DE69819992T2

DE69819992T2 - Steuerungssystem mit Knoten

Info

Publication number: DE69819992T2
Application number: DE69819992T
Authority: DE
Inventors: John C. Palo Alto Edison
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1997-09-22
Filing date: 1998-09-21
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2018-09-22
Also published as: EP0903655A3; DE69819992D1; US6173207B1; JPH11177554A; EP0903655B1; EP0903655A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Steuerungssystemen. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf Echtzeitsteuerungssysteme, die eine nichtdeterministische Kommunikation verwenden.
Echtzeitsteuerungssysteme umfassen üblicherweise Sensoren und Betätiger und Anwendungssteuerungen, die angeordnet sind, um eine Steuerung von Vorrichtungen zu liefern, die Vorrichtungen umfassen, die bei industriellen Prozessen verwendet werden. Solche Sensoren können Temperatursensoren, Drucksensoren, Tachometer etc. umfassen. Solche Betätiger können Ventile, Motoren, Heizer etc. umfassen. Anwendungssteuerungen in einem solchen Steuerungssystem können mit programmierbaren Logiksteuerungen (PLC; PLC = programmable logic controller) oder Computersystemen implementiert sein, die Personalcomputersysteme umfassen.
Ein Echtzeitsteuerungssystem in seiner einfachsten Form umfaßt eine Anwendungssteuerung, zumindest einen Sensor und zumindest einen Betätiger. Üblicherweise implementiert die Anwendungssteuerung einen Steuerungsalgorithmus, der angepaßt ist, um einen Sollwert für eine bestimmte Vorrichtung beizubehalten, die gesteuert wird. Üblicherweise erhält die Anwendungssteuerung Sensordatenabtastwerte von dem Sensor und verwendet die Sensordatenabtastwerte als Eingaben in einen Steuerungsalgorithmus, der einen Steuerungswert berechnet, der an den Betätiger angewendet werden soll. Die Anwendungssteuerung schreibt dann üblicherweise den Steuerungswert in den Betätiger. Üblicherweise erhält die Anwendungssteuerung durchgehend Sensordatenabtastwerte und liefert durchgehend Steuerungswerte zu dem Betätiger, um einen gewünschten Sollwert beizubehalten. Eine solche Anordnung kann als ein Steuerungssystem mit geschlossener Schleife bezeichnet werden.
Ein einfaches Echtzeitsteuerungssystem für einen Motor kann z. B. einen Tachometer (Sensor) umfassen, der die Drehgeschwindigkeit des Motors mißt, und eine Verstärkerschaltung (Betätiger), die die Drehgeschwindigkeit des Motors ansprechend auf einen Steuerungswert erhöht oder senkt, der an die Verstärkerschaltung angelegt wird. Eine Anwendungssteuerung erhält periodisch Drehgeschwindigkeitsabtastwerte von dem Tachometer und schreibt periodisch Steuerungswerte in die Verstärkerschaltung, um den gewünschten Sollwert für die Geschwindigkeit des Motors beizubehalten.
Ein typischer Steuerungsalgorithmus für ein solches Echtzeitsteuerungssystem verwendet üblicherweise Zeitgebungsinformationen zusammen mit Sensordatenabtastwerten, um Steuerungswerte zu berechnen. Zusätzlich dazu ordnet ein solcher Steuerungsalgorithmus üblicherweise Zeitgebungsinformationen zu jedem Steuerungswert zu. Ein solcher Typ eines Steuerungsalgorithmus wird als ein Proportional-Integral-Differential-Algorithmus (PID-Algorithmus) bezeichnet. Ein PID-Algorithmus nimmt üblicherweise einen Zeitwert als eine Eingabe, der jedem Sensordatenabtastwert zugeordnet ist. Die Zeitwerte ermöglichen es dem PID-Algorithmus, die Änderungsrate der Sensor-datenabtastwerte zu berücksichtigen, wenn ein neuer Steuerungswert berechnet wird. Zusätzlich dazu weist der PID-Algorithmus üblicherweise einen Zeitwert zu jedem neuen Steuerungswert zu, der eine Zeit anzeigt, zu der der neue Steuerungswert an den Betätiger angelegt werden soll.
Folglich muß ein Echtzeitsteuerungssystem üblicherweise genaue Zeitgebungsinformationen für jeden Sensordatenabtastwert liefern, um eine genaue Berechnung von Steuerungswerten hervorzurufen. Zusätzlich dazu muß ein Echtzeitsteuerungssystem üblicherweise jeden Steuerungswert an den Betätiger mit genauer Zeitgebung anlegen, um eine genaue Steuerung des gewünschten Sollwerts zu liefern. Leider leiden bekannte Steuerungssysteme üblicherweise unter Ungenauigkeiten in der Beziehung zwischen den Sensordaten abtastwerten und ihren zugeordneten Zeitgebungsinformationen. Zusätzlich dazu bestehen üblicherweise Ungenauigkeiten im Hinblick auf die Zeit, für die ein Steuerungswert an einen Betätiger bei bekannten Systemen angelegt wird. Im allgemeinen werden solche Ungewißheiten durch die nichtdeterministische Eigenschaft der Kommunikation verursacht, die üblicherweise bei bekannten Echtzeitsteuerungssystemen verwendet wird.
