WO1999039463A2 - Verfahren und vorrichtung zur kommunikation gleichberechtigter stationen eines ringförmigen, seriellen lichtwellenleiter-busses - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur kommunikation gleichberechtigter stationen eines ringförmigen, seriellen lichtwellenleiter-busses Download PDF

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WO1999039463A2
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Wolfgang Bohrer
Walter MÖLLER-NEHRING
Klaus-Dieter Renner
Rudolf Seidl
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H04L7/00—Arrangements for synchronising receiver with transmitter
    • H04L7/04—Speed or phase control by synchronisation signals
    • H04L7/041—Speed or phase control by synchronisation signals using special codes as synchronising signal
    • H04L2007/045—Fill bit or bits, idle words

Definitions

  • the invention relates to a method for the communication of equal stations of a ring-shaped, serial optical fiber bus and to a device for carrying out this communication method.
  • serial bus system for the networking of "intelligent" input / output units as well as sensors and actuators within a system or machine is known.
  • This serial bus system is called the Controller Area Network (CAN) and is now used not only in automobiles, but also in industrial automation, for example in textile machines, packaging machines, machines for paper production and distribution, and in medical technology.
  • the serial bus consists of a two-wire line, the ends of which are each provided with a bus terminating resistor.
  • CAN is a serial bus system which is multi-master capable, ie several CAN nodes can request the bus at the same time.
  • CAN data transmission according to the publication "Controller Area Network - A serial bus system not only for motor vehicles" by the international association "CAN in Automation (CiA) eV", no stations on the bus are addressed, but the content of the message is transmitted by a network-wide marked unique identifier.
  • the identifier also defines the priorities of the message. The priorities are assigned by corresponding binary values in the system design and cannot be changed dynamically. The identifier with the lowest binary number has the highest priority.
  • the bus access conflict is resolved by means of bit-wise arbitration via the respective identifier, in that each station bit-by-bit gel observed.
  • a transmission speed of 125 kbit / s is possible for distances of up to 500 m, and a value of only 50 kbit / s is permissible for transmission lengths of up to 1 km.
  • the number of participants in a CAN bus system is theoretically limited by the number of identifiers available (2032 for standard format and 0.5-10 9 for extended format).
  • CAN thus enables the realization of a demand-dependent bus access, which is non-destructive due to the bitwise arbitration via the message priority.
  • a synchronization mechanism is not supported by the CAN and the data transmission speed is too low for a process in which several movement sequences run synchronously with one another.
  • SERCOS interface Serial Real Time Communication System
  • This SERCOS interface is a digital, serial communication system between controls and drives or input / output modules and is featured in the article "Communication with drives” by Berthold Gick, Peter Mutschier and Stephan Schultze prints in the DE magazine “etz”, volume 112 (1991), number 17, pages 906 to 916, shown in more detail.
  • SERCOS interface specifies strict hierarchical communication with the data in the form of data blocks, the so-called telegrams, which are exchanged between a controller and several substations in constant cycles. There is no direct communication between the substations.
  • the SERCOS interface uses the ring topology, with one ring per participant
  • Control also called master
  • several substations also called slave
  • the physical layer of a transmission link consists of optical point-to-point connections.
  • the optical transmission takes place in a directional manner, the elements of the transmission path being electro-optical converters, optical fibers and opto-electrical converters.
  • the transmission rate is 2 Mbit / s, 4 Mbit / s or 8 Mbit / s.
  • the length of each transmission section can be up to 60 m for plastic optical fibers and up to 250 m for glass fiber optical fibers.
  • the maximum number of participants per fiber optic ring is 254.
  • Repeaters are also arranged in the slaves so that signal distortions caused by the optical transmission cannot accumulate.
  • the active signal processing and clock regeneration is achieved with the help of phase locked loops.
  • the use of filler characters and bit stoppers ensures that there are enough signal edges in the data stream. This enables the phase-locked loops to always be "locked", i.e. bitsynchronous to stay.
  • Communication with the SERCOS interface takes place cyclically as master-slave communication with a cycle time to be selected during initialization.
  • the master either sends telegrams with an independent send step clock or feeds filler characters into the ring.
  • the slaves either reach their regenerated input signals to the next Participants continue (repeater function) or they send their own telegram.
  • the master does not pass on its input signal. For this reason, direct cross traffic between the individual slaves is not possible, so the ring can be considered open on the master.
  • Each telegram begins and ends with a telegram limit and has an address field, a data field and a checksum.
  • Telegrams sent by the slaves are source-addressed, i.e. the content of the address field identifies the sending station.
  • Telegrams that the master sends are target-addressed.
  • the data to be transferred are in the data field. The length of the individual data fields of the various telegrams is determined during initialization and then kept constant.
  • the communication cycle of the SERCOS interface is divided into five phases.
  • the cycle begins with a master synchronization telegram, which is used to specify the communication phase and the time reference. This is followed by the drive telegrams (source-addressed) that are sent by the individual slaves. After all drive telegrams have been received from the master, it sends a master data telegram to all slaves.
  • Each slave also knows the times T3 and T4 within a cycle by means of initialization. At time T3, all data (setpoints) are released simultaneously throughout the system and at time T4, all measured values are sampled simultaneously across the system. Exactly after the cycle time has elapsed, the master starts the next cycle with the master synchronization telegram.
  • SERCOS interface thus knows the following types of synchronization: bit synchronism, synchronization of communication and synchronization of data processing in the slaves.
  • Peer-to-peer connection means "connection between equal partners”. With this peer-to-peer connection, one and the same drive unit can be both master (setpoint source) and slave (setpoint sink).
  • the peer-to-peer connection consists of a receive and transmit connection and a two-wire line per drive unit.
  • an autonomous setpoint cascade can be set up, which is easy to configure and commission.
  • the transmission rate is up to 187.5 kbit / s and up to 16 control signals can be switched.
  • the effort to set up a new communication sequence is quite high, since new two-wire lines have to be laid.
  • the invention is based on the object of specifying a method for communication of equal stations of a ring-shaped, serial optical fiber bus, in which the disadvantages mentioned no longer occur.
  • one station as the dispatcher and the other stations as the transceiver are parameterized by the stations on the ring-shaped, serial optical waveguide bus having equal rights.
  • the dispatcher station generates strictly time-cyclical container telegrams during a bus cycle, addresses them and sends them to the bus.
  • This dispatcher station sends a synchronization telegram as the end telegram for each bus cycle.
  • Each transceiver station writes its data in the container telegrams addressed to it. So these are described Container telegrams are source-addressed.
  • each transceiver station can read the data of the described container telegrams on the serial bus.
  • Each station on the bus generates an interrupt from the synchronization telegram that is read, which is delayed depending on the position of the stations on the bus in such a way that all interrups are output synchronously. With the output of these interrups, all read data are processed further.
  • each station knows which source-addressed data can be read by means of parameterization, any arbitrary communication can be set among stations with equal rights without having to change the hardware of the fiber optic bus.
  • a station must take over the function of the clock generator so that the communication on the ring-shaped, serial optical fiber bus is maintained. Otherwise, no other means are required to control communication among the stations on this bus with equal rights.
  • FIG 2 shows a block diagram of an interface module of the bus system according to the invention
  • FIG 3 shows the addressing mechanism "write”
  • FIG. 5 shows a configuration example for a peer-to-peer functionality
  • FIG. 6 shows the associated communication table of the configuration example according to FIG. 5, wherein in the
  • FIG. 1 shows a bus topology with which several stations 2 to 12 with equal rights can communicate with one another.
  • the individual stations 2 to 12 are each connected to one another by means of an optical waveguide 14 as the transmission medium.
  • the data direction on this ring-shaped, serial optical fiber bus is directional and is illustrated by the arrow D. Glass optical fibers or plastic optical fibers can be used as the transmission medium. So that the method according to the invention for communicating equal stations 2 to 12 of a ring-shaped, serial optical fiber bus can be carried out, one station 2 is parameterized as a dispatcher and the other stations 4 to 12 as a transceiver. Each station 2 to 12 on the fiber optic bus acts as a signal amplifier.
  • Dispatcher station 2 has the function of an arbiter and is the clock generator of this bus system.
  • the communication control is stored in the form of a task table in a read / write memory 16 of the dispatcher station 2.
  • This task table specifies how many telegrams this dispatcher station 2 has to send in one bus cycle, also referred to as bus cycle time.
  • an address and a channel number is defined as a subaddress in this task table, among other things, for each active participant, ie stations 2 to 12 on the serial bus with equal rights.
  • the addresses of so-called empty telegrams and special telegrams are also stored in this task table. These special telegrams include the synchronization telegram and the so-called NOP telegrams (No Operation).
  • the synchronization telegram is always the last entry in the task table and is therefore always sent at the end of the bus cycle time.
