DE19504291C2 - Verfahren zum Betreiben eines Netzwerks - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Netzwerks nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Verfahren ist bereits aus der DE-PS 42 42 197 bekannt. Dort wird ein Reglersystem mit einer Vielzahl von Sensoren/Aktoren offenbart, die an verteilten Orten Signale für die Regelungsfunktion bereitstellen bzw. auf eine Regel­ strecke einwirken und miteinander über Kommunikationsleitun­ gen verbunden sind. Ein konzentriert aufgebauter Regler mit gegebenenfalls jeweils sehr langen Sensor- und Aktorleitungen wurde in ein verteiltes System überführt, in dem die verteil­ ten Intelligenzen über ein Netz miteinander kommunizieren. Daraus ergibt sich eine Verlagerung der ursprünglich konzen­ trierten Prozessorleistung auf dezentrale, intelligente Netzwerkknoten mit jeweils nur kurzen Signalleitungen zu den Sensoren/Aktoren am Prozeß. Die einzelnen in den Teilnehmern des Netzwerks zur Verfügung stehenden Software-Module werden in der Prozeßleittechnik als Funktionsbausteine bezeichnet. Je nach Art des Funktionsbausteins enthalten diese konfigu­ rierbare Ein- und Ausgänge für analoge oder binäre Größen so­ wie eine Signalverarbeitung. Dem Verkabeln der verschiedenen Geräte eines Regelungssystems in konventioneller Technik ent­ spricht die Verknüpfung der Funktionsbausteine, d. h. die Konfigurierung. Bei der Verschaltung verteilter Funktionsbau­ steine, die sich in verschiedenen dezentralen, über einen Bus verbundenen Geräten befinden, muß für Sequenzen solcher Funk­ tionsbausteine eine zeitliche Ablaufsteuerung festgelegt wer­ den. Zur Erstellung der Ablaufsteuerung ist die Kenntnis der Funktionsbaustein-Bearbeitungszeiten und der Busübertragungs­ zeiten notwendig. Die Funktionsbaustein-Bearbeitungszeiten sind meistens unbekannt oder konfigurationsabhängig schwan­ kend. Dagegen sind die Busübertragungszeiten zumindest für den Worst-Case im allgemeinen bekannt oder berechenbar. Zur Ermittlung der Funktionsbaustein-Bearbeitungszeiten ist das Wissen des Projektierers beispielsweise aufgrund von Her­ stellerangaben oder aufwendiger Messungen am Gerät erforder­ lich. Zur Erstellung der Ablaufsteuerung ist die manuelle Programmierung der Ablaufsteuerung notwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Netzwerks zu finden, bei welchem der Entwurf einer Ablaufsteuerung automatisch anhand einer vorgegebenen Verschaltung der Funktionsbausteine erfolgt.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist das neue Verfahren der ein­ gangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des An­ spruchs 1 genannten Merkmale auf. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung angegeben.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß zum Entwurf einer Ablauf­ steuerung lediglich eine Verschaltung der Funktionsbausteine manuell vorgegeben werden muß. Dies kann beispielsweise durch die manuelle Eingabe eines Blockschaltbildes mit den Funk­ tionsbausteinen als Funktionsblöcken und den verknüpften Ein- und Ausgängen der Funktionsbausteine als Verbindungen in ei­ nen Grafik-Editor oder durch Eingabe einer Vernetzungsliste in einen Text-Editor erfolgen. Durch ein Entwurfsprogramm ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren automatisch eine Ablauf­ steuerung erstellbar. Für das Entwurfsprogramm ist bezüglich der Kommunikationskanäle lediglich die Übertragungszeit der Daten von Interesse. Das Verfahren ist unabhängig von der To­ pologie des Netzwerkes, gleichgültig ob Bus-, Ring-, Stern- oder gemischte Struktur, sowie unabhängig vom Buszugriffs­ verfahren verwendbar, sofern eine Worst-Case-Busübertragungs­ zeit angebbar ist. Fehlerquellen, beispielsweise daß eine Funktionsbaustein-Bearbeitungszeit nicht bei der richtigen Konfiguration und damit falsch gemessen wurde, können durch das Entwurfsprogramm auf einfache Weise vermieden werden. Aufgrund der exakten Ermittlung der konfigurationsabhängigen Funktionsbaustein-Laufzeiten wird vielmehr für die spezielle projektierungstechnische Verschaltung der Funktionsbausteine eine optimale Ablaufsteuerung mit kurzer, aber dennoch aus­ reichender Zykluszeit entworfen.

