具有多个空间分布站的控制系统和在所述控制系统中传送数据的方法

专利名称：具有多个空间分布站的控制系统和在所述控制系统中传送数据的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在具有经由通信介质相互连接的多个空间分布站 的控制系统中传送数据的方法，所述站被逻辑上排列为一个組，该组限定
了第一站、至少一个第二站和最后一站，所述方法包括以下步骤
-所述第一站生成具有多个数据字段的数据帧，其中明确地为每个第
二站和最后一站分配用于填充传输数据的至少一个数据字段；
-所述第一站作为输出数据帧将所述数据帧发送到所述组中跟在该第
一站之后的第二站；
-每个第二站从所述组中各自的前一站接收所述输出数据帧、用传输
数据填充分配给它的数据字段，并且将具有所述传输数据的输出数据帧发 送到所述组中的下一站；以及
-最后一站接收来自所述组中前一站的所述输出数据帧、用最后的传 输数据填充分配给它的数据字段，并且作为返回数据帧将具有所有传输数 据的数据帧返回给所述站组。
本发明还涉及一种用于自动控制装置或器械的控制系统，所述控制系 统包括经由通信介质相互连接的多个空间分布的站，其中，所述站被逻辑 上排列为一个组，该组限定了第一站、至少一个第二站和最后一站，以及 其中，所述站被i殳计为实现上述类型的方法。
背景技术：
从DE 199 34 514 Cl知道一种前述类型的系统和方法. DE 199 34 514 Cl定义了一种用于配置连接到现场总线的站(在该文 献中称为总线用户)的方法。特别地，该文献涉及对站的逻辑地址的故障 保护分配，其中所述站经由所谓的Interbus连接到其它总线用户/站. Interims是特别用于装置和器械的工业自动化的已知的指定现场总线系 统。其它已知的现场总线系统是所谓的CAN总线和所谓的Profibus,
已知的现场总线系统被用于将多个空间分布的站/总线用户相互连接 以便它们可以互相交换信息。在该上下文中，现场总线系统特别适合于这 样的通信需求即用作用于自动控制装置和器械的控制系统中的通信^h质。 除最简单和最健壮的布线可能外，这些特别包括针对数据传输的确定时间 响应，以及还有从许多站传送较少量数据的能力。典型地，现场总线具有
与其连接的一个或几个(智能)控制单元，以及还有许多远程i/o单元， 其中所述远程I/O单元经由传感器从所述装置或器械获得状态信号并将其 报告给所述控制单元，和/或从上级控制单元接收控制数据并根据它操作合 适的制动器(actuator)。作为例子，I/O单元可以获得来自尤其是位置开 关、遮光板、旋转位置转换器(transducer)的信号，并且可以经由现场 总线将所述信号发送到上级控制单元.通常是可编程逻辑控制器(PLC) 的控制单元将这些过程变量视为确定用于制动器的控制数据的基础，所述 制动器特别例如是电磁阀、接触器、驱动器。I/O单元经由现场总线接收 来自上级控制器的控制数据，并且操作制动器。
在导言部分引述的Interbus以大型移位寄存器的方式操作，该大型移 位寄存器的各个存储位置是在所连接的站中。通常物理上安排在上级控制 单元中的所谓的总线主控(bus master)生成数据帧，所述数据帧具有对 应于"移位寄存器"中的存储位置数量的若干数据字段.这个数据帧从总 线主控发送到连成组的站，并且通过这么做被iE^t据字段地从一个站转发 到下一个。所述组中的最后一个站将数据帧返回给总线主控，以便最终获 得环形结构.当由总线主控生成的开始字在经过所述环形结构之后再次到 达该总线主控并且没有任何传输差错在后续校验和计算中被识别出时，该 总线主控使用控制信号来信号通知所有被连接的站它们必须接受所述数 据，所述数据然后在它们各自的移位寄存器中用于进一步处理。另外，各 个站在总线主控^新的数据循环时，通过将存储在它们的内部移位寄存
器中的数据发送到环形中的下一站来"清空"它们的填充有传输数据的移
位寄存器。Interbus的一个特征因而是循环数据帧中的数据字段的数量等 于所连接的站中存储位置的数量。另外，通信实际上仅在每个单独站与总 线主控之间发生。由于发送站首先将其数据发送到总线主控并且总线主控 将该数据转发到第二数据循环中的接收站，因此不具有总线主控功能的两 个站之间的互连业务可能仅从一个传输循环到下一个。Interbus概念的优 点在于确定的时间响应，即可以高度确定地预测发送一段信息所需的时间。 另外，在竟争消息之间不会发生任何冲突。
与此相反，在例如CAN总线的所谓的面向消息的现场总线系统的情 况下，冲突基本上是可能的，这是由于各个站可以独立地生成和发送数据 消息。在CAN总线的情况下，这种冲突借助于具有不同优先级的站而得 到解决，其中具有较高优先级的站在发生冲突的情况下维护其权力。然而，
对于具有较低优先级的站，这意P未着其至少被暂时禁止发送消息。为实现 确定的时间响应，有必要限制现场总线的最大利用级别，这是因为沖突的 概率随总线利用级别的增长而升高。另一方面，基于CAN总线的控制系 统提供了较高级别的灵活性，这是因为互连业务在没有总线主控插入的情
况下原则上是可能的。这特别意p木着例如紧急断开命令的有关安全的教:据
可以被更快地发送，如果合适，甚至作为广播电报被发送.
