自动化装置和用于加速处理所选择的过程数据的方法

摘要

描述了一种自动化装置(6)，具有至少一个用于与现场总线(2)连接和通过现场总线(2)传输含有过程数据(PD)的数据包(DP)的现场总线接口(12)并具有至少一个用于与局部总线(7)连接和在与局部总线(7)连接的现场设备(9a、9b、9c)与自动化装置(6)之间传输过程数据(PD)的局部总线接口(21)，还具有用于将来自现场总线(2)的数据包(DP)转换成局部总线(7)的数据流(DS)和用于将由局部总线(7)提供给自动化装置(6)的数据流(DS)转换成现场总线(2)的数据包(DP)的装置。自动化装置(6)具有用于选择所要加速转换的过程数据(PDS)和用于单独转换所选择的过程数据(PDS)的加速单元(10)，该加速单元这样设置，使所选择的过程数据(PDS)在时间上在与所选择的过程数据(PDS)结合地一起被传输的未选择的过程数据(PDN)之前被输出。

说明书

技术领域

本发明涉及一种自动化装置具有至少一个用于连 接现场总线和通过现场总线传输含有过程数据的数据包的现场总线接口并具有 至少一个用于连接局部总线和在与局部总线连接的现场设备与自动 化装置之间传输过程数据的局部总线接口，还具有用于将来自现场总线的数据 包转换成对于局部总线的数据流和用于将从局部总线指向自动化装置的数据流 转换成对于现场总线的数据包的装置。

本发明此外涉及一种用于加速处理数据包或数据流的所选择的过程数据的 方法。

背景技术

WO 2009/021974 A2公开了一种利用以太网通信标准和以太网CAT数据包 或以太网CAT框架进行工业通信的实时控制。自动化装置通过微处理器与作为 现场总线的以太网数据网络连接。通过局部总线利用以太网CAT数据包来进行 与连接在输入/输出模块上的现场设备的通信。为加速通信，设置对于局部总线 的两个以太网CAT数据框架，其中，一个数据框架仅用于从自动化装置指向输 入/输出模块的数据并且另一个数据框架仅用于从输入/输出模块指向自动化装 置(现场总线控制器)的数据。

DE 100 06 265 B4公开了一种用于控制串行主从通信系统的通信用户的数 据交换的装置。通过将该装置构造为用于替换预先确定的通信数据，可以根据 通信要求灵活调整该装置。因此通信用户可以主动介入通信数据流。以这种方 式，通信用户，也就是输入/输出模块可以无需自动化装置作为主机彼此间通信。

发明内容

由此出发本发明要解决的技术问题在于，提供一种得到改进的自动化装置， 其使得可以在现场总线与局部数据总线之间进行加速的数据传输。

上述技术问题利用开头所述类型的自动化装置通过如下得以实现，即自动 化装置具有用于选择所要加速转换的过程数据和用于单独转换所选择的过程数 据的加速单元，该加速单元这样设置，使所选择的过程数据在时间上在与所选 择的过程数据结合地一起传输的未选择的过程数据之前被输出。

在监测通过现场总线或局部总线发送到自动化装置的数据包或数据流时， 选择所要加速处理的过程数据。因此实现了，与在同一时间段内与所选择的过 程数据结合地由自动化装置接收的未选择的过程数据相比，加速地处理和转换 这些所选择的过程数据，以便将该所选择的过程数据在时间上在未选择的过程 数据之前传送。

过程数据在此方面是指自动化系统的在现场设备与上级的控制装置之间交 换的所有数据，特别是测量数据、控制数据和状态数据。

自动化装置例如可以是自动化设备的模块式输入/输出系统的现场总线耦 合器。

现场设备特别是在自动化系统中使用的传感器和执行机构，例如像启动器、 终端开关、阀门、继电器、信号指示灯等。

所选择的过程数据的输出可以直接通过自动化装置的直接接口进行，现场 设备可以无需中间连接的总线而与该直接接口直接连接。但所选择的过程数据 的输出也可以在时间上在嵌入结合地一起接收的未选择的过程数据之前通过嵌 入到对于局部总线的数据流来进行，以便将过程数据以常见的方式通过局部总 线和与其连接的输入/输出模块例如以环形总线法传输到现场设备。