Anhand der Figuren, in denen ein Ausführungsbeispiel der Er­ findung dargestellt ist, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Strukturbild eines Reglersystems,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Reglersystems,

Fig. 3 ein Prinzip der Funktionsbaustein-Laufzeitmessung und

Fig. 4 ein Zeitdiagramm einer Ablaufsteuerung.

Ein erfindungsgemäß betriebenes Reglersystem ist gemäß Fig. 1 als Netzwerk mit verteilten Intelligenzen ausgeführt. Ein Meßumformer 1, ein Stellglied 2 und ein Regler 3, in de­ nen Funktionsbausteine Analog-Input AI, Analog-Output AO bzw. Regler PID aufrufbar sind, können über Kommunikationskanäle, die hier durch einen Bus 4 realisiert sind, miteinander Daten austauschen. Ein Link Active Scheduler LAS, der als Software- Modul in dem Regler 3 abläuft, dient zur Buszugriffssteue­ rung. Die Busübertragungszeiten sind je nach Typ des Busses 4 unterschiedlich und sind von den Laufzeiten der Signale auf dem Bus 4 abhängig, aber auch von der Art der Senderechts­ vergabe. Sie sind dann optimal, wenn eine Ablaufsteuerung dem Link Active Scheduler LAS mitteilt, welcher Teilnehmer als nächster senden will, und wenn der Link Active Scheduler LAS diesem bereits vor Eintritt der Sendebereitschaft das Sende­ recht, auch Token genannt, zugeteilt hat. Wenn dagegen ein sendebereiter Teilnehmer erst auf das Senderecht warten muß, verlängern sich die Busübertragungszeiten entsprechend. Im Falle eines umlaufenden Tokens erhält ein Teilnehmer im Worst-Case das Senderecht erst nach einem vollständigen Token-Umlauf. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt keine be­ sonderen Anforderungen an die tatsächliche Busübertragungs­ zeit, es muß lediglich eine Worst-Case-Übertragungszeit ein­ gehalten werden. In diesem Ausführungsbeispiel werden zwar Kommunikationskanäle zwischen den einzelnen Teilnehmern 1, 2 und 3 durch einen Bus 4 realisiert, die Erfindung ist aber ohne weiteres auch bei anderen Netzwerk-Topologien anwendbar.

In Fig. 2 ist die Verknüpfung der einzelnen Funktionsbau­ steine AI, AO und PID dargestellt, die der Verschaltung der Komponenten eines geschlossenen Regelkreises entspricht. Durch den Funktionsbaustein AI wird eine Meßgröße an einem Prozeß P erfaßt und als Regelgröße x an den Regler PID über­ geben. Als weitere Eingangsgröße erhält der Regler PID eine Führungsgröße w, die als Parameter vorliegt, der z. B. durch ein anderes Netzwerk oder durch eine manuelle Eingabe gewon­ nen wird. Die Führungsgröße w kann aber auch von einem weite­ ren, in der Fig. 2 nicht dargestellten Funktionsbaustein er­ zeugt werden. Der Regelfunktionsbaustein PID liefert eine Stellgröße y, die an den Ausgabefunktionsbaustein AO über­ geben wird, der auf den Prozeß P einwirkt. Eine Ablaufsteue­ rung AS sorgt für die korrekte zeitliche Abfolge der Funk­ tionsbausteine AI, AO und PID. Die in dem Blockschaltbild ge­ zeigte Verschaltung der Funktionsbausteine dient als Vorgabe für den automatischen Entwurf der Ablaufsteuerung AS. Die Ab­ laufsteuerung AS kann wie der Link Active Scheduler LAS prin­ zipiell in jedem Teilnehmer am Netzwerk ablaufen.

In Fig. 3 ist eine Möglichkeit zur Ermittlung der Funktions­ baustein-Laufzeiten dargestellt. Pfeile von der Seite des Funktionsbausteins PID zur Seite des Funktionsbausteins A1 sowie in umgekehrter Richtung symbolisieren die Übertragung von Informationen auf dem Kommunikationskanal, der die beiden Funktionsbausteine verbindet. Die Zeitachse t ist nach unten gerichtet. Ein zentraler Teilnehmer, hier das Gerät 3 mit dem Funktionsbaustein PID, sendet zum Zeitpunkt t = x ein Aufruf­ signal Start-FB, mit welchem der Funktionsbaustein AI aufge­ rufen wird. Die Übertragung dieses Aufrufsignals Start-FB nimmt die Busübertragungszeit T2 in Anspruch. Die Laufzeit des Funktionsbausteins AI ist T1. Nach Art eines Pollings wird der Meßumformer 1 so lange durch den zentralen Teilneh­ mer 3 mit Telegrammen R1 und R3 abgefragt, bis er anstelle einer negativen Rückmeldung R2 eine positive Rückmeldung Stop-FB abgibt, die besagt, daß er den Funktionsbaustein A1 vollständig durchlaufen hat. Die Rückmeldung Stop-FB erreicht zum Zeitpunkt t = y den zentralen Teilnehmer 3. Der Zeitraum zwischen t = y und t = x wird vom zentralen Teilnehmer 3 ge­ messen und ist gleich der Funktionsbaustein-Bearbeitungszeit einschließlich der zwei- bis vierfachen Busübertragungszeit T2.

