DE102010020446B4

DE102010020446B4 - Automatisierungsgerät und Verfahren zur beschleunigten Verarbeitung von selektierten Prozessdaten

Info

Publication number: DE102010020446B4
Application number: DE102010020446A
Authority: DE
Inventors: Dirk Büsching; Hans-Herbert Kirste; Sebastian Koopmann; Oliver Wetter
Original assignee: Wago Verwaltungs GmbH
Current assignee: Wago Verwaltungs GmbH
Priority date: 2010-05-12
Filing date: 2010-05-12
Publication date: 2012-12-06
Anticipated expiration: 2030-05-13
Also published as: DE102010020446A1; US8554978B2; US20110283027A1; CN102339047B; CN102339047A

Abstract

Automatisierungsgerät (6) mit mindestens einer Feldbusschnittstelle (12) zum Anschluss an einen Feldbus (2) und Übertragen von Datenpaketen (DP) mit Prozessdaten (PD) über den Feldbus (2) und mit mindestens einer Lokalbusschnittstelle (21) zum Anschluss an einen lokalen Bus (7) und Übertragen von Prozessdaten (PD) zwischen an dem lokalen Bus (7) angeschlossenen Feldgeräten (9a, 9b, 9c) und dem Automatisierungsgerät (6), und mit Mitteln zur Umsetzung der vom Feldbus (2) kommenden Datenpakete (DP) in einen Datenstrom (DS) für den lokalen Bus (7) und zur Umsetzung des vom lokalen Bus (7) an das Automatisierungsgerät (6) gerichteten Datenstroms (DS) in Datenpakete (DP) für den Feldbus (2), wobei das Automatisierungsgerät (6) eine Beschleunigungseinheit (10) zur Selektion beschleunigt umzusetzender Prozessdaten (PDS) und zur gesonderten Umsetzung der selektierten Prozessdaten (PDS) hat, die derart eingerichtet ist, dass die selektierten Prozessdaten (PDS) zeitlich vor im Verbund mit den selektierten Prozessdaten (PDS) mit übertragenen, nicht selektierten Prozessdaten (PDN) ausgegeben werden,...

Description

Die Erfindung betrifft ein Automatisierungsgerät mit mindestens einer Feldbusschnittstelle zum Anschluss an einen Feldbus und Übertragen von Datenpaketen mit Prozessdaten über den Feldbus und mit mindestens einer Lokalbusschnittstelle zum Anschluss an einen lokalen Bus und Übertragen von Prozessdaten zwischen an den lokalen Bus anschließbaren Feldgeräten und dem Automatisierungsgerät, und mit Mitteln zur Umsetzung der vom Feldbus kommenden Datenpakete in einen Datenstrom für den lokalen Bus und zur Umsetzung des vom lokalen Bus an das Automatisierungsgerät gerichteten Datenstroms in Datenpakete für den Feldbus. Das Automatisierungsgerät hat eine Beschleunigungseinheit zur Selektion beschleunigt umzusetzender Prozessdaten und zur gesonderten Umsetzung der selektierten Prozessdaten, die derart eingerichtet ist, dass die selektierten Prozessdaten zeitlich vor im Verbund mit den selektierten Prozessdaten mit übertragenen, nicht selektierten Prozessdaten ausgegeben werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur beschleunigten Verarbeitung von selektierten Prozessdaten eines Datenpaketes oder Datenstroms.
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Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Automatisierungsgerät zu schaffen, das eine beschleunigte Datenübertragung zwischen einem Feldbus und einem lokalen Datenbus ermöglicht.
Die Aufgabe wird mit dem Automatisierungsgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bei der Überwachung von den über den Feldbus oder den lokalen Bus an das Automatisierungsgerät geschickten Datenpaketen oder Datenströmen werden beschleunigt zu verarbeitende Prozessdaten selektiert. Damit gelingt es, diese selektierten Prozessdaten beschleunigt im Vergleich zu den nicht-selektierten Prozessdaten, die im selben Zeitraum im Verbund mit den selektierten Prozessdaten vom Automatisierungsgerät empfangen wurden, zu verarbeiten und umzusetzen, um diese dann zeitlich vor den nicht-selektierten Prozessdaten weiterzuleiten.
Die Selektion der Daten erfolgt mit einer Hardwarelogik mit einer Zustandserkennungseinheit zur Erkennung des Zustands des Vorliegens beschleunigt zu verarbeitender Daten von Datenpaketen oder eines Datenstroms. Mit Hilfe einer solchen Zustandserkennungseinheit ist es mit einfachen Mitteln möglich, beschleunigt zu verarbeitende Daten aus Datenpaketen oder Datenströmen zu selektieren und diese separat zu den nicht-selektierten Prozessdaten hardwarenah beschleunigt umzusetzen und auszugeben. Hierzu ist das Automatisierungsgerät zur Verarbeitung der nicht-selektierten Prozessdaten mittels Software auf einem Mikrocontroller in an sich bekannter Weise eingerichtet, während die selektierten Prozessdaten mittels Hardwarelogik schneller als die nicht-selektierten Prozessdaten verarbeitet werden. Dies gelingt beispielsweise mit einer von der Zustandserkennungseinheit gesteuerten Logik zum direkten Speicherzugriff, mit der gepufferte, selektierte Daten aus einem Speicher ausgelesen und ohne aufwendige Weiterverarbeitung durch Software mittels Hardwarelogik zur Ausgabe weiterverarbeitet werden.
Unter Prozessdaten werden dabei alle Daten eines Automatisierungssystems verstanden, die zwischen Feldgeräten und übergeordneten Steuerungen ausgetauscht werden, insbesondere Messdaten, Steuerungsdaten und Zustandsdaten.
Das Automatisierungsgerät kann z. B. ein Feldbuskoppler eines modularen Eingabe-/Ausgabe-Systems einer Automatisierungsanlage sein.
