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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufzeichnung von Eingangssignaländerungen
an einem Eingang wenigstens einer Ein-/Ausgabeeinheit insbesondere
zur Verbindung mit im explosionsgefährdeten Bereich (Ex-Bereich)
angeordneten Feldgeräten,
welche Ein-/Ausgabeeinheit über
eine lokale Verbindungsleitung mit einer Kommunikationseinheit verbunden
ist. Diese wiederum ist mittels einer externen Verbindungsleitung
mit einem Automatisierungssystem verbunden. Ein solches Automatisierungssystem
kann ein programmierbares Prozessleitsystem, eine speicherprogrammierbare
Steuerung oder auch ein Personalcomputer oder dergleichen sein.
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Mit
einem solchen Automatisierungssystem können über die entsprechende externe
Verbindungsleitung eine Vielzahl von Kommunikationseinheiten verbunden
sein, von denen jede über
die entsprechende lokale Verbindungsleitung mit einer Reihe von
Ein-/Ausgabeeinheiten verbunden ist. Jede dieser Ein-/Ausgabeeinheiten
kann mit einem oder auch mehreren Feldgeräten verbunden sein. Dabei besteht
ebenfalls die Möglichkeit,
dass von einem Feldgerät
Eingabesignale mehrkanalig übermittelt werden,
wobei insbesondere auch ein Datenaustausch zwischen Ein-/Ausgabeeinheit
und zugeordnetem oder zugeordneten Feldgerät bzw. Feldgeräten erfolgen
kann.
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Zwar
besteht bei bekannten, mit solchen Automatisierungssystemen verbundenen
Einheiten bisher schon die Möglichkeit
eines Datenaustausches. Ein solcher Datenaustausch zwischen insbesondere Feldgerät und Automatisierungssystem
kann dazu dienen, eine entsprechende Fehlermeldung vom Feldgerät an das
Automatisierungssystem zu übermitteln.
Es ist allerdings bisher nicht möglich,
einer beispielsweise auf einen Fehler hinweisenden Eingangssignaländerung
am Eingang einer entsprechenden Ein-/Ausgabeeinheit einen bestimmten
Zeitpunkt zuzuordnen oder gar eine Reihenfolge des Auftretens solcher
Eingangssignaländerungen
von unterschiedlichen Feldgeräten
festzulegen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die vorstehenden Mängel bei
gleichzeitiger Auf rechterhaltung aller sonstigen Vorteile der entsprechenden
Verbindungen und insbesondere auch für explosionsgefährdete Bereiche
beseitigt werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß erfolgt
zuerst eine Zuordnung einer Zeitmarke zu jeder Eingangssignaländerung.
Dadurch ist zumindest in einem entsprechenden Zweig aus Kommunikationseinheit
und zugeordneten Ein-/Ausgabeeinheiten sowie Feldgeräten ein Zeitpunkt
(Zeitmarke) des Auftretens der Eingangssignaländerung festgelegt. Anschließend werden
die Eingangssignaländerungen
mit der zugeordneten Zeitmarke als Abrufdaten abgespeichert. Dies
erfolgt insbesondere in der Kommunikationseinheit, kann allerdings
für diesen
Zweig auch an anderer Stelle dezentral erfolgen, wie beispielsweise
in jeder entsprechenden Ein-/Ausgabeeinheit.
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Schließlich erfolgt
noch ein Abrufen der Abrufdaten über
die erste Verbindungsleitung, wobei dies in der Regel durch das
entsprechende Automatisierungssystem erfolgt.
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Dadurch
ist es erfindungsgemäß möglich, nicht
nur eine genaue Zeitfestlegung der Eingangssignaländerungen
durchzuführen,
sondern auf Grund der zeitlichen Bestimmung der entsprechenden Eingangssignaländerungen
auch das sequentielle Auftreten solcher Eingangssignaländerungen
festzustellen. Die Arten der Eingangssignaländerungen bzw. die diesen entsprechenden
Informationen können
in bekannter Weise festgelegt sein.
