DE102008037610A1

DE102008037610A1 - Vorrichtung und Verfahren zur wahlweisen Umschaltung zweier Master für zugeordnete Slaves

Info

Publication number: DE102008037610A1
Application number: DE102008037610A
Authority: DE
Inventors: Georg Lechner; Wolfgang Prof. Dr.-Ing. Schittenhelm; Emanuel Dipl.-Ing. Seidinger (FH)
Original assignee: FACHHOCHSCHULE ROSENHEIM
Current assignee: SCHITTENHELM, WOLFGANG, PROF. DR. - ING., DE; Seidinger Emanuel De
Priority date: 2008-01-07
Filing date: 2008-11-28
Publication date: 2009-07-09
Also published as: WO2009087090A1

Abstract

Es sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur wahlweisen Umschaltung von mindestens zwei Mastern (21, 22) für mindestens einen zugeordneten Slave (31, 32, ..., 3n) offenbart, wobei jeweils einer der mindestens zwei Master (21, 22) und die Slaves (31, 32, ..., 3n) durch mindestens eine logische Ringschaltung (1) über ein Bussystem (5) verbunden sind, wobei ein Umschalter (4) vorgesehen ist, der wahlweise den jeweils sich aktiv in der Ringschaltung (1) befindlichen Master (21, 22) gegen einen anderen der mindestens zwei Master (21, 22) in der Ringschaltung (1) austauscht. Dabei ist der Umschalter (4) als Digitalschaltung realisiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur wahlweisen Umschaltung von mindestens zwei Mastern für mindestens einen zugeordneten Slave. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung zur wahlweisen Umschaltung von mindestens zwei Mastern für mindestens einen zugeordneten Slave, wobei jeweils einer der mindestens zwei Master und die Slaves durch mindestens eine logische Ringschaltung über ein Bussystem verbunden sind, wobei ein Umschalter vorgesehen ist, der wahlweise den jeweils sich aktiv in der Ringschaltung befindlichen Master gegen einen anderen der mindestens zwei Master in der Ringschaltung austauscht.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur wahlweisen Umschaltung von mindestens zwei Mastern für mindestens einen zugeordneten Slave. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur wahlweisen Umschaltung von mindestens zwei Mastern für mindestens einen zugeordneten Slave, wobei jeweils einer der mindestens zwei Master und die Slaves durch mindestens eine logische Ringschaltung über ein Bussystem verbunden sind, wobei ein Umschalter vorgesehen ist, der wahlweise den jeweils sich aktiv in der Ringschaltung befindlichen Master gegen einen anderen der mindestens zwei Master in der Ringschaltung austauscht.
Das SERCOS (SErial Real Time COmmunication System) Interface ist eine weltweit nach IEC 61491 und EN 61491 genormte digitale Schnittstelle zur Kommunikation zwischen Steuerungen, Antrieben und anderen dezentralen Peripheriegeräten. Hiermit lassen sich numerisch gesteuerte Hochleistungsantriebsapplikationen im Maschinenbau realisieren. Dabei ist der SERCOS Umschalter eine Netzwerkkomponente für das SERCOS Interface. Das SERCOS Interface ist ein ringförmiger Feldbus für elektrische Antriebe. Dabei kommunizieren eine Mastersteuerung, auch kurz Master genannt, und mehrere Slaves über eine Leitung, beispielsweise über eine optische Leitung (SERCOS I, II) oder eine Kupferleitung (SERCOS III) miteinander. Die Slaves stellen die Busankopplung für die Antriebe von Unterstationen dar. Um eine ringförmige Struktur aufbauen zu können, verfügt der Master und jeder Slave über mindestens einen Sender und einen Empfänger.
Das SERCOS Interface spezifiziert eine streng hierarchische Kommunikation mit den Daten in Form von Datenblöcken, den sogenannten Telegrammen, die in zeitlich konstanten Zyklen (Zyklusphase, cycle Phase, CP) zwischen dem Master und den mehreren Slaves ausgetauscht werden. Dabei sei die zeitliche Länge einer einzelnen der konstanten Zyklusphasen mit T_C abgekürzt. Die Zykluszeit T_C wird bei der Initialisierung des Masters gewählt und bleibt üblicherweise so lange erhalten wie dieser Master aktiv in der Ringschaltung ist. Der Master sendet mit einem unabhängigen Sendeschrittakt entweder Telegramme oder speist Füllzeichen in den Ring ein. Die Slaves reichen entweder ihre Eingangssignale an die nächsten Teilnehmer in der Ringschaltung weiter oder sie senden ihr eigenes Telegramm. Der Master reicht sein Eingangssignal nicht weiter. Jedes Telegramm beginnt und endet mit einer Telegrammbegrenzung.
Der Kommunikationszyklus des SERCOS Interface ist in fünf Phasen unterteilt: CP0, CP1, CP2, CP3 und CP4. Jeder Zyklus wird durch ein Master-Synchronisationstelegramm (MST) gestartet, das zur Vorgabe der Kommunikationsphase und der Zeitreferenz dient. Durch die Ringstruktur des Systems erhalten alle angeschlossenen Knoten dieses Telegramm nacheinander. Damit erreicht SERCOS zwar Synchronität, aber keine Gleichzeitigkeit, da es einen zeitlichen Versatz zwischen den Teilnehmern der Ringschaltung gibt. An das Master-Synchronisationstelegramm schließen sich die Antriebstelegramme an, die von den einzelnen Slaves gesendet werden. Nachdem beim Master alle Antriebstelegramme vorliegen, sendet dieser an alle Slaves ein Master-Datentelegramm. Exakt nach Ablauf der Zykluszeit T_C startet der Master den nächsten Zyklus mit dem Master-Synchronisationstelegramm. Somit kennt das SERCOS Interface die folgenden Synchronisationsarten: Bitsynchronitat, Synchronisation der Kommunikation und die Synchronisation der Datenverarbeitung in den Slaves.
Für Testzwecke und bei der Inbetriebnahme von Antrieben und Steuerungen ist es oft notwendig, einen weiteren Master anzuschließen. Um die Slaves mit einem anderen Master zu betreiben, ist es erforderlich, die Verbindung zwischen dem alten Master und dem ersten und gegebenenfalls dem letzten Slave aufzutrennen, und eine Verbindung mit dem neuen Master herzustellen. Dazu werden die Slaves in einen definierten Zustand beziehungsweise in eine definierte Phase gebracht, genauer, in die Kommunikationsphase CP0, und die Antriebe der Slaves werden heruntergefahren. Anschließend können die Slaves vom neuen Master wieder initialisiert werden. Wenn dies von Hand durch Umstecken der faseroptischen Kabel erfolgt, sind Beschädigungen an Kabeln und Geräten sowie undefinierte Zustände der Slaves nicht zu vermeiden.
Um das oben genannte Problem zu lösen, ist es Stand der Technik, opto-mechanische Umschaltungen zu verwenden. Hierfür sind am Markt Lösungen erhältlich, beispielsweise der Optical A/B Switch OS 3121 der Firma LuxLink gemäß http://www.luxlink.com/products/os-3121.htm sowie der Quick Switch 4184 Fiber Optic der Firma Electro Standards Labarotories gemäß http://www.electrostandards.com/switches-fiberoptic.htm.
In der deutschen Patentanmeldung DE 198 15 097 A1 ist eine Busmasterumschalteinheit für ein grundsätzlich nichtredundantes Bussystem offenbart, an dem jeweils ein Busmaster aus einer Gruppe redundanter Busmaster betrieben wird. Die Umschalteinheit wird selbst am umzuschaltenden Bus betrieben, so dass folglich keine Sondersignale zum Umschalten der Busmaster erforderlich sind. Der jeweils aktive Master und die Antriebe werden nicht in einer Ringschaltung betrieben sondern über eine Linientopologie des Profibusses (Bussystem).
Eine an das SERCOS Interface angepasste Umschaltung inklusive Stecker, Protokoll, etc., ist so auf dem Markt nicht erhältlich. Die verfügbaren Geräte aus dem Stand der Technik unterstützen zum einen nicht das SERCOS-Protokoll bezüglich der Schnittstellen. Zum anderen sind bei der opto-mechanischen Lösung (SERCOS I, SERCOS II) Datenverluste und Fehler bei der Umschaltung im Betrieb unvermeidlich.
SERCOS III ist die dritte Generation der SERCOS Interface Reihe und kombiniert die Vorteile von SERCOS I und II, hochgenaue Synchronisierung digitaler Antriebe in Echtzeit vorwiegend innerhalb von lokalen Netzwerken, mit den Vorteilen der Ethernet-Physik und des Ethernet-Protokolls, schnellem Datenaustausch auch über weite Entfernungen und mehr Flexibilisierung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine Umschaltung innerhalb mindestens einer logischen Ringschaltung zwischen mindestens zwei Mastern ermöglicht und für alle Generationen von SERCOS geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gelöst, die die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst. Weitere Vorteile ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen und der Beschreibung.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zu schaffen, das fehlerfrei im Betrieb innerhalb mindestens einer logischen Ringschaltung zwischen mindestens zwei Mastern umschaltet und für alle Generationen von SERCOS eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 10 umfasst. Weitere Vorteile ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen und der Beschreibung.
Bei der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zur wahlweisen Umschaltung ist ein Master mit mindestens einem zugeordneten Slave durch mindestens eine logische Ringschaltung über ein Bussystem verbunden. Beispielsweise wird bei SERCOS I und II eine physikalische und gleichzeitig auch logische Ringschaltung über optische Leitungen (bspw. Lichtwellenleiter) aufgebaut. Dahingegen kann bei SERCOS III über das Ethernet sowohl eine physikalische Linientopologie oder eine Ringtopologie gegeben sein, beispielsweise über Kupferleitungen. Diese physikalische Linien- oder Ringtopologie bei einer SERCOS III Anwendung kann aufgrund der Duplexeigenschaften des Ethernets, also der bidirektionalen Signalweiterleitung, als einfache bzw. doppelte logische Ringschaltung im Sinne der SERCOS-Technologie verwendet werden, wie in den noch folgenden Beschreibung für die 14 bis 20 ausführlich erläutert wird.
Es ist ein Umschalter vorgesehen, der wahlweise den jeweils sich aktiv in der Ringschaltung befindlichen Master gegen einen anderen Master in der Ringschaltung austauscht. Der Umschalter ist dabei als Digitalschaltung realisiert. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist also die Signalweiterleitung derart aufgebaut, dass ein abwechselnder Betrieb der Slaves mit zwei Mastern möglich ist.
Der Umschalter der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst diverse Empfänger und Sender aus dem Stand der Technik, wie in der Beschreibung zu den 1, 4 und 5 detailliert beschrieben, so dass der Umschalter mit jedem Master und mit jedem Slave in Ringschaltung schaltbar ist.
Um die Signale der diversen Sender an die diversen Empfänger geordnet verbinden zu können, damit also beim Umschalten von dem einen auf den anderen Master keine Störungen des Busprotokolls und damit Fehlermeldungen entstehen, wird eine Digitalschaltung mit einem Multiplexer M4_1 und einem Demultiplexer D1_4 aus dem Stand der Technik eingesetzt, verbunden mit einem funktionalen Block, der mit dem Multiplexer und dem Demultiplexer über die Ringschaltung auf dem Bussystem kommuniziert (siehe 10 und 13). Der Multiplexer, der Demultiplexer und der funktionale Block sind in dem Umschalter der erfindungsgemäßen Vorrichtung integriert und mit dem jeweils aktiven Master und den Slaves in der Ringschaltung verbunden.
