DE102006047259B4

DE102006047259B4 - Schnelles Bussystem auf AS Interface Basis

Info

Publication number: DE102006047259B4
Application number: DE102006047259.4A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Wiedemann; Jochen Bihl
Original assignee: Bihl & Wiedemann GmbH; BIHL+WIEDEMANN GmbH
Current assignee: Bihl & Wiedemann GmbH; BIHL+WIEDEMANN GmbH
Priority date: 2006-10-04
Filing date: 2006-10-04
Publication date: 2015-08-06
Anticipated expiration: 2026-10-05
Also published as: DE102006047259A1

Abstract

Schnelles Bussystem als Variante des standardisierten Bussystems AS-Interface mit Master, bis zu 62 Slaves und Datenübertragung im Master-Slave-Verfahren mit Signalen, die im Manchester-Code codiert sind, • wobei Slaves mit zwei unterschiedlichen Datenübertragungsgeschwindigkeiten in einem Netz vorhanden sind, nämlich solche mit standardisierter Datenübertragungsgeschwindigkeit, „slow mode” genannt, und solche mit erhöhter Datenübertragungsgeschwindigkeit, „fast mode” genannt, • wobei der Master die Slaves im Netz jeweils mit der richtigen Datenübertragungsgeschwindigkeit anspricht, • wobei das Signalverhalten im Netz in Abhängigkeit von der verwendeten Datenübertragungsgeschwindigkeit durch unterschiedliche Impedanzwerte von Datenentkopplung und/oder von Abschlusswiderständen in der Busleitung optimiert wird, • wobei der Master die Anpassung der Impedanzwerte selbsttätig vor jedem Wechsel der Datenübertragungsgeschwindigkeit vornimmt, • wobei der Master vor jedem Wechsel der Datenübertragungsgeschwindigkeit die eigenen Sende- und Empfängerschaltungen selbsttätig anpasst.

Description

Stand der Technik
AS-Interface ist ein eingeführtes, standardisiertes Bussystem für Anwendungen mit einfachen Sensoren und Aktuatoren. Sein heutiger Stand der Technik wird in der DIN EN Norm 502951

1: DIN EN 50295 Niederspannungsschaltgeräte-Steuerungs- und Geräte-Interface-Systeme Aktuator Sensor Interface (AS-i), 1999; oder: Kriesel, W. R., Nadelung, O. W. (Hrsg.): AS-Interface Das Aktuator-Sensor-Interface für die Automation; 213 S., 2. deutsche Auflage, Carl Hanser Verlag 1999, ISBN 3-446-21064-4; sowie Ergänzungen zur 2. Auflage: www.madelung-online.de

2

2: AS-International Association e. V. (Gelnhausen): Complete Specification, Version 3.0 Rev. 1 (2006)

• Die Master-Slave-Struktur,
• die Baumstruktur des Busses,
• die Übertragung der Information im Manchester-Code durch analoge, näherungsweise sin²-förmige Pulse auf der Busleitung mit der Länge einer halben Bitzeit,
• die feste Bitzeit von 6 μs,
• eine Begrenzung der Buslänge auf 100 m,
• der Verzicht auf einen definierten Busabschluss,
• eine Begrenzung der Teilnehmerzahl am Bus auf 31 Standard-Slaves (bzw. 62 Slaves mit erweiterter Adresse),
• enge Vorgaben für die Impedanz der Slaves, des Masters und einer Datenentkopplung,

In der Anwendung haben sich zwei dieser Daten als limitierend herausgestellt: Die Buslänge und die Übertragungsgeschwindigkeit. Zur Verlängerung der Busstruktur wurden variable oder feste Busabschlusswiderstände3

3: Offenlegungsschrift von Bihl + Wiedemann GmbH: „Netzwerk-Vorrichtung, insbesondere Aktuator-Sensor-Interface-Netzwerk”, DE 10 2004 014 313 A1 . oder: Madelung, O. W.: Tuner und Diagnosegerät in Einem. SPS Magazin, Heft 12, Dezember 2005, S. 30–31

