專利名稱：帶有相對時鐘的時鐘同步型通信系統(tǒng)及建立該系統(tǒng)的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種帶有相對時鐘的時鐘同步型通信系統(tǒng)(synchron，getaktet Kommunikationssystem)以及建立這樣一種系統(tǒng)的方法。
背景技術：
具有等距特性的時鐘同步型通信系統(tǒng)被理解成由至少兩個為相互交換數(shù)據(jù)或相互傳輸數(shù)據(jù)而通過一個數(shù)據(jù)網(wǎng)絡互相連接的用戶組成的系統(tǒng)。其中，周期性地按照由該系統(tǒng)使用的通信時鐘脈沖預先設定的等距通信周期進行數(shù)據(jù)交換。用戶例如是中央自動化設備，編程、計劃或操作設備，如輸入/輸出組件、驅動機構、執(zhí)行器、傳感器、可存儲編程控制器(SPS)或其它控制單元那樣的外圍設備，計算機，或者與其它機器交換電子數(shù)據(jù)的機器，尤其是由其它機器處理數(shù)據(jù)的機器。下面將控制單元理解成所有類型的調節(jié)單元或控制單元。作為數(shù)據(jù)網(wǎng)絡例如采用現(xiàn)場總線(Feldbus)、特征總線(Profibus)、以太網(wǎng)絡、工業(yè)以太網(wǎng)絡、火線(FireWire)或者PC內部總線系統(tǒng)等等。
在分布式自動化系統(tǒng)中，例如在驅動技術領域中，除此之外采用了時鐘同步數(shù)據(jù)網(wǎng)絡以及總線系統(tǒng)。其中，某些連接的用戶用作主設備，例如像數(shù)字或可存儲編程控制器或者計劃設備那樣的控制單元，而其他用戶用作從設備，例如驅動機構或者外圍設備。兩類自動化組成部分都可以時鐘同步地工作，即，這些用戶可以與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡所使用的通信時鐘同步。這意味著，用戶的通信時鐘通過所使用的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡獲得，并以與該通信時鐘同步的方式控制確定的過程。按照IEC 61491，EN61491 SERCOS interface-Technische Kurzbeschreibung(http//www.sercos.de/deutsch/doku_freier_bereich.htm)，目前這已在分布式自動化系統(tǒng)中應用和實施。然而，目前還不可能在這樣的系統(tǒng)中引入可以使所有在該通信系統(tǒng)中連接的用戶將各自有效的相對時間相對于其進行同步的有效相對時鐘。因而，例如不能或者至少不能按足夠高的時間精確度確定和實施應用事件序列。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是，提供一種具有等距特性和相對時鐘的、在至少兩個用戶和一個數(shù)據(jù)網(wǎng)絡之間進行通信的時鐘同步型通信系統(tǒng)，以及一種將一個相對時鐘引入到這種通信系統(tǒng)中的方法，其中所有連接到該通信系統(tǒng)中的用戶能夠與該相對時鐘同步。
上述技術問題是通過在工業(yè)裝置領域中至少兩個用戶(尤其是自動化組成部分)和至少一個數(shù)據(jù)網(wǎng)絡之間建立一個具有等距特性的時鐘同步型通信系統(tǒng)的方法來解決尤其在該系統(tǒng)起動運行時引入一個在整個系統(tǒng)內有效的、明確的相對時鐘，且所有連接在該數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的用戶或它們的一個子集與由該相對時鐘確定的相對時間進行一次同步，其中將該相對時間通過該數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳送至所有用戶。
上述技術問題是通過一個建立在工業(yè)裝置領域中至少兩個用戶(尤其是自動化組成部分)和至少一個數(shù)據(jù)網(wǎng)絡之間的、具有等距特性的時鐘同步型通信系統(tǒng)來解決該通信系統(tǒng)至少包括一個裝置，該裝置尤其在系統(tǒng)起動運行時引入一個在整個系統(tǒng)內有效的、明確的相對時鐘，且所有連接用戶或其一個子集至少與由該相對時鐘確定的相對時間進行一次同步，其中該相對時間通過該數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳送至所有用戶。
本發(fā)明基于這樣的認識在分布式自動化系統(tǒng)中應用一個時鐘同步的總線系統(tǒng)或數(shù)據(jù)網(wǎng)絡時，例如通過專門的數(shù)據(jù)分組(例如一種所謂總體控制數(shù)據(jù)分組)向通信系統(tǒng)的所有用戶指示每個新的通信周期的開始。除了這種方法外，還可以有其它允許在用戶之間進行的、對所公開的發(fā)明自然同樣可應用的時鐘同步方法。連同那些至少要在系統(tǒng)起動時確定并分配給所有用戶的有關通信時鐘脈沖長度的信息一起，所有用戶可以按照所使用的時鐘進行同步。其中，該信息由一個被稱為節(jié)拍時鐘(Taktschlaeger)的主用戶傳遞給通信系統(tǒng)的所有用戶。如果該節(jié)拍時鐘附帶有一個相對時鐘，則可以在此同一傳輸路徑上將各自當前的相對時間分配給所有連接的用戶，因而同一相對時間適用于所有連接的用戶。
在本發(fā)明的一種特別優(yōu)選的實施方式中，作為通信系統(tǒng)的用戶在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡上連接有至少一個控制單元、至少一個待控制的單元、和至少一個分散的輸入/輸出部件連接，其中，例如將控制單元用作節(jié)拍時鐘，而輸入/輸出部件作為數(shù)據(jù)網(wǎng)絡和在待控制的單元之間的接口借助于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡在待控制的單元和控制單元之間雙向地進行信號交換。單元尤其也被理解為自動化組成部分、機器、驅動機構等等。在下面還用到的設備的概念被用作單元概念的同義詞。
