DE4100629C1 - Control and data transmission installation - has switching modules, each with changeover switch bridging shift register - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuer- und Datenübertragungsanlage mit einer Anzahl von Anschaltmodulen für Datenerfassungs- und Auswertestationen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer bekannten Anlage dieser Art, Möhlenbein, Hermann: Offener Echtzeit-Sensor/Aktiv- Bus für Standard-SPS-Systeme, in: Sonderdruck aus: Hard and Soft, 1989 Nr. 7/8, Seite 29//33, insbesondere Seite 30, die auch als Interbus-System bekannt ist, liegen alle Stationen oder Busteilnehmer zusammen mit der Zentralstation, dem "Busmaster", in einer Ringleitung, dem Bus. Neben der Steuerung des Busverkehrs sorgt der Busmaster auch für die Ankopplung an ein übergeordnetes Steuerungs- oder Rechnersystem. Die Datenübertragung vom Busmaster zu den Busteilnehmern oder auch umgekehrt erfolgt mit Hilfe von Schieberegistern in jeder Station. Die Schieberegister aller Stationen sind über den Bus in Reihe geschaltet und bilden eine gemeinsame Registerkette. Zur Übertragung von Daten an die Busteilnehmer schiebt der Busmaster seriell und unter Takteinfluß die Daten in die Ringleitung und damit die in Reihe geschalteten Schieberegister. Nach einer Anzahl von Schiebetakten, die der Anzahl von in Reihe geschalteten Schieberegisterstufen entspricht, sind die Daten richtig bei den einzelnen Teilnehmern positioniert. Über ein Steuersignal wird dann das Ende eines solchen Buszyklus den Teilnehmern mitgeteilt, die dann die Daten aus ihren Schieberegistern entnehmen können. Auf die gleiche Weise erfolgt die Übertragung von den Teilnehmern zum Busmaster. Hierbei gibt das Steuersignal an, daß die Teilnehmer jeweils wieder neue, für den Busmaster bestimmte Daten in ihre Register laden können.

Dieses Übertragungsprinzip ermöglicht die Übertragung aller Daten in der Anlage innerhalb eines gemeinsamen Übertragungsrahmens. Es ergibt sich dabei ein wesentlich verbessertes Verhältnis zwischen Nutz- und Rahmendaten als bei den ebenfalls bekannten Datenübertragungsanlagen, bei denen alle Teilnehmer parallel an eine ringförmige Übertragungsleitung angeschlossen sind und jeweils einzeln mittels einer Adresse im Nachrichtenkopf unter Verwendung herkömmlicher Protokolle aufgerufen werden. Bei einer solchen Anlage nach der DE-OS 33 28 834 ist jedem Teilnehmer ein Schalter zugeordnet, der im Normalfall die Ringleitung durchschaltet und den zugeordneten Teilnehmer sendeseitig von der Ringleitung abtrennt. Nur jeweils ein Teilnehmer erhält die Berechtigung, Daten an einen anderen Teilnehmer adressiert auszusenden. Bei diesem einen Teilnehmer wird mittels seines zugeordneten Schalters die Ringleitung aufgetrennt und der Teilnehmer auch sendeseitig mit der Ringleitung verbunden. Insbesondere im unteren Bereich der Automatisierungshierarchie, beispielsweise im Bereich der Sensorik/Aktorik fallen bei den einzelnen Stationen bzw. für die einzelnen Stationen nur sehr geringe Nutzdatenmengen an, so daß das Verhältnis zwischen den Protokolldaten und Nutzdaten bei Anlagen der vorstehend beschriebenen Art mit adressierter Ansprache außerordentlich schlecht werden kann.

