-
Die Erfindung betrifft eine Verbindungsvorrichtung
zur Herstellung einer Potential- und/oder Datenverbindung
zwischen verschiedenen und örtlich
voneinander getrennten Baugruppen eines Feldbussystemes, die jeweils
einen Aufbau aus aneinandergereihten Anschlußmodulen aufweisen, wobei von
Anschlußmodul
zu Anschlußmodul
innerhalb jeder Baugruppe Daten über
einen Datenbus – interner Busleiter – mit Datenleitungen
weitergegeben werden.
-
Ein derartiges Feldbussystem ist
aus der
DE 199 02
745 A1 bekannt. Dabei wird auf einer ersten Tragschiene
ein Gateway angeordnet, an welches sich eine als Modulscheibe ausgelegte
Einspeisescheibe anschließt,
an die wiederum Anschlußmodule
angereiht werden können,
die entweder als Modulscheibe oder als Modulblock ausgelegt sind.
Unter Tragschiene sind dabei Elemente, insbesondere schienenartig,
zu verstehen, auf welche Module in einer Aneinanderreihung aufgesetzt
werden können.
-
Die letzte Modulscheibe der sich
an das Gateway und die Einspeisescheibe anschließenden Anschlußmodule
kann mit einem Anschluß oder
Stecker versehen sein, der zur Weitergabe des internen Busleiterabschnittes
und/oder der Potentiale an eine weitere Modulscheibe oder einen
Modulblock gleichen Aufbaus dient, insbesondere für weitere
Anschlußmodule
des elektrischen Geräts
ohne eigenes Gateway, die sich auf einer anderen Tragschiene befinden.
-
Die einzelnen Anschlußmodule,
d.h. die Modulscheiben oder Modulblöcke, sind jeweils mit einer aufsteckbaren
Elektronik versehen, welche vorzugsweise eine Leiterplatte aufweist,
auf der die Bauelemente der Elektronik aufgebracht sind. Diese Elektronikleiterplatte
ermöglicht
insbesondere die Datenweitergabe zwischen an das Anschlußmodul anschließbaren Sensoren
und/oder Aktoren und dem internen Busleiter des Feldbussystems.
Auf diese Weise ist es möglich, über die
steckbare Elektronik die Sensoren und/oder Aktoren mit der Steuerung bzw.
dem Gateway zu verbinden. Jeder Aktor des Feldbusses greift für ihn bestimmte
Informationen vom internen Busleiter ab und jeder Sensor speist
Informationen ein. Der besondere Vorteil einer derartigen Feldbuslösung liegt
darin, daß die
Baugruppen des Feldbusses in der Nähe der Sensoren und Aktoren
untergebracht sind. Die prinzipielle Störanfälligkeit des Bussystems wird
dabei mittels einer Signalregenerierung und/oder mit Codesicherungsverfahren
reduziert.
-
Systembedingt können Feldbussysteme üblicherweise
nur eine begrenzte Anzahl von Anschlußmodulen bzw. Slaves aufweisen,
die alle auf das benutzte Feldbussystem abgestimmt sein müssen. Zur Realisierung
eines plattformunabhängigen
Systems dient das Gateway, welches für verschiedene Bussysteme erhältlich ist,
so daß die
jeweiligen Anschlußmodule
bei einem Wechsel des Systems weiter verwendet werden können, wenn
lediglich das Gateway ausgetauscht wird. Üblicherweise werden sämtliche
I/O-Module entlang einer Tragschiene montiert. Aufgrund räumlicher
Gegebenheiten kann es jedoch möglich
sein, daß keine
Verlängerung
der Tragschiene herstellbar ist. Um in diesem Fall dennoch weitere
Anschlußmodule
unterbringen zu können,
werden die weiteren Anschlußmodule
auf eine zur ersten Tragschiene separate Tragschiene montiert. In
diesem Fall ist es notwendig, den Modulbus auf die weitere Tragschiene
weiterzuleiten.
