DE19814102C2 - Datenübertragungsverfahren - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Datenübertragungsver
fahren zwischen einer sicheren Recheneinheit, z. B. einer feh
lersicheren speicherprogrammierbaren Steuerung, und einer An
zahl von Ein-/Ausgabeeinheiten über eine an die sichere Re
cheneinheit angeschlossene Bussteuereinheit und ein serielles
Bussystem, wobei die Bussteuereinheit zyklisch die an das
Bussystem angeschlossenen Ein-/Ausgabeeinheiten anspricht und
eine Mehrbitnachricht an die jeweils angesprochene Ein-/Aus
gabeeinheit übermittelt.
Ein derartiges Datenübertragungsverfahren ist z. B. unter der
Bezeichnung AS-i (= Aktuator-Sensor-Interface) bekannt.
Aus der DE 44 33 013 A1 ist ein Datenübertragungsverfahren
zwischen einer Recheneinheit, z. B. einer speicherprogrammier
baren Steuerung, und einer Anzahl von Ein-/Ausgabeeinheiten
über eine an die Recheneinheit angeschlossene Bussteuerein
heit und ein serielles Bussystem bekannt. Hierbei spricht die
Bussteuereinheit die an das Bussystem angeschlossenen Ein-/
Ausgabeeinheiten an und übermittelt eine Nachricht an die je
weils angesprochene Ein-/Ausgabeeinheit.
Aus der DE 34 41 227 C2 ist bekannt, eine Leitung darauf zu
überwachen, ob auf der Leitung binnen einer Wartezeit ein Pe
gelwechsel auftritt.
Bei Anlagen und Maschinen der industriellen Automatisierungs
technik müssen gefährliche Zustände sicher erkannt und die
gesteuerte Anlage bzw. Maschine in einem solchen Fall in ei
nen sicheren Zustand überführt werden. Zur Übertragung derart
sicherheitsrelevanter Signale werden im Stand der Technik zu
meist eigene Erfassungs-, Verkabelungs- und Auswertesysteme
eingesetzt.
Das Verwenden eigener Erfassungs-, Verkabelungs- und Auswer
tesysteme erfordert insbesondere einen hohen Verdrahtungsauf
wand und birgt die Gefahr von Fehlverdrahtungen in sich. Es
existieren daher Bestrebungen, auch sicherheitsrelevante Si
gnale über ein Bussystem zu übertragen. Die Sicherheit und
Zuverlässigkeit der Datenübertragung darf durch ein solches
Bussystem aber nicht beeinträchtigt werden.
Die sicherheitsrelevanten Signale könnten zwar über ein sepa
rates, fehlersicheres Bussystem übertragen werden. Dies läuft
aber der allgemeinen Tendenz zur Minimierung des Verkabe
lungsaufwands entgegen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin,
ein Datenübertragungsverfahren zur Verfügung zu stellen, mit
tels dessen es möglich ist, über ein nicht fehlersicheres
Bussystem sicherheitsrelevanter Signale zu übertragen.
Die Aufgabe wird bei einem Datenübertragungsverfahren der
eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß mindestens eine
der Ein-/Ausgabeeinheiten dadurch als Sicherheitseinheit ausgebildet
ist, daß die an die Sicherheitseinheit übermittelte Mehrbit
nachricht mindestens ein Kontrollbit aufweist und daß die Si
cherheitseinheit die übermittelte Mehrbitnachricht nur dann
als ordnungsgemäß interpretiert, wenn das Kontrollbit inner
halb einer vorbestimmten Überwachungszeit alterniert.
Denn hierdurch wird ein unsicherer Zustand nicht nur dann
vermieden, wenn überhaupt keine Mehrbitnachrichten mehr über
tragen werden, z. B. bei einem Ausfall der Bussteuereinheit.
Ein unsicherer Zustand wird auch dann vermieden, wenn fehler
hafte Mehrbitnachrichten übertragen werden.
