DE3486199T3

DE3486199T3 - Werkführungssystem.

Info

Publication number: DE3486199T3
Application number: DE3486199T
Authority: DE
Inventors: Russell Albert Henzel
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1983-10-07
Filing date: 1984-10-01
Publication date: 1998-01-22
Anticipated expiration: 2004-10-02
Also published as: EP0138135A2; CA1226915A; DE3486199T2; JPS60101604A; US4607256A; EP0138135B1; EP0138135B2; EP0138135A3; AU551688B2; HK1008104A1; DE3486199D1; AU3203784A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der verteilten digitalen Prozeßsteuersysteme und insbesondere auf ein anlagenweites System zur Überwachung und Steuerung industrieller Betriebe und elektrischer Energiebetriebe, einschließlich der Kommunikation innerhalb des Systems und bezogen auf Betriebsführungsüinktionen für Anlagen, die von bescheidenen bis zu sehr großen Anlagen reichen.
Digitale Prozeßsteuer- und Datenerfassungssysteme, wie sie beispielsweise durch das Prozeßsteuersystem TDC 2000 vorgegeben sind, das durch Honeywell Inc. hergestellt und vertrieben wird, umfassen beispielsweise einen umfassenden Satz an Algorithmen und Hilfsmitteln, um die verschiedenen Herstellprozeße oder den Betrieb von Anlagen zu steuern und zu überwachen. Das Steuersystem TDC 2000 kann so zugeschnitten werden, das es einen großen Bereich an Prozeßanforderungen auf der Ebene der Regelschleife oder der Regeleinheit befriedigt. Das System TDC 2000 umfaßt Standardeinheiten, die miteinander durch eine Datenbahn verbunden sind, und jede der Haupteinheiten eines solchen Systems umfaßt einen Mikroprozessor mit seiner eigenen Firmware und Datenbank, um ein verteiltes Steuersystem vorzugeben. Derartige verteilte digitale Datenerfassungs- und Steuersysteme sind bislang im wesentlichen auf die Steuerung von Teilen des Prozesses beschrankt gewesen, der beispielsweise in Erdölrafflnerien, z.B. in katalytischen Spaltanlagen oder in einem elektrischen Energiebetrieb beim Betrieb von Kesseln, Generatoren, Kernreaktoren usw. abläuft.
Es besteht ein Bedürflüs für eine breitere Spanne bzw. ein größeres Maß der Steuerung, um eine betriebsweite Steuerung aller Prozeße zu gestatten, die in einer vorgegebenen Anlage ablaufen, um die Wirksamkeit und die Produkte, die durch große komplexe industrielle Anlagen und Energiebetriebe erzeugt werden, zu verbessern. Versuche dies zu erfüllen, haben typischerweise, wie dies in der US-A 42 96 464 gezeigt ist, große Mehrzweckrechner oder große spezialisierte digitale Datenverarbeitungssystem erfordert, um ein höheres Maß der Steuerung und der Möglichkeit der Informationsammlung über eines oder mehrere Steuersysteme vorzugeben, wie beispielsweise jenes, das durch das Steuersystem TDC 2000 vorgegeben ist, welches nachstehend manchmal als Prozeßsteuer-Subsystem bezeichnet ist, das die tatsächliche Steuerung von Prozessen oder Teilen von Prozessen ausführt. Die US-A 42 96464 beschreibt ein Prozeßsteuersystem mit örtlichen Mikroprozessor-Steuereinheiten, wobei eine solche Einheit mittels eines parallelen Mehrleitungs-Übertragungsbus an eine zentrale Prozessoreinheit angeschlossen ist. Die Steuereinheit umfaßt eine interne bitserielle Datenbahn, die mittels einer Kommunikationsbus-Schnittstellensteuerung mit dem Mehrleitungsbus kommuniziert. An diese interne Buseinheit sind verschiedene Arten von Prozeß- Schnittstelleneinheiten und eine Bedienstation ebenso wie eine Datenbahn- Verkehrsleitstation angeschlossen, um die Kommunikation auf dem Bus der internen Steuereinheit zu steuern. Jede Steuereinheit umfaßt einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Festwertspeicher und einen Speicher mit wahifreiem Zugriff sowie eine Prozeß-Ein/Ausgabe-Steuerung und einen A/D-Umsetzer. Der Mikroprozessor- Bus, der diese Teile der Steuereinheit miteinander verbindet, kommuniziert mit dem Bus der internen Steuereinheit über eine Datenbahn-Schnittstellen-Steuereinheit. Mit der Prozeß-Ein/Ausgabe-Steuerung sind verschiedene Ein/Ausgabegeräte verbunden, die analoge oder digitale Ein/Ausgabe-Platinen sein können. Typischerweise sind die Analyse und die speziellen Verwaltungsüinktionen, die für das Optimieren der Prozeße, der Leistung, der Qualität und der Inventarsteuerung usw. benötigt werden, durch Datenverarbeitungssysteme ausgeführt worden, die nicht direkt auf Echtzeitbasis mit den zuvor erwähnten Prozeßsteuer-Subsystemen im Dialog stehen. Daher besteht ein Bedürfnis für ein Betriebsführungssystem auf höherer Ebene, das Daten bezüglich des Betriebs einer ganzen Anlage durch fortlaufende Überwachung der Leistung der verschiedenen Prozeßsteuer-Subsysteme der Anlage sammeln kann, um eine anlagenweite Steuerung auf Echtzeitbasis vorzugeben.
Ein Erfordernis bei einem solchen Betriebsführungssystem besteht nach einer universellen Bedienstation mit hoher Leistung, an welcher einer oder mehrere Bedienungspersonen die Prozeße überwachen und steuern können, die durch die Anlage ausgeführt werden bzw. den gesamten Betrieb einer großen Anlagen von der Eingabe des Rohrmaterials bis zur Ausgabe der Endprodukte. Ein solches System muß ferner zuverlässig, fehlertolerant und vorzugsweise hinreichend modular aufgebaut sein, so daß zusätzliche Funktionen erforderlichenfalls hinzugeftigt werden können, um ein Betriebsführungssystem den spezifischen Anforderungen bei irgendeinem gegebenen Herstellungskomplex mit einem Minimum an Kosten anzupassen, wahrend zur gleichen Zeit ein höchst zuverlässiges System vorgegeben wird, das leicht modifiziert werden kann, um die sich verändernden Anforderungen an einen solchen Komplex zu erfüllen.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Betriebsführungssystem vorzugeben, das in der Lage ist, anlagenweite Steuer- und Datenerfassungsfünktionen durch direkten Dialog und auf Echtzeitbasis mit einem oder mehreren Prozeßsteuer-Subsystemen des Systems vorzugeben und bei dem für den wirksamen Betrieb der Gesamtanlage erforderliche relevante Daten allen Datenverarbeitungs-Systemmitteln des Systems verfügbar sind.
Ferner sollte die Erfindung ein anlagenweites System vorgeben, in welchem zusätzliche funktionelle Fähigkeiten schrittweise vorgegeben werden können und bestehende Fähigkeiten ebenfalls schrittweise erhöht werden können.
