EP2730063A1 - Kommunikationsschnittstellenmodul für ein automatisierungssystem - Google Patents

Kommunikationsschnittstellenmodul für ein automatisierungssystem

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EP2730063A1
EP2730063A1 EP12738031.9A EP12738031A EP2730063A1 EP 2730063 A1 EP2730063 A1 EP 2730063A1 EP 12738031 A EP12738031 A EP 12738031A EP 2730063 A1 EP2730063 A1 EP 2730063A1
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EP
European Patent Office
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interface module
communication
communication interface
devices
module
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EP12738031.9A
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English (en)
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Inventor
Stefan Gutermuth
Gernot Gaub
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ABB AG Germany
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ABB AG Germany
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Publication date
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/05—Programmable logic controllers, e.g. simulating logic interconnections of signals according to ladder diagrams or function charts
    • G05B19/054—Input/output
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L12/00—Data switching networks
    • H04L12/28—Data switching networks characterised by path configuration, e.g. LAN [Local Area Networks] or WAN [Wide Area Networks]
    • H04L12/40—Bus networks
    • H04L12/40006—Architecture of a communication node
    • H04L12/40013—Details regarding a bus controller
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L12/00—Data switching networks
    • H04L12/28—Data switching networks characterised by path configuration, e.g. LAN [Local Area Networks] or WAN [Wide Area Networks]
    • H04L12/40—Bus networks
    • H04L2012/40208—Bus networks characterized by the use of a particular bus standard
    • H04L2012/40221—Profibus

Definitions

  • the invention relates to a communication interface module, also referred to as a gateway device, for connecting field devices via a bus system to a higher-level controller and for coupling at least two fieldbus systems.
  • Automation systems for controlling a technical process or a technical installation usually comprise a central control unit.
  • the central control unit communicates via a communication interface module also called gateway device, with the input / output units and / or field devices of the automation system.
  • the gateway device provides the communication capability between fieldbuses of different protocols, for example between FOUNDATION Fieldbus and PROFIBUS.
  • connection between the field devices and the central control unit is realized via the input / output units.
  • US 6 016 523 A shows such an input / output unit.
  • the gateway devices used in automation or control systems are connected to the higher-level controller via a first bus and communicate with the field devices via a second bus.
  • DE 199 25 547 A1 discloses a guidance / control system with a central computer, a bus and a plurality of input units and / or output units and / or inputs /
  • the field devices are connected via "intelligent" fieldbus connectors to the bus of the control / control system.
  • the fieldbus connectors are each connected via first plug devices to the associated field devices.
  • Each fieldbus connector has a second connector and a connection cable.
  • the connection cable of the field device engages on the plug at its end in a second plug-in device of another field device.
  • a field device accesses another plug-in device of a bus coupling, whereby the connection to the bus and the central computer of the bus is established.
  • the connection contacts of its second plug-in device are internally connected to the corresponding lines of the connection cable, so that the continuous connection of the field devices with the bus and the central computer is ensured.
  • the internal connection contacts for the connection between the different buses are carried out by a complex wiring effort in each fieldbus plug.
  • each field device uses its own fieldbus connector, the implementation of fieldbus applications is particularly costly, if the functionality of the connected field device does not necessarily have a direct connection requires the powerful bus, so for example, a data exchange of the device with the parent control system is not required.
  • the invention is accordingly an object of the invention to provide a novel communication interface module for an automation or control system, whereby the field bus applications are made cheaper and in particular the cost of connecting the field devices is reduced.
  • the communication interface module according to the invention is intended for use in automation or control systems of process automation or machine control.
  • the communication interface module module comprises at least a first functional unit which enables connection to a higher-level control, for example a programmable logic controller, via a first communication connection based on a first fieldbus protocol and at least one second functional unit which enables connection of field devices via a second communication connection based on a second fieldbus protocol.
  • a higher-level control for example a programmable logic controller
  • the serial interface is preferably designed as RS232, / RS422 and / or RS485 interface and may have the same or different design.
  • the freely configurable serial interfaces for a transmission of various protocols such as Modbus, CS31 bus, RCOM, RCOM +, COMLI, EPVS, SysLibCom and / or multi (switching between two different protocols such as Modbus, ASCII, SysLibCom ) intended.
  • protocols such as Modbus, CS31 bus, RCOM, RCOM +, COMLI, EPVS, SysLibCom and / or multi (switching between two different protocols such as Modbus, ASCII, SysLibCom ) intended.