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Beispiele
für solche
Eingangssignaländerungen
ist eine Änderung
eines binären
Eingangssignals oder auch eine Zustandsänderung oder dergleichen. Eine
solche Zustandsänderung
kann beispielsweise ein Leitungsfehler oder auch ein Kurzschluss
sein.
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Die
entsprechenden Eingangssignaländerungen
können
Status- und/oder Fehlermeldungen entsprechen, die dann Echtzeit
ermittelt und überwacht
werden.
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Bezüglich der
entsprechenden Feldgeräte sei
noch angemerkt, dass diese Aktoren oder Sensoren sein können. Aktoren
erhalten entsprechende Daten vom Automatisierungs system. Sie wirken
aktiv auf einen entsprechend Prozess ein, während Sensoren Zustände und
Daten ermitteln, die während des
Prozesses auftreten und diese Information dem Automatisierungssystem übermitteln.
In beiden Fällen
kann die Kommunikation zwischen Automatisierungssystem und Feldgerät bidirektional
sein.
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Das
Abrufen der Abrufdaten kann azyklisch und/oder sequentiell erfolgen.
Solches azyklisches Abrufen ist auch für Steuerung, Diagnose, Parametrierung,
Alarmfunktion oder Up- und Download möglich.
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Die
Verbindung zwischen Automatisierungssystem und Feldgeräten erfolgt über eine
Busplan, Backplanschiene, Profibus oder dergleichen als lokaler
Verbindungsleitung.
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Eine
entsprechende Busplan oder Backplanschiene kann auch in einem Schaltschrank
angeordnet sein. Entsprechende Ein-/Ausgabeeinheiten können als
Module auf der entsprechenden Schiene oder Backplane lösbar angeordnet
sein. Auf diese Schiene kann ebenfalls die Kommunikationseinheit mit
gegebenenfalls noch weitere Einheiten wie Netzgeräteinheit,
Buskoppeleinheit, Ausgangstrenneinheit, Transmitter-Speisegeräteinheit
oder dergleichen angeordnet sein. In analoger Weise kann auch die
Verbindung mit einem Profibus, einem Modbus oder dergleichen als
Feldbus-Kommunikationsverbindung erfolgen.
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Die
entsprechende externe Verbindungsleitung kann in diesem Zusammenhang
zum Abrufen der entsprechenden Eingangssignaländerungen sowie natürlich auch
zur Kommunikation und Steuerung der entsprechenden Einheit über einen
Feldbus mit einem Feldbusprotkoll wie Profibus, Modbus oder dergleichen,
Lichtwellenleiter, Ethernet oder dergleichen erfolgen. Über diesen
Feldbus erfolgt, siehe die obigen Ausführungen, auch eine Übermittlung
entsprechender Ein- und Ausgabedaten zwischen Feldgerät und Automatisierungssystem.
Weitere Funktionen können
unterstützt
werden, wie beispielsweise Feldgerät konfigurieren, Konfiguration
des Feldgeräts
auslesen, Einheiten parametrieren, Alarme und Diagnosedaten der
Feldgeräte
lesen usw.
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Es
wurde bereits kurz darauf hingewiesen, dass die Kommunikationseinheit
die Eingangssignaländerungen
in Echtzeit erfassen kann.
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Es
besteht weiterhin die Möglichkeit,
dass jede Kommunikationseinheit mit einer Reihe von Ein-/Ausgabeeinheiten
in Verbindung steht, wobei jeder dieser Ein-/Ausgabeeinheit wenigstens
ein Feldgerät
zugeordnet ist.
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Um
dabei die entsprechenden Eingangssignaländerungen für alle angeschlossenen Ein- und Ausgabeeinheiten
sowie mit diesen verbundenen Feldgeräten mit entsprechender Zuordnung
speichern zu können,
kann die zugeordnete Kommunikationseinheit einer Speichereinrichtung
zur Abspeicherung dieser Eingangssignaländerungen aufweisen.
