JP5615832B2 - 自動化制御システムにおけるデータ伝送方法 - Google Patents

Description

本発明は、通信媒体を介して互いに通信する空間的に分散配置されている複数個のステーションと、対応する制御システムとを有する自動化制御システムにおいてデータを伝送する方法に関する。具体的には、本発明は、制御ユニットを、自動化制御システムのリモートセンサおよび／またはアクチュエータと通信させる方法に関する。

互いに離れた制御システムの複数個のステーション間でデータ通信するためにいわゆるフィールドバスを使用することは、制御および自動化技術において十分周知である。フィールドバスを備える制御システムの一実施例が下記特許文献１に記述されている。特許文献１において、フィールドバスはインターバス・プロトコルに従って動作する。
制御ユニットに設けられているいわゆるバスマスターは、所定の開始ワード（ループバック・ワードといわれる）と、制御ユニットとともにフィールドバスに接続されている多数のステーションに正確に一致する多数のデータフィールドとを有するデータフレームを生成する。バスマスターおよび他のステーションは環状構造に接続されており、ステーションが一種のシフトレジスタを形成する。バスマスターによって生成されるデータフレームは、バスマスターが環状構造の最後のステーションから開始ワードを再び受信するまで、ステーションを段階的にシフトする。制御信号によって、バスマスターはさらにすべてのステーションに対して、この瞬間にステーションに位置するデータフィールドを読み取って、それにステーション自体の新たな伝送データを割り当てられるよう信号を出す。その後、バスマスターは新たなデータサイクルを始め、開始ワードを含むデータフレームは環状シフトレジスタで再び順繰りにシフトする。そのため、ステーションの伝送データは連続的にバスマスターに到着する。

そのためインターバス・プロトコルの特徴は周期的に再循環する単一のデータフレームであり、その一部はいつでも各ステーションにそれぞれ記憶されて、バスマスターの制御信号に応答して、個々のステーションは割り当てられたデータフィールドから情報を読み取った後、それ自身の情報をこれらのデータフィールドに書き込む。機能原理は機関車（開始ワードの形で）によって牽引される循環列車として表すことができ、個々のステーションは個別に割り当てられた貨車から情報を引き出して、同じ貨車に情報を「積み込む」。

この原理の利点はタイミング挙動が決まることである。データフレームの長さおよび／またはステーションの数を基に、バスマスターが１サイクルですべてのステーションに問い合わせるまでにかかる時間を確実に予測することが可能である。
しかし、すべてのステーションがそのステーションに割り当てられるデータフレーム内の位置から読み出して、書き込まなければならないことがインターバスの欠点であり、これは特殊なプロトコルチップを使用して受け入れ可能な速度で実施するしかない。そのためすべてのステーションに特殊なインターバスプロトコルチップが必要である。比較的少量のみのデータをあるステーションから、およびあるステーションに伝送するアプリケーションの場合、インターバスのコンセプトは複雑すぎ、また高価になりすぎることが多い。

分散配置されているステーション間での通信を周期的に循環するデータフレームを介して実施する別のフィールドバスシステムが、下記特許文献２により周知である。この特許文献２の好適な実施形態では、循環するデータフレームはイーサネット（登録商標）・テレグラムを使用してあるステーションから次のステーションに送信される。この場合、個々のステーションはデータフレーム内に個別に割り当てられたデータフィールドから読み出して、書き込みもしなければならず、それには受け入れ可能な速度に到達するために特殊なプロトコルチップを必要とする。さらに、イーサネット（登録商標）・テレグラムは比較的大きなプロトコルのオーバーヘッドおよびテレグラムのオーバーヘッドを要し、そのためこの周知のシステムの強みは、比較的大型の情報ユニットを備える非常にパワフルな通信システムを必要とするアプリケーションにおいて、より感じられる。

下記特許文献３は、複数個のステーションを接続して環状構造を形成する別の方法を開示している。この場合も、ユーザデータの前にくる開始ワードをあるステーションから次のステーションに渡して、個々のステーションは開始ワードにそれ自身のユーザデータを付加する。この周知の方法はアドレスデータなしで動作する、具体的には、長さの短いユーザデータを伝送することを目的としている。

さらに、ステーションがそれ自身のデータテレグラムを介して互いに通信できる複数のフィールドバスシステムがある。ステーションは典型的にはいわゆるＴ分岐を介して共通ラインに接続されている。あるステーションがデータテレグラムを送る場合、他のすべてのステーションはそれを聞くことができる。２個の伝送ステーションが同時に送信するときに発生する衝突または伝送の競合は優先順位の割り当てまたは他の調停方法によって解決しなければならない。このようなフィールドバスの実施例は、ＣＡＮバス、Profibus、SafetyBus p、デバイスネットまたはＡＳＩと呼ばれ当業者には周知である。これらのバスシステムは、短絡または断線がバス上のデータ通信からではなく物理的な測定方法によってしか判断できないという欠点のある共通バスラインを使用する。加えて、このようなバスシステムは、ある位置で短絡または断線が発生した場合に、ライン全長で機能しなくなる。長いラインおよび高速のデータ伝送速度の場合、終端インピーダンスが必要で、各ステーションはあるステーションが置き換えられた場合に再割り当てしなければならない個々のアドレスを受信しなければならない。バスシステムが、例えば緊急停止ボタンの起動またはそれから生じるアクチュエータのスイッチオフ指示に関する情報など、安全関連データも伝送する場合、アドレスの割り当ては安全関連であり、そのため複雑である。