Mittels des funktionalen Blocks ist eine Zusatzfunktion „Flying Master" implementiert, durch die der Umschalter während des Wechsels zwischen den zwei Mastern den Zeitschlitz des Synchronisationstelegramms des zuletzt aktiven Masters übernimmt und während des Wechsels die Daten des zuletzt aktiven Masters blockiert und sein eigenes Synchronisationstelegramm an die Slaves weiterleitet. Nach dem Wechsel werden die Daten des nun aktiven Masters weitergeleitet.
Durch das Synchronisationstelegramm des Umschalters wird also der Wechsel in die Kommunikationsphase CP0 und damit das Herunterfahren der Slaves ausgelöst. Dazu muss zuerst der zeitliche Abstand zwischen den Master-Synchronisationstelegrammen des zuletzt aktiven Masters bestimmt werden, was den Zuständen Detect_MST_x entspricht. „x" identifiziert dabei den jeweiligen Master, „1" steht beispielsweise für den ersten Master, „2" steht für den zweiten Master. Der Umschalter ist beispielsweise im Zustand Detect_MST_1, wenn der zuletzt aktive Master der erste Master. In diesem Zustand werden die Signale des zuletzt aktiven Masters unverfälscht an die Slaves weitergeleitet. Ist der Zeitschlitz des Master-Synchronisationstelegramms (MST) bezüglich des zuletzt aktiven Masters bestimmt, also der Zustand Detect_MST_x beendet, beginnt der Flying Master des Umschalters das „falsche" Master-Synchronisationstelegramm zu senden, was den Zuständen Send_MST_x entspricht, mit „x" wie oben beschrieben. Bezüglich des oben genannten Beispiels befindet sich das System dann im Zustand Send_MST_1. Dabei wird das Signal des zuletzt aktiven Masters blockiert und das Signal des Flying Masters des Umschalters weitergeleitet. Der Zeitschlitz des MSTs des Flying Masters entspricht dem des zuletzt aktiven Masters. Nach einigen Kommunikationszyklen stoppt der Flying Master, das Master-Synchronisationstelegramm zu erzeugen, und die Signale des neuen Masters werden weitergeleitet, was den Zuständen Route_Master_x entspricht. Bezüglich des oben genannten Beispiels befindet sich das System dann im Zustand Rou te_Master_2, wobei der zweite Master den ersten Master in der Ringschaltung nun abgelöst hat.
Die Erfindung offenbart auch ein Verfahren zur wahlweisen Umschaltung von mindestens zwei Mastern für mindestens einen zugeordneten Slave, wobei jeweils einer der mindestens zwei Master und die Slaves durch mindestens eine logische Ringschaltung über ein Bussystem verbunden sind. Es ist zusätzlich ein Umschalter vorgesehen, der wahlweise den jeweils sich aktiv in der Ringschaltung befindlichen Master gegen einen anderen Master in der Ringschaltung austauscht, vorzugsweise mit einem funktionalen Block wie oben erwähnt. Der Umschalter ist als Digitalschaltung realisiert. Die Verfahrensschritte werden in den nachfolgenden Figuren detailliert beschrieben.
Für SERCOS III bzw. Ethernet geeignete Ausführungsformen der Erfindung erfolgt die Signalweiterleitung bidirektional statt monodirektional. Entsprechend sind die Sender bzw. Empfänger als Duplex-Anschlüsse ausgestaltet, so dass die Sender bzw. Empfänger zugleich auch Empfänger bzw. Sender sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren werden nachfolgend anhand der schematischen Zeichnungen genauer erläutert. Gleiche Bauteile weisen dabei grundsätzlich gleiche, ganzzahlige Bezugszeichen auf und werden teilweise nicht mehrfach erläutert (siehe Bezugszeichenliste). Zusätzlich und ergänzend werden auch die für die SERCOS Netzwerk-Technologie gebräuchlichen alphanumerischen Abkürzungen verwendet (siehe Abschnitt „Abkürzungen"). Pfeile in den Figuren kennzeichnen sowohl Leitungen als auch Signale, die über die entsprechenden Leitungen gesendet werden.
Die Figuren zeigen im Einzelnen:
1: eine schematische Darstellung des Aufbaus des optischen Feldbusses in einer Ringschaltung gemäß dem Stand der Technik;
2: eine schematische Darstellung des Kommunikationszyklus des SERCOS Interface mit seinen fünf Phasen gemäß dem Stand der Technik;
3: ein Diagramm über den zeitlichen Ablauf eines SERCOS Kommunikationszyklus nach dem Stand der Technik mit beliebiger Kommunikationsphase, betrachtet am Sender des letzten Slaves;
4: eine schematische Darstellung einer Ringschaltung mit zwei Mastern gemäß dem Stand der Technik;
5: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung für eine Ringschaltung mit zwei Mastern und einem Umschalter;
6: eine schematische Darstellung einer opto-mechanischen Umschaltung gemäß dem Stand der Technik in einer Einstellung;
7: eine schematische Darstellung einer opto-mechanischen Umschaltung gemäß dem Stand der Technik in einer anderen Einstellung als 6;
8: ein Diagramm über den zeitlichen Ablauf eines SERCOS Kommunikationszyklus mit beliebiger Kommunikationsphase CPx im Kommunikationszyklus n und der Kommunikationsphase CP0 ab dem Kommunikationszyklus n + 1, betrachtet am Sender des letzten Slaves für den Umschalter der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
9: ein Zustandsdiagramm mit Zuständen und Signalen für eine einfache Umschaltung;
10: ein digitales Prinzipschaltbild für eine Ausführungsform des Umschalters der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Multiplexer und einem Demultiplexer für eine einfache Umschaltung;
11: ein Zustandsdiagramm zum Ablauf der Umschaltung zwischen zwei Mastern mit dem Umschalter der erfindungsgemäßen Vorrichtung für eine sichere Umschaltung;
12: ein Diagramm über den zeitlichen Ablauf eines Umschaltvorgangs mit beliebiger Kommunikationsphase CPx im Kommunikationszyklus n und der Kommunikationsphase CP0 ab dem Kommunikationszyklus n + 3, betrachtet am Sender des letzten Slaves für den Umschalter der erfindungsgemäßen Vorrichtung für eine sichere Umschaltung;
13: ein digitales Prinzipschaltbild für eine bevorzugte Ausführungsform des Umschalters der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Multiplexer, einem Demultiplexer und einem funktionalen Block für die sichere Umschaltung;
14: eine schematische Anschlusssicht einer einfachen SERCOS III und Ethernetgeeigneten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei der Umschalter je einen Duplex-Anschluss zu je einem Master und je einen Duplex-Anschluss zu dem ersten Slave aufweist;
15: eine schematische Übertragungskanalsicht der Schaltung nach 14, wobei der erste Master aktiv ist;
16: eine schematische Übertragungskanalsicht der Schaltung nach 14, wobei der zweite Master aktiv ist;
17: eine schematische Anschlusssicht einer bevorzugten SERCOS III und Ethernetgeeigneten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei der Umschalter je zwei Duplex-Anschlüsse zu je einem Master und je zwei Duplex-Anschlüsse zu den Slaves aufweist;
18: eine schematische Übertragungskanalsicht der Schaltung nach 17, wobei der erste Master aktiv ist;
19: eine schematische Übertragungskanalsicht der Schaltung nach 17, wobei der zweite Master aktiv ist; und
20: ein Zustandsdiagramm zum Ablauf der Umschaltung zwischen zwei Mastern mit dem Umschalter der einfachen bzw. bevorzugten SERCOS III und Ethernetgeeigneten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung für eine sichere Umschaltung.
1 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus des Bussystems 5 in einer Ringschaltung 1 gemäß dem Stand der Technik. Es ist nur ein Master 2 und kein Umschalter 4 vorgesehen. Der Master 2 verfügt über einen optischen Sender 22 und einen optischen Empfänger 21. Jeder Slave 3_j , j = 1, ..., n, verfügt über einen optischen Sender 32_j und einen optischen Empfänger 31_j . Der Sender 22 des Masters 2 sendet Signale an den Empfänger 31₁ des ersten Slave 3₁ . Der Sender 32₁ des ersten Slave 3₁ sendet Signale an den Empfänger 31₂ des zweiten Slave 3₂ , der Sender 32₂ des zweiten Slave 3₂ sendet Signale an den Empfänger 31₃ des dritten Slave 3₃ , usw., ..., der Sender 32_n-1 des vorletzten Slave 3_n-1 , sendet Signale an den Empfänger 31_n des letzten Slave 3_n . Die Ringschaltung 1 wird geschlossen, indem der Sender 32_n des letzten Slave 3_n . Signale an den Empfänger 21 des Masters 2 sendet.
Mit den Begriffen „erster Slave" und „letzter Slave" ist gemeint, dass der erste Slave als erster Slave dem Master folgt und der Master auf den letzten Slave in der Ringschaltung 1 folgt.
2 zeigt eine schematische Darstellung des Kommunikationszyklus des SERCOS II Interface mit seinen fünf Phasen CP0, CP1, CP2, CP3 und CP4 (CPx, x = 0, 1 ..., 4) gemäß dem Stand der Technik. In den Kommunikationsphasen CP0 bis CP3 wird die Kommunikation initialisiert. In der Kommunikationsphase CP4 findet dann die zyklische Kommunikation statt. Normalerweise kann von einer Kommunikationsphase CPx nur in die nächste höhere Kommunikationsphase CPx + 1 gewechselt werden, mit x zwischen 0 und 3, dargestellt durch die Initialisierungs-Kommunikationspfade 60. CP0 stellt dabei eine Ausnahme dar, denn in die Phase CP0 kann von jeder anderen Kommunikationsphase CP1, CP2, CP3 oder CP4 gewechselt werden, dargestellt durch die Failsafe-Kommunikationspfade 62. CP0 kann daher als Failsafe-Zustand betrachtet werden, in dem die Slaves 3_j heruntergefahren werden. Sind die Slaves 3_j im Zustand CP0, erwarten sie keine Telegramme und die Kommunikation kann jederzeit neu initialisiert werden.
3 zeigt ein Diagramm über den zeitlichen Ablauf t eines SERCOS II Kommunikationszyklus nach dem Stand der Technik mit beliebiger Kommunikationsphase CPx, x zwischen 0 und 4, betrachtet am Sender des Senders 32_n des letzten Slaves 3_n . Ein jeweiliger Kommunikationszyklus mit der Dauer T_C wird, wie oben beschrieben, nacheinander über den ersten Slave 3₁ bis zum letzen Slave 3_n gesandt.
Das Vorhandensein von Slave-Datentelegrammen, auch Antriebstelegramme (AT) genannt, und von Master-Datentelegrammen (MDT) ist von der Kommunikationsphase CPx abhängig. In der Kommunikationsphase CPx des n-ten Kommunikationszyklus nach 3 laufen beispielsweise nach dem Master-Synchronisationstelegramm (MST_CPx) noch AT und MDT Telegramme nacheinander ab. Anschließend startet zum Zeitpunkt (n + 1)·T_C der nächste Kommunikationszyklus mit einer Kommunikationsphase CPx mit dem Telegramm MST_CPx. Das einzige Telegramm, welches in jeder Kommunikationsphase CPx gesendet wird, ist das Master Synchronisationstelegramm (MST_CPx). Dieses Telegramm markiert den Beginn eines jeden Kommunikationszyklus und steuert den Wechsel der Slaves 3_j , j = 1, ..., n, in eine andere Kommunikationsphase CPx innerhalb des jeweili gen Kommunikationszyklus. Die Zykluszeit T_C ist also auch der Zeitabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Master-Synchronisationstelegramme MST.