Das in der Zeitschrift "Siemens Energietechnik" H6/79, 11/79, 9/80 und 02/83 sowie im Siemens-Katalog MP29 "Prozeßleitsystem TELEPERM M" beschriebene, auf Mikroprozessortechnik beruhende Automationssystem TELEPERM M der Firma Siemens weist die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 auf Zum Erreichen der oben beschriebenen Ziele verwendet die vorliegende Erfindung die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Weitere bevorzugte Merkmale und Ausführungsbeispiele sind in den nachfolgenden Ansprüchen angegeben. Die Erfindung gibt ein im hohen Maß zuverlässiges Betriebsführungssystem vor, welches ein lokales Token- Weitergabe-Steuernetzwerk umfaßt, das aus mehreren unterschiedlichen Typen von physikalischen Modulen besteht, wobei wenigstens ein Modul eines jeden Typs als ein primarer Modul bezeichnet ist, und einige oder alle primäre Module einen oder mehrere Stützmodule aulweisen, welche Stützmodule die Leistung ihres primären Moduls übernehmen, wenn der primäre Modul ausfällt. Faßt man die Erfindung mit anderen Worten zusammen, so umfaßt ein Betriebsführungssystem einen oder mehrere digitale Prozeßsteuer- und Datenerfassungs-Subsysteme und ein Betriebs- Steuernetzwerk. Jedes Steuersubsystem umfaßt eine Datenbahn und Prozeßsteuer- und Prozeßschnittstellen-Einheiten. Das Betriebssteuernetzwerk ist ein verteiltes Token-Weitergabesteuernetzwerk, in welchem eine Vielzahl von physikalischen Modulen miteinander über einen Betriebssteuerbus in Verbindung stehen. Während es eine begrenzte Anzahl unterschiedlicher Typen gibt, wobei jeder Typ unterschiedliche Funktionen besitzt, besitzen physikalischen Module gemeinsame Einheiten, von denen eine eine Zentralprozessoreinheit des Moduls ist. Sowohl die Anzahl der Module als auch die Anzahl der Modultypen eines Betriebssteuernetzwerkes besitzen sowohl ein Maximum und ein Minimum. Die Zuverlässigkeit des Betriebsführungssystems wird durch eine Vorgabe von Redundanz auf der Ebene des physikalischen Moduls verbessert. Ein Typ von physikalischem Modul gibt einen Datendialog und Umsetzungsmöglichkeiten zwischen dem Bus des Betriebssteuernetzwerkes und der Datenbahn eines Steuer-Subsystems vor. Ein anderer Typ von Modul gibt eine universelle Bedienstation vor, an der alle Informationen verfügbar sind und die Möglichkeiten gegeben sind, die von einer Bedienungsperson für die Bedienung einer Anlage benötigt werden.
Die vorliegende Erfindung gibt ein rechnergesteuertes Betriebsführungssystem vor sowie ein Token-Weitergabenetzwerk von bis zu "m" elektronischen Modulen von "p"-Typen. Jeder solcher physikalische Modul besitzt, wenn er an das gemeinsame Kommunikationsmedium bzw. den Bus des Netzwerkes angeschlossen ist, die Fähigkeit, binäre Daten bzw. Information zu anderen physikalischen Modulen des Netzwerkes zu übertragen und Information von diesen zu empfangen. Jeder der physikalischen Module des Netzwerkes ist ebenbürtig oder gleichberechtigt mit den anderen und jedem ist eine unterschiedliche physikalische "n"-Bit-Netzwerkadresse zugeordnet. Derjenige physikalische Modul, der zu irgendeinem gegebenen Zeitpunkt das Token besitzt, hat das alleinige Recht, Signale über den Netzwerkbus zu übertragen und ein Token zu seinem nachfolgenden Modul zu senden.
Jeder der physikalischen Module umfaßt eine Basis-Schnittstelleneinheit (BIU), einen Sender/Empfanger, einen Modulbus, eine Modul-Zentralprozessoreinheit und einen Modulspeicher. Zusätzliche Einheiten oder Geräte, um einen Modul mit zusätzlichen ftinktionellen Fähigkeiten zu versehen, die durch ein Modul eines vorgegebenen Typs erforderlich sind, stehen mit den anderen Einheiten eines jeden Moduls über den Bus des Moduls in Verbindung. Ein Typ von physikalischem Modul des Betriebssteuernetzwerkes ist ein universeller Betriebsstationsmodul, welcher die Mittel vorgibt, durch die die für den Gesamtbetrieb der Anlage verantwortliche Bedienungsperson die für die Ausführung dieser Funktion benötigte Information erhält. Um dies zu erfüllen, besitzt die universelle Bedienstation die Fähigkeit, Information oder Anweisungen zu Steuersubsystemen des Betriebsführungssystems zu übertragen, um den höchsten Pegel der Steuerung über die überwachten Prozeße vorzugeben. Mle Dialoge zwischen einem universellen Bedienmodul und anderen Modulen des Netzwerkes erfolgen über das Kommunikationsmedium des Netzwerks oder über den Anlagen-Steuerbus, welcher den universellen Bedienstationsmodul mit Zugriff auf Datenbahnen von irgendwelchen digitalen Prozeßsteuer- und Datenerfassungs-Subsystemen des Betriebsführungssystems und über solche Datenbahnen mit Zugriff zu den Einheiten eines jeden Steuersubsystems des Betriebsführungssystems versieht.
Es gibt verschiedene standardisierte Typen von physikalischen Modulen, die bei der Bildung des Betriebssteuemetzwerkes eines Betriebsführungssystems verwendet werden. Ein solcher Typ von Modul ist ein Datenbahn-Zugangsmodul, dessen Funktion darin besteht, Datendialog- und Übersetzungsmöglichkeiten zwischen dem Betriebssteuerbus des Netzwerkes und der Datenbahn eines digitalen Prozeßsteuer- und Datenerfassungs-Subsystems vorzugeben. Ein Zugangsmodul gibt somit anderen Modulen des Betriebssteuernetzwerkes Zugriff zu Daten, die in den Einheiten eines Prozeßsteuer- und Datenerfassungs-Subsystems verfügbar sind.
Ein anderer Typ von physikalischem Modul des Betriebssteuernetzwerkes, Archivmodul genannt, umfaßt eine Massenspeichereinrichtung bzw. eine Massen- Datenspeichereinrichtung, wie z.B. eine digitale Platten-Datenspeichereinheit. Die Plattenspeichereinheit eines Archivmoduls gestattet eine nicht-flüchtige Datenspeicherung und das Wiederaufsuchen von großen binären Datenvolumen. Typen von Daten, die in einer solchen Einheit gespeichert sind, sind beispielsweise Trendverläufe, Anzeigen oder die Speicherung von Ersatzprogrammen ftir die Einheiten des Steuersubsystems des Betriebsführungssystems.
Noch ein anderer Typ von physikalischem Modul des Betriebssteuersystems, ein Anwendungsmodul, liefert zusätzliche Vielzweck-Datenverarbeitungsmöglichkeiten, welche insbesondere im Zusammenhang oder in Unterstützung von Prozeßsteuer- Subsystemen nützlich sind. Typischerweise werden Anwendungsmodule benutzt, um zusätzliche Daten zu erfassen, um neue oder modifizierte Prozeßsteueralgorithmen zu erzeugen, um Stapelprozeße betreffende Informationen zu sammeln sowie um zusätzliche Rechenmöglichkeiten bezüglich der Optimierung der überwachten Anlagenprozeße vorzugeben.
