DE3808135A1 - Speicherprogrammierbares steuerungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein speicherprogrammierbares Steue­ rungssystem, insbesondere vorgesehen als integraler Bestand­ teil eines Personal-Computers, bestehend aus den Einzelkompo­ nenten, Mikrocontroller oder Mikroprozessor, Datenspeicher, freiprogrammierbarer Speicherbereich für das Anwenderprogramm und den Interfaceelementen, wobei alle Komponenten mit einem Bussystem untereinander verbunden sind.

Mit dem Personal-Computer werden in der Automatisie­ rungstechnik vielfältige Aufgaben bewältigt. Er dient als Darstellungsanzeige in verfahrenstechnischen Abläufen und bei Vorgängen in der Meß- und Regeltechnik wie auch als Program­ miergerät für SPS-Einheiten. Üblich sind, Koppelbaugruppen zur Ankopplung von Peripherieeinheiten in serieller oder par­ alleler Form, sowie Ein- und Ausgabebaugruppen, die direkt auf den PC-BUS gesteckt werden. Eine Steuerungs-, Regelungs-, Meß-, oder Berechnungsaufgabe wird hierbei immer vom PC- Prozessor ausgeführt. Neben diesen Aufgaben muß der PC-Pro­ zessor MMI-Interfacefunktionen in Form von Tastaturabfrage, Tastaturauswertung, Bildverarbeitung und Plattenzugriff durchführen. Diese Funktionen nehmen den größten Teil des Prozessor-Zyklus in Anspruch. Für die Verarbeitung des Pro­ gramms und der I/O's bleibt nur ein geringer Zeitbereich zur Verfügung. Die vielfach im Tasking-Verfahren arbeitenden Betriebssysteme erlauben daher nicht, Steuerungsverarbeitung im Echtzeitbetrieb durchzuführen. Derart schnelle und konti­ nuierlich verlaufende SPS-Funktionen sind nicht realisierbar.

Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, die Vorteile einer speicherprogrammierbaren Steuerung mit den Vorteilen eines Personal-Computers zu kombinieren, wobei einerseits sämtliche PC-Aggregate, wie Grafik, Massenspeicher, LAN usw. voll im gesamten Kompaktsystem genutzt werden können und par­ allel zum PC-Prozessor, und von ihm völlig unabhängig, ein autarkes speicherprogrammierbares Steuerungssystem in den Personal-Computer integriert ist, welches von diesem Perso­ nal-Computer programmierbar ist und die Durchführung der Pro­ zeßsteuerung, mit den über einen Feldbus an den Personal-Com­ puter ankoppelbaren Peripherieeinheiten, im Echtzeitbetrieb durchführt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 angegeben.

Dabei sieht die Erfindung nach Anspruch 1 vor, daß sich die SPS-Einheit auf einer Steckbaugruppe befindet und integraler Bestandteil des Personal-Computers ist, indem die Steckbau­ gruppe direkt auf den PC-BUS aufgesteckt ist, wobei die SPS- Einheit mittels eines Koppelinterfaces mit dem Prozessor des Personal-Computers über den PC-BUS in serieller oder par­ alleler Form Status, Daten und Programme tauscht und völlig unabhängig von dem Prozessor des Personal-Computers ein autarkes speicherprogrammierbares Steuerungssystem darstellt, indem die SPS-Einheit mittels einer sich selbst verwaltenden Interfaceeinheit Daten und Informationen der dezentral an den Feldbus gekoppelten Eingangs- Ausgangseinheiten liest, ent­ sprechend des im freiprogrammierbaren Speicherbereich abge­ legten Anwenderprogramms verarbeitet und seine Steuerbefehle an die dezentral, an den Feldbus angekoppelten Eingangs-Aus­ gangseinheiten über die Interfaceeinheit sendet.

Nach Anspruch 2 ist es für die Erfindung vorteilhaft, daß die Interfaceeinheit aus dem Dual-Port-Ram, dem Mikrocontroller, dem Datenspeicher, dem Speicher für das Betriebssystem­ programm des Interfaces und einem Interfacemodul, zur Ankopp­ lung an den Feldbus, besteht.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt nach Anspruch 3 darin, daß die Steckbaugruppe so ausgeführt ist, daß die Bau­ teilebestückung variabel ist, und dadurch die Funktion zum einen als intelligentes Interface mit autarker SPS-Einheit und zum anderen als reine intelligente Interfaceschaltung aktiviert ist, indem entweder das Dual-Port-Ram (11) oder das Dual-Port-Ram (12) als Bestückung vorgesehen ist und daß nach Anspruch 4 die Arbitrationsschaltung über die Steuerleitung das Dual-Port-Ram (11) aktiviert und somit die Steckbaugruppe als Interfaceeinheit zwischen Feldbusebene und PC-Ebene fungiert oder über die Steuerleitung das Dual-Port-Ram (12) aktiviert und somit die Steckbaugruppe als SPS-Einheit fun­ giert, die für den PC-Prozessor die Prozeßsteuerung, nach dem im Programmspeicher individuell eingegebenen Anwenderprogramm und den von dem asynchron ablaufenden Interfacezyklus, der Interfaceeinheit, dem Dual-Port-Ram (12) bereitgestellten Dateninformationen, durchführt.

