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Die
Erfindung betrifft ein Bussystem.
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Bei
den in Rede stehenden Bussystemen handelt es sich generell um nach
dem Master-Slave-Prinzip arbeitende Bussysteme. Insbesondere bildet
das Bussystem ein Feldbussystem, bei welchem die Slaves von Sensoren
und/oder Aktoren gebildet sind. Diese Sensoren und/oder Aktoren
können
zur Überwachung
und Steuerung von Prozessen in Maschinen und Anlagen eingesetzt
werden. Wenn es sich bei diesen Anordnungen um sicherheitskritische Applikationen
handelt, muss das Feldbussystem, um die erforderlichen Sicherheitsstandards,
insbesondere Sicherheitsnormen, zu erfüllen, fehlersicher arbeiten.
Um diese Sicherheitsstandards zu erfüllen, kann, wie in der
DE 198 15 148 B4 beschrieben,
das Bussystem einen Busmonitor in Form einer redundanten Auswerteeinheit
aufweisen. Der Busmonitor bildet eine selbständige, vom Master und den Slaves unabhängige und
separate Einheit. Dieser Busmonitor hört die über das Bussystem zwischen
dem Master und den Slaves übertragenen
Nachrichten mit. Durch die Überprüfung der
Nachrichten in der redundanten Auswerteeinheit wird das für einen
Einsatz im Personenschutz erforderliche Sicherheitsniveau erreicht,
ohne dass die Slaves selbst hierfür einen redundanten Aufbau
aufweisen müssen.
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Die
EP 1 327 922 B1 betrifft
eine Sicherheitsschalteranordnung mit einer vorgegebenen Anzahl von
Schaltsignalen generierenden Ausgangsstufen, wobei in Abhängigkeit
der Schaltsignale an die Ausgangsstufen angeschlossene Arbeitsgeräte aktivierbar
oder deaktivierbar sind, und wobei die Ausgangsstufen Slaves eines
nach dem Master-Slave-Prinzip arbeitenden Bussystems bilden, welchem
ein Sicherheitsmonitor zum Abhören
der über
das Bussystem übertrage nen
Signale zugeordnet ist. Der Master des Bussystems kann im Sicherheitsmonitor
integriert sein.
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Die
DE 102 52 278 B4 betrifft
einen Systemintegrierten Busmonitor für Datenkommunikationssysteme
mit mindestens einem Interface zu einem seriellen Bussystem, insbesondere
einem Feldbussystem, das Feldbusanschlüsse für Feldgeräte an ein Prozessleitsystem
mittels eines Feldbusanschlusses aufweist. Zur Aufzeichnung der
auf dem Feldbus übertragenen
Daten ist ein Controller mit einem Feldbus-Interface mit einer im
Monitormodus betriebenen Feldbusanschaltung an den Feldbus angeschlossen,
dessen Feldbus-Interface dem Interface parallelgeordnet ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bussystem der eingangs
genannten Art bereitzustellen, welches bei möglichst einfachem Aufbau eine
hohe Funktionalität
aufweist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte
Ausführungsformen
und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Das
erfindungsgemäße Bussystem
umfasst einen Master und eine Anordnung von Slaves, welche über Busleitungen
an den Master angeschlossen und von diesem zyklisch abgefragt werden.
Weiterhin umfasst das Bussystem einen Busmonitor, welcher zwischen
dem Master und den Slaves ausgetauschte Nachrichten mithört und dadurch überwacht.
Es sind Module vorgesehen, die sowohl Komponenten des Masters als
auch des Busmonitors sind und die vom Master und vom Busmonitor
gemeinsam genutzt werden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Bussystem sind
die Slaves von Sensoren oder Aktoren gebildet. Bei einem Einsatz
in sicherheitskritischen Anwendungen, insbesondere im Bereich des
Personenschutzes, dienen die Sensoren beispielsweise zur Absicherung
von Gefahrenbereichen an Maschinen oder Anlagen. Mit den Aktoren
wiederum können
sicherheitskritische Prozesse gesteuert werden.