下記特許文献４は安全性が不可欠なプロセスを制御する方法およびデバイスを開示しており、リモートＩ／Ｏユニットが単一チャンネルラインを介して安全関連プロセスデータを制御ユニットに、リモートユニットが送信すべき有用なデータを一旦「プレーンテキストで」、２度目は符号化した形態で伝送することにより、多様な多重伝送を使用して送る。

独国特許出願公開第１９９ ２８ ５１７(Ａ１)号明細書 独国特許出願公開第１０ ２００４ ０６３ ２１３ （Ｂ４）号明細書 独国特許出願公開第１０ ２００６ ０４０ ７０９ （Ａ１）号明細書 独国特許出願公開第１０３ ２０ ５２２（Ａ１）号明細書

以上のような背景技術に照らして、本発明の目的は、中央制御ユニットにさまざまなセンサおよびアクチュエータを単純でコスト効果的に接続できる（データ伝送）方法および制御システムを提供することである。「単純でコスト効果的」とは、ここではシステムの実装および動作のために必要なハードウェアならびにそのための支出およびコストの両方に関する。本発明の目的は、とくに、安価なハードウェアおよび複雑でない構成で効率的なバス利用を達成することである。さらに、本発明の方法および制御システムは安全関連情報の伝送を可能にすることになる。

本発明の態様によると、前記目的は、順次接続されて直列（シリーズ）のステーションを形成する空間的に分散配置されている複数個のステーションを有する自動化制御システムでデータを伝送する次の方法によって達成される。すなわち前記シリーズは第１ステーションと、少なくとも１個の第２ステーションと、最後のステーションとを有しており、第１ステーションおよびすべての第２ステーションはそれぞれシリーズ内に後続ステーションを有しており、すべての第２ステーションおよび最後のステーションはそれぞれシリーズ内に先行ステーションを有している。この方法は、（１）第１ステーションが第２ステーションと最後のステーションとを足した数に等しい数の個別データテレグラムを生成するステップであって、各データテレグラムはステーションのうちの１個に正確にアドレス指定される、前記生成ステップと、（２）第１ステーションはデータテレグラムを所定の時間間隔で１個ずつその後続ステーションに送信するステップで、データテレグラムはステーションの逆の順序でアドレス指定される、前記送信ステップと、（３）すべての第２ステーションはその各先行ステーションからデータテレグラムを受信して、受信したデータテレグラムをその各後続ステーションにバケツリレー方式で、前記第２ステーション自体にアドレス指定されるデータテレグラムを受信するまで送信するステップと、（４）第２ステーションおよび最後のステーションはそれぞれ第１ステーションにアドレス指定される個々の応答テレグラムを生成し、個々の応答テレグラムをその各先行ステーションにバケツリレー方式で送信するステップと、を含む。

本発明の別の態様によると、本発明の目的は、少なくともいくつかがセンサを接続する入力コネクタまたはアクチュエータを接続する出力コネクタを有する空間的に分散配置されている複数個のステーションを有する制御システムによって達成される。前記制御システムにおいて、ステーションは順次接続されて直列（シリーズ）のステーションを形成し、シリーズは第１ステーションと、少なくとも１個の第２ステーションと、最後のステーションとを有しており、第１ステーションおよびすべての第２ステーションはそれぞれシリーズ内に後続ステーションを有しており、すべての第２ステーションおよび最後のステーションはそれぞれシリーズ内に先行ステーションを有している。さらに、（１）第１ステーションは第２ステーションと最後のステーションとを足した数に等しい数の個別データテレグラムを生成するよう設計されており、すべてのデータテレグラムはステーションのうちの１個に正確にアドレス指定され、（２）第１ステーションはさらにデータテレグラムを所定の時間間隔で１個ずつその後続ステーションに送信するよう設計されており、データテレグラムはステーションの逆の順序でアドレス指定され、（３）すべての第２ステーションはその各先行ステーションからデータテレグラムを受信して、受信したデータテレグラムをその各後続ステーションにバケツリレー方式で、前記第２ステーション自体にアドレス指定されるデータテレグラムを受信するまで送信するように設計され、（４）第２ステーションおよび最後のステーションはそれぞれ第１ステーションにアドレス指定される個々の応答テレグラムを生成して、個々の応答テレグラムをその各先行ステーションにバケツリレー方式で送信するように設計されている。

本発明の方法および本発明の制御システムは、比較のためにいずれの周知の方法またはシステムを採用するかによって、さまざまな側面において今までに周知の方法およびシステムとは異なっている。一方で、本発明の方法および本発明のシステムのステーションは順次接続されて直列（シリーズ）のステーションを形成する。そのため、本発明の方法および本発明のシステムは環状構造の代わりにライントポロジーを使用している。データテレグラムは１個ずつ、第１ステーションから隣接する第２ステーションに、さらにそこから（および他のすべてのステーションからも同様に）それぞれの隣接するステーションにシリアルに送信される。その結果、システムの各ライン部には単一のデータテレグラムのみが存在する。シリーズ内の個々のステーション間のポイント・ツゥ・ポイント接続のため、さまざまなステーション用のデータテレグラム間の衝突が避けられる。アービトレーションの必要性は低くなる。