In der Kommunikationsphase CP0 (CPx = CP0) wird nur das Master-Synchronisationstelegramm MST über das Bussystem 5 geschickt. Die Telegramme AT und MDT werden dagegen während der Kommunikationsphase CP0 nicht gesendet. Das MST in der Kommunikationsphase CP0 dient dem aktuell aktiven Master 2_i zur Überprüfung der Ringschaltung 1 auf Geschlossenheit. Die Slaves 3_j senden ihre Telegramme AT_i noch nicht beziehungsweise nicht mehr. Die Slaves 3_j (Antriebe) sind heruntergefahren. In dieser Phase erwarten die Slaves 3_j keine Telegramme, auch nicht das MST. Es kann also eine beliebig lange Kommunikationspause entstehen.
4 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer Ringschaltung 1. Im Unterschied zu 1 sind hier zwei Master 2₁ und 2₂ gemäß dem Stand der Technik vorgesehen. In der hier gezeigten Ausführungsform der Ringschaltung 1 ist noch kein Umschalter 4 dargestellt.
Jeder der beiden Master 2_i , i = 1 oder 2, verfügt über einen optischen Empfänger 21_i und einen optischen Sender 22_j . Wie in der Ausführungsform nach 1 beschrieben, verfügt jeder Slave 3_j , j = 1, ..., n, über einen optischen Empfänger 31_j und einen optischen Sender 32_j . Je nach dem, welcher der Master 2_i aktiv ist, sendet der Sender 22_i des Masters 2_i Signale an den Empfänger 31₁ des ersten Slave 3₁ . Der Sender 32₁ des ersten Slave 3₁ sendet Signale an den Empfänger 31₂ des zweiten Slave 3₂ , der Sender 32₂ des zweiten Slave 3₂ sendet Signale an den Empfänger 31₃ des dritten Slave 3₃ , usw., ..., der Sender 32_n-1 , des vorletzten Slave 3_n-1 sendet Signale an den Empfänger 31_n des letzten Slave 3_n . Die Ringschaltung 1 wird geschlossen, indem der Sender 32_n des letzten Slave 3_n Signale an den Empfänger 21_i des aktiven Masters 2_i sendet.
In der Darstellung nach 4 ist der Master 2₁ aktiv in der Ringschaltung 1 mit den Slaves 3_j angeschlossen, dargestellt durch die durchgezogenen Linien. Dahingegen ist der Master 2₂ nicht an die Ringschaltung 1 angeschlossen. Der Master 2₁ soll gegen den Master 2₂ in der Ringschaltung 1 ausgetauscht werden können, dargestellt durch die gestrichelten Linien.
Um die Ringschaltung 1 des SERCOS II Netzwerks ohne automatischen Umschalter 4 abwechselnd mit zwei Master-Steuerungen 2₁ und 2₂ zu betreiben, sind folgende Schritte notwendig: manuelles Herunterfahren des zuletzt aktiven Masters 2_i und der Slaves 3_j , Abschalten der Spannungsversorgung, Auftrennen der optischen Verbindung mit dem zuletzt aktiven Masters 2_i , also Auftrennen der Verbindungen zu dem jeweiligen Empfänger 21_i und Sender 22_i des Masters 2_j , Herstellen der optischen Verbindung mit dem jeweiligen anderen Empfänger 21_i und anderen Sender 22_i des zu aktivierenden anderen Masters 2_i und Wiedereinschalten der Spannungsversorgung.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung für eine Ringschaltung 1 mit zwei Mastern 2₁ und 2₂ und einem Umschalter 4. Dabei ist die zugrunde liegende Topologie mit dem Umschalter 4 der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Der Umschalter 4 ist zwischen den Mastern 2₁ und 2₂ einerseits und den Slaves 3_j andererseits angeordnet, so dass ein abwechselnder Betrieb der Slaves 3_j mit den zwei Mastern 2_i möglich ist.
Aus der Ringtopologie der Ringschaltung 1 ergeben sich für den Umschalter 4 folgende notwendigen Ein- und Ausgänge beziehungsweise Empfänger und Sender: je ein Empfänger 41_i und Sender 42_i pro Master 2_i , ein Sender 43 für den ersten Slave 3₁ und ein Empfänger 44 für den letzten Slave 3_n . Durch diese Empfänger und Sender aus dem Stand der Technik ist der Umschalter 4 der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit jedem Master 2_i und mit jedem Slave 3_j in Ringschaltung 1 schaltbar, wie nachfolgend beschrieben wird.
Am Umschalter 4 ist für jeden Master 2_i jeweils ein Empfänger 41_i angeordnet, wobei der Umschalter 4 derart mit dem jeweiligen Master 2_i verbunden ist, dass der jeweilige Sender 22_i des jeweiligen Masters 2_i Signale an den jeweiligen Empfänger 41_i des Umschalters 4 senden kann.
Der Umschalter 4 umfasst darüber hinaus für jeden Master 2_i jeweils einen Sender 42_i , wobei der Umschalter 4 derart mit dem jeweiligen Master 2_i verbunden ist, dass der jeweilige Sender 42_i des Umschalters 4 Signale an den jeweiligen Empfänger 21_i des jeweiligen Masters 2_i senden kann.
Der Umschalter 4 umfasst außerdem einen Sender 43, wobei der Umschalter 4 derart mit dem ersten Slave 3₁ verbunden ist, dass der Sender 43 des Umschalters 4 Signale an den Empfänger 31₁ des ersten Slave 3₁ senden kann.
Der Umschalter 4 umfasst auch einen Empfänger 44, wobei der Umschalter 4 derart mit dem letzten Slave 31_n verbunden ist, dass der Empfänger 44 des Umschalters 4 Signale von dem Sender 32_n des letzten Slave 3_n empfangen kann.
6 zeigt eine schematische Darstellung des Prinzips einer opto-mechanischen Umschaltung 40 gemäß dem Stand der Technik in einer Einstellung. Solch eine opto-mechanische Umschaltung 40 kann in einer Ringschaltung 1 gemäß 4 verwendet werden. In der Einstellung gemäß 6 ist der erste Master 2₁ aktiv in der Ringschaltung 1 mit den Slaves 3_j , indem der Empfänger 21₁ des ersten Masters 2₁ mit dem Sender 32_n des letzten Slaves 3_n verbunden ist, dadurch dass der Empfänger 44 des Umschalters 4 mit dem Sender 42₁ des Umschalters 4 verbunden ist, und indem der Sender 22₁ des ersten Masters 2₁ mit dem Empfänger 31₁ des ersten Slave 3₁ verbunden ist, dadurch dass der Empfänger 41₁ des Umschalters 4 mit dem Sender 43 des Umschalters 4 verbunden ist. Eine opto-mechanische Kopplung 20 ist entsprechend eingestellt, dass der erste Master 2₁ über das Bussystem 5 aktiv in der Ringschaltung 1 mit den Slaves 3_j ist.
7 zeigt eine schematische Darstellung einer opto-mechanischen Umschaltung 40 gemäß dem Stand der Technik in einer anderen Einstellung als 6. In der Einstellung gemäß 7 ist der zweite beziehungsweise weitere Master 2₂ aktiv in der Ringschaltung 1 mit den Slaves 3_j , indem der Empfänger 21₂ des zweiten beziehungsweise weiteren Masters 2₂ mit dem Sender 32_n des letzten Slaves 3_n verbunden ist, dadurch dass der Empfänger 44 des Umschalters 4 mit dem Sender 42₂ des Umschalters 4 verbunden ist, und indem der Sender 22₂ des zweiten beziehungsweise weiteren Masters 2₂ mit dem Empfänger 31₁ des ersten Slave 3₁ verbunden ist, dadurch dass der Empfänger 41₂ des Umschalters 4 mit dem Sender 43 des Umschalters 4 verbunden ist. Die opto-mechanische Kopplung 20 gemäß 6 ist nun anders und derart eingestellt, dass der zweite beziehungsweise weitere Master 2₂ über das Bussystem 5 aktiv in der Ringschaltung 1 mit den Slaves 3_j ist.
8 zeigt ein Diagramm über den zeitlichen Ablauf eines SERCOS Kommunikationszyklus mit beliebiger Kommunikationsphase CPx im Kommunikationszyklus n und der Kommunikationsphase CP0 ab dem Kommunikationszyklus n + 1, betrachtet am Sender 32_n des letzten Slaves 3_n . Um die Slaves 3_j herunterzufahren, detektiert der Umschalter 4 den Zeitschlitz des MST, welches vom gerade aktiven Master 2_i gesendet wird. Daraufhin beendet der Umschalter 4 zu Beginn des neuen Kommunikationszyklus n + 1 die Signalweiterleitung für den aktiven Master 2_i und sendet sein eigenes MST im Zeitschlitz des zuletzt aktiven Masters 2_i , mit welchem er in die Kommunikationsphase CP0 wechselt und die Slaves 3_j für eine erneute Initialisierung durch den neu zu aktivierenden, anderen Master 2_i vorbereitet.
9 zeigt ein Zustandsdiagramm mit Zuständen 200, dargestellt als Ellipsen, und Signalen, dargestellt als Pfeile, für eine einfache Umschaltung. Für die einfache Umschaltung sind nur zwei Zustände 200 „Route_Master_1" und „Route_Master_2" notwendig. Für eine sichere Umschaltung sind darüber hinaus vier weitere Zustände 200 notwendig, wie für 11 später beschrieben wird. Im Zustand 200 „Route_Master_1" werden die Signale 122₁ vom ersten Master 2₁ an den ersten Slave 3₁ beziehungsweise die Signale 132 des letzten Slave 3_n an den ersten Master 2₁ weitergeleitet. Durch ein Umschaltsignal 10 (Switch-Signal) wird direkt in den Zustand 200 „Route_Master_2" beziehungsweise „Route_Master_1" gewechselt. Im Zustand 200 „Route_Master_2" werden die Signale 122₂ vom zweiten Master 2₂ an den ersten Slave 3₁ beziehungsweise die Signale 132 des letzten Slave 3_n an den zweiten Master 2₂ weitergeleitet.
Bei einer einfachen Umschaltung gemäß 9 können Fehlerzustände der Slaves 3_j bei der Umschaltung zwischen den mindestens zwei Mastern 2_i nicht immer vermieden werden.
10 zeigt ein digitales Prinzipschaltbild für eine Ausführungsform des Umschalters 4 der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer einfachen Umschaltung. Um die Signale geordnet verbinden zu können, wird eine Digitalschaltung mit einem Multiplexer 6 in einer Ausgestaltung als M4_1 Multiplexer sowie mit einem Demultiplexer 7 in einer Ausgestaltung als D1_4 Demultiplexer aus dem Stand der Technik eingesetzt. Die Eingänge 61₃ und 61₄ des Multiplexers 6 und die beiden Ausgänge 72₃ und 72₄ des Demultiplexers 7 werden für die Ausführungsform gemäß 10 nicht benötigt, da sie für die Funktion des Umschalters 4 irrelevant sind.
Der Multiplexer 6 ist für die Signalweiterleitung vom jeweils aktiven Master 2_i an den ersten Slave 3₁ und der Demultiplexer 7 für die Signalweiterleitung vom letzten Slave 3_n an den jeweils aktiven Master 2_i zuständig. Ein funktionaler Block 11 des Umschalters 4 ist zwischen dem Multiplexer 6 und dem Demultiplexer 7 geschaltet. Der funktionale Block 11 registriert an einem Eingang 13 ein Umschaltsignal 10 und sendet daraufhin an seinem Ausgang 15 ein Kontrollsignal 100 (Routing-Steuersignal Sig_Route_int), das aus zwei Bits besteht. Dabei toggelt der funktionale Block 11 über seinen Ausgang 15 und weiter über einen Datenknotenpunkt 57 das niederwertige Bit des Kontrollsignals 100 und sendet das Kontrollsignal 100 an den Eingang 63 des Multiplexers 6 und an den Eingang 73 des Demultiplexers 7. Der Wert des höherwertigen Bits des Kontrollsignals 100 ist für die Ausführungsform der Vorrichtung mit der einfachen Umschaltung gemäß 10 irrelevant. Das höherwertige Bit des Kontrollsignals 100 ist jedoch für die Ausführungsform mit der sicheren Umschaltung relevant (siehe 13). Jeweils einer der zwei möglichen Werte für den Wert des niederwertigen Bits des Kontrollsignals 100 steht für die einfache Umschaltung vom ersten Master 2₁ auf den zweiten Master 2₂ , in der Ausführungsform nach 10 ist das der Wert „0". Umgekehrt steht der andere der beiden Werte des niederwertigen Bits des Kontrollsignals 100 für die einfache Umschaltung vom zweiten Master 2₂ auf den ersten Master 2₁ , in der Ausführungsform nach 10 ist das der Wert „1".
Als aktiver Master 2_i wird derjenige Master 2₁ oder 2₂ bezeichnet, für den die Signalweiterleitung erfolgt. Die Signalweiterleitung wird durch das Umschaltsignal 10 festgelegt und erfolgt wie in den Wahrheitstabellen 1 und 2 dargestellt.

