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Die vorliegende Erfindung betrifft ein I/O-Modul, ein Betriebsverfahren für ein I/O-Modul sowie eine Steuerungsanordnung umfassend wenigstens ein I/O-Modul.
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I/O-Module (I/O = Input/Output, oder auch E/A = Eingabe/Ausgabe), wie sie zum Beispiel zur Prozessdatenverarbeitung in einer Steuerungsanordnung eines Automatisierungssystems, insbesondere für industrielle Maschinen und Anlagen, zum Einsatz kommen, können sich unter anderem in der Betriebsart unterscheiden. Beispielsweise können I/O-Module asynchron (kurz: async) oder synchron (kurz: sync) betrieben werden. In der asynchronen Betriebsart werden Prozessdaten so schnell wie möglich, aber nicht in zeitäquidistanten Abständen generiert bzw. ausgegeben. Im Gegensatz dazu werden in der synchron Betriebsart von allen I/O-Modulen eines Aufbaus, der am gleichen Bus angeschlossen ist, Prozessdaten zu einem bestimmten Zeitpunkt generiert bzw. ausgegeben, so dass die Prozessdaten zu einem definierten Zeitpunkt zuzuordnen bzw. zuordenbar sind. Das ist beispielsweise wichtig für (hochgenaue) Regelsysteme.
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Aus der
WO 96/26470 ist eine Steuerung mit einer konfigurierbaren I/O-Anordnung mit einer Anzahl von I/O-Anschlüssen bekannt, welche jeweils als Eingang oder Ausgang frei wählbar sind und wobei die Aktualisierungszeiten der Logikfunktionen der Steuerung verschiedenartig synchronisiert sein können, nämlich je nach Bedarf synchron mit einem internen Ereignis der Steuerung, synchron mit einem externen Ereignis oder asynchron.
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Aus der
US 5,572,676 ist ein Netzwerk-I/O-Gerät mit einem Sende-, einem Empfangs- und einem FIFO-Register bekannt, wobei eine Steuerschaltung anhand von in einem Mode-Register hinterlegten Werten steuert, ob das Senden und Empfangen von Daten asynchron oder synchron zueinander erfolgen soll.
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Gegenwärtige I/O-Module umfassen eine Firmware zur Steuerung deren Betriebs, wobei jede Betriebsart spezielle Firmware erfordert. Das heißt, ein asynchron arbeitendes I/O-Modul besitzt eine andere Firmware als ein synchron arbeitendes I/O-Modul.
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Nachteilig ist dabei, dass bei der Herstellung der I/O-Module für jede Betriebsart, insbesondere sowohl für die asynchrone als auch für die synchrone, jeweils eine eigene Firmware entwickelt und je nach gewünschter Betriebsart die eine oder die andere Firmware auf dem jeweiligen I/O-Modul abgespeichert werden muss. Nachteilig ist außerdem, dass die durch die Firmware bedingte Betriebsart des I/O-Moduls später nicht änderbar ist.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt somit darin, ein verbessertes I/O-Modul zu schaffen, das mehrere Betriebsarten unterstützt bzw. beherrscht.
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Zur Lösung wird erfindungsgemäß ein I/O-Modul mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie ein Betriebsverfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 7 und eine Steuerungsanordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 11 vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen angegeben. Die zu dem erfindungsgemäßen I/O-Modul angegebenen Merkmale und Vorteile gelten sinngemäß auch für das erfindungsgemäße Betriebsverfahren und die erfindungsgemäße Steuerungsanordnung.
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Vorgeschlagen wird demnach ein I/O-Modul, das einen Mikrocontroller zum Speichern und Ausführen einer Firmware und zum Steuern des Betriebs des I/O-Moduls umfasst. Das I/0-Modul umfasst ferner einen Parameterspeicher zum Speichern wenigstens eines Betriebsartparameters. Die in dem Mikrocontroller gespeicherte Firmware ist geeignet für wenigstens zwei unterschiedliche Betriebsarten des I/O-Moduls und sie ist ausgebildet, bei ihrer Ausführung durch den Mikrocontroller, den Mikrocontroller zum Auslesen des Parameterspeichers und zum Steuern des I/O-Moduls in der durch den Betriebsartparameter bestimmten Betriebsart zu veranlassen.
