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Die Erfindung betrifft ein Datenverarbeitungssystem
mit einer Mehrzahl von Datenverarbeitungseinheiten, die mittels
einer Datenübertragungseinheit
miteinander verbunden sind, z.B. eine speicherprogrammierbare Steuerung
zur Automatisierung einer technischen Anlage, insbesondere einer Maschine,
einer Fertigungs- oder Kraftwerksanlage.
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Datenverarbeitungsanlagen finden
vielseitige Anwendung im Rahmen von industriellen Automatisierungsprozessen.
Dabei sind in komplexen technischen Anlagen eine Mehrzahl von Datenverarbeitungseinheiten
zu aufwendigen Computer- und Datennetzen über mindestens eine Datenübertragungseinheit
verbunden. Zur Bedienung und/oder Beobachtung der die Anlage steuernden
Datenverarbeitungseinheiten sind üblicherweise sogenannte Operatorstationen
oder Bedien- und Beobachtungseinheiten vorgesehen. Zur Steuerung
und/oder Regelung der technischen Anlage umfasst dabei jede Datenverarbeitungseinheit
Datenverarbeitungsprogramme. Ein Datenverarbeitungsprogramm umfasst beispielsweise
ein Betriebsprogramm, ein Hauptprogramm oder eine Hauptroutine,
in welchem im wesentlichen sequentiell eine Anzahl von Steuerungs- und/oder
Datenverarbeitungsbefehlen für
die technische Anlage abgearbeitet werden. Ein derartiges Datenverarbeitungsprogramm
für eine
anwenderspezifisch ausgebildete, automatisierte technische Anlage,
wie beispielsweise eine Fertigungsanlage, eine Werkzeugmaschine
oder ein Messsystem, wird auch als sogenannte Anwendersoftware bezeichnet.
Aus diesem Hauptprogramm werden bedarfsweise, z.B. zyklisch oder
ereignisgesteuert, sogenannte Subroutinen oder Funktionsbausteine
aufgerufen. Diese Funktionsbausteine übernehmen in der Art von Modulen
bestimmte abgeschlossene Steuerungs- und/oder Regelungsfunktionen.
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Das Datenverarbeitungsprogramm läuft üblicherweise
in den Datenverarbeitungseinheiten, z.B. in einer zentralen Steuereinheit
sowie in dezentralen Vor-Ort-Steuerungen, der technischen Anlage
ab und steuert unter anderem den Austausch von Daten zwischen der
zentralen Steuereinheit und Komponenten der technischen Anlage.
Dabei werden vom Datenverarbeitungsprogramm einerseits Schaltbefehle
oder Stellwerte an die Komponenten übermittelt und andererseits
Messdaten oder charakteristische Prozess- und/oder Betriebsparameter
von den Komponenten gelesen. Je nach Art und Aufbau der technischen
Anlage kann es dabei auch zu einem Zugriff von einer Datenverarbeitungseinheit
auf das Datenverarbeitungsprogramm, insbesondere auf einen Funktionsbaustein
und/oder Datenbaustein, einer anderen Datenverarbeitungseinheit
kommen.
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Für
hochgenau ablaufende Prozesse innerhalb des Datenverarbeitungssystems,
innerhalb einer Datenverarbeitungseinheit und/oder innerhalb einer
Baugruppe einer Datenverarbeitungseinheit wird daher eine hochgenaue
Uhrzeit benötigt.