好ましくは、第２ステーションおよび最後のステーションはそれぞれそれにアドレス指定されるデータテレグラムにのみ応答してそれぞれ個々の応答テレグラムを送信するので、システムのライン部でのデータテレグラムと応答テレグラム間の衝突も避けられる。この場合、アービトレーションは実質的に完全になくすことができる。
また他方では、本発明の方法および本発明のシステムはステーションに個々にアドレス指定される個々のデータテレグラムと、対応する個々の応答テレグラムとを使用する。各ステーションは「それ自体」のテレグラムを送受信する。ステーションは他のステーションのテレグラムの読み取りおよび／または理解ができてはならず、すべてのステーション用の共通データフレームの必要もない。その結果、一方では、システム全体で共通するデータフレームの個々に割り当てられるデータフィールドにすばやく読み取りおよび書き込みをできるようにするために、インターバスおよび類似の方法の場合に必要とされる特殊なプロトコルチップを不要とすることが可能である。

原則として、テレグラムをすべてのステーションに確実に通過できれば、すべてのステーションはデータテレグラムを受信して、他のステーションの対応するテレグラムと整合しない応答テレグラムを送信することが可能である。例えば、第２ステーションのアドレスデータは最後のステーションのアドレスデータとは異なるデータテレグラム上の位置にあることが可能である。アドレスデータの種類および構造もステーション間で異なることが可能である。アドレス指定されるステーションが受信されるデータテレグラム内にそのアドレスを検出して読み取ることができればよい。物理的レベルがＯＳＩ参照モデルに従ってデータテレグラムおよび応答テレグラムが別のステーションに渡せる程度に統一されていれば、個々のデータテレグラムおよび応答テレグラムの長さならびに内部プロトコル構造もステーション間で異なることが可能である。

２つのステーション間のラインが遮断される、または他の何らかの形で誤作動する場合、遮断の上流および下流にあるステーション間の通信は一般に継続できる。その結果、ライン故障が必然的にシステム全体を使用不能にすることはなく、テレグラムトラフィックによって局所化できる。
本発明の方法を用いて、第１ステーションとその後続ステーションとの間の第１ライン部で高いバス利用率を達成することも可能である。ここで、バス利用は第１ステーションの動作速度に最適に適応できる。他のステーションが第１ステーションから遠ざかるほど、対応するライン部のバス利用率の低下が大きくなる。しかし、このことは、第１ステーションが第１部で最適なクロックレートでその後続ステーションと通信できるかぎり、制御システムの効率に総体的な悪影響をもつものではない。

最後に、本発明の方法および本発明のシステムは、（第１ステーションの視点から見て）「先入れ／後出し」の原則に従って統一的に定義された通信によって、好適な実施形態に基づいて以下詳細に説明する個々のステーションへの非常に効率的なアドレスの自動割当を可能にする。その結果、他のアドレスベースのシステムでは必要な構成の複雑さの大部分が不要になる。このことは、安全関連データを生成または処理するステーションへのアドレスの割り当ては安全関連のステップであるため、データテレグラムおよび応答テレグラムが少なくともある程度まで安全関連データを含んでいる場合に特に有利である。明確に定義される通信構造により、安全関連ステーションは、欧州規格ＥＮ９５４−１のカテゴリ３または４（またはＩＳＯ１３８４９またはＩＥＣ／ＥＮ６１ ５０８に従う同様な要求事項）に関してフェールセーフにアドレスを割り当てられることもできる。

以上をまとめると、本発明の方法および本発明の制御システムはこのように比較的単純かつコスト効果的なハードウェアコンポーネントで、管理および構成に関しての複雑さの度合いが低く、高いバス利用率で実施できる。よって、前述した目的は完全に達成される。
本発明の好適な改良形態において、ステーションはすべてのデータテレグラムをほぼ同時にそれぞれの後続ステーションに送信する。この改良形態は全体的なバス利用率の最適化に有利に寄与する。しかし、データテレグラムは個別のデータテレグラムであり続けるため、ステーションがデータテレグラムを厳密に同時に送信する必要はない。

別の改良形態において、第２ステーションおよび最後のステーションは、個々の応答テレグラムをほぼ同時に生成するために、受信したデータテレグラムを互いにほぼ同時に処理する。この改良形態はバス利用率の最適化および、個々のステーション間のデータ通信の高速化にも有利に貢献する。さらに、この改良形態は大量のステップをしばしば同期して行わなければならない、または少なくとも互いに調和したタイミングで行わなければならない自動化制御システムに特に適する。

別の改良形態において、第１ステーションは、データテレグラムが最初に送信される前に、複数個のアドレス割当テレグラムを生成して、それをその後続ステーションに送信し、第２ステーションおよび最後のステーションはそれぞれアドレス割当テレグラムに基づいて固有のステーションアドレスが割り当てられる。アドレス割当テレグラムは、オペレータが始動できる初期化モードおよび／または再起動をするかまたは電圧が復旧すると自動的に始動される初期化モードで有利に生成および送信される。あるいは、または加えて、他の改良形態では、個々のステーションはそれぞれのステーションにアドレスを個々に割り当てるために使用できるインターフェースおよび／または一または複数個のスイッチを有することが可能である。好適な改良形態では、手動アドレス割り当てに加えて好適な自動アドレス割り当てを許可することが可能だとしても、当該インターフェースおよびスイッチは必要ない。自動アドレス割り当てを備える好適な改良形態はより単純でより高速なシステムの構成を可能にする。さらに、手動入力から生じる誤りも避けられる。また、個々のステーションは保護タイプＩＰ６７のハウジングに、より簡易かつコスト効果的に統合できるので、噴霧水または水の飛沫がかかるおそれのある場所での使用を促す。第１ステーションからのアドレス割当テレグラムの使用は他のすべてのステーションに対する制御が第１ステーションに与えられ、アドレス衝突を容易に回避できるという利点も提供する。

