WO2006069691A1 - Steuerungssystem mit einer vielzahl von räumlich verteilten stationen sowie verfahren zum übertragen von daten in einem solchen steuerungssystem - Google Patents

Steuerungssystem mit einer vielzahl von räumlich verteilten stationen sowie verfahren zum übertragen von daten in einem solchen steuerungssystem Download PDF

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data
station
data frame
stations
transmission
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PCT/EP2005/013764
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Hans Schwenkel
Klaus Wohnhaas
Reinhard Sperrer
Matthias Holzaepfel
Roland Rupp
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Pilz Gmbh & Co. Kg
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Definitions

  • a control system comprising a plurality of spatially distributed stations and methods for transmitting data in such a control system
  • the present invention relates to a method for transmitting data in a control system having a plurality of spatially distributed stations, which are interconnected via a communication medium, the stations being logically arranged in a row comprising a first station, at least one second station and defines a last station, with the steps: the first station generates a data frame with a plurality of data fields, each second station and the last station having at least one data field uniquely assigned for transmission data,
  • the first station sends the data frame as the data frame in progress to the second station following the first station in the series,
  • Each second station receives the outgoing data frame from the respective preceding station in the row, occupies a data field assigned to it with transmission data and sends the outgoing data frame with the transmission data to the following station in the series, and
  • the last station receives the incoming data frame from the previous station in the queue, occupies a data field assigned to it with last transmit data, and returns the data frame with all transmit data as the returning data frame to the row of stations.
  • the invention further relates to a control system for the automated control of plants or devices, comprising a plurality of spatially distributed stations, which are interconnected via a communication medium, wherein the stations are logically arranged in a row, the first station, at least a second Station and a last station defined, and wherein the stations are adapted to carry out a method of the type described above.
  • a control system and a method of the aforementioned type are known from DE 199 34 514 Cl.
  • DE 199 34 514 C1 describes a method for configuring a station (referred to there as a bus subscriber), which is connected to a field bus.
  • a bus subscriber which is connected to a field bus.
  • the Interbus is a well-known and specified fieldbus system, which is mainly used in the industrial automation of plants and equipment.
  • Other known fieldbus systems are the so-called CAN bus and the so-called Profibus.
  • the known field bus systems are used to connect a plurality of spatially distributed stations / bus participants together so that they can exchange information.
  • Fieldbus systems are especially tailored to the communication requirements resulting from the intended use as a communication medium in control systems for the automated control of systems and devices. In addition to the simplest possible and robust cabling, this primarily involves a deterministic time response in the transmission of data and the ability to transport relatively small amounts of data from a large number of stations.
  • one or a few (intelligent) control units are connected to a fieldbus, as well as a large number of remote I / O units, which receive the system or device status signals via sensors and report them to the control unit (s) and / or control data from the higher level Receive control unit and depending on suitable Actuate actuators.
  • an I / O unit can pick up the signals from position switches, light barriers, encoders, etc. and transfer them via the fieldbus to the higher-level control unit.
  • the control unit often a programmable logic controller (PLC), determines control data for actuators, such as solenoid valves, contactors, drives, etc. depending on these process variables.
  • PLC programmable logic controller
  • the I / O units receive the control data from the higher-level controller via the fieldbus and actuate the actuators.
  • the aforementioned Interbus works like a large shift register whose individual storage locations are located in the connected stations.
  • a so-called bus master which is often spatially arranged in the higher-level control unit, generates a data frame with a number of data fields corresponding to the number of memory locations in the "shift register". This data frame is sent by the bus master to the stations connected in series, passing data field by data field from one station to the next. From the last station in the series, the data frame is sent back to the bus master, ultimately resulting in a ring structure.
  • the bus master If a start word generated by the bus master returns to the bus master after passing through the ring structure and no transmission errors are detected in a subsequent checksum evaluation, the bus master signals to all connected stations via a control signal that it stores the data which are then in their respective shift registers. to take over for further processing. Conversely, the individual stations "empty" their internal shift register assigned with transmission data by transmitting the data stored there to the next station in the ring, when Busiaaster initiates a new data flow. Characteristic for the Interbus is thus that the number of data fields of the circulating data frame is equal to the number of memory locations in the connected stations. Furthermore, communication actually takes place only between each individual station and the bus master.
  • a one advantage of the Interbus concept is the deterministic timing, ie the time required for transmitting information can be predicted largely accurate. In addition, no collisions between competing messages can occur.
  • Ethernet networks each participant (each station) has an individual address, the so-called MAC address.
  • every station can send a message at any time.
  • Each sending station monitors the connection line to see if the message sent is also unalterable, which would not be the case in a collision with a station transmitting at the same time.
  • each station sends its transmission data again after a randomly selected period of time.
  • Ethernet networks have the advantage due to their widespread use that the corresponding hardware components are very cost-effective.
  • This object is achieved according to one aspect of the present invention by a method of the type mentioned, in which the stations read foreign transmission data from the data fields of the returning data frame.
  • a control system of the type mentioned is proposed, in which the stations are adapted to read foreign transmission data from the data fields of the returning data frame, and in which the stations, the data fields of the running data frame to occupy with own transmission data and the data fields of the returning data frame are individually assigned to read out foreign transmission data.
  • the stations particularly preferably include at least one control unit that is configured to process process data cyclically and to generate control data in dependence thereon, as well as a multiplicity of I / O modules which are designed to send process data to the control unit and control data received by the control unit.
  • the new method can also be used in other control systems and / or communication networks.
  • the present invention proposes a communication module for a station in a control system of the aforementioned kind, wherein the communication module is adapted to the method according to the invention, in other words a based on this communication protocol in the station to implement.
  • the present invention is thus based on a concept basically known from the Interbus, namely the generation and transmission of a data frame with a plurality of data fields, the data frame being passed from one station to the next in a series of stations.
  • the invention differs from the known Interbus, because the individual stations read foreign transmission data directly from the returning data frame, while the reading of data in the Interbus basically only from the running data frame.
  • the individual stations read foreign transmission data exclusively from the returning data frame, and they define their own transmission data exclusively in the data fields of the incoming data frame. Deviating from this, however, it is also possible in a more general embodiment of the invention to allow exceptions to this general principle.
  • the present invention is fundamentally different from the Interbus, which according to the specification is designed as a large "shift register".
  • the present invention is independent of the physical realization of the communication medium.
  • the communication medium is an Ethernet-compatible transmission link
  • the data frame is an Ethernet-compatible data frame, i. a data frame whose basic structure fits into the Ethernet specifications.
  • the known Interbus implements a ring structure for the transmission of the data in which the last station logically returns the data frame directly to the first station
  • the present invention realizes a double line in which both the going and the returning data frames logically pass through all the stations. Only then is it possible that the individual stations own transmission data in the Store data fields of the incoming data frame and read out foreign send data from the returning data frame. Due to this property, each station receives the circulating data frame twice within one transmission cycle. This makes it possible that any cross traffic between two or more arbitrary stations can be completed within a transmission cycle.
  • the present invention therefore enables data communication that meets high real-time requirements.
  • the present invention allows extremely flexible communication between arbitrary stations.
  • the present invention has the advantages of message-oriented transmission methods, such as a CAN bus or Ethernet connection.
  • the present invention enables a very fast and deterministic communication.
  • it is well suited to transfer security-related control data in a manner to be described in more detail below.
  • the first station cyclically generates the incoming data frame at fixed time intervals and sends it to the subsequent second station.
  • the cycle time ie the time between the sending of two consecutive but independent data frames, is adjustable.
  • the cycle time may be adjusted between about 60 ⁇ s and about 6 ms in various intermediate steps.
  • This embodiment is particularly well suited for a control system for automated control of technical equipment or devices, since information in such a control system usually incurred cyclically.
  • this embodiment enables the process and control data required to control a drive in a machine to be transferred by means of the new method.
  • the control system of this embodiment can be integrated into the control loop of the drive control of a machine, which allows a particularly cost-effective and flexible automation of a system or a device.
  • the data frame includes at least a first and a second group of data fields, wherein the data fields of the first group are fixedly assigned to the individual stations across all data frames, and wherein the data fields of the second group are the stations on individual request for one data frame be assigned to.
  • the first group of data fields can be used for transferring data without having to be supplemented with address information. Because of the fixed assignment of the individual data fields, an address structure is fixed.
  • the second group of data fields makes it possible to give additional stations extra capacity on request.
  • the second group of data fields is particularly advantageous for transmitting acyclic data, such as diagnostic data.
  • the data fields of the second group can also be used very advantageously to transmit non-system data over the existing communication medium, such as printer data sent from a PC to a printer connected to the communication network.
  • the assignment of the data fields of the second group takes place using a busy flag, which is reset to the state "data field (s) free" for each new data frame.
  • a station that wishes to occupy a data field of the second group then only has to check the busy flag and, if necessary, set to "busy.”
  • the acyclic communication is preferably handled using known addressing methods, the addresses then likewise being transferred to the Data fields of the second group are transmitted.
  • the returning data frame traverses the row of stations in the reverse order of the incoming data frame.
  • the present embodiment has the advantage that the administrative effort to ensure error-free communication is simplified.
  • the first station can very easily monitor whether the returning data frame has reached all the connected stations. This is particularly important for the transmission of safety-related data, such as emergency stop control commands, of great importance.
  • the first station monitors whether the returning data frame arrives within a defined period of time.
  • the monitoring of the returning data frame in the first station is particularly advantageous for the transmission of security-relevant data, as this can be a failure of the communication connection can be determined very quickly.
  • the first station may then either initiate a repeating frame or start an error handling routine.
  • the communication medium is an Ethernet-compatible transmission link
  • the data frame is an Ethernet-compatible data frame
  • each station sends the running data frame in the so-called cut-through process to the next station in the series.
  • the cut-through method is specified for Ethernet-compatible links and involves a station already analyzing and forwarding an incoming frame of data before it is fully received by the affected station. This embodiment reduces the delay time between the receiving and forwarding of the incoming data frame. This makes it very easy to minimize the cycle time of the system.
  • each station sends the incoming data frame to exactly one subsequent station. Deviating from this, it would also be possible, in particular when using Ethernet components, to realize branches. However, the preferred embodiment prevents the formation of loops. In addition, collisions on the transmission path are excluded, whereby a deterministic time response with very short cycle times can be realized.
  • the first station generates a plurality of data frames and sends them in immediate time sequence as a running data frame to the subsequent second station.
  • the first station generates and transmits a plurality of data frames within a transmission cycle.
  • a first traveling data frame and immediately following further data frames (follower frames) are sent.
  • This embodiment is particularly advantageous if the amount of data to be transmitted cyclically is very large and, on the other hand, the length of a single data frame should not exceed a certain maximum value.
  • the present embodiment is therefore particularly advantageous when many cyclic data to be transmitted, but the data frames used should not exceed the defined in the Ethernet specification lengths of about 1500 bytes.
  • individual data fields of a data frame are alternately occupied by transmission data by at least two stations.
  • This embodiment which in itself is an inventive development over known methods for transmitting data in a control system, realizes a multiplex operation in which individual data fields are occupied by different stations from one cycle to the next. However, the respective data fields are still uniquely assigned to the stations involved. Multiplexing is particularly advantageous when there are cyclic data with different repetition rates within a control system. In this case, slower stations can share individual data fields in multiplex mode, so that the total available transmission capacity is optimally utilized.