Damit die Uhrzeit der einzelnen Datenverarbeitungseinheiten des
Datenverarbeitungssystems identisch ist, sorgt im allgemeinen ein
zentraler Uhrzeitmaster für
eine Synchronisation von den einzelnen Datenverarbeitungseinheiten
zugeordneten Uhren. Dazu wird üblicherweise
jeweils nach Ablauf eines vorgegebenen Synchronisationsintervalls
eine Uhrzeitnachricht an die einzelnen Datenverarbeitungseinheiten
verteilt und gesendet. Dabei ist es häufig erforderlich, in der Zeit
zwischen den Synchronisationspunkten einzelne, eine hochgenaue Uhrzeit
benötigende
Baugruppen oder Module innerhalb einer einzelnen Datenverarbeitungseinheit
mit einer aktuellen Uhrzeit zu versorgen. Mit anderen Worten: Unabhängig vom
Synchronisationsintervall ist es erforderlich, dass eine aktuelle
Uhrzeit zu jedem Zeitpunkt abrufbar ist.
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Hierzu ist üblicherweise jeder Datenverarbeitungseinheit
eine Uhr zugeordnet, deren Uhrzeit jederzeit abrufbar ist. Dabei
umfasst das Datenverarbeitungsprogramm für eine hochgenaue Uhrzeitauflösung einen
zeitgesteuerten Prozess hoher Priorität, durch welchen das sogenannte
Ticken der Uhr gesteuert wird. Bedingt durch die hochpriore Ablaufebene,
insbesondere Interruptebene, für
die Taktsteuerung der Uhr kommt es im Zeitpunkt der Aktualisierung
der Uhrzeit zu einem Aussperren niederpriorer Ablaufebenen, wobei
bedingt durch eine Kontrolle eines Überlaufs oder ggf. durch eine
Berechnung eines Sekundenübertrags
die für
die weiterverarbeitenden Prozesse oder Programme die Berechnung
der aktuellen Uhrzeit sehr zeitaufwendig ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, ein Datenverarbeitungssystem mit einer Mehrzahl von Datenverarbeitungseinheiten
anzugeben, bei dem eine aktuelle Uhrzeit besonders einfach und schnell,
ohne andere Prozesse zu belasten, zu berechnen ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Datenverarbeitungssystem mit einer Mehrzahl von Datenverarbeitungseinheiten,
die mittels einer Datenübertragungseinheit
miteinander verbunden sind, wobei jeder Datenverarbeitungseinheit
ein Zeitgeber zugeordnet ist, der in einen interruptgesteuerten
Zähler
zum Zählen
einer Anzahl von zugrundeliegenden Interrupt-Intervallen und in
ein Zeitmodul für
eine fortlaufende Uhrzeit im Zählerformat unterteilt
ist, wobei der Zeitgeber anhand einer Prozessaufforderung mittels
einer Anzahl von vom Zähler
von einer vorangegangenen Uhrzeit bis zur Prozessaufforderung erfassten
Interrupt-Intervallen und mittels des zugrundeliegenden Interrupt-Intervalls sowie
der vorangegangenen Uhrzeit im Zählerformat eine
aktuelle Uhrzeit ermittelt gemäßUZaktuell =
UZalt + (Z * IZ) (1) mit UZaktuell = aktuelle Uhrzeit, UZalt =
vorangegangene Uhrzeit, Z = Anzahl der Interrupt-Intervalle, IZ
= Interrupt-In tervall.
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Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus,
dass die komplexe und zeitaufwendige Berechnung einer aktuellen
Uhrzeit innerhalb eines Interrupt-Intervalls deutlich reduziert
sein sollte. Dabei sollte die aktuelle Uhrzeit ohne Einbüßung im
Hinblick auf die Zeitgenauigkeit mit möglichst hochgenauer Zeitauflösung ermittelt
werden. Dazu ist bevorzugt jeder Datenverarbeitungseinheit ein Zeitgeber zugeordnet,
welcher einen interruptgesteuerten Zähler zum Zählen der das sogenannte Uhrenticken
repräsentierenden
Interrupt-Intervallen umfasst. Die Berechnung der aktuellen Uhrzeit
erfolgt dann in einem niederprioren Prozess, insbesondere nur noch auf
Prozessanforderung derart, dass der Zeitgeber mittels des Zählerwertes
des interruptgesteuerten Zählers,
des zugrundeliegenden Interrupt-Intervalls sowie einer der aktuellen
Uhrzeit vorangegangenen Uhrzeit die aktuelle Uhrzeit ermittelt.