Zweckmäßigerweise dient, nach Anspruch 5, der Personal-Compu­ ter durch Wahl der PC-Software zum einen als Programmiergerät der SPS-Einheit, und zum anderen in der Prozeßphase als Dar­ stellungs- und Verwaltungseinheit, für die von der SPS-Ein­ heit ausgeführten Prozeßsteuerung.

Nach Anspruch 6 ist es vorteilhaft, daß durch wählbaren Adreßvergleich der Arbitrationsschaltung weitere Steckbau­ gruppen auf den PC-BUS gesteckt werden können, wobei unter­ schiedliche Prozesse parallel ablaufen können und die Dar­ stellung dieser Prozesse von dem Personal-Computer durchge­ führt werden.

Zweckdienlich für die Erfindung ist es nach Anspruch 7, daß die dezentral angeordneten Eingangs-Ausgangseinheiten sowohl eine direkte Eingangs-Ausgangsperipherie für die Prozeßsteue­ rung darstellen, als auch mit eigener Intelligenz eine Vor­ verarbeitung für die Prozeß-Steuerung durchführen können und nach Anspruch 8, daß die SPS-Einheit eine Prozessorkern aufweist, der einen, für die Datenwortverarbeitung zustän­ digen Mikrocontroller, und einen, für schnelle Steuerungsauf­ gaben geeigneten Bitprozessor aufweist.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsge­ mäßen speicherprogrammierbaren Steuerungssystems unter Bezug­ nahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die, nach der Erfindung, als integraler Bestandteil des Personal-Computers ausgeführte Steckbaugruppe, auf der sich die SPS-Einheit, und die Interfaceeinheit, zur Kopplung der PC-BUS-Ebene und der Feldbusebene, befindet.

Fig. 2 ein Blockschaltbild zur Darstellung der auf der Steck­ baugruppe befindlichen notwendigen Komponenten und deren Zusammenwirken zur Realisierung der Erfindung.

Fig. 3 eine beispielhafte Darstellung zur Verdeutlichung der zeitlichen Aufteilung eines Zyklusses der verschiedenen Pro­ zessoren, die sich innerhalb des Personal-Computers, zur Durchführung der Erfindung, befinden.

Fig. 4 eine Skizze, aus welcher zu entnehmen ist, wie die Aufgabenverteilung der Prozessoren und wie die Anordnung der einzelnen Komponenten nach der Erfindung vorgesehen ist.

Fig. 1 zeigt die, nach der Erfindung, als integraler Bestand­ teil des Personal-Computers ausgeführte Steckbaugruppe 30, auf der sich die SPS-Einheit 1 und die Interfaceeinheit zur Ankopplung der PC-BUS-Ebene 20 und der Feldbusebene 21 befindet.

Hierbei wird der wesentliche Vorteil der Erfindung verdeut­ licht, daß die Steckbaugruppe 30 ebenso wie andere Periphe­ riebaugruppen und wie die Prozessorbaugruppe 40 auf den PC- BUS 20 steckbar ist. Auf der Steckbaugruppe 30 befindet sich die SPS-Einheit 1 und die zur Ankopplung an die Feldbusebene notwendige Interfaceeinheit 10. Die Ankopplung erfolgt über einen Steckverbinder 31 an den Feldbus 21. Die Peripheriege­ räte 18, 19, die sich auf der Feldbusebene befinden und deren Prozeß von der speicherprogrammierbaren Steuerung durchge­ führt wird, können sowohl einfache Ein-Ausgabeeinheiten 18, 19 wie auch intelligente Steuereinheiten sein, die eine Vor­ verarbeitung für die Prozeßsteuerung darstellen können und oder ein autark arbeitendes Steuerungssystem mit eigenem Master-Slave-Verbund aufweisen. Die Kommunikation über die Feldbusebene wird von der intelligenten Interfaceeinheit 10 kontrolliert und protokolliert. Der PC-Prozessor 41 arbeitet unabhängig von der Prozeßsteuerung parallel zum Prozessorkern 9 der speicherprogrammierbaren Steuerung.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild zur Darstellung der auf der Steckbaugruppe befindlichen, notwendigen Komponenten und deren Zusammenwirken zur Realisierung der Erfindung.