Zum Beispiel sind die Sensoren, Betätiger und Steuerungen bei bekannten Echtzeitsteuerungssystemen üblicherweise über ein Kommunikationsnetzwerk verbunden. Ein solches Kommunikationsnetzwerk kann mit einem paketbasierten Kommunikationsprotokoll implementiert sein, das eine Kollisionshandhabung umfaßt. Das Ethernet ist ein Beispiel eines paketbasierten Netzwerks mit Kollisionshandhabung. Ein anderes Beispiel ist LonTalk, das ein Feldebenensteuerungsbus ist, der für die Prozeßsteuerungsumgebung spezialisiert ist. Ein solches Kommunikationsnetzwerk kann ferner mit Zeitteilungs-Mehrfachzugriff (TDMA) oder Token-Ring-Protokollen implementiert sein, um nur einige zu nennen.
Eine Anwendungssteuerung, die mit einem solchen Kommunikationsnetzwerk verbunden ist, erhält üblicherweise Sensordatenabtastwerte unter Verwendung von Meldungen; die über das Kommunikationsnetzwerk übertragen werden. Üblicherweise umfaßt die Anwendungssteuerung einen Echtzeittakt, der verwendet wird, um einen Zeitwert zu jedem Sensordatenabtastwert zuzuweisen, der über das Kommunikationsnetzwerk empfangen wird.
Üblicherweise existiert eine Verzögerung zwischen der Zeit, zu der ein Sensordatenabtastwert erzeugt wird, und der Zeit, zu der eine Anwendungssteuerung einen Zeitwert für diesen Sensordatenabtastwert von dessen Echtzeittakt erhält. Eine solche Verzögerung umfaßt üblicherweise die Verzögerung, die der Meldungsübertragung über den Kommunikationsweg zugeordnet ist. Eine solche Verzögerung umfaßt ferner üblicherweise die Verzögerung, die dem Erhalten eines Zeitwerts von dem Echtzeittakt durch die Anwendungssteuerung zugeordnet ist.
Zusätzlich dazu existiert üblicherweise eine Verzögerung zwischen der Zeit, zu der eine Anwendungssteuerung einen Steuerungswert erzeugt, und der Zeit, zu der der Steuerungswert an einen Betätiger angelegt wird. Eine solche Verzögerung umfaßt üblicherweise die Verzögerung, die der Meldungsübertragung über den Kommunikationsweg zu dem Betätiger zugeordnet ist, sowie die Verzögerung in dem Betätiger, bevor der Steuerungswert angelegt wird.
Solche Verzögerungen, sowohl bei der Sensordatenzeitgebung als auch bei der Anwendung von Steuerungswerten, sind üblicherweise nicht konstant. Statt dessen variieren solche Verzögerungen üblicherweise auf eine nichtdeterministische oder zufällige Weise. Eine solche Abweichung der Verzögerung kann als Zittern bezeichnet werden. Zittern kann durch die Abweichung von Verkehr auf dem Kommunikationsnetzwerk verursacht werden. Zusätzlich dazu können Kollisionen, die auf dem Kommunikationsnetzwerk auftreten, wesentliche Zitterbeträge einbringen. Andere Quellen von Zittern können eine Abweichung der Zeit umfassen, die durch ein Betriebssystem benötigt wird, unter dem die Anwendungssteuerung üblicherweise läuft, um einen Echtzeittaktwert im Hinblick auf variierende Beträge von Betriebssystemaktivität aufzubereiten.
Leider erzeugt ein solches Zittern üblicherweise Ungenauigkeiten beim Zuordnen von Zeitwerten zu Sensordatenabtastwerten. Ein solches Zittern erzeugt ferner üblicherweise Ungenauigkeiten bei der Zeitgebung der Anwendung der Steuerungswerte an Betätiger. Solche Ungenauigkeiten verringern üblicherweise die Genauigkeit und die Effizienz solcher bekannten Steuerungssysteme.
Das Dokument EP 0 550 809 A1 offenbart eine bekannte Technik, die für diese Anwendung relevant ist.
Das Steuerungssystem der Erfindung gemäß Anspruch 1 liefert genaue Zeitgebungsinformationen für Sensordatenabtastwerte nd eine genaue Zeitgebung für die Anwendung von Steuerungswerten an Betätiger im Hinblick auf eine nichtdeterministische Kommunikation. Das Steuerungssystem umfaßt einen Sensorknoten mit einer Schaltungsanordnung, die eine Sensorzeitmarke im wesentlichen gleichzeitig zu einer Zeit erzeugt, zu der sie einen Sensordatenabtastwert erhält. Die Sensorzeitmarke ermöglicht eine genaue Berechnung eines Betätigersteuerungswerts und einer Betätigerzeitmarke. Das Steuerungssystem kann einen Betätigerknoten umfassen, der eine Schaltungsanordnung zum Auslösen der Anwendung des Betätigersteuerungswerts an den Betätiger unter Verwendung der Betätigerzeitmarke aufweist.
Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung offensichtlich, die folgt.
Die vorliegende Erfindung wird im Hinblick auf bestimmte exemplarische Ausführungsbeispiele derselben beschrieben und es wird entsprechend Bezug auf die Zeichnungen genommen, in denen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines Echtzeitsteuerungssystems darstellt, das genaue Zeitgebungsinformationen für Sensordatenabtastwerte und eine genaue Zeitgebung für die Anwendung von Steuerungswerten an Betätiger im Hinblick auf eine nichtdeterministische Kommunikation liefert;
2 ein Ausführungsbeispiel von Mechanismen in einem Sensorknoten zum genauen Zeitmarkieren von Sensordatenabtastwerten darstellt;
3 ein Ausführungsbeispiel eines Mechanismus in einem Betätigerknoten darstellt, zum genauen Anwenden von Betätigersteuerungswerten an den Betätiger;
4 ein Prozeßsteuerungsnetzwerk zeigt, das Verfahren zum Handhaben von Ereignisstürmen implementiert.