  • the communication interface module has at least one third functional unit which has input and / or output functionalities to which further field devices can be connected.
  • the input / output functionalities can be both input units, output units or also input and output functionalities.
  • the communication interface module communicates by means of the first communication connection with the higher-level controller via the fieldbus protocol PROFINET and with the field devices by means of the second communication connection via the fieldbus protocol CAN or CANopen.
  • the communication interface module undertakes the communication of the field devices connected thereto with the higher-level control system by means of the first high-performance communication connection designed as a master interface, as well as the communication of the field devices connected to the second bus via the second slave interface integrated into the communication interface module Communication connection, wherein the master and slave views for the data exchange of the field devices via the bus system by means of special software and / or hardware modules are realized.
  • the communication module includes a slave function on the primary communication system (e.g., PROFINET) and a master function on the secondary communication system (e.g., CANopen).
  • the communication interface module according to the invention with the input / output expansion option is advantageously equipped with an interface to expand it with digital and / or analog input and / or output devices.
  • digital and / or analog input and / or output devices For example, up to 320 digital or 160 analog channels or a mix of correspondingly reduced digital and analog channels may be provided.
  • the device costs of the automation or control system are considerably reduced, since the customarily designed as separate devices input units, output units or input and output units are saved by a realization of their functions in the communication interface module according to the invention and thus the field devices directly without an additional bus can be connected to the gateway device.
  • the invention advantageously makes possible a modular configuration, for example the number of inputs and / or outputs, the use as digital or analog inputs and / or outputs or the definition of their setting parameters via the existing communication connections. Based on the embodiment shown in the following figure, the invention and advantageous embodiments, improvements and other advantages of the invention will be explained and described in detail.
  • Fig. 1 shows an exemplary structure of an automation system with the inventive device for connecting a plurality of field devices to a higher-level control unit.
  • the exemplary embodiment of a gateway device 20 between at least two different fieldbus systems 1, 2 shown in FIG. 1 comprises a control unit 10 embodied as a programmable logic controller.
  • the central control unit 10 is connected to the field devices via its communication module 1 1 via the gateway device 20 30, 40 connected.
  • the gateway device provides the communication capability between field buses 1, 2 of different protocols, for example between PROFINET and CAN or CANopen.
  • the gateway device 20 comprises a first functional unit which handles communication with the control unit 10 via the fieldbus protocol PROFINET 1 and has a second functional unit or interface for communication via the fieldbus protocol CAN or CANopen with CAN or CANopen compatible devices 30 connected thereto ,
  • serial ports 3 By means of two integrated in the gateway device 20 independent, configurable, electrically isolated serial ports 3, 4, which are designed for example as RS232, / RS422 and / or RS485 interface, is a serial communication via a serial bus with devices 40 connected thereto executable.
  • the gateway device 20 is preferably equipped with digital input / output functionalities, so that up to 10 expansion modules 50 can be connected thereto.
  • analogue and digital input / output functionalities are also easily mixable.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Kommunikationsschnittstellenmodul (20) für ein Automatisierungssystem zur Kopplung von wenigstens zwei Feldbussystemen mit wenigstens einer ersten Funktionseinheit zum Anschluss an eine übergeordnete Steuerung (10) über eine erste Kommunikationsverbindung (1) basierend auf einem ersten Feldbusprotokoll, mit wenigstens einer zweiten Funktionseinheit zum Anschluss von Feldgeräten (30) über eine zweite Kommunikationsverbindung (2) basierend auf einem zweiten Feldbusprotokoll. Das Modul (20) weist wenigstens eine serielle Schnittstelle (3, 4) zur Kommunikation mit an das Kommunikationsmodul angeschlossenen Geräten (40) auf und wenigstens eine dritte Funktionseinheit (50), an welche weitere Feldgeräte angeschlossen werden können.

Description

Kommunikationsschnittstellenmodul für ein Automatisierungssvstem
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Kommunikationsschnittstellenmodul, auch als Gateway- Gerät bezeichnet, zum Anschluss von Feldgeräten über ein Bussystem an eine übergeordnete Steuerung und zur Kopplung von wenigstens zwei Feldbussystemen.