在指定现场总线技术之外，由于互联网和个人计算机的联网，基于所 谓的以太网标准的通信网络开始被广泛使用。在以太网中，每个用户(每 个站)拥有单独的称为MAC地址的地址。原则上，任何站可以在任何时 间发送消息。每个发送站监控连接线以确定所发送的消息是否可以以未破 坏的形式被读出，如果与同步发送的站存在沖突则将不是这种情形。在沖 突的情况下，每个站在超出随机选择的时间段之后再次发送其传输数据。 由于广泛的使用，以太网具有相关硬件部件非常4更宜的优点。然而，它们 不具有确定的时序响应，以及此外针对由几个连接站进行的较大量数据的 非循环传输而是更加优化的。通过对比，控制系统主要要求循环数据传输。
然而，便宜的硬件部件也意味着这些年来，对于将以太网技术用于在用于
控制技术装置或技术器械的控制系统中在站之间进行通信已经做出了努
力。原理和相应部件的提供者在德文刊物"Industrial Ethernet"中作为例 子进行了描述，该刊物可以通过ISBN 3-8259-1925-0从97064 Wurzburg 中的Vogel國Industrie Medien GmbH und Co. KG获得。
然而，前面提出的在自动控制系统中使用以太网部件的方法不是最优 的。特别由于传输与安全有关的控制数据而出现困难，例如传输紧急断开 信号或传输由驱动器的控制单元随后生成的关闭命令。例如，驱动器控制

发明内容
对照所述背景，本发明的目的是提供一种在导言部分提到的方法，该 方法使得数据能够在用于自动控制装置或器械的控制系统中以高实时要求 被传送。本发明的另一个目的是提供一种在导言部分提到的控制系统，在 该控制系统中，控制和过程lt据可以利用特别是以太网部件的商业部件来 乱良送，然而该系统旨在实现与安全有关的控制和过程数据的传输。
根据本发明的一个方面，这个目的通过在导言部分提到的方法来达到， 在所述方法中，站从返回数据帧中的数据字段读取外来的传输数据。
根据本发明的另一方面，提出了一种在导言部分提到的控制系统，其 中，站被设计为从返回数据帧中的数据字段读取外来的传输数据，以及其
以及返回数据帧中的数据字段来读取外来的传输数据。
特别优选地，如果所述站包括^Li殳计为循环处理过程数据并基于其生 成控制数据的至少一个控制单元，以及还包括被设计为将过程数据发送到 控制单元并JL^控制单元接收控制数据的多个I/0单元。然而原则上，所 述新方法还可以被用于其它控制系统和/或通信网络。
根据另一方面，本发明提出了 一种用于之前提到的控制系统中的站的 通信才莫块，其中所述通信模块被设计为在站中实现本发明的方法，换句话 说即实现根据所述方法的通信协议。
本发明因此基于一种原则上从Interbus可知的概念，即具有多个数据 字段的数据帧的产生和传输，所述数据帧在一组站中从一个站转发到下一 个。然而，本发明不同于已知的Interbus，因为各个站直接从返回数据帧 读取外来的传输数据，而在Interbus的情况下典型地M输出数据帧中读 取数据。优选地，各个站M返回数据帧读取外来的传输数据，并且它们 将它们自己的传输数据仅置于输出数据帧中的数据字段中。然而与此背离 的是，本发明的更一般的细分还包括所述一般原理的例外。
在实际实现中，本发明根本不同于根据规范是大型"移位寄存器"形 式的Interbus.与此相反，本发明与通信^h质的物理实现无关，在下面将 进一步讨论的特别优选的细分中，通信介质是与以太网兼容的传输链路， 并且数据帧是与以太网兼容的数据帧，即其基本结构适合以太网规范的数 据帧。
尽管已知的Interbus实现了用于发送数据的环形结构，其中最后一个 站将数据帧直接返回给逻辑项中的第一站，然而本发明生成"双重线路"， 其中输出数据帧和返回数据帧二者都经过逻辑项中的所有站。仅通过这种 方法，各个站可以将它们自己的传输数据填充到输出数据帧的数据字段中 并且从返回数据帧读取外来的传输数据。由于该特征，每个站在一个传输 循环中接收两次循环数据帧。这使得两个或更多任意站之间的任何互连业 务可以在一个传输循环中衫L推断。本发明因此实现了满足高实时要求的数 据通信。
本发明还实现了任意站之间的极度灵活的通信。本发明因此具有面向 消息的传输方法的优点，例如CAN总线或以太网连接的那些。
借助于循环数据帧和用于直接交叉通信的发明机会，本发明实现了非 常迅速和确定的通信。其因此非常适于以将在下面详细描述的方式发送甚 至是与安全有关的控制数据。
前述目标因此完全达到.
