DE19934513A1 - Steuerungsverfahren für eine technische Anlage - Google Patents

Abstract

Eine technische Anlage (1) ist über eine Vielzahl von Rechnereinheiten (5, 5') steuerbar. Jede zumindest einen Teil (4a) der technischen Anlage (1) steuernde Steuereinheit (5a) und mindestens zwei Überwachungseinheiten (5c, 5d) überwachen sich gegenseitig auf Funktionsfähigkeit. Im Falle eines Fehlers in der Steuereinheit (5a) wird diese durch eine Ersatzeinheit (5b) und im Falle eines Fehlers in einer der Überwachungseinheiten (5c, 5d) die fehlerhafte Überwachungseinheit (5c, 5d) bezüglich ihrer Überwachungsfunktion durch eine Reserveüberwachungseinheit (5e) ersetzt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuerungsverfahren für eine technische Anlage über eine Vielzahl von Rechnerein­ heiten, die Eingabedaten von der technischen Anlage einlesen, Ausgabedaten an die technische Anlage ausgeben sowie unter­ einander kommunizieren.

Derartige Steuerungsverfahren für technische Anlagen sind allgemein bekannt.

Um sicherzustellen, daß die technische Anlage auch bei Aus­ fall einer der Rechnereinheiten sicher weiterbetreibbar ist, sind verschiedene redundante Steuerungsverfahren bekannt. Am verbreitetsten sind sogenannte 2-von-3-Systeme. In diesen Sy­ stemen arbeiten drei Rechnereinheiten parallel mit den glei­ chen Eingabedaten und vergleichen ihre Ausgabedaten miteinan­ der. Wenn die Ausgabedaten einer der Rechnereinheiten von den Ausgabedaten der beiden anderen Rechnereinheiten abweichen, werden die abweichenden Ausgabedaten unterdrückt und die auf­ grund der Abweichungen als fehlerhaft erkannte Rechnereinheit von der technische Anlage getrennt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein weiteres Steuerungsverfahren anzugeben, das insbesondere bei einer verteilten technischen Anlage effizient arbeitet.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst,

• - daß mindestens eine der Rechnereinheiten als zumindest ei­ nen Teil der technischen Anlage steuernde Steuereinheit wirkt,
• - daß der Steuereinheit mindestens zwei der Rechnereinheiten als Überwachungseinheiten zugeordnet sind,
• - daß der Steuereinheit zur sofortigen Übernahme von deren Funktion im Fall ihres Ausfalls eine Rechnereinheit als Er­ satzeinheit zugeordnet ist,
• - daß die Steuereinheit und die Überwachungseinheiten sich gegenseitig auf Funktionsfähigkeit überwachen und
• - daß im Falle eines Fehlers in der Steuereinheit diese durch deren Ersatzeinheit und im Falle eines Fehlers in einer der Überwachungseinheiten die als fehlerhaft erkannte Überwa­ chungseinheit bezüglich ihrer Überwachungsfunktion durch eine vorbestimmte weitere Rechnereinheit (Reserveüberwa­ chungseinheit) ersetzt wird.

Die Überwachungseinheiten können von der der Steuereinheit zugeordneten Ersatzeinheit verschieden sein. Es ist aber auch möglich, daß die Ersatzeinheit eine der Überwachungseinheiten ist. In diesem Fall ist der Ersatzeinheit zur Übernahme von deren Überwachungsfunktion im Fall eines Fehlers in der Steu­ ereinheit eine Rechnereinheit als Ersatzüberwachungseinheit zugeordnet.

Wenn die Rechnereinheiten räumlich verteilt angeordnet sind, ist vorzugsweise jede der Rechnereinheiten nur mit einer vor­ bestimmten Anzahl von Rechnereinheiten direkt verbunden, wo­ bei die Anzahl kleiner als die Vielzahl von Rechnereinheiten ist. Denn dadurch läßt sich der Aufwand zum Erstellen der Kommunikationsverbindungen zwischen den Rechnereinheiten mi­ nimieren. Für jede Steuereinheit werden dann die Überwa­ chungseinheiten, die Ersatzeinheit, die Reserveüberwachungs­ einheit und ggf. auch die Ersatzüberwachungseinheit aus der Anzahl der mit der Steuereinheit direkt verbundenen Rech­ nereinheiten bestimmt.

Ein Beispiel einer technischen Anlage, die durch räumlich verteilte Rechnereinheiten gesteuert wird, ist ein Fahrweg für ein spurgebundenes Fahrzeug, z. B. eine Magnetschwebe­ bahn.