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Weiterhin
kann eine Mastereinheit als zentrale Steuereinheit des Automatisierungssystems eine
gemeinsame Zeitbasis an zumindest alle angeschlossenen Kommunikationseinheiten
und/oder Ein-/Ausgabeeinheiten übermitteln.
Durch diese gemeinsame Zeitbasis ergibt sich im Wesentlichen eine absolute
Zeitmessung für
alle auftretenden Eingangssignaländerungen
und es werden keine beispielsweise jeder Kommunikationseinheit zugeordneten
Zeitbasen verwendet. Auf diese Weise ist für das Gesamtsystem das genaue
zeitliche Auftreten sowie die zeitliche Abfolge entsprechender Eingangssignaländerungen
feststellbar.
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Um
die Zeitbasis aller angeschlossenen Einheiten von der Mastereinheit
zu übermitteln,
steht eine erste Möglichkeit
zur gleichzeitigen Übermittlung
oder auch eine zweite Möglichkeit
zur sequentiellen Übermittlung
der entsprechenden Zeitbasis.
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In
beiden Fällen
kann es sich als vorteilhaft herausstellen, wenn nach Übermittlung
der Zeitbasis ein Synchronisationssignal übermittelt wird.
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Um
schnell auf die Übermittlung
der entsprechenden Zeitbasis zur Zeiteinstellung reagieren zu können, kann
ein Interrupt verwendet werden.
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Um
auch nach Ablauf einer gewissen Zeit weiterhin sicherzustellen,
dass eine gemeinsame und synchrone Zeitbasis verwendet wird, kann
die entsprechende Zeiteinstellung in vorbestimmten Zeitintervallen,
insbesondere zum Ausgleich von Schwingungsabweichungen eines Quarzes
wiederholt werden. Eine Berechnung einer solchen Abweichung kann
aufgrund von Standardabweichungen aus Datenblättern des entsprechenden Taktgebers beziehungsweise
des Quarzes erfolgen.
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Um
einen eigensicheren Betrieb der Kommunikationseinheiten sowie der
mit dieser verbundenen weiteren Einheiten zu ermöglichen, kann der entsprechenden
Kommunikationseinheit eine Buskopplungseinheit zugeordnet sein,
die die externe Verbindungsleitung mit der Kommunikationseinheit
oder auch direkt mit der Gruppe von Ein-/Ausgabeeinheiten eigensicher
koppelt.
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In
der Regel ist es weiterhin von Vorteil, wenn jedes Feldgerät genau
durch das Automatisierungssystem identifizierbar ist, was beispielsweise durch
Zuordnung einer eindeutigen Adresse zur Ein-/Ausgabeeinheit oder
direkt zu dem mit dieser verbundenen Feldgerät erfolgen kann.
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Die
entsprechende Adresse kann zusammen mit Eingangssignaländerung
und Zeitmarke als Abrufdaten abgespeichert werden.
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Es
wurde weiter oben bereits darauf hingewiesen, dass die Mastereinheit
zyklisch mit den Feldgeräten
Daten austauschen kann, wobei dies ebenfalls über die entsprechende Kommunikationseinheit und
die zugeordneten Ein-/Ausgabeeinheiten erfolgt.
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Erfindungsgemäß ergibt
sich als weiterer Vorteil, dass die Abtastrate beziehungsweise -zeit
für eine
Eingangssignaländerung
relativ gering ist und weniger als 10 ms beträgt, wobei sich ein Maximalwert
für eine
Genauigkeit des Auftretens einer Eingangssignaländerung aus der Summe von interner Zykluszeit
und Abtastzeit der Kommunikationseinheit sowie Genauigkeit des entsprechenden
Zeitgebers ergibt.