在本发明的优选细分中，所述第一站以预定的时间间隔循环生成输出 数据帧并将其发送到下一个第二站。
在优选的示例性实施例中，循环时间是可调整的，即传输两个接连但 相互独立的数据帧之间的时间。在一个优选示例性实施例中，循环时间可
以在各个中间步骤中在大约60 H s和大约6ms之间被调整。
该细分特别适于用于自动控制技术装置或器械的控制系统，因为信息 通常在所述控制系统中被循环生成。特别以例如62.5ns的短循环时间， 该细分4吏得调整机器中的驱动器所需的过程和控制数据可以利用所述新方 法而,iLiL送。换句话说，该细分中的控制系统可以被集成到机器的驱动器 控制的控制回路中，这特别实现了便宜且灵活的装置或器械的自动化。
在另一细分中，所述数据帧包含至少第一和第二组数据字段，其中对 于所有数据帧所述第 一组中的数据字段被固定分配给各个站，以及其中所 述第二组中的数据字段基于对各自数据帧的单独请求而被分配给站。
该细分提高了通信的灵活性，并且使得控制系统可以在数据吞吐量和 传输^方面得到优化。所述第一组数据字段可以被用于在不需要向它们 添加地址信息的情况下发送数据。这是因为各个数据字段的固定关联固定 地指示了地址结构。另一方面，所述第二组数据字段使得额外的传输容量 可以基于请求而被预留给各个站。所述第二组数据字段特别有利于发送例 如诊断数据的非循环数据。另外，所述第二组中的数据字段还可以被非常 有利地用于发送关于系统外部的可用通信介质的数据，例如从PC发送到 连接到通信网络的打印机的打印机数据。在一个特别优选的实施例中，所 述第二组中的数据字段是利用标记来被分配的，所述标记基于每个新数据 帧而被重置为状态"数据字段空"。想要填充所述第二组中的数据字段的 站因而需^Sl检查所述标记，并且如果合适将其设为"已占用"。非循环 通信优选地利用已知寻址方法来#:处理，其中地址同样在所述第二组的数 据字段中净id送。
在另一细分中，返回数据帧以与输出数据帧相反的顺序经过站组。 可选地，返回数据帧原则上也可以以不同的顺序被路由。另外，原则 上还可以同时将返回数据帧发送到多个或所有连接的站，这在例如无线链 路作为传输介质的情况下是相当可能的。相反，本细分具有管理复杂性4皮
简化以确保无差错通信的优点。特别地，所述优选细分中的第一站可以非 常容易地监控返回数据帧是否已到达所有连接的站。这特别对于例如紧急 断开控制命令的与安全有关的数据的传输是非常重要的。
在另一细分中，所述第一站监控返回数据帧是否在预时序间段内到达。
在所述第 一站中监控返回数据帧特别有利于传输与安全有关的数据， 因为这使得通信链路的故障可以被快速检测到。基于实时要求，第一站因 而可以或者发起重复帧或者开始差错处理例程。
在特别优选的细分中，所述通信介质是与以太网兼容的传输链路，以 及所述数据帧是与以太网兼容的数据帧。
该细分至少一定程度上是商业可用的并且因此可以使用非常便宜的硬 件部件。另外，该细分使得非常易于将本来用于控制任务的数据传输链路
也用于其它目的，例如用于传送与TCP/IP兼容的数据分组。因此，当在 工作间等中联网部件时可以节约可观的成本。本细分的一个特征尤其在于， 每个站拥有其自己的MAC地址，这原则上允许各个站之间的随机通信。 然而结合本发明，每个站分别将至少输出数据帧(以及优选地还有返回数 据帧)发送到正好一个准确定义的另一站。
在另一细分中，每个站利用所谓的直通(cut-through)方法将输出数 据帧发送到所述組中的下 一站.
所述直通方法专用于与以太网兼容的传输炮洛，并且涉及在输入数据 帧已被各自的站完全接收之前已经实际分析和转发该输入数据帧的站。该 细分减少了输出数据桢的接收和转发之间的延迟时间。这使得系统的循环 时间可以非常容易地最小化。
在另一细分中，每个站将输出数据帧发送到正好一个下一站。
与此背离，原则上还可以生成分支，特别是当使用以太网部件时。然 而，所述优选细分阻止了循环的形成。另外，传输链路上的冲突,史排除， 这允许生成具有非常短的循环时间的确定时间响应。
在另一细分中，所述第一站生成多个数据帧，并且作为输出数据帧将 它们发送到直接接连的下 一 第二站.