D.h. Der Zählerwert
des interruptgesteuerten Zählers,
der die Anzahl von von der vorangegangenen Uhrzeit bis zur Prozessaufforderung
ausgeführten
Interrupt-Intervalle repräsentiert,
multipliziert mit dem zugrundeliegenden Interrupt-Intervall und
addiert zur zuletzt erfassten (= alten) Uhrzeit, ergibt die aktuelle
Uhrzeit.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
ist die jeweilige Datenverarbeitungseinheit zur Auslösung des
Interrupt-Intervalls mit einer Zeitauflösung von einem Vielfachen von
1/232 s ausgebildet. Hierdurch ist sichergestellt,
dass die fortlaufende Uhrzeit im Zählerformat, insbesondere im
sogenannten ISP- oder Internetformat, um eine konstante, der Intervallzeit
entsprechende Zählgröße, welche
ein Vielfaches von 1/232 ist, im niederprioren
Prozess aufaddiert wird. Bei der fortlaufenden Uhrzeit im Zählerformat,
insbesondere im ISP-Format, handelt es sich um eine als 8-Byte-Zähler ausgebildete
Software-Uhr, wobei die ersten vier Byte die Sekunden seit dem 1.1.1900, 00:00
Uhr und die folgenden vier Byte die Sekundenteile desselben Zeitraums
in der Einheit 1/232 s darstellen.
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Für
eine möglichst
hochgenaue Zeitauflösung
des Zeitgebers beträgt
das Interrupt-Intervall zweckmäßigerweise
ungefähr
1 ms. Dabei sind auch andere Einstellungen für das Interrupt-Intervall vorgebbar,
wobei diese insbesondere vom dem Datenverarbeitungssystem zugrundeliegenden
Prozess und dessen Zeitanforderungen abhängig sind.
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Für
eine besonders kurze und einfache Interruptroutine wird zweckmäßigerweise
lediglich der Zähler
synchron anhand des Interrupt-Intervalls inkrementiert. Dabei ist
vorzugsweise der Zeitgeber zum Zeitpunkt der Prozessaufforderung
und somit asynchron zum Interrupt-Intervall, beispielsweise aller
3 bis 7 ms, zur Auslösung
einer Interruptsperre und zum Auslesen des dem Zähler zugrundeliegenden Zählwertes
vorgesehen. Zweckmäßigerweise
ist der Zeitgeber nach Auslesen des Zählwertes zur Freigabe der Interruptsperre
und zur Ermittlung der aktuellen Uhrzeit anhand der Summe der mittels
des Zählwertes
ermittelten n-zahligen Interrupt-Intervalle und der vorangegangenen
Uhrzeit vorgesehen. Somit werden andere Prozesse durch das im Interrupt-Intervall
lediglich erforderliche Auslesen des Zählers nur noch gering beeinflusst.
D.h. die eigentliche Berechnung der aktuellen Uhrzeit erfolgt auf
ein- und derselben niederprioren Ebene, wie die Abarbeitung der
eigentlichen Prozess- und Anwendungsprogramme.
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Für
eine weitere Verbesserung der Unterbrechungsfreiheit der Anwendungsprogramme
ist der Zeitgeber für
die aktuelle Uhrzeit vorzugsweise asynchron zum Interrupt-Intervall,
insbesondere prozessgesteuert aktivierbar. Mit anderen Worten: Die
Berechnung der aktuellen Uhrzeit erfolgt nur noch dann, wenn diese
tatsächlich
benötigt
wird. D.h. nur, wenn von einem Prozess eine Anforderung vorliegt,
wird der Zeitgeber aktiviert und die aktuelle Uhrzeit wie beschrieben
ermittelt. Hierdurch ergibt sich nochmals eine deutliche Reduzierung
der Rechenvorgänge und
somit eine Reduzierung der Prozessorbelastung.
