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Modbus
ist ein Ein-Master-/Mehr-Slave-Netzkommunikationsprotokoll, das
ursprünglich
von Modicon für
Automationseinrichtungen für
Fabrikräume
festgelegt wurde. Der Master sendet einen Abfragenachrichtenrahmen,
der einen Slave ansteuert, und wenn der Slave vorhanden ist, sendet
der Slave einen Reaktionsrahmen. Die Interaktion von Abfrage/Reaktion
wird eine Transaktion genannt. In der Vergangenheit sind Modbus-Systemkomponenten
aufgesetzt worden, um entweder über
Nachrichtenrahmen von ASCII-Zeichen oder binäre Nachrichtenrahmen von Fernendgeräten (Remote
Terminal Unit = RTU), aber nicht über beide zu kommunizieren.
Obwohl sich ein System während
des normalen Betriebs typischerweise im ASCII-Modus oder im RTU-Modus
befindet, ist es mühsam,
den Modus des Systems zu Zwecken der Fehlerbehebung zu ändern. Während der
RTU-Modus das beste Leistungsvermögen bietet, kann sich eine
Fehlerbehebung über
die RTU-Nachrichtenrahmen
als schwieriger erweisen und erfordert die richtigen Software-Treiber,
die zur Kommunikation über
den RTU-Modus in
eine Steuereinheit/einen Computer geladen sind.
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Weitere
Details zum MODBUS-Protokoll lassen sich in dem Dokument „modbus
protocol reference guide" (MODICON – PI-MBUS-300 REV J [Online] – Juni 1996)
finden.
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Wie
in den beigefügten
Patentansprüchen
festgelegt, stellt die Erfindung eine Modbus-Slave-Vorrichtung bereit,
die in einem beweglichen Modus betriebsfähig ist, der ermöglicht,
dass die Slave-Vorrichtung Nachrichtenrahmen
einer ersten Art und einer zweiten Art, die von einer Master-Vorrichtung
zu der Slave-Vorrichtung befördert
werden, automatisch interpretiert und automatisch auf sie reagiert.
Die Slave-Vorrichtung erkennt ein erstes eingehendes Zeichen eines
Nachrichtenrahmens zur Masterabfrage, das von der Mastervorrichtung
erzeugt wird. Wenn das erste eingehende Zeichen ein Bereitschaftszeichen
für den
Nachrichtenrahmen der ersten Art ist, interpretiert die Slave-Vorrichtung
den Nachrichtenrahmen zur Masterabfrage als den Nachrichtenrahmen
der ersten Art. Wenn das erste eingehende Zeichen kein Bereitschaftszeichen
für den Nachrichtenrahmen
der ersten Art ist, interpretiert die Slave-Vorrichtung den Nachrichtenrahmen zur
Masterabfrage als den Nachrichtenrahmen der zweiten Art. Wenn die
Slave-Vorrichtung in dem Nachrichtenrahmen zur Masterabfrage angesteuert
wird, führt
die Slave-Vorrichtung den damit verbundenen Befehl durch und erzeugt,
wenn durch den Befehl erfordert, einen Reaktionsnachrichtenrahmen
von derselben Art wie der Nachrichtenrahmen zur Masterabfrage.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorangehenden und andere Vorteile der Erfindung werden beim Lesen
der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und unter Bezug auf
die Zeichnung deutlich, wobei:
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1 eine
elektrische Verteilertafel einer zentralen technischen Steuerung
einschließlich
eines Steuerbusses, der in einem beweglichen Modus betriebsfähig ist,
gemäß der vorliegenden
Erfindung abbildet.
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Während die
Erfindung für
verschiedene Abwandlungen und alternative Formen empfänglich ist,
werden spezifische Ausführungsformen
in der Zeichnung beispielhaft gezeigt und hier detailliert beschrieben.
Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht auf die bestimmten,
offenbarten Formen beschränkt
werden soll. Stattdessen soll die Erfindung alle Abwandlungen, Entsprechungen
und Alternativen abdecken, die in den Bereich der Erfindung, wie
durch die beigefügten
Patentansprüche
festgelegt, fallen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER VERANSCHAULICHTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Das
Implementieren einer Schnittstelle des beweglichen Modus ermöglicht,
dass eine Slave-Komponente in einem System, das ein Modbus-Kommunikationsprotokoll
verwendet, fließend
in entweder einem ASCII-Modus oder einem RTU-Modus auf Transaktionsbasis
betrieben wird. Während
der Fehlerbehebung kann der bewegliche Modus jedoch abgestellt werden,
wobei die Slave-Komponente je nach Wunsch fest entweder im ASCII-Modus
oder im RTU-Modus belassen wird. Wenn die Slave-Komponente im ASCII-Modus
belassen wird, kann ein Techniker ein einfaches Endgerät oder Endgerätprogramm
verwenden, um mit der Slave-Komponente ohne die Verwendung spezieller
Software-Treiber zu kommunizieren, wodurch eine schnelle Alternative
der Fehlerbehebung ermöglicht
wird. Wie oben erläutert,
erfordert das Kommunizieren im RTU-Modus die richtigen Software-Treiber.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung erkennt die Slave-Komponente im beweglichen Modus das
erste eingehende Zeichen einer Abfragenachricht von einer Master-Komponente.
Wenn das erste Zeichen das ASCII-Bereitschaftszeichen, ein Doppelpunkt
(:), ist, dann wird die Nachricht als eine ASCII-Abfragenachricht
interpretiert. Wenn die Slave-Komponente in der ASCII-Abfrage angesteuert
wird, führt
die Slave-Komponente den angeforderten Befehl durch und, wenn erforderlich
(befehlsabhängig),
reagiert die Slave-Komponente im ASCII-Modus. Wenn jedoch das erste
Zeichen der Abfragenachricht nicht das ASCII-Bereitschaftszeichen
ist (d. h. kein Doppelpunkt), wird die Nachricht dann als eine RTU-Abfragenachricht
interpretiert, und es werden die gesamte RTU-Rahmenzeitgebung und -bearbeitung angewendet.
Wenn die Slave-Komponente
in der RTU-Abfrage angesteuert wird, sendet die Slave-Komponente jegliche
erforderliche Reaktion im RTU-Modus.
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Bei
einer Ausführungsform
verwendet ein Mikroprozessor der Slave-Komponente ein Paar Steuerbits („bewegliches" Bit und „ASCII"-Bit) zum Einstellen
des Modus der Slave-Komponente. Die Steuerbits werden wie folgt
interpretiert:
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Wenn
sich die Slave-Komponente im RTU-Festmodus befindet, in dem das „bewegliche" Steuerbit AUS ist
und das „ASCII"-Steuerbit AUS ist,
kann die Slave-Komponente nur RTU-Nachrichtenrahmen, die von der
Master-Komponente an sie gesendet werden, interpretieren, und sie
kann keine ASCII-Nachrichtenrahmen interpretieren. Wenn sich die
Slave-Komponente im ASCII-Festmodus
befindet, in dem das „bewegliche" Steuerbit AUS ist
und das „ASCII"-Steuerbit AN ist,
kann die Slave-Komponente nur ASCII-Nachrichtenrahmen, die von der Master-Komponente
an sie gesendet werden, interpretieren, und sie kann keine RTU-Nachrichtenrahmen
interpretieren. Wie oben vermerkt, ist der ASCII-Festmodus während des
Durchführens
von Fehlerbehebung auf der Slave-Komponente vorteilhaft. Wenn sich
die Slave-Komponente in dem beweglichen RTU-Modus befindet, in dem
das „bewegliche" Steuerbit AN ist
und das „ASCII"-Steuerbit AUS ist,
kann die Slave-Komponente RTU-Nachrichtenrahmen,
die von der Master-Komponente an sie gesendet werden, interpretieren, wird
aber in den beweglichen ASCII-Modus wechseln (das „ASCII"-Steuerbit auf AN
stellen), wenn das erste eingehende Zeichen einer Masterabfrage
das ASCII-Bereitschaftszeichen
ist. Aufgrund des verbesserten Leistungsvermögens, das der RTU-Modus während des
normalen Betriebs der Slave-Komponente gewährt, ist der bewegliche RTU-Modus bei einer Ausführungsform
der Vorgabemodus. Sobald sich die Slave-Komponente in dem beweglichen
ASCII-Modus befindet, in dem das „bewegliche" Steuerbit AN ist
und das „ASCII"-Steuerbit AN ist,
bleibt sie nur in dem Modus, bis der Reaktionsrahmen vervollständigt ist.
Bei Vervollständigung
des Reaktionsrahmens kehrt die Slave-Komponente in den Vorgabemodus,
den beweglichen RTU-Modus, in dem das „bewegliche" Steuerbit AN ist
und das „ASCII"-Steuerbit AUS ist,
zurück,
es sei denn, der gerade empfangene Befehl hat die Slave-Komponente
in einen zuvor erwähnten „Fest"-Modus gesetzt.