Ein noch weiterer Typ von physikalischem Modul, ein Rechnermodul, dient dem Echtzeit-Informationsaustausch zwichen Modulen des Betriebssteuemetzwerkes des Betriebsführungssystems und einem mittleren oder großen Universal- Datenverarbeitungssystem vor. Typischerweise geben die Funktionen eines solchen Universalrechners in einer Betriebsumgebung eine Überwachungsoptimierung, eine verallgemeinerte Programmvorbereitung und Ausführungsmöglichkeiten für Programme vor, die in höheren Programmsprachen geschrieben sind. Zusätzliche Arten von Modulen gestatten den Dialog zwischen einem Betriebssteuemetzwerk, der vorliegenden Erfindung und einem anderen solchen Netzwerk, falls dies erwünscht ist.
Das Betriebssteuersystem dieser Erfindung besteht aus einer Anzahl von elektronischen Modulen, die miteinander über einen bitseriellen Hochgeschwindigkeits-Betriebssteuerbus im Dialog stehen. Jeder der Module enthält eine Modul-CPU und einen Modulspeicher, wobei zusätzliche Steuerungen und Geräte hinzugeftigt sind, um die gewünschte Funktionalität bzw. Funktionen vorzugeben, die durch einen vorgegebenen Typ von physikalischem Modul gefordert werden, wie beispielsweise einem universellen Bedienstationsmodul usw. Diese Architektur schafft eine verteilte Verarbeitungsumgebung, welche gegenüber zentralisierten Systemen zu verbesserter Zuverlässigkeit und Leistung führt. Die Zuverlässigkeit wird verbessert, da bei einem Ausfall eines Moduls des Systems die anderen betriebsfähig bleiben und das System als Ganzes nicht gesperrt wird, wie dies im Fall des Ausfalls in einem zentralisierten System der Fall wäre. Die Leistung wird verbessert und schnellere Antwortzeiten werden erzielt infolge der erhöhten Rechner- Verarbeitungs-Systemmittel, die in jedem physikalischen Modul verfügbar sind, sowie infolge der gleichzeitigen und parallelen Datenverarbeitung durch diese Systemmittel. Die Zuverlässigkeit wird durch Redundanz der physikalischen Module des Betriebssteuernetzwerkes des Systems in dem Ausmaß verbessert, wie es erforderlich ist, um die gewünschte Systemverfügbarkeit zu erzielen. Jeder Netzwerkmodul eines vorgegebenen Typs kann einen oder mehrere Ersatz- oder Stützmodule des gleichen Typs aufweisen, welche Ersatzmodule den Datensynchronismus beibehalten, aber keinen Betriebssynchronismus mit ihrem zugeordneten primären Modul.
Ein zweiter Ersatz- oder Stützmodul übernimmt die Ausführung der Funktionen seines primaren Moduls, wenn der primäre Modul ausfallen sollte. Diese Art von Redundanz gibt einen Fehlertoleranzpegel vor, der inkremental bis zu einem gewünschien Pegel erhöht werden kann.
Andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden leicht aus der folgenden Beschreibung von bestimmten bevorzugten Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, obgleich Variationen und Modifikationen bewirkt werden können, ohne daß von dem Geist und dem Rahmen der neuen Konzepte der Erfindung abgegangen wird, wobei:
Figur 1 ein schematisches Blockdiagramm des Betriebsführungssystems dieser Erfindung ist.
Figur 2 ein schematisches Blockdiagramm ist, welches die gemeinsamen Elemente eines jeden physikalischen Moduls des Betriebssteuemetzwerks des Systems veranschaulicht.
Figur 3 die Impulsform der Begrenzer für den Datenrahmenstart und das Datenrahmenende veranschaulicht.
Figur 4 das Format des Token-Weitergabe-Datenrahmens ist.
Figur 5 das Format eines Informations-Datenrahmens ist.
Figur 6 die Bedeutung verschiedener Bitkonfigurationen eines Bestimmungs- Adreßfeldes eines Datenrahmens definiert.
Figur 7 einen logischen Ring veranschaulicht, der durch die Module des Betriebssteuernetzwerkes des Systems gebildet wird.
Die Organisation bzw. Architektur des Betriebsführungssystems 10 ist in Figur 1 veranschaulicht. Die Elemente oberhalb der gestrichelten Linie 12 in Figur 1 bilden das Betriebssteuernetzwerk 14, ein verteiltes Token-Weitergabenetzwerk im lokalen Bereich. Die physikalischen Module 16 des Netzwerkes 14 sind von verschiedenen spezialisierten fünktionellen Typen, wie unten beschrieben wird. Jeder physikalische Modul 16 ist gleichberechtigt in bezug auf den Zugriff des Dialogmediums des Netzwerkes bzw. den Betriebssteuerbus 18 zum Zwecke der Übertragung von Daten zu anderen Modulen 16 des Netzwerkes 14. Der Datenbahn-Zugangsmodul 16-HG-1 bildet Dialog- und Datenübertragungsmöglichkeiten zwischen dem Betriebssteuerbus 18 und der Datenbahn 20-1 der verteilten digitalen Prozeßsteuer- und Datenerfassungs-Subsysteme 20-1, wie dies in Figur 1 veranschaulicht ist. Der Datenbahn-Zugriffsmodul 16-HG-2 ist ein Ersatz- bzw. Bereitschaftsmodul für seinen primären Modul 16-HG-1 und übernimmt dessen Funktion, wenn der Modul 16-HG-1 ausfällt. Der Datenbahn-Zugriffsmodul 16-HG-3 gibt Dialog- und Datenübersetzungsmöglichkeiten zwischen dem Betriebssteuerbus 18 und der Datenbahn des Steuersubsystems 22-2 vor. Der Modul 16-HG-3 ist ein primärer Modul, der durch seinen sekundären bzw. Ersatzmodul 16-HG-4 unterstützt wird. Jedes der Prozeß-Steuersubsysteme 22-1 und 22-2 ist im bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Prozeßsteuersystem TDC 2000 der Firma Honeywell Inc., von welchem eine Beschreibung in der Veröffentlichung mit dem Titel "Basic System TDC 2000 System Summary" gefünden werden kann, daß unter dem Datum 6/81 unter der Nummer SY-02-02 durch Honeywell Inc. veröffentlicht wurde.
Das Steuersubsystem 22-1 kann zusätzlich zu der Datenbahn 20-1 Einheiten umfassen, wie beispielsweise eine Datenbahn-Verkehrsleitstelle 24-1, eine Bedienstation 26-1, verschiedene unterschiedliche Typen von Steuerungen 28-1, wie beispielsweise Basis-Mehrfünktions- oder Erweiterungssteuerungen und Prozeß- Schnittstelleneinheiten (PIU/s) 30-1. Einzelheiten des Steuersubsystems 22-2 sind nicht dargestellt, da sie im wesentlichen ähnlich denjenigen des Subsystems 22-1 sind. Die Datenbahn 20 in jedem Steuersubsystem 22 ist ein doppelt redundanter Bus, der aus zwei getrennten Koaxialkabeln besteht. Eine Datenbahn-Verkehrsleitstelle 24 überwacht und koordiniert jeglichen Dialogverkehr zwischen den Datenbahn- Einheiten oder Geräten, d.h. den PIU/s 30, den Steuerungen 28, der Bedienstation 26 usw. Die Steuerungen 28 besitzen die üinktionellen Fähigkeiten, verschiedene herkömmliche Einzelschleifen-Prozeßsteuerung plus eine verbesserte Funktionalität. Die Mehrfünktions- bzw. Stapelsteuerung 28 ist entworfen, um nicht-kontinuierliche Prozeße bzw. Prozeße vom Stapeltyp zu steuern. Die Bedienstation 26 bildet eine Schnittstelle zwischen der Bedienungsperson des Prozesses und dem beispielsweise durch ein Steuersubsystem 22, gesteuerten Prozeß. Die Prozeß-Schnittstelleneinheiten 30 tasten jeden Punkt ab, mit dem sie verbunden sind, um Temperatur, Druck, Fließgeschwindigkeiten usw. zu messen und diese Information digital umzusetzen und die Information anderen Geräten des Subsystems 22 auf Anforderung bereitzustellen. Wegen weiterer Einzelheiten der verschiedenen Gerätetypen, die das Prozeß- Steuersubsystem 22 bilden oder in diesem enthalten sein können, sei Bezug genommen auf die zuvor erwähnte Veröffentlichung über die Systemübersicht.