为了减少延迟时间，可以在传输数据时在不检查所接收的数据包或数据流 的正确性的情况下将所选择的过程数据输出到局部总线上，而未选择的过程数 据则在确定了所属数据包或数据流的正确性之后才被转换和输出。

但特别具有优点的是，自动化装置构造为用于检查所接收的数据包和/或数 据流的正确性并且在确定了正确性后才进行所选择的过程数据的输出。但然后 应当已经准备好处理和转换所选择的过程数据，使得在确定了数据包或数据流 (利用上述数据包或数据流来传输这些所选择的过程数据)的正确性后，可以在 没有不必要的时间延迟的情况下输出已经做好输出准备的所选择的过程数据。

此外具有优点的是，自动化装置构造为用于在数据包的每个现场总线传输 循环内或数据流的现场设备数据的每个局部总线传输循环内选择和输出所选择 的过程数据，而未选择的过程数据仅在更新请求(Aktualisierungsanforderungen) 的情况下进行处理。因此所选择的过程数据具有绝对的优先权且被定期重复选 择和传送。在此方面，数据包在循环内被定期重复传输到现场总线上并由局部 总线上的现场设备数据充分利用。在自动化系统中，通常为了传输，循环时间 定义为如下的时间：在发送之后到过程的下次重复所流逝的时间。在此方面， 在输入/输出模块、局部总线、现场总线耦合器、现场总线和控制装置中进行的 定期扫描、分析和传送过程中确定循环时间。然后取决于这种循环时间进行所 选择的过程数据的加速传送。加速的传送导致循环时间降低。

数据的选择例如可以利用具有用于识别数据包或数据流的所要加速处理的 数据的存在状态的状态识别单元的硬件逻辑电路进行。利用这种状态识别单元 可以以简单手段从数据包或数据流中选择所要加速处理的数据且将这些数据与 未选择的过程数据分开地借助硬件(hardwarenah)来加速地转换和输出。为此 自动化装置构造为用于以本身公知的方式借助微控制器上的软件来处理未选择 的过程数据，而选择的过程数据则借助硬件逻辑电路比这些未选择的过程数据 得到更快处理。这一点例如利用由状态识别单元控制的、用于直接的储存器存 取的逻辑电路实现，利用该逻辑电路从储存器中读出缓存的所选择的数据并在 无复杂的进一步处理下通过软件借助硬件逻辑电路为输出而进一步处理。

这种为了观察数据流而设置的、选择和单独转换所要加速处理的数据的加 速单元可集成到自动化装置或自动化装置的现场总线控制器中。但现场总线控 制器经常不提供对控制信号的存取，从而具有优点的是，设置包括在其中集成 了加速单元的专用的现场总线控制器并将其与现有的、没有加速处理数据的传 统的现场总线控制器并联。专用的现场总线控制器可以可选地作为观察器在调 节技术的意义上与传统的现场总线控制器共同作用。

可选地，自动化装置具有至少一个用于在不中间连接局部总线系统的情况 下直接连接现场设备的直接接口。然后在至少一个直接接口上输出所选择的过 程数据或借助硬件逻辑电路来转换为了处理而施加在至少一个直接接口上的、 所要加速处理的信号，以便将这些信号作为所选择的过程数据加速嵌入到对于 现场总线的数据包内。