在本發(fā)明另一種格外優(yōu)選的實施方式中，通過相對時鐘在整個系統(tǒng)內引入的、明確的相對時間由兩部分組成，其中，第一部分表征當前的通信周期，而第二部分確定在通信系統(tǒng)的當前通信周期內的時間點。該實施方式的優(yōu)點在于這樣一來，可精確地確定每個任意的通信周期以及在一個任意通信周期內的每個時間點，因而在采集和寄存時以及在接通事件或在任意的控制-和調節(jié)過程中極大地改善了時間上的精確度。
在本發(fā)明的另一種優(yōu)選實施方式中，通信周期通過一個由通信時鐘脈沖的長度導出的數(shù)字化數(shù)字或絕對時間單位表示，其中，相對時鐘的精度可以在一個通信時鐘脈沖的長度和1μs之間進行設置。因而，可以對每種情況選擇表示的最佳格式，從而例如在時間上安排事件時更為有利，因為直觀地選擇了一個絕對時間表示，而不是抽象表示。
在本發(fā)明的又一種優(yōu)選實施方式中，在整個系統(tǒng)內有效的、明確的相對時鐘和相應的相對時間，直到系統(tǒng)斷開之前對所有用戶保持有效，以及所有用戶直到該系統(tǒng)斷開之前與在整個系統(tǒng)內有效的、明確的相對時鐘和相應的相對時間保持同步。由此保證了在系統(tǒng)運行期間同一相對時間適用于所有用戶，因此，尤其在預先給定的相對時間的時間分辨率的范圍內保證了事件的同時性。這樣，極大地減小了對用戶特定的空載時間(Totzeit)的影響。
在本發(fā)明再一種優(yōu)選實施方式中，通信時鐘脈沖的長度是可以設置的，且至少在系統(tǒng)起動時確定一次，其中，通信時鐘脈沖的長度可以介于10μs和10ms之間。因而就可以對每個特定應用情形、尤其是對于涉及通信系統(tǒng)的每個單獨配置優(yōu)化地確定通信時鐘脈沖的長度。
在本發(fā)明另一種特別優(yōu)選的實施方式中，待控制設備的信號在其在一個分散的輸入/輸出組件的輸入端寄存和采集時由該輸入/輸出組件提供一個印記，該印記由該時刻的當前相對時間和采集開關事件組成，并被轉換成一種對數(shù)據(jù)網(wǎng)絡兼容的數(shù)據(jù)格式，具有該印記的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡繼續(xù)傳送到控制單元，并在那里分析和處理，其中，作為印記一部分的相對時間由兩部分組成一部分確定通信系統(tǒng)的在其間進行寄存和信號采集的通信周期，而另一部分確定相對于通信系統(tǒng)的在其間進行寄存和信號采集的通信周期的開始或結束時的時間點。由此，可以十分精確地確定和儲存例如一個待控制設備的事件采集時間點，并因此隨時提供了對有關事件的計算。
在本發(fā)明另一種格外優(yōu)選的實施方式中，為待控制設備確定的數(shù)據(jù)在向分散的輸入/輸出組件傳送之前由控制單元提供一個印記，該印記由一個與計劃作信號輸出的時間點有關的相對時間和一個輸出開關事件組成，且具有該印記的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳送給該輸入/輸出組件，其中，作為印記一部分的相對時間由兩部分組成一部分確定通信系統(tǒng)在其間應該進行信號輸出的通信周期，而另一部分確定相對于通信系統(tǒng)在其間應進行信號輸出的通信周期的開始或結束時的時間點；且配置有這種與計劃的信號輸出有關的印記、且為待控制設備確定的數(shù)據(jù)，由分散的輸入/輸出組件轉換成對待控制設備可以理解的信號，并在由傳送的印記預先給定的時間點、在分散的輸入/輸出組件的輸出端按照預定的開關事件接通，并輸出到待控制的設備。這種實施方式的特殊優(yōu)點在于，根據(jù)在分散的輸入/輸出組件輸入端出現(xiàn)事件寄存的時間點可精確地計劃分散的輸入/輸出組件的輸出端上輸出事件的接通，并可以在時間上十分精確地加以實施，這在分布式自動化系統(tǒng)的驅動技術領域，例如在木材加工機械或對于凸輪接通特別有利。對所述應用領域中的任意情形，輸入事件和輸出事件之間的時間間隔也可分別以同樣高的時間精度進行設置和達到，由此，同樣極大地降低了對通信系統(tǒng)中所涉及用戶的空載時間的依賴。從而在這種實施方式的基礎上，可以在通信系統(tǒng)內部用戶之間進行等時數(shù)據(jù)交換或者控制事件和事件順序，并且使其得到極大改善。
在本發(fā)明又一種特別優(yōu)選的實施方式中，該信號在分散的輸入/輸出組件的輸出端上的接通和向待控制的設備的繼續(xù)傳送是按照在時間上可以相對于在分散的輸入/輸出組件的輸入端上寄存和采集一待控制設備的信號的時間點進行設置、定義的依從關系來完成。這種實施方式的特殊優(yōu)點在于，由此可以實現(xiàn)應用的事件序列，這尤其在木材加工機械中例如在制造家具木板時具有突出意義。這里，例如必須根據(jù)對木材前棱或后棱的檢測高時間精度地接通機組以進行安放或切除。
在本發(fā)明的又一種實施方式中，由通信系統(tǒng)的一個或者多個用戶直到系統(tǒng)斷開之前所存儲的數(shù)據(jù)，與各自的系統(tǒng)當前相對時間一同存儲，并在該各自存儲的系統(tǒng)相對時間的基礎上對這樣記錄的數(shù)據(jù)進行共同的分析和/或表示。由此，對實時軌跡可以在統(tǒng)一的相對時間的基礎上十分方便組合和分析那些分布在不同用戶的軌跡記錄，其中，可以非常簡單地獲得關于例如用戶反應狀況的信息，從中可以得出例如各個自動化組成部分可能面臨故障的結論。
在本發(fā)明再一種特別優(yōu)選的實施方式中，通信系統(tǒng)的一個或多個用戶，特別是支持相對時鐘的自動化組成部分，提供可以由至少一個控制單元通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡調用和分析的特征數(shù)據(jù)，其中該特征數(shù)據(jù)至少包括對相對時鐘的支持(Support der Relativuhr)、和/或可能可設置的精度和/或至少相對時鐘的一種設置可能性和/或至少一種從在通信系統(tǒng)中使用一相對時鐘導出的機理的支持(Support der Mechanismus)。其優(yōu)點在于該特征數(shù)據(jù)既可以作為設備描述在進行的運行期間在線地從一個或多個相應用戶(特別是從自動化組成部分)讀出，又可以作為說明信息離線地提供，由此，精確記錄了提供的特性的范圍，特別是導出的對機理的支持，如開關事件的精確采集、執(zhí)行機構(Aktorik)的精確接通等等，并由此最精確地限制了相應用戶的使用范圍。