Der universelle Bedienstationsmodul 16-US-1 des Netzwerks 14 ist die Arbeitsstation für einen oder mehrere Bedienungspersonen der Anlage. Er umfaßt eine Bedienkonsole, welche die Schnittstelle zwischen der Bedienungsperson der Anlage bzw. den Bedienungspersonen und dem Prozeß bzw. den Prozeßen der Anlage, für die sie verantwortlich sind, darstellt. Jeder universelle Bedienstationsmodul, wie beispielsweise 16-US-1 und beispielsweise seine Ersatzmodule 16-US-2 und 16-US-3 ist an den Betriebssteuerbus 16 angeschlossen und jegliche Dialog zwischen dem primären universellen Bedienstationsmodul, wie beispielsweise 16-US-1 und irgendeinem anderen Modul 16 des Netzwerkes 14, einschließlich seiner Ersatzmodule 16-US-2 und 16-US-3, erfolgt über den Betriebssteuerbus 18. Der universelle Bedienstationsmodul 16-US-1 besitzt Zugriff auf Daten, die auf dem Steuerbus 18 vorliegen, sowie auf die Systemmittel und Daten, die durch oder von irgendeinem der anderen Module 16 des Netzwerkes 14 vorliegen. Jede universelle Bedienstation 16-US umfaßt eine Kathodenstrahlröhrenanzeige, die mit CRT bezeichnet ist und die einen Video-Anzeigegenerator umfaßt; und sie umfaßt ferner beispielsweise eine Bedientastatur, eine Disketten-Datenspeichereinrichtung, Trendschreiber und Statusanzeigen.
Eine andere Art von physikalischem Modul, der in dem lokalen Steuernetzwerk 14 enthalten sein kann, ist der Archivmodul 16-HM-1 und sein Ersatzmodul 16-HM-2, die eine Massen-Datenspeichereinrichtung vorgeben. Jeder Modul 16-HM umfaßt wenigstens eine herkömmliche Platten-Massenspeichereinrichtung, wie beispielsweise eine Winchester-Platte, welche Plattenspeichereinrichtung eine Möglichkeit der Speicherung von Binärdaten mit großem Volumen und in nicht-flüchtiger Form vorgibt. Die Arten von Daten, die durch eine solche Massenspeichereinrichtung gespeichert werden, sind typischerweise Trendverläufe oder Daten, aus denen solche Trends festgestellt werden können, Daten, die Anzeigen von CRT-Typ bilden, Kopien von Programmen für die Einheiten der Steuersubsysteme 22, für die Module 16 oder für Einheiten der Module 16 des Betriebssteuernetzwerks 14. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel kann eine Plattenspeichereinheit eines Archivmoduls, wie beispielsweise der Modul 16-HM-1 Daten bis zu 32,5 Megabytes speichern.
Eine andere Art von Modul, die in dem Netzwerk 14 enthalten sein kann, ist ein Anwendungsmodul 16-HM-1. Der Ersatzmodul für den primaren Modul 16-HM-1 ist in Figur 1 mit 16-HM-2 bezeichnet. Der primäre Anwendungsmodul 16-HM-1 gibt zusätzliche Datenverarbeitungsmöglichkeiten zur Unterstützung der Prozeßsteuerfünktionen vor, die durch die Steuerungen 28 der Prozeß-Steuersubsysteme 22-1 und 22-2 des Betriebsführungssystems 10 ausgeführt werden, wie beispielsweise die Datenerfassung, den Alarm, die Stapel-Archivsammlung, und er gibt kontinuierlich Steuer-Rechenmögiichkeiten vor, wenn diese erforderlich sind. Die Fähigkeit der Datenverarbeitung eines Anwendungsmoduls 16-HM wird durch seinen Modulprozessor und den Modulspeicher vorgegeben.
Der Computermodul 16-CM-1 verwendet die Standardeinheiten aller physikalischen Module, um einem mittleren bis großen Universal-Datenverarbeitungssystem den Dialog mit anderen Modulen 16 des Netzwerkes und den Einheiten solcher Module über den Bus 18 sowie mit den Einheiten der Steuer-Subsysteme 22 über einen Datenbahn-Zugangsmodul 16-HG zu gestatten. Datenverarbeitüngssysteme eines Computermoduls 16-CM-1 werden benutzt, um Überwachungs- und Optimierfünktionen, eine verallgemeinerte Benutzer-Programmvorbereitung und die Ausführung solcher Programme in höheren Programmsprachen vorzugeben. Typischerweise besitzen die Datenverarbeitungssysteme eines Computermoduls 16-CM-1 die Fähigkeit des Dialogs mit anderen solchen Systemen durch einen Dialogprozessor und Dialogleitungen, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Während ein Ersatz-Computermodul vorgesehen werden könnte, wiegen zur Zeit die Kosten im Vergleich mit dem Nutzen dieser Anordnung nicht auf
Der Betriebssteuerbus 18 ist ein bitserieller, doppeltredundanter Hochgeschwindigkeits-Dialogbus, der alle Module 16 des Betriebssteuernetzwerkes 14 miteinander verbindet. Der Bus 18 bildet die einzige Datenübertragungsstrecke zwischen den Hauptdatenquellen, wie beispielsweise den primären Datenbahn Zugangsmodulen 16-HG-1 und 16-HG-3, dem pnmaren Anwendungsmodul 16-AM-1 und dem pnmaren Archivmodul 16-HM-1; und den Hauptbenutzern solcher Daten, wie beispielsweise dem primaren universellen Bedienstationsmodul 16-US-1, dem Computermodul 16-CM-1 und dem Anwendungsmodul 16-AM-1. Der Bus 18 bildet ferner das Kommunikationsmedium, über welches große Datenblöcke, wie beispielsweise Speicherbilder von einem Modul 16, wie beispielsweise dem Archivmodul 16-HM-1 zu dem universellen Stationsmodul 16-US-1 bewegt werden können. Der Bus 18 ist ein doppeitredundanter Bus, insofern als er aus zwei Koaxialkabeln 18-1 und 18-2 besteht, die die serielle Übertragung von Binärsignalen über beide mit einer Geschwindigkeit von 5 Megabit pro Sekunde gestatten. Die Länge der Koaxialkabel 18-1 und 18-2 ist im bevorzugten Ausführungsbeispiel auf 300 Meter begrenzt. Die maximale Anzahl von Modulen 16 einschließlich der primären und der Ersatzmodule 16, die theoretisch an den Bus 18 angeschlossen werden können, ist auf 128 begrenzt, was sich in Binärdarstellung als 2&sup7; darstellt; aus Gründen, die jedoch später erläutert werden, ist die Anzahl der Module, die an einen Steuerbus 18 angeschlossen werden können, auf 64 bzw. 2&sup6; begrenzt.