  • the task table is limited to a maximum of 1024 entries, i.e. a maximum of 1024 telegrams can be sent by dispatcher station 2 in one bus cycle. Eight subaddresses can be used for each participant. If all eight subaddresses are used for all active nodes of the ring-shaped, serial optical fiber bus, a maximum of 128 nodes can be connected to the bus.
  • Dispatcher station 2 processes its task table by sending each address with a container tele- gram connects and outputs to the serial bus. After the last entry of this task table has been read out, the processing of the entries of this task table is started again without delay.
  • the container telegrams are generated strictly time-cyclically. Any transceiver
  • Station 4 to 12 receives the telegrams initiated by dispatcher station 2 and can read the data of the telegrams depending on its read authorization and overwrite or store them with its own data.
  • Dispatcher station 2 like any transceiver station 4 to 12, can read the data of the telegrams depending on its read authorization and overwrite or store them with new data.
  • each transceiver station 4 to 12 passes the received telegrams regardless of whether the data has been read or overwritten with new data or has been stored.
  • Each station 2 to 12 on the ring-shaped, serial fiber optic bus, which are parameterized as transceivers, cannot independently maintain data traffic on the ring bus. This is the sole responsibility of dispatcher station 2.
  • FIG. 2 schematically shows a block diagram of an interface module 18, which is arranged in each case in a station 2 to 12 of the ring bus according to FIG. 1.
  • This interface module 18 has a programmable module 20 with an associated erasable read-only memory 22, a read-write memory 16, a clock generator 24, a system plug 26, an optoelectrical and an electro-optical converter 28 and 30 and a voltage supply 32.
  • a front side 34 of this interface module 18 is provided with a plurality of light-emitting diodes 36, 38 and 40 for displaying the status of this interface module 18, with two optical fiber connector sockets 42 and 44, which are also referred to as bus connector sockets 42 and 44, and with a power supply connector socket 46 .
  • the bus plug socket 42 or 44 receives an optical waveguide 14 of the serial ring bus and is linked to the optoelectrical or electro-optical converter 28 or 30.
  • This converter 28 or 30 is made gangs- or input side ig electrically connected to a terminal of the programmable module 20.
  • the erasable read-only memory 22, the read-write memory 16 and the clock generator 24 are also linked to this programmable module 20.
  • a DC / DC voltage converter is provided as voltage supply 32, which converts an external DC voltage of, for example, 24 V m to an internal DC voltage U v of, for example, 5 V. It can also be seen from this illustration that this DC voltage U is also supplied by a station 2 to 12, in which this interface module 18 is inserted.
  • the exchange of signals S A (addresses), S L (data) and S L (control signals, interrupt) and the DC voltage U v is brought about by means of the system plug 26.
  • the programmable module 20 points a device 48 for parameterizing the controller board 18 as a dispatcher or as a transceiver.
  • a programmable gate array in particular a field-programmable gate array (FPGA) is provided as the programmable component 20, the program of which is stored in the erasable read-only memory 22.
  • FPGA field-programmable gate array
  • a clock is required, which is supplied by the clock generator 24, in particular an oscillator.
  • Either a task table or send and receive data is stored in the read / write memory 16.
  • this interface module 18 is parameterized as a dispatcher by means of the device 48, a task table must be created in the read-write memory 16. If this interface module 18 is parameterized as a transceiver by means of the device 48, then transmit and receive data 16 are stored in the read / write memory 16 during a bus cycle the addresses of telegrams which this interface module 18 is to read are also stored in this read / write memory 16.
  • the front side 34 of the interface module 18 has three light-emitting diodes 36, 38 and 40, which provide information about the current operating state. If the light-emitting diode 36 flashes, which is green, for example, then an error-free user data traffic takes place via the ring-shaped, serial optical fiber bus. If the light-emitting diode 38, which is red, for example, flashes, the interface module 18 is in operation. If the LED 40, which is yellow, for example, flashes, then the data exchange between this interface module 18 and the station into which this interface module 18 is inserted is OK. If one of these LEDs 36, 38 and 40 is inactive, there is an error.
  • This interface circuit 50 is the interface of an interface module 18 to the ring bus.
  • the function of this interface circuit 50 consists of converting the received telegram into electrical signals, signal sampling and regeneration, and the subsequent conversion of the electrical signal into a transmission telegram.
  • Each interface circuit 50 influences the timing of the data transmission to the same extent. This means that each received telegram is delayed by approx. 3 bit times before it is sent again on the bus. This delay is also known as the transit delay. This delay is caused on the one hand by converters 28 and 30 and on the other hand by signal sampling and regeneration.
  • each transceiver station 4 to 12 may only write data in container telegrams that are assigned to them via their address.
  • Each telegram CT has an address AH and a channel number as subaddress AS in the telegram header.
  • Each address AH has eight subaddresses AS, each 32 bits in size.
  • Each station 2 to 12 can thus transmit a maximum of 8 x 32 bit data in eight telegrams CT, which have the same addresses AH and the channel numbers from 0 to 7 as subaddresses AS.
  • the subscriber writes on the ring bus with the address 5, ie this subscriber is a transceiver station 4 to 12, data from the subaddress 0 into the container telegram CT with the address 5. If in the data field DF This telegram 5/0 already has data stored, it will be overwritten by this write mechanism.
  • the data which are written into the data field DF of this container telegram CT have been written into the read / write memory 16 by the associated transceiver station by means of the signals S A and S D via the system plug 26 and the programmable module 20. This part of the random access memory 16 thus forms a transmit memory in which
  • each station can write CT data in its associated container telegrams.
  • the addressing mechanism "read” is illustrated in FIG. In this illustration, just as in the illustration according to FIG. 3, only a part of the read / write memory 16 of the controller board 18 is shown.
  • the dispatcher station 2 and each transceiver station 4 to 12 can optionally read the data from each telegram CT on the ring bus (including its own telegrams). Which telegrams CT can ultimately be read depends on the read authorization of each station 2 to 12 of the serial ring bus, which are parameterized when an application is initialized. For this purpose, the addresses AH and the subaddresses AS are parameterized in the dispatcher station 2 or in the transceiver stations 4 to 12 as receive telegrams, the data of which are to be read.
  • the subscriber on the ring bus with the address 5 reads data from the data field DF of the container telegram CT with the address 5/3, ie this subscriber writes the data into the data channel with channel number 3 of part of the Read-write memory 16.
  • This part of the read-write memory 16 is therefore also referred to as the receive memory. So that this node with address 5 can read the container telegram CT with address 6/3, this address 6/3 must be configured as a reading address. It can be seen from this illustration that a further part of this read-write memory 16 is provided for the configuration of the read authorization of the associated interface module 18.
  • the addresses of all telegrams CT to be read are entered in this part of the read-write memory 16 with the address AH and the subaddress AS.
  • three converter-fed motors should run at the same angle.
  • three stations 2, 4 and 6 are connected to an annular, serial optical waveguide bus by means of their associated interface modules 18.
  • Each station 2, 4 and 6 forms a variable-speed drive consisting of a converter 52 and an AC motor 54.
  • the interface modules 18 of the three stations 2, 4 and 6 of the ring bus are interconnected by means of optical fibers 4 in such a way that station 2 has position number 1, station 4 has position number 2 and station 6 has position number 3.
  • Each interface module 18 is informed of its position number and the number of stations 2, 4 and 6 on the serial ring bus.
  • Each interface module 18 calculates its individual delay time from these numbers.
  • station 2 is declared a master drive with an integrated virtual master axis.
  • the soliwert for this drive group is specified via an analog input or a system control.
  • the integrated virtual master axis function generates a setpoint, speed and acceleration setpoint s so ⁇ - n so ⁇ and a so n for the stations 4 and 6, which form a slave drive 2 and slave drive 3.
  • slave drives 2 and 3 are also to be switched on and off by the master drive. This means that each slave drive receives an individual control word STW.2 or STW_3. Conversely, the slave drives should send an individual status word ZW_2 or ZW.3 to the master drive. This results in a communication table, which is shown in more detail in FIG 6.
  • the interface modules 18 of the three stations 2, 4 and 6 must be parameterized as follows:
  • Interface module 18 in dispatcher station 2 (master drive) The following five process data must be transferred:
  • a process data is transferred in status word ZW.2
  • ZW-2 status word from station 4 Interface module 18 of the transceiver station 6
  • a process data is transferred in status word ZW.3
  • ZW-3 status word from station 6.
  • the device 48 on the interface module 18 of the dispatcher station 2 is set to dispatcher.
  • the controller board 18 of the dispatcher station 2 is informed of the number of channels, which is 5 in this configuration example. This means that five telegrams are available for each subscriber to write to.
  • the cycle time is then entered as a parameter, which in this example is 1 ms. Since this cycle time cannot be reached with five telegrams, as many additional telegrams, so-called empty telegrams and NOP telegrams, are automatically sent until this cycle time is reached.
