DE19831405A1 - Steuerungssystem mit einem Personalcomputer - Google Patents
Steuerungssystem mit einem PersonalcomputerInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Steuerungssystem mit einem Personalcomputer (1), der mit einem Kommunikationsprozessor (14) zur Anschaltung an einen Feldbus (2) versehen ist, an den Sensoren (3, 4) und/oder Aktuatoren (5, 6) zur Steuerung eines Prozesses anschließbar sind. Eine Überwachungseinheit (16) überwacht die zyklische Datenübertragung am Feldbus (2) und veranlaßt bei Erfüllen zumindest einer vorgebbaren Bedingung, beispielsweise bei einer Änderung der Prozeßdaten, den PC-Prozessor (7) zur Weiterverarbeitung der am Feldbus (2) eingegangenen Daten durch ein Steuerprogramm. Dadurch wird der PC-Prozessor (7) von einem ständigen Pollen der in einem Speicher (15) abgelegten Prozeßdaten entlastet. DOLLAR A Die Erfindung wird angewandt bei Kommunikationsprozessoren für PC.
Description
Die Erfindung betrifft ein Steuerungssystem mit einem
Personalcomputer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE-OS 38 08 135 ist bereits ein Steuerungssystem mit
einem Personalcomputer (PC) bekannt, der aus den Einzel
komponenten PC-Prozessor, Datenspeicher, freiprogrammierbarer
Speicher für ein Anwenderprogramm und einem Kommunikations
prozessor besteht, die über einen PC-Bus mit Adreß-, Daten- und
Steuerleitungen miteinander verbunden sind. Der Kommuni
kationsprozessor ist als eine in einen Slot des PC's ein
steckbare Baugruppe ausgeführt. Neben dem Kommunikations
prozessor, der in der Lage ist, selbständig eine zyklische
Datenübertragung an einem Feldbus durchzuführen, ist auf der
Steckbaugruppe eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)
realisiert. Die Schaltung ist dabei so ausgelegt, daß ein
Programm zur Steuerung eines Prozesses über an den Feldbus
angeschlossene Sensoren und/oder Aktuatoren wahlweise auf dem
PC-Prozessor oder auf dem Prozessor der SPS ablaufen kann.
Die erste Betriebsart, bei welcher das Steuerprogramm auf dem
PC-Prozessor abläuft, hat den Vorteil, daß die Informations
verarbeitung und die Prozeßsteuerung nicht an eine SPS-Spra
che, wie z. B. Koppelplan (KOP) oder Anweisungsliste (AWL),
gebunden ist. Vielmehr kann die Programmierung in einer be
liebigen Hochsprache, z. B. PASCAL, C oder BASIC, erfolgen.
Dadurch werden die Benutzerfreundlichkeit des Systems ver
bessert und weitere Anwendungsmöglichkeiten erschlossen.
Nachteilig bei dieser Betriebsart ist, daß der PC-Prozessor
durch das Steuerprogramm und das Pollen der am Feldbus ein
gegangenen Daten zusätzlich belastet wird. Da der PC-Prozes
sor noch andere Aufgaben, z. B. Tastaturabfrage, Anzeige
funktionen, Auswertung und Visualisierung der Prozeßdaten,
erfüllen muß, entsteht zwangsläufig ein Engpaß bei den zur
Verfügung stehenden Ressourcen. Insbesondere bei der Steue
rung eines zeitkritischen Prozesses, bei welcher die Prozeß
daten in sehr kurzen Zeitabständen abgefragt werden müssen,
um zeitkritische Änderungen zu erfassen, steigt die Belastung
des PC-Prozessors erheblich.
