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Stand der Technik
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AS-Interface ist ein eingeführtes und genormtes ( IEC 62026-2: Part 2: Actuator Sensor Interface (AS-i), Part 2: Actuator Sensor Interface (AS-i); 2000; oder: Kriesel, W. R., Madelung, O. W. (Hrsg.): AS-Interface Das Aktuator-Sensor-Interface für die Automation; 213 S., 2. deutsche Auflage, Carl Hanser Verlag 1999, ISBN 3-446-21064-4; oder aktualisiert: AS-International Association: Complete Specification Version 3.0 Rev. 2 (2008) und Annex A and B to the Complete AS-Interface Specification; Version 3.0, Revision 2 (2008)) Bussystem für Anwendungen mit einfachen Sensoren und Aktuatoren. Jedes AS-Interface System besteht aus einem Master, einer Anzahl von Slaves - den Sensoren und Aktuatoren -, einem Netzgerät und einer Verdrahtung dieser Komponenten in Reihen-, Baum- oder Sternstruktur. Für große Netze werden Repeater eingesetzt, die jedes Telegramm des Masters oder eines Slaves empfangen, auffrischen und an den Empfänger weitergeben.
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Für Prozesse mit besonders hohen Sicherheitsanforderungen gemäß den internationalen Normen für sicherheitsgerichtete Geräte ( z. B. EN ISO 13849-1 - Sicherheit von Maschinen - Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen - Allgemeine Gestaltungsleitsätze und: DIN EN 62061 Sicherheit von Maschinen - Funktionale Sicherheit elektrischer, elektronischer und programmierbarer elektronischer Steuerungssysteme) existiert eine Sicherheitsvariante unter dem Namen „Safety at Work“ ( AS-International Association (Hrsg.): AS-Interface Safety-at-Work, (2004) und Complete Spedification, wie zitiert.), in der der Datenverkehr im AS-Interface Netz mit sicherheitsgerichteten Slaves durch Codefolgen so abgesichert wird, dass die Daten der Sensoren oder Aktuatoren innerhalb des Netzes sicherheitsgerichtet im Sinne der Normen übertragen werden. Dazu enthält das Netz einen „Sicherheitsmonitor“, der den Datenverkehr mit den sicheren Slaves überwacht und die Applikation über seine lokalen Ausgänge oder über sicherheitsgerichtete Aktuatoren im Netz stets in einem sicheren Zustand hält. Ein AS-Interface Netz, das wenigstens einen Sicherheitsmonitor mit dieser Funktion enthält, wird dann als „Safety-at-Work Netz“ bezeichnet. Ein solches Netz kann aus Standard-und sicherheitsgerichteten Slaves aufgebaut sein.
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Zentraler Baustein sowohl für den Master als auch für einen Slave, gelegentlich auch für einen Repeater oder für einen Sicherheitsmonitor, ist dabei ein handelsüblicher „Slave IC“. Dieser IC kann in zwei Modi arbeiten: einem „Slave-Modus“ und einem „Master-Modus“. Bei der Herstellung eines Gerätes wird festgelegt, welcher Modus verwendet wird.
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Bei AS-Interface ruft der Master alle Slaves zyklisch mit ihrer Adresse auf („Masteraufruf). Jeder Slave antwortet unmittelbar („Slaveantwort“) nach einer im Standard festgelegten „Masterpause“, bevor der Master den nächsten Slave aufruft. Zwischen dem Ende der Slaveantwort und dem Beginn des nächsten Masteraufrufes liegt ebenfalls eine definierte Pause, die so genannte „Slavepause“. Damit ist der Ablauf der verschiedenen Telegramme innerhalb eines Zyklus bis auf kleinere Schwankungen festgelegt, die sich aus den Verarbeitungszeiten in den Slaves und aus räumlich bedingten Laufzeitunterschieden ergeben.
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Zur Organisation dieses Zyklus wird beim Aufbau des Systems jedem Slave eine Adresse zugeordnet, unter der genau dieser eine Slave angesprochen werden kann. Bei einer fehlerhaften Installation kann versehentlich zwei Slaves dieselbe Adresse eingegeben werden („Doppeladressierung“). Das hat zur Folge, dass nach einem Masteraufruf für diese Adresse zwei Slaves antworten. Die beiden Slaveantworten überlagern sich und führen zu einer Fehlfunktion des Netzes. Doppeladressierung gilt daher als schwerer Fehler eines Netzes.