Feldgeräte sind insbesondere Sensoren und Aktoren, die in Automatisierungssystemen Einsatz finden, wie z. B. Initiatoren, Endschalter, Ventile, Schütze, Leuchtmelder etc.
Die Ausgabe der selektierten Prozessdaten kann direkt über eine Direktschnittstelle des Automatisierungsgerätes erfolgen, an die Feldgeräte unmittelbar ohne zwischengeschalteten Bus anschließbar bar sind. Die Ausgabe der selektierten Prozessdaten kann aber auch durch Einbindung in einen Datenstrom für den lokalen Bus zeitlich vor Einbindung der im Verbund mit empfangenen, nicht-selektierten Prozessdaten erfolgen, um die Prozessdaten in üblicher Weise über einen lokalen Bus und daran angeschlossene Eingabe-/Ausgabemodule an die Feldgeräte, z. B. im Ringbusverfahren, zu übertragen.
Die Ausgabe der selektierten Prozessdaten auf den lokalen Bus kann zur Reduzierung der Verzögerungszeit bei der Weiterleitung der Daten ohne Überprüfung der Korrektheit der empfangenen Datenpakete oder Datenströme erfolgen, während die nicht selektierten Prozessdaten erst dann umgesetzt und ausgegeben werden, nachdem die Korrektheit des zugehörigen Datenpaketes oder Datenstroms festgestellt wurde.
Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn das Automatisierungsgerät zur Überprüfung der Korrektheit der empfangenen Datenpakete und/oder Datenströme eingerichtet ist und eine Ausgabe der selektierten Prozessdaten erst nach Feststellung der Korrektheit erfolgt. Die Verarbeitung und Umsetzung der selektierten Prozessdaten sollte dann aber bereits vorbereitet werden, so dass die bereits zur Ausgabe vorbereiteten selektierten Prozessdaten nach Feststellung der Korrektheit des Datenpakets oder Datenstroms, mit dem diese selektierten Prozessdaten übertragen wurden, ohne unnötige Zeitverzögerung ausgegeben werden können.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Automatisierungsgerät zur Selektion und Ausgabe der selektierten Prozessdaten in jedem Feldbus-Übertragungszyklus eines Datenpaketes oder jedem Lokalbus-Übertragungszyklus von Feldgerätedaten eines Datenstroms eingerichtet ist, während die nicht-selektierten Prozessdaten nur bei Aktualisierungsanforderungen verarbeitet werden. Damit erhalten die selektierten Prozessdaten absoluten Vorrang und werden regelmäßig wiederholt selektiert und weitergeleitet. Dabei wird die in Zyklen regelmäßig wiederholende Übertragung von Datenpaketen auf den Feldbus und von Feldgerätedaten auf dem lokalen Bus ausgenutzt. In Automatisierungssystemen sind üblicherweise für die Übertragung Zykluszeiten als Zeiten definiert, die nach einer Aussendung zur nächsten Wiederholung eines Vorgangs verstreichen. Dabei werden zu den regelmäßigen Abtast-, Auswerte-, und Transportvorgängen, die in den Eingabe-/Ausgabe-Modulen, lokalem Bus, Feldbuskoppler, Feldbus und Steuerungen stattfinden, Zykluszeiten festgelegt. Die beschleunigte Weiterleitung der selektierten Prozessdaten erfolgt dann in Abhängigkeit solcher Zykluszeiten. Aus der beschleunigten Weiterleitung ergibt sich eine Reduzierung der Zykluszeit.
Eine solche zur Beobachtung von Datenströmen vorgesehene Beschleunigungseinheit, die die beschleunigt zu verarbeitenden Daten selektiert und gesondert umsetzt, kann in ein Automatisierungsgerät oder einen Feldbus-Controller des Automatisierungsgerätes integriert sein. Oftmals bietet ein Feldbus-Controller aber keinen Zugriff auf Steuerungssignale, so dass es dann vorteilhaft ist, einen speziellen Feldbus-Controller mit einer darin integrierten Beschleunigungseinheit vorzusehen und diesen parallel zu einem vorhandenen, herkömmlichen Feldbus-Controller zu schalten, der keine Mittel zur beschleunigten Verarbeitung von Daten hat. Der spezielle Feldbus-Controller kann optional als Beobachter im regelungstechnischen Sinne mit dem herkömmlichen Feldbus-Controller zusammenwirken.
Optional kann das Automatisierungsgerät mindestens eine Direktschnittstelle zum direkten Anschluss von Feldgeräten ohne Zwischenschaltung eines lokalen Bussystems haben. Dann werden selektierte Prozessdaten an der mindestens einen Direktschnittstelle ausgegeben bzw. es werden beschleunigt zu verarbeitende Signale, die zur Verarbeitung an mindestens einer Direktschnittstelle anliegen, mittels Hardwarelogik umgesetzt, um diese dann als selektierte Prozessdaten beschleunigt in Datenpakete für den Feldbus einzubinden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin, ein verbessertes Verfahren zur beschleunigten Verarbeitung von selektierten Prozessdaten eines Datenpaketes oder Datenstroms zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 6.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit den beigefügten. Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
1 – Blockdiagramm eines Automatisierungssystems mit einem über einen Feldbus mit einer Steuerung und über einen lokalen Bus mit Eingabe-/Ausgabemodulen verbundenem Automatisierungsgerät;
2 – Diagramm der Umsetzung von nicht-selektierten und selektierten Prozessdaten unabhängig voneinander;
3 – Blockdiagramm eines Automatisierungsgerätes mit Beschleunigungseinheit zur Selektion beschleunigt umzusetzender Prozessdaten;
4 – Blockdiagramm eines herkömmlichen Feldbus-Controllers und eines optional als Beobachter parallel geschalteten Feldbus-Controllers mit integrierter Beschleunigungseinheit zur Selektion und beschleunigten Umsetzung selektierter Prozessdaten;
5 – Blockdiagramm eines Automatisierungsgerätes mit einer Direkt-Speicher-Zugriffseinheit zur beschleunigten Verarbeitung von Prozessdaten durch direkten Speicherzugriff auf verifizierte, im Zwischenspeicher eines Feldbus-Controllers zwischengespeicherte Prozessdaten.
