DE102005005287A1

DE102005005287A1 - Transmission period and/or transmission rate estimating method for use during data communication, involves estimating period and/or rate based on transmitting time point and receiving time point after receiving one of telegram

Info

Publication number: DE102005005287A1
Application number: DE102005005287A
Authority: DE
Inventors: Frank Prof. Schiller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-02-04
Filing date: 2005-02-04
Publication date: 2006-08-10

Abstract

The method involves sending a transmitting time point (ts(i - 1)) of a telegram (T(i - 1)) which is transmitted before a transmitting time point (ts(i)) to a receiver (E). The receiver estimates a transmission period and/or a transmission rate based on the time point (ts(i - 1)) and a receiving time point (te(i)) after receiving a telegram (T(i) that is received at the time point (te(i)) and transmitted to the time point (ts(i)). An independent claim is also included for a communication device for an automation device with a transmitter and a receiver.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abschätzung einer Übertragungsdauer und einer Übertragungsrate bei einer Datenkommunikation zwischen einem Sender und einem Empfänger.The The invention relates to a device and a method for estimating a transmission duration and a transmission rate in a data communication between a sender and a receiver.

Ein derartiges System bzw. Verfahren kommt insbesondere bei einer sicherheitsgerichteten Datenkommunikation zum Einsatz. Als Beispiel für eine sicherheitsgerichtete Kommunikation sei der Datenaustausch zwischen einem Aktor und einer CPU in der Automatisierungstechnik genannt.One Such a system or method comes especially with a safety-related Data communication is used. As an example of a safety-related Communication is the exchange of data between an actuator and a CPU called in automation technology.

Zur fehlersicheren Übertragung von Telegrammen werden neben der Korrektheit der Daten auch die Übertragungsrate und Übertragungsdauer sicher überwacht, da die Reaktionszeit auf sicherheitskritische Daten gewährleistet werden muss. Als Ursache für eine fehlerhafte Übertragungsrate oder Übertragungsdauer können die folgenden Fehler einen verfälschten Empfangszeitpunkt eines Telegramms verursachen:

– Ein Telegramm wird zu einem falschen Zeitpunkt gesendet oder
– bei der Übertragung tritt eine Zeitverzögerung auf.

For fail-safe transmission of telegrams, not only the correctness of the data but also the transmission rate and transmission time are reliably monitored, since the response time to safety-critical data must be guaranteed. As the cause of a faulty transmission rate or transmission duration, the following errors can cause a falsified reception time of a telegram:

- A telegram is sent at a wrong time or
- There is a time delay during transmission.

Selbstverständlich können auch beide Fehler gleichzeitig auftreten.Of course you can too both errors occur simultaneously.

Ein gängiges Verfahren zur Überwachung einer sicherheitsgerichteten Kommunikation ist die Sicherung der Übertragung durch Quittierung. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der Dissertation: „Konzepte für die Kommunikation zwischen Automatisierungsgeräten", Qimin Zhang, Technische Universität Berlin, 2002, bekannt (gefunden im Internet am 12.01.05, http://edocs.tu- berlin.de/diss/2002/zhang_gimin.pdf). Hierbei wird eine Quittung für jedes Telegramm eingeführt und derart verwendet, dass erst nach dem Eintreffen der Quittung im Sender das nächste Telegramm verschickt wird. Dieses Vorgehen erlaubt die alleinige Betrachtung benachbarter Telegramme, was zu einer Überwachung der Übertragungsrate und Übertragungsdauer genutzt werden kann. Nachdem der Sender ein Telegramm gesendet und der Empfänger es empfangen hat, sendet der Empfänger sofort nach Erhalt des Telegramms eine Quittung an den Sender. Im Sender kann nun die Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt des Sendens und dem Empfang der Quittung bestimmt und mit einer oberen Schranke verglichen werden. Ist sie größer als diese Schranke, wird der Übergang in einen sicheren Zustand eingeleitet. Die gleiche Vorgehensweise im Empfänger bedeutet, dass die Zeit zwischen dem Senden der Quittung und dem Empfang eines nächsten Telegramms überwacht wird.One course Procedure for monitoring Safety-related communication is the safeguarding of the transmission by acknowledgment. Such a method is for example off the dissertation: "Concepts for the Communication between Automation Devices ", Qimin Zhang, Technical University Berlin, 2002, known (found on the Internet on 12.01.05, http: //edocs.tu- berlin.de/diss/2002/zhang_gimin.pdf). This will be a receipt for every telegram introduced and used so that only after the receipt of the receipt in the transmitter the next Telegram is sent. This procedure allows the sole Viewing adjacent telegrams, resulting in a monitoring the transmission rate and transmission time can be used. After the sender sent a telegram and the recipient has received it, the recipient sends immediately upon receipt of the Telegram a receipt to the transmitter. In the transmitter can now the time difference between the time of sending and receipt of the receipt determined and compared with an upper bound. Is she greater than this barrier, the transition becomes initiated into a safe state. The same procedure in the receiver means that the time between sending the receipt and the Reception of a next one Telegram monitored becomes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine sicherheitsgerichtete Datenkommunikation bei möglichst geringer Netzwerkbelastung zu ermöglichen.Of the Invention is based on the object, a safety-oriented Data communication if possible to allow for low network load.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Abschätzung einer Übertragungsdauer und/oder einer Übertragungsrate bei einer Datenkommunikation zwischen einem Sender und einem Empfänger insbesondere in der Automatisierungstechnik gelöst, bei dem

– der Sender einen ersten Sendezeitpunkt von einem vor einem zweiten Sendezeitpunkt an den Empfänger übermittelten ersten Telegramm sendet, und
– der Empfänger nach Empfang eines zweiten, zum zweiten Sendezeitpunkt gesendeten und zu einem Empfangszeitpunkt empfangenen Telegramms eine Abschätzung der Übertragungsdauer und/oder der Übertragungsrate auf Basis des ersten Sendezeitpunktes und des Empfangszeitpunktes durchführt.