  • individual stations occupy at least one data field of the data frame with transmission data that is compatible with a fieldbus telegram. It is particularly preferred if the transmission data mentioned are compatible with telegrams of the CAN bus, Profibus and / or Devicenet.
  • the fieldbus telegrams mentioned are transmitted with the new method "tunneled".
  • This embodiment makes it possible to integrate existing fieldbus networks and their components very easily. It is particularly preferred to transmit tunnel-related process and control data tunneled in this way, since in this case proven and certified or approved components can be used for safety-related automation.
  • the stations are individually assigned the data fields of the incoming data frame for their own transmission data and the data fields of the returning data frame for reading out foreign transmission data.
  • This embodiment allows a very flexible and fast transmission of information between any stations on the communication medium.
  • each station includes a communication module of the above type, with a data sorter configured to re-sort foreign transmit data from the returning data frame to a station-specific data word.
  • the preferred embodiment has greater flexibility because each receiving station can individually assemble the foreign transmission data relevant to it so that the subsequent data processing in the receiving station can be carried out optimally.
  • transmission data can be compiled several times differently in different, station-specific combinations. It is particularly preferred if the receiver-specific data sorting in the communication module, ie at a very low level of the OSI reference model, because higher-lying applications of the receiving station can then process the re-sorted data very quickly and easily. This allows a broad interoperability.
  • this embodiment is particularly advantageous in combination with the use of following frames and / or the use of a multiplex operation of the type described above, because the composition of the transmission data across multiple returning data frames is significantly simplified.
  • the first station generates each traveling data frame with a plurality of status fields, wherein each second station is assigned at least one status field, and each second station changes its status field each time the data frame passes.
  • a life monitoring can be realized in a very simple way.
  • the first station can check at the end of each cycle if the original second stations are still present and active.
  • the embodiment is particularly advantageous if safety-relevant process and control data are to be transmitted with the aid of the new method, since the failure of a safety-relevant station represents a safety-critical state and a corresponding error message or error handling routine must be started.
  • FIG. 4 shows timing diagrams showing various modes of operation of the new control system and various embodiments of the new method
  • FIG. 5 shows a plurality of Ethernet telegrams which are sent in chronological succession in one exemplary embodiment of the new method
  • FIG. 5 shows a plurality of Ethernet telegrams which are sent in chronological succession in one exemplary embodiment of the new method
  • FIG. 6 shows several Ethernet telegrams, which are sent in chronological succession in a further exemplary embodiment of the new method
  • Fig. 7 is a schematic representation of a station from the new control system.
  • Fig. 8 is a schematic representation of a preferred embodiment in which the data during read out. be re-sorted the returning data frame.
  • Fig. 1 an embodiment of the new control system is designated in its entirety by the reference numeral 10.
  • the control system 10 includes a control unit 12, for example in the form of a programmable controller, referred to herein as a PLC (Programmable Logic Controller). Alternatively, it could also be another control unit, for example an industrial PC.
  • the control unit 12 assumes on the application level, the control of a technical system not shown here, such as a manufacturing or conveyor system. For this purpose, it processes process or status data of the system, which are detected by means of sensors, and generates control data with which actuators are actuated. For communication with the sensors and actuators uses the control unit 12 of a communication network, which implements an embodiment of the new method in the manner described below.
  • the control unit 12 here has a so-called bus manager 14, which is a first station in the sense of the present invention.
  • the bus manager may be implemented separately from the controller 12.
  • the control unit 12 could in this case include a communication module, with the aid of which it is connected as a second station in the sense of the present invention to the communication network.
  • the control system 10 further includes a plurality of stations 16, 18, 20, 22, 24, wherein the stations 16-22 are second stations in the sense of the present invention, while the station 24 in this embodiment is a last station according to the invention.
  • stations 16-24 are each I / O modules configured to receive input signals from sensors and to output control signals to actuators.
  • the bus manager 14 (and thus the control unit 12) is connected via a communication medium 26 to the stations 16 to 24.
  • the communication medium 26 in this case includes a switch 28, which is shown here by way of example for a possible realization.
  • the bus manager. 14 connected here via an Ethernet cable to a port of the switch 28.
  • a second port of the switch 28 is via another Ethernet cable to a first port of the station 16 connected.
  • a second terminal of the station 16 is connected to a first terminal of the station 18 via another Ethernet cable.
  • station 18 is connected to station 20 via a second port and another Ethernet cable.
  • the bus manager 14, the switch 28 and the stations 16-20 are thus physically arranged in a row, with each subscriber being connected to his neighbor in the queue via a point-to-point connection.
  • the switch 28 is also connected to the station 22 via a third connection and another Ethernet cable in this embodiment, and to the station 24 via a fourth connection and another Ethernet cable.
  • the communication network of the control system 10 thus has a mixed form of a row and a star topology in this embodiment. Logically, however, all stations 16-24 and the bus manager 14 are arranged in a row, as will be explained further below.
  • a protective door 30 is connected to the station 16. It is a sensor that can be used to monitor the opening or closing state of a safety door. Similarly, an emergency stop button 32 is connected to the station 18 and a light grid 34 is connected to the station 20.
  • the three mentioned sensors 30, 32, 34 are typical examples of sensors for securing an automated system. It should be understood that the present invention is not limited to the use of such safety sensors, ie sensors for standard control tasks may equally be connected to the stations 16-20.
  • solenoid valves 36, 38 and a drive 40 are connected by way of example here. These are typical actuators that are used in an automated controlled system, although the present invention is not limited to these actuators.
  • connection of the individual stations with the bus manager and the switch is realized in this embodiment via Ethernet cable CAT5. Accordingly, the individual ports 42 of the stations, the bus manager and the switch are implemented as RJ45 ports 42. In other embodiments of the invention, however, other lines, such as fiber optic cables, or also radio links (e.g., WLAN) may be used.
  • lines such as fiber optic cables, or also radio links (e.g., WLAN) may be used.
  • the bus manager 14 periodically generates a bus telegram 44 which includes a data frame 46 having a plurality of data fields (not shown separately here).
  • the bus telegram 44 is an Ethernet-compatible telegram with an Ethernet header at the beginning and a final checksum.
  • the data area provided by the Ethernet telegram is the data frame 46.
  • the bus manager 14 sends the bus telegram 44 to the station 16 following it in the logical series. He addresses the station 16 in the manner known from the Ethernet via its MAC address.
  • the station 16 receives the bus telegram 44, occupies an assigned data field in a manner described below with transmission data and sends the data frame 46 with a new Ethernet-compatible bus telegram (not here shown) to the next station 18. In this case, the station 16 addresses the station 18 again via its MAC address.
  • Station 18 similarly transmits the data frame to station 20.
  • Station 20 next sends the data frame to station 22. From there, the data frame is forwarded to station 24, and then data frame 24 is run through the stations in reverse order 22 to 16 and then to the bus master 14.
  • the transmission of the data frame 46 takes place from one station to the next using the respective MAC address of the destination station.
  • the switch 28 is transparent, that is, it is physically present, but only directs the data frame 46 from the respective transmitting station to the addressed receiver station, without the data frame 46 being changed thereby.
  • Fig. 2 shows the transfer of the data frame 46 from one station to the next and back in a simplified embodiment in which the physical topology of the communication network also corresponds to the logical series.
  • the same reference numerals designate the same elements as before.
  • the data frame 46 is first sent from the bus manager 14 to the station 16, the bus manager 14 addressing the station 16 via its MAC address.
  • the station 16 occupies a data field assigned to it within the data frame 46 with transmission data and sends a data frame 46 'with the new transmission data to the station 18.
  • the station 18 puts its transmission data in a data field assigned to it and transmits a data frame 46 "with the transmission data of Station 16 and the station 18 to the station 20.
  • the station 20 occupies a data field assigned to it with its transmission data and sends a data frame 46 '"with all Transmission data back to the station 18 back.
  • the data frame 46 "'passes through all stations until it arrives at the bus manager 14.
  • Each station, including the bus manager can thereby read foreign transmit data from the other stations, if configured accordingly.
  • Fig. 3 shows the cyclic circulation of the data frame 46 and the occupancy and readout of individual data fields in a symbolic representation.
  • the data frame 46 is shown here as a circle segment with eight data fields 50 of different sizes.
  • Each of the eight stations here is assigned a data field 50 exclusively for transmission data.
  • the station 18 occupies the data field 2 with transmission data
  • the station 20 occupies the data field 3
  • the station 22 occupies the data field 4.
  • the data fields 50 with transmission data is occupied whenever the stations receive the data frame 46 from the previous station and before or while the stations forward the data frame 46 to the subsequent station.
  • the receiving and forwarding of the data frame 46 is symbolically represented by the arrow 52.
  • FIG. 3 shows that the station 18 reads out transmission data from the data field 1, that is, transmission data of the station 16.
  • the station 20 here reads transmission data from the data fields 2 and 5 and the station 22 from the data field 7.
  • Fig. 4 shows the timing of sending the data frames 46 in various embodiments of the invention.
  • the length of a data frame 46 (strictly speaking, a bus telegram 44 including the data frame 46) is indicated.
  • Reference numeral 62 denotes the cycle time, i. the time between generating two consecutive but independent data frames 46.
  • FIG. 4A shows a timing diagram in which exactly one data frame 46 is generated and sent in each cycle time 62.
  • the data frame 46 must also arrive again at the bus manager 14 within the cycle time 62, so that the bus manager 14 can optionally send a repeat frame in the next cycle time 62.
  • This preferred embodiment has the advantage that only one bus telegram 44 is always traveling on the connecting links between the individual stations, as a result of which Ethernet-typical collisions are avoided.
  • 4B shows an exemplary embodiment in which the bus manager 14 generates and sends two consecutive data frames 46, 64 in each cycle time 62.
  • the respective second data frame 64 is a so-called follower frame, which is sent with its own bus telegram.
  • the two data frames 46, 64 belong together, ie the division into two separate frames 46, 64 happens here only to comply with the telegram width of the Ethernet specification, even if the number of provided in the Ethernet telegram data words (typically 1500 Byte) is insufficient to provide the required data fields for all connected stations.
  • FIG. 4C shows an exemplary embodiment in which individual data fields 50 are used in multiplex mode.
  • the data field 50a is occupied, for example, by the station 18 with transmission data.
  • the same data field (now referred to as 50b) is instead occupied by the station 20 with transmission data.
  • the station 18 occupies the data field 50a, etc.
  • the remaining data fields of the data frame 46 may be assigned to other stations alone. As already mentioned, it is possible with the aid of multiplex operation to enable individual stations to have more closely consecutive transmission cycles than other stations.
  • Fig. 4D shows an embodiment making use of both the follower frame of Fig. 4B and the multiplexer of Fig. 4C.
  • the data fields of the multiplex mode are preferably only transmitted in the following frame 64.
  • 5 shows an exemplary embodiment of the new method in which various Ethernet bus telegrams 44a, 44b and 44c are transmitted via the communication medium 26.
  • Each Ethernet bus telegram has, as is known, an Ethernet header 70 and a checksum 72.
  • the Ethernet header 70 includes, among other things, the MAC addresses of the transmitter and the receiver as specified for Ethernet compatible communication media.
  • the data area of the Ethernet telegram accommodates the data fields 50, which are individually assigned to the individual stations. The data fields 50 are not shown separately in FIG.
  • the bus telegram 44 contains here in its data area an acyclic data area 74.