本发明要解决的技术问题此外在于，提供一种用于加速处理数据包或数据 流的所选择的过程数据的得到改进的方法。

上述技术问题通过以下步骤得以实现：

-观察局部总线上的数据流或现场总线上的数据包，与现场总线耦合的自 动化装置通过该局部总线与至少一个用于与现场设备连接的输入和/或输出模块 进行通信，

-从所观察的数据包和/或数据流中选择所要加速处理的过程数据，

-和与所选择的过程数据结合地一起传输的未选择的过程数据分开地处 理所选择的过程数据，以及

-时间上在结合地一起传输的未选择的过程数据之前输出所选择的过程 数据。

具有优点的实施方式在从属权利要求中予以说明。

附图说明

下面借助附图的实施例对本发明进行详细说明。其中：

图1示出自动化系统的框图，该自动化系统具有通过现场总线与控制装置 和通过局部总线与输入/输出模块连接的自动化装置；

图2示出未选择的和所选择的过程数据彼此独立地转换的曲线图；

图3示出自动化装置的框图，具有用于选择所要加速转换的过程数据的加 速单元；

图4示出传统的现场总线控制器和可选地作为观察器并联的现场总线控制 器的框图，该现场总线控制器具有用于选择和加速转换所选择的过程数据的集 成的加速单元；

图5示出自动化装置的框图，具有直接储存器存取单元 (DirektSpeicher-Zugriffseinheit)，用于通过直接的储存器存取来加速地处理中间 存储在现场总线控制器的中间存储器内的经验证的过程数据。

具体实施方式

从图1可以看出自动化系统1的框图。这种在过程、加工、自动化和建筑 技术上使用的自动化系统利用现场总线2，以采集空间上分布的过程数据并在对 其处理后分配到存储程序控制器(speicherprogrammierbare Steuerungen)3以及 需要时的主计算机4a、4b。

为此存储程序控制器3以本身公知的方式通过上级网络5与一个或多个远 程维护或调度台的主计算机4a、4b连接。主计算机4a、4b需要时可以具有用 于显示过程动态的可视装置。

存储程序控制器3此外通过现场总线2与以现场总线耦合器形式的至少一 个自动化装置6连接。利用这种现场总线耦合器6实现一种模块式的输入/输出 系统，其中通过现场总线耦合器6将过程数据由现场总线2转换到局部总线7 上。与局部总线7连接输入/输出模块8a、8b、8c，它们优选通过作为局部总线 7的环形总线相互通信并与作为自动化装置的现场总线耦合器6通信。与输入/ 输出模块8a、8b、8c连接现场设备9a、9b、9c。这些现场设备例如可以是启动 器、终端开关、阀门、继电器、信号指示灯或类似装置。根据输入/输出模块8a、 8b、8c的构成，与一个输入/输出模块8a、8b、8c可以连接一个或多个这种现 场设备9a、9b、9c。

按照这种方式，由以现场总线耦合器形式的自动化装置6和输入/输出模块 8a、8b、8c形成的模块式I/O系统是在现场设备层面(传感器/执行机构层面) 与通过存储程序控制器3和需要时的上级主计算机4a、4b形成的控制和过程层 面之间的连接单元。

在这种自动化系统1中，对于快速的、特别是实时控制的反应时间是重要 的标准。为缩短反应时间，利用现场总线耦合器6通过如下来减少在传输到现 场总线上的数据包与局部总线7的数据流之间的过程数据的(双向)转换，即 从指向现场总线耦合器6的数据包和/或数据流中选择所要加速转换的过程数据 并单独转换成与所选择的过程数据结合地在同一数据流或数据包内被传输的未 选择的过程数据，并在时间上在未选择的过程数据之前由现场总线耦合器6输 出。

为此自动化装置6具有用于选择过程数据和用于单独转换这些选择的过程 数据的加速单元10，与现场总线耦合器6的传统转换单元11并联运行该加速单 元。

在自动化系统1中，存储程序控制器3承担对输入数据本身的分析、数据 关联和输入/输出模块8a、8b、8c以及与其连接的现场设备9a、9b、9c的输出 数据的提供。现场总线耦合器6用于将通过局部总线7接收的过程数据转换到 通过现场总线2传送到存储程序控制器3上的数据包以及反之。

本自动化系统1不是通过取消现场总线耦合器和直接实现通向输入/输出模 块8a、8b、8c和需要时通向现场设备9a、9b、9c的现场总线并将现场总线耦合 器6的功能转移到存储程序控制器3内和/或输入/输出模块8a、8b、8c内，来 加速数据传输。本自动化系统1而是无论是对局部总线7还是对现场总线2，均 避免了对特定的通信协议标准的确定，从而提供足够的灵活性。