Im wesentlichen besteht die Steckbaugruppe aus den Funktions­ blöcken SPS-Einheit 1 und Interfaceeinheit 10. Das Zusammen­ wirken dieser Funktionsblöcke stellt ein autarkes speicher­ programmierbares Steuerungssystem zur Verfügung. Die Inter­ faceeinheit 10 besteht aus dem Mikrocontroller 14, ein Spei­ cher 13, vorteilhaft als ROM oder EPROM, für das Betriebssy­ stemprogramm der Interfaceeinheit 10, einem eigenen Datenpuf­ ferspeicher 15, dem Dual-Port-Ram 12 und dem Interfacemodul 16. Das Interfacemodul 16 stellt die über den Feldbus 21 angebotenen Peripheriedaten der dem Mikrocontroller 14 über den Interfacebus 23′ zur Verfügung. Dieser legt die Periphe­ riedaten im Dual-Port-Ram 12 und im Datenpufferspeicher 15 über den Interfacebus 23 ab. Das Interfaceprotokoll kontrol­ liert, nach dem im Speicher 13 befindlichen Betriebssystem­ programm, diese Daten ständig und in jedem Zyklus auf Über­ einstimmung mit den angebotenen Peripheriedaten. Die SPS- Einheit 1 besteht aus dem Prozessorkern 9, dem Betriebssys­ temspeicher 4, dem Speicher 5 für das Anwenderprogramm, und dem Datenspeicher 6. Den Prozessorkern 9 bilden der wortver­ arbeitende Mikrocontroller 2 und der für schnelle Steuerungs­ aufgaben besonders geeignete Bitprozessor 3. Verbunden sind diese Komponenten über den SPS-BUS 22. Das Dual-Port-Ram 12 ermöglicht einen vollkommenen asynchronen Datenaustausch von zwei Seiten auf beliebige Speicherzellen zwischen SPS-Einheit 1 und der Interfaceeinheit 10. Der Austausch von Daten und Status zwischen SPS-Einheit 1 und PC-Prozessor erfolgt über das Koppelinterface 7 und dem PC-BUS 20. Das Koppelin­ terface 7 kann vorteilhafterweise auch ein Dual-Port-Ram sein. Die Arbitrationsschaltung 8 aktiviert über einen Ver­ gleich der vom PC-Prozessor 41 angebotenen Adresse mit einer fest einstellbaren Adresse das Dual-Port-Ram 12 und das Koppelinterface 7 über die Steuerleitung 26. Ein besonderer Vorteil der Steckbaugruppe 30 ist es, daß sie bei einer Min­ derbestückung als reine intelligente Interfacekarte betrie­ ben werden kann. Dies ist dann der Fall, wenn Reaktionszeiten eine geringe Rolle spielen und somit die Informationsverar­ beitung und der Prozeßablauf durch den Personal-Computer übernommen werden sollen. In diesem Fall würde die Bautei­ lebestückung der SPS-Einheit 1 wie auch das Koppelinterface 7 und das Dual-Port-Ram 12 entfallen. Hierbei wird das Dual- Port-Ram 11 von der Arbitrationsschaltung 8 über die Steuerleitung 25 aktiviert. Die Informationsverarbeitung und die Prozeßsteuerung ist dabei nicht mehr an einer SPS-Sprache gebunden und kann vom Anwender frei gewählt werden, (z. B. Pascal, C, Basic usw.). Dadurch erhöht sich bekanntlich die Nutzungsmöglichkeit bestimmter Anwendungsbereiche. Dies ist allerdings nur ein nützlicher Nebeneffekt der Funktions- und Anwendungsmöglichkeit der Baugruppe 30. Der Erfindungsgedanke bezieht sich jedoch auf eine Maximalbestückung der Steckbau­ gruppe als speicherprogrammierbares Steuerungssystem. Dabei wird die Prozeßsteuerung von der SPS-Einheit 1 übernommen (AWL-Programm) und verarbeitet die Dateninformationen aus dem Dual-Port-Ram 12, die durch den asynchron ablaufenden Inter­ facezyklus bereitgestellt werden. Hierdurch werden sehr kurze Reaktionszeiten ermöglicht, die ausschließlich von der SPS-Zykluszeit und der Interfacezykluszeit abhängt. Die SPS- Zykluszeit wird von dem Umfang des Anwenderprogramms bestimmt und die Interfacezykluszeit durch die Anzahl der an den Feld­ bus angeschlossenen Eingangs-Ausgangseinheiten 18, 19. Die SPS-Programmerstellung und deren Austestung vom Anwen­ der/Programmierer erfolgt mit Hilfe des PC-Prozessors 41, indem die Benutzeroberfläche (Tastatur 51 und Bildschirm 50, Massenspeicher 52 etc.) für diese Zwecke genutzt wird. Ist die Programmerstellungsphase abgeschlossen, so läuft die SPS- Einheit 1 autark und der PC-Prozessor 41 kann andere Pro­ gramme ausführen, z. B. MMI, Prozeßleitsystem, Datenverwal­ tung usw.