Die zweite Betriebsart, bei welcher eine speicherprogrammier
bare Steuerung unabhängig vom PC-Prozessor das Steuerprogramm
abarbeitet, hat den Vorteil, daß der Prozessor der speicher
programmierbaren Steuerung nicht durch zusätzliche Aufgaben
belastet wird und allein für die Steuerungsaufgaben vor
gesehen ist. Andererseits ist der PC-Prozessor von den Steue
rungsaufgaben befreit. Nachteilig dabei ist allerdings, daß
das Steuerprogramm in einer Sprache, die für speicherprogram
mierbare Steuerungen geeignet ist, erstellt werden muß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuerungs
system mit einem Personalcomputer zu schaffen, bei welchem
der PC-Prozessor die Abarbeitung des Steuerprogramms über
nimmt und durch die Steuerungsaufgabe in einem vergleichs
weise geringeren Maße belastet wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist das neue Steuerungssystem der
eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des An
spruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den Unteransprüchen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des Steuerungssystems be
schrieben.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß Steuerprogramme, die für
ein Steuerungssystem nach der ersten Betriebsart, bei welchem
das Steuerprogramm auf dem PC-Prozessor abläuft, geschrieben
wurden, ohne wesentliche Änderungen auf das neue Steuerungs
system übertragbar sind. Dabei wird der PC-Prozessor von dem
Pollen der eingegangenen Prozeßdaten oder von dem Überwachen
des Feldbuszyklus entlastet. Diese Aufgaben werden vorteil
haft von der Überwachungseinheit übernommen. Die Über
wachungseinheit kann mit Vorteil durch eine parametrierbare
Hardwareschaltung realisiert werden, aber auch eine Software
lösung durch eine Erweiterung des Kommunikationsprozessor
programms ist möglich. In jedem Fall wird eine schnelle Er
kennung von Ereignissen, beispielsweise einer Änderung der
Prozeßdaten, erreicht. Das Steuerprogramm wird in diesem Fall
nur dann aktiv, wenn sich die Prozeßdaten wirklich geändert
haben. In vorteilhafter Weise können die Bedingungen, deren
Erfüllen durch die Überwachungseinheit geprüft wird, spezi
fisch für jeden Teilnehmer am Feldbus, z. B. Sensor oder
Aktuator, vorgegeben werden. Bei dem neuen Steuerungsverfah
ren ist es somit möglich, die Teilnehmer flexibel einzustufen
und eine skalierbare Belastung des PC-Prozessors zu erhalten.
Die Belastungen des PC-Prozessors werden insgesamt gesenkt
und der PC-Prozessor steht für andere Applikationen häufiger
zur Verfügung. Dabei wird ein für die Funktion des Steue
rungssystems wesentlicher Punkt weiterhin erfüllt, nämlich
daß bei sich ändernden Prozeßdaten das Steuerungssystem
bereits nach einer minimalen Verzögerungszeit reagiert.
Wenn die Überwachungseinheit den PC-Prozessor durch Erzeugen
eines Interrupts zur Weiterverarbeitung eingegangener Daten
veranlaßt, wird in vorteilhafter Weise ein bewährter Mecha
nismus zur Aktivierung des Steuerprogramms mit geringen Ver
zögerungszeiten verwendet.
Die Verarbeitung im Steuerprogramm kann vorteilhaft mit dem
Feldbuszyklus synchronisiert werden, wenn das Erreichen eines
vorbestimmten Zyklusereignisses als eine vorgebbare Bedingung
bei der Überwachung der zyklischen Datenübertragung verwendet
wird. Das ist insbesondere dann vorteilhaft anwendbar, wenn
das vorbestimmte Zyklusereignis der Ablauf eines Zyklus ist
oder wenn bei einer Abtastregelung eine konstante Abtastzeit
gewünscht wird.
Eine schnelle Reaktion auf Fehler in den am Feldbus an
geschlossenen Teilnehmern wird erreicht, wenn der Eingang
einer Fehlermeldung durch die Überwachungseinheit geprüft
wird.
Weiterhin können die eingegangenen Prozeßdaten auf Über
schreiten eines vorgegebenen Wertebereichs geprüft werden, um
ein schnelles Einleiten geeigneter Maßnahmen durch den
PC-Prozessor zu gewährleisten.
Werden die eingegangenen Prozeßdaten durch den Kommunika
tionsprozessor jeweils in einem Speicher abgelegt, auf wel
chen der PC-Prozessor zugreifen kann, so steht für die Be
arbeitung des Steuerprogramms wie auch für Visualisierungs
aufgaben ständig ein aktuelles Prozeßabbild zur Verfügung.
Der Speicher kann so ausgeführt werden, daß sowohl der
PC-Prozessor als auch der Kommunikationsprozessor auf die ab
gelegten Daten zugreifen kann. Das hat den Vorteil, daß der
Kommunikationsprozessor unabhängig von Zugriffen des
PC-Prozessors auf Prozeßdaten den Feldbuszyklus abwickeln kann.
Die Feldbuszykluszeit wird dann nicht durch die Zahl der Zu
griffe des PC-Prozessors beeinflußt.