也就是说具有局部总线7的自动化系统1充分利用这种优点，即不同的主 控制装置和现场总线为其各自的任务和部门最佳构成。通过I/O系统，各自的现 场总线2和局部总线7由用户按照应用的最佳能力自由选择。此外，输入/输出 模块8a、8b、8c的特性与现场总线2无关，从而利用由制造商支持的局部总线 系统可提供一组不同特征的输入/输出模块8a、8b、8c，例如数字输入模块、数 字输出模块、模拟输入模块、模拟输出模块、编码器、仪用互感器等。即制造 商的所有输入/输出模块8a、8b、8c为局部总线7装备相同的接口。然后简单地 通过选取支持专用现场总线通信标准的适当的现场总线耦合器6进行与确定的 现场总线2的连接。由此可以简单地扩展和交换应用功能。局部总线7此外在 其带宽和功率方面与现场总线2无关地进行优化。

在利用在局部总线7与现场总线2之间的过程数据的转换来保持模块式I/O 系统的灵活性的情况下，现在通过优化现场总线耦合器6这样缩短反应时间， 使得在将现场总线2的数据包转换到对于局部总线7的数据流时同时进行处理 以及反之。

图2以草图的形式示出由自动化装置6实施的、随时间t分开地转换所要 加速处理的所选择的过程数据PD_S和未选择的过程数据PD_N的过程。指向自动 化装置6的数据包DP_(x)按照通过现场总线2预先规定的通信协议以相应的现场 总线协议格式被传输并在时间点t_(x)开始由自动化装置6接收。该数据包含有多 个指向所属现场设备9a、9b、9c、9d...的过程数据PD。在自动化装置6的转换 单元11内，在一个数据包PD_(x)到达之后检查当前接收的数据包DP_(x)的正确性。 这一点例如可以通过分析随同数据包DP_(x)传输的检查密钥进行。这种检查密钥 例如可以是作为数据包DP_(x)等的值的横排代码和(Quersumme)的检验总数 (Prüfsumme)。在检查正确性后，然后进一步处理和转换数据包DP_(x)的过程数 据PD。在此，在转换单元11内利用传统的微控制器或微处理器借助软件例程 处理过程数据PD。这一点操作非常灵活和简单，但缺点是时间延迟。

为缩短反应时间，自动化装置6因此具有加速单元10，该加速单元从数据 包DP_(x)中选择所要加速传输的过程数据PD_S并分开地借助硬件例如利用现场可 编程的开关电路(feldprogrammierbaren Schaltkreis，FPGA)进行处理和转换。 所选择的这些过程数据PD_S可以按照这种方式在时间上在在同一数据包DP_(x)内 或在前面的数据包DP_(x-1)、DP_(x-2)内等传输的不必加速转换和传输的未选择的过 程数据PD_N之前被嵌入对于到局部总线7的数据流DS内并在那里被输出。

可以看出，在下个数据包DP_(x+1)在时间点t_(x+1)到达之前，传输具有在时间 点t_(x)接收的数据包DP_(x)的所要加速传输的过程数据PD_S(x)和在两个时间点之前 接收的数据包DP_(x-2)的无优先权的过程数据PD_N(x-2)的数据流DS_(x)。对于以时间 点t_(x+1)和t_(x+2)开始的下面的时间段可以看出相应的内容。无优先权的过程数据 PD_N根据数据的可用性而被置入数据流DS_(x+i)(i为具有正号或负号的整数)内 的位置，其中，对所要加速传输的过程数据PD_S给予优先权。

可选地，也可以考虑，将所选择的这些所要加速转换的数据PD_S直接提供 给直接接口上的自动化装置6，现场设备9a、9b、9c、9d可以在无需中间连接 局部总线7的情况下直接连接到该直接接口。

所示出的从现场总线2到局部总线7和与其连接的输入/输出模块8a、8b、 8c的数据传输过程由自动化装置6以相应的方式反过来支持，以便从局部总线 7的数据流DS中选择所要加速传输的过程数据PD_S并转换为对于存储程序控制 器3的输出数据并在数据包DP内通过现场总线输出到控制装置3。

可以看出，结果所选择的所要加速处理的过程数据PD_S在时间上在未选择 的过程数据PD_N之前被传输，虽然与所选择的过程数据PD_S结合的未选择的过 程数据PD_N在时间上早于前面的数据包或在同一数据包内或数据流段被传输。

