DE3706325A1 - Steuer- und datennetzwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuer- und Datennetz­ werk nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Im industriellen Bereich ist es häufig erforderlich, eine aus mehreren oder vielen Bauteilen bestehende Anlage mit größerer räumlicher Ausdehnung zuverlässig zu über­ wachen und zu steuern. Dazu hat man zunächst zu jedem Bau­ teil, jeder Maschine, jedem Sensor usw. getrennte Steuer-, Überwachungs- und Energieleitungen verlegt. Insbesondere bei größerer Ausdehnung sowie auch bei späteren Änderungen und Erweiterungen wird dann aber der Aufwand und auch der Platzbedarf für die Vielzahl von Verbindungsleitungen zu hoch. hinzu kommt, daß eine solche Verkabelung unübersichtlich und schwierig zu warten oder im Strömungsfall zu reparieren ist.

Es ist daher in bekannter Weise schon versucht worden, die einzelnen Anlagenteile zur Steuerung, Überwa­ chung, Datenübertragung und Datengewinnung parallel an einen Bus anzuschalten, beispielsweise einen symmetrischen Zweidrahtbus. Den einzelnen Anlagenteilen sind dazu Anschaltmodule zugeordnet, die jeweils einen Prozessor und zugehörige Bauteile aufweisen. Ein Leitrechner überträgt über den Bus adressierte Telegramme zu den einzelnen Anschaltmodulen, so daß auf diese Weise Daten und Steuer­ informationen zu den Anschaltmodulen gegeben und Antworten von diesen aufgenommen werden können.

Ein Beispiel für eine verteilte Anlage im industriellen Bereich mit Abständen zwischen den einzelnen Bauteilen im Bereich bis zu mehreren 100 m oder mehr ist ein automatisiertes Lager mit einer Vielzahl von Transport­ einrichtungen, Lichtschranken, Abstandssensoren, Zählern, Lichtschaltern, Antriebsmotoren usw. Ähnliches gilt für die Steuerung einer großen Krananlage, von Schiffen oder auch bei Fertigungsstraßen und ähnlichem.

In allen Fällen dieser Art kommt es nicht nur darauf an, den Aufwand für das Steuer- und Datennetzwerk möglichst klein zu halten, sondern auch den Betriebsablauf möglichst sicher auch bei Auftreten von Störungen zu gestalten.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein Steuer- und Datennetzwerk nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Richtung auf hohe Zuverlässigkeit und große Betriebssicherheit weiterzubilden. Die Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.

Die einzelnen Anschaltmodule eines Steuer- und Datennetzwerkes können also von außen, beispielsweise durch den Leitrechner, oder auch durch die einzelnen Anschaltmodule selbst oder auch beispielsweise durch Notschalter in einen Nothaltzustand gebracht werden, in dem beispielsweise Schaltschütze von Motoren, Transporteinrichtungen usw. zum Abfallen gebracht werden. Da die Nothalt-Steuerleitun­ gen allen oder wenigstens bestimmten Anschaltmodulen gemeinsam sind, kann die ganze Anlage stillgesetzt oder in einen gewünschten Zustand gebracht werden, wenn Störungen oder Sicherheitsprobleme auftreten.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. So kann vorgesehen sein, daß die Nothalt- Steuerleitung im normalen Betriebszustand auf einer vorge­ gebenen Spannung gehalten ist. Ein Ausfallen oder Abfallen dieser Spannung wird dann als Steuersignal erkannt und ausgewertet.

Im Nothaltzustand bringt der Prozessor den Ausgang zweckmäßig in einen vorgegebenen Signalzustand, vorzugsweise den Ausschaltzustand. Wenn dann an den Ausgang oder einen der Ausgänge ein Schütz angeschlossen ist, kann auf diese Weise ein vom Schütz gesteuerter Motor oder eine andere elektrische Einrichtung abgeschaltet werden.

