DE19815150A1 - Sensoranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung von Sensoren und/oder Aktoren in einem Bussystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Anordnung ist aus der DE 44 12 653 C2 bekannt. Diese Anord­ nung umfaßt ein Zweidraht-Bussystem, an welches mehrere Sensoren mit ana­ logen oder digitalen Schaltzuständen angeschlossen sind. Die Sensoren werden von einer redundanten Auswerteeinheit mit zwei Auswerteprozessoren gesteu­ ert. Hierzu stimuliert einer der Auswerteprozessoren die Sensoren, indem je­ weils eine Adresse an die betreffenden Sensoren ausgegeben wird. Zur Über­ prüfung der Funktion der Sensoren wird vom Auswerteprozessor ein Prüfwert, beispielsweise in Form einer Checksumme, an die Sensoren ausgegeben. Die­ ser Übertragungsprozeß wird vom anderen Auswerteprozessor überwacht. Nach jedem Überprüfungszyklus wird zwischen den Auswerteprozessoren ge­ wechselt. Zudem führen die Sensoren jeweils einen Selbsttest durch.

Bei diesem Bussystem ist zwar die Datenübertragung zwischen der Auswerte­ einheit und den Sensoren überprüfbar. Zudem ist durch den Selbsttest der Sen­ soren überprüfbar, ob diese interne Gerätestörungen aufweisen. Jedoch sind die einzelnen Schaltzustände der Sensoren nicht auf ihre Fehlerfreiheit überprüf­ bar. Dies wäre jedoch notwendig, um derartige Bussysteme auch im Bereich des Personenschutzes einsetzen zu können. Damit bei derartigen Bussystemen die Sicherheitsanforderungen im Bereich des Personenschutzes erfüllbar sind, müßten sämtliche Sensoren selbst redundant und damit fehlersicher aufgebaut sein. Dies würde jedoch einen beträchtlichen schaltungstechnischen Aufwand bedeuten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung von Sensoren der eingangs genannten Art so auszubilden, daß diese mit möglichst geringem Schaltungsaufwand die Sicherheitsanforderungen für den Einsatz im Personen­ schutz erfüllt.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß sind die Sensoren von Lichtschranken mit jeweils einem Sender und einem Empfänger gebildet. Jeder Sender sendet Sendelichtstrahlen an den ihm zugeordneten Empfänger aus. Dabei ist den Sendelichtstrahlen der Sender ein individuelle Kodierung aufgeprägt. Bei freiem Strahlengang der Lichtschranken werden die Kodierungen in den jeweiligen Empfängern der Lichtschranken registriert und an den Master gesendet.

Die gesamte Datenübertragung zwischen dem Master und den Slaves wird von einer an das Bussystem angeschlossenen redundanten Auswerteeinheit abge­ hört und überprüft. Die Auswerteeinheit hat innerhalb des Bussystems eine rein passive Kontrollfunktion. Sie erfüllt weder die Funktion eines Masters noch eines Slaves.

Nur wenn die von sämtlichen Empfängern über das Bussystem übertragenen Kodierungen fehlerfrei identifiziert werden, wird über die Auswerteeinheit das Arbeitsgerät in Betrieb gesetzt. Werden die Kodierungen nicht fehlerfrei iden­ tifiziert, so ist entweder der Strahlengang einer Lichtschranke unterbrochen oder die Übertragung zwischen Master und Slaves fehlerhaft. In diesen Fällen wird das Arbeitsgerät außer Betrieb gesetzt.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung können Übertragungsfehler, insbeson­ dere auch statische Übertragungsfehler, mit großer Sicherheit aufgedeckt wer­ den. Diese Überprüfung erfolgt durch eine redundante Auswerteeinheit und damit mit der für den Personenschutz geforderten Sicherheit. Besonders vor­ teilhaft dabei ist, daß die Signale der Sensoren jeweils eine individuelle Kodie­ rung und in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform eine individuelle Zeitabhängigkeit aufweisen, die den einzelnen Slaves zu jedem Zeitpunkt ein­ deutig zugeordnet werden kann. Dadurch brauchen die Sensoren selbst nicht redundant aufgebaut sein. Die Überprüfung der individuellen Signale der Sla­ ves durch die redundante Auswerteeinheit erfüllt das für den Personenschutz erforderliche Sicherheitsniveau.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Sensor-Aktor-Bussystems.

