WO2021037436A1 - Diagnose- und/oder parameterdaten-übertragung zwischen steuermodul und eingabe/ausgabe-modul - Google Patents

Diagnose- und/oder parameterdaten-übertragung zwischen steuermodul und eingabe/ausgabe-modul Download PDF

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data
telegrams
control module
control
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PCT/EP2020/070415
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Alexander BÜLOW
Markus Weidner
Michael LANGREDER
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WAGO Verwaltungsgesellschaft mit beschränkter Haftung
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    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/042—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors
    • G—PHYSICS
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    • Y02P90/02—Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]

Definitions

  • the present invention relates to a system with a control module, an input / output module (I / O module) and a plurality of sensors and / or actuators, the I / O module being set up cyclically on the basis of a parameter set derive a status data set from measurement signals of the sensors and / or cyclically derive control signals for controlling the actuators from a control data set and the control module is set up to receive first telegrams of constant size cyclically, each with a status data set from the I / O module and / or second telegrams more constant Size to be sent to the I / O module with one control data record each.
  • An I / O module as it is used in field bus systems, for example, can typically be parameterized with regard to its behavior when processing process data. Furthermore, data relating to the processing of the process data can often be obtained from an I / O module and used to locate errors (diagnostic data). However, both the provision of a parameter set and the provision of diagnostic data often require (manual) maintenance intervention, which is associated with additional effort and possibly a pause in the productive operation of the I / O module.
  • an I / O module is a safety-related I / O module, ie an I / O module in which the avoidance of errors (possibly by reducing manual "error-prone” Interventions), the detection of errors during operation (if necessary through the evaluation of diagnostic data) and the correction of errors (if necessary by changing the parameter set) are of particular importance and are usually also subject to certain regulatory requirements.
  • the present invention is based on the object of improving the state of the art.
  • a system comprises a multiplicity of sensors and / or actuators, an I / O module and a control module.
  • the I / O module is set up to derive a status data record cyclically from measurement signals of the sensors on the basis of a parameter set and / or derive control signals for controlling the actuators cyclically from a control data record.
  • the control module is set up to cyclically receive first telegrams (input process images) of constant size, each with a status data record, from the I / O module and / or to send second telegrams (output process images) of constant size, each with a control data record, to the I / O module.
  • the I / O module is also set up to send diagnostic data with regard to the function of the I / O module, the sensors and / or the actuators to the control module distributed over several first telegrams and / or the control module is further set up to describe the parameter set To send data distributed over several second telegrams to the I / O module.
  • I / O module is to be understood as meaning in particular an electronic device that can be attached to a control module, one or more (typically analog and / or digital) inputs and or outputs for connecting the sensors and / or actuators and additionally has a bus interface via which the I / O module is connected to the control module via a local bus in the bayed state.
  • control module as used in the context of the present description and the claims is to be understood in particular as a fieldbus coupler or a fieldbus controller that is connected to a higher-level control unit (e.g. a unit for process control) via a fieldbus .
  • diagnosis data as used in the context of the present description and the claims is to be understood in particular to mean data recorded during operation that log the operation of the I / O module.
  • parameter set as it is used in the context of the present Description and the claims is used, in particular to understand the entirety of all (adaptable) parameter values stored in an I / O module (persistently) that determine the behavior of the I / O module when processing process data (ie status data and / or control data ) determine.
  • control data record as used in the context of the present description and the claims, is to be understood in particular as the entirety of all data generated by an I / O module in a cycle that shows the status of the I / O -Image the module via the sensors connected to the inputs.
  • control data record as used in the context of the present description and the claims is to be understood in particular as the entirety of all data received in a cycle from an I / O module which are aimed at the state of with to control the I / O module via the actuators connected to the outputs.
  • telegram is in particular a sequence of a predetermined number of useful data bits, the number of which is firmly agreed or in a message header that precedes the useful data bits or a sequence of useful data bits that are initiated or concluded by a telegram header and a telegram end segment.
  • the phrase “distributed over several telegrams”, as used in the context of the present description and the claims, is to be understood in particular as a transmission strategy in which a data record that is evaluated / used as a whole on the receiver side is divided and the parts are transmitted serially.
  • the control module is preferably also set up to derive a diagnostic data record from the diagnostic data distributed over a plurality of first telegrams and / or the I / O module is further set up to derive the parameter set from the data distributed over a plurality of second telegrams that describe the parameter set.
  • the I / O module is preferably also set up to confirm receipt of the data describing the parameter set after receipt of each of the second telegrams and to transmit data relating to the confirmation instead of or in addition to the diagnostic data in the first telegrams.
  • the control module is preferably also set up to confirm receipt of the diagnostic data after receipt of each of the first telegrams and to transmit data relating to the confirmation in the second telegrams instead of or in addition to the data that describe the parameter set.
  • the I / O module is preferably also set up to carry out self-parameterization on the basis of the data that describe the parameter set.
  • the control module is preferably also set up to determine the control data records taking into account the status data records.
  • a method for communicating data between an I / O module and a control module comprises a cyclic transmission of first telegrams of constant size from the I / O module to the control module and second telegrams of constant size from the control module to the I / O module, with the A fixed number of first bits is reserved for the first telegrams and used for the serial transmission of a first data record and in the second telegrams a fixed number of second bits is reserved and used for the serial transmission of a second data record.
  • the second data record preferably includes parameters for self-parameterization of the I / O module.
  • the first data record preferably comprises diagnostic data or data which confirm the receipt of the parameters.
  • the I / O module preferably compiles a parameter set from parameters transmitted in several second telegrams.