Zusätzlich kann in weiterer Ausbildung der Erfindung vorgesehen sein, daß über wenigstens bestimmte Anschalt­ module eine Freigabeleitung durchgeschleift ist, die zu einer Verriegelungsschaltung führt, und daß die Verriege­ lungsschaltung den Betrieb des Netzwerks und damit der Anlage nur freigibt, wenn in allen bestimmten Anschaltmodulen ein vorgegebener Schaltvorgang bezüglich der Freigabeleitung durchgeführt ist. Dabei kann der Schaltvorgang das Schließen eines in Reihe in der Freigabeleitung liegenden Relaiskon­ taktes sein. Insgesamt kann auf diese Weise die Anlage erst dann in Betrieb gehen, wenn alle oder wenigstens bestimmte Anschaltmodule, über die die Freigabeleitung geschleift ist, den Betrieb freigegeben haben, also beispielsweise den Relaiskontakt geschlossen haben. In entsprechender Weise kann mit Hilfe der Freigabeleitung die gesamte Anlage außer Betrieb gesetzt werden, beispielsweise in den Nothaltzustand gebracht werden, wenn in einem der Anschlußmodule der in der Freigabeleitung liegende Relaiskontakt geöffnet wird.

Da im rauhen industriellen Einsatz die elektrische Sicherheit wichtig ist und entsprechende Vorschriften eingehalten werden müssen, sind zweckmäßig alle Eingänge der Anschaltmodule einschließlich des Busanschlusses und des Steuereingangs über spannungsfeste Optokoppler geführt. Des weiteren müssen in den Anschaltmodulen Kriech- und Luftstrecken entsprechend den jeweiligen Vorschriften eingehalten werden. Darüber hinaus werden zweckmäßig alle Ausgänge der Anschaltmodule über spannungsfeste Optokoppler geführt, denen Ausgangstreiber nachgeschaltet sind, welche aus einem besonderen Netzteil mit spannungsfester Netz­ trennung gespeist sind.

Um die Stromversorgung der Anschaltmodule zu verein­ fachen, werden sie zweckmäßig aus einer industrieüblichen Gleichspannung von vorzugsweise 24 V über Gleichspannungs­ wandler mit spannungsfester Netztrennung gespeist.

Der Bus kann zweckmäßig und in an sich bekannter Weise ein symmetrischer Zweidrahtbus sein, der der genormten Schnittstelle RS485 entspricht. Andere übliche Bus-Ausfüh­ rungen lassen sich ebenfalls verwenden. Desgleichen kann die Verbindung zwischen den einzelnen Anschaltmodulen auch über Lichtwellenleiter erfolgen. Dann ist für jede Übertra­ gungseinrichtung ein besonderer Lichtwellenleiter erforder­ lich, und die übertragenen Lichtsignale müssen in jedem Anschaltmodul in entsprechende elektrische Signale und anschließend wieder in Lichtsignale umgewandelt werden.

Zur weiteren Verbesserung der Sicherheit und Betriebssicherheit weist zweckmäßig jedes Anschaltmodul eine Überwachungsschaltung auf, die bei einem fehlerhaften Betrieb des Prozessors diesen in den Anfangszustand zurück­ setzt und den Leitrechner hiervon in Kenntnis setzt. Eine solche Überwachungsschaltung wird wegen ihrer Funktion auch als "Watchdog" bezeichnet. Bei Ansprechen der Überwachungs­ schaltung kann dann der in der Freigabeleitung liegende Relaiskontakt geöffnet werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben.

Das in der Zeichnung dargestellte Steuer- und Datennetzwerk weist mehrere Anschaltmodule 10 auf, von denen das zweite Modul genauer und das erste, dritte und n-te Modul nur schematisch dargestellt sind. Die gestrichelte Linie zwischen dem dritten und n-ten Modul deutet an, daß eine beliebige Zahl weiterer Anschaltmodule 10 vorgesehen sein kann. Alle Module 10 sind parallel an einen Bus 11 angeschlossen, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein symmetrischer Zweidrahtbus bekannter Art ist. Der Bus 11 führt zu einem Leitrechner 12, der die Gesamtanlage steuert und überwacht. Als Leitrechner 12 kann beispiels­ weise ein sogenannter Personal-Computer mit einem zusätzli­ chen Adapter zum Anschluß an den Bus 11 verwendet werden.