1 stellt ein Ausführungsbeispiel eines Echtzeitsteuerungssystems 10 dar, das genaue Zeitgebungsinformationen für Sensordatenabtastwerte und eine genaue Zeitgebung für die Anwendung von Steuerungswerten an Betätiger im Hinblick auf eine nichtdeterministische Kommunikation liefert. Das Echtzeitsteuerungssystem 10 umfaßt eine Anwendungssteuerung 12, einen Sensorknoten 14 und einen Betätigerknoten 16. Der Sensorknoten 14 umfaßt eine Schaltungsanordnung, die ein genaues Zeitmarkieren von Sensordatenabtastwerten eines Sensors 20 umfaßt. Der Betätigerknoten 16 umfaßt eine Schaltungsanordnung, die die genaue Anwendung von Steuerungswerten an einen Betätiger 22 ermöglicht.
Der Netzwerkkommunikationsweg 18 kann mit einem aus einer Vielzahl von Kommunikationsmechanismen implementiert sein. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Netzwerkkommunikationsweg 18 ein Ethernetkommunikationsnetzwerk. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Netzwerkkommunikationsweg 18 ein LonTalk-Feldebenen-Steuerungsbus, der für die Prozeßsteuerungsumgebung spezialisiert ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der Netzwerkkommunikationsweg 18 mit einem Zeitteilungs-Mehrfachzugriff (TDMA) oder Token-Ring-Protokollen implementiert sein, um nur einige wenige Möglichkeiten zu nennen.
Der Sensor 20 stellt einen beliebigen Sensor dar, der in einem Echtzeitsteuerungssystem verwendet werden kann. Solche Sensoren umfassen z. B. Vorrichtungen, wie z. B. Temperatursensoren, Drucksensoren und Tachometer. Der Betätiger 20 stellt einen beliebigen Betätiger dar, der in einem Echtzeitsteuerungssystem verwendet werden kann. Solche Betätiger umfassen z. B. Vorrichtungen, wie z. B. Ventile, Motoren, Heizer und Verstärker.
Der Sensorknoten 14 verbindet den Sensor 20 schnittstellenmäßig mit dem Netzwerkkommunikationsweg 18. Der Sensorknoten 14 umfaßt die Kommunikationshardware und -software, die für eine Kommunikation über den Netzwerkkommunikationsweg 18 notwendig ist. Der Sensorknoten 14 umfaßt ferner eine Taktschaltung 30, die ein genaues Zeitmarkieren von Sensordatenabtastwerten ermöglicht, die von einem Sensor 20 erhalten werden.
Der Betätigerknoten 16 verbindet den Betätiger 22 schnittstellenmäßig mit dem Netzwerkkommunikationsweg 18. Der Betätigerknoten umfaßt die Kommunikationshardware und -software, die für eine Kommunikation über den Netzwerkkommunikationsweg 18 notwendig ist. Der Betätigerknoten 16 umfaßt ferner eine Taktschaltung 32, die die genaue Anwen^dung von Steuerungswerten an den Betätiger 22 ermöglicht. Bei einem Ausführungsbeispiel werden die Taktschaltungen 30 und 32 synchronisiert, durch Übertragen von Zeitpaketen über den Netzwerkkommunikationsweg 18 und Beliefern des Sensorknotens 14 und des Betätigerknotens 16 mit Zeitpaketdetektoren auf eine Weise, die in dem U.S.-Patent Nr. 5,566,180 beschrieben ist.
Die Anwendungssteuerung 12 implementiert einen Prozeßsteuerungsalgorithmus für eine Steuerung einer Vorrichtung (nicht gezeigt) mit geschlossener Schleife. Die Anwendungssteuerung 12 erfaßt das Verhalten der Vorrichtung unter Verwendung des Sensors 20 und steuert das Verhalten der Vorrichtung unter Verwendung des Betätigers 22. Zum Beispiel kann die Vorrichtung ein Motor sein und der Betätiger 22 kann ein Verstärker sein, der die Geschwindigkeit des Motors steuert, und der Sensor 20 ein Tachometer, der die Geschwindigkeit des Motors mißt. Die Anwendungssteuerung 12 umfaßt die Kommunikationshardware und -software, d. h.
Protokollstapel, die für eine Kommunikation über den Netzwerkkommunikationsweg 18 notwendig sind. Die Anwendungssteuerung 12 kann als eine programmierbare Logiksteuerung (PLC) oder als ein Computersystem implementiert sein.
Der Sensorknoten 14 erzeugt einen Sensordatenabtastwert durch Abtasten eines Sensordatensignals 24 aus dem Sensor 20. Gleichzeitig erhält der Sensorknoten 14 eine Sensorzeitmarke von der Taktschaltung 30. Die Sensorzeitmarke wird von der Taktschaltung 30 im wesentlichen gleichzeitig zu dem Abtasten des Sensordatensignals 24 erhalten, um eine genaue Sensorzeitmarke zu liefern. Bei einem Ausführungsbeispiel tastet der Sensorknoten 14 das Sensordatensignal 24 ansprechend auf eine Anforderungsmeldung nach Sensordaten ab, die über den Netzwerkkommunikationsweg 18 empfangen wird. Ein solches Ausführungsbeispiel kann als ein Ziehsystem bezeichnet werden, in dem ein externer Knoten Daten aus dem Sensorknoten 14 zieht. Die Anforderung nach Sensordaten kann bei der Anwendungssteuerung 12 oder bei dem Betätigerknoten 16 entstehen.