  • a first telegram preferably comprises a status data record and a second telegram comprises a control data record determined on the basis of the status data record.
  • Fig. 1 shows a system according to the invention
  • FIG. 2 illustrates the storage of a parameter set, a control data set, a status data set and diagnostic data on an I / O module of a system according to the invention
  • FIG. 3 shows an arrangement with several systems according to the invention, which are connected to a higher-level control unit via a field bus;
  • Figure 4 shows a flow diagram of the communication of data between an I / O module and a control module
  • FIGS. 5 and 6 illustrate the embedding of a serializing protocol in a process image.
  • FIG. 1 and 2 schematically illustrate (elements) of a system loo according to the invention, which has a control module no and two I / O modules 120, 130 (attached to the control module no).
  • the I / O module 130 has several inputs 132, 134 to which sensors 140, 150 are connected, and several outputs 136, 138 to which actuators 160, 170 are connected.
  • the control module 110 transmits several telegrams 300 with data 310, which describe a parameter set 500, to the I / O module 130.
  • the I / O module 130 derives rules from the parameter set 500, how to use inputs 132, 134 and outputs 136, 138.
  • the parameter set 500 can specify whether and in particular how an input 132, 134 or an output 136, 138 is to be operated.
  • the parameter set 500 can specify whether an input 132, 134 is to be operated as an analog input or as a digital input, or whether an output 136, 138 is to be operated as an analog output or as a digital output.
  • the parameter set 500 can specify current and / or voltage level ranges that are to be taken into account when reading in or outputting signals.
  • the parameter set 500 can indicate how Input signals (sensor signals) are to be mapped onto a status data record 210 and / or how output signals (control signals) are to be derived from a control data record 330.
  • the transmission of the data 310 which describe the parameter set 500, only has to take place within the framework of an (initial) configuration or a reconfiguration (since the parameter set 500 can be stored persistently on the I / O module 130) and the reserved bandwidth for the Transmission of the data 310 from the control module 110 to the I / O module 130 is limited to ensure a timely transmission of control data 330, the data that are required to describe the entire parameter set 500 are divided into several telegrams 300.
  • the telegrams 300 are dimensioned in such a way that, in addition to the data 310, a complete control data record 330 can also be transmitted, whereby the parameterization can take place without disrupting the process data communication.
  • Each telegram 300 can include control data sets 330, 320 for the connected I / O modules 120, 130 and data 310, from which part of the parameter set 500 can be derived.
  • each telegram 300 can contain data by means of which transmission errors can be recognized (and corrected if necessary).
  • the telegrams 300 can correspond to an implementation of a safety-related communication channel, in which the correct receipt of telegrams 300 is confirmed and, if necessary, data 310 is sent again if (irreparable) transmission errors occur.
  • the control module 110 and the I / O module 130 can carry out procedures for error detection and / or for error correction.
  • the I / O module 130 can check the plausibility of measuring signals read in via the inputs 132, 134 (possibly taking into account the parameter set 500) against a value range, compare them with one another or check the plausibility of the status data set 210 derived from the measuring signals before it is checked by means of a telegram 200 via bus (or daisy chain) 180 to control module 110.
  • the control module 110 can check the telegram 200 for transmission errors if the I / O module 130 has added data to the telegram 200 by means of which transmission errors can be identified (and possibly corrected).
  • Control module 110 (possibly taking into account the parameter set 500) check the received status data set 210 for plausibility.
  • diagnostic data 230 with regard to the function of the I / O module 130, the sensors 140, 150 and / or the actuators 160, 170 can be added to the telegram 200.
  • the I / O module 130 can generate a diagnostic data record 400 cyclically or acyclically (for example in response to a request from the control module 110) and transmit data 230 describing it to the control module 110 via a plurality of telegrams 200. It can be provided (always) to replicate the complete diagnostic data record 400 in the control module 110 as well as to replicate only (conspicuous) parts of the diagnostic data record 400 in the control module 110.
  • the control module 110 can process the received status data record 210 and received diagnostic data 230 locally and / or forward it to a higher-level control unit 10, which, as shown in FIG. 3, can be connected to a large number of systems 100 via a fieldbus 600 and monitors them / controls.
  • the higher-level control unit 10 can determine a control data record 330 taking into account the received status data record 210 and transmit this to the respective system 100.
  • the higher-level control unit 10 can evaluate received diagnostic data 230 and, if necessary, take measures to correct errors or to transfer the affected system 100 (or all systems 100) to a safe state.
  • the control data record 330 generated by the higher-level control unit 10 or the control module 110 (locally) is received by the I / O module 130 and (possibly after checking for transmission errors / correction of transmission errors) used to generate control signals for controlling the actuators 160, 170 derive and output at the outputs 136, 138.
  • the (correct) receipt of control data records 330 can be confirmed, it being possible for the confirmation to use bandwidth that is available if no diagnostic data 230 are transmitted.
  • the freely available bandwidth in telegrams 200, 300 can be used to transmit a diagnostic data record 400 or a parameter set 500 (serially) and a return channel to confirm the (correct) receipt of telegrams 200, 300.
  • step 700 first telegrams 200 of constant size are sent from the I / O module 130 to the control module 110 and in step 800 second telegrams Telegrams 300 of constant size are transmitted from control module 110 to I / O module 130.
  • a fixed number of first bits 230 is reserved in each of the first telegrams 200, which can be used for the serial transmission of a first data record, such as a diagnostic data record 400.
  • a fixed number of second bits 310 is reserved in each of the second telegrams 300, which can be used for the serial transmission of a second data record, such as a parameter set 500, for example.