Der Leitrechner 12 tritt mit den Anschaltmodulen 10 durch Übertragung von Telegrammen oder Datenpaketen über den Bus 11 in Verbindung. Die Telegramme werden in Form serieller Bits übertragen. Beispielsweise enthält ein Telegramm außer einem Startflag und einem Stopflag mit jeweils mehreren Bits 21 Bytes an Daten einschließlich einer Adresse, die jeweils einem Anschaltmodul 10 gesondert zugeordnet ist. In den einzelnen Anschaltmodulen 10 werden die an einer bestimmten Stelle der Telegramme stehenden Adressen decodiert, und das jeweilige Anschaltmodul spricht nur dann auf das Telegramm an, wenn es seine eigene Adresse erkennt. Als Antwort auf das Telegramm wird dann vom jewei­ ligen Modul wenigstens ein Bestätigungstelegramm zum Leitrechner 12 zurückübertragen, gegebenenfalls mit zusätz­ lichen oder angeforderten Daten oder sonstigen Informatio­ nen. Alle Module werden regelmäßig vom Leitrechner durch Übertragung von Telegrammen abgefragt, um sicherzustellen, daß wartende Daten nur mit einer bestimmten Maximalverzöge­ rung vom Leitrechner 12 ausgewertet werden können. Außerdem können die einzelnen Anschaltmodule bei Ausbleiben der regelmäßigen Abfrage einen Störzustand erkennen.

Jedes Anschaltmodul 10 enthält, wie das genauer dargestellte zweite Modul zeigt, als zentrales Bauteil einen Prozessor 14. Dem Prozessor 14 ist in üblicher Weise ein Speicher 15 mit Zusatzbauteilen zugeordnet, der neben Daten die jeweiligen Steuerprogramme einschließlich eines Betriebs­ systems enthält. Beim Ausführungsbeispiel wird mit Vorteil ein Doppelprozessor vom Typ INTEL 8044 eingesetzt. Ein Teilprozessor erstellt ein serielles Bus-Protokoll mit Geschwindigkeiten bis zu 375 KBd für die über den Bus 11 zum Leitrechner 12 zurückzuübertragenden Telegramme, die ohne zusätzlichen Wiederholverstärker bis zu 300 m übertra­ gen werden können. Der andere Teilprozessor übernimmt die weiteren Verarbeitungsvorgänge im Anschlußmodul 10 und wird dabei durch das aufwendige Busprotokoll kaum belastet. Der Verkehr zwischen den beiden Teilprozessoren findet über den Speicher 15 statt.

Die über den Bus 11 vom Leitrechner 12 ankommenden Telegramme durchlaufen die serielle Schnittstellenschaltung 16, die zur sicheren Potentialtrennung entsprechend der schematischen Darstellung einen Optokoppler mit einer Spannungsfestigkeit von 3,5 kV enthält. Wenn der Prozessor 14 nach Decodieren der Adresse feststellt, daß das Telegramm für das eigene Anschaltmodul 10 bestimmt ist, werden die im Telegramm enthaltenen Daten und Befehle aufgenommen und die jeweiligen Datenverarbeitungsvorgänge durchgeführt. Beispielsweise kann eine der Ausgangsleitungen 18 der Ausgangsschaltung 17 eingeschaltet und damit ein vom Anschaltmodul 2 gesteuertes Schütz (nicht gezeigt) betätigt werden. Auch im Falle der Ausgangsschaltung 17 ist zwischen die Ausgangsleitungen 19 des Prozessors 14 und die in der Ausgangsschaltung 17 enthaltenen Treiber für die Ausgangs­ leitungen 18 ein spannungsfester Optokoppler geschaltet. Die Netztrennung wird vervollständigt durch eine spannungs­ feste Stromversorgung 20 für die Treiber der Ausgangs­ schaltung 17.