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Der
Master übernimmt
wie bei jedem nach dem Master-Slave-Prinzip arbeitenden System die Steuerung
der Busfunktionen, indem er zyklisch die Slaves abfragt und die
Antworten der Slaves hierauf registriert.
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Mit
den Busmonitoren werden generell die normativen Anforderungen für den Einsatz
des Bussystems im Bereich der Sicherheitstechnik erfüllt, indem
er die zwischen den Busteilnehmern, das heißt dem Master und des Slaves, übertragenen
Nachrichten mithört
und sicher auswertet.
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Der
Grundgedanke der Erfindung besteht dann, den Master und den Busmonitor
nicht als physikalisch unabhängige
und separate Einheiten auszubilden, sondern vielmehr Module, vorzusehen,
die vom Master und dem Busmonitor gemeinsam genutzt werden, ohne
dabei die Funktionalitäten
des Masters und des Busmonitors einzuschränken. Durch die gemeinsame
Nutzung dieser Mo dule ergibt sich eine signifikante Reduzierung
des konstruktiven Aufwands des Bussystems. Die einzelnen Module können einzeln
oder in Gruppen auf geeigneten Hardware-Einheiten implementiert
werden.
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Besonders
vorteilhaft ist für
den Master und den Busmonitor als erste gemeinsam genutzte Einheit
eine Ankopplungseinheit vorgehen. Diese übernimmt bei Einlesen von analogen
Signalen von den Busleitungen in den Master und den Busmonitor die Umsetzung
dieser analogen Signale in digitale Signale. Umgekehrt setzt die
Ankopplungseinheit bei einem Auslesen auf die Busleitung digitale
Signale in analoge Signale um. Da diese Umsetzung für den Master
und Busmonitor in identischer Weise erfolgt, kann die Ankopplungseinheit
ohne weiteres für
beide dieser Einheiten genutzt werden. Die Ankopplungseinheit besteht
besonders vorteilhaft aus einem integrierten Schaltkreis, insbesondere
einem ASIC.
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Als
zweite vom Master und Busmonitor gemeinsam genutzte Einheit ist
vorteilhaft eine Verarbeitungseinheit vorgesehen, in welcher generell
eine Überprüfung der
digitalen Signale erfolgt. Der Umfang der Prüfung dieser Signale kann für den Master einerseits
und den Busmonitor andererseits unterschiedlich sein, wobei dennoch
hierfür
die Verarbeitungseinheit als gemeinsam genutztes Modul eingesetzt
werden kann.
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Die
logische Masterfunktion, wie zum Beispiel das zyklische Abfragen
der Slaves einerseits und die sicherheitsrelevanten Funktionen des
Busmonitors werden dagegen in separaten Einheiten abgearbeitet.
Die logischen Masterfunktionen werden auf einer eine einkanalige
Struktur aufweisenden Master-Verarbeitungseinheit,
insbesondere einer einzelnen Rechnereinheit, durchgeführt. Demgegenüber werden
die sicherheitsrelevanten Funktionen des Busmonitors, insbesondere
eine sichere Überprüfung der über das
Bussystem übertragenen
Nachrichten als Daten des Busmonitors, in einer zweikanaligen Struktur
oder allgemein einer Struktur mit zwei unabhängigen Prozessen durchgeführt.
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Insbesondere
können
hierzu zwei sich gegenseitig überwachende
Rechnereinheiten vorgesehen sein.
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Das
Bussystem kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
mehrere Netzwerke mit jeweils einem Master, einer Anordnung von
diesem Master zyklisch abgefragten Slaves und einem Busmonitor,
der über
dieses Netzwerk übertragene Nachrichten überwacht,
aufweisen. Für
jedes Netzwerk sind Module vorgesehen, mittels derer sowohl Funktionen
des Masters als auch des Busmonitors erfüllt werden.
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Der
Master und der Busmonitor für
jedes Netzwerk nutzen vorteilhaft wieder die Ankopplungseinheit
und die Verarbeitungseinheit als gemeinsame Hardware-Komponenten,
wodurch sich wieder eine konstruktive Vereinfachung im Aufbau des
Masters und des jeweiligen Busmonitors ergibt.