Wenn die Sicherheitseinheit als Ausgabeeinheit zum Ansteuern
eines Ausgangs ausgebildet ist, kann sie z. B. ein Zeitglied
aufweisen, das bei Ablauf der Überwachungszeit den Ausgang in
einen sicheren Zustand überführt, wobei das Zeitglied bei je
dem übermitteln einer ordnungsgemäßen Mehrbitnachricht zu
rückgesetzt wird.
Das Datenübertragungsverfahren ist noch sicherer, wenn die
Sicherheitseinheit unter zwei verschiedenen Adressen an
sprechbar ist, der Sicherheitseinheit unter den beiden Adres
sen jeweils eine Mehrbitnachricht übermittelt wird und die
Sicherheitseinheit die übermittelten Mehrbitnachrichten nur
dann als ordnungsgemäß interpretiert, wenn die beiden Mehr
bitnachrichten miteinander korrespondieren.
Die Mehrbitnachricht besteht vorzugsweise aus mindestens vier
Nutzbit.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nach
folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Dabei zei
gen in Prinzipdarstellung
Fig. 1 ein Datenübertragungssystem,
Fig. 2 einen Datentransfer und
Fig. 3 eine Sicherheitseinheit.
Gemäß Fig. 1 besteht ein Datenübertragungssystem aus einer si
cheren Recheneinheit 1 und einer Anzahl von Ein-/Ausgabeein
heiten 2 bis 4. Die sichere Recheneinheit 1 ist im vorliegen
den Fall als fehlersichere speicherprogrammierbare Steuerung
ausgebildet. Eine derartige speicherprogrammierbare Steuerung
wird z. B. von der Siemens AG unter der Bezeichnung SIMATIC
S5-95F hergestellt und vertrieben.
Die Ein-/Ausgabeeinheiten 2, 3 sind übliche Ein-/Ausgabeein
heiten, mittels derer bis zu vier Binärsignale pro Einheit
verarbeitbar sind. Die Ein-/Ausgabeeinheit 4 hingegen ist ei
ne Sicherheitseinheit. Sie kann genau ein Binärdatum verar
beiten. Prinzipiell könnte die Sicherheitseinheit 4 aber auch
mehr Daten verarbeiten. Entscheidend ist, daß sie mindestens
ein Datum weniger verarbeitet als Nutzbit an sie übertragen
werden. Denn dann kann dieses redundante Nutzbit zum Überprü
fen des Datenübertragungssystems verwendet werden.
Die Ein-/Ausgabeeinheiten 2 bis 4 sind an ein serielles Bus
system 5 angeschlossen. An das Bussystem 5 ist ferner eine
Bussteuereinheit 6 angeschlossen, die ihrerseits wiederum an
die sichere Recheneinheit 1 angeschlossen ist. Zur Datenüber
tragung zwischen der sicheren Recheneinheit 1 und den Ein-/
Ausgabeeinheiten 2 bis 4 steuert die sichere Recheneinheit 1
die Bussteuereinheit 6 an. Diese spricht nacheinander die
Ein-/Ausgabeeinheiten 2 bis 4 an und übermittelt eine aus
mindestens vier Nutzbit bestehende Mehrbitnachricht 8 an die
jeweils angesprochene Ein-/Ausgabeeinheit 2 bis 4.
Das Format eines Datentransfers ist in Fig. 2 dargestellt. Ge
mäß Fig. 2 sendet die Bussteuereinheit 6 nach einem Startbit
7' und einem Steuerbit 7'' zunächst eine Adresse 7 über das
Bussystem 5, um eine der Ein-/Ausgabeeinheiten 2 bis 4 anzu
sprechen. Sodann sendet sie die Mehrbitnachricht 8, die aus
fünf Nutzbit besteht. Das erste Nutzbit ist ein Umschaltbit,
das von der angesprochenen Ein-/Ausgabeeinheit 2 bis 4 intern
verarbeitet wird. Das zweite bis fünfte Nutzbit sind die ei
gentlichen Daten. An die Mehrbitnachricht 8 schließen sich
ein Prüfbit 8' und ein Endebit 8'' an.
