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Ausfailsicheres Steuersystem zur Übertragung von digitalen Informationen
(Zusatz zu Patentanmeldung P 20 23 117.8 vom 5.5.1970) Gegenstand der Hauptanmeldung
P 20 23 117.8 ist ein modular aufgebautes ausfallsicheres Steuersystem zur Übertragung
von digitalen Informationen zwischen einem digitalen Rechner und mit diesem im on-line
Betrieb gekoppelten Prozeß-Peripheriegeräten innerhalb eines Automatisierungssystems,
bei dem das gerätetechnische mehrere Datenverarbeitungsebenen aufweisende Steuersystem,
das initiiert vom Rechner den Ablauf der Informationsübertragung in beiden Richtungen
steuert, drei identische voneinander unabhängige Informationsverarbeitungskanäle
enthält, in denen gleiche Daten taktsynchron verarbeitet werden und innerhalb der
Kanäle zwischen den in integrierter Schaltkreistechnik ausgeführten Datenverarbeitungsebenen
Majoritäts- und Fahlerüberwachungsschaltungen aus eigensicheren Logikbausteinen
zur
Regenierierung und Anzeige von fehlerbchafteten Signalen, die durch Fehler innerhalb
bzw. außerhalb des Steuersystems auftreten, angeordnet sind.
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Die gesamte für die Funktion des ausfallsicheren Steuersystems notwendige
Signalverarbeitung ist in identischen Kanälen dreifach vorhanden. Jeder Kanal ist
für sich allein funktionsfähig, besitzt also neben einer eigenen Stromversorgung
auch eine eigene Peripherie, Ob jeder Kanal an einer eigenen Ein- Ausgabe eines
einzigen sicheren Rechners (polymorpher Rechner) oder an jeweils einen von drei
vor; hendenen Rechnern (Dreifachrechner) angeschlossen wird, ist für das Steuersystem
ohne Bedeutung.
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Innerhalb der Überwachungsebenen, die jeweils zwischen zwei korrespondierenden
Datenverarbeitungsebenen liegen, sind dabei für jeden Kanal und für jede Datenrichtung
getrennte Majoritäts- und Fehlerüberwachungsschaltungen angeordnet.
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Aufgabe des Steuersystems ist es , Informationen zwischen dem Prozeßrechner
und den Peripheriegeräten wortweise in beiden Richtungen zu transportieren. Zu den
Peripheriegeräten werden hierbei alle Einrichtungen gerschnet, die Daten und Meßwerte
in einem Prozeß erfassen und die Informationen und Steuerbefehle an den Prozeß bzw.
an dessen Überwachungsorgane ausgeben. Nahtstelle zwischen Steuersystem und den
Peripheriegeräten des Prozesses sind dabei die Ein/ Ausgabe-Blöcke, zu denen die
Analogeingabeblöcke, die Digitaleingabeblöcke (Spontaneingabe) und die Unterbrechungseingabeblöcke
gehören.
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Durch die Unterbrechungseingabeblöcke sollen Signal änderungen beliebiger
Richtung, die aneinem oder mehreren ihrer Eingänge auftreten, dem Rechner über einen
Sammelunterbrechungseingang unabhängig vom laufenden Programm mitgeteilt werden.
Den Unterbrechungseingabeblöcken sind jeweils eine Anzahl von Eingabepunkten zugeordnet,
an denen die Signaländerung in Form einer Kontaktstellung oder durch den Wechsel
von elektronischen Signalen mit Hilfe eines zu jedem Eingabepunkt gehörenden Signaländerungs-Indikators
erfaßt wird.
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Die Unterbrechungssignale aller Signaländerungs-Indikatoren werden
disjunktiv zusammengefaßt und dem Rechner als Sammelunterbrechungssignal zugeführt.
Der Rechner erfährt beim Auftreten dieses Sammelunterbrechungssignals eine Unterbrechung
des laufenden Programms; in seinem nun beginnenden Unterbrechungsprogramm muß er
herausfinden, welcher Unterbrechungseingang einen wirksamen Signalwechsel vorfand.
Hierzu wird eine Eingabeoperation durchgeführt, wodurch dem Rechner eine "Ereignis-Nummer"
über mittelt ifd, die die Nummer des Signaländerungs-Indikators darstellt, der das
Unterbrechungssignal abgegeben hat.