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Gemäß einer Weiterbildung des I/O-Moduls ist vorgesehen, dass eine der Betriebsarten der synchrone Betrieb des I/0-Moduls ist und eine weitere der Betriebsarten der asynchrone Betrieb des I/O-Moduls ist.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung des I/O-Moduls ist der Parameterspeicher ein nicht-flüchtiger Speicher, insbesondere ein Flash-Speicher oder EEPROM oder ein anderer remanenter Speicher.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung des I/O-Moduls ist der Parameterspeicher mit einem Schreibschutz ausgebildet, der einen Schreibzugriff zum Speichern eines Betriebsartparameters erst nach Eingabe eines korrekten Passworts ermöglicht.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung des I/O-Moduls ist die Firmware modular ausgebildet und umfasst einen betriebsartneutralen Teil und wenigstens zwei unterschiedliche betriebsartspezifische Teile.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung des I/O-Moduls ist die Firmware ausgebildet, in der synchronen Betriebsart den Mikrocontroller zum Ermitteln und Bereitstellen wenigstens eines Zeitwerts bezüglich der Laufzeit der Prozessdatenverarbeitung des I/O-Moduls zu veranlassen.
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Die Erfindung bringt viele Vorteile. So muss für I/O-Module mit mehreren Betriebsarten nur noch eine Firmware, das heißt eine gemeinsame bzw. universale Firmware, entwickelt werden, die die mehreren Betriebsarten abdeckt und per Betriebsartparameter für die jeweils gewünschte eingestellt werden kann. Durch die Modularisierung der Firmware wird sie auch vereinfacht und ist schneller zu entwickeln. Dadurch verringern sich nicht nur die Kosten zu Entwicklung sondern auch zur Wartung der Firmware. Außerdem kann die Betriebsart eines I/O-Moduls nun auf einfache Weise umgeschaltet werden und je nach Anwendungsfall zum Beispiel bei erforderlicher Schnelligkeit (bzw. Häufigkeit) eine asynchrone Betriebsart und bei erforderlicher zeitlicher Genauigkeit stattdessen eine synchrone Betriebsart eingestellt werden.
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Vorgeschlagen wird außerdem ein Betriebsverfahren für ein I/O-Modul mit einem Mikrocontroller und einem Parameterspeicher umfassend die Schritte:
- - Laden einer Firmware durch den Mikrocontroller, die geeignet ist für wenigstens zwei unterschiedliche Betriebsarten des I/O-Moduls,
- - Laden wenigstens eines Betriebsartparameter aus dem Parameterspeicher durch den Mikrocontroller,
- - Prüfen des Betriebsparameters,
- - Steuern des I/O-Moduls durch den Mikrocontroller in der durch den Betriebsartparameter bestimmten Betriebsart. Laden bedeutet hierbei Einlesen aus einem Speicher und Verarbeiten bzw. Ausführen.
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Gemäß einer Weiterbildung des Betriebsverfahrens ist die Firmware modular ausgebildet und umfasst einen betriebsartneutralen Teil und wenigstens zwei unterschiedliche betriebsartspezifische Teile, wobei beim Laden der Firmware zunächst nur der betriebsartneutrale Teil geladen wird und nach dem Laden und Prüfen des Betriebsartparameters dann derjenige betriebsartspezifische Teil der Firmware geladen wird, der der durch den Betriebsartparameter bestimmten Betriebsart entspricht.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung des Betriebsverfahrens ist vorgesehen, dass eine der Betriebsarten der synchrone Betrieb des I/O-Moduls ist und eine weitere der Betriebsarten der asynchrone Betrieb des I/O-Moduls ist.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung des Betriebsverfahrens wird in der synchronen Betriebsart nach dem Laden und Prüfen des Betriebsartparameters oder nach dem Laden des betriebsartspezifische Teils der Firmware wenigstens ein Zeitwert bezüglich der Laufzeit der Prozessdatenverarbeitung des I/O-Moduls ermittelt und bereitgestellt. Ermitteln kann hierbei bedeuten, dass der Zeitwert gemessen und/oder berechnet und/oder aus einem Speicher geladen wird.