Vorteilhaft wird der PC-Prozessor nur bei Änderungen der
Prozeßdaten zur Weiterverarbeitung der am Feldbus eingegange
nen Daten durch das Steuerprogramm veranlaßt. Durch die Über
wachungseinheit kann eine Abweichung eingegangener Daten von
den im Speicher abgelegten Prozeßdaten als Änderung angezeigt
werden. Das hat insbesondere bei Prozessen mit einer geringe
ren Dynamik den Vorteil, daß eine nicht erforderliche Be
lastung des PC-Prozessors vermieden wird.
Das neue Steuerungssystem bietet insbesondere Vorteile, wenn
der Kommunikationsprozessor als Master an einem Feldbus mit
zyklischer Datenübertragung nach Art des PROFIBUS DP betreib
bar ist. Der Kommunikationsprozessor gibt dann als Master den
Feldbuszyklus vor und hat die Funktion eines "Taktschlägers"
bei der Erfassung der Prozeßdaten. Die Dauer eines Feldbus
zyklus, die bei einer Regelung der Abtastzeit entspricht, ist
unabhängig von anderen Teilnehmern, die am Feldbus als Slaves
betrieben werden.
Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt ist, werden im folgenden die Erfindung
sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.
Die Figur zeigt einen Personalcomputer 1, der über einen
Feldbus 2, hier ein PROFIBUS DP, mit Teilnehmern 3, 4, 5 und
6 verbunden ist. Der PROFIBUS DP arbeitet nach dem Master-
Slave-Zugriffsverfahren. Slaves sind Teilnehmer am Bussystem,
die nur dann Daten über den Bus senden können, wenn sie vom
Master dazu aufgefordert werden. Master ist der Personal
computer 1. Die Teilnehmer 3 und 4 sind Sensoren, beispiels
weise ein Durchfluß- bzw. ein Füllstandsmeßumformer, die
Teilnehmer 5 und 6 sind Aktuatoren, beispielsweise ein Zu- bzw.
ein Ablaufventil an einem Tank, wobei z. B. dessen Be
füllung als Prozeß geregelt werden soll. Der Feldbus 2 ist
für zyklische Datenübertragung ausgelegt. Der Master, hier
der Personalcomputer 1, ermöglicht eine streng zeitzyklische
Übertragung der Nutzdaten zwischen Master und Slaves. D. h.,
unabhängig vom Zustand der Slaves am Bus wird der Feldbus
zyklus möglichst konstantgehalten. Ein Datenaustausch zwi
schen dem Master 1 und einem Slave benötigt beim PROFIBUS DP
weniger als 0,5 ms. Daraus ergibt sich für das gezeigte Aus
führungsbeispiel ein Feldbuszyklus von weniger als 2 ms. Ein
PC-Prozessor 7 müßte also, um sofort von Änderungen der
Prozeßdaten zu erfahren, spätestens nach 0,5 ms am Feldbus 2
eingegangene Prozeßdaten überprüfen und eine Auswertung
durchführen. Das würde aber eine erhebliche Belastung des
PC-Prozessors darstellen, da mit einem Taskwechsel, beispiels
weise von einem Visualisierungsprogramm zu dem Steuer
programm, immer ein erheblicher Verwaltungsaufwand verbunden
ist. Diese Belastung des PC-Prozessors wird bei dem in der
Figur gezeigten Steuerungssystem vermindert.
