DE4204383A1 - Distributed controlled data communication system for industrial automation - has network with mixed structure with processor modules interconnected via bus simplifying local configuration needs - Google Patents

Distributed controlled data communication system for industrial automation - has network with mixed structure with processor modules interconnected via bus simplifying local configuration needs

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DE4204383A1
DE4204383A1 DE19924204383 DE4204383A DE4204383A1 DE 4204383 A1 DE4204383 A1 DE 4204383A1 DE 19924204383 DE19924204383 DE 19924204383 DE 4204383 A DE4204383 A DE 4204383A DE 4204383 A1 DE4204383 A1 DE 4204383A1
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Abstract

The reliable data communication system for use in real time automation systems in industry has a modular structure based upon standardised components. The network is flexible and has a mixed structure enabling ease configuring to meet specific requirements. The system uses processor modules that forms nodes and can be locked with different operating software. Each process has a microcontroller together with a range of memories. Multiple I/O parts are provided. USE/ADVANTAGE - For real time automation system. High reliability. Flexibility in configuration.

Description

1.1 Beschreibung1.1 Description

Dezentral gesteuertes, hochzuverlässiges Datentransportsystem, insbesondere zur Anwendung in der industriellen Automatisierungstechnik.Decentralized, highly reliable data transport system, especially for use in industrial automation technology.

Es ist bekannt, daß die heute in der industriellen Automatisierungstechnik eingesetzten Datentransportsysteme (Feldbussysteme) hohe Zuverlässigkeitsanforderungen nur dann erfüllen können, wenn bidirektionale Ringstrukturen zur Anwendung kommen /KRGI90/.It is known that today in industrial automation technology used data transport systems (fieldbus systems) only meet high reliability requirements can, if bidirectional ring structures are used / KRGI90 /.

Mit der zunehmenden Komplexität technischer Anlagen, der damit immer größeren räumlichen Ausdehnung und der steigenden Anzahl der vom Automatisierungssystem zu steuernden Sensoren/Aktoren kann ein einzelnes, ringförmig strukturiertes Datentransportsystem den Anforderungen nicht mehr gerecht werden. Flächendeckende Strukturen, die zudem noch Echtzeiteigenschaften erfüllen, sind heute nur durch hierarchisch organisierte Systeme aus gekoppelten Ringstrukturen aufzubauen (Bild 1.1).With the increasing complexity of technical systems, the ever greater spatial expansion and the increasing number of sensors / actuators to be controlled by the automation system, a single, ring-shaped data transport system can no longer meet the requirements. Comprehensive structures that also have real-time properties can only be built up today using hierarchically organized systems from coupled ring structures ( Figure 1.1).

Damit enstehen Datentransportsysteme, die zwar insgesamt hohe Zuverlässigkeitsanforderungen erfüllen, aber durch die komplizierte flächendeckende Struktur und die daraus resultierende hohe Anzahl von Komponenten im System schnell sehr hohe Kosten entstehen lassen und damit unwirtschaftlich werden.This creates data transport systems that are overall high Reliability requirements, but due to the complicated nationwide structure and the resulting high number of components in the system quickly very high costs let arise and thus become uneconomical.

Vorausgesetzt, daß die vom Automatisierungssystem zu erfüllenden Zuverlässigkeitsanforderungen lokal unterschiedlich sind und Echtzeiteigenschaften nur für bestimmte Teilsysteme gefordert werden, kann hier nur ein Datentransportsystem mit einer flexibel anpaßbaren Struktur besonders bei großen technischen Anlagen einen wirtschaftlichen Ansatz ermöglichen.Provided that those to be fulfilled by the automation system Reliability requirements vary locally and Real-time properties only required for certain subsystems only a data transport system with one flexibly adaptable structure especially with large technical Enable investments to be economical.

Der im Anspruch angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein flexibel unterschiedlichen Anforderungen im Bereich der Zuverlässigkeit und Übertragungsgeschwindigkeit (Echtzeiteigenschaften) anpaßbares Datentransportsystem als Grundlage für ein industrielles Automatisierungssystem zu entwerfen.The invention specified in the claim is based on the problem a flexibly different requirements in the area reliability and transmission speed (real-time properties) customizable data transport system as the basis for to design an industrial automation system.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß statt einer komplizierten, aus vielen Komponenten bestehenden flächendeckenden Struktur aus starr gekoppelten Ringsystemen jetzt eine im Vergleich einfache, flexibel anpaßbare Struktur realisiert wird, innerhalb derer die tatsächlich in der technischen Anlage bestehenden Anforderungen im bezug auf Zuverlässigkeit und Übertragungsgeschwindigkeit durch spezielle Teilstrukturen erfüllt werden.The advantages achieved with the invention are in particular in that instead of a complicated one, made up of many components existing area-wide structure of rigidly coupled Ring systems now a comparatively simple, flexibly adaptable Structure is realized within which the actually existing requirements in the technical system with regard to Reliability and transmission speed through special Substructures are met.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß damit gelöst, daß für die Verbindungsstruktur des Datentransportsystems insgesamt eine teilweise vermaschte Struktur zugelassen wird. Die Teilnehmer dieses Datentransportsystems, ausgeführt als intelligente Funktionseinheiten (Verarbeitungsknoten) mit jeweils bis zu vier unabhängigen Anschlüssen für Übertragungsleitungen, ermöglichen den Aufbau von genau den Anforderungen im Bereich der Zuverlässigkeit und der Übertragungsgeschwindigkeit entsprechenden Teilstrukturen.This object is achieved in that for the connection structure of the data transport system as a whole meshed structure is permitted. The participants of this Data transport system, designed as intelligent functional units (Processing nodes) each with up to four independent  Connections for transmission lines enable the construction of exactly the requirements in the area of reliability and substructures corresponding to the transmission speed.

Als Teilstrukturen des Datentransportsystems sind zugelassen:The following are permitted as substructures of the data transport system:

  • - Punkt-zu-Punkt-Verbindungen einzelner Teilnehmer,- point-to-point connections of individual participants,
  • - bus- und baumförmige Strukturen,- bus and tree-shaped structures,
  • - uni- und bidirektionale Ringstrukturen,unidirectional and bidirectional ring structures,
  • - Kombinationen aus allen genannten Strukturen, ergänzt durch zusätzliche redundante Übertragungsleitungen.- Combinations of all the structures mentioned, supplemented by additional redundant transmission lines.

Die Komplexität dieser Teilstrukturen ist begrenzt durch die Anzahl der je Teilnehmer zur Verfügung gestellten Anschlüsse für Übertragungsleitungen. Jeder Verarbeitungsknoten kann über mindestens eine und maximal vier Leitungen Daten mit anderen Teilnehmern austauschen.The complexity of these substructures is limited by the number of the connections provided for each participant for Transmission lines. Each processing node can have at least one and a maximum of four lines of data with other participants change.

Alle Teilstrukturen bilden dann insgesamt das Datentransportsystem.All substructures then form the data transport system.

Damit sind erstmals auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten flächendeckende Datentransportsysteme zu realisieren, die lokal begrenzt mindestens die gleichen Zuverlässigkeits- und Echtzeitanforderungen erfüllen wie eine insgesamt bidirektionale Ringstruktur (Bild 1.1).For the first time, comprehensive data transport systems can be realized from an economic point of view, which locally meet at least the same reliability and real-time requirements as an overall bidirectional ring structure ( Figure 1.1).

Die tatsächliche Verbindungsstruktur kann in Abhängigkeit von den tatsächlichen Anforderungen variiert werden:The actual connection structure may vary depending on the actual requirements can be varied:

  • - Sind für den Datenaustausch zwischen zwei Funktionseinheiten hohe Zuverlässigkeitsanforderungen zu erfüllen, werden redundante Strukturen vorgesehen.- Are for data exchange between two functional units to meet high reliability requirements redundant structures provided.
  • - Echtzeiteigenschaften werden durch direkte Verbindungen oder durch parallele Übertragungswege, auf die das Datenaufkommen verteilt wird, realisiert. Redundante Verbindungen werden im störungsfreien Fall ebenfalls zur Datenübertragung genutzt.- Real time properties are through direct connections or through parallel transmission paths on which the data volume is distributed, realized. Redundant connections are made in the trouble-free case also used for data transmission.

Als Übertragungsmedium kommt ein Lichtwellenleiter (LWL) zur Anwendung. Ausgehend von den in der Feldebene regelmäßig geringen Entfernungen (100 m) können vorzugsweise Kunststoff-LWL eingesetzt werden.An optical fiber (LWL) is used as the transmission medium. Starting from the regularly low number at the field level Distances (100 m) can preferably be used with plastic fiber optic cables will.

Sind alle an das Automatisierungssystem gestellten Anforderungen bekannt, so werden Teilstrukturen mit rechnergestützten Verfahren optimiert. Ausreichend leistungsfähige Verarbeitungsknoten vorausgesetzt, kann die im Datentransportsystem verteilte Intelligenz auch eine dynamische, auf Störungen und Ausfälle von Teilsystem reagierende Optimierung gewährleisten.Are all the requirements placed on the automation system known, so substructures with computer-aided methods optimized. Sufficiently powerful processing nodes provided that the intelligence distributed in the data transport system also a dynamic, based on failures and failures Ensure subsystem responsive optimization.

Den Kern des Datentransportsystem bilden intelligente Verarbeitungsknoten, die im Rahmen des Automatisierungssystems Daten von Sensoren erfassen und Aktoren steuern bzw. die Schnittstelle zu industriellen Feldbussystemen bilden:At the core of the data transport system are intelligent processing nodes,  the data from the automation system Detect sensors and control actuators or the interface industrial fieldbus systems:

Jeder Verarbeitungsknoten wird aus standardisierten Komponenten, die insgesamt eine sich gegenseitig überwachende Mehrrechnerstruktur bilden, aufgebaut. Jeder Rechner ist ein um einen leistungsfähigen Mikrocontrollerbaustein aufgebautes, allein lauffähiges Minimalsystem, das über genau eine Schnittstelle zum Datentransportsystem verfügt. Dieser Rechner, im folgenden als Prozessormodul bezeichnet, stellt den in hoher Stückzahl benötigten Standardbaustein bekannter Zuverlässigkeit dar, der die Grundlage für die Zuverlässigkeitsberechnung der Teilstrukturen bildet.Each processing node is made up of standardized components, the overall a mutually monitoring multi-computer structure form, built. Every computer is a powerful one Microcontroller module constructed, only executable Minimal system that uses exactly one interface to the Data transport system has. This calculator, hereinafter referred to as Processor module called, provides the required in large numbers Standard building block of known reliability that the Basis for the reliability calculation of the substructures forms.

Durch den modularen Aufbau kann jeder Verarbeitungsknoten entsprechend den Anforderungen aus einem bis vier Prozessormodulen aufgebaut werden.Due to the modular structure, each processing node can do this the requirements of one to four processor modules being constructed.

Die Forderung nach der Verlagerung von Hardware-Funktionen in die Software, um die Flexibilität des Gesamtsystems zu erhöhen, führt zu speziellen Softwarearchitekturen: Ausgehend von einer in jedem Verarbeitungsknoten fest gespeicherten, standardisierten Urladeroutine wird die jeweils zusätzlich benötigte Software über das Datentransportsystem ferngeladen.The demand for the relocation of hardware functions in the software to increase the flexibility of the overall system, leads to special software architectures: starting from one standardized, permanently stored in each processing node The bootstrapping routine is the additional software required downloaded via the data transport system.

In der Softwarearchitektur ist berücksichtigt, daß die Bestimmung von Zuverlässigkeitskenngrößen für Softwaresysteme nicht möglich ist.The software architecture takes into account that the provision of reliability parameters for software systems not is possible.

Heute wird Software bereits dann als zuverlässig betrachtet, wenn die Zeitspanne vom Beheben eines Fehlers bis zum nächsten noch als tolerabel hingenommen wird oder aufgetretene Fehler die Funktion nur wenig einschränken.Today software is already considered reliable, when the time from fixing one error to the next is still accepted as tolerable or errors that have occurred Restrict function little.

Um die verwendete Software überhaupt bei der Betrachtung der Gesamtzuverlässigkeit eines technischen Systems zu berücksichtigen, muß der unveränderliche Anteil der Software so gering wie möglich gehalten werden. Dieser Anteil muß dann mit einer Zuverlässigkeit P (B,t) = 1 in die Berechnung eingehen. Diese Forderung können aber nur einfache, möglichst diversitär strukturierte Laderoutinen erfüllen, die dann den benötigten Ausschnitt aus dem Softwaresystem nach Bedarf laden (Urlader). In dieser jederzeit veränderbaren Software ist dann zumindest eine zentral gesteuerte Fehlerkorrektur möglich. To the software used at all when considering the To consider the overall reliability of a technical system the unchangeable portion of the software must be as low as be kept possible. This part must then be reliable P (B, t) = 1 are included in the calculation. This requirement can only do simple, as diversified as possible Load routines that then meet the required section Load from the software system as required (bootstrap loader). In this software that can be changed at any time is at least central controlled error correction possible.  

2. Aufbau des Datentransportsystems2. Structure of the data transport system

Das Datentransportsystem wird gebildet aus Verarbeitungsknoten, die als Teil einer flexibel strukturierbaren Verbindungsstruktur untereinander dezentral Daten austauschen.The data transport system is made up of processing nodes, that as part of a flexibly structured connection structure exchange data with each other decentrally.

Die Ansteuerung der Aktoren und die Datenerfassung von den Sensoren erfolgt über diese Verarbeitungsknoten, die dazu räumlich eng an die technische Anlage gekoppelt sind. Hier erfolgt auch bereits, wenn erforderlich, die Aufbereitung der erfaßten Rohdaten:The actuation of the actuators and the data acquisition from the sensors takes place via these processing nodes, which do this spatially are closely linked to the technical system. Here too Already, if necessary, the preparation of the raw data recorded:

  • - Kennlinien von Sensoren werden linearisiert,- characteristic curves of sensors are linearized,
  • - der Einfluß von Störgrößen wird minimiert,- the influence of disturbance variables is minimized,
  • - die Einhaltung vorgegebener Grenzwerte wird überwacht und- Compliance with specified limit values is monitored and
  • - statistische Größen werden berechnet.- statistical values are calculated.

Die Anzahl der zu einem anderen Teilnehmer zu übertragenen Daten wird durch diese Maßnahmen minimiert. Diese unmittelbar am Sensor ansetzende intelligente Datenvorverarbeitung entlastet damit das Datentransportsystem und ermöglicht die Realisierung einfacher Regelstrecken bereits auf der Ebene eines einzelnen Verarbeitungsknotens.The number of data to be transferred to another participant is minimized by these measures. This directly on the sensor intelligent data preprocessing thus relieves the data transport system and makes it easier to implement Control systems already at the level of a single processing node.

Jeder Verarbeitungsknoten ist gleichzeitig Teil des Datentransportsystems. Bis zu vier unabhängige Anschlüssen für Datenübertragungsleitungen bilden die Grundlage für ein in weiten Grenzen flexibel strukturierbares, flächendeckenden Datentransportsystem:
Ausgehend von einer einfachen Punkt-zu-Punkt-Verbindung von zwei einzelnen Teilnehmern sind die Voraussetzungen für eine nahezu beliebige Kombination aus Bus-, Ring- und teilweise vermaschten Strukturen gegeben. Die Vermittlungssteuerung erfolgt ebenfalls dezentral über die Verarbeitungsknoten.
Each processing node is also part of the data transport system. Up to four independent connections for data transmission lines form the basis for a nationwide data transport system that can be flexibly structured within wide limits:
Starting from a simple point-to-point connection of two individual participants, the prerequisites for an almost arbitrary combination of bus, ring and partially meshed structures are given. The switching control is also carried out decentrally via the processing nodes.

Die in einem speziellen Verarbeitungsknoten benötigte Rechenleistung orientiert sich damit zum einen an der für die Datenvorverarbeitung benötigte Kapazität und zum anderen an der Komplexität der Vermittlungssteuerung.The computing power required in a special processing node is oriented on the one hand to that for data preprocessing required capacity and on the other hand at the Mediation control complexity.

Die geforderte Mehrrechnerstruktur bietet die Möglichkeit, hier unterschiedliche Anforderungen auf einzelne Rechner aufzuteilen, bzw. die tatsächliche Anzahl der Rechner im Verarbeitungsknoten entsprechend festzulegen.The required multi-computer structure offers the possibility here distribute different requirements on individual computers, or the actual number of computers in the processing node to determine accordingly.