-
-
Die
US 57 36 870 A zeigt ferner eine Repeater-Elektronik,
welche zur Weiterleitung des internen Busleiters von einem Anschlussmodul
einer ersten Baugruppe zu einem der Anschlussmodule einer zweiten
Baugruppe geeignet ist, wobei die Repeater-Elektronik Treiberbausteine aufweist.
-
Es ist die Aufgabe der Erfindung,
eine einfache Weiterleitung des Modulbusses bzw. des internen Busleiters
zwischen verschiedenen Baugruppen, insbesondere auf verschiedenen
Tragschienen, zu realisieren.
-
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch den Gegenstand
des Anspruches 1.
-
Besonders bevorzugt ist die Repeater-Elektronik
zu diesem Zweck für
eine Sensierung und Steuerung der Datenrichtung auf der bidirektionalen Datenleitung
und/oder eine Sensierung des Datenflusses auf der unidirektionalen
Datenleitung ausgelegt.
-
Nach der Erfindung ist der Logikbaustein
der Repeater-Elektronik derart programmiert, dass er das elektrische
Verhalten der Daten auf der bidirektionalen Datenleitung in Hinsicht
auf die Zeitdauer der Bitfolge des Datenflusses auswertet und in
Reaktion auf die Bitfolge die bidirektionale Datenleitung in Richtung
von der ersten zur zweiten bzw. von der zweiten zur ersten Baugruppe
schaltet.
-
Alternativ ist der Logikbaustein
der Repeater-Elektronik dazu ausgelegt und programmiert, dass er
die logische Bitfolge des Datenflusses auswertet und in Abhängig keit
von der Bitfolge, insbesondere von einem Selectbit, die bidirektionale
Datenleitung zwischen den beiden Baugruppen umschaltet.
-
Eine derartige Elektronik ist mit
nur wenigen Bauelementen kompakt und kostengünstig realisierbar. Die Baugruppen
können – was einen
bevorzugten Anwendungsfall darstellt – auf verschiedene Tragschienen
verteilt sein. Die Erfindung ist über diesen Anwendungsfall hinaus
aber auch zur Realisierung des Datenaustausches bzw. der Datenweiterleitung
zwischen Baugruppen mit Anschlussmodulen geeignet, welche tragschienenfrei
aneinandergereiht bzw. zu einer Gruppe zusammengestellt sind. Unter Tragschiene
sind dabei wiederum Elemente, insbesondere schienenartig, zu verstehen,
auf welche Module in einer Aneinanderreihung aufgesetzt, insbesondere
aufgerastet, werden können.
-
Ein besonderer Vorteil der Erfindung
ist darin zu sehen, daß es
im wesentlichen nur nötig
ist, das letzte Anschlußmodul
der ersten Baugrippe und ggf. noch das erste Anschlußmodul der
zweiten Baugruppe anstelle der „normalen" Elektronik mit einer speziellen Repeater-Elektronik
zu versehen, welche hinsichtlich ihrer Abmessungen genauso ausgestaltet werden,
wie die übrige
Elektronik bzw. Elektronikleiterplatten mit Elektronik des Systems.
-
Mit der Repeater-Elektronik ist es
möglich, sowohl
Daten bzw. Signale von dem Gateway über das letzte Anschlußmodul von
der ersten Tragschiene zur weiteren Tragschiene als auch in umgekehrter Richtung – beispielsweise
bei Sensoren – Daten
vom Sensor über
die Baugruppe auf der weiteren Tragschiene zurück über die Repeater-Elektronik und den internen
Busleiter der Baugruppe auf der ersten Tragschiene zum Gateway zu
senden.
-
Die Repeaterelektronik ist einfach
und mit wenigen Teile realisierbar. Zweckmäßig weist die Repeater-Elektronik
wenigstens einen Logikbaustein – z.B.
eine programmierbare Logik, insbesondere eine FPGA, oder eine festverdrahtete
Logik – auf,
der zur Auswertung des Datenflusses auf wenigstens einer der Datenleitungen
des internen Busleiters ausgelegt ist.
-
Vorzugsweise weist ferner die die
Repeaterelektronik des Anschlußmodules
der ersten Baugruppe und/oder die Repeaterelektronik des Anschlußmodules
der zweiten Baugruppe jeweils wenigstens einen Treiber auf.
-
Zweckmäßig weisen das letzte Anschlussmodul
auf der ersten Tragschiene und/oder das erste Anschlussmodul auf
der zweiten Tragschiene die Repeaterelektronik auf.
-
Es ist denkbar, dass die Übertragung
der Daten von der Repeaterelektronik des Anschlußmodules der ersten Baugruppe
zum Anschlussmodul der zweiten Baugruppe durch eine zur Datenübertragung innerhalb
der Tragschienen unterschiedliche Übertragungstechnik, insbesondere
Lichtleiter, IR- oder Funkübertragung
oder mit Hilfe einer differentiellen Übertragungstechnik erfolgt.
-
Bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind
den Unteransprüchen
zu entnehmen.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
-
1 eine
schematische Darstellung eines elektrischen Gerätes mit Gateway und Anschlußmodulen;
-
2 ein
Blockschaltbild einer Elektronikschaltung zur Schaltung des internen
Busleiters;
-
3 ein
Flußdiagramm,
welches den Aufbau der Repeater-Elektronik anhand eines Diagramms
einer Finite-State-Maschine (FSM) symbolisiert; und
-
4, 5 die Aufteilung von Funktionseinheiten
der Repeaterelektronik(en) auf zwei verschiedene Baugruppen.
-
1 zeigt
ein Feldbussystem mit einem Aufbau aus Modulen, wobei auf einer
ersten Tragschiene TS1 ein Gateway G, eine an das Gateway G angeschlossene
Einspeisescheibe ES und sich an die Einspeisescheibe anschließende Anschlußmodule
MS1, MB1,... angeordnet sind. Die einzelnen Anschlußmodule
MS1, MB1,... bestehen dabei aus sog. Basisklemmen B, welche die
mechanische Aufnahme einer steckbaren Elektronik E und den elektrischen
Kontakt zwischen benachbarten Anschlußmodulen MS1,... gewährleisten.
Die steckbare Elektronik E ist bei einem Modulblock MB für mehrere
Basisklemmen nebeneinander vorgesehen bzw. ausgelegt und wird bei
Modulscheiben MS auf jede einzelne Modulscheibe MS aufgesteckt.
-
Weitere Anschlußmodule – Modulscheiben MS7, ..., MS10 – sind auf
einer weiteren Tragschiene TS2 angeordnet. Das letzte Anschlußmodul MS6
der ersten Tragschiene TS1 und das erste Anschlußmodul MS1 der zweiten Tragschiene
TS2 sind über
ein Kabel K miteinander verbunden, welches Datenleitungen für die Weitergabe
des internen Busleiters aufweist. Die Spannungsversorgung kann an
der weiteren Tragschiene TS2 neu angelegt oder ebenfalls über das
Kabel K von der Tragschiene TS1 zur Tragschiene TS2 weitergegeben
werden.
-
Jede Modulscheibe MS weist eine der
Basisklemmen B und eine darauf aufgesteckte oder aufgesetzte Elektronik
E auf. Durch die Basisklemmen B ist gewährleistet, daß die Elektronik
E jederzeit ausgewechselt werden kann. Das System ist dabei so konzipiert,
daß ein
Austausch auch während
der Inbetriebnahme ohne Funktionsstörung möglich ist (hot plugging). Das
Gateway G dient zur Anschaltung an den externen Feldbus (hier nicht
dargestellt). Das an das Gateway G angeschlossene Einspeisemodul
ES wird über
ein externes Netzgerät
z.B. mit 24 V versorgt. Der Ausgang des Einspeisemoduls ES liefert eine
gefilterte und stabilisierte Spannung von z.B. SV und von 24V. Die
5-Volt-Spannung dient als Versorgungsspannung für den Modulbus. Die 24 Volt
können
auf der Feldseite für
die Basisklemmen B verwendet werden. Die sich an das Einspeisemodul
anschließenden
Anschlußmodule
können
sich hinsichtlich der Anzahl und Art der Ein- und Ausgänge I/O voneinander
unterscheiden.
-
Der Aufbau des internen Busleiters
IB , d.h. internen seriellen Bussystems entspricht vorzugsweise
einer hybriden Ring-/Linienstruktur.
-
Dabei wird in zwei Datenübertragungsrichtungen
unterteilt. Einerseits gibt es einen Datenverkehr vom Gateway G
zu den Anschlußmodulen
MS, MB. Der Datenverkehr wird hier bevorzugt als Daisy Chain realisiert.
Dementsprechend nimmt jedes Anschlußmodul MS, MB die Daten am
Eingang auf und gibt die Daten nach Verarbeitung am Ausgang weiter. Durch
das verwendete Summenrahmenprotokoll wird keine Adressierung der
Anschlußmodule
MS, MB benötigt.
Der Dateninhalt wird durch die Position der Anschlußmodule
MS, MB bestimmt. Um einen Ausfall des Bussystems IB bei einem defekten
fehlenden Anschlußmodul
MS, MB zu verhindern, ist es möglich,
zwei weitere vorzugsweise unidirektionale Leitungen „Upstream" vorzusehen (siehe
die
DE 199 06 867
C1 ), mit deren Hilfe sich maximal zwei defekte/fehlende
Anschlußmodule
MS, MB überbrücken lassen,
damit das System noch funktioniert. Bei einer Lücke von mehr als zwei Anschlußmodulen
MS, MB können
dann zwar keine Daten mehr an das nachfolgende Anschlußmodul MS,
MB weitergegeben werden, so daß die
Kommunikation zwischen Gateway G und den Anschlußmodulen MS, MB nach der Lücke unterbrochen
ist. Es ist aber durchaus möglich,
ein Anschlußmodul
MS, MB herauszuziehen und auszuwechseln, ohne daß der Betrieb des Systems gestört wird.
-
Von den Anschlußmodulen MS, MB zum Gateway
G – d.h.
in Downstream-Richtung – ist
die Leitung dagegen als Linienstruktur ausgelegt. Jedes empfangene
Zeichen eines Anschlußmoduls
MS, MB löst
einen Datenverkehr zum Gateway G aus. Zudem werden über diese
Leitungen fehlerfrei spezielle Aktionen ausgelöst. Diese können sowohl vom Gateway G als
auch von den Anschlußmodulen
MS, MB initiiert werden. Damit hat diese Leitung eine bidirektionale
Funktionsweise.
-
Typischerweise wird für die Übertragung
von Zeichen eine Kodierung verwendet, welche beispielsweise aus
einer Anzahl von Steuerbits, einer Anzahl von Prüfsummenbits und einer Anzahl
von Datenbits besteht (nicht dargestellt).
-
Durch ein Startbit wird der Beginn
der Datenübertragung
gekennzeichnet. Das Selectbit signalisiert den Anschlußmodulen
MS, MB den Datenmodus. Anschließend
werden die Datenbits übertragen. Als
Sicherung werden im Anschluß an
die Datenbits jeweils die Prüfsummenbits
gesandt. Abgeschlossen wird die Übertragung
durch Stoppbits.
-
Die Buskommunikation läßt sich
beispielsweise in drei Kategorien unterteilen. Es wird z.B. unterschieden
in die Strukturerkennung – durch
die Strukturerkennung soll die Art und die Anordnung der Module
ermittelt werden – die
Prozeßdaten
und die Protokolldaten. Eine Strukturerkennung wird z.B. durch das
Ereignis BREAK ausgelöst.
Dieses Ereignis wird erst ausgelöst,
wenn ein Ruhepegel vorgegebener Zeit anliegt (prebreaktime).
-
Bei der Analyse eines Datenübertragungsablaufs
ist zu sehen, daß eine
einfache Weiterleitung durch die Downstream-Leitung verhindert wird.
Die Upstream-Leitungen sind unidirektionale Verbindungen, die problemlos
auf eine zweite Tragschiene übertragen
werden können.
-
Die Downstream-Leitung bildet dagegen eine
bidirektionale Verbindung, d.h. das Gateway als auch die Anschlußmodule übermitteln über diese
Leitung Daten. Die Realisierung der bidirektionalen Übertragung
bildet daher den Schwerpunkt des Designs einer Repeater-Elektronik
RE.
-
Diese Repeater-Elektronik RE wird
in einfacher Weise auf der letzten Basisklemme B der letzten Modulscheibe
MS6 auf der ersten Tragschiene angeordnet, d.h., die letzte Modulscheibe
weist einen vorzugsweise programmierbaren Logikbaustein (z.B. PAL
oder dergleichen) auf, welcher den Datenfluß auf der Downstreamleitung
des internen Busleiters IB bzw. zwischen den Anschlußmodulen
auf der ersten und der zweiten Tragschiene TS1, TS2 mittels eines Ansteuerns
entsprechender Treiber DRV1, DRV2 steuert.
-
Im wesentlichen gibt es hier zwei
mögliche Lösungsansätze.
-
Einerseits ist es möglich, das
elektrische Verhalten der Downstream-Leitung DN auszuwerten. Die
Daten liegen dabei für
einen bekannten und definierten Zeitraum an. Analog zur Zeitdauer
der Bitfolge kann entsprechend reagiert werden. Dies ermöglicht eine
kostengünstige
Lösung,
da durch eine einfache Logik die Downstream-Leitung DN in Richtung von
der ersten zur zweiten bzw. von der zweiten zur ersten Tragschiene
TS1, TS2 geschaltet werden kann.
-
Bei einer alternativen Lösungsmöglichkeit besteht
zusätzlich
die Möglichkeit,
die Bitfolgen an sich auszuwerten. Über die Auswertung des Selectbits
kann ermittelt werden, welcher Übertragungsmodus
aktiv ist und entsprechend reagiert werden. Eine Auswertung der
Bitfolge dient dazu einen CRC-Fehler zu erkennen und entsprechend
zu reagieren. Dies kann beispielsweise mit zwei Anschlußmodulen
mit integrierter Logik erfolgen. Diese Lösung ist jedoch aufwendiger
und kostspieliger als die erstgenannte Lösung.
-
Zur Entwicklung des geforderten Konzepts ist
die Analyse aller möglichen
Betriebsfälle
notwendig. Hieraus wird eine Strategie entwickelt, um die Downstream-Leitungen DN entsprechend
zu schalten. Die Erkennung des Betriebsfalls basiert auf der Aktivität der Up-
und/oder der Downstream-Leitungen UP/DN. Ein Wechsel zwischen den
verschiedenen Betriebsfällen
wird durch Ereignisse gesteuert, welche jeweils spezifische Längen- und
Reihenfolgen aufweisen. Damit ist es möglich, während einer Übertragung
die Schaltrichtung der Up- und/oder Downstream-Leitungen entsprechend
zu steuern.
-
Die Steuerung erfolgt über einen
Logikbaustein „Logik", welcher Datenleitungen
DN des Systems abtastet. Dieser Baustein steuert wiederum mit Hilfe
von zwei Enable-Daten
die Richtung der Downstream-Leitung und aktiviert oder sperrt einen Treiberbaustein
mit Enable-Eingang. Entsprechend wird die Übertragungsrichtung von der
Tragschiene TS1 zur Tragschiene TS2 bzw. von der Tragschiene TS2
zur Tragschiene TS1 geschaltet.
-
Eine entsprechende Schaltung ist
in 2 dargestellt. Der
Logikbaustein „Logik" ist an die Datenleitungen
UP und DN angeschlossen und tastet diese ab. In Abhängigkeit
von dieser Abtastung wird die Downstreamleitung DN über Treiberbausteine DRV1
und DRV2 geschaltet, deren Steuereingänge mit dem Logikbaustein verbunden
sind.
-
3 zeigt
ein Flußdiagramm,
welches den Aufbau der Repeater-Elektronik anhand eines Diagramms
einer Finite-State-Maschine (FSM) symbolisiert.
-
Ausgehend von einem Zustand „IDLE" (beide Treiberbausteine
DRV1 und DRV2 deaktiviert) wird, wenn bei einem Übergang 1 Daten oder ein Break
auf TS1 sensiert werden, von der Tragschiene TS1 zur Tragschiene
TS2 umgeschaltet (DRV1 = aktiviert, DRV2 = deaktiviert). Falls der Übergang
1 durch ein Break ausgelöst
wurde und das Break zuende ist, erfolgt ein Übergang zum Zustand IDLE zurück. Falls
dagegen bei einem nächsten Übergang
3 sensiert wird, dass der Datenfluß von der Tragschiene TS1 beendet
ist und nunmehr Daten von der Tragschiene TS2 anliegen, wird der
Treiberbaustein DRV1 deaktiviert und der Treiberbaustein DRV2 aktiviert.
Nachdem der Datenfluß von
der Tragschiene TS2 beendet ist (Übergang 4), erfolgt wiederum
ein Übergang
in den Zustand IDLE.
-
Bei einem Break auf der Tragschiene
TS2 wird der Treiberbaustein DRV1 deaktiviert und der Treiberbaustein
DRV2 aktiviert. Nach dem Ende des Breaks (Übergang 6) erfolgt wiederum
die Rückkehr zum
Zustand IDLE.
-
4 und 5 veranschaulichen mögliche Aufteilungen
der Elemente der Repeaterelektronik auf das letzte Anschlussmodul
MS6 der ersten Tragschiene TS1 und das erste Anschlussmodul MS7
der zweiten Tragschiene TS2. Dieser Algorithmus kann durch weitere
Bedingungen und Optionen beliebig verfeinert und spezifiziert werden.
-
Nach 4 weist
die Repeaterelektronik des letzten Anschlussmoduls MS6 der ersten
Baugruppe den in die Upstreamleitung geschalteten Logikbaustein
Logik zur Sensierung der Daten sowie den mit einem Steuereingang
an den Logikbaustein angeschlossenen Treiber DRV2 für die Downstreamleitung
auf, wogegen die ergänzende
Repeaterelektronik bzw. die Teile der Repeaterelektronik des ersten Anschlussmoduls
MS7 auf der zweiten Tragschiene TS2 einen der Downstreamleitung
zugeordneten Treiber DRV1 und ggf. einen Treiber DRV3 für die Upstreamleitung
aufweist, wobei der Treiber DRV1 über das Kabel K mit seinem
Steuereingang ebenfalls mit dem Logikbaustein Logik verbunden ist.
-
Nach 5 erfolgt
die Datenübertragung zwischen
den Repeaterelektroniken bzw. den Baugruppen durch ein anderes physikalisches
Medium oder eine andere Übertragungstechnik
als die Datenübertragung
im internen Busleiter, was durch die im Vergleich zu 4 stärkeren Linien des Kabels K symbolhaft
angedeutet wird. Denkbar sind Funk- oder IR-Übertragungstechniken, Lichtwellenleiter oder
aber andere Übertragungstechniken
wie eine differentielle Übertragung.
-
- TS1,
TS2
- Tragschiene
- G
- Gateway
- ES
- Einspeisescheibe
- MS1,...,
MB1,...
- Anschlußmodule
- B
- Basisklemme
- E
- Elektronik
- U/O
- Ein-/Ausgang
- IB
- interner
Busleiter
- DRV1/DRV2/DRV3
- Treiber
- DN
- Downstream
- UP
- Upstream
- Logik
- Logikbaustein