Gemäß 5 ist der Sender 43 des Umschalters 4 für die Weiterleitung des Signals 131 vom Umschalter 4 an den ersten Slave 3₁ zuständig und die Eingänge 41_i sind für den Empfang der Signale 122_i des Umschalters 4 vom jeweiligen Master 2_i zuständig. Gemäß 10 ist der Sender 43 insbesondere der Ausgang des Multiplexers 6 des Umschalters 4 und die Eingänge 41_i sind zwei von vier Eingängen des Multiplexers 6 des Umschalters 4. Für die Signalweiterleitung bei der einfachen Umschaltung vom jeweils aktiven Master 2_i über den Sender 43 des Multiplexers 6 zum ersten Slave 3₁ gilt die folgende Wahrheitstabelle 1:

Empfänger (Eingänge)			Sender (Ausgang)
Eingang 63 des Multiplexers 6 (Mux_Route_in)	Empfänger 41₁ (Sw_M1_in) des Multiplexers 6 für ersten Master 2₁	Empfänger 41₂ (Sw_M2_in) des Multiplexers 6 für zweiten Master 2₂	Sender 43 (Sw_S1_out) des Multiplexers 6
Kontrollsignal 100 (Sig_Route_int) an Eingang 63 = „00"	Signal 122₁ (Sig_M1_in) vom ersten Master 2₁	Signal 122₂ (Sig_M2_in) vom zweiten Master 2₂	Signal 131 (Sig_S1_out) an ersten Slave 3₁ = Signal 122₁ vom ersten Master 2₁	Z1
Kontrollsignal 100 an Eingang 63 = „01"	Signal 122₁ vom ersten Master 2₁	Signal 122₂ vom zweiten Master 2₂	Signal 131 = Signal 122₂ vom zweiten Master 2₂	Z2

Gemäß 5 ist der Empfänger 44 des Umschalters 4 für den Empfang des Signals 132 des Umschalters 4 vom letzten Slave 3_n zuständig und die Sender 42_i des Umschalters 4 sind für die Weiterleitung der jeweiligen Signale 121_i an die jeweiligen Master 2_i zuständig. Gemäß 10 ist der Empfänger 44 insbesondere der Eingang des Demultiplexers 7 des Umschalters 4 und die Sender 42_i sind zwei von vier Ausgängen des Demultiplexers 7 des Umschalters 4. Für die Weiterleitung des Signals 132 vom letzten Slave 3_n über den Empfänger 44 des Demultiplexers 7 zum jeweils aktiven Master 2_i gilt die folgende Wahrheitstabelle 2:

Empfänger (Eingänge)		Sender (Ausgänge)
Eingang 73 (Demux_Routen_in) von Demultiplexer 7	Eingang 44 (Sw_Sn_in) von Demultiplexer 7	Sender 42₁ (Sw_M1_out) von Demultiplexer 7 für ersten Master 2₁	Sender 42₂ (Sw_M2_out) von Demultiplexer 7 für zweiten Master 2₂
Kontrollsignal 100 (Sig_Route_int) an Eingang 73 = „00"	Signal 132 (Sig_Sn_in) vom letzten Slave 3_n an Eingang 44	Signal 121₁ (Sig_M1_out) an ersten Master 2₁ = Signal 132 (Sig_Sn_in) vom letzten Slave 3_n	Signal 121₂ (Sig_M2_out) an zweiten Master 2₂ = „0"	Z1
Kontrollsignal 100 an Eingang 73	Signal 132 vom letzten Slave 3_n an Eingang 44	Signal 121₁ = „0"	Signal 121₂ = Signal 132 vom letzten Slave 3_n	Z2

Im Folgenden wird eine einfache Umschaltung von Master 2₁ auf Master 2₂ mittels des Umschalters 4 der einfachen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 10 dargestellt. Bei einer einfachen Umschaltung von Master 2₁ auf Master 2₂ ist der Ausgangszustand 200 „Route_Master_1" nach 9. In diesem Zustand 200 hat das Kontrollsignal 100 am Eingang 63 des Multiplexers 6 den Wert „00". Der Multiplexer 6 ist so konfiguriert, dass er die Signale 122₁ vom ersten Master 2₁ als Signal 131 zum ersten Slave 3₁ unter der Bedingung, dass das Kontrollsignal 100 den Wert „00" hat, gemäß Zeile Z1 der Wahrheitstabelle 1 weiterleitet. Der Demultiplexer 7 ist so konfiguriert, dass er die Signale 132 vom letzten Slave 3_n als Signal 121₁ zum ersten Master 2₁ ebenfalls unter der Bedingung, dass das Kontrollsignal 100 den Wert „00" hat, gemäß Zeile Z1 der Wahrheitstabelle 2 weiterleitet.
Ein Umschaltsignal 10 (Switch-Signal) am Switch-Eingang 13 des funktionalen Blocks 11 wird durch den oberen Pfeil 10 im Zustandsdiagramm der 9 dargestellt und löst einen Zustandsübergang in den Zustand 200 „Route_Master_2" gemäß 9 aus.
Der Endzustand 200 ist „Route_Master_2". In diesem Zustand 200 hat das Kontrollsignal 100 am Eingang 63 des Multiplexers 6 den Wert „01". Der Multiplexer 6 ist so konfiguriert, dass er die Signale 122₂ vom zweiten Master 2₂ als Signal 131 zum ersten Slave 3₁ unter der Bedingung, dass das Kontrollsignal 100 den Wert „01" hat, gemäß Zeile Z2 der Wahrheitstabelle 1 weiterleitet. Der Demultiplexer 7 ist so konfiguriert, dass er die Signale 132 vom letzten Slave 3_n als Signal 121₂ zum zweiten Master 2₂ ebenfalls unter der Bedingung, dass das Kontrollsignal 100 den Wert „01" hat, gemäß Zeile Z2 der Wahrheitstabelle 2 weiterleitet.
11 zeigt ein Zustandsdiagramm zum Ablauf der Umschaltung zwischen den zwei Mastern 2_x , x = 1 oder 2, mit dem Umschalter 4 der erfindungsgemäßen Vorrichtung für eine sichere Umschaltung. Für die sichere Umschaltung von Master 2₁ auf Master 2₂ und umgekehrt sind sechs Zustände 200 notwendig. Es sei der Master 2_x bei der nachfolgenden Beschreibung zu 11 der aktuell aktive Master und Master 2_y der zu aktivierende Master.
Der Umschalter 4 (nicht dargestellt in 11) befindet sich zunächst im Zustand 200 „Route_Master_x" für die Signalweiterleitung des jeweils aktiven Masters 2_x zum ersten Slave 3₁ beziehungsweise vom letzten Slave 3_n zum Master 2_x , analog wie oben bereits ausführlich bei 9 beschrieben.
Während des Zustands 200 „Route_Master_x" wird ein Umschaltsignal 10 an den funktionalen Block 11 des Umschalters 4 (siehe 13) ausgelöst. Im Unterschied zur einfachen Umschaltung wird bei der sicheren Umschaltung beim Auslösen des Umschaltsignals 10 nicht direkt in den Zustand 200 „Route_Master_y" gewechselt, sondern davor in zwei weitere Zustände 200 „Detect_MST_x" und „Send_MST_CP0_x", wie nachfolgend ausführlich beschrieben wird. Das Umschaltsignal 10 löst einen Übergang des Zustands 200 von „Route_Master_x" zu „Detect_MST_x" aus.
Der Zustand 200 „Detect_MST_x" ist sowohl für die Signalweiterleitung des Masters 2_x zum ersten Slave 3₁ beziehungsweise vom letzten Slave 3_n zum Master 2_x als auch für die Suche nach dem Zeitschlitz des Master-Synchronisationstelegramms (MST) des Masters 2_x und die Erfassung der Zykluszeit T_C des Masters 2_x zuständig. Die Ringschaltung 1 befindet sich solange im Zustand 200 „Detect_MST_x", bis ein Master-detected-Signal 190 (Sig_MST_detected_int) (siehe 13) ausgelöst wird. Das Master-detected-Signal 190 signalisiert, dass der Zeitschlitz des Master-Synchronisationstelegramms MST des jeweils noch aktiven Masters 2_x gefunden wurde und löst einen Übergang des Zustands 200 von „Detect_MST_x" zu „Send_MST_CP0_x" aus.
Der Zustand 200 „Send_MST_CP0_x" ist für das Generieren eines Flying-Master-Signals 140 (Sig_FM_out) vom funktionalen Block 11 an den Multiplexer 6 mit der Phase CP0 zuständig (siehe 13). Das Flying-Master-Signal 140 sind einhundert Master-Synchronisationstelegramme MST des jeweils noch aktiven Masters 2_x mit der Phase CP0 im Zeitschlitz des zuletzt aktiven Masters 2_x . Das generierte Flying-Master-Signal 140 wird an den ersten Slave 3₁ und damit an alle Slaves 3_j , j = 1 bis n, weitergeleitet. Es erfolgt jedoch keine Signalweiterleitung vom letzten Slave 3_n aus, so dass die Signalweiterleitung vom letzten Slave zum zuletzt aktiven Master 2_x nun unterbrochen ist. Der Umschalter 4 befindet sich solange im Zustand 200 „Send_MST_CP0_x", bis ein MST-sent-Signal 191 (Sig_MST_sent_int; siehe 13) ausgelöst wird. In dieser Zeit fahren alle Slaves 3_i herunter.
Das MST-sent-Signal 191 löst zudem einen Übergang des Zustands 200 von „Send_MST_CP0_x" zu „Route_Master_y" aus. Damit ist der Master 2_y nun vollständig aktiviert und der Master 2_x vollständig deaktiviert. Es ist für jeden Fachmann selbstverständlich, dass auch mehr oder weniger als einhundert Master-Synchronisationstelegramme MST des jeweils noch aktiven Masters 2_x mit der Phase CP0 gesendet werden können, abhängig vom jeweiligen Bedarf für den oben beschriebenen Zeitpuffer, ohne dabei den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.
Die jeweiligen Werte des Kontrollsignals 100 im jeweiligen Zustand 200 sind in 11 ebenfalls genannt.
Für eine weitere Beschreibung der Signale 10, 100, 140, 190 und 191 bei der sicheren Umschaltung siehe die Beschreibung zu 13.
12 zeigt ein Diagramm über den zeitlichen Ablauf eines Umschaltvorgangsmit beliebiger Kommunikationsphase CPx im Kommunikationszyklus n und der Kommunikationsphase CP0 ab dem Kommunikationszyklus n + 3, betrachtet am Sender 32_n des letzten Slaves für den Umschalter 4 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einer sicheren Umschaltung. Die Kommunikation über das Bussystem 5 läuft wie nachfolgend beschrieben ab.
Über die Dauer mehrerer Zyklusphasen T_C werden während der Phase des Umschaltens die in 11 beschriebenen Zustände 200 angenommen. Während einer einzelnen Zyklusphase T_C bleibt der jeweils erreichte Zustand 200 immer erhalten, so dass ein Wechsel des Zustands 200 immer nur nach einem Vielfachen der Zyklusphase T_C erfolgt.
Gemäß dem Beispiel aus 11 sei zunächst der Master 2_X aktiv und der Master 2_y im Verlauf des Umschaltungsprozesses zu aktivieren. Der n-te Kommunikationszyklus im Zeitintervall von T = n·Tc bis t = (n + 1)·Tc sei ein beliebiger Kommunikationszyklus. Der Zustand 200 der Ringschaltung 1 ist „Route_Master_x". Im Zeitpunkt t = T₁₀ werde nun durch Betätigung des Umschalters 4 ein Umschaltsignal 10 ausgelöst (Switch-Ereignis) zur Umschaltung vom Master 2_x auf den Master 2_y . Das Umschaltsignal 10 wird üblicherweise asynchron zum Takt der Zyklen ausgelöst, beispielsweise durch manuelle Betätigung des Umschalters 4. Der Zeitpunkt t = T₁₀ fällt also normalerweise nicht mit einem ganzzahligem Vielfachen der Zykluszeit T_C zusammen. Dagegen werden die Signale 190 und 191 intern vom Umschalter 4 ausgelöst und somit zu den Zeitpunkten T₁₉₀ beziehungsweise T₁₉₁ im Sendeschrittakt des jeweiligen Masters 2_x gesendet.
Gemäß 11 ändert sich durch das Umschaltsignal 10 zum Zeitpunkt T₁₀ der Zustand 200 „Route_Master_x" in „Detect_MST_x". Frühestens nach zwei vollständigen Kommunikationszyklen, also bei t = (n + 3)·T_C, hat der Umschalter 4 im hier gezeigten Beispiel den Zeitschlitz des Master-Synchronisationstelegramms MST vom Master 2_x detektiert und die Zykluszeit T_C des Masters 2_x erfasst. Mit Eintreten des Ereignisses, dass die Zykluszeit T_C erfasst ist, wird das Master-detected-Signal 190 zum Zeitpunkt t = T₁₉₀ ausgelöst.
Gemäß 11 wechselt das System durch das Master-detected-Signal 190 für das Zeitintervall t = (n + 3)·Tc bis t = (n + 104)·Tc in den Zustand 200 „Send_MST_CP0_x". Der Umschalter 4 sendet während der in diesem Zeitintervall liegenden einhundert Kommuni kationszyklen das Master-Synchronisationstelegramm MST mit der Phase CP0. Alle Slaves 3_j fahren ihre Antriebe 31_j herunter und senden in der durch den Umschalter 4 initiierten Phase CP0 selber keine Telegramme. Die Signalweiterleitung zum zuletzt aktiven Master 2_x ist nun unterbrochen und der Master 2_x ist nun deaktiviert. Mit Eintreten des Ereignisses, dass die einhundert Master-Synchronisationstelegramm MST mit der Phase CP0 alle gesendet worden sind, wird das MST-sent-Signal 191 zum Zeitpunkt t = T₁₉₁ ausgelöst.
Ab dem Zeitpunkt t = T₁₉₁ befindet sich die Ringschaltung 1 im Zustand 200 „Route_Master_y". Der Master 2_y kann zu einem beliebigen Zeitpunkt t = T_y größer oder gleich T₁₉₁ beginnen, die Ringschaltung 1 neu zu initialisieren und wird damit aktiviert.
13 zeigt ein digitales Prinzipschaltbild für eine bevorzugte Ausführungsform des Umschalters 4 der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Multiplexer 6 und einem Demultiplexer 7 für die Weiterleitung der elektrischen SERCOS Signale sowie mit einem funktionalen Block 11 für die sichere Umschaltung. Der funktionale Block 11 des Umschalters 4 dient der Signalauswertung und -erzeugung, kurz auch „Signal_Evaluation" genannt. Der funktionale Block 11 steuert den Multiplexer 6 und den Demultiplexer 7 über das Kontrollsignal 100 wie in 10 bereits beschrieben.
In der erweiterten Digitalschaltung für die sichere Umschaltung ist der funktionale Block 11 um einen MST-Detektor 90 für die Zeitschlitzerfassung des jeweils aktiven Masters 2_x und um einen MST-Sender 91 für das Herunterfahren der Slaves 3_j , j = 1 bis n, erweitert. In der einfachen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 10 entspricht der funktionale Block 11 im Wesentlichen der Auswertungseinheit 92 der bevorzugten Ausführungsform nach 13.
Der Ausgang 14 des MST-Senders 91 ist mit den zwei übrigen Eingängen 61₃ und 61₄ des Multiplexers 6 verbunden, um eine durch das Kontrollsignal 100 gesteuerte Signalweiterleitung eines Flying-Master-Signals 140 (Sig_FM_out) des MST-Senders 91 an den ersten Slave 3₁ zu gewährleisten.
Durch ein Umschaltsignal 10 (Switch Signal) am Eingang 13 des funktionalen Blocks 11 wird die Erfassung des Master-Synchronisationstelegramms MST im MST-Detektor 90 gestartet. Das Kontrollsignal 100 bleibt unverändert mit dem Wert „00" beziehungsweise „01" gemäß 11. Nachdem die Erfassung beendet ist, sendet der MST-Detektor 90 ein Master-detected-Signal 190 (Sig_MST_detected) an die Auswertungseinheit 92 (Routing Controller bzw. Route Ctrl) und an den MST-Sender 91.
Durch das Master-detected-Signal 190 wird das höherwertige Bit des Kontrollsignals 100 über die Auswertungseinheit 92 auf den Wert „1" gesetzt und das niederwertige Bit bleibt unverändert. Dadurch nimmt das Kontrollsignal 100 gemäß 11 den Wert „10" beziehungsweise „11" an, und das Flying-Master-Signal 140 wird über den Ausgang 14 an die Eingänge 61₃ und 61₄ und dann weiter an den ersten Slave 3₁ weitergeleitet gemäß den Zeilen Z3 und Z4 der Tabelle 3. Ist der MST-Sender 91 aktiv, wird an die Master 2₁ und 2₂ kein Signal weitergeleitet gemäß den Zeilen Z3 und Z4 der nachfolgenden Tabelle 4. Die Antriebe 31_j der Slaves 3_j können nun heruntergefahren werden.
Ist das Herunterfahren der Antriebe 31_j der Slaves 3_j beendet, sendet der MST-Sender 91 ein MST-sent-Signal 191 an die Auswertungseinheit 92 (Routing Controller), welche dann das höherwertige Bit des Kontrollsignals 100 auf den Wert „0" zurücksetzt und das niederwertige Bit invertiert, wodurch die Signale 122_y des jeweils anderen Masters 2_y , an den ersten Slave 3₁ , bzw. die Signale 132 des letzten Slave 3_n an den jeweils anderen Master 2_y werden. Das Kontrollsignal 100 hat nun den Wert „00" beziehungsweise „01" und die Umschaltung vom Master 2_X auf den anderen Master 2_y ist abgeschlossen.

