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Dokumentenidentifikation DE102005055447B4 28.04.2011
Titel Verfahren und Gerätebus zur selbsttätigen Erfassung von Busteilnehmern
Anmelder RAUMCOMPUTER Entwicklungs- und Vertriebs GmbH, 76137 Karlsruhe, DE
Erfinder Spettel, Ralf, 76227 Karlsruhe, DE
Vertreter Geitz Truckenmüller Lucht, Patentanwälte, 76135 Karlsruhe
DE-Anmeldedatum 22.11.2005
DE-Aktenzeichen 102005055447
Offenlegungstag 24.05.2007
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 28.04.2011
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.04.2011
IPC-Hauptklasse H04L 12/40  (2006.01)  A,  F,  I,  20051122,  B,  H,  DE
IPC-Nebenklasse G06F 13/38  (2006.01)  A,  L,  I,  20051122,  B,  H,  DE

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Gerätebus zur selbsttätigen Erfassung von Busteilnehmern eines hierarchisch strukturierten Bussystems, wobei jeweils benachbarte Strukturebenen des Bussystems mithilfe zumindest eines Gateways miteinander datenverbunden sind, sämtliche Busteilnehmer über die Gateways mit dem Bus datenverbunden sind und jedes Gateway ein Schaltelement zur elektrischen Trennung tiefer liegender Strukturebenen vom Bus aufweist.

Ein solches Verfahren ist bereits aus der US-Patentschrift US 5,623,510 A vorbekannt. Hierbei ist es vorgesehen, im Rahmen eines Neustarts oder Resets des Busses denselben durch Abschalten der tiefer liegenden Schichten und deren sukzessivem Zuschalten eine hierarchische Busstruktur zu erreichen und die Adressvergabe an die Hierarchie anzupassen.

Bussysteme finden bereits seit Langem Anwendung in vielen Bereichen der Technik, wo sie zur Verbindung von Einzelgeräten eingesetzt werden, die untereinander oder mit einer zentralen Kopfstation Daten austauschen sollen. Die Busverbindung an sich sorgt dabei dafür, dass nicht jeder Busteilnehmer direkt mit dieser Zentralstation verbunden werden muss. Stattdessen wird eine zentrale Busleitung für alle Teilnehmer eingesetzt, wobei der Zugriff nach unterschiedlichen möglichen Verfahren geregelt ist.

Besonders bekannt sind dabei etwa die CSMA-Verfahren (Carrier Sense Multiple Access), bei denen die Busleitung vor dem Senden einer Nachricht zunächst abgehört wird und erst bei einer freien Leitung gesendet wird. Ein weiteres mögliches Verfahren stellt das Token-Ring-Verfahren dar, bei dem eine Nachricht mit einem austauschbaren Datenpaket einen kreisförmig angelegten Bus fortwährend durchläuft.

In jedem dieser Fälle beruht das Funktionieren der Kommunikation jedoch darauf, dass bekannt ist, welcher Busteilnehmer der Empfänger der jeweiligen Nachricht ist. Ohne eine Adressierung der auf dem Bus versendeten Nachrichten könnten entweder alle Busteilnehmer auf jede oder auf gar keine Nachricht reagieren.

In der Praxis spielt die Adressierung der Busteilnehmer eine ganz erhebliche Rolle, da die Adressierung aus den genannten Gründen eineindeutig sein muss. Es ist daher bekannt, den Busteilnehmern eine Adressierung einzuprägen, welche sie im Bussystem eindeutig ansprechbar macht. Es muss sich folglich bei jedem Busteilnehmer um eine Adresse handeln, die nur genau einmal innerhalb des Bussystems vorhanden ist. Bekannt ist es beispielsweise, Busteilnehmern, wie etwa beim Profibus von Siemens, mithilfe von Schaltern eine feste Adresse aufgrund der Schalterstellung zuzuordnen. Da diese Zuordnung von Hand erfolgen muss, ist sie mitunter fehleranfällig und führt dazu, dass die Eindeutigkeit der Adressen nicht in allen Fällen sichergestellt ist. Eine etwa versehentlich falsch eingestellte Adresse kann daher zu einem vollständigen Ausfall des Bussystems führen. Eine Kommunikation ist dann nicht mehr möglich.