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Eine
weitere wesentliche Vereinfachung des Aufbaus kann dadurch erzielt
werden, dass zwei Rechnereinheiten oder allgemein eine zweikanalige Struktur
zur sicheren Überprüfung der
Daten der Busmonitore verwendet werden kann. Durch diese Mehrfachnutzung
der Rechnereinheiten für
die Busmonitore wird die Anzahl der Hardware-Komponenten zur Ausbildung
der beiden Master und Busmonitoren signifikant reduziert.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1:
Beispiel eines Bussystems gemäß dem Stand
der Technik.
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2:
Erstes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Bussystems.
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3:
Hardware-Aufbau für
den Master und den Busmonitor des Bussystems gemäß 2.
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4:
Zweites Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Bussystems.
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5:
Hardware-Aufbau für
die Master und die Busmonitoren des Bussystems gemäß 4.
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6:
Drittes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Bussystems.
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1 zeigt
ein Beispiel eines aus dem Stand der Technik bekannten Bussystems 1.
Das Bussystem 1 arbeitet nach dem Master-Slave-Prinzip
und weist einen Bus-Master 2 sowie eine Anzahl von Slaves 3 auf,
die über
Busleitungen 4 an den Bus-Master 2 angeschlossen
sind.
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Bei
dem Bussystem 1 handelt es sich um ein Feldbussystem, bei
welchem als Slaves 3 Sensoren und/oder Aktoren an den Bus-Master 2 angeschlossen
sind.
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Im
vorliegenden Fall ist das Bussystem 1 vom ASi-Bussystem
gebildet. Das ASi-Bussystem ist insbesondere für den Anschluss von binären Sensoren
und Aktoren konzipiert. Die Funktionsweise des ASi-Bussystems ist
in „AS-Interface-Das Aktuator Sensor
Interface für
die Automation”,
Werner Kriesel, Otto W. Madelung, Carl Hauser Verlag, 2. Auflage 1998
beschrieben.
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Bei
diesem Bussystem 1 können
bis zu 31 Slaves 3 an den Bus-Master 2 angeschlossen
werden. Durch die Verwendung sogenannter A/B-Slaves können bis
zu 62 Slaves vom Bus-Master 2 verwaltet werden. Der Bus-Master 2 steuert
die Kommunikation mit den Slaves 3. Durch ein Polling fragt
der Bus-Master 2 die Slaves 3 unter vorgegebenen
Slave-Adressen zyklisch ab, worauf die Slaves 3 Antworten
an den Bus-Master 2 zurücksenden.
Bei dem ASi-Bussystem überträgt der Bus-Master 2 hierbei
4 bit-Daten an die jeweiligen Slaves 3. Auch die Slave-Antworten
enthalten 4 bit-Daten.
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Die
Nachrichten, das heißt
die Anfragen des Bus-Masters 2 und die Antworten der Slaves 3,
werden als analoge Spannungssignale über die Busleitung 4 übertragen.
Im Bus-Master 2 ist eine Ankopplungseinheit 5 vorgesehen,
in welcher die einzulesenden analogen Signale in digitale Signale
gewandelt werden. Umgekehrt werden vom Bus-Master 2 auszulesende
digitale Signale in der Ankopplungseinheit 5 in analoge
Signale gewandelt.
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In
einer der Ankopplungseinheiten 5 nachgeordneten Verarbeitungseinheit 6 erfolgt
eine Überprüfung der
digitalen Signale. Insbesondere erfolgt dort eine Überprüfung der
Bitzeiten der digitalen Signale sowie gegebenenfalls eine Fehlerkorrektur
der digitalen Signale und eine Ausfilterung von Störsignaleinheiten.
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Weiterhin
umfasst der Bus-Master 2 eine Logikeinheit 7,
vorzugsweise in Form von Software-Modulen, mittels derer die Masterfunktionen,
das heißt der
Pollingbetrieb zur zyklischen Abfrage der Slaves 3, realisiert
werden.