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Zum Stellen der fortlaufenden Uhrzeit und/oder
zu deren Nachführung
oder Aktualisierung ist die Uhrzeit des Zeitmoduls zweckmäßigerweise separat
einstellbar. Hierzu ist das Zeitmodul beispielsweise mit einer zentralen
Synchronisationsuhr für
alle Datenverarbeitungseinheiten oder mit einer Funkuhr verbunden,
wobei die fortlaufende Uhrzeit dann mittels eines Zeitsignals einstellbar
ist.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile
bestehen insbesondere darin, dass durch einen Zeitgeber, welcher
unterteilt ist in einen interruptgesteuerten Zähler zum Zähler des zugrundeliegenden
Interrupt-Intervalls und in ein prozessgesteuertes Zeitmodul für eine fortlaufende
Uhrzeit im Zählerformat,
und welcher die aktuelle Uhrzeit prozessgesteuert anhand des Zählwertes
des Zählers
und der vorangegangenen Uhrzeit des Zeitmoduls seit der letzten Prozessaufforderung
ermittelt, eine die Laufzeit und/oder Rechnerzeit der zugrundeliegenden
Datenverarbeitungseinheit verbessernde Softwareuhr ermöglicht ist.
Insbesondere durch die Reduzierung des Rechenaufwands innerhalb
der Interrupt-Routine auf das lediglich Inkrementieren eines Zählers können die
in einer niederprioren Ebene ablaufenden Datenverarbeitungsprogramme
weitgehend störungsfrei,
zumindest gegenüber
der bisherigen im Interrupt erfolgten Berechnung der Uhrzeit und
der daraus resultierenden Störung
ablaufen. Des Weiteren ist durch die nur noch auf Prozessaufforderung
ausgeführten
Berechnung der aktuellen Uhrzeit nochmals eine Verbesserung der
Zeitbilanz der betreffenden Datenverarbeitungseinheit gegeben. Somit
ist ein derartig aufgebautes Datenverarbeitungssystem hinsichtlich
seiner Verfügbarkeit
sowie seines Einsatzes als Automatisierungssystem in sicherheitsrelevanten
Anlagen besonders wirtschaftlich und zeiteffektiv.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
werden anhand einer Zeichnung näher
erläutert.
Darin zeigen:
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1 schematisch
ein Datenverarbeitungssystem mit einer Mehrzahl von Datenverarbeitungseinheiten
und Bedien- und Beobachtungseinheiten, und
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2 schematisch
einen Ablaufplan zur Berechnung einer aktuellen Uhrzeit innerhalb
einer einzelnen Datenverarbeitungseinheit.
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Einander entsprechende Teile sind
in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt
eine Datenverarbeitungsanlage 1 mit einer Mehrzahl von
Datenverarbeitungseinheiten 2 und mit einer Mehrzahl von
Bedien- und Beobachtungseinheiten 4, welche über eine
Datenübertragungseinheit 6 miteinander
verbunden sind. Als Datenverarbeitungseinheit 2 dient beispielsweise eine
speicherprogrammierbare Steuerung, ein Personal Computer oder eine
andere Datenverarbeitungseinheit. Als Bedien- und Beobachtungseinheit 4 dient
beispielsweise ein Personal Computer oder eine Workstation. Die
Datenübertragungseinheit 6 ist eine
standardisierte Übertragungsleitung,
z.B. ein Ethernet-Koaxkabel,
und weist ebenfalls standardisierte, nicht dargestellte Übertragungselemente,
wie Verstärker,
Repeater oder Bridges auf. Die Datenverarbeitungseinheiten 2 und
die Bedien- und Beobachtungseinheiten 4 sind mittels der
Datenübertragungseinheit 6 zu
einem Rechnernetz verbunden.