1 lässt ein Blockdiagramm eines Automatisierungssystems 1 erkennen. Derartige, in der Prozess-, Fertigungs-, Automatisierungs- und Gebäudetechnik eingesetzte Automatisierungssysteme nutzen Feldbusse 2, um räumlich verteilte Prozessdaten zu Erfassen und nach deren Verarbeitung an speicherprogrammierbare Steuerungen 3 sowie ggf. an Leitrechner 4a, 4b zu verteilen.
Hierzu ist die speicherprogrammierbare Steuerung 3 in an sich bekannter Weise über ein übergeordnetes Netzwerk 5 mit Leitrechnern 4a, 4b einer oder mehrerer Fernwarten oder Leitstellen verbunden. Die Leitrechner 4a, 4b können ggf. Visualisierungseinrichtungen zur Darstellung von Prozessabläufen haben.
Weiterhin ist die speicherprogrammierbare Steuerung 3 über den Feldbus 2 mit mindestens einem Automatisierungsgerät 6 in Form eines Feldbuskopplers verbunden. Mit solchen Feldbuskopplern 6 wird ein modulares Ein-/Ausgabesystem realisiert, in dem Prozessdaten vom Feldbus 2 durch den Feldbuskoppler 6 auf einen lokalen Bus 7 umgesetzt werden. An den lokalen Bus 7 sind Eingabe-/Ausgabemodule 8a, 8b, 8c angeschlossen, die vorzugsweise über einen Ringbus als lokalen Bus 7 miteinander und dem Feldbuskoppler 6 als Automatisierungsgerät kommunizieren. An die Eingabe-/Ausgabemodule 8a, 8b, 8c sind Feldgeräte 9a, 9b, 9c, 9d angeschlossen. Solche Feldgeräte können z. B. Initiatoren, Endschalter, Ventile, Schütze, Leuchtmelder oder ähnliches sein. An ein Eingabe-/Ausgabemodul 8a, 8b, 8c können ein oder mehrere solcher Feldgeräte 9a, 9b, 9c, 9d angeschlossen werden, je nach Ausgestaltung des Eingabe-/Ausgabemoduls 8a, 8b, 8c.
Auf diese Weise ist das aus dem Automatisierungsgerät 6 in Form eines Feldbuskopplers und den Eingabe-/Ausgabemodulen 8a, 8b, 8c gebildete modulare I/O-System ein Bindeglied zwischen der Feldgeräteebene (Sensor-/Aktorebene) und der Steuerungs- und Prozessebene, die durch die speicherprogrammierbare Steuerung 3 und ggf. die übergeordneten Leitrechner 4a, 4b gebildet wird.
Bei solchen Automatisierungssystemen 1 sind die Reaktionszeiten für schnelle, insbesondere Echtzeit-Steuerungen ein wichtiges Kriterium. Um die Reaktionszeiten zu verkürzen, wird die (bidirektionale) Umsetzung von Prozessdaten zwischen auf dem Feldbus übertragenen Datenpaketen und einem Datenstrom des lokalen Bus 7 durch den Feldbuskoppler 6 dadurch verringert, dass beschleunigt umzusetzende Prozessdaten aus dem an den Feldbuskoppler 6 gerichteten Datenpaket und/oder Datenstrom selektiert und gesondert zu den nicht selektierten Prozessdaten, die in Verbund mit den selektierten Prozessdaten im selben Datenstrom oder Datenpaket übertragen wurden, umgesetzt und zeitlich vor den nicht selektierten Prozessdaten von dem Feldbuskoppler 6 ausgegeben werden.
Hierzu hat das Automatisierungsgerät 6 eine Beschleunigungseinheit 10 zur Selektion von Prozessdaten und zur gesonderten Umsetzung dieser selektierten Prozessdaten, die parallel zu einer herkömmlichen Umsetzeinheit 11 des Feldbuskopplers 6 betrieben wird.
In dem Automatisierungssystem 1 übernimmt die speicherprogrammierbare Steuerung 3 die eigentliche Auswertung von Eingangsdaten, die Datenverknüpfung und die Bereitstellung von Ausgangsdaten für die Eingabe-/Ausgabemodule 8a, 8b, 8c und daran angeschlossene Feldgeräte 9a, 9b, 9c, 9d. Der Feldbuskoppler 6 dient zur Umsetzung der über den lokalen Bus 7 empfangenen Prozessdaten auf über den Feldbus 2 an die speicherprogrammierbare Steuerung 3 weiterzuleitende Datenpakete und umgekehrt.
Das vorliegende Automatisierungssystem 1 sieht keine beschleunigte Datenübertragung durch Verzicht auf einen Feldbuskoppler und eine direkte Implementierung des Feldbusses zu den Eingabe-/Ausgabemodulen 8a, 8b, 8c und ggf. zu den Feldgeräten 9a, 9b, 9c, 9d und Auslagerung der Funktion des Feldbuskopplers 6 in die speicherprogrammierbare Steuerung 3 und/oder die Eingabe-/Ausgabemodule 8a, 8b, 8c vor. Vielmehr vermeidet das vorliegende Automatisierungssystem 1 eine Festlegung auf einen bestimmten Kommunikationsprotokollstandard sowohl für den lokalen Bus 7 als auch für den Feldbus 2, so dass ausreichend Flexibilität gewahrt wird.