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Wie
mit dem an die Logikeinheit 7 anschließenden Doppelpfeil angedeutet,
kann über
diese der Bus-Master 2 auch mit einer übergeordneten Einheit wie einer
Steuerung oder einem Host-Rechner kommunizieren.
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Im
vorliegenden Fall wird das Bussystem 1 im Bereich der Sicherheitstechnik,
insbesondere im Bereich des Personenschutzes eingesetzt. Beispielsweise
können
dabei die Slaves 3 von Sensoren gebildet sein, mittels
der Gefahrenbereiche an Maschinen und Anlagen überwacht werden, um dort gefahrbringendes
Eindringen von Personen und sicherheitskritischen Objekten zu detektieren.
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Zur
Erfüllung
der hierfür
gestellten Sicherheitsanforderungen, insbesondere Sicherheitsnormen,
ist als Busteilnehmer des Bussystems 1 ein Monitor 8 vorgesehen.
Der Monitor 8 hört
die über
das Bussystem 1 übertragenden
Nachrichten mit, wobei der Monitor 8 die dabei einzulesenden
Daten sicher, das heißt
fehlersicher überprüft und auswertet.
Durch den so ausgebildeten Monitor 8 kann das erforderliche
Sicherheitsniveau auch dann erreicht werden, wenn die Slaves 3 selbst
keinen fehlersicheren Aufbau aufweisen.
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Auch
der Monitor 8 weist, wie der Bus-Master 2, eine
Ankopplungseinheit 5a zur Umwandlung analoger Signale in
digitale Signale beziehungsweise umgekehrt auf. Ebenso weist der
Monitor 8 eine Verarbeitungseinheit 6a zur Überprüfung der
digitalen Signale auf, wobei in diesem Fall die Überprüfung auf die Eliminierung von
Störsignalen
beschränkt
ist. Schließlich
weist der Monitor 8 eine Überprüfungseinheit 9 zur
sicheren Überprüfung der
Daten auf. Die Überprüfungseinheit 9 ist
generell von einer zweikanaligen Struktur gebildet, wobei in den
beiden Kanälen
unabhängige
Prozesse ablaufen, mit welchen die Daten des Bussystems 1 in
Form von Codefolgen ausgewertet werden und dann die Ergebnisse in
beiden Kanälen
miteinander verglichen werden.
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Wie
durch den Doppelpfeil angedeutet, kann über die Überprüfungseinheit 9 ein
Anschluss des Monitors 8 an eine übergeordnete Einheit erfolgen,
in der beispielsweise eine Weiterarbeitung der im Monitor 8 generierten
sicheren Daten erfolgt.
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2 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Bussystems 1.
Das Bussystem 1 entspricht hinsichtlich der Funktionsweise
einem nach dem Master-Slave-Prinzip arbeitenden Bussystem 1 des
Systems gemäß 1.
Weiterhin ist vorteilhaft auch das Bussystem 1 gemäß 2 von
einem ASi-Bussystem gebildet, wobei dieses wiederum im Bereich der
Sicherheitstechnik eingesetzt ist.
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Im
Unterschied zum Bussystem 1 gemäß 1 sind bei
dem erfindungsgemäßen Bussystem 1 gemäß 2 der
Bus-Master 2 und der Monitor 8 nicht als physikalisch
getrennte Einheiten ausgebildet. Vielmehr ist eine Master-Monitor-Einheit 10 vorgesehen,
mit deren Komponenten ein Busmonitor und ein Master gebildet werden.
Dabei entspricht die Funktionalität des Bus-Masters der Master-Monitor-Einheit 10 der
Funktionalität
des Bus-Masters 2 des Bussystems 1 gemäß 1.
Ebenso entspricht die Funktionalität des Busmonitors der Funktionalität des Monitors 8 des
Bussystems 1 gemäß 1.
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Die
Master-Monitor-Einheit 10 weist eine Ankopplungseinheit 5 und
eine Verarbeitungseinheit 6 auf. Diese Komponenten werden
sowohl vom Master als auch vom Monitor 8 genutzt, das heißt die Ankopplungseinheit 5 und
die Verarbeitungseinheit 6 sind sowohl Komponenten des
Masters als auch des Busmonitors.