  • the I / O module 130 can carry out self-parameterization. For example, when the I / O module 130 is replaced (with an I / O module 130 of the same construction), the new I / O module 130 can receive the parameter set 500 from the control module 110 and parameterize itself so that the integration of the new I / O module 130 is simplified into the system 100 (and errors such as can occur with manual parameterization are excluded). Furthermore, the diagnostic data record 400 can be used to check the I / O module 130 during operation. In addition, the reserved bits 230 can be used to confirm the receipt of telegrams 300, the control data records 330 or the parameters.
  • serializing protocol 900 is embedded in the process image 800. This is advantageous insofar as the process image 800 for the serializing data channel 900 only needs to be expanded slightly.
  • the serializing protocol 900 can also be equipped with a handshake mechanism so that problems caused by transmission delays or telegram repetitions in the communication path can be countered.
  • the serializing protocol 900 can be integrated both in conventional (non-safety-related) communication links and in safety-related communication links.
  • the serializing data channel 900 is as in FIG. 5 schematically illustrated, integrated in the non-safety-related part 810 of the process image 800.
  • the serializing channel 900 as schematically illustrated in FIG. 6, can be integrated into the safety-related part 820 of the process image 800 or into the non-safety-related part 810 of the process image 800.
  • serializing channel 900 is integrated into the safety-related part 820 of the process image 800, this data transmission is also protected by the measures of the safety-related communication protocol.
  • safety-related data can also be transmitted via a serializing communication channel 900, which is integrated in the non-safety-related part 810 of the process image 800.
  • a check value can be added to the data to ensure integrity.
  • a security identity of the I / O module 130 that can be set on the I / O module 130 can also be included in this test value.
  • Further protocol layers can be implemented on the serializing channel 900, which makes it possible to operate different services quasi-parallel.
  • parameter sets can be transmitted to the I / O modules 120, 130 directly from the control module 110 via the serializing data channel 900. There is therefore no longer any need for a third entity to carry out the parameterization.
  • the user can enter the parameters directly into a function module, for example in a program with a graphical user interface, via which the control module 110 is configured.
  • the serializing communication channel 900 can be set up both in the conventional part 810 and in the safety-related part 820 of the process image 800.
  • the communication channel 900 is set up within the safety-related part 820, it is largely independent of the safety protocol.
  • serialization reduces the memory space required in process image 800 or limits and fixes the required bandwidth. Serialization allows the transmission of data packets with variable sizes.
  • the serializing communication channel 900 can be used to implement higher protocol layers, as a result of which different services can be operated quasi-parallel.
  • the serializing communication channel 900 is immediately ready for use when the system 100 is started. If the serializing communication channel 900 has a fixed bandwidth and the I / O module 130 and the control module 110 use the same cycle time for data exchange, a transmission duration of the data can be predicted and guaranteed. This enables transmission data to be prioritized.
  • serializing communication channel serializing protocol

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Abstract

Gezeigt wird ein E/A- Modul (120), das eingerichtet ist, zyklisch Telegramme (200, 300) zu senden und zu empfangen, wobei in den Telegrammen ein Bereich vorgesehen ist, in dem ein Datensatz komplett übertragen werden kann (220, 320) und ein Bereich der nur einen Teil eines Datensatzes fassen kann (230, 330), so dass besagter Datensatz verteilt auf mehrere Telegramme übertragen wird.

Description

DIAGNOSE- UND/ODER PARAMETERDATEN-ÜBERTRAGUNG ZWISCHEN STEUERMODUL UND EINGABE/AUSGABE-MODUL
GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System mit einem Steuermodul, einem Eingabe/Ausgabe-Modul (E/A-Modul) und einer Vielzahl an Sensoren und/oder Aktuatoren, wobei das E/A-Modul eingerichtet ist, auf Basis eines Parametersatzes zyklisch einen Zustandsdatensatz aus Messignalen der Sensoren abzuleiten und/oder zyklisch aus einem Steuerdatensatz Steuersignale zur Steuerung der Aktoren abzuleiten und das Steuermodul eingerichtet ist, zyklisch erste Telegramme konstanter Größe mit jeweils einem Zustandsdatensatz von dem E/A-Modul zu empfangen und/oder zweite Telegramme konstanter Größe mit jeweils einem Steuerdatensatz an das E/A-Modul zu senden.
HINTERGRUND
Ein E/A-Modul, wie es bspw. in Feldbussystemen verwendet wird, kann typischerweise bezüglich seines Verhaltens bei der Bearbeitung von Prozessdaten parametriert werden. Ferner können aus einem E/A-Modul oftmals Daten bezüglich der Bearbeitung der Prozessdaten gewonnen und zum Auffinden von Fehlern gewonnen werden (Diagnosedaten). Sowohl das Bereitstellen eines Parametersatzes als auch das Bereitstellen von Diagnosedaten erfordert jedoch oftmals einen (manuellen) Wartungseingriff, der mit zusätzlichem Aufwand und ggf. einem Pausieren des produktiven Betriebs des E/A-Moduls einhergeht.
Besagte Problematik verschärft sich noch zusätzlich, wenn es sich bei einem E/A-Modul um ein sicherheitsgerichtetes E/A-Modul handelt, d. h. ein E/A-Modul bei dem das Vermeiden von Fehlern (ggf. durch die Reduktion manueller „fehlerträchtiger“ Eingriffe), das Erkennen von Fehlern während des Betriebs (ggf. durch die Auswertung von Diagnosedaten) und das Beheben von Fehlern (ggf. mittels einer Veränderung des Parametersatzes) eine besondere Bedeutung zukommt und meistens auch bestimmten regulatorischen Anforderungen unterliegt. ZUSAMMENFASSUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den Stand der Technik zu verbessern.