別の改良形態において、固有のステーションアドレスを受信したすべての第２ステーションはそれぞれの後続ステーションにアドレス割当テレグラムを送信する。この改良形態において、直列（シリーズ）のステーション内の前から後へ、すなわち第１ステーションの後続ステーションから最後のステーションに自動アドレス割り当てがなされる。この改良形態の特に好適な変型例では、各ステーションはそれに割り当てられたアドレスを受信したら、アドレス構成テレグラムを第１ステーションに送信する。こうしてフェールセーフなアドレス割り当てを非常にすばやくかつ容易に実施できる。

別の改良形態において、すべての第２ステーションは第１バスコネクタおよび別の第２バスコネクタを有しており、すべての第２ステーションは第１バスコネクタを介してその先行ステーションに、第２バスコネクタを介してその後続ステーションに接続されている。この改良形態において、少なくともすべての第２ステーション（好ましくは最後のステーションも）２個の独立したインターフェースを有する。２個のバスコネクタは好ましくは互いにＤＣ分離されている。そのため第２ステーションはデータテレグラムおよび応答テレグラムを同時にかつ互いに独立して送受信できる。これにより非常に高速かつフレキシブルなデータ通信が可能であり、個々のステーションのデータテレグラムおよび応答テレグラムの長さが異なる場合には特に有利である。この改良形態のある特に好適な変型例では、すべてのバスコネクタは伝送信号を生成する個別のコントローラモジュールを備える。そのためすべてのステーションは中継器として機能し、その結果ステーション間で比較的大きなライン長をとることができる。

別の改良形態において、バスコネクタはＣＡＮバスにコンパチブルである。この改良形態では、ＣＡＮバスハードウェアは通信構造とバケツリレー方式で組み合わせることができる。この改良形態はＣＡＮバスにコンパチブルなモジュールが非常に普及しており、従って低コストで利用できるために有利である。さらに、ＣＡＮバスモジュールは本発明のために非常に容易に使用できるＯＳＩモデルの低レベルで、障害復旧および是正機能を統合し、証明している。しかし、この改良形態の特徴は、ＣＡＮバスの調停手順を本発明の通信構造の結果として使用しないことにある。

別の改良形態において、第１ステーションはデータテレグラムを周期的に繰り返す時間間隔で送信し、各データテレグラムは時間間隔によって異なるコードワードを含んでおり、第２ステーションおよび最後のステーションは時間の経過とともに変化するコードワードの関数としてそれぞれ個々の応答テレグラムを生成する。この改良形態は、安全関連データを第１ステーションと別のステーションとの間で交換する場合に非常に有利である。この意味での安全関連データとは、例えば、緊急停止ボタンの状態（起動されている、起動されていない、未定義）、またはそれから生じるアクチュエータへのスイッチオフ指示に関する情報である。この改良形態は当該安全関連データでも単一のデータライン上で伝送できるようにする。可変コードワードを使用することによって、例としてしばしば緊急停止ボタンによくあるように、データが多くの時間間隔の間に変化しなくても、伝送される安全関連データの妥当性を点検できる。

別の改良形態において、第１ステーションはすべての第２ステーションおよび最後のステーションのために個々のデータテレグラムを生成して送信し、少なくとも２つの異なるステーション用の個々のデータテレグラムは構造的に異なる。構造的に異なるデータテレグラムは、特に、その構造および構成が異なる。例えば、あるデータテレグラムのアドレスデータは相対的に前方に位置する一方、別のステーションへのデータテレグラムのアドレスデータは相対的に後方、または他の任意の位置に位置することができよう。アドレスデータの構造および／または長さ、例えばチェックサム（ＣＲＣ）など、プロトコルデータの数および用途、または可変コードワードを使用するデータの多様な多重伝送が構造的な違いの基礎を形成できる。この改良形態は、ステーションが共通のデータフレームを共有しなければならないのではなく、代わりに個別のテレグラムを介して通信するという事実に起因する本発明の通信構造の有利な可能性を利用する。

当然ながら、上記明記した特徴および以下説明する特徴はそれぞれ明記する組み合わせで使用できるだけでなく、本発明の範囲を逸脱することなく他の組み合わせまたは単独でも使用できる。

本発明の制御システムの好適な実施形態の略図である。 図１の制御システムにおける周期的なデータトラフィックを説明する略図である。 本発明の方法によるデータ通信中の後の時間の段階における図１の制御システムを示す略図である。

本発明の実施形態を図面に図示し、以下の説明でより詳細に説明する。
図１において、本発明の制御システムの実施形態の全体を参照番号１０で示す。制御システム１０はここでは、ロボット１２の速度および質量のためにその動きが人に対してリスクとなるロボット１２を保護する役目を果たす。当該ロボットは典型的には固定保護フェンスおよび可動保護ドア、ライトカーテンおよび類似のアクセス保護装置を使用しており、緊急停止ボタンを使用して保護される。単純にするために、図１は１つの緊急停止ボタン１４しか図示していない。コンタクトブレーカはそれぞれ参照番号１６および１８で示す。ロボット１２の駆動用電力供給路にコンタクトブレーカ１６，１８の作動コンタクトが互いに直列に配列されている。