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Der
bewegliche Modus kann in verschiedenen Systemen, die das Modbus-Netzprotokoll
einsetzen, verwendet werden, einschließlich zum Beispiel zentraler
technischer Steuerungen. 1 bildet eine elektrische Verteilertafel 10 einer
zentralen technischen Steuerung, die den beweglichen Modus einsetzt,
ab. Die Grundkomponenten des Systems umfassen fernbedienbare Trennschalter 12,
ein Paar „Slave"-Steuerbusse 14,
ein Leistungsmodul 16 und ein „Master"-Steuermodul 18.
Diese Komponenten lassen sich zur leichteren Installierung und zum
leichteren Betrieb in eine Schalttafel 20 einstecken.
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Die
Trennschalter 12 führen
sowohl Überstromschutz-
als auch Fernschaltfunktionen auf Wechselspannungssystemen durch.
Sie können
eine 1-, 2- oder 3-Pol-Konstruktion aufweisen. Die 2- und 3-Pol-Trennschalter
weisen gemeinsame Auslösung
auf, d. h. ein Überstromzustand
auf einem beliebigen gegebenen Pol des Trennschalters bewirkt, dass
sich alle Pole des Trennschalters öffnen.
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Die
Steuerbusse 14 stellen eine funktionale Verbindung zwischen
den Trennschaltern 12 und dem Steuermodul 18 bereit.
Genauer gesagt leiten sie 24 VDC Schaltleistung und Steuersignale
von dem Steuermodul 18, um individuelle Trennschalter 12 zu
schalten, und melden den Status der Trennschalter zurück an das
Steuermodul 18. Unter Verwendung von SMD-Technik umfassen
die Busse 14 vorzugsweise einige programmierbare Schaltkreise.
Diese „intelligenten" Busse 14 befinden
sich auf inneren Schalttafel-Montagekanälen ohne
Befestigungselement. Jeder Bus 14 stellt sichere Einsteck-Verbindungsstücke zum
Montieren einer Vielzahl von Trennschaltern 12 und entweder
des Leistungsmoduls 16 oder des Steuermoduls 18 bereit. Das
Leistungsmodul 16 wird an einen der Busse 14 montiert,
während
das Steuermodul 18 im Allgemeinen gegenüber dem Leistungsmodul 16 an
den anderen der Busse 14 montiert wird. Ein Bündel Drähte 22 erstreckt sich
zwischen dem Leistungsmodul 16 und dem Steuermodul 18,
um zu ermöglichen,
dass diese Komponenten miteinander kommunizieren, und um 24 VDC
Leistung von dem Leistungsmodul bereitzustellen.
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Das
Leistungsmodul 16 enthält
eine Stromversorgung, die für
Ferntrennschalter zur Verwendung beim Herleiten geregelter Schaltleistung
24 VDC Leistung erbringt, sowie 5 VDC und anderen Gleichstrom für das Steuermodulsystem
und intelligente Buselektronik, und meldet den Status der 24 VDC über einen
der Drähte 22 an
das Steuermodul 18. Das Leistungsmodul 16 kann
direkt in ein Verbindungsstück
auf einem der Busse 14 gesteckt werden.
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Das
Steuermodul 18 auf Mikroprozessorbasis, das in ein ähnliches
Verbindungsstück
auf dem anderen Bus 14 gesteckt ist, stellt den größten Teil
der Programmierbarkeit der elektrischen Verteilertafel 10 bereit. Das
Steuermodul 18 kann Signale verarbeiten, die von außerhalb
der Steuervorrichtungen stammen, wie etwa von Schaltern oder Sensoren,
oder zeitbasierte Steuerung gemäß zuvor
festgelegten Tagesprogrammen, die in dem Modul aufgesetzt sind,
bereitstellen. Zusätzlich
dazu enthält
das Steuermodul 18 Eingabe- und Kommunikationsabschlüsse zum
Verbinden mit externen Steuervorrichtungen. Diese Abschlüsse können eine
Vielzahl von Eingängen
mit potenzialfreiem Kontakt mit den folgenden Charakteristiken akzeptieren:
2-Draht-anhaltend, 2-Draht-kurzzeitig und 3-Draht-kurzzeitig. Das
Steuermodul 18 stellt optionale Netzkommunikation, Mehrkanal-Zeittaktfunktionen,
365-Tage-Kalender-Steuerung
und optional örtlichen
Anzeigebetrieb bereit.