Jeder der physikalischen Module 16 umfaßt bestimmte oder geforderte Standardeinheiten, welche in Figur 2 veranschaulicht sind. Jeder Modul 16 besitzt eine Modul-Bus-Schnittstelleneinheit BIU-32, die an die zwei Koaxialkabel 18-1 und 18-2 des Betriebssteuerbusses 18 über ein Paar von Sendern/Empfangern 34-1 und 34-2 angeschlossen ist. Zusätzliche Einzelheiten des Moduls BIU-32 sind in der EP-Patentanmeldung 84 111 708.9, EP-A-0 137 437 mit dem Titel "Method for Initializing a Token-Passing Local-Area Network" und in der EP-Patentanmeldung 84 111 710.4, EP-A-0 137438 mit dem Titel "Method for Passing a Token in a Local-Area Network" veranschaulicht und beschrieben. Jeder Modul 16 ist ferner mit einem Modulbus 36 versehen, welcher im bevorzugten Ausführungsbeispiel in der Lage ist, sechzehn Datenbits parallel zu übertragen, und mit einem CPU-Modul 38 und einem Speichermodul 40. Andere Einheiten um die Art des Moduls 16 so anzupassen, daß er seine fünktionellen Anforderungen erfüllt, sind operativ mit dem Modulbus 36 verbunden, so daß jede solche Einheit mit den anderen Einheiten eines Moduls 16 über seinen Modulbus 36 kommunizieren kann. Die BIU 32 des Moduls 16, der zu irgendeinem vorgegebenen Zeitpunkt das Token besitzt, wird freigegeben, um Daten über den Bus 18 zu übertragen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgen alle Übertragungen durch eine BIU 32 gleichzeitig oder parallel über Koaxialkabel 18-1 und 18-2. Eine BIU 32 eines Moduls 16 gibt jedoch beim Empfang von Information, die durch einen anderen Modul 16 über die Koaxialkabel 18-1 und 18-2 übertragen wird, nur einen seiner zwei Sender/Empfänger 34 frei, um empfangene Binärsignale zu der zugeordneten BIU 32 zu übertragen. Welcher Sender/Empfänger 34-1 oder 34-2 zu irgendeinem vorgegebenen Zeitpunkt freigegeben wird, um Signale von den Kabeln 18-1 oder 18-2 zu empfangen, wird durch die CPU 38 oder durch die BIU 32 des Moduls festgelegt in Abhängigkeit von den Umständen; nämlich davon, wie jede in ihrer Funktion programiniert ist, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Zusätzlich besitzt jede BIU 32 zwei Empfangskanäle, welche nicht dargestellt sind, wobei jeder Empfangskanal eine Kette von Empfangs-Pufferregistern einschließt. Jede BIU 32 kann so programmiert sein, daß alle kurzen Informations-Datenrahmen zu einem solchen Empfangskanal gehen, während alle langen Datenrahmen zu dem anderen Empfangskanal gehen. Alternativ können alle Datenrahmen mit hoher Priorität zu einem Empfangskanal gesendet werden, während alle Datenrahmen mit niedriger Priorität zu dem anderen Kanal gehen.
Das Netzwerk 14 verwendet das Verfahren zum Initialisieren eines lokalen Token- Weitergabenetzwerks, wie es in der angezogenen Anmeldung mit dem Titel "Method for Initializing a Token-Passing Local-Area Network" beschrieben und beansprucht ist und es verwendet den Token-Weitergabealgorithmus, wie er in den angezogenen Anmeldung mit dem Titel "Method for Passing a Token in a Local-Area Network" beschrieben und beansprucht ist. Jedem an den Bus 18 angeschlossenen physikalischen Modul 16 ist eine eindeutige physikalische Adresse, im bevorzugten Ausführungsbeispiel eine 7-Bit-Adresse, zugeordnet. Wie zuvor erwähnt, kann ein Maximum von nur 64 physikalischen Modulen 16 an den Steuerbus 18 angeschlossen sein. Ein Grund dafür liegt darin, daß wenn zwei Betriebssteuerbusse 18 durch ein Zugangsmodul verbunden werden, ein einziges Netzwerk gebildet wird, in welchem jeder Modul eine eindeutige physikalische Adresse besitzt. Dies gestattet den Modulen 16 von zwei Betriebssteuernetzwerken 14 den direkten Dialog miteinander und die Bildung eines einzigen logischen Ringes aus dessen Modulen 16.
Information wird zwischen den Modulen des Netzwerkes 14 durch zwei Arten von Datenrahmen übertragen, einem Token-Weitergabe-Datenrahlnen bzw. Token 42, wie er in Figur 4 dargestellt ist, und einen Informations-Datenrahmen, wie er in Figur 5 dargestellt ist. Ein Token-Weitergabe-Datenrahmen 42 umfaßt eine Präambel 46 von acht bis zehn Bytes. Die Präambel 46 besteht aus Signalen des gleichen Typs, wie beispielsweise Signale mit dem Logikwert 1. Auf die Präambel 46 folgt ein Datenrahmen-Startbegrenzer SFD 48 aus einem Byte, das Bestimmungs-Adreßfeld 50 aus zwei Bytes, ein Quellenadreßfeld aus zwei Bytes, eine Datenrahmen-Prüffolge 54 aus zwei Bytes, welche Folge benutzt wird, um Fehler in dem Datenrahmen 42 festzustellen, und einen Begrenzer für das Datenrahmenende EFD 56 aus einem Byte. In Figur 3 sind die Impulsformen eines Datenrahmen-Startbegrenzers SFD 48 und eines Datenrahmen-Endbegrenzers EFD 56 veranschaulicht.
Die durch die BIU 32 eines jeden Moduls 16 übertragene Information besteht aus Binärsignalen im Manchester-Code, so daß ein Empfangstakt aus den Signalen abgeleitet werden kann, wenn sie durch jede empfangende BIU empfangen werden. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine logische 0 übertragen, indem die Signalspannung anfänglich den niedrigen Pegel aufweist, d.h. während der ersten Hälfte der Bitzelle und indem dieses während der zweiten Hälfte der Bitzelle den hohen Pegel aufweist, wobei ein Übergang in der Mitte zwischen dem niedrigen und hohen Pegel stattfindet. Ein Signal mit dem Logikwert 1 wird übertragen, indem der Signalspannungspegel anfänglich während der ersten Hälfte der Bitzelle den hohen Pegel und während der zweiten Hälfte den niedrigen Pegel besitzt, wobei ein Übergang zwischen dem hohen und niedrigen Pegel in der Mitte stattfindet. Die Manchester-Codierung erfordert, daß jeweils ein Übergang in der Mitte einer jeden Bitzelle stattfindet. Findet kein solcher Übergang statt, so tritt eine Codeverletzung CV auf Beide Begrenzer 48, 56 am Beginn und Ende des Datenrahmens umfassen Codeverletzungen, wobei jede vier CV's aufweist. Durch die Verwendung von CV's muß auf diese Weise ein 4-Bit-Fehler auftreten, um gültige Daten in einem Datenrahmenbegrenzer zu verändern. Ein Begrenzer 56 für das Ende des Datenrahmens wird benutzt anstelle eines Schweigens auf dem Bus 18, um die Möglichkeit zu vermeiden, daß Signalreflexionen auf dem Bus 18 als eine Übertragung intepretiert werden, nachdem die das Token 42 besitzende BIU 32 zu irgendeinem vorgegebenen Zeitpunkt, beispielsweise angehalten worden ist. Ein Antiprell-Zeitgeber einer jeden BIU 32 sperrt die kontinuierliche Übertragung von Signalen durch eine BIU für mehr als eine vorbestimmte Zeitperiode, welche Periode wesentlich länger als die ist, welche für die Übertragung des größten Informations-Datenrahmens 44 erforderlich ist. Der Zeitgeber wird jedesmal zurückgesetzt, wenn eine BIU mit der Übertragung anhält.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 4 und 5 ist ersichtlich, daß das Format eines Informations-Datenrahmens 44 sich von dem eines Token-Weitergabe-Datenrahmens 42 nur durch den Einschluß eines Informationsfeldes 58 unterscheidet. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Feld 58 beschränkt, so daß es zwischen 100 und 4088 Bytes von Binärdaten aufveisen kann. Alle anderen Felder eines Informations-Datenrahmens 44 sind gleich mit denjenigen eines Token-Weitergabe- Datenrahmens 42.