Ein erfindungsgemäßes System umfasst eine Vielzahl an Sensoren und/oder Aktoren, ein E/A-Modul und ein Steuermodul. Das E/A-Modul ist eingerichtet, auf Basis eines Parametersatzes zyklisch einen Zustandsdatensatz aus Messignalen der Sensoren abzuleiten und/oder zyklisch aus einem Steuerdatensatz Steuersignale zur Steuerung der Aktoren abzuleiten. Das Steuermodul ist eingerichtet, zyklisch erste Telegramme (Eingangsprozessabbilder) konstanter Größe mit jeweils einem Zustandsdatensatz von dem E/A-Modul zu empfangen und/oder zweite Telegramme (Ausgangsprozessabbilder) konstanter Größe mit jeweils einem Steuerdatensatz an das E/A-Modul zu senden.
Das E/A-Modul ist ferner eingerichtet, Diagnosedaten hinsichtlich der Funktion des E/A-Moduls, der Sensoren und/oder der Aktoren auf mehrere erste Telegramme verteilt an das Steuermodul zu senden und/oder das Steuermodul ist ferner eingerichtet, den Parametersatz beschreibende Daten auf mehrere zweite Telegramme verteilt an das E/A- Modul zu senden.
Unter dem Begriff „E/A-Modul“ soll im Rahmen der vorliegenden Beschreibung und der Ansprüche insbesondere ein elektronisches Gerät zu verstehen sein, welches an ein Steuermodul anreihbar ist, einen oder mehrere (typischerweise analoge und/oder digitale) Ein- und oder Ausgänge zum Anschluss der Sensoren und/oder Aktoren und zusätzlich eine Busschnittstelle aufweist, über die das E/A-Modul im angereihten Zustand mit dem Steuermodul über einen Lokalbus verbunden ist. Des Weiteren ist unter dem Begriff „Steuermodul“, wie er im Rahmen der vorliegenden Beschreibung und der Ansprüche verwendet wird, insbesondere ein Feldbuskoppler oder ein Feldbuscontroller zu verstehen, der über einen Feldbus mit einer übergeordneten Steuereinheit (bspw. einer Einheit zur Prozesssteuerung) verbunden ist.
Ferner ist unter dem Begriff „Diagnosedaten“, wie er im Rahmen der vorliegenden Beschreibung und der Ansprüche verwendet wird, insbesondere während des Betriebs aufgezeichnete Daten zu verstehen, die den Betrieb des E/A-Moduls protokollieren. Zudem ist unter dem Begriff „Parametersatz“, wie er im Rahmen der vorliegenden Beschreibung und der Ansprüche verwendet wird, insbesondere die Gesamtheit aller in einem E/A-Modul (persistent) gespeicherten (anpassbaren) Parameterwerte zu verstehen, die das Verhalten des E/A-Moduls bei der Bearbeitung von Prozessdaten (d. h. Zustandsdaten und/ oder Steuerdaten) bestimmen.
Ferner ist unter dem Begriff „Zustandsdatensatz“, wie er im Rahmen der vorliegenden Beschreibung und der Ansprüche verwendet wird, insbesondere die Gesamtheit aller in einem Zyklus von einem E/A-Modul erzeugten Daten zu verstehen, die den Zustand von mit dem E/A-Modul über die Eingänge verbundenen Sensoren abbilden. Außerdem ist unter dem Begriff „Steuerdatensatz“, wie er im Rahmen der vorliegenden Beschreibung und der Ansprüche verwendet wird, insbesondere die Gesamtheit aller in einem Zyklus von einem E/A-Modul empfangenen Daten zu verstehen, die darauf gerichtet sind, den Zustand von mit dem E/A-Modul über die Ausgänge verbundenen Aktoren zu steuern.
Des Weiteren ist unter dem Begriff „Telegramm“, wie er im Rahmen der vorliegenden Beschreibung und der Ansprüche verwendet wird, insbesondere eine Abfolge einer vorbestimmten Anzahl an Nutzdatenbits, deren Anzahl fest vereinbart oder in einem den Nutzdatenbits vorangestellten Telegrammkopf („message header“) angegeben ist, oder eine Abfolge an Nutzdatenbits, die durch einen Telegrammkopf und ein Telegramm-Endsegment eingeleitet bzw. abgeschlossen werden, zu verstehen. In diesem Zusammenhang ist unter der Formulierung „auf mehrere Telegramme verteilt“, wie sie im Rahmen der vorliegenden Beschreibung und der Ansprüche verwendet wird, insbesondere eine Übertragungsstrategie zu verstehen, bei der ein Datensatz, der empfängerseitig als Ganzes ausgewertet/verwendet wird, aufgeteilt wird und die Teile seriell übertragen werden.
Vorzugsweise ist das Steuermodul ferner eingerichtet, aus den auf mehrere erste Telegramme verteilten Diagnosedaten einen Diagnosedatensatz abzuleiten und/ oder ist das E/A-Modul ferner eingerichtet, aus den auf mehrere zweite Telegramme verteilten Daten, die den Parametersatz beschreiben, den Parametersatz abzuleiten.