Ein Automatisierungssystem 1 mit einem lokalen Bus 7 nutzt nämlich den Vorteil aus, das verschiedene Mastersteuerungen und Feldbusse optimal für ihre jeweiligen Aufgaben und Branchen ausgebildet sind. Durch ein modulares I/O-System kann der jeweilige Feldbus 2 und lokale Bus 7 vom Nutzer frei nach optimaler Eignung für die Applikation gewählt werden. Zudem sind die Eigenschaften der Eingabe-/Ausgabemodule 8a, 8b, 8c unabhängig vom Feldbus 2 so dass eine Gruppe von Eingabe-/Ausgabemodulen 8a, 8b, 8c verschiedener Ausprägung, wie z. B. digitale Eingangsmodule, digitale Ausgangsmodule, analoge Eingangsmodule, analoge Ausgangsmodule, Encoder, Messwandler etc, mit einem von einem Hersteller unterstützten Lokalbussystem zur Verfügung stehen. Alle Eingabe-/Ausgabemodule 8a, 8b, 8c eines Herstellers sind nämlich mit identischen Schnittstellen für den lokalen Bus 7 ausgerüstet. Die Ankoppelung an einen bestimmten Feldbus 2 erfolgt dann einfach durch Auswahl eines geeigneten Feldbuskopplers 6, der den spezifischen Feldbus-Kommunikationsstandard unterstützt. Applikationsfunktionen sind dadurch einfach erweiterbar und austauschbar. Zudem ist der lokale Bus 7 unabhängig vom Feldbus 2 hinsichtlich seiner Bandbreite und Leistung optimiert.
Unter Beibehaltung der Flexibilität eines modularen I/O-Systems mit Umsetzung von Prozessdaten zwischen lokalem Bus 7 und Feldbus 2 erfolgt die Verkürzung der Reaktionszeiten nunmehr durch Optimierung des Feldbuskopplers 6 so, dass eine Parallelisierung der Verarbeitung bei der Umsetzung von Datenpaketen des Feldbusses 2 in Datenströme für den lokalen Bus 7 und umgekehrt erfolgt.
2 lässt den von dem Automatisierungsgerät 6 ausgeführten Ablauf der getrennten Umsetzung beschleunigt zu verarbeitender selektierter Prozessdaten PD_S und nicht selektierter Prozessdaten PD_N über die Zeit t in Form einer Skizze erkennen. Ein an das Automatisierungsgerät 6 gerichtetes Datenpaket DP(x) nach einem durch den Feldbus 2 vorgegebenen Kommunikationsprotokoll im entsprechenden Feldbus-Protokollformat übertragen und beginnend zum Zeitpunkt t(x) vom Automatisierungsgerät 6 empfangen. Es enthält eine Anzahl von Prozessdaten PD, die an zugehörige Feldgeräte 9a, 9b, 9c, 9d, ... gerichtet sind. In der Umsetzeinheit 11 des Automatisierungsgerätes 6 wird nach Eintreffen eines Datenpaketes DP(x) die Korrektheit des aktuell empfangenen Datenpaketes DP(x) überprüft. Dies kann beispielsweise durch Auswertung eines mit dem Datenpaket DP(x) übertragenen Prüfschlüssels erfolgen. Ein solcher Prüfschlüssel kann z. B. eine Prüfsumme als Quersumme der Werte des Datenpakets DP(x) oder ähnliches sein. Nach der Überprüfung der Korrektheit erfolgt dann eine Weiterverarbeitung und Umsetzung der Prozessdaten PD des Datenpakets DP(x). Dabei werden die Prozessdaten PD in der Umsetzeinheit 11 mit herkömmlichen Mikrocontrollern oder Mikroprozessoren unter zur Hilfenahme vom Softwareroutinen verarbeitet. Dies ist sehr flexibel und einfach zu handhaben, hat aber den Nachteil einer Zeitverzögerung.
Zur Verkürzung der Reaktionszeiten hat das Automatisierungsgerät 6 daher eine Beschleunigungseinheit 10, die aus den Datenpaketen DP(x) beschleunigt zu übertragende Prozessdaten PD_S selektiert und separat hardwarenah z. B. mit einem feldprogrammierbaren Schaltkreis (FPGA) verarbeitet und umsetzt. Diese selektierten Prozessdaten PD_S können auf diese Weise zeitlich vor im selben Datenpaket DP₍ _x) oder in vorhergehenden Datenpaketen DP_(x-1), DP(_x-2) etc. übertragenen, nicht selektierten Prozessdaten PD_N, die nicht beschleunigt umgesetzt und übertragen werden müssen, in einen Datenstrom DS für den lokalen Bus 7 eingebunden und dort ausgegeben werden.
Erkennbar ist, dass vor Eintreffen des nächsten Datenpaketes DP_(x+1) zum Zeitpunkt t_(x+1) ein Datenstrom DS_(x) mit beschleunigt weiterzuleitenden Prozessdaten PD_S(x) des zum Zeitpunkt t_(x) empfangenen Datenpaketes DP_(x ₎ und mit nicht priorisierten Prozessdaten PD_N(x – 2) eines zwei Zeitpunkte vorher empfangenen Datenpaketes DP_(x-2) weitergeleitet werden. Entsprechendes ist für die nachfolgenden Zeiträume beginnend mit den Zeitpunkten t_(x+1) und t_(x+2) zu erkennen. Die nicht priorisierten Prozessdaten PD_N werden je nach Verfügbarkeit der Daten Platz in die Datenströme DS_(x+i) mit i als ganzer Zahl mit positivem oder negativem Vorzeichen eingebettet, wobei den beschleunigt weiterzuleitenden Prozessdaten PD_S Vorrang eingeräumt wird.
