DE19803686A1

DE19803686A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kommunikation gleichberechtigter Stationen eines ringförmigen, seriellen Lichtwellenleiter-Busses

Info

Publication number: DE19803686A1
Application number: DE19803686A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Bohrer; Walter Dipl In Moeller-Nehring; Rudolf Dipl Ing Seidl; Klaus Dipl Ing Renner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-01-30
Filing date: 1998-01-30
Publication date: 1999-08-05
Also published as: WO1999039463A2; US7009995B1; WO1999039463A3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kommunikati on gleichberechtigter Stationen eines ringförmigen, seriellen Lichtwellenleiter-Busses und auf eine Vorrichtung zur Durch führung dieses Kommunikationsverfahrens.

Es ist ein serielles Bussystem für die Vernetzung von "intelligenten" Ein-/Ausgabe-Einheiten sowie Sensoren und Ak toren innerhalb einer Anlage oder Maschine bekannt. Dieses serielle Bussystem nennt sich Controller Area Network (CAN) und wird mittlerweile nicht nur in Automobilen, sondern auch in der Industrieautomatisierung, beispielsweise bei Textilma schinen, Verpackungsmaschinen, Maschinen zur Papierherstel lung und -verteilung und in der Medizintechnik, angewendet. Der serielle Bus besteht aus einer Zweidrahtleitung, deren Enden jeweils mit einem Busabschlußwiderstand versehen sind.

CAN ist ein serielles Bussystem, welches multimasterfähig ist, d. h., mehrere CAN-Knoten können gleichzeitig den Bus an fordern. Bei der CAN-Datenübertragung, gemäß der Veröffentli chung "Controller Area Network - Ein serielles Bussystem nicht nur für Kraftfahrzeuge" der Internationalen Vereinigung "CAN in Automation (CiA) e.V." werden keine Stationen am Bus adressiert, sondern der Inhalt der Nachricht wird durch einen netzweiten eindeutigen Identifier gekennzeichnet. Neben der Inhaltskennung legt der Identifier auch die Prioritäten der Nachricht fest. Die Prioritäten werden beim Systementwurf durch entsprechende Binärwerte vergeben und sind nicht dyna misch veränderbar. Der Identifier mit der niedrigsten Binär zahl hat die höchste Priorität. Der Buszugriffskonflikt wird mittels einer bitweisen Arbitrierung über die jeweiligen Identifier gelöst, indem jede Station Bit für Bit den Buspe gel beobachtet. Bei diesem Wettstreit der Stationen werden alle "Verlierer" automatisch zu Empfängern der Nachricht mit der höchsten Priorität und versuchen erst dann wieder zu sen den, wenn der Bus frei wird. Mit der dann folgenden Akzep tanzprüfung stehen alle Empfänger-Stationen im CAN-Netz nach korrektem Empfang der Nachricht anhand des Identifiers fest, ob die empfangenen Daten für sie relevant sind oder nicht (Selektieren). Sind die Daten für die Empfänger-Stationen von Bedeutung, so werden sie weiter verarbeitet (Übernahme), an sonsten einfach ignoriert. Die Länge der zu übertragenden In formationen sind relativ kurz. Pro Nachricht kann man acht Byte Nutzdaten übertragen. Längere Datenblöcke können durch Segmentierung übertragen werden. Die maximale Übertragungsge schwindigkeit ist 1 MBit/s. Dieser Wert gilt für ein Bussy stem mit einer Ausdehnung bis zu 40 m. Für Entfernungen bis zu 500 m ist eine Übertragungsgeschwindigkeit von 125 kBit/s möglich, und bei Übertragungslängen von bis 1 km ist ein Wert von nur noch 50 kBit/s zulässig. Die Anzahl der Teilnehmer an einem CAN-Bussystem ist theoretisch durch die Anzahl der verfügbaren Identifier begrenzt (2032 bei Stan dardformat und 0,5-10⁹ beim erweiterten Format). CAN erlaubt somit die Realisierung eines bedarfsabhängigen Buszugriffs, der aber aufgrund der bitweisen Arbitrierung über die Bot schaftspriorität zerstörungsfrei vonstatten geht. Ein Syn chronisationsmechanismus wird durch den CAN nicht unterstützt und die Datenübertragungsgeschwindigkeit ist für einen Pro zeß, bei dem mehrere Bewegungsabläufe aufeinander synchron ablaufen, zu niedrig.

Ein digitales, serielles Feldbussystem, das einen Synchroni sationsmechanismus unterstützt, ist das SERCOS interface (Serial Real Time Communication System). Dieses SERCOS inter face ist ein digitales, serielles Kommunikationssystem zwi schen Steuerungen und Antrieben bzw. Ein-/Ausgabebaugruppen und ist in dem Aufsatz "Kommunikation bei Antrieben" von Berthold Gick, Peter Mutschler und Stephan Schultze, abge druckt in der DE-Zeitschrift "etz", Band 112 (1991), Heft 17, Seiten 906 bis 916, näher dargestellt.

SERCOS interface spezifiziert eine streng hierarchische Kom munikation mit den Daten in Form von Datenblöcken, den soge nannten Telegrammen, die in zeitlich konstanten Zyklen zwi schen einer Steuerung und mehreren Unterstationen ausge tauscht werden. Unmittelbare Kommunikation zwischen den Un terstationen findet nicht statt. Der SERCOS interface verwen det die Ringtopologie, wobei je Ring als Teilnehmer eine Steuerung, auch als Master bezeichnet, und mehrere Untersta tionen, auch als Slave bezeichnet, vorhanden sind. Die physi kalische Schicht einer Übertragungsstrecke besteht aus opti schen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Die optische Übertragung findet gerichtet statt, wobei die Elemente der Übertragungs strecke elektrooptische Wandler, Lichtwellenleiter und opto elektrische Wandler sind. Die Übertragungsrate beträgt 2 MBit/s, 4 MBit/s oder 8 MBit/s. Die Länge jedes Übertra gungsabschnitts kann bei Plastik-Lichtwellenleitern bis zu 60 m und bei Glasfaser-Lichtwellenleitern bis zu 250 m betra gen. Die maximale Anzahl der Teilnehmer je Lichtwellenleiter- Ring ist 254. Außerdem sind in den Slaves Wiederholverstärker angeordnet, damit Signalverzerrungen, die durch die optische Übertragung entstehen, sich nicht akkumulieren können. Die aktive Signalaufbereitung und Taktregenerierung wird mit Hil fe von Phasenregelkreisen erreicht. Durch die Verwendung von Füllzeichen und Bit-Stopfen ist sichergestellt, daß ausrei chend viele Signalflanken im Datenstrom enthalten sind. Da durch wird es den Phasenregelkreisen ermöglicht, immer "ein gerastet", d. h. bitsynchron, zu bleiben.