Die Zykluszeit des Bussystems für einen vollen Datensatz ist näherungsweise proportional der Anzahl der Slaves im Netz und beträgt im Vollausbau mit 31 Standardslaves 5 ms, im Vollausbau mit 62 Slaves im erweiterten Adressbereich 10 ms. Durch die Geschwindigkeitssteigerung bei modernen Steuerungen, insbesondere bei SPS, sind diese Übertragungszeiten für manche Anwendungen inzwischen zu lang. Eine einfache Änderung der Parameter, insbesondere der Bitzeit, ist jedoch zur Lösung dieses Problems nicht möglich, da eine enge Abhängigkeit aller für die korrekte Übertragung relevanter Größen von einander besteht. Als einzige Lösung blieb bisher eine deutliche Reduzierung der Anzahl der Slaves innerhalb eines Netzes. Das bedingt aber meist die Verwendung zusätzlicher Netze.
In DE 102 06 657 A1 wird ein Verfahren zur optimierten Übertragung von Analogwerten beschrieben, das aber an der Geschwindigkeit von AS-Interface nichts ändert.
In DE 199 22 467 A1 wird das in DIN EN 50295 beschriebene Netzteil in vorteilhafter Weise in 2 Geräte aufgeteilt, ohne die Geschwindigkeit von AS-Interface zu beeinflussen.
In DE 10 2004 006 507 A1 wird beschrieben, wie eine geeignete Abschlussimpedanz die Übertragungseigenschaften, insbesondere die maximale Leitungslänge verbessern kann, ohne die Geschwindigkeit von AS-Interface zu beeinflussen.
Es besteht daher die Forderung nach einem schneller arbeitenden Bussystem. Wegen der Vielzahl von Ein-/Ausgabegeräten nach dem Standardsystem würde jedoch ein komplett neues System auf Akzeptanzprobleme am Markt stoßen. Es besteht daher die erweiterte Forderung nach einem schnelleren Bussystem, das existierende Buskomponenten weitgehend einbinden kann.
Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Bussystem auf der Basis von AS-Interface anzugeben, das eine schnelle Kommunikation, „fast mode” genannt, mit einer neuen Art von Slaves ermöglicht, zugleich aber es gestattet, zusätzlich konventionelle, standardisierte Slaves in beschränkter Anzahl im „slow mode” Betrieb systemkonform einzubinden.
Das erfindungsgemäße Bussystem nutzt das standardisierte AS-Interface System, bildet jedoch den Master so aus, dass er nicht nur – im slow mode Betrieb – Slaves nach dem bisherigen Standardsystem in die Kommunikation einbinden kann, sondern zusätzlich auch Slaves, die mit erheblich kürzerer als der in der Norm festgelegten Bitzeit von 6 μs, z. B. mit einer Bitzeit von 0,3 μs, kommunizieren (Ansprüche 1 und 2). Dies wird durch eine Reihe von Maßnahmen sichergestellt, die über den Stand der Technik hinausgehen und im folgenden beschrieben werden:
Der erfindungsgemäße Master richtet das Timing seines Sende- und Empfangsbetrieb immer auf den anzusprechenden Slave aus. Dazu erkennt er im Systemhochlauf (der Aufnahmephase der Norm) automatisch, mit welcher Übertragungsrate jeder einzelne Slave im Netz arbeitet (Anspruch 3). In einer Variante erkennt er dies an einem Identifikationscode des Slaves (ID oder ID2-Code laut Standard oder ein neu zu definierender Code) (Anspruch 4). Slaves werden so ausgebildet, dass sie entweder nur in einer mode kommunizieren können, oder so, dass sie in beiden modes arbeiten können. Im zweiten Fall erkennen sie automatisch, in welcher mode der Master sie anspricht, und stellen sich automatisch darauf ein (Anspruch 5) oder sie werden vom Master aus durch einen Befehl oder einen Parameteraufruf auf die gewünschte mode eingestellt (Anspruch 6).
Der Master kann vorzugsweise die Slaves mit unterschiedlicher Datenübertragungsgeschwindigkeit in zwei aufeinanderfolgenden Teilzyklen (ähnlich den A- und B-Zyklen des Standards) ansprechen. Er kann aber auch – wenn niedrige Adressen an die eine Variante der Slaves vergeben werden, höhere Adressen an die andere – alle Slaves in der Reihenfolge ihrer Adressen ansprechen (Anspruch 7). Er kann schließlich alle Slaves in der Reihenfolge ihrer Adresse mit der jeweiligen Datenübertragungsgeschwindigkeit ansprechen (Anspruch 8).
Die Güte der Signale (nach Amplitude, Verlauf, Störempfindlichkeit) auf dem Bus ist wegen der analogen Datenübertragung bei AS-Interface in hohem Maß von der gewählten Bitzeit, von der Buslänge, der Zahl der am Bus befindlichen Slaves und anderen, die Gesamtimpedanz beeinflussenden Größen abhängig. Das erfindungsgemäße Bussystem nimmt darauf Rücksicht durch die Verwendung von Abschlusswiderständen und Datenentkopplungen, die für das konkret vorliegende Netz und die momentan verwendete mode optimiert sind. Sie werden – ebenso wie die Sende- und Empfängerschaltung im Master – bei jedem Wechsel zwischen fast mode und slow mode umgeschaltet (Anspruch 9). Die Umschaltung oder Ein-/Ausschaltung kann dadurch erfolgen, dass entfernt vom Master stehende Komponenten als Slaves im Netz ausgeführt sind und über Masteraufrufe gesteuert werden (Anspruch 10). Die Optimierung der Abschlusswiderstände und Datenentkopplungen kann manuell erfolgen oder nach dem Prinzip eines Tuners4