Die angesprochene Ein-/Ausgabeeinheit 2 bis 4 sendet nach ei
nem Startbit 7' eine Antwort 9 zurück, die aus vier Nutzbit
besteht. An die Antwort 9 schließen sich wieder ein Prüfbit
8' und ein Endebit 8'' an.
Die Adresse 7 wird von der Bussteuereinheit 6 nach jedem Da
tentransfer inkrementiert, bis alle Ein-/Ausgabeeinheiten 2
bis 4 angesprochen sind. Dann wird wieder die Ein-/Ausgabe
einheit 2 bis 4 mit der niedrigsten Adresse angesprochen, und
der Zyklus beginnt von neuem.
Gemäß Fig. 3 ist die Sicherheitseinheit 4 im vorliegenden Fall
als Ausgabeeinheit zum Ansteuern eines Ausgangs 10 ausgebil
det. Der Sicherheitseinheit 4 wird also von der Bussteuerein
heit 6 übermittelt, ob der Ausgang 10 angesteuert werden soll
oder nicht. Der Ausgang 10 darf dabei nur dann angesteuert
werden, wenn ein sicherer Zustand einer gesteuerten Anlage
bzw. einer gesteuerten Maschine vorliegt. Von der gesteuerten
Anlage bzw. der gesteuerten Maschine darf also keine Gefähr
dung ausgehen. Ansonsten muß der Ausgang 10 sofort in den
nicht angesteuerten Zustand überführt werden.
Zur Ermittlung des Ansteuersignals für den Ausgang 10 wertet
die Sicherheitseinheit 4 zunächst das zweite Nutzbit der
übermittelten Mehrbitnachricht 8 aus. Nur wenn das zweite
Nutzbit den Wert Eins hat, wird der Ausgang 10 angesteuert.
Ansonsten wird der Ausgang 10 in den sicheren, nicht ange
steuerten Zustand überführt.
Das dritte und das vierte Nutzbit sind für die Sicherheits
einheit 4 im vorliegenden Fall ohne Belang. Mit ihnen könnten
aber gegebenenfalls weitere Ausgänge angesteuert werden.
Das fünfte Nutzbit der Mehrbitnachricht 8 ist ein Kontroll
bit. Es wird einem Zeitglied 13 zugeführt. Das Zeitglied 13
wird jedesmal zurückgesetzt, wenn das ihm zugeführte Kon
trollbit bezüglich des ihm zuvor zugeführten Kontrollbit al
terniert. Behält das Kontrollbit hingegen seinen Wert bei, so
läuft das Zeitglied 13 nach einer vorbestimmten Überwachungs
zeit ab. In diesem Fall übermittelt das Zeitglied 13 ein
Null-Signal an ein UND-Glied 12, so daß der Ausgang 10 auch
in diesem Fall in den nicht angesteuerten Zustand übergeht.
Auch in diesem Fall wird also ein unsicherer Zustand der ge
steuerten Anlage bzw. der gesteuerten Maschine vermieden. Die
Überwachungszeit ist dabei derart bestimmt, daß einerseits
bei einem ordnungsgemäßen (zyklischen) Busverkehr stets ein
rechtzeitiges Rücksetzen des Zeitgliedes 13 vor dessen Ablauf
erfolgt und andererseits bei einem nicht ordnungsgemäßen Bus
verkehr spätestens nach einer anlagen- bzw. maschinenspezifi
schen Reaktionszeit der Ausgang 10 in den nicht angesteuerten
Zustand übergeht.
Wie ferner ersichtlich ist, ist die Sicherheitseinheit 4 re
dundant aufgebaut. Sie weist daher zwei Busbausteine 14 auf,
so daß sie unter zwei verschiedenen Adressen ansprechbar ist.
Jedem der Busbausteine 14 wird unter seiner eigenen Adresse
jeweils eine eigene Mehrbitnachricht 8 übermittelt. Jeder der
Busbausteine 14 wertet die ihm übermittelte Mehrbitnachricht
8 autonom aus und steuert sein UND-Glied 12 entsprechend an.
