DE4328239A1 - Anordnung zum Datenerhalt in speicherprogrammierbaren Steuerungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Datenerhalt in speicherprogrammierbaren Steuerungen über Zeitintervalle des Ausfalles der Versorgungsnetzspannung beliebiger Länge hinweg.

In der Leit- und Steuerungstechnik kommen häufig speicherprogrammierbare Steuerungen und Prozeßcontroller zum Einsatz. Diese Geräte arbeiten üblicherweise auf der Basis von Mikroprozessoren. Für die Speicherung von Daten werden innerhalb dieser Steuerung flüchtige Speicher eingesetzt (RAM) welche Arbeitsdaten zur Laufzeit aufnehmen. Darüber hinaus kommen nichtflüchtige Speicher (EPROM, EEPROM, FLASH-EPROM) zum Einsatz. Der Einsatz von rotierenden Massenspeichern (Festplatten) ist für den Einsatz unter industriellen Bedingungen ungeeignet. In den nichtflüchtigen Speicher werden unveränderliche oder selten veränderlichen Daten abgelegt. Dazu zählen das Betriebssystem, das Betriebsprogramm sowie Konfigurationsdaten des Anwenders.

Im flüchtigen Speicher sind während der Laufzeit des Programmes sich ändernde Daten wie beispielsweise Merker, Reglersollwerte und Reglerstellungen abgelengt.

Für die Versorgung solcher Steuerungen oder Prozeßcontroller mit Hilfsenergie werden regelmäßig 230-Volt-Wechselspannungsnetze, seltener auch 24-Volt-Gleich- oder Wechselspannungsnetze eingesetzt. Bei diesen Netzen ist Netzunterbrechungen im laufenden Betrieb zu rechnen. Auch wenn 24-Volt-Gleichspannungsnetze häufig über Akkumulatoren gepuffert werden, ist auch bei solchen Netzen mit Spannungseinbrüchen durch Schaltvorgänge an hohen Lasten oder Unterbrechungen zu rechnen. Die Netzteile für industriell eingesetzte Steuerungen können im allgemeinen Netzunterbrechungen bis zu einer Dauer von 20 ms durch interne Pufferung überbrücken, ohne daß die Funktion der angeschlossenen Steuerung beeinträchtigt wird. Länger andauernde Unterbrechungen führen zum Stillstand der Steuerung und zum Verlust der Daten in dem flüchtigen Speicher.

Um einen Verlust von Daten bei Netzausfällen zu verhindern, ist durch offenkundige Vorbenutzung bekannt, statische RAM-Bausteine einzusetzen. Diese haben einen sehr geringen Datenerhaltungsstrombedarf, der im A-Bereich liegt. Über eine Back-up-Schaltung werden die RAM-Bausteine herstellerspezifisch mittels eines besonderen Akkumulators oder einer Batterie mit Spannung versorgt und halten bei Unterbrechungen in der Versorgungsspannung die Daten in dem flüchtigen RAM-Speicher.

Im Gegensatz zu nationalen Postverwaltungen mit flächendeckender Anwendung international genormter Schnittstellen und im wesentlichen einheitlichen Betriebsparametern fehlen im Kreis der Hersteller und Anwender digitaler Leit- und Steuerungstechnik bislang firmenübergreifend genormte Rahmenparameter, die eine weitgehend einheitliche Sicherung der Anlagen und Komponenten gegen Folgen von Versorgungsnetzausfällen sichert.

Andererseits sind Anlagenkomplexe desselben Betreibers häufig heterogen aus Einzelsystemen verschiedener Hersteller zusammengesetzt. Das führt dazu, daß herstellerspezifisch jede Anlage bzw. deren Komponenten für sich mit separaten und unterschiedlichen Mitteln gegen Versorgungsnetzausfälle geschützt sind. Üblicherweise werden dazu Kleinakkumulatoren verwendet.

Der Einsatz von Klein-Akkumulatoren auf NiCd-Basis erfordert entsprechende Ladeschaltungen, die ein überladen verhindern. Darüber hinaus besteht die Gefahr eines Kapazitätsverlustes des Akkumulators durch den sogenannten Memory-Effekt, sofern der Akkumulator nicht regelmäßig entladen wird. Dieser technische Aufwand in Verbindung mit der endlichen Lebensdauer von Akkumulatoren führt verstärkt zu einem Einsatz von Lithiumbatterien. Diese haben bei entsprechender Auslegung Standzeiten von bis zu 5 Jahren.