In Figur 6 ist die Bedeutung der Bitpositionen eines Bestimmungs-Adreßfeldes 50 eines Datenrahmens erläutert. Ein Datenrahmen, d.h. entweder ein Token- Weitergabe-Datenrahmen 42 oder ein Informations-Datenrahmen 44 ist definiert als ein Nachrichtenpaket, das für die Übertragung über den Betriebssteuerbus 18 formatiert ist. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel gibt es zwei grundlegende Adreßtypen; eine physikalische Adresse und eine logische Adresse. Eine physikalische Adresse ist die Adresse eines vorgegebenen physikalischen Moduls 16, und das Feld 50 ist als das eines physikalischen Moduls 16 identifiziert bzw. decodiert, wenn das signifikanteste Bit in der Position 15 des Feldes 50 den Logikwert 0 aufweist. Jeder Modul 16 besitzt eine eindeutige physikalische 7-Bit-Adresse. Typischerweise wird die physikalische Adresse eines physikalischen Moduls 16 durch einen Mehfachbit- Schalter oder durch eine Reihe von mechanisch hergestellten Schaltkreis- Verbindungen oder ähnliche Einrichtungen hergestellt, die im bevorzugten Ausführungsbeispiel auf der gedruckten Schaltkreisplatine des Moduls angeordnet sind, der einen seiner Sender/Empfänger 34 enthält. Ein Token-Weitergabe- Datenrahmen 42 wird durch die drei signifikantesten Bitpositionen in den Bits 15, 14 und 13 mit dem Logikwert 0 identifiziert. Die niedrigeren sieben Bitpositionen, d.h. die Bitpositionen 06, 00 bilden die physikalische Adresse des physikalischen Moduls 16, an den beispielsweise ein Token 42 adressiert ist. Wenn die Bitpositionen 15 und 14 den Logikwert 0 aufweisen und die Bitposition 13 den Logikwert 1, dann ist der Datenrahmen ein Diagnose-Datenrahmen, der an den Modul 16 adressiert ist, dessen physikalische Adresse derjenigen entspricht, die durch die Bits in den unteren sieben Bitpositionen des Feldes 50 definiert ist. Ein Diagnose-Datenrahmen ist eine Form eines Informations-Datenrahmens 44 und kann verwendet werden, um festzustellen, ob ein vorgegebenes Problem oder eine Gruppe von Problemen in dem adressierten Modul vorliegen. Wenn die Bits 15 und 14 den Logikwert 1 aufweisen, so gibt das Bit 13 an, welche der beiden Empfangskanäle des adressierten Moduls BIU 32 den Datenrahmen anzunehmen und zu verarbeiten hat. Wenn das Bit 12 gesetzt ist und die Adresse eine physikalische Adresse aber kein Token- oder ein Diagnose-Datenrahmen ist, so wird der Datenrahmen an alle physikalischen Module 16 des Netzwerks 14 adressiert und von diesen empfangen.
Eine logische 1 in der Bitposition 15 zeigt an, daß die durch die Bits der unteren Bitpositionen 12 bis 00 definierter Adresse diejenige einer logischen Einheit bzw. eines logischen Moduls ist, wobei eine logische Einheit bzw. ein logischer Modul ein Programmmodul oder eine Datengruppe ist. Wenn das Bit 14 unter diesen Umständen eine 0 ist, dann bestimmt das Bit 13 welcher Empfangskanal der adressierten BIU den Datenrahmen zu empfangen bzw. zu verarbeiten hat. Wenn die Bits 15 und 14 beide den Logikwert 1 aufweisen, dann stellt der Datenrahmen eine Unterbrechung dar, d.h. eine Nachricht mit hoher Priorität, und das Bit 13 bestimmt den Empfangskanal der BIU, der die Unterbrechung empfängt.
Die BIU 32 eines Moduls legt fest, welche logisch adressierten Datenrahmen, die über den Bus 18 übertragen werden, an sie adressiert sind. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel können bis zu 8K unterschiedliche logische Adressen vorliegen, wobei K = 2¹&sup0; ist. Eine BIU 32 legt mittels einer logischen Adreß-Filtertabelle fest, ob sie einen Informations-Datenrahmen mit einer logischen Adresse anzunehmen hat. Die unteren neun Bits des Adreßfeldes sind die Adresse von zwei Datenbytes, einem Filterwort, welches an jeder adressierbaren Position in dem Filterspeicher einer jeden BIU gespeichert ist. Die höheren vier Bits der logischen Adresse, d.h. die Bitpositionen 12-09 legen eine Bitposition des adressierten Filterwortes fest. Wenn dieses Bit einen Logikwert 1 aufweist, dann wird dieser Datenrahmen durch den Modul akzeptiert, da er an einen logischen Modul oder ein Programm adressiert ist, das in dem Speicher 40 des Moduls gespeichert ist.
Jeder Typ von Modul 16 umfaßt Hardwareeinrichtungen, welche physikalisch zusammengepackt und so entworfen sind, daß sie eine bestimmte Gruppe von Funktionen unterstützen. Die Redundanzeinheit in dem Netzwerk 14 ist der physikalische Modul 16. Ein redundanter sekundärer Ersatzmodul 16 muß vom gleichen Typ wie der primäre Modul sein, so daß beide die gleiche Ergänzung von Hardwareeinheiten besitzen. Jeder Art von Modul 16 des Netzwerks 14 ist in der Lage, einen oder mehrere Ersatzmodule zu besitzen.
Jeder der Module 16 umfaßt eine Modul-Zentralprozessoreinheit 38 und einen Modulspeicher 40, einen Speicher mit wahlfteiem Zugriff, und solche zusätzlichen Steuergeräte bzw. Einheiten, welche konfiguriert sind, um die gewünschte Funktionalität des Modultyps vorzugeben; d.h. z.B. die der Bedienstation 16-US. Die Datenverarbeitungsfahigkeiten der CPU 38 und des Speichers 40 eines jeden Moduls schaffen eine dezentralisierte Verarbeitungsumgebung, welche zu verbesserter Zuverlässigkeit und Leistung des Netzwerkes 14 und des Betriebsführungssystems 10 führt. Die Zuverlässigkeit des Netzwerkes 14 und des Betriebsführungssystems 10 wird verbessert, da der andere Modul 16 betriebsfähig bleibt, wenn ein Modul 16 des Netzwerks 14 ausfällt. Infolgedessen ist das Netzwerk 14 als ein Ganzes bei einem solchen Auftritt nicht gesperrt, wie dies bei zentralisierten Systemen der Fall wäre. Die Leistung wird durch diese dezentralisierte Ausführung verbessert, indem sich Datendurchflüsse und rasche Antwortzeiten auf die Bedienung durch die erhöhten Computer-Verarbeitungssystemmittel und die Gleichzeitigkeit und die Parallelität der Datenverarbeitungsfähigkeiten des Systems ergeben.
Das Netzwerk 14 verwendet eine Redundanz auf der Ebene des Moduls 16, um die geforderte Systemverfügbarkeit zu erzielen. Jeder physikalische Modul 16 eines vorgegebenen Typs kann einen oder mehrere Bereitschaftsmodule besitzen, welche einen Datensynchronismus aufrechterhalten aber keinen Betriebssynchronismus mit dem primären Modul. Der sekundäre Modul übernimmt die Operationen bzw. Funktionen seines primären Moduls, wenn der pnmare Modul, mit dem er verbunden ist, ausfallt. Das Vorhandensein eines oder mehrerer redundanter Ersatzmodule für jeden primären Modul ist für alle Anwendungen unsichtbar, die mit dem primären Modul zusammenarbeiten. Der primäre Modul ist der einzige, der über das Vorliegen seiner eigenen Ersatzeinheiten Bescheid weiß. Wenn es die Anforderungen an die Führung einer Anlage erfordern, so kann das Netzwerk 14 mehr als einen primären Modul eines jeden Typs aufweisen. Die einzige Beschränkung ist die, daß die Gesamtanzahl der primären und sekundären Module alle Typen, die an den Bus 18 angeschlossen sind, nicht ein vorbestimmtes Maximum, 64 im bevorzugten Ausführungsbeispiel überschreiten.