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Auf jeder Datenverarbeitungseinheit 2 und auf
jeder Bedien- und
Beobachtungseinheit 4 sind Rechnerprogramme oder Datenverarbeitungsprogramme 8 implementiert,
mittels derer eine technische Anlage, z.B. eine Fertigungsanlage
oder Werkszeugmaschine, gesteuert und/oder überwacht wird. Das Datenverarbeitungsprogramm 8,
auch Hauptprogramm oder Anwendersoftware genannt, läuft in der
Datenverarbeitungseinheit 2 zur Ansteuerung und/oder Erfassung
von Ein- und/oder Ausgänge
zugehöriger,
nicht dargestellter Peripherie-Baugruppen ab. Das Datenverarbeitungsprogramm 8 der
Bedien- und Beobachtungsein heit dient der Bedienung und Beobachtung
der Ein- und/oder Ausgänge
und/oder der Datenverarbeitungsprogramme 8 der Datenverarbeitungseinheiten 2.
Das jeweilige Datenverarbeitungsprogramm 8 ist modular
aufgebaut und umfasst als Objekte eine Anzahl von Funktionsbausteinen FB1
bis FBn, welche abgeschlossene Steuerungs- und/oder Regelungsfunktionen
für die
technische Anlage übernehmen.
Darüber
hinaus sind als weitere Objekte eine Mehrzahl von Datenspeicherbausteine DB1
bis DBn (im weiteren kurz Datenbaustein genannt) zur Hinterlegung
und/oder Archivierung von statischen und/oder dynamischen Daten
vorgesehen. Datenbausteine DB1 bis DBn sind beispielsweise statische
Speicher, auch Lesespeicher genannt, wie z.B. ROM's (read-only-memory),
oder dynamische Speicher, auch Lese-/Schreibspeicher genannt, wie
z.B. RAM's (read
access memory). In den Lesespeicher sind z.B. feste Parametrierdaten
der Software und/oder Hardware der Datenverarbeitungsanlage 1 hinterlegt.
In den dynamischen Speichern werden beispielsweise die aktuell erfassten
Daten der Ein- und/oder Ausgänge
von Peripherie-Baugruppen hinterlegt.
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Je nach Art und Ausführung der
Datenverarbeitungsanlage 1 kommt es zu einem Austausch
von Daten, z.B. von Eingangs-/Ausgangsdaten sowie Steuerungsdaten,
sowohl zwischen den Datenverarbeitungseinheiten 2 als auch
zwischen den Datenverarbeitungseinheiten 2 und den Bedien-
und Beobachtungseinheiten 4. Beispielsweise erfolgt ein
Zugriff von einer Datenverarbeitungseinheit 2 auf den Datenbaustein
DB1 und/oder Funktionsbaustein FB1 einer anderen Datenverarbeitungseinheit 2.
Hierzu sind sowohl die Datenbausteine DB1 bis DBn als auch die Funktionsbausteine
FB1 bis FBn beispielsweise anhand einer fortlaufenden Nummerierung
gekennzeichnet.
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Für
hochgenau ablaufende Prozesse innerhalb einer Datenverarbeitungseinheit 2 und/oder
innerhalb von Modulen, z.B. Funktionsbausteinen FB1 bis FBn ist
jeder Datenverarbeitungseinheit 2 ein zugehöriger Zeitgeber 10 zugeordnet.
Die Funktionsweise eines der Zeitgeber 10 einer betreffenden
Datenver arbeitungseinheit 2 ist in 2 dargestellt. Dabei ist der Zeitgeber 10 unterteilt
in einen interruptgesteuerten Zähler 12 zum
Zählen
einer Anzahl Z von zugrundeliegenden Interrupt-Intervallen IZ und in ein Zeitmodul 14 für eine fortlaufende
Uhrzeit UZ im Zählerformat.