  • the bus cycle time must be in a defined ratio to the
  • Time slices of the individual regulations are available. The following definition applies to the time slices of the converters 52:
  • the time slice T 0 is equal to the reciprocal value of the pulse frequency and is set on the converter 52 by selecting the pulse frequency. Then the following applies to the selection of the bus cycle time:
  • Bus cycle time n x slowest to be synchronized
  • the position control loops of the three stations 2, 4 and 8 are to be synchronized, whereby the bus cycle time is selected such that it corresponds to n times the time slice of the position control.
  • transceiver station 2 (slave drive 2) receives node address 1 and transceiver station 6 (slave drive 3) node address 2.
  • the address mechanism "write" of station 2 is illustrated in FIG.
  • the subscriber address 0 indicates that this controller board 18 is configured as a dispatcher.
  • the data in subaddresses 0 to 4 are written in succession with the addresses 0/0 to 0/4 on the bus.
  • the subscriber address 1 indicates that this interface module 18 is parameterized as a transceiver.
  • part of the read-write memory 16 stores the read authorization of this station 4 on the serial ring bus in the form of a table. All telegram addresses with their address AH and their subaddress AS, which may be read by this transceiver station 4, are entered in this table.
  • the data here the acceleration setpoint a so ⁇ , of the data field DF of the container telegrams CT are copied into the corresponding data channel of the receive memory of the read-write memory 16 in accordance with the subaddress AS.
  • this transceiver station 4 had to send up to eight data to the ring bus, the dispatcher station 2 would send a further seven container telegrams CT with subscriber addresses 1/1 - 1/7 in a row on the ring bus according to a task table.
  • this dispatcher station 2 Since the data (status word) of the transceiver stations 4 and 6 (slave drives 2 and 3) are to be sent to the dispatcher station 2 (master drive), this dispatcher station 2 must have an appropriate read authorization. In other words, the telegram addresses of stations 4 and 6 on the serial ring bus, whose telegrams CT is to be read by dispatcher station 2, are entered in a read authorization table of read / write memory 16 of interface module 18. Since the data of the transceiver stations 4 and 6 are each in the first subaddress, the subscriber addresses 1/0 and 2/0 are stored in the read authorization table of the dispatcher station 2.
  • this ring-shaped, serial optical fiber bus has a constant transmission rate of, for example, 11 Mbit / s and the total length of each telegram CT is 70 bits including the 32 bits of data, a telegram CT therefore requires a transmission time of 6.36 ⁇ s.
  • a bus cycle time is determined depending on the time slices of the individual controls of the participants connected to the ring bus. It is assumed that in the configuration example the bus cycle time is 1 ms.
  • the task table which is stored in a part of the read-write memory 16 of the controller board 18 of the dispatcher station 2, comprises 157 telegrams, of which 7 subscriber telegrams with the subscriber addresses 0/0 to 0 / 4, 1/0 and 2/0, 159 empty telegrams and 1 synchronization telegram. These telegrams CT are in the task table in this order.
  • process data can be exchanged extremely quickly, strictly time-cyclically among the equal stations, with each station only communicating with the bus because of the source addressing of the telegrams and the optional read authorization .
  • each authorized station does not know the stations with which it communicates, but only knows which telegrams it can read and which may be written to. This simplifies project planning of a system for the parameterization of every equal station in a serial bus system.
  • This communication method according to the invention can also be used in a conventional hierarchical bus structure.
  • the dispatcher station is the higher-level control, for example an automation system.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kommunikation gleichberechtigter Stationen (2, ..., 12) eines ringförmigen, seriellen Lichtwellenleiter-Busses und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Kommunikationsverfahrens. Erfindungsgemäß erzeugt eine Station (2) während eines Buszyklusses streng zeitzyklische Containertelegramme (CT), adressiert diese und gibt diese auf den seriellen Bus und sendet ein Synchronisationstelegramm am Ende der Buszykluszeit, schreibt jede Station (2, ..., 12) seine Daten in an ihn adressierten Containertelegrammen (CT), und liest jede Station (2, ..., 12) in Abhängigkeit seiner Leseberechtigung die Containertelegramme (CT) des seriellen Busses, wobei mittels des Synchronisationstelegramms alle gelesenen Daten in den Stationen (2, ..., 12) übernommen werden. Somit können gleichberechtigte Stationen eines ringförmigen, seriellen Lichtwellenleiter-Busses wahlfrei Prozeßdaten extrem schnell und streng zeitzyklisch austauschen.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Kommunikation gleichberechtigter Stationen eines ringförmigen, seriellen Lichtwellenlei- ter-Busses
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kommunikation gleichberechtigter Stationen eines ringförmigen, seriellen Lichtwellenleiter-Busses und auf eine Vorrichtung zur Durch- führung dieses Kommunikationsverfahrens .
Es ist ein serielles Bussystem für die Vernetzung von "intelligenten" Ein-/Ausgabe-Einheiten sowie Sensoren und Aktoren innerhalb einer Anlage oder Maschine bekannt . Dieses serielle Bussystem nennt sich Controller Area Network (CAN) und wird mittlerweile nicht nur in Automobilen, sondern auch in der Industrieautomatisierung, beispielsweise bei Textilmaschinen, Verpackungsmaschinen, Maschinen zur Papierherstellung und -Verteilung und in der Medizintechnik, angewendet. Der serielle Bus besteht aus einer Zweidrahtleitung, deren Enden jeweils mit einem Busabschlußwiderstand versehen sind.
CAN ist ein serielles Bussystem, welches multimasterfähig ist, d.h., mehrere CAN-Knoten können gleichzeitig den Bus an- fordern. Bei der CAN-Datenübertragung, gemäß der Veröffentlichung "Controller Area Network - Ein serielles Bussystem nicht nur für Kraftfahrzeuge" der Internationalen Vereinigung "CAN in Automation (CiA) e.V." werden keine Stationen am Bus adressiert, sondern der Inhalt der Nachricht wird durch einen netzweiten eindeutigen Identifier gekennzeichnet. Neben der Inhaltskennung legt der Identifier auch die Prioritäten der Nachricht fest. Die Prioritäten werden beim Systementwurf durch entsprechende Binärwerte vergeben und sind nicht dynamisch veränderbar. Der Identifier mit der niedrigsten Binär- zahl hat die höchste Priorität. Der Buszugriffskonflikt wird mittels einer bitweisen Arbitrierung über die jeweiligen Identifier gelöst, indem jede Station Bit für Bit den Buspe- gel beobachtet. Bei diesem Wettstreit der Stationen werden alle "Verlierer" automatisch zu Empfängern der Nachricht mit der höchsten Priorität und versuchen erst dann wieder zu senden, wenn der Bus frei wird. Mit der dann folgenden Akzep- tanzprüfung stehen alle Empfänger-Stationen im CAN-Netz nach korrektem Empfang der Nachricht anhand des Identifiers fest, ob die empfangenen Daten für sie relevant sind oder nicht (Selektieren) . Sind die Daten für die Empfänger-Stationen von Bedeutung, so werden sie weiter verarbeitet (Übernahme) , an- sonsten einfach ignoriert. Die Länge der zu übertragenden Informationen sind relativ kurz. Pro Nachricht kann man acht Byte Nutzdaten übertragen. Längere Datenblöcke können durch Segmentierung übertragen werden. Die maximale Übertragungsgeschwindigkeit ist 1 MBit/s. Dieser Wert gilt für ein Bussy- stem mit einer Ausdehnung bis zu 40 m. Für Entfernungen bis zu 500 m ist eine Übertragungsgeschwindigkeit von 125 kBit/s möglich, und bei Übertragungslängen von bis 1 km ist ein Wert von nur noch 50 kBit/s zulässig. Die Anzahl der Teilnehmer an einem CAN-Bussystem ist theoretisch durch die Anzahl der verfügbaren Identifier begrenzt (2032 bei Standardformat und 0,5-109 beim erweiterten Format). CAN erlaubt somit die Realisierung eines bedarfsabhängigen Buszugriffs, der aber aufgrund der bitweisen Arbitrierung über die Botschaftspriorität zerstörungsfrei vonstatten geht. Ein Syn- chronisationsmechanismus wird durch den CAN nicht unterstützt und die Datenübertragungsgeschwindigkeit ist für einen Prozeß, bei dem mehrere Bewegungsabläufe aufeinander synchron ablaufen, zu niedrig.
Ein digitales, serielles Feldbussystem, das einen Synchronisationsmechanismus unterstützt, ist das SERCOS interface (Serial Real Time Com unication System) . Dieses SERCOS interface ist ein digitales, serielles Kommunikationssystem zwischen Steuerungen und Antrieben bzw. Ein-/Ausgabebaugruppen und ist in dem Aufsatz "Kommunikation bei Antrieben" von Berthold Gick, Peter Mutschier und Stephan Schultze, abge- druckt in der DE-Zeitschrift "etz", Band 112 (1991), Heft 17, Seiten 906 bis 916, näher dargestellt.