Jeder Modul 16 ist verantwortlich für die Unversehrtheit seiner eigenen Operation. Der Ausfall eines Moduls 16 wird durch den Modul selbst festgestellt, und wenn er einen solchen Ausfall feststellt, beendet er die Operation und sendet eine Beendigungs-Statusnachricht. Unter bestimmten Umständen sendet die Bus-Schnittstelleneinheit 32 des Moduls eine Ausfall-Statusnachricht aus, wenn z.B. sein Antiprell-Zeitgeber abgelaufen ist. Wenn ein Modul insgesamt nicht in der Lage ist, eine Ausfall-Statusnachricht auszusenden, so stellt der Ersatzmodul den Ausfall seines pnmaren Moduls fest auf Grund der Abwesenheit von periodischen Statusnachrichten, welche durch einen pnmaren Modul zu seinen Ersatzmodulen gesendet werden. Ein Ersatzmodul bzw. ein sekundärer Modul 16 beginnt beim Empfang einer Beendigungs- bzw. einer Ausfall-Statusnachricht oder bei der Abwesenheit des Empfangs der Statusnachricht des zugeordneten pnmaren Moduls den Betrieb als pnmarer Modul. Die durch jeden physikalischen Modul ausgeführten Funktionen werden durch seine Programmierung gesteuert und jeder Programmeinheit bzw. jedem Programmmodul ist eine logische Adresse zugeordnet, die manchmal als logischer Modul bezeichnet wird. Die redundanten physikalischen Ersatzmodule enthalten die gleiche Gruppe von logischen Funktionen bzw. von logischen Modulen, wie ihr primärer Modul. Es sei vermerkt, daß die Ersatzmodule für einen pnmären physikalischen Modul eines Typs von der gleichen Art wie ihr primärer Modul sein müssen.
Das Netzwerk 14 wird initialisiert, wie dies in der angezogenen Anmeldung mit dem Titel "Method for Initializing a Token-Passing Local-Area Network" beschrieben ist, nachdem, wie in Figur 7 veranschaulicht, der aus den vorliegenden, geeignet fünktionierenden, physikalischen Modulen 16 bestehende logische Ring 60, initialisiert ist, wobei das Verfahren, durch welches ein Token 42 zwischen dem vorangehenden und dem nachfolgenden Modul 16 weitergegeben wird, in der angezogenen Anmeldung mit dem Titel "Method for Passing a Token in a Local-Area Network" beschrieben ist. Jeder physikalische Modul 16 überträgt bei der Annahme eines Tokens innerhalb einer vorbestimmten Zeitperiode nach Empfang eines Tokens 42, das an ihn adressiert ist, einen Informations-Datenrahmen 44, falls verfügbar, und adressiert sodann ein Token 42 zu seinem nachfolgenden physikalischen Modul 16. Ein Informations-Datenrahmen 44 kann Information liefern und anfordern oder kann Befehle an einen oder mehrere physikalische Module 16 oder logische Module ausgeben. Zur Vereinfachung des Netzwerkes 14 ist jeder Modul 16 auf die Übertragung eines Informations-Datenrahmens 42 zu jedem Zeitpunkt beschränkt, an dem er ein Token 44 empfängt, das an ihn adressiert ist oder in der Zeit, in der er das Token besitzt.
Eine der Funktionen, die jeder Modul 16 ausführen muß, der einen anderen Datenrahmen als ein Token-Datenrahmen 42 empfängt, liegt darin, an den physikalischen Modul 16, der den Datenrahmen ausgelöst bzw. übertragen hat, die Tatsache zu übertragen, daß der adressierte Modul den an ihn adressierten Datenrahmen empfangen hat. Ersatzmodule sind nicht so programmiert, daß sie logisch adressierte Informations-Datenrahmen akzeptieren, die an ihren primaren Modul adressiert sind. Periodisch, beispielsweise einmal in jeder halben Sekunde, schreibt jeder primäre Modul seine Ersatzmodule fort, so daß die Ersatzmodule in der Lage sind, die Funktionen ihres primären Moduls mit einem Minimum an Verzögerung aufzunehmen. Das Versauninis eines primären Moduls, seinen sekundären Modul bzw. seine Module innerhalb einer zugeteilten Zeitperiode fortzuschreiben, veranlaßt seinen sekundären bzw. seine sekundären physikalischen Module zu einem primären Modul zu werden und die Funktionen seines primaren physikalischen Moduls auszuführen. Dies geschieht durch Veränderung des Inhalts des Decodierschlüssels des sekundären Moduls auf den entsprechenden Schlüssel des primären Moduls.
Da der unbeabsichtigte Ausfall eines Betriebssteuersystems wesentlichen Schaden an Leben, an der physikalischen Anlage und an der Produktqualität hervorrufen kann, ist die Zuverlässigkeit eine fündamentale Anforderung an ein solches System. Eine hohe Verfügbarkeit mit unanfechtbarer Integrität sowie eine geziemende Ausfallcharakteristik sind das Ergebnis der Architektur des Betriebsführungssystems dieser Erfindung. Eine weitere Funktion des Systems dieser Erfindung liegt in der Vorgabe einer menschlichen Schnittstelle für die Anlage als Ganzes. Bezüglich der Menschen, die Zugriff zu dem Betriebsführungssystem 10 benötigen, ist die Bedienungsperson der Anlage die wichtigste, da sie für die Sicherheit und die Leistung der Anlage verantwortlich ist. Das Betriebsführungssystem 10 ist daher in erster Linie für die Unterstützung dieser Aufgabe entworfen. Um dies zu verwirklichen, gibt ein universeller Bedienstationsmodul 16-US des Netzwerkes 14 ein einziges Fenster zu dem gesamten Anlagenprozeß vor, d.h. er gestattet Zugriff auf alle Daten des Systems 10 und er gibt vor, welche Daten in der für das Verständnis der Bedienungsperson am besten geeigneten Form erforderlich sind, wie beispielsweise Alarmmuster-, Trends, welche bildmäßig angezeigt werden, sowie ausgedruckte und angezeigte Nachrichten bzw. Warnungen, wobei dies in geeigneter Weise an einer Stelle mit einem Minimum an Verzögerung geschieht.
Die Steuerfünktionen des Betriebssteuernetzwerkes 14 sind mit jenen der verschiedenen Steuer-Subsysteme 22 kompatibel und sie dienen sowohl kontinuierlichen als auch diskontinuierlichen Prozeßen. Das System 10 kann auf die Anforderungen einer vorgegebenen Anlage zugeschnitten sein und kann leicht erweitert oder modifiziert werden, wenn sich eine vorgegebene Anlage erweitert oder verändert, ohne daß eine wesentliche Rekonfiguration des Systems 10 erforderlich ist. Dies wird erzielt durch die Verwendung einer begrenzten Anzahl von Typen physikalischer Module 16, die miteinander über den Betriebssteuerbus in Verbindung stehen.