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Da
das Einlesen von analogen Signalen von den Busleitungen 4 oder
die Ausgabe digitaler Signale auf die Busleitung 4 für den Master
und den Busmonitor in identischer Weise erfolgt, wird mit der Ankopplungseinheit 5 sowohl
für den
Master als auch für
den Busmonitor die Umsetzung analoger Signale in digitale Signale
oder umgekehrt durchgeführt.
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In
der Verarbeitungseinheit 6 erfolgt eine Überprüfung der
digitalen Signale für
den Master, wobei der Umfang der Funktionsprüfung der Funktionsüberprüfung im
Bus-Master 2 des Systems gemäß 1 entspricht.
Weiterhin erfolgt in der Verarbeitungseinheit 6 die Überprüfung der
Daten des Busmonitors entsprechend der Prüfung der Daten des Monitors 8 im
System gemäß 1.
Diese Funktionalität
lässt sich
dadurch erreichen, dass auf der Verarbeitungseinheit 6 eine
geeignete Software implementiert ist, die die Prüfung der Daten des Masters und
des Busmonitors erlaubt.
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Die
Daten am Ausgang der Verarbeitungseinheit 6 der Master-Monitor-Einheit 10 werden
einer Master-Verarbeitungseinheit zugeführt, die im vorliegende Fall
von einer Rechnereinheit 11 gebildet ist. Alternativ kann
hierzu ein ASIC oder FPGA vorgesehen sein. Auf der Rechnereinheit 11 sind
als Software-Module
die Logikfunktion des Masters implementiert, das heißt insoweit
ist die Rechnereinheit 11 mit dieser Software eine Komponente
des Masters. Weiterhin leitet die Rechnereinheit 11 die
Daten des Busmonitors von der Verarbei tungseinheit 6 zu
einer Überprüfungseinheit 9 weiter,
welche eine zweikanalige Struktur zur Durchführung der sicheren Überprüfung der
Daten des Busmonitors bildet. Die Funktionalität der Überprüfungseinheit 9 entspricht
der Funktionalität
der Überprüfungseinheit 9 des
Systems gemäß 1.
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Eine
weitere Funktionalität
der Master-Monitor-Einheit besteht darin, dass mit dieser die Simulation
von Slaves 3 möglich
ist. Sie antwortet hierzu selbst auf einen Masteraufruf an einen
Slave 3 auf dessen Slave-Adresse.
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3 zeigt
die Master-Monitor-Einheit 10 gemäß 2 mit einer
spezifischen Hardware-Struktur für
die Überprüfungseinheit 9.
Die Ankopplungseinheit 5 ist bevorzugt von einem integrierten
Schaltkreis, insbesondere einem ASIC oder FPGA, gebildet. Die Verarbeitungseinheit 6 kann
beispielsweise von einem Microcontroller gebildet sein, ebenso wie die
Rechnereinheit 11. Alternativ kann auch die Verarbeitungseinheit
von einem FPGA oder ASIC gebildet sein. Die Überprüfungseinheit 9 ist
von zwei vorzugsweise identischen, sich zyklisch überwachenden Rechnereinheiten 9a, 9b gebildet,
die ebenfalls jeweils von einem Microcontroller gebildet sein können. Die
beiden Microcontroller bilden die unabhängigen Kanäle der zweikanaligen Überprüfungseinheit 9.
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Die
Ausführungsform
gemäß den 2 und 3 ist
ein Beispiel für
die Portierung der Module der Master-Monitor-Einheit auf spezifische
Hardware-Einheiten.
Generell können
die Module einzeln oder in Gruppen auf beliebig wählbaren
Hardware-Einheiten portiert werden.
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4 zeigt
eine weitere Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Bussystems 1.