Der zahlreiche Einsatz von Batterien zum Datenerhalt bei Netzausfall bei automatisierungstechnischen Geräten stellt die Betreiber großer Anlagen, beispielsweise in der chemischen Industrie, vor eine Reihe von Problemen. Zunächst ist der regelmäßige Batteriewechsel innerhalb der vorgeschriebenen Wartungsintervalle materiell, personell und organisatorisch sicherzustellen. Weiterhin ist eine Vielzahl verschiedener Batterietypen bei Einsatz von verschiedenen Geräten verschiedener Hersteller zu bevorraten. Der Lagerbestand an Ersatzbatterien ist hinsichtlich der Überalterung zu überwachen und es ist zu prüfen, ob eingesetzte Batterien in den Geräten vor Ablauf des Wechselintervalles funktionsuntauglich werden.

Letztlich ist die umweltgerechte Entsorgung der verbrauchten Batterien zu organisieren. Darüber hinaus sind bei während des Batteriewechsels auftretende Störungen im Versorgungsnetz alle in flüchtigen Speichern abgelegte Daten verloren.

Bei kleineren Feld- und Leitgeräten ist es bekannt, Betriebssoftware und Anwenderkonfigurationsdaten in EEPROMs oder Flash-EPROMs unverlierbar abzuspeichern. Kurzzeitige Spannungseinbrüche lassen sich zudem bei kleineren Speichergrößen durch den Einsatz eines Goldfolienkondensators anstelle einer Batterie sichern.

Bei großen speicherprogrammierbaren Steuerungen treten allerdings zusätzliche Probleme auf. Betriebssoftware, Systemsoftware sowie Anwenderkonfiguration lassen sich auch hier in EEPROMSs bzw. Flash-EPROMSs speichern. Diese Daten werden lediglich bei der Konfiguration bzw. Umkonfiguration der Anlage, also selten, geändert. Zusätzlich fallen allerdings noch in großem Umfang Trend-, Alarm- und Archivdaten an, die paketweise über ein Netzwerk zur Archivierung an die übergeordnete Leitebene gesandt werden. Diese dynamisch erzeugten Daten können einen Umfang von einigen Kilobyte bis zu einigen hundert Kilobyte annehmen. Ihre Generierung ist vom Zustand des zu steuernden technischen Prozesses abhängig. Bei Alarm-Bursts können innerhalb kürzester Zeit große Mengen Alarmmeldungen auflaufen, die nicht sofort über das Netzwerk verschickt werden können.

Das Ablegen von dynamischen Datenbeständen diesen Umfanges in EEPROMs oder Flash-EPROMs im Falle eines Spannungseinbruches ist in der Praxis aus mehreren Gründen nicht realisierbar. Das Schreiben von Daten in ein Flash-EPROM dauert ca. 50 s pro Wert und ist damit nahezu um den Faktor 1000 langsamer als der Schreibvorgang in einen batteriegepufferten statischen RAM.

Sind bereits Werte im Flash-EPROM gespeichert, muß erst die gesamte Speicherbank gelöscht werden, und erst dann kann die neue Information durch Programmieren gespeichert werden. Der Zeitaufwand für Löschen und Neuprogrammierung ist jedoch erheblich.

Allein die Ablage dieser Daten innerhalb der 20 ms Netzausfallüberbrückungszeit des Netzteils ist nicht möglich, weil vom Mikroprozessor noch andere Aufgaben zu bewältigen sind. Über die Problemstellung des Datenerhaltes bei RAMs hinaus, ist in vielen Steuerungen noch zusätzlich eine Uhr mit Datum und Uhrzeit vorhanden, die im Falle eines Netzausfalles weiterlaufen soll.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Datenerhalt in speicherprogrammierbaren Steuerungen anzugeben, bei der die Datensicherung echtzeitfähig ist, bei der Datenverlust während der Wartung datenerhaltender Mittel vermieden wird, die eine system- und herstellübergreifende Vereinheitlichung gestattet und den Wartungsaufwand senkt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß unter Beibehaltung von statischen RAMs, im folgenden SRAM genannt, als Mittel zur Aufnahme der Datenbestände ein dem Stromversorgungsnetz überlagertes redundantes, batteriegepuffertes Gleichspannungsnetz mit mindestens zwei Spannungsquellen vorgesehen ist und das jede Systemkomponente, in der flüchtige Datenbestände über Intervalle des Ausfalles des Stromversorgungsnetzes aufrechtzuerhalten sind, Mittel zur Überwachung jeder einzelnen Spannungsquelle aufweist.