Der Sensorknoten 14 erzeugt ein Sensordatenpaket 40. Das Sensordatenpaket 14 umfaßt den Sensordatenabtastwert, der von dem Sensor 20 erhalten wird, und die Sensorzeitmarke, die von der Taktschaltung 30 erhalten wird. Der Sensorknoten 14 überträgt das Sensordatenpaket 40 über den Netzwerkkommunikationsweg 18. Das Sensordatenpaket 40 in einem Ziehsystem wird zu dem Knoten auf dem Netzwerkkommunikationsweg 18 übertragen, der die Anforderung nach Sensordaten ausgegeben hat, was entweder die Anwendungssteuerung 12 oder der Betätigerknoten 16 sein kann.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel tastet der Sensorknoten 14 das Sensordatensignal 24 ab und erhält eine entsprechende Sensorzeitmarke ohne Anforderungsmeldungen. Dieses Ausführungsbeispiel kann als ein Drücksystem bezeichnet werden. Bei einem Drücksystem ist der Sensorknoten 14 vorprogrammiert, um periodisch Sensordatenabtastwerte und Sensorzeitmarken zu erhalten. Der Sensorknoten 14 überträgt periodisch das Sensordatenpaket 40, das neu erhaltene 5ensordatenabtastwerte und Sensorzeitmarken enthält, über den Netzwerkkommunikationsweg 18 entweder zu der Anwendungssteuerung 12 oder zu dem Betätigerknoten 16.
Bei der nachfolgenden Erörterung sei angenommen, daß die Anwendungssteuerung 12 den Prozeβsteuerungsalgorithmus implementiert. Die Anwendungssteuerung 12 empfängt das Sensordatenpaket 40 über den Kommunikationsweg 18 und verwendet den Sensordatenabtastwert und die Sensorzeitmarke, die in demselben enthalten sind, als Eingaben in dessen Prozeßsteuerungsalgorithmus. Der Prozeßsteuerungsalgorithmus erzeugt einen Betätigersteuerungswert und eine entsprechende Betätigerzeitmarke, die eine zukünftige Zeit anzeigt, zu der der Betätigersteuerungswert an den Betätiger 22 angewendet werden soll. Die Anwendungssteuerung 12 ordnet den Betätigersteuerungswert und die Betätigerzeitmarke in einem Steuerungspaket 42 an. Die Anwendungssteuerung 12 überträgt dann das Steuerungspaket 42 zu dem Betätigerknoten 16 über den Netzwerkkommunikationsweg 18.
Der Betätigerknoten 16 empfängt das Steuerungspaket 42 über den Netzwerkkommunikationsweg 18 und verwendet die Betätigerzeitmarke, die in demselben enthalten ist, als ein Auslöseereignis zum Anwenden des Betätigersteuerungswerts an den Betätiger 22 als ein Betätigersignal 26. Der Betätigerknoten 16 synchronisiert die Anwendung des Betätigersteuerungswerts an die Betätigerzeitmarke unter Verwendung der Taktschaltung 32. Die Taktschaltung 32 wird mit der Taktschaltung 30 synchronisiert und die Anwendungssteuerung 12 leitet die Betätigerzeitmarke von der Sensorzeitmarke her, die durch die Taktschaltung 30 erzeugt wurde.
Das gezeigte Prozeßsteuerungssystem 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Anwendungssteuerung 12 Sensordatenabtastwerte und Zeitmarken von dem Sensorknoten 14 über den Netzwerkkommunikationsweg 18 erhält, Betätigersteue rungswerte und Betätigerzeitmarken berechnet und dann die Betätigersteuerungswerte und die Zeitmarken zu dem Betätigerknoten 16 über den Kommunikationsweg 18 überträgt. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Prozeßsteuerungsalgorithmus in dem Betätigerknoten 16 implementiert sein, der einen Prozessor und andere Softwareausführungsressourcen umfaßt. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel erhält der Betätigerknoten 16 Sensordatenabtastwerte und Zeitmarken von dem Sensorknoten 14 über den Kommunikationsweg 18, berechnet Betätigersteuerungswerte und Zeitmarken und wendet die Betätigersteuerungswerte an den Betätiger 22 an.
Bei einem wiederum anderen Ausführungsbeispiel ist der Prozeßsteuerungsalgorithmus für die Vorrichtung, die an dem Betätiger 22 angebracht ist, in dem Sensorknoten 14 implementiert, der einen Prozessor und andere Softwareausführungsressourcen umfaßt. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel erhält der Sensorknoten 14 Sensordatenabtastwerte und Zeitmarken, berechnet Betätigersteuerungswerte und Zeitmarken und überträgt dann die Betätigersteuerungswerte und Zeitmarken zu dem Betätigerknoten 16 über den Netzwerkkommunikationsweg 18.
2 stellt Mechanismen in dem Sensorknoten 14 zum genauen Zeitmarkieren von Sensordatenabtastwerten bei einem Ausführungsbeispiel dar. Der Sensorknoten 14 umfaßt einen Prozessor 52, der einen Sensordatenabtastwert 62 von einem Analog-zu-Digital-Wandler 54 und eine Sensorzeitmarke 64 von der Taktschaltung 30 erhält und dann das Sensordatenpaket 40 anordnet. Der Sensorknoten 14 umfaßt ferner einen Protokollstapel 50, der die Software- und Hardwareelemente umfaßt, die eine Kommunikation über den Netzwerkkommunikationsweg 18 ermöglichen.