在本發(fā)明再一種優(yōu)選的實施方式中，通信系統(tǒng)的一個或多個用戶，特別是自動化組成部分，僅僅在確定處理階段和/或在確定的時間點上可以對基于相對時鐘的事件進行采集。由此帶來了特殊的優(yōu)點，因為這樣一來以相應自動化組成部分的相對時鐘為基礎的事件采集僅僅在重要的和必須的時刻才進行采集，由此避免不必要的采集，從而避免生成過多的數(shù)據(jù)量。這可以例如從一個控制單元出發(fā)或者經(jīng)一個自動化組成部分的外部電路通過該數(shù)據(jù)網(wǎng)絡按照允許/禁止機理來實現(xiàn)。
此外，特別具有優(yōu)點的是，本發(fā)明公開的方法、尤其是涉及到具有所提到的諸如采集開關事件、精確接通輸出、采集內部實際狀態(tài)(包括所屬時間印記)等應用方式的相對時鐘，可以投入或應用到工業(yè)機器中，例如包裝機械、出版、注塑機械、紡織機械、印刷機、機床、機器人、處理系統(tǒng)(Handlingssystemen)、木材加工機械、玻璃加工機械、陶瓷加工機械以及升降機械中。


下面對照附圖所示實施方式對本發(fā)明作進一步的描述和說明圖1為一種帶有相對時鐘的時鐘同步型通信系統(tǒng)的實施方式的示意圖；圖2為一種分布式自動化系統(tǒng)領域中的帶有相對時鐘的時鐘同步型通信系統(tǒng)在使用印記時的原理工作方式。
具體實施例方式
圖1示出了一種帶有相對時鐘的時鐘同步型通信系統(tǒng)的實施方式的示意圖。在該示出的通信系統(tǒng)中同時涉及一種分布式自動化系統(tǒng)。這兩種概念在下面同義地使用。示出的實施方式由多個同時既可以表現(xiàn)為發(fā)送者又可以表現(xiàn)為接收者的用戶組成。所有用戶都直接或間接地通過數(shù)據(jù)線(其中為清楚起見，僅僅示出了數(shù)據(jù)線11、12、13、14、15)連接在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡1上，例如一個具有和/或沒有實時特性(如時鐘同步和等間隔)的總線系統(tǒng)，如以太網(wǎng)絡、工業(yè)以太網(wǎng)絡、現(xiàn)場總線、特征總線、火線或者PC內部總線系統(tǒng)(PIC)等等，也可以是脈沖式數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，例如等時實時以太網(wǎng)絡。其中，數(shù)據(jù)線根據(jù)不同的使用目的表現(xiàn)為既能夠傳遞或導送數(shù)據(jù)，又能夠傳遞或者導送信號或者其它電脈沖。特別是，在該分布式自動化系統(tǒng)中也可以使用不同類型的數(shù)據(jù)線，它們按不同的數(shù)據(jù)格式傳送各自的數(shù)據(jù)。于是，例如通過數(shù)據(jù)線14可以傳送例如與通過數(shù)據(jù)線13不同的其它格式的數(shù)據(jù)。在這種情況下例如由分散的輸入/輸出組件2負責相應的轉換。顯然，也可以在數(shù)據(jù)線13和14中按同樣的格式傳送數(shù)據(jù)。在這種情況下，不需要通過分散的輸入/輸出組件2進行實時數(shù)據(jù)轉換，而以不變的格式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，這相應于所謂的數(shù)據(jù)導通。其中，未涉及這樣的可能性該分散的輸入/輸出組件2按任意的方式和方法加工和/或處理數(shù)據(jù)，特別是包括時間印記或類似物的數(shù)據(jù)，而不改變數(shù)據(jù)格式本身和/或在正常的自動化系統(tǒng)功能需要時將其轉換成其它格式。直接連接在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡1上的數(shù)據(jù)線(例如數(shù)據(jù)線12、13和15)以與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡1同樣的格式傳送數(shù)據(jù)。使用的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡1脈沖式地工作，并且經(jīng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡1的數(shù)據(jù)交換與所使用的通信時鐘實現(xiàn)同步。所有連接的用戶與所使用的時鐘的首次同步例如在系統(tǒng)起動時進行。為了保證時鐘同步地進行數(shù)據(jù)交換，在運行的過程中各用戶持續(xù)地實現(xiàn)再同步。但是，顯然也可能，在運行中與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡1連接的用戶按所使用的通信時鐘進行同步。特別優(yōu)選這樣的可能性按照需要和使用情況至少在系統(tǒng)起動時可以對該待使用的通信時鐘進行一次設置。其中，如果通信時鐘脈沖的長度介于10μs和10ms之間，則按照經(jīng)驗證明特別有利。在本實施方式中，用戶為待控制的設備(例如驅動4、5和6和分散的輸入/輸出組件2，3)、一計劃設備7、一控制單元8(它既表現(xiàn)為通信時鐘的節(jié)拍時鐘，又表現(xiàn)為相對時鐘9的主導裝置，且配備有相應的裝置)和一操作設備10(這里，例如表現(xiàn)為具有鍵盤和鼠標的計算機)。顯然，作為用戶還可以考慮任何其他類型的自動化組成部分和設備。這里，涉及到的用戶的數(shù)量和/或位置只是示例性地給出。所有示出的用戶已經(jīng)與由相對時鐘9預先給定的相對時間16同步。為清楚起見，相對時間16僅僅在計劃設備7中給出了附圖標記。在公開的實施方式中，一個待控制設備上的事件，例如在如模擬驅動6上采集實測值，通過一個集成在其中的傳感器和/或執(zhí)行器(為了清楚圖中未示出)進行，該實測值借助于數(shù)據(jù)線14傳遞至分散的輸入/輸出組件2，并在那里以時鐘同步方式采集并轉換成相應的、對數(shù)據(jù)網(wǎng)絡1兼容的數(shù)據(jù)格式。