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Die Erfindung betrifft ein Bussystem zum Realisieren einer elektronischen Steuerung und/oder einer elektronischen Regelung, wobei die elektronische Steuerung und/oder die elektronische Regelung einen Sensor und/oder ein Stellglied, insbesondere Aktor, aufweist, wobei das Bussystem echtzeitfähig ist und eine erste Recheneinheit und eine zweite Recheneinheit aufweist und auf der ersten Recheneinheit eine erste Hauptfunktionalität und auf der zweiten Recheneinheit eine zweite Hauptfunktionalität rechentechnisch abgebildet sind und ein Fahrzeug, welches ein solches Bussystem aufweist.
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In Fahrzeugen, wie beispielsweise Flugzeugen oder Autos haben sich in der Zwischenzeit sogenannte Drive-by-Wire Systeme etabliert. Je nach Anwendung müssen derartige Systeme mehrfach redundant ausgelegt werden, damit eine Fehlfunktion in einem System nicht zu einem schweren Systemversagen oder gar Unfall führt.
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Beispielsweise werden in Flugzeugen Steuersignale durch drei Sensoren ermittelt, dann im Weiteren durch drei Rechner, häufig mit unterschiedlicher Rechnerarchitektur, verarbeitet und jeweils mittels eines Stellsignals an drei Stellglieder, wie beispielsweise drei Aktoren, weitergeleitet. Fällt in einem derartigen System einer dieser Stränge aus, so können die beiden anderen Stränge diesen defekten Strang „überstimmen“. Eine derartige Dreifachauslegung bietet ein hohes Maß an Sicherheit und mechanische Systeme können durch Bussysteme und entsprechend zugeordneten Sensoren und Aktoren gewichtsreduziert ersetzt werden.
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Nachteilig bei derartigen Systemen ist, dass jeweils drei Sensoren und jeweils drei Aktoren vorgehalten werden müssen. Weiterhin müssen auch jeweils drei Rechner, welche beispielsweise für die rechentechnische Durchführung von Regelalgorithmen verwendet werden, vorgehalten werden. Zudem ist beispielsweise in zeitgesteuerten Feldbussystemen ein sogenannter Buswächter vorgesehen, welcher entsprechende Korrekturen oder Aktionen in den einzelnen Netzen und den Netzknoten überwacht. Auch ist häufig jeweils den einzelnen Stellgliedern eine Endstufe zur eigentlichen Leistungsversorgung zugeordnet. Sowohl der Buswächter, als auch die Endstufen müssen ebenfalls jeweils dreifach vorgesehen werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es den Stand der Technik zu verbessern.
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Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Fahrzeug gemäß Anspruch 10 gelöst.
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Somit kann ein System bereitgestellt werden, bei dem sowohl der Sensor, als auch der Aktor jeweils lediglich zweimal vorgesehen sind. Auch können dadurch die Anzahl der Endstufen und/oder der Buswächter reduziert werden.
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Ein Kern der Erfindung liegt insbesondere darin, dass eine Recheneinheit, wie beispielsweise der Controller, welcher als Hauptfunktionalität eigentlich der Regelalgorithmenberechnung dient, zusätzlich (redundant) die Hauptfunktionalitäten der übrigen Beteiligten, wie beispielsweise des Buswächters oder der Endstufe, berechnet. Die durch die Redundanz ergebende Sicherheit wird insbesondere dadurch erreicht, dass jetzt jeder Knotenpunkt des Bussystems, welcher über entsprechende Rechenleistung verfügt mehrere Funktionen anderer Knoten mit berechnet, hier wird auch von simulieren gesprochen, sodass in dem Beispiel mit einem Rechner für die Regelberechnung, einem Buswächter und einer Endstufe dennoch drei Ergebnisse für die Regelalgorithmik, für die Buswächterfunktionalität und die Endstufenfunktionalität vorliegen. Praktischerweise können dabei insbesondere sechs Hardwarebauteile (Netzwerkknoten) eingespart werden.
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Ein weiterer Vorteil liegt in der Skalierbarkeit. In komplexen Systemen können mehr als drei Knoten (z.B. 4, 5 oder mehr) in Reihe geschaltet werden. Aufgrund dessen, dass mit jedem Knoten die Ausfallwahrscheinlichkeit steigt, wird die Zuverlässigkeit des Systems nach dem Stand der Technik geringer. Durch die vorliegende Erfindung ist die Komplexität des Systems aufgrund der Skalierbarkeit der Funktionalitäten (Haupt- und Nebenfunktionalitäten) irrelevant.
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Eine derartige Lösung ist insbesondere in echtzeitfähigen Bussystemen wie beispielsweise FlexRay realisierbar. Unter Echtzeit wird insbesondere der Betrieb eines informationstechnischen Systems bezeichnet, welches bestimmte Ergebnisse zuverlässig innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne, wie beispielsweise ein festes Zeitraster, liefert.