Auch der Einsatz mehrerer Steckbaugruppen 30 ist möglich, die durch einen wählbaren Adreßvergleich der Arbitrationsschal­ tung aktiviert werden können. Hierbei ist der Ablauf unter­ schiedlicher Prozesse möglich, deren Darstellung und Verwal­ tung von dem Personal-Computer durchgeführt wird.

Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Darstellung zur Ver­ deutlichung der zeitlichen Aufteilung eines Zyklusses der verschiedenen Prozessoren, die sich innerhalb des Personal- Computers, zur Durchführung der Erfindung, befinden.

Der PC-Prozessor 41 stellt nur einen geringen Teil seiner Zykluszeit für die Programmverarbeitung zur Verfügung. Hauptsächlich beschäftigt er sich mit Funktionen wie Bildauf­ bau, Tastaturabfrage und Plattenzugriff. Der PC-Prozessor benötigt eine Zykluszeit <100 ms und liegt typisch im Sekundenbereich. Die SPS-Zykluszeit setzt sich hauptsächlich aus dem Abarbeiten des Betriebssystems, des Anwenderprogramms und der Abfrage und Darstellung der I/O's zusammen. Sie ist <100 ms. Der typische Wert liegt zwischen 1 und 60 ms. Der Interfacezyklus liegt bei ungefähr 20 ms. Diese Zeit wird hauptsächlich für das Interfaceprotokoll und die Übergabe der Peripheriedaten an den SPS-Prozessor aufgebracht. Es ist leicht einsehbar, daß die Prozeßsteuerung durch die SPS-Ein­ heit 1 und die Interfaceeinheit 10 wesentlich schneller durchführbar ist, als mittels des PC-Prozessors 41.

In Fig. 4 ist eine Skizze dargestellt, aus welcher zu entneh­ men ist, wie die Aufgabenverteilung der Prozessoren und wie die Anordnung der einzelnen Komponenten nach der Erfindung vorgesehen ist.

Hier wird verdeutlicht, daß der PC-Prozessor 41 lediglich die Bedienung und Datenverarbeitung ausführt. Er nimmt die Instruktionen der Tastatur 51 auf, führt den Bildaufbau für den Bildschirm 50 aus und verwaltet den Plattenzugriff auf den Massenspeicher 52. Der PC-Prozessor 41 korrespondiert mit der SPS-Einheit 1 , welche ihm ständig die für seine Datenver­ waltung und Prozeßdarstellung notwendigen Zustandsdaten mit­ teilt. Vollkommen unabhängig von der Funktion des PC-Prozes­ sors 41 arbeitet die SPS-Einheit 1 in Korrespondenz mit der intelligenten Interfaceeinheit 10. Dieser nach der Erfindung in den Personal-Computer integrierte Teil sorgt für die Ver­ arbeitung und Steuerung des Prozesses. Die zur Durchführung des Prozesses notwendigen Eingangs-Ausgangseinheiten 18, 19 sind dezentral in der Peripherieebene angeordnet und sind über den Feldbus 21 an den Personal-Computer angekoppelt. Der für die Erfindung bevorzugte Anwendungsfall findet sich beispielsweise bei PC- überwachten und SPS- gesteuerten Meß- und Prüfplätzen. Ein vorteilhaftes Anwendungsgebiet findet sich aber auch in der Automatisierungstechnik und bei überwa­ chungs- und protokollierungstechnischen Verfahrensabläufen.

Ein Hauptmerkmal für den Anwender ist bei Nutzung der Erfin­ dung, die Vorteile von Personal-Computer und speicherprogram­ mierbarer Steuerung, ohne großen Aufwand und somit wirt­ schaftlich zu vereinen.