Einzelheiten und Vorteile werden im Rahmen der folgenden Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung der Stromversorgung in einem Rack,

Fig. 2 eine Darstellung der Stromversorgung in einem Schrank,

Fig. 3 eine Darstellung der Stromversorgung in einer Anlage,

Fig. 4 ein Blockschaltbild für die Anschlußbaugruppen.

Eingangs näher bezeichnete speicherprogrammierbare Steuerungen sind üblicherweise in Form einer Zusammenschaltung von steckbaren Modulen, die in sogenannten Racks mechanisch arretiert und über eine Rückverdrahtung elektrisch verbunden sind, aufgebaut. In Fig. 1 ist ein derartiges Rack 2 schematisch dargestellt, das mit einem Systeminterface 10, einer Rechnerbaugruppe 20, die eine zentrale Verarbeitungseinheit 200, im folgenden CPU genannt, aufweist und einer begrenzten Anzahl sonstiger Baugruppen 30, beispielsweise Eingabe/-Ausgabebaugruppen, bestückt ist, die gemeinsam aus einem Stromversorgungsnetz 4 gespeist werden. Die Rechnerbaugruppe 20 ist mit einer CPU 200 und flüchtigem Speicher 100 ausgestattet, in denen Konfigurationsdaten, Merker, Reglersollwert usw. abgelegt sind.

Die sonstigen Baugruppen 30 werden, soweit sie keine flüchtigen Speicher aufweisen, deren Inhalte über Störungen im Stromversorgungsnetz 4 zu retten sind, ausschließlich aus dem Stromversorgungsnetz 4 gespeist und bleiben daher im folgenden außer Betracht.

Alternativ sind flüchtige Speicher in den sonstigen Baugruppen 30 versorgungstechnisch dem flüchtigen Speicher 100 der Rechnerbaugruppe 20 parallelgeschaltet.

Das Systeminterface 10 und die Rechnerbaugruppe 20 sind darüber hinaus an ein gepuffertes Gleichspannungsnetz 5 angeschlossen, das eine vorgegebene Anzahl n < 1 gepufferter Gleichspannungen 51 bis 5n aufweist. Alle Spannungen, das sind die Spannung des Stromversorgungsnetzes 4 und die Gleichspannungen 51 bis 5n des gepufferten Gleichspannungsnetzes 5 sind auf ein gemeinsames, in den Figuren nicht dargestelltes Massepotential bezogen und im Systeminterface 10 sowie in der Rechnerbaugruppe 20 an eine Anschlußbaugruppe 300 angeschlossen. Die Bauteile der Anschlußbaugruppe 300 sind auf dem Systeminterface 10 und die Rechnerbaugruppe 20 verteilt. In den Anschlußbaugruppen 300 wird aus den angelegten Spannungen die Betriebsspannung 350 des flüchtigen Speichers 100 abgeleitet sowie die Anwesenheit der angelegten Spannungen überwacht und als Status 360 an die jeweilige CPU 200 weitergegeben.

Das Systeminterface 10 ist mit einer Aufnahmevorrichtung für eine Kartenbatterie 401 ausgestattet, die an die erste gepufferte Gleichspannung 51 angeschlossen ist. Die Rechnerbaugruppe 20 ist mit einer Aufnahmevorrichtung für eine Kartenbatterie 402 ausgestattet, die an die zweite Gleichspannung 52 angeschlossen ist.

Vorzugsweise bleiben die Gleichspannungen 51 und 52 auf das jeweilige Rack 2 begrenzt.

Für komplexe speicherprogrammierbare Steuerungen werden gemäß Fig. 2 mehrere baugleiche Racks 2 mechanisch in einem Schrank 1 angeordnet. Die Anschlüsse gleichnamiger Spannungen 4, 53 bis 5n sind jeweils miteinander verbunden. In dem Schrank 1 ist eine Schrankbatterie 50 vorgesehen, die an die dritte Gleichspannung 53 des gepufferten Gleichspannungsnetzes 5 angeschlossen ist. Eine derartige Schrankbatterie 50 kann zur gepufferten Gleichspannungsversorgung mehrerer Schränke 1 vorgesehen sein, wie in Fig. 3 durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist.