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Wenn
das Steuermodul 18 mit einer örtlichen Anzeige versehen ist,
kann eine solche Anzeige den Status des Systems und Programminformationen
anzeigen. Das Steuermodul 18 kann einen oder mehrere der Trennschalter 12 auf
der Basis eines Ereignisses oder von Ereignissen, das/die in das
Steuermodul programmiert ist/sind, AN- und AUS-stellen. Ereignisse
können
automatisch gesteuert werden, wie etwa die Tageszeit, oder durch
eine Änderung
im Eingang (z. B. Bewegen eines Lichtschalters von AN auf AUS) signalisiert
werden. Ausgangssignale werden von dem Steuermodul 18 über den
intelligenten Bus 14 an die Trennschalter 12 gesendet.
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Das
Leistungsmodul 16 und das Steuermodul 18 können sich
in einer Tafel 10 befinden, und doch können sie betriebsfähig (d.
h. durch geeignete Kabel) an andere, entfernt gelegene, ähnliche
Tafeln gekoppelt sein, um den Ausschaltern, die in der entfernt
gelegenen Tafel auf einen ähnlichen „intelligenten" Bus montiert sind,
24 VDC und Steuerfunktionen bereitzustellen.
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Während des
normalen Betriebs der zentralen technischen Steuerung 10 ist
es wünschenswert,
dass die „Slave"-Steuerbusse 14 (in
derselben Tafel 10 oder in anderen Tafeln) imstande sind,
sowohl ASCII- als auch RTU-Nachrichtenrahmen von dem „Master"-Steuermodul 18 zu empfangen.
Während
des normalen Betriebs stellt daher ein Mikroprozessor innerhalb
des Steuerbusses 14 das „bewegliche" Steuerbit auf AN
und das „ASCII"-Steuerbit auf AUS
ein, um den Steuerbus 14 in den beweglichen RTU-Modus zu
setzen. In dem beweglichen RTU-Modus kann der Steuerbus 14 die
RTU-Nachrichtenrahmen,
die ihm von dem Steuermodul 18 gesendet werden, interpretieren.
Wenn das erste eingehende Zeichen einer Masterabfrage von dem Steuermodul 18 das
ASCII- Bereitschaftszeichen,
ein Doppelpunkt (:) ist, dann wird das „ASCII"-Steuerbit
AN-gestellt, um den Steuerbus 14 in den beweglichen ASCII-Modus
zu schalten, und die Nachricht wird als eine ASCII-Abfragenachricht
interpretiert. Wenn die Slave-Komponente den ASCII-Reaktionsrahmen
vervollständigt hat,
dann wird das „ASCII"-Steuerbit AUS-gestellt, um den Steuerbus 14 zurück in den
beweglichen RTU-Modus zu schalten, und es wird davon ausgegangen,
dass die nächste
Nachricht eine RTU-Abfragenachricht
ist. Das erste eingehende Zeichen der nächsten Masterabfrage wird dann
geprüft,
um zu bestimmen, ob es sich um das ASCII-Bereitschaftszeichen handelt,
und der korrekte Modus wird entsprechend eingestellt. Da der Steuerbus 14 im
beweglichen Modus auf Transaktionsbasis arbeitet, kann er einen
eingehenden ASCII-Nachrichtenrahmen im beweglichen ASCII-Modus bearbeiten,
und sich umstellen und den nächsten
Nachrichtenrahmen im beweglichen RTU-Modus bearbeiten, ohne Änderungen
an irgendwelchen Netzsteuerparametern in dem Steuerbus 14 zu
erfordern.
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Während die
vorliegende Erfindung unter Bezug auf eine oder mehrere bestimmte
Ausführungsformen beschrieben
worden ist, wird der Fachmann erkennen, dass daran viele Änderungen
vorgenommen werden können,
ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Beispielsweise
ist die vorliegende Erfindung nicht auf Modbus-Systeme, die unter
Verwendung von entweder ASCII- oder RTU-Nachrichtenrahmen kommunizieren,
beschränkt.
Stattdessen könnte
die vorliegende Erfindung auf Modbus-Systeme angewendet werden,
die Master- und Slave-Vorrichtungen enthalten, welche unter Verwendung
zweier anderer Arten von Nachrichtenrahmen als ASCII und/oder RTU
kommunizieren, bei denen das erste eingehende Zeichen der Masterabfrage
verwendet werden kann, um zwischen den zwei Arten von Nachrichtenrahmen
zu unterscheiden. Jede dieser Ausführungsformen und offensichtlichen
Variationen davon wird als in den Bereich der beanspruchten Erfindung
fallend betrachtet, welche in den folgenden Patentansprüchen dargelegt
ist.