Der Verarbeitungsknoten wird aus mindestens einem und aus maximal vier Rechnern, den Prozessormodulen, gebildet. Jedes Prozessormodul ist ein um einen Mikrocontroller aufgebautes, für sich allein lauffähiges Minimalsystem mit genau einer Schnittstelle zum Datentransportsystem, ausgeführt als Lichtwellenleiteranschluß.The processing node is made up of at least one and a maximum of four computers, the processor modules. Every processor module is a built around a microcontroller, for standalone minimal system with exactly one interface  to the data transport system, designed as an optical fiber connection.

Die in einem Verarbeitungsknoten enthaltenen, lokal rückwirkungsfrei gekoppelten Prozessormodule (Bild 2.1) bilden die wesentliche Grundlage zur Lösung des offensichtlichen Widerspruchs zwischen der in hohem Maße flexiblen Gestaltung der Systemstruktur und der Forderung, diese aus standardisierten Komponenten bekannter Zuverlässigkeit aufzubauen:
Jeder Verarbeitungsknoten besteht jetzt aus
The processor modules ( Figure 2.1), which are linked locally in a processing node and form a non-reactive basis, form the essential basis for solving the apparent contradiction between the highly flexible design of the system structure and the requirement to build it from standardized components of known reliability:
Each processing node now consists of

  • - Einem aus ein bis vier Prozessormodulen aufgebautem Anteil, im Folgenden als Zentrales Modul bezeichnet. Dieses enthält neben der den Anforderungen entsprechenden Anzahl von Prozessormodulen alle zur Kommunikation und Steuerung immer wieder benötigten Bauteile auf einer gemeinsamen Trägerkarte. Die Prozessormodule enthalten zunächst nur ein Minimum an Software:
    Den Urlader. Die tatsächliche Funktion einzelner Prozessormodule und damit die des gesamten zentralen Moduls wird erst durch zusätzliche Betriebssoftware festgelegt, die über das Datentransportsystem ferngeladen wird.
    - A component made up of one to four processor modules, hereinafter referred to as the central module. In addition to the number of processor modules that meet the requirements, this contains all the components that are always required for communication and control on a common carrier card. The processor modules initially contain only a minimum of software:
    The bootloader. The actual function of individual processor modules and thus that of the entire central module is only determined by additional operating software that is downloaded via the data transport system.
  • - Der in der Regel zum Zentralen Modul zu ergänzende, variable Anteil (Interface) enthält, abgestützt auf die von den Prozessormodulen bereitgestellten Ein-/Ausgabeleitungen, alle zur elektrischen und mechanischen Anpassung notwendigen Komponenten. Das Interface identifiziert sich über einen Kenndatensatz automatisch gegenüber dem Zentralen Modul, in das dann die spezielle Betriebssoftware ferngeladen wird.- The variable variable that is usually to be added to the central module Contains (interface), based on that of the Processor modules provided input / output lines, all components necessary for electrical and mechanical adjustment. The interface identifies itself via a characteristic data record automatically opposite the central module, in which then the special operating software is downloaded.

Die Forderung, daß Automatisierungssystem so weit wie möglich mit in hoher Stückzahl zu fertigenden, standardisierten Komponenten bekannter Zuverlässigkeit aufzubauen, kann damit für das Datentransportsystem bereits erfüllt werden. In diesem Bereich sind zuverlässigkeitstechnisch nur noch die Prozessormodule, die Datenübertragungsleitungen und die zur Vermittlungssteuerung notwendige Software zu berücksichtigen.The requirement that the automation system as much as possible with standardized components to be manufactured in large quantities Known reliability can build up for Data transport system can already be met. In this area In terms of reliability, only the processor modules that Data transmission lines and those for switching control necessary software to consider.

Der flexible Aufbau des Datentransportsystems bildet die Grundlage für das unterschiedlichen Anforderungen entsprechendes Automatisierungssystem:The flexible structure of the data transport system forms the basis corresponding to the different requirements Automation system:

1. Für das Gesamtsystem, wie auch für beliebige Ausschnitte daraus, können quantitative Zuverlässigkeitskenngrößen bestimmt werden. Damit ist Redundanz nur dort vorzusehen, wo diese auch tatsächlich gefordert wird und muß nicht zwangsläufig immer auf das Gesamtsystem übertragen werden.1. For the overall system, as well as for any extracts from it, can determine quantitative reliability parameters will. This means that redundancy can only be provided where it is needed is actually required and does not necessarily always have to the entire system can be transferred.

In einem Datentransportsystem, an das insgesamt nur geringe Zuverlässigkeitsanforderungen gestellt werden, sind damit lokal begrenzte "Inseln hoher Zuverlässigkeit" flexibel zu realisieren.In a data transport system to which overall only low reliability requirements are local  to flexibly implement limited "islands of high reliability".

2. Entsprechend der Anforderungen an die Übertragungsgeschwindigkeit (Echtzeiteigenschaft) können parallele Übertragungswege oder, wenn extrem kurze Reaktionszeiten gefordert werden, auch direkte Punkt-zu-Punkt-Verbindungen vorgesehen werden. Redundante Übertragungskanäle sind im fehlerfreien Fall ebenfalls zur Datenübertragung nutzbar.2. According to the requirements for the transmission speed (Real-time property) can use parallel transmission paths or, if extremely short reaction times are required, also direct point-to-point connections are provided. Redundant transmission channels are also in the error-free case usable for data transmission.

Entsprechend der im Automatisierungssystem lokal unterschiedlichen Forderungen ist jetzt eine Modellbildung möglich, die, entsprechend der für die Strukturierung von Transputernetzwerken eingeführten mathematischen Verfahren, die Optimierung der gesamten Systemstruktur ermöglicht. Grundsätzlich ist davon auszugehen, daß diese Optimierung, da quantitative Kenngrößen zur Beschreibung der Kompontenten des Systems zur Verfügung stehen, mit rechnergestützten Verfahren zu realisieren ist.According to the locally different in the automation system Modeling is now possible, which, corresponding to that for structuring transputer networks introduced mathematical procedures, the optimization of the entire System structure enables. Basically, it can be assumed that this optimization, since quantitative parameters for describing the components of the Systems are available with computer-aided procedures too is to be realized.

Im Gegensatz zu Lösungen aus dem Bereich der Mikrosystemtechnik (Bild 2.2), die Anteile aus den Gebieten der Sensorik, Akuatorik, integrierter Schaltungen, Mikromechanik, Optoelektronik und Aufbau-/Verbindungstechnik zu einem auf spezielle Anwendungen abgestimmten System integrieren /REIC89/, kann der Verarbeitungsknoten mit einem im Bereich der Hardware standardisierten, aber trotzdem flexiblen Aufbau über fernladbare Software an eine Vielzahl unterschiedlicher Aufgaben angepaßt werden.In contrast to solutions from the area of microsystem technology ( Figure 2.2), which integrate parts from the fields of sensors, actuators, integrated circuits, micromechanics, optoelectronics and assembly / connection technology into a system tailored to special applications / REIC89 /, the processing node can be adapted to a multitude of different tasks using a hardware structure which is standardized, but still flexible, using remote-downloadable software.

Steuerungsfunktionen, die Bereitstellung von Schnittstellen zu handelsüblichen industriellen Automatisierungssystemen und eine Vielzahl einfacher Interface-Schaltungen sind dafür eine wesentliche Voraussetzung. Mit Prozessormodulen, die in sich abgeschlossene, allein lauffähige Mikrocontrollersysteme hoher Rechenleistung darstellen, kann das dynamische Verhalten standardisierter Schnittstellen nachgebildet werden.Control functions, the provision of interfaces commercial industrial automation systems and a A large number of simple interface circuits are essential for this Requirement. With processor modules that are self-contained and capable of running alone Represent microcontroller systems with high computing power, can the dynamic behavior of standardized interfaces be replicated.

Die dargestellte Hardwarestruktur ermöglicht, unabhängig von der bereits vorgesehenen Erfüllung unterschiedlicher Zuverlässigkeitsanforderungen, auch einen vollständig neuen Ansatz für die Organisation, Aufbau und Betrieb dezentraler Automatisierungssysteme:The hardware structure shown enables, regardless of already planned fulfillment of different reliability requirements, also a completely new approach to that Organization, construction and operation of decentralized automation systems:

  • - Jeder neue Verarbeitungsknoten identifiziert sich und sein Interface, sobald er in das schrittweise aufzubauende Datentransportsystem eingebunden wird, gegenüber einer irgendwo im System enthaltenen Leitstation. Die dazu notwendige Software ist im Urlader enthalten. Die Leitstation initialisiert auf Basis dieser Daten den Verarbeitungsknoten, d. h. die Teilnehmeradresse wird festgelegt und die benötigte Betriebssoftware wird ferngeladen.
    Abschließend erfolgt eine Rekonfiguration des gesamten, bis zu diesem Zeitpunkt aufgebauten Datentransportsystems, in der jeder Teilnehmer den neue Verarbeitungsknoten und die dazu gehörenden Datenleitungen in seiner Vermittlungssteuerung berücksichtigt.
    - Each new processing node identifies itself and its interface, as soon as it is integrated in the data transport system to be set up step by step, in relation to a control station contained somewhere in the system. The software required for this is included in the bootstrap loader. The control station initializes the processing node on the basis of this data, ie the subscriber address is determined and the required operating software is downloaded.
    Finally, the entire data transport system that has been set up up to this point is reconfigured, in which each subscriber takes the new processing node and the associated data lines into account in its switching control.

Eine ausreichend leistungsfähige Vermittlungssteuerung voraussetzend, können so zu jedem ZeitpunktAssuming a sufficiently powerful switching control, can do so at any time

  • - neue Teilnehmer aufgenommen werden.- new participants are added.
  • - Verarbeitungsknoten ein neues Interface mit geänderter Funktion erhalten.- Processing node a new interface with changed Get function.
  • - und neue Datenleitungen die Struktur des Datentransportsystems ändern.- And new data lines the structure of the data transport system to change.

Die fernladbare Software ermöglicht die Variation aller Funktionselemente innerhalb eines Verarbeitungsknotens. Im Rahmen einer automatischen Rekonfiguration nach Ausfall/Entnahme eines Teilnehmers können Aufgaben verlagert oder verändert werden. Werden Sensoren/Aktoren gewechselt, löst die in jedem Fall automatisch neu erfolgende Identifikation die Anpassung der Betriebssoftware aus z. B. zur Berücksichtigung eines geänderten Einstellbereiches.The downloadable software enables the variation of all functional elements within a processing node. As part of an automatic reconfiguration after failure / removal of a Tasks can be relocated or changed. If sensors / actuators are replaced, this will solve in any case automatically new identification the adaptation of the Operating software from e.g. B. to take into account a changed Adjustment range.

2.1 Der Verarbeitungsknoten2.1 The processing node

Jeder Verarbeitungsknoten besteht aus dem Zentralen Modul, aufgebaut aus ein bis vier Prozessormodulen auf einer gemeinsamen Trägerkarte, und dem Interface (Bild 2.3)Each processing node consists of the central module, made up of one to four processor modules on a common carrier card, and the interface ( Figure 2.3)

Die Anzahl der in einem Verarbeitungsknoten enthaltenen Prozessormodule richtet sich zunächst nur nach der Anzahl der benötigten Anschlüsse für Datenübertragungsleitungen. Jedes Prozessormodul verfügt über genau einen Anschluß.The number of processor modules contained in a processing node initially depends only on the number of required Connections for data transmission lines. Every processor module has exactly one connection.

Der interne Datenaustausch aller in einem Verarbeitungsknoten zusammengefaßten Prozessormodule erfolgt über eine lokale, rückwirkungsfreie Rechnerkopplung. Alle freien Ein-/Ausgabeleitungen der um Mikrocontroller aufgebauten Prozessormodule werden auf der Trägerkarte gesammelt und in einer systemspezifischen Schnittstelle (Übergabepunkt) für das Interface bereitgestellt.The internal data exchange of all in one processing node summarized processor modules takes place via a local, non-reactive Computer coupling. All free input / output lines of the microcontroller Processor modules are collected on the carrier card and in a system-specific interface (transfer point) for provided the interface.

Die Trägerkarte nimmt bis zu vier Prozessormodule mechanisch auf. Sie enthält ein von allen Modulen genutztes Netzteil (die Spannungsüberwachung und eine Pufferbatterie gehören zum Prozessormodul), eine Echtzeituhr, sowie die zur Rechnerkopplung notwendigen Bauteile. Eine spezielle Ausführung ermöglicht den Einbau eines Verarbeitungsknotens in einen AT-kompatiblen Industrierechner. In diesem Fall reduziert sich die Anzahl der Prozessormodule auf drei:
Das vierte Modul wird durch den Industrierechner emuliert.
The carrier card mechanically accommodates up to four processor modules. It contains a power supply unit used by all modules (voltage monitoring and a backup battery are part of the processor module), a real-time clock and the components required for computer coupling. A special version enables the installation of a processing node in an AT-compatible industrial computer. In this case, the number of processor modules is reduced to three:
The fourth module is emulated by the industrial computer.

Die Funktion des Verarbeitungsknotens wird erst durch die über das Datentransportsystem ferngeladene Betriebssoftware festgelegt. Vor der auch auf diesem Weg durchzuführenden Initialisierung eines neuen Knotens sind in einem Urlader nur elementare Routinen zur Überprüfung der eigenen Hardware (Selbsttest) und eine einfache Vermittlungssteuerung gespeichert. Dieser Softwareanteil wird in der Zuverlässigkeitsabrechnung nicht berücksichtigt.The function of the processing node is only enabled by the the data transport system downloaded operating software. Before the initialization, which is also carried out in this way of a new node are only elementary in a bootloader Routines for checking your own hardware (self-test) and a simple attendant control saved. This software part is not taken into account in the reliability calculation.

Die Spannungsversorgung des gesamten Verarbeitungsknotens erfolgt über das auf der Trägerkarte des Zentralen Moduls aufgebauten Netzteil. Die Forderung nach einer insgesamt redundanten Spannungsversorgung wird über die in jedem Prozessormodul vorhandene eigene 5 Volt-Regelung mit Spannungsüberwachung und Pufferbatterie erfüllt.The entire processing node is supplied with power via the one built on the carrier card of the central module Power adapter. The demand for an overall redundant power supply is the own existing in each processor module 5 volt regulation with voltage monitoring and backup battery fulfilled.

2.1.1 Prozessormodul2.1.1 Processor module

Das in hohen Stückzahlen benötigte Prozessormodul stellt die Grundlage für die in jedem Verarbeitungsknoten aufzubauende, sich gegenseitig funktionsüberwachende Mehrrechnerstruktur dar. Dazu werden jeweils zwei bis vier Module über eine schnelle, rückwirkungsfreie Rechnerkopplung verbunden und können so Daten und Statusinformationen austauschen.The processor module required in large numbers provides the Basis for the to be built in each processing node mutually function-monitoring multi-computer structure. For this purpose, two to four modules are feedback-free computer coupling and can thus receive data and exchange status information.

In jedem Prozessormodul wird ein Mikrocontroller so um weitere Komponenten ergänzt, daß ein von den anderen Modulen unabhängiger Betrieb gewährleistet ist.In each processor module, a microcontroller is added Components complements that one from the other modules Operation is guaranteed.

Damit ist für jedes Prozessormodul mindestens folgender Umfang vorzusehen:For each processor module, this is at least the following scope to provide:

  • - Mikrocontroller mit seriellen und parallelen Ein-/Ausgabeleitungen. Die meisten handelsüblichen Bausteine enthalten bereits diese Funktionsanteile, so daß zusätzliche Hardware nicht erforderlich wird.- Microcontroller with serial and parallel input / output lines. Most commercially available building blocks already contain these functional parts, so that additional hardware is not required.
  • - Eigene Spannungsregelung mit Überwachungsbaustein und Pufferbatterie.- Own voltage control with monitoring module and backup battery.
  • - Bauteile zur internen Adreßdecodierung.- Components for internal address decoding.
  • - Arbeitsspeicher. Jedes Modul benötigt mindestens einen nichtflüchtigen Speicher für den Urlader und einen weiteren, möglichst großen Bereich für das Betriebsprogramm und zur Zwischenspeicherung von Daten. Für beide Aufgaben kommen zweckmäßigerweise Bausteine zum Einsatz, die auch nach Ausfall der Betriebsspannung den Datenerhalt auf jeden Fall gewährleistet: EPROM, EEPROM oder batteriegepufferte CMOS-RAM-Bausteine.
    Die Spanne bei den handelsüblichen Mikrocontrollern reicht hier von Bausteinen ohne Speicher bis hin zu integrierten Kombinationen von ROM- und RAM-Bausteinen, wobei die nicht-flüchtigen Speicher in einigen Fällen bereits vom Hersteller maskenprogrammiert werden müssen.
    - Random access memory. Each module requires at least one non-volatile memory for the bootstrap loader and another, as large as possible area for the operating program and for the temporary storage of data. Modules are expediently used for both tasks, which in any case guarantee data retention even after the operating voltage fails: EPROM, EEPROM or battery-backed CMOS RAM modules.
    The range of commercially available microcontrollers ranges from modules without memory to integrated combinations of ROM and RAM modules, with the non-volatile memory in some cases already having to be mask-programmed by the manufacturer.
  • - Treiberbausteine zur Ankopplung des Prozessormoduls an das Datentransportsystem. Zum Anschluß der Kunststoff-Lichtwellenleiter sind getrennte Sende-/Empfangsmodule vorzusehen, die neben dem optoelektrischem Bauelement zweckmäßigerweise auch die zum Mikrocontroller erforderliche Schnittstellenanpassung bzw. die Treiberstufe enthalten.- Driver blocks for coupling the processor module to the Data transport system. For connecting the plastic fiber optic cables separate transmit / receive modules are to be provided in addition to the optoelectric component, expediently also the interface adaptation required for the microcontroller or contain the driver stage.