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Durch den dreikanaligen Aufbau enthält das Steuersystem jeweils drei
parallel arbeitende Unterbrechungseingabeblöcke, bei denen jedem Eingabepunkt beispielsweise
drei parallel arbeitende Kontakte zugeordnet sind, von denen jeder an einen der
drei Unterbrechungseingabekanäle angeschlossen ist. Der Wechsel dieser Kontakte
bzw. der entsprechenden elektronischen Unterbrechungssignale erfolgt jedoch technisch
bedingt mit einem zeitlichen Versetz untereinander. Da in den parallel arbeitenden
Informationsverarbeitungskanälen des ausfallsicheren Steuersystems nur taktsynchrone
identische Signale verarbeitet werden können, damit eine Zusammenfassung in Majoritäts-
und Fehrlerüberwachungsschaltungen möglich
ist, ist es Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, basierend auf dem Gegenstand der Hauptanmeldung, die zeitlich
nacheinander erfolgenden Wechsel der drei Kontakte bzw. der drei Unterbrechungssignale
eines Eingabepunktes in synchrone Meldesignale umzusetzen. Diese Aufgabe wird gemäß
der Erfindung dadurch gelöst, daß in allen Informationsverarbeitungskanälen des
Steuersystems zur Erfassung von Unterbrechungssignalen des Prozesses, die als wechselnde
Binärsignale an Unterbrechungseingabeeingängen anliegen, Schieberegister vorgesehen
sind, die durch Steuersignale des den ersten Signalwechselterkennenden Kanals synchron
weitergeschaltet und in jeweils der gleichen, dem aktivierten Unterbrechungseingang
entsprechenden Stellung stillgesetzt werden und daß nach Ablauf einer durch den
erkennenden Kanal in allen Kanälen ausgelösten; Zeitsteuerung Sammelunterbrechungssignale
taktsynchron über jeden der drei Informationsverarbeitungskanäle zum Rechner zur
Einleitung einer Eingabeoperaw tion übertragen werden.
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Die Erfindung sei nachstehend an Hand eines in der Figur dargestellten
Ausführungsbeispiels näher läutert: Das in der Figur dargestellte Prinzipschaltbild
zeigt den Aufbau eines der drei identischen Untrerbrechungseingabeblockkanäle, in
diesem Fall den Aufbau des Kanals K 1.
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Untereinander sind die Eingabeblockkanäle durch die Signalleitungen
A, B, C und D, E, F verbundene Der Ausgang A jedes Kanals K 1 - K 3 ist mit dem
Eingang B des zweiten und dem Eingang C des dritten Kanals verbunden, d.h. Signalleitung
A des Kanals K 1 ist über den Eingang B des Kanals K 2 zum Eingang C des Kanals
E 3, Signalleitung A von K 2 ist über Eingang B von K 3 zum Eingang C von K 1 und
Signalleitung A von K3 ist über Eingang B von K 1 zum Eingang a von K 2 geschleift.
Die Verbindung der Kanäle untereinander durch die Signalleitungen D, E, F erfolgt
in der gleichen Weise,
d.h. der Ausgang D jedes Kanals ist mit dem
Eingang E des zweiten und dem Eingang F des dritten Kanals ver-.
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bunden.
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Auf einen Signalwechsel überwacht werden sollen die Eingangsleitungen
US 1 - US n. Zu einem Eingabepunkt gehören jeweils drei Eingangsleitungen, dh. zwei
weitereü in ihrer Überwachungsfunktion der Eingangs leitung US 1 des Kanals K 1
entsprechende Leitungen sind an die Kanäle K 2 und K 3 angeschlossen.
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Jeweils aus vier, NAND-Gleidern 23, 24, 25, 26 aufgebaute Signaländerungs-Indikatoren
22, die mit den Eingangsleitungen US 1 - US n verbunden sind, vergleichen in jedem
der drei Kanäle K 1 - K 3 den Stand eines Eingaberegisters 31, dessen Speicher entsprechend
den letzten eingegebenen Unterbrechungssignalen gesetzt oder gelöscht sind, mit
dem Signalzustand der Eingangsleitungen US 1- US n. Im Ruhezustand entspricht der
Signalzustand der Eingangsleitungen US 1 -US n der Information im Eingaberegister
31. Alle Ausgänge der Signaländerungs-Indikatoren 22 führen L-Signal. Die Speicher
eines den Signaländerungs-Indikatoren 22 nachgeschalteten Zwischenregisters 21 bleiben
in der Löschstellung.