Die auf dem Ethernet häufig betriebenen Protokolle TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) erfordern ebenfalls eine solche eindeutige Adressierung der am Bus teilnehmenden Geräte, die Adresse wird in diesem Fall jedoch softwaremäßig eingestellt. Dies führt zunächst nicht zu weniger Fehlern, bietet allerdings die Möglichkeit, die Adressvergabe zu automatisieren.

Eine Automatisierung softwaremäßiger Adressvergabe kann beispielsweise mithilfe eines sogenannten DHCP-Controllers (Dynamic Host Configuration Protocol) erfolgen, wobei dieses Konfigurationsprotokoll die automatische Vergabe einer IP-Adresse regelt. Diese dynamische Vergabe von IP-Adressen führt bereits zu einer sehr großen Bequemlichkeit in diesem Bereich, da eine mehrfache Adressvergabe somit vermieden ist. Ein Busteilnehmer muss lediglich angeschlossen werden und sich als DHCP-Client eine IP-Adresse zuweisen lassen.

Der generelle Nachteil dieser Vorgehensweise ist jedoch, dass in jedem Busteilnehmer ein IP-Stack vorgehalten werden muss, was für sehr einfache Geräte wie Lampen oder Schalter ein relativ großer Kostenfaktor wäre.

Ferner ist die automatische Adressvergabe willkürlich, da einem in das Bussystem eintretenden Gerät die nächste freie Adresse zugewiesen wird. Rückschlüsse auf seine Position im Bussystem oder gar den räumlichen Standort sind nicht möglich.

Jedoch ist es gerade in der Haustechnik durchaus gewünscht, Geräte wie Lampen und Schalter mithilfe eines Gerätebusses kostengünstig und einfach ansteuerbar zu machen. Ebenfalls soll der Benutzer erkennen, wo ein Gerät sich befindet.

Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einfache Geräte wirksam mit einem Gerätebus zu verbinden und selbsttätig zu lokalisieren.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit dem Verfahren zur selbsttätigen Erfassung von Busteilnehmern gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs. Ebenfalls ist eine Lösung mit dem Gerätebus nach den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 8 möglich. Sinnvolle Ausgestaltungen können den Unteransprüchen 2 bis 7 entnommen werden.

Erfindungsgemäß wird ein hierarchisch strukturierter Bus aufgebaut, wobei jeweils benachbarte Ebenen der Busstruktur mithilfe sogenannter Gateways datenverbunden werden. Diese Gateways schleifen den Bus in die nächste Ebene durch und ermöglichen gleichzeitig den Anschluss einfacher Geräte wie Lampen oder Schalter an den Bus. Die notwendigen Adressspeicher befinden sich für jeden Busteilnehmer direkt im Speicher des Gateways. Das Gateway besitzt ebenfalls ein Schaltelement, die Verbindung des Busses mit den hierarchisch unterhalb des betreffenden Gateways liegenden Geräten zu trennen. Eine Adressierung sämtlicher Busteilnehmer wird dadurch erreicht, dass jedes Gateway die Verbindung des Busses zu den tiefer liegenden Ebenen trennt und diese im folgenden als eigenständigen Bus betrachtet. Hierbei gibt das Gateway eventuell tiefer liegenden Gateways die Anweisungen, ebenso zu verfahren und schließlich die Adressen der tiefer liegenden Busteilnehmer zurückzumelden. Auf diese Weise werden in einem im Prinzip rekursiven Verfahren die im Bus vorhandenen Busteilnehmer selbsttätig erfasst und gleichzeitig adressiert.

Mit Vorteil weist jedes verwendete Gateway ein Schaltelement auf, mit dessen Hilfe eine elektrische Trennung der tiefer liegenden Ebenen ermöglicht ist. Dieses Schaltelement ist sinnvoller Weise von einer Kopfstation oder einem hierarchisch höher gelegenen Gateway fernsteuerbar.