Jedes Prozessormodul stellt damit eine in sich abgeschlossene, funktionsfähige Einheit dar, die über eine eigene Schnittstelle zum Datentransportsystem verfügt und mit einer unabhängigen Stromversorgung arbeitet. Zusätzliche I/O-Leitungen werden zur internen Rechnerkopplung und zum Aufbau der Schnittstelle zum Interface bereitgestellt.Each processor module thus provides a self-contained, functional unit that has its own interface to the data transport system and with an independent Power supply works. Additional I / O lines become the internal computer link and provided to build the interface to the interface.

Die Zuverlässigkeitskenngrößen dieser Baugruppe bilden damit eine Grundlage für die Zuverlässigkeitsberechnung des Gesamtsystems.The reliability parameters of this module thus form a basis for the reliability calculation of the overall system.

Der mechanische Aufbau des Prozessormoduls ähnelt dem eines vielpoligen integrierten Schaltkreises im DIL-Gehäuse: Alle Bauteile werden auf einer kleinen, rechteckigen Platine montiert, die alle zur Trägerkarte benötigten Anschlüsse an zwei an den Längsseiten angeordneten Stiftleisten bereitstellt (Bild 2.4).The mechanical structure of the processor module is similar to that of a multi-pole integrated circuit in a DIL housing: All components are mounted on a small, rectangular circuit board that provides all the connections required for the carrier card on two pin strips arranged on the long sides ( Figure 2.4).

Das gesamte Prozessormodul kann, einen entsprechend miniaturisierten Aufbau vorausgesetzt, wie ein intergrierter Schaltkreis in eine Fassung auf der Trägerkarte gesteckt werden. Der Anschluß für den Lichtwellenleiter erfolgt auf einer der beiden Schmalseiten.The entire processor module can be miniaturized accordingly Assembled like an integrated circuit be inserted into a socket on the carrier card. The connection for the optical fiber takes place on one of the two Narrow sides.

Die vollständigen Schaltungsunterlagen für das Prozessormodul befinden sich im Anhang.The complete circuit documentation for the processor module are in the appendix.

2.1.1.1 Mikrocontroller2.1.1.1 microcontroller

Für das Prozessormodul ist ein hochintegrierter Mikrocontrollerbaustein hoher Rechenleistung gefordert. Der Einsatz der heute noch weit verbreiteten Ausführungen auf Basis eines 8-Bit-Prozessor (HD64 180, SAB80C535 u. a.) verbietet sich damit.There is a highly integrated microcontroller module for the processor module high computing power required. The use of today still widespread designs based on an 8-bit processor (HD64 180, SAB80C535 and others) is forbidden.

Um ausreichend kurze Reaktionszeiten zu ermöglichen, ist als Kern in jedem Fall ein Baustein mit einer internen Verarbeitungskapazität von mindestens 16 Bit vorzusehen: Zum Einsatz kommt ein Mikrocontroller aus der HPC-Familie (HPC = High Performance microController. Nach: National Semiconductor Microcontrollers Databook, 1988) von National Semiconductor. Diese preiswerten 16-Bit-CMOS-Controller bieten eine hohe Rechenleistung und eine Vielzahl unterschiedlich komplexer Ein-/Ausgabestrukturen in einem Baustein.To enable sufficiently short reaction times, is as In any case, the core is a module with an internal processing capacity of at least 16 bits: For use  comes a microcontroller from the HPC family (HPC = High Performance microController. According to: National Semiconductor Microcontrollers Databook, 1988) from National Semiconductor. These inexpensive 16-bit CMOS controllers offer high computing power and a variety of different complex input / output structures in one block.

Mikrocontrollerfamilie HPC von National SemiconductorNational Semiconductor's HPC microcontroller family

Die Mikrocontroller aus der 16-Bit-HPC-Familie erreichen mit einer z. Zt. noch auf 30 MHz begrenzten Taktfrequenz (40 MHz-Version voraussichtlich Anfang 1993 verfügbar) eine Zykluszeit von 134 ns. Mit schnellen, oft in einem Byte codierten Befehlen, die komplexe Funktionen auslösen, ist ein sehr effektiver Programmcode möglich.The microcontrollers from the 16-bit HPC family also help a z. A clock frequency currently limited to 30 MHz (40 MHz version expected to be available in early 1993) from 134 ns. With fast, often coded in one byte Commands that trigger complex functions is a very effective one Program code possible.

Die wichtigsten Daten im Überblick:The most important data at a glance:

  • - 16-Bit-CMOS-Mikrocontroller- 16-bit CMOS microcontroller
  • - Taktfrequenz bis zu 30 MHz- Clock frequency up to 30 MHz
  • - Schnelle Ein-Byte-Befehle- Fast one-byte commands
  • - Befehle für 16 × 16-Bit-Multiplikation, 32/16-Bit-Division- 16 × 16 bit multiplication, 32/16 bit division commands
  • - 8 Interruptquellen- 8 interrupt sources
  • - Watchdog- Watchdog
  • - 16-Bit-Timer- 16-bit timer
  • - Bis zu 52 frei konfigurierbare I/O-Leitungen- Up to 52 freely configurable I / O lines
  • - Bis zu 8 KByte maskenprogrammiertes ROM auf dem Chip (Ausführung mit EEPROM ist angekündigt)- Up to 8 KB mask-programmed ROM on the chip (execution with EEPROM has been announced)
  • - Bis zu 256 Bytes RAM auf dem Chip- Up to 256 bytes of RAM on the chip
  • - Serielle MICROWIRE/PLUS Schnittstelle- Serial MICROWIRE / PLUS interface
  • - Große Bandbreite bei der je nach Controllertyp integrierten Peripherie:
    + DMA
    + HDLC-Schnittstelle
    + A/D-Wandler
    + zusätzlicher Speicher
    + schnelles SRAM
    - Wide range of peripherals integrated depending on the controller type:
    + DMA
    + HDLC interface
    + A / D converter
    + additional storage
    + fast SRAM
  • - Zulässige Betriebsspannung 3 . . . 5,5 Volt- Permissible operating voltage 3. . . 5.5 volts
  • - Stromaufnahme:
    im Betrieb: max. 60 mA (VCC = 5,5 V, f = 30 MHz)
    IDLE-Mode: 3 mA
    - current consumption:
    in operation: max. 60 mA (VCC = 5.5 V, f = 30 MHz)
    IDLE mode: 3 mA
  • - MTBF < 0,3 *10³ h- MTBF <0.3 * 10³ h

Der Mikrocontroller aus der HPC-Familie enthält immer einen zentralen Kern (Core CPU), um den eine je nach Controllertyp unterschiedliche Peripherie angeordnet ist.The microcontroller from the HPC family always contains one central core (core CPU), around which one depending on the controller type different periphery is arranged.

Der Kern, basierend auf einer Von-Neumann-Architektur, enthält insgesamt sieben Funktionselemente:The core, based on a Von Neumann architecture, contains a total of seven functional elements:

  • 1. Arithmetic Logic Unit (ALU)1. Arithmetic Logic Unit (ALU)
  • 2. 6 16 Bit-Register2. 6 16 bit registers
  • 3. 8 Interrupt-Kanäle3. 8 interrupt channels
  • 4. 3 Timer4. 3 timers
  • 5. Ablaufsteuerung5. Sequence control
  • 6. Watchdog6. Watchdog
  • 7. MICROWIRE/PLUS Schnittstelle.7. MICROWIRE / PLUS interface.

Alle internen Datenleitungen, die Register, Timer und die ALU arbeiten mit einer Wortlänge von 16 Bit. Damit können 64 kByte externer Speicher adressiert werden. Der externe Datenbus kann je nach Anforderungen mit 8 oder 16 Bit Wortlänge ausgelegt werden.All internal data lines, the registers, timers and the ALU work with a word length of 16 bits. This allows 64 kbytes external memory can be addressed. The external data bus can designed with 8 or 16 bit word length depending on requirements will.

Der im Prozessormodul eingesetzte Mikrocontroller HPC46 003 (Bild 2.5) enthält kein internes ROM. Damit steht nahezu der gesamte Adreßraum für externen Speicher zur Verfügung.The microcontroller used in the processor module HPC46 003 (Figure 2.5) contains no internal ROM. This means that almost the entire address space is available for external storage.

Die im HPC46 003 enthaltende Peripherie umfaßt:The peripherals contained in the HPC46 003 include:

  • - eine frei programmierbare serielle Schnittstelle (UART),- a freely programmable serial interface (UART),
  • - 4 zusätzliche TIMER- 4 additional TIMERS
  • - 4 "Interrupt Capture" Register- 4 "Interrupt Capture" registers
  • - 52 frei konfigurierbare I/O-Leitungen- 52 freely configurable I / O lines
  • - 256 Byte RAM- 256 bytes of RAM

Mit einem Teil der 52 I/O-Leitungen, die in einer Zweitfunktion als Adreß-, Daten- und Steuerleitungen konfiguriert werden, wird die Ansteuerung des externen Speichers realisiert. Der Adreßraum von insgesamt 64 kByte wird im Prozessormodul so aufgeteilt, daß 32 kByte RAM, 16 kByte EPROM (EEPROM) und mehrere, frei verfügbare, Blöcke mit jeweils 4 kByte zur Verfügung stehen. Der externe Datenbus wird mit einer Wortbreite von 8 Bit betrieben, um den Einsatz von Standardbausteinen zu ermöglichen.With part of the 52 I / O lines, which have a secondary function be configured as address, data and control lines the control of the external memory is realized. The address space of a total of 64 kbytes is divided in the processor module so that 32 KB RAM, 16 KB EPROM (EEPROM) and several freely available Blocks with 4 kByte each are available. The external Data bus is operated with a word length of 8 bits to enable the use of standard components.

Bild 2.6 zeigt das sich daraus ergebende Blockschaltbild für ein Prozessormodul: Figure 2.6 shows the resulting block diagram for a processor module:

  • - Der externe Datenbus wird über die Ein-/Ausgabeleitungen von Port A und Teilen von Port B realisiert. Da die Daten und die Adressen A0 . . . A7 gemultiplexed werden, muß ein Zwischenspeicher (Latch) vorgesehen werden.- The external data bus is connected via the input / output lines from Port A and parts of port B realized. Because the data and the Addresses A0. . . A7 must be multiplexed, a buffer (Latch) can be provided.
  • - Redundante Stromversorgung (NETZTEIL). Jede Baugruppe verfügt über eine eigene Pufferbatterie, die nach dem Ausfall der Spannungsversorgung entweder zeitlich befristet den weiteren Betrieb ermöglicht oder zumindest den aktuellen Datenbestand erhält.
    Ein spezieller Überwachungsschaltkreis stellt, wenn erforderlich, das abgestufte Abschalten und die Wiederinbetriebnahme des Prozessormoduls sicher.
    - Redundant power supply (PSU). Each module has its own backup battery, which either allows continued operation for a limited time after the power supply fails or at least maintains the current database.
    A special monitoring circuit ensures, if necessary, the gradual shutdown and restarting of the processor module.
  • - Die Adreßdecodierung (SELECT) erzeugt Steuersignale für die interne und externe Ansteuerung von Speicherbausteinen. Jedes Prozessormodul verfügt intern über 16 kByte EPROM (EEPROM) und 32 kByte batteriegepuffertes CMOS-RAM.- The address decoding (SELECT) generates control signals for the internal and external control of memory modules. Each Processor module has 16 kByte EPROM (EEPROM) and 32 kByte battery-backed CMOS RAM.
  • - Die Schnittstelle zum Datentransportsystem (LWL) mit dem Sende-/Empfangsbausteinen und der Steckverbindung.- The interface to the data transport system (LWL) with the Send / receive modules and the plug connection.

Alle freien Ein-/Ausgabeleitungen des Mikrocontrollers, die Steuersignale, sowie Adreß- und Datenleitungen werden herausgeführt und stehen auf der Trägerkarte zur Verfügung.All free input / output lines of the microcontroller that Control signals, as well as address and data lines are brought out and are available on the carrier card.

2.1.1.2 Spannungsregelung mit Überwachungsbaustein und Pufferbatterie2.1.1.2 Voltage control with monitoring module and Backup battery

Das Prozessormodul wird mit einer ungeregelten Gleichspannung von ca. 9 Volt (Stromaufnahme max. 220 mA) (max.: 17,5 V) betrieben. Fällt die Betriebsspannung aus, wird das CMOS-RAM über eine Batterie gepuffert.The processor module comes with an unregulated DC voltage operated by approx. 9 volts (current consumption max. 220 mA) (max .: 17.5 V). The operating voltage drops off, the CMOS-RAM is buffered by a battery.

Die integrierten Bausteine IC8 und IC9 bilden den Kern des Netzteils.The integrated components IC8 and IC9 form the core of the power supply.

Spannungsregler 7805 (IC8) erzeugt die Betriebsspannung von +5 Volt. Der "Micro Manager Chip" (Dallas Semidonductor Product Data Book, 1990-1991) DS1236-5 (IC9) überwacht die Betriebsspannung und leitet daraus Steuersignale für den Prozessor ab:Voltage regulator 7805 (IC8) generates the operating voltage of +5 volts. The "Micro Manager Chip" (Dallas Semidonductor Product Data Book, 1990-1991) DS1236-5 (IC9) monitors the Operating voltage and derives control signals for the processor from:

  • - Liegt die Betriebsspannung außerhalb der vorgegebenen Toleranz von ±5%, so wird der Prozessor angehalten. Rechtzeitig vorher wird eine nichtmaskierbare Unterbrechungsanforderung (NMI) erzeugt, die den Spannungsabfall ankündigt (Power Fail).
    Der Datenerhalt im CMOS-RAM wird über eine Pufferbatterie (3 Volt) sichergestellt.
    - If the operating voltage is outside the specified tolerance of ± 5%, the processor is stopped. A non-maskable interrupt request (NMI) is generated in good time, which announces the voltage drop (power fail).
    The data retention in the CMOS-RAM is ensured by a buffer battery (3 volts).
  • - Beim Einschalten der Betriebsspannung wird der Prozessor zugesetzt und gestartet, sobald +5 V erreicht sind. Das manuelle Zurücksetzen ist zu jedem Zeitpunkt möglich.- The processor is clogged when the operating voltage is switched on and started as soon as +5 V are reached. The manual Resetting is possible at any time.

Der DS1236-5 enthält zusätzlich noch eine Zeitüberwachung (Watching Timer Function), die immer dann ein Rücksetzsignal erzeugt, wenn der Prozessor nicht innerhalb von max. 400 ms ein vorgegebenes Triggersignal ausgelöst hat.The DS1236-5 also includes a time monitoring (Watching Timer Function) that always generates a reset signal when the processor is not within max. A predetermined trigger signal is triggered 400 ms Has.

Diese Zeitüberwachung ist im Prozessormodul nicht verdrahtet. This time monitoring is not wired in the processor module.  

2.1.1.3 Bauteile zur internen Adreßdecodierung2.1.1.3 Components for internal address decoding

Der Mikrocontroller HPC46 003 (IC1) wird mit einem externen Adreßraum von 64 kB, organisiert in 8-Bit-Worten, betrieben.The microcontroller HPC46 003 (IC1) is connected to an external Address space of 64 kB, organized in 8-bit words, operated.

Alle Adreß- und Datenleitungen werden gemultiplexed über den Port A ausgegeben: Die Adreßleitungen A8-A15 und die Datenleitungen D0-D7 sind direkt verdrahtet. A0-A7 werden am Ausgang des über Zwischenspeichers 74LS373 (IC4) bereitgestellt.All address and data lines are multiplexed over the Port A output: The address lines A8-A15 and the data lines D0-D7 are wired directly. A0-A7 are at the exit of the provided via buffer 74LS373 (IC4).