Claims

1. Betriebsführungssystem mit:

a) mehreren digitalen Prozeßregel- und Datenerfassungs-Untersystemen (22), von denen jedes Prozeßregel- (28) und Prozeßschnittsteflen-Einheiten (30) sowie eine interne Datenbann (20) aufweist, und wobei diese Einheiten (28, 30) eines bestimmten Untersystems (22) über die interne Datenbahn (20) des betreffenden Untersystems miteinander kommunizleren;

b) einem an einen bit-seriellen Kommunikationsbus (18) angeschlossenen Zentralrechner (16-CM);

c) Bus-Schnittstelleneinheiten (16-HG), welche durch Token-Weitergabe die Untersysteme (22) mit dem Kommunikationsbus (18) verbinden; sowie

d) einer betriebsübergreifenden Bedienstation (16-US) mit einer Mensch/Maschine-Schnittstelle, die Zugriff zu allen Daten der Untersysteme (22) ermöglicht;

dadurch gekennzeichnet,daß

e) ein Betriebssteuernetzwerk (14) als unterschiedliche Arten getrennter Module (16) den Zentralrechner (16-CM), die Bus-Schnittstelleneinheiten (16-HG) sowie die Bedienstation umfaßt, und ferner aufweist;

f) einen Anwendungsmodul (16-AM), welcher Datenverarbeitungsunterstützung für die von Prozeßreglereinheiten innerhalb der Untersysteme (22) durchgeführten Regelfünktionen bereitstellt; und

g) einen Archivmodul (16-HM) zum Speichern digitaler Daten; wobei

h) die Bedienstation (16-US) der Bedienungsperson Daten aus ausgewählten Einheiten eines ausgewählten Untersystems (22) und/oder des Betriebsteuernetzwerks (14) darbietet;

i) der Zentralrechner (16-CM) und jeder der weiteren Module (16) eine Gruppe von in allen Modulen gleichen Grundeinheiten (32, 34, 36, 38, 40) aufweist sowie zwecks Ausübung zusätzlicher Funktionen des betreffenden Moduls zusätzliche Einheiten umfassen kann;

j) die Bus-Schnittstelleneinheiten (16-HG), die Kommunikation

j1) zwischen anderen Arten von Modulen (16) des Betriebssteuernetzwerks (14) über den Kommunikationsbus (18) steuern, sowie

j2) zwischen den Modulen (16) und Einheiten der Untersysteme (22) steuern und dabei die Datenbahn (20) eines ausgewählten Untersystems benutzen;und

k) der Kommunikationsbus (18) einen Echtzeit-Informationsaustausch zwischen

k1) den Modulen (16) des Betriebssteuernetzwerks (14) sowie

k2) den Modulen (16) und den Untersystemen (22) ermöglicht.

2. System nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, daß der Betriebssteuerbus (18) dual-redundant ist (18-1, 18-2).

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppe von Grundeinheiten jedes Moduls einen Sender/Empfänger (34-1, 34-2), eine Bus-Schnittstelleneinrichtung (32), einen Modulbus (34), einen Modul-Zentralprozessor (38) sowie Modulspeicher (40) umfaßt.

4. System nach Anspruch 2 oder 3, dadurchgekennzeichnet, daß der Betriebssteuerbus (18) aus zwei Koaxialkabeln (18-1, 18-2) besteht; einer der Sender/Empfänger (34-1) das eine Koaxialkabel (18-1) der Buseinrichtung (18) mit seiner zugeordneten Bus-Schnittstelleneinheit (32) verbindet und der zweite Sender/Empfänger (34-2) das zweite Koaxialkabel (18-2) mit der Bus-Schnittstelleneinheit verbindet, die mit dem Modulbus (36) des Moduls in Wirkverbindung steht.

5. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch "m" Module (16) von "p" unterschiedlichen Typen, die miteinander durch Aussenden und Empfangen binärer Signale über den Betriebssteuerbus (18) kommunizieren, wobei "m" und "p" ganze Zahlen größer als Null sind und "m" größer als "p" ist, und wobei jeder der Module einen Modulbus (36), einen Modulzentraiprozessor (34) sowie Modulspeicher (40) umfaßt;

Datenbahnzugangsmodule (16-HG) für die Kommunikation zwischen dem Betriebssteuerbus (18) und der Datenbatin (20) des Untersystems (22), so daß die Module (16) des Steuernetzwerks (14) mit Einheiten des Untersystems (22) kommunizieren können.

6. Systemnachanspruchs, dadurch gekennzeichnet,daßder Maximalwert von m =64 und der Maximalwert von p = 5 ist.

7. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Art von Modul (16-HG) wenigstens einer (16-HG-1, 16-HG-3) jeder Art als Primärmodul für die Ausführung einer vorgegebenen Gruppe von Funktionen bezeichnet ist und einer oder mehrere Module (16-HG-2, 16-HG-4) der gleichen Art als Ersatzmodule bestimmt sind und ein Ersatzmodul die Funktion seines Primärmoduls übernimmt, falls der Primärmodul ausfallt.