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Vorgeschlagen wird außerdem eine Steuerungsanordnung mit einem I/O-Modul, das einen Mikrocontroller zum Speichern und Ausführen einer Firmware und zum Steuern des Betriebs des I/O-Moduls umfasst. Dieses I/O-Modul umfasst ferner einen Parameterspeicher zum Speichern wenigstens eines Betriebsartparameters. Die in dem Mikrocontroller des I/O-Moduls gespeicherte Firmware ist geeignet für wenigstens zwei unterschiedliche Betriebsarten des I/O-Moduls und sie ist ausgebildet, bei ihrer Ausführung durch den Mikrocontroller, den Mikrocontroller zum Auslesen des Parameterspeichers des I/O-Moduls und zum Steuern des I/O-Moduls in der durch den Betriebsartparameter bestimmten Betriebsart zu veranlassen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Steuerungsanordnung ist vorgesehen, dass eine der Betriebsarten des I/O-Moduls der synchrone Betrieb des I/O-Moduls ist und eine weitere der Betriebsarten des I/O-Moduls der asynchrone Betrieb des I/O-Moduls ist.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung der Steuerungsanordnung umfasst diese auch ein Steuerungsmodul, das mit dem I/O-Modul signalleitend verbunden ist.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung der Steuerungsanordnung ist die Firmware des I/O-Moduls ausgebildet, in der synchronen Betriebsart den Mikrocontroller zum Ermitteln und Bereitstellen wenigstens eines Zeitwerts bezüglich der Laufzeit der Prozessdatenverarbeitung des I/O-Moduls für das Steuerungsmodul zu veranlassen.
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Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt dabei
- 1 eine schematische Darstellung einer Steuerungsanordnung mit einem Steuerungs- und mehreren 1/0-Modulen;
- 2 eine schematische Darstellung des Ablaufs eines Betriebsverfahrens für ein I/O-Modul.
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Ein Ausführungsbeispiel einer Steuerungsanordnung 100, welche auch als lokaler Steuerungsverbund bezeichnet werden kann, ist in 1 gezeigt. Die Steuerungsanordnung 100 umfasst hierbei ein Steuerungsmodul 50 und vier I/O-Module 10, 20, 30, 40, die signalleitend miteinander verbunden sind, zum Beispiel über einen Kommunikationsbus oder ein Kommunikationsnetzwerk (aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht näher gezeigt). Das Steuerungsmodul 50 kann zum Beispiel als eine ein Anwenderprogramm ausführende SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) ausgebildet sein. Das Steuerungsmodul 50 und die I/O-Module 10, ..., 40 sind bei dem in 1 gezeigten Beispiel als Reihenmodule ausgebildet, die in einer Reihe nacheinander bzw. nebeneinander angeordnet und in zweckmäßiger Ausführung auf einer als Hutschiene ausgebildeten Tragschiene 60 montiert. Dazu besitzen die Reihenmodule z.B. an ihrer Rückseite entsprechende Befestigungsmittel (aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht näher gezeigt), die eine einfache Montage der Module an der Schiene, zum Beispiel durch Aufrasten oder -klemmen erlauben. Bei dem oben erwähnten Kommunikationsbus kann es sich zum Beispiel um einen Lokal-Bus handeln, welcher in der Tragschiene 60 aufgenommen ist.
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Jedes der I/O-Module 10, ..., 40 besitzt einen Mikrocontroller (nicht gezeigt) zum Speichern und Ausführen einer Firmware und zum Steuern des Betriebs des I/O-Moduls. Jedes I/O-Modul besitzt ferner einen Parameterspeicher (nicht gezeigt) zum Speichern wenigstens eines Betriebsartparameters. Die in dem Mikrocontroller gespeicherte Firmware ist geeignet für wenigstens zwei unterschiedliche Betriebsarten des I/O-Moduls, nämlich für einen synchronen Betrieb und einen asynchronen Betrieb des I/O-Moduls, und sie ist ausgebildet, bei ihrer Ausführung durch den Mikrocontroller, den Mikrocontroller zum Auslesen des Parameterspeichers und zum Steuern des I/O-Moduls in der durch den Betriebsartparameter bestimmten Betriebsart zu veranlassen.