Die Adreß- und Datenleitungen werden, ergänzt durch die vom Port B erzeugten Steuersignale für Schreib- und Lesezugriffe, zur Ansteuerung von Speicherbausteinen verwandt und, mit Ausnahme von A11-A15, für die Trägerkarte bereitgestellt.The address and data lines are supplemented by those from the port B generated control signals for write and read accesses, for control related to memory chips and, with the exception of A11-A15, provided for the carrier card.

I/O-Leitungen von Port A und Port I stellen in einer Zweifunktion auch die Steuersignale für zwei serielle Schnittstellen zur Verfügung.I / O lines from port A and port I have a dual function also the control signals for two serial interfaces Available.

MICROWIRE/PLUS, einige Unterbrechungsleitungen und freie Portleitungen werden an die Trägerkarte übergeben. I0 und I7 werden vom Urlader zur Kodierung der Modulnummer (Diese 2-Bit-Kartennummer (0 . . . 3) dient zur Identifizierung eines Prozesormodules innerhalb einer aus bis zu vier Karten gebildeten Mehrrechnerstruktur) herangezogen.MICROWIRE / PLUS, some interrupt lines and free port lines are handed over to the carrier card. I0 and I7 will be used by the bootstrap loader to code the module number (this 2-bit card number (0... 3) is used to identify a processor module within a multi-computer structure formed from up to four cards).

Mit dem aus 74LS139 (IC5) und 74LS08 (IC6) aufgebauten Decoder werden innerhalb des Adreßraumes von 64 kB Steuersignale (Chip Select) für insgesamt sechs Bausteine erzeugt:With the decoder built from 74LS139 (IC5) and 74LS08 (IC6) are within the address space of 64 kB control signals (chip Select) for a total of six blocks:

CSHPC: 0000-0FFF (reserviert)
CSUHR: 1000-1FFF (Echtzeituhr)
CSKL1: 2000-2FFF (frei)
CSKL2: 3000-3FFF (frei)
CSRAM: 4000-BFFF (32 kB RAM)
CSROM: C000-FFFF (16 kB EPROM/EEPROM).
CSHPC: 0000-0FFF (reserved)
CSUHR: 1000-1FFF (real time clock)
CSKL1: 2000-2FFF (free)
CSKL2: 3000-3FFF (free)
CSRAM: 4000-BFFF (32 kB RAM)
CSROM: C000-FFFF (16 kB EPROM / EEPROM).

CSUHR, CSKL1 und CSKL2 stehten für Erweiterungszwecke zur Verfügung. Es können zusätzliche Speicherbausteine mit jeweils bis zu 4 kB angeschlossen werden. Mit CSUHR steuert das erste Prozessormodul (Modulnummer 0) den Zugriff auf die Echtzeituhr der Trägerkarte.CSUHR, CSKL1 and CSKL2 are available for expansion purposes. Additional memory modules with up to up to 4 kB. With CSUHR the first processor module (module number 0) controls the Access to the real-time clock of the carrier card.

2.1.1.4 Speicherbausteine2.1.1.4 Memory blocks

Jedes Prozessormodul verfügt über eigene Speicherbausteine mit einer Wortbreite von 8-Bit.Each processor module has its own memory chips a word length of 8 bits.

Das 16 kByte EPROM/EEPROM enthält bis zur Initialisierung des Moduls nur den Urlader. Das Betriebsprogramm wird über das Datentransportsystem ferngeladen und im EEPROM bzw. RAM gespeichert. Das EPROM/EEPROM ist der einzige gesockelte Baustein des Prozessormoduls.The 16 kbyte EPROM / EEPROM contains up to the initialization of the Module only the bootloader. The operating program is carried out via the  Data transport system downloaded and stored in EEPROM or RAM. The EPROM / EEPROM is the only socketed component of the processor module.

Der batteriegepufferte Schreib-/Lesespeicher für Daten und Teile des Bebtriebsprogramms hat einen Umfang von 32 kByte.The battery-buffered read / write memory for data and parts the operating program has a size of 32 kByte.

Das 32 kB-CMOS-RAM 62 256 (IC2) wird über CSRAM, das 16 kB-EPROM 27C128 (IC3) über CSROM selektiert.The 32 kB CMOS RAM 62 256 (IC2) is via CSRAM, the 16 kB EPROM 27C128 (IC3) selected via CSROM.

Die Zugriffszeit der Speicherbausteine darf 150 ns nicht überschreiten.The access time of the memory modules must not exceed 150 ns.

2.1.1.5 Lichtwellenleiteranschluß2.1.1.5 Optical fiber connection

Die serielle Datenübertragung erfolgt über ein Kunststoff-Lichtwellenleitersystem aus der Serie HFBR-0501 von Hewlett Packard (Bild 2.8).The serial data transmission takes place via a plastic fiber optic system from the HFBR-0501 series from Hewlett Packard ( Fig. 2.8).

Die vollständige Schnittstelle wird durch den Treiber 75452N (IC10) und die Sende-/Empfangsbausteine HFBR-1522 (IC12) und HFBR-2522 (IC11) gebildet. IC11 und IC12 enthalten auch den mechanischen Anteil der Steckverbindung (Buchse) für das fertig konfektionierte Duplex-Lichtwellenleiterkabel.The full interface is provided by the 75452N driver (IC10) and the transmit / receive modules HFBR-1522 (IC12) and HFBR-2522 (IC11) formed. IC11 and IC12 also contain the mechanical part of the connector (socket) for the finished Assembled duplex fiber optic cables.

Damit steht ein zuverlässiges, kostengünstiges Übertragungsmedium zur Verfügung, daß die Grundlage für hohe Übertragungsgeschwindigkeiten bildet:This is a reliable, inexpensive transmission medium available that the basis for high transmission speeds forms:

  • - Übertragungsgeschwindigkeit bis zu 5 MBd,- transfer speed up to 5 MBd,
  • - Sende-/Empfängerbaustein TTL-/CMOS-kompatibel,- Transmitter / receiver module TTL / CMOS compatible,
  • - Länge des Lichtwellenleiters bis zu 65 m (1 MBd),- length of the optical fiber up to 65 m (1 MBd),
  • - MTBF < 3 *10⁶ h.- MTBF <3 * 10⁶ h.

Die Verbindungskabel mit einer (Simplex) oder zwei (Duplex) Lichtwellenleitern können, ausgehend von Material als Meterware, vor Ort mit einfachen Werkzeugen konfektioniert werden.The connection cables with one (Simplex) or two (Duplex) Optical fibers, starting from material by the meter, can be assembled on site with simple tools.

2.1.2 Trägerkarte2.1.2 Carrier card

Die Trägerkarte nimmt ein bis vier Prozessormodule in Fassungen mechanisch auf. Sie enthält:The carrier card takes one to four processor modules in sockets mechanically on. It contains:

  • - Alle zur Rechnerkopplung erforderlichen Bauteile, - All components required for computer coupling,  
  • - die Spannungsversorgung für alle Module,- the power supply for all modules,
  • - eine Echtzeituhr im Adreßraum des Prozessormodul 0 und- A real time clock in the address space of the processor module 0 and
  • - den Übergabepunkt zum Interface als vielpolige Steckverbindung.- The transfer point to the interface as a multi-pin connector.

Die Prozessornummer 0 . . . 3 wird über eine entsprechende Verdrahtung der Fassungen automatisch eingestellt. Ein fest verdrahtete 2-Bit-Information wird dazu über Portleitungen (I0, I7) vom Prozessormodul ausgewertet.The processor number 0. . . 3 will have appropriate wiring of the frames set automatically. A hardwired For this purpose, 2-bit information is sent from the processor module via port lines (I0, I7) evaluated.

Eine spezielle Ausführung ermöglicht den Einbau eines Verarbeitungsknotens in einen AT-kompatiblen Industrierechner. In diesem Fall reduziert sich die Anzahl der Prozessormodule auf drei: Das vierte Modul wird durch den Industrierechner emuliert.A special version enables the installation of a processing node into an AT-compatible industrial computer. In this In this case, the number of processor modules is reduced to three: That fourth module is emulated by the industrial computer.

2.1.2.1 Rückwirkungsfreie Rechnerkopplung2.1.2.1 Non-reactive computer coupling

Die Mehrrechnerstruktur des Zentralen Moduls ist über ein rückwirkungsfreies, eigenes Datenübertragungssystem gekoppelt. Alle Prozessormodule können damit ohne den Umweg über das Datentransportsystem Daten austauschen und sich gegenseitig überwachen.The multi-computer structure of the central module is based on a non-reactive, own data transmission system coupled. All Processor modules can use it without going through the data transport system Exchange data and monitor each other.

Handelsübliche Mikrocontroller bieten hier durch die integrierten Ein-/Ausgabeschnittstellen vielfältige Möglichkeiten, die sich im wesentlichen durch die erreichbare Übertragungsgeschwindigkeit unterscheiden.Commercial microcontrollers offer here through the integrated I / O interfaces various possibilities that essentially by the achievable transmission speed differentiate.

Um die Forderung nach Rückwirkungsfreiheit zu erfüllen, darf der Ausfall (auch Busfehler) einer Baugruppe keine Auswirkungen auf die anderen Baugruppen des Moduls haben. Einfache serielle Übertragungssysteme mit Busstruktur scheiden damit ebenso aus wie ein im Adreßraum aller Rechner eingerichteter, gemeinsam genutzter Arbeitsspeicher.In order to meet the requirement for non-retroactivity, the Failure (including bus errors) of a module has no effect have the other modules of the module. Simple serial transmission systems with bus structure are therefore excluded as well a shared one set up in the address space of all computers Random access memory.

Grundsätzlich kann die Rechnerkopplung erfolgen über:In principle, the computer connection can be made via:

  • - Serielle Schnittstellen- serial interfaces
  • - parallele Schnittstellen und- parallel interfaces and
  • - spezielle, gemeinsam genutzte Speicher (Multiport-RAM).- Special, shared memory (multiport RAM).
Rechnerkopplung mit seriellen/parallelen SchnittstellenComputer coupling with serial / parallel interfaces

Die Kopplung über serielle oder parallele Schnittstellen erfordert, da busförmige Strukturen ausgeschlossen sind, immer spezielle Punkt-zu-Punkt-Verbindungen als Teil bidirektionaler Ringsysteme oder ein mehrkanaligen Bussystems, wie es im forschungsorientierten System FUTURE realisiert wurde. The coupling via serial or parallel interfaces requires since bus-shaped structures are excluded, always special ones Point-to-point connections as part of bidirectional Ring systems or a multi-channel bus system, as is the case in research-oriented System FUTURE was realized.  

Allen Verfahren gemeinsam ist die große Anzahl der benötigten seriellen oder parallelen Schnittstellen. Abgesehen vom Verdrahtungsaufwand ist damit immer eine umfangreiche zusätzliche Hardware erforderlich, da Schnittstellen in dieser Zahl nicht mehr von den Mikrocontrollern bereitgestellt werden bzw. dann die Hardware vollständig auslasten.Common to all of the processes is the large number required serial or parallel interfaces. Apart from the wiring effort is always an extensive additional Hardware required because interfaces don't count in this number more will be provided by the microcontrollers or then fully utilize the hardware.

Eine rückwirkungsfreie Rechnerkopplung über serielle bzw. parallele Schnittstellen ist damit schon aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht vertretbar und wird im Verarbeitungsknoten nicht vorgesehen.A feedback-free computer coupling via serial or parallel Interfaces are therefore from an economic point of view not justifiable and is in the processing node not provided.

Rechnerkopplung mit Multiport-RAMComputer coupling with multiport RAM

Mit einem Multiport-RAM lassen sich gemeinsam genutzte Speicher für bis zu vier Rechner aufbauen. Der Datenaustausch erfolgt über eine serielle oder parallele Schnittstelle (Port) über den im Baustein enthaltenden Speicher. Über Statusleitungen wird der Zugriff organisiert, so daß gleichzeitige Schreibzugriffe auf eine Speicherzelle ausgeschlossen sind. Parallel erfolgende Lseezugriffe sind in der Regel zugelassen. Der Vergleich von Daten und die Auswertung von Statusinformationen kann so optimal durchgeführt werden, da diese Daten in einem gemeinsamen Speicher abgelegt sind /FREN87/. Da der vergleichende Rechner die Daten direkt lesen kann, können Übertragungs- und Programmlaufzeiten minimiert werden.Shared memory can be used with a multiport RAM set up for up to four computers. The data exchange takes place over a serial or parallel interface (port) over the memory contained in the block. The status Access organized so that simultaneous write access to a memory cell are excluded. In parallel Access to the lake is generally permitted. The comparison of data and the evaluation of status information can be carried out optimally because this data in one shared memory / FREN87 /. Because the comparative Computers that can read data directly can transmit and Program times are minimized.

Auf dem Markt sind sehr unterschiedliche Bausteine verfügbar, von denen im folgenden zwei vorgestellt werden sollen:There are very different building blocks available on the market, Two of which are presented below:

Das "High-Speed 2 k × 8 Four-Port Static RAM" IDT7052L (Integrated Device Technology Inc., Advance Information 1989) koppelt bis zu vier Rechner über einen gemeinsam genutzten Speicher von 2 KByte (Bild 2.9).The "High-Speed 2 k × 8 Four-Port Static RAM" IDT7052L (Integrated Device Technology Inc., Advance Information 1989) couples up to four computers via a shared memory of 2 Kbytes ( Figure 2.9).

Der Baustein verfügt über vier parallele Schnittstellen mit Adreß-, Daten- und Steuerleitungen. Im Adreßraum eines Rechners verhält er sich wie ein Schreib-/Lesespeicher. Zur Zugriffssteuerung ist lediglich ein zusätzliches BUSY-Signal auszuwerten. Im Einzelnen:The block has four parallel interfaces with Address, data and control lines. In the address space of a computer it behaves like a read / write memory. For access control you only need to evaluate an additional BUSY signal. In detail:

  • - Schneller Speicherbaustein: Zugriffszeit unter 50 ns.- Fast memory chip: access time less than 50 ns.
  • - Jeder Rechner kann auf jede Speicherzelle zugreifen. Gleichzeitige Schreibzugriffe werden über BUSY-Signal verhindert.- Every computer can access every memory cell. Simultaneously Write access is prevented via a BUSY signal.
  • - Stromaufnahme bis zu 400 mA (VCC = 5 V). Wird der Baustein nicht selektiert (-CE₁ . . . -CE₄), wird automatisch in einen "Standby-Modus" geschaltet (ICC = 1,5 mA).- Current consumption up to 400 mA (VCC = 5 V). Will the block not selected (-CE₁.. -CE₄), is automatically in one "Standby mode" switched (ICC = 1.5 mA).
  • - Gehäuse: 108 p PGA oder 132 p Quad Platpack. - Housing: 108 p PGA or 132 p Quad Platpack.  
  • - Hoher Preis: über 200 DM je Baustein.- High price: over DM 200 per module.

Dieses Multiport-RAM stellt ein sehr schnelles und, da es sich nach außen wie ein beliebiger Schreib-/Lesespeicher verhält, auch einfaches Verfahren zur Rechnerkopplung dar. Die hohe Stromaufnahme des Bausteins und vor allem auch wirtschaftliche Gesichtspunkte lassen einen Einsatz im Verarbeitungsknoten nicht zu.This multiport RAM represents a very fast and as it is externally behaves like any read / write memory, also represent a simple method for computer coupling. The high Current consumption of the module and above all economic Considerations do not allow use in the processing node to.

Der preiswerte "Quad Port Serial RAM Chip" DS2015 von Dallas Semiconductor (Dallas Semiconductor Product Data Book, 1990-1991) (Bild 2.10) koppelt ebenfalls mehrere Rechner über einen gemeinsam genutzten Speicher:The inexpensive "Quad Port Serial RAM Chip" DS2015 from Dallas Semiconductor (Dallas Semiconductor Product Data Book, 1990-1991) ( Fig. 2.10) also couples several computers via a shared memory:

  • - Anschlußmöglichkeit für bis zu vier Prozessormodule.- Connection option for up to four processor modules.
  • - Die Datenübertragung erfolgt seriell über eine 4-Draht-Schnittstelle. Taktfrequenz maximal 4 MHz.- The data transmission is serial via a 4-wire interface. Maximum clock frequency 4 MHz.
  • - Jeder Rechner kann in seinem privaten Speicher (64-Bit) lesen und schreiben. Die drei übrigen Speicher können nur gelesen werden.- Each computer can read in its private memory (64-bit) and write. The three remaining memories can only be read will.
  • - Ein gleichzeitiger Lesezugriff über alle Ports auf eine Speicherzelle ist möglich.- Simultaneous read access to all ports via one Storage cell is possible.
  • - Warten Daten im eigenen Speicher, so wird das Signal "Message waiting" (MSG) erzeugt.- If data is waiting in its own memory, the "Message waiting "(MSG).
  • - Geringe Stromaufnahme: 6 mA (VCC = 5 V).- Low current consumption: 6 mA (VCC = 5 V).
  • - Gehäuse: 18 p DIL.- Housing: 18 p DIL.
  • - Stückpreis unter 10 DM.- Unit price under 10 DM.