SERCOS interface spezifiziert eine streng hierarchische Kom- munikation mit den Daten in Form von Datenblöcken, den sogenannten Telegrammen, die in zeitlich konstanten Zyklen zwischen einer Steuerung und mehreren Unterstationen ausgetauscht werden. Unmittelbare Kommunikation zwischen den Unterstationen findet nicht statt. Der SERCOS interface verwen- det die Ringtopologie, wobei je Ring als Teilnehmer eine
Steuerung, auch als Master bezeichnet, und mehrere Untersta- tionen, auch als Slave bezeichnet, vorhanden sind. Die physikalische Schicht einer Übertragungsstrecke besteht aus optischen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Die optische Übertragung findet gerichtet statt, wobei die Elemente der Übertragungs- strecke elektrooptische Wandler, Lichtwellenleiter und opto- elektrische Wandler sind. Die Übertragungsrate beträgt 2 MBit/s, 4 MBit/s oder 8 MBit/s. Die Länge jedes Übertragungsabschnitts kann bei Plastik-Lichtwellenleitern bis zu 60 m und bei Glasfaser-Lichtwellenleitern bis zu 250 m betragen. Die maximale Anzahl der Teilnehmer je Lichtwellenleiter- Ring ist 254. Außerdem sind in den Slaves Wiederholverstärker angeordnet, damit Signalverzerrungen, die durch die optische Übertragung entstehen, sich nicht akkumulieren können. Die aktive Signalaufbereitung und Taktregenerierung wird mit Hilfe von Phasenregelkreisen erreicht. Durch die Verwendung von Füllzeichen und Bit-Stopfen ist sichergestellt, daß ausreichend viele Signalflanken im Datenstrom enthalten sind. Dadurch wird es den Phasenregelkreisen ermöglicht, immer "ein- gerastet", d.h. bitsynchron, zu bleiben.
Die Kommunikation beim SERCOS interface erfolgt im Betrieb zyklisch als Master-Slave-Kommunikation mit einer bei der Initialisierung zu wählenden Zykluszeit. Der Master sendet mit einem unabhängigen Sendeschrittakt entweder Telegramme oder speist Füllzeichen in den Ring ein. Die Slaves erreichen entweder ihre regenerierten Eingangssignale an die nächsten Teilnehmer weiter (Repeaterfunktion) oder sie senden ihr eigenes Telegramm. Der Master reicht sein Eingangssignal nicht weiter. Aus diesem Grunde ist ein unmittelbarer Querverkehr zwischen den einzelnen Slaves nicht möglich, der Ring kann somit am Master als offen betrachtet werden.
Jedes Telegramm beginnt und endet mit einer Telegrammbegrenzung und weist ein Adreßfeld, ein Datenfeld und eine Prüfsumme auf. Telegramme, die von den Slaves gesendet werden, sind quelladressiert, d.h., der Inhalt des Adreßfeldes kennzeichnet hier die sendende Station. Telegramme, die der Master sendet, sind zieladressiert. Im Datenfeld stehen die zu übertragenden Daten. Die Länge der einzelnen Datenfelder der verschiedenen Telegramme wird während der Initialisierung fest- gelegt und dann konstant gehalten.
Der Kommunikationszyklus des SERCOS interface ist in fünf Phasen unterteilt. Der Zyklus beginnt mit einem Master- Synchronisationstelegramm, das zur Vorgabe der Kommunika- tionsphase und der Zeitreferenz dient. Daran schließen sich die Antriebstelegramme (quelladressiert) an, die von den einzelnen Slaves gesendet werden. Nachdem beim Master alle Antriebstelegramme vorliegen, sendet dieser an alle Slaves ein Master-Datentelegramm. Jeder Slave kennt außerdem per Initia- lisierung die Zeitpunkte T3 und T4 innerhalb eines Zyklus. Im Zeitpunkt T3 werden systemweit alle Daten (Sollwerte) gleichzeitig freigegeben und im Zeitpunkt T4 werden systemweit alle Meßwerte gleichzeitig abgetastet. Exakt nach Ablauf der Zykluszeit startet der Master den nächsten Zyklus mit dem Ma- ster-Synchronisationstelegramm. Somit kennt SERCOS interface die folgenden Synchronisationsarten: Bitsynchronität , Synchronisation der Kommunikation und die Synchronisation der Datenverarbeitung in den Slaves.
Mit diesem SERCOS interface kann keine schnelle wahlfreie
Kommunikation unter gleichberechtigten Stationen durchgeführt werden, die dazu auch noch einfach ist. Im Aufsatz "Wie ergänzt " Peer-to-Peer" die Antriebstechnik", abgedruckt in der DE-Zeitschrif "engineering & automation", Band 16 (1994), Heft 3-4, Seite 48, wird eine Möglichkeit vorgestellt, mit der innerhalb eines Mehrmotorenverbundes Si- gnale von Antriebseinheit zu Antriebseinheit übertragen werden. Peer-to-Peer-Verbindung bedeutet "Verbindung zwischen gleichberechtigten Partnern" . Bei dieser Peer-to-Peer- Verbindung kann ein und dieselbe Antriebseinheit sowohl Master (Sollwertquelle) als auch Slave (Sollwertsenke) sein. Die Peer-to-Peer-Verbindung besteht pro Antriebseinheit aus einem Empfangs- und Sendeanschluß und aus einer Zweidrahtleitung. Mit einer Peer-to-Peer-Verbindung kann eine autarke Sollwertkaskade aufgebaut werden, die einfach zu projektieren und in Betrieb zu nehmen ist. Die Übertragungsrate beträgt bis zu 187,5 kBit/s und es können bis zu 16 Steuersignale fortgeschaltet werden. Bei dieser Peer-to-Peer-Verbindung ist der Aufwand zum Aufbau einer neuen Kommunikations-Reihenfolge recht hoch, da neue Zweidrahtleitungen verlegt werden müssen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kommunikation gleichberechtigter Stationen eines ringförmigen, seriellen Lichtwellenleiter-Busses anzugeben, bei dem die genannten Nachteile nicht mehr auftreten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bei diesem erfindungsgemäßen Kommunikationsverfahren wird von den gleichberechtigten Stationen am ringförmigen, seriellen Lichtwellenleiter-Bus eine Station als Dispatcher und die anderen Stationen als Transceiver para etriert . Die Dispatcher- Station erzeugt jeweils während eines Buszyklus streng zeitzyklische Containertelegramme, adressiert diese und gibt diese auf den Bus. Als Endtelegramm eines jeden Buszyklus sendet diese Dispatcher-Station ein Synchronisationstelegramm. Jede Transceiver-Station schreibt seine Daten in die ihm adressierten Containertelegramme. Somit sind diese beschriebenen Containertelegramme quellenadressiert. Außerdem kann jede Transceiver-Station in Abhängigkeit seiner Leseberechtigung die Daten der beschriebenen Containertelegramme auf dem seriellen Bus lesen. Aus dem gelesenen Synchronisationstelegramm erzeugt jede Station am Bus ein Interrup, die in Abhängigkeit der Lage der Stationen am Bus derart zeitverzögert werden, daß alle Interrups zeitsynchron ausgegeben werden. Mit der Ausgabe dieser Interrups werden alle gelesenen Daten weiterverarbeitet .
Dadurch, daß während jedem Buszyklus aneinander gereihte Telegramme auf den Bus gegeben werden, ist auf dem Bus immer ein Bitstrom vorhanden, so daß die Stationen am Bus bitorientiert betrieben werden. Die Zeit jeder zwischen zwei Synchro- nisationstelegrammen ist die Busumlaufzeit des ringförmigen, seriellen Lichtwellenleiter-Busses und entspricht gleichzeitig dem gemeinsamen Systemtakt für die Synchronisation aller angeschlossenen Stationen. Dieses Synchronisationstelegramm wird streng zeitäquidistant und jitterfrei generiert. Somit arbeitet eine der gleichberechtigten Stationen zusätzlich als Taktgeber und die anderen Stationen legen ihre Daten jeweils in den ihnen zugeordneten Containertelegrammen ab und stellen somit ihre Daten allen anderen Stationen am seriellen Bus zum Lesen zur Verfügung. Da jede Station durch Parametrierung weiß, welche quelladressierten Daten gelesen werden dürfen, kann durch eine Parametrierung jede beliebige wahlfreie Kommunikation unter gleichberechtigten Stationen eingestellt werden, ohne den Lichtwellenleiter-Bus hardwaremäßig abändern zu müssen. Damit die Kommunikation der am ringförmigen, seri- eilen Lichtwellenleiter-Bus aufrechterhalten wird, muß eine Station die Funktion des Taktgebers übernehmen. Ansonsten werden keine weiteren Mittel benötigt, die die Kommunikation unter den gleichberechtigten Stationen an diesem Bus steuert.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Kommunikationsverfahrens und der Vorrichtung zur Durchführung dieses Kommunikationsverfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kommunikation gleichberechtigter Stationen schematisch veranschau- licht ist.