Der Analog-zu-Digital-Wandler 54 ist gekoppelt, um das analoge Sensordatensignal 24 von dem Sensor 20 zu empfangen. Der Analog-zu-Digital-Wandler 54 erzeugt den Sensordatenabtastwert 62 durch Digitalisieren des Sensordatensig nals 24 ansprechend auf ein Strobe-Signal 60, das durch den Prozessor 52 erzeugt wird. Der Analog-zu-Digital-Wandler 54 hält den Sensordatenabtastwert 62 für ein nachfolgendes Lesen durch den Prozessor 52. Das Strobe-Signal 60 verursacht ferner, daß ein Latch 56 einen Taktwert 66 aus der Taktschaltung 30 abtastet und hält. Das Strobe-Signal 60 verursacht, daß das Latch 56 den Taktwert 66 im wesentlichen gleichzeitig zu dem Abtasten des Sensordatensignals 24 durch den Analog-zu-Digital-Wandler 54 abtastet.
Bei einem Ausführungsbeispiel gibt der Prozessor 52 das Strobe-Signal 60 aus, um den Taktwert 66 und das Sensordatensignal 24 ansprechend auf eine Anforderungsmeldung abzutasten, die über den Netzwerkkommunikationsweg 18 empfangen wird. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel gibt der Prozessor 52 periodisch das Strobe-Signal 60 aus, um den Taktwert 66 und das Sensordatensignal 24 abzutasten. Der Prozessor 52 kann z. B. den Taktwert 66 lesen oder „abrufen", um zu bestimmen, wann ein weiterer Satz von Abtastwerten des Taktwerts 66 und des Sensordatensignals 24 erhalten werden sollte.
Der Prozessor 52 liest den Sensordatenabtastwert 62, der durch den Analog-zu-Digital-Wandler 54 gehalten wird, und schreibt ihn in das Sensordatenpaket 40. Zusätzlich dazu liest der Prozessor 52 die Sensorzeitmarke 64, die durch das Latch 56 gehalten wird, und schreibt dieselbe in das Sensordatenpaket 40. Der Prozessor 52 überträgt dann das Sensordatenpaket 40 über den Netzwerkkommunikationsweg 18 unter Verwendung des Protokollstapels 50. Das Sensordatenpaket 40 in dem Ziehsystem wird zu dem Anforderungsknoten übertragen, z. B. der Anwendungssteuerung 12. In einem Drücksystem überträgt der Prozessor 52 das Sensordatendatenpaket 40 entweder zu der Anwendungssteuerung 12 oder zu dem Betätigerknoten 16, abhängig davon, welcher als das Ziel vorbestimmt ist.
3 stellt ein Ausführungsbeispiel eines Mechanismus in dem Betätigerknoten 16 zum genauen Anwenden von Betätigersteuerungswerten an den Betätiger 22 dar. Der Betätigerknoten 16 umfaßt einen Protokollstapel 70, der die Softwareund Hardwareelemente umfaßt, die eine Kommunikation über den Netzwerkkommunikationsweg 18 ermöglichen. Der Betätigerknoten 16 umfaßt ferner einen Prozessor 72, der das Steuerungspaket 42 über den Netzwerkkommunikationsweg 18 unter Verwendung des Protokollstapels 70 empfängt.
Der Prozessor 72 schreibt den Betätigersteuerungswert von dem Steuerungspaket 42 in einen Digital-zu-Analog-Wandler 74 als einen Steuerungswert 80. Der Digital-zu-Analog-Wandler 7A hält den Steuerungswert 80, bis ein Strobe-Signal 88 durch einen Komparator 78 aktiviert wird. Zusätzlich dazu schreibt der Prozessor 72 die Betätigerzeitmarke, die in dem Steuerungspaket 42 enthalten ist, in ein Latch 76.
Der Komparator 78 vergleicht eine zwischengespeicherten Betätigerzeitmarke 82 mit einem freilaufenden Taktwert 86, der durch die Taktschaltung 32 erzeugt wurde. Der Komparator 78 aktiviert das Strobe-Signal 88, wenn der freilaufende Taktwert 86 die zwischengespeicherten Betätigerzeitmarke 82 erreicht. Das Strobe-Signal 88 verursacht, daß der Digital-zu-Analog-Wandler 74 den Steuerungswert 80 in ein Betätigersteuerungssignal 26 für den Betätiger 22 umwandelt.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Auslösefunktion, die durch den Komparator 78 vorgesehen ist, statt dessen in Firmware ausgeführt, z. B. mit einem Vergleichsbefehl, der durch den Prozessor 72 ausgeführt wird.
4 zeigt ein Prozeßsteuerungsnetzwerk 100, das Verfahren zum Handhaben von Ereignisstürmen implementiert. Das Prozeßsteuerungsnetzwerk 100 umfaßt einen Sensorknoten 104 und einen Betätigerknoten 106, die zusammen eine Steue rungsschleife implementieren. Der Sensorknoten 104 und der Betätigerknoten 106 umfassen jeweils eine synchronisierte Taktschaltung und die Hardware- und Softwareelemente für eine Kommunikation über einen Netzwerkkommunikationsweg 102. Der Sensorknoten 104 überträgt periodisch ein Sensordatenpaket zu dem Betätigerknoten 106 über den Netzwerkkommunikationsweg 102, das einen Sensordatenabtastwert und eine entsprechende Sensorzeitmarke enthält.
Bei einem Ausführungsbeispiel stellen der Sensorknoten 104 und der Betätigerknoten 106 ein Ziehsystem bereit, bei dem der Betätigerknoten 106 periodisch Anforderungsmeldungen zu dem Sensorknoten 104 über den Netzwerkkommunikationsweg 102 überträgt. Der Sensorknoten 104 antwortet auf jede Anforderungsmeldung durch Erhalten eines Sensordatenabtastwerts und einer entsprechenden Sensorzeitmarke und Übertragen derselben in einem Sensordatenpaket über den Netzwerkkommunikationsweg 102. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel liefern der Sensorknoten 104 und der Betätigerknoten 106 ein Drucksystem, bei dem der Sensorknoten 104 periodisch einen Sensordatenabtastwert und eine entsprechende Sensorzeitmarke erhält und dieselben in einem Sensordatenpaket über den Netzwerkkommunikationsweg 102 überträgt.