Automatisierungssysteme zur Steuerung eines technischen Prozesses oder einer technischen Anlage umfassen üblicherweise eine zentrale Steuereinheit. Die zentrale Steuereinheit kommuniziert über ein Kommunikationsschnittstellenmodul auch Gateway- Gerät genannt, mit den Ein-/ Ausgabeeinheiten und/oder Feldgeräten des Automatisierungssystems. Das Gateway- Gerät stellt dabei die Kommunikationsfähigkeit zwischen Feldbussen verschiedener Protokolle, beispielsweise zwischen FOUNDATION Fieldbus und PROFIBUS bereit.
Die Verbindung zwischen den Feldgeräten und der zentralen Steuereinheit wird über die Ein-/ Ausgabeeinheiten realisiert. Die US 6 016 523 A zeigt eine solche Ein-/ Ausgabeeinheit.
Üblicherweise sind die in Automatisierungs- oder Steuerungssystemen eingesetzten Gateway- Geräte mit der übergeordneten Steuerung über einen ersten Bus verbunden und kommunizieren mit den Feldgeräten über einen zweiten Bus.
In der DE 199 25 547 A1 ist ein Leit/Steuersystem mit einem Zentral rech ner, einem Bus und einer Vielzahl von Eingabeeinheiten und/oder Ausgabeeinheiten und/oder Ein/
BESTÄTIGUNGSKOPIE Ausgabe-Einheiten und/oder Sensoren und/oder Aktoren - nachstehend Feldgeräte genannt - beschrieben, wobei die Feldgeräte über "intelligente" Feldbus-Stecker an den Bus des Leit/Steuersystems angeschlossen sind. Dabei sind die Feldbus-Stecker jeweils über erste Steckvorrichtungen an die zugeordneten Feldgeräte angeschlossen. Jeder Feldbus-Stecker ist mit einer zweiten Steckvorrichtung und mit einem Verbindungskabel versehen. Das Verbindungskabel des Feldgerätes greift über den Stecker an seinem Ende in eine zweite Steckvorrichtung eines weiteren Feldgerätes. Ein Feldgerät greift in eine weitere Steckvorrichtung einer Bus-Ankopplung, wodurch die Verbindung mit dem Bus und dem Zentralrechner des Busses hergestellt ist. Bei jedem Feldbus-Stecker sind intern die Verbindungskontakte seiner zweiten Steckvorrichtung mit den entsprechenden Leitungen des Verbindungskabels verbunden, so dass die durchgehende Verbindung der Feldgeräte mit dem Bus und dem Zentralrechner sichergestellt ist.
Für einen Übergang (Gateway) und Datenaustausch zwischen unterschiedlichen Bussystemen sind in jedem Feldbusstecker die internen Verbindungskontakte für die Verbindung zwischen den unterschiedlichen Bussen durch einen aufwendigen Verdrahtungsaufwand ausgeführt.
Da für den Anschluss der Feldgeräte an einen hochwertigen oder leistungsfähigen Bus, wie das Hochgeschwindigkeits- ETHERNET oder den PROFIBUS, jedes Feldgerät einen eigenen Feldbusstecker verwendet, ist die Realisierung der Feldbusanwendungen insbesondere dann kostenintensiv, wenn die Funktionalität des angeschlossenen Feldgerätes nicht notwendigerweise einen direkten Anschluss an den leistungsfähigen Bus erfordert, also beispielsweise ein Datenaustausch des Gerätes mit dem übergeordneten Leitsystem nicht gefordert ist.
Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Kommunikationsschnittstellenmodul für ein Automatisierungs- oder Steuerungssystem bereitzustellen, womit die Feldbusanwendungen kostengünstiger gestaltet werden und insbesondere der Aufwand zum Anschluss der Feldgeräte reduziert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Kommunikationsschnittstellenmodul der eingangs genannten Art mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind in weiteren Ansprüchen und in der Beschreibung angegeben.
Das erfindungsgemäße Kommunikationsschnittstellenmodul ist zur Verwendung in Automatisierungs- oder Steuerungssystemen der Prozessautomation oder Maschinensteuerung vorgesehen.
Zur Kommunikation von verschiedene Protokolle verarbeitenden Feldbussystemen umfasst das erfindungsgemäße Kommunikationsschnittstellenmodulmodul wenigstens eine erste Funktionseinheit, welche den Anschluss an eine übergeordnete Steuerung, beispielsweise eine speicherprogrammierbare Steuerung, über eine erste Kommunikationsverbindung basierend auf einem ersten Feldbusprotokoll ermöglicht und wenigstens eine zweiten Funktionseinheit, welche den Anschluss von Feldgeräten über eine zweite Kommunikationsverbindung basierend auf einem zweiten Feldbusprotokoll ermöglicht.