Fig. 1 zeigt ein nach dem Master-Slave-Prinzip arbeitendes Sensor-Aktor- Bussystem 1. Im vorliegenden Fall sind nur Sensoren 2 an das Bussystem angeschlossen. Die Sensoren 2 bilden eine Anordnung zur Überwachung eines nicht dargestellten Arbeitsgeräts. Beispielsweise werden die Sensoren 2 zur Überwachung des Vorfelds des Arbeitsgerätes eingesetzt. Mit einer derartigen Zugangskontrolle kann überwacht werden, ob sich Personen unbefugt dem Ar­ beitsgerät nähern. Erfolgt ein derartiger Personeneingriff in das Vorfeld des Arbeitsgeräts, so wird das Arbeitsgerät aus Sicherheitsgründen abgeschaltet.

Die Sensoren 2 weisen jeweils binäre Schaltzustände auf. Nur dann, wenn sich sämtliche Sensoren 2 im Schaltzustand "0" befinden, welcher signalisiert, daß sich kein Objekt oder keine Person im Beeinflussungsbereich des jeweiligen Sensors 2 befindet, erfolgt die Freigabe für das Inbetriebsetzen des Arbeitsgerä­ tes.

Die Sensoren 2 bilden die Slaves des Bussystems 1. Das Bussystem 1 wird vom Master, der von einer Steuereinheit 3, beispielsweise einer SPS-Steuerung, gebildet ist, zentral gesteuert. Der Master und die Slaves sind über Busleitun­ gen 4 miteinander verbunden. Die Stromversorgung erfolgt über ein Netzteil 5.

Der Master fragt die einzelnen Slaves unter vorgegebenen Adressen zyklisch ab, worauf jeder Slave eine Antwort an den Master sendet.

Im vorliegenden Fall ist das Bussystem 1 vom ASi-Bussystem gebildet. Das ASi-Bussystem ist insbesondere für den Anschluß von binären Sensoren und Aktoren konzipiert. Die Funktionsweise des ASi-Bussystems ist in "ASI - Das Aktuator Sensor Interface für die Automation", Werner Kriesel, Otto W. Made­ lung, Carl Hanser Verlag, 1994 beschrieben, dessen Inhalt in den Offenba­ rungsgehalt dieser Anmeldung miteinbezogen wird.

Bei diesem Bussystem 1 besteht ein Masteraufruf aus einem Startbit, einer 5 Bit-breiten Adresse, 2 Bit Steuerinformation, 4 Bit Nutzdaten sowie jeweils einem Paritäts- und Stopp-Bit. Die zugehörige Slaveantwort enthält ein Start- Bit, 4 Bit Nutzdaten sowie jeweils ein Paritäts- und Stopp-Bit. Ein Slave über­ prüft den empfangenen Masteraufruf anhand vorgegebener ASi-spezifischer Kodierungsregeln. Erkennt der Slave einen gültigen Masteraufruf, so sendet er eine entsprechende Antwort. In allen anderen Fällen antwortet er nicht. Ebenso verwirft der Master eine Slaveantwort, wenn sie den entsprechenden Kodie­ rungsregeln nicht entspricht.

Die Daten sind Manchester-kodiert und werden als alternierende, sin²-förmige Spannungsimpulse über die Busleitungen 4 übertragen.

Hierzu ist dem Master eine Analogschaltung 6 nachgeordnet, welche ein je­ weils nicht dargestelltes Sendeelement und ein Empfangselement aufweist. Im Sendeelement werden die binären Daten eines Masteraufrufs in eine Folge von sin²-förmigen Spannungsimpulse umgewandelt. Diese Signale werden über die Busleitungen 4 an die Slaves gesendet. Die von den Slaves über die Busleitun­ gen 4 an den Master gesendeten Signale werden in dem Empfangselement in binäre Datenfolgen umgewandelt.

Jedem Slave ist ein Schnittstellenbaustein 7 zugeordnet, der in dem vorliegen­ den Beispiel von einem ASi-IC gebildet ist. Im Schnittstellenbaustein 7 werden die über die Busleitung 4 empfangenen Folgen von sin²-förmigen Span­ nungsimpulsen in binäre Daten gewandelt. Desweiteren wird im Schnittstellen­ baustein 7 die in Form von binären Daten vorliegende Slaveantwort in eine Folge von sin²-förmigen Spannungsimpulsen und über die Busleitungen 4 an den Master gesendet.