Optional ist auch denkbar, dass diese selektierten, beschleunigt umzusetzenden Daten PD_S direkt. an dem Automatisierungsgerät 6 an einer Direktschnittstelle bereitgestellt werden, an die Feldgeräte 9a, 9b, 9c, 9d unmittelbar ohne Zwischenschaltung eines lokalen Bus 7 anschließbar sind.
Der dargestellte Ablauf der Datenübertragung vom Feldbus 2 zum lokalen Bus 7 und den daran angeschlossenen Eingabe-/Ausgabemodulen 8a, 8b, 8c wird von dem Automatisierungsgerät 6 in entsprechender Weise umgekehrt unterstützt, um beschleunigt weiterzuleitende Prozessdaten PD_S aus einem Datenstrom DS des lokalen Bus 7 zu selektieren und in Ausgabedaten für die speicherprogrammierbare Steuerung 3 umzusetzen und an die Steuerung 3 in einem Datenpaket DP über den Feldbus auszugeben.
Erkennbar ist, dass im Ergebnis die selektierten, beschleunigt zu verarbeitenden Prozessdaten PD_S zeitlich vor den nicht selektierten Prozessdaten PD_N weitergegeben werden, obwohl die nicht selektierten Prozessdaten PD_N im Verbund mit den selektierten Prozessdaten PD_S zeitlich früher in vorhergehenden Datenpaketen oder im selben Datenpaket oder Datenstromabschnitt übertragen wurden.
3 lässt ein Blockdiagramm eines Automatisierungsgerätes 6 mit einer physikalischen Feldbusschnittstelle 12, einem Feldbus-Controller 13 und der Beschleunigungseinheit 10 erkennen. Der Feldbus-Controller 13 enthält einen Feldbus-MAC und ist mit der physikalischen Feldbusschnittstelle 12 bidirektional verbunden. Eine Datenverarbeitungseinheit 14 zur Verarbeitung der Feldbus-Datenpakete ist zur Auswertung der Kopfinformation (Header) der Datenpakete DP eingerichtet, die zur Adressierung der Datenpakete DP dienen. Weiterhin ist die Datenverarbeitungseinheit 14 eingerichtet, um aus den Datenpaketen DP die Prozessdaten PD zu extrahieren und in nachgeordneten Zwischenspeichern 15a, 15b abzulegen. Die Durchführung der Datenverarbeitung in der Datenverarbeitungseinheit 14 wird durch Zustandsautomaten 16a, 16b in
Abhängigkeit der beim Eintreffen von Datenpaketen DP auftretenden Ereignisse gesteuert.
Die zwischengespeicherten Prozessdaten PD werden dann an eine Umsetzeinheit 11 für den lokalen Bus 7 gegeben, in denen die Prozessdaten PD mit einer prozessorgesteuerten Verarbeitungseinheit 18 unter Verwendung eines Mikrocontrollers oder Mikroprozessors softwaregesteuert weiterverarbeitet, als Prozessabbild in einem Zwischenspeicher 19 zwischengespeichert und mit Hilfe eines Coprozessors 20 in Datenströme DS für den lokalen Bus 7 eingebunden werden. Die Umsetzeinheit 11 ist mit einer physikalischen Lokalbusschnittstelle 21 zu dem lokalen Bus 7 verbunden.
Das Automatisierungsgerät 6 hat eine Beschleunigungseinheit 10 mit einer Zustandserkennungseinheit 17, die mit den Zustandsautomaten 16a, 16b verbunden ist, um beschleunigt zu verarbeitende Prozessdaten PD_S aus den Datenpaketen DP zu detektieren. Derartige detektierte, beschleunigt zu verarbeitende Prozessdaten PD_S werden dann selektiert und in den Zwischenspeicher 15a zur beschleunigten Weiterverarbeitung geleitet. Von der Zustandserkennungseinheit 17 wird in diesem Fall ein Datenbereitstellungssignal D-R abgeschickt, mit dem die beschleunigt zu verarbeitenden Prozessdaten PD_S aus dem Zwischenspeicher 15a direkt durch hardwarenahe Verarbeitung weitergeleitet werden. Hierzu können die selektierten Prozessdaten PD_S entweder über eine Direktschnittstelle 22 direkt an dem Automatisierungsgerät 6 ausgegeben oder in einen Datenstrom DS des lokalen Bus 7 durch den Coprozessor 20 eingebunden werden.
Die Vorverarbeitung der selektierten Prozessdaten PD_S zur Weiterleitung kann bereits vor der Überprüfung der Korrektheit einschließlich der Vollständigkeit eines Datenpaketes DP oder Datenstroms DS z. B. anhand der Prüfsumme erfolgen. Für den Fall, dass ein Datenpaket DP oder Datenstromabschnitt fehlerhaft ist, kann die Weiterleitung dieser zur Beschleunigung bereits zur Weiterleitung in einen lokalen Bus umgesetzter selektierter Prozessdaten PD_S mit Hilfe der Steuerleitung FI (ungültiger Rahmen – Frame invalid) gestoppt werden. Die Datenübertragung zwischen einer speicherprogrammierbaren Steuerung 3 und einem Feldbuskoppler 6, der mit einem lokalen Bus 7 und daran angeschlossene Eingabe-/Ausgabemodulen 8a, 8b, 8c arbeitet, findet somit wie folgt statt:

1) Erfassen der Feldsignale durch die Eingabe-/Ausgabemodule 8a, 8b, 8c und Übertragen als Datenstrom DS über den lokalen Bus 7 zum Feldbuskoppler 6.2
2) Umsetzen des Protokolls des lokalen Bus 7 auf das Protokoll des Feldbus 2;
3) Senden eines Feldbustelegramms durch den Feldbuskoppler 6 über den Feldbus 2 sowie Empfangen und Verarbeitung eines Feldbustelegramms durch die speicherprogrammierbare Steuerung 3;
4) Senden einer im Feldbustelegramm enthaltenen Reaktion der speicherprogrammierbaren Steuerung 3 an den Feldbuskoppler 6 sowie Empfang des Feldbustelegramms durch den Feldbuskoppler 6;
5) Umsetzen des Feldbusprotokolls auf das Protokoll des lokalen Bus 7 durch den Feldbuskoppler 6;
6) Senden des Telegramms vom Feldbuskoppler 6 über den lokalen Bus 7 und das jeweils angesprochene Eingabe-/Ausgabemodul zu den angeschlossenen Feldgeräten 9a, 9b, 9c, 9d.

