DE9305530U1

DE9305530U1 - Schaltschrank mit Datenbus

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Publication number: DE9305530U1
Application number: DE9305530U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1993-04-13
Filing date: 1993-04-13
Publication date: 1994-06-16
Anticipated expiration: 2003-04-14
Also published as: WO1994024647A1

Description

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Siemens Aktiengesellschaft

Schaltschrank mit Datenbus
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Die Neuerung bezieht sich auf einen Schaltschrank mit Schalt- sowie wahlweise Steuer- und/oder Netzgeräten, die durch eine Steuerverdrahtung miteinander verbunden sind.

Konventionelle Schaltschränke sind bestückt mit Schaltgeräten, die eine gemeinsame Funktionalität erst durch Verbinden über die Steuerverdrahtung erhalten. Die Planung, Verdrahtung und Prüfung der Funktionalität des Schaltschrankes bedeutet einen erheblichen Kostenaufwand infolge des großen Bedarfs an Zeit und Material.

Nach dem nicht veröffentlichen Stand der Technik bestand ein wesentlicher Fortschritt darin, daß die Schaltgeräte im Schaltschrank mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung SPS zentral gesteuert werden und die Steuerverdrahtung der Schaltgeräte über eine dezentrale Peripherie erfolgt. Die dezentrale Peripherie ist über einen seriellen Bus mit einem Mikroprozessor der speicherprogrammierbaren Steuerung verbunden. Dabei wird die Steuerverdrahtung zwischen den Schaltgeräten durch ein Programm der SPS simuliert. Der Verbindungsaufbau erfolgt sequenziell im Programm, was eine hohe Flexibilität hinsichtlich Anderungsmöglichkeiten und erhebliche Verdrahtungseinsparung durch Umsetzung auf einen seriellen Bus mit sich bringt.

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaltsystem der obengenannten Art zu schaffen, welches statt einer festen und aufwendigen Steuerverdrahtung zwischen den Geräten eine einfache, flexible VerbindungsZuordnung der Schaltgerate sowie wahlweise der Steuer- und/oder Meßgeräte ermöglicht. Dies wird dadurch erreicht, daß anstelle der Steuerverdrahtung die Schaltgeräte sowie Steuer- und Meßgeräte

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über busfähige Koppelglieder an einen Datenbus, z.B. an ein Control Area Network, angekoppelt sind, auf dem sie ereignisgesteuert Botschaften an die übrigen am Datenbus angekoppelten Geräte aussenden und über den sie Botschaften, die für sie bestimmt sind, empfangen können.

Mit dieser Ausführungsform ergeben sich folgende Vorteile. Zum Beispiel werden Hilfsschaltglieder, wie Reihenklemmen und Zwischenstromkreise entbehrlich, was Einsparungen hinsichtlich Raum und Kosten mit sich bringt. Der direkte. Datenverkehr durch ereignisgesteuerten Datenaustausch erlaubt auch bei niedrigen Datenübertragungsraten von etwa 100 500 kBaud sehr schnelle Reaktionszeiten. Zudem ermöglicht der Schaltschrankaufbau, daß die Funktionen, d.h. die Geräte verteilt aufgebaut werden können. Damit kann auf redundante Geräteteile verzichtet werden. Mit der genannten Verbindungstechnik lassen sich die Funktionen sehr viel wirtschaftlicher realisieren im Vergleich zu den bisher bei konventionellen Systemen notwendigen Kabelbäumen, die in Bezug auf Anschaffung und Verlegung verhältnismäßig teuer waren.

Der Anschluß von Geräten an den Datenbus läßt sich darüber hinaus dadurch vereinfachen, daß die Funktion der busfähigen Koppelglieder in den Schalt-, Steuer- und Meßgeräten unter Verzicht auf die Koppelglieder selbst integriert ist.

Das softwaremäßige Schalten von Funktionen bei der Projektierung und beim Test des Systems wird wesentlich dadurch 0 erreicht, wenn zur softwaremäßigen Verbindung der Schalt-, Steuer- und Meßgeräte eine PC-Bedienoberfläche vorgesehen ist.

Mit Hilfe der softwaremäigen Verbindung der Schaltgeräte über den Datenbus, läßt sich der Schaltschrank als geschlossenes System verwirklichen, der autark ohne eine von

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außen einwirkende speicherprogrammierbare Steuerung funktioniert .