然后再將按照這樣方式轉換的數(shù)據(jù)以與所使用的通信系統(tǒng)的通信時鐘同步方式經(jīng)數(shù)據(jù)線13、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡1(例如一個以太網(wǎng)總線系統(tǒng))和數(shù)據(jù)線12繼續(xù)傳送到控制單元8。該控制單元8例如表現(xiàn)為一個可存儲編程控制器(SPS)或者一個其它任意的控制和調節(jié)單元，它可以從所有與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡1連接的用戶接收如實測值那樣的數(shù)據(jù)并對其分析處理，和/或向所有用戶發(fā)送如額定值那樣的數(shù)據(jù)。這樣，控制單元8例如處理由分散的輸入/輸出組件2以時鐘同步方式發(fā)送的驅動6的實測值，在該實測值的基礎上計算相應的額定值，并同樣以時鐘同步方式經(jīng)數(shù)據(jù)線12、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡1和數(shù)據(jù)線13將該額定值送回到分散的輸入/輸出組件2。后者將該接收到的額定值轉換成驅動6可以理解的信號，并再經(jīng)數(shù)據(jù)線14以與所使用的通信時鐘同步方式將該信號傳送至驅動6，驅動6借助于一個集成的執(zhí)行器(為清楚起見圖中未示出)將接收到的額定值解釋和轉換成例如控制命令。同樣的機理可以類似地傳送到一個例如連接在分散的輸入/輸出組件3上的處理器(為清楚起見圖中未示出)中。
還可以例如借助于操作設備10經(jīng)數(shù)據(jù)線11手動干預控制單元8，并由此對控制單元8的相應調節(jié)和控制機構產(chǎn)生影響。這里，計劃設備7和控制單元8為主設備，因為它們可以對通信系統(tǒng)的控制和其它連接的用戶直接施加影響。類似地其他用戶例如驅動4、5和6以及分散的輸入/輸出組件2和3在此為從設備，因為它們相應由主設備7和8進行控制。在此，如實施方式所顯示的那樣，還可以將自動化組成部分(例如驅動4和5)不經(jīng)過一個中間接入的分散的輸入/輸出組件而直接與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡1連接。為清楚起見，省略了在分散的輸入/輸出組件3上的其它待控制的設備的連接。此外，所示出的驅動4、5和6也可看作任意自動化組成部分(特別是現(xiàn)場設備)的待控制設備或者機器的示例。
此外，示出的實施方式包括一個控制單元8，它另外還表現(xiàn)為通信時鐘/同步時鐘的節(jié)拍時鐘以及相對時鐘9的主導裝置。這里，集成在控制單元8中的相對時鐘9例如按照硬件或者軟件實現(xiàn)。相對時鐘9規(guī)定整個系統(tǒng)內有效的、明確的相對時間16，該相對時間16由兩部分組成，其中，第一部分表征當前的通信周期，而第二部分確定當前通信周期內的時間點。由此，可以精確地確定每個任意的通信周期以及任意通信周期內的每個時間點，因此在采集和寄存時以及在接通事件或者在任意控制和調節(jié)過程中極大地改善了時間精確度。相對時鐘9的精度可以由控制單元8根據(jù)應用情況設置在通信周期長度和1μs之間。相對時間16可以用一個由通信周期長度導出的數(shù)字化數(shù)字或絕對時間單位表示。
在所示時鐘同步型通信系統(tǒng)中，例如通過傳送一個專門的數(shù)據(jù)分組(例如一種所謂總體控制數(shù)據(jù)分組)向所有用戶指示每個新的通信周期的開始。連同那些至少要在系統(tǒng)起動時確定并分配給所有用戶的有關通信時鐘脈沖長度的信息一起，所有用戶可以按照所使用的時鐘進行同步。其中，該信息由作為節(jié)拍時鐘的的控制單元8傳送給通信系統(tǒng)的所有用戶。這種傳送機理同樣被控制單元8利用，以便將相對時鐘9的當前相對時間16分配給所有連接的用戶。因此，該整個系統(tǒng)內有效的、明確的相對時鐘9和相應的相對時間16，直到系統(tǒng)斷開之前對所有用戶保持有效。此外，控制單元8一直保證所有的用戶直到系統(tǒng)斷開之前與該相對時鐘9和相應的相對時間16保持同步。由此保證在系統(tǒng)的運行時間內對所有用戶總是采用同一個相對時間16，由此，尤其保證了該事件在預先給定的相對時間16的時間分辨率的范圍內的同時性。這樣，極大地減小了對用戶特定的空載時間的影響。
圖2示出了分布式自動化系統(tǒng)領域中一個帶有相對時鐘的時鐘同步型通信系統(tǒng)中在使用印記時的原理工作方式。為了說明問題，示出了例如三個依次緊隨的通信周期通信周期m 34、通信周期m+1 35和通信周期m+236，以及另外一個在稍后時間點出現(xiàn)的、但不是直接緊隨其后的通信周期m+x 37。此外，將在出現(xiàn)輸入事件18和相應的輸出事件32之間的工作方式劃分為四個層面，即控制單元層面38、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡層面39、自動化組成部分層面40和處理接口層面41。作為屬于控制單元層面38的用戶是主設備，例如控制單元8；而例如象分散的輸入/輸出組件2，3、數(shù)字驅動4，5，6或者其它現(xiàn)場和/或外圍設備那樣的自動化組成部分屬于自動化組成部分層面40。數(shù)據(jù)網(wǎng)絡層面39通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡1來表征所述兩個層面38和40之間的連接，而處理接口層面41表征在層面40上的自動化組成部分對處于其后的處理和/或處理部分的干預(Durchgriff)。這樣，在驅動中輸入事件18例如涉及的是采集發(fā)送器實測值，分散的輸入/輸出組件涉及的例如是對后接的傳感器實測值的采集。在驅動中輸出事件32涉及的例如是向相應連接的功率部件輸出額定值，在分散的輸入/輸出組件涉及的例如是向相應連接的執(zhí)行機構(Aktorik)輸出額定值。