Der geforderte Austausch von Statusinformationen innerhalb der Mehrrechnerstruktur ist mit diesem preiswerten Baustein zu realisieren. Damit steht, trotz des vergleichsweise nur sehr kleinen privaten Speicherbereichs und der Transportverzögerung durch die serielle Datenübertragung, ein ausreichend leistungsfähiger Baustein zur Rechnerkopplung zur Verfügung.The required exchange of status information within the Multi-computer structure can be realized with this inexpensive module. This stands, despite the comparatively very small private storage area and the transport delay serial data transmission, a sufficiently powerful Module for computer coupling available.

Die rückwirkungsfreie Rechnerkopplung ist auf der Trägerkarte mit einem Multiport-RAM DS2015 realisiert. Über die Vier-Draht-Schnittstelle können alle vier Prozessormodule in ihren privaten Speicher schreiben und aus allen Speicherbereichen Daten lesen.The feedback-free computer coupling is on the carrier card realized with a multiport RAM DS2015. Via the four-wire interface can all four processor modules in their private Write memory and read data from all memory areas.

Die zum Einbau in einen AT-kompatiblen Industrierechner vorgesehene Trägerkarte koppelt nur drei Prozessormodule über das Multiport-RAM. Über die vierte Schnittstelle erfolgt der Datenaustausch mit dem Industrierechner. The one intended for installation in an AT-compatible industrial computer Carrier card couples only three processor modules via the Multiport RAM. Data exchange takes place via the fourth interface with the industrial computer.  

2.1.2.2 Spannungsversorgung2.1.2.2 Power supply

Die Betriebsspannung für alle Prozessormodule wird durch ein Netzteil mit einer Ausgangsspannung von 9 Volt bereitgestellt. Der Ausgangsstrom beträgt max. 2 Ampere.The operating voltage for all processor modules is indicated by a Power supply provided with an output voltage of 9 volts. The output current is max. 2 amps.

Die Betriebsspannung wird über einen Reglerbaustein 78S09 stabilisiert.The operating voltage is controlled by a 78S09 controller stabilized.

2.1.2.3 Echtzeituhr2.1.2.3 Real time clock

Zur Synchronisation aller Prozessormodule innerhalb eines Verarbeitungsknotens ist auf der Trägerkarte ein batteriegepufferter Standard-Echtzeituhrenbaustein RTC72 421A enthalten. Dieser Baustein ist im Adreßraum des Prozessormoduls 0 angeordnet und wird über CSUHR selektiert.For synchronization of all processor modules within a processing node is a battery-backed on the carrier card Standard real-time clock module RTC72 421A included. This Module is arranged in the address space of processor module 0 and is selected via CSUHR.

Das Prozessormodul 0 kann damit Daten aus der Echtzeituhr lesen bzw. in den Baustein schreiben. Die Datum-/Zeitinformation wird dann über die lokale Rechnerkopplung an die übrigen Prozessormodule weitergegeben.The processor module 0 can thus read data from the real-time clock or write to the block. The date / time information will then via the local computer link to the other processor modules passed on.

2.1.2.4 Übergabepunkt2.1.2.4 Transfer point

Für jedes Prozessormodul werden die freien Ein-/Ausgabeleitungen, die Adreßleitungen A0 . . . A11, die Datenleitungen D0 . . . D7 und einige Steuersignale auf der Trägerkarte gesammelt und am Steckverbinder des Übergabepunkts für das Interface bereitgestellt.For each processor module, the free input / output lines, the address lines A0. . . A11, the data lines D0. . . D7 and some control signals collected on the carrier card and on the connector of the transfer point for the interface.

Alle Prozessormodule und der Übergabepunkt sind auf der Trägerkarte zusätzlich über die serielle Schnittstelle MICROWIRE/PLUS miteinander verbunden.All processor modules and the transfer point are on the carrier card additionally via the serial interface MICROWIRE / PLUS connected with each other.

2.2 Interface2.2 Interface

Als Bindeglied zwischen dem standardisierten zentralen Modul und dem technischen Prozeß ist ein aufgabenspezifisches E/A-System vorgesehen, daß in seiner Struktur von der Automatisierungsaufgabe geprägt ist.As a link between the standardized central module and the technical process is a task-specific I / O system provided that in its structure from the automation task is shaped.

Das E/A-System stellt auf Hardwareebene alle zur Ankopplung der in der Automatisierungstechnik üblichen Signale für Sensoren/Aktoren bereit. Der Übergabeort dieser Signale wird als Klemmleiste bezeichnet.At hardware level, the I / O system provides all for connecting the signals common to automation technology for sensors / actuators ready. The transfer location of these signals is referred to as the terminal block.

Jedes Interface verfügt über einen Kenndatensatz, der in einem seriellen EEPROM (256 × 16-Bit) gespeichert ist. Die Daten können von jedem Prozessormodul über die MICROWIRE/PLUS-Schnittstelle gelesen werden.Each interface has a key data record that is in one serial EEPROM (256 × 16-bit) is stored. The data can from every processor module via the MICROWIRE / PLUS interface to be read.

Das Interface identifiziert sich über diesen Kenndatensatz beim Verarbeitungsknoten, der dann die spezielle Betriebssoftware über das Datentransportsystem anfordert.The interface identifies itself with this key data record  Processing node, which is then the special operating software via the data transport system.

Vorgesehen ist zunächst ein Interface für RS-485 mit einem Betriebsprogramm für den DIN-Meßbus.An interface for RS-485 with an operating program is initially planned for the DIN measurement bus.

2.3 Das Datentransportsystem2.3 The data transport system

Der Datentransport zwischen den Verarbeitungsknoten erfolgt über ein in den vorgegebenen Grenzen frei strukturierbares, teilweise vermaschtes Datentransportsystem auf Basis von Kunststoff-Lichtwellenleitern. Jeder Verarbeitungsknoten verfügt dazu über bis zu vier Anschlüsse für Übertragungsleitungen.Data is transported between the processing nodes via a part that can be freely structured within the specified limits meshed data transport system based on plastic optical fibers. For this purpose, each processing node has up to four connections for transmission lines.

Innerhalb des Datentransportsystems wird jeder Knoten nach seiner Initialisierung eindeutig durch seine 16-Bit-Adresse identifiziert. Die Initialisierung wie auch die Übertragung der Betriebssoftware erfolgt immer über das Datentransportsystem. Die Steuerung des Datentransports erfolgt über eine Paketvermittlung. Daten werden, entsprechend der vorgegebenen Anforderung und Länge der jeweiligen Übertragungsleitung, mit bis zu 5 MBit/s übertragen. Ein leistungsfähiges Datensicherungsverfahren bildet die Grundlage für eine ständige, dynamische Optimierung der Übertragungsgeschwindigkeit als Reaktion auf erkannte Übertragungsfehler.Every node within the data transport system is tracked its initialization uniquely through its 16-bit address identified. The initialization as well as the transfer of the Operating software is always carried out via the data transport system. The data transport is controlled via a packet switch. Data will, according to the given requirement and Length of the respective transmission line, with up to 5 Mbit / s transfer. An efficient data backup procedure forms the basis for a constant, dynamic optimization of the transmission speed in response to detected transmission errors.

2.3.1  Vermittlungssteuerung2.3.1 Operator control

Für alle im Automatisierungssystem integrierten Verarbeitungsknoten stellt sich das Datentransportsystem insgesamt als eine speichervermittelnde Struktur dar, in die Daten in Form von Telegrammen paketweise abgegeben werden (Bild 2.11).For all processing nodes integrated in the automation system, the data transport system as a whole presents itself as a storage-mediating structure, into which data is delivered in packets in the form of telegrams ( Figure 2.11).

In diesem teilweise vermaschte Paketvermittlungsnetz verfügt jeder Verarbeitungsknoten über eine eindeutige Adresse. Daten werden in Anlehnung an das in DIN 19 245 T1 standardisierte Verfahren in Datentelegrammen übertragen, wobei die Adreßlänge zweckmäßigerweise so erhöht wird, daß auch in großen Systemen noch eindeutige Adressen zu vergeben sind.Everyone has access to this partially meshed packet switching network Processing node via a unique address. Data are based on the procedure standardized in DIN 19 245 T1 transmitted in data telegrams, the address length is expediently increased so that even in large systems there are still unique addresses to be assigned.

Die Zeit, die dieses Datentransportsystem benötigt, um die von einem Verarbeitungsknoten übergebenen Daten beim Adressaten abzuliefern, läßt sich, anders als beim Bus- oder Ringsystem (Token Ring) nicht eindeutig für jeden Teilnehmer bestimmen (Bild 2.12).The time it takes for this data transport system to deliver the data transferred from a processing node to the addressee, unlike with the bus or ring system (token ring), cannot be clearly determined for each participant ( Figure 2.12).

Um für ausgewählte Verbindungen definierte Reaktionszeiten festzuschreiben und vor allem Echtzeiteigenschaften zumindest lokal begrenzt zu ermöglichen, sind die Datentelegramme zusätzlich um Parameter zu ergänzen, die bestimmten Daten Priorität im Datentransportsystem geben. In Verbindung mit der auch diesen Anforderungen flexibel anpaßbaren Systemstruktur, leistungsfähigen Verarbeitungsknoten und einem schnellen Übertragungsmedium (Lichtwellenleiter) sind damit, zumindest lokal begrenzt, vorgegebene Reaktionszeiten einzuhalten.To define defined reaction times for selected connections and above all real time properties at least locally To allow limited, the data telegrams are also around Add parameters to make certain data a priority in the data transport system  give. In conjunction with these requirements flexibly adaptable system structure, powerful Processing nodes and a fast transmission medium (Optical fibers) are thus, at least locally limited, predetermined ones Adhere to response times.

Aus Bild 2.12 wird noch einmal deutlich, daß die Verarbeitungszeit in allen am Datentransport beteiligten Komponenten minimiert werden muß, um die Transportverzögerung insgesamt möglichst klein zu halten. Figure 2.12 shows once again that the processing time in all components involved in the data transport must be minimized in order to keep the transport delay as small as possible.

Auf die theoretischen Grundlagen speichervermittelnder Systeme soll an dieser Stelle nicht weiter eingegangen werden, zumal diese Thematik bereits sehr ausführlich Eingang in die Literatur gefunden hat (SCHN82, FRAN86, KAUF87 u. a.).On the theoretical basics of memory-switching systems should not be discussed further here, especially this topic is already very detailed in the literature found (SCHN82, FRAN86, KAUF87 and others).

Innerhalb der nachfolgenden Betrachtungen zur Realisierung des teilweise vermaschten Datentransportsystems sollen die unterschiedlichen Anforderungen an die für verschiedene Teilstrukturen notwendigen Vermittlungssteuerungen dargestellt werden.Within the following considerations for the realization of the partially meshed data transport systems are said to be the different Requirements for different substructures necessary switching controls are shown.

2.3.2 Verbindungsstrukturen2.3.2 Connection structures

Innerhalb der zugelassenen teilweise vermaschten Verbindungsstruktur werden insgesamt fünf unterschiedliche Verbindungsarten unterschiedlicher Komplexität (Teilstrukturen) vereinbart. Das Erkennen der für einen Verarbeitungsknoten oder auch nur für ein Prozessormodul gültigen Teilstruktur, klassifiziert nach Typ 1 bis Typ 5, bildet eine wesentliche Grundlage für die anzuwendende Vermittlungssteuerung:Within the approved partially meshed connection structure five different connection types different complexity (substructures) agreed. Detecting the for a processing node or just for a processor module valid substructure, classified by type 1 to type 5, forms an essential basis for the application Switch control:

Typ 1: Punkt-zu-Punkt-Verbindung
Typ 2: Unidirektionaler Ring
Typ 3: Bidirektionaler Ring
Typ 4: Unidirektionaler Bus
Typ 5: Teilweise vermascht. Kombinationen aus Typ 1 bis 4 und zusätzliche Querverbindungen sind zugelassen.
Type 1: point-to-point connection
Type 2: unidirectional ring
Type 3: bidirectional ring
Type 4: Unidirectional bus
Type 5: Partly meshed. Combinations of types 1 to 4 and additional cross connections are permitted.

Verfügt ein Verarbeitungsknoten über mehr als eine Schnittstelle zum Datentransportsystem, so sind unterschiedliche Klassifizierungen entsprechend der jeweils tatsächlich vorliegenden Teilstruktur vorgesehen.A processing node has more than one interface to the data transport system, there are different classifications according to the actual partial structure intended.

Eine Teilstruktur vom Typ 5 liegt immer dann vor, wenn ein Knoten über mehr als zwei beschaltete Anschlüsse für Datenleitungen verfügt oder wenn die Klassifizierung nach Typ 1 bis 4 nicht mögllich ist. A substructure of type 5 is always present if a Nodes with more than two wired connections for data lines or if the classification according to type 1 to 4 is not possible.  

2.3.2.1 Punkt-zu-Punkt-Verbindung2.3.2.1 Point-to-point connection

Der Verarbeitungsknoten verfügt nur über einen Anschluß zum Datentransportsystem (Bild 2.13). Für diese Verbindungsstruktur (Typ 1) kommt eine einfache Vermittlungssteuerung zur Anwendung:The processing node has only one connection to the data transport system ( Figure 2.13). A simple switching control is used for this connection structure (type 1):

  • - Alle Datentelegramme, die die eigene Adresse als Zieladresse führen, werden ausgewertet und, wenn erforderlich, quittiert.- All data telegrams that use their own address as the destination address are evaluated and, if necessary, acknowledged.
  • - Telegramme für fremde Knoten werden nicht weitergeleitet.- Telegrams for foreign nodes are not forwarded.
  • - Eigene Telegramme werden, unabhängig von der Zieladresse, immer an den Nachbarn gesendet.- Own telegrams, regardless of the target address, always sent to the neighbors.
2.3.2.2 Unidirektionaler Ring2.3.2.2 Unidirectional ring

Jeder Verarbeitungsknoten kann von seinem linken Nachbarn Datentelegramme empfangen und Daten an den rechten Nachbarn senden (Bild 2.14). Insgesamt ergibt sich eine geschlossene Ringstruktur mit gerichteter Datenübertragung (Typ 2).Each processing node can receive data telegrams from its left neighbor and send data to its right neighbor ( Figure 2.14). Overall, there is a closed ring structure with directional data transmission (type 2).

Für die Vermittlungssteuerung eines beliebigen Knotens gilt jetzt:The following applies to the switching control of any node now:

  • - Alle Datentelegramme, die die eigene Adresse als Zieladresse führen, werden ausgewertet und, wenn erforderlich, quittiert.- All data telegrams that use their own address as the destination address are evaluated and, if necessary, acknowledged.
  • - Jedes Telegramm, das die eigene Adresse als Absenderadresse enthält, muß vom Ring genommen werden, da der Adressat nicht erreicht wurde (Teilnehmer nicht im Ring; Fehlerbedingung).- Every telegram that uses its own address as the sender address contains, must be removed from the ring, since the addressee is not was reached (participant not in the ring; error condition).
  • - Telegramme mit fremden Zieladressen werden weitergeleitet.- Telegrams with foreign destination addresses are forwarded.

Ein Datentelegramm, das als Zieladresse eine alle Verarbeitungsknoten umfassende Gruppenadresse enthält, kreist im Ring. Für eine Datenerfassungssystem wird jedem Knoten ein Ausschnitt dieses Telegramms zugewiesen, der immer dann aktualisiert wird, wenn der betreffende Verarbeitungsknoten das Telegramm bearbeitet. Ein ausgewählter Knoten stellt die so gesammelten Daten dann für die weitere Bearbeitung zur Verfügung.A data telegram that is the destination address of all processing nodes contains comprehensive group address, circles in the ring. For A data acquisition system will be a snippet of each node assigned to this telegram, which is always updated when the processing node concerned processes the telegram. A selected node provides the data collected in this way then available for further editing.

2.3.2.3 Bidirektionaler Ring2.3.2.3 Bidirectional ring

Jeder Verarbeitungsknoten verfügt über genau zwei Anschlüsse für Datenübertragungsleitungen (Bild 2.15). Datentelegramme können zu beiden Nachbarn übertragen bzw. von beiden Nachbarn empfangen werden (Typ 3). Each processing node has exactly two connections for data transmission lines ( Figure 2.15). Data telegrams can be transmitted to both neighbors or received by both neighbors (type 3).