Als weiteres Beispiel kann der Prozessor 14 auch auf einen im Telegramm vom Leitrechner 12 enthaltenen Befehl hin Daten zum Leitrechner 12 übertragen, die die Eingangsschaltung 21 über Eingangsleitungen 22 beispiels­ weise von einem Sensor (nicht gezeigt) erhalten hat. Die Eingangsschaltung 21 enthält wiederum für alle Eingangs­ leitungen 22 spannungsfeste Optokoppler in Richtung zu den Eingangsleitungen 23 des Prozessors 14.

Als Besonderheit weisen die Anschaltmodule 10 jeweils eine Nothaltschaltung 24 auf, die ausgangsseitig an den Prozessor 14 angeschaltet ist und eingangsseitig über einen spannungsfesten Optokoppler mit einer besonderen Ader 25 verbunden ist. Über diese Ader 25 können alle Anschaltmodule 10 in einen vorbestimmten Nothaltzustand gebracht werden, in dem vorzugsweise der Prozessor 14 alle Ausgangsleitungen 18 abschaltet. Im Ausführungsbeispiel liegt die Ader, wie schematisch dargestellt, über einen Widerstand 26 im Leitrechner 12 auf einem positiven Poten­ tial. Wenn dann an beliebiger Stelle, also im Leitrechner 12, in den Anschaltmodulen oder auf den Verbindungsstrecken die Ader 25 geerdet wird, erkennt die jeweilige Nothalt­ schaltung 24 dies als Nothaltbefehl und führt die entspre­ chenden Vorgänge über den Prozessor 14 aus. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, daß auch bei auftretenden Kabelfehlern oder sonstigen Störungen die Anlage definiert in einen Ruhe- oder Ausschaltzustand gebracht werden kann.

Eine weitere Besonderheit der Anschaltmodule 10 ist eine Freigabeschaltung 27, die eingangsseitig mit dem Prozessor 14 verbunden ist. Ausgangsseitig ist über alle Freigabeschaltungen 27 der Anschaltmodule 10 eine besondere Ader 28 durchgeschleift, die in den Freigabeschaltungen über einen Relaiskontakt 29 führt. In dem jeweils letzten Anschaltmodul 10 führt der Relaiskontakt 29 als Beispiel zu einem positiven Potential. Bei Inbetriebnahme der Anlage wird im jeweiligen Anschaltmodul der Relaiskontakt 29 durch einen Befehl des Prozessors 14 dann geschlossen, wenn das jeweilige Anschaltmodul nach Überprüfung durch den Prozes­ sor 14 einwandfrei arbeitet. Die Gesamtanlage kann dann erst vom Leitrechner 12 in Betrieb genommen werden, wenn die Ader 28 am Eingang des Leitrechners 12 das positive Potential aus dem letzten Anschaltmodul 10 führt und dem­ gemäß alle in Reihe geschalteten Relaiskontakte 29 geschlos­ sen haben.

Die Anschaltmodule weisen darüber hinaus jeweils eine Überwachungsschaltung ("Watchdog") 30 auf, die den Prozessor 14 beispielsweise durch Zählen regelmäßig abgegebener Impulse und periodisches Rückstellen des Zählers überwacht und weitere Überprüfungen durchführen kann, beispielsweise auch die Betriebsspannungen überwacht. Bei auftretenden Fehlern kann das Anschaltmodul 10 dann in einen definierten Zustand gebracht werden, beispiels­ weise kann der Prozessor 14 zurückgestellt werden.

Die in einer Anlage verwendeten Anschaltmodule 10 können unterschiedlich ausgelegt sein. Beispielsweise kann die Zahl der Ausgangs- und Eingangsschaltungen variieren. Es lassen sich auch kombinierte Eingangs- und Ausgangs­ schaltungen einsetzen, die durch Prozessorbefehle für die jeweilige Funktion umgeschaltet werden. Weitere Ausführun­ gen von Anschaltmodulen können statt der digitalen Eingangs- und Ausgangsschaltungen 21 bzw. 17 analoge Eingangs- und Ausgangsschaltungen enthalten, die im Falle der Eingangsschaltungen zugeführte Analogspannungen in Digitalsignale für den Prozessor umsetzen und im Falle der Ausgangsschaltungen je nach zugeführtem Befehl definierte Analogspannungen abgeben. Weiterhin kann ein Anschlußmodul auch eine Wechselspannungs-Eingangsschaltung enthalten, der direkt Wechselspannungen von beispielsweise 220 V zuführbar sind.