Der Multiplexer 6 für die bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der sicheren Umschaltung hat die folgende Wahrheitstabelle 3:

Eingänge					Ausgang
63	41₁	41₂	61₃	61₄	43
Kontrollsignal 100 (Sig_Route_int) = „00"	Signal 122₁ (Sig_M1_in)	Signal 122₂	Flying-Master-Signal 140 (Sig_FM_out)	F. M.-Signal 140	Signal 131 (Sig_S1_out) = Signal 122₁ (Sig_M1_in)	Z1
Kontrollsignal 100 = „01"	Signal 122₁	Signal 122₂ (Sig_M2_in)	F. M.-Signal 140	F. M.-Signal 140	Signal 131 = Signal 122₂ (Sig_M2_in)	Z2
Kontrollsignal 100 = „10"	Signal 122₁	Signal 122₂	F. M.-Signal 140	F. M.-Signal 140	Signal 131 = Signal 140	Z3
Kontrollsignal 100 = „11"	Signal 122₁	Signal 122₂	F. M.-Signal 140	F. M.-Signal 140	Signal 131 = Signal 140	Z4

In allen Tabellen steht „0" für logisch 0, „1" für logisch 1, „X" für einen beliebigen logischen Wert eines Signals.

Der Demultiplexer 7 für die bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der sicheren Umschaltung hat die folgende Wahrheitstabelle 4:

Eingänge		Ausgänge
73	44	42₁	42₂
Kontrollsignal 100 (Sig_Route_int) = „00"	Signal 132 (Sig_Sn_in)	Signal 121₁ (Sig_M1_out) = Signal 132	Signal 121₂ (Sig_M2_out) = „0"	Z1
Kontrollsignal 100 = „01"	Signal 132	Signal 121₁ = „0"	Signal 121₂ = Signal 132	Z2
Kontrollsignal 100 = „10"	Signal 132	Signal 121₁ = „0"	Signal 121₂ = „0"	Z3
Kontrollsignal 100 = „11"	Signal 132	Signal 121₁ = „0"	Signal 121₂ = „0"	Z4