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Ändert sich der Zustand des Unterbrechungssignals eines Eingabepunktes,
so wird beispielsweise von den zu einem Eingabepunkt gehörigen drei Signalen in
den Kanälen K 1 -K 3 immer eines zuerst seinen Zustand ändern. Tritt ein solcher
erster Signalwechsel am Eingang des Kanals K 1 auf, so wird in diosem Kanal über
den entsprechenden Signaländerungs-Indikator 22 der zugehörige Speicher des Zwischenregisters
21 gesetzt. Mit dem Ausgangssignal dieses Zwischenregisterspeichers wird über die
Verknüpfungsglieder 19, 18, 16, 17 und 13 der am Eingang T zugeführte Takt eines
kanaleigenen Schieberegisters 11 freigeschaltet. Weiterhin bewirkt dieses Signal
als Ausgangsignal D des Kanals K 1
und damit als entsprechende Eingangs
signale E und F in den Kanälen K 2 und K 3 über die dort ebenfalls vorhandenen Verknüpfungsglieder
16, 17 und 13 die Freischaltung des Taktes für die Schieberegister 11 der beiden
anderen Kanäle K 2 und K 3. In jedem Unterbrechungseingabek.anal werden die Schieberegister
11 somit synchron weitergeschaltet und tasten im 1 aus n-Code nacheinander fortlaufend
mit den Ausgängen der Schieberegister verbundene Gatter 12 (von 1 nach n) in jeden
Kanal auf das vorbereitende Signal des gesetzten Zwischenregisterspeichers abe Damit
entsteht eine natürliche Rangfolge der Unterbrechungseingänge, da jeder vor einem
nachfolgend abgetasteten Unterbrechungseingang automatisch eine höhere Rangfolge
und damit Dring lichkeitsstufe einnimt. Während der Weiterschaltung der Schieberegister
wird auch der zweite Eingang des durch das Signal des gesetzten Zwishenregisterspeichers
vorbereiteten Gatters 12 "O". Die UND-Bedingung für O-Signal ist somit erfüllt;
der Ausgang des entsprechenden Gatters 12 erhält L-Signal. Dieses Signal bereitet
den an die Ausgänge der Gatter 12 angeschalteten Eingaberegisterspeicher 31 vor
und sperrt über Verknüpfungsglieder 349 35, 159 14 und 13 das Taktsignal für das
Schieberegister 11 des eigenen Kanals. Weiterhin wird mit dem gleichen Signal über
die Glieder 34, 359 39' das Ausgangssignal A des eigenen Kanals auf den Eingang
B des zweiten und auf den Eingang C des dritten Kanals geschaltet und dadurch das
Taktsignal für die Schieberegister 11 der beiden anderen Kanäle durch Wirkung auf
die Vorknüpfungsglieder 15 gesperrte Der zweite Verknüpfungseingang des Gatters
39 ist mit dem Fehlerspeicher FS des Steuersystems verbunden Da die Schicberegister
11 synchron laufen, , haben sie nach einem Sperrsignal aus einem der Eingabekanäle
ebenfalls gleiche Stellung und schalten gleiche Gatter 12 anO Gleichzeitig wird
in allen drei Kanälen K 1 - K 3 taktsynchron über die
Vorknüpfungsglieder
15 und 36 eine Zeitsteuerung 37 gestartet. Während des Ablaufes der Zeitsteuerung
37 wird in den beiden anderen Kanälen des Unterbrechungseingabeblockes, die über
das A- Signal des ersten Kanals gesperrt sind, auf den Signalwechsel der anderen
beiden zu dem wechselnden Eingabepunkt gehörenden Unterbrechungssignale gewartet.