图3示出具有物理的现场总线接口12、现场总线控制器13和加速单元10 的自动化装置6的框图。现场总线控制器13包括现场总线MAC并与物理的现 场总线接口12双向连接。用于处理现场总线数据包的数据处理单元14构造为 用于分析数据包DP的首标信息(Header)，该首标信息用于数据包DP的编址。 此外，设置数据处理单元14，以便从数据包DP中提取过程数据PD并保存到后 置的中间存储器15a、15b内。数据处理单元14内数据处理的实施通过状态自 动装置(Zustandsautomaten)16a、16b根据数据包DP到达时出现的事件来控制。

中间存储的过程数据PD然后被输出到局部总线7的转换单元11，在该转 换单元内利用过程控制的处理单元18在使用微控制器或微处理器的情况下软件 控制地进一步处理过程数据PD，作为过程图在中间存储器19内中间存储并利 用协处理器20嵌入到局部总线7的数据流DS内。转换单元11利用物理的局部 总线接口21连接到局部总线7。

自动化装置6具有带有状态识别单元17的加速单元10，该状态识别单元 与状态自动装置16a、16b连接，以便从数据包DP中探测所要加速处理的过程 数据PD_S。然后选择所探测的这种所要加速处理的过程数据PD_S并为了加速的 进一步处理而传输到中间存储器15a。在这种情况下从状态识别单元17发出数 据提供信号D-R，利用该数据提供信号，从中间存储器15a直接通过借助硬件 的处理来传输所要加速处理的过程数据PD_S。为此，所选择的过程数据PD_S要 么通过直接接口22被直接输出到自动化装置6上，要么通过协处理器20被嵌 入到局部总线7的数据流DS内。

为了传输，可以在检查了包括数据包DP或数据流DS的完整性在内的正确 性之前，例如借助检验总数进行所选择的过程数据PD_S的预处理。在数据包DP 或数据流段错误的情况下，为了加速，可以利用控制线路FI(无效框架-Frame invalid)来停止该已经转换到局部总线内的所选择的过程数据PD_S的传输。

在存储程序控制器3与利用局部总线7和与其连接的输入/输出模块8a、8b、 8c工作的现场总线耦合器6之间的数据传输因此如下进行：

1)通过输入/输出模块8a、8b、8c采集现场信号并作为数据流DS通过局 部总线7传输到现场总线耦合器6；

2)将局部总线7的协议转换到现场总线2的协议；

3)通过现场总线耦合器6经现场总线2发送现场总线报文以及通过存储程 序控制器3接收和处理现场总线报文；

4)将现场总线报文内所含有的存储程序控制器3的反应发送到现场总线耦 合器6以及通过现场总线耦合器6接收现场总线报文；

5)通过现场总线耦合器6将现场总线协议转换到局部总线7的协议；

6)将现场总线耦合器6的报文通过局部总线7和各自所连接的输入/输出 模块发送到所连接的现场设备9a、9b、9c、9d。

在步骤2)和5)中的转换时，在此方面进行所要加速处理的过程数据PD_S的选择和借助硬件的转换，而其他未选择的过程数据PD_N则以传统方式软件控 制地进行转换。

由现场总线耦合器6实施的步骤可以顺序或以并行处理的方式作为预取过 程(Prefetch-Ablauf)被处理。

为保证过程数据PD的一致性(Konsistenz)，自动化装置6内需要数据缓 冲器，但它们对等待时间(Latenzen)产生不利影响。等待时间是例如通过硬件、 软件内的执行时间(Laufzeiten)以及例如通过现场总线2和局部总线7的子区 域中的双缓冲器产生的信号延迟。

此外，通过利用转换单元11内的中央微处理器单元的数据处理产生跳动 (Jitter)。跳动描述了信号的原因不明的时间上的变化。在目前的自动化系统中， 跳动涉及应当提供现场信号的预计时间点。通过加速单元10成功地明显减少等 待时间和跳动。

在图3中还可以看出，自动化装置6还允许通过直接接口22直接输出所选 择的过程数据PD_S。利用直接储存器存取单元23将所选择的过程数据PD_S嵌入 到局部总线7的数据流DS内，该直接储存器存取单元允许对中间存储器15a 进行直接的储存器存取并因此允许在现场总线控制器13与转换单元11之间进 行过程数据传输。