FIG 1 zeigt eine Bustopologie, in der
FIG 2 ist ein Blockschaltbild einer Anschaltbaugruppe des erfindungsgemäßen Bussystems näher dargestellt, die FIG 3 zeigt den Adressiermechanismus "Schreiben", wogegen die
FIG 4 den Adressiermechanismus "Lesen" darstellt, in der
FIG 5 ist ein Projektierungsbeispiel für eine Peer-to- Peer-Funktionalität dargestellt, die FIG 6 zeigt die zugehörige Kommunikations-Tabelle des Projektierungsbeispiels nach FIG 5, wobei in den
FIG 7-10 die verschiedenen Adressiermechanismen des Projektierungsbeispiels veranschaulicht sind.
In der FIG 1 ist eine Bustopologie dargestellt, mit der mehrere gleichberechtigte Stationen 2 bis 12 miteinander kommunizieren können. Die einzelnen Stationen 2 bis 12 sind jeweils mittels eines Lichtwellenleiters 14 als Übertragungsmedium untereinander verbunden. Die Datenrichtung auf diesem ringförmigen, seriellen Lichtwellenleiter-Bus ist richtungsgebunden und wird durch den Pfeil D veranschaulicht. Als Übertragungsmedium können Glas-Lichtwellenleiter oder Kunststoff-Lichtwellenleiter verwendet werden. Damit das erfin- dungsgemäße Verfahren zur Kommunika ion gleichberechtigter Stationen 2 bis 12 eines ringförmigen, seriellen Lichtwellenleiter-Busses durchgeführt werden kann, wird eine Station 2 als Dispatcher und die anderen Stationen 4 bis 12 als Transceiver parametriert . Jede Station 2 bis 12 am Lichtwel- lenleiter-Bus wirkt als Signalverstärker. Damit können bei der Verwendung von Kunststoff-Lichtwellenleitern als Übertragungsmedium maximal 40 m und bei der Verwendung von Glas- Lichtwellenleitern als Übertragungsmedium maximal 300 m zwi- sehen den Stationen 2 bis 12 liegen. Die maximale Teilnehmerzahl am ringförmigen, seriellen Lichtwellenleiter-Bus ist 201.
Die Dispatcher-Station 2 hat die Funktion als Zuteiler und ist der Taktgeber dieses Bussystems. Die Kommunikationssteuerung ist in Form einer Task-Table in einem Schreib-Lese- Speicher 16 der Dispatcher-Station 2 hinterlegt. In dieser Task-Table wird festgelegt, wieviele Telegramme in einem Busumlauf, auch als Buszykluszeit bezeichnet, diese Dispatcher-Station 2 zu senden hat. Dazu wird in dieser Task-Table unter anderem für jeden aktiven Teilnehmer, das sind die gleichberechtigten Stationen 2 bis 12 am seriellen Bus, eine Adresse und eine Kanalnummer als Subadresse festgelegt. Au- ßerdem sind in dieser Task-Table die Adressen von sogenannten Leertelegrammen und von Sondertelegrammen hinterlegt. Zu diesen Sondertelegrammen gehören unter anderem das Synchronisationstelegramm und die sogenannten NOP-Telegramme (No Operation) . Mit dem Synchronisationstelegramm werden alle Statio- nen 2 bis 12 dieses ringförmigen Busses aufgefordert, die gelesenen Daten weiterzuverarbeiten. Die Leertelegramme und die NOP-Telegramme dienen als Fülltelegramme, damit innerhalb einer jeden Buszykluszeit fortlaufend Telegramme auf dem ringförmigen, seriellen Lichtwellenleiter-Bus umlaufen. Dadurch werden die Stationen 2 bis 12 bitsynchron am Bus betrieben.
Das Synchronisationstelegramm ist immer der letzte Eintrag in der Task-Table und wird somit immer am Ende der Buszykluszeit gesendet. Die Task-Table ist maximal auf 1024 Einträge begrenzt, d.h., es können maximal 1024 Telegramme in einem Bus- zyklus von der Dispatcher-Station 2 gesendec werden. Je Teilnehmer können acht Subadressen verwendet werden. Werden also bei allen aktiven Teilnehmern des ringförmigen, seriellen Lichtwellenleiter-Busses alle acht Subadressen verwendet, so können maximal 128 Teilnehmer am Bus angeschlossen sein.
Die Dispatcher-Station 2 arbeitet seine Task-Table ab, indem sie in Sendereihenfolge jede Adresse mit einem Containertele- gramm verbindet und auf den seriellen Bus ausgibt. Nachdem der letzte Eintrag dieser Task-Table ausgelesen ist, wird ohne zeitliche Verzögerung mit der Abarbeitung der Eintrage dieser Task-Table von vorne begonnen. Die Containertelegramme werden streng zeitzyklisch generiert. Jede Transceiver-
Station 4 bis 12 empfangt die von der Dispatcher-Station 2 initiierten Telegramme und kann die Daten der Telegramme in Abhängigkeit seiner Leseberechtigung lesen und mit eigenen Daten überschreiben bzw. ablegen. Die Dispatcher-Station 2 kann wie jede Transceiver-Station 4 bis 12 die Daten der Telegramme in Abhängigkeit seiner Leseberechtigung lesen und mit neuen Daten überschreiben bzw. ablegen. Außerdem reicht jede Transceiver-Station 4 bis 12 die empfangenen Telegramme weiter unabhängig davon, ob die Daten gelesen oder mit neuen Daten überschrieben bzw. m diese abgelegt worden sind. Jede Station 2 bis 12 am ringförmigen, seriellen Lichtwellenlei- ter-Bus, die als Transceiver parametriert sind, können den Datenverkehr am Ringbus nicht selbständig aufrechterhalten. Dies ist ausschließlich die Aufgabe der Dispatcher-Station 2.
In der FIG 2 ist ein Blockschaltbild einer Anschaltbaugruppe 18 schematisch dargestellt, die jeweils m einer Station 2 bis 12 des Ringbusses nach FIG 1 angeordnet ist. Diese Anschaltbaugruppe 18 weist einen programmierbaren Baustein 20 mit einem zugehörigen loschbaren Festwertspeicher 22, einen Schreib-Lese-Speicher 16, einen Taktgeber 24, einen Systemstecker 26, einen optoelektπschen und einen elektrooptischen Wandler 28 und 30 und eine Spannungsversorgung 32 auf. Außerdem ist eine Frontseite 34 dieser Anschaltbaugruppe 18 mit mehreren Leuchtdioden 36, 38 und 40 für die Zustandsanzeige dieser Anschaltbaugruppe 18, mit zwei Lichtwellenleiter- Steckerbuchsen 42 und 44, die auch als Bussteckerbuchsen 42 und 44 bezeichnet werden, und mit einer Stromversorgungsstek- kerbuchse 46 versehen. Die Bussteckerbuchse 42 bzw 44 nimmt einen Lichtwellenleiter 14 des seriellen Ringbusses auf und ist mit dem optoelektπschen bzw dem elektrooptischen Wandler 28 bzw 30 verknüpf . Dieser Wandler 28 bzw. 30 ist aus- gangs- bzw. eingangssei ig mit einem Anschluß des programmierbaren Bausteins 20 elektrisch leitend verbunden. Ebenfalls ist der loschbare Festwertspeicher 22, der Schreib- Lese-Speicher 16 und der Taktgeber 24 mit diesem programmier- baren Baustein 20 verknüpft. Als Spannungsversorgung 32 ist ein DC/DC-Spannungswandler vorgesehen, der eine externe Gleichspannung von beispielsweise 24 V m eine interne Gleichspannung Uv von beispielsweise 5 V wandelt. Dieser Darstellung ist ebenfalls zu entnehmen, daß diese Gleichspannung U ebenfalls von einer Station 2 bis 12 geliefert wird, in der diese Anschaltbaugruppe 18 steckt Der Austausch von Signalen SA (Adressen) , SL (Daten) und SL (Steuersignale, Interrup) und der Gleichspannung Uv wird mittels des Systemstek- kers 26 bewerkstelligt.