Wenn die Busübertragungszeiten wesentlich geringer als die Funktionsbaustein-Bearbeitungszeit sind, können diese ohne nennenswerte Verfälschung des Ergebnisses vernachlässigt wer­ den. Falls die Funktionsbaustein-Laufzeit als Parameter in den Funktionsbausteinen hinterlegt ist, kann sie durch den zentralen Teilnehmer auch durch einfaches Auslesen dieses Parameters über den Kommunikationskanal ermittelt werden. Bei einem Funktionsbaustein mit der Funktion eines Stellungs­ reglers kann die Funktionsbaustein-Bearbeitungszeit z. B. auch gemessen werden, indem die Zeit zwischen dem Schreiben eines neuen Sollwertes und der entsprechenden Änderung des Rückmeldewertes als Funktionsbaustein-Bearbeitungszeit ange­ nommen wird.

Analog zur Ermittlung der Laufzeit des Funktionsbausteins AI werden auch die Laufzeiten der übrigen Funktionsbausteine AO und PID ermittelt.

Eine Ablaufsteuerung, deren Zeitdiagramm in Fig. 4 darge­ stellt ist, synchronisiert die Funktionsbausteine AI, AO und PID in den Geräten 1, 2 bzw. 3 so, daß sie hintereinander ab­ laufen und zwischen dem Ablauf der einzelnen Funktionsbau­ steine die Busübertragungszeiten berücksichtigt werden. Zum Entwurf einer derartigen Ablaufsteuerung werden die projek­ tierungstechnische Verschaltung der Funktionsbausteine AI, AO und PID sowie ihre Laufzeiten benötigt. Erfindungsgemäß wird dieser Entwurf automatisch durchgeführt, so daß in vorteil­ hafter Weise manuelle Eingaben und Arbeiten entfallen und so die erforderlichen Projektierungszeiten sinken. Durch die projektierungstechnische Verschaltung der Funktionsbausteine wird dem Entwurfsprogramm mitgeteilt, aus welchen Funktions­ bausteinen jeder Funktionsbaustein seine Eingangswerte be­ zieht und in welche seine Ausgangswerte gespeist werden. Da Eingangswerte eines Funktionsbausteins vor seinem Ablauf ver­ fügbar sein müssen, wird die Ablaufsteuerung so entworfen, daß Funktionsbausteine, die seine Eingangswerte liefern, im Ablaufzyklus vor diesem Funktionsbaustein gestartet werden und somit den benötigten Eingangswert rechtzeitig bereitstel­ len. Aus dem Blockschaltbild in Fig. 2 ist beispielsweise ersichtlich, daß der Funktionsbaustein AI, der die von dem Funktionsbaustein PID benötigte Regelgröße x liefert, vor dem Funktionsbaustein PID ablaufen muß. Andererseits muß der Funktionsbaustein AO, der von dem Funktionsbaustein PID die Stellgröße y benötigt, nach diesem gestartet werden. Die so gewonnene Ablauffolge ist in Fig. 4 dargestellt. Zum Zeit­ punkt t0 wird der Funktionsbaustein AI gestartet, der die Laufzeit T1 beansprucht. Danach findet eine Übertragung der Regelgröße über den Bus statt. Dafür wird die Busübertra­ gungszeit T3 angenommen, die dem Worst-Case entspricht. Der Startzeitpunkt t1 für den Funktionsbaustein PID liegt also um die Summe der Laufzeit T1 des Funktionsbausteins AI und der Busübertragungszeit T3 nach dem Startzeitpunkt t0 des Funk­ tionsbausteins A1. In entsprechender Weise wird auch der Startzeitpunkt t2 des Funktionsbausteins AO bestimmt. Zum Zeitpunkt t3 ist auch der Funktionsbaustein AO vollständig durchlaufen und ein Ablaufzyklus abgeschlossen. In einem Re­ gelkreis entspricht die Dauer eines Ablaufzyklus der vorzugs­ weise konstantzuhaltenden Abtastzeit, die bei anderen hinter­ einanderhängenden Funktionsbausteinen unter Umständen auch veränderlich sein kann. Mit dem Zeitpunkt t3 beginnt der nächste Ablaufzyklus, und der Funktionsbaustein AI wird er­ neut gestartet.