Für die Vermittlungssteuerung gelten zunächst die gleichen Grundsätze wie für den unidirektionalen Ring. Zusätzlich ist zu berücksichtigen:The same initially applies to switching control Principles as for the unidirectional ring. In addition, too consider:

  • - Jeder Verarbeitungsknoten führt eine Verbindungstabelle (im denzentralen gesteuerten, paketvermittelnden Datentransportsystem führt jeder Verarbeitungsknoten eine gewichtete Verbindungstabelle (Laufwegtafel) /SCHN82,KAUF87/), die bei gegebener Zieladresse die Auswahl der jeweils kürzesten Verbindung ermöglicht. Laufzeiten werden minimiert.- Each processing node maintains a connection table (In the centrally controlled, packet-switching data transport system, each processing node carries a weighted one Connection table (route map) / SCHN82, KAUF87 /), the for a given destination address the selection of the shortest in each case Connection enabled. Running times are minimized.
  • - Nach Leitungsunterbrechung wird das Datentransportsystem entsprechend Typ 1 oder 2 rekonfiguriert.- After a line break, the data transport system reconfigured according to type 1 or 2.
2.3.2.4 Unidirektionaler Bus2.3.2.4 Unidirectional bus

Der unidirektionale Bus (Typ 4) synchronisiert alle als Empfänger geschalteten Verarbeitungsknoten durch ein gleichzeitig empfangenes Datentelegramm (Bild 2.16).The unidirectional bus (type 4) synchronizes all processing nodes connected as receivers with a data telegram received at the same time ( Fig. 2.16).

Der mechanische Aufbau dieser Teilstruktur erfordert spezielle Auskoppelmodule (AM), in denen jeweils ein Teil der im Kunststoff- Lichtwellenleiter übertragenen Energie ausgekoppelt und einem Verarbeitungsknoten zugeführt wird (Bild 2.17).The mechanical structure of this substructure requires special decoupling modules (AM), in each of which a part of the energy transmitted in the plastic optical fiber is decoupled and fed to a processing node ( Figure 2.17).

Für die Vermittlungssteuerung gilt:The following applies to switching control:

  • - Der als Sender geschaltete Knoten führt in einer speziellen Tabelle die Adressen aller empfangsbereiten Teilnehmer.- The node switched as transmitter leads in a special Table of the addresses of all participants ready to receive.
  • - Jeder Knoten wertet Datentelegramme aus, die die eigene Adresse führen.- Each node evaluates data telegrams that are its own Address.
  • - Jeder Knoten kann ein spezielles Synchronisationszeichen auswerten.- Each node can have a special synchronization character evaluate.
  • - Quittungen werden nur dann erzeugt, wenn dem Knoten noch ein zusätzlicher Übertragungsweg (Typ 1, 2, 3 oder 5) zur Verfügung steht.- Acknowledgments are only generated if the node still has a additional transmission path (type 1, 2, 3 or 5) available stands.
2.3.2.5 Teilweise vermaschte Struktur2.3.2.5 Partially meshed structure

Jeder Verarbeitungsknoten mit mehr als zwei beschalteten Anschlüssen für Datenleitungen ist Bestandteil einer Teilstruktur vom Typ 5.Each processing node with more than two wired connections for data lines is part of a substructure type 5.

Die Vermittlungssteuerung basiert auch in diesem Fall auf einer Verbindungstabelle. Im Vergleich zum bidirektionalen Ring sind jetzt aber für jede Zieladresse bis zu vier unterschiedliche Verbindungswege gewichtet zu führen und auszuwerten. The switching control is based on one in this case too Connection table. Compared to the bidirectional ring but now up to four different ones for each destination Leading and evaluating connection paths weighted.  

In dem gewählten Beispiel (Bild 2.18) gelten für die Verarbeitungsknoten VK1, VK3 und VK4 Teilstrukturen vom Typ 5. Die Vermittlungssteuerung von VK2 setzt Typ 3, die von VK5 Typ 1 voraus. In diesem Datentransportsystem kommen damit unterschiedlich komplexe Vermittlungssteuerungen gemischt zum Einsatz.In the selected example ( Figure 2.18), partial structures of type 5 apply to the processing nodes VK1, VK3 and VK4. The switching control of VK2 requires type 3, that of VK5 type 1. In this data transport system, differently complex switching controls are used mixed.

Fallen eine oder mehrere Verbindungen aus, wird das Datentransportsystem entsprechend der dann gültigen Teilstrukturen rekonfiguriert.If one or more connections fail, the data transport system reconfigured according to the then valid substructures.

2.3.3 Datenübertragung2.3.3 Data transfer 2.3.3.1 Verfahren zur Datensicherung2.3.3.1 Procedure for data backup

Zusätzlich zur bereits im UART durchgeführten Blocksicherung über eine Querparität wird die Gefahr von unerkannten Übertragungsfehlern über ein zusätzliches, mit Software realisiertes Verfahren mit zyklischen Codes (Cyclic Redundancy Check, CRC) minimiert.In addition to the block backup already carried out in the UART Cross parity increases the risk of undetected transmission errors via an additional software-implemented one Cyclic redundancy check (CRC) procedure minimized.

Umgesetzt wurde ein 1-Byte-CRC-Sicherungsverfahren, daß gleichzeitig auch eine Grundlage für eine automatische Anpassung der Übertragungsgeschwindigkeit bildet.A 1-byte CRC backup procedure was implemented that simultaneously also a basis for an automatic adjustment of the Forms transmission speed.

2.3.3.2 Einzelzeichen2.3.3.2 Single characters

Die Übertragung von Einzelzeichen stellt im speichervermittelnden Datentransportsystem eine Ausnahme dar. Da weder Absender- noch Zieladresse enthalten sind, kann hier nur eine ungerichtete Kommunikation zwischen zwei Nachbarn im Datentransportsystem erfolgen.The transfer of single characters represents in the memory switching Data transport system is an exception. Since neither sender destination address are still included, can only be an undirected one Communication between two neighbors in the data transport system respectively.

Einzelzeichen werden vereinbart für:Individual characters are agreed for:

  • - Prüfmuster: 8-Bit, Code: 1 BH.- Test pattern: 8-bit, code: 1 B H.
  • - Synchronisationszeichen: 8-Bit, Code: 2EH.- Synchronization characters: 8-bit, code: 2E H.

Prüfmuster werden immer dann gesendet, wenn in einem Zeitraum von 50 ms kein anderer Datentransport stattgefunden hat. Mit diesem zyklisch erzeugten Signal wird erreicht, daß Leitungsunterbrechungen spätestens nach 50 ms erkannt werden. Die Prüfung auf Übertragungsfehler schafft die Voraussetzung für eine jederzeit mögliche Anpassung der Übertragungsgeschwindigkeit.Test samples are always sent when in a period no other data transport took place after 50 ms. With this cyclically generated signal is achieved that line breaks be recognized after 50 ms at the latest. The Testing for transmission errors creates the prerequisite for a possible adaptation of the transmission speed at any time.

Synchronisationszeichen dienen innerhalb einer Teilstruktur vom Typ 4 zur zeitgleichen Auslösung spezieller Funktionen bei allen als Empfänger geschalteten Verarbeitungsknoten.Synchronization characters are used within a substructure of Type 4 for simultaneous triggering of special functions for all processing nodes switched as receivers.

Weitere Einzelzeichen werden nicht zugelassen. No other single characters are allowed.  

2.3.3.3 Datentelegramm2.3.3.3 Data telegram

Der Datentransport erfolgt in Anlehnung an DIN 19 245 T1 in Telegrammform (Bild 2.19). Jedes Datentelegramm verfügt über eine Absender- und eine Zieladresse. Jede Adresse (16-Bit) beinhaltet einen jeweils 8-Bit langen Gruppen- und Einzelanteil als Voraussetzung für "Sammeltelegramme" an alle oder einen ausgewählten Teil der Verarbeitungsknoten im Datentransportsystem.The data is transported in accordance with DIN 19 245 T1 in telegram form ( Figure 2.19). Each data telegram has a sender and a destination address. Each address (16-bit) contains an 8-bit long group and individual part as a prerequisite for "collective telegrams" to all or a selected part of the processing nodes in the data transport system.

Die maximale Länge eines Datentelegrammes beträgt 512 Zeichen.The maximum length of a data telegram is 512 characters.

Jedem Telegramm werden zusätzlich 8 Zeichen zur Synchronisation vorangestellt.Each telegram also has 8 characters for synchronization prepended.

Die Funktion der Datenfelder innerhalb eines Telegramms ist in Tabelle 2.1 dargestellt.The function of the data fields within a telegram is in Table 2.1 shown.

Die Struktur der in einem Telegramm übertragenen Daten ist zweckorientiert. Die Anzahl der Daten bestimmt die tatsächliche Telegrammlänge: 12 bis 512 Bytes, zusätzlich noch 8 vorangestellte Zeichen zur Synchronisation.The structure of the data transmitted in a telegram is purposeful. The number of dates determines the actual one Telegram length: 12 to 512 bytes, plus 8 in front Sign for synchronization.

Der Aufbau und die Funktion der im Telegrammformat vereinbarten Felder im einzelnen:The structure and function of those agreed in the telegram format Detailed fields:

SC Mit den jedem Datentelegramm vorgeschalteten acht SC-Zeichen (Code: D3H) wird über eine Auswertung von Übertragungsfehlern die aktuelle Übertragungsrate aktualisiert.
Wird beim Empfang eine Fehlerbedingung erfüllt, so werden nacheinander alle zugelassenen Übertragungsraten geschaltet. Können die Übertragungsfehler nicht beseitigt werden, wird der Empfang abgebrochen und eine Fehlermeldung mit der zuletzt gültigen Übertragungsrate erzeugt.
Konnte die aktuelle Übertragungsrate erkannt und eingestellt werden, wird diese zumindest für das nachfolgende Telegramm nicht mehr variiert.
SD Startzeichen des Datentelegramms (Code: 68H). Die Empfangsroute muß dieses Zeichen nach spätestens acht SC-Zeichen erkannt haben.
SA Absenderadresse (16-Bit, 0 . . FFFFH).
DA Zieladresse (16-Bit, 0 . . FFFFH).
SC With the eight SC characters (code: D3 H ) preceding each data telegram, the current transmission rate is updated by evaluating transmission errors.
If an error condition is met during reception, all permitted transmission rates are switched in succession. If the transmission errors cannot be eliminated, reception is aborted and an error message is generated with the last valid transmission rate.
If the current transmission rate could be recognized and set, it will no longer be varied, at least for the subsequent telegram.
SD start character of the data telegram (code: 68 H ). The receiving route must have recognized this character after eight SC characters at the latest.
SA sender address (16-bit, 0.. FFFF H ).
DA destination address (16-bit, 0.. FFFF H ).

Adressen werden immer aus einer jeweils 8-Bit langen Gruppen- und Einzeladresse gebildet:Addresses are always 8-bit long Group and individual address formed:

Der zugelassene Wertebereich für die Gruppenadresse ist 01H . . FFH. Innerhalb jeder Gruppe sind Einzeladresse von ebenfalls 01H . . FFH möglich. Damit können bis zu 65025 Teilnehmer adressiert werden.The permitted range of values for the group address is 01 H. . FF H. Within each group there are also individual addresses of 01 H. . FF H possible. This can address up to 65025 participants.

Alle Einzeladressen der Gruppe 00H sind für spezielle Steueraufgaben reserviert:All individual addresses in group 00 H are reserved for special tax tasks:

  • - Mit der Zieladresse 0000H werden alle Teilnehmer adressiert.- With the target address 0000 H all participants are addressed.
  • - Ist die Adresse 00FFH und DT = 00H, so werden die im Telegramm enthaltenen Daten vom nächsten neuen Knoten als Initialisierung aufgenommen.- If the address 00FF H and DT = 00 H , the data contained in the telegram are taken up by the next new node as initialization.

MN Modulnummer (8-Bit, 0 . . FFH). die Modulnummer ist eine Erweiterung der Zieladresse. In einem Verarbeitungsknoten können damit bis zu 256 Geräte adressiert werden:MN module number (8-bit, 0.. FF H ). the module number is an extension of the target address. Up to 256 devices can be addressed in one processing node:

  • - Die Modulnummern 00H . . 03H sind die Adressen der Prozessormodule- The module numbers 00 H. . 03 H are the addresses of the processor modules
  • - Mit MN 04H . . FFH können je Verarbeitungsknoten bis zu 252 über das Interface verwaltete Geräte direkt adressiert werden.- With MN 04 H. . FF H , up to 252 devices managed via the interface can be directly addressed per processing node.

DT Der Inhalt des Feldes DT (8-Bit, 0 . . FFH) kennzeichnet die Art der nachfolgenden Daten. DT kann ein Kurzbefehl sein:DT The content of the DT field (8-bit, 0.. FF H ) identifies the type of data that follows. DT can be a shortcut:

DT = 00H Es folgen Initialisierungsdaten für den Knoten mit Adresse DA, Modul MN.
Mit DA=00FFH wird der nächste neue Knoten initialisiert.
= 01H es folgt ein Teil des Betriebsprogrammes für den Knoten DA, Modul MN.
= 02H es folgt ein Kurzbefehl oder Parametersatz für Knoten DA, Modul MN.
= 13H Sende Parametersatz 1 von Knoten DA, Modul MN an Verarbeitungsknoten SA.
= 14H Sende Parametersatz 2 von Knoten DA, Modul MN an Verarbeitungsknoten SA.
= 80H Dieses Telegramm ist eine Kurzquittung des Empfängers an den Absender: Datentelegramm fehlerfrei empfangen.
= 81H . . . 8FH Dieses Telegramm ist eine Kurzquittung des Empfängers an den Absender: Datentelegramm empfangen. Fehler 81H . . 8FH erkannt.
FFH Der Nachbar im Datentransportsystem fordert eine Identifizierung: Der erste Knoten, der dieses Telegramm empfängt, sendet seinen Parametersatz 1 an den Knoten SA. Die Zieladresse DA ist immer 00FEH.
PR Priorität dieses Datentelegrammes (8-Bit, 0 . . FFH).
LE Länge dieses Datentelegrammes (1-Bit, 0 . . FFFFH). Die minimale Länge (Kurzbefehl) beträgt 12, maximal sind 512 Zeichen zugelassen. Die acht zur Synchronisation vorangestellten Zeichen werden nicht mitgezählt.
D₁ . . Dn Null (Kurzbefehl) bis 500 Datenbytes (8-Bit, 0 . . FFH).
FC Prüfsumme dieses Datentelegrammes (8-Bit, 0 . . FFH). FC umfaßt alle Zeichen des Telegramms. Die vorangestellten SC-Zeichen werden nicht berücksichtigt.
ED Endzeichen des Datentelegrammes. Code: 8EH.
DT = 00 H This is followed by initialization data for the node with address DA, module MN.
The next new node is initialized with DA = 00FF H.
= 01 H, it follows a part of the operating program for the node DA, MN module.
= 02 H there follows a short command or parameter set for node DA, module MN.
= 13 H Send parameter set 1 from node DA, module MN to processing node SA.
= 14 H Send parameter set 2 from node DA, module MN to processing node SA.
= 80 H This telegram is a short acknowledgment from the recipient to the sender: Data telegram received without errors.
= 81 H. . . 8F H This telegram is a short acknowledgment from the recipient to the sender: data telegram received. Error 81 H. . 8F H recognized.
FF H The neighbor in the data transport system requires identification: The first node that receives this telegram sends its parameter set 1 to node SA. The destination address DA is always 00FE H.
PR priority of this data telegram (8-bit, 0.. FF H ).
LE Length of this data telegram (1 bit, 0 ... FFFF H ). The minimum length (shortcut) is 12, the maximum is 512 characters. The eight characters preceding the synchronization are not counted.
D₁. . D n zero (short command) up to 500 data bytes (8-bit, 0 ... FF H ).
FC checksum of this data telegram (8-bit, 0 ... FF H ). FC includes all characters of the telegram. The preceding SC characters are not taken into account.
ED end character of the data telegram. Code: 8E H.

2.3.3.3.1 Initialisierungsdaten 2.3.3.3.1 Initialization data

1. Initialisierung eines neuen Teilnehmers 1. Initialization of a new participant

Ein Verarbeitungsknoten, der sein Inititalisierungstelegramm erhalten hat, schickt als Quittung seinen Parametersatz 1 zur angegebenen Leitstation. A processing node that receives its initialization telegram has received, sends its parameter set 1 as an acknowledgment specified control station.  