Wenn beispielsweise die Spannung U einer der Stationen 2 bis 12 ausfällt, kann die Funktionsfahigkeit der Anschalt- baugruppe 18 und damit die Funktionsfahigkeit des ringförmigen, seriellen Lichtwellenleiter-Busses durch eine an den An- Schaltbaugruppen 18 angeschlossene externe Spannungsquelle aufrechterhalten werden Der programmierbare Baustein 20 weist eine Einrichtung 48 zur Parametrierung der Anschaltbaugruppe 18 als Dispatcher oder als Transceiver auf. Als programmierbarer Baustein 20 ist ein programmierbares Gate- Array, insbesondere ein Field-Programmable Gate Array (FPGA) , vorgesehen, dessen Programm im loschbaren Festwertspeicher 22 abgelegt ist. Zur Abarbeitung dieses Programms wird ein Takt benötigt, der vom Taktgeber 24, insbesondere einem Oszillator, geliefert wird. Im Schreib-Lese-Spe cher 16 ist entweder eine Task-Table oder Sende- und Empfangsdaten gespeichert.
Wird diese Anschaltbaugruppe 18 als Dispatcher mittels der Einrichtung 48 parametπert , so muß im Schreib-Lese-Speicher 16 eine Task-Table angelegt werden. Ist diese Anschaltbau- gruppe 18 ais Transceiver mittels der Einrichtung 48 parame- triert, so werden im Schreib-Lese-Speicher 16 Sende- und Empfangsdaten jeweils wahrend eines Buszyklus abgespeichert In diesem Schreib-Lese-Speicher 16 werden auch die Adressen von Telegrammen gespeichert, die diese Anschaltbaugruppe 18 lesen soll.
Wie bereits erwähnt, weist die Frontseite 34 der Anschaltbau- gruppe 18 drei Leuchtdioden 36, 38 und 40 auf, die Auskunft über den aktuellen Betriebszustand geben. Blinkt die Leuchtdiode 36, die beispielsweise grün ist, so findet ein fehlerfreier Nutzdatenverkehr über den ringförmigen, seriellen Lichtwellenleiter-Bus statt. Blinkt die Leuchtdiode 38, die beispielsweise rot ist, so ist Anschaltbaugruppe 18 in Betrieb. Blinkt die Leuchtdiode 40, die beispielsweise gelb ist, so ist der Datenaustausch zwischen dieser Anschaltbaugruppe 18 und der Station, in die diese Anschaltbaugruppe 18 gesteckt ist, in Ordnung. Ist eine dieser Leuchtdioden 36, 38 und 40 inaktiv, so liegt ein Fehler vor.
Die beiden Wandler 28 und 30 bilden zusammen mit einem Teil des programmierbaren Bausteins 20 eine sogenannte Interface- Schaltung 50 der Anschaltbaugruppe 18. Diese Interface- Schaltung 50 ist die Schnittstelle einer eden Anschaltbaugruppe 18 zum Ringbus . Diese Interface-Schaltung 50 besteht in ihrer Funktion aus der Wandlung des empfangenen Telegramms in elektrische Signale, der Signalabtastung und -neu- generierung, sowie der anschließenden Wandlung des elektrischen Signals in ein Sendetelegramm. Jede Interface-Schaltung 50 beeinflußt im gleichen Maße das Zeitverhalten der Datenübertragung. D.h., jedes empfangene Telegramm wird um ca. 3 Bitzeiten verzögert, bevor es wieder auf dem Bus gesendet wird. Diese Verzögerung wird auch als Durchlaufverzögerung bezeichnet . Diese Verzögerung wird zum einen durch die Wandler 28 und 30 und zum anderen durch die Signalabtastung und - neugenerierung verursacht. Bei einer festen Datenübertragungsrate von beispielsweise 11 MBit/s entsprechen die drei Bitzeiten einer Zeit von 272 ns . In der FIG 3 ist der Adressiermechanismus "Schreiben" veranschaulicht. Bei dieser Veranschaulichung ist von der Anschaltbaugruppe 18 nur ein Teil des Schreib-Lese-Speichers 16 dargestellt. Die Dispatcher-Station 2 und jede Transceiver- Station 4 bis 12 dürfen Daten nur in Containertelegrammen schreiben, die ihnen über ihre Adresse zugeordnet sind. Jedes Telegramm CT hat im Telegrammkopf eine Adresse AH und eine Kanalnummer als Subadresse AS. Jede Adresse AH weist acht Subadressen AS auf, die jeweils 32 Bit groß sind. Somit kann jede Station 2 bis 12 maximal 8 x 32 Bitdaten in acht Telegrammen CT, die die gleichen Adressen AH und die Kanalnummern von 0 bis 7 als Subadressen AS haben, übertragen.
In dem dargestellten Beispiel der FIG 3 schreibt der Teilneh- mer am Ringbus mit der Adresse 5, d.h., dieser Teilnehmer ist eine Transceiver-Station 4 bis 12, Daten aus der Subadresse 0 in das Containertelegramm CT mit der Adresse 5. Wenn im Datenfeld DF dieses Telegramms 5/0 bereits Daten abgelegt sind, so werden diese bei diesem Schreibmechanismus überschrieben. Die Daten, die in das Datenfeld DF dieses Containertelegramms CT geschrieben werden, sind von der zugehörigen Transceiver- Station mittels der Signale SA und SD über den Systemstecker 26 und den programmierbaren Baustein 20 in diesen Schreib- Lese-Speicher 16 geschrieben worden. Somit bildet dieser Teil des Schreib-Lese-Speichers 16 einen Sendespeicher, in dem
Prozeßdaten wie Sollwerte, Istwerte, Steuer- oder Zustandsinformationen geschrieben werden. Beim erfindungsgemäßen Kommunikationsverfahren kann jede Station in ihr zugeordneten Containertelegrammen CT Daten schreiben. Somit ist jedes Tele- gramm CT nicht zieladressiert, sondern quelladressiert. Dadurch vereinfacht sich die Kommunikation der gleichberechtigten Stationen 2 bis 12 am seriellen Ringbus, da jede Station 2 bis 12 bezüglich des Sendens eines Telegramms CT, d.h., das Schreiben von Daten, nur in Containertelegramme CT Daten ab- legt, die seine Adresse tragen. In der FIG 4 ist der Adressiermechanismus "Lesen" veranschaulicht. Bei dieser Veranschaulichung ist ebenfalls wie bei der Veranschaulichung gemäß FIG 3 von der Anschaltbaugruppe 18 nur ein Teil des Schreib-Lese-Speichers 16 dargestellt. Die Dispatcher-Station 2 und jede Transceiver-Station 4 bis 12 können wahlfrei die Daten von jedem Telegramm CT auf dem Ringbus lesen (auch die eigenen Telegramme) . Welche Telegramme CT letztendlich gelesen werden können, hängt jeweils von der Leseberechtigung einer jeden Station 2 bis 12 des seriel- len Ringbusses ab, die bei der Initialisierung einer Anwendung parametriert werden. Dazu werden in der Dispatcher- Station 2 bzw. in den Transceiver-Stationen 4 bis 12 jeweils die Adressen AH und die Subadressen AS als Empfangstelegramm parametriert, deren Daten gelesen werden sollen.
In dem dargestellten Beispiel der FIG 4 liest der Teilnehmer am Ringbus mit der Adresse 5 Daten aus dem Datenfeld DF des Containertelegramms CT mit der Adresse 5/3, d.h., dieser Teilnehmer schreibt die Daten in den Datenkanal mit der Ka- nalnummer 3 eines Teils des Schreib-Lese-Speichers 16. Dieser Teil des Schreib-Lese-Speichers 16 wird deshalb auch als Empfangsspeicher bezeichnet. Damit dieser Teilnehmer mit der Adresse 5 das Containertelegramm CT mit der Adresse 6/3 lesen kann, muß diese Adresse 6/3 als Leseadresse projektiert sein. Dieser Darstellung ist zu entnehmen, daß ein weiterer Teil dieses Schreib-Lese-Speichers 16 für die Projektierung der Leseberechtigung der zugehörigen Anschaltbaugruppe 18 vorgesehen ist. In diesem Teil des Schreib-Lese-Speichers 16 werden die Adressen aller zu lesenden Telegramme CT mit der Adresse AH und der Subadresse AS eingetragen.
Mit dem Senden des letzten Eintrags in der Task-Tabelle, nämlich dem Synchronisationstelegramm, werden zeitverzögert in jeder Station 2 bis 12 des Ringbusses Verzögerungszeiten zur Kompensation der LaufZeitverzögerung, hervorgerufen durch die Signalwandlung in jedem Teilnehmer, kompensiert. Für diese Berechnung einer individuellen Zeitverzögerung kennt jede Station 2 bis 12 die Anzahl der gleichberechtigten Stationen 2 bis 12 am Ringbus und seine zugehörige Platzziffer. Mit Ablauf jeder berechneten Zeitverzogerung steht jeweils e n Interrup zur Verfugung, mit dem die Stationen 2 bis 12 zeitsyn- chronisiert werden. Mit diesem Interrup werden die gelesenen Daten aus dem Empfangsspeicher des Schreib-Lese-Speichers 16 einer jeden Anschaltbaugruppe 18 in die jeweilige zugehörige Station übernommen. Auf dieses streng zeitzyklische Synchro- nisationstelegramm können interne Regelkreise der einzelnen Stationen 2 bis 12 am seriellen Ringbus synchronisiert werden.