Weitere vorteilhafte Ausführungen des Schaltschranks sind den Ansprüchen 6 - 8 zu entnehmen.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Neuerung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

FIG 1 einen Schaltschrank mit an einem Datenbus angekoppelten Schaltgeräten,
FIG 2 die konventionelle Ankopplung des Ein-,' Ausgangs

einer Stromauswertungseinheit,

FIG 3 die Ankoppelung einer Stromauswertungseinheit über einen Datenbus, mit integriertem Buscontroller
FIG 4 ein Schaubild zur Statusübermittlung über den

Datenbus,

FIG 5 den Datenbus mit Mehrfach-Koppelgliedern und 0 einer Anschaltungsbaugruppe,

FIG 6 Verbindungstechniken zur Verbindung des Datenbusses und zur Bereitstellung der Stromversorgung, FIG 7 den Einsatz einer PC-Bedienoberfläche zur Projektierung und Parametrierung von Standardfunktionen. 25

Bekanntlich sind konventionelle Schaltschränke mit Schaltgeräten bestückt, die ihre gemeinsame Funktionalität erst durch Verbinden über eine Steuerverdrahtung erhalten. Dabei stellen die Schaltgeräte in sich geschlossene Systeme dar, bestehend aus Eingängen für Sensoren aus einer Meßwertverarbeitung, z.B. die Ermittlung eines Temperaturgrenzwertes, Bedien- und Anzeigeelemente sowie Ausgängen, z.B. für Relais.

Bei der neuen Ausführung des Schaltschranks sind gemäß FIG 1 Schaltgeräte 1 einschließlich der dazugehörigen Steuer- 2 und Meßgeräte 3 für Meßgrößen-Erfassung und -Auswertung so-

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wie Bedien- und Anzeigegeräte über busfähige Koppelglieder 4 an einen Datenbus 10, z.B. einen Zweidraht-Bus als Datenschiene angekoppelt. Die bisher übliche Steuerverdrahtung entfällt hier. Weiterhin ist gemäß FIG 1 an den Datenbus 10 eine Anschaltungsbaugruppe 12 angeschlossen, die über einen seriellen Übertragungsbus 15, --z.B. einen Feldbus mit einem Kommunikationsprozessor 14 einer speicherprogrammierbaren Steuerung SPS, in Verbindung steht. Die Anschaltungsbaugruppe 12 weist einen Mikroprozessor 11 mit einem Steuerprogramm auf, das bei entsprechender Auslegung den Betrieb des Schaltschranks als unabhängige Funktionsinsel, d.h. als geschlossenes System gestattet. Darüber hinaus ist jedoch auch ein übergeordnetes Eingreifen in die Steuerung der Schalt- 1, Steuer- 2 und Meßgeräte 3 durch den möglicherweise entfernt gelegenen Kommunikationsprozessor 14 möglich. Durch diesen Systemaufbau werden übergeordnete Systeme, wie die SPS über dem Kommunikationsprozessor 14 von Steuerfunktionen entlastet, die Schutzfunktion vor Ort entkoppelt und damit beschleunigt und bei einem Feldbus-Ausfall ein definiertes Verhalten des "Systems Schaltschrank" möglich. Dies bedeutet, daß bei Feldbus-Ausfall ein Übergang in einen Undefinierten Zustand vermieden wird und statt dessen eine geordnete Abfolge von Funktionen, wie z.B. das Herunterfahren von Motoren, möglich ist.

An den beliebig ausgeführten Feldbus 15 gemäß FIG 1 können noch weitere Schaltschränke angeschlossen und durch den Kommunikationsprozessor 14 gesteuert werden.

Ein Datenaustausch zwischen den Schaltschränken läßt sich aber auch ohne einen übergeordnet arbeitenden Kommunikationsprozessor 14 erreichen, indem ein einzelner Zweidraht-Bus 10 verwendet wird, der durch die Schaltschränke geführt ist und an den sämtliche Schaltgeräte 1 sowie Steuer- 2 und Meßgeräte 3 angekoppelt sind.

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Der Datenaustausch zwischen den Schaltgeräten 1 einschließlich der Steuer- 2 und Meßgeräte 3 erfolgt ereignisgesteuert und entspricht dem Stromfluß bzw. der Schaltzustandsveränderung in einem konventionell verdrahteten System. Diese Art des Datenaustauschs ist beispielsweise von den Control Area Networks her bekannt, die dem Fachmann von Veröffentlichungen her geläufig sind (siehe z.B. CAN - eine Alternative zum Feldbus von Lawrenz, Markt und Technik / Design und Elektronik, Ausgabe 18 vom 05.09.89, S. 64 -68). Dabei werden Ereignisse im System detektiert, in ein Meldetelegramm verpackt und auf den Datenbus geschickt. Die betroffenen Adressaten empfangen die Meldung und reagieren. Anstelle der Steuerverdrahtung werden Verbindungen zwischen Geräten mittels Software als Nachrichten zwischen durch Nachrichtennummern festgelegte Briefkästen mit Sende- und Empfangsfächern verschickt (FIG 4).