Die Kommunikation beim SERCOS interface erfolgt im Betrieb zyklisch als Master-Slave-Kommunikation mit einer bei der In itialisierung zu wählenden Zykluszeit. Der Master sendet mit einem unabhängigen Sendeschrittakt entweder Telegramme oder speist Füllzeichen in den Ring ein. Die Slaves erreichen ent weder ihre regenerierten Eingangssignale an die nächsten Teilnehmer weiter (Repeaterfunktion) oder sie senden ihr ei genes Telegramm. Der Master reicht sein Eingangssignal nicht weiter. Aus diesem Grunde ist ein unmittelbarer Querverkehr zwischen den einzelnen Slaves nicht möglich, der Ring kann somit am Master als offen betrachtet werden.

Jedes Telegramm beginnt und endet mit einer Telegrammbegren zung und weist ein Adreßfeld, ein Datenfeld und eine Prüfsum me auf. Telegramme, die von den Slaves gesendet werden, sind quelladressiert, d. h., der Inhalt des Adreßfeldes kennzeich net hier die sendende Station. Telegramme, die der Master sendet, sind zieladressiert. Im Datenfeld stehen die zu über tragenden Daten. Die Länge der einzelnen Datenfelder der ver schiedenen Telegramme wird während der Initialisierung fest gelegt und dann konstant gehalten.

Der Kommunikationszyklus des SERCOS interface ist in fünf Phasen unterteilt. Der Zyklus beginnt mit einem Master- Synchronisationstelegramm, das zur Vorgabe der Kommunika tionsphase und der Zeitreferenz dient. Daran schließen sich die Antriebstelegramme (quelladressiert) an, die von den ein zelnen Slaves gesendet werden. Nachdem beim Master alle An triebstelegramme vorliegen, sendet dieser an alle Slaves ein Master-Datentelegramm. Jeder Slave kennt außerdem per Initia lisierung die Zeitpunkte T3 und T4 innerhalb eines Zyklus. Im Zeitpunkt T3 werden systemweit alle Daten (Sollwerte) gleich zeitig freigegeben und im Zeitpunkt T4 werden systemweit alle Meßwerte gleichzeitig abgetastet. Exakt nach Ablauf der Zy kluszeit startet der Master den nächsten Zyklus mit dem Ma ster-Synchronisationstelegramm. Somit kennt SERCOS interface die folgenden Synchronisationsarten: Bitsynchronität, Syn chronisation der Kommunikation und die Synchronisation der Datenverarbeitung in den Slaves.

Mit diesem SERCOS interface kann keine schnelle wahlfreie Kommunikation unter gleichberechtigten Stationen durchgeführt werden, die dazu auch noch einfach ist.

Im Aufsatz "Wie ergänzt "Peer-to-Peer" die Antriebstechnik", abgedruckt in der DE-Zeitschrift "engineering & automation", Band 16 (1994), Heft 3-4, Seite 48, wird eine Möglichkeit vorgestellt, mit der innerhalb eines Mehrmotorenverbundes Si gnale von Antriebseinheit zu Antriebseinheit übertragen wer den. Peer-to-Peer-Verbindung bedeutet "Verbindung zwischen gleichberechtigten Partnern". Bei dieser Peer-to-Peer- Verbindung kann ein und dieselbe Antriebseinheit sowohl Ma ster (Sollwertquelle) als auch Slave (Sollwertsenke) sein. Die Peer-to-Peer-Verbindung besteht pro Antriebseinheit aus einem Empfangs- und Sendeanschluß und aus einer Zweidrahtlei tung. Mit einer Peer-to-Peer-Verbindung kann eine autarke Sollwertkaskade aufgebaut werden, die einfach zu projektieren und in Betrieb zu nehmen ist. Die Übertragungsrate beträgt bis zu 187,5 kBit/s und es können bis zu 16 Steuersignale fortgeschaltet werden. Bei dieser Peer-to-Peer-Verbindung ist der Aufwand zum Aufbau einer neuen Kommunikations-Reihenfolge recht hoch, da neue Zweidrahtleitungen verlegt werden müssen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kommunikation gleichberechtigter Stationen eines ringför migen, seriellen Lichtwellenleiter-Busses anzugeben, bei dem die genannten Nachteile nicht mehr auftreten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An spruchs 1 gelöst.

Bei diesem erfindungsgemäßen Kommunikationsverfahren wird von den gleichberechtigten Stationen am ringförmigen, seriellen Lichtwellenleiter-Bus eine Station als Dispatcher und die an deren Stationen als Transceiver parametriert. Die Dispatcher- Station erzeugt jeweils während eines Buszyklus streng zeit zyklische Containertelegramme, adressiert diese und gibt die se auf den Bus. Als Endtelegramm eines jeden Buszyklus sendet diese Dispatcher-Station ein Synchronisationstelegramm. Jede Transceiver-Station schreibt seine Daten in die ihm adres sierten Containertelegramme. Somit sind diese beschriebenen Containertelegramme quellenadressiert. Außerdem kann jede Transceiver-Station in Abhängigkeit seiner Leseberechtigung die Daten der beschriebenen Containertelegramme auf dem seri ellen Bus lesen. Aus dem gelesenen Synchronisationstelegramm erzeugt jede Station am Bus ein Interrup, die in Abhängigkeit der Lage der Stationen am Bus derart zeitverzögert werden, daß alle Interrups zeitsynchron ausgegeben werden. Mit der Ausgabe dieser Interrups werden alle gelesenen Daten weiter verarbeitet.

