig auf Ereignisse überwacht werden. Als solche Ereignisse sind insbesondere das Hinzufügen und das Entfernen von Busteilnehmern zu nennen, das zu einer Erfassung und Weitermeldung führt.
• Die vorstehend beschriebene Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 ein Gateway zur Datenverbindung zweier Busebenen in einem schematischen Schaltbild und
• 2 eine schematische Darstellung einer möglichen Bustopologie.
• 1 zeigt ein Gateway 1 in einem nur schematischen Schaltbild. Das Gateway 1 ist an ein Bussystem 3 angeschlossen, wobei der Busanschluss 3 zur Verbindung mit weiteren Gateways durch das Gerät durchgeschleift ist. Über die Direktverbindungen 4 können Endgeräte wie Schalter oder elektrische Verbraucher als Sensoren und Aktoren an den Bus 3 angeschlossen werden. Das Gateway 1 weist die hierfür benötigten Adressspeicher und Stacks auf, so dass die Busteilnehmer an sich kostengünstig und möglichst einfach herstellbar sind. Das Gateway 1 verfügt zudem über ein Schaltelement 2, mittels dessen die Verbindung zu den tiefer liegenden Strukturschichten des Busses 3 unterbrochen werden kann.
• 2 zeigt einen willkürlichen Ausschnitt aus einem Bussystem 3, welches eine Reihe von Gateways 1, 1' aufweist und an welches Busteilnehmer 5 über eine Direktverbindung 4 an ein Gateway 1' angeschlossen sind. Das Bussystem 3 wird von einer Kopfstation 6 gesteuert, die beispielhaft zu Betriebsbeginn sämtliche Busteilnehmer erfassen soll.
• Die Kopfstation 6 gibt folglich dem Gateway 1 die Anweisung, seine Busteilnehmer zu ermitteln. Dieses trennt die Verbindung zum Bus 3 mithilfe des Schaltelements 2 und stellt in dem verbleibenden Abschnitt des Bussystems 3 weitere Gateways fest, an die es die Anweisung zur Ermittlung der Busteilnehmer an die tiefer liegenden Gateways, darunter Gateway 1', weiterreicht. Unterhalb des Gateways 1' existiert kein weiteres Gateway. Daher ermittelt Gateway 1' die angeschlossenen Busteilnehmer, weist diesen eine Adresse zu, stellt die Verbindung zu Gateway 1 wieder her und meldet den Zustand seines Busabschnitt an Gateway 1 weiter. Gateway 1 hingegen sammelt die Informationen der unterliegenden Gateways und meldet diese an die Kopfstation 6 weiter.
• Wird nun ein Busteilnehmer 5 an das Gateway 1' angeschlossen, so erkennt dies das Gateway 1' aufgrund seiner ständigen Überwachung der zum Anschluss der Busteilnehmer vorgesehenen Anschlussleiste, adressiert den Busteilnehmer 5 und meldet die Änderung an das oberhalb liegende Gateway 1', welches wiederum die Änderung an die Kopfstation 6 weitermeldet.
• Vorstehend ist somit ein Verfahren und ein Gerätebus zur selbsttätigen Erfassung von Busteilnehmern beschrieben, welches es ermöglicht, einfache und kostengünstige Aktoren und Sensoren an einen Gerätebus anzuschließen und eine selbsttätige Erkennung und Adressierung durchzuführen.

1

Gateway

2

Schaltelement

3

Bus

4

Direktverbindung

5

Busteilnehmer

6

Kopfstation

Claims (9)

1. Verfahren zur selbsttätigen Erfassung von Busteilnehmern eines hierarchisch strukturierten Bussystems (3), wobei jeweils benachbarte Strukturebenen des Bussystems (3) mithilfe zumindest eines Gateways (1, 1') miteinander datenverbunden sind, sämtliche Busteilnehmer (5) über die Gateways (1, 1') mit dem Bus (3) datenverbunden sind und jedes Gateway (1, 1') Mittel zur elektrischen Trennung tiefer liegender Strukturebenen vom Bus (3) aufweist, wobei zur Erfassung der mit einem Gateway (1') verbundenen Busteilnehmer (5) eine vorübergehende Trennung der tiefer liegenden Schichten vom Bus (3) verursacht wird und lediglich die hierarchisch tiefer liegenden Busteilnehmer erfasst werden.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Gateway (1, 1') als Mittel zur Trennung tiefer liegender Strukturebenen wenigstens ein Schaltelement (2) aufweist, mithilfe dessen die Datenverbindung der tiefer liegenden Busteilnehmer (5) zum Bus (3) elektrisch trennbar ist.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (2) eines Gateways (1') von einer Kopfstation (6) oder einem hierarchisch höherliegenden Gateway (1) ferngesteuert wird.
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Informationen über die einem bestimmten Gateway (1') nachgeordnete Busstruktur lokal in einem dem Gateway (1') zugeordneten Datenspeicher vorgehalten werden.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Informationen über die einem bestimmten Gateway (1') nachgeordnete Busstruktur an eine zentrale Station oder an das hierarchisch nächsthöhere Gateway übertragen und dort ausgewertet werden.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trennung tiefer liegender Strukturebenen vom Bus (3) und eine damit verbundene Erfassung der tiefer liegenden Busteilnehmer (5) von den Gateways (1, 1'), vorzugsweise in regelmäßigen Zeitabständen, selbsttätig ausgeführt werden.
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der Erfassung der Busteilnehmer vom jeweiligen Gateway selbsttätig deren eineindeutige Adressierung vorgenommen wird.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverbindung zwischen den Busteilnehmern und dem Bussystem mithilfe eines Gateways (1, 1') jeweils über Anschlussleisten hergestellt ist, welche von dem jeweiligen Gateway in regelmäßigen Zeitabständen auf Ereignisse, insbesondere das Hinzufügen und Entfernen von Busteilnehmern, überwacht werden.
9. Gerätebus zur selbsttätigen Erfassung seiner Busteilnehmer, wobei der Bus (3) hierarchisch strukturiert ist, jeweils benachbarte Strukturebenen des Bussystems (3) mithilfe zumindest eines Gateways (1, 1') miteinander datenverbunden sind, sämtliche Busteilnehmer (5) über die Gateways (1, 1') mit dem Bus (3) datenverbunden sind und jedes Gateway (1, 1') Mittel zur elektrischen Trennung tiefer liegender Strukturebenen vom Bus (3) aufweist, wobei zur Erfassung der mit einem Gateway (1') verbundenen Busteilnehmer (5) eine vorübergehende Trennung der tiefer liegenden Schichten vom Bus (3) ermöglicht ist.