Bei der Umsetzung im Schritt 2) und 5) erfolgt dabei eine Selektion beschleunigt zu verarbeitender Prozessdaten PD_S und eine hardwarenahe Umsetzung, während die anderen, nicht-selektierten Prozessdaten PD_N in herkömmlicher Weise softwaregesteuert umgesetzt werden.
Die vom Feldbuskoppler 6 ausgeführten Schritte können sequentiell oder in einer Art Parallelverarbeitung als Prefetch-Ablauf bearbeitet werden.
Um die Konsistenz der Prozessdaten PD zu gewährleisten sind in den Automatisierungsgeräten 6 Datenpuffer erforderlich, die sich jedoch negativ auf die Latenzen auswirken. Latenzen sind Signalverzögerungen, die z. B. durch Laufzeiten in Hardware, Software sowie z. B. durch Doppelpuffer in den Teilbereichen Feldbus 2 und lokalen Bus 7 entstehen.
Des Weiteren entsteht durch die Datenverarbeitung mit einer zentralen Mikroprozessoreinheit in der Umsetzeinheit 11 Jitter. Der Jitter beschreibt die zeitliche Varianz eines Signals ohne Kenntnis auf seine Ursache. Im vorliegenden Automatisierungssystem bezieht sich der Jitter auf den erwarteten Zeitpunkt, zu dem ein Feldsignal zur Verfügung stehen soll. Durch die Beschleunigungseinheit 10 gelingt es, Latenz und Jitter deutlich zu reduzieren.
Erkennbar ist in 3 auch, dass das Automatisierungsgerät 6 auch eine direkte Ausgabe der selektierten Prozessdaten PD_S über die Direktschnittstelle 22 erlaubt. Die Einbindung der selektierten Prozessdaten PD_S in den Datenstrom DS für den lokalen Bus 7 erfolgt mit Hilfe einer Direkt-Speicher-Zugriffseinheit 23, die einen direkten Speicherzugriff auf den Zwischenspeicher 15a erlaubt und damit den Prozessdatentransfer zwischen dem Feldbus-Controller 13 und der Umsetzeinheit 11 erlaubt.
Der Coprozessor 20 ist zur Erstellung von Datenströmen DS und Verarbeitung der Prozessdaten PD für den lokalen Bus 7 vorgesehen.
Die Beschleunigungseinheit 10 selbst kann zur Bewertung der Gültigkeit von Feldbustelegrammen anhand von Prüfsummen eingerichtet sein, um damit beschleunigt diese Information zu erhalten. Diese Überprüfung kann alternativ hierzu oder zusätzlich wie herkömmlich im Feldbus-Controller 13 vorgenommen werden.
4 zeigt einen Teil eines Automatisierungsgerätes, bei dem parallel zu eifern herkömmlichen Feldbus-Controller 13a ein spezieller Feldbus-Controller 13b mit Funktionalität zur Erkennung beschleunigt weiterzuleitender Daten und Selektion und Weiterleitung solcher beschleunigt weiterzuleitenden Daten geschaltet wird. Der herkömmliche Feldbus-Controller 13a bietet an seinen Schnittstellen keine Signalausgänge, die für die Selektierung und beschleunigte Übertragung von selektierten Prozessdaten PD_S erforderlich sind. Der parallel geschaltete, spezielle Feldbus-Controller 13b kann ähnlich zu einem herkömmlichen Feldbus-Controller 13a aufgebaut sein. Dieser spezielle Feldbus-Controller 13b stellt zusätzlich Signalausgänge zur Verfügung, die von der Beschleunigungseinheit 10 genutzt werden, um beschleunigt zu verarbeitende Prozessdaten PD_S zu selektieren und das Datenbereitstellungssignal D-R abzuschicken. Mit Hilfe der Steuerleitung FI (ungültiger Rahmen – Frame invalid) können die bereits weitergeleiteten selektierten Prozessdaten PD_S gestoppt werden, falls ein Datenpaket DP oder Datenstromabschnitt DS fehlerhaft ist.
Der spezielle Feldbus-Controller 13b kann im regelungstechnischen Sinne optional als Beobachter zu dem herkömmlichen Feldbus-Controller arbeiten. Aufgrund der unterschiedlichen Hardware des Feldbus-MAC des herkömmlichen Feldbus-Controllers 13a und des Feldbus-MAC des speziellen Feldbus-Controllers 13b kann es zu unterschiedlichen Bearbeitungszeiten und Durchlaufzeiten kommen. Es ist daher erforderlich, den speziellen Feldbus-Controller 13b und insbesondere seinen Feldbus-MAC mit Hilfe der Synchronisationssignale SYNC_A des herkömmlichen Feldbus-Controllers 13a nachzuregeln. Hierzu sind die gestrichelt dargestellten Signalverbindungen und eine Vergleicherlogik 25 vorgesehen. Von dem herkömmlichen Feldbus-Controller 13a werden Synchronisationssignale SYNC_A zu dem Vergleicher 25 geführt, in dem die Synchronisationssignale SYNC_A mit entsprechenden Synchronisationssignalen SYNC_B in zeitlicher Hinsicht verglichen werden und ein Regelsignal R erzeugt wird, mit dem die Datenverarbeitungseinheit 14 des speziellen Feldbus-Controllers 13b beaufschlagt wird, um den speziellen Feldbus-Controller 13b mit dem herkömmlichen Feldbus-Controller 13a zu synchronisieren.