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Der Parameterspeicher ist zweckmäßig ein nicht-flüchtiger Speicher, insbesondere ein Flash-Speicher oder EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory). Es könnte sich bei dem Parameterspeicher aber zum Beispiel auch einfach um einen DIP-Schalter handeln. Insbesondere erlaubt der Parameterspeicher ein remanentes Speichern wenigstens eines Betriebsartparameters. Bevorzugt erlaubt der Parameterspeicher auch ein Ändern des gespeicherten Betriebsartparameters. Besonders bevorzugt aber ist der Parameterspeicher mit einem Schreibschutz ausgebildet, der einen Schreibzugriff zum Speichern bzw. Ändern eines Betriebsartparameters erst nach Eingabe eines korrekten Passworts ermöglicht.
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Ein Ausführungsbeispiel für den Ablaufs eines Betriebsverfahrens für ein I/O-Modul mit einem Mikrocontroller und einem Parameterspeicher ist in 2 gezeigt.
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In diesem Beispiel gehen dem Schritt S5 des Verfahrens Laden der Firmware bzw. Applikationsfirmware noch die Schritte S1 bis S3 voraus. Im Schritt S1 erfolgt der Modulstart, in dem das I/O-Modul eingeschaltet und mit der nötigen Betriebsspannung versorgt wird. Im Schritt S2 erfolgt das Laden des Bootloaders, einem Startprogramm, welchen dann im Schritt S3 eine Prüfung vornimmt, ob gültige Firmware auf dem I/O-Modul, insbesondere im Mikrocontroller des I/O-Moduls, vorhanden ist. Sollte keine gültige Firmware zum Laden bereitstehen, wird im Schritt S4 mit einer Fehlermeldung, insbesondere an das Steuerungsmodul 50, das Verfahren abgebrochen, wobei das I/O-Modul bevorzugt einen sicheren Zustand einnimmt, um Gefahrensituationen vorzubeugen (nicht gezeigt). Findet aber der Bootloader eine gültige Firmware, wird diese im Schritt S5 geladen. Da die Firmware modular ausgebildet ist (nicht näher gezeigt), umfasst diese zweckmäßig einen betriebsartneutralen Teil und zwei unterschiedliche betriebsartspezifische Teile, nämlich einen betriebsartspezifischen teil für einen asynchronen Betrieb und einen betriebsartspezifischen Teil für einen synchronen Betrieb. Im Schritt S5 wird somit bevorzugt zunächst nur der betriebsneutrale Teil der Firmware geladen.
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Anschließend erfolgt beispielsweise in einem Schritt S6 das Laden des Betriebsartparameters aus dem Parameterspeicher, woran sich im Schritt S7 das Prüfen des Betriebsartparameters anschließt. Je nachdem wie der Parameterspeicher hardwaremäßig tatsächlich ausgebildet ist, muss diese Hardware gegebenenfalls zunächst initialisiert werden, bevor ein Lesezugriff darauf möglich ist.
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In Abhängigkeit davon, welche Betriebsart durch den Wert des Betriebsartparameters bestimmt ist, folgt dann der Schritt S8 oder S9. Wenn durch den Betriebsartparameter die asynchrone Betriebsart bestimmt ist, wird gemäß Schritt S8 der betriebsartspezifische Teil der Firmware für den asynchronen Betrieb geladen. Wenn durch den Betriebsartparameter die synchrone Betriebsart bestimmt ist, wird gemäß Schritt S9 der betriebsartspezifische Teil der Firmware für den synchronen Betrieb geladen.
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Mit Laden ist hierbei das Einlesen von Daten bzw. Programmcode aus einem Speicher und das Verarbeiten bzw. Ausführen davon durch den Mikrocontroller gemeint.