Die Steuereinheit kann statisch bestimmt sein. Wenn die Steu­ ereinheit aber aufgrund vorbestimmter Zustände der techni­ schen Anlage dynamisch bestimmt wird, läßt sich die techni­ sche Anlage besser steuern. Insbesondere bei einem Fahrweg für ein spurgebundenes Fahrzeug kann die Bestimmung der Steu­ ereinheit dabei beispielsweise aufgrund der Position des Fahrzeugs auf dem Fahrweg erfolgen.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nach­ folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Dabei zei­ gen in Prinzipdarstellung:

Fig. 1 einen Fahrweg für ein spurgebundenes Fahrzeug,

Fig. 2 einen Teil einer Vielzahl von Rechnereinheiten,

Fig. 3 ein Überwachungsverfahren und

Fig. 4 und 5 Konfigurationen von Rechnereinheiten.

Fig. 1 zeigt als Beispiel einer räumlich verteilten techni­ schen Anlage einen Fahrweg 1 für ein spurgebundenes Fahrzeug 2, hier eine Magnetschwebebahn 1. Der Fahrweg 1 ist in mehre­ re Abschnitte 3 aufgeteilt. Die Abschnitte 3 sind in je zwei Blöcke 4, 4' aufgeteilt. Jedem Block 4, 4' ist eine Rechner­ einheit 5, 5' zugeordnet. In der Regel ist eine Vielzahl von Rechnereinheiten 5, 5' vorhanden. Die Vielzahl kann z. B. 10, 20, 50 oder mehr betragen.

Jede Rechnereinheit 5, 5' liest Eingabedaten von dem Ab­ schnitt 3 ein, dem sie zugeordnet ist. Jede Rechnereinheit 5, 5' ist ferner in der Lage, Ausgabedaten an den Abschnitt 3 auszugeben, dem sie zugeordnet ist. Ferner sind die Rechner­ einheiten 5, 5' in der Lage, über ein nur schematisch darge­ stelltes Kommunikationsnetz 6 miteinander zu kommunizieren.

Aufgrund der räumlichen Ausdehnung des Fahrwegs 1 sind auch die Rechnereinheiten 5, 5' räumlich verteilt angeordnet. Dar­ über hinaus ist jede der Rechnereinheiten 5, 5' nur mit einer vorbestimmten Anzahl ihr benachbarter Rechnereinheiten 5, 5' direkt verbunden ist. Die Anzahl ist in aller Regel kleiner als die Vielzahl von Rechnereinheiten 5, 5'.

Um das Fahrzeug 2 ordnungsgemäß über den Fahrweg 1 zu führen, ist dem Fahrzeug 1 eine der Rechnereinheiten 5, 5' als Steu­ ereinheit 5a zugeordnet. Im Normalbetrieb ist die steuernde Rechnereinheit 5a diejenige, in deren Block 4a sich das Fahr­ zeug 2 momentan befindet. Diese Rechnereinheit 5a wirkt also auf den ihr zugeordneten Block 4a als einen Teil des Fahrwegs 1 steuernde Rechnereinheit 5a.

Wenn das Fahrzeug 2 einen Block 4, 4' verläßt und in einen anderen Block 4, 4' eintritt, gibt die bisher als Steuerein­ heit 5a ausgewählte Rechnereinheit 5, 5' ihre Funktion, als Steuereinheit 5a zu wirken, an die Rechnereinheit 5, 5' wei­ ter, in deren Block 4, 4' das Fahrzeug 2 dann eintritt. Die Steuereinheit 5a wird also aufgrund der Position des Fahr­ zeugs 2 auf dem Fahrweg 1 dynamisch bestimmt. Allgemeiner ausgedrückt erfolgt die Bestimmung der Steuereinheit 5a auf­ grund vorbestimmter Zustände der technischen Anlage 1.

Die beiden Rechnereinheiten 5, 5' eines Abschnitts 3 steuern, wie bereits erwähnt, im Normalbetrieb jeweils nur den ihnen zugeordneten Block 4, 4'. Eingabedaten eines Blocks 4, 4' werden aber auch an die andere Rechnereinheit 5, 5' dieses Abschnitts 3 eingegeben. Ferner ermittelt auch die andere Rechnereinheit 5, 5' dieses Abschnitts 3 laufend die auszuge­ benden Ausgabedaten. Die beiden Rechnereinheiten 5, 5' eines beliebigen Abschnitts 3 können daher im Fall eines Ausfalls einer der Rechnereinheiten 5, 5' als Steuereinheit 5a jeder­ zeit und sofort deren Funktion als Steuereinheit 5a überneh­ men. Sie sind sich daher gegenseitig als Ersatzeinheiten 5b zugeordnet.

Gemäß Fig. 2 beträgt Anzahl der direkt mit einer der Rech­ nereinheiten 5, 5' direkt verbundenen Rechnereinheiten 5, 5' sechs, und zwar jeweils drei nach links und rechts. Die ge­ strichelten Linien in Fig. 2 sollen dabei die Grenzen von Ab­ schnitt 3 zu Abschnitt 3 bedeuten. Es ist also jede Rech­ nereinheit 5, 5' eines Abschnitts 3 mit jeder Rechnereinheit 5, 5' der diesem Abschnitt 3 unmittelbar benachbarten Ab­ schnitte 3 direkt verbunden.