  • the acyclic data area can be assigned to the individual stations on request with transmission data. If the acyclic data area 74 has been occupied by a station with transmission data, this is signaled via a busy flag (not shown here), which may be provided, for example, at the beginning of the acyclic area. A station wishing to send data in the acyclic data area 74 can therefore do so only if the acyclic data area 74 is not already occupied by a preceding station. The latter can be easily recognized on the basis of the occupancy flag (not shown).
  • further Ethernet bus telegrams 44b can be transmitted between two such Ethernet bus telegrams 44a, 44c, the further telegrams 44b, for example, a protocol. compliant with TCP / IP.
  • a protocol compliant with TCP / IP.
  • other data can be transmitted.
  • such a PC connected to the communication medium 26 may transfer printer data to a printer also connected to the communication medium, which data may be completely independent of the control data.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of how control data and other data can be transmitted jointly via the communication medium 26.
  • the TCP / IP-compatible data are transmitted here in the acyclic data area 74 of each bus telegram 44a, 44b, 44c.
  • This alternative is particularly preferred if the cycle time of the system does not permit a separate transmission of conventional Ethernet telegrams or only with an increased risk of collision.
  • the data fields 50 for the cyclic transmission of control data are always kept free for the respective stations to which the data fields 50 are individually assigned.
  • the bus telegrams 44 in the illustrations of FIGS. 5 and 6 include yet another data area 76, which is used to transmit telegram data that is compatible with a conventional fieldbus telegram.
  • transmission data is transmitted in the data area 76 that corresponds to the specifications of the so-called SafetyBUS p.
  • This is a special bus system based on the CAN bus (CAN-compatible), in which by an additional Log level, the transmission of safety-relevant control data is possible.
  • control data for standard control tasks are transmitted in the data fields 50
  • safety-relevant control data such as the status information of the safety sensors 30, 32, 34 and stop commands for the actuators 36 to 40 are transmitted in the data area 74
  • diagnostic data are transmitted, which send the individual stations only on individual request.
  • Fig. 7 shows in a simplified block diagram the structural structure of a single station, such as e.g. the station 16.
  • Reference numeral 80 denotes a microcontroller, which is representative of the application level of the station 16.
  • the microcontroller implements the function of the station 16 within the control system 10, in this case the function of the I / O module.
  • a microcontroller it is also possible here to use another component which fulfills an application-specific task, for example a PC or an application-specific IC (ASIC).
  • ASIC application-specific IC
  • the application 80 communicates with a communication module 82, which is designed to implement the communication protocol according to the method according to the invention.
  • the communication module 82 is connected via two ports 84, 86, each with a protocol block 88, 90.
  • the protocol blocks 88, 90 lead to the RJ45 ports 42 and generate the Ethernet-compatible bus telegrams 44 into which the data frames 46 are embedded according to the present invention.
  • the data frames 46 and the data areas 74, 76 (if used) are generated by the communication module 82.
  • each station 16 includes a memory 92, in which, inter alia, the configuration data are stored, with which each station data fields 50 are assigned for writing and reading of own or external transmission data.
  • An oscillator 94 generates a reference clock.
  • the communication module 82 is implemented as an ASIC, which is particularly preferred for short cycle times of, for example, 62.5 ⁇ s or 125 ⁇ s.
  • the communication module 82 may also be implemented as a software component that runs on a suitable hardware platform. The latter is particularly preferred for longer cycle times of, for example, 1 ms or 5 ms.
  • FIG. 8 shows a schematic illustration of a preferred exemplary embodiment in which the transmission data from two successive, returning data frames 46, 64 are sorted or recomposed during readout in such a way that they are present in an optimally processable form for the application 100.
  • the readout transmission data are compiled in a data sorter 102 to form a new data word or data frame 104, which the application 100 accesses.
  • the data sorter uses a sorting table 106 which it receives from the bus manager 14 when the system is initialized.
  • the data sorter 102 may read out individual transmit data from successive returning data frames 46, 64 and assemble them into a new data word 104, which is one particular advantageous operation with follow-up frame allows.
  • the data sorter 102 can also correctly assign the data fields alternately occupied in multiplex mode.
  • a data frame counter Frae Counter FC
  • a cycle counter (not shown here) are used for this purpose. The first one counts or identifies the consecutive sequence frames within one transmission cycle, the second differentiates data frames from different transmission cycles.
  • Ethernet-compatible communication medium This is particularly preferred because Ethernet is a common communication platform and the required hardware and software components are therefore commercially very cheap available.
  • the present invention may be implemented in principle on other communication media.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Übertragen von Daten in einem Steue­rungssystem erzeugt eine erste Station (14) einen Datenrahmen (46) mit einer Vielzahl von Datenfeldern. Jeder weiteren Stati­on (16-20) ist zumindest ein Datenfeld zum Belegen mit Sende­daten eindeutig zugewiesen. Der Datenrahmen (46) wird als hin­laufender Datenrahmen (46', 46') von einer Station zur nächsten gesendet, wobei jede Station ein ihr zugewiesenes Datenfeld mit Sendedaten belegt. Die letzte Station (20) sendet den Daten­rahmen als zurücklaufenden Datenrahmen (46'') an die Reihe der Stationen zurück. Gemäß einem Aspekt der Erfindung lesen die Stationen (14-20) fremde Sendedaten aus den Datenfeldern des zurücklaufenden Datenrahmens (4''), wobei die jeweiligen Daten­felder den Stationen (14-20) vorzugsweise individuell zugewie­sen sind.

Description

SteuerungsSystem mit einer Vielzahl von räumlich verteilten Stationen sowie Verfahren zum Übertragen von Daten in einem solchen Steuerungssystem
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum übertragen von Daten in einem Steuerungssystem mit einer Vielzahl von räumlich verteilten Stationen, die über ein Kommunikations- medium miteinander verbunden sind, wobei die Stationen logisch in einer Reihe angeordnet sind, die eine erste Station, zumindest eine zweite Station und eine letzte Station definiert, mit den Schritten: - die erste Station erzeugt einen Datenrahmen mit einer Vielzahl von Datenfeldern, wobei jeder zweiten Station und der letzten Station zumindest ein Datenfeld zum Belegen mit Sendedaten eindeutig zugewiesen ist,
- die erste Station sendet den Datenrahmen als hinlaufenden Datenrahmen an diejenige zweite Station, die der ersten Station in der Reihe nachfolgt,
- jede zweite Station empfängt den hinlaufenden Datenrahmen von der jeweils vorhergehenden Station in der Reihe, belegt ein ihr zugewiesenes Datenfeld mit Sendedaten und sendet den hinlaufenden Datenrahmen mit den Sendedaten an die in der Reihe nachfolgende Station, und
die letzte Station empfängt den hinlaufenden Datenrahmen von der vorhergehenden Station in der Reihe, belegt ein ihr zugewiesenes Datenfeld mit letzten Sendedaten und sendet den Datenrahmen mit allen Sendedaten als zurücklaufenden Datenrahmen an die Reihe der Stationen zurück.
Die Erfindung betrifft ferner ein SteuerungsSystem zum automatisierten Steuern von Anlagen oder Geräten, mit einer Vielzahl von räumlich verteilten Stationen, die über ein Kommunikations- medium miteinander verbunden sind, wobei die Stationen logisch in einer Reihe angeordnet sind, die eine erste Station, zumindest eine zweite Station und eine letzte Station definiert, und wobei die Stationen dazu ausgebildet sind, ein Verfahren der zuvor beschriebenen Art auszuführen. Ein SteuerungsSystem und ein Verfahren der vorgenannten Art sind aus DE 199 34 514 Cl bekannt.
Die DE 199 34 514 Cl beschreibt ein Verfahren zum Konfigurieren einer Station (dort als Busteilnehmer bezeichnet), die an einen Feldbus angeschlossen wird. Insbesondere geht es dabei um die fehlersichere Zuweisung einer logischen Adresse an eine Station, die über den so genannten Interbus mit anderen Busteilnehmern/Stationen verbunden ist. Der Interbus ist ein bekanntes und spezifiziertes FeldbusSystem, das vor allem in der industriellen Automatisierung von Anlagen und Geräten eingesetzt wird. Weitere bekannte Feldbussysteme sind der so genannte CAN- Bus und der so genannte Profibus.
Die bekannten FeldbusSysteme dienen dazu, eine Vielzahl von räumlich verteilten Stationen/Busteilnehmern so miteinander zu verbinden, dass diese Informationen austauschen können. Dabei sind FeldbusSysteme vor allem auf die Kommunikationsanforderungen zugeschnitten, die sich aus dem Einsatzzweck als Kommunikationsmedium in SteuerungsSystemen zum automatisierten Steuern von Anlagen und Geräten ergeben. Neben einer möglichst einfachen und robusten Verkabelung gehört hierzu vor allem ein determiniertes Zeitverhalten bei der Übertragung der Daten sowie die Fähigkeit, relativ geringe Datenmengen von einer großen Anzahl von Stationen zu transportieren. Typischerweise sind an einen Feldbus eine oder wenige (intelligente) Steuerungseinheiten angeschlossen sowie eine große Anzahl abgesetzter E/A-Einheiten, die Zustandssignale der Anlage oder des Gerätes über Sensoren aufnehmen und an die Steuerungseinheit(en) melden, und/oder Steuerdaten von der übergeordneten Steuerungseinheit empfangen und in Abhängigkeit davon geeignete Aktoren betätigen. Beispielsweise kann eine E/A-Einheit die Signale von PositionsSchaltern, Lichtschranken, Drehgebern u.a. aufnehmen und über den Feldbus an die übergeordnete Steuerungs- einheit übertragen. Die Steuerungseinheit, häufig eine spei- cherprogrammierbare Steuerung (SPS), bestimmt in Abhängigkeit von diesen Prozessgrößen Steuerdaten für Aktoren, wie z.B. Magnetventile, Schütze, Antriebe u.a. Die E/A-Einheiten empfangen die Steuerdaten von der übergeordneten Steuerung über den Feldbus und betätigen die Aktoren.
Der eingangs genannte Interbus arbeitet wie ein großes Schieberegister, dessen einzelne Speicherstellen in den angeschlossenen Stationen liegen. Ein so genannter Busmaster, der häufig räumlich in der übergeordneten Steuerungseinheit angeordnet ist, erzeugt einen Datenrahmen mit einer Anzahl von Datenfeldern, die der Anzahl der Speicherstellen in dem "Schieberegister" entspricht. Dieser Datenrahmen wird von dem Busmaster an die in Reihe angeschlossenen Stationen gesendet und dabei Datenfeld für Datenfeld von einer Station zur nächsten weitergereicht. Von der letzten Station der Reihe wird der Datenrahmen an den Busmaster zurückgesendet, so dass sich letztlich eine Ringstruktur ergibt. Wenn ein vom Busmaster generiertes Startwort nach dem Durchlaufen der Ringstruktur wieder beim Busmaster ankommt und in einer anschließenden Prüfsummenauswer- tung keine Übertragungsfehler erkannt werden, signalisiert der Busmaster allen angeschlossenen Stationen über ein Steuersignal, dass sie die Daten, die dann in ihren jeweiligen Schieberegistern liegen, zur weiteren Verarbeitung übernehmen sollen. Umgekehrt "leeren" die einzelnen Stationen ihre mit Sendedaten belegten internen Schieberegister, indem sie die dort gespeicherten Daten an die nächstfolgende Station im Ring übertragen, wenn der Busiaaster einen neuen Datenumlauf initiiert. Charakteristisch für den Interbus ist somit, dass die Anzahl der Datenfelder des umlaufenden Datenrahmens gleich der Anzahl der Speicherstellen in den angeschlossenen Stationen ist. Des Weiteren findet eine Kommunikation eigentlich nur zwischen jeder einzelnen Station und dem Busmaster statt. Ein Querverkehr zwischen zwei Stationen, die keine Busmasterfunktionalität besitzen, ist nur von einem Übertragungszyklus zum nächsten möglich, indem die sendende Station ihre Daten zunächst an den Busmaster überträgt und dieser die Daten anschließend in einem zweiten Datenzyklus an die Empfangsstation weiterleitet. Ein1 Vorteil des Interbus-Konzepts ist das deterministische Zeitverhalten, d.h. die zum Übertragen einer Information benötigte Zeit lässt sich weitgehend exakt vorhersagen. Außerdem können keine Kollisionen zwischen konkurrierenden Nachrichten auftreten.