Mittels wenigstens einer im Kommunikationsschnittstellenmodul integrierten seriellen Schnittstelle ist eine Kommunikation mit an das Kommunikationsschnittstellenmodul angeschlossenen Geräten ausführbar.
Die seriellen Schnittstelle sind vorzugsweise als RS232, /RS422 und/oder RS485- Schnittstelle ausgeführt und können die gleiche oder verschiedene Ausführung haben.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die frei konfigurierbaren seriellen Schnittstellen für eine Übertragung verschiedener Protokolle, wie beispielsweise Modbus, CS31-Bus, RCOM, RCOM+, COMLI, EPVS, SysLibCom und/oder Multi (Umschaltung zwischen zwei verschiedenen Protokollen wie z.B. Modbus, ASCII, SysLibCom) vorgesehen.
Erfindungsgemäß weist das Kommunikationsschnittstellenmodul wenigstens eine dritte Funktionseinheit auf, welche Ein- und/oder Ausgabefunktionalitäten aufweist, an die weitere Feldgeräte anschließbar sind. Die Ein-/ Ausgabefunktionalitäten können sowohl Eingabeeinheiten, Ausgabeeinheiten oder auch Ein- und Ausgabefunktionalitäten sein. In einer bevorzugten Ausführungsform kommuniziert das Kommunikationsschnittstellenmodul mittels der ersten Kommunikationsverbindung mit der übergeordneten Steuerung über das Feldbusprotokoll PROFINET und mit den Feldgeräten mittels der zweiten Kommunikationsverbindung über das Feldbusprotokoll CAN oder CANopen.
In vorteilhafter Weise übernimmt das Kommunikationsschnittstellenmodul die Kommunikation der daran angeschlossenen Feldgeräte mit dem übergeordneten Steuersystem mittels der als Master-Anschaltung ausgeführten ersten Hochleistungs- Kommunikationsverbindung, als auch die Kommunikation der an den zweiten Bus angeschlossenen Feldgeräte über die im Kommunikationsschnittstellenmodul integrierte als Slave-Anschaltung ausgeführte zweite Kommunikationsverbindung, wobei die Master- und Slave- Anschauungen für den Datenaustausch der Feldgeräte über das Bussystem mittels spezieller Software- und/oder Hardwaremodule verwirklicht sind. Das bedeutet, dass das Kommunikationsmodul eine Slave-Funktion am primären Kommunikationssystem (z.B. PROFINET) beinhaltet und eine Master-Funktion am sekundären Kommunikationssystem ( z.B. CANopen).
Das erfindungsgemäße Kommunikationsschnittstellenmodul mit der Ein-/Ausgabe- Erweiterungsmöglichkeit ist in vorteilhafter Weise mit einer Schnittstelle ausgestattet, um es mit digitalen und/oder analogen Ein- und/oder Ausgabegeräten zu erweitern. Beispielsweise lassen sich bis zu 320 digitale oder 160 analoge Kanäle oder eine Mischung von entsprechend reduzierten digitalen und analogen Kanälen vorsehen.
Mit dem erfindungsgemäßen Modul werden die Gerätekosten des Automatisierungs- oder Steuerungssystem erheblich reduziert, da die üblicherweise als separate Geräte ausgeführten Eingabeeinheiten, Ausgabeeinheiten oder auch Ein- und Ausgabeeinheiten durch eine Verwirklichung ihrer Funktionen im erfindungsgemäßen Kommunikationsschnittstellenmodul eingespart werden und somit die Feldgeräte direkt ohne einen zusätzlichen Bus an das Gateway- Gerät anschließbar sind.
Die Erfindung ermöglicht in vorteilhafter Weise eine modulare Konfigurierung, beispielsweise der Anzahl der Ein- und/oder Ausgänge, die Nutzung als digitale oder analoge Ein- und/oder Ausgänge bzw. die Festlegung ihrer Einstellparameter über die vorhandenen Kommunikationsverbindungen. Anhand von dem in der folgenden Figur dargestellten Ausführungsbeispiel sollen die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen, Verbesserungen und weitere Vorteile der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.
Es zeigt:
Fig. 1 einen beispielhaften Aufbau eines Automatisierungssystems mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Anschluss einer Vielzahl von Feldgeräten an eine übergeordnete Steuereinheit.