Vorzugsweise ist das E/A-Modul ferner eingerichtet, den Empfang der Daten, die den Parametersatz beschreiben, nach Empfang jedes der zweiten Telegramme zu bestätigen und Daten hinsichtlich der Bestätigung anstatt oder zusätzlich zu den Diagnosedaten in den ersten Telegrammen zu übertragen. Vorzugsweise ist das Steuermodul ferner eingerichtet, den Empfang der Diagnosedaten nach Empfang jedes der ersten Telegramme zu bestätigen und Daten hinsichtlich der Bestätigung anstatt oder zusätzlich zu den Daten, die den Parametersatz beschreiben, in den zweiten Telegrammen zu übertragen.
Vorzugsweise ist das E/A-Modul ferner eingerichtet, auf Basis der Daten, die den Parametersatz beschreiben, eine Selbst-Parametrierung vorzunehmen.
Vorzugsweise ist das Steuermodul ferner eingerichtet, die Steuerdatensätze unter Berücksichtigung der Zustandsdatensätze zu bestimmen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Kommunikation von Daten zwischen einem E/A- Modul und einem Steuermodul umfasst ein zyklisches Übertragen erster Telegramme konstanter Größe vom E/A-Modul zum Steuermodul und zweiter Telegramme konstanter Größe vom Steuermodul zum E/A-Modul, wobei in den ersten Telegrammen jeweils eine feste Anzahl an ersten Bits reserviert und zur seriellen Übertragung eines ersten Datensatzes verwendet wird und in den zweiten Telegrammen jeweils eine feste Anzahl an zweiten Bits reserviert und zur seriellen Übertragung eines zweiten Datensatzes verwendet wird.
Vorzugsweise umfasst der zweite Datensatz Parameter zur Selbst-Parametrierung des E/A-Moduls.
Vorzugsweise umfasst der erste Datensatz Diagnosedaten oder Daten, die den Empfang der Parameter bestätigen.
Vorzugsweise setzt das E/A-Modul einen Parametersatz aus in mehreren zweiten Telegrammen übertragenen Parametern zusammen.
Vorzugsweise umfasst ein erstes Telegramm einen Zustandsdatensatz und ein zweites Telegramm einen auf Basis des Zustandsdatensatzes bestimmten Steuerdatensatz.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nachfolgend in der detaillierten Beschreibung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, wobei auf Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen: Fig. l ein erfindungsgemäßes System zeigt;
Fig. 2 die Speicherung eines Parametersatzes, eines Steuerdatensatzes, eines Zustandsdatensatzes und von Diagnosedaten auf einem E/A-Modul eines erfindungsgemäßen Systems illustriert;
Fig. 3 eine Anordnung mit mehreren erfindungsgemäßen Systemen, die über einen Feldbus mit einer übergeordneten Steuereinheit verbunden sind, zeigt;
Fig. 4 ein Flussdiagramm der Kommunikation von Daten zwischen einem E/A- Modul und einem Steuermodul zeigt; und
Fig. 5 und Fig. 6 das Einbetten eines serialisierenden Protokolls in ein Prozessabbild illustrieren.
Dabei sind in den Zeichnungen gleiche oder funktional ähnliche Elemente durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Fig. l und Fig. 2 illustrieren schematisch (Elemente) eines erfindungsgemäßen Systems loo, welches ein Steuermodul no und zwei (an das Steuermodul no angereihte) E/A- Module 120, 130 aufweist. Wie in Fig. 1 gezeigt, weist das E/A-Modul 130 mehrere Eingänge 132, 134 auf, an denen Sensoren 140, 150 angeschlossen sind, und mehrere Ausgänge 136, 138, an denen Aktoren 160, 170 angeschlossen sind. Zur Konfiguration des E/A-Moduls 130 überträgt das Steuermodul 110 mehrere Telegramme 300 mit Daten 310, die einen Parametersatz 500 beschreiben, an das E/A-Modul 130. Aus dem Parametersatz 500 leitet das E/A-Modul 130 Regeln ab, wie die Eingänge 132, 134 und die Ausgänge 136, 138 zu verwenden sind.
Bspw. kann der Parametersatz 500 spezifizieren, ob und insbesondere wie ein Eingang 132, 134 oder ein Ausgang 136, 138 zu betreiben ist. Z. B. kann der Parametersatz 500 spezifizieren, ob ein Eingang 132, 134 als Analogeingang oder als Digitaleingang zu betreiben ist, bzw. ob ein Ausgang 136, 138 als Analogausgang oder als Digitalausgang zu betreiben ist. Ferner kann der Parametersatz 500 Strom- und/oder Spannungspegelbereiche angeben, die beim Einlesen oder beim Ausgeben von Signalen zu berücksichtigen sind. Zudem kann der Parametersatz 500 angeben, wie Eingangssignale (Sensorsignale) auf einen Zustandsdatensatz 210 abzubilden sind und/oder wie Ausgangssignale (Steuersignale) aus einem Steuerdatensatz 330 abzuleiten sind.
Da die Übertragung der Daten 310, die den Parametersatz 500 beschreiben, nur im Rahmen einer (initialen) Konfiguration oder einer Umkonfiguration erfolgen muss (da der Parametersatz 500 persistent auf dem E/A-Modul 130 gespeichert werden kann) und die reservierte Bandbreite für die Übertragung der Daten 310 vom Steuermodul 110 zum E/A-Modul 130 zur Gewährleistung einer zeitnahen Übertragung von Steuerdaten 330 begrenzt ist, werden die Daten, die zur Beschreibung des gesamten Parametersatzes 500 benötigt werden, auf mehrere Telegramme 300 aufgeteilt. Dabei sind die Telegramme 300 so dimensioniert, dass neben den Daten 310 auch ein vollständiger Steuerdatensatz 330 übertragen werden kann, wodurch die Parametrierung ohne Störung der Prozessdatenkommunikation erfolgen kann.