在该细分中，甚至其本身就;l对用于在控制系统中发送lt据的已知方 法的创造性iUL所述第一站在一个传输循环中生成并发送多个数据帧。 换句话说，第一输出数据帧和直接跟随的其它数据帧(后续帧)在循环时 间内被发送。如果要被循环发送的数据量非常大并且其次单个数据帧的长 度不能超过特定最大值，则该细分是特别有利的。当大量循环数据需要被 发送但所使用的数据帧不能超过以太网规范中定义的大约1500字节的长 度时，本细分因而是特别有利的。
在另 一细分中，数据帧中的各个数据字段可选地被至少两个站填充以 传输数据。
该细分，甚至其本身就是对用于在控制系统中发送数据的已知方法的 创造性发展，实现了多路复用模式，其中各个数据字段从一个循环到下一 个由不同站来填充。然而在这种情况下，各个数据字段也被明确地分配给 所涉及的站。当具有不同重复速度的循环数据出现在控制系统中时，所述
多路复用模式是特别有利的。在这种情况下，较慢的站可以以多路复用模 式共享各个数据字段，以便总的可用传输容量被利用至最佳的程度。
在另一细分中，各个站用与现场总线电报兼容的传输数据填充数据帧 中的至少一个数据字段.如果所述传输数据与基于CAN总线、Profibus 和/或Devicenet的电报兼容，则其是特别优选的。
在该细分中，所述现场总线电报是利用所述新方法以"随道化"方式 被发送的。该细分使得现有现场总线网络及其部件可以被非常容易地集成。 与安全有关的过程和控制数据通过该方式以隧道方式被发送是特别优选 的，因为在此情况下可以针对面向安全的自动化而使用尝试与测试以及证 明或准许部件。
在另一细分中，单独地为所述站分配输出数据帧中的数据字段用于以 它们自己的传输数据填充，以及返回数据帧中的数据字段用于读取外来的 传输数据。
该细分实现了基于通信介质在任意站之间的非常灵活且快速的信息传 输。特别地，该细分使得站非常易于在一个传输循环中接收来自多个其它
站的信息或数据。为此，所迷站点仅需要单独g返回数据帧中取特定数 据。
在另一细分中，甚至其本身就是对用于在控制系统中发送数据的已知 方法的创造性U，所述站从返回数据帧(或从各个不同的返回数据帧) 读取外来的传输数据，并且重新排列它们以形成指定站的数据字。因此， 每个站包含具有数据分类器的上述类型的通信模块，其中所述数据分类器 被设计为重新排列来自返回数据帧的外来的传输数据以形成指定站的数据 字。
作为替换，还可以作为例子实际上关于发送器或关于以适合于接收器 的方式的传输来编译外来的传输数据。相反，所述优选的细分具有较高级 别的灵活性，因为每个接收站可以基于个体来编译与其相关的外来的传输 数据以便该接收站中后续数据处理可以以最优方式被执行。特别地，传输 数据可以在不同的指定站的组合中以不同方式被编译多次。该上下文中的
特定优选在于指定接收器的数据分类是否发生在通信模块中，即在osi参
考模型的非常低的级别上，这是因为接收站上的较高应用可以非常快速且
便利地处理重新排列的数据。这实现了大范围的互^Mt性。另外，该细分 特别利于结合后续帧的使用和/或上述多路复用模式的使用，这是因为基于 多个返回数据帧的传输数据的编译被大大简化。
在另 一细分中，所述第一站生成具有多个状态字段的每个输出教:据帧， 其中为每个第二站分配至少一个状态字段，以及其中每个第二站在每次输 出数据帧经过时改变其状态字段。
这种状态字段可以被用于非常容易地实现寿命监控。每个站基于所述 经过而改变其状态字段这一事实意味着，第一站可以检查最初出现的第二 站在每个循环的末尾是否仍然出现并且激活.当所述新方法旨在被用于发 送与安全有关的过程和控制数据时，该细分是特别有利的，这是因为与安 全有关的站的故障是安全关键状态，并且合适的差错消息或差错处理例程 需要,皮启动。
不言而喻，在不脱离本发明范围的情况下，上面已描述的以及下面的
将要描述的特征不仅可以以各个指出的组合被使用，还可以以其它组合或 其本身而被使用<


本发明的示例性实施例在附图中示出，并且在下面的描述中被详细说
明。其中
图l示意地示出了本新颖控制系统的示例性实施例； 图2示意地示出了本新颖控制系统的另一示例性实施例； 图3示出了用于说明本新颖方法的示意图4示出了时序图，其示出了本新颖控制系统或本新颖方法的名 种示 例性实施例的各种操作模式；
图5示出了在本新颖方法的一个示例性实施例中衫L相继发送的多个以 太网电才艮；
图6示出了在本新颖方法的另一示例性实施例中祐j目继发送的多个以 太网电净艮；
图7示意地示出了来自本新颖控制系统的站；以及 图8示意地示出了优选的示例性实施例，其中数据在从返回数据帧中 被读取时被重新排列。
具体实施例方式
在图1中，本新颖控制系统的示例性实施例整体标记为10.
