DE102010035102A1

DE102010035102A1 - Steuergerät für fluidische Systeme

Info

Publication number: DE102010035102A1
Application number: DE102010035102A
Authority: DE
Inventors: Volker Haaf
Original assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2010-08-23
Filing date: 2010-08-23
Publication date: 2012-04-19
Also published as: CN102419576A; US20120054483A1; US8782390B2; CN102419576B

Abstract

Vielfältige Anforderungen fluidischer Applikationen für ganz unterschiedliche Kommunikationsumgebungen werden mit einem äußerst flexibel konfigurierbaren Steuergerät für fluidische Systeme erfüllt. Kern der Lösung ist die Verwendung eines universellen Rechenmoduls als einheitliches Lagerteil, das einen programmierbaren Logikbaustein, einen Taktgenerator, einen flüchtigen schnellen Arbeitsspeicher und einen persistenten Speicher enthält und mit wenigen peripheren Komponenten auf einer Leiterplatte aufgebaut ist. Das einheitliche Rechenmodul wird per Konfigurationsdatei mit allen benötigten Hardware-Komponenten für die jeweilige Anwendung ausgestattet, einschließlich der Funktionalität für die jeweilige Kommunikationsumgebung. Darüber hinaus ist auch eine dynamische Konfiguration durch Erkennung von an der Leiterplatte angeschlossenen Kommunikationsmodulen möglich. Ebenso kann eine Rekonfiguration in Anpassung an eine geänderte Umgebung erfolgen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuergerät für fluidische Systeme. Unter der Bezeichnung ”fluidische Systeme” wird hier eine große Bandbreite von technischen Geräten und Gerätekombinationen verstanden, die mit der Steuerung, Dosierung oder Messung/Analyse von Fluiden (Flüssigkeiten und Gasen) zu tun haben, von einfachen Ventilen oder Ventilgruppen über Dosier- oder Analysegeräte bis hin zu komplexen Geräten wie Massendurchfluß-Messgeräte. Typischerweise benötigen Steuergeräte für diese Anwendungen einen Controller, eine Kommunikations-Schnittstelle zu einer übergeordneten Steuerung sowie je nach Anwendung Schnittstellen für Aktoren und/oder Sensoren. Je nach Kommunikationsumgebung werden unterschiedliche Kommunikations-Schnittstellen benötigt, z. B. Bus-Schnittstellen. Diese Steuergeräte werden für jede Anwendung mit den dafür geeigneten Standard-Bauteilen wie Mikro-Controller und Schnittstellen ausgestattet, wobei die jeweilige Anwendung die Auswahl der verwendeten Bauteile nach Leistungsfähigkeit, Kommunikationsumgebung und Kosten vorgibt. Entsprechend groß ist die Vielfalt der in fluidischen Systemen zum Einsatz kommenden Steuergeräte.
Die Erfindung ermöglicht es, die vielfältigen Anforderungen fluidischer Applikationen für ganz unterschiedliche Kommunikationsumgebungen mit einem äußerst flexibel konfigurierbaren Steuergerät für fluidische Systeme zu erfüllen. Kern der in den Patentansprüchen angegebenen erfindungsgemäßen Lösung ist die Verwendung eines universellen Rechenmoduls als einheitliches Lagerteil, das einen programmierbaren Logikbaustein, einen Taktgenerator, einen flüchtigen schnellen Arbeitsspeicher und einen persistenten Speicher enthält und mit wenigen peripheren Komponenten auf einer Leiterplatte aufgebaut ist. Ein programmierbarer Logikbaustein, der in der Folge als FPGA (Field Programmable Gate Array) bezeichnet wird, ist ein integrierter Schaltkreis der Digitaltechnik, der per Programmierung zu einer äußerst komplexen logischen Schaltung konfiguriert werden kann. Typische Bestandteile eines FPGA, die per Programmierung als Hardware verfügbar gemacht werden können, sind Logik-Basisblöcke, Prozessoren, Multiplexer, Speicher-Controller und Lookup-Tabellen, aber auch komplette Kommunikationsschnittstellen mit I/O-Ports für gängige Standards, Speicher und Hardware für die Takt-Aufbereitung. Mit der erfindungsgemäßen Architektur ist es möglich, das einheitliche Rechenmodul per Konfigurationsdatei mit allen benötigten Hardware-Komponenten für die jeweilige Anwendung auszustatten, einschließlich der Funktionalität für die jeweilige Kommunikationsumgebung. Darüber hinaus ist auch eine dynamische Konfiguration durch Erkennung von an der Leiterplatte angeschlossenen Kommunikationsmodulen möglich. Ebenso kann eine Rekonfiguration in Anpassung an eine geänderte Umgebung erfolgen. Eine solche Rekonfiguration kann manuell oder einfach durch Aufstecken eines Kommunikationsmoduls auf die Leiterplatte automatisch erfolgen. Daher kann eine bestehende Konfiguration jederzeit leicht und sogar im Feld vom Anwender an eine geänderte Kommunikationsumgebung angepasst werden. Die dafür benötigten Hardware-Komponenten sind in persistent gespeicherten Konfigurations-Dateien bereits vorkonfiguriert und müssen bei Bedarf lediglich in den FPGA geladen werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
1 ein schematisches Blockschema eines fluidischen Steuergeräts mit einem universellen Rechenmodul;
2 ein Schema zur Veranschaulichung er Anpassung des Steuergeräts an verschiedene Kommunikations-Umgebungen;
3 schematisch den Anfangszustand des Rechenmoduls beim Einschalten; und
4 den konfigurierten Zustand des Rechenmoduls.
In 1 ist eine Leiterplatte 10 eines fluidischen Steuergeräts als ”MFC-Hauptplatine” bezeichnet. Darin steht ”MFC” für Mass Flow Controller, also eine Massendurchfluß-Steuerung. Dies ist eine beispielhafte Applikation der Erfindung. Für die Einbindung in eine Kommunikations-Umgebung ist ein an die Leiterplatte 10 ansteckbares Kommunikations-Modul 20 vorgesehen. Ein Rechenmodul 30, Standard-Schnittstellenkomponenten 40 und Stromversorgungskomponenten 50 sind auf der Leiterplatte 10 aufgebaut. Zu den Standard-Schnittstellenkomponenten 40 gehören USB, Bluetooth, JTAG, und dergl. mit ggfs. erforderlicher Pegelanpassung oder Signalverstärkung sowie mit ihren Anschlüssen auf der Leiterplatte 10, die symbolisch als ”Stecker” bezeichnet sind. Diese Standard-Schnittstellenkomponenten erlauben den Anschluss externer Aktoren und/oder Sensoren, können aber auch für Wartung und Diagnose verwendet werden. Auch die Stromversorgungskomponenten 50 haben auf der Leiterplatte 10 einen als ”Stecker” bezeichneten Anschluss zur Umgebung.
Die Leiterplatte 10 hat weiterhin einen Steckplatz 60 für nach Bedarf zu bestückende Kommunikations-Module 20. Diese Kommunikations-Module 20 sind aufgebaut auf einer Steckkarte mit einem einheitlichen Steckverbinder passend zu dem Steckverbinder 60 der Leiterplatte 10 sowie mit einem durch den jeweiligen Kommunikationsstandard vorgegebenen Anschluss zur Kommunikationsumgebung, in 1 als ”Stecker” bezeichnet, obwohl es sich um einen beliebigen elektrischen, optischen oder HF-Kommunikations-Anschluss handeln kann. Konkret können auf der Steckkarte des Kommunikations-Moduls 20 eine über den Steckplatz 60 von dem Rechenmodul 30 erkennbare Codierung und ein PHY-Modul, z. B. ein Pegel-Wandler, vorgesehen sein. Einzelheiten zur universellen Verwendbarkeit der Schnittstelle zu verschiedensten Kommunikations-Modulen sind unter Bezugnahme auf die 2 weiter unten erläutert.
Auf dem sehr kompakten und als einheitliches Lagerteil konzipierten Rechenmodul 30 sind alle Komponenten vereinigt, die kurze Signallaufzeiten erfordern. Zur ”Außenumgebung” auf der Leiterplatte 10 hat das Rechenmodul 30 lediglich einfache Leiterbahnen zu den peripheren Komponenten 40, 50 und 60.
Das Rechenmodul 30 enthält einen programmierbaren Logikbaustein, nachfolgend als FPGA-Baustein 32 bezeichnet, einen persistenten Speicher 34, z. B. Flash-Speicher, einen volatilen Speicher 36, z. B. SDRAM, sowie einen Taktgeber 38. Die im Inneren des FPGA gezeigten Komponenten sind ein Applikationsprozessor 322, ein Kommunikationsprozessor 324, eine Kommunikationslogik 326 und eine Gerätelogik 328. Diese Komponenten werden bei jedem Einschalten des Systems durch einen noch zu beschreibenden Boot-Vorgang mittels einer Konfigurationsdatei innerhalb des FPGA erzeugt.
Die bisher genannten Standard-Schnittstellenkomponenten 40 sind lediglich Beispiele. Je nach Applikation werden Service- und/oder Diagnoseschnittstellen benötigt, insbesondere USB, EIA 232, Ethernet oder Bluetooth. Für den Anschluß von Sensoren und Aktoren kann eine weitere Schnittstelle vorhanden sein, insbesondere SPI, UART, 4–20 mA Ein- oder Ausgang, I²C oder 24 V-Treiber. Weiterhin kann eine Mensch/Maschine-Schnittstelle vorgesehen werden, insbesondere ein Display, Schalter, Taster, LED, Audio oder Kombination derselben.
2 veranschaulicht die Möglichkeiten der Rekonfiguration des Rechenmoduls zur Anpassung an die Kommunikationsumgebung. Es sind beispielshalber drei verschiedene Kommunikations-Module 20a für Profibus, 20b für CAN-Bus und 20c für Ethernet gezeigt. Jedes dieser Module ist auf den Steckplatz 60 der Leiterplatte 30 aufsteckbar. Die Module sind vorzugsweise zur Erkennung des jeweiligen Typs digital codiert. Beispielsweise können drei der Leiter des Steckverbinders 60 einen digitalen Code übertragen, mit dem acht (2^3) verschiedene Modultypen codiert werden können. Das Rechenmodul 30 kann beim Einschalten die jeweiligen Codes auslesen und seine Hardware entsprechend konfigurieren. Dieser Konfigurations-Vorgang kann komplett automatisch beim Anwender ablaufen oder auch – je nach Präferenz – erst nach einer herstellerseitigen Freigabe. Nachdem der Erkennungsprozess abgeschlossen und der FPGA entsprechend konfiguriert ist, kann das Steuergerät in der jeweiligen Kommunikationsumgebung betrieben werden. Neben den in 2 gezeigten Beispielen sind natürlich weitere Feldbus-Kommunikationsumgebungen möglich, insbesondere Profibus, CANopen, Profinet oder DART.
Bei jedem Einschalten hat das Rechenmodul den in 3 dargestellten Anfangszustand. Der FPGA-Baustein 32 hat eine rudimentäre Hardware-Basiskonfiguration mit einem Befehls- und Variablenspeicher 1 für die Betriebssoftware, eine CPU 2 und einen Speicherkontroller 3. Diese Komponenten befähigen das System, beim Einschalten ein Factory-Image an einer festen Adresse des persistenten Speichers 34 auszulesen und zu laden. Das Factory-Image bestimmt mit Hilfe seiner Betriebssoftware den Konfigurationsablauf in Abhängigkeit von den erkannten externen Hardware-Komponenten. Dazu wertet das Factory-Image eine im persistenten Speicher abgelegte Boot-Konfigurationsdatei aus. Die Boot-Konfigurationsdatei enthält u. a. folgende Informationen:

– Welches Application-Image soll geladen werden.
– Wie viele CPUs besitzt das Application-Image
– In welcher Reihenfolge sollen die CPUs des Application-Image gebootet werden
– Welche Software sollen die einzelnen CPUs ausführen
– An welchen Adressen befinden sich die einzelnen Images.

Anschließend überschreibt der FPGA 32 seine Anfangskonfiguration und konfiguriert sich anhand der Informationen in der Boot-Konfigurationsdatei neu zu einem Zielsystem. Bei dem in 4 gezeigten Beispiel hat das Zielsystem einen RAM 1, einen Controller 2 für den Zugriff auf den persistenten Speicher 34, eine Reset-Logik 3, eine erste CPU 4 und eine zweite CPU 5. Die erste CPU 4 lädt und verarbeitet die Software ”Bootcopier” 6, die an der Reset-Adresse der CPU 4 im persistenten Speicher 34 liegt. In einer ”Konfigurationsvorschrift” 7 im persistenten Speicher 34 wird nach einem passenden ”Softwareimage” 8 gesucht, das in einen der CPU 4 reservierten Bereich 36a des volatilen Speichers 36 geladen wird. Die CPU 4 kann nun ihre Software ausführen und weckt zuvor die zweite CPU 5 über die Reset-Logik 3. Die zweite CPU 5 liest ihr ”Softwareimage” 9 aus dem persistenten Speicher 34 und kopiert es in ihren reservierten Bereich 36b des volatilen Speichers 36. Das Zielsystem des gezeigten Beispiels ist nun fertig konfiguriert.
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform hat das Zielsystem ebenfalls zwei CPUs, von denen die erste als Applikations-Prozessor 322 und die zweite als Kommunikations-Prozessor 324 konfiguriert ist. Ferner weist das Zielsystem die Kommunikationslogik 326 passend zum erkannten Kommunikations-Modul 20 sowie die Gerätelogik 328 passend zu den benötigten Standard-Schnittstellenkomponenten 40 auf.

Claims

Steuergerät für fluidische Systeme, mit einer Leiterplatte, auf der ein Rechenmodul und zumindest ein mit diesem über Leiterbahnen verbundener peripherer Kommunikations-Anschluss angeordnet sind, wobei – das Rechenmodul die digitale Hardware des Steuergeräts implementiert; – das Rechenmodul einen programmierbaren Logikbaustein, einen Taktgenerator, einen flüchtigen schnellen Arbeitsspeicher und einen persistenten Speicher enthält; – im persistenten Speicher ein Factory-Image abgelegt ist, das der programmierbare Logikbaustein im Einschaltmoment lädt; – im persistenten Speicher eine Boot-Konfigurationsdatei abgelegt ist, die der programmierbare Logikbaustein mit dem Factory-Image ausliest und auswertet; – der programmierbare Logikbaustein anhand der ausgewerteten Boot-Konfigurationsdatei oder externer Signale seine Hardware konfiguriert und Applikationen zur Ausführung durch die Hardware in den schnellen Arbeitsspeicher lädt.
Steuergerät nach Anspruch 1, bei dem die mittels der Boot-Konfigurationsdatei konfigurierte Hardware des programmierbaren Logikbausteins einen Applikations-Prozessor, einen Kommunikations-Prozessor, eine Kommunikations-Logik und eine Gerätelogik umfasst.
Steuergerät nach Anspruch 2, bei dem der mindestens eine periphere Kommunikations-Anschluss ein Standard-Ein- und/oder Ausgabe-Anschluss einer Hardware-Schnittstelle ist, deren digitalen Teil der programmierbare Logikbaustein implementiert.
Steuergerät nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Gerätelogik den digitalen Teil einer Schnittstelle zu auf der Leiterplatte vorhandenen Anschlüssen für externe Geräte wie Aktoren und Sensoren enthält, wobei die Schnittstelle auf der Leiterplatte Steckverbinder, Signalwandler und/oder Pegelumsetzer aufweist.
Steuergerät nach einem der vorstehende Ansprüche, bei dem die Konfiguration des programmierbaren Logikbausteins in Abhängigkeit von an den Kommunikations-Anschlüssen der Leiterplatte angeschlossenen Kommunikations-Teilnehmern erfolgt.
Steuergerät nach Anspruch 5, bei dem die Leiterplatte einen Steckplatz für ein austauschbares Kommunikations-Modul aufweist und Kommunikations-Module für unterschiedliche Kommunikations-Umgebungen mit einheitlichem Steckverbinder für den Steckplatz der Leiterplatte bereitgestellt sind.
Steuergerät nach Anspruch 5 oder 6, bei dem Standard-Kommunikations-Protokolle in dem persistenten Speicher abgelegt sind und von dem programmierbaren Logikbaustein in Abhängigkeit von den angeschlossenen Teilnehmern verfügbar gemacht werden.
Steuergerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem wesentliche Inhalte im persistenten Speicher verschlüsselt gespeichert sind.
Steuergerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem als Kommunikations-Anschluss ein Feldbus, insbesondere Profibus, CANopen, Profinet oder DART vorgesehen ist.
Steuergerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem als Kommunikations-Anschluss eine Service- und/oder Diagnoseschnittstelle, insbesondere USB, EIA 232, Ethernet oder Bluetooth vorgesehen ist.
Steuergerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem als Kommunikations-Anschluss eine Sensor- und/oder Aktorschnittstelle, insbesondere SPI, UART, 4–20 mA Ein- oder Ausgang, I²C oder 24 V-Treiber vorgesehen ist.
Steuergerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem als Kommunikations-Anschluss eine Mensch/Maschine-Schnittstelle, insbesondere ein Display, Schalter, Taster, LED, Audio oder Kombination derselben vorgesehen ist.
Steuergerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Rechenmodul ein einheitliches Lagerteil für verschiedenartige Applikationen ist.
Steuergerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Leiterplatte mit je nach Applikation unterschiedlichen Schnittstellen-Komponenten sowie mit einem einheitlichen Rechenmodul bestückt ist.
Steuergerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, für eine der folgenden Applikationen: – Ventilsteuerung, – Dosierungs-Steuerung, – Analyse, – Durchfluss-Messung.