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Im
Folgenden wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung
anhand der in der Zeichnung beigefügten Figuren näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung eines Automatisierungssystems mit angeschlossen
Untereinheiten wie Kommunikationseinheiten, Ein-/Ausgabeeinheiten
und Feldgeräten,
und
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2 Zeitdiagramm
zur Darstellung des Auftretens einer Eingangssignaländerung
und deren Feststellung.
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1 zeigt
eine Prinzipsskizze für
ein Automatisierungssystem 6 mit über eine externe Verbindungsleitung 5 verbundenen
Kommunikationseinheiten 4. Diese sind über eine lokale Verbindungsleitung 3 mit
entsprechenden Ein-/Ausgabeeinheiten 2 verbunden. Jede
dieser Ein-/Ausgabeeinheiten 2 weist einen oder mehrere
Ein-/Ausgänge 1 auf,
wobei jeweils entsprechende Feldgeräte 11 in Form von
Aktoren oder Sensoren mit einem oder mehreren dieser Ein-/Ausgänge 1 verbunden
sind.
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Die
Feldgeräte 11 sind
insbesondere in explosionsgeschützten
Bereichen angeordnet. Entsprechende Aktoren oder Sensoren können Stellglieder,
Regler, Ventile, Schalter, Temperatursensoren oder dergleichen sein.
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Die
lokale Verbindungsleitung 3 kann als Busplan, Backplanschiene,
Feldbus mit entsprechendem Protokoll oder dergleichen ausgebildet sein.
Insbesondere bei einer Realisierung als Busplan oder Backplanschiene
können
entsprechende Ein- und Ausgabeeinheiten sowie die Kommunikationseinheiten
in einem Schaltschrank angeordnet sein und alle modulartig lösbar auf
der Busplan oder Backplanschiene befestigt sein. Weitere Einheiten können ebenfalls
dort befestigt sein.
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Die
Kommunikationseinheit 4 weist eine Speichereinrichtung 8 beispielsweise
in Form eines Ringspeichers auf und dient zur Abspeicherung von Eingangssignaländerungen
an Eingängen 1 der
entsprechenden Ein-/Ausgabeeinheiten 2. Diese Eingangssignaländerungen
können Änderungen
binärer Eingangssignale
oder auch Zustandsänderungen wie
Leitungsfehler oder Kurzschluss sein. Alle entsprechenden Daten
werden in der Speichereinrichtung 8 gesammelt. Es wird
jeder Eingangssignaländerung
eine Zeitmarke zugeordnet, um das zeitliche Auftreten der Änderung
feststellen zu können
sowie auch die zeitliche Abfolge verschiedene Eingangssignaländerungen
zu unterschiedlichen Zeitpunkten.
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Die
in der Speichereinrichtung 8 gespeicherten Eingangszustandsänderungen
und zugeordneten Zeitmarken sind über die externe Verbindungsleitung 5 azyklisch
und sequentiell auslesbar.
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Die
externe Verbindungsleitung 5 ist ein Feldbus, ein Lichtwellenleiter,
eine Ethernet-Verbindung
oder dergleichen, wobei der Feldbus 7, ein Protokoll wie
Profibus, ein Modbus oder dergleichen aufweist.
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Zur
eigensicheren Ausbildung ist jeder der Kommunikationseinheiten 4 einer
Buskoppeleinheit 10 zugeordnet. Diese Buskoppeleinheit 10 kann auch
Teil der Kommunikationseinheit 4 sein entsprechend zur
Speichereinrichtung 8.
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Über die
entsprechenden Verbindungsleitungen erfolgt neben der Übermittlung
solcher Eingangssignaländerungen
ein Datenaustausch zwischen beispielsweise einer Mastereinheit 9 des
Automatisierungssystems 6 und den untergeordneten Einheiten,
wie Kommunikationseinheit 4, Buskoppeleinheit 10,
Speichereinrichtung 8, Ein-/Ausgabeeinheit 2 sowie
Feldgeräten 11.