控制系统10包括例如这里称作PLC可编程逻辑控制器形式的控制单 元12。可选地，它还可以是不同的控制单元，例如工业PC.控制单元12 在应用层承担对例如生产或传送装置的技术装置(这里未详细示出)的控 制。在这点上，它处理利用传感器捕获的来自所述装置的过程或状态数据， 并且生成被用于^作制动器的控制lt据.为与传感器和制动器通信，控制 单元12使用以下面描述的方式实现本新颖方法的示例性实施例的通信网 络。
为与本地传感器和制动器通信，控制单元12在此情况下具有所谓的总 线管理器14，其在本发明的上下文中是第一站。在本发明的其它示例性实 施例中，所述总线管理器可以与控制单元12分离地实现。控制单元12在 此情况下可以包含通信模块，该通信模块就本发明来说作为第二站将其连 接到通信网络。
控制系统10还包括多个站16、 18、 20、 22、 24，其中站16-22就本 发明来说是第二站，而该示例性实施例中的站24就本发明来说是最后一 站。在所示的实施例中，站1624每个都是被设计为从传感器获得输入信号 并向制动器输出控制信号的I/O单元。
总线管理器14 (以及因此控制单元12 )借助于通信介质26连接到站 16至24。在这种情况下，通信介质26包含这里作为一个可能实现的例子 而显示的开关28。特别地，总线管理器14在这种情况下借助于以太网电 缆而连接到开关28的一个连接。开关28的第二连掩睹助于另一以太网电 缆而连接到站16的第一连接。站16的第二连接借助于另一个以太网电缆 而连接到站18的第一连接。最后，站18借助于第二连接和另一以太网电 缆而连接到站20。总线管理器14、开关28以及站16 - 20因而物理上4皮排 列成一组，其中每个站都借助于点到点连接而连接到其在该组中的邻居。
在该示例性实施例中，开关28还借助于第三连接和另一以太网电缆而 连接到站22，以及借助于笫四连接和另一以太网电缆而连接到站24。该示 例性实施例中的控制系统10中的通信网络因而具有包括串行拓朴和星型 拓朴的混合形式。然而逻辑上，所有站16-24和总线管理器14如下面更 详细描述的那样被排列成一组。
在该简化的示例性实施例中，站16具有与其连接的保护门30。这涉 及可用于监视保护门的打开和关闭状态的传感器。类似地，站18具有与其 连接的紧急断开开关32，以及站22具有与其连接的光栅34.上述三个传 感器30、 32、 34是用于保护自动运转装置的传感器的典型示例。不言而喻, 本发明不限于这种安全传感器的使用，即站16-20同样可以也具有与其连 接的用于标准控制任务的传感器。
在这种情况下，站22和24作为例子而具有电磁阀36、 38和与其连接 的驱动器40。这些是用于自动控制装置中的典型制动器，尽管本发明不限 于这些制动器。
在该示例性实施例中，各个站和总线管理器与开关之间的连接是借助 于CAT5以太网电缆来实现的。因此，站、总线管理器和开关的各个连接 42是以RJ45连接42的形式的。然而，在本发明的其它示例性实施例中， 还可以使用例如玻璃纤维光缆或无线链路(例如WLAN)的其它线路。
根据本新颖方法，总线管理器14以规则的时间间隔生成总线电才艮44， 所述总线电报包含具有多个数据字段(在这种情况下未分离示出)的数据 帧46。在图l的示例性实施例中，总线电报44是具有在开端处的以太网 报头和结尾校验和的与以太网兼容的电报。由以太网电报提供的数据区域 是数据帧46。
总线管理器14将总线电报44发送到在所述逻辑组中跟在其后的站 16。在这种情况下，其使用其MAC地址以根据以太网已知的方式寻址站 16。站16接收该总线电报44，以下面描述的方式用传输数据填充分配给 它的lt据字段，并且将具有新的与以太网兼容的总线电才艮(这里未示出) 的数据帧46发送到下一站18。在该上下文中，站16还使用其MAC地址 寻址站18,以相同的方式，站18将数据帧发送到站20。接下来，站20 将数据帧发送到站22.从那里，数据帧被转发到站24，并且然后数据帧 46以相反顺序穿过站22至16并且最后达到总线主控14。在该上下文中， 数据帧46是利用目的站的各自MAC地址从一个站被转发到下一个。开关 28是透明的，即，尽管其物理上呈现出在不需要在过程中改变数据帧46 的情况下将数据帧46仅从各自发送站路由到所寻址的接收站。
图2示出了在其中通信网络的物理拓朴还对应于所述逻辑组的简化实 施例中数据帧46从一个站到下一个以;5L良向的转发，在这种情况下，相同 的参考标记表示与之前相同的单元。
数据帧46首先由总线管理器14发送到站16，总线管理器14使用其 MAC地址寻址站16。站16用传输数据填充数据帧46中分配给它的数据
字段，并且将包含新传输数据的数据帧46，发送到站18。站18将其传输数 据置于分配给它的数据字段中，并且将包含来自站16和站18的传输lt据 的数据帧46"发送到站20。站20用其传输数据填充分配给它的数据字段， 并且将包含所有传输数据的数据帧46"，返回到站18。在返回路径上，数据 帧46"，经过所有站直到其到达总线管理器14。包括所述总线管理器的每个 站因而可以在其被适当配置的情况下读取来自其它站的外来传输数据。