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Zudem kann dies insbesondere dadurch realisiert werden, dass heutige Prozessoren häufig mehrere Prozessorkerne aufweisen mit denen unabhängig voneinander und quasi parallel Berechnungen vorgenommen werden können. Die Recheneinheit kann dabei insbesondere ein einzelnes Hardwarebauteil sein, welches insbesondere einen Knoten im Bussystem bildet, oder aber auch ein echtes Hardwarebauteil realisiert die Funktion zweier Recheneinheiten.
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Sowohl bei der Hauptfunktionalität als auch bei der Nebenfunktionalität kann es sich beispielsweise um das Berechnen eines Regelalgorithmus oder eines Steueralgorithmus oder auch die entsprechenden Funktionalitäten wie beispielsweise Fehlerkorrektur und dergleichen des Buswächters oder dem Berechnen der entsprechenden Spannung/ des entsprechenden Stromes der Endstufe handeln. Für den Fall, dass die Hauptfunktionalität mit der durch die anderen Funktionseinheiten berechneten Nebenfunktionalität, welche der Hauptfunktionalität entsprechen, nicht entspricht, kann beispielsweise die Vergleichereinrichtung einen Mehrheitsentscheid durchführen und das durch zwei unabhängige Systeme berechnete Ergebnis entsprechend an den Aktor weitergeben.
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Im Idealfall entsprechen selbstverständlich die berechneten Werte für die Hauptfunktionalität den berechneten Werten der zugehörigen Nebenfunktionalität. Insbesondere wenn die jeweilige Hardware unterschiedliche Rechenarchitekturen aufweisen, bietet dieses ein hohes Maß an Sicherheit. Für den Fall, dass ein Fehler vorliegt, kann dennoch das System weiter betrieben werden, bis beispielsweise eine Werkstatt angefahren werden kann.
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Insbesondere können derartige Systeme bei sicherheitskritischen Anwendungen eingesetzt werden. Hierzu zählen insbesondere Regelkreise in Kraftwerken oder in Fahrzeugen, wie PKW, LKW, Flugzeuge, Boote, Hubschrauber oder Schiffe.
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Das vorliegende Bussystem ist zudem selbstdiagnosefähig. So können bei Fehler im Betrieb Funktionalitäten eines Knotens/Rechners auf andere Knoten/Rechner übertragen werden und beispielsweise ein Neustart eines Knotens/Rechners im Betrieb realisiert werden.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei wird vorab auf den Stand der Technik eingegangen.
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Dabei zeigen
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1 eine schematische Darstellung einer „Gabel“-Topologie eines Bussystems nach dem Stand der Technik und
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2 eine schematische Darstellung der Erfindungstopologie.
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In einem Bussystem 101 nach dem Stand der Technik sind jeweils drei Controller 103 mit jeweils demselben softwaretechnisch abgebildeten Regelalgorithmus und drei Endstufen 105 mit identischer Funktionalität sowie drei Buswächter 107 ebenfalls mit gleicher Funktionalität vorgesehen. Zudem ist jedem Sicherheitssystemstrang 151a/b/c ein Sensor 102a/b/c und jeweils ein Motor 109a/b/c zugeordnet. Sowohl die Sensoren 102a/b/c, als auch die Motoren 109a/b/c als auch die Controller 103, die Endstufen 105 sowie die Buswächter 107 sind mittels Busleitung 111 verbunden und bilden einen Knoten eines Feldbus.
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Für den Fall, dass alle drei Sicherheitssystemstränge 151a/b/c anhand der Sensorsignale 113 die selben Stellsignale 115 für die Motoren 109a/b/c ermitteln, funktioniert das System einwandfrei. Für den Fall, dass ein Knotenpunkt in einem der Sicherheitssystemstränge 151a/b/c fehlerhaft ist könnte dies für das zugehörige Stellglied (beispielsweise 109b) zu einem falschen Stellsignal führen, welches im schlimmsten Fall zu einer entgegengesetzten Motorfunktionalität führt. Aufgrund dessen, dass die übrigen Stellglieder 109a und 109c das identische Signal aufweisen, können diese die falsche Funktionalität des Stellglieds 109b (über)kompensieren und die korrekte Funktionalität gewährleisten.
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Um weniger Bauteile zu verwenden und eine höhere Sicherheit bei niedrigerem Gewicht zu gewährleisten wird erfindungsgemäß ein FlexRay-Bus 201 eingesetzt. Vorliegend sind lediglich zwei Sensoren 202a/b und lediglich zwei Stellglieder (Motoren) 209a/b vorgesehen.
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Zudem sind über die Busleitungen 211 ein Controller mit Multikernprozessoren 203, eine Endstufe mit Multikernprozessoren 205 und Buswächter mit Multikernfunktionalitäten 207 angeordnet.