Wenn eine dieser Rechnereinheiten 5, 5' die Steuereinheit 5a ist, befindet sich unter den direkt mit der Steuereinheit 5a verbundenen Rechnereinheiten 5, 5' stets auch die Ersatzein­ heit 5b. Ferner sind der Steuereinheit zwei der direkt mit der Steuereinheit 5a verbundenen Rechnereinheiten 5, 5' als Überwachungseinheiten 5c, 5d zugeordnet.

Gemäß Fig. 3 überwachen sich die Steuereinheit 5a und die Überwachungseinheiten 5c, 5d gegenseitig auf Funktionsfähig­ keit. Die Überwachung erfolgt dabei dadurch, daß sich die Steuereinheit 5a und die Überwachungseinheiten 5c, 5d gegen­ seitig periodisch "Lebensmeldungen", z. B. Ergebnisse von Testrechnungen oder über GPS (= global positioning system) empfangene Zeitangaben usw., übermitteln. Eine gegenseitige Übermittlung der vollständigen Ein- und/oder Ausgabedaten hingegen ist nicht erforderlich. Die Steuereinheit 5a und die Überwachungseinheiten 5c, 5d ermitteln dann jeweils für sich, ob die "Lebensmeldungen" in Ordnung sind oder nicht.

Wenn die Überwachungseinheiten 5c, 5d einen Fehler in der Steuereinheit 5a ermitteln, melden sie dies unabhängig von­ einander an die Ersatzeinheit 5b. Diese übernimmt die Funkti­ on der der Steuereinheit 5a dann und nur dann, wenn ihr von beiden Überwachungseinheiten 5c, 5d ein Fehler in der Steuer­ einheit 5a übermittelt wird. Im Falle eines Fehlers in der Steuereinheit 5a wird diese somit durch deren Ersatzeinheit 5b ersetzt.

Wenn die Steuereinheit 5a und eine der Überwachungseinheiten 5c, 5d einen Fehler in der anderen der Überwachungseinheiten 5c, 5d ermitteln, melden sie dies unabhängig voneinander an eine weitere Rechnereinheit 5e. Die weitere Rechnereinheit 5e wird nachfolgend als Reserveüberwachungseinheit 5e bezeich­ net. Die Reserveüberwachungseinheit 5e befindet sich eben­ falls unter den direkt mit der Steuereinheit 5a verbundenen Rechnereinheiten 5, 5'.

Die Reserveüberwachungseinheit 5e übernimmt die Überwachungs­ funktion der als fehlerhaft erkannten Überwachungseinheit 5c, 5d dann und nur dann, wenn ihr von der Steuereinheit 5a und von der ordnungsgemäß arbeitenden Überwachungseinheit 5c, 5d ein Fehler in der anderen der Überwachungseinheiten 5c, 5d übermittelt wird. Im Falle eines Fehlers in einer der Überwa­ chungseinheiten 5c, 5d wird diese somit bezüglich ihrer Über­ wachungsfunktion durch die Reserveüberwachungseinheit 5e er­ setzt.

Die Ersatzeinheit 5b kann gemäß Fig. 3 eine der Überwachungs­ einheiten 5c, 5d sein. In diesem Fall kann die Ersatzeinheit 5b in ihrer Funktion als Überwachungseinheit 5c, 5d nicht nur durch einen Eigenfehler ausfallen, sondern auch dadurch, daß sie aufgrund eines Fehlers in der Steuereinheit 5a deren Funktion übernehmen muß. Falls die Ersatzeinheit 5b eine der Überwachungseinheiten 5c, 5d ist, ist der Ersatzeinheit 5b daher zur Übernahme von deren Überwachungsfunktion eine Rech­ nereinheit 5, 5' als Ersatzüberwachungseinheit 5f zugeordnet. Auch die Ersatzüberwachungseinheit 5f ist mit der Steuerein­ heit 5a direkt verbunden. Die Ersatzüberwachungseinheit 5f kann die Reserveüberwachungseinheit 5e sein. Es kann aber auch eine andere Rechnereinheit 5, 5' als Ersatzüberwachungs­ einheit 5f bestimmt werden.

Gemäß Fig. 4 sind der Steuereinheit 5a als Überwachungseinhei­ ten 5c, 5d je eine der Rechnereinheiten 5, 5' eines benach­ barten Abschnitts 3 zugeordnet. In diesem Fall kann bei einem Fehler in der Steuereinheit 5a oder einer der Überwachungs­ einheiten 5c, 5d die als fehlerhaft erkannte Rechnereinheit 5a, 5c bzw. 5d jeweils durch die andere Rechnereinheit 5, 5' des Abschnitts 3 ersetzt werden, dem die als fehlerhaft er­ kannte Rechnereinheit 5a, 5c bzw. 5d zugeordnet ist.