Das Prozeßsteuerungsnetzwerk 100 umfaßt einen Satz von Überwachungsknoten 110–114. Jeder der Überwachungsknoten 110–114 führt eine Überwachungsfunktion aus, um ein unübliches Ereignis oder einen Alarm in dem Prozeßsteuerungsnetzwerk 100 zu erfassen. Diese Alarme können z. B. Hochtemperaturalarme oder andere Ereignisse sein, die zu anderen Teilen des Prozeßsteuerungsnetzwerks 100 kommuniziert werden müssen.
Eine Bedingung kann in dem Prozeßsteuerungsnetzwerk 100 auftreten, die als ein Ereignissturm bezeichnet werden kann. Ein Ereignissturm kann z. B. auftreten, wenn eine große Anzahl der Überwachungsknoten 110–114 ein unübliches Ereignis erfaßt. Die Überwachungsknoten 110–114, die ein unübliches Ereignis erfassen, übertragen Alarmmeldungen über den Netzwerkkommunikationsweg 102, um andere Teile des Prozeßsteuerungsnetzwerks 100 über die unüblichen Ereignisse zu benachrichtigen.
Die große Anzahl von Alarmmeldungen, die über den Netzwerkkommunikationsweg 102 während eines Ereignissturms übertragen wird, kann den Großteil der verfügbaren Bandbreite des Netzwerkkommunikationswegs 102 verbrauchen. Diese Ereignisstürme können eine große Anzahl von Kollisionen verursachen, und der resultierende Kollisionsentscheidungsmechanismus auf dem Netzwerkkommunikationsweg 102 kann den Gesamtdurchsatz in dem Prozeßsteuerungsnetzwerk 100 verlangsamen. Folglich können die Meldungen, die zum Beibehalten der Steuerungsschleife zwischen dem Sensorknoten 104 und dem Betätigerknoten 106 erforderlich sind, verzögert werden oder sogar verlorengehen oder außer Betrieb gebracht werden.
Die Sensorzeitmarken, die in den Sensordatenpaketen enthalten sind, die über den Netzwerkkommunikationsweg 102 übertragen werden, ermöglichen die Erfassung von verzögerten oder fehlenden oder außer Betrieb gesetzten Sensordatenpaketen. Es sei z. B. angenommen, daß die Steuerungsschleife zwischen dem Sensorknoten 104 und dem Betätigerknoten 106 die Abtastung von Sensordaten alle t0 Sekunden umfaßt. Ist dies der Fall, dann sollte ein Sensordatenpaket über den Netzwerkkommunikationsweg 102 ungefähr alle t0 Sekunden übertragen werden und die Sensorzeitmarke, die in jedem Sensordatenpaket enthalten ist, sollte sich von einer vorangehenden durch ungefähr t0 Sekunden unterscheiden. Wenn zwei aufeinanderfolgende Sensordatenpakete, die auf dem Netzwerkkommunikationsweg 102 getragen werden, Zeitmarkenwerte aufweisen, die sich um bedeutend mehr als t0 Sekunden unterscheiden, dann ist dies eine Anzeige dafür, daß die Sensordatenpakete verzögert sind oder möglicherweise aufgrund eines Ereignissturms verloren gingen.
Einer oder mehrere des Betätigerknotens 106 und der Überwachungsknoten 110–114 können die Sensorzeitmarken in den Sensordatenpaketen verwenden, die über den Netzwerkkommunikationsweg 102 übertragen werden, um Ereignisstürme zu erfassen. Der Betätigerknoten 106 als das Ziel empfängt bereits die Sensordatenpakete und extrahiert die Sensorzeitmarken, um Betätigersteuerungswerte zu berechnen. Zusätzlich dazu können die Überwachungsknoten 110–114 den Netzwerkkommunikationsweg 102 nach Sensordatenpaketen überwachen oder „durchschnüffeln" und die Sensorzeitmarken aufzeichnen, um verzögerte oder fehlende Sensordatenpakete zu erfassen.
Bei einem Ausführungsbeispiel, wenn der Überwachungsknoten 110 z. B. verzögerte oder fehlende Sensordatenpakete erfaßt, die einen Ereignissturm signalisieren können, stoppt er das Übertragen von Überwachungsmeldungen auf dem Kommunikationsweg 102 für eine vorbestimmte Zeitperiode. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel überträgt der Überwachungsknoten 110 eine Notfallbenachrichtigungsmeldung über den Kommunikationsweg 102, wenn er einen möglichen Ereignissturm erfaßt. Die Notfallbenachrichtigungsmeldung verursacht, daß die verbleibenden Überwachungsknoten 112–114 das Übertragen von Meldungen auf dem Kommunikationsweg 102 für eine vorbestimmte Zeitperiode stoppen.