Im Gegensatz dazu sind Kollisionen bei so genannten nachrichtenorientierten FeldbusSystemen, wie etwa dem CAN-Bus, grundsätzlich möglich, da die einzelnen Stationen von sich aus Datentelegramme erzeugen und absenden können. Beim CAN-Bus werden derartige Kollisionen dadurch aufgelöst, dass die Stationen unterschiedliche Prioritäten besitzen, wobei sich eine Station mit einer höheren Priorität im Fall einer Kollision durchsetzt. Für die Station mit niedrigerer Priorität bedeutet dies allerdings, dass sie zumindest zeitweilig an dem Absenden einer Nachricht gehindert ist. Um ein deterministisches Zeitverhalten zu realisieren, ist es daher erforderlich, die maximale Auslastung des Feldbusses zu begrenzen, da mit zunehmender Auslastung des Busses die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen steigt. Andererseits bieten CAN-Bus-basierte SteuerungsSysteme eine höhere Flexibilität, da grundsätzlich ein Querverkehr ohne Zwischen- Schaltung eines Busmasters möglich ist. Dadurch können vor allem sicherheitsrelevante Daten, wie zum Beispiel ein Not-Aus- Befehl, schneller übertragen werden, und zwar ggf. auch als Broadcast-Telegramm.
Außerhalb der speziellen Feldbustechnologie haben Kommunikati- onsnetzwerke auf Basis des so genannten Ethernet-Standards durch das Internet und die Vernetzung von Personalcomputern eine große Verbreitung gefunden. In Ethernet-Netzwerken besitzt jeder Teilnehmer (jede Station) eine individuelle Adresse, die so genannte MAC-Adresse. Grundsätzlich kann jede Station jederzeit eine Nachricht absenden. Jede sendende Station überwacht die Verbindungsleitung daraufhin, ob die gesendete Nachricht auch unverfälscht lesbar ist, was bei einer Kollision mit einer gleichzeitig sendenden Station nicht der Fall wäre. Im Fall einer Kollision sendet jede Station ihre Sendedaten nach Ablauf einer zufällig ausgewählten Zeitspanne erneut. Ethernet- Netzwerke besitzen aufgrund der großen Verbreitung den Vorteil, dass die entsprechenden Hardwarekomponenten sehr kostengünstig sind. Sie bieten jedoch kein deterministisches Zeitverhalten und sind darüber hinaus eher für die azyklische Übertragung von größeren Datenmengen von wenigen angeschlossenen Stationen optimiert. Demgegenüber benötigen Steuerungssystem vor allem eine zyklische Datenübertragung. Aufgrund der kostengünstigen Hardwarekomponenten gibt es jedoch seit einigen Jahren das Bestreben, Ethernet-Technologien auch für die Kommunikation zwischen den Stationen eines Steuerungssystems zum Steuern einer technischen Anlage oder eines technischen Gerätes einzusetzen. Grundlagen und Anbieter von entsprechenden Komponenten sind beispielsweise in der DE-Zeitschrift "Industrial Ethernet" beschrieben, die unter der ISBN 3-8259-1925-0 von der Vogel- Industrie Medien GmbH und Co. KG in 97064 Würzburg erhältlich ist.
Die bislang vorgeschlagenen Ansätze für die Nutzung von Ether- net-Komponenten in automatisierten SteuerungsSystemen sind jedoch nicht optimal. Schwierigkeiten bereitet insbesondere die Übertragung von sicherheitsrelevanten Steuerdaten, wie z.B. die Übertragung eines Not-Aus-Signals, sowie die Übertragung eines von der Steuerungseinheit daraufhin erzeugten Abschaltbefehls für einen Antrieb. Auch eine Datenübertragung mit kurzen Zykluszeiten, die beispielsweise für eine Antriebsregelung benötigt wird, ist schwierig auf Basis von Ethernet-Komponenten zu realisieren.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem sich Daten in einem SteuerungsSystem zum automatisierten Steuern einer Anlage oder eines Gerätes unter hohen Echtzeitanforderungen übertragen lassen. Es ist weiterhin eine Aufgabe der Erfindung, ein Steuerungssystem der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem für die Übertragung von Steuer- und Prozessdaten kommerzielle Komponenten, insbesondere Ethernet-Komponenten, eingesetzt werden können, wobei das System trotzdem die Übertragung von sicherheitsrelevanten Steuer- und Prozessdaten ermöglichen soll.
Diese Aufgabe wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die Stationen fremde Sendedaten aus den Datenfeldern des zurücklaufenden Datenrahmens lesen. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird daher ein Steuerungssystem der eingangs genannten Art vorgeschlagen, bei dem die Stationen dazu ausgebildet sind, fremde Sendedaten aus den Datenfeldern des zurücklaufenden Datenrahmens zu lesen, und bei dem den Stationen die Datenfelder des hinlaufenden Datenrahmens zum Belegen mit eigenen Sendedaten und die Datenfelder des zurücklaufenden Datenrahmens zum Auslesen von fremden Sendedaten individuell zugewiesen sind.
Besonders bevorzugt beinhalten die Stationen dabei zumindest eine Steuerungseinheit, die dazu ausgebildet ist, Prozessdaten zyklisch zu verarbeiten und in Abhängigkeit davon Steuerdaten zu erzeugen, sowie eine Vielzahl von E/A-Baugruppen, die dazu ausgebildet sind, Prozessdaten an die Steuerungseinheit zu senden und Steuerdaten von der Steuerungseinheit zu empfangen. Grundsätzlich kann das neue Verfahren jedoch auch bei anderen SteuerungsSystemen und/oder Kommunikationsnetzwerken eingesetzt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt schlägt die vorliegende Erfindung ein Kommunikationsmodul für eine Station in einem Steuerungs- System der zuvor genannten Art vor, wobei das Kommunikations- modul dazu ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren, mit anderen Worten also ein darauf basierendes Kommunikationsprotokoll, in der Station zu implementieren.
Die vorliegende Erfindung basiert damit auf einem Konzept, wie es grundsätzlich vom Interbus her bekannt ist, nämlich der Erzeugung und Übertragung eines Datenrahmens mit einer Vielzahl von Datenfeldern, wobei der Datenrahmen in einer Reihe von Stationen von einer Station zur nächsten weitergegeben wird. Die Erfindung unterscheidet sich jedoch von dem bekannten Interbus, weil die einzelnen Stationen fremde Sendedaten direkt aus dem zurücklaufenden Datenrahmen lesen, während das Lesen von Daten beim Interbus grundsätzlich nur aus dem hinlaufenden Datenrahmen erfolgt. Bevorzugt lesen die einzelnen Stationen fremde Sendedaten ausschließlich aus dem zurücklaufenden Datenrahmen, und sie legen eigene Sendedaten ausschließlich in die Datenfelder des hinlaufenden Datenrahmens. Abweichend hiervon ist es in einer allgemeineren Ausgestaltung der Erfindung jedoch auch möglich, Ausnahmen von diesem generellen Prinzip zuzulassen.
In der praktischen Implementierung unterscheidet sich die vorliegende Erfindung grundlegend von dem Interbus, der spezifikationsgemäß als großes "Schieberegister" ausgebildet ist. Im Gegensatz dazu ist die vorliegende Erfindung unabhängig von der physikalischen Realisierung des Kommunikationsmediums. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung, auf die weiter unten noch eingegangen wird, ist das Kommunikationsmedium eine Ethernet- kompatible Übertragungsstrecke, und der Datenrahmen ist ein Ethernet-kompatibler Datenrahmen, d.h. ein Datenrahmen, dessen grundsätzlicher Aufbau sich in die Ethernet-Spezifikationen einpasst.
Während der bekannte Interbus für die Übertragung der Daten eine Ringstruktur implementiert, bei der die letzte Station den Datenrahmen logisch direkt an die erste Station zurücksendet, realisiert die vorliegende Erfindung eine Doppellinie, bei der sowohl der hinlaufende als auch der zurücklaufende Datenrahmen sämtliche Stationen logisch durchläuft. Erst dadurch ist es möglich, dass die einzelnen Stationen eigene Sendedaten in die Datenfelder des hinlaufenden Datenrahmens ablegen und fremde Sendedaten aus dem zurücklaufenden Datenrahmen auslesen. Aufgrund dieser Eigenschaft erhält jede Station den umlaufenden Datenrahmen innerhalb eines Übertragungszyklus zweimal. Dadurch ist es möglich, dass ein beliebiger Querverkehr zwischen zwei oder mehr beliebigen Stationen innerhalb eines Übertragungs- zyklus abgeschlossen werden kann. Die vorliegende Erfindung ermöglicht daher eine Datenkommunikation, die hohen Echtzeitanforderungen genügt.
Darüber hinaus ermöglicht die vorliegende Erfindung eine äußerst flexible Kommunikation zwischen beliebigen Stationen. Damit besitzt die vorliegende Erfindung die Vorteile der nachrichtenorientierten Übertragungsverfahren, wie beispielsweise einer CAN-Bus- oder Ethernet-Verbindung.
Mit Hilfe des umlaufenden Datenrahmens und der erfindungsgemäßen Möglichkeit einer direkten Querkommunikation ermöglicht die vorliegende Erfindung eine sehr schnelle und deterministische Kommunikation. Damit ist sie gut geeignet, um auch sicherheitsrelevante Steuerdaten in einer nachfolgend noch näher beschriebenen Weise zu übertragen.
Die oben genannten Aufgaben sind daher vollständig gelöst.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erzeugt die erste Stationen den hinlaufenden Datenrahmen in festgelegten Zeitabständen zyklisch und sendet ihn an die nachfolgende zweite Station. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Zykluszeit, also die Zeit zwischen dem Absenden zweier aufeinanderfolgender, jedoch voneinander unabhängiger Datenrahmen, einstellbar. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Zykluszeit zwischen etwa 60 μs und etwa 6 ms in verschiedenen Zwischenschritten eingestellt werden.