緊急停止ボタン１４が起動される場合、保護ドアが開く場合、またはライトカーテンが横切られる場合、ロボット１２はコンタクトブレーカ１６，１８を使用してフェールセーフにシャットダウンしなければならない。この状況において「フェールセーフ」とは、制御システム１０内で故障が発生した場合でも安全機能が失われないことを意味する。例えば、コンタクトブレーカ１６の作動コンタクトが前のスイッチングプロセスのためにヒューズがとび、もはや開かなくなる場合にあたるであろう。しかし、電力供給はコンタクトブレーカ１８の作動コンタクトによりなお切断できるため、この故障により安全性が失われることはない。同様に、制御システム１０の他のコンポーネントに必要な単一故障安全性は、冗長性および／または統合テスト機能によって達成できる。

図１は、単純にするために、ロボット１２を保護するための制御システム１０しか示しておらず、ロボット１２の運転動作を制御するための制御システムは示していない。原則として、両方の制御システムは１つの制御ユニットに実装できる。しかし、今まで多くの場合、ここで参照番号２０で表す個別の制御ユニットが安全機能のために使用されている。実施形態の制御ユニット２０はフェールセーフに確立されており、ここではすべての動作を冗長に実行し、それを互いに比較する２つの冗長プロセッサ２２ａ，２２ｂに基づいて単純化した形態で示している。後者の比較は矢印２４で示す。

バスモジュールと呼ばれるものを参照番号２６で示しており、それは制御ユニット２０に統合でき、または個別のアセンブリとして制御ユニット２０に接続されている。図示する実施形態では、バスモジュール２６は制御ユニット２０のハウジングに装着できる個別ハウジング内のアセンブリである。この実施形態では、バスモジュール２６は本発明に関して第１ステーションとなる。

参照番号２８，３０，３２および３４は別のステーションを示しており、ステーション３４はここでは本発明に関して最後のステーションである。ステーション２８から３４はそれぞれＤＣ分離されている２つのバスコネクタ３６，３８を有し、これらは互いに独立して使用できる。バスモジュール２６およびステーション２８から３４は順次接続されてライン部４０によって直列（シリーズ）のステーション４１を形成する。

例えば、第１ライン部４０ａはバスモジュール２６のバスコネクタ（ここでは単一接続）３６をステーション２８の第１バスコネクタ３６に接続する。第２ライン部４０ｂはステーション２８の第２バスコネクタ３８を次のステーション３０の第１バスコネクタ３６に接続する。そのため、バスモジュール２６を含むすべてのステーションはポイント・ツゥ・ポイント接続を介して少なくとも１個、最大で２個の隣接ステーションに接続されている。ステーション２８はバスモジュール２６の後続ステーションであるとともに、ステーション３０の先行ステーションである。どのステーションも２個より多くの他のステーションには接続されない。

この場合、ステーション２８から３４は、例えば緊急停止ボタン１４などの手動で起動されるシグナリングデバイスを含むセンサの接続用、および例えばコンタクトブレーカ１６，１８などのアクチュエータの接続用のリモートＩ／Ｏユニットである。好適な実施形態では、ステーション２８から３４は保護タイプＩＰ６７のハウジングに収容され、そのため噴霧水、さらには水の飛沫に対しても保護される。他の実施形態では、ステーション２８から３４はモジュールキャリアに差し込み接続されるプラグタイプのモジュールにすることが可能であり、または他のハウジング設計に収容できる。

ここでは、各ステーション２８から３４は、両方のバスコネクタ３６，３８に接続されているインターフェースモジュール４２を有する。好適な実施形態では、インターフェースモジュール４２は、所定の信号処理ステップまたはデータ処理ステップを実行できるマイクロコントローラまたはＡＳＩＣである。これらの処理ステップは、例えばセンサデータを条件付けて制御ユニット２０に送ること、コンタクトブレーカ１６，１８などのアクチュエータを駆動するために制御ユニット２０からのアクチュエータデータを処理することを含む。

各ステーション２８から３４は、センサおよび／またはアクチュエータを接続できる多数の接続ソケット４４を有する。図１の実施形態では、緊急停止ボタン１４は順方向ライン４６および戻りライン４８を介して接続ソケット４４に接続されている。戻りライン４８を介してフィードバックされるクロック信号５０は順方向ライン４６を介して緊急停止ボタン１４に伝送される。このように、ステーション３２は緊急停止ボタン１４の起動状態を判断して、データテレグラムを使用して制御ユニット２０に報告できる。

本発明の方法によると、バスモジュール２６は、あるステーションから次のステーションにバケツリレー方式で渡される多数の個別データテレグラム５２を生成する。図１では、第１データテレグラム５２ａは第１ライン部４８を介してバスモジュール２６からステーション２８に送信されている。ステーション２８は同じデータテレグラム５２ａをステーション３０に渡す。ステーション３０は次のステーション３２に変更せずに同じデータテレグラム５２ａを送信する。同時に、すなわち、同じ時間間隔で、ステーション２８はデータテレグラム５２ｂをステーション３０に送信する。同様に、同時に、バスモジュール２６は第３データテレグラム５２ｃをステーション２８に送信する。