Ein anderes Verfahren zum Erfassen von möglichen Ereignisstürmen umfaßt die Erfassung von Kollisionen auf dem Netzwerkkommunikationsweg 102 für Ausführungsbeispiele, bei denen der Netzwerkkommunikationsweg 102 eine Kollisionshandhabung bereitstellt, wie z. B. ein Ethernet. Der Protokollstapel, d. h. die Kommunikationshardware und -software, in dem Sensorknoten 104, umfaßt z. B. einen Mechanismus zum Protokollieren des Auftretens von Kollisionen auf dem Netzwerkkommunikationsweg 102. Der Prozessor in dem Sensorknoten 104 fragt periodisch den entsprechenden Protokollstapel ab, um zu bestimmen, ob eine übermäßige Anzahl von Kollisionen auftreten, die einen Ereignissturm anzeigen könnten.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel umfaßt der Protokollstapel bei dem Sensorknoten 104 eine ausgehende Meldungswarteschlange zum Puffern von Meldungen für eine Übertragung über den Netzwerkkommunikationsweg 102. Der Prozessor in dem Sensorknoten 104 überprüft periodisch die ausgehende Meldungswarteschlange. Eine annähernd volle ausgehende Meldungswarteschlange könnte anzeigen, daß ein Ereignissturm unterwegs ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel durchlaufen der Sensorknoten 104 und der Betätigerknoten 106 ihre Steuerungsschleife in einem Modus mit reduziertem Verhalten, wenn ein Ereignissturm erfaßt wird. Bei einem Ausführungsbeispiel eines reduzierten Zustands liefert der Sensorknoten 104 Sensordatenabtastwerte alle t0/K Sekunden, wobei K eine Konstante ist, und nicht die t0-Abtastwerte pro Sekunde in einem normalen Zustand ohne Ereignissturm. Der reduzierte Zustand reduziert die Bandbreitenverwendung auf dem Netzwerkkommunikationsweg 102, die erforderlich ist, um die Steuerungsschleife beizubehalten.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel setzen der Sensorknoten 104 und der Betätigerknoten 106 die Steuerungsschleife in einen „sicheren" Zustand, wenn ein Ereignissturm erfaßt wird. Der sichere Zustand kann dem letzten Steuerungswert entsprechen, der erfolgreich durch den Betätigerknoten 106 empfangen wurde. Alternativ kann der Betätigerknoten 106 den Betätiger abschalten, sobald ein Ereignissturm erfaßt wird.
Die Überwachungsknoten 110–114 können eine Vielzahl von Aktionen unternehmen, sobald ein Ereignissturm erfaßt wird. Zum Beispiel können die Überwachungsknoten 110–114 das Übertragen von Meldungen auf dem Netzwerkkommunikationsweg 102 stoppen, einschließlich von Alarmmeldungen, für eine Zeitperiode. Die Überwachungsknoten 110–114 können weiterhin Überwachungsdaten erhalten und können synchronisierte Taktschaltungen umfassen, die ermöglichen, daß die Überwachungsdaten genau zeitmakiert werden. Dies würde ermöglichen, daß die Überwachungsknoten 110–114 die gepufferten Überwachungsdaten und Zeitmarken über den Netzwerkkommunikationsweg 102 übertragen, sobald die Ereignisstürme enden, und es einem Empfangsknoten ermöglichen, die Überwachungsdaten zu rekonstruieren, mit genauen Zeitgebungsinformationen. Alternativ können die Überwachungsknoten 110–114 die Rate für eine Zeitperiode während eines Ereignissturms reduzieren, mit der sie Meldungen auf dem Netzwerkkommunikationsweg 102 übertragen.
Die vorangehende detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird zu Zwecken der Darstellung bereitgestellt und soll nicht ausschließend sein oder die Erfindung auf das genaue offenbarte Ausführungsbeispiel einschränken. Entsprechend wird der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung durch die beiliegenden Ansprüche definiert.

Claims

Ein Steuerungssystem, das folgende Merkmale aufweist: einen Sensorknoten zum schnittstellenmäßigen Verbinden eines Sensors mit einem Kommunikationsweg, wobei der Sensorknoten eine Taktschaltung und eine Einrichtung zum Erhalten von sowohl einer Reihe von Datenabtastwerten von dem Sensor als auch einer Reihe von im wesentlichen gleichzeitigen Sensorzeitmarken von der Taktschaltung aufweist, wobei das System dadurch eine relativ genaue Berechnung einer Reihe von Betätigersteuerungswerten und einer Reihe von entsprechenden Betätigerzeitmarken ansprechend auf die Sensordatenabtastwerte und die im wesentlichen gleichzeitigen Sensorzeitmarken ermöglicht; eine Einrichtung zum Erfassen eines Ereignissturms in dem Steuerungssystem ansprechend auf die im wesentlichen gleichzeitigen'Sensorzeitmarken.
Das Steuerungssystem gemäß Anspruch 1, bei dem die Einrichtung zum Erhalten der Sensordatenabtastwerte und der im wesentlichen gleichzeitigen Sensorzeitmarken folgende Merkmale aufweist: eine Schaltung zum Erzeugen eines Strobe-Signals; eine Schaltung zum Erhalten der Datenabtastwerte aus dem Sensor ansprechend auf das Strobe-Signal; eine Schaltung zum Erhalten von im wesentlichen gleichzeitigen Zeitmarken von der Taktschaltung ansprechend auf das Strobe-Signal.
Das Steuerungssystem gemäß Anspruch 1, bei dem der Sensorknoten eine Einrichtung zum Bestimmen der Betätigersteuerungswerte und der Betätigerzeitmarken ansprechend auf die Sensordatenabtastwerte und die im wesentlichen gleichzeitigen Sensorzeitmarken und eine Einrichtung zum Übertragen der Betätigersteuerungswerte und der Betätigerzeitmarken über den Kommunikationswerg umfaßt.