Dadurch, daß während jedem Buszyklus aneinander gereihte Te legramme auf den Bus gegeben werden, ist auf dem Bus immer ein Bitstrom vorhanden, so daß die Stationen am Bus bitorien tiert betrieben werden. Die Zeit jeder zwischen zwei Synchro nisationstelegrammen ist die Busumlaufzeit des ringförmigen, seriellen Lichtwellenleiter-Busses und entspricht gleichzei tig dem gemeinsamen Systemtakt für die Synchronisation aller angeschlossenen Stationen. Dieses Synchronisationstelegramm wird streng zeitäquidistant und jitterfrei generiert. Somit arbeitet eine der gleichberechtigten Stationen zusätzlich als Taktgeber und die anderen Stationen legen ihre Daten jeweils in den ihnen zugeordneten Containertelegrammen ab und stellen somit ihre Daten allen anderen Stationen am seriellen Bus zum Lesen zur Verfügung. Da jede Station durch Parametrierung weiß, welche quelladressierten Daten gelesen werden dürfen, kann durch eine Parametrierung jede beliebige wahlfreie Kom munikation unter gleichberechtigten Stationen eingestellt werden, ohne den Lichtwellenleiter-Bus hardwaremäßig abändern zu müssen. Damit die Kommunikation der am ringförmigen, seri ellen Lichtwellenleiter-Bus aufrechterhalten wird, muß eine Station die Funktion des Taktgebers übernehmen. Ansonsten werden keine weiteren Mittel benötigt, die die Kommunikation unter den gleichberechtigten Stationen an diesem Bus steuert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Kommunikationsverfahrens und der Vorrichtung zur Durchführung dieses Kommunikationsverfah rens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kommu nikation gleichberechtigter Stationen schematisch veranschau licht ist

Fig. 1 zeigt eine Bustopologie, in der

Fig. 2 ist ein Blockschaltbild einer Anschaltbaugruppe des erfindungsgemäßen Bussystems näher dargestellt, die

Fig. 3 zeigt den Adressiermechanismus "Schreiben", wogegen die

Fig. 4 den Adressiermechanismus "Lesen" darstellt, in der

Fig. 5 ist ein Projektierungsbeispiel für eine Peer-to- Peer-Funktionalität dargestellt, die

Fig. 6 zeigt die zugehörige Kommunikations-Tabelle des Projektierungsbeispiels nach Fig. 5, wobei in den

Fig. 7-10 die verschiedenen Adressiermechanismen des Projek tierungsbeispiels veranschaulicht sind.

In der Fig. 1 ist eine Bustopologie dargestellt, mit der meh rere gleichberechtigte Stationen 2 bis 12 miteinander kommu nizieren können. Die einzelnen Stationen 2 bis 12 sind je weils mittels eines Lichtwellenleiters 14 als Übertragungsme dium untereinander verbunden. Die Datenrichtung auf diesem ringförmigen, seriellen Lichtwellenleiter-Bus ist richtungs gebunden und wird durch den Pfeil D veranschaulicht. Als Übertragungsmedium können Glas-Lichtwellenleiter oder Kunst stoff-Lichtwellenleiter verwendet werden. Damit das erfin dungsgemäße Verfahren zur Kommunikation gleichberechtigter Stationen 2 bis 12 eines ringförmigen, seriellen Lichtwellen leiter-Busses durchgeführt werden kann, wird eine Station 2 als Dispatcher und die anderen Stationen 4 bis 12 als Transceiver parametriert. Jede Station 2 bis 12 am Lichtwel lenleiter-Bus wirkt als Signalverstärker. Damit können bei der Verwendung von Kunststoff-Lichtwellenleitern als Übertra gungsmedium maximal 40 m und bei der Verwendung von Glas- Lichtwellenleitern als Übertragungsmedium maximal 300 m zwi schen den Stationen 2 bis 12 liegen. Die maximale Teilnehmer zahl am ringförmigen, seriellen Lichtwellenleiter-Bus ist 201.

Die Dispatcher-Station 2 hat die Funktion als Zuteiler und ist der Taktgeber dieses Bussystems. Die Kommunikationssteue rung ist in Form einer Task-Table in einem Schreib-Lese- Speicher 16 der Dispatcher-Station 2 hinterlegt. In dieser Task-Table wird festgelegt, wieviele Telegramme in einem Busumlauf, auch als Buszykluszeit bezeichnet, diese Dispat cher-Station 2 zu senden hat. Dazu wird in dieser Task-Table unter anderem für jeden aktiven Teilnehmer, das sind die gleichberechtigten Stationen 2 bis 12 am seriellen Bus, eine Adresse und eine Kanalnummer als Subadresse festgelegt. Au ßerdem sind in dieser Task-Table die Adressen von sogenannten Leertelegrammen und von Sondertelegrammen hinterlegt. Zu die sen Sondertelegrammen gehören unter anderem das Synchronisa tionstelegramm und die sogenannten NOP-Telegramme (No opera tion). Mit dem Synchronisationstelegramm werden alle Statio nen 2 bis 12 dieses ringförmigen Busses aufgefordert, die ge lesenen Daten weiterzuverarbeiten. Die Leertelegramme und die NOP-Telegramme dienen als Fülltelegramme, damit innerhalb ei ner jeden Buszykluszeit fortlaufend Telegramme auf dem ring förmigen, seriellen Lichtwellenleiter-Bus umlaufen. Dadurch werden die Stationen 2 bis 12 bitsynchron am Bus betrieben. Das Synchronisationstelegramm ist immer der letzte Eintrag in der Task-Table und wird somit immer am Ende der Buszykluszeit gesendet. Die Task-Table ist maximal auf 1024 Einträge be grenzt, d. h., es können maximal 1024 Telegramme in einem Bus zyklus von der Dispatcher-Station 2 gesendet werden. Je Teil nehmer können acht Subadressen verwendet werden. Werden also bei allen aktiven Teilnehmern des ringförmigen, seriellen Lichtwellenleiter-Busses alle acht Subadressen verwendet, so können maximal 128 Teilnehmer am Bus angeschlossen sein.