全体的に見て、この実施形態ではバスモジュール２６は４個の個別データテレグラムを生成し（図１では４番目のデータテレグラムは図示していない）、それを４連続した時間間隔で直列のステーション４１に送信する。各データテレグラム５２はステーションアドレス５６と相関するアドレス（ここでは個別に図示していない）を含むアドレスフィールド５４を含む。図１の実施形態では、ステーション２８はアドレス００１を有し、ステーション３０はアドレス０１０を有し、ステーション３２はアドレス０１１を有し、ステーション３４はアドレス１００を有する。好適には、ステーション２８から３４へのアドレスの割り当ては、図１で点線のみを使用して表されるアドレス割当テレグラム５８を使用して行うが、これはアドレス割り当てが図１に図示するデータテレグラム５２の送信を行うより前に行うためである。

特に好適な実施形態では、各データテレグラム５２は時間間隔によって変化するコードワード６０も含む。ある実施形態では、コードワード６０は１通信サイクル全体が終了するたびに変更される。これは図２を参照しながら以下により詳細に説明する。別の実施形態では、コードワードはそれより長い時間間隔、または短い時間間隔でも、制御ユニットにより変更される。

図２は１通信サイクル全体を表す円６４を示す。通信サイクル６４は、バスモジュール２６が第１データテレグラム５２ａをその後続ステーション、すなわちステーション２８に送信する第１の時間間隔６６ａから始まる。他のステーション３０から３４はこの時間間隔６６ａでは、当該「未使用」時間間隔で個々のステーション間で直接相互通信が起こらない限りデータテレグラム５２を送信しないが、本発明の実施形態では完全に可能である。しかし、好適には、個々のステーション間での当該相互通信は起こらない。

第２時間間隔６６ｂで、ステーション２８は受信したデータテレグラム５２ａをステーション３０に渡す。さらに、前記ステーション２８は同じ時間間隔６６ｂ内でバスモジュール２６から第２データテレグラム５２ｂを受信する。第３時間間隔６６ｃで、３つのデータテレグラム５２ａ，５２ｂ，５２ｃはステーション２６，２８，３０および３２の間のさまざまなライン部の途中にある。第４時間間隔６６ｄで、バスモジュール２６は第４データテレグラムをステーション２８に送信する一方で、最後のステーション３４は第１データテレグラム５２ａを受信する。そのため、第２ステーションと最後のステーションとを足した数に対応する多数の時間間隔６６ａ〜６６ｄの後で、すべてのステーションはそれにアドレス指定されるデータテレグラム５２を受信したことになる。

図１による好適な実施形態では、個々のステーション２８から３４はそれぞれ、データテレグラム５２のアドレスフィールド５４に基づいて、データテレグラムが前記ステーションにアドレス指定されたかどうかを検出する。この代わりに、他の実施形態では、このようにデータテレグラムが前記ステーションにアドレス指定されたかどうかを検出するために、ステーションは直列（シリーズ）のステーション内のそれぞれの位置を検出して、渡されたデータテレグラム５２の数をカウントすることも可能である。このような実施形態では、アドレスがデータテレグラムの数から暗示的に求められるため、データテレグラム５２に明示アドレスフィールド５４を不要とすることが考えられる。

各ステーションがそれにアドレス指定されたデータテレグラムを受信した後、ステーション２８から３４は受信したデータテレグラムをほぼ同時に処理する。明らかにするために、データ処理に必要な時間は図２には図示していない。
その後、各ステーション２８から３４は、第１ステーション２６にアドレス指定される応答テレグラム７０をその先行ステーションに送信する。

この状況を図３に示している。第１応答間隔６６ｅで、最後のステーション３４はその応答テレグラム７０ａをその先行ステーション３２に送信する。同じ間隔において、ステーション２８はその応答テレグラム７０ｄをバスモジュール２６に送信し、そのため制御ユニット２０に送信する。次の時間間隔６６ｆで、バスモジュール２６はステーション３０から応答テレグラム７０ｃを受信する。次の時間間隔６６ｇで、バスモジュール２６はステーション３２から応答テレグラム７０ｂを受信する。通信サイクル６４の最後の時間間隔６６ｈで、バスモジュール２６は最後のステーション３４の応答テレグラム７０ａを受信する。そうすると新たな通信サイクル６４の開始が可能になり、図２の矢印７２で表されている。

第１ステーション２６のアドレスは、アドレスが応答テレグラム７０の伝送および／または受信方向からすでに明らかなため、応答テレグラム７０に暗示的に包含できる。しかし、第１ステーションは、例えばアドレス０００など、明示アドレスを有することもできる。そのため、原則的には、応答テレグラム７０は第１ステーション２６をアドレス指定するために明示アドレス情報項目を含む必要はない。

この方法において、通信サイクル６４全体の間にデータテレグラムおよび応答テレグラムは第１ライン部４０ａを介して伝送されるため、この第１ライン部４０ａ（第１バスセグメント）は相当な待ち時間なく最適な程度に利用される。すなわち、データテレグラムまたは応答テレグラムは各時間間隔６６で第１ラインエレメント４０ａを介して伝送される。第２ラインエレメント４０ｂは、第１時間間隔６６ａまたは最終時間間隔６６ｈでこのラインエレメント４０ｂを介してデータテレグラムまたは応答テレグラムが伝送されないため、やや利用が劣る。他のすべての時間間隔６６ではテレグラムは伝送される。ライン部またはバスセグメントが第１ステーション２６から遠くなるほど、そのセグメント上のバス利用は低下するが、第１ライン部４０ａを最適な程度に利用でき、バスモジュール２６または制御ユニット２０の処理速度に適応できるため不利にはならない。