Zur Überprüfung der über die Busleitungen 4 gesendeten Signale ist eine re­ dundante Auswerteeinheit 8 mit zwei sich überwachenden Rechnereinheiten 9, 10 an das Bussystem 1 angeschlossen. Die Rechnereinheiten 9, 10 sind vor­ zugsweise von identisch aufgebauten Mikroprozessoren gebildet. Die Auswer­ teeinheit 8 bildet weder einen Master noch einen Slave sondern stellt einen rein passiven Busteilnehmer dar, der fortlaufend die auf den Busleitungen 4 über­ tragenen Signale abhört. Hierzu ist die Auswerteeinheit 8 an die Analogschal­ tung 6 angeschlossen. Die Signale des Empfangselements werden in die Rech­ nereinheiten 9, 10 der Auswerteeinheit 8 eingelesen und dort zyklisch mitein­ ander verglichen.

Jede Rechnereinheit 9, 10 weist einen Ausgang 11, 12 auf, welcher an das Ar­ beitsgerät angeschlossen ist. Die Ausgänge 11, 12 sind als Relaisausgänge oder sichere, sich selbst überwachende Halbleiterausgänge ausgebildet. Über diese Ausgänge 11, 12 erfolgt die Inbetriebsetzung des Arbeitsgeräts, falls der Da­ tenverkehr über die Busleitungen 4 fehlerfrei erfolgt und falls sich die einzel­ nen Sensoren 2 jeweils im Schaltzustand "0" befinden.

Erfindungsgemäß sind die Slaves jeweils von einer Lichtschranke mit jeweils einem Sendelichtstrahlen 13 emittierenden Sender 14 und einem Empfänger 15 gebildet. Der Schaltzustand "0" entspricht hier einem freien Strahlengang, so daß die vom Sender 14 emittierten Sendelichtstrahlen 13 ungehindert auf den Empfänger 15 treffen.

Der Sender 14 und der Empfänger 15 einer Lichtschranke weisen jeweils einen Schnittstellenbaustein 7 auf.

Jeder Sender 14 weist einen nicht dargestellten Pseudo-Zufallszahlengenerator auf, in welchem eine binäre Signalfolge erzeugt wird. Diese binäre Signalfolge wird zur Kodierung der Sendelichtstrahlen 13 verwendet.

Die Kodierung der Sendelichtstrahlen 13 der einzelnen Sender 14 wird in vor­ gegebenen Zeitschritten verändert.

Hierzu erzeugt der Pseudo-Zufallszahlengenerator zeitlich nacheinander ver­ schiedene Datenworte, die Segmente der binären Signalfolge bilden.

Vorzugsweise besteht ein derartiges Segment aus einem 4 bit-breiten Daten­ wort. Dies hat den Vorteil, daß die Länge des Segments genau der Wortlänge der Nutzdaten des Masteraufrufs bzw. der Slaveantwort des Bussystems 1 ent­ spricht. Somit kann ein vom Sender 14 zum Empfänger 15 optisch übertrage­ nes Datenwort mit einer Slaveantwort direkt zum Master übertragen werden.

Prinzipiell kann die Kodierung in fest vorgegebenen Zeitschritten verändert werden, wobei die Größe der Zeitschritte in den einzelnen Lichtschranken ab­ gespeichert ist. Zweckmäßigerweise sind die Zeitschritte jeweils konstant und für alle Lichtschranken gleich groß.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Variation der Kodierung in den Slaves aufrufgesteuert durch den Master.

Mit jedem Masteraufruf wird ein neues Segment der binären Signalfolge akti­ viert. Damit eine eindeutige Zuordnung der Segmente innerhalb einer binären Signalfolge eines Slaves und der Segmente der Signalfolgen verschiedener Sla­ ves möglich ist, muß sich jedes Segment in wenigstens einem Bit von allen anderen Segmenten unterscheiden. Dies schränkt die maximale Länge der binä­ ren Signalfolge sowie die Anzahl der maximal anschließbaren Slaves ein. Ins­ gesamt sind demzufolge vierzehn verschiedene Lichtschranken anschließbar, wobei jeder Sender 14 und Empfänger 15 einer Lichtschranke einen Slave bil­ det. Die Länge jeder Signalfolge beträgt vierzehn Datenworte mit einer Wort­ länge von jeweils 4 Bit.

Dabei weist keines der Segmente eine Bitfolge mit den Werten "0000" auf. Diese Bitfolge entspricht einem unterbrochenen Strahlengang einer Licht­ schranke. Infolge des Eingriffs eines Objekts oder einer Person in den Strah­ lengang der Lichtschranke gelangt kein Sendelicht auf den Empfänger 15, so daß sich als Signalwert am Empfänger 15 die Bitfolge "0000" ergibt.

Die vom Empfänger 15 bei freiem Strahlengang empfangenen Segmente der jeweiligen Bitfolge, bzw. bei unterbrochenem Strahlengang die Bitfolge "0000", werden zyklisch als Antwort auf einen Masteraufruf mit der Slaveant­ wort an den Master gesendet.