所示出的工作方式表示了所示通信系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)，即所有用戶、特別是如分散的輸入/輸出組件2和3那樣位于自動化組成部分層面40上的設備既與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡1的通信時鐘同步，又與整個系統(tǒng)內有效的相對時鐘9和相應的相對時間16同步。用戶與采用的通信時鐘以及相對時鐘9的同步已在系統(tǒng)起動時實現(xiàn)。
因此，通信系統(tǒng)各個用戶，特別是分散的輸入/輸出組件2和3，了解通信周期的長度，并由此尤其了解通信周期m 34、m+1 35、m+2 36以及m+x 37的長度。用戶與所采用的通信時鐘的同步通過所謂總體控制數(shù)據(jù)分組23實現(xiàn)，該總體控制數(shù)據(jù)分組當時直接指示下個通信周期的開始，并因此及時地發(fā)送給所有用戶。該數(shù)據(jù)分組23在系統(tǒng)起動時由用戶進行分析，因而用戶可以進入與通信系統(tǒng)的通信時鐘同步。為了避免出現(xiàn)將一個通信周期中的數(shù)據(jù)傳送與下一個通信周期中的交疊，并為了保證對數(shù)據(jù)分組23的精確分析以及由此在直接隨后的通信周期的開始確切地發(fā)送信號，可直接在發(fā)送總體控制數(shù)據(jù)分組23之前在一個離散的時間內不發(fā)送數(shù)據(jù)。這稱為主動等待，用預備(Reserve)17表示。為清楚起見對預備17僅對其中一次采用了附圖標記。在運行進行期間總體控制數(shù)據(jù)分組23顯然始終直接指示下一個通信周期的開始，并由此使通信系統(tǒng)的用戶獲知。
在圖1中公開的、利用一個整個系統(tǒng)內有效的相對時鐘9的機理的基礎上，例如由分散的輸入/輸出組件2在使用相對時間16的條件下產(chǎn)生一個印記20，該印記由屬于一輸入事件18的當時相對時間16和輸入事件18本身的類型、例如正或負開關側面(Schaltflanke)組成。其中，相對時鐘9的第一部分表示當前通信周期，例如通信周期m 34，其中分散的輸入/輸出組件2在其輸入端對待控制的設備的輸入事件18進行信號采集19；而相對時鐘9的第二部分更精確地給出該信號采集19相對于當前通信周期(例如通信周期m 34)的開始或者結束時的時間點。在自動化組成部分層面40上例如由分散的輸入/輸出組件2在對輸入事件18進行信號采集19或在作信號轉換21時將這樣的產(chǎn)生的印記引入到數(shù)據(jù)中，從而在分散的輸入/輸出組件2中精確地記錄了這些數(shù)據(jù)的開關事件的采集時間點和類型，并在傳遞中成為數(shù)據(jù)的組成部分。為了清楚起見僅僅對一次印記20給出了附圖標記。向數(shù)據(jù)網(wǎng)絡層面39所作的數(shù)據(jù)繼續(xù)傳遞22(用數(shù)據(jù)分組24表示)然后例如隨著通信周期m+1 35的開始繼續(xù)進行。其中，緊接著的下一個通信周期m+1 35的開始通過傳送總體控制數(shù)據(jù)分組23通知所有用戶。為清楚起見，在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡層面39上的數(shù)據(jù)分組24、灰色標記的總體控制數(shù)據(jù)分組23以及預備17分別僅給出一個附圖標記。其中，未標記的數(shù)據(jù)分組的不同長度沒有特殊的含義，它僅僅表明，各個數(shù)據(jù)分組的長度取決于內容并由此是可變的。在通信周期m+1 35中，僅實現(xiàn)數(shù)據(jù)交接25，將具有印記20的傳遞數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)網(wǎng)絡層面39傳送到控制單元層面38，例如傳送給控制單元8，再由控制單元8進行數(shù)據(jù)處理26。其中，控制單元8既對印記20又對數(shù)據(jù)內容進行分析處理。在此基礎上控制單元8應答數(shù)據(jù)，并根據(jù)印記20的內容計算出隨后在分散的輸入/輸出組件2輸出端將應答數(shù)據(jù)輸出到相應待控制設備所要求的時間點，以及應該用來開關的輸出事件的類型(例如正的或負的開關側面)。所計算的、為待控制設備確定的應答數(shù)據(jù)在由控制單元8向分散的輸入/輸出組件傳送之前被設置一個印記(其由計算出的、與信號輸出要求的計劃時間有關的相對時間以及輸出開關事件組成)27，使得該印記27在傳遞中成為應答數(shù)據(jù)的組成部分。其中，印記27中表征相對時間的部分又由兩部分組成。這里，第一部分表征通信周期，例如分散的輸入/輸出組件2在其輸出端應當向待控制的設備進行一輸出事件32的信號輸出31的通信周期m+x 37；而另一部分更精確地給出在這樣確定的通信周期(例如通信周期m+x 37)內進行信號輸出31的時間點。為清楚起見僅僅標記了一次印記27。例如在下一個通信周期m+2 36的開始時，由控制單元層面38，例如從控制單元8將該計算出的具有印記28的應答數(shù)據(jù)向數(shù)據(jù)網(wǎng)絡層面39作數(shù)據(jù)傳送28。該數(shù)據(jù)傳送28也與通信時鐘同步進行，并可以在每個通信周期中進行。由數(shù)據(jù)網(wǎng)絡層面39例如仍在通信周期m+2 36中實現(xiàn)向自動化組成部分層面40(例如對接收到的數(shù)據(jù)中的印記20進行分析的、分散的輸入/輸出組件2)的數(shù)據(jù)傳輸29。根據(jù)對印記27、特別是對表征輸出數(shù)據(jù)的時間點部分的分析結果，由分散的輸入/輸出組件2將這些數(shù)據(jù)臨時儲存，并直到對應相對時間16例如在通信周期m+x 37中才在預定的時間點完成相應的信號輸出31，例如由分散的輸入/輸出組件2的輸出端處的額定值按照印記27中預定的開關事件進行接通，向待控制的設備提供輸出事件32。其中，此前將接到的數(shù)據(jù)變?yōu)榇刂频脑O備可以理解的信號所必需的數(shù)據(jù)轉換30，可以在通信周期m+2 36中的數(shù)據(jù)傳輸和在通信周期m+x 37中的信號輸出31之間的任意時刻由分散的輸入/輸出組件2完成。