关于各个站16至22被允许以其自己的传输数据填充哪些数据字段、 以及站16至20和总线管理器14被允许读取哪些包含外来传输数据的数据 字段的分配，在控制模式被开始之前以配置模式被单独设定，这由方框箭 头48示意地示出。
图3示出了数据帧46的循环流通以及示意图中各个数据字段的填充和 读取。数据帧46在这种情况下被示为具有不同大小的八个数据字段50的 圆环段。这八个站中的每个在这种情况下已被分配有专用于填充以传输数 据的数据字段50。作为例子，站18以传输数据填充数据字段2，站20填 充数据字段3，以及站22填充数据字段4。当所述站已从前一站接收到数 据帧46时，以及在所述站将数据帧46转发到下一站之前或之时，数据字 段50被分别填充以传输数据。数据帧46的所述接收和转发用箭头52显示。
当被填充以所有传输数据的数据帧46以相反方向从最后一站24被返 回时(箭头54)，各个站可以从其它数据字段读取外来的传输数据。作为 例子，图3示出了站18从数据字段1读取传输数据，即来自站16的传输 数据。在这种情况下，站20从数据字段2和5读取传输数据，以及站22 从数据字段7读取传输数据。当数据帧46已从总线管理器14向最后一站 24被发送了一次并且再次返回时，所有相关站有机会发送它们自己的传输 数据并且读取外来的传输数据。
图4示出了在本发明的各个示例性实施例中用于发送数据帧46的时 序。标号60显示了数据帧46的(更确切地说是包含数据帧46的总线电报 44的)长度。标号62表示循环时间，即两个接连^f目互独立的数据帧46 被生成之间的时间。
图4A示出了其中在每个循环时间62中正好一个数据帧46被生成并 被发送的时序图。在本发明的优选示例性实施例中，数据帧46必须在循环 时间62内返回到总线管理器14，以便如果合适则总线管理器14可以在下 一循环时间62中发送重复帧。该优选实施例具有各个站之间的链路总是仅 承载一个总线电报44这一优点，这避免了以太网典型的冲突。然而可选地， 甚至在第一数据帧46a再次到达总线管理器14之前，基本上也可以发送第 二数据帧46b'
图4B示出了其中在每个循环时间62中总线管理器14生成并发送两 个直接接连的数据帧46、 64的示例性实施例。各自的第二数据帧64被指 定为后续帧，其利用分离的总线电报而净iLl送。然而逻辑上，两个数据帧 46、 64属于一个整体，即拆分成两个分离帧46、 64在这种情况下仅为了 观测以太网规范的电报宽度，即使以太网电报中提供的数据字数量(典型 为1500字节)不足以提供所有连接的站所需的数据字段。
图4C示出了其中各个数据字段50以多路复用模式被使用的示例性实 施例。在第一传输循环中，数据字段50a例如由站18填充以传输数据。在 下一传输循环中，同一数据字段(现在表示为50b)由站20填充以传输数 据。在第三传输循环中，站18再次填充数据字段50a等。同时，数据帧 46中的其它数据字段可以被单独分配给其它站，如已提到的，多路复用模 式可以被用于使得各个站能够具有以比其它站短的连续时间的传输循环.
图4D示出了同时利用4B中所示的后续帧和4C中所示的多路复用模 式的示例性实施例。优选地，多路复用模式中的数据字段在这种情况下仅 在后续帧64中仗良送。
图5示出了其中各个以太网总线电报44a、 44b和44c利用通信介质 26来仗良送的本新颖方法的示例性实施例。如已知的，每个以太网总线电 报具有以太网报头70和校验和72。以太网报头70尤其包含专用于与以太 网兼容的通信介质的发送方和接收方的MAC地址，以太网电报的数据区 域包括分别关联于各个站的数据字段50。数据字段50在图5中未分离示 出而用术语"循环"表示，这是因为分別分配的数据字段优选地用于每第
n个总线电报中的数据的循环传输，其中11=1，2，3...。另外，总线电报44 在这种情况下在其数据区域中包含非循环数据区域74。当请求时，各个站 可以用传输数据填充非循环数据区域。如果非循环数据区域74已被站填充 以传输数据，则这借助于占用标记(未示出)来信号通知，该占用标记例 如可以在非循环区域的开始部分来提供。想要在非循环数据区域74中发送 数据的站因而可以仅当非循环数据区域74还未被前一站填充时完成所述 操作。这可以容易地从占用标记(未示出)来识别。
在特定优选实施例中，两个这种以太网总线电报44a、 44c可以具有在 它们之间,皮传送的另一以太网总线电才艮44b，所述另一电报44b例如观测 基于TCP/IP的协议结构。这样，除用于控制系统10的控制数据外，其它 数据可以也^C送。作为例子，连接到通信介质26的PC因而可以将打印 机数据发送到同样连接到通信介质的打印机，这些数据能够完全独立于控 制数据。
图6示出了针对控制数据和其它数据如何经由通信介质26 —起被发送 的另一示例性实施例。与图5所示的实施例不同，与TCP/IP兼容的数据 在这种情况下在每个总线电报44a、 44b、 44c的非循环数据区域74中M 送。如果系统的循环时间不允许传统以太网电报的分离传输或仅以增长的 冲突风险允许它，则该可选项是特别优选的。然而在本发明的优选实施例 中，用于控制数据的循环传输的数据字段50总是预留给数据字段50被分 别分配到的各个站。