Ein Problem bei den bekannten Anlagen der eingangs beschriebenen Art mit einem Schieberegisterring ist die Notwendigkeit, daß zusätzlich zu den Daten über die Ringleitung zeitgleich Steuer- und Rahmeninformationen, z. B. die Information für das Zyklusende, an alle Teilnehmerstationen übertragen werden muß. Dazu sind dann zusätzlich zu der Ringleitung, die häufig in Form einer einfachen symmetrischen Zweidrahtleitung ausgeführt ist, parallele Leitungen erforderlich. Dadurch steigt der Aufwand bei der Installation und Wartung und außerdem die Störanfälligkeit. Es handelt sich nämlich meist um Leitungen, die in industrieller Umgebung, beispielsweise in einer Fertigungsstraße, zwischen den einzelnen Stationen verlaufen und daher einer erhöhten Beschädigungsgefahr ausgesetzt sind.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Steuer- und Datenübertragungsanlage der eingangs genannten Art zu schaffen, die ohne zusätzliche Parallelleitungen für die Übertragung von Steuer- und Rahmeninformationen auskommt. Die Lösung der Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben.

Es erfolgt also die Datenübertragung von der Zentralstation, dem Busmaster, zu den Anschaltmodulen oder Busteilnehmern in der bekannten Weise seriell über die Ringleitung. Mittels des Umschalters in jedem Anschaltmodul kann jeweils nach Ende einer bestimmten Anzahl von Schiebetakten, die Ringleitung zu einer echten Ringleitung ohne seriell eingeschaltete Schieberegister umgeschaltet werden, so daß dann Steuer- und Rahmeninformationen parallel und zeitgleich den Erkennungsschaltungen aller Anschaltmodule zugeführt werden können. Anschließend und gleichzeitig kann dann auch die Überbrückung der Schieberegister aufgehoben werden, so daß in der bekannten Weise eine weitere Datenübertragung zu oder von den Anschaltmodulen durchgeführt werden kann.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. So kann vorgesehen sein, daß in einem oder mehreren Anschaltmodulen wenigstens ein weiteres Schieberegister und ein Schalter zur Auswahl der Schieberegister vorgesehen sind. Die Erkennungsschaltung stellt dann unter Ansprechen auf ein besonderes Steuersignal den Auswahlschalter ein. Auf diese Weise können alternative Registersätze in den Datenring geschaltet werden und beispielsweise in einem speziellen Übertragungszyklus Steuerinformationen zu den Teilnehmerstationen übertragen werden, ohne den normalen Datenzyklus zu belasten. Die Länge der Register sowie auch der zusätzlichen Register kann in den einzelnen Anschaltmodulen unterschiedlich sein.

Zur Datensicherung kann vorgesehen sein, daß am Eingang und Ausgang der Anschaltmodule Prüfschaltungen vorgesehen sind, die aus den Eingangs- bzw. Ausgangsdaten des Anschaltmoduls Eingangs- bzw. Ausgangsprüfdaten errechnen. Unter Ansprechen auf ein Steuersignal der Zentralstation übertragen dann die Anschaltmodule gleichzeitig ihre Ausgangsprüfdaten zum nachfolgenden Anschaltmodul. Dort vergleicht eine Vergleichsschaltung die übertragenen Ausgangsprüfdaten des vorhergehenden Anschaltmoduls mit den selbst errechneten Eingangsprüfdaten und erzeugt nur bei Übereinstimmung ein Signal zur Übernahme der Daten aus dem Schieberegister. Es wird also die gleichzeitige Durchführung einer Datensicherung für alle angeschlossenen Anschaltmodule ermöglicht. Die zeitliche Belastung ist dadurch unabhängig von der Anzahl der Anschaltmodule. Im Vergleich dazu würde bei einer herkömmlichen Übertragung mit Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zu jedem einzelnen Anschaltmodul eine vergleichbare Datensicherung wesentlich mehr Zeit benötigen, und zwar ansteigend mit der Anzahl der Module.

Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, daß die ringförmige Übertragungsleitung an besonderen Anschaltmodulen durch Öffnen und Überbrücken in Segmente unterteilbar ist, derart, daß wahlweise einzelne Anschaltmodule oder Gruppen von Anschaltmodulen abtrennbar sind. Fehlerhafte Teile der Anlage können dadurch abgetrennt werden, und der Rest der Anlage bis zur Fehlerstelle bleibt betriebsfähig. Außerdem läßt sich auf diese Weise die Fehlerstelle lokalisieren, so daß fehlerhafte Teile schnell austauschbar sind. Die Anlage kann dabei so organisiert sein, daß in die ringförmige Übertragungsleitung ein oder mehrere örtliche, zu einer Gruppe von Anschaltmodulen führende lokale Ringleitungen eingeschleift sind. Diese lokalen Ringleitungen können dann an den besonderen Anschaltmodulen in einem Fehlerfall oder auch für Wartungs- und Änderungsarbeiten abgetrennt werden, ohne den Gesamtbetrieb zu stören.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Steuer- und Datenübertragungsanlage nach der Erfindung mit einer ringförmigen Übertragungsleitung, einer Zentralstation und mehreren Anschaltmodulen;

Fig. 2 das Blockschaltbild eines Anschaltmoduls;

Fig. 3 das Blockschaltbild eines erweiterten Anschaltmoduls;

Fig. 4 zwei hintereinander in der Übertragungsleitung liegende Anschaltmodule nit Prüfschaltungen;

Fig. 5 das Blockschaltbild der Anschaltmodule nach Fig. 4.

Die schematisch in Fig. 1 dargestellte Steuer- und Datenübertragungsanlage weist eine nur symbolisch angedeutete Zentralstation 10 und eine Anzahl von Anschaltmodulen 11 auf, die nachfolgend auch "Teilnehmer" genannt werden. Die vier Anschaltmodule 11, die als Teilnehmer 1, 2 . . . N-1, N numeriert sind, liegen zusammen mit der Zentralstation 10 seriell in einer ringförmigen Übertragungsleitung 12. In den einzelnen Anschaltmodulen 11 sind jeweils Schieberegister 13 in die Übertragungsleitung 12 eingeschleift, so daß zusammen mit einem weiteren Schieberegister 14 in der Zentralstation 10 eine serielle Registerkette gebildet wird.

Wenn von der Zentralstation 10 aus Daten zu den Anschaltmodulen 11 übertragen werden sollen, so werden unter Steuerung eines Prozessors (nicht gezeigt) die Daten aus dem oberen Teil des Schieberegisters 14 unter Takteinfluß seriell auf die Übertragungsleitung 12 gegeben. Zuerst erfolgt seriell die Übertragung eines Anfangs- oder Prüfwortes, das an oberster Stelle im Register 14 steht. Danach werden die Daten für die Anschaltmodule seriell ausgegeben, und zwar beginnend mit den Daten für den Teilnehmer N und endend mit den Daten für den Teilnehmer 1. Nach Beendigung dieses Übertragungszyklus steht das Anfangs- oder Prüfwort wieder im untersten Abschnitt des Schieberegisters 14 und zeigt damit die richtige Übertragung an. Die Daten für die Anschaltmodule stehen in den Schieberegistern 13. Sie können dann (parallel) in Empfangsdatenspeicher oder -register 15 ausgegeben werden.

In der umgekehrten Übertragungsrichtung von den Anschaltmodulen 11 zur Zentralstation 10 werden zunächst die zu übertragenden Daten in jedem Anschaltmodul 11 aus einem Sendedatenspeicher oder -register 16 (parallel) in das zugeordnete Schieberegister 13 übertragen. Anschließend erfolgt unter Steuerung der Zentralstation 10 und unter Takteinfluß eine serielle Übertragung aller Daten aus der Schieberegisterkette 13 in das Schieberegister 14. Nach Ende des Übertragungszyklus stehen dann, wie eingetragen, die Daten des Teilnehmers N an oberster und die Daten des Teilnehmers 1 an unterster Stelle im Schieberegister 14 der Zentralstation 10.