Für das neue Steuerungssystem ist ein handelsüblicher Per
sonalcomputer 1, insbesondere ein Industrie-PC, verwendbar,
der zumindest einen PC-Prozessor 7, einen Datenspeicher 8 und
einen Programmspeicher 9 aufweist. Über einen internen
PCI-Bus 10, der Daten-, Steuer- und Adreßleitungen besitzt, sind
die Komponenten miteinander verbunden. Zur Kommunikation am
Feldbus 2 ist in den PC 1 eine Steckkarte 11 gesteckt, die an
den PCI-Bus 10 angeschlossen ist. Über eine PCI-Busanschal
tung 12 und einen internen Bus 13 kommuniziert der PC-Prozes
sor 7 mit den Komponenten der Steckkarte 11. Auf der Steck
karte 11 ist ein Kommunikationsprozessor 14 angeordnet, der
nach einer entsprechenden Parametrierung durch den PC-Pro
zessor 7 selbständig eine zyklische Datenübertragung am Feld
bus 2 durchführt. Der Kommunikationsprozessor 14 besteht im
wesentlichen aus einem ASIC mit der Bezeichnung ASPC2 von
Siemens, der bei Anlauf des Steuerungssystems durch ver
kettete Auftragsblöcke entsprechend der jeweiligen Konfigu
ration des Feldbusses 2 parametriert wird. Weiterhin ist ein
Speicher 15 vorgesehen, in welchen die am Feldbus 2 einge
gangenen Prozeßdaten abgelegt werden. Dieser Speicher 15 hält
damit ein aktuelles Prozeßabbild, auf das durch den PC-Pro
zessor 7 jederzeit zugegriffen werden kann. Als Speicher 15
wird ein SSRAM-Baustein der Größe 32 k × 32 mit einer hier
nicht näher dargestellten Bustreiberschaltung verwendet. Eine
Überwachungseinheit 16 besteht aus einem kleinen RAM 17, der
in den Adreßraum des PC-Prozessors 7 eingegliedert ist und
daher von diesem direkt adressiert werden kann, sowie aus
einem programmierbaren Logikbaustein 18, der entsprechend
einer im RAM 17 abgelegten Parametrierung die zyklische
Datenübertragung am Feldbus 2 und/oder am Feldbus einge
gangene Daten überwacht. Als Logikbaustein 18 wird ein EPLD
des Typs 7256 von Altera verwendet.
Bei Anlauf des Steuerprogramms im Programmspeicher 9 greift
der PC-Prozessor 7 auf das RAM 17 zu und setzt dort die ent
sprechenden Bits, um die Funktion der Überwachungseinheit 16
in der gewünschten Weise zu bestimmen. Durch diese Para
metrierung wird beispielsweise festgelegt, in welchen Fällen
die Überwachungseinheit 16 einen Interrupt erzeugen soll, der
über die PCI-Busanschaltung 12 und den PCI-Bus 10 an den
PC-Prozessor 7 weitergeleitet wird. Damit wird festgelegt, bei
welchen Ereignissen der PC-Prozessor 7 zur Weiterverarbeitung
der am Feldbus 2 eingegangenen Daten durch das Steuerprogramm
veranlaßt werden soll. Beispiele dafür sind:
- - Alle Slaves wurden einmal angesprochen, d. h. ein Feld buszyklus ist abgeschlossen,
- - ein Slave am Feldbus liefert geänderte Prozeßdaten,
- - ein Slave meldet eine Ausnahmesituation oder einen Fehler und/oder
- - ein Slave liefert Prozeßdaten, die außerhalb eines vor gegebenen Wertebereichs liegen.
Durch die Parametrierung kann gesondert für jeden Slave am
Feldbus 2 festgelegt werden, ob bei Änderungen der jeweiligen
Prozeßdaten Interrupts zu generieren sind oder nicht.
Bei aktiver Prozeßsteuerung pollt der Kommunikationsprozessor
14 als Master fortwährend die Teilnehmer 3, . . ., 6 am Feldbus
2, die als Slaves betrieben werden. Wenn durch den Kommunika
tionsprozessor 14 die Prozeßdaten eines Slaves eingelesen
wurden, will er sie in die Speicherzellen des Speichers 15
eintragen, die für die jeweiligen Prozeßdaten vorgesehen
sind. Der Logikbaustein 18 der Überwachungseinheit 16 über
prüft anhand der Adresse des Schreibzugriffs, ob bei einer
Änderung der jeweiligen Prozeßdaten ein Interrupt erzeugt
werden muß. Diese Überprüfung ist in einfacher Weise möglich,
da die Prozeßdaten der einzelnen Slaves jeweils an festen
Speicherplätzen innerhalb des Speichers 15 abgelegt sind.