Der interruptgesteuerte Zähler 12 wird
dabei während
der Abarbeitung eines jeden Interrupt-Intervalls IZ um den Wert
1 inkrementiert, z.B. wird der Zähler 12 aller
1 ms um den Wert 1 inkrementiert. D.h. zur Berechnung der aktuellen
Uhrzeit UZaktuell wird innerhalb der Interrupt-Routine
oder des Interrupt-Intervalls IZ und somit synchron zum Interrupt-Intervall
IZ lediglich der Zähler 12 inkrementiert. Aufwändige Berechnungen
entfallen beim vorliegenden Zeitgeber 10 im hochprioren
Interrupt-Intervall IZ. Bevorzugt ist Datenverarbeitungseinheit 2 zur Auslösung des
Interrupt-Intervalls IZ mit einer Zeitauflösung von einem Vielfachen von
1/232 s ausgebildet. Je nach Genauigkeitsanforderungen
beträgt
beispielsweise das Interrupt-Intervall IZ ungefähr 1 ms.
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Im Zeitmodul 14 ist die
fortlaufende Uhrzeit UZ im sogenannten ISP- oder Internetformat
hinterlegt. D.h. die Uhrzeit UZ ist als ein 8-Byte-Zähler ausgebildet,
dessen ersten vier Byte die Sekunden seit dem 1.1.1900, 00:00 Uhr
und dessen folgenden vier Byte die Sekundenteile desselben Zeitraums
in der Einheit 1/232 s darstellen. Sowohl
im Zeitpunkt der Initialisierung der betreffenden Datenverarbeitungseinheit 2 als
auch zur Einstellung, Nachstellung oder in anderen Fällen wird
die Uhrzeit UZ des Zeitmoduls 14 separat eingestellt. Beispielsweise
wird die fortlaufende Uhrzeit UZ des Zeitmoduls 14 mittels
eines Zeitsignals S einer nicht näher dargestellten zentralen
Uhr oder Funkuhr gestellt.
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Im Falle der Anforderung nach einer
aktuellen Uhrzeit UZaktuell für einen
Prozess P, z.B. ein Datenverarbeitungsprogramm 8 oder einen
Funktionsbaustein FB1 bis FBn, ermittelt der Zeitgeber 10 in
einer niederprioren Ablaufebene oder Prozessebene PZ mittels der
Anzahl Z von vom Zähler 12 von
einer vorange gangenen Uhrzeit UZalt bis
zur Prozessaufforderung erfassten Interrupt-Intervallen IZ und des zugrundeliegenden
Interrupt-Intervalls
IZ sowie der vorangegangenen Uhrzeit UZalt im
Zählerformat
die aktuelle Uhrzeit UZaktuell gemäß UZaktuell = UZalt +
(Z * IZ). Hierzu löst
der Zeitgeber 10 zum Zeitpunkt der Prozessaufforderung
P einer Interruptsperre aus und liest den dem Zähler 12 zugrundeliegenden
Zählwert Z,
welcher die Anzahl der durchlaufenen Interrupt-Intervalle IZ seit
der Berechnung letzten oder vorangegangenen Uhrzeit UZalt repräsentiert,
aus. Nach dem Auslesen des Zählwertes
Z wird die Interruptsperre freigegeben und der Zähler 12 zurückgesetzt,
d.h. der Zähler 12 wird
auf null gesetzt. Die aktuelle Uhrzeit UZaktuell wird
dann anhand der Summe der mittels des Zählwertes Z ermittelten n-zahligen
Interrupt-Intervalle IZ und der vorangegangenen Uhrzeit UZalt ermittelt. Zur Reduzierung der Anzahl
von Rechenvorgängen
und zur Reduzierung der Rechnerbelastung ist der Zeitgeber 10 nur
prozessgesteuert zur Ermittlung der aktuellen Uhrzeit UZaktuell d.h. asynchron zum Interrupt-Intervall
IZ, aktivierbar. D.h. nur noch im Fall einer Prozessaufforderung
P wird die aktuelle Uhrzeit UZaktuell wie
oben beschrieben in der niederprioren Prozessebene PZ ermittelt.