由此，分散的輸入/輸出組件的輸出端處的輸出事件32的接通可以與在分散的輸入/輸出組件的輸入端對輸入事件18的寄存時間無關，而通過應用整個系統(tǒng)內有效的相對時鐘9進行精確地計劃，并且在時間上十分精確地實施，這在分布式自動化系統(tǒng)中驅動技術領域中(例如凸輪的接通等)特別有利。在輸入事件18和輸出事件32之間的時間間隔33，也可以對所述應用領域中每個任意的情形分別按照各自的高時間精度進行設置和實現(xiàn)，因而極大地減小了對該通信系統(tǒng)所涉及的用戶的空載時間的依賴。此外，由此可以實現(xiàn)應用的事件序列，該事件序列特別是在木材加工機械中、例如在制造家具木板時具有突出意義。這里，例如必須根據(jù)對木材前棱或后棱的檢測高時間精度地接通機組以進行安放或切除。
總之，本發(fā)明涉及一種時鐘同步型通信系統(tǒng)，例如一種分布式自動化系統(tǒng)，其用戶可以是任意的自動化組成部分，且為了互相交換數(shù)據(jù)的目的通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡1相互耦合。其中，作為通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡1可以考慮所有可能的總線系統(tǒng)，例如現(xiàn)場總線、特征總線、以太網(wǎng)絡、工業(yè)以太網(wǎng)絡等等。該通信系統(tǒng)的一個用戶作為節(jié)拍時鐘，并負責為所有用戶分配和保持所使用的通信時鐘以及由所有用戶分配和保持所使用的通信時鐘。按照同樣的機理，該節(jié)拍時鐘也可以在整個通信系統(tǒng)中為所有用戶引入一種相對時鐘9。于是，該用戶同樣是該相對時鐘9和有效的相對時間16的主導裝置。因此，通信系統(tǒng)的所有用戶始終與在整個系統(tǒng)內有效的相對時鐘9和有效的相對時間16同步，并因此在任何時間對時間具有相同的概念。由此，明顯地改善或者首次允許實現(xiàn)應用序列、將同時出現(xiàn)的事件同步、在采集事件和輸出接通時提高時間精度。
權利要求
1.一種在工業(yè)裝置領域中的至少兩個用戶、特別是自動化組成部分和至少一個數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(1)之間建立一個具有等距特性的時鐘同步型通信系統(tǒng)的方法，其特征在于，尤其在所述系統(tǒng)起動運行時引入一個在整個系統(tǒng)內有效的、明確的相對時鐘(9)，且所有連接在該數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(1)上的用戶至少與由該相對時鐘(9)確定的相對時間(16)進行一次同步，其中該相對時間(16)通過該數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(1)傳送至所有用戶。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，作為所述通信系統(tǒng)的用戶，在所述數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(1)上連接有至少一個控制單元(8)、至少一個待控制的單元和至少一個分散的輸入/輸出組件(2，3)，該組件作為在該數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(1)和該待控制的單元之間的接口借助于該數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(1)在該待控制的單元和該控制單元(8)之間雙向地進行信號交換。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述由該相對時鐘(9)在整個系統(tǒng)引入的、明確的相對時間(16)由兩部分組成，其中，第一部分表征當前的通信周期，而第二部分確定在所述通信系統(tǒng)的當前通信周期內的時間點。
4.根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于，所述通信周期用一個由通信周期的長度導出的數(shù)字化數(shù)字或絕對時間單位表示。
5.根據(jù)權利要求1到4中任一項所述的方法，其特征在于，所述相對時鐘(9)的精度可以在一個通信時鐘脈沖的長度和1μs之間進行設置。
6.根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的方法，其特征在于，所述在整個系統(tǒng)內有效的、明確的相對時鐘(9)和相應的相對時間(16)直到系統(tǒng)斷開之前對所有用戶保持有效。
7.根據(jù)權利要求1至6中任一項所述的方法，其特征在于，所有用戶直到該系統(tǒng)斷開之前與在整個系統(tǒng)內有效的、明確的相對時鐘(9)和相應的相對時間(16)保持同步。
8.根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的方法，其特征在于，所述通信時鐘脈沖的長度是可以設置的。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，所述通信時鐘脈沖的長度介于10μs和10ms之間。
10.根據(jù)權利要求1至9中任一項所述的方法，其特征在于，所述通信時鐘脈沖的長度至少在該系統(tǒng)起動時被確定一次。
11.根據(jù)權利要求1至10中任一項所述的方法，其特征在于，待控制設備的信號在一個分散的輸入/輸出組件(2，3)的輸入端寄存和采集時由該輸入/輸出組件(2，3)給該信號提供一個印記(20)，該印記由該時刻的當前相對時間(16)和采集開關事件組成，并被轉換成一種對所述數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(1)兼容的數(shù)據(jù)格式，具有該印記(20)的數(shù)據(jù)通過該數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(1)繼續(xù)傳送到所述控制單元(8)，并在那里進行分析和處理，其中，該作為印記(20)一部分的相對時間(16)由兩部分組成一部分確定該通信系統(tǒng)的在其間進行寄存和信號采集的通信周期，而另一部分確定相對于該通信系統(tǒng)的在其間進行寄存和信號采集的通信周期的開始或結束時的時間點。