Die Steuerung der Anschaltmodule 11 über die ringförmige Übertragungsleitung 12, die eine einfache symmetrische Zweidrahtleitung mit verdrillten Adern ist, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf das Blockschaltbild eines Anschaltmoduls gemäß Fig. 2 beschrieben. Das Anschaltmodul 11 ist mittels seines Eingangs 18 und Ausgangs 19 in die ringförmige Übertragungsleitung 12 eingeschaltet. In der Ausgangsposition, in der die Schalter 20, 21 die ausgezogene Schaltstellung besitzen, ist der Eingang 18 zum Ausgang 19 durchgeschaltet und das Schieberegister 13 abgeschaltet oder überbrückt. Es liegen dann alle Anschaltmodule 11 parallel an der Übertragungsleitung 12, so daß die Zentralstation 10 ein Steuersignal gleichzeitig an alle Module 11 übertragen kann. Dieses Steuersignal wird in einem Decoder 22 erkannt, so daß eine Anzeige an ein nachgeschaltetes Steuerwerk 23 erfolgen kann. Das Steuerwerk veranlaßt daraufhin das Öffnen des Schalters 20 und das Schließen des Schalters 21. Dann sind in allen Anschaltmodulen 11 die Schieberegister 13 seriell in die Übertragungsleitung 12 geschaltet und bilden zusammen mit den Schieberegister 14 der Zentralstation 10 einen Schieberegisterring. Es kann dann in der bereits erläuterten Weise eine Datenübertragung von der Zentralstation zu den Anschaltmodulen 11 oder umgekehrt erfolgen. Dabei zählt in jedem Anschaltmodul 11 ein Zähler 24 die Schiebetakte, so daß bei Erreichen einer vorgegebenen Anzahl von Schiebetakten eine weitere Anzeige an das Steuerwerk 23 gegeben werden kann. Das Steuerwerk veranlaßt daraufhin die Öffnung des Schalters 21 und das Schließen des Schalters 20, so daß alle Anschaltmodule 11 wieder parallel an der Übertragungsleitung 12 liegen. Die Daten in den Schieberegistern 13 werden in diesem Zustand nicht verändert. Die Zentralstation 10 sendet nachfolgend erneut ein Steuersignal gleichzeitig an alle Module 11, das wiederum das Öffnen des Schalters 20 und das Schließen des Schalters 21 bewirkt. Die Datenübertragung wird wiederum bis zum Erreichen der vorgegebenen Anzahl von Schiebetakten fortgesetzt. Diese Vorgänge werden in der beschriebenen Weise so lange fortgesetzt, bis die Gesamtanzahl der ausgegebenen Schiebetakte den Stufen aller im Ring befindlichen Schieberegister entspricht. Ist diese Zahl erreicht, so sendet die Zentralstation 10 ein spezielles Steuersignal aus, das allen Teilnehmern gleichzeitig das Ende des Übertragungszyklus mitteilt. Die Daten in den Schieberegistern 13 werden dann nicht weiter verändert und können im jeweiligen Anschaltmodul 11 an nachgeschaltete Baugruppen (nicht dargestellt) weitergegeben werden, die in Fig. 1 in Form des Speichers 15 symolisiert sind.

Auf die beschriebene Weise können daher Steuersignale parallel und gleichzeitig über die Leitung 12 zu allen Anschaltmodulen 11 übertragen werden.

In Fig. 3 ist eine Erweiterung eines Anschaltmoduls 11 dargestellt. Zusätzlich zu den gleich bezifferten Bauteilen gemäß Fig. 2 sind zwei weitere, in Reihe geschaltete Schieberegister 25, 26 mit einem zugeordneten Schalter 27 vorgesehen. Es besteht dann die Möglichkeit, abhängig von unterschiedlichen Steuersignalen, die im Decoder 22 erkannt werden, durch Schließen des Schalters 21 oder des Schalters 27 bei gleichzeitigem Öffnen des Schalters 20 mittels des Steuerwerks 23 entweder das Schieberegister 13 oder die Schieberegister 25, 26 in die Übertragungsleitung 12 und damit den Schieberegisterring einzuschalten.