Damit diese Signale durch die Auswerteeinheit 8 überprüft werden können, sind die binären Signalfolgen der einzelnen Slaves in der Auswerteeinheit 8 als Referenzwerte abgespeichert. Zudem sind die binären Signalfolgen auch im Master abgespeichert. Somit kann sowohl im Master als auch in der Auswerte­ einheit 8 geprüft werden, ob die Kodierungen der von den Sendern 14 emittier­ ten Sendelichtstrahlen 13 vom Empfänger 15 registriert wurden und korrekt zum Master gesendet wurden.

Zweckmäßigerweise werden die binären Signalfolgen durch die Pseudo- Zufallszahlengeneratoren während einer Installationsphase vor Inbetriebnahme des Bussystems 1 erzeugt und im Master und in der Auswerteeinheit 8 hinter­ legt.

Zweckmäßigerweise sind die Zykluszeiten der optischen Übertragung zwischen Sendern 14 und Empfängern 15 der Lichtschranken an die Zykluszeiten des Bussystems 1 angepaßt. Die Dauer der optischen Übertragung eines Segments der binären Signalfolge vom Sender 14 zum Empfänger 15 ist dabei maximal gleich der doppelten Dauer eines Masteraufrufs und der darauffolgenden Sla­ veantwort. Dabei erfolgt die optische Übertragung unabhängig von der Daten­ übertragung über die Busleitungen 4. Insbesondere wird die optische Daten­ übertragung weder durch einen Masteraufruf noch durch eine Slaveantwort unterbrochen oder modifiziert.

Durch eine geeignete Adressierung ist gewährleistet, daß im fehlerfreien Be­ trieb des Bussystems 1 mit jeder Slaveantwort eines Slaves ein unterschiedli­ ches Segment der Kodierung an den Master übertragen wird. Dadurch können insbesondere auch statische Übertragungsfehler innerhalb des Bussystems 1 mit großer Sicherheit aufgedeckt werden.

Im Fall einer gestörten Datenübertragung wiederholt der Master den Aufruf an den entsprechenden Slave.

Um zu verhindern, daß durch eine solche Wiederholung der Pseudo-Zufalls­ zahlengenerator eines Senders 14 um zwei Segmente weitergeschaltet wird, ist der Sender 14 so ausgelegt, daß ein erneutes Weiterschalten des Pseudo- Zufallszahlengenerators erst nach einer vorgegebenen Verzögerungszeit nach dem letzten Masteraufruf erfolgt. Diese Zeit ist größer als die Zeitspanne zwi­ schen zwei aufeinanderfolgenden Masteraufrufen.

Insbesondere beim ASi-Bussystem erfolgt bei fehlerfreiem Datenverkehr in­ nerhalb des Bussystems 1 die Antwort eines Slaves auf einen Masteraufruf mit einer definierten Verzögerungszeit. Bei dem ASi-Bussystem entspricht diese Verzögerungszeit einer Wortlänge von 3 Bit. Erfolgt ein fehlerhafter Master­ aufruf, den die Slaves als unzulässig erkennen, so antworten die Slaves auf diesen Masteraufruf nicht. Die Slaves wechseln daraufhin in einen asynchronen Betriebszustand.

Folgt darauf ein korrekter Masteraufruf, so antwortet der angesprochene Slave mit einer erhöhten Verzögerungszeit. Diese erhöhte Verzögerungszeit ent­ spricht beim ASi-Bussystem einer Wortlänge von 5 Bit.

Dieser Umstand wird in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung zur Funktionsüberprüfung der einzelnen Slaves ausgenützt.

In vorgegebenen Zeitabständen wird vom Master gezielt ein defekter Master­ aufruf ausgesendet. Aufgrund des fehlerhaften Masteraufrufs wechseln die Sla­ ves in den asynchronen Betriebszustand. Darauf folgt ein korrekter Masterauf­ ruf, mit welchem ein Slave angesprochen wird. Wird die verlängerte Verzöge­ rungszeit der Slaveantwort des betreffenden Slaves im Master und in der Aus­ werteeinheit 8 registriert, so ist das ein Nachweis dafür, daß die Schaltungslo­ gik des Schnittstellenbaustein 7 des betreffenden Slaves, insbesondere die Prü­ fung auf Übertragungsfehler, korrekt arbeitet.