Diese Ausgestaltung ist besonders gut für ein SteuerungsSystem zum automatisierten Steuern von technischen Anlagen oder Geräten geeignet, da Informationen in einem solchen Steuerungssystem üblicherweise zyklisch anfallen. Insbesondere bei kurzen Zykluszeiten, von beispielsweise 62,5 μs, ermöglicht diese Ausgestaltung, die zur Regelung eines Antriebs bei einer Maschine erforderlichen Prozess- und Steuerdaten mit Hilfe des neuen Verfahrens zu übertragen. Mit anderen Worten kann das Steuerungssystem dieser Ausgestaltung in den Regelkreis der AntriebsSteuerung einer Maschine integriert werden, was eine besonders kostengünstige und flexible Automatisierung einer Anlage oder eines Gerätes ermöglicht.
In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet der Datenrahmen zumindest eine erste und eine zweite Gruppe von Datenfeldern, wobei die Datenfelder der ersten Gruppe den einzelnen Stationen über alle Datenrahmen hinweg fest zugewiesen werden, und wobei die Datenfelder der zweiten Gruppe den Stationen auf individuelle Anforderung für jeweils einen Datenrahmen zugewiesen werden.
Diese Ausgestaltung erhöht die Flexibilität bei der Kommunikation und ermöglicht eine Optimierung des Steuerungssystems in Bezug auf Datendurchsatz und Übertragungsgeschwindigkeit. Die erste Gruppe von Datenfeldern kann zum Übertragen von Daten verwendet werden, ohne dass diese um AdressInformationen ergänzt werden müssen. Durch die feste Zuordnung der einzelnen Datenfelder ist nämlich eine Adressstruktur fest vorgegeben. Andererseits ermöglicht es die zweite Gruppe von Datenfeldern, einzelnen Stationen auf Anforderung zusätzliche Übertragungskapazität einzuräumen. Die zweite Gruppe von Datenfeldern ist besonders vorteilhaft zum Übertragen von azyklischen Daten, wie beispielsweise Diagnosedaten. Darüber hinaus können die Datenfelder der zweiten Gruppe auch sehr vorteilhaft dazu verwendet werden, systemfremde Daten über das vorhandene Kommunikationsmedium zu übertragen, beispielsweise Druckerdaten, die von einem PC an einen an das Kommunikationsnetzwerk angeschlossenen Drucker gesendet werden. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt die Vergabe der Datenfelder der zweiten Gruppe unter Verwendung eines Belegt-Flags, das bei jedem neuen Datenrahmen auf den Zustand "Datenfeld(er) frei" zurückgesetzt wird. Eine Station, die ein Datenfeld der zweiten Gruppe belegen möchte, muss dann nur das Belegt-Flag prüfen und ggf. auf „Belegt" setzen. Die azyklische Kommunikation wird vorzugsweise unter Verwendung von an sich bekannten Adressierungsverfahren abgewickelt, wobei die Adressen dann ebenfalls in den Datenfeldern der zweiten Gruppe übertragen werden.
In einer weiteren Ausgestaltung durchläuft der zurücklaufende Datenrahmen die Reihe der Stationen in umgekehrter Reihenfolge wie der hinlaufende Datenrahmen.
Alternativ hierzu wäre es grundsätzlich auch möglich, den zurücklaufenden Datenrahmen in einer anderen Reihenfolge zu führen. Darüber hinaus wäre es grundsätzlich auch möglich, den zurücklaufenden Datenrahmen an mehrere oder alle angeschlossen Stationen gleichzeitig zu versenden, was beispielsweise bei einer Funkstrecke als Übertragungsmedium ohne weiteres möglich ist. Die vorliegende Ausgestaltung besitzt demgegenüber den Vorteil, dass der Verwaltungsaufwand zur Gewährleistung einer fehlerfreien Kommunikation vereinfacht ist. Insbesondere kann die erste Station in der bevorzugten Ausgestaltung sehr leicht überwachen, ob der zurücklaufende Datenrahmen alle angeschlossenen Stationen erreicht hat. Dies ist insbesondere für die Übertragung von sicherheitsrelevanten Daten, wie beispielsweise Not-Aus-Steuerbefehlen, von großer Bedeutung.
In einer weiteren Ausgestaltung überwacht die erste Station, ob der zurücklaufende Datenrahmen innerhalb einer definierten Zeitspanne eintrifft.
Die Überwachung des zurücklaufenden Datenrahmens in der ersten Station ist besonders vorteilhaft für die Übertragung von sicherheitsrelevanten Daten, da sich hierdurch ein Ausfall der Kommunikationsverbindung sehr schnell feststellen lässt. Abhängig von den Echtzeitanforderungen kann die erste Station dann entweder einen Wiederholrahmen initiieren oder eine Fehlerbehandlungsroutine starten.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das Kommunikationsmedium eine Ethernet-kompatible Übertragungsstrecke, und der Datenrahmen ist ein Ethernet-kompatibler Datenrahmen.
Diese Ausgestaltung ermöglicht es, zumindest teilweise auf kommerziell erhältliche und damit sehr kostengünstige Hardwarekomponenten zurückzugreifen. Darüber hinaus ist es in dieser Ausgestaltung sehr leicht möglich, die an sich für Steuerungsaufgaben verwendete Datenübertragungsstrecke auch für andere Zwecke zu nutzen, beispielsweise TCP/IP-kompatible Datenpakete zu übertragen. Infolge dessen lassen sich erhebliche Kosten bei der Vernetzung von Komponenten in einer Werkhalle oder dergleichen einsparen. Charakteristisch an dieser Ausgestaltung ist unter anderem, dass jede Station über eine eigene MAC-Adresse verfügt, was grundsätzlich eine wahlfreie Kommunikation zwischen verschiedenen Stationen ermöglichen würde. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung versendet jede Station jedoch zumindest den hinlaufenden Datenrahmen (und bevorzugt auch den zurücklaufenden Datenrahmen) an jeweils nur genau eine exakt definierte andere Station.
In einer weiteren Ausgestaltung versendet jede Station den hinlaufenden Datenrahmen im so genannten cut-through-Verfahren an die nachfolgende Station der Reihe.
Das cut-through-Verfahren ist für Ethernet-kompatible Übertragungsstrecken spezifiziert und beinhaltet, dass eine Station einen eingehenden Datenrahmen bereits analysiert und weiterleitet, bevor er von der betroffenen Station vollständig empfangen wurde. Durch diese Ausgestaltung wird die Verzögerungszeit zwischen dem Empfangen und Weiterleiten des hinlaufenden Datenrahmens reduziert. Dadurch lässt sich die Zykluszeit des Systems sehr einfach minimieren.
In einer weiteren Ausgestaltung sendet jede Station den hinlaufenden Datenrahmen an genau eine nachfolgende Station. Abweichend hiervon wäre es insbesondere bei der Verwendung von Ethernet-Komponenten grundsätzlich auch möglich, Verzweigungen zu realisieren. Durch die bevorzugte Ausgestaltung wird jedoch die Bildung von Schleifen verhindert. Außerdem werden Kollisionen auf der Übertragungsstrecke ausgeschlossen, wodurch ein deterministisches Zeitverhalten mit sehr kurzen Zykluszeiten realisierbar ist.
In einer weiteren Ausgestaltung erzeugt die erste Station mehrere Datenrahmen und versendet diese in unmittelbarer zeitlicher Abfolge als hinlaufenden Datenrahmen an die nachfolgende zweite Station.
In dieser Ausgestaltung, die auch für sich genommen eine erfinderische Weiterentwicklung gegenüber bekannten Verfahren zum Übertragen von Daten in einem SteuerungsSystem ist, erzeugt und versendet die erste Station mehrere Datenrahmen innerhalb eines Übertragungszyklus. Mit anderen Worten werden innerhalb der Zykluszeit ein erster hinlaufender Datenrahmen sowie unmittelbar folgende weitere Datenrahmen (Folgerahmen) versendet. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, wenn die zyklisch zu übertragende Datenmenge sehr groß ist und andererseits die Länge eines einzelnen Datenrahmens einen bestimmten Maximalwert nicht überschreiten soll. Die vorliegende Ausgestaltung ist daher besonders vorteilhaft, wenn viele zyklische Daten übertragen werden sollen, die verwendeten Datenrahmen jedoch die in der Ethernet-Spezifikation definierten Längen von etwa 1500 Byte nicht überschreiten sollen. In einer weiteren Ausgestaltung werden einzelne Datenfelder eines Datenrahmens wechselweise von zumindest zwei Stationen mit Sendedaten belegt.
Diese Ausgestaltung, die auch für sich genommen eine erfinderische Weiterentwicklung gegenüber bekannten Verfahren zum Übertragen von Daten in einem SteuerungsSystem ist, realisiert einen Multiplexbetrieb, in dem einzelne Datenfelder von einem Zyklus zum nächsten von unterschiedlichen Stationen belegt werden. Dabei sind die jeweiligen Datenfelder jedoch den beteiligten Stationen weiterhin eindeutig zugewiesen. Der Multiplexbetrieb ist besonders vorteilhaft, wenn innerhalb eines Steuerungssystems zyklische Daten mit unterschiedlichen Wiederholgeschwindigkeiten vorliegen. In diesem Fall können sich langsamere Stationen einzelne Datenfelder im Multiplexbetrieb teilen, so dass die insgesamt zur Verfügung stehende Übertragungskapazität optimal ausgenutzt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung belegen einzelne Stationen zumindest ein Datenfeld des Datenrahmens mit Sendedaten, die zu einem Feldbustelegramm kompatibel sind. Besonders bevorzugt ist es, wenn die genannten Sendedaten kompatibel sind zu Telegrammen des CAN-Bus, Profibus und/oder Devicenet.
In dieser Ausgestaltung werden die genannten Feldbus-Telegramme mit dem neuen Verfahren "getunnelt" übertragen. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, bestehende Feldbusnetze und deren Komponenten sehr einfach zu integrieren. Besonders bevorzugt ist es, sicherheitsrelevante Prozess- und Steuerdaten in dieser Weise getunnelt zu übertragen, da in diesem Fall bewährte und zertifizierte bzw. zugelassene Komponenten für die sicherheits- gerichtete Automatisierung genutzt werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung sind den Stationen die Datenfelder des hinlaufenden Datenrahmens zum Belegen mit eigenen Sendedaten und die Datenfelder des zurücklaufenden Datenrahmens zum Auslesen von fremden Sendedaten individuell zugewiesen.
Diese Ausgestaltung ermöglicht eine sehr flexible und schnelle Übertragung von Informationen zwischen beliebigen Stationen an dem Kommunikationsmedium. Insbesondere ist es in dieser Ausgestaltung sehr leicht möglich, dass eine Station Informationen bzw. Daten von mehreren anderen Stationen in einem Übertragungszyklus empfängt. Die Station muss dazu lediglich die einzelnen Daten individuell aus dem zurücklaufenden Datenrahmen entnehmen.
In einer weiteren Ausgestaltung, die auch für sich genommen eine erfinderische Weiterentwicklung gegenüber bekannten Verfahren zum Übertragen von Daten in einem SteuerungsSystem ist, lesen die Stationen die fremden Sendedaten aus dem zurücklaufenden Datenrahmen (oder aus verschiedenen zurücklaufenden Datenrahmen) aus und sortieren sie zu einem stationsspezifischen Datenwort um. Dementsprechend beinhaltet jede Station ein Kommunikationsmodul der oben genannten Art, mit einem Datensortierer, der dazu ausgebildet ist, fremde Sendedaten aus dem zurücklaufenden Datenrahmen zu einem stationsspezifischen Datenwort umzusortieren.