Wenn, wie dargestellt, die Registerlänge unterschiedlich ist, beispielsweise das Register 13 2 Byte und die Register 25, 26 zusammen 4 Byte lang sind, muß die Anzahl der von der Zentralstation 10 ausgegebenen Schiebetakte entsprechend angepaßt werden. Hierfür sorgt ein Steuerprogramm in der Zentralstation 10.

Der Einsatz alternativer Register gemäß Fig. 3 läßt sich auch dazu verwenden, komplexere Daten, beispielsweise Parameterblöcke, im seriellen Datenstrom zu den Anschaltmodulen bzw. zur Zentralstation zu übertragen. Solche Parameterdaten, die zu bestimmten Anschaltmodulen übertragen werden sollen, sind im allgemeinen relativ zeitunkritisch und sollen bei ihrer Übertragung aber nicht das Zeitverhalten der normal übertragenen Daten, die im allgemeinen Prozeßdaten sind, schwerwiegend verändern. Dazu werden die Parameterblöcke über ein besonderes Register, beispielsweise die Register 25, 26, im Anschaltmodul 11 sequentiell übertragen. Beispielsweise wird ein Parameterblock in einzelne Teilblöcke zu jeweils zwei Byte (16 Bit) zerlegt, die dann nacheinander übertragen werden. Eine solche Parameterblockübertragung belastet daher unabhängig von der Länge des Parameterblocks den Übertragungszyklus nur jeweils mit 16 Bit. Die Zerlegung und Rekonstruktion der Parameterblöcke erfolgt unter Programmsteuerung in der Zentralstation 10 bzw. in den Anschaltmodulen 11. Die dazu erforderlichen Bauteile können vom Fachmann in bekannter Weise eingesetzt werden.

Fig. 4 zeigt das im Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendete Prinzip der Datensicherung. Es sind nur zwei der in der ringförmigen Übertragungsleitung 12 liegenden Anschaltmodule 11 mit ihren Ein- und Ausgängen 18, 19 dargestellt. Wie Fig. 5 noch genauer zeigt, ist jeweils am Eingang 18 des Anschaltmoduls 11 eine Prüfschaltung 28 mit der Übertragungsleitung 12 verbunden. Am Ausgang der Anschaltmodule 11 kann eine Prüfgeneratorschaltung 29 eingangs- oder ausgangsseitig über gekoppelte Schalter 31 bzw. 32 mit dem Ausgang des jeweiligen Anschaltmoduls und damit dem Ausgang des Schieberegisters 13 verbunden werden.

Das Datensicherungsverfahren beruht auf dem bekannten Verfahren einer zyklischen Redundanzprüfung (CRC von Cyclic Redundance Check). Während der Datenübertragung erfolgt jeweils in der Prüfschaltung 28 eine kontinuierliche Division der ankommenden Daten durch ein Generatorpolynom. Am Ausgang der Anschaltmodule ist ein Prüfgenerator eingangsseitig über den Schalter 31 und den geschlossenen Schalter 21 bei geöffnetem Schalter 20 mit dem Ausgang des Schieberegisters 13 verbunden. Der Prüfgenerator 29 führt für die das Anschaltmodul 11 verlassenden Daten ebenfalls eine Division durch das Generatorpolynom durch. Jeweils am Ende eines Übertragungszyklus wird ein besonderes Steuersignal von der Zentralstation ausgesendet, das im Decoder 22 erkannt wird und über das Steuerwerk 23 eine Prüflogikschaltung 30 aktiviert. Gleichzeitig öffnet das Steuerwerk 23 den Schalter 31 und schließt den Schalter 32. Außerdem wird der Schalter 21 geöffnet. Da der Schalter 20 geöffnet bleibt, ist jetzt der Schieberegisterring geöffnet. Die Prüfgeneratoren 29 aller Anschaltmodule sind dann ausgangsseitig an den jeweiligen Ausgang 19 angeschaltet und übertragen den bei der Division durch das Generatorpolynom gebildeten Divisionsrest zur Prüfschaltung 28 des jeweils nachfolgenden Anschaltmoduls 11. Dort erfolgt in der Prüfschaltung 28 ein Vergleich des übertragenen Divisionsrestes mit dem selbst ermittelten Divisionsrest. Nur bei positivem Ergebnis wird in der Prüflogikschaltung 30 ein Signal erzeugt, das zur Übernahme der Daten aus dem Schieberegister 13 bzw. den alternativen Schieberegistern führt.