そのため、第１ステーション２６は第１時間間隔６６ａでデータテレグラム５２ａを最後のステーション３４に送信する。ステーション２６はその後さらにデータテレグラムを送信し、このデータテレグラムは第１ステーションからの距離に関して逆の順序で第２ステーションにアドレス指定される。この場合、ステーション２８から３４のすべてが応答テレグラム７０をほぼ同時に第１ステーション２６に送信することになり、応答テレグラム７０は距離が異なる結果異なる時間間隔６６ｅから６６ｈで第１ステーション２６に到達する。

共通のデータフレームとは対照的に、インターバスまたは同様な方法で使用されると、データ通信は互いに独立した個別のデータテレグラムおよび応答テレグラムに基づいて起こり、個々にアドレス指定できる。第１ステーション２６は各通信サイクル６４で他のすべてのステーション２８から３４をアドレス指定しないことが基本的に可能であり、その結果ステーション２８から３４は異なるサイクルで問い合わせできる。このためバス利用をより個別に、制御システム１０のプロパティに適応させることが可能となる。

好適な実施形態では、各ステーション２８から３４には固有のアドレス５６が割り当てられる。これは好ましくは、手動で始動できるか、または電圧が復旧するときに自動的に始動できる初期化モードでアドレス割当テレグラム５８を使って行われ、非常に有利である。初期化モードでは、第１ステーション２６は第１アドレス割当テレグラム５８をその後続ステーション２８に送信する。後続ステーション２８がそれに割り当てられたアドレスを有していなかった場合、アドレス割当テレグラム５８に含まれているアドレス（ここではアドレス００１）を採用して、第１ステーション２６への確認テレグラムによってアドレス割り当てを確認する。第１ステーション２６はさらに別（他）のアドレスを有する別のアドレス割当テレグラムをその後続ステーション２８に送信する。後続ステーション２８はそれに割り当てられたアドレスをすでに有しているため、アドレス割当テレグラム５８を次のステーション３０に渡す。後者はアドレスを採用して、アドレス割り当てを確認する。このように、シリーズ内のすべてのステーションは固有のアドレスを受信し、そのアドレスは、もっとも単純な場合では、シリーズ内の各ステーションの位置に対応する。確認テレグラムに基づいて、第１ステーション２６にどれくらい多くの次のステーションが接続されているかが通知される。安全関連のステーションの場合、割り当てられたアドレスは別のテレグラムトラフィックを使用して有利に検証できる。

すでに指摘したように、本発明の方法および本発明のデバイスは、さまざまなステーション３４，３２にアドレス指定されるデータテレグラム５２ａ，５２ｂが互いに構造的に異なることが可能である程度にフレキシブルであり、これは２つのデータテレグラム５２ａ，５２ｂによって図１に模式的に表している。
好適な実施形態では、ステーション２８から３４は第１ステーション２６への伝送データを、第１ステーション２６によって各データテレグラム５２とともに送信されるコードワード６０で符号化する。好適な実施形態では、第１ステーションは新たな通信サイクル６４のたびにコードワードを変更する。好適な実施形態では、ステーション２８から３４はさらに未符号化情報、いわば「プレーンテキスト」も送信する。このように、第１ステーション２６は他のステーションからデータを重複して受信し、異なる送信（プレーンテキストおよび可変符号化）に基づいて妥当性チェックを行うことができる。具体的には、可変コードワードを使用することによって、個々のステーションのデータが多数の時間間隔の間一定だとしても、縮退故障を発見することが可能である。これらの実施形態では、制御システム１０は安全関連プロセスの制御に特によく適する。時間の経過とともに変化するコードワード６０に基づくデータの符号化に関するさらなる詳細は上記特許文献４に記述されており、参照によりその全体を本明細書に組み込む。

Claims (10)

1. 順次接続されて直列（シリーズ）のステーション（４１）を形成する空間的に分散配置された複数個のステーション（２６〜３４）を有する自動化制御システム（１０）におけるデータ伝送方法であって、
   前記シリーズは第１ステーション（２６）と、少なくとも１個の第２ステーション（２８〜３２）と、最後のステーション（３４）とを含み、前記第１ステーション（２６）およびすべての第２ステーション（２８〜３２）はそれぞれ前記シリーズ（４１）内に後続ステーションを有しており、前記すべての第２ステーション（２８〜３２）および前記最後のステーション（３４）はそれぞれ前記シリーズ（４１）内に先行ステーションを有しており、
   前記第１ステーション（２６）が前記第２ステーション（２８〜３２）と前記最後のステーション（３４）とを足した数に等しい数の個別データテレグラム（５２）を生成するステップであって、前記各データテレグラム（５２）は前記ステーション（２８〜３４）のうちの１個にアドレス指定される、前記生成ステップと、
   前記第１ステーション（２６）が前記データテレグラム（５２）を１個ずつ所定の時間間隔でその後続ステーション（２８）に送信するステップであって、前記データテレグラム（５２）は前記第１ステーション（２６）からの距離に関して逆の順序でアドレス指定される、前記送信ステップと、
   前記すべての第２ステーション（２８〜３２）がその各先行ステーションからデータテレグラム（５２）を受信して、前記受信したデータテレグラム（５２）をその各後続ステーションにバケツリレー方式で、前記第２ステーション自体にアドレス指定されるデータテレグラム（５２）を受信するまで送信するステップと、
   前記第２ステーション（２８〜３２）および前記最後のステーション（３４）がそれぞれ前記第１ステーション（２６）にアドレス指定される個々の応答テレグラム（７０）を生成して、前記個々の応答テレグラム（７０）をその各先行ステーションにバケツリレー方式で送信するステップと、を含み、
   前記第１ステーション（２６）が前記すべての第２ステーション（２８〜３２）および前記最後のステーション（３４）用に生成する、少なくとも２つの異なるステーション（３２，３４）のための個々のデータテレグラム（５２）は、アドレスデータの構造、長さおよび／または位置の点で構造的に異なり、
   前記第１ステーション（２６）および前記第２ステーション（２８〜３２）は前記データテレグラム（５２）をほぼ同時にその各後続ステーションに送信する、方法。
2. 前記第２ステーション（２８〜３２）および前記最後のステーション（３４）は、前記受信したデータテレグラム（５２）を互いにほぼ同時に処理し、前記個々の応答テレグラム（７０）をほぼ同時に生成することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１ステーション（２６）は、データテレグラム（５２）が最初に送信される前に、複数個のアドレス割当テレグラム（５８）を生成して、それをその後続ステーション（２８）に送信し、前記アドレス割当テレグラム（５８）に基づいて前記第２ステーション（２８〜３２）および前記最後のステーション（３４）のそれぞれに固有のステーションアドレス（５６）が割り当てられることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 固有のステーションアドレス（５６）を受信した前記第２ステーション（２８〜３２）のすべては前記アドレス割当テレグラム（５８）をその各後続ステーションに送信することを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記すべての第２ステーション（２８〜３２）は第１および離れた第２のバスコネクタ（３６，３８）を有しており、前記すべての第２ステーション（２８〜３２）は前記第１バスコネクタ（３６）を介してその先行ステーションに接続されているとともに、前記第２バスコネクタ（３８）を介してその後続ステーションに接続されていることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記バスコネクタ（３６〜３８）はＣＡＮバスにコンパチブルであることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記第１ステーション（２６）は前記データテレグラム（５２）を周期的に繰り返す時間間隔（６６）で送信し、各データテレグラム（５２）は時間間隔ごとに変化するコードワード（６０）を含んでおり、前記第２ステーション（２８〜３２）および前記最後のステーション（３４）は時間の経過とともに変化する前記コードワード（６０）の関数として前記各個々の応答テレグラム（７０）を生成することを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記個々のデータテレグラム（５２）は、プロトコルデータの数および用途の点で、構造的に異なることを特徴とする、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の方法。
9. 少なくともいくつかはセンサ（１４）を接続する入力コネクタ（４４）またはアクチュエータ（１６，１８）を接続する出力コネクタを有する空間的に分散配置された複数個のステーション（２６〜３４）を有する制御システムであって、
   前記ステーション（２６〜３４）は順次接続されて直列（シリーズ）のステーション（４１）を形成しており、前記シリーズ（４１）は第１ステーション（２６）と、少なくとも１個の第２ステーション（２８〜３２）と、最後のステーション（３４）とを含み、前記第１ステーション（２６）および前記すべての第２ステーション（２８〜３２）のそれぞれが前記シリーズ（４１）内に後続ステーションを有しており、前記すべての第２ステーション（２８〜３２）および前記最後のステーション（３１）のそれぞれは前記シリーズ（４１）内に先行ステーションを有しており、さらに、
   前記第１ステーション（２６）は前記第２ステーション（２８〜３２）と前記最後のステーション（３４）とを足した数に等しい数の個別データテレグラム（５２）を生成するように設計されており、すべてのデータテレグラム（３２）は前記ステーション（２８〜３４）のうちの１個にアドレス指定され、
   前記第１ステーション（２６）は前記データテレグラム（５２）を１個ずつ所定の時間間隔（６６）でその後続ステーション（２８）に送信するようにさらに設計されており、前記データテレグラム（５２）は前記第１ステーション（２６）からの距離に関して逆の順序でアドレスされ、
   前記すべての第２ステーション（２８〜３２）はその各先行ステーションからデータテレグラム（５２）を受信して、前記受信したデータテレグラム（５２）をその各後続ステーションにバケツリレー方式で、前記第２ステーション自体にアドレス指定されるデータテレグラム（５２）を受信するまで送信するように設計され、
   前記第２ステーション（２８〜３２）および前記最後のステーション（３４）のそれぞれは、前記第１ステーション（２６）にアドレス指定される個々の応答テレグラム（７０）を生成して、前記個々の応答テレグラム（７０）をその各先行ステーションにバケツリレー方式で送信するように設計され、
   前記第１ステーション（２６）が前記すべての第２ステーション（２８〜３２）および前記最後のステーション（３４）用に生成する、少なくとも２つの異なるステーション（３２，３４）のための個々のデータテレグラム（５２）は、アドレスデータの構造、長さおよび／または位置の点で構造的に異なり、
   前記第１ステーション（２６）および前記第２ステーション（２８〜３２）は前記データテレグラム（５２）をほぼ同時にその各後続ステーションに送信する、制御システム。
10. センサ（１４）およびアクチュエータ（１６，１８）のいずれかもしくは両方を接続する多数のコネクタ（４４）を備え、第１および離れた第２のバスコネクタ（３６，３８）を備え、さらにリモート周辺機器を請求項９の制御システム（１０）において第２ステーションまたは最後のステーション（２８〜３４）として動作するように設計されている通信モジュール（４２）を備える、請求項９に記載の制御システム（１０）に用いるリモート周辺機器。

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