Alternativ hierzu wäre es beispielsweise auch möglich, die fremden Sendedaten schon beim Sender bzw. beim Senden in einer für den oder die Empfänger sinnvollen Art zusammenzustellen. Die bevorzugte Ausgestaltung besitzt demgegenüber eine größere Flexibilität, weil sich jede empfangende Station die für sie relevanten fremden Sendedaten individuell so zusammenstellten kann, dass die nachfolgende Datenverarbeitung in der empfangenden Station optimal durchgeführt werden kann. Insbesondere können Sendedaten so in unterschiedlichen, stationsspezifischen Kombinationen mehrfach unterschiedlich zusammengestellt werden. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die empfängerspezifische Datensortierung in dem Kommunikationsmodul, also auf einer sehr niedrigen Ebene des OSI-Referenzmodells erfolgt, weil höher liegende Applikationen der empfangenden Station die umsortierten Daten dann sehr schnell und komfortabel verarbeiten können. Dies ermöglicht eine breite InterOperabilität. Darüber hinaus ist diese Ausgestaltung besonders vorteilhaft in Kombination mit der Verwendung von Folgerahmen und/oder der Verwendung eines Multiplexbetriebs der oben beschriebenen Art, weil die Zusammenstellung der Sendedaten über mehrere zurücklaufende Datenrahmen hinweg wesentlich vereinfacht wird.
In einer weiteren Ausgestaltung erzeugt die erste Station jeden hinlaufenden Datenrahmen mit einer Vielzahl von Statusfeidern, wobei jeder zweiten Station zumindest ein Statusfeld zugewiesen wird, und wobei jede zweite Station ihr Statusfeld bei jedem Durchlauf des hinlaufenden Datenrahmens ändert.
Mit Hilfe derartiger Statusfelder lässt sich auf sehr einfache Weise eine Lebensüberwachung realisieren. Dadurch, dass jede Station ihr Statusfeld beim Durchlauf ändert, kann die erste Station am Ende jedes Zyklus kontrollieren, ob die ursprünglich vorhandenen zweiten Stationen noch vorhanden und aktiv sind. Die Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, wenn mit Hilfe des neuen Verfahrens sicherheitsrelevante Prozess- und Steuerdaten übertragen werden sollen, da der Ausfall einer sicherheitsrelevanten Station einen sicherheitskritischen Zustand darstellt und eine entsprechende Fehlermeldung oder Fehlerbehandlungsroutine gestartet werden muss.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des neuen SteuerungsSystems in einer schematischen Darstellung,
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel des neuen Steuerungssystems in einer schematischen Darstellung,
Fig. 3 ein symbolisches Diagramm zur Erläuterung des neuen Verfahrens,
Fig. 4 Zeitdiagramme, die verschiedene Betriebsarten des neuen Steuerungssystems bzw. verschiedene Ausführungsbeispiele des neuen Verfahrens zeigen, Fig. 5 mehrere Ethernet-Telegramme, die in einem Ausführungsbeispiel des neuen Verfahrens zeitlich hintereinander gesendet werden,
Fig. 6 mehrere Ethernet-Telegramme, die in einem weiteren Ausführungsbeispiel des neuen Verfahrens zeitlich hintereinander gesendet werden,
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Station aus dem neuen Steuerungssystem, und
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, bei dem die Daten beim Auslesen aus. den zurücklaufenden Datenrahmen umsortiert werden.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel des neuen Steuerungssystems in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
Das SteuerungsSystem 10 beinhaltet eine Steuereinheit 12, beispielsweise in Form einer speicherprogrammierbaren Steuerung, die hier als PLC (programmable logic Controller) bezeichnet ist. Alternativ hierzu könnte es sich auch um eine andere Steuereinheit handelt, beispielsweise ein Industrie-PC. Die Steuereinheit 12 übernimmt auf der Anwendungsebene die Steuerung einer hier nicht näher dargestellten technischen Anlage, wie z.B. einer Fertigungs- oder Förderanlage. Dazu verarbeitet sie Prozess- oder Zustandsdaten der Anlage, die mit Hilfe von Sensoren erfasst werden, und sie erzeugt Steuerdaten, mit denen Aktoren betätigt werden. Für die Kommunikation mit den Sensoren und Aktoren bedient sich die Steuereinheit 12 eines Kommunika- tionsnetzwerkes, das in der nachfolgend beschriebenen Weise ein Ausführungsbeispiel des neuen Verfahrens implementiert.
Für die Kommunikation mit den dezentralen Sensoren und Aktoren besitzt die Steuereinheit 12 hier einen so genannten Busmanager 14, der eine erste Station im Sinne der vorliegenden Erfindung ist. In anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der Busmanager getrennt von der Steuereinheit 12 implementiert sein. Die Steuereinheit 12 könnte in diesem Fall ein Kommunikationsmodul beinhalten, mit dessen Hilfe sie als zweite Station im Sinne der vorliegenden Erfindung an das Kommunikationsnetzwerk angeschlossen ist.
Das Steuerungssystem 10 beinhaltet ferner eine Vielzahl von Stationen 16, 18, 20, 22, 24, wobei die Stationen 16-22 zweite Stationen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind, während die Station 24 in diesem Ausführungsbeispiel eine letzte Station im Sinne der Erfindung ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Stationen 16-24 jeweils E/A-Baugruppen, die dazu ausgebildet sind, Eingangssignale von Sensoren aufzunehmen und Steuersignale an Aktoren abzugeben.
Der Busmanager 14 (und damit die Steuereinheit 12) ist über ein Kommunikationsmedium 26 mit den Stationen 16 bis 24 verbunden. Dabei beinhaltet das Kommunikationsmedium 26 in diesem Fall einen Switch 28, der hier beispielhaft für eine mögliche Realisierung dargestellt ist. Konkret ist der Busmanager. 14 hier über ein Ethernet-Kabel mit einem Anschluss des Switches 28 verbunden. Ein zweiter Anschluss des Switches 28 ist über ein weiteres Ethernet-Kabel mit einem ersten Anschluss der Station 16 verbunden. Ein zweiter Anschluss der Station 16 ist über ein weiteres Ethernet-Kabel mit einem ersten Anschluss der Station 18 verbunden. Schließlich ist die Station 18 über einen zweiten Anschluss und ein weiteres Ethernet-Kabel mit der Station 20 verbunden. Der Busmanager 14, der Switch 28 und die Stationen 16-20 sind damit physikalisch in einer Reihe angeordnet, wobei jeder Teilnehmer über eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung mit seinem Nachbarn in der Reihe verbunden ist.
Der Switch 28 ist in diesem Ausführungsbeispiel ferner über einen dritten Anschluss und ein weiteres Ethernet-Kabel mit der Station 22 sowie über einen vierten Anschluss und ein weiteres Ethernet-Kabel mit der Station 24 verbunden. Das Kommunikationsnetzwerk des Steuerungssystems 10 besitzt damit in diesem Ausführungsbeispiel eine Mischform von einer Reihen- und einer Stern-Topologie. Logisch sind jedoch sämtliche Stationen 16-24 und der Busmanager 14 in einer Reihe angeordnet, wie nachfolgend noch weiter erläutert ist.
In diesem vereinfachten Ausführungsbeispiel ist an die Station 16 eine Schutztür 30 angeschlossen. Dabei handelt es sich um einen Sensor, mit dessen Hilfe der Öffnungs- oder Schließzustand einer Schutztür überwacht werden kann. In ähnlicher Weise ist an die Station 18 ein Not-Aus-Taster 32 und an die Station 20 ein Lichtgitter 34 angeschlossen. Die drei genannten Sensoren 30, 32, 34 sind typische Beispiele von Sensoren zur Absicherung einer automatisiert arbeitenden Anlage. Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung von solchen Sicherheitssensoren beschränkt ist, d.h. an die Stationen 16-20 können gleichermaßen auch Sensoren für Standardsteuerungsaufgaben angeschlossen sein. An die Stationen 22 und 24 sind hier beispielhaft Magnetventile 36, 38 sowie ein Antrieb 40 angeschlossen. Hierbei handelt es sich um typische Aktoren, die bei einer automatisiert gesteuerten Anlage Verwendung finden, wenngleich die vorliegende Erfindung nicht auf diese Aktoren beschränkt ist.
Die Verbindung der einzelnen Stationen mit dem Busmanager und dem Switch ist in diesem Ausführungsbeispiel über Ethernet- Kabel CAT5 realisiert. Dementsprechend sind die einzelnen Anschlüsse 42 der Stationen, des Busmanagers und des Switches als RJ45-Anschlüsse 42 realisiert. In anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung können jedoch auch andere Leitungen, beispielsweise Glasfaserkabel, oder auch Funkstrecken (z.B. WLAN) zum Einsatz kommen.
Gemäß dem neuen Verfahren erzeugt der Busmanager 14 in regelmäßigen Zeitabständen ein Bustelegramm 44, das einen Datenrahmen 46 mit einer Vielzahl von Datenfeldern (hier nicht gesondert gezeigt) beinhaltet. In dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 ist das Bustelegramm 44 ein Ethernet-kompatibles Telegramm mit einem Ethernet-Header am Anfang und einer abschließenden Prüfsumme. Der vom Ethernet-Telegramm zur Verfügung gestellte Datenbereich ist der Datenrahmen 46.
Der Busmanager 14 versendet das Bustelegramm 44 an die Station 16, die ihm in der logischen Reihe nachfolgt. Dabei adressiert er die Station 16 in der vom Ethernet bekannten Weise über ihre MAC-Adresse. Die Station 16 empfängt das Bustelegramm 44, belegt ein ihr zugewiesenes Datenfeld in einer nachfolgend beschriebenen Weise mit Sendedaten und sendet den Datenrahmen 46 mit einem neuen Ethernet-kompatiblen Bustelegramm (hier nicht gezeigt) an die nächstfolgende Station 18. Dabei adressiert die Station 16 die Station 18 wiederum über deren MAC-Adresse. In gleicher Weise überträgt die Station 18 den Datenrahmen an die Station 20. Die Station 20 sendet den Datenrahmen als nächstes an die Station 22. Von dort wird der Datenrahmen an die Station 24 weitergesendet, und anschließend läuft der Datenrahmen 24 in umgekehrter Reihenfolge durch die Stationen 22 bis 16 und anschließend zum Busmaster 14. Die Weitergabe des Datenrahmens 46 erfolgt dabei von einer Station zur nächsten unter Verwendung der jeweiligen MAC-Adresse der Zielstation. Der Switch 28 ist transparent, d.h. er ist zwar physisch vorhanden, leitet den Datenrahmen 46 jedoch lediglich von der jeweils sendenden Station an die adressierte Empfängerstation, ohne dass der Datenrahmen 46 dabei verändert wird.
Fig. 2 zeigt die Weitergabe des Datenrahmens 46 von einer Station zur nächsten und zurück in einem vereinfachten Ausführungsbeispiel, in dem die physikalische Topologie des Kommunikationsnetzwerkes auch der logischen Reihe entspricht. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei dieselben Elemente wie zuvor.