2.3.3.3.2 Betriebsprogramm 2.3.3.3.2 Operating program

3. Beispiele3. Examples

Die folgenden Beispiele zeigen die tatsächliche Flexibilität des vorgestellten Datentransportsystems. Ausgehend von einer realen Automatisierungsaufgabe wird gezeigt, wie die Verbindungsstruktur entsprechend der unterschiedlichen Anforderungen variiert wird.The following examples show the actual flexibility of the presented data transport system. Starting from a real one Automation task is shown how the connection structure varies according to different requirements becomes.

AutomatisierungsaufgabeAutomation task

In einer Werkhalle werden 100 Textilmaschinen betrieben. Jede Maschine verfügt über ein eigenes Steuergerät, das die Betriebsdaten an einer V24-Schnittstelle zur Weiterverarbeitung bereitstellt.100 textile machines are operated in a workshop. Each The machine has its own control unit that records the operating data on a V24 interface for further processing.

Die Betriebsdaten aller 100 Maschinen sollen mit Hilfe eines Datentransportsytems gesammelt und, grafisch aufbereitet, auf einem zentralen Leitstand (LS) dargestellt werden.The operating data of all 100 machines are to be Data transport systems collected and, graphically prepared, on a central control room (LS).

Zum Aufbau des Datentransportsystems stehen zur Verfügung:The following are available for setting up the data transport system:

  • - Prozessormodule mit:
    MTBF < 6.8 * 10⁵ h und
    mittlerer Programmlaufzeit tP < 5 * 10-7 s
    - Processor modules with:
    MTBF <6.8 * 10⁵ h and
    average program duration t P <5 * 10 -7 s
  • - Übertragungsleitungen:
    MTBF < 3 * 10⁶ h und
    Übertragungszeit¹¹) tÜ < 4.3 * 10-3 s.
    - transmission lines:
    MTBF <3 * 10⁶ h and
    Transmission time¹¹) t Ü <4.3 * 10 -3 s.

Als Zuverlässigkeitskenngröße wird die Wahrscheinlichkeit für den Systembetriebszustand P(B,t₁) für t₁ = 1 Jahr berechnet. Der Rechengang ist im Anhang dargestellt.
¹¹) Die Übertragungszeit ist berechnet für ein Datentelegramm mit Gesamtlänge von 8+512 Zeichen.
The probability of the system operating state P (B, t 1) for t 1 = 1 year is calculated as the reliability parameter. The calculation process is shown in the appendix.
¹¹) The transmission time is calculated for a data telegram with a total length of 8 + 512 characters.

In den nachfolgenden Beispielen werden die Verarbeitungsknoten als gestrichelter Rahmen dargestellt, in den ein bis vier Prozessormodule (schraffiert) eingebaut sind. Die Verbindungsleitungen zwischen den Prozessormodulen sind als Vektoren eingezeichnet. Sie geben die Übertragungsrichtung an.In the examples below, the processing nodes shown as a dashed frame in which one to four processor modules (hatched) are installed. The connecting lines between the processor modules are drawn in as vectors. You specify the direction of transmission.

3.1 Beispiel 13.1 Example 1

Die Betriebsdaten aller Textilmaschinen sollen über ein ringförmig strukturiertes, einfach aufgebautes Datentransportsystem erfaßt werden.The operating data of all textile machines should have a ring shape structured, simply structured data transport system be recorded.

Besondere Zuverlässigkeitsanforderungen: Keine.Special reliability requirements: none.

Vorgegebene Reaktionszeiten:
Alle 1-2 s soll der Leitstand die Darstellung aktualisieren.
Predefined response times:
The control center should update the display every 1-2 s.

Das Datentransportsystem wird strukturiert als unidirektionaler Ring (Typ 2), in dem für jede Textilmaschine ein eigener Verarbeitungsknoten (VK1 . . VK100) eingerichtet wird (Bild 3.1).The data transport system is structured as a unidirectional ring (type 2), in which a separate processing node (VK1 ... VK100) is set up for each textile machine ( Figure 3.1).

Als Leitstand wird ein AT-kompatibler Industrierechner mit eigenem Verarbeitungsknoten (LS) eingesetzt.An AT-compatible industrial computer with its own is used as the control center Processing node (LS) used.

Die Datenerfassung erfolgt über ein zyklisch im Ring kreisendes Datentelegramm, das jeden Verarbeitungsknoten aktualisiert. Im Leitstand wird dieses Telegramm ausgewertet.The data acquisition takes place via a cyclically circling in the ring Data telegram that updates every processing node. in the This telegram is evaluated in the control center.

Als Zykluszeit tZ für das Datentelegramm ergibt sichThe cycle time t Z for the data telegram results

tZ = 101 * (tP + tÜ) = 0,43 st Z = 101 * (t P + t Ü ) = 0.43 s

Alle 0,43 s kann der Leitstand ein Datentelegramm auswerten und für alle 100 Textilmaschinen die Darstellung der Betriebsdaten aktualisieren. Die Reaktionszeit ist damit deutlich besser als gefordert.The control center can evaluate a data telegram every 0.43 s for all 100 textile machines the representation of the operating data To update. The response time is significantly better than required.

Die Wahrscheinlichkeit für den Betriebszustand errechnet sich zuThe probability of the operating state is calculated

P(B,t₁) = 0,2036P (B, t₁) = 0.2036

Da in diesem Fall keine besonderen Zuverlässigkeitsanforderungen gestellt wurden, kann die dargestellte einfache Verbindungsstruktur zum Einsatz kommen. In Kauf genommen wird, daß jede Unterbrechung einer Übertragungsleitung immer auch zum Systemausfall führt.Because in this case no special reliability requirements the simple connection structure shown can are used. It is accepted that each Interruption of a transmission line always leads to a system failure leads.

3.2 Beispiel 23.2 Example 2

Das Datentransportsystem ist jetzt an lokal unterschiedliche Anforderungen anzupassen:The data transport system is now locally different Adjust requirements:

Besondere Zuverlässigkeitsanforderungen:
P(B,t₁) < 0,7 für die aus LS, VK1 . . VK3 und VK98 . . VK100 gebildete Teilstruktur.
Vorgegebene Reaktionszeiten:
Für Verbindung VK3 zu VK98 maximal 100 ms. Für LS wiederum 1-2 s für Gesamtdarstellung.
Special reliability requirements:
P (B, t₁) <0.7 for those from LS, VK1. . VK3 and VK98. . VK100 formed substructure.
Predefined response times:
For connection VK3 to VK98 maximum 100 ms. For LS again 1-2 s for overall presentation.

Das Datentransportsystem wird wiederum strukturiert als unidirektionaler Ring (Typ 2), wobei jetzt folgende Voraussetzungen zu berücksichtigen sind:The data transport system is in turn structured as unidirectional Ring (type 2), with the following requirements now to take into account:

  • - Die Zuverlässigkeitsanforderung für die angegebene Teilstruktur ist nur dann zu erfüllen, wenn insgesamt nicht mehr als 22 Verarbeitungsknoten und Übertragungsleitungen enthalten sind. Damit wird eine zusätzliche Querverbindung erforderlich.- The reliability requirement for the specified substructure is only to be fulfilled if no more than 22 in total Processing nodes and transmission lines are included. An additional cross connection is therefore required.
  • - Bei der vorgegebenen Reaktionszeit dürfen maximal 22 Knoten mit ihren Übertragungsleitungen am Datenaustausch zwischen VK3 und VK98 beteiligt sein.- At the given reaction time, a maximum of 22 knots is allowed with their transmission lines at the data exchange between VK3 and VK98 are involved.

Ausgehend von der vorgegebenen Struktur können beide Anforderungen bereits durch eine zusätzliche, bidirektionale Verbindung zwischen VK3 und VK98 erfüllt werden (Bild 3.2).Based on the given structure, both requirements can already be met by an additional, bidirectional connection between VK3 and VK98 ( Figure 3.2).

Beide Verarbeitungsknoten erhalten ein zweites Prozessormodul, mit dem dann eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung (Typ 1) aufgebaut wird.Both processing nodes receive a second processor module, with which a point-to-point connection (type 1) is then established becomes.

Die Betriebsdaten aller Textilmaschinen können auch weiterhin mit einer Zykluszeit von 0,43 s erfaßt werden. Für die aus den Knoten LS, VK1 . . VK3 und VK98 . . VK100 gebildete Teilstruktur gilt:The operating data of all textile machines can continue with a cycle time of 0.43 s. For those from the Node LS, VK1. . VK3 and VK98. . VK100 formed substructure applies:

Datenübertragung in ca. 30 ms und
P(B,t₁) = 0,8955.
Data transmission in approx. 30 ms and
P (B, t₁) = 0.8955.

Der Datentransport zwischen VK3 und VK98 erfolgt in maximal 9 ms.The data transport between VK3 and VK98 takes place in maximum 9 ms.

Die Teilstruktur erfüllt damit wesentliche höhere Anforderungen als der Rest des Datentransportsystems. Lokal unterschiedliche Anforderungen werden erfüllt.The substructure thus fulfills significantly higher requirements than the rest of the data transport system. Locally different Requirements are met.

3.2 Beispiel 33.2 Example 3

Auch hier muß das Datentransportsystem unterschiedlichen Anforderungen genügen:Here, too, the data transport system has different requirements are enough:

Besondere Zuverlässigkeitsanforderungen:
P(B,t₁) < 0,85 für die aus LS und VK4 gebildete Teilstruktur.
Vorgegebene Reaktionszeiten:
Für Verbindung LS zu VK1 . . VK4 sowie für VK98 zu VK100 maximal 25 ms. Für LS wiederum 1-2 s für Gesamtdarstellung.
Special reliability requirements:
P (B, t₁) <0.85 for the substructure formed from LS and VK4.
Predefined response times:
For connection LS to VK1. . VK4 and for VK98 to VK100 maximum 25 ms. For LS again 1-2 s for overall presentation.

Das Datentransportsystem wird wiederum strukturiert als unidirektionaler Ring (Typ 2), wobei jetzt folgende Voraussetzungen zu berücksichtigen sind:The data transport system is in turn structured as unidirectional Ring (type 2), with the following requirements now  to take into account:

  • - Die Zuverlässigkeitsanforderung für die angegebene Teilstruktur ist nur dann zu erfüllen, wenn insgesamt nicht mehr als 10 Verarbeitungsknoten und Übertragungsleitungen enthalten sind.- The reliability requirement for the specified substructure is only to be fulfilled if a total of no more than 10 Processing nodes and transmission lines are included.
  • - Bei der vorgegebenen Reaktionszeit dürfen maximal 5 Knoten mit ihren Übertragungsleitungen am Datenaustausch zwischen den angegebenen Teilnehmern beteiligt sein.- At the given reaction time, a maximum of 5 knots are allowed your transmission lines at the data exchange between the specified Participants.

Werden innerhalb der vorgeschlagenen Verbindungsstruktur die Datenleitungen zwischen LS und VK1 . . VK4 bidirektional ausgeführt, sind die geforderten Reaktionszeiten hier bereits einzuhalten. Für den Datenaustausch zwischen VK98 und VK100 wird eine zusätzliche bidirektionale Punkt-zu-Punkt-Verbindung erforderlich (Bild 3.3).Are the data lines between LS and VK1 within the proposed connection structure. . VK4 bidirectional, the required response times must already be observed here. An additional bidirectional point-to-point connection is required for data exchange between VK98 and VK100 ( Figure 3.3).

Für die angegebenen sieben Verarbeitungsknoten wird jeweils ein zweites Prozessormodul erforderlich.For each of the seven processing nodes specified, one is used second processor module required.

Die Betriebsdaten aller Textilmaschinen werden auch in diesem Fall mit einer Zykluszeit von 0,43 s erfaßt. Für die aus den Knoten LS, VK1 . . VK4 gebildete Teilstruktur gilt:The operating data of all textile machines are also in this Case recorded with a cycle time of 0.43 s. For those from the Node LS, VK1. . VK4 substructure applies:

Datenübertragung in max. 25 ms (LS ↔ VK4) und P(B,t₁) = 0,9162Data transmission in max. 25 ms (LS ↔ VK4) and P (B, t₁) = 0.9162

Der Datentransport zwischen VK98 und VK100 erfolgt in maximal 9 ms.The data transport between VK98 and VK100 takes place in maximum 9 ms.

Auch in diesem Beispiel erfüllen Teilstrukturen damit wesentlich höhere Anforderungen als das übrige Datentransportsystem. Lokal unterschiedliche Anforderungen werden erfüllt, ohne daß zusätzliche Querverbindungen erforderlich werden. In this example, too, substructures essentially fulfill higher requirements than the rest of the data transport system. Local different requirements are met without additional Cross connections are required.  

4. Anhang4. Appendix 4.1 Mathematische Beschreibung der Zuverlässigkeit4.1 Mathematical description of reliability

Die betrachteten nicht reparierbaren Systeme lassen sich durch einen zweistufigen homogenen Markoffschen Prozeß (Bild 4.1) mit den beiden Zuständen Betrieb (B) und Ausfall (A) beschreiben:The considered non-repairable systems can be described by a two-stage homogeneous Markoff process ( Figure 4.1) with the two states operation (B) and failure (A):

Zustand B: Betriebszustand zwischen Inbetriebnahme und Ausfall bzw. störungsbedingtem Abschalten und
Zustand A: Nichtbetriebszustand nach Ausfall.
State B: Operating state between commissioning and failure or shutdown due to faults and
State A: Inoperative state after failure.

Diese komplementären Zustände werden im folgenden als Systemzustandspaar bezeichnet, wobei es für große Systeme zweckmäßig sein kann, mehrere Systemzustandspaare festzulegen.These complementary states are called system state pairs below referred to, where appropriate for large systems can be to set multiple system state pairs.

Durch einen Ausfall findet der Übergang von B nach A statt. Dieser Übergang wird durch die Ausfallrate $ gekennzeichnet, die über die mittlere Betriebsdauer (T(B) ist die mittlere Betriebsdauer von Inbetriebnahme bis zum Ausfall MTBF (Mean Time Between Failures). Für die betrachteten nicht reparierbaren Komponenten ist diese gleich der mittleren Lebensdauer, in der Literatur als MTTFF (Mean Time To First Failure) angegeben) T(B) berechnet wird. Ein Übergang vom Zustand A zum Zustand B existiert nicht.A failure causes the transition from B to A to take place. This transition is characterized by the failure rate $, which is the mean operating time from start-up to failure MTBF (Mean Time Between Failures) over the mean operating time (T (B). For the non-repairable components under consideration, this is equal to the average lifespan, in in literature as MTTFF (Mean Time To First Failure) T (B) is calculated. There is no transition from state A to state B.

Die Ausfallrate nimmt in technischen Systemen über der Zeit häufig einen Verlauf, der wegen seiner charakteristischen Form als "Badewannenkurve" (Bild 4.2) bezeichnet wird. Die Ausfallrate fällt zunächst von einem erhöhten Anfangswert ab (Frühausfälle), bleibt dann relativ lange nahezu konstant und steigt schließlich zum Ende der Lebensdauer des Systems wieder an (Verschleißausfälle).In technical systems, the failure rate often takes a course over time, which because of its characteristic shape is referred to as the "bathtub curve" ( Fig. 4.2). The failure rate initially drops from an increased initial value (early failures), then remains almost constant for a relatively long time and finally increases again at the end of the system's service life (wear failures).

Beschränkt man sich in der Modellbildung auf die mittlere Phase mit einer konstanten, zeitunabhängigen Ausfallrate, so ergibt sich eine exponentielle Verteilung der Überlebenswahrscheinlichkeit.If you limit your modeling to the middle phase with a constant, time-independent failure rate there is an exponential distribution of survival.

Damit erhält man folgende zeitliche Verläufe für die Ausfallrate λ, Überlebenswahrscheinlichkeit P(B,t) und Ausfallwahrscheinlichkeit P(A,t):This gives you the following time histories for the failure rate λ, probability of survival P (B, t) and probability of failure P (A, t):

Die Annahme konstanter Ausfallraten ist zuverlässig, da nur zufallsbedingte Ausfälle alterungsfreier Komponenten betrachtet werden. Deterministische bzw. systematische Ausfälle aufgrund von Verschleiß, Materialermüdung, Überlastung, Fehlbehandlung, äußerer Einwirkung usw. sind nicht eingeschlossen. In den betrachteten Systemen sind damit ausschließlich voneinander (statistisch) unabhängige Komponenten zu berücksichtigen.The assumption of constant failure rates is reliable, since only random ones Failures of aging-free components considered will. Deterministic or systematic failures due to of wear, material fatigue, overload, incorrect handling, external influences etc. are not included. In the considered Systems are therefore only mutually (statistically) consider independent components.