Zur Anpassung des Parametersatzes 500 müssen mehrere Telegramme 300 durch das E/A-Modul 130 empfangen werden. Jedes Telegramm 300 kann dabei Steuerdatensätze 330, 320 für die angereihten E/A-Module 120, 130 und Daten 310, aus denen sich ein Teil des Parametersatzes 500 ableiten lassen, umfassen. Zudem kann jedes Telegramm 300 Daten umfassen, mittels derer sich Übertragungsfehler erkennen (und ggf. korrigieren) lassen. Bspw. können die Telegramme 300 einer Implementierung eines sicherheitsgerichteten Kommunikationskanals entsprechen, bei welcher der korrekte Empfang von Telegrammen 300 bestätigt wird und ggf. Daten 310 erneut gesendet werden, wenn (irreparable) Übertragungsfehler auftreten. Ebenso können das Steuermodul 110 und das E/A-Modul 130 Prozeduren zur Fehlererkennung und/oder zur Fehlerbehebung durchführen.
Bspw. kann das E/A-Modul 130 über die Eingänge 132, 134 eingelesene Messignale (ggf. unter Berücksichtigung des Parametersatzes 500) gegen einen Wertebereich plausibilisieren, miteinander abgleichen oder den aus den Messignalen abgeleiteten Zustandsdatensatz 210 plausibilisieren, bevor dieser mittel eines Telegramms 200 über den Bus (oder die Daisy-Chain) 180 an das Steuermodul 110 übertragen wird. Ferner kann das Steuermodul 110 das Telegramm 200 auf Übertragungsfehler überprüfen, wenn das E/A-Modul 130 dem Telegramm 200 Daten beigefügt hat, mittels derer sich Übertragungsfehler erkennen (und ggf. korrigieren) lassen. Zudem kann das Steuermodul 110 (ggf. unter Berücksichtigung des Parametersatzes 500) den empfangenen Zustandsdatensatz 210 plausibilisieren.
Des Weiteren können dem Telegramm 200 Diagnosedaten 230 hinsichtlich der Funktion des E/A-Moduls 130, der Sensoren 140, 150 und/oder der Aktoren 160,170 beigefügt werden. Bspw. kann das E/A-Modul 130 zyklisch oder azyklisch (bspw. in Reaktion auf eine Aufforderung des Steuermoduls 110) einen Diagnosedatensatz 400 erzeugen und diesen beschreibende Daten 230 über mehrere Telegramme 200 verteilt an das Steuermodul 110 übertragen. Dabei kann sowohl vorgesehen sein (immer) den vollständigen Diagnosedatensatz 400 im Steuermodul 110 zu replizieren als auch nur (auffällige) Teile des Diagnosedatensatzes 400 im Steuermodul 110 zu replizieren.
Das Steuermodul 110 kann den empfangenen Zustandsdatensatz 210 und empfangene Diagnosedaten 230 lokal verarbeiten und/oder an eine übergeordnete Steuereinheit 10 weiterleiten, die, wie in Fig. 3 gezeigt, über einen Feldbus 600 mit einer Vielzahl an Systemen 100 verbunden sein kann und diese überwacht/steuert. Bspw. kann die übergeordnete Steuereinheit 10 unter Berücksichtigung des empfangenen Zustandsdatensatzes 210 einen Steuerdatensatz 330 bestimmen und diesen an das jeweilige System 100 übertragen. Ferner kann die übergeordnete Steuereinheit 10 empfangene Diagnosedaten 230 auswerten und ggf. Maßnahmen ergreifen, um Fehler zu korrigieren oder das betroffene System 100 (oder alle Systeme 100) in einen sicheren Zustand zu überführen.
Der von der übergeordnete Steuereinheit 10 oder dem Steuermodul 110 (lokal) erzeugte Steuerdatensatz 330 wird vom E/A-Modul 130 empfangen und (ggf. nach einer Überprüfung auf Übertragungsfehler/Korrektur von Übertragungsfehlern) dazu verwendet, Steuersignale zur Steuerung der Aktoren 160, 170 abzuleiten und an den Ausgängen 136, 138 auszugeben. Zudem kann der (korrekte) Empfang von Steuerdatensätzen 330 bestätigt werden, wobei zur Bestätigung Bandbreite verwendet werden kann, die zu Verfügung steht, wenn keine Diagnosedaten 230 übertragen werden. D. h., mittels der in den Telegrammen 200, 300 frei verfügbaren Bandbreite kann sowohl ein Diagnosedatensatz 400 oder ein Parametersatz 500 (seriell) übertragen, als auch ein Rückkanal zur Bestätigung des (korrekten) Empfangs von Telegrammen 200, 300 realisiert werden. Fig. 4 zeigt ein Flussdiagramm eines Prozesses zur Kommunikation von Daten zwischen dem E/A-Modul 130 und dem Steuermodul 110. Dabei werden in Schritt 700 erste Telegramme 200 konstanter Größe vom E/A-Modul 130 zum Steuermodul 110 und in Schritt 800 zweite Telegramme 300 konstanter Größe vom Steuermodul 110 zum E/A- Modul 130 übertragen. Dabei ist in den ersten Telegrammen 200 jeweils eine feste Anzahl an ersten Bits 230 reserviert, die zur seriellen Übertragung eines ersten Datensatzes, wie bspw. eines Diagnosedatensatzes 400 verwendet werden können. Ebenso ist in den zweiten Telegrammen 300 jeweils eine feste Anzahl an zweiten Bits 310 reserviert, die zur seriellen Übertragung eines zweiten Datensatzes, wie bspw. eines Parametersatzes 500 verwendet werden können.