Die Dispatcher-Station 2 arbeitet seine Task-Table ab, indem sie in Sendereihenfolge jede Adresse mit einem Containertele gramm verbindet und auf den seriellen Bus ausgibt. Nachdem der letzte Eintrag dieser Task-Table ausgelesen ist, wird oh ne zeitliche Verzögerung mit der Abarbeitung der Einträge dieser Task-Table von vorne begonnen. Die Containertelegramme werden streng zeitzyklisch generiert. Jede Transceiver- Station 4 bis 12 empfängt die von der Dispatcher-Station 2 initiierten Telegramme und kann die Daten der Telegramme in Abhängigkeit seiner Leseberechtigung lesen und mit eigenen Daten überschreiben bzw. ablegen. Die Dispatcher-Station 2 kann wie jede Transceiver-Station 4 bis 12 die Daten der Te legramme in Abhängigkeit seiner Leseberechtigung lesen und mit neuen Daten überschreiben bzw. ablegen. Außerdem reicht jede Transceiver-Station 4 bis 12 die empfangenen Telegramme weiter unabhängig davon, ob die Daten gelesen oder mit neuen Daten überschrieben bzw. in diese abgelegt worden sind. Jede Station 2 bis 12 am ringförmigen, seriellen Lichtwellenlei ter-Bus, die als Transceiver parametriert sind, können den Datenverkehr am Ringbus nicht selbständig aufrechterhalten. Dies ist ausschließlich die Aufgabe der Dispatcher-Station 2.

In der Fig. 2 ist ein Blockschaltbild einer Anschaltbaugruppe 18 schematisch dargestellt, die jeweils in einer Station 2 bis 12 des Ringbusses nach Fig. 1 angeordnet ist. Diese An schaltbaugruppe 18 weist einen programmierbaren Baustein 20 mit einem zugehörigen löschbaren Festwertspeicher 22, einen Schreib-Lese-Speicher 16, einen Taktgeber 24, einen System stecker 26, einen optoelektrischen und einen elektrooptischen Wandler 28 und 30 und eine Spannungsversorgung 32 auf. Außer dem ist eine Frontseite 34 dieser Anschaltbaugruppe 18 mit mehreren Leuchtdioden 36, 38 und 40 für die Zustandsanzeige dieser Anschaltbaugruppe 18, mit zwei Lichtwellenleiter- Steckerbuchsen 42 und 44, die auch als Bussteckerbuchsen 42 und 44 bezeichnet werden, und mit einer Stromversorgungsstecker buchse 46 versehen. Die Bussteckerbuchse 42 bzw. 44 nimmt einen Lichtwellenleiter 14 des seriellen Ringbusses auf und ist mit dem optoelektrischen bzw. dem elektrooptischen Wand ler 28 bzw. 30 verknüpft. Dieser Wandler 28 bzw. 30 ist aus gangs- bzw. eingangsseitig mit einem Anschluß des program mierbaren Bausteins 20 elektrisch leitend verbunden. Eben falls ist der löschbare Festwertspeicher 22, der Schreib- Lese-Speicher 16 und der Taktgeber 24 mit diesem programmier baren Baustein 20 verknüpft. Als Spannungsversorgung 32 ist ein DC/DC-Spannungswandler vorgesehen, der eine externe Gleichspannung von beispielsweise 24 V in eine interne Gleichspannung U_V von beispielsweise 5 V wandelt. Dieser Dar stellung ist ebenfalls zu entnehmen, daß diese Gleichspannung U_V ebenfalls von einer Station 2 bis 12 geliefert wird, in der diese Anschaltbaugruppe 18 steckt. Der Austausch von Si gnalen S_A (Adressen), S_D (Daten) und S_C (Steuersignale, Inter rup) und der Gleichspannung U_V wird mittels des System steckers 26 bewerkstelligt.

Wenn beispielsweise die Spannung U_V einer der Stationen 2 bis 12 ausfällt, kann die Funktionsfähigkeit der Anschalt baugruppe 18 und damit die Funktionsfähigkeit des ringförmi gen, seriellen Lichtwellenleiter-Busses durch eine an den An schaltbaugruppen 18 angeschlossene externe Spannungsquelle aufrechterhalten werden. Der programmierbare Baustein 20 weist eine Einrichtung 48 zur Parametrierung der Anschaltbau gruppe 18 als Dispatcher oder als Transceiver auf. Als pro grammierbarer Baustein 20 ist ein programmierbares Gate- Array, insbesondere ein Field-Programmable Gate Array (FPGA), vorgesehen, dessen Programm im löschbaren Festwertspeicher 22 abgelegt ist. Zur Abarbeitung dieses Programms wird ein Takt benötigt, der vom Taktgeber 24, insbesondere einem Oszilla tor, geliefert wird. Im Schreib-Lese-Speicher 16 ist entweder eine Task-Table oder Sende- und Empfangsdaten gespeichert.

Wird diese Anschaltbaugruppe 18 als Dispatcher mittels der Einrichtung 48 parametriert, so muß im Schreib-Lese-Speicher 16 eine Task-Table angelegt werden. Ist diese Anschaltbau gruppe 18 als Transceiver mittels der Einrichtung 48 parame triert, so werden im Schreib-Lese-Speicher 16 Sende- und Emp fangsdaten jeweils während eines Buszyklus abgespeichert. In diesem Schreib-Lese-Speicher 16 werden auch die Adressen von Telegrammen gespeichert, die diese Anschaltbaugruppe 18 lesen soll.

Wie bereits erwähnt, weist die Frontseite 34 der Anschaltbau gruppe 18 drei Leuchtdioden 36, 38 und 40 auf, die Auskunft über den aktuellen Betriebszustand geben. Blinkt die Leucht diode 36, die beispielsweise grün ist, so findet ein fehler freier Nutzdatenverkehr über den ringförmigen, seriellen Lichtwellenleiter-Bus statt. Blinkt die Leuchtdiode 38, die beispielsweise rot ist, so ist Anschaltbaugruppe 18 in Be trieb. Blinkt die Leuchtdiode 40, die beispielsweise gelb ist, so ist der Datenaustausch zwischen dieser Anschaltbau gruppe 18 und der Station, in die diese Anschaltbaugruppe 18 gesteckt ist, in Ordnung. Ist eine dieser Leuchtdioden 36, 38 und 40 inaktiv, so liegt ein Fehler vor.