In vorteilhafter Ausgestaltung werden die Informationen über die einem Gateway nachgeordneten Busteilnehmer in einem Datenspeicher des jeweiligen Gateways vorgehalten. Es ist dadurch gewährleistet, dass eine Busabfrage erheblich beschleunigt wird, wenn nicht jede Instanz ihrerseits jede niedrigere Instanz zur Ermittlung der Busdaten aufrufen muss.

In Weiterbildung dieses Vorteils werden diese Informationen an die höheren Instanzen übertragen, so dass ein Rückmeldeeffekt auftritt, der eine Abfrage eines höher liegenden Gateways oder einer Kopfstation abschließt.

Es hat sich zudem als vorteilhaft erwiesen, eine Abfrage nach allen im Bus verfügbaren Busteilnehmern in regelmäßigen Abständen durchzuführen, um etwa bei der Übertragung aufgetretene Fehler zu beheben.

Den direkt an das jeweilige Gateway angeschlossenen Busteilnehmern weist das Gateway mit Vorteil selbst die Adressen zu. Hierzu bietet es sich an, ein bestimmtes Schema vorzugeben, nach dem die entsprechenden Adressen strukturiert sind. Ebenfalls sind von der Busadresse des Gateways abhängige Adressen denkbar, nämlich wenn für jedes Gateway ein seiner Anschlusskapazität entsprechender Adressbereich reserviert ist.

Da es sich bei den an die Gateways anzuschließenden Busteilnehmern per se nicht um busfähige Geräte handelt, ist ein gesonderter Anschluss am Gateway erforderlich. Die hierfür vorgesehene Anschlussleiste weist eine Reihe von Anschlüssen für Aktoren und Sensoren auf, welche ständig auf Ereignisse überwacht werden. Als solche Ereignisse sind insbesondere das Hinzufügen und das Entfernen von Busteilnehmern zu nennen, das zu einer Erfassung und Weitermeldung führt.

Die vorstehend beschriebene Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

1 ein Gateway zur Datenverbindung zweier Busebenen in einem schematischen Schaltbild und

2 eine schematische Darstellung einer möglichen Bustopologie.

1 zeigt ein Gateway 1 in einem nur schematischen Schaltbild. Das Gateway 1 ist an ein Bussystem 3 angeschlossen, wobei der Busanschluss 3 zur Verbindung mit weiteren Gateways durch das Gerät durchgeschleift ist. Über die Direktverbindungen 4 können Endgeräte wie Schalter oder elektrische Verbraucher als Sensoren und Aktoren an den Bus 3 angeschlossen werden. Das Gateway 1 weist die hierfür benötigten Adressspeicher und Stacks auf, so dass die Busteilnehmer an sich kostengünstig und möglichst einfach herstellbar sind. Das Gateway 1 verfügt zudem über ein Schaltelement 2, mittels dessen die Verbindung zu den tiefer liegenden Strukturebenen des Busses 3 unterbrochen werden kann.

2 zeigt einen willkürlichen Ausschnitt aus einem Bussystem 3, welches eine Reihe von Gateways 1, 1' aufweist und an welches Busteilnehmer 5 über eine Direktverbindung 4 an ein Gateway 1' angeschlossen sind. Das Bussystem 3 wird von einer Kopfstation 6 gesteuert, die beispielhaft zu Betriebsbeginn sämtliche Busteilnehmer erfassen soll.

Die Kopfstation 6 gibt folglich dem Gateway 1 die Anweisung, seine Busteilnehmer zu ermitteln. Dieses trennt die Verbindung zum Bus 3 mithilfe des Schaltelements 2 und stellt in dem verbleibenden Abschnitt des Bussystems 3 weitere Gateways fest, an die es die Anweisung zur Ermittlung der Busteilnehmer an die tiefer liegenden Gateways, darunter Gateway 1', weiterreicht. Unterhalb des Gateways 1' existiert kein weiteres Gateway. Daher ermittelt Gateway 1' die angeschlossenen Busteilnehmer, weist diesen eine Adresse zu, stellt die Verbindung zu Gateway 1 wieder her und meldet den Zustand seines Busabschnitts an Gateway 1 weiter. Gateway 1 hingegen sammelt die Informationen der unterliegenden Gateways und meldet diese an die Kopfstation 6 weiter.