FIG 2 macht deutlich, daß die Verbindungen der Ein- und Ausgänge der Funktionen, hier einer Stromauswertungseinheit 23, nicht mehr in üblicherweise über Schaltglieder 24 erfolgt, wie FIG 2 zeigt, sondern über einen Datenaustausch durch direkte Anbindung an den Datenbus 10 gemäß FIG 3.

Ein Beispiel für die Kommunikation im Schaltschrank wird anhand der FIG 4 erläutert. Sie zeigt einen Stromsensor B und einen Lastschalter A, die jeweils über einen Buscontroller 16 an einen Datenbus 10 angeschlossen sind. Der Stromsensor B erkennt eine Überlast, die eine Lasttrennung durch den Lastschalter A erfordert. Vom Stromsensor B wird daraufhin ein Auslösebefehl an den Lastschalter A gegeben, indem der Buscontroller 16 vom Stromsensor B die Meldung "Auslösen" mit einer entsprechenden Nachrichtennummer versieht und sie auf den Datenbus 10 schickt. Der Buscontroller 16 vom Lastschalter A erkennt aufgrund der Nachrichtennummer die für ihn bestimmte Meldung "Auslösen" und reagiert daraufhin. In entsprechender Weise können noch weitere Stromsensoren C, D.. den Lastschalter A ansprechen und

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die Funktion "Auslösen" bewirken. Durch die funktionszugeordnete Adressierung, hier z.B. die Funktion "Auslösen", lassen sich aber auch zugleich mehrere Lastschalter am Datenbus ansprechen. Der direkte Datenverkehr zwischen den Busteilnehmern erlaubt auch bei niedrigen Datenübertragungsraten von 100 - 500 kBaud sehr schnelle Reaktionszeiten.

Die beschriebene Funktionsweise ermöglicht einen verteilten Aufbau von Funktionen, die die an den Datenbus 10 angekoppelten Schaltgeräte 1 ausführen. Weiterhin hat die Anwendung des erläuterten Datenaustausches im Schaltschrank zur Folge, daß die Schaltgeräte nach Funktionskriterien zugeschnitten und für den Verbund im Schaltschrank optimiert sind.

Der neue Schaltschrank ermöglicht einen Verzicht auf redundante Geräteteile, da die Reaktion einer Funktion, z.B. eines Lasttrenners, auch ohne Steuerverdrahtung und Klemmen zwischen agierenden und reagierenden Geräten möglich ist.

FIG 5 zeigt den hardwaremäßigen Aufbau eines als Zweidraht-Bus 10 ausgeführten Datenbusses mit busfähigen Koppelgliedern 4. Der Zweidraht-Bus 10 ist in einer Hutschiene 13 integriert, auf die eine Anschal tungsbaugruppe 12 und zwei Koppelglieder 4 aufgeschnappt sind, wodurch neben der mechanischen Befestigung die zugleich mit dem Datenbus 10 erforderliche elektrische Kontaktierung erfolgt. An die busfähigen Koppelglieder 4 lassen sich konventionelle Schalt- 1, Steuer- 2 und Meßgeräte 3 anbinden. Die Koppelglieder 4 enthalten z.B. einen Buscontroller 16 für die bereits oben zur FIG 4 erläuterte Aufgabe der Statusübermittlung. Allen am Datenbus 10 angeschlossenen Teilnehmern ist gemeinsam, daß die Protokoll-Software in die Hardware der Buscontroller 16 implementiert ist.

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Als Busmedien können wahlweise geschirmte Zweidrahtleitungen 5 oder Lichtwellenleiter 6 dienen (siehe FIG 6) . Durch letzteren wird im Schaltschrank eine potentialfreie Verbindung mit gleichzeitiger Störunempfindlichkeit gegenüber magnetischen und elektrischen Störfeldern erreicht. Die Busmedien können, wie zeichnerisch dargestellt, auch gemischt verwendet werden. So ist es möglich, von einer Linienstruktur auf Kupferbasis auf Lichtwellenleiter-Verbindungstechniken umzusteigen und umgekehrt.