Die beiden Wandler 28 und 30 bilden zusammen mit einem Teil des programmierbaren Bausteins 20 eine sogenannte Interface- Schaltung 50 der Anschaltbaugruppe 18. Diese Interface- Schaltung 50 ist die Schnittstelle einer jeden Anschaltbau gruppe 18 zum Ringbus. Diese Interface-Schaltung 50 besteht in ihrer Funktion aus der Wandlung des empfangenen Telegramms in elektrische Signale, der Signalabtastung und -neu generierung, sowie der anschließenden Wandlung des elektri schen Signals in ein Sendetelegramm. Jede Interface-Schaltung 50 beeinflußt im gleichen Maße das Zeitverhalten der Daten übertragung. D.h., jedes empfangene Telegramm wird um ca. 3 Bitzeiten verzögert, bevor es wieder auf dem Bus gesendet wird. Diese Verzögerung wird auch als Durchlaufverzögerung bezeichnet. Diese Verzögerung wird zum einen durch die Wand ler 28 und 30 und zum anderen durch die Signalabtastung und -neugenerierung verursacht. Bei einer festen Datenübertra gungsrate von beispielsweise 11 MBit/s entsprechen die drei Bitzeiten einer Zeit von 272 ns.

In der Fig. 3 ist der Adressiermechanismus "Schreiben" veran schaulicht. Bei dieser Veranschaulichung ist von der An schaltbaugruppe 18 nur ein Teil des Schreib-Lese-Speichers 16 dargestellt. Die Dispatcher-Station 2 und jede Transceiver- Station 4 bis 12 dürfen Daten nur in Containertelegrammen schreiben, die ihnen über ihre Adresse zugeordnet sind. Jedes Telegramm CT hat im Telegrammkopf eine Adresse AH und eine Kanalnummer als Subadresse AS. Jede Adresse AH weist acht Subadressen AS auf, die jeweils 32 Bit groß sind. Somit kann jede Station 2 bis 12 maximal 8 × 32 Bitdaten in acht Tele grammen CT, die die gleichen Adressen AH und die Kanalnummern von 0 bis 7 als Subadressen AS haben, übertragen.

In dem dargestellten Beispiel der Fig. 3 schreibt der Teilneh mer am Ringbus mit der Adresse 5, d. h., dieser Teilnehmer ist eine Transceiver-Station 4 bis 12, Daten aus der Subadresse o in das Containertelegramm CT mit der Adresse 5. Wenn im Da tenfeld DF dieses Telegramms 5/0 bereits Daten abgelegt sind, so werden diese bei diesem Schreibmechanismus überschrieben. Die Daten, die in das Datenfeld DF dieses Containertelegramms CT geschrieben werden, sind von der zugehörigen Transceiver- Station mittels der Signale S_A und S_D über den Systemstecker 26 und den programmierbaren Baustein 20 in diesen Schreib- Lese-Speicher 16 geschrieben worden. Somit bildet dieser Teil des Schreib-Lese-Speichers 16 einen Sendespeicher, in dem Prozeßdaten wie Sollwerte, Istwerte, Steuer- oder Zustandsin formationen geschrieben werden. Beim erfindungsgemäßen Kommu nikationsverfahren kann jede Station in ihr zugeordneten Con tainertelegrammen CT Daten schreiben. Somit ist jedes Tele gramm CT nicht zieladressiert, sondern quelladressiert. Da durch vereinfacht sich die Kommunikation der gleichberechtig ten Stationen 2 bis 12 am seriellen Ringbus, da jede Station 2 bis 12 bezüglich des Sendens eines Telegramms CT, d. h., das Schreiben von Daten, nur in Containertelegramme CT Daten ab legt, die seine Adresse tragen.

In der Fig. 4 ist der Adressiermechanismus "Lesen" veranschau licht. Bei dieser Veranschaulichung ist ebenfalls wie bei der Veranschaulichung gemäß Fig. 3 von der Anschaltbaugruppe 18 nur ein Teil des Schreib-Lese-Speichers 16 dargestellt. Die Dispatcher-Station 2 und jede Transceiver-Station 4 bis 12 können wahlfrei die Daten von jedem Telegramm CT auf dem Ringbus lesen (auch die eigenen Telegramme). Welche Telegram me CT letztendlich gelesen werden können, hängt jeweils von der Leseberechtigung einer jeden Station 2 bis 12 des seriel len Ringbusses ab, die bei der Initialisierung einer Anwen dung parametriert werden. Dazu werden in der Dispatcher- Station 2 bzw. in den Transceiver-Stationen 4 bis 12 jeweils die Adressen AH und die Subadressen AS als Empfangstelegramm parametriert, deren Daten gelesen werden sollen.

In dem dargestellten Beispiel der Fig. 4 liest der Teilnehmer am Ringbus mit der Adresse 5 Daten aus dem Datenfeld DF des Containertelegramms CT mit der Adresse 5/3, d. h., dieser Teilnehmer schreibt die Daten in den Datenkanal mit der Ka nalnummer 3 eines Teils des Schreib-Lese-Speichers 16. Dieser Teil des Schreib-Lese-Speichers 16 wird deshalb auch als Emp fangsspeicher bezeichnet. Damit dieser Teilnehmer mit der Adresse 5 das Containertelegramm CT mit der Adresse 6/3 lesen kann, muß diese Adresse 6/3 als Leseadresse projektiert sein. Dieser Darstellung ist zu entnehmen, daß ein weiterer Teil dieses Schreib-Lese-Speichers 16 für die Projektierung der Leseberechtigung der zugehörigen Anschaltbaugruppe 18 vorge sehen ist. In diesem Teil des Schreib-Lese-Speichers 16 wer den die Adressen aller zu lesenden Telegramme CT mit der Adresse AH und der Subadresse AS eingetragen.