根据另一示例性实施例，图5和6中所示的总线电报44还包含另一数 据区域76,该数据区域76被用于发送与传统现场总线电报兼容的电报数 据。在一个特定优选实施例中，数据区域76被用于发送基于称为Safety BUS p的规范的传输数据。这是基于CAN总线的特定总线系统(与CAN 兼容)，其中额外的协议层允许安全相关控制数据被发送。在特定优选实 施例中，数据字段50被用于发送用于标准控制任务的控制数据，数据区域 74被用于发送与Safety BUS p兼容的与安全相关的控制数据，例如来自安 全传感器30、 32、 34的状态信息和用于制动器36到40的停止命令，以及
图7是用于示出例如站16的各个站的结构设计的简化框图。标号80 表示代表站16的应用层的微控制器。该微控制器实现了控制系统10中的 站16的功能，即在这种情况下是I/0单元的功能。取代微控制器，还可以 使用指定应用的任务的另一部件，例如PC或指定应用的IC (ASIC)。
应用80与通信模块82通信，通信模块82被二没计为基于本发明方法来 实现通信协议。在优选实施例中，其中通信介质26是与以太网兼容的传输 链路，通信模块82借助于两个连接84、 86而连接到各自的协议块88、 90。 协议块88、 90被路由到RJ45连接42，并生成基于本发明的数据帧46被 嵌入到其中的与以太网兼容的总线电才艮44。数据帧46和数据区域74、 76 (如果被使用)由通信模块82生成。另外，每个站16包含特别存储了配 置数据的存储器92,所述配置数据被用于向每个站分配用于写或读其自己 的或外来的传输数据的数据字段50。振荡器94生成基准时钟。
在图7所示的示例性实施例中，通信模块82是以ASIC形式的，其特 别优选地用于例如62.5 ns或125 ns的较短循环时间。可选地，通信模块 82还可以以软件块的形式，该软件块是在合适的硬件平台上被执行的。后 者特别优选地用于例如lms或5ms的较长循环时间。
图8是优选实施例的示意图，其中来自两个接连的返回数据帧46、 64 的传输数据在读取时被重新排列或重新编译，以便它们可以以对于应用 100为最优的方式被处理。所读取的传输数据在数据分类器102中被编译 以形成应用IOO所访问的新的数据字或数据帧104。为此，所述数据分类 器使用分类表106，当系统被初始化时由总线管理器14将该分类表分配给 该lt据分类器。如由各个不同的图案所示，数据分类器102可以从接连的 返回数据帧46、 64读取各个传输数据，并且可以将其编译到新数据字104 中，该新数据字实现了与后续帧的特别有利的操作。另夕卜，数据分类器102 还可以在每种情况下正确地关联可选地以多路复用模式被填充的数据字 段。为此，它使用数据帧计数器(FC)和循环计数器(这里未示出)。前 者计数或标识传输循环内的接连的后续帧，而后者区分来自不同传输循环
的数据帧。
已参考与以太网兼容的通信介质说明了本发明的优选实施例。这是特 别优选的，因为以太网是广泛使用的通信平台，并且所需的硬件和软件部 件因而是以低成本商业上可用的。然而作为上述可选项，本发明原则上还 可以基于其它通信介质来实现。
权利要求
1.一种用于在包括经由通信介质(26)相互连接的多个空间分布的站(14-24)的控制系统(10)中传送数据的方法，所述站(14-24)被逻辑上排列成一组，所述组限定了第一站(14)、至少一个第二站(16-22)和最后一站(24)，所述方法包括以下步骤-所述第一站(14)生成具有多个数据字段(50)的数据帧(46)，其中为每个第二站(16-22；16-18)和所述最后一站(24；20)明确分配至少一个数据字段(50)用于填充以传输数据，-所述第一站(14)将所述数据帧(46)作为输出数据帧(46’，46”)发送到在所述组中跟在所述第一站(14)之后的第二站(16)，-每个第二站(16-22；16-18)从所述组中各自的前一站接收所述输出数据帧(46’，46”)、用传输数据填充分配给它的数据字段(50)，并且将具有所述传输数据的输出数据帧(46’，46”)发送到所述组中的下一站，以及-所述最后一站(24；20)从所述组中的前一站接收所述输出数据帧(46”)、用最后的传输数据填充分配给它的数据字段(50)，并且将具有所有传输数据的数据帧作为返回数据帧(46)返回给所述站组，其特征在于，所述站(14-24)从所述返回数据帧(46)的数据字段(50)读取外来的传输数据。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一站(14)以 预定的时间间隔(62)循环生成所述输出数据帧(46),并且将其发送到 下一个笫二站(16)。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述数据帧(46) 包含至少第一和第二数据字段组(50， 74)，其中对于所有所述数据帧(46 ) 所述第一组中的数据字段(50)被固定分配给各个站(14-24),以及其 中所述第二组中的数据字段(74)关于对各自数据帧(46)的单独请求而 4皮分配给所述站(14 - 24),
4. 根据权利要求1到3之一所述的方法，其特征在于，所述返回数 据帧(46，)以与所述输出数据帧(46，， 46")相反的顺序经过所述站組(14 -24)。
5. 根据权利要求1到4之一所述的方法，其特征在于，所述第 一站 (14)监控所述返回数据帧(46，，，)是否在限定的时期内到达.