Zweckmäßigerweise ist die zeitliche Abfolge der fehlerhaften Masteraufrufe so ausgebildet, daß mit diesen fehlerhaften Masteraufrufen die einzelnen Slaves nacheinander abgeprüft werden.

Claims (19)

1. Anordnung von Sensoren zur Überwachung eines Arbeitsgerätes, wel­ ches in Abhängigkeit der Schaltzustände der Sensoren in Betrieb setzbar ist, wobei die Sensoren Slaves eines nach dem Master-Slave-Prinzip ar­ beitenden Bussystems bilden, welches von einer den Master bildenden Steuereinheit gesteuert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (2) von Lichtschranken mit jeweils einem Sender (14) und einem Empfänger (15) gebildet sind, wobei jeder Sender (14) Sendelichtstrahlen (13) mit einer individuellen Kodierung an den zugeordneten Empfänger (15) aus­ sendet, daß an das Bussystem (1) eine redundante Auswerteeinheit (8) angeschlossen ist, welche fortlaufend die über das Bussystem (1) übertra­ genen Signale abhört, und daß nur bei fehlerfreier Identifizierung der von den Empfängern (15) über das Bussystem (1) übertragenen Kodierungen das Arbeitsgerät über die Auswerteeinheit (8) in Betrieb gesetzt wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Slave ein Schnittstellenbaustein (7) zugeordnet ist, und daß die Schnittstellen­ bausteine (7) über Busleitungen (4) mit dem Master verbunden sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sender (14) und dem Empfänger (15) einer Lichtschranke jeweils ein Schnittstel­ lenbaustein (7) zugeordnet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnittstellenbaustein (7) von einem ASi-IC gebildet ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Master eine Analogschaltung (6) nachgeordnet ist, welche ein Sendeelement und bin Empfangselement aufweist, wobei über das Sen­ deelement Signale vom Master an die Slaves gesendet werden und wobei das Empfangselement Signale von den Slaves empfängt und in den Ma­ ster und in die redundante Auswerteeinheit (8) einliest.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die redundante Auswerteeinheit (8) zwei sich überwachende Rech­ nereinheiten (9, 10) aufweist, wobei jede Rechnereinheit (9, 10) einen Ausgang (11, 12) zum Inbetriebsetzen des Arbeitsgerätes aufweist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge (11, 12) als Relaisausgänge oder als sichere Halbleiterausgänge ausgebil­ det sind.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sender (14) einen Pseudo-Zufallszahlengenerator aufweist, in welchem eine binäre Signalfolge zur Kodierung der Sendelichtstrahlen (13) erzeugt wird.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kodie­ rung der Sendelichtstrahlen (13) in vorgegebenen Zeitschritten variiert wird in dem nacheinander Segmente der binären Signalfolge zur Kodie­ rung der Sendelichtstrahlen (13) verwendet werden.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente jeweils von einem 4 Bit-breiten Datenwort gebildet sind.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Segmente einer binären Signalfolge eines Slaves jeweils in wenigstens einem Bit voneinander unterscheiden.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 9-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kodierung zyklisch durch die vom Master an den jeweiligen Sla­ ve gesendeten Masteraufrufe verändert wird.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 8-12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteeinheit (8) die binären Signalfolgen der einzelnen Slaves als Referenzwerte abgespeichert sind.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 8-13, dadurch gekennzeichnet, daß im Master die binären Signalfolgen der einzelnen Slaves als Refe­ renzwerte abgespeichert sind.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 8-14, dadurch gekennzeichnet, daß die binären Signalfolgen durch Parametrierung während der Installa­ tionsphase des Bussystems (1) vorgegeben werden.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 9-15, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der optischen Übertragung eines Segments der binären Si­ gnalfolge maximal der doppelten Dauer eines Masteraufrufs und einer darauffolgenden Slaveantwort entspricht.

17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer fehlerhaften Slaveantwort die Kodierung der Sendelichtstrahlen (13) des betreffenden Slaves unverändert bleibt.

18. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-17, dadurch gekennzeichnet, daß in vorgegebenen Zeitabständen vom Master ein fehlerhafter Master­ aufruf an die Slaves gesendet wird, worauf diese in einen asynchronen Betriebszustand wechseln, so daß bei einem darauffolgenden fehlerfreien Masteraufruf die Slaveantwort des angesprochenen Slaves verzögert er­ folgt, wobei die Verzögerungszeit zur Überprüfung der Funktionsfähig­ keit des Slaves im Master und in der Auswerteeinheit (8) ausgewertet wird.

19. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß durch die fehlerhaften Masteraufrufe die am Bussystem (1) angeschlossenen Slaves nacheinander abgeprüft werden.