Der Demultiplexer 7 verfügt zwar in der hier dargestellten Ausführungsform über vier Ausgänge 42₁ , 42₂ , 72₃ und 72₄ . Es sind jedoch nur die beiden Ausgänge 42_x jeweils mit dem Eingang 21_x der Master 2_x verbunden, da in der Ausführungsform der bevorzugten Vorrichtung 1 nach 13 nur zwei Master 2_x verwendet werden. Die verbleibenden Ausgänge 72₃ und 72₄ sind daher nicht verbunden, das heißt irrelevant hinsichtlich der Funktion des Umschalters 4 für diese Ausführungsform. Es ist jedoch für jeden Fachmann selbstverständlich, dass die Ausgänge 72₃ und 72₄ in analoger Weise mit weiteren Mastern 2_x verbunden werden können, wenn mehr als zwei Master 2_x in die Ringschaltung 1 eingebunden werden sollen, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen. Bei Verwendung von mehr als zwei Mastern 2_x sind entsprechende Multiplexer 6 und Demultiplexer 7 mit mehr Eingängen 41_i beziehungsweise mehr Ausgängen 42_i zu verwenden, und der funktionale Block 11 des Umschalters 4 ist mit einem Kontrollsignal 100 aus mehr als zwei Bits einzurichten, um die Anzahl der Schaltmöglichkeiten abbilden zu können.
Über den Ausgang 42₁ ist der Demultiplexer 7 mit dem ersten Master 2₁ verbunden, wobei der Demultiplexer 7 über seinen Ausgang 42₁ ein Signal 121₁ (Sig_M1_out) an den Empfänger 21₁ des ersten Masters 2₁ senden kann.
Über den Ausgang 42₂ ist der Demultiplexer 7 mit dem zweiten beziehungsweise weiteren Master 2₂ verbunden, wobei der Demultiplexer 7 über seinen Ausgang 42₂ ein Signal 121₂ (Sig_M2_out) an den Empfänger 21₂ des zweiten beziehungsweise weiteren Masters 2₂ senden kann.
Im Folgenden wird eine sichere Umschaltung von Master 2₁ auf Master 2₂ mittels des Umschalters 4 der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 13 dargestellt.
Der Ausgangszustand 200 ist gemäß 11 „Route_Master_1". In diesem Zustand 200 hat das Kontrollsignal 100 den Wert „00". Dadurch ist der Multiplexer 6 so konfiguriert, dass er die Signale 122₁ vom ersten Master 2₁ als Signale 131 (Sig_S1_out) zum ersten Slave 3₁ gemäß Zeile Z1 der Wahrheitstabelle 3 weiterleitet. Der Demultiplexer 7 ist so konfiguriert, dass er die Signale 132 (Sig_Sn_in) vom letzten Slave 3_n als Signale 121₁ (Sig_M1_out) zum ersten Master 2₁ weiterleitet gemäß Zeile Z1 der Wahrheitstabelle 4.
Ein am Eingang 13 des funktionalen Blocks 11 einkommendes Umschaltsignal 10 löst gemäß 11 einen Übergang des Zustands 200 von „Route_Master_1" in „Detect_MST_1" aus. Wie für 12 beschrieben, kann das das Umschaltsignal 10 auslösende Umschaltereignis zu einem beliebigen Zeitpunkt im Kommunikationszyklus stattfinden.
Im Zustand 200 „Detect_MST_1" erfolgt gemäß 11 und gemäß den Zeilen Z1 der Wahrheitstabellen 3 und 4 die Signalweiterleitung wie im Zustand 200 „Route_Master_1". Zusätzlich ist der MST-Detektor 90 aktiv und erfasst, ausgelöst über ein Signal 194 (Sig_Ctrl_CM_in) vom Ausgang 43 des Multiplexers 6 an den Eingang 12 des funktionalen Blocks 11, den Zeitschlitz des aktiven Masters 2_x und die Länge T_C eines Kommunikationszyklus.
Der Zustand 200 „Detect_MST_1” wird gemäß 11 durch ein von einem MST-detected-Ereignis ausgelöstes Master-detected-Signal 190 beendet. Daraufhin erfolgt ein Zustandswechsel in den Zustand 200 „Send_MST_CP0_1". Das Ereignis erfolgt gemäß 12 zum Zeitpunkt t = T₁₉₀ am Ende des zweiten vollständigen Kommunikationszyklus nach dem Umschaltereignis mit dem Umschaltsignal 10. Das Master-detected-Signal 190 wird vom MST-Detektor 90 erzeugt und an die Auswertungseinheit 92 und den MST-Sender 91 gesendet.
Im Zustand 200 „Send_MST_CP0_1" werden die Antriebe der Slaves 3_j heruntergefahren. Dazu wird vom MST-Sender 91 ein Flying-Master-Signal 140 erzeugt. Der Multiplexer 6 ist so eingestellt, dass das erzeugte Flying-Master-Signal 140 an den ersten Slave 3₁ weitergeleitet wird gemäß Zeile Z3 der Tabelle 3. Der Demultiplexer 7 ist so eingestellt, dass keine Signalweiterleitung an die beiden Master 2_i erfolgt gemäß Zeile Z3 der Tabelle 4.
Der Zustand 200 "Send_MST_CP0_1" wird durch ein MST-sent-Ereignis beendet. Daraufhin erfolgt ein Übergang in den Zustand 200 „Route_Master_2" gemäß 11. Das MST-sent-Ereignis wird nach einhundert gesendeten Master-Synchronisationstelegrammen MST mit der Kommunikationsphase CP0 zum Zeitpunkt t = T₁₉₁ ausgelöst. Das MST-sent-Ereignis löst ein MST-sent-Signal 191 aus, welches vom MST-Sender 91 an die Auswertungseinheit 92 geschickt wird.
Mit dem Zustand 200 „Route_Master_2" ist der Endzustand der Umschaltung erreicht. In diesem Zustand 200 hat das Kontrollsignal 100 den Wert „01". Dadurch ist der Multiplexer 6 gemäß Zeile Z2 der Tabelle 3 so konfiguriert, das er die Signale 122₂ vom zweiten Master 2₂ als Signale 131 zum ersten Slave 3₁ weiterleitet. Der Demultiplexer 7 ist so konfiguriert, dass er die Signale 132 vom letzten Slave 3_n als Signale 121₂ zum zweiten Master 2₂ weiterleitet gemäß Zeile Z2 der Tabelle 4.
Die Umschaltung vom ersten Master 2₁ auf den zweiten Master 2₂ ist damit abgeschlossen. Die Umschaltung vom zweiten Master 2₂ auf den ersten Master 2₁ geschieht in analoger Weise wie oben beschrieben.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, den SERCOS-Feldbus zwischen zwei Master-Steuerungen umzuschalten, ohne dass ein Protokollfehler auftritt. So können beispielsweise Tests bei der Neuentwicklung einer Master-Steuerung einfach durchgeführt werden, indem zwischen der neuen Steuerung und einem Referenzsystem mit Hilfe des Umschalters der erfindungsgemäßen Vorrichtung gewechselt wird. Ebenso kann eine Fehlersuche bei der Inbetriebnahme von Anlagen vereinfacht werden, indem zwischen einer bereits lauffähigen und der zu testenden Steuerung gewechselt wird. So kann die Diagnose und die Fehlersuche unterstützt und dadurch Zeit und Geld gespart werden.
In den 1 bis 13 wurde der Stand der Technik bzw. Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, die für die SERCOS I bzw. SERCOS II Technologie geeignet sind. Wie oben bereits beschrieben, kombiniert die neuere SERCOS III Technologie die bisherigen Vorteile von SERCOS mit denen des Ethernets, für die ebenfalls ein geeigneter Umschalter 4 anzugeben ist. Die folgenden Figurenbeschreibungen stellen daher Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar, die für die SERCOS III Technologie und damit auch für die bekannte Ethernet-Technologie geeignet sind.
14 zeigt eine schematische Anschlusssicht einer einfachen SERCOS III und Ethernet-geeigneten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die physikalische bidirektionale Schaltung 8 weist eine Linientopologie auf, betrachtet vom jeweils aktiven Master 2₁ oder 2₂ über den erfindungsgemäßen Umschalter 4 und weiter über die Slaves 3₁ , 3₂ , ..., 3_n . Die Leitungen des bidirektionalen Bussystems 5 sind beispielsweise Kupferleitungen, die in beide Richtungen (birektional) Signale weiterleiten, angedeutet in 14 durch die Pfeile in beiden Richtungen je Leitung.
Die in den vorangehenden Figuren bereits beschriebenen Empfänger 21₁ , 21₂ , 31₁ , 31₂ , ..., 31_n , 41₁ , 41₂ sind in der Ausführungsform nach 14 als Duplex-Anschlüsse (Ports) ausgestaltet, über die bekanntermaßen eine bidirektionale Signalweiterleitung möglich ist. Somit sind diese Empfänger auch gleichzeitig als Sender verwendbar. Entsprechend sind umgekehrt die Sender 22₁ , 22₂ , 32₁ , 32₂ , ..., 32_n , 43 ebenfalls als Duplex-Anschlüsse ausgestaltet und somit auch gleichzeitig als Empfänger verwendbar. Durch die bidirektionale Eigenschaft von Duplex-Anschlüssen kann eine einfache logische Ringschaltung 1 mit dem jeweils aktiven Master 2₁ bzw. 2₂ aufgebaut werden, wie in den 15, 16 dargestellt wird.
Der erfindungsgemäße Umschalter 4 weist in der hier dargestellten Ausführungsform je einen Duplex-Anschluss 41_i zum jeweils aktiven Master 2_i und je einen Duplex-Anschluss 43 zu dem ersten Slave 3₁ auf.
15 zeigt eine schematische Übertragungskanalsicht der bidirektionalen Schaltung 8 nach 14, wobei das Prinzip des Umschalters 4 als mechanischer Schalter dargestellt ist und der erste Master 2₁ aktiv ist. Das bidirektionale Bussystem 5 umfasst einen logischen Hinkanal 81 für eine der beiden Richtungen der Signalweiterleitung und einen logischen Rückkanal 82 für die umgekehrte Richtung der Signalweiterleitung.
In der dargestellten Stellung der Schaltung 8 erfolgt die Signalweiterleitung des logischen Hinkanals 81 und des logischen Rückkanals 82 für den ersten Master 2₁ . Das Signal 132 für den logischen Rückkanal 82 wird von den Slaves 3_n , 3_n-1 , ..., 3₁ nur weitergeleitet. Es erfolgt dabei keine Datenverarbeitung. Die Kanäle 81, 82 bilden eine logische Ringschaltung 1 mit dem ersten Master 2₁ .
16 zeigt eine schematische Übertragungskanalsicht der Schaltung 8 nach 14, wobei im Unterschied zu 15 nun der zweite Master 2₂ aktiv ist, da die Signalweiterleitung des logischen Hinkanals 81 und des logischen Rückkanals 82 für den zweiten Master 2₂ erfolgt. Die Kanäle 81, 82 bilden nun eine logische Ringschaltung 1 mit dem zweiten Master 2₂ .
17 zeigt eine schematische Anschlusssicht einer bevorzugten und Ethernetgeeigneten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die physikalische bidirektionale Schaltung 8 im Gegensatz zur Ausführungsform nach den 14 bis 16 keine lineare, sondern ringförmige Topologie aufweist und dadurch als logische Doppel-Ringschaltung 1 verwendbar ist, wie in den 18, 19 dargestellt. Dafür benötigt der Umschalter 4 zwei (statt einem) Duplex-Anschlüsse 41_i , 42_i je Master 2_i sowie zwei (statt einen) Duplex-Anschlüsse 43, 44 für die Slaves 3₁ , 3₂ , ... 3_n .
18 zeigt eine schematische Übertragungskanalsicht der Schaltung nach 17, wobei das Prinzip des Umschalters 4 als mechanischer Schalter dargestellt ist und der erste Master 2₁ aktiv ist. In der dargestellten Stellung der Schaltung 8 erfolgt die Signalweiterleitung des Hinkanals 81 und des Rückkanals 82 für den ersten Master 2₁ für den ersten logischen Ring 1 (Primärkanal) und den zweiten logischen Ring 1 (Sekundärkanal). Das Signal 132 für den Rückkanal 82 des jeweils aktiven Rings 1 wird von den Slaves 3₁ , 3₂ , ... 3_n weitergeleitet. Es erfolgt dabei keine Datenverarbeitung. Daraus ergibt sich die logische Doppelringstruktur.
19 zeigt eine schematische Übertragungskanalsicht der Schaltung nach 17, wobei der zweite Master 2₂ aktiv ist. In der dargestellten Stellung der Schaltung 8 erfolgt die Signalweiterleitung des Hinkanals 81 und des Rückkanals 82 für den zweiten Master 2₂ für den ersten logischen Ring 1 (Primärkanal) und den zweiten logischen Ring 1 (Sekundärkanal).
20 zeigt ein Zustandsdiagramm mit den SERCOS III Kommunikationsphasen zum Ablauf der Umschaltung zwischen zwei Mastern 2₁ , 2₂ mit dem Umschalter 4 der einfa chen bzw. bevorzugten SERCOS III und Ethernet-geeigneten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung für eine sichere Umschaltung (gemäß den 14 bis 19). Im Unterschied zu 2 wechseln die Teilnehmer bei einem Übertragungsfehler über die Error-Kommunikationspfade 64 in den Zustand „Com Error", von dem aus die Teilnehmer in den Zustand CP0 über den CP0-Com Error-Kommunikationspfad 66 wechseln können. Aus dem Zustand CP0 kann die Kommunikation neu initialisiert werden (Prinzip der „sicheren Umschaltung"). Deswegen muss der Umschalter 4 auf Basis der SERCOS III Technologie keine weiteren Maßnahmen zur sicheren Umschaltung treffen.
Die Umschaltung erfolgt in 20 aufgrund der Ethernet-basierten SERCOS III Technologie nicht opto-mechanisch.
Abschließend sei ganz besonders darauf hingewiesen, dass die Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde. Es ist jedoch für jeden Fachmann selbstverständlich, dass Abwandlungen und Änderungen gemacht werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen. Es ist weiter zu berücksichtigen, dass die Größenverhältnisse der einzelnen Elemente in den Figuren zueinander lediglich zur besseren Darstellung so gewählt werden und dass die realen Größenverhältnisse der Elemente zueinander anders sein können, was jedoch nicht relevant für den Gegenstand der Erfindung ist.
Abkürzungen
SERCOS Geräte:

M1:

erster SERCOS Master 2₁

M2:

zweiter beziehungsweise weiterer SERCOS Master 2₂

S1:

erster SERCOS Slave 3₁

Sn:

n-ter bzw. letzter SERCOS Slave 3_n

Sw:

SERCOS Umschalter 4

SERCOS Telegramme:

CPx:

Kommunikationsphase, x = 0, 1, 2, 3, 4

MST_CPx:

Master Synchronisationstelegramm mit beliebiger Kommunikationsphase CPx

AT:

Antriebstelegramm (Slave Telegramm)

MDT:

Master Datentelegramm

MST_M1_CPx:

Master Synchronisationstelegramm des ersten Masters 2₁ mit beliebiger Kommunikationsphase CPx

MST_M2_CPx:

Master Synchronisationstelegramm des zweiten bzw. weiteren Masters 2₂ mit beliebiger Kommunikationsphase CPx

MST_FM_CPO:

Master Synchronisationstelegramm des Flying Masters des Umschalters 4 mit Kommunikationsphase CP0

MST_M1_CPO:

Master Synchronisationstelegramm des ersten Masters 2₁ mit Kommunikationsphase CP0

MST_M2_CPO:

Master Synchronisationstelegramm des zweiten bzw. weiteren Masters 2₂ mit Kommunikationsphase CP0

Signal-Eingänge:

M1_in:

optischer bzw. elektrischer Signal-Eingang 21₁ des ersten SERCOS Masters 2₁

M2_in:

optischer bzw. elektrischer Signal-Eingang 21₂ des zweiten bzw. weiteren SERCOS Masters 2₂

S1_in:

optischer bzw. elektrischer Signal-Eingang 31₁ des ersten SERCOS Slaves 3₁

Sn_in:

optischer bzw. elektrischer Signal-Eingang 31_n des n-ten bzw. letzten SERCOS Slaves 3_n

Sw_M1_in:

optischer bzw. elektrischer Signal-Eingang 41₁ des SERCOS Umschalters 4 für das Ausgangssignal des ersten SERCOS Masters 2₁

Sw_M2_in:

optischer bzw. elektrischer Signal-Eingang 41₂ des SERCOS Umschalters 4 für das Ausgangssignal des zweiten bzw. weiteren SERCOS Masters 2₂

Sw_Sn_in:

optischer bzw. elektrischer Signal-Eingang 44 des SERCOS Umschalters 4 für das Ausgangssignal des n-ten bzw. letzten SERCOS Slaves 3_n

Signal-Ausgänge:

M1_out:

optischer bzw. elektrischer Signal-Ausgang 22₁ des ersten SERCOS Masters 2₁

M2_out:

optischer bzw. elektrischer Signal-Ausgang 22₂ des zweiten bzw. weiteren SERCOS Masters 2₂

S1_out:

optischer bzw. elektrischer Signal-Ausgang 32₁ des ersten SERCOS Slaves 3₁

Sn_out:

optischer bzw. elektrischer Signal-Ausgang 32_n des n-ten bzw. letzten SERCOS Slaves 3_n

Sw_M1_out:

optischer bzw. elektrischer Signal-Ausgang 42₁ des SERCOS Umschalters 4 für das Eingangssignal des ersten SERCOS Masters 2₁

Sw_M2_out:

optischer bzw. elektrischer Signal-Ausgang 42₂ des SERCOS Umschalters 4 für das Eingangssignal des zweiten bzw. weiteren SERCOS Masters 2₂

Sw_S1_out:

optischer bzw. elektrischer Signal-Ausgang 43 des SERCOS Umschalters 4 für das Eingangssignal des ersten SERCOS Slaves 3₁

Eingangssignale:

Sig_M1_in:

optisches bzw. elektrisches Eingangssignal des SERCOS Umschalters 4, welches dem Ausgangssignal 122₁ des ersten SERCOS Masters 2₁ entspricht

Sig_M2_in:

optisches bzw. elektrisches Eingangssignal des SERCOS Umschalters 4, welches dem Ausgangssignal 122₂ des zweiten bzw. weiteren SERCOS Masters 2₂ entspricht

Sig_Sn_in:

optisches bzw. elektrisches Eingangssignal des SERCOS Umschalters 4, welches dem Ausgangssignal 132 des n-ten bzw. letzten SERCOS Slaves 3_n entspricht

Ausgangssignale:

Sig_M1_out:

optisches bzw. elektrisches Ausgangssignal des SERCOS Umschalters 4, welches dem Eingangssignal 121₁ des ersten SERCOS Masters 2₁ entspricht

Sig_M2_out:

optisches bzw. elektrisches Ausgangssignal des SERCOS Umschalters 4, welches dem Eingangssignal 121₂ des zweiten SERCOS Masters 2₂ entspricht

Sig_S1_out:

optisches bzw. elektrisches Ausgangssignal des SERCOS Umschalters 4, welches dem Eingangssignal 131 des ersten SERCOS Slaves 3₁ entspricht

Interne Module des SERCOS Umschalters 4:

Mux:

Multiplexer 6 (4 Eingänge auf 1 Ausgang)

Demux:

Demultiplexer 7 (1 Eingang auf 4 Ausgänge)

Ctrl:

funktionaler Block 11 zur Steuerung der einfachen bzw. sicheren Umschaltung

MST-Detektor:

Einheit 90 des funktionalen Blocks 11 zur Auswertung des Signals des aktiven Masters 2_i

MST-Sender:

Einheit 91 des funktionalen Blocks 11 zur Generierung eines SERCOS Mastersignals

Route Ctrl:

Einheit 92 des funktionalen Blocks 11 zur Auswertung der modulinternen Signale und zur Steuerung der Signalweiterleitung

Interne Signal-Eingänge des SERCOS Umschalters 4:

Mux_Route_in:

Eingang 63 des Multiplexers 6 für das Steuersignal des funktionalen Blocks 11

Demux_Route_in:

Eingang 73 des Demultiplexers 7 für das Steuersignal des funktionalen Blocks 11

Switch_in:

Eingang 13 des funktionalen Blocks 11 für das Umschaltsignal 10

Ctrl_CM_in:

Eingang 12 des funktionalen Blocks 11 für das Ausgangsignal des jeweils aktiven Masters 2_i am Ausgang 43 des Multiplexers 6 des Umschalters 4, wobei dieses Ausgangssignal dem Eingangssignal des ersten Slaves 3₁ entspricht

Interne Signal-Ausgänge des SERCOS Umschalters 4:

Ctrl_Route_out:

Ausgang 15 des funktionalen Blocks 11 für das Steuersignal zum Multiplexer 6 und zum Demultiplexer 7

Ctrl_FM_out:

Ausgang 14 des funktionalen Blocks 11 für das vom funktionalen Blocks 11 generierte SERCOS Mastersignal

Interne Signale des SERCOS Umschalters 4:

Sig_Route_int:

vom Ausgang 15 (Ctrl_Route_out) generiertes internes Kontrollsignal 100, welches den Zustand der Signalweiterleitung repräsentiert

Sig_FM_out:

vom Ausgang 14 des funktionalen Blocks 11 generiertes internes elektrisches Flying-Master-Signal 140

Sig_MST_detected_int:

internes Master-detected-Signal 190 vom MST-Detektor 90 zur Auswertungseinheit 92 des funktionalen Blocks 11, wobei das Signal das MST_detected Ereignis während der Umschaltung dem Ausgang Ctrl_FM_out 14 des funktionalen Blocks 11 generiertes elektrisches SERCOS Mastersignal

Sig_Switch_in:

repräsentiert

Sig_MST_sent_int:

internes Signal 191 vom MST-Sender 91 zur Auswertungseinheit 92 des funktionalen Blocks 11, welches das MST_sent Ereignis während der Umschaltung repräsentiert

1: logische Ringschaltung
2: Master
21: Empfänger (Eingang) des Masters (Duplex-Anschluss)
22: Sender (Ausgang) des Masters (Duplex-Anschluss)
3: Slave (Antrieb)
31: Empfänger (Eingang) des Slaves (Duplex-Anschluss)
32: Sender (Ausgang) des Slaves (Duplex-Anschluss)
4: Umschalter
41: Empfänger (Eingang) des Umschalters (Duplex-Anschluss)
42: Sender (Ausgang) des Umschalters an Master (Duplex-Anschluss)
43: Sender (Ausgang) des Umschalters an Slave (Duplex-Anschluss)
44: Empfänger (Eingang) des Umschalters von Slave (Duplex-Anschluss)
5: Bussystem
57: Datenknotenpunkt
6: Multiplexer
61: Eingang des Multiplexers
63: Eingang des Multiplexers
7: Demultiplexer
72: Ausgang des Demultiplexers
73: Eingang des Demultiplexers
8: bidirektionale Schaltung
81: logischer Hinkanal
82: logischer Rückkanal
90: MST-Detektor des funktionalen Blocks
91: MST-Sender des funktionalen Blocks
92: Auswertungseinheit des funktionalen Blocks
10: Umschaltsignal (Signal des Umschalters; Sig_Switch_in)
11: funktionaler Block („Signal_Evaluation"; Kontrollblock)
12: erster Eingang des funktionalen Blocks für das Ausgangssignal des Multiplexers
13: zweiter Eingang des funktionalen Blocks für das Umschaltsignal
14: erster Ausgang des funktionalen Blocks für das vom funktionalen Block generierte SERCOS Mastersignal („Master CP0_out_Signal" bzw. Flying Master Signals bzw. Sig_FM_out)
15: zweiter Ausgang des funktionalen Blocks für das Kontrollsignal zum Multiplexer und Demultiplexer
20: opto-mechanische Kopplung
40: opto-mechanische Umschaltung
400: Ethernet-basierte Umschaltung
60: Initialisierungs-Kommunikationspfad
62: Failsafe-Kommunikationspfad
64: Error-Kommunikationspfad
66: CP0-Com Error-Kommunikationspfad
100: Kontrollsignal vom funktionalen Block an Multiplexer und Demultiplexer (Sig_Route_int)
121: Signal an Master (Sig_M1_out, Sig_M2_out)
122: Signal vom Master (Sig_M1_in, Sig_M2_in)
131: Signal an ersten Slave (Sig_S1_out)
132: Signal vom letzten Slave (Sig_Sn_in)
140: Flying-Master-Signal vom ersten Ausgang des funktionalen Blocks an den Multiplexer (Sig_FM_out, Master_CP0_out_Signal)
190: Master-detected-Signal vom MST-Detektor des funktionalen Blocks (Sig_MST_detected_int)
191: MST-sent-Signal vom MST-Sender des funktionalen Blocks an die Auswertungseinheit des funktionalen Blocks (Sig_MST_sent_int)
194: Master-in-Signal vom Multiplexer an den ersten Eingang des funktionalen Blocks (Sig_Ctrl_CM_in)
200: Zustand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19815097 A1 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- IEC 61491 [0003]
- EN 61491 [0003]
- http://www.luxlink.com/products/os-3121.htm [0007]
- http://www.electrostandards.com/switches-fiberoptic.htm [0007]