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Es
sei noch allgemein darauf hingewiesen, dass nur ein Ausschnitt eines
Gesamtsystems in 1 dargestellt ist, wobei zur
Vereinfachung nur wenige Feldgeräte
und nur eine geringe Anzahl von Kommunikationseinheiten dargestellt
ist.
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Im
Folgenden wird kurz die Funktionsweise des in 1 dargestellten
Systems beschrieben.
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Ändern sich
entsprechende Eingangssignale der Ein-/Ausgabeeinheiten 2,
die von entsprechenden Feldgeräten 11 übermittelt
werden, erfolgt eine Zuordnung einer Zeitmarke zu dieser Eingangssignaländerung
und eine Abspeicherung von beiden in der Speichereinrichtung 8.
Die entsprechende Eingangssignaländerung
wird dabei in Echtzeit durch die Ein-/Ausgabeeinheit festgestellt,
wobei ein entsprechender zeitlicher Mess fehler geringer als 1,5
ms ist. Die Ein-/Ausgabeeinheit kann auch eine Vielkanaleinheit
sein, die nicht nur mit einem Feldgerät verbunden ist oder die über mehrere
Eingänge
mit einem Feldgerät
verbunden. Der Auftritt der Eingangssignaländerung wird über die
lokale Verbindungsleitung 3 an die Kommunikationseinheit 4 übermittelt und
dort mit zugeordneter Zeitmarke in Speichereinrichtung 8 abgespeichert.
Aus dieser Speichereinrichtung können
die entsprechenden Daten durch die Mastereinheit 9 des
Automatisierungssystems 6 azyklisch und sequentiell ausgelesen
werden.
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Ein
solches Automatisierungssystem kann ein programmierbares Leitsystem,
eine speicherprogrammierbare Steuerung oder auch ein Personalcomputer
insbesondere zur Prozessautomatisierung sein.
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Um
die jeder Eingangssignaländerung
zugeordnete Zeitmarke als absolute Zeitmarke verwenden zu können, erfolgt
die Übermittlung
einer gemeinsamen Zeitbasis von der Mastereinheit 9 oder dem
Automatisierungssystem 6 an alle angeschlossenen Einheiten.
Die entsprechende Zeitbasis kann gleichzeitig an alle oder zumindest
an einige der angeschlossenen Einheiten übermittelt werden.
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Die Übermittlung
der entsprechenden Zeitbasis erfolgt in der Regel sequentiell an
die untergeordneten Einheiten und anschließend erfolgt eine Synchronisierung.
Ein Starten der Zeitmessung kann durch ein Interrupt in allen untergeordneten
Einheiten gleichzeitig erfolgen.
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Die
Festlegung der gemeinsamen Zeitbasis kann in gewissen Zeitabständen wiederholt
werden, um Ungenauigkeiten bei der Zeitbestimmung in den verschiedenen
Einheiten zu beseitigen. Es hat sich herausgestellt, dass die Ungenauigkeit
der gemeinsamen Zeitbasis geringer als 10 ms ist, wobei sich diese
Zeit im Wesentlichen aus interner Zykluszeit der Ein-/Ausgabeeinheit
und Abtastzeit der Kommunikationseinheit sowie Genauigkeit des entsprechenden
Zeitgebers oder Taktgebers ergibt.
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In 2 ist
ein entsprechendes Zeitdiagramm zur Ermittlung einer Eingangssignaländerung und
des mit dieser Ermittlung verbundenen Fehlers dargestellt.
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Auf
der vertikalen Achse ist das entsprechende Ereignis, d. h. die Eingangssignaländerung dargestellt,
siehe ➀. Auf der horizontalen Achse ist die Zeit in ms
angegeben.