Zur gepufferten Gleichspannungsversorgung einer Anlage, die gemäß Fig. 3 aus einer Vielzahl von Schränken 1 zusammengestellt ist, ist eine Anlagenpufferbatterie 5 vorgesehen, die an die vierte Gleichspannung 54 des gepufferten Gleichspannungsnetzes 5 angeschlossen ist. Für eine derartige Anlage ist es optional vorgesehen und bei erhöhten Sicherheitsanforderungen zweckmäßig, die Anlagenpufferbatterie 5 redundant auszuführen und über separate Netzleitungen an die Schränke 1 und Racks 2 anzuschließen. Die Anlagenpufferbatterie 5 ist anlagenzentral angeordnet und mit einer Ladestation 7 verbunden.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist in jeder Baugruppe, die flüchtige Speicher 100 mit zu sichernden Daten aufweist, jeweils eine Anschlußbaugruppe 300 vorgesehen. Gemäß Fig. 4 ist die Anschlußbaugruppe 300 für jede gepufferte Gleichspannung 51 bis 5n des Gleichspannungsnetzes 5 und die Spannung des Stromversorgungsnetzes 4 mit mindestens jeweils einem Rückspeiseschutz 310 bis 31n und jeweils einem Schwellwertschalter 330 bis 33n ausgestattet.

Die Mittel für den Rückspeiseschutz 310 bis 31n sind ausgangsseitig parallelgeschaltet und mit den Anschlüssen für die Betriebsspannung 350 des flüchtigen Speichers 100 verbunden.

Die Ausgänge der Schwellwertschalter 330 bis 33n sind separat mit Eingängen eines Konzentrators 340 verbunden, dessen Ausgang als Status 350 mit der auf der jeweiligen Baugruppe 10 oder 20 angeordneten CPU 200 verbunden ist.

In einer ersten Ausführungsform ist der Konzentrator 340 ein Multiplexer, mit dem die Ausgänge der Schwellwertschalter 330 bis 33n periodisch abgetastet werden. Der Status 360 wird in Form eines Impulstelegrammes, das aufeinanderfolgend alle Einzelanwesenheiten der Spannung des Stromversorgungsnetzes 4 sowie der gepufferten Gleichspannungen 51 bis 5n des Gleichspannungsnetzes 5 separat aufweist, übertragen. Die Auswertung erfolgt in der CPU 200. Dabei ist der Ausfall jeder einzelnen Betriebsspannung für sich separat nachweisbar und alarmierbar.

In einer zweiten Ausführungsform ist der Konzentrator 340 eine Logikanordnung, deren binärer Ausgangszustand bei Unterschreitung einer vorgegebenen Anzahl erkannter Spannungen aus der Menge der Gleichspannungen 51 bis 5n des gepufferten Gleichspannungsnetzes 5 und der Spannung des Stromversorgungsnetzes 4 wechselt.

Vorteilhafterweise wird bei dieser Ausführungsform die CPU 200 vom periodischen Abfragen des Konzentrators 340 entlastet. Im Störungsfall wird über den Wechsel der Status 360 das Steuerungsprogramm der CPU 200 unterbrochen und in eine Unterbrechungsbehandlungsroutine verzweigt, in deren Abarbeitung die Sicherung der Daten und die Alarmierung erfolgt.

Die Nennspannungen der Kartenbatterien 401 und 402 sind abzüglich des Spannungsabfalles über dem Rückspeiseschutz 311 und 312 auf die Betriebsspannung 350 des flüchtigen Speichers 100 abgestimmt.

Die Nennspannung der Schrankbatterie 50 und insbesondere die der Anlagenpufferbatterie 6 sind wegen des zu erwartenden Spannungsabfalles über den Verbindungsleitungen des Gleichspannungsnetzes 5 überdimensioniert. Die Anschlußbaugruppe 300 weist dazu für die Gleichspannung 53 bis 5n je ein Spannungsregler 323 bis 32n auf, der jeweils dem Rückspeiseschutz 313 bis 31n vorgeschaltet ist. Vorteilhafterweise ist durch den Einsatz von Spannungsreglern 323 bis 32n für Gleichspannungen 53 bis 5n des gepufferten Gleichspannungsnetzes 5 die Art und die Nennspannung der Anlagenpufferbatterie 6 und der Schrankbatterie 60 durch den Betreiber im Rahmen zulässiger Grenzen frei wählbar. Damit ist eine hinzugefügte Steuerung aus einer bestehenden, mit einer Schrankbatterie 50 und!oder Anlagenbatterie 6 ausgestatteten Anlage gepuffert speisbar. Weiterhin ist aus einer hinzugefügten Steuerung mit Schrankbatterie 60 eine bestehende Steuerung, die mit einer Anschlußbaugruppe 300 ausgestattet ist, speisbar.