Die in der Fig. 1 dargestellte beispielhafte Realisierung eines Gateway- Gerätes 20 zwischen wenigstens zwei unterschiedlichen Feldbussystemen 1 , 2 umfasst eine als speicherprogrammierbare Steuerung ausgeführte Steuereinheit 10. Die zentrale Steuereinheit 10 ist über ihr Kommunikationsmodul 1 1 über das Gateway- Gerät 20 mit den Feldgeräten 30, 40 verbunden. Das Gateway- Gerät stellt dabei die Kommunikationsfähigkeit zwischen Feldbussen 1 , 2 verschiedener Protokolle, beispielsweise zwischen PROFINET und CAN bzw. CANopen bereit.
Das Gateway- Gerät 20 umfasst eine erste Funktionseinheit, welche die Kommunikation mit der Steuereinheit 10 über das Feldbusprotokoll PROFINET 1 abwickelt und eine zweite Funktionseinheit bzw. Schnittstelle zur Kommunikation über das Feldbusprotokoll CAN oder CANopen mit daran angeschlossenen CAN- oder CANopen- kompatiblen Geräten 30 aufweist.
Mittels zwei im Gateway- Gerät 20 integrierten voneinander unabhängigen, konfigurierbaren, galvanisch getrennte serielle Schnittstellen 3, 4, die beispielsweise als RS232, /RS422 und/oder RS485-Schnittstelle ausgeführt sind, ist eine serielle Kommunikation über einen seriellen Bus mit daran angeschlossenen Geräten 40 ausführbar.
Weiterhin sind an eine dritte im Gateway- Gerät 20 integrierte Funktionseinheit, an welche Ein- und/oder Ausgabegeräte bzw. weitere Feldgeräte 50 anschließbar. Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Gateway- Gerät 20 mit digitalen Ein- / Ausgabefunktionalitäten ausgestattet, so das daran bis zu 10 Erweiterungsmodule 50 anschließbar sind. Jedoch sind auch analoge und digitale Ein- / Ausgabefunktionalitäten problemlos mischbar.

Claims

Patentansprüche
1. Kommunikationsschnittstellenmodul (20) für ein Automatisierungs- oder Steuerungssystem zur Kopplung von wenigstens zwei Feldbussystemen (1 , 2) mit wenigstens einer ersten Funktionseinheit zum Anschluss an eine übergeordnete Steuerung (10) über eine erste Kommunikationsverbindung (1) basierend auf einem ersten Feldbusprotokoll, mit wenigstens einer zweiten Funktionseinheit zum Anschluss von Feldgeräten über eine zweite Kommunikationsverbindung (2) basierend auf einem zweiten Feldbusprotokoll, dadurch gekennzeichnet, dass
- das Modul wenigstens eine serielle Schnittstelle (3, 4) zur Kommunikation mit an das Kommunikationsschnittstellenmodul angeschlossenen Geräten (40) aufweist, und
- das Modul (20) wenigstens eine dritte Funktionseinheit aufweist, welche zum Anschluss weiterer Feldgeräte (50) vorgesehen ist.
2. Kommunikationsschnittstellenmodul (20) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass, die serielle Schnittstelle (3, 4) als RS232, /RS422 und/oder RS485-Schnittstelle ausgeführt ist.
3. Kommunikationsschnittstellenmodul (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikationsschnittstellenmodul (20) mit der übergeordneten Steuerung (10) über das Feldbusprotokoll PROFINET kommuniziert.
4. Kommunikationsschnittstellenmodul (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikationsschnittstellenmodul (20) mit den Feldgeräten (30) über das Feldbusprotokoll CAN oder CANOPEN kommuniziert.
5. Kommunikationsschnittstellenmodul (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikationsschnittstellenmodul (20) zwei serielle Schnittstellen (3, 4) für eine serielle Kommunikation mit daran angeschlossenen Geräten (40) und eine weitere Schnittstelle zur Kommunikation über das Feldbusprotokoll CAN oder CANOPEN mit daran angeschlossenen CAN- o- der CANopen- kompatiblen Geräten (30) aufweist.
6. Kommunikationsschnittstellenmodul (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (20) mit einer Schnittstelle ausgestattet ist, um es mit digitalen und/oder analogen Ein- und/oder Ausgabegeräten zu erweitern.
7. Verwendung des Kommunikationsschnittstellenmoduls (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche in Automatisierungs- oder Steuerungssystemen der Prozessautomation oder Maschinensteuerung.
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