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Bekannt ist ein Verfahren (
EP000001312991B1 ) zur Erkennung von Doppeladressierungen, das darauf beruht, dass jeder Slave nach einer festgelegten Zeit antwortet, und dass diese Antwort durch Stromimpulse mit einer Amplitude von ca. 30 mA signalisiert wird. Senden nun in diesem Fehlerfall zwei Slaves gleichzeitig, so überlagern sich ihre Signale und der Master kann aus der Amplitude der Signale erkennen, dass eine Doppeladressierung vorliegt. Dieses Verfahren ist Stand der Technik und hat sich bei allen „einfachen“ Slaves, die mit handelsüblichen Slave-ICs im Slave-Modus arbeiten, hervorragend bewährt.
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Das Verfahren versagt jedoch bei einer Reihe von „komplexen Slaves“, die nicht den Slave-Modus des ICs nutzen, sondern den Master-Modus. Dies liegt daran, dass in diesen ICs die Datenrichtung (Senden oder Empfangen) für die Dauer eines Telegramms verriegelt wird, je nachdem an welcher Schnittstelle das erste Signal auftritt (von intern oder von extern, AS-i) (siehe Datenblatt „ASI4U/ASI4U-E - Universal Actuator-Sensor Interface IC“ der ZMD AG, 2008, Rev. 1.7, Kapitel 3.12). Beispiele können Slaves mit Analogfunktionen oder Sicherheitsmonitore sein, die als Slaves ausgebildet sind. Diese Lücke zu beseitigen, ist Gegenstand des hier offengelegten Verfahrens.
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Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren löst das skizzierte Problem der Doppeladresserkennung bei komplexen Slaves. Es wird dadurch verursacht, dass einige Slaves - hier „komplexen Slaves“ genannt - anstelle des Slave-Modus den Mastermodus ihres ICs nutzen. Das geschieht insbesondere dann, wenn ein Gerät logisch mehrere Slaves enthält, deren Ankopplung an das Netz mit einem einzigen Slave-IC erfolgt. Solche Geräte emulieren also einen oder mehrere Slaves mit Hilfe eines einzigen ICs und nachgeschalteter Elektronik. Der Slave-IC wird dann gewöhnlich im Master-Modus genutzt, obwohl mit seiner Hilfe ein oder mehrere Slaves emuliert werden. Jeder dieser emulierten Slaves hat dabei weiterhin eine eigene Adresse. Der IC ist in der Lage, abwechselnd Mastertelegramme für diese emulierte Slaves zu empfangen, ihnen zuzuordnen und deren Slaveantworten zu senden.
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Der IC im Master-Modus hat aber die Eigenschaft, dass er dann nicht sendet, wenn er kurz vor dem Beginn des Sendens einer Slaveantwort ein Signal auf der AS-Interface Leitung entdeckt. Dann schaltet er auf Empfang um und empfängt dieses Signal ohne selbst eine gültige Slaveantwort zu senden. Diese Eigenschaft ist dem Mastermodus des ICs einprogrammiert, da dieser auch für einen Repeater verwendet werden kann, bei dem dies ein erwünschtes Verhalten ist (siehe Datenblatt „ASI4U/ASI4U-E - Universal Actuator-Sensor Interface IC“ der ZMD AG, 2008, Rev. 1.7, Kapitel 3.12).
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Das vom IC im Mastermodus kurz vor dem Senden der eigenen Slaveantwort entdeckte Signal kann die Slaveantwort eines Slaves sein, der dieselbe Adresse trägt wie einer der emulierten Slaves, die der IC bedient. Da der IC in diesem Fall nicht sendet, entfällt jedoch die Möglichkeit, im Master nach dem Stand der Technik aus einer überhöhten Amplitude des Sendestroms auf eine Doppeladressierung zu schließen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt diese Analyse: Es deutet dazu in diesem Fall das vom IC des komplexen Slaves empfangene Signal als Hinweis auf eine Doppeladressierung und zeigt diese Tatsache in dem komplexen Slave an.