Das Bussystem 1 ist gegenüber der Ausführungsform
gemäß 2 dahingehend
erweitert, dass es zwei Netzwerke aufweist, die jeweils von einem
ASi-Bussystem gebildet sind. Die beiden Netzwerke sind durch zwei Busleitungen 4 veranschaulicht,
wobei die daran angeschlossenen Slaves 3 nicht gesondert
dargestellt sind. Durch das Vorsehen zweier ASi-Bussysteme können anstelle
von 31 Slaves 3 nun 62 Slaves 3 an das Bussystem 1 angeschlossen
werden. Im Fall der Verwendung von A/B-Slaves ist die Zahl der Busteilnehmer
entsprechend größer. Generell
kann das Bussystem auch mehr als zwei Netzwerke aufweisen.
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Auch
dieses Bussystem 1 wird im Bereich der Sicherheitstechnik
eingesetzt. Für
jedes Netzwerk des Bussystems 1 ist jeweils ein Master
und ein Busmonitor vorgesehen. Die hierfür erforderlichen Komponenten
sind in der Master-Monitor-Einheit 10 vorgesehen.
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Da
nunmehr zwei Busmonitore und zwei Master vorgesehen sind, sind die
Ankopplungseinheit 5, die Verarbeitungseinheit 6 und
die Rechnereinheit 11 gegenüber der Ausführungsform
gemäß 2 doppelt
vorhanden. Die Funktionalitäten
der Ankopplungseinheit 5, Verarbeitungseinheit 6 und der
Rechnereinheit 11, das heißt der Master-Verarbeitungseinheit,
der Anordnung gemäß 4 entsprechen
dabei den entsprechenden Komponenten der Ausführungsform gemäß 2.
Demgegenüber weist
die Master-Monitor-Einheit 10 gemäß 4 nur eine Überprüfungseinheit 9 für beide
Busmonitore auf, das heißt
eine Duplizierung der Überprüfungseinheit 9 ist
nicht notwendig, da diese die sichere Überprüfung der Daten beider Busmonitore
vornimmt.
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5 zeigt
die Master-Monitor-Einheit 10 gemäß 4 mit einer
spezifischen Hardware-Struktur für
die Überprüfungseinheit 9.
Die Überprüfungseinheit 9 weist
zwei sich gegenseitig überwachende Rechnereinheiten 9a, 9b auf,
die jeweils von Microcontrollern gebildet sind. In Erweiterung zur
Ausführungsform
gemäß 3 werden
mit der so gebildeten Überprüfungseinheit 9 die
Daten beider Busmonitore geprüft.
Die Ankopplungseinheiten 5 sind analog zur Ausführungsform
gemäß 3 von
ASICs gebildet. Die Verarbeitungseinheiten 6 und die Rechnereinheiten 11 bestehen
analog zur Ausführungsform gemäß 3 jeweils
aus einem Microcontroller.
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6 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Bussystems 1,
welches im Wesentlichen der Ausführungsform
gemäß 4 entspricht.
In Erweiterung zur Ausführungsform
gemäß 4 sind
in der Master-Monitor-Einheit 10 des Bussystems 1 gemäß 6 zusätzlich die
Funktionalitäten
einer SPS-Steuerung integriert, und zwar in Form von Software-Modulen, die typische
Funktionen einer SPS-Steuerung, wie zum Beispiel I/O-Interfacefunktionen,
bereitstellen. Im vorliegenden Fall ist eine Standard-SPS-Funktionalität 12a für nicht
sicherheitskritische Funktionen und eine Sichere-SPS-Funktionalität 12b für sicherheitskritische Funktionen
vorhanden.
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- 1
- Bussystem
- 2
- Bus-Master
- 3
- Slave
- 4
- Busleitung
- 5
- Ankopplungseinheit
- 5a
- Ankopplungseinheit
- 6
- Verarbeitungseinheit
- 6a
- Verarbeitungseinheit
- 7
- Logikeinheit
- 8
- Monitor
- 9
- Überprüfungseinheit
- 9a
- Rechnereinheit
- 9b
- Rechnereinheit
- 10
- Master-Monitor-Einheit
- 11
- Rechnereinheit
- 12a
- Standard-SPS-Funktionalität
- 12b
- Sichere-SPS-Funktionalität