12.根據(jù)權利要求1至11中任一項所述的方法，其特征在于，為所述待控制設備確定的數(shù)據(jù)在向所述分散的輸入/輸出組件(2，3)傳送之前由所述控制單元(8)提供一個印記(27)，該印記(27)由一個與計劃作信號輸出的時間點有關的相對時間(16)和一個輸出開關事件組成，且具有該印記(27)的數(shù)據(jù)通過所述數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(1)傳送給該輸入/輸出組件(2，3)，其中，該作為印記(27)一部分的相對時間(16)由兩部分組成一部分確定該通信系統(tǒng)的在其間應當進行信號輸出的通信周期，而另一部分確定相對于該通信系統(tǒng)在其間應當進行信號輸出的通信周期的開始或結束時的時間點。
13.根據(jù)權利要求1至12中任一項所述的方法，其特征在于，所述配置有一個與計劃的信號輸出有關的印記(27)、且為所述待控制設備確定的數(shù)據(jù)，由所述分散的輸入/輸出組件(2，3)轉換成對該待控制的設備可以理解的信號，并在由該傳送的印記預先給定的時間點、在該分散的輸入/輸出組件(2，3)的輸出端按照預定的開關事件接通，并輸出到該待控制設備。
14.根據(jù)權利要求1至13中任一項所述的方法，其特征在于，所述信號在該分散的輸入/輸出組件(2，3)的輸出端上的接通和向該待控制設備的繼續(xù)傳送是按照在時間上可以相對于在該分散的輸入/輸出組件(2，3)的輸入端上寄存和采集待控制設備的信號的時間點進行設置、定義的依從關系來完成。
15.根據(jù)權利要求1至14中任一項所述的方法，其特征在于，由所述通信系統(tǒng)的一個或多個用戶直到系統(tǒng)斷開之前所存儲的數(shù)據(jù)，與各自的系統(tǒng)當前相對時間(16)一同存儲，并在各自存儲的系統(tǒng)相對時間(16)的基礎上對這樣記錄的數(shù)據(jù)進行共同的分析和/或表示。
16.根據(jù)權利要求1至15中任一項所述的方法，其特征在于，所述通信系統(tǒng)的一個或多個用戶，特別是支持所述相對時鐘(9)的自動化組成部分，提供可以由至少一個控制單元(8)通過所述數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(1)調用和分析的特征數(shù)據(jù)，其中該特征數(shù)據(jù)至少包括對該相對時鐘(9)的支持、和/或可能可設置的精度和/或至少該相對時鐘(9)的一種設置可能性和/或至少一個由在通信系統(tǒng)中使用相對時鐘(9)導出的機理的支持。
17.根據(jù)權利要求1至16中任一項所述的方法，其特征在于，所述通信系統(tǒng)的一個或多個用戶，特別是自動化組成部分，僅僅在確定的處理階段和/或在確定的時間點上可以對基于相對時鐘(9)的事件進行采集。
18.一種在工業(yè)裝置領域中的至少兩個用戶、特別是自動化組成部分和至少一個數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(1)之間建立的具有等距特性的時鐘同步型通信系統(tǒng)，其特征在于，所述通信系統(tǒng)至少包括一個裝置，該裝置尤其在系統(tǒng)起動運行時引入一個在整個系統(tǒng)內有效的、明確的相對時鐘(9)，且所有連接用戶或其一個子集至少與由該相對時鐘(9)確定的相對時間(16)進行一次同步，其中該相對時間(16)通過該數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(1)傳送至所有用戶。
19.根據(jù)權利要求18所述的通信系統(tǒng)，其特征在于，所述通信系統(tǒng)作為用戶包括至少一個控制單元(8)、至少一個待控制的設備和至少一個分散的輸入/輸出組件(2，3)，該組件作為在所述數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(1)和該待控制設備之間的接口借助于該數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(1)在該待控制設備和該控制單元(8)之間雙向地進行信號交換。
20.根據(jù)權利要求18或19所述的通信系統(tǒng)，其特征在于，所述通信系統(tǒng)至少包括一個裝置，該裝置用來使所述相對時鐘(9)在整個系統(tǒng)引入的、明確的相對時間(16)由兩部分組成，其中第一部分表征當前的通信周期，而第二部分確定該通信系統(tǒng)的當前通信周期內的時間點。
21.根據(jù)權利要求18至20中任一項所述的通信系統(tǒng)，其特征在于，所述通信系統(tǒng)至少包括一個用來使所述通信周期用一個由通信周期的長度導出的數(shù)字化數(shù)字或絕對時間單位來表示的裝置。
22.根據(jù)權利要求18至21中任一項所述的通信系統(tǒng)，其特征在于，所述通信系統(tǒng)至少包括一個用來使所述相對時鐘(9)的精度可以在一個通信時鐘脈沖的長度和1μs之間進行設置的裝置。
23.根據(jù)權利要求18至22中任一項所述的通信系統(tǒng)，其特征在于，所述通信系統(tǒng)至少包括一個用來使所述在整個系統(tǒng)內有效的、明確的相對時鐘(9)和相應的相對時間(16)直到系統(tǒng)斷開之前對所有用戶保持有效的裝置。
24.根據(jù)權利要求18至23中任一項所述的通信系統(tǒng)，其特征在于，所述通信系統(tǒng)至少包括一個用來使所有用戶直到該系統(tǒng)斷開之前與在整個系統(tǒng)內有效的、明確的相對時鐘(9)和相應的相對時間(16)保持同步的裝置。
25.根據(jù)權利要求18至24中任一項所述的通信系統(tǒng)，其特征在于，所述通信系統(tǒng)至少包括一個用來設置所述通信時鐘脈沖長度的裝置。
26.根據(jù)權利要求25所述的通信系統(tǒng)，其特征在于，所述通信系統(tǒng)至少包括一個將所述通信時鐘脈沖的長度設置在10μs和10ms之間的裝置。