Claims

Vorrichtung zur wahlweisen Umschaltung von mindestens zwei Mastern (2₁ , 2₂ ) für mindestens einen zugeordneten Slave (3₁ , 3₂ , ... 3_n ), wobei jeweils einer der mindestens zwei Master (2₁ , 2₂ ) und die Slaves (3₁ , 3₂ , ... 3_n ) durch mindestens eine logische Ringschaltung (1) über ein Bussystem (5) verbunden sind, wobei ein Umschalter (4) vorgesehen ist, der wahlweise den jeweils sich aktiv in der mindestens einen logischen Ringschaltung (1) befindlichen Master (2₁ , 2₂ ) gegen einen anderen der mindestens zwei Master (2₁ , 2₂ ) in der mindestens einen logischen Ringschaltung (1) austauscht, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschalter (4) als Digitalschaltung realisiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschalter (4) die folgenden Elemente umfasst: • jeweils einen dem jeweiligen Master (2₁ , 2₂ ) zugeordneten Empfänger (41₁ , 41₂ ) des Umschalters (4), wobei der Umschalter (4) derart mit dem jeweiligen Master (2₁ , 2₂ ) verbunden ist, dass ein jeweiliger Sender (22₁ , 22₂ ) des jeweiligen Masters (2₁ , 2₂ ) Signale (122₁ , 122₂ ) an den jeweiligen Empfänger (41₁ , 41₂ ) des Umschalters (4) sendet; • jeweils einen dem jeweiligen Master (2₁ , 2₂ ) zugeordneten Sender (42₁ , 42₂ ) des Umschalters (4), wobei der Umschalter (4) derart mit dem jeweiligen Master (2₁ , 2₂ ) verbunden ist, dass der jeweilige Sender (42₁ , 42₂ ) des Umschalters (4) Signale (121₁ , 121₂ ) an einen jeweiligen Empfänger (21₁ , 21₂ ) des jeweiligen Masters (2₁ , 2₂ ) sendet; • einen Sender (43) des Umschalters (4), wobei der Umschalter (4) derart mit dem ersten Slave (3₁ ) der mindestens einen Slaves (3₁ , 3₂ , ... 3_n ) verbunden ist, dass der Sender (43) des Umschalters (4) Signale (131) an einen Empfänger (31₁ ) des ersten Slaves (3₁ ) sendet; und • einen Empfänger (44) des Umschalters (4), wobei der Umschalter (4) derart mit dem letzten Slave (3_n ) der mindestens einen Slaves (3₁ , 3₂ , ... 3_n ) verbunden ist, dass der Empfänger (44) des Umschalters (4) Signale (132) von einem Sender (32_n ) des letzten Slaves (3_n ) empfängt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschalter (4) einen Multiplexer (6) und einen Demultiplexer (7) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschalter (4) einen funktionalen Block (11) umfasst, der mit dem Multiplexer (6) und dem Demultiplexer (7) über die Ringschaltung (1) auf dem Bussystem (5) kommuniziert.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der funktionale Block (11) einen ersten Eingang (12) umfasst, an dem der funktionale Block (11) ein Master-in-Signal (194) vom Multiplexer (6) empfängt, dass der funktionale Block (11) einen zweiten Eingang (13) umfasst, an dem der funktionale Block (11) ein Umschaltsignal (10) vom Umschalter (4) empfängt, dass der funktionale Block (11) einen ersten Ausgang (14) umfasst, von dem der funktionale Block (11) ein Flying-Master-Signal (140) an den Multiplexer (6) sendet, und dass der funktionale Block (11) einen zweiten Ausgang (15) umfasst, von dem der funktionale Block (11) ein Kontrollsignal (100) an den Multiplexer (6) und an den Demultiplexer (7) sendet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (41₁ ) ein Eingang des Multiplexers (6) ist, über den das Signal (122₁ ) vom Sender (22₁ ) des ersten Masters (2₁ ) empfangbar ist, und dass der Empfänger (41₂ ) ein weiterer Eingang des Multiplexers (6) ist, über den das Signal (122₂ ) vom Sender (22₂ ) des zweiten beziehungsweise weiteren Masters (2₂ ) empfangbar ist, und dass der Sender (43) ein Ausgang des Multiplexers (6) ist, über den das Signal (131) an den Empfänger (31₁ ) des ersten Slaves (3₁ ) sendbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (42₁ ) ein Ausgang des Demultiplexers (7) ist, über den das Signal (121₁ ) an den Empfänger (21₁ ) des ersten Masters (2₁ ) sendbar ist, wobei die Verbindung zwischen dem Sender (42₁ ) und dem ersten Master (2₁ ) nur zustande kommt, wenn alle Slaves (3₁ , 3₂ , ..., 3_n ) betriebsbereit sind, und dass der Ausgang (42₂ ) ein Ausgang des Demultiplexers (7) ist, über den das Signal (121₂ ) an den Empfänger (21₂ ) des zweiten beziehungsweise weiteren Masters (2₂ ) sendbar ist, wobei die Verbindung zwischen dem Sender (42₂ ) und dem zweiten beziehungsweise weiteren Master (2₂ ) nur zustande kommt, wenn alle Slaves (3₁ , 3₂ , ..., 3_n ) betriebsbereit sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bussystem (5) der mindestens einen logischen Ringschaltung (1) bidirektional bezüglich der Signalweiterleitung ist, wofür das Bussystem (5) einen logischen Hinkanal (81) für eine der beiden Richtungen der Signalweiterleitung und einen logischen Rückkanal (82) für die umgekehrte Richtung der Signalweiterleitung umfasst, wobei die Signalweiterleitung im logischen Hinkanal (81) vom jeweils aktiven Master (2_i ) über den Sender (22_i ) des aktiven Masters (2_i ) an den Empfänger (41_i ) des Umschalters (4), weiter über den Sender (43) des Umschalters (4), weiter über die Empfänger (31₁ , ..., 31_n ) im Wechsel mit den Sendern (31₁ , ..., 31_n-1 ) der Slaves (3₁ , ..., 3_n ) erfolgt, und wobei die Signalweiterleitung über den logischen Rückkanal (82) zunächst über die Sender (32_n-1 , 32_n-2 , ..., 32₁ ) im Wechsel mit den Empfängern (31_n , ..., 31₁ ) der Slaves (3₁ , ..., 3_n ), weiter über den Sender (43) des Umschalters (4), den Empfänger (41_i ) des Umschalters (4) an den Sender (22_i ) des aktiven Masters (2_i ) erfolgt, wobei die Empfänger (21₁ , 21₂ , 31₁ , 31₂ , ..., 31_n , 41₁ , 41₂ ) und die Sender (22₁ , 22₂ , 32₁ , 32₂ , ..., 32_n-1 , 43) als Duplex-Anschlüsse ausgestaltet sind, und wobei der logische Hinkanal (81) mit dem logischen Rückkanal (82) eine logische Ringschaltung (1) bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfänger (21_i ) der Master (2_i ), die Sender (42_i ) und der Empfänger (44) des Umschalters (4) sowie der Sender (32_n ) des letzten Slaves (3_n ) ebenfalls als Duplex-Anschlüsse ausgestaltet sind und somit für jeden aktiven Master (2_i ) zwei logische Ringschaltungen (1) zur Verfügung stellen.
Verfahren zur wahlweisen Umschaltung von mindestens zwei Mastern (2₁ , 2₂ ) für mindestens einen zugeordneten Slave (3₁ , 3₂ , ..., 3_n ), wobei jeweils einer der mindestens zwei Master (2₁ , 2₂ ) und die Slaves (3₁ , 3₂ , ..., 3_n ) durch eine mindestens logische Ringschaltung (1) über ein Bussystem (5) verbunden sind, wobei ein Umschalter (4) vorgesehen ist, der wahlweise den jeweils sich aktiv in der Ringschaltung (1) befindlichen Master (2₁ , 2₂ ) gegen einen anderen der mindestens zwei Master (2₂ , 2₁ ) in der Ringschaltung (1) austauscht, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschalter (4) als Digitalschaltung realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte, • dass ein jeweiliger Sender (22₁ , 22₂ ) des jeweiligen Masters (2₁ , 2₂ ) Signale (122₁ , 122₂ ) an einen jeweiligen Empfänger (41₁ , 41₂ ) des Umschalters (4) sendet; • dass ein jeweiliger Sender (42₁ , 42₂ ) des Umschalters (4) Signale (121₁ , 121₂ ) an einen jeweiligen Empfänger (21₁ , 21₂ ) des jeweiligen Masters (2₁ , 2₂ ) sendet; • dass ein Sender (43) des Umschalters (4) Signale (131) an einen Empfänger (31₁ ) des ersten Slave (3₁ ) der mindestens einen Slaves (3₁ , 3₂ , ..., 3_n ) sendet; und • dass ein Empfänger (44) des Umschalters (4) Signale (132) von einem Sender (32_n ) des letzten Slave (3_n ) der mindestens einen Slaves (3₁ , 3₂ , ..., 3_n ) empfängt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschalter (4) einen funktionalen Block (11) umfasst, der mit einem Multiplexer (6) und einem Demultiplexer (7) über die Ringschaltung (1) auf dem Bussystem (5) kommuniziert.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der funktionale Block (11) einen ersten Eingang (12) umfasst, an dem der funktionale Block (11) ein Master-in-Signal (194) vom Multiplexer (6) empfängt, dass der funktionale Block (11) einen zweiten Eingang (13) umfasst, an dem der funktionale Block (11) ein Umschaltsignal (10) vom Umschalter (4) empfängt, dass der funktionale Block (11) einen ersten Ausgang (14) umfasst, von dem der funktionale Block (11) ein Flying-Master-Signal (140) an den Multiplexer (6) sendet, und dass der funktionale Block (11) einen zweiten Ausgang (15) umfasst, von dem der funktionale Block (11) ein Kontrollsignal (100) an den Multiplexer (6) und an den Demultiplexer (7) sendet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Multiplexer (6) über den Empfänger (41₁ ) das Signal (122₁ ) vom Sender (22₁ ) des ersten Masters (2₁ ) und über den Empfänger (41₂ ) das Signal (122₂ ) vom Sender (22₂ ) des zweiten beziehungsweise weiteren Masters (2₂ ) empfängt, und über den Sender (43) das Signal (131) an den Empfänger (31₁ ) des ersten Slaves (3₁ ) sendet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Demultiplexer (7) über den Sender (42₁ ) das Signal (121₁ ) an den Empfänger (21₁ ) des ersten Masters (2₁ ) sendet, wobei die Verbindung zwischen dem Sender (42₁ ) und dem ersten Master (2₁ ) nur zustande kommt, wenn alle Slaves (3₁ , 3₂ , ..., 3_n ) betriebsbereit sind, und dass der Demultiplexer (7) über den Sender (42₂ ) das Signal (121₂ ) an den Empfänger (21₂ ) des zweiten beziehungsweise weiteren Masters (2₂ ) sendet, wobei die Verbindung zwischen dem Sender (42₂ ) und dem zweiten beziehungsweise weiteren Masters (2₂ ) nur zustande kommt, wenn alle Slaves (3₁ , 3₂ , ..., 3_n ) betriebsbereit sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschalter (4) mithilfe eines Broadcast Telegramms alle Slaves (3₁ , 3₂ , ..., 3_n ) in einen nicht betriebsbereiten Zustand 200 bringt, bevor von dem Umschalter (4) Daten des zu aktivierenden, anderen jeweiligen Masters (2₁ , 2₂ ) an die Slaves (3₁ , 3₂ , ..., 3_n ) weitergeleitet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung zwischen den Mastern (2₁ , 2₂ ) in jedem Betriebszustand der Master (2₁ , 2₂ ) und Slaves (3₁ , 3₂ , ..., 3_n ) möglich ist.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der funktionale Block (11) durch das am zweiten Eingang (13) ankommende Umschaltsignal (10) die Empfänger (21₁ , 21₂ ) und die Sender (21₁ , 21₂ ) der jeweiligen Master (2₁ , 2₂ ) mittels des Kontrollsignals (100) am zweiten Ausgang (15) des funktionalen Blocks (11) steuert.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst ein Zeitschlitz eines Synchronisationstelegramms des jeweiligen Masters (2₁ , 2₂ ) detektiert wird, wobei in diesem Zeitschlitz ein eigenes Synchronisationstelegramm gesendet wird, welches die Slaves (3₁ , 3₂ , ..., 3_n ) in den nicht betriebsbereiten Zustand 200 bringt, und nachdem alle Slaves (3₁ , 3₂ , ..., 3_n ) diesen Zustand 200 erreicht haben, werden die Signale (122₁ , 122₂ ) des jeweils anderen Masters (2₂ , 2₁ ) an die Slaves (3₁ , 3₂ , ..., 3_n ) weitergeleitet.