Mit dem Senden des letzten Eintrags in der Task-Tabelle, näm lich dem Synchronisationstelegramm, werden zeitverzögert in jeder Station 2 bis 12 des Ringbusses Verzögerungszeiten zur Kompensation der Laufzeitverzögerung, hervorgerufen durch die Signalwandlung in jedem Teilnehmer, kompensiert. Für diese Berechnung einer individuellen Zeitverzögerung kennt jede Station 2 bis 12 die Anzahl der gleichberechtigten Stationen 2 bis 12 am Ringbus und seine zugehörige Platzziffer. Mit Ab lauf jeder berechneten Zeitverzögerung steht jeweils ein In terrup zur Verfügung, mit dem die Stationen 2 bis 12 zeitsyn chronisiert werden. Mit diesem Interrupt werden die gelesenen Daten aus dem Empfangsspeicher des Schreib-Lese-Speichers 16 einer jeden Anschaltbaugruppe 18 in die jeweilige zugehörige Station übernommen. Auf dieses streng zeitzyklische Synchro nisationstelegramm können interne Regelkreise der einzelnen Stationen 2 bis 12 am seriellen Ringbus synchronisiert wer den.

Anhand eines Projektierungsbeispiels für eine Peer-to-Peer- Funktionalität gemäß den Fig. 5 bis 10, soll das erfindungsge mäße Verfahren zur Kommunikation gleichberechtigter Stationen 2 bis 14 eines ringförmigen, seriellen Lichtwellenleiter- Busses näher erläutert werden:
Beim Projektierungsbeispiel sollen drei umrichtergespeiste Motoren winkelgenau gleichlaufen. Somit sind an einem ring förmigen, seriellen Lichtwellenleiter-Bus drei Stationen 2, 4 und 6 mittels ihrer zugehörigen Anschaltbaugruppen 18 ange schlossen. Jede Station 2, 4 und 6 bildet einen aus einem Um richter 52 und einem Wechselstrommotor 54 bestehenden dreh zahlveränderbaren Antrieb. Die Anschaltbaugruppen 18 der drei Stationen 2, 4 und 6 des Ringbusses sind derart mittels Lichtwellenleiter 4 untereinander verbunden, daß die Sta tion 2 die Platzziffer 1, die Station 4 die Platzziffer 2 und die Station 6 die Platzziffer 3 hat. Jeder Anschaltbaugruppe 18 wird seine Platzziffer und die Anzahl der Stationen 2, 4 und 6 am seriellen Ringbus mitgeteilt. Aus diesen Zahlen rechnet jede Anschaltbaugruppe 18 seine individuelle Verzöge rungszeit aus.

Bei dieser winkelgenauen Gleichlaufregelung dreier drehzahl veränderbarer Antriebe wird die Station 2 zum Leitantrieb mit integrierter virtueller Leitachse erklärt. Der Drehzahl-Leit sollwert für diese Antriebsgruppe wird über einen analogen Eingang oder eine Anlagensteuerung vorgegeben.

Die integrierte virtuelle Leitachsenfunktion erzeugt einen Weg-, Drehzahl- und Beschleunigungs-Sollwert s_soll, n_soll und a_soll für die Stationen 4 und 6, die einen Folgeantrieb 2 und Folgeantrieb 3 bilden. Bei diesem Projektierungsbeispiel sol len die Folgeantriebe 2 und 3 außerdem vom Leitantrieb ein- bzw. ausgeschaltet werden. D.h., daß jeder Folgeantrieb ein individuelles Steuerwort STW_2 bzw. STW_3 erhält. Umgekehrt sollen die Folgeantriebe jeweils ein individuelles Zustands wort ZW_2 bzw. ZW_3 an den Leitantrieb senden. Daraus ergibt sich eine Kommunikations-Tabelle, die in der Fig. 6 näher dar gestellt ist.

Für die Übertragung von Prozeßdaten müssen die Anschaltbau gruppen 18 der drei Stationen 2, 4 und 6 wie nachfolgend pa rametriert werden:

Anschaltbaugruppe 18 in der Dispatcher-Station 2 (Leitantrieb)

Folgende fünf Prozeßdaten müssen übertragen werden:

- STW_2 = Steuerwort für Station 4
- STW_3 = Steuerwort für Station 6
- s_soll = Weg-Sollwert
- n_soll = Drehzahl-Sollwert
- a_soll = Beschleunigungs-Sollwert.

Es werden fünf Telegramme, d. h., fünf Kanäle, dazu benö tigt.

Anschaltbaugruppe 18 der Transceiver-Station 4 (Folgeantrieb 2)

Es wird ein Prozeßdatum im Zustandswort ZW_2 übertragen (Schreiben).

Dazu wird ein Telegramm (= ein Kanal) benötigt.

ZW_2 = Zustandswort von der Station 4.

Anschaltbaugruppe 18 der Transceiver-Station 6 (Folgeantrieb 3)

Es wird ein Prozeßdatum im Zustandswort ZN_3 übertragen (Schreiben).

Dazu wird ein Telegramm (= ein Kanal) benötigt.

ZW_3 = Zustandswort von Station 6.

Für die Dispatcher-Station 2 als Leitantrieb sind folgende Parametereinstellungen von Bedeutung:

Die Einrichtung 48 auf der Anschaltbaugruppe 18 der Dispat cher-Station 2 wird auf Dispatcher gestellt. Als nächstes wird der Anschaltbaugruppe 18 der Dispatcher-Station 2 die Kanalzahl, die in diesem Projektierungsbeispiel 5 ist, mitge teilt. Damit stehen jedem Teilnehmer fünf Telegramme zum Be schreiben zur Verfügung. Anschließend wird die Zykluszeit als Parameter eingegeben, die in diesem Beispiel 1 ms ist. Da mit fünf Telegrammen diese Zyklus zeit nicht erreicht werden kann, werden automatisch so viele Zusatztelegramme, sogenannte Leertelegramme und NOP-Telegramme, gesendet, bis diese Zy kluszeit erreicht wird.