Gemäß Fig. 5 sind der Steuereinheit 5a als Überwachungseinhei­ ten 5c, 5d ihre Ersatzeinheit 5b und eine der Rechnereinhei­ ten 5, 5' eines benachbarten Abschnitts 3 zugeordnet. Wenn die Steuereinheit 5a als fehlerhaft erkannt wird, übernimmt die bisherige Ersatzeinheit 5b deren Funktion und gibt ihre eigene bisherige Überwachungsfunktion an die Ersatzüberwa­ chungseinheit 5f ab. Wenn die Ersatzeinheit 5b als fehlerhaft erkannt wird, übernimmt die ihr zugeordnete Reserveüberwa­ chungseinheit 5e deren Überwachungsfunktion. Wenn die andere Überwachungseinheit, z. B. 5d, als fehlerhaft erkannt wird, übernimmt die ihr zugeordnete Reserveüberwachungseinheit 5e deren Überwachungsfunktion.

Die Aufgabe beider Reserveüberwachungseinheiten 5e und der Ersatzüberwachungseinheit 5f ist gemäß Fig. 5 beispielhaft der Ersatzeinheit der Überwachungseinheit 5d zugeordnet. In die­ sem Fall wird für die Realisierung des erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens nur die minimale Anzahl von insgesamt vier Rechnereinheiten 5, 5' benötigt.

Claims (6)

1. Steuerungsverfahren für eine technische Anlage (1) über eine Vielzahl von Rechnereinheiten (5, 5'), die Eingabe­ daten von der technischen Anlage (1) einlesen, Ausgabe­ daten an die technische Anlage (1) ausgeben sowie unter­ einander kommunizieren, dadurch gekennzeichnet,

• - daß mindestens eine der Rechnereinheiten (5, 5') als zumindest einen Teil (4a) der technischen Anlage (1) steuernde Steuereinheit (5a) wirkt,
• - daß der Steuereinheit (5a) mindestens zwei der Rechner­ einheiten (5, 5') als Überwachungseinheiten (5c, 5d) zugeordnet sind,
• - daß der Steuereinheit (5a) zur sofortigen Übernahme von deren Funktion im Fall ihres Ausfalls eine Rechnerein­ heit (5b) als Ersatzeinheit (5b) zugeordnet ist,
• - daß die Steuereinheit (5a) und die Überwachungseinhei­ ten (5c, 5d) sich gegenseitig auf Funktionsfähigkeit überwachen und
• - daß im Falle eines Fehlers in der Steuereinheit (5a) diese durch deren Ersatzeinheit (5b) und im Falle eines Fehlers in einer der Überwachungseinheiten (5c, 5d) die als fehlerhaft erkannte Überwachungseinheit (5c, 5d) bezüglich ihrer Überwachungsfunktion durch eine vorbe­ stimmte weitere Rechnereinheit (5e) (Reserveüberwa­ chungseinheit 5e) ersetzt wird.

2. Steuerungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Steuereinheit (5a) zugeordnete Ersatzeinheit (5b) eine der Überwachungseinheiten (5c, 5d) ist und daß der Ersatzeinheit (5b) zur Übernahme von deren Überwach­ ungsfunktion im Fall eines Fehlers in der Steuereinheit (5a) eine Rechnereinheit (5f) als Ersatzüberwachungsein­ heit (5f) zugeordnet ist.

3. Steuerungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechnereinheiten (5, 5') räumlich verteilt ange­ ordnet sind, daß jede der Rechnereinheiten (5, 5') mit einer vorbestimmten Anzahl von Rechnereinheiten (5, 5') direkt verbunden ist, daß die Anzahl kleiner als die Vielzahl von Rechnereinheiten (5, 5') ist und daß für je­ de Steuereinheit (5a) die Überwachungseinheiten (5c, 5d), die Ersatzeinheit (5b), die Reserveüberwachungseinheit (5e) und ggf. auch die Ersatzüberwachungseinheit (5f) aus der Anzahl der mit ihr direkt verbundenen Rechnereinhei­ ten (5, 5') bestimmt werden.

4. Steuerungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die technische Anlage (1) als Fahrweg (1) für ein spurgebundenes Fahrzeug (2) ausgebildet ist.

5. Steuerungsverfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (5a) aufgrund vorbestimmter Zustän­ de der technischen Anlage (1) dynamisch bestimmt wird.

6. Steuerungsverfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Steuereinheit (5a) aufgrund der Position des Fahrzeugs (2) auf dem Fahrweg (1) erfolgt.