4: DE 10 2004 014 313 A1 a. a. O.

Die kürzere Bitzeit in der fast mode hat zur Folge, dass zum Erreichen der normgerechten Spannungspegel auf der Busleitung höhere Sendeströme erforderlich sind als in der slow mode (Anspruch 12). Es hat sich jedoch gezeigt, dass alternativ hierzu bei veränderten Empfängern mit einer Absenkung der Sendeströme und damit der Spannungspegel auf der Busleitung gearbeitet werden kann, ohne dass die Zuverlässigkeit der Datenübertragung gefährdet wird (Anspruch 13). Damit werden zugleich Störungen in der Umgebung durch die Datenübertragung auf der Busleitung minimiert.
Das vom Standard vorgegebene Timing für Slave-, Master- und Sendpause, sowie Time-Out und „Combined Transactions” wird entsprechend der Verkürzung der Bitzeit im fast mode Betrieb übernommen (Anspruch 14 und 15). Wegen der erheblich verkürzten Bitzeit steht jedoch möglicherweise für einige Aktuatoren nicht genügend
Zeit für eine unmittelbar notwendige Reaktion zur Verfügung. Ein Beispiel ist die beschriebene Umschaltung der Abschlusswiderstände. Für derartige Fälle wird eine Verlängerung der Masterpause vorgesehen, die vom angeschlossenen Gerät gesteuert werden kann (Anspruch 16).
Die Sende- und Empfangsschaltungen von Repeater und Expander werden entsprechend den erfindungsgemäßen Prinzipien zur Modifikation des Masters in der fast mode gestaltet (Anspruch 17). In einer vereinfachten Variante können Master und Repeater des erfindungsgemäßem Bussystems nur mit fast mode Slaves kommunizieren (Anspruch 18).
Vorteile und wirtschaftlicher Wert der Erfindung

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Variante von AS-Interface liegt darin, deutlich kürzere Zykluszeiten zu erreichen als in dem standardisierten Konzept. Das erfindungsgemäße Bussystem ist zugleich kompatibel mit dem standardisierten AS-Interface Bus. Auf die Verwendung einzelner bereits existierender Slaves des standardisierten Systems im erfindungsgemäßen Bussystem muss daher nicht verzichtet werden. Solange dabei die Zahl der slow mode Slaves niedrig ist, bleibt trotzdem ein erheblicher Gewinn an Zykluszeit. Dazu zeigt Tabelle 1 die Abhängigkeit der Zykluszeit von Konfigurationen mit unterschiedlichen Zahlen von fast mode und slow mode Slaves bei einer Bitzeit von 0,3 μs der fast mode Slaves. Tabelle 1:

Konfiguration	Netzgröße	Zahl der fast mode Slaves	Zahl der slow mode Slaves	Zykluszeit
				ms
Vollausbau nach Norm	31	0	31	5,08
kleines Netz nach Norm	5	0	5	1,08
kleines Netz schnelle Variante	5	5	0	0,05
Vollausbau schnelle Variante	31	31	0	0,25
... mit 1 slow mode Slave	31	30	1	0,71
... mit 6 slow mode Slaves	31	25	6	1,44
... mit 15 slow mode Slaves	31	16	15	2,76

Mit der Erfindung wird dem Anwender ein Bussystem geboten, das unter Berücksichtigung der Arbeitszeiten moderner SPS-Steuerungen realtime-Daten liefert und in der gesamten Automatisierung eingesetzt werden kann.