Der Datenrahmen 46 wird zunächst vom Busmanager 14 an die Station 16 gesendet, wobei der Busmanager 14 die Station 16 über ihre MAC-Adresse adressiert. Die Station 16 belegt ein ihr zugewiesenes Datenfeld innerhalb des Datenrahmens 46 mit Sendedaten und sendet einen Datenrahmen 46' mit den neuen Sendedaten an die Station 18. Die Station 18 legt ihre Sendedaten in ein ihr zugewiesenes Datenfeld und sendet einen Datenrahmen 46" mit den Sendedaten der Station 16 und der Station 18 an die Station 20. Die Station 20 belegt ein ihr zugewiesenes Datenfeld mit ihren Sendedaten und sendet einen Datenrahmen 46'" mit allen Sendedaten wieder an die Station 18 zurück. Auf dem Rückweg durchläuft der Datenrahmen 46"' sämtliche Stationen, bis er beim Busmanager 14 ankommt. Jede Station einschließlich des Busmanagers kann dadurch fremde Sendedaten der anderen Stationen lesen, sofern dies entsprechend konfiguriert ist.
Die Zuweisung, welche Datenfelder die einzelnen Stationen 16 bis 20 mit eigenen Sendedaten belegen dürfen, und welche Datenfelder mit fremden Sendedaten die Stationen 16 bis 20 und der Busmanager 14 auslesen dürfen, wird in einem Konfigurations- modus vor Aufnahme des Steuerungsbetriebes individuell eingestellt, was durch Blockpfeile 48 symbolisch dargestellt ist.
Fig. 3 zeigt den zyklischen Umlauf des Datenrahmens 46 und die Belegung sowie das Auslesen einzelner Datenfelder in einer symbolischen Darstellung. Der Datenrahmen 46 ist hier als Kreissegment mit acht Datenfeldern 50 unterschiedlicher Größe dargestellt. Jeder der hier acht Stationen ist ein Datenfeld 50 exklusiv zum Belegen mit Sendedaten zugewiesen. Beispielsweise belegt die Station 18 das Datenfeld 2 mit Sendedaten, die Station 20 belegt das Datenfeld 3, und die Station 22 belegt das Datenfeld 4. Das Belegen der Datenfelder 50 mit Sendedaten erfolgt jeweils dann, wenn die Stationen den Datenrahmen 46 von der vorhergehenden Station empfangen haben und bevor oder während die Stationen den Datenrahmen 46 an die nachfolgende Station weitersenden. Das Empfangen und Weitersenden des Datenrahmens 46 ist anhand des Pfeils 52 symbolisch dargestellt.
Wenn der mit allen Sendedaten belegte Datenrahmen 46 von der letzten Station 24 in umgekehrter Richtung zurückgesendet wird (Pfeil 54), können die einzelnen Stationen fremde Sendedaten aus den anderen Datenfeldern auslesen. Beispielhaft zeigt Fig. 3, dass die Station 18 Sendedaten aus dem Datenfeld 1, also Sendedaten der Station 16, ausliest. Die Station 20 liest hier Sendedaten aus den Datenfeldern 2 und 5 und die Station 22 aus dem Datenfeld 7. Wenn der Datenrahmen 46 einmal vom Busmanager 14 zur letzten Station 24 und wieder zurück gesendet wurde, haben alle beteiligten Stationen die Möglichkeit gehabt, eigene Sendedaten zu versenden und fremde Sendedaten auszulesen.
Fig. 4 zeigt die zeitliche Abfolge beim Versenden der Datenrahmen 46 in verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung. Bei Bezugsziffer 60 ist die Länge eines Datenrahmens 46 (genau genommen eines Bustelegramms 44, das den Datenrahmen 46 beinhaltet) angegeben. Bezugsziffer 62 bezeichnet die Zykluszeit, d.h. die Zeit zwischen dem Erzeugen zweier aufeinanderfolgender, jedoch voneinander unabhängiger Datenrahmen 46.
Fig. 4A zeigt ein Zeitdiagramm, bei dem in jeder Zykluszeit 62 genau ein Datenrahmen 46 erzeugt und versendet wird. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung muss der Datenrahmen 46 auch innerhalb der Zykluszeit 62 wieder beim Bus- manager 14 eintreffen, so dass der Busmanager 14 gegebenenfalls einen Wiederholrahmen in der nächsten Zykluszeit 62 versenden kann. Diese bevorzugte Ausführung besitzt den Vorteil, dass auf den Verbindungsstrecken zwischen den einzelnen Stationen stets jeweils nur ein Bustelegramm 44 unterwegs ist, wodurch Ether- net-typische Kollisionen vermieden sind. Alternativ hierzu ist es jedoch grundsätzlich möglich, einen zweiten Datenrahmen 46b schon zu versenden, bevor der erste Datenrahmen 46a wieder beim Busmanager 14 ankommt. Fig. 4B zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem der Busmanager 14 in jeder Zykluszeit 62 zwei unmittelbar aufeinanderfolgende Datenrahmen 46, 64 erzeugt und versendet. Der jeweils zweite Datenrahmen 64 ist ein so genannter Folgerahmen, der mit einem eigenen Bustelegramm versendet wird. Logisch gehören die beiden Datenrahmen 46, 64 jedoch zusammen, d.h. die Aufteilung in zwei getrennte Rahmen 46, 64 geschieht hier nur, um die Telegrammbreite der Ethernet-Spezifikation einzuhalten, selbst wenn die Anzahl der im Ethernet-Telegramm zur Verfügung gestellten Datenwörter (typischerweise 1500 Byte) nicht ausreicht, um für alle angeschlossen Stationen die benötigten Datenfelder bereitzustellen.
Fig. 4C zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem einzelne Datenfelder 50 im Multiplexbetrieb genutzt werden. In einem ersten Übertragungszyklus wird das Datenfeld 50a beispielsweise von der Station 18 mit Sendedaten belegt. Im nachfolgenden Übertragungszyklus wird dasselbe Datenfeld (nun als 50b bezeichnet) statt dessen von der Station 20 mit Sendedaten belegt. Im dritten Übertragungszyklus belegt wiederum die Station 18 das Datenfeld 50a usw. Gleichzeitig können die übrigen Datenfelder des Datenrahmens 46 anderen Stationen alleine zugewiesen sein. Wie bereits erwähnt, ist es mit Hilfe des Multiplexbetriebes möglich, einzelnen Stationen zeitlich enger aufeinanderfolgende Übertragungszyklen zu ermöglichen als anderen Stationen.
Fig. 4D zeigt ein Ausführungsbeispiel, das sowohl von Folgerahmen gemäß 4B als auch von dem Multiplexbetrieb gemäß 4C Gebrauch macht. Bevorzugterweise werden die Datenfelder des Multiplexbetriebs dabei nur in den Folgerahmen 64 übertragen. Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel des neuen Verfahrens, bei dem verschiedene Ethernet-Bustelegramme 44a, 44b und 44c über das Kommunikationsmedium 26 übertragen werden. Jedes Ethernet- Bustelegramm besitzt in bekannter Weise einen Ethernet-Header 70 und eine Prüfsumme 72. Der Ethernet-Header 70 beinhaltet unter anderem die MAC-Adressen des Senders und des Empfängers, wie dies für Ethernet-kompatible Kommunikationsmedien spezifiziert ist. Im Datenbereich des Ethernet-Telegramms sind die Datenfelder 50 untergebracht, die den einzelnen Stationen individuell zugeordnet sind. Die Datenfelder 50 sind in Fig. 5 nicht getrennt dargestellt, jedoch mit dem Begriff "zyklisch" bezeichnet, da die individuell zugewiesenen Datenfelder vorzugsweise für die zyklische Übertragung von Daten in jedem n- ten Bustelegramm mit n = 1, 2, 3 ... verwendet werden. Darüber hinaus beinhaltet das Bustelegramm 44 hier in seinem Datenbereich einen azyklischen Datenbereich 74. Den azyklischen Datenbereich können die einzelnen Stationen auf Anforderung mit Sendedaten belegen. Wenn der azyklische Datenbereich 74 von einer Station mit Sendedaten belegt wurde, wird dies über ein Belegtflag (hier nicht dargestellt) signalisiert, welches beispielsweise zu Beginn des azyklischen Bereichs vorgesehen sein kann. Eine Station, die Daten in dem azyklischen Datenbereich 74 versenden möchte, kann dies daher nur dann tun, wenn der azyklische Datenbereich 74 nicht bereits von einer vorhergehenden Station belegt ist. Letzteres kann anhand des Belegtflags (nicht dargestellt) einfach erkannt werden.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung können zwischen zwei derartigen Ethernet-Bustelegrammen 44a, 44c weitere Ethernet-Bustelegramme 44b übertragen werden, wobei die weiteren Telegramme 44b beispielsweise eine Proto- kollstruktur gemäß TCP/IP einhalten. Auf diese Weise können neben den Steuerdaten für das Steuerungssystem 10 auch andere Daten übertragen werden. Beispielsweise kann so ein an das Kommunikationsmedium 26 angeschlossener PC Druckerdaten an einen ebenfalls an das Kommunikationsmedium angeschlossenen Drucker übertragen, wobei diese Daten vollkommen unabhängig von den Steuerdaten sein können.
Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, wie Steuerdaten und andere Daten gemeinsam über das Kommunikationsmedium 26 übertragen werden können. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 werden die TCP/IP-kompätiblen Daten hier in dem azyklischen Datenbereich 74 jedes Bustelegramms 44a, 44b, 44c übertragen. Diese Alternative ist besonders bevorzugt, wenn die Zykluszeit des Systems eine gesonderte Übertragung von herkömmlichen Ethernet-Telegrammen nicht oder nur bei erhöhtem Kollisionsrisiko zulässt. Die Datenfelder 50 für die zyklische Übertragung von Steuerdaten werden jedoch in den bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung stets für die jeweiligen Stationen, denen die Datenfelder 50 individuell zugewiesen sind, freigehalten.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel beinhalten die Bustelegramme 44 in den Darstellungen der Fig. 5 und 6 noch einen weiteren Datenbereich 76, der dazu verwendet wird, Telegrammdaten zu übertragen, die zu einem herkömmlichen Feldbustelegramm kompatibel sind. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel werden in dem Datenbereich 76 Sendedaten übertragen, die den Spezifikationen des sogenannten SafetyBUS p entsprechen. Hierbei handelt es sich um ein spezielles Bussystem auf Basis des CAN-Bus (CAN-kompatibel) , bei dem durch eine zusätzliche Protokollebene die Übertragung von sicherheitsrelevanten Steuerdaten möglich ist. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel werden in den Datenfeldern 50 Steuerdaten für Standard-Steueraufgaben übertragen, in dem Datenbereich 74 werden SafetyBUS p-kompatible sicherheitsrelevante Steuerdaten, wie z.B. die Zustandsinformationen der Sicherheitssensoren 30, 32, 34 sowie Stoppbefehle für die Aktoren 36 bis 40 übertragen, und in dem Datenbereich 74 werden Diagnosedaten übertragen, die die einzelnen Stationen jeweils nur auf individuelle Anforderung versenden.
Fig. 7 zeigt in einem vereinfachten Blockschaltbild den strukturellen Aufbau einer einzelnen Station, wie z.B. der Station 16. Bezugsziffer 80 bezeichnet einen Microcontroller, der stellvertretend für die Anwendungsebene der Station 16 steht. Der Microcontroller implementiert die Funktion der Station 16 innerhalb des Steuerungssystems 10, in diesem Fall also die Funktion der E/A-Baugruppe. Anstelle eines Microcontrollers kann hier auch eine andere Komponente verwendet werden, die eine applikationsspezifische Aufgabe erfüllt, beispielsweise ein PC oder ein anwendungsspezifisches IC (ASIC) .