Mit dem Parametersatz 500 kann das E/A-Modul 130 eine Selbstparametrierung durchführen. Bspw. kann bei einem Austausch des E/A-Moduls 130 (durch ein baugleiches E/A-Modul 130) das neue E/A-Modul 130 den Parametersatz 500 vom Steuermodul 110 empfangen und sich selbst parametrieren, so dass die Integration des neuen E/A-Moduls 130 in das System 100 vereinfacht wird (und Fehler, wie sie bei einer manuellen Parametrierung auftreten können, ausgeschlossen werden). Ferner kann der Diagnosedatensatz 400 zur Überprüfung des E/A-Moduls 130 während des Betriebs verwendet werden. Zudem können die reservierten Bits 230 dazu verwendet werden, den Empfang von Telegrammen 300, der Steuerdatensätze 330 oder der Parameter zu bestätigen.
Somit können neben Prozessdaten 210, 330 auch andere Daten zwischen dem Steuermodul 110 und dem E/A-Modul 130 ausgetauscht werden, indem, wie in Fig. 5 und Fig. 6 illustriert, ein serialisierendes Protokoll 900 in das Prozessabbild 800 eingebettet wird. Dies ist insofern vorteilhaft, als das Prozessabbild 800 für den serialisierenden Datenkanal 900 nur geringfügig erweitert werden muss. Wie beschrieben kann das serialisierende Protokoll 900 zudem mit einem Handshake- Mechanismus ausgestattet werden, sodass Problemen durch Übertragungsverzögerungen oder Telegrammwiederholungen in der Kommunikationsstrecke begegnet werden kann.
Das serialisierende Protokoll 900 kann sowohl in konventionelle (nicht- sicherheitsgerichtete) Kommunikationsverbindungen, als auch in sicherheitsgerichtete Kommunikationsverbindungen integriert sein. Bei einer konventionellen Kommunikationsverbindung ist der serialisierende Datenkanal 900, wie in Fig. 5 schematisch illustriert, in den nicht-sicherheitsgerichteten Teil 810 des Prozessabbilds 800 integriert. Bei einer sicherheitsgerichteten Kommunikationsverbindungen kann der serialisierende Kanal 900, wie in Fig. 6 schematisch illustriert, in den sicherheitsgerichteten Teil 820 des Prozessabbilds 800 oder in den nicht- sicherheitsgerichteten Teil 810 des Prozessabbilds 800 integriert sein.
Wird der serialisierende Kanal 900 in den sicherheitsgerichteten Teil 820 des Prozessabbilds 800 integriert, so ist auch diese Datenübertragung durch die Maßnahmen des sicherheitsgerichteten Kommunikationsprotokolls geschützt. Zudem können sicherheitsgerichtete Daten auch über einen serialisierenden Kommunikations kanal 900 übertragen werden, der in den nicht-sicherheitsgerichteten Teil 810 des Prozessabbilds 800 integriert ist. Bspw. können die Daten zur Sicherung der Integrität um einem Prüfwert erweitert werden. Um zusätzlich gewährleisten zu können, dass der serialisierende Kommunikationskanal 900 Daten zum korrekten E/A-Modul 130 überträgt, kann in diesen Prüfwert zusätzlich eine am E/A-Modul 130 einstellbare Sicherheitsidentität des E/A-Moduls 130 eingerechnet werden.
Auf dem serialisierenden Kanal 900 können weitere Protokollschichten implementiert werden, was es ermöglicht, unterschiedliche Dienste quasi-parallel zu betreiben. Insbesondere können über den serialisierenden Datenkanal 900 direkt aus dem Steuermodul 110 heraus Parametersätze an die E/A-Module 120, 130 übertragen werden. Es besteht somit nicht mehr die Notwendigkeit einer dritten Instanz, die die Parametrierung vornimmt. Der Anwender kann die Parameter bspw. in einem Programm mit einer grafischen Oberfläche, über das das Steuermodul 110 konfiguriert wird, direkt in einen Funktionsbaustein eingeben.
Zusammenfassend ergeben sich somit die folgenden Vorteile:
1. Der serialisierende Kommunikationskanal 900 kann sowohl im konventionellen Teil 810 als auch im sicherheitsgerichteten Teil 820 des Prozessabbilds 800 eingerichtet werden.
2. Wird der Kommunikationskanal 900 innerhalb des sicherheitsgerichteten Teils 820 eingerichtet, ist er vom Sicherheitsprotokoll weitestgehend unabhängig.
3. Bestehende sicherheitsgerichtete Protokolle müssen nicht verändert werden und bleiben somit spezifikationskonform. Die Serialisierung reduziert den im Prozessabbild 800 benötigten Speicherraum bzw. begrenzt und fixiert die benötigte Bandbreite. Die Serialisierung erlaubt die Übertragung von Datenpaketen mit variablen Größen. Der serialisierende Kommunikationskanal 900 kann genutzt werden, um höhere Protokollschichten zu implementieren, wodurch sich verschiedene Dienste quasi-parallel betreiben lassen. Der serialisierende Kommunikationskanal 900 ist sofort mit dem Start des Systems 100 einsatzbereit. Wenn der serialisierende Kommunikationskanal 900 eine feste Bandbreite hat und das E/A-Modul 130 und das Steuermodul 110 die gleiche Zykluszeit für den Datenaustausch verwenden, kann eine Übertragungsdauer der Daten vorhergesagt und garantiert werden. Damit ist eine Priorisierung von Übertragungsdaten möglich.