Anhand eines Projektierungsbeispiels für eine Peer-to-Peer- Funktionalitat gemäß den FIG 5 bis 10, soll das erfmdungsge- mäße Verfahren zur Kommunikation gleichberechtigter Stationen 2 bis 14 eines πngforrmigen, seriellen Lichtwellenleiter- Busses naher erläutert werden:
Beim Projektierungsbeispiel sollen drei umrichtergespeiste Motoren winkelgenau gleichlaufen. Somit sind an einem ringförmigen, seriellen Lichtwellenleiter-Bus drei Stationen 2, 4 und 6 mittels ihrer zugehörigen Anschaltbaugruppen 18 angeschlossen. Jede Station 2, 4 und 6 bildet einen aus einem Umrichter 52 und einem Wechselstrommotor 54 bestehenden dreh- zahlveranderbaren Antrieb. Die Anschaltbaugruppen 18 der drei Stationen 2 , 4 und 6 des Ringbusses sind derart mittels Lichtwellenleiter 4 untereinander verbunden, daß die Station 2 die Platzziffer 1, die Station 4 die Platzziffer 2 und die Station 6 die Platzziffer 3 hat. Jeder Anschaltbaugruppe 18 wird seine Platzziffer und die Anzahl der Stationen 2, 4 und 6 am seriellen Ringbus mitgeteilt Aus diesen Zahlen rechnet jede Anschaltbaugruppe 18 seine individuelle Verzoge- rungszeit aus .
Bei dieser winkelgenauen Gleichlaufregelung dreier drehzahl- veranderbarer Antriebe wird die Station 2 zum Leitantrieb mit integrierter virtueller Leitachse erkl rt Der Drehzahl-Leit- soliwert für diese Antriebsgruppe wird über einen analogen Eingang oder eine Anlagensteuerung vorgegeben.
Die integrierte virtuelle Leitachsenfunktion erzeugt einen Weg-, Drehzahl- und Beschleunigungs-Sollwert ssoιι- nsoιι und ason für die Stationen 4 und 6, die einen Folgeantrieb 2 und Folgeantrieb 3 bilden. Bei diesem Projektierungsbeispiel sollen die Folgeantriebe 2 und 3 außerdem vom Leitantrieb ein- bzw. ausgeschaltet werden. D.h., daß jeder Folgeantrieb ein individuelles Steuerwort STW.2 bzw. STW_3 erhält. Umgekehrt sollen die Folgeantriebe jeweils ein individuelles Zustands- wort ZW_2 bzw. ZW.3 an den Leitantrieb senden. Daraus ergibt sich eine Kommunikations-Tabelle, die in der FIG 6 näher dargestellt ist.
Für die Übertragung von Prozeßdaten müssen die Anschaltbaugruppen 18 der drei Stationen 2, 4 und 6 wie nachfolgend parametriert werden:
Anschaltbaugruppe 18 in der Dispatcher-Station 2 (Leitantrieb) Folgende fünf Prozeßdaten müssen übertragen werden:
- STW-2 = Steuerwort für Station 4
- STW.3 = Steuerwort für Station 6 - Ssoii = Weg-Sollwert
- nSoiι = Drehzahl-Sollwert
- asoπ = Beschleunigungs -Sollwert
Es werden fünf Telegramme, d.h., fünf Kanäle, dazu benötigt.
Anschaltbaugruppe 18 der Transceiver-Station 4
(Folgeantrieb 2)
Es wird ein Prozeßdatum im Zustandswort ZW.2 übertragen
(Schreiben) . Dazu wird ein Telegramm (= ein Kanal) benötigt.
ZW-2 = Zustandswort von der Station 4 Anschaltbaugruppe 18 der Transceiver-Station 6
(Folgeantrieb 3)
Es wird ein Prozeßdatum im Zustandswort ZW.3 übertragen
(Schreiben) .
Dazu wird ein Telegramm (= ein Kanal) benötigt.
ZW-3 = Zustandswort von Station 6.
Für die Dispatcher-Station 2 als Leitantrieb sind folgende Parametereinstellungen von Bedeutung:
Die Einrichtung 48 auf der Anschaltbaugruppe 18 der Dispatcher-Station 2 wird auf Dispatcher gestellt. Als nächstes wird der Anschaltbaugruppe 18 der Dispatcher-Station 2 die Kanalzahl, die in diesem Projektierungsbeispiel 5 ist, mitge- teilt. Damit stehen jedem Teilnehmer fünf Telegramme zum Beschreiben zur Verfügung. Anschließend wird die Zykluszeit als Parameter eingegeben, die in diesem Beispiel 1 ms ist. Da mit fünf Telegrammen diese Zykluszeit nicht erreicht werden kann, werden automatisch so viele Zusatztelegramme, sogenannte Leertelegramme und NOP-Telegramme, gesendet, bis diese Zykluszeit erreicht wird.
Für die Synchronisation der dezentralisierten, unterlagerten Regelkreise in den Umrichtern 52 der Stationen 2, 4 und 6 muß die Buszykluszeit in einem definierten Verhältnis zu den
Zeitscheiben der einzelnen Regelungen stehen. Für die Zeitscheiben der Umrichter 52 gilt folgende Festlegung:
- Stromregelung in Zeitscheibe T0
- Drehzahlregelung in Zeitscheibe 2 • T0 - Lageregelung in Zeitscheibe 4 • T0
Die Zeitscheibe T0 ist gleich dem reziproken Wert der Pulsfrequenz und wird am Umrichter 52 durch die Wahl Pulsfrequenz eingestellt. Dann gilt für die Wahl der Buszykluszeit:
Buszykluszeit = n x langsamste, zu synchronisierende
Zeitscheibe mit n = 1 , 2 , 3 . . .
Beim Projektierungsbeispiel sollen die Lageregelkreise der drei Stationen 2, 4 und 8 synchronisiert werden, wodurch die Buszykluszeit derart gewählt wird, daß dieser das n-fache der Zeitscheibe der Lageregelung entspricht. Zum Schluß der Parametrierung erhält die Transceiver-Station 2 (Folgeantrieb 2) die Teilnehmeradresse 1 und die Transceiver-Station 6 (Folgeantrieb 3) die Teilnehmeradresse 2.
In der FIG 7 ist der Adreßmechanismus "Schreiben" der Station 2 veranschaulicht. Die Teilnehmer-Adresse 0 zeigt an, daß diese Anschaltbaugruppe 18 als Dispatcher parametriert ist. Die Daten, die in den Subadressen 0 bis 4 stehen, werden hintereinander mit den Adressen 0/0 bis 0/4 auf den Bus geschrieben.
In der FIG 8 ist der Adreßmechanismus "Lesen" der Station 4 veranschaulicht. Die Teilnehmer-Adresse 1 zeigt an, daß diese Anschaltbaugruppe 18 als Transceiver parametriert ist. Außerdem ist in einem Teil des Schreib-Lese-Speichers 16 die Leseberechtigung dieser Station 4 am seriellen Ringbus in Form einer Tabelle abgespeichert. In dieser Tabelle sind alle Telegramm-Adressen mit ihrer Adresse AH und ihrer Subadresse AS, die von dieser Transceiver-Station 4 gelesen werden dürfen, eingetragen. Beim Lesen dieser Telegramme CT werden die Daten, hier der Beschleunigungs-Sollwert asoιι, des Datenfeldes DF der Containertelegramme CT entsprechend der Subadresse AS in den entsprechenden Datenkanal des Empfangsspeichers des Schreib-Lese-Speichers 16 kopiert. Ein Vergleich mit den Containertelegrammen CT der Dispatcher-Station 2 gemäß FIG 7 zeigt, daß das Telegramm mit der Adresse 0/1 nicht von der Transceiver-Station 4 gelesen werden darf, d.h., dieses Telegramm mit der Adresse 0/1 wird nur mittels der Interface- Schaltung 50 dieser Anschaltbaugruppe 18 zum nächsten Teilnehmer dieses seriellen Ringbusses gesendet. In der FIG 9 ist der Adreßmechanismus "Schreiben" der Transceiver-Station 4 dargestellt. Danach schreibt diese Transceiver-Station 4 in einem Containertelegramm CT mit der Adresse 1/0 dieser Transceiver-Station 4 seine Daten, hier das Zu- Standswort ZW-2 des Folgeantriebs 2, in das zugehörige Datenfeld DF. Müßte diese Transceiver-Station 4 bis zu acht Daten auf den Ringbus senden, so würde die Dispatcher-Station 2 gemäß einer Task-Table weitere sieben Containertelegramme CT mit Teilnehmer-Adressen 1/1 - 1/7 aneinander gereiht auf dem Ringbus senden.