Soll ein Interrupt bei einer Änderung der jeweiligen Daten
erzeugt werden, so vergleicht ein im Logikbaustein 18 reali
sierter Datenkomparator die durch den Kommunikationsprozessor
14 auf den Bus 13 gelegten Daten mit den früheren Prozeß
daten, die durch den Logikbaustein 18 zuvor aus dem Speicher
15 ausgelesen wurden. Wenn die vorgegebene Bedingung einer
Datenänderung erfüllt ist, generiert der Logikbaustein 18
einen Interrupt, der zum PC-Prozessor 7 weitergeleitet wird,
um diesen zur Weiterverarbeitung der am Feldbus eingegangenen
Daten durch das Steuerprogramm zu veranlassen. Gleichzeitig
wird der Schreibzugriff des Kommunikationsprozessors 14 auf
den Speicher 15 durchgeführt und die früheren Prozeßdaten
werden durch die neu am Feldbus 2 eingegangenen Daten über
schrieben. Mit der Generierung eines Interrupts wird zusätz
lich ein Flag mit der Bedeutung "für den aktuellen Daten
bereich habe ich schon einen Interrupt generiert" innerhalb
des Logikbausteins 18 gesetzt. Dieses Flag hat die Funktion,
daß Interrupts nicht mehrfach ausgelöst werden, wenn sich an
mehreren Stellen eines Datenblocks, der bei der zyklischen
Datenübertragung von demselben Slave geliefert wird, Prozeß
daten geändert haben. Das Flag wird zurückgesetzt, wenn der
Kommunikationsprozessor 14 auf Adressen im Speicher 15 zu
greifen will, unter denen die Daten des im Feldbuszyklus
folgenden Slaves abgelegt sind.
Da der Vergleich der aktuell eingegangenen Daten mit den
früheren Prozeßdaten sowie die Interrupt-Generierung durch
eine in Hardware realisierte Überwachungseinheit 16 durch
geführt wird, ist in vorteilhafter Weise eine sehr schnelle
Reaktion des Steuerungssystems auf Änderungen der Prozeßdaten
möglich.
Bei Lesezugriffen des Kommunikationsprozessors 14 auf den
Speicher 15, d. h. wenn der Kommunikationsprozessor 14 zuvor
durch den PC-Prozessor 7 berechnete und in den Speicher 15
geschriebene Prozeßdaten aus dem Speicher 15 auslesen und
über den Feldbus 2 an einen der Aktuatoren 5 oder 6 ausgeben
will, wird durch die Überwachungseinheit 16 kein Interrupt
erzeugt.
Claims (10)
1. Steuerungssystem mit einem Personalcomputer (1), der zur
Bearbeitung eines Steuerprogramms zumindest einen PC-Prozes
sor (7), einen Programmspeicher (9) und einen Datenspeicher
(8) aufweist und der mit einem Kommunikationsprozessor (14)
zur Anschaltung an einen Feldbus (2) versehen ist, an den
Sensoren (3, 4) und/oder Aktuatoren (5, 6) zur Steuerung
eines Prozesses anschließbar sind, wobei der Kommunikations
prozessor (14) in der Lage ist, selbständig eine zyklische
Datenübertragung am Feldbus (2) durchzuführen, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Überwachungseinheit (16) vor
gesehen ist, welche die zyklische Datenübertragung am Feldbus
(2) und/oder am Feldbus eingegangene Daten überwacht und bei
Erfüllen zumindest einer vorgebbaren Bedingung den PC-Prozes
sor (7) zur Weiterverarbeitung der am Feldbus (2) eingegange
nen Daten durch das Steuerprogramm veranlaßt.
2. Steuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Überwachungseinheit (16) den PC-Prozes
sor (7) durch Erzeugen eines Interrupts zur Weiterverarbei
tung eingegangener Daten veranlaßt.
3. Steuerungssystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da
durch gekennzeichnet, daß eine vorgebbare Bedingung das
Erreichen eines vorbestimmten Zyklusereignisses ist.
4. Steuerungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß das vorbestimmte Zyklusereignis der Ablauf
eines Zyklus ist.
5. Steuerungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß eine vorgebbare Bedingung
der Eingang einer Fehlermeldung ist.
6. Steuerungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß eine vorgebbare Bedingung
das Überschreiten eines vorgegebenen Wertebereichs für ein
gegangene Daten ist.
7. Steuerungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Speicher (15) vor
gesehen ist, in welchen am Feldbus (2) eingegangene Daten
abspeicherbar sind.
8. Steuerungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Speicher (15) derart ausgeführt ist, daß
sowohl der PC-Prozessor (7) als auch der Kommunikations
prozessor (14) auf die Daten zugreifen können.
9. Steuerungssystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß eine vorgebbare Bedingung eine Ab
weichung eingegangener Daten von den im Speicher (15) ab
gelegten Daten ist.
10. Steuerungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kommunikationsprozes
sor (14) als Master an einem Feldbus (2) mit zyklischer
Datenübertragung nach Art des PROFIBUS DP betreibbar ist.
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