BEZUGSZEICHENLISTE io Steuereinheit loo System lio Steuermodul
120 E/A-Modul
130 E/A-Modul
132 Eingang
134 Eingang
136 Ausgang
138 Ausgang
140 Sensor
150 Sensor
160 Aktor
170 Aktor
180 Bus/“Daisy Chain“
200 Telegramm 210 Zustandsdatensatz 220 Zustandsdatensatz
230 reservierte Bits (Empfangsbestätigung, Diagnosedaten, etc.)
300 Telegramm
310 reservierte Bits (Empfangsbestätigung, Parameter, etc.)
320 Steuerdatensatz
330 Steuerdatensatz
400 Diagnosedatensatz
500 Parametersatz
600 Feldbus
700 Prozessschritt
710 Prozessschritt
800 Prozessabbild
810 nicht-sicherheitsgerichteter Teil
820 sicherheitsgerichteter Teil
900 serialisierender Kommunikationskanal (serialisierendes Protokoll)

Claims

ANSPRÜCHE l. System (100), umfassend: eine Vielzahl an Sensoren (140, 150) und/oder Aktoren (160, 170); ein Eingabe/Ausgabe-Modul, E/A-Modul (130); und ein Steuermodul (110); wobei das E/A-Modul (130) eingerichtet ist, auf Basis eines Parametersatzes (500) zyklisch einen Zustandsdatensatz (210) aus Messignalen der Sensoren (140, 150) abzuleiten und/oder zyklisch aus einem Steuerdatensatz (330) Steuersignale zur Steuerung der Aktoren (160, 170) abzuleiten; und das Steuermodul (110) eingerichtet ist, zyklisch erste Telegramme (200) konstanter Größe mit jeweils einem Zustandsdatensatz (210) von dem E/A-Modul (130) zu empfangen und/oder zweite Telegramme (300) konstanter Größe mit jeweils einem Steuerdatensatz (330) an das E/A-Modul (130) zu senden; dadurch gekennzeichnet, dass das E/A-Modul (130) ferner eingerichtet ist, Diagnosedaten (230) hinsichtlich der Funktion des E/A-Moduls (130), der Sensoren (140, 150) und/oder der Aktoren (160, 170) auf mehrere erste Telegramme (200) verteilt an das Steuermodul (110) zu senden; und/oder das Steuermodul (110) ferner eingerichtet ist, den Parametersatz (500) beschreibende Daten (310) auf mehrere zweite Telegramme (300) verteilt an das E/A-Modul (130) zu senden.
2. System (100) nach Anspruch 1, wobei das Steuermodul (110) ferner eingerichtet ist, aus den auf mehrere erste Telegramme (200) verteilten Diagnosedaten (230) einen Diagnosedatensatz (400) abzuleiten; und/oder das E/A-Modul (130) ferner eingerichtet ist, aus den auf mehrere zweite Telegramme (300) verteilten Daten (310), die den Parametersatz (500) beschreiben, den Parametersatz (500) abzuleiten.
3. System (100) nach Anspruch 2, wobei das E/A-Modul (130) ferner eingerichtet ist, den Empfang der den Parametersatz (500) beschreibenden Daten (310) nach Empfang jedes der zweiten Telegramme (300) zu bestätigen und Daten hinsichtlich der Bestätigung anstatt oder zusätzlich zu den Diagnosedaten (230) in den ersten Telegrammen (200) zu übertragen.
4. System (100) nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Steuermodul (110) ferner eingerichtet ist, den Empfang der Diagnosedaten (230) nach Empfang jedes der ersten Telegramme (200) zu bestätigen und Daten hinsichtlich der Bestätigung anstatt oder zusätzlich zu den Daten (310), die den Parametersatz (500) beschreiben, in den zweiten Telegrammen (300) zu übertragen.
5. System (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das E/A-Modul (130) ferner eingerichtet ist, auf Basis der Daten (310), die den Parametersatz (500) beschreiben, eine Selbst-Parametrierung vorzunehmen.
6. System (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Steuermodul (110) ferner eingerichtet ist, die Steuerdatensätze (330) unter Berücksichtigung der Zustandsdatensätze (210) zu bestimmen.
7. Verfahren zur Kommunikation von Daten zwischen einem E/A-Modul (130) und einem Steuermodul (110), umfassend: zyklisches Übertragen (700, 710) erster Telegramme (200) konstanter Größe vom E/A- Modul (130) zum Steuermodul (110) und zweiter Telegramme (300) konstanter Größe vom Steuermodul (110) zum E/A-Modul (130); dadurch gekennzeichnet, dass in den ersten Telegrammen (200) jeweils eine feste Anzahl an ersten Bits (230) reserviert und zur seriellen Übertragung eines ersten Datensatzes verwendet wird; und in den zweiten Telegrammen (300) jeweils eine feste Anzahl an zweiten Bits (310) reserviert und zur seriellen Übertragung eines zweiten Datensatzes verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der zweite Datensatz Parameter zur Selbst- Parametrierung des E/A-Moduls (130) umfasst.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der erste Datensatz Diagnosedaten oder Daten umfasst, die den Empfang der Parameter bestätigen.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei das E/A-Modul (130) einen Parametersatz (500) aus in mehreren zweiten Telegrammen (300) übertragenen Parametern zusammensetzt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei ein erstes Telegramm (200) einen Zustandsdatensatz (210) und ein zweites Telegramm (300) einen auf Basis des Zustandsdatensatzes (210) bestimmten Steuerdatensatz (330) umfasst.
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