Da die Daten (Zustandswort) der Transceiver-Stationen 4 und 6 (Folgeantriebe 2 und 3) an die Dispatcher-Station 2 (Leitantrieb) gesendet werden sollen, muß diese Dispatcher- Station 2 eine dementsprechende Leseberechtigung aufweisen. D.h., in einer Leseberechtigungs-Tabelle des Schreib-Lese- Speichers 16 der Anschaltbaugruppe 18 sind die Telegramm- Adressen der Stationen 4 und 6 am seriellen Ringbus eingetragen, deren Telegramme CT die Dispatcher-Station 2 lesen soll. Da die Daten der Transceiver-Stationen 4 und 6 jeweils in der ersten Subadresse stehen, sind in der Leseberechtigungs- Tabelle der Dispatcher-Station 2 die Teilnehmer-Adressen 1/0 und 2/0 abgespeichert.
Bei der Initialisierung dieses Projektierungsbeispiels müssen außer der Parameter Anzahl der Teilnehmer, Platzziffer und Dispatcher- oder Transceiver-Funktion noch weitere Parametereinstellungen vorgenommen werden. Da dieser ringförmige, serielle Lichtwellenleiter-Bus eine konstante Übertragungsra- te von beispielsweise 11 MBit/s und die Gesamtlänge eines jeden Telegramms CT 70 Bits inklusive den 32 Bits Daten ist, benötigt somit ein Telegramm CT eine Übertragungszeit von 6,36 μs . In Abhängigkeit der Zeitscheiben der einzelnen Regelungen der am Ringbus angeschlossenen Teilnehmer wird eine Buszykluszeit ermittelt. Es wird angenommen, daß beim Projektierungsbeispiel die Buszykluszeit 1 ms ist. Außerdem werden sieben Telegramme mit den Teilnehmer-Adressen 0/0 bis 0/4, 1/0 und 2/0 und das Synchronisationstelegramm gesendet. Da diese acht Telegramme die Buszykluszeit nicht erreichen, werden so viele Zusatztelegramme, sogenannte Leertelegramme, an nichtadressierte Teilnehmer eingefügt, bis die Zykluszeit von 1 ms erreicht ist. Da die Laufzeit für ein Telegramm 70 Bit- Zeiten ist, können bei einer Übertragungsrate von 11 MBit/s 157 Telegramme gesendet werden. Diese Telegramme CT werden ohne Zwischenpausen unmittelbar hintereinander gesendet, wodurch ein streng zeitzyklischer Busumlauf sichergestellt wird. Wenn durch die Anzahl von Telegrammen CT die Buszykluszeit immer noch nicht erreicht wird, wobei die Differenz kleiner als die Länge eines Telegramms CT ist, wird die zeitliche Lücke mit sogenannten NOP-Telegrammen aufgefüllt.
Bei diesem Projektierungsbeispiel umfaßt die Task-Tabelle, die in einem Teil des Schreib-Lese-Speichers 16 der Anschaltbaugruppe 18 der Dispatcher-Station 2 hinterlegt ist, 157 Telegramme, von denen 7 Teilnehmer-Telegramme mit den Teilnehmer-Adressen 0/0 bis 0/4, 1/0 und 2/0, 159 Leertelegramme und 1 Synchronisationstelegramm sind. In dieser aufgezählten Reihenfolge stehen diese Telegramme CT in der Task-Table. Durch das am Ende der Buszykluszeit ausgesendete Synchronisationstelegramm werden in den gleichberechtigten Stationen 2, 4 und 6 individuelle Zeitverzogerungen derart berechnet, daß zeitgleich in jeder Station 2, 4 und 6 einer Interrup generiert wird, der dafür sorgt, daß jeweils die gelesenen Daten aus dem Empfangsspeicher des Schreib-Lese-Speichers 16 einer jeden Anschaltbaugruppe 18 mittels der Signale SA und SD vom zugehörigen Umrichter 52 übernommen werden.
Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kommunikation gleichberechtigter Stationen an einem ringförmigen, seriellen Lichtwellenleiter-Bus können Prozeßdaten extrem schnell, streng zeitzyklisch unter den gleichberechtigten Stationen wahlfrei ausgetauscht werden, wobei wegen der Quelladressie- rung der Telegramme und der wahlfreien Leseberechtigung jede Station nur mit dem Bus kommuniziert. D.h., jede gleichbe- rechtigte Station kennt nicht die Stationen, mit denen diese kommuniziert, sondern weiß nur, welche Telegramme von ihr gelesen und welche beschrieben werden dürfen. Dadurch vereinfacht sich eine Projektierung einer Anlage auf die Parame- trierung jeder gleichberechtigten Station eines seriellen Bussystems .
Dieses erfindungsgemäße Kommunikationsverfahren kann auch bei einer herkömmlichen hierarchischen Busstruktur angewendet werden. Bei einer sogenannten Master-Slave-Busstruktur ist die Dispatcher-Station die übergeordnete Steuerung, beispielsweise ein Automati≤ierungsystem.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Kommunikation gleichberechtigter Stationen (2, ..., 12) eines ringförmigen, seriellen Lichtwellenleiter- Busses, wobei eine Station während eines Buszyklusses streng zeitzyklische Containertelegramme .(CT) erzeugt, diese adressiert und auf den seriellen Bus gibt, wobei diese Station (2) als Endtelegramm eines jeden Buszyklusses ein Synchronisationstelegramm auf den Bus gibt, wobei jede Station (2, ..., 12) seine Daten in die ihm adressierten Containertelegramme (CT) schreibt, wobei jede Station (2, ..., 12) in Abhängigkeit seiner Leseberechtigung die Daten der beschriebenen Containertelegramme (CT) auf dem seriellen Bus liest, wobei jede Station (2, ..., 12) aus dem gelesenen Synchronisationstele- gramm ein Interrup generiert, die in Abhängigkeit der Lage der Stationen (2, ..., 12) am seriellen Bus derart zeitverzögert werden, daß alle Interrups zeitsynchron ausgegeben werden und wobei mit der Ausgabe der Interrups alle gelesenen Daten in den Stationen (2, ..., 12) weiterverarbeitet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zeitverzögerung eines Interrups einer Station gemäß folgender Gleichung
-vz ,„ = [N - (n - 1)] • 3B
mit N = Anzahl der Teilnehmer
B = Bitzeit n = Platzzahl der Station berechnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Anschluß des letzten adressierten Containertelegramms (CT) adressierte Leertelegramme fortlaufend auf den seriellen Bus gegeben werden .
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zur Füllung des Buszyklusses zwischen dem letzten ausgegebenen adressierten Leertelegramm und dem Synchronisationstelegramm Sondertelegramme ausgegeben werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Adressierung und die Ausgabe der fortlaufend erzeugten Containertelegramme (CT) nach aufsteigendem Adreßteil durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Adressierung und die Ausgabe der fortlaufend erzeugten Containertelegramme (CT) nach aufsteigendem Subadreßteil durchgeführt wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Kommunika- tion gleichberechtigter Stationen (2, ..., 12) eines ringförmigen, seriellen Lichtwellenleiter-Busses nach Anspruch 1, wobei jede Station (2, ..., 12) eine Anschaltbaugruppe (18) aufweist, die jeweils mittels zweier Bussteckerbuchsen (42, 44) am seriellen Lichtwellenleiter-Bus angeschlossen sind, wobei eine Station (2) am Bus als Dispatcher und die anderen Stationen (4, ..., 12) als Transceiver parametriert sind, wobei die Dispatcher-Station (2) eine Liste aller zu sendenden Telegramme (CT) enthält, und wobei jede Transceiver-Station (4, ..., 12) eine Leseberechtigung aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Anschaltbaugruppe (18) einen programmierbaren Baustein (20) mit einem zugehörigen löschbaren Festwertspeicher (22), einem Schreib-Lese- Speicher (16) und einem Taktgeber (24) , einen Systemstecker (26) , einen optoelektrischen und elektrooptischen Wandler (28, 30) und eine Spannungsversorgung (32) aufweist, wobei jede Bussteckerbuchse (42, 44) mittels der Wandler (28, 30) mit dem programmierbaren Baustein (20) verknüpft ist und wobei dieser programmierbare Baustein (20) über Signalleitungen mit dem Systemstecker (26) verbunden ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Anschaltbaugruppe (18) mehrere Leuchtdioden (36, 38 und 40) zur Zustandsanzeige aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei als programmierbarer Baustein (20) ein programmierbares Gate Array vorgesehen ist.
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