Die Arbeitsfähigkeit eines Systems hängt jetzt in mehr oder weniger komplizierter Weise davon ab, ob Teilsysteme noch ohne Ausfall arbeiten oder ob sie einzeln oder in Gruppen ausfallen. Es ist zu unterscheiden in Teilsysteme, deren Ausfall immer auch den Systemausfall nach sich ziehen und Gruppen von Teilsystemen, die insgesamt ausfallen müssen, um zum Totalausfall zu führen. Zur Darstellung dieser Abhängigkeiten gibt es eine Reihe von graphischen Darstellungen (ROSE81, KOCH84 u. a.), die die Funktionsstruktur als Kombination von Serien- und Parallelschaltungen wiedergeben.The workability of a system now depends in more or less complicated way depending on whether subsystems are still without Work or whether they fail individually or in groups. A distinction must be made between subsystems whose failure always occurs cause the system failure and groups of subsystems, all of which have to fail to lead to total failure. There are a number of to illustrate these dependencies graphical representations (ROSE81, KOCH84 and others) showing the functional structure as a combination of series and parallel connections play.

In den hier verwendeten Zustands-Blockschaltbildern (in der Literatur auch oft als (Zuverlässigkeits-) Blockdiagramm oder einfach als Zuverlässigkeitsdiagramm bezeichnet) werden die Zustände vonn Teilsystemen (im folgenden auch als Komponenten bezeichnet) durch Zustands-Blocksysteme (Bild 4.3) gekennzeichnet und entsprechend der logischen Verknüpfung (Bild 4.4) zusammengeschaltet.In the state block diagrams used here (often referred to in the literature as a (reliability) block diagram or simply as a reliability diagram), the states of subsystems (hereinafter also referred to as components) are identified by state block systems ( Figure 4.3) and corresponding to the logical link ( Figure 4.4) interconnected.

In dieser Arbeit werden im folgenden ausschließlich Zustands- Blockschaltbilder in Betriebslogik-Darstellung verwendet, d. h. die Strukturen werden nur aus Betriebszuständen gebildet.In this work, only status Block diagrams used in operational logic representation, d. H. the structures are only formed from operating states.

Eine logische Serienstruktur bezüglich des Betriebes liegt immer dann vor, wenn nur der Betrieb aller Komponenten zum Betrieb des Systems führt. Für stochastisch unabhängige Komponenten gelten folgende Beziehungen:There is always a logical series structure regarding the operation then, if only the operation of all components to operate the Systems leads. Apply to stochastically independent components following relationships:

Wahrscheinlichkeit des SystembetriebszustandesProbability of the system operating state

P(BS) + P(B₁) P(B₂) . . . P(Bn) (4-4)P (B S ) + P (B₁) P (B₂). . . P (B n ) (4-4)

Wahrscheinlichkeit des SystemausfallzustandesProbability of the system failure state

P(AS) + 1 - P(BS) (4-5)P (A S ) + 1 - P (B S ) (4-5)

Mittlere ausfallfreie SystembetriebsdauerAverage failure-free system operating time

Eine logische Parallelstruktur bezüglich des Betriebes liegt immer dann vor, wenn der Betrieb mindestens einer Komponente zum Betrieb des Systems führt.There is a logical parallel structure with regard to the operation always before if the operation of at least one component for Operation of the system leads.

Damit ergibt sich die Wahrscheinlichkeit des Systembetriebszustandes für eine Parallelstruktur aus n Komponenten zu:This results in the probability of the system operating state for a parallel structure of n components to:

P(BS) + P(B₁) v P(B₂) v . . . v P(Bn) (4-7)P (B S ) + P (B₁) v P (B₂) v. . . v P (B n ) (4-7)

Für stochastisch unabhängige Komponenten kann die Berechnung in diesem Fall über eine rekursive Rechenvorschrift erfolgen (ROSE81):For stochastically independent components, the calculation can be made in in this case using a recursive calculation rule (ROSE81):

P₁ + Pi-1 + (P(B₁) - Pi-1 P(B₁) (4-8)P₁ + P i-1 + (P (B₁) - P i-1 P (B₁) (4-8)

Mit P₁ = P(B₁)
und für i = 2, 3, 4, . . ., n
With P₁ = P (B₁)
and for i = 2, 3, 4,. . ., n

folgt mit Pn die Wahrscheinlichkeit (P(BS) für den Systembetriebszustand. (4-5) gilt entsprechend.the probability (P (B S ) for the system operating state follows with P n . (4-5) applies accordingly.

Mit (4-4) bis (4-8) lassen sich alle Anordnungen berechnen, die in eine hierarchische Folge von Reihen- und Parallelstrukturen aufgegliedert werden können.With (4-4) to (4-8) all arrangements can be calculated that into a hierarchical sequence of series and parallel structures can be broken down.

4.2 Zuverlässigkeit von Automatisierungssystemen4.2 Reliability of automation systems

Das Automatisierungssystem ist ein technisches System, das in der Lage ist, einen technischen Prozeß nach Vorgabe gewisser Sollwerte automatisch zu führen, indem bestimmte Zustandsgrößen durch Meßeinrichtungen (Sensoren) erfaßt werden und das gemäß den Steuerungsvorgaben und Regelalgorithmen mit Hilfe von Stelleinrichtungen (Aktoren) wiederum bestimmte Zustandsgrößen beeinflußt (ENDL88).The automation system is a technical system that in is able to perform a technical process as specified Setpoints to be managed automatically by certain state variables be detected by measuring devices (sensors) and that according to the control specifications and control algorithms with the help of control devices (Actuators) in turn affect certain state variables (ENDL88).

In Abgrenzung zu dieser Definition wird die aus Sensoren und Aktoren gebildete Schnittstelle zum Prozeß auf die in dieser Arbeit nicht berücksichtigt. Hier interessiert der Informatikaspekt des Automatisierungssystems, also die Prozeßdatenverarbeitung.In contrast to this definition, sensors and Actuators formed interface to the process in this Work not considered. The IT aspect is of interest here of the automation system, i.e. process data processing.

Die Zuverlässigkeit eines Automatisierungssystems wird in einer Zuverlässigkeitsanlayse bestimmt, für die es sowohl qualitative wie auch quantitative Beurteilungskriterien gibt.The reliability of an automation system is shown in one Reliability analysis is determined for which it is both qualitative as well as quantitative assessment criteria.

Zur qualitativen Beurteilung der Zuverlässigkeit zählen z. B. Kriterien wie Einsatz langjährig erprobter Komponenten, gute Dokumentation und umfangreiche Diagnostikwerkzeuge (qualitative Bewertungskriterien (Gütebedingungen) für die integrierten Softwaresysteme sind u. a. in der DIN 66 285 enthalten) (KOCH84). The qualitative assessment of reliability includes e.g. B. Criteria such as the use of tried and tested components, good ones Documentation and extensive diagnostic tools (Qualitative evaluation criteria (quality conditions) for the integrated software systems are included in DIN 66 285, among others) (KOCH84).  

Die quantitative Beurteilung erfolgt über den dargestellten wahrscheinlichkeitstheoretischen Ansatz. Damit ist die systematische Verarbeitung einer großen Anzahl von Ausfallkombinationen möglich, wobei sich der Ablauf der Zuverlässigkeitsanalyse unabhängig vom tatsächlich angewandten Verfahren immer am folgenden Ablauf orientiert (PROT87):The quantitative assessment is based on the presented probabilistic approach. That is the systematic Processing a large number of failure combinations possible, the course of the reliability analysis being independent always following from the actually used procedure Process oriented (PROT87):

  • a) Festlegung aussagefähiger Ausfallkriterien (qualitatives Problem),a) Definition of meaningful default criteria (qualitative problem),
  • b) Spezifikation von Zahlenwerten für diese Kenngrößen als einzuhaltende Grenzbedingungen (quantitatives Problem),b) Specification of numerical values for these parameters as boundary conditions to be observed (quantitative problem),
  • c) Anwendung dieser Kenngrößen auf konkrete Systemarchitekturen mit Hilfe des mathematischen Modells (analytisches Problem).c) Application of these parameters to specific system architectures with the help of the mathematical model (analytical problem).

Als ein Kriterium zur Bewertung der Zuverlässigkeit eines Automatisierungssytems kann seine Empfindlichkeit oder Verletzlichkeit gegenüber dem Ausfall oder dem fehlerhaften Funktionieren von Teilsystemen oder Systemfunktionen dienen (KOHL87). As a criterion for evaluating the reliability of an automation system can be sensitivity or vulnerability against failure or malfunction of subsystems or system functions (KOHL87).  

4.3 Literaturverzeichnis4.3 Bibliography

BücherBooks

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Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo: Springer 1986.
(KAUF87) Kauffels, F.-J.: Rechnernetzwerksystemarchitekturen und Datenkommunikation. Reihe Informatik; Band 54.
Mannheim, Wien, Zürich: Bibliographisches Institut 1987.
(KOCH84) Kochs, H.-D.: Zuverlässigkeit elektrotechnischer Anlagen.
Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo: Springer 1984.
(SCHN82) Schnupp, P.: Rechnernetze - Entwurf und Realisierung.
Berlin, New York,: de Gruyter 1982.
(FRAN86) Frank, R .: Computer Networks and Data Communication.
Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo: Springer 1986.
(KAUF87) Kauffels, F.-J .: Computer network system architectures and data communication. Computer Science Series; Volume 54.
Mannheim, Vienna, Zurich: Bibliographical Institute 1987.
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Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo: Springer 1984.
(SCHN82) Schnupp, P .: Computer networks - design and implementation.
Berlin, New York: de Gruyter 1982.

Veröffentlichungen, wissenschaftliche Berichte und Manuskripte zu Tagungen und SeminarenPublications, scientific reports and manuscripts to meetings and seminars

(ENDL89) Endl, H.: Prozeßankopplung in fehlertoleranten Systemen.
Dissertation Technische Universität München 1989.
(KRGI91) Kriesel, W.; Gibas, P.: Generationswechsel bei Automatisierungssystemen: Orientierungen zur zukünftigen Entwicklung.
Automatisierungstechnische Praxis, Nr. 1, 1991.
(ENDL89) Endl, H .: Process coupling in fault-tolerant systems.
Dissertation Technical University of Munich 1989.
(KRGI91) Kriesel, W .; Gibas, P .: Generation change in automation systems: Orientations for future development.
Automation technology practice, No. 1, 1991.

Normen und EmpfehlungenStandards and recommendations

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DIN-Norm, Mai 1983.
DIN 19 244: Fernwirkeinrichtungen und Fernwirksyteme.
Teil 10: Telegrammformate.
DIN-Entwurf, März 1988.
DIN 19 245: Messen, Steuern, Regeln; PROFIBUS.
Teil 1; Übertragungstechnik, Buszugriffs- und Übertragungsprotokoll, Dienstschnittstelle zur Anwendungs-Schicht, Management.
DIN-Entwurf, August 1990.
Teil 2: Kommunikations-Modell, Dienste für die Anwendung, Protokoll, Syntax, Codierung, Schnittstelle zur Schicht 2, Management.
DIN-Entwurf, August 1990.
DIN 31 000: Allgemeine Leitsätze für das sicherheitsgerechte Gestalten technischer Erzeugnisse.
DIN-Norm, März 1979.
DIN 40 041: Zuverlässigkeit; Begriffe.
DIN-Norm, Dezember 1990.
DIN 40 700: Schaltzeichen.
Teil 23: Uhren und elektrische Zeitgeräte.
DIN-Norm, Juni 1979.
Teil 24: Baugruppen für feinwerktechnische Geräte, insbesondere Uhren.
DIN-Norm, Juni 1976.
DIN 40 719: Schaltungsunterlagen.
Teil 6: Regeln und graphische Symbole für Funktionspläne.
DIN-Norm, März 1977.
DIN 66 259: Elektrische Eigenschaften der Schnittstellenleitungen.
Teil 4: Doppelstrom, symmetrisch für Mehrpunktverbindungen.
DIN-Entwurf, Juni 1989.
DIN 66 264: Industrielle Automation.
Teil 1: Mehrprozessor-Steuersystem für Arbeitsmaschinen (MPST); Parallelbus.
DIN-Norm, Januar 1983.
Teil 2: Mehrprozessor-Steuersystem für Arbeitsmaschinen (MPST); Regeln für den Informationsaustausch.
DIN-Norm, August 1988.
DIN 66 285: Informationssverarbeitung; Anwendungssoftware: Gütebedingungen und Prüfbestimmungen.
DIN-Norm, August 1990.
DIN 66 348: Schnittstellen und Steuerungsverfahren für die serielle Meßdatenübermittlung.
Teil 1: Start-Stop-Übertragung, Punkt-zu-Punkt- Verbindung.
DIN-Norm, September 1986.
Teil 2: Start-Stop-Übertragung, 4-Draht-Meßbus.
DIN-Norm, September 1989.
DIN V 19 250: Messen, Steuern, Regeln; Grundlegende Sicherheitsbetrachtungen für MSR-Schutzeinrichtungen.
DIN-Vornorm, Januar 1989.
NTG 3004: Zuverlässigkeitsbegriffe im Hinblick auf komplexe Software und Hardware.
NTG-Empfehlung 3004; Entwurf 1982. In: Nachrichtentechnische Z. 35, 1982.
DIN 19 239: measuring, controlling, regulating; Control technology; Programmable logic controllers; Programming.
DIN standard, May 1983.
DIN 19 244: Telecontrol devices and telecontrol systems.
Part 10: Telegram formats.
DIN draft, March 1988.
DIN 19 245: measuring, controlling, regulating; PROFIBUS.
Part 1; Transmission technology, bus access and transmission protocol, service interface to the application layer, management.
DIN draft, August 1990.
Part 2: Communication model, services for the application, protocol, syntax, coding, interface to layer 2, management.
DIN draft, August 1990.
DIN 31 000: General principles for the safe design of technical products.
DIN standard, March 1979.
DIN 40 041: reliability; Terms.
DIN standard, December 1990.
DIN 40 700: circuit symbol.
Part 23: Clocks and electrical time devices.
DIN standard, June 1979.
Part 24: Assemblies for precision engineering devices, especially clocks.
DIN standard, June 1976.
DIN 40 719: circuit documents.
Part 6: Rules and graphic symbols for function plans.
DIN standard, March 1977.
DIN 66 259: Electrical properties of the interface cables.
Part 4: Double flow, symmetrical for multipoint connections.
DIN draft, June 1989.
DIN 66 264: Industrial automation.
Part 1: Multi-processor control system for work machines (MPST); Parallel bus.
DIN standard, January 1983.
Part 2: multiprocessor control system for work machines (MPST); Rules for the exchange of information.
DIN standard, August 1988.
DIN 66 285: Information processing; Application software: quality conditions and test regulations.
DIN standard, August 1990.
DIN 66 348: Interfaces and control methods for serial measurement data transmission.
Part 1: start-stop transmission, point-to-point connection.
DIN standard, September 1986.
Part 2: start-stop transmission, 4-wire measurement bus.
DIN standard, September 1989.
DIN V 19 250: measuring, controlling, regulating; Basic safety considerations for MSR protective devices.
DIN pre-standard, January 1989.
NTG 3004: Reliability terms with regard to complex software and hardware.
NTG recommendation 3004; Draft 1982. In: Nachrichtenentechnische Z. 35, 1982.

Tabelle 2.1 Table 2.1

Funktion der Datenfelder im Datentelegramm Function of the data fields in the data telegram

Claims (1)

Dezentral gesteuertes, hochzuverlässiges Datentransportsystem, insbesondere zur Anwendung in der industriellen Automatisierungstechnik, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstruktur des Datentransportsystems jederzeit flexibel an lokal unterschiedliche Zuverlässigkeitsanforderungen angepaßt werden kann. Echtzeiteigenschaften werden strukturell nur dort vorgesehen, wo diese auch tatsächlich gefordert werden.
Der insgesamt modulare Aufbau mit standardisierten Komponenten bekannter Zuverlässigkeit, deren Funktion im wesentlichen erst durch fernladbare Betriebssoftware bestimmt wird, ermöglicht insbesondere bei flächendeckenden Datentransportsystemen einen wirtschaftlichen Einsatz der Resourcen.
Decentrally controlled, highly reliable data transport system, in particular for use in industrial automation technology, characterized in that the connection structure of the data transport system can be flexibly adapted to locally different reliability requirements at any time. Structurally, real-time properties are only provided where they are actually required.
The overall modular structure with standardized components of known reliability, the function of which is essentially determined only by remote-downloadable operating software, enables the resources to be used economically, particularly in the case of nationwide data transport systems.
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