Die Applikation 80 kommuniziert mit einem Kommunikationsmodul 82, das dazu ausgebildet ist, das Kommunikationsprotokoll gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zu implementieren. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem das Kommunikationsmedium 26 eine Ethernet-kompatible Übertragungsstrecke ist, ist das Kommunikationsmodul 82 über zwei Anschlüsse 84, 86 mit jeweils einem Protokollbaustein 88, 90 verbunden. Die Protokollbausteine 88, 90 führen auf die RJ45-Anschlüsse 42 und erzeugen die Ethernet-kompatiblen Bustelegramme 44, in die die Datenrahmen 46 gemäß der vorliegenden Erfindung eingebettet sind. Die Datenrahmen 46 sowie die Datenbereiche 74, 76 (sofern verwendet) werden von dem Kommunikationsmodul 82 erzeugt. Des Weiteren beinhaltet jede Station 16 einen Speicher 92, in dem unter anderem die Konfigurationsdaten abgelegt sind, mit denen jeder Station Datenfelder 50 zum Schreiben und Lesen von eigenen bzw. fremden Sendedaten zugewiesen werden. Ein Oszillator 94 erzeugt einen Referenztakt.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 ist das Kommunikations- iuodul 82 als ASIC realisiert, was insbesondere für kurze Zykluszeiten von beispielsweise 62,5 μs oder 125 μs bevorzugt ist. Alternativ hierzu kann das Kommunikationsmodul 82 auch als Softwarebaustein realisiert sein, der auf einer geeigneten Hardwareplattform abläuft. Letzteres ist insbesondere bei längeren Zykluszeiten von beispielsweise 1 ms oder 5 ms bevorzugt.
Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, bei die Sendedaten aus zwei aufeinanderfolgenden, zurücklaufenden Datenrahmen 46, 64 beim Auslesen so umsortiert bzw. neu zusammengestellt werden, dass sie in einer für die Applikation 100 optimal verarbeitbaren Form vorliegen. Die ausgelesenen Sendedaten werden dazu in einem Datensortierer 102 zu einem neuen Datenwort oder Datenrahmen 104 zusammengestellt, auf den die Applikation 100 zugreift. Der Datensortierer verwendet dazu eine Sortiertabelle 106, die er bei der Initialisierung des Systems vom Busmanager 14 zugewiesen bekommt. Wie anhand der verschiedenen Muster dargestellt ist, kann der Datensortierer 102 einzelne Sendedaten aus aufeinanderfolgenden zurücklaufenden Datenrahmen 46, 64 auslesen und in einem neuen Datenwort 104 zusammenstellen, was einen besonders vorteilhaften Betrieb mit Folgerahmen ermöglicht. Des weiteren kann der Datensortierer 102 auch die im Multiplexbetrieb wechselweise belegten Datenfelder jeweils richtig zuordnen. Hierzu dienen ihm ein Datenrahmenzähler (Frame Counter FC) und ein Zykluszähler (hier nicht dargestellt). Der erste zählt bzw. identifiziert die aufeinanderfolgenden Folgerahmen innerhalb eines Übertragungszyklus, der zweite unterscheidet Datenrahmen aus unterschiedlichen Übertragungszyklen.
Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung wurden anhand eines Ethernet-kompatiblen Kommunikationsmediums erläutert. Dies ist vor allem deshalb bevorzugt, weil Ethernet eine verbreitete Kommunikationsplattform ist und die benötigten Hardware- und Softwarekomponenten daher kommerziell sehr günstig zur Verfügung stehen. Alternativ hierzu kann die vorliegende Erfindung grundsätzlich jedoch auch auf anderen Kommunikationsmedien implementiert werden.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Übertragen von Daten in einem Steuerungssystem (10) mit einer Vielzahl von räumlich verteilten Stationen (14-24), die über ein Kommunikationsmedium (26) miteinander verbunden sind, wobei die Stationen (14-24) logisch in einer Reihe angeordnet sind, die eine erste Station (14), zumindest eine zweite Station (16-22) und eine letzte Station (24) definiert, mit den Schritten:
- die erste Station (14) erzeugt einen Datenrahmen (46) mit einer Vielzahl von Datenfeldern (50), wobei jeder zweiten Station (16-22; 16-18) und der letzten Station (24; 20) zumindest ein Datenfeld (50) zum Belegen mit Sendedaten eindeutig zugewiesen ist,
- die erste Station (14) sendet den Datenrahmen (46) als hinlaufenden Datenrahmen (461, 46") an diejenige zweite Station (16), die der ersten Station (14) in der Reihe nachfolgt,
- jede zweite Station (16-22; 16-18) empfängt den hinlaufenden Datenrahmen (461, 46") von der jeweils vorhergehenden Station in der Reihe, belegt ein ihr zugewiesenes Datenfeld (50) mit Sendedaten und sendet den hinlaufenden Datenrahmen (46', 46") mit den Sendedaten an die in der Reihe nachfolgende Station, und
- die letzte Station (24; 20) empfängt den hinlaufenden Datenrahmen (46") von der vorhergehenden Station in der Reihe, belegt ein ihr zugewiesenes Datenfeld (50) mit letzten Sendedaten und sendet den Datenrahmen mit allen Sendedaten als zurücklaufenden Datenrahmen (46'") an die Reihe der Stationen zurück,
dadurch gekennzeichnet, dass die Stationen (14-24) fremde Sendedaten aus den Datenfeldern (50) des zurücklaufenden Datenrahmens (46'") lesen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Station (14) den hinlaufenden Datenrahmen (46) in festgelegten Zeitabständen (62) zyklisch erzeugt und an die nachfolgende zweite Station (16) absendet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenrahmen (46) zumindest eine erste und eine zweite Gruppe von Datenfeldern (50, 74) beinhaltet, wobei die Datenfelder der ersten Gruppe (50) den einzelnen Stationen (14-24) über alle Datenrahmen (46) hinweg fest zugewiesen werden und wobei die Datenfelder (74) der zweiten Gruppe den Stationen (14-24) auf individuelle Anforderung für jeweils einen Datenrahmen (46) zugewiesen werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zurücklaufende Datenrahmen (46'") die Reihe der Stationen (14-24) in umgekehrter Reihenfolge durchläuft wie der hinlaufende Datenrahmen (46', 46").
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Station (14) überwacht, ob der zurücklaufende Datenrahmen (46'") innerhalb einer definierten Zeitspanne eintrifft.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikationsmedium (26) eine Ethernet-kompatible Übertragungsstrecke ist, und dass der Datenrahmen (46) ein Ethernet-kompatibler Datenrahmen ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest jede zweite Station (16-22) den hinlaufenden Datenrahmen (46) im cut-through-Verfahren an die nachfolgende Station der Reihe versendet.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede Station (14-24) den hinlaufenden Datenrahmen (46) an genau eine nachfolgende Station sendet.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Station (14) mehrere Datenrahmen (46, 64) erzeugt und in unmittelbarer zeitlicher Abfolge als hinlaufende Datenrahmen an die nachfolgende zweite Station (16) versendet.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Datenfelder (50a, 50b) wechselweise von zumindest zwei Stationen mit Sendedaten belegt werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Stationen (14-24) zumindest ein Datenfeld (76) des Datenrahmens mit Sendedaten belegen, die zu einem Feldbustelegramm kompatibel sind.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass den Stationen (14-24) die Datenfelder des hinlaufenden Datenrahmens (461, 46") zum Belegen mit eigenen Sendedaten und die Datenfelder des zurücklaufenden Datenrahmens (46'") zum Auslesen von fremden Sendedaten individuell zugewiesen werden (48).
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stationen (14-24) die fremden Sendedaten aus dem zurücklaufenden Datenrahmen (46"') auslesen und zu einem stationsspezifischen Datenwort umsortieren.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Station (14) jeden hinlaufenden Datenrahmen (46) mit einer Vielzahl von Statusfeldern erzeugt, wobei jeder zweiten Station (16-22) zumindest ein Statusfeld zugewiesen wird, und wobei jede zweite Station (16-22) ihr Statusfeld beim Durchlauf des hinlaufenden Datenrahmens (46) ändert.
15. SteuerungsSystem zum automatisierten Steuern von Anlagen oder Geräten, mit einer Vielzahl von räumlich verteilten Stationen (14-24), die über ein Kommunikationsmedium (26) miteinander verbunden sind, wobei die Stationen (14-24) logisch in einer Reihe angeordnet sind, die eine erste Station (14), zumindest eine zweite Station (16-22) und eine letzte Station (24) definiert,
wobei die erste Station (14) dazu ausgebildet ist, einen Datenrahmen (46) mit einer Vielzahl von Datenfeldern (50) zu erzeugen,, wobei jeder zweiten Station (16-22; 16-18) und der letzten Station (24; 20) zumindest ein Datenfeld (50) zum Belegen mit Sendedaten eindeutig zugewiesen ist,
wobei die erste Station (14) ferner dazu ausgebildet ist, den Datenrahmen (46) als hinlaufenden Datenrahmen (46', 46") an diejenige zweite Station (16) zu senden, die der ersten Station (14) in der Reihe nachfolgt,
wobei jede zweite Station (16-22; 16-18) dazu ausgebildet ist, den hinlaufenden Datenrahmen (461, 46") von der jeweils vorhergehenden Station in der Reihe zu empfangen, ein ihr zugewiesenes Datenfeld (50) mit Sendedaten zu belegen und den hinlaufenden Datenrahmen (46', 46") mit den Sendedaten an die in der Reihe nachfolgende Station zu senden, und
wobei die letzte Station (24; 20) dazu ausgebildet ist, den hinlaufenden Datenrahmen (46', 46") von der vorhergehenden Station in der Reihe zu empfangen, ein ihr zugewiesenes Datenfeld mit letzten Sendedaten zu belegen und den Datenrahmen mit allen Sendedaten als zurücklaufenden Datenrahmen (46'") an die Reihe der Stationen zurückzusenden,
dadurch gekennzeichnet, dass die Stationen (14-24) dazu ausgebildet sind, fremde Sendedaten aus den Datenfeldern (50) des zurücklaufenden Datenrahmens (46"') zu lesen.
16. SteuerungsSystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Stationen zumindest eine Steuereinheit (12) beinhalten, die dazu ausgebildet ist, Prozessdaten zyklisch zu verarbeiten und in Abhängigkeit davon Steuerdaten zu erzeugen, sowie eine Vielzahl von E/A-Baugruppen (14-24), die dazu ausgebildet sind, Prozessdaten an die Steuereinheit (12) zu senden und Steuerdaten von der Steuereinheit (12) zu empfangen.
17. Kommunikationsmodul (82) für eine Station in einem Steuerungssystem nach Anspruch 15 oder 16, wobei das Kommunikationsmodul (82) dazu ausgebildet ist, einen hinlaufenden Datenrahmen (461, 46") zu empfangen und mit Sendedaten zu belegen, sowie Sendedaten aus einem zurücklaufenden Datenrahmen (46'") auszulesen und den zurücklaufenden Datenrahmen (46'") weiterzusenden.
18. Kommunikationsmodul (82) für eine Station in einem Steuerungssystem nach Anspruch 15 oder 16, wobei das Kommunikationsmodul (82) dazu ausgebildet ist, einen hinlaufenden Datenrahmen (46', 46") zu erzeugen und an eine nachfolgende Station (16) zu senden.
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