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Der Controller mit Multikernprozessoren 203 berechnet mittels des an ihn von Sensor 200a über eine Sensorleitung erhaltenen Sensorsignals 204 einen Regelalgorithmus als Hauptfunktionalität 213. In einem weiteren Prozessorkern des Controllers mit Multikern 203 werden zusätzlich die Hauptfunktionalitäten 225 der Endstufe 205 und die Hauptfunktionalitäten 237 des Buswächters 207 als Nebenfunktionalitäten 215, 217 berechnet. Analog gilt dies für die Endstufe mit Multikernprozessoren 205, wobei dabei in jeweils anderen Kernen die Hauptfunktionalität 213 des Controllers 203 und somit des Regelalgorithmus 213 und die Hauptfunktionalität 237 des Buswächters 207 als Nebenfunktionalität 223, 227 berechnet.
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Das Gleiche gilt für den Buswächter 207, welcher seine Hauptfunktionalität 237 in einem Prozessorkern und als Nebenfunktionalität 233, 235 die Regelalgorithmen des Controllers 203 und die Funktionalitäten der Endstufe 205 berechnet.
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Im fehlerfreien Funktionsfall übergibt der Sensor 202a sein Sensorsignal 204 mittels der Busleitungen 211 sowohl an den Controller mit Multikernprozessoren 203 als auch an die Endstufe mit Multikernprozessoren 205 und dem Buswächter mit Multikernprozessoren 207 weiter. Der Controller mit Multikernprozessoren 203 führt rechentechnisch die Algorithmenberechnung 213 als Hauptfunktionalität aus. Die Endstufe mit Multikernprozessoren 205 führt dieselbe Berechnung 223 als Nebenfunktionalität aus. Das Gleiche gilt für den Buswächter mit Multikernprozessoren 207, bei dem es sich dabei um die Nebenfunktionalität 233 handelt.
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Die Endstufe 205 berechnet seine rechentechnischen Aufgaben und ermittelt die Leistungsspezifikationen für die Endstufe. Dies wird ebenfalls durch den Controller mit Multikernprozessor 203 und den Buswächter mit Multikernprozessor 207 jeweils als Nebenfunktionalität 215, 235 berechnet.
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Analoges gilt für den Buswächter 207, welcher seine Überwachungsfunktion rechentechnisch berechnet, wobei sowohl der Controller mit Multikernprozessoren 203 und die Endstufe mit Multikernprozessoren 205 jeweils diese Funktionalität auch als Nebenfunktionalität 217, 227 durchführen. Falls sämtliche Daten übereinstimmen werden diese als Stellsignal 208 an den Motor 209a weitergeleitet.
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Falls der Sensor keine oder widersinnige Daten liefert, wird der Sensor von 202a abgeschaltet und es werden die Daten des Sensors 202b betrachtet. Analoges gilt für den Stellmotor 209a, welcher im Defekt-Fall durch den Stellmotor 209c ersetzt wird.
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Fällt vorwiegend einer der Knoten des 203, 205, 207 des FlexRay-Busses 201 aus (z.B Knoten 205), so können die übrigen Knoten beispielsweise 203 und 207 diese Funktionalität ersetzen.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Bussystem nach dem Stand der Technik
- 102a/b/c
- Sensor
- 103
- Steuergerät mit Regelalgorithmus
- 105
- Endstufe
- 107
- Buswächter
- 109a/b/c
- Stellmotor
- 111
- Busleitung
- 113
- Sensorsignal
- 115
- Stellsignal
- 151a
- Erste systemtechnische Sicherungseinrichtung
- 151b
- Zweite systemtechnische Sicherungseinrichtung
- 151c
- Dritte systemtechnische Sicherungseinrichtung
- 201
- FlexRay-Bussystem
- 202a
- Hauptsensor
- 202b
- Redundanter Sensor
- 203
- Controller mit Multikernprozessor
- 204
- Sensorsignal
- 205
- Endstufe mit Multikernprozessor
- 207
- Buswächter mit Multikernprozessor
- 208
- Stellsignal
- 209a
- Hauptstellmotor
- 209c
- Redundanter Stellmotor
- 211
- Busleitungen
- 213
- Hauptfunktionalität Berechnung Regelalgorithmus
- 215
- Nebenfunktionalität Berechnung der Endstufenwerte
- 217
- Nebenfunktionalität Berechnung der Buswächteralgorithmen
- 225
- Hauptfunktionalität Berechnung der Endstufenwerte
- 223
- Nebenfunktionalität Berechnung Regelalgorithmus
- 227
- Nebenfunktionalität Berechnung der Buswächteralgorithmen
- 233
- Nebenfunktionalität Berechnung Regelalgorithmus
- 235
- Nebenfunktionalität Berechnung der Endstufenwerte
- 237
- Hauptfunktionalität Berechnung der Buswächteralgorithmen