FIG 6 zeigt drei Leitungsstränge 25 mit jeweils vier Kupferleitungen, die z.B. wie erwähnt in einer Hutschiene geführt sind. Zwei der Kupferleitungen dienen als Datenbus 10, über die beiden anderen erfolgt die Stromversorgung durch eine angekoppelte Stromversorgungseinheit 8. Die Datenbus-Verbindung zwischen dem oberen und mittleren Leitungsstrang 25 erfolgt potentialgebunden über eine geschirmte Leitung 5 und zwischen dem unteren und mittleren Leitungsstrang 25 potentialfrei über einen Lichtwellenleiter 6.

Die Ankopplung der Lichtwellenleiter 6 an den Zweidraht-Bus 10 geschieht über Umsetzer 9. An den mittleren und oberen Datenbus 10 sind Schaltgeräte 1 potentialfrei über Lichtwellenleiter 6 angeschlossen. In diesem Fall ist für die Schaltgeräte 1 notwendigerweise eine lokale Stromversorgung vorgesehen. An den unteren Leitungsstrang 25 ist ein Schaltgerät 1, z.B. eine Schütz-Kombination mit Leitungsschalter, potentialgebunden über eine geschirmte Leitung 5 angeschlossen. Die Stromversorgung kann hier über den Leitungss_trang erfolgen.

Die Verdrahtung der Schaltgeräte untereinander (Softwiring) und das Einstellen von Schaltwerten (Softsetting) erfolgt mittels einer PC-Bedienoberfläche, wie es in FIG 7 angedeutet ist. Die Projektierung und Paramatrierung der Steuerfunktionen über den PC-Bildschirm stellt eine wesentliche

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Erleichterung gegenüber den Anforderungen bei bisher üblicher Verdrahtung dar.

Gemäß FIG 7 werden die Standard-Funktionen durch softwaremäßige Verbindung mittels der Bedienoberfläche zwischen den Klemmen 22 von Befehlsgebern 20 oberhalb der oberen gestrichelten Linie und den Klemmen 22 von Aktoren 21, z.B. Ventile, Schütze und Leuchtmelder unterhalb der unteren gestrichelten Linie hergestellt. Die Standardfunktion kann z.B. in einer direkten Durchverbindung zwischen den genannten oberen und unteren Klemmen 22 bestehen, ein Blinkgeber 18 oder eine Wendeantriebs-Steuerung 19 sein.

Claims

G 3 1 9 O DE 9 Schutzansprüche

1. Schaltschrank mit Schalt-(1) sowie wahlweise Steuer-(2) und/oder Meßgeräten (3), die durch eine Steuerverdrahtung miteinander verbunden sind,

dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Steuerverdrahtung die Schalt-(1) sowie Steuer-(2) und Meßgeräte (3) über busfähige Koppelglieder

(4) an einen Datenbus (10), z.B. ein Control Area Network, angekoppelt sind, auf dem sie erexgnisgesteuert Botschaften an die übrigen am Datenbus (10) angekoppelten Geräte (1,2,3) aussenden und über den sie Botschaften, die für sie bestimmt sind, empfangen können.

2. Schaltschrank nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß an den Datenbus (10) ein oder mehrere Mikroprozessoren (11) mit einem Steuerprogramm angeschlossen sind, der busfähig Koppelglieder (4) als Ein- und Ausgänge verwendet.

3. Schaltschrank nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktion der busfähigen Koppelglieder (4) in den Schalt-(1), Steuer-(2) und Meßgeräten (3) unter Verzicht auf die Koppelglieder (4) selbst integriert ist.

4. Schaltschrank nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur softwaremäßigen Verbindung der Schalt-(1), Steuer-(2) und Meßgeräte (3) eine PC-Bedienoberfläche vorgesehen ist.

5. Schaltschrank nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Datenbus (10) eine Anschaltungsbaugruppe (12) angekoppelt ist, mit folgenden Merkmalen:

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• Funktion als Gateway von einer übergeordneten SPS mit Kommunikationsprozessor zu busfähigen Koppelgliedern (4) als Ein- und Ausgänge.

· Funktion als Anschaltung des (autarken) Funktionsverbunds Schaltschrank an eine.-übergeordnete SPS über EIN-/Ausgabe-Kopplung

6. Schaltschrank nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Datenbus (10) Schalt-(1), Steuer-(2) und Meßgerate (3) weiterer Schrankschränke angekoppelt sind.

7. Schaltschrank nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Datenbus als Lichtwellenleiter (10) ausgeführt ist.

8. Schaltschrank nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Datenbus (10) in eine Hutschiene (13) integriert ist, auf die die busfähigen Koppelglieder (4) aufgeschnappt sind, über die die Schalt-(l), Steuer-(2) und Meßgeräte (3) an den Datenbus (10) angekoppelt sind.