Claims

Schnelles Bussystem als Variante des standardisierten Bussystems AS-Interface mit Master, bis zu 62 Slaves und Datenübertragung im Master-Slave-Verfahren mit Signalen, die im Manchester-Code codiert sind, • wobei Slaves mit zwei unterschiedlichen Datenübertragungsgeschwindigkeiten in einem Netz vorhanden sind, nämlich solche mit standardisierter Datenübertragungsgeschwindigkeit, „slow mode” genannt, und solche mit erhöhter Datenübertragungsgeschwindigkeit, „fast mode” genannt, • wobei der Master die Slaves im Netz jeweils mit der richtigen Datenübertragungsgeschwindigkeit anspricht, • wobei das Signalverhalten im Netz in Abhängigkeit von der verwendeten Datenübertragungsgeschwindigkeit durch unterschiedliche Impedanzwerte von Datenentkopplung und/oder von Abschlusswiderständen in der Busleitung optimiert wird, • wobei der Master die Anpassung der Impedanzwerte selbsttätig vor jedem Wechsel der Datenübertragungsgeschwindigkeit vornimmt, • wobei der Master vor jedem Wechsel der Datenübertragungsgeschwindigkeit die eigenen Sende- und Empfängerschaltungen selbsttätig anpasst.
Schnelles Bussystem nach den Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Bitzeit der schnelleren fast mode Übertragung auf deutlich unter den Standardwert von 6 μs, z. B. auf 0,3 μs, gesenkt wird.
Schnelles Bussystem nach einem der vorgehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Master slow mode- und fast mode- Slaves am Bus automatisch identifiziert und in die Kommunikation aufnimmt.
Schnelles Bussystem nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Master die unterschiedlichen Datenübertragungsgeschwindigkeiten der Slaves an einem permanent gespeicherten Identifikationscode der Slaves erkennt.
Schnelles Bussystem nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass Slaves, die sowohl in der fast mode Datenübertragungsgeschwindigkeit als auch in der slow mode Datenübertragungsgeschwindigkeit kommunizieren können, automatisch erkennen, in welcher mode der Masteraufruf erfolgt, und ihre Sende- und Empfängerschaltungen darauf einstellen.
Schnelles Bussystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass Slaves, die sowohl in der fast mode als auch in der slow mode kommunizieren können, durch einen Master Befehl („Command”) oder durch einen Write_Parameter-Aufruf auf die gewünschte mode eingestellt werden können.
Schnelles Bussystem nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Master alle Slaves mit jeweils einer Datenübertragungsgeschwindigkeit in Gruppen anspricht, entweder in Form von aufeinanderfolgenden, getrennten Zyklen oder sortiert nach Adressgruppen.
Schnelles Bussystem nach einem der Ansprüche 1–5 dadurch gekennzeichnet, dass der Master die Slaves unabhängig von ihrer Datenübertragungsgeschwindigkeit in der Reihenfolge ihrer Adressen anspricht.
Schnelles Bussystem nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Datenentkopplungen und/oder Abschlusswiderstände für den slow mode Betrieb und den fast mode Betrieb als separate Einheiten oder als kombinierte Einheiten vorgesehen sind.
Schnelles Bussystem nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass Datenentkopplung und/oder Abschlusswiderstände als Slaves ausgeführt sind und durch einen Masteraufruf auf die jeweilige Impedanz umgeschaltet oder ein- und ausgeschaltet werden.
Schnelles Bussystem nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass bei hoher Datenübertragungsgeschwindigkeit Master und Slaves mit einem so stark erhöhten Sendestrom arbeiten, dass auf der Busleitung das Standard-Spannungsniveau erreicht wird.
Schnelles Bussystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikation zwischen Master und Slaves bei hoher Datenübertragungsgeschwindigkeit mit niedrigeren Strom- und Spannungspegeln als bei der Datenübertragungsgeschwindigkeit des Standards erfolgt.
Schnelles Bussystem nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass für Komponenten mit hoher Datenübertragungsgeschwindigkeit die Zeiten des Standards für Slave-, Master- und Sendpause, sowie Time-Out entsprechend der Änderung der Bitzeit im fast mode Betrieb verkürzt werden.
Schnelles Bussystem nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Vorgaben des Standards zu „Combined Transactions” für den fast mode Betrieb angepasst werden.
Schnelles Bussystem nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass Slaves so ausgebildet werden, dass ihre Masterpause von dem an sie angeschlossenen Gerät beeinflusst werden kann.
Schnelles Bussystem nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass Repeater und Expander eingesetzt werden, die nach den gleichen Prinzipien wie ein Master mit solchen Slaves kommunizieren, die unterschiedliche Datenübertragungsgeschwindigkeiten aufweisen.
Schnelles Bussystem nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass nur eine einzige, hohe Datenübertragungsgeschwindigkeit realisiert ist.