Der herkömmliche Feldbus-Controller 13a leitet alle Prozessdaten PD_N und PD_S weiter, während der spezielle Feldbus-Controller 13b nur die selektierten, beschleunigt weiterzuleitenden Prozessdaten PD_S weitergibt. Eine nachgeschaltete, in 3 und 5 skizzierte Direkt-Speicher-Zugriffseinheit 23 ist dafür verantwortlich, dass keine Daten doppelt gesendet werden. In der Anlaufphase wird die Direkt-Speicher-Zugriffseinheit 23 konfiguriert und erhält alle Informationen, welche Daten woher kommen, wohin gesendet und mit welcher Datenbreite gesendet werden müssen.
5 lässt ein Blockdiagramm einer anderen Ausführungsform eines Automatisierungsgerätes 6 erkennen. Auch hier ist eine physikalische Feldbusschnittstelle 12 (Feldbus-PHY), ein Feldbus-Controller 13 (Feldbus-MAC) und eine nachgeschaltete Logikeinheit 26 vorgesehen. Mit der Logikeinheit 26 werden die Datenpakete DP, die vom Feldbus 2 empfangen wurden, ausgewertet und bereits auf Korrektheit einschließlich der Vollständigkeit überprüft. Die verifizierten Prozessdaten PD werden dann in Zwischenspeicher 27a eingeschrieben. Für die an den Feldbus 2 gerichteten Prozessdaten PD ist ein Zwischenspeicher 27b vorgesehen, auf den die Feldbus-Logikeinheit 26 zugreift, um die Prozessdaten PD in Datenpakete DP gemäß dem jeweiligen Feldbusprotokoll umzuwandeln und mit Hilfe der physikalischen Feldbusschnittstelle 12 über den Feldbus 2 an angeschlossene Teilnehmer abzusenden.
Die über den Feldbus 2 empfangenen Prozessdaten PD sind bei diesem Ausführungsbeispiel bereits verifiziert, wenn sie in dem Zwischenspeicher 27a eingeschrieben werden.
Die Selektion und beschleunigte Verarbeitung von Prozessdaten PD erfolgt in diesem Falle durch die Beschleunigungseinheit 10. Die Beschleunigungseinheit 10 arbeitet mit der Direkt-Speicher-Zugriffseinheit 23 zusammen und erlaubt einen direkten Zugriff auf die Zwischenspeicher 27a und 27b. Mit Hilfe des Co-Prozessors 20 gelingt es, die durch gezielten Speicherzugriff selektierten, beschleunigt weiterzuleitenden Prozessdaten PD_S in ein Datenstrom DS für den lokalen Bus 7 mit möglichst geringer Zeitverzögerung einzubinden und über den lokalen Bus 7 auszugeben. Die Ausgabe der Daten über den lokalen Bus 7 erfolgt über eine Lokalbus-Schnittstelle 21. Denkbar ist aber auch eine direkte Datenausgabe über eine Direktschnittstelle 22 an Feldgeräte 9, die unmittelbar an das Automatisierungsgerät 6 angeschlossen sind.
Die im Verbund mit den selektierten Prozessdaten PD_S übertragenen nicht selektierten Prozessdaten PD_N werden ebenfalls in den Zwischenspeichern 27a, 27b abgelegt. Auf diese greift in an sich bekannter Weise eine prozessorgesteuerte Verarbeitungseinheit 18 der Umsetzeinheit 11 zu, die softwaregesteuert die Verarbeitung und Umsetzung der nicht selektierten Prozessdaten PD_N zur Speicherung in einem weiteren Prozessabbild-Zwischenspeicher 19 vornimmt. Die Einbindung dieser nicht selektierten Prozessdaten PD_N in einen Datenstrom DS für den lokalen Bus 7 erfolgt dann wiederum durch den Co-Prozessor 20, während die selektierten Prozessdaten PD_S zyklisch in jedem Übertragungszyklus des Feldbus 2 oder lokalen Bus 7 weitergeleitet werden.

Claims

Automatisierungsgerät (6) mit mindestens einer Feldbusschnittstelle (12) zum Anschluss an einen Feldbus (2) und Übertragen von Datenpaketen (DP) mit Prozessdaten (PD) über den Feldbus (2) und mit mindestens einer Lokalbusschnittstelle (21) zum Anschluss an einen lokalen Bus (7) und Übertragen von Prozessdaten (PD) zwischen an dem lokalen Bus (7) angeschlossenen Feldgeräten (9a, 9b, 9c) und dem Automatisierungsgerät (6), und mit Mitteln zur Umsetzung der vom Feldbus (2) kommenden Datenpakete (DP) in einen Datenstrom (DS) für den lokalen Bus (7) und zur Umsetzung des vom lokalen Bus (7) an das Automatisierungsgerät (6) gerichteten Datenstroms (DS) in Datenpakete (DP) für den Feldbus (2), wobei das Automatisierungsgerät (6) eine Beschleunigungseinheit (10) zur Selektion beschleunigt umzusetzender Prozessdaten (PD_S) und zur gesonderten Umsetzung der selektierten Prozessdaten (PD_S) hat, die derart eingerichtet ist, dass die selektierten Prozessdaten (PD_S) zeitlich vor im Verbund mit den selektierten Prozessdaten (PD_S) mit übertragenen, nicht selektierten Prozessdaten (PD_N) ausgegeben werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungseinheit (10) zur Selektion der Prozessdaten (PD) als Hardwarelogik mit einer Zustandserkennungseinheit (17) zur Erkennung des Zustands des Vorliegens beschleunigt zu verarbeitender Prozessdaten (PD_S) von Datenpaketen (DP) oder Datenströmen (DS) ausgebildet ist, und dass das Automatisierungsgerät (6) zur Verarbeitung der nicht selektierten Prozessdaten (PD_N) mittels Software mit einer prozessorgesteuerten Verarbeitungseinheit (18) eingerichtet ist, während die selektierten Prozessdaten (PD_S) mittels Hardwarelogik schneller als die im Verbund mit diesen selektierten Prozessdaten (PD_S) mit übertragenen nicht selektierten Prozessdaten (PD_N) verarbeitet werden.