Die Ablaufsteuerung kann derart ausgeführt sein, daß die ein­ zelnen Funktionsbausteine durch einen zentralen Teilnehmer mit über die Kommunikationskanäle gesendeten Telegrammen ge­ startet werden. Es ist aber auch möglich, daß in den einzel­ nen Teilnehmern präzise Uhren ablaufen und ihnen lediglich die Startzeiten mitgeteilt werden, so daß die Teilnehmer die Funktionsbausteine selbst zur gewünschten Zeit starten kön­ nen. Durch ein Synchronisationssignal, beispielsweise zu Be­ ginn eines jeden Ablaufzyklus, kann die Genauigkeit der Startzeitpunkte verbessert werden. Die Dauer eines Ablauf­ zyklus kann dann zur Prüfung des korrekten Empfangs von Syn­ chronisationssignalen oder auch zur geräteinternen Synchroni­ sation genutzt werden.

Claims (9)

1. Verfahren zum Betreiben eines Netzwerks mit mehreren Teil­ nehmern (1, 2, 3), die zur bidirektionalen Datenübertragung über Kommunikationskanäle miteinander verbunden sind und in denen jeweils verschiedene Funktionsbausteine (AI, AO, PID) aufrufbar sind, dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß zum automatischen Entwurf einer Ablaufsteuerung (AS) im Netzwerk ein zentraler Teilnehmer (3) anhand eines Ent­ wurfsprogramms und einer vorgegebenen Verschaltung der Funktionsbausteine (AI, AO, PID) die in einem Ablaufzyklus erforderlichen Funktionsbausteine (AI, AO, PID) aufruft, die Ausführungszeiten der einzelnen Funktionsbausteine (AI, AO, PID) ermittelt und die Ablaufsteuerung derart einstellt, daß ein Funktionsbaustein (AI; PID), dessen Ausgang Eingang zumindest eines weiteren Funktionsbau­ steins (PID; AO) ist, zumindest um einen Zeitraum vor dem weiteren Funktionsbaustein (PID; AO) aufgerufen wird, der so bemessen ist, daß der in einem Ablaufzyklus aktuell ermittelte Ausgangswert als Eingangswert des weiteren Funktionsbausteins (PID; AO) in demselben Ablaufzyklus verwendbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net,

• 1. daß der Zeitraum gleich der Summe der Laufzeit des Funk­ tionsbausteins (AI; PID) und der Worst-Case-Übertragungs­ zeit des Kommunikationskanals gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net,

• 1. daß Funktionsbausteine (AI), die lediglich Ausgänge auf­ weisen, als erste aufgerufen werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet,

• 1. daß zur Ermittlung einer Ausführungszeit eines Funktions­ bausteins (AI, AO, PID) der Zeitraum zwischen dem Senden eines Aufrufsignals (Start-FB) über den Kommunikations­ kanal und dem Empfang eines Endesignals (Stop-FB) gemessen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net,

• 1. daß bei einem Stellungsregler ein Sollwertsprung als Auf­ rufsignal und eine Änderung des Rückmeldewertes als Ende­ signal verwendet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß die Ausführungszeit jeweils in einem Funktionsbaustein (AI, AO, PID) als Parameter hinterlegt ist und durch den zentralen Teilnehmer (3) ausgelesen wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet,

• 1. daß die Funktionsbausteine (AI, AO, PID) der verschiedenen Teilnehmer (1, 2, 3) durch einen Teilnehmer (3), der die Ablaufsteuerung (AS) durchführt, aufgerufen werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß den einzelnen Teilnehmern (1, 2, 3) die innerhalb ei­ nes Ablaufzyklus liegenden Aufrufzeiten (t0, t1, t2) ihrer Funktionsbausteine (AI, AO, PID) übermittelt werden und
• 2. daß die einzelnen Teilnehmer (1, 2, 3) ihre Funktionsbau­ steine (AI, AO, PID) selbst aufrufen.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet,

• 1. daß ein Telegramm zur Synchronisation der Teilnehmer (1, 2, 3) übertragen wird.