Das Steuerungssystem gemäß Anspruch 3, das ferner einen Betätigerknoten zum schnittstellenmäßigen Verbinden eines Betätigers mit dem Kommunikationsweg aufweist, wobei der Betätigerknoten eine Einrichtung zum Erhalten der Betätigersteuerungswerte und der Betätigerzeitmarken über den Kommunikationsweg und eine Einrichtung zum Auslösen der Anwendung der Betätigersteuerungswerte auf den Betätiger unter Verwendung der Betätigerzeitmarken umfaßt.
Das Steuerungssystem gemäß Anspruch 1, bei dem der Sensorknoten eine Einrichtung zum Übertragen der Sensordatenabtastwerte und der im wesentlichen gleichzeitigen Sensorzeitmarken über den Kommunikationsweg umfaßt.
Das Steuerungssystem gemäß Anspruch 5, das ferner einen Anwendungssteuerungsknoten aufweist, der eine Einrichtung zum Empfangen der Sensordatenabtastwerte und der im wesentlichen gleichzeitigen Sensorzeitmarken über den Kommunikationsweg und eine Einrichtung zum Erzeugen der Betätigersteuerungswerte und der Betätigerzeitmarken ansprechend auf die Sensordatenabtastwerte und die im wesentlichen gleichzeitigen Sensorzeitmarken und eine Einrichtung zum Übertragen der Betätigersteuerungswerte und der Betätigerzeitmarken über den Kommunikationsweg aufweist.
Das Steuerungssystem gemäß Anspruch 6, das ferner einen Betätigerknoten zum schnittstellenmäßigen Verbinden eines Betätigers mit dem Kommunikationsweg aufweist, wobei der Betätigerknoten eine Einrichtung zum Erhalten der Betätigersteuerungswerte und der Betätigerzeitmarken über den Kommunikationsweg und eine Einrichtung zum Auslösen der Anwendung der Betätigersteuerungswerte an den Betätiger unter Verwendung der Betätigerzeitmarken aufweist.
Das Steuerungssystem gemäß Anspruch 5, das ferner einen Betätigerknoten zum schnittstellenmäßigen Verbinden eines Betätigers mit dem Kommunikationsweg aufweist, wobei der Betätigerknoten eine Einrichtung zum Erhalten der Sensordatenabtastwerte und der im wesentlichen gleichzeitigen Sensorzeitmarken über den Kommunikationsweg und eine Einrichtung zum Erzeugen der Betätigersteuerungswerte und der Betätigerzeitmarken ansprechend auf die Sensordatenabtastwerte und die im wesentlichen gleichzeitigen Sensorzeitmarken und eine Einrichtung zum Auslösen der Anwendung der Betätigersteuerungswerte auf den Betätiger unter Verwendung der Betätigerzeitmarken umfaßt.
Das Steuerungssystem gemäß Anspruch 1, bei dem der Sensorknoten ferner eine Einrichtung zum Übertragen der Sensordatenabtastwerte und der im wesentlichen gleichzeitigen Sensorzeitmarken über den Kommunikationsweg in einer Reihe von Sensordatenpaketen aufweist.
Das Steuerungssystem gemäß Anspruch 9, bei dem die Einrichtung zum Erfassen eines Ereignissturms einen Überwachungseinrichtungsknoten aufweist, der den Kommunikationsweg überwacht und die Sensorzeitmarken untersucht, um zu bestimmen, ob eines oder mehrere der Sensordatenpakete fehlen oder verzögert sind.
Das Steuerungssystem gemäß Anspruch 9, bei dem die Einrichtung zum Erfassen eines Ereignissturms einen Betätigerknoten zum schnittstellenmäßigen Verbinden eines Betätigers mit dem Kommunikationsweg aufweist, der den Kommunikationsweg überwacht und die Sensorzeitmarken untersucht, um zu bestimmen, ob eines oder mehrere der Sensordatenpakete fehlen oder verzögert sind.
Das Steuerungssystem gemäß Anspruch 9, bei dem die Einrichtung zum Erfassen eines Ereignissturms eine Einrichtung zum Übertragen einer Notfallbenachrichtigungsmeldung über den Kommunikationsweg aufweist, wenn eines oder mehrere der Sensordatenpakete fehlen oder verzögert sind.
Das Steuerungssystem gemäß Anspruch 12, bei dem die Notfallbenachrichtigungsmeldung verursacht, daß einer oder mehrere andere Knoten auf dem Kommunikationsweg das Übertragen von Meldungen auf dem Kommunikationsweg für ein vorbestimmtes Zeitintervall stoppen.
Das Steuerungssystem gemäß Anspruch 12, bei dem die Notfallbenachrichtigungsmeldung verursacht, daß einer oder mehrere andere Knoten auf dem Kommunikationsweg Meldungen auf dem Kommunikationsweg mit einer reduzierten Geschwindigkeit übertragen.
Das Steuerungssystem gemäß Anspruch 9, bei dem der Sensorknoten die Sensordatenpakete mit einer reduzierten Geschwindigkeit überträgt, wenn ein Ereignissturm erfaßt wird.
Das Steuerungssystem gemäß Anspruch 9, das ferner einen Betätigerknoten zum schnittstellenmäßigen Verbinden eines Betätigers mit dem Kommunikationsweg aufweist, wobei der Betätigerknoten den Betätiger ausschaltet, wenn der Ereignissturm erfaßt wird.
Das Steuerungssystem gemäß Anspruch 9, das ferner einen Betätigerknoten zum schnittstellenmäßigen Verbinden eines Betätigers mit dem Kommunikationsweg aufweist, wobei der Betätigerknoten einen letzten erfolgreichen empfangenen Betätigersteuerungswert an dem Betätiger anwendet, wenn der Ereignissturm erfaßt wird.