Die Ausgänge 10 der beiden Busbausteine 14 sind in Reihe ge
schaltet. Im Ergebnis werden die übermittelten Mehrbitnach
richten 8 daher nur dann als ordnungsgemäß interpretiert,
wenn sie miteinander korrespondieren. Die Sicherheit der Da
tenübertragung kann dabei noch weiter erhöht werden, wenn die
Mehrbitnachrichten 8 den Busbausteinen 14 invers zueinander
übermittelt werden.
Die Busbausteine 14 sind über Schalter 15 gegenseitig verkop
pelt. Jeder der Busbausteine 14 kennt daher den Schaltzustand
des jeweils anderen Busbausteins 14. Die Busbausteine 14 kön
nen folglich in ihren Antworten 9 nicht nur ihren eigenen
Schaltzustand, sondern auch den schaltzustand des jeweils an
deren Busbausteins 14 an die sichere Recheneinheit 1 zurück
melden. Die Sicherheit des Datenübertragungssystems wird so
mit noch weiter erhöht.
Obenstehend wurde ein Datenübertragungssystems mit einer ein
zigen Sicherheitseinheit 4 beschrieben, die als Ausgabeein
heit zum Ansteuern eines Ausgangs 10 ausgebildet ist. Es kön
nen aber selbstverständlich mehrere Sicherheitseinheiten mit
dem Bussystem 5 verbunden sein. Auch können die Sicherheit
seinheiten als sichere Eingabeeinheiten ausgebildet sein.
Claims (4)
1. Datenübertragungsverfahren zwischen einer sicheren Rechen
einheit (1), z. B. einer fehlersicheren speicherprogrammierba
ren Steuerung (1), und einer Anzahl von Ein-/Ausgabeeinheiten
(2 bis 4) über eine an die sichere Recheneinheit (1) ange
schlossene Bussteuereinheit (6) und ein serielles Bussystem
(5), wobei die Bussteuereinheit (6) zyklisch die an das Bus
system (5) angeschlossenen Ein-/Ausgabeeinheiten (2 bis 4)
anspricht und eine Mehrbitnachricht (8) an die jeweils ange
sprochene Ein-/Ausgabeeinheit (z. B. 4) übermittelt,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß mindestens eine der Ein-/Ausgabeeinheiten (4) dadurch als Sicherheitseinheit (4) ausgebildet ist,
- - daß die an die Sicherheitseinheit (4) übermittelte Mehr bitnachricht (8) mindestens ein Kontrollbit aufweist und
- - daß die Sicherheitseinheit (4) die übermittelte Mehrbit nachricht (8) nur dann als ordnungsgemäß interpretiert, wenn das Kontrollbit innerhalb einer vorbestimmten Überwa chungszeit alterniert.
2. Datenübertragungsverfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß die Sicherheitseinheit (4) als Ausgabeeinheit zum An steuern eines Ausgangs (10) ausgebildet ist,
- - daß sie ein Zeitglied (13) aufweist, das bei Ablauf der Überwachungszeit den Ausgang (10) in einen sicheren Zu stand überführt, und
- - daß das Zeitglied (13) bei jedem Übermitteln einer ord nungsgemäßen Mehrbitnachricht (8) zurückgesetzt wird.
3. Datenübertragungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß die Sicherheitseinheit (4) unter zwei verschiedenen Adressen ansprechbar ist,
- - daß der Sicherheitseinheit (4) unter den beiden Adressen jeweils eine Mehrbitnachricht (8) übermittelt wird und
- - daß die Sicherheitseinheit (4) die übermittelten Mehrbit nachrichten (8) nur dann als ordnungsgemäß interpretiert, wenn die beiden Mehrbitnachrichten (8) miteinander korre spondieren.
4. Datenübertragungsverfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mehr
bitnachricht (8) aus mindestens vier Nutzbit besteht.
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