6. 根据权利要求1到5之一所述的方法，其特征在于，所述通信介 质(26)是与以太网兼容的传输链路，以及所述数据帧(46)是与以太网 兼容的数据帧。
7. 根据权利要求1到6之一所述的方法，其特征在于，至少每个第 二站(16-22)利用直通方法将所述输出数据帧(46)发送到所述组中的 下一站。
8. 根据权利要求1到7之一所述的方法，其特征在于，每个站(14 -24)将所述输出数据帧(46)发送到正好一个下一站。
9. 根据权利要求1到8之一所述的方法，其特征在于，所述第 一站 (14)生成多个数据帧(46， 64)，并且将它们作为输出数据帧发送到直接接连的下一第二站(16)。
10. 根据权利要求1到9之一所述的方法，其特征在于，各个数据字 段(50a， 50b)可选地由至少两个站填充以传输数据。
11. 根据权利要求1到10之一所述的方法，其特征在于，各个站(14 - 24)用与现场总线电报兼容的传输数据填充所述数据帧中的至少一个数 据字段(76)。
12. 根据权利要求1到11之一所述的方法，其特征在于，为所述站 (14-24)分别分配(48)所述输出数据帧(46，， 46")中的数据字段用于填充以它们自己的传输数据，以及所述返回数据帧(46，，，)中的数据字 段用于读取外来的传输数据。
13. 根据权利要求1到12之一所述的方法，其特征在于，所述站(14 -24)从所述返回数据帧(46，，，)读取外来的传输数据，并且重新排列它 们以形成指定站的数据字。
14. 根据权利要求1到13之一所述的方法，其特征在于，所述第一 站(14)生成具有多个状态字段的每个输出数据帧(46)，其中，为每个 第二站(16-22)分配至少一个状态字段，以及其中，每个第二站(16-22)在所述输出数据帧(46)经过时改变其状态字段。
15. —种用于自动控制装置或器械的控制系统，其包括经由通信介质 (26)相互连接的多个空间分布的站(14-24),其中所述站(14-24)被逻辑上排列成一组，该组限定了第一站(14)、至少一个第二站(16-22)和最后一站(24)，其中，所述第一站(14)被设计为生成具有多个数据字段(50)的数 据帧U6)，其中为每个第二站(16-22; 16 - 18)和所述最后一站(24; 20)明确分配至少一个数据字段(50)用于填充以传输数据，其中，所述第一站(14)被进一步设计为作为输出数据帧(46，， 46") 而将所述数据帧(46)发送到所述组中跟在所述第一站(14)之后的第二 站(16)，其中，每个第二站(16-22; 16-18)被设计为从所述组中各自的前 一站接收所述输出数据帧(46，， 46")、用传输数据填充分配给它的数据 字段(50),以及将具有所述传输数据的输出数据帧(46，， 46")发送到 所述组中的下一站，以及其中，所述最后一站(24; 20)被设计为从所述组中的前一站接收所 述输出数据帧(46，， 46")、用最后的传输数据填充分配给它的数据字段， 以及作为返回数据帧(46，)将具有所有所述传输数据的数据帧返回给所述 站組，其特征在于，所述站(14-24)被设计为从所述返回数据帧(46，)中 的数据字段(50)读取外来的传输数据。
16. 根据权利要求15所述的控制系统，其特征在于，所述站包括被 设计为循环处理过程数据并基于其生成控制数据的至少一个控制单元(12)，并且还包括被设计为将过程数据发送到所述控制单元(12)以及从 所述控制单元(12)接收控制数据的多个I/0单元(14-24)。
17. —种用于根据权利要求15或16所述的控制系统中的站的通信模 块(82)，其中，所ilit信模块(82)被设计为接收输出数据帧(46，， 46") 并用传输数据填充它，并且从返回lt据帧(46，，，)读取传输数据并转发该 返回数据帧(46，")。
18. —种用于根据权利要求15或16所述的控制系统中的站的通信模 块(82 )，其中，所述通信模块(82 )被设计为生成输出数据帧(46，， 46") 并将它发送到下一站(16)。
全文摘要
本发明涉及一种用于在控制系统中传送数据的方法，其中，第一站(14)生成具有多个数据字段的数据帧(46)。要被填充以传输数据的至少一个数据字段被明确分配给每个另一站(16-20)。数据帧(46)作为输出数据帧(46’，46”)从一个站被传送到下一个，其中每个站用传输数据填充被分别分配的数据字段。最后一站(20)作为返回数据帧(46’)将数据帧返回给站组。根据本发明的一方面，所述站(14-20)从返回数据帧(46’)中的数据字段读取外来的传输数据，优选地各个数据字段被分别分配给所述站(14-20)。
文档编号G05B19/042GK101111807SQ200580047658
公开日2008年1月23日 申请日期2005年12月21日 优先权日2004年12月24日
发明者H·施文克尔, K·乌哈斯, M·霍扎普费尔, R·斯派尔, R·鲁普 申请人:皮尔茨公司