Für die Synchronisation der dezentralisierten, unterlagerten Regelkreise in den Umrichtern 52 der Stationen 2, 4 und 6 muß die Buszykluszeit in einem definierten Verhältnis zu den Zeitscheiben der einzelnen Regelungen stehen. Für die Zeit scheiben der Umrichter 52 gilt folgende Festlegung:

- Stromregelung in Zeitscheibe T₀
- Drehzahlregelung in Zeitscheibe 2.T₀
- Lageregelung in Zeitscheibe 4.T₀.

Die Zeitscheibe T₀ ist gleich dem reziproken Wert der Puls frequenz und wird am Umrichter 52 durch die Wahl Pulsfrequenz eingestellt. Dann gilt für die Wahl der Buszykluszeit:
Buszykluszeit = n × langsamste, zu synchronisierende Zeitscheibe
mit n = 1, 2, 3 . . .

Beim Projektierungsbeispiel sollen die Lageregelkreise der drei Stationen 2, 4 und 8 synchronisiert werden, wodurch die Buszykluszeit derart gewählt wird, daß dieser das n-fache der Zeitscheibe der Lageregelung entspricht. Zum Schluß der Para metrierung erhält die Transceiver-Station 2 (Folgeantrieb 2) die Teilnehmeradresse 1 und die Transceiver-Station 6 (Folge antrieb 3) die Teilnehmeradresse 2.

In der Fig. 7 ist der Adreßmechanismus "Schreiben" der Sta tion 2 veranschaulicht. Die Teilnehmer-Adresse 0 zeigt an, daß diese Anschaltbaugruppe 18 als Dispatcher parametriert ist. Die Daten, die in den Subadressen 0 bis 4 stehen, werden hintereinander mit den Adressen 0/0 bis 0/4 auf den Bus ge schrieben.

In der Fig. 8 ist der Adreßmechanismus "Lesen" der Station 4 veranschaulicht. Die Teilnehmer-Adresse 1 zeigt an, daß diese Anschaltbaugruppe 18 als Transceiver parametriert ist. Außer dem ist in einem Teil des Schreib-Lese-Speichers 16 die Lese berechtigung dieser Station 4 am seriellen Ringbus in Form einer Tabelle abgespeichert. In dieser Tabelle sind alle Te legramm-Adressen mit ihrer Adresse AH und ihrer Subadresse AS, die von dieser Transceiver-Station 4 gelesen werden dür fen, eingetragen. Beim Lesen dieser Telegramme CT werden die Daten, hier der Beschleunigungs-Sollwert a_soll, des Datenfel des DF der Containertelegramme CT entsprechend der Subadresse AS in den entsprechenden Datenkanal des Empfangsspeichers des Schreib-Lese-Speichers 16 kopiert. Ein Vergleich mit den Con tainertelegrammen CT der Dispatcher-Station 2 gemäß Fig. 7 zeigt, daß das Telegramm mit der Adresse 0/1 nicht von der Transceiver-Station 4 gelesen werden darf, d. h., dieses Tele gramm mit der Adresse 0/1 wird nur mittels der Interface- Schaltung 50 dieser Anschaltbaugruppe 18 zum nächsten Teil nehmer dieses seriellen Ringbusses gesendet.

In der Fig. 9 ist der Adreßmechanismus "Schreiben" der Trans ceiver-Station 4 dargestellt. Danach schreibt diese Transcei ver-Station 4 in einem Containertelegramm CT mit der Adresse 1/0 dieser Transceiver-Station 4 seine Daten, hier das Zu standswort ZW_2 des Folgeantriebs 2, in das zugehörige Daten feld DF. Müßte diese Transceiver-Station 4 bis zu acht Daten auf den Ringbus senden, so würde die Dispatcher-Station 2 ge mäß einer Task-Table weitere sieben Containertelegramme CT mit Teilnehmer-Adressen 1/1-1/7 aneinander gereiht auf dem Ringbus senden.

Da die Daten (Zustandswort) der Transceiver-Stationen 4 und 6 (Folgeantriebe 2 und 3) an die Dispatcher-Station 2 (Leit antrieb) gesendet werden sollen, muß diese Dispatcher- Station 2 eine dementsprechende Leseberechtigung aufweisen. D.h., in einer Leseberechtigungs-Tabelle des Schreib-Lese- Speichers 16 der Anschaltbaugruppe 18 sind die Telegramm- Adressen der Stationen 4 und 6 am seriellen Ringbus eingetra gen, deren Telegramme CT die Dispatcher-Station 2 lesen soll. Da die Daten der Transceiver-Stationen 4 und 6 jeweils in der ersten Subadresse stehen, sind in der Leseberechtigungs- Tabelle der Dispatcher-Station 2 die Teilnehmer-Adressen 1/0 und 2/0 abgespeichert.

Bei der Initialisierung dieses Projektierungsbeispiels müssen außer der Parameter Anzahl der Teilnehmer, Platzziffer und Dispatcher- oder Transceiver-Funktion noch weitere Parame tereinstellungen vorgenommen werden. Da dieser ringförmige, serielle Lichtwellenleiter-Bus eine konstante Übertragungsra te von beispielsweise 11 MBit/s und die Gesamtlänge eines je den Telegramms CT 70 Bits inklusive den 32 Bits Daten ist, benötigt somit ein Telegramm CT eine Übertragungszeit von 6,36 µs. In Abhängigkeit der Zeitscheiben der einzelnen Rege lungen der am Ringbus angeschlossenen Teilnehmer wird eine Buszykluszeit ermittelt. Es wird angenommen, daß beim Projek tierungsbeispiel die Buszykluszeit 1 ms ist. Außerdem werden sieben Telegramme mit den Teilnehmer-Adressen 0/0 bis 0/4, 1/0 und 2/0 und das Synchronisationstelegramm gesendet. Da diese acht Telegramme die Buszykluszeit nicht erreichen, wer den so viele Zusatztelegramme, sogenannte Leertelegramme, an nichtadressierte Teilnehmer eingefügt, bis die Zykluszeit von 1 ms erreicht ist. Da die Laufzeit für ein Telegramm 70 Bit- Zeiten ist, können bei einer Übertragungsrate von 11 MBit/s 157 Telegramme gesendet werden. Diese Telegramme CT werden ohne Zwischenpausen unmittelbar hintereinander gesendet, wo durch ein streng zeitzyklischer Busumlauf sichergestellt wird. Wenn durch die Anzahl von Telegrammen CT die Buszyklus zeit immer noch nicht erreicht wird, wobei die Differenz kleiner als die Länge eines Telegramms CT ist, wird die zeit liche Lücke mit sogenannten NOP-Telegrammen aufgefüllt.