Claims (8)

1. Speicherprogrammierbares Steuerungssystem, insbesondere vorgesehen als integrierbarer Bestandteil eines Personal-Com­ puters, bestehend aus den Einzelkomponenten, Mikrocontroller oder Mikroprozessor, Datenspeicher, freiprogrammierbarer Speicherbereich für das Anwenderprogramm und den Interface­ elementen, wobei alle Komponenten mit einem Bussystem unter­ einander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich die SPS-Einheit ( 1 ) auf einer Steckbaugruppe (30) befindet und integraler Bestandteil des Personal-Computers ist, indem die Steckbaugruppe (30) direkt auf den PC-BUS (20) aufgesteckt ist, wobei die SPS-Einheit ( 1 ) mittels eines Koppelinterfaces (7) mit dem Prozessor (41) des Personal-Computers über den PC- BUS (20) in serieller oder paralleler Form Status, Daten und Programme tauscht und völlig unabhängig von dem Prozessor (41) des Personal-Computers ein autarkes speicherprogram­ mierbares Steuerungssystem darstellt, indem die SPS-Einheit ( 1 ) mittels einer sich selbst verwaltenden Interfaceeinheit (10) Daten und Informationen der dezentral an den Feldbus (21) gekoppelten Eingangseinheiten (18) liest, entsprechend des im freiprogrammierbaren Speicherbereich (5) abgelegten Anwenderprogramms verarbeitet und seine Steuerbefehle an die dezentral, an den Feldbus (21) angekoppelten Ausgangsein­ heiten (19) über die Interfaceeinheit (10) sendet.

2. Speicherprogrammierbares Steuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Interfaceeinheit (10) aus dem Dual-Port-Ram (11 oder 12), dem Mikrocontroller (14), dem Datenspeicher (15), dem Speicher (13) für das Betriebssys­ temprogramm der Interfaceeinheit (10) und einem Interface­ modul (16), zur Ankopplung an den Feldbus (21), besteht.

3. Speicherprogrammierbares Steuerungssystem nach den Ansprü­ chen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steckbaugruppe (30) so ausgeführt ist, daß die Bauteilebestückung variabel ist, und dadurch die Funktion der Interfaceeinheit (10) zum einen als intelligentes Interface mit autarker SPS-Einheit ( 1 ) und zum anderen als reines intelligentes Interface mit direkter Ankopplung an den PC-BUS (20) aktiviert ist, indem entweder das Dual-Port-Ram (11) oder das Dual-Port-Ram (12) als Bestückung vorgesehen ist.

4. Speicherprogrammierbares Steuerungssystem nach den Ansprü­ chen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbitrations­ schaltung (8) über die Steuerleitung (25) das Dual-Port-Ram (11) aktiviert und somit die Steckbaugruppe (30) als Inter­ faceeinheit zwischen Feldbusebene und PC-Ebene fungiert oder über die Steuerleitung (26) das Dual-Port-Ram (12) aktiviert und somit die Steckbaugruppe (30) als autarkes speicher­ programmierbares Steuerungssystem fungiert, das für den PC- Prozessor (41) die Prozeßsteuerung, nach dem im Programm­ speicher (5) individuell eingegebenen Anwenderprogramm und den von dem asynchron ablaufenden Interfacezyklus, der Inter­ faceeinheit (10), dem Dual-Port-Ram (12), bereitgestellten Dateninformationen, durchführt.

5. Speicherprogrammierbares Steuerungssystem nach den Ansprü­ chen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Personal-Compu­ ter durch Wahl der PC-Software zum einen als Programmiergerät der SPS-Einheit ( 1 ) dient, und zum anderen in der Prozeßphase als Darstellungseinheit, für die von der SPS-Einheit ( 1 ) aus­ geführten Prozeßsteuerung, dient.

6. Speicherprogrammierbares Steuerungssystem nach den Ansprü­ chen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch wählbaren Adreßvergleich der Arbitrationsschaltung (8) weitere Steck­ baugruppen (30) auf den PC-BUS (20) gesteckt werden können, wobei unterschiedliche Prozesse parallel ablaufen können und die Darstellung und Verwaltung dieser Prozesse von dem Perso­ nal-Computer durchgeführt wird.

7. Speicherprogrammierbares Steuerungssystem nach den Ansprü­ chen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dezentral ange­ ordneten Eingangs-Ausgangseinheiten (18, 19) sowohl eine direkte Eingangs-Ausgangsperipherie für die Prozeßsteuerung darstellen, als auch mit eigener Intelligenz eine Vorverar­ beitung für die Prozeßsteuerung durchführen können.

8. Speicherprogrammierbares Steuerungssystem nach den Ansprü­ chen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die SPS-Einheit ( 1 ) einen Prozessorkern (9) aufweist, der einen, für die Daten­ wortverarbeitung zuständigen Mikrocontroller (2), und einen, für schnelle Steuerungsaufgaben geeigneten Bitprozessor (3) aufweist.