Wird nun ein Busteilnehmer 5 an das Gateway 1' angeschlossen, so erkennt dies das Gateway 1' aufgrund seiner ständigen Überwachung der zum Anschluss der Busteilnehmer vorgesehenen Anschlussleiste, weist dem Busteilnehmer 5 eine Adresse zu und meldet die Änderung an das oberhalb liegende Gateway 1', welches wiederum die Änderung an die Kopfstation 6 weitermeldet.

Vorstehend ist somit ein Verfahren und ein Gerätebus zur selbsttätigen Erfassung von Busteilnehmern beschrieben, welches es ermöglicht, einfache und kostengünstige Aktoren und Sensoren an einen Gerätebus anzuschließen und eine selbsttätige Erkennung und Adressierung durchzuführen.


Anspruch[de]
Verfahren zur selbsttätigen Erfassung von Busteilnehmern eines hierarchisch strukturierten Bussystems (3), wobei jeweils benachbarte Strukturebenen des Bussystems (3) mithilfe zumindest eines Gateways (1, 1') miteinander datenverbunden sind, sämtliche Busteilnehmer (5) über die Gateways (1, 1') mit dem Bus (3) datenverbunden sind und jedes Gateway (1, 1') ein Schaltelement (2) zur elektrischen Trennung tiefer liegender Strukturebenen vom Bus (3) aufweist, wobei zur Erfassung der mit einem Gateway (1') verbundenen Busteilnehmer (5) durch das Schaltelement (2) in diesem Gateway (1') eine vorübergehende Trennung der tiefer liegenden Strukturebenen vom Bus (3) verursacht wird, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich die hierarchisch tiefer als das Schaltelement (2) im trennenden Gateway (1') liegenden Busteilnehmer erfasst werden und diesen jeweils eine Adresse zugewiesen wird, wonach durch Schließen des Schaltelements (2) im vormals trennenden Gateway (1') die Verbindung der tiefer liegenden Strukturebenen mit einem Gateway (1) der nächsthöheren Strukturebene wieder hergestellt wird und das Gateway (1) der nächsthöheren Strukturebene an eine Kopfstation (6) weiterzuleitende Informationen über den Zustand des unterhalb des Gateways (1') liegenden Busabschnitts sammelt. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (2) eines Gateways (1') von einer Kopfstation (6) oder einem hierarchisch höherliegenden Gateway (1) ferngesteuert wird. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Informationen über die einem bestimmten Gateway (1') nachgeordnete Busstruktur lokal in einem dem Gateway (1') zugeordneten Datenspeicher vorgehalten werden. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Informationen über die einem bestimmten Gateway (1') nachgeordnete Busstruktur an eine zentrale Station oder an das hierarchisch nächsthöhere Gateway (1) übertragen und dort ausgewertet werden. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trennung tiefer liegender Strukturebenen vom Bus (3) und eine damit verbundene Erfassung der tiefer liegenden Busteilnehmer (5) von den Gateways (1, 1') selbsttätig ausgeführt werden. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der Erfassung der Busteilnehmer vom jeweiligen Gateway selbsttätig diesen eine eineindeutige Adresse zugewiesen wird. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverbindung zwischen den Busteilnehmern und dem Bussystem mithilfe eines Gateways (1, 1') jeweils über Anschlussleisten hergestellt ist, welche von dem jeweiligen Gateway in regelmäßigen Zeitabständen auf Ereignisse überwacht werden. System bestehend aus einem Bus (3), einem Gateway (1, 1') und Busteilnehmern (5) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gateways (1, 1') jeweils eine Anschlussleiste zum Anschluss von Busteilnehmern (5) aufweisen, wobei sich die zur Verwaltung der Busteilnehmer notwendigen Adressspeicher direkt im Speicher der Gateways (1, 1') befinden.






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