Es ist zu beachten, daß das beschriebene Datensicherungsverfahren gleichzeitig bei allen an die Übertragungsleitung 12 angeschlossenen Anschaltmodulen erfolgt, so daß die zeitliche Belastung klein bleibt und unabhängig von der Anzahl der Anschaltmodule ist.

Claims (5)

1. Steuer- und Datenübertragungsanlage mit einer Anzahl von Anschaltmodulen (11) für Datenerfassungs- und Auswertestationen, wobei die Anschaltmodule (11) in einer ringförmigen Übertragungsleitung (12) liegen und je ein Schieberegister (13) enthalten, das zwischen den Eingang (18) und den Ausgang (19) des Moduls (11) geschaltet ist und Daten aufnimmt, derart, daß die Schieberegister aller Anschaltmodule über die Übertragungsleitung in Reihe geschaltet sind und eine gemeinsame Registerkette bilden, und mit einer in die Übertragungsleitung (12) eingeschleiften Zentralstation (10) für die Steuerung der Anlage, dadurch gekennzeichnet,
daß jedes Anschaltmodul (11) einen Umschalter (20, 21) aufweist, der das Schieberegister (13) überbrückt und eine Erkennungsschaltung (22) an die Übertragungsleitung (12) anschaltet, und
daß die Erkennungsschaltungen (22) aller Anschaltmodule (11) parallel auf ein Steuersignal auf der Übertragungsleitung (12) ansprechen und den Umschalter (20, 21) betätigen, wodurch die Überbrückung der Schieberegister (13) aufgehoben wird.

2. Steuer- und Datenübertragungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitung eine symmetrische Zweidrahtleitung ist.

3. Steuer- und Datenübertragungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem oder mehreren Anschaltmodulen (Fig. 3 : 11) wenigstens ein weiteres Schieberegister (25, 26) und ein Schalter (21, 27) zur Auswahl der Schieberegister (13; 25, 26) vorgesehen sind, und daß die Erkennungsschaltung (22) unter Ansprechen auf ein Steuersignal den Auswahlschalter (21, 27) einstellt.

4. Steuer- und Datenübertragungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß am Eingang (18) und am Ausgang (19) der Anschaltmodule Prüfschaltungen (28, 29) vorgesehen sind, die aus den Eingangs- bzw. Ausgangsdaten des Anschaltmoduls (11) Eingangs- bzw. Ausgangsprüfdaten errechnen,
daß unter Ansprechen auf ein Steuersignal der Zentralstation (10) die Anschaltmodule (11) gleichzeitig ihre Ausgangsprüfdaten zum nachfolgenden Anschaltmodul (11) übertragen und
daß eine Vergleichsschaltung (30) in den Anschaltmodulen vorgesehen ist, die die übertragenen Ausgangsprüfdaten des vorhergehenden Anschaltmoduls (11) mit den selbst errechneten Eingangsprüfdaten vergleicht und nur bei Übereinstimmung ein Signal zur Übernahme der Daten aus dem Schieberegister (13; 25, 26) erzeugt.

5. Steuer- und Datenübertragungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Übertragungsleitung (12) an besonderen Anschaltmodulen durch Öffnen und Überbrücken in Segmente unterteilbar ist, derart, daß wahlweise einzelne Anschaltmodule (11) oder Gruppen von Anschaltmodulen abtrennbar sind.