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Das
entsprechende Auftreten des Ereignisses ist im obersten Graphen
dargestellt und direkt darunter ist bei ➁ die entsprechende
Abspeicherung der Eingangssignaländerung
bzw. des Ereignisses in der Kommunikationseinheit 4 dargestellt.
Die Abspeicherung erfolgt nach maximal einer Zykluszeit TCYC der Kommunikationseinheit, siehe den
dritten Graphen von oben in 2.
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Nach
einer Verzögerungszeit
von TDLY kann eine Diagnoseinformation bereitgestellt
werden und nach einer entsprechenden Abfragezeit TPLC erfolgt durch
das Automatisierungssystem eine Abfrage der entsprechenden Speichereinrichtung
der Kommunikationseinheit 4. Diese Abfragezeit ist abhängig von der
Anzahl der Untereinheiten, der Übertragungsrate sowie
von Serviceroutinen der Mastereinheit.
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Die
entsprechende Abfrage erfolgt bei ➃.
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Nach
Konventierung der entsprechenden Diagnoseinformation, siehe den
vierten Graphen von oben in 2, erfolgt
bei ➄ ein Reset.
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Weiterhin
ist noch eine Update-Zeit TUpd im obersten
Graphen in 2 angegeben, die ein Update
des Auftretens der Eingangssignaländerungen betrifft, wobei nach
der entsprechnden Update-Zeit entsprechende Ereignisse wieder durch
die Kommunikationseinheit eingelesen werden, wobei diese mit Zeitmultiplex
arbeiten kann.
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Entsprechend
zur Zykluszeit der Kommunikationseinheit erfolgt ebenfalls eine
Abspeicherung, siehe Zeitintervall TStack.
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Weiterhin
sei noch darauf hingewiesen, dass das Automatisierungssystem 6 bzw.
die Mastereinheit 9 eine gemeinsame Zeitbasis für alle über die
externe Verbindungsleitung 5 angeschlossenen Einheiten
zur Verfügung
stellt. Die entsprechende Zeitinformation wird gleichzeitig an alle
oder zumindest einige der Einheiten übermittelt. Dies erfolgt in der
Regel in zwei Schritten. In einem ersten Schritt wird die Zeitbasis
sequentiell an die ausgewählten
Einheiten übermittelt.
Danach wird ein Synchronisationssignal zur Einstellung der entsprechenden
Takte bei jeder Einheit an die Einheiten zum Starten eines entsprechenden
Taktes zur Zeitmessung übermittelt.
Bei Empfang der entsprechenden Zeitbasis erfolgt gleichzeitig bei
allen entsprechenden Einheiten ein Interrupt zum Einstellen der
Zeit. Das Einstellen der Zeit kann je nach Genauigkeit der entsprechenden Taktgeber
zu vorbestimmten Zeitintervallen wiederholt werden.
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Die
entsprechende Zeitgebung hängt
in ihrer Genauigkeit von der Genauigkeit des Taktgebers und auch
der Programmdauer der Interruptroutine ab. Zusätzlich muss noch die Abtastrate
der insbesondere vielkanaligen Ein-/Ausgabeeinheit betrachtet werden.
Insgesamt ergibt sich somit eine Abschätzung für einen Zeitfehler von weniger
als 10 ms, wobei sich dieser Zeitfehler aus der internen Zykluszeit
der Kommunikationseinheit, der Abtastzeit des Ein-/Ausgabemodul
und aus der entsprechenden Genauigkeit des Taktgebers ergibt.
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Erfindungsgemäß ist somit
eine Zeitsynchronisation in einem Automatisierungssystem mit angeschlossenen
Einheiten in einfacher Weise möglich, wie
auch eine Aufzeichnung von entsprechenden Eingangssignaländerungen
von Ein-/Ausgabeeinheiten, denen jeweils eine Zeitmarke zugeordnet
ist und die zusammen mit dieser Zeitmarke an ein entsprechendes
Automatisierungssystem übertragbar
sind.