协处理器20用于建立数据流DS和处理对于局部总线7的过程数据PD。

加速单元10本身可以构造为借助检验总数来分析现场总线报文的有效性， 以便因此加速获得这些信息。这种检验作为替换的或附加的可以如传统的那样 在现场总线控制器13内进行。

图4输出自动化装置的一部分，其中与传统的现场总线控制器13a并联一 个具有识别所要加速传输的数据和选择以及传输这种所要加速传输的数据的功 能的专用的现场总线控制器13b。传统的现场总线控制器13a在其接口上不提供 信号输出端，这些信号输出端对于选择和加速传输所选择的过程数据PD_S来说 是需要的。并联的专用的现场总线控制器13b可与传统的现场总线控制器13a 类似构成。这种专用的现场总线控制器13b附加提供由加速单元10利用的信号 输出端，以便选择所要加速处理的过程数据PD_S并发出数据提供信号D-R。如 果数据包DP或数据流段DS错误，可以利用控制线路FI(无效框架-Frame  invalid)停止已经传输的所选择的过程数据PD_S。

专用的现场总线控制器13b在调节技术的意义上可选地作为对传统现场总 线控制器的观察器工作。由于传统的现场总线控制器13a的现场总线MAC和专 用的现场总线13b的现场总线MAC硬件不同，会导致不同的处理时间和运行时 间(Durchlaufzeiten)。因此需要利用传统的现场总线控制器13a的同步信号 SYNC_A对专用的现场总线控制器13b和特别是其现场总线MAC进行再调节。 为此设置以虚线示出的信号连接和比较逻辑电路25。由传统的现场总线控制器 13a将同步信号SYNC_A传输到比较器25，在该比较器内将同步信号SYNC_A与 相应的同步信号SYNC_B在时间方面进行比较并产生调节信号R，该调节信号被 施加到专用的现场总线控制器13b的数据处理单元14，以便使专用的现场总线 控制器13b与传统的现场总线控制器13a同步。

传统的现场总线控制器13a传输所有过程数据PD_N和PD_S，而专用的现场 总线控制器13b则仅传输所选择的所要加速传输的过程数据PD_S。图3和5示 意示出的后置连接的直接储存器存取单元23负责不重复发送数据。在启动阶段， 配置直接储存器存取单元23并获得所有信息：哪些数据来自哪里，必须发送到 何处并且利用哪些数据带宽发送。

图5示出自动化装置6的另一种实施方式的框图。在这里也具有物理的现 场总线接口12(现场总线PHY)、现场总线控制器13(现场总线MAC)和后置 连接的逻辑单元26。利用逻辑单元26分析由现场总线2接收的数据包DP并已 经检验包括完整性在内的正确性。然后将验证的过程数据PD写入中间存储器 27a内。对于指向现场总线2的过程数据PD设置中间存储器27b，现场总线逻 辑单元26对该中间存储器进行存取，以便将过程数据PD依据现场总线协议转 换到数据包DP并利用物理的现场总线接口12通过现场总线2发送到所连接的 用户。

在该实施例中通过现场总线2接收的过程数据PD当将其写入中间存储器 27a内时已经被验证。

过程数据PD的选择和加速处理在这种情况下通过加速单元10进行。加速 单元10与直接储存器存取单元23共同作用并允许对中间存储器27a和27b直 接存取。利用协处理器20成功地以尽可能短的时间延迟将通过有针对的储存器 存取所选择的所要加速传输的过程数据PD_S嵌入到局部总线7的数据流DS内并 通过局部总线7输出。数据通过局部总线7的输出通过局部总线接口21进行。 但也可以设想通过直接接口22向与自动化装置6直接连接的现场设备9直接输 出数据。

与所选择的过程数据PD_S结合地被传输的未选择的过程数据PD_N同样保存 在中间存储器27a、27b内。转换单元11的过程控制的处理单元18以本身公知 的方式对该中间存储器进行存取并将未选择的过程数据PD_N为储存在其他过程 图像中间存储器19内而进行处理和转换。然后又通过协处理器20将这些未选 择的过程数据PD_N嵌入到局部总线7的数据流DS，而所选择的过程数据PD_S则在现场总线2或局部总线7的每个传输循环中被循环地传输。