Vor der Entnahme einer mit flüchtigen Speichern bestückten Baugruppe unter Datenerhalt zu Servicezwecken wird die entsprechende Baugruppe mit einer Kartenbatterie 401 oder 402 bestückt. Der letzte Betriebszustand der entsprechenden Baugruppe ist dann labormäßig überprüfbar und auswertbar.

Optional ist für die Spannung des Stromversorgungsnetzes 4 zum Ausgleich von Spannungsschwankungen ein Spannungsregler 320 vorgesehen, der dem Rückspeiseschutz 310 vorgeschaltet ist.

Während des laufenden Betriebes ist vorgesehen, neben dem Stromversorgungsnetz 4 mindestens zwei gepufferte Spannungen 51 bis 5n aus dem Gleichspannungsnetz 5 betriebsbereit zu halten. Je nach Umfang und Komplexität der Steuerungsanlage ist es vorteilhaft, die Pufferbatterie möglichst zentral als Anlagenpufferbatterie 6 zu organisieren. Dadurch ist die Wartung örtlich begrenzt und von geringem Umfang. Für großflächig verteilte Anlagen kann es zweckmäßig sein, lokale Versorgungszentren vorzusehen, um den Aufwand für die Verkabelung zu senken. Derartige lokale Versorgungszentren sind durch Zusammenfassung räumlich benachbarter Schränke 1, die mit Schrankbatterien 60 ausgestattet sind, darstellbar.

Unabhängig von zentraler oder lokaler Versorgung des Gleichspannungsnetzes 5 ist zur Aufrechterhaltung des Datenbestandes während Störungen im Stromversorgungsnetz 4 nur eine geringe Anzahl von Pufferbatterien erforderlich, wobei deren Bauart im Rahmen vorgegebener Grenzwerte durch den Anlagenbetreiber bestimmbar ist.

Bezugszeichenliste

1 Schrank
2 Rack
4 Stromversorgungsnetz
5 Gleichspannungsnetz
6 Anlagenpufferbatterie
7 Ladestation
10 Systeminterface
20 Rechnerbaugruppe
30 sonstige Baugruppen
51 bis 5n gepufferte Spannungen
60 Schrankbatterie
100 flüchtiger Speicher, SRAM
200 zentrale Verarbeitungseinheit, CPU
300 Anschlußbaugruppen
401, 402 Kartenbatterien
310 bis 31n Rückspeiseschutz
320 bis 32n Spannungsregler
330 bis 33n Schwellwertschalter
340 Konzentrator
350 Betriebsspannung des flüchtigen Speichers
350 Status.

Claims (6)

1. Anordnung zum Datenerhalt in speicherprogrammierbaren Steuerungen mit mindestens einer zentralen Verarbeitungseinheit, bei denen während Störungen im Stromversorgungsnetz Daten in aus einer Batterie gespeisten, flüchtigen Speichern abgelegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß

• - dem Stromversorgungsnetz (4) ein gepuffertes Gleichspannungsnetz (5) mit einer vorgegebenen Anzahl n < 1 gepufferten Gleichspannungen (51 bis 5n) überlagert ist,
• - jede Gleichspannung (51 bis 5n) aus einer separaten Batterie (6,60,401,402) gespeist ist und
• - eine Anschlußbaugruppe (300) vorgesehen ist, an deren Eingängen alle gepufferten Gleichspannungen (51 bis 5n) des Gleichspannungsnetzes (5) und die Spannung des Stromversorgungsnetzes (4) angeschlossen sind und die einen Ausgang für die Betriebsspannung (350) des flüchtigen Speichers (100) aufweist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußbaugruppe (300) für jede anschließbare Gleichspannung (4, 51 bis 5n) mindestens jeweils einen Rückspeiseschutz (310 bis 31n) und jeweils einen Schwellwertschalter (330 bis 33n) aufweist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußbaugruppe (300) einen Konzentrator (340) mit n+1 Eingängen und einem Ausgang aufweist, wobei jeder Eingang mit dem Ausgang eines der Schwellwertschalter (330 bis 33n) verbunden ist und der Ausgang an einen Eingang der zentralen Verarbeitungseinheit (200) angeschlossen ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle mindestens einer der gepufferten Gleichspannungen (51 bis 5n) eine Anlagenpufferbatterie (6) ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle mindestens einer der gepufferten Gleichspannungen (51 bis 5n) eine Schrankbatterie (60) ist.

6. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Rückspeiseschutz (310 bis 31n) ein Spannungsregler (320 bis 32n) vorgeschaltet ist.