27.根據(jù)權利要求18至26中任一項所述的通信系統(tǒng)，其特征在于，所述通信系統(tǒng)至少包括一個至少在系統(tǒng)起動時確定一次所述通信時鐘脈沖長度的裝置。
28.根據(jù)權利要求18至27中任一項所述的通信系統(tǒng)，其特征在于，所述通信系統(tǒng)至少包括一個分散的輸入/輸出組件(2，3)，在該分散的輸入/輸出組件(2，3)的輸入端寄存和采集一待控制設備的信號時由該組件提供一個印記(20)，該印記(20)由該時刻的當前相對時間(16)和采集開關事件組成，并將其轉換成一種對所述數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(1)兼容的數(shù)據(jù)格式，且將具有該印記(20)的數(shù)據(jù)通過該數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(1)繼續(xù)傳送到所述控制單元(8)以作分析和進一步處理，其中該作為印記(20)一部分的相對時間(16)由兩部分組成一部分確定該通信系統(tǒng)在其間進行寄存和信號采集的通信周期，而另一部分確定相對于該通信系統(tǒng)在其間進行寄存和信號采集的通信周期的開始或結束時的時間點。
29.根據(jù)權利要求18至28中任一項所述的通信系統(tǒng)，其特征在于，所述通信系統(tǒng)至少包括一個控制單元(8)，該單元將為所述待控制設備確定的數(shù)據(jù)在向所述分散的輸入/輸出組件(2，3)傳送之前提供一個印記(27)，該印記(27)由一個與計劃作信號輸出的時間點有關的相對時間(16)和一個輸出開關事件組成，且具有該印記(27)的數(shù)據(jù)通過所述數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(1)傳送到該輸入/輸出組件(2，3)，其中該作為印記(27)一部分的相對時間(16)由兩部分組成一部分確定該通信系統(tǒng)在其間應當進行信號輸出的通信周期，而另一部分確定相對于該通信系統(tǒng)在其間應當進行信號輸出的通信周期的開始或結束時的時間點。
30.根據(jù)權利要求18至29中任一項所述的通信系統(tǒng)，其特征在于，所述通信系統(tǒng)包括至少一個分散的輸入/輸出組件(2，3)，該組件將所述配置有一個與計劃的信號輸出有關的印記(27)、且為所述待控制設備確定的數(shù)據(jù)轉換成對該待控制設備可以理解的信號，并在由該傳送的印記預先給定的時間點、在該分散的輸入/輸出組件(2，3)的輸出端按照預定的開關事件接通，并輸出到該待控制設備。
31.根據(jù)權利要求18至30中任一項所述的通信系統(tǒng)，其特征在于，所述通信系統(tǒng)至少包括一個裝置，該裝置用來使得在所述分散的輸入/輸出組件(2，3)的輸出端上所作的信號接通和向所述待控制設備的繼續(xù)傳送是按照在時間上可以相對于在該分散的輸入/輸出組件(2，3)的輸入端上寄存和采集該待控制設備的信號的時間點進行設置、定義的依從關系來完成。
32.根據(jù)權利要求18至31中任一項所述的方法，其特征在于，所述通信系統(tǒng)至少包括一個裝置，該裝置用來使由該通信系統(tǒng)的一個或多個用戶直到系統(tǒng)斷開之前所存儲的數(shù)據(jù)與各自的系統(tǒng)當前相對時間(16)一同存儲，并在各自存儲的系統(tǒng)相對時間(16)的基礎上對這樣記錄的數(shù)據(jù)進行共同的分析和/或表示。
33.根據(jù)權利要求18至32中任一項所述的通信系統(tǒng)，其特征在于，所述通信系統(tǒng)至少包括一個用戶，特別是一個自動化組成部分，該用戶支持所述相對時鐘(9)，并提供可以由至少一個控制單元(8)通過所述數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(1)調用和分析的特征數(shù)據(jù)，其中該特征數(shù)據(jù)至少包括對該相對時鐘(9)的支持、和/或可能可設置的精度和/或至少該相對時鐘(9)的一種設置可能性和/或至少一個由在通信系統(tǒng)中使用相對時鐘(9)導出的機理的支持。
34.根據(jù)權利要求18至33中任一項所述的通信系統(tǒng)，其特征在于，所述通信系統(tǒng)至少包括一個用戶，特別是一個自動化組成部分，該用戶僅僅在確定的處理階段和/或在確定的時間點上可以對基于相對時鐘(9)的事件進行采集。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種時鐘同步型通信系統(tǒng)，例如一種分布式自動化系統(tǒng)，其用戶可以是任意的自動化組成部分，且為了互相交換數(shù)據(jù)的目的通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(1)相互耦合。其中，作為通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(1)可以考慮所有可能的總線系統(tǒng)，例如現(xiàn)場總線、特征總線、以太網(wǎng)絡、工業(yè)以太網(wǎng)絡等等。該通信系統(tǒng)的一個用戶作為節(jié)拍時鐘，并負責為所有用戶分配和保持所使用的通信時鐘，且被所有用戶使用。按照同一機理，該節(jié)拍時鐘也可以在整個通信系統(tǒng)中為所有用戶引入一種相對時鐘(9)。于是，該用戶同樣是該相對時鐘(9)和有效的相對時間(16)的主導裝置。因此，通信系統(tǒng)的所有用戶始終與在整個系統(tǒng)內有效的相對時鐘(9)和有效的相對時間(16)同步，因此在任何時間對時間具有相同的概念。由此，明顯地改善或者首次允許實現(xiàn)應用序列、將同時出現(xiàn)的事件同步、在采集事件和輸出接通時提高時間精度。
文檔編號G06F1/14GK1518689SQ02806518
公開日2004年8月4日 申請日期2002年3月11日 優(yōu)先權日2001年3月16日
發(fā)明者邁克爾·弗蘭克, 亞歷山大·海德, 馬丁·基塞爾, 基塞爾, 大 海德, 邁克爾 弗蘭克 申請人:西門子公司