Nach Ablauf der Zeitsteuerung 37 wird gleichzeitig von jedem Kanal É 1 - E 3 ein
Sammelunterbrechungssignal SUS erzeugt und über die Verknüpfungsglieder 38 und 40
ausgegeben. Eine mit den Ausgängen der Gatter 12 vorbundene Decodierungsschaltung
32, die ein 1 aus Signal aus den Gattern 12 in eine binäre Zahl wandelt, gibt für
ein 1 aus n-Signal aus dem ersten Gatter 12 die kleinste und für ein 1 aus n-Signal
aus dem n-ten Gatter 12 die größte Binärzahl ab. Die kleinste Binärzahl ist also
dem Unterbrechungseingang mit der höchsten und die größte Binärzahl dem Unterbrechungseingang
mit der geringsten Dringlichkeit zugeordnet. Der Rechner startet eine Eingabeoperation
über alle drei.
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Kanäle des ausfallsicheren Steuersystems. Die Bingabesteuerungen 33
in den drei Unterbrechungseingabekanälen K 1 - K 3 geben das binäre Ergebnis der
Decodierungsschaltung 32 als Ereignisnummern zum Rechner ab. Danach wird mit einem
Taktsignal der Eingabesteuerung 33 in jedem Kanal das Schieberegister 11 und das
Zwischenreregister 21 gelöscht sowie der vorbereitete Eingaberegisterspeicher in
die dem geänderten Zustand des auslösenden Unterbrechungssignals entsprechende Stellung
gebracht. Die Unterbrechungseingabe befindet sich damit in der Ruhestellung, da
mit der Löschung des Zwischenregisters 21 das Torsignal für den Schieberegistertakt
entfällt. Bei den durch ein schwarzes Dreieck an ihrer unteren Kante gekennzeichneten
Verknüpfungsgliedern 15, 16 (ODER-Glieder), 39, 40 (UND-Glieder) handelt es
sich
um Bausteine einer eigensicheren Wechselstromlogik, bei der in jedem Baustein abhängig
von der Eingangslogik durch einen Oszillator eine eigene Wechselspannung erzeugt
wird. Einzentraler Takt ist somit für das gesamte System nicht erforderlich. Durch
den Einsatz dieser eigensicheren Wechselstrombaustoine wird vermieden, daß durch
die notwendigen Querverbindungen zwischen den einzelnen Kanälen (Signalleitungen)
beim Auftreten bestimmter Fehler in einem der Kanäle Rückwirkungen auf die anderen
beiden Kanäle entstehen.
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Die logischen Signale L und 0 der eigensicheren Wechselstromlogik
sind dabei wie folgt definiert: a) das L-Signal wird durch die Umhüllende einer
Wechselspannung dargestellt, b) das O-Signal bedeutet keine Wechselspannung.
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An das eigensichere Bausteinsystem sind folgende Bedingungen gestellt;
1.) Führt ein Logikbaustein nach seiner logischen Funktion und den anliegenden Eingangssignalen
am Ausgang ein O-Signal, so darf beim Auftreten eines internen Fehlers (BauelementeausSall
etc.) kein L-Signal am Ausgang erscheinen.
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2.) Führt der Baustein am Ausgang ein L-Signal nach seiner logischen
Funktion und den anliegenden Eingangssignalen, so muß der Ausgang beim Auftreten
eines internen Fehlers nach Signal wechseln und auch, wenn die Eingangssignale erneut
wechseln, weiterhin Signal ausgeben.
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3.) Bei einer Leitungsunterbrechung oder einem Kurzschluß der Ausgangsleitung
eines sicheren Logikbausteines sollen
alle angeschlossenen Eingänge
O-Signal (keine Wechselspannung) erhalten.
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Jeder Eingang der sicheren Wechselstrombausteine besteht aus einer
potentialfreien Primärwicklung eines Wechselstromübertragers. Die Ausgangsleitung
einer Einheit-wird durch alle zu verknüpfenden Eingangswicklungen geschleift, das
Ende der letzten Eingangswicklung muß an +-UB (Betriebsspannung) gelegt werden.
Diese Art der Verdrahtung gilt für log. Wechselstrom-Bausteine (dyn. Schaltkreise).
Sie hat den Vorteil, daß bei einem Drahtbruch der hintereinandergeschalteten Eingangskreise
kein Eingang ein L-Signal zur Ansteuerung erhält.
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Die Glieder 17, 18 und 36 dienen zur Pegelumsetzung von dynamischen
in statische Signale, die Glieder 35 und 38 zur Umsetzung von statischen in dynamische
Signale.