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Die Weiterführung dieser Analyse ergibt bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens fünf Möglichkeiten des Ablaufes und der Erkennung einer Doppeladressierung in AS-Interface und Safety-at-Work Netzen:
- (a) Zwei einfache Slaves im Netz tragen dieselbe Adresse: Die Doppeladressierung kann vom Master an der erhöhten Amplitude der Slaveantwort erkannt werden. (Stand der Technik)
- (b) Zwei emulierte Slaves desselben komplexen Slaves tragen dieselbe Adresse:
- Die Doppeladressierung kann von der Elektronik des komplexen Slaves erkannt und bereits bei der Adressvergabe an die emulierten Slaves verhindert werden. (Stand der Technik)
- (c) Ein einfacher Slaves und ein emulierter Slave des komplexen Slaves tragen dieselbe Adresse und die Slaveantwort des einfachen Slaves erreicht den komplexen Slave nicht vor dessen Sendebeginn. Dann sendet der komplexe Slave: Die Doppeladressierung kann vom Master an der hohen Amplitude der sich überlagernden Slaveantworten erkannt werden. (Stand der Technik)
- (d) Ein einfacher Slaves und ein emulierter Slave des komplexen Slaves tragen dieselbe Adresse und die Slaveantwort des einfachen Slaves erreicht den komplexen Slave vor dessen Sendebeginn: Der komplexe Slave empfängt die Slaveantwort des einfachen Slaves, sendet aber nicht selbst. Die Doppeladressierung wird erfindungsgemäß vom komplexen Slave erkannt.
- (e) Zwei emulierte Slaves zweier verschiedener komplexer Slaves tragen dieselbe Adresse. Einer der beiden komplexen Slaves erhält die Slaveantwort des anderen etwas früher: Dann sendet dieser Slave nicht, erkennt aber erfindungsgemäß die Doppeladressierung und zeigt sie an.
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Das erfindungsgemäße Verfahren deckt damit die beiden zuletzt genannten, bisher offen gebliebenen Varianten der Slavereaktionen bei einer Doppeladressierung ab (Anspruch 1).
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Es kann nicht ausgeschlossen werden, dass der komplexe Slave kurz vor dem Senden seiner Slaveantwort einen Störimpuls erhält und aus diesem Grund nicht sendet. Für die Funktion des Netzes ist das zunächst bedeutungslos: Der Master würde seinen Aufruf wiederholen. Würde allerdings ein solches einmaliges Ereignis die Anzeige „Doppeladressierung“ auslösen, so wäre dies eine Fehlinformation des Anlagenbetreibers. Daher sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass die Meldung „Doppeladressierung“ erst dann ausgelöst wird, wenn der komplexe Slave N-mal für die gleiche Adresse das Senden verweigert (Anspruch 2). Wählt man hier N = 3, so ist sichergestellt, dass ein neu hinzugefügter, mit einer bereits vorhandenen Adresse versehener Slave nicht in den aktiven Betrieb aufgenommen wird, bevor die Doppeladressierung angezeigt wird.
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Zur Unterscheidung zwischen Störsignal und Doppeladressierung kann der komplexe Slave auch prüfen, ob das empfangene Signal als Slaveantwort eines anderen Slaves interpretiert werden kann (Anspruch 3). Als Indiz hierzu können die Amplitude des Signals oder der mehrfache Vorzeichenwechsel genutzt werden.
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Viele komplexe Slaves haben eine digitale Anzeigevorrichtung (z. B. ein Display), um Statusinformationen dem Nutzer zur Verfügung zu stellen. Solche Slaves können die fehlerhafte Adresse anzeigen, da in ihnen festgehalten werden kann, zu welcher Adresse die ausgefallene Slaveantwort gehört (Anspruch 4).
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Das erfindungsgemäße Verfahren gibt die Information „Doppeladressierung“ zunächst nur am komplexen Slave aus. Um die Information dem Nutzer auch über den Master zur Verfügung zu stellen, kann der komplexe Slave mit einer Zusatzelektronik ausgestattet werden, die noch während des Empfangs der „falschen“ Slaveantwort eine Folge von ähnlichen Impulsen in das Netz sendet, sodass vom Master aus der Amplitude des Summensignals ebenfalls die Doppeladressierung erkannt und dort angezeigt werden kann (Anspruch 5).
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Vorteile und wirtschaftlicher Wert der Erfindung
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass mit ihm erstmals eine Möglichkeit aufgezeigt wird, eine Doppeladressierung von Slaves im AS-Interface Netz auch für komplexe Slaves zu erkennen. Damit werden andere, teils schwierige Analysen eines fehlerhaften Netzes vermieden. Das Verfahren ist auf alle AS-Interface und Safety-at-Work Slaves anwendbar, die bei handelsüblichen ICs mit dem „Master-Modus“ arbeiten müssen, beispielsweise auf Slaves zur Übermittlung von Analogdaten, auf Slaves, die mit „Combined Transactions“ der Spezifikation arbeiten, auf Sicherheitsmonitore mit Slavefunktion oder mit der Möglichkeit virtuelle Slaves zu emulieren, auf Multi-Module u. ä.