Bei diesem Projektierungsbeispiel umfaßt die Task-Tabelle, die in einem Teil des Schreib-Lese-Speichers 16 der Anschalt baugruppe 18 der Dispatcher-Station 2 hinterlegt ist, 157 Te legramme, von denen 7 Teilnehmer-Telegramme mit den Teilneh mer-Adressen 0/0 bis 0/4, 1/0 und 2/0, 159 Leertelegramme und 1 Synchronisationstelegramm sind. In dieser aufgezählten Rei henfolge stehen diese Telegramme CT in der Task-Table. Durch das am Ende der Buszykluszeit ausgesendete Synchronisation stelegramm werden in den gleichberechtigten Stationen 2, 4 und 6 individuelle Zeitverzögerungen derart berechnet, daß zeitgleich in jeder Station 2, 4 und 6 einer Interrup gene riert wird, der dafür sorgt, daß jeweils die gelesenen Daten aus dem Empfangsspeicher des Schreib-Lese-Speichers 16 einer jeden Anschaltbaugruppe 18 mittels der Signale S_A und S_D vom zugehörigen Umrichter 52 übernommen werden.

Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kommunikation gleichberechtigter Stationen an einem ringförmigen, seriellen Lichtwellenleiter-Bus können Prozeßdaten extrem schnell, streng zeitzyklisch unter den gleichberechtigten Stationen wahlfrei ausgetauscht werden, wobei wegen der Quelladressie rung der Telegramme und der wahlfreien Leseberechtigung jede Station nur mit dem Bus kommuniziert. D.h., jede gleichbe rechtigte Station kennt nicht die Stationen, mit denen diese kommuniziert, sondern weiß nur, welche Telegramme von ihr ge lesen und welche beschrieben werden dürfen. Dadurch verein facht sich eine Projektierung einer Anlage auf die Parame trierung jeder gleichberechtigten Station eines seriellen Bussystems.

Dieses erfindungsgemäße Kommunikationsverfahren kann auch bei einer herkömmlichen hierarchischen Busstruktur angewendet werden. Bei einer sogenannten Master-Slave-Busstruktur ist die Dispatcher-Station die übergeordnete Steuerung, bei spielsweise ein Automatisierungssystem.

Claims

1. Verfahren zur Kommunikation gleichberechtigter Stationen (2, . . ., 12) eines ringförmigen, seriellen Lichtwellenleiter- Busses, wobei eine Station während eines Buszyklusses streng zeitzyklische Containertelegramme (CT) erzeugt, diese adres siert und auf den seriellen Bus gibt, wobei diese Station (2) als Endtelegramm eines jeden Buszyklusses ein Synchronisa tionstelegramm auf den Bus gibt, wobei jede Station (2, . . ., 12) seine Daten in die ihm adressierten Containertelegramme (CT) schreibt, wobei jede Station (2, . . ., 12) in Abhängig keit seiner Leseberechtigung die Daten der beschriebenen Con tainertelegramme (CT) auf dem seriellen Bus liest, wobei jede Station (2, . . ., 12) aus dem gelesenen Synchronisationstele gramm ein Interrup generiert, die in Abhängigkeit der Lage der Stationen (2, . . ., 12) am seriellen Bus derart zeitverzö gert werden, daß alle Interrups zeitsynchron ausgegeben wer den und wobei mit der Ausgabe der Interrups alle gelesenen Daten in den Stationen (2, . . ., 12) weiterverarbeitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zeitverzögerung eines Interrups einer Station gemäß folgender Gleichung
t_VZ,n = [N - (n - 1)].3B
mit
N = Anzahl der Teilnehmer
B = Bitzeit
n = Platzzahl der Station
berechnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Anschluß des letzten adressierten Containertelegramms (CT) adressierte Leertelegramme fortlaufend auf den seriellen Bus gegeben wer den.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zur Fül lung des Buszyklusses zwischen dem letzten ausgegebenen adressierten Leertelegramm und dem Synchronisationstelegramm Sondertelegramme ausgegeben werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Adressierung und die Ausgabe der fortlaufend erzeugten Con tainertelegramme (CT) nach aufsteigendem Adreßteil durchge führt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Adressierung und die Ausgabe der fortlaufend erzeugten Con tainertelegramme (CT) nach aufsteigendem Subadreßteil durch geführt wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Kommunika tion gleichberechtigter Stationen (2, . . ., 12) eines ringför migen, seriellen Lichtwellenleiter-Busses nach Anspruch 1, wobei jede Station (2, . . ., 12) eine Anschaltbaugruppe (18) aufweist, die jeweils mittels zweier Bussteckerbuchsen (42, 44) am seriellen Lichtwellenleiter-Bus angeschlossen sind, wobei eine Station (2) am Bus als Dispatcher und die anderen Stationen (4, . . ., 12) als Transceiver parametriert sind, wo bei die Dispatcher-Station (2) eine Liste aller zu sendenden Telegramme (CT) enthält, und wobei jede Transceiver-Station (4, . . ., 12) eine Leseberechtigung aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Anschaltbaugruppe (18) einen programmierbaren Baustein (20) mit einem zugehöri gen löschbaren Festwertspeicher (22), einem Schreib-Lese- Speicher (16) und einem Taktgeber (24), einen Systemstecker (26), einen optoelektrischen und elektrooptischen Wandler (28, 30) und eine Spannungsversorgung (32) aufweist, wobei jede Bussteckerbuchse (42, 44) mittels der Wandler (28, 30) mit dem programmierbaren Baustein (20) verknüpft ist und wo bei dieser programmierbare Baustein (20) über Signalleitungen mit dem Systemstecker (26) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Anschaltbau gruppe (18) mehrere Leuchtdioden (36, 38 und 40) zur Zustand sanzeige aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei als programmierbarer Baustein (20) ein programmierbares Gate Ar ray vorgesehen ist.