Automatisierungsgerät (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Automatisierungsgerät (6) zur Überprüfung der Korrektheit der empfangenen Datenpakete (DP) und/oder Datenstrome (DS) eingerichtet ist und eine Ausgabe der selektierten Prozessdaten (PD_S) erst nach Feststellung der Korrektheit erfolgt.
Automatisierungsgerät (6) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Automatisierungsgerät (6) zur Selektion und Ausgabe der selektierten Prozessdaten (PD_S) in jedem Übertragungszyklus eines Datenpakets (DP) oder Datenstroms (DS) und zur Verarbeitung der nicht selektierten Prozessdaten (PD_N) nur bei Aktualisierungsanforderungen eingerichtet ist.
Automatisierungsgerät (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Feldbus-Controller (13b) mit integrierter Beschleunigungseinheit (10) parallel zu einem Feldbus-Controller (13a) ohne Beschleunigungseinheit (10) geschaltet ist.
Automatisierungsgerät (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Automatisierungsgerät (6) mindestens eine Direktschnittstelle (22) zum Anschluss von Feldgeräten (9) hat und zur Ausgabe von selektierten Prozessdaten (PD_S) über die mindestens eine Direktschnittstelle (22) unmittelbar an die mindestens eine Direktschnittstelle (22) angeschlossene Feldgeräte (9) und/oder zur Verarbeitung von an mindestens einer Direktschnittstelle (22) vorliegenden Signalen und Umsetzung solcher Signale in selektierte Prozessdaten (PD_S) zur beschleunigten Einbindung in Datenpakete (DP) für den Feldbus (2) zeitlich vor im selben Zeitraum über den lokalen Bus (7) eintreffenden nicht selektierten Prozessdaten (PD_N) eingerichtet ist.
Verfahren zur beschleunigten Verarbeitung von selektierten Prozessdaten (PD_S) eines Datenpaketes (DP) und/oder Datenstroms (DS), mit den Schritten: – Beobachten eines Datenstroms (DS) auf einem lokalen Bus (7), über den ein mit einem Feldbus (2) gekoppeltes Automatisierungsgerät (6) mit mindestens einem Eingabe- und/oder Ausgabemodul (8a, 8b, 8c) zur Verbindung mit mindestens einem Feldgerät (9a, 9b, 9c) kommuniziert, oder von Datenpaketen (DP) auf einem Feldbus (2), – Selektieren von beschleunigt zu verarbeitenden Prozessdaten (PD_S) aus den beobachteten Datenpaketen (DP) und/oder Datenströmen (DS), – Verarbeiten der selektierten Prozessdaten (PD_S) separat von nicht selektierten Prozessdaten (PD_N), die im Verbund mit den selektierten Prozessdaten (PD_S) übertragen wurden, und – Ausgeben der selektierten Prozessdaten (PD_S) zeitlich vor den im Verbund mit übertragenen, nicht selektierten Prozessdaten (PD_N), gekennzeichnet durch Selektion der Prozessdaten (PD) mittels Hardwarelogik mit einer Zustandserkennungseinheit (17) zur Erkennung des Zustands des Vorliegens beschleunigt zu verarbeitender Prozessdaten (PDS) von Datenpaketen (DP) oder Datenströmen (DS) und Verarbeiten der nicht selektierten Prozessdaten (PD_N) mittels Software mit einer prozess-gesteuerten Verarbeitungseinheit (18) derart, dass die selektierten Prozessdaten (PD_S) mittels Hardwarelogik schneller als die im Verbund mit diesen selektierten Prozessdaten (PD_S) mit übertragenen nicht selektierten Prozessdaten (PD_N) verarbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Einbinden der selektierten Prozessdaten zeitlich vor den im Verbund mit übertragenen, nicht selektierten Prozessdaten (PD_N) in Datenpakete (DP) für den Feldbus (2) oder Datenströme (DS) für den lokalen Bus (7).
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch Überprüfen der Korrektheit der empfangenen Datenpakete (DP) und/oder Datenströme (DS) und Einbinden der selektierten Prozessdaten (PD_S) nach Feststellung der Korrektheit des zugehörigen Datenpaketes (DP) oder Datenstroms (DS), in dem die selektierten Prozessdaten (PD_S) übertragen wurden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch Selektion und Ausgabe der selektierten Prozessdaten (PD_S) in jedem Übertragungszyklus eines Datenpakets (DP) oder Datenstroms (DS) und Verarbeitung der nicht selektierten Prozessdaten (PD_N) nur bei Aktualisierungsanforderungen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch Ausgeben von selektierten Prozessdaten (PD_S) an mindestens einer Direktschnittstelle (22) des Automatisierungsgerätes (6) zur direkten Übertragung an ein an die Direktschnittstelle (22) anschließbares Feldgerät (9) und/oder beschleunigte Umsetzung von an mindestens einer Direktschnittstelle (22) anliegenden Signalen von Feldgeräten (9), die unmittelbar an die Direktschnittstelle (22) angeschlossen sind, in selektierte Prozessdaten (PD_S) und Einbindung der selektierten Prozessdaten (PD_S) in Datenpakete (DP) für den Feldbus (2) zeitlich vor im selben Zeitraum über den lokalen Bus (7) eintreffenden nicht selektierten Prozessdaten (PD_N).