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Zweckmäßigerweise kann die Firmware für den wenigstens einen aus dem Parameterspeicher zu ladenden Betriebsartparameter einen sogenannten Defaultwert umfassen, der die Werkseinstellung für die Firmware und das I/O-Modul darstellt und auf den die Firmware bei Bedarf zurückgesetzt werden kann, so dass das Modul nach dem Zurücksetzen einen definierten Zustand einnehmen kann. Sollte einmal kein Laden des Betriebsartparameter aus dem Parameterspeicher möglich sein oder kein gültiger Wert für den Betriebsparameter zum Laden bereitstehen, kann vorgesehen sein, dass stattdessen der Defaultwert genutzt wird (nicht gezeigt) oder das Verfahren abgebrochen wird (nicht gezeigt), wobei bevorzugt auch jeweils eine entsprechende Fehlermeldung, insbesondere an das Steuerungsmodul 50, ausgegeben wird (nicht gezeigt), und wobei besonders bevorzugt das I/O-Modul einen sicheren Zustand einnimmt, um Gefahrensituationen vorzubeugen (nicht gezeigt).
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Wenn durch den Betriebsartparameter die synchrone Betriebsart bestimmt ist, wird nach dem Laden S6 und Prüfen S7 des Betriebsartparameters und/oder nach dem Laden des betriebsartspezifische Teils der Firmware S9 wenigstens ein Zeitwert bezüglich der Laufzeit der Prozessdatenverarbeitung des I/O-Moduls ermittelt und für das Steuerungsmodul 50 und/oder für ein dem Steuerungsmodul überlagertes System (nicht gezeigt) bereitgestellt. Ermitteln kann hierbei bedeuten, dass der Zeitwert gemessen und/oder berechnet und/oder aus einem Speicher geladen wird. Ein solcher Zeitwert gibt zum Beispiel an, wie lange die Generierung der (Prozess-)Daten dauert (Sampling), bis die Eingangsdaten einem Prozessdatenbuffer des I/O-Moduls zur Verfügung stehen, oder wie lange die Ausgabe des Prozessausgangsdatums dauert, nachdem es aus dem Prozessdatenausgangsbuffer des I/O-Moduls gelesen wurde. Mit solchen Zeitwerten kann das Steuerungsmodul 50 oder ein dem Steuerungsmodul überlagertes System, das zweckmäßigerweise Synchronität unterstützt, den genauen Zeitpunkt berechnen, wann genau die Daten eingelesen und ausgegeben werden.
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Des Weiteren wird, wenn durch den Betriebsartparameter die synchrone Betriebsart bestimmt ist, zweckmäßigerweise ein Timer in dem I/O-Modul gestartet (nicht gezeigt), der für verschiedene Synchronisierungsverfahren wie Zeitstempelverfahren oder Triggerimpulsverfahren dienen kann.
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Beim Zeitstempelverfahren läuft sowohl im I/O-Modul als auch Steuerungsmodul eine (hochgenaue) Uhr, die zwischen Modul und Steuerung abgeglichen werden muss. Dazu wird jedes Prozessdatum vom I/O-Modul mit einem Zeitstempel versehen. Mit diesem Zeitstempel kann das Steuerungsmodul dann den Zeitpunkt des Prozessdatums bestimmen.
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Beim Triggerimpulsverfahren wird davon ausgegangen, dass das I/O-Modul Funktionen ausführt (z.B. Diagnose, azyklische Datenkommunikation), die erst beendet werden müssen, bevor Prozessdaten generiert und ausgegeben werden können. Deswegen erhält das I/O-Modul von dem Steuerungsmodul oder einem dem Steuerungsmodul überlagerten System ein regelmäßiges, insbesondere zeitstabiles, Signal, beispielsweise als ein Kommando oder als ein Impuls in Form einer steigenden oder fallenden Signalflanke auf einer bevorzugt separaten Leitung. Dieses Signal stellt für das I/O-Modul einen externen Interrupt (Ereignis) dar, woraufhin im I/O-Modul zunächst der Timer sowie die oben erwähnten Funktionen wie Diagnose oder azyklische Datenkommunikation gestartet werden. Die Zeit des Timers kann insbesondere durch den oben erwähnten wenigstens einen ermittelten Zeitwert definiert sein, der insbesondere so groß ist, dass die anderen Funktionen sicher beendet werden können. Somit können nach Ablauf des Timers dann die Prozessdaten generiert und ausgegeben werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 20, 30, 40
- I/O-Modul
- 50
- Steuerungsmodul
- 60
- Tragschiene, Hutschiene
- 100
- Steuerungsanordnung
- S1, ..., S9
- Verfahrensschritte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 9626470 [0003]
- US 5572676 [0004]