This object is achieved by a method for estimating a transmission duration and / or a transmission rate during a data communication between a transmitter and a receiver, in particular in automation technology, in which

The transmitter sends a first transmission time from a first telegram transmitted to the receiver before a second transmission time, and
- The receiver performs an estimate of the transmission duration and / or the transmission rate based on the first transmission time and the reception time after receiving a second, sent at the second transmission time and received at a reception time telegram.

Diese Aufgabe wird ferner durch eine Kommunikationseinrichtung insbesondere für die Automatisierungstechnik mit einem Sender und einem Empfänger gelöst, wobei

– der Sender erste Mittel zum Senden eines ersten Sendezeitpunktes von einem vor einem zweiten Sendezeitpunkt an den Empfänger übermittelten ersten Telegramm aufweist und
– der Empfänger zweite Mittel zur Abschätzung einer Übertragungsdauer und/oder einer Übertragungsrate nach Empfang eines zweiten, zum zweiten Sendezeitpunkt gesendeten und zu einem Empfangszeitpunkt empfangenen Telegramms auf Basis des ersten Sendezeitpunktes und des Empfangszeitpunktes aufweist.

This object is further achieved by a communication device, in particular for automation technology with a transmitter and a receiver, wherein

- The transmitter has first means for transmitting a first transmission time from a before a second transmission time transmitted to the first receiver telegram, and
- The receiver second means for estimating a transmission duration and / or a transmission rate after receiving a second, sent at the second transmission time and received at a reception time telegram based on the first transmission time and the reception time has.

Unter der Abschätzung des Übertragungsdauer und der Übertragungsrate ist hier wie auch im Folgenden eine Abschätzung im mathematischen Sinne einer Ungleichung zu verstehen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann überwacht werden, ob die Übertragungsdauer und/oder die Übertragungsrate einen Grenzwert nicht über- oder unterschreitet.Under the estimate the transmission duration and the transfer rate is here as well as below an estimate in the mathematical sense to understand an inequality. By the method according to the invention can be monitored be whether the transmission duration and / or the transmission rate not exceed a limit. or below.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Kommunikationseinrichtung kann die Abschätzung der Übertragungsdauer und/oder der Übertragungsrate durchgeführt werden, ohne dass eine Quittierung jedes gesendeten Telegramms erforderlich ist.at the method according to the invention or the communication device according to the invention can the estimate the transmission duration and / or the transmission rate carried out without any acknowledgment of each telegram sent is.

Die Abschätzung geschieht auf Basis des Empfangszeitpunktes des empfangenen Telegramms und des ersten Sendezeitpunktes des ersten Telegramms, wobei das erste Telegramm zu einem Zeitpunkt abgeschickt wurde, der vor dem Sendezeitpunkt des empfangenen Telegramms liegt. Es muss lediglich der erste Sendezeitpunkt an den Empfänger gesendet werden, damit dieser dem Empfänger zur Abschätzung vorliegt.The appraisal happens on the basis of the reception time of the received telegram and the first transmission time of the first telegram, wherein the first telegram was sent at a time before the Send time of the received telegram is. It just has to the first transmission time will be sent to the receiver so that this the receiver for estimation is present.

Der Wert, der dem ersten Sendezeitpunkt entspricht, kann problemlos mit einem Telegramm an den Empfänger übertragen werden. Zweckmäßig ist, dass entweder der erste Sendezeitpunkt mit dem ersten Telegramm übertragen wird oder der erste Sendezeitpunkt mit dem zweiten Telegramm übertragen wird.Of the Value corresponding to the first transmission time can be easily transmitted with a telegram to the receiver become. It is expedient that either the first transmission time transmitted with the first telegram or the first transmission time is transmitted with the second telegram becomes.

Um eine möglichst gute Basis für die Abschätzung der Übertragungsdauer und/oder der Übertragungsrate zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn der erste Sendezeitpunkt unmittelbar vor dem zweiten Sendezeitpunkt liegt.Around one possible good base for the estimate the transmission duration and / or the transmission rate to obtain, it is advantageous if the first transmission time immediately is before the second transmission time.

Die Abschätzung der Übertragungsdauer bzw. der Übertragungsrate gegenüber einem Grenzwert lässt sich besonders effektiv durchführen, indem der zeitliche Abstand des Empfangszeitpunktes und des ersten Sendezeitpunktes gegenüber einer oberen Schranke abgeschätzt wird. Liegt diese Differenz unterhalb der oberen Schranke, ist sichergestellt, dass sowohