具有多個空間分布站的控制系統和在所述控制系統中傳送數據的方法

專利名稱：具有多個空間分布站的控制系統和在所述控制系統中傳送數據的方法
技術領域：
本發明涉及一種用于在具有經由通信介質相互連接的多個空間分布站 的控制系統中傳送數據的方法，所述站被邏輯上排列為一個組，該組限定
了第一站、至少一個第二站和最后一站，所述方法包括以下步驟
-所述第一站生成具有多個數據字段的數據幀，其中明確地為每個第
二站和最后一站分配用于填充傳輸數據的至少一個數據字段；
-所述第一站作為輸出數據幀將所述數據幀發送到所述組中跟在該第
一站之后的第二站；
-每個第二站從所述組中各自的前一站接收所述輸出數據幀、用傳輸
數據填充分配給它的數據字段，并且將具有所述傳輸數據的輸出數據幀發 送到所述組中的下一站；以及
-最后一站接收來自所述組中前一站的所述輸出數據幀、用最后的傳 輸數據填充分配給它的數據字段，并且作為返回數據幀將具有所有傳輸數 據的數據幀返回給所述站組。
本發明還涉及一種用于自動控制裝置或器械的控制系統，所述控制系 統包括經由通信介質相互連接的多個空間分布的站，其中，所述站被邏輯 上排列為一個組，該組限定了第一站、至少一個第二站和最后一站，以及 其中，所述站被i殳計為實現上述類型的方法。
背景技術：
從DE 199 34 514 Cl知道一種前述類型的系統和方法. DE 199 34 514 Cl定義了一種用于配置連接到現場總線的站(在該文 獻中稱為總線用戶)的方法。特別地，該文獻涉及對站的邏輯地址的故障 保護分配，其中所述站經由所謂的Interbus連接到其它總線用戶/站. Interims是特別用于裝置和器械的工業自動化的已知的指定現場總線系 統。其它已知的現場總線系統是所謂的CAN總線和所謂的Profibus,
已知的現場總線系統被用于將多個空間分布的站/總線用戶相互連接 以便它們可以互相交換信息。在該上下文中，現場總線系統特別適合于這 樣的通信需求即用作用于自動控制裝置和器械的控制系統中的通信^h質。 除最簡單和最健壯的布線可能外，這些特別包括針對數據傳輸的確定時間 響應，以及還有從許多站傳送較少量數據的能力。典型地，現場總線具有
與其連接的一個或幾個(智能)控制單元，以及還有許多遠程i/o單元， 其中所述遠程I/O單元經由傳感器從所述裝置或器械獲得狀態信號并將其 報告給所述控制單元，和/或從上級控制單元接收控制數據并根據它操作合 適的制動器(actuator)。作為例子，I/O單元可以獲得來自尤其是位置開 關、遮光板、旋轉位置轉換器(transducer)的信號，并且可以經由現場 總線將所述信號發送到上級控制單元.通常是可編程邏輯控制器(PLC) 的控制單元將這些過程變量視為確定用于制動器的控制數據的基礎，所述 制動器特別例如是電磁閥、接觸器、驅動器。I/O單元經由現場總線接收 來自上級控制器的控制數據，并且操作制動器。
在導言部分引述的Interbus以大型移位寄存器的方式操作，該大型移 位寄存器的各個存儲位置是在所連接的站中。通常物理上安排在上級控制 單元中的所謂的總線主控(bus master)生成數據幀，所述數據幀具有對 應于"移位寄存器"中的存儲位置數量的若干數據字段.這個數據幀從總 線主控發送到連成組的站，并且通過這么做被iE^t據字段地從一個站轉發 到下一個。所述組中的最后一個站將數據幀返回給總線主控，以便最終獲 得環形結構.當由總線主控生成的開始字在經過所述環形結構之后再次到 達該總線主控并且沒有任何傳輸差錯在后續校驗和計算中被識別出時，該 總線主控使用控制信號來信號通知所有被連接的站它們必須接受所述數 據，所述數據然后在它們各自的移位寄存器中用于進一步處理。另外，各 個站在總線主控^新的數據循環時，通過將存儲在它們的內部移位寄存
器中的數據發送到環形中的下一站來"清空"它們的填充有傳輸數據的移
位寄存器。Interbus的一個特征因而是循環數據幀中的數據字段的數量等 于所連接的站中存儲位置的數量。另外，通信實際上僅在每個單獨站與總 線主控之間發生。由于發送站首先將其數據發送到總線主控并且總線主控 將該數據轉發到第二數據循環中的接收站，因此不具有總線主控功能的兩 個站之間的互連業務可能僅從一個傳輸循環到下一個。Interbus概念的優 點在于確定的時間響應，即可以高度確定地預測發送一段信息所需的時間。 另外，在竟爭消息之間不會發生任何沖突。
與此相反，在例如CAN總線的所謂的面向消息的現場總線系統的情 況下，沖突基本上是可能的，這是由于各個站可以獨立地生成和發送數據 消息。在CAN總線的情況下，這種沖突借助于具有不同優先級的站而得 到解決，其中具有較高優先級的站在發生沖突的情況下維護其權力。然而，
對于具有較低優先級的站，這意P未著其至少被暫時禁止發送消息。為實現 確定的時間響應，有必要限制現場總線的最大利用級別，這是因為沖突的 概率隨總線利用級別的增長而升高。另一方面，基于CAN總線的控制系 統提供了較高級別的靈活性，這是因為互連業務在沒有總線主控插入的情
況下原則上是可能的。這特別意p木著例如緊急斷開命令的有關安全的教:據
可以被更快地發送，如果合適，甚至作為廣播電報被發送.
在指定現場總線技術之外，由于互聯網和個人計算機的聯網，基于所 謂的以太網標準的通信網絡開始被廣泛使用。在以太網中，每個用戶(每 個站)擁有單獨的稱為MAC地址的地址。原則上，任何站可以在任何時 間發送消息。每個發送站監控連接線以確定所發送的消息是否可以以未破 壞的形式被讀出，如果與同步發送的站存在沖突則將不是這種情形。在沖 突的情況下，每個站在超出隨機選擇的時間段之后再次發送其傳輸數據。 由于廣泛的使用，以太網具有相關硬件部件非常4更宜的優點。然而，它們 不具有確定的時序響應，以及此外針對由幾個連接站進行的較大量數據的 非循環傳輸而是更加優化的。通過對比，控制系統主要要求循環數據傳輸。
然而，便宜的硬件部件也意味著這些年來，對于將以太網技術用于在用于
控制技術裝置或技術器械的控制系統中在站之間進行通信已經做出了努
力。原理和相應部件的提供者在德文刊物"Industrial Ethernet"中作為例 子進行了描述，該刊物可以通過ISBN 3-8259-1925-0從97064 Wurzburg 中的Vogel國Industrie Medien GmbH und Co. KG獲得。
然而，前面提出的在自動控制系統中使用以太網部件的方法不是最優 的。特別由于傳輸與安全有關的控制數據而出現困難，例如傳輸緊急斷開 信號或傳輸由驅動器的控制單元隨后生成的關閉命令。例如，驅動器控制

發明內容
對照所述背景，本發明的目的是提供一種在導言部分提到的方法，該 方法使得數據能夠在用于自動控制裝置或器械的控制系統中以高實時要求 被傳送。本發明的另一個目的是提供一種在導言部分提到的控制系統，在 該控制系統中，控制和過程lt據可以利用特別是以太網部件的商業部件來 亂良送，然而該系統旨在實現與安全有關的控制和過程數據的傳輸。
根據本發明的一個方面，這個目的通過在導言部分提到的方法來達到， 在所述方法中，站從返回數據幀中的數據字段讀取外來的傳輸數據。
根據本發明的另一方面，提出了一種在導言部分提到的控制系統，其 中，站被設計為從返回數據幀中的數據字段讀取外來的傳輸數據，以及其
以及返回數據幀中的數據字段來讀取外來的傳輸數據。
特別優選地，如果所述站包括^Li殳計為循環處理過程數據并基于其生 成控制數據的至少一個控制單元，以及還包括被設計為將過程數據發送到 控制單元并JL^控制單元接收控制數據的多個I/0單元。然而原則上，所 述新方法還可以被用于其它控制系統和/或通信網絡。
根據另一方面，本發明提出了 一種用于之前提到的控制系統中的站的 通信才莫塊，其中所述通信模塊被設計為在站中實現本發明的方法，換句話 說即實現根據所述方法的通信協議。
本發明因此基于一種原則上從Interbus可知的概念，即具有多個數據 字段的數據幀的產生和傳輸，所述數據幀在一組站中從一個站轉發到下一 個。然而，本發明不同于已知的Interbus，因為各個站直接從返回數據幀 讀取外來的傳輸數據，而在Interbus的情況下典型地M輸出數據幀中讀 取數據。優選地，各個站M返回數據幀讀取外來的傳輸數據，并且它們 將它們自己的傳輸數據僅置于輸出數據幀中的數據字段中。然而與此背離 的是，本發明的更一般的細分還包括所述一般原理的例外。
在實際實現中，本發明根本不同于根據規范是大型"移位寄存器"形 式的Interbus.與此相反，本發明與通信^h質的物理實現無關，在下面將 進一步討論的特別優選的細分中，通信介質是與以太網兼容的傳輸鏈路， 并且數據幀是與以太網兼容的數據幀，即其基本結構適合以太網規范的數 據幀。
盡管已知的Interbus實現了用于發送數據的環形結構，其中最后一個 站將數據幀直接返回給邏輯項中的第一站，然而本發明生成"雙重線路"， 其中輸出數據幀和返回數據幀二者都經過邏輯項中的所有站。僅通過這種 方法，各個站可以將它們自己的傳輸數據填充到輸出數據幀的數據字段中 并且從返回數據幀讀取外來的傳輸數據。由于該特征，每個站在一個傳輸 循環中接收兩次循環數據幀。這使得兩個或更多任意站之間的任何互連業 務可以在一個傳輸循環中衫L推斷。本發明因此實現了滿足高實時要求的數 據通信。
本發明還實現了任意站之間的極度靈活的通信。本發明因此具有面向 消息的傳輸方法的優點，例如CAN總線或以太網連接的那些。
借助于循環數據幀和用于直接交叉通信的發明機會，本發明實現了非 常迅速和確定的通信。其因此非常適于以將在下面詳細描述的方式發送甚 至是與安全有關的控制數據。
前述目標因此完全達到.
在本發明的優選細分中，所述第一站以預定的時間間隔循環生成輸出 數據幀并將其發送到下一個第二站。
在優選的示例性實施例中，循環時間是可調整的，即傳輸兩個接連但 相互獨立的數據幀之間的時間。在一個優選示例性實施例中，循環時間可
以在各個中間步驟中在大約60 H s和大約6ms之間被調整。
該細分特別適于用于自動控制技術裝置或器械的控制系統，因為信息 通常在所述控制系統中被循環生成。特別以例如62.5ns的短循環時間， 該細分4吏得調整機器中的驅動器所需的過程和控制數據可以利用所述新方 法而,iLiL送。換句話說，該細分中的控制系統可以被集成到機器的驅動器 控制的控制回路中，這特別實現了便宜且靈活的裝置或器械的自動化。
在另一細分中，所述數據幀包含至少第一和第二組數據字段，其中對 于所有數據幀所述第 一組中的數據字段被固定分配給各個站，以及其中所 述第二組中的數據字段基于對各自數據幀的單獨請求而被分配給站。
該細分提高了通信的靈活性，并且使得控制系統可以在數據吞吐量和 傳輸^方面得到優化。所述第一組數據字段可以被用于在不需要向它們 添加地址信息的情況下發送數據。這是因為各個數據字段的固定關聯固定 地指示了地址結構。另一方面，所述第二組數據字段使得額外的傳輸容量 可以基于請求而被預留給各個站。所述第二組數據字段特別有利于發送例 如診斷數據的非循環數據。另外，所述第二組中的數據字段還可以被非常 有利地用于發送關于系統外部的可用通信介質的數據，例如從PC發送到 連接到通信網絡的打印機的打印機數據。在一個特別優選的實施例中，所 述第二組中的數據字段是利用標記來被分配的，所述標記基于每個新數據 幀而被重置為狀態"數據字段空"。想要填充所述第二組中的數據字段的 站因而需^Sl檢查所述標記，并且如果合適將其設為"已占用"。非循環 通信優選地利用已知尋址方法來#:處理，其中地址同樣在所述第二組的數 據字段中凈id送。
在另一細分中，返回數據幀以與輸出數據幀相反的順序經過站組。 可選地，返回數據幀原則上也可以以不同的順序被路由。另外，原則 上還可以同時將返回數據幀發送到多個或所有連接的站，這在例如無線鏈 路作為傳輸介質的情況下是相當可能的。相反，本細分具有管理復雜性4皮
簡化以確保無差錯通信的優點。特別地，所述優選細分中的第一站可以非 常容易地監控返回數據幀是否已到達所有連接的站。這特別對于例如緊急 斷開控制命令的與安全有關的數據的傳輸是非常重要的。
在另一細分中，所述第一站監控返回數據幀是否在預時序間段內到達。
在所述第 一站中監控返回數據幀特別有利于傳輸與安全有關的數據， 因為這使得通信鏈路的故障可以被快速檢測到。基于實時要求，第一站因 而可以或者發起重復幀或者開始差錯處理例程。
在特別優選的細分中，所述通信介質是與以太網兼容的傳輸鏈路，以 及所述數據幀是與以太網兼容的數據幀。
該細分至少一定程度上是商業可用的并且因此可以使用非常便宜的硬 件部件。另外，該細分使得非常易于將本來用于控制任務的數據傳輸鏈路
也用于其它目的，例如用于傳送與TCP/IP兼容的數據分組。因此，當在 工作間等中聯網部件時可以節約可觀的成本。本細分的一個特征尤其在于， 每個站擁有其自己的MAC地址，這原則上允許各個站之間的隨機通信。 然而結合本發明，每個站分別將至少輸出數據幀(以及優選地還有返回數 據幀)發送到正好一個準確定義的另一站。
在另一細分中，每個站利用所謂的直通(cut-through)方法將輸出數 據幀發送到所述組中的下 一站.
所述直通方法專用于與以太網兼容的傳輸炮洛，并且涉及在輸入數據 幀已被各自的站完全接收之前已經實際分析和轉發該輸入數據幀的站。該 細分減少了輸出數據楨的接收和轉發之間的延遲時間。這使得系統的循環 時間可以非常容易地最小化。
在另一細分中，每個站將輸出數據幀發送到正好一個下一站。
與此背離，原則上還可以生成分支，特別是當使用以太網部件時。然 而，所述優選細分阻止了循環的形成。另外，傳輸鏈路上的沖突,史排除， 這允許生成具有非常短的循環時間的確定時間響應。
在另一細分中，所述第一站生成多個數據幀，并且作為輸出數據幀將 它們發送到直接接連的下 一 第二站.
在該細分中，甚至其本身就;l對用于在控制系統中發送lt據的已知方 法的創造性iUL所述第一站在一個傳輸循環中生成并發送多個數據幀。 換句話說，第一輸出數據幀和直接跟隨的其它數據幀(后續幀)在循環時 間內被發送。如果要被循環發送的數據量非常大并且其次單個數據幀的長 度不能超過特定最大值，則該細分是特別有利的。當大量循環數據需要被 發送但所使用的數據幀不能超過以太網規范中定義的大約1500字節的長 度時，本細分因而是特別有利的。
在另 一細分中，數據幀中的各個數據字段可選地被至少兩個站填充以 傳輸數據。
該細分，甚至其本身就是對用于在控制系統中發送數據的已知方法的 創造性發展，實現了多路復用模式，其中各個數據字段從一個循環到下一 個由不同站來填充。然而在這種情況下，各個數據字段也被明確地分配給 所涉及的站。當具有不同重復速度的循環數據出現在控制系統中時，所述
多路復用模式是特別有利的。在這種情況下，較慢的站可以以多路復用模 式共享各個數據字段，以便總的可用傳輸容量被利用至最佳的程度。
在另一細分中，各個站用與現場總線電報兼容的傳輸數據填充數據幀 中的至少一個數據字段.如果所述傳輸數據與基于CAN總線、Profibus 和/或Devicenet的電報兼容，則其是特別優選的。
在該細分中，所述現場總線電報是利用所述新方法以"隨道化"方式 被發送的。該細分使得現有現場總線網絡及其部件可以被非常容易地集成。 與安全有關的過程和控制數據通過該方式以隧道方式被發送是特別優選 的，因為在此情況下可以針對面向安全的自動化而使用嘗試與測試以及證 明或準許部件。
在另一細分中，單獨地為所述站分配輸出數據幀中的數據字段用于以 它們自己的傳輸數據填充，以及返回數據幀中的數據字段用于讀取外來的 傳輸數據。
該細分實現了基于通信介質在任意站之間的非常靈活且快速的信息傳 輸。特別地，該細分使得站非常易于在一個傳輸循環中接收來自多個其它
站的信息或數據。為此，所迷站點僅需要單獨g返回數據幀中取特定數 據。
在另一細分中，甚至其本身就是對用于在控制系統中發送數據的已知 方法的創造性U，所述站從返回數據幀(或從各個不同的返回數據幀) 讀取外來的傳輸數據，并且重新排列它們以形成指定站的數據字。因此， 每個站包含具有數據分類器的上述類型的通信模塊，其中所述數據分類器 被設計為重新排列來自返回數據幀的外來的傳輸數據以形成指定站的數據 字。
作為替換，還可以作為例子實際上關于發送器或關于以適合于接收器 的方式的傳輸來編譯外來的傳輸數據。相反，所述優選的細分具有較高級 別的靈活性，因為每個接收站可以基于個體來編譯與其相關的外來的傳輸 數據以便該接收站中后續數據處理可以以最優方式被執行。特別地，傳輸 數據可以在不同的指定站的組合中以不同方式被編譯多次。該上下文中的
特定優選在于指定接收器的數據分類是否發生在通信模塊中，即在osi參
考模型的非常低的級別上，這是因為接收站上的較高應用可以非常快速且
便利地處理重新排列的數據。這實現了大范圍的互^Mt性。另外，該細分 特別利于結合后續幀的使用和/或上述多路復用模式的使用，這是因為基于 多個返回數據幀的傳輸數據的編譯被大大簡化。
在另 一細分中，所述第一站生成具有多個狀態字段的每個輸出教:據幀， 其中為每個第二站分配至少一個狀態字段，以及其中每個第二站在每次輸 出數據幀經過時改變其狀態字段。
這種狀態字段可以被用于非常容易地實現壽命監控。每個站基于所述 經過而改變其狀態字段這一事實意味著，第一站可以檢查最初出現的第二 站在每個循環的末尾是否仍然出現并且激活.當所述新方法旨在被用于發 送與安全有關的過程和控制數據時，該細分是特別有利的，這是因為與安 全有關的站的故障是安全關鍵狀態，并且合適的差錯消息或差錯處理例程 需要,皮啟動。
不言而喻，在不脫離本發明范圍的情況下，上面已描述的以及下面的
將要描述的特征不僅可以以各個指出的組合被使用，還可以以其它組合或 其本身而被使用<


本發明的示例性實施例在附圖中示出，并且在下面的描述中被詳細說
明。其中
圖l示意地示出了本新穎控制系統的示例性實施例； 圖2示意地示出了本新穎控制系統的另一示例性實施例； 圖3示出了用于說明本新穎方法的示意圖4示出了時序圖，其示出了本新穎控制系統或本新穎方法的名 種示 例性實施例的各種操作模式；
圖5示出了在本新穎方法的一個示例性實施例中衫L相繼發送的多個以 太網電才艮；
圖6示出了在本新穎方法的另一示例性實施例中祐j目繼發送的多個以 太網電凈艮；
圖7示意地示出了來自本新穎控制系統的站；以及 圖8示意地示出了優選的示例性實施例，其中數據在從返回數據幀中 被讀取時被重新排列。
具體實施例方式
在圖1中，本新穎控制系統的示例性實施例整體標記為10.
控制系統10包括例如這里稱作PLC可編程邏輯控制器形式的控制單 元12。可選地，它還可以是不同的控制單元，例如工業PC.控制單元12 在應用層承擔對例如生產或傳送裝置的技術裝置(這里未詳細示出)的控 制。在這點上，它處理利用傳感器捕獲的來自所述裝置的過程或狀態數據， 并且生成被用于^作制動器的控制lt據.為與傳感器和制動器通信，控制 單元12使用以下面描述的方式實現本新穎方法的示例性實施例的通信網 絡。
為與本地傳感器和制動器通信，控制單元12在此情況下具有所謂的總 線管理器14，其在本發明的上下文中是第一站。在本發明的其它示例性實 施例中，所述總線管理器可以與控制單元12分離地實現。控制單元12在 此情況下可以包含通信模塊，該通信模塊就本發明來說作為第二站將其連 接到通信網絡。
控制系統10還包括多個站16、 18、 20、 22、 24，其中站16-22就本 發明來說是第二站，而該示例性實施例中的站24就本發明來說是最后一 站。在所示的實施例中，站1624每個都是被設計為從傳感器獲得輸入信號 并向制動器輸出控制信號的I/O單元。
總線管理器14 (以及因此控制單元12 )借助于通信介質26連接到站 16至24。在這種情況下，通信介質26包含這里作為一個可能實現的例子 而顯示的開關28。特別地，總線管理器14在這種情況下借助于以太網電 纜而連接到開關28的一個連接。開關28的第二連掩睹助于另一以太網電 纜而連接到站16的第一連接。站16的第二連接借助于另一個以太網電纜 而連接到站18的第一連接。最后，站18借助于第二連接和另一以太網電 纜而連接到站20。總線管理器14、開關28以及站16 - 20因而物理上4皮排 列成一組，其中每個站都借助于點到點連接而連接到其在該組中的鄰居。
在該示例性實施例中，開關28還借助于第三連接和另一以太網電纜而 連接到站22，以及借助于笫四連接和另一以太網電纜而連接到站24。該示 例性實施例中的控制系統10中的通信網絡因而具有包括串行拓樸和星型 拓樸的混合形式。然而邏輯上，所有站16-24和總線管理器14如下面更 詳細描述的那樣被排列成一組。
在該簡化的示例性實施例中，站16具有與其連接的保護門30。這涉 及可用于監視保護門的打開和關閉狀態的傳感器。類似地，站18具有與其 連接的緊急斷開開關32，以及站22具有與其連接的光柵34.上述三個傳 感器30、 32、 34是用于保護自動運轉裝置的傳感器的典型示例。不言而喻, 本發明不限于這種安全傳感器的使用，即站16-20同樣可以也具有與其連 接的用于標準控制任務的傳感器。
在這種情況下，站22和24作為例子而具有電磁閥36、 38和與其連接 的驅動器40。這些是用于自動控制裝置中的典型制動器，盡管本發明不限 于這些制動器。
在該示例性實施例中，各個站和總線管理器與開關之間的連接是借助 于CAT5以太網電纜來實現的。因此，站、總線管理器和開關的各個連接 42是以RJ45連接42的形式的。然而，在本發明的其它示例性實施例中， 還可以使用例如玻璃纖維光纜或無線鏈路(例如WLAN)的其它線路。
根據本新穎方法，總線管理器14以規則的時間間隔生成總線電才艮44， 所述總線電報包含具有多個數據字段(在這種情況下未分離示出)的數據 幀46。在圖l的示例性實施例中，總線電報44是具有在開端處的以太網 報頭和結尾校驗和的與以太網兼容的電報。由以太網電報提供的數據區域 是數據幀46。
總線管理器14將總線電報44發送到在所述邏輯組中跟在其后的站 16。在這種情況下，其使用其MAC地址以根據以太網已知的方式尋址站 16。站16接收該總線電報44，以下面描述的方式用傳輸數據填充分配給 它的lt據字段，并且將具有新的與以太網兼容的總線電才艮(這里未示出) 的數據幀46發送到下一站18。在該上下文中，站16還使用其MAC地址 尋址站18,以相同的方式，站18將數據幀發送到站20。接下來，站20 將數據幀發送到站22.從那里，數據幀被轉發到站24，并且然后數據幀 46以相反順序穿過站22至16并且最后達到總線主控14。在該上下文中， 數據幀46是利用目的站的各自MAC地址從一個站被轉發到下一個。開關 28是透明的，即，盡管其物理上呈現出在不需要在過程中改變數據幀46 的情況下將數據幀46僅從各自發送站路由到所尋址的接收站。
圖2示出了在其中通信網絡的物理拓樸還對應于所述邏輯組的簡化實 施例中數據幀46從一個站到下一個以;5L良向的轉發，在這種情況下，相同 的參考標記表示與之前相同的單元。
數據幀46首先由總線管理器14發送到站16，總線管理器14使用其 MAC地址尋址站16。站16用傳輸數據填充數據幀46中分配給它的數據
字段，并且將包含新傳輸數據的數據幀46，發送到站18。站18將其傳輸數 據置于分配給它的數據字段中，并且將包含來自站16和站18的傳輸lt據 的數據幀46"發送到站20。站20用其傳輸數據填充分配給它的數據字段， 并且將包含所有傳輸數據的數據幀46"，返回到站18。在返回路徑上，數據 幀46"，經過所有站直到其到達總線管理器14。包括所述總線管理器的每個 站因而可以在其被適當配置的情況下讀取來自其它站的外來傳輸數據。
關于各個站16至22被允許以其自己的傳輸數據填充哪些數據字段、 以及站16至20和總線管理器14被允許讀取哪些包含外來傳輸數據的數據 字段的分配，在控制模式被開始之前以配置模式被單獨設定，這由方框箭 頭48示意地示出。
圖3示出了數據幀46的循環流通以及示意圖中各個數據字段的填充和 讀取。數據幀46在這種情況下被示為具有不同大小的八個數據字段50的 圓環段。這八個站中的每個在這種情況下已被分配有專用于填充以傳輸數 據的數據字段50。作為例子，站18以傳輸數據填充數據字段2，站20填 充數據字段3，以及站22填充數據字段4。當所述站已從前一站接收到數 據幀46時，以及在所述站將數據幀46轉發到下一站之前或之時，數據字 段50被分別填充以傳輸數據。數據幀46的所述接收和轉發用箭頭52顯示。
當被填充以所有傳輸數據的數據幀46以相反方向從最后一站24被返 回時(箭頭54)，各個站可以從其它數據字段讀取外來的傳輸數據。作為 例子，圖3示出了站18從數據字段1讀取傳輸數據，即來自站16的傳輸 數據。在這種情況下，站20從數據字段2和5讀取傳輸數據，以及站22 從數據字段7讀取傳輸數據。當數據幀46已從總線管理器14向最后一站 24被發送了一次并且再次返回時，所有相關站有機會發送它們自己的傳輸 數據并且讀取外來的傳輸數據。
圖4示出了在本發明的各個示例性實施例中用于發送數據幀46的時 序。標號60顯示了數據幀46的(更確切地說是包含數據幀46的總線電報 44的)長度。標號62表示循環時間，即兩個接連^f目互獨立的數據幀46 被生成之間的時間。
圖4A示出了其中在每個循環時間62中正好一個數據幀46被生成并 被發送的時序圖。在本發明的優選示例性實施例中，數據幀46必須在循環 時間62內返回到總線管理器14，以便如果合適則總線管理器14可以在下 一循環時間62中發送重復幀。該優選實施例具有各個站之間的鏈路總是僅 承載一個總線電報44這一優點，這避免了以太網典型的沖突。然而可選地， 甚至在第一數據幀46a再次到達總線管理器14之前，基本上也可以發送第 二數據幀46b'
圖4B示出了其中在每個循環時間62中總線管理器14生成并發送兩 個直接接連的數據幀46、 64的示例性實施例。各自的第二數據幀64被指 定為后續幀，其利用分離的總線電報而凈iLl送。然而邏輯上，兩個數據幀 46、 64屬于一個整體，即拆分成兩個分離幀46、 64在這種情況下僅為了 觀測以太網規范的電報寬度，即使以太網電報中提供的數據字數量(典型 為1500字節)不足以提供所有連接的站所需的數據字段。
圖4C示出了其中各個數據字段50以多路復用模式被使用的示例性實 施例。在第一傳輸循環中，數據字段50a例如由站18填充以傳輸數據。在 下一傳輸循環中，同一數據字段(現在表示為50b)由站20填充以傳輸數 據。在第三傳輸循環中，站18再次填充數據字段50a等。同時，數據幀 46中的其它數據字段可以被單獨分配給其它站，如已提到的，多路復用模 式可以被用于使得各個站能夠具有以比其它站短的連續時間的傳輸循環.
圖4D示出了同時利用4B中所示的后續幀和4C中所示的多路復用模 式的示例性實施例。優選地，多路復用模式中的數據字段在這種情況下僅 在后續幀64中仗良送。
圖5示出了其中各個以太網總線電報44a、 44b和44c利用通信介質 26來仗良送的本新穎方法的示例性實施例。如已知的，每個以太網總線電 報具有以太網報頭70和校驗和72。以太網報頭70尤其包含專用于與以太 網兼容的通信介質的發送方和接收方的MAC地址，以太網電報的數據區 域包括分別關聯于各個站的數據字段50。數據字段50在圖5中未分離示 出而用術語"循環"表示，這是因為分別分配的數據字段優選地用于每第
n個總線電報中的數據的循環傳輸，其中11=1，2，3...。另外，總線電報44 在這種情況下在其數據區域中包含非循環數據區域74。當請求時，各個站 可以用傳輸數據填充非循環數據區域。如果非循環數據區域74已被站填充 以傳輸數據，則這借助于占用標記(未示出)來信號通知，該占用標記例 如可以在非循環區域的開始部分來提供。想要在非循環數據區域74中發送 數據的站因而可以僅當非循環數據區域74還未被前一站填充時完成所述 操作。這可以容易地從占用標記(未示出)來識別。
在特定優選實施例中，兩個這種以太網總線電報44a、 44c可以具有在 它們之間,皮傳送的另一以太網總線電才艮44b，所述另一電報44b例如觀測 基于TCP/IP的協議結構。這樣，除用于控制系統10的控制數據外，其它 數據可以也^C送。作為例子，連接到通信介質26的PC因而可以將打印 機數據發送到同樣連接到通信介質的打印機，這些數據能夠完全獨立于控 制數據。
圖6示出了針對控制數據和其它數據如何經由通信介質26 —起被發送 的另一示例性實施例。與圖5所示的實施例不同，與TCP/IP兼容的數據 在這種情況下在每個總線電報44a、 44b、 44c的非循環數據區域74中M 送。如果系統的循環時間不允許傳統以太網電報的分離傳輸或僅以增長的 沖突風險允許它，則該可選項是特別優選的。然而在本發明的優選實施例 中，用于控制數據的循環傳輸的數據字段50總是預留給數據字段50被分 別分配到的各個站。
根據另一示例性實施例，圖5和6中所示的總線電報44還包含另一數 據區域76,該數據區域76被用于發送與傳統現場總線電報兼容的電報數 據。在一個特定優選實施例中，數據區域76被用于發送基于稱為Safety BUS p的規范的傳輸數據。這是基于CAN總線的特定總線系統(與CAN 兼容)，其中額外的協議層允許安全相關控制數據被發送。在特定優選實 施例中，數據字段50被用于發送用于標準控制任務的控制數據，數據區域 74被用于發送與Safety BUS p兼容的與安全相關的控制數據，例如來自安 全傳感器30、 32、 34的狀態信息和用于制動器36到40的停止命令，以及
圖7是用于示出例如站16的各個站的結構設計的簡化框圖。標號80 表示代表站16的應用層的微控制器。該微控制器實現了控制系統10中的 站16的功能，即在這種情況下是I/0單元的功能。取代微控制器，還可以 使用指定應用的任務的另一部件，例如PC或指定應用的IC (ASIC)。
應用80與通信模塊82通信，通信模塊82被二沒計為基于本發明方法來 實現通信協議。在優選實施例中，其中通信介質26是與以太網兼容的傳輸 鏈路，通信模塊82借助于兩個連接84、 86而連接到各自的協議塊88、 90。 協議塊88、 90被路由到RJ45連接42，并生成基于本發明的數據幀46被 嵌入到其中的與以太網兼容的總線電才艮44。數據幀46和數據區域74、 76 (如果被使用)由通信模塊82生成。另外，每個站16包含特別存儲了配 置數據的存儲器92,所述配置數據被用于向每個站分配用于寫或讀其自己 的或外來的傳輸數據的數據字段50。振蕩器94生成基準時鐘。
在圖7所示的示例性實施例中，通信模塊82是以ASIC形式的，其特 別優選地用于例如62.5 ns或125 ns的較短循環時間。可選地，通信模塊 82還可以以軟件塊的形式，該軟件塊是在合適的硬件平臺上被執行的。后 者特別優選地用于例如lms或5ms的較長循環時間。
圖8是優選實施例的示意圖，其中來自兩個接連的返回數據幀46、 64 的傳輸數據在讀取時被重新排列或重新編譯，以便它們可以以對于應用 100為最優的方式被處理。所讀取的傳輸數據在數據分類器102中被編譯 以形成應用IOO所訪問的新的數據字或數據幀104。為此，所述數據分類 器使用分類表106，當系統被初始化時由總線管理器14將該分類表分配給 該lt據分類器。如由各個不同的圖案所示，數據分類器102可以從接連的 返回數據幀46、 64讀取各個傳輸數據，并且可以將其編譯到新數據字104 中，該新數據字實現了與后續幀的特別有利的操作。另夕卜，數據分類器102 還可以在每種情況下正確地關聯可選地以多路復用模式被填充的數據字 段。為此，它使用數據幀計數器(FC)和循環計數器(這里未示出)。前 者計數或標識傳輸循環內的接連的后續幀，而后者區分來自不同傳輸循環
的數據幀。
已參考與以太網兼容的通信介質說明了本發明的優選實施例。這是特 別優選的，因為以太網是廣泛使用的通信平臺，并且所需的硬件和軟件部 件因而是以低成本商業上可用的。然而作為上述可選項，本發明原則上還 可以基于其它通信介質來實現。
權利要求
1.一種用于在包括經由通信介質(26)相互連接的多個空間分布的站(14-24)的控制系統(10)中傳送數據的方法，所述站(14-24)被邏輯上排列成一組，所述組限定了第一站(14)、至少一個第二站(16-22)和最后一站(24)，所述方法包括以下步驟-所述第一站(14)生成具有多個數據字段(50)的數據幀(46)，其中為每個第二站(16-22；16-18)和所述最后一站(24；20)明確分配至少一個數據字段(50)用于填充以傳輸數據，-所述第一站(14)將所述數據幀(46)作為輸出數據幀(46’，46”)發送到在所述組中跟在所述第一站(14)之后的第二站(16)，-每個第二站(16-22；16-18)從所述組中各自的前一站接收所述輸出數據幀(46’，46”)、用傳輸數據填充分配給它的數據字段(50)，并且將具有所述傳輸數據的輸出數據幀(46’，46”)發送到所述組中的下一站，以及-所述最后一站(24；20)從所述組中的前一站接收所述輸出數據幀(46”)、用最后的傳輸數據填充分配給它的數據字段(50)，并且將具有所有傳輸數據的數據幀作為返回數據幀(46)返回給所述站組，其特征在于，所述站(14-24)從所述返回數據幀(46)的數據字段(50)讀取外來的傳輸數據。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一站(14)以 預定的時間間隔(62)循環生成所述輸出數據幀(46),并且將其發送到 下一個笫二站(16)。
3. 根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述數據幀(46) 包含至少第一和第二數據字段組(50， 74)，其中對于所有所述數據幀(46 ) 所述第一組中的數據字段(50)被固定分配給各個站(14-24),以及其 中所述第二組中的數據字段(74)關于對各自數據幀(46)的單獨請求而 4皮分配給所述站(14 - 24),
4. 根據權利要求1到3之一所述的方法，其特征在于，所述返回數 據幀(46，)以與所述輸出數據幀(46，， 46")相反的順序經過所述站組(14 -24)。
5. 根據權利要求1到4之一所述的方法，其特征在于，所述第 一站 (14)監控所述返回數據幀(46，，，)是否在限定的時期內到達.
6. 根據權利要求1到5之一所述的方法，其特征在于，所述通信介 質(26)是與以太網兼容的傳輸鏈路，以及所述數據幀(46)是與以太網 兼容的數據幀。
7. 根據權利要求1到6之一所述的方法，其特征在于，至少每個第 二站(16-22)利用直通方法將所述輸出數據幀(46)發送到所述組中的 下一站。
8. 根據權利要求1到7之一所述的方法，其特征在于，每個站(14 -24)將所述輸出數據幀(46)發送到正好一個下一站。
9. 根據權利要求1到8之一所述的方法，其特征在于，所述第 一站 (14)生成多個數據幀(46， 64)，并且將它們作為輸出數據幀發送到直接接連的下一第二站(16)。
10. 根據權利要求1到9之一所述的方法，其特征在于，各個數據字 段(50a， 50b)可選地由至少兩個站填充以傳輸數據。
11. 根據權利要求1到10之一所述的方法，其特征在于，各個站(14 - 24)用與現場總線電報兼容的傳輸數據填充所述數據幀中的至少一個數 據字段(76)。
12. 根據權利要求1到11之一所述的方法，其特征在于，為所述站 (14-24)分別分配(48)所述輸出數據幀(46，， 46")中的數據字段用于填充以它們自己的傳輸數據，以及所述返回數據幀(46，，，)中的數據字 段用于讀取外來的傳輸數據。
13. 根據權利要求1到12之一所述的方法，其特征在于，所述站(14 -24)從所述返回數據幀(46，，，)讀取外來的傳輸數據，并且重新排列它 們以形成指定站的數據字。
14. 根據權利要求1到13之一所述的方法，其特征在于，所述第一 站(14)生成具有多個狀態字段的每個輸出數據幀(46)，其中，為每個 第二站(16-22)分配至少一個狀態字段，以及其中，每個第二站(16-22)在所述輸出數據幀(46)經過時改變其狀態字段。
15. —種用于自動控制裝置或器械的控制系統，其包括經由通信介質 (26)相互連接的多個空間分布的站(14-24),其中所述站(14-24)被邏輯上排列成一組，該組限定了第一站(14)、至少一個第二站(16-22)和最后一站(24)，其中，所述第一站(14)被設計為生成具有多個數據字段(50)的數 據幀U6)，其中為每個第二站(16-22; 16 - 18)和所述最后一站(24; 20)明確分配至少一個數據字段(50)用于填充以傳輸數據，其中，所述第一站(14)被進一步設計為作為輸出數據幀(46，， 46") 而將所述數據幀(46)發送到所述組中跟在所述第一站(14)之后的第二 站(16)，其中，每個第二站(16-22; 16-18)被設計為從所述組中各自的前 一站接收所述輸出數據幀(46，， 46")、用傳輸數據填充分配給它的數據 字段(50),以及將具有所述傳輸數據的輸出數據幀(46，， 46")發送到 所述組中的下一站，以及其中，所述最后一站(24; 20)被設計為從所述組中的前一站接收所 述輸出數據幀(46，， 46")、用最后的傳輸數據填充分配給它的數據字段， 以及作為返回數據幀(46，)將具有所有所述傳輸數據的數據幀返回給所述 站組，其特征在于，所述站(14-24)被設計為從所述返回數據幀(46，)中 的數據字段(50)讀取外來的傳輸數據。
16. 根據權利要求15所述的控制系統，其特征在于，所述站包括被 設計為循環處理過程數據并基于其生成控制數據的至少一個控制單元(12)，并且還包括被設計為將過程數據發送到所述控制單元(12)以及從 所述控制單元(12)接收控制數據的多個I/0單元(14-24)。
17. —種用于根據權利要求15或16所述的控制系統中的站的通信模 塊(82)，其中，所ilit信模塊(82)被設計為接收輸出數據幀(46，， 46") 并用傳輸數據填充它，并且從返回lt據幀(46，，，)讀取傳輸數據并轉發該 返回數據幀(46，")。
18. —種用于根據權利要求15或16所述的控制系統中的站的通信模 塊(82 )，其中，所述通信模塊(82 )被設計為生成輸出數據幀(46，， 46") 并將它發送到下一站(16)。
全文摘要
本發明涉及一種用于在控制系統中傳送數據的方法，其中，第一站(14)生成具有多個數據字段的數據幀(46)。要被填充以傳輸數據的至少一個數據字段被明確分配給每個另一站(16-20)。數據幀(46)作為輸出數據幀(46’，46”)從一個站被傳送到下一個，其中每個站用傳輸數據填充被分別分配的數據字段。最后一站(20)作為返回數據幀(46’)將數據幀返回給站組。根據本發明的一方面，所述站(14-20)從返回數據幀(46’)中的數據字段讀取外來的傳輸數據，優選地各個數據字段被分別分配給所述站(14-20)。
文檔編號G05B19/042GK101111807SQ200580047658
公開日2008年1月23日 申請日期2005年12月21日 優先權日2004年12月24日
發明者H·施文克爾, K·烏哈斯, M·霍扎普費爾, R·斯派爾, R·魯普 申請人:皮爾茨公司