Claims (11)

1. Steuer- und Datennetzwerk mit einer Anzahl von Anschaltmodulen (10), die je wenigstens einen Prozessor (14) mit zugehörigen Bauteilen (15) sowie je wenigstens eine Eingangsschaltung (21) und eine Ausgangsschaltung (17) zur Aufnahme bzw. Abgabe von Daten und Signalen aufweisen,
mit einem Bus (11), an den die Anschaltmodule (10) parallel über einen Busanschluß (16) angeschaltet sind,
und mit einem Leitrechner (12), der die Anschaltmodule (10) über den Bus (11) mittels adressierter Telegramme aufruft und Daten- und Steuerinformationen an diese überträgt sowie Antworten der Anschaltmodule (10) aufnimmt, dadurch gekennzeichnet,
daß die Anschaltmodule (10) einen Steuereingang (14) aufweisen, der bei Anliegen eines vorgegebenen Steuer­ signals den Prozessor (14) veranlaßt, das Anschaltmodul (10) in einen vorbestimmten Nothaltzustand zu bringen,
und daß die Steuereingänge (16) wenigstens bestimmter Anschaltmodule (10) an eine gemeinsame Nothalt-Steuer­ leitung (25) angeschlossen sind.

2. Steuer- und Datennetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nothalt-Steuerleitung (25) im normalen Betriebszustand auf einer vorgegebenen Spannung gehalten ist und daß ein Aus- oder Abfallen dieser Spannung als Steuersignal erkannt wird.

3. Steuer- und Datennetzwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor (14) im Nothaltzustand die Ausgangsschaltung (17) in einen vorgegebenen Signalzustand, vorzugsweise den Ausschalt­ zustand, bringt.

4. Steuer- und Datennetzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß über wenigstens bestimmte Anschaltmodule (10) eine Freigabe­ leitung (28) durchgeschleift ist, die zu einer Verriege­ lungsschaltung (12) führt, und daß die Verriegelungs­ schaltung den Betrieb des Netzwerks erst freigibt, wenn in allen bestimmten Anschaltmodulen (10) ein vorgegebener Schaltvorgang bezüglich der Freigabeleitung (28) durch­ geführt ist.

5. Steuer- und Datennetzwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltvorgang das Schließen eines in Reihe in der Freigabeleitung (28) liegenden Relaiskontaktes (29) ist.

6. Steuer- und Datennetzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß alle Eingänge der Anschaltmodule (10) einschließlich des Busanschlusses (16) und des Steuereingangs (24) über spannungsfeste Optokoppler geführt sind.

7. Steuer- und Datennetzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß alle Ausgänge (16, 17) der Anschaltmodule (10) über spannungs­ feste Optokoppler geführt sind, denen aus einem besonde­ ren Netzteil (20) mit spannungsfester Netztrennung gespeiste Ausgangstreiber nachgeschaltet sind.

8. Steuer- und Datennetzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung der Anschaltmodule (10) aus einer industrieüblichen Gleichspannung (24 V) über Gleich­ spannungswandler mit spannungsfester Netztrennung erfolgt.

9. Steuer- und Datennetzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Bus (11) ein symmetrischer Zweidrahtbus ist.

10. Steuer- und Datennetzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Anschaltmodul (10) eine Überwachungsschaltung (30) enthält, die bei einem fehlerhaften Betrieb des Prozessors (14) diesen in den Anfangszustand zurück­ setzt und den Leitrechner (12) hiervon in Kenntnis setzt.

11. Steuer- und Datennetzwerk nach Anspruch 5 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ansprechen der Überwachungsschaltung (30) der in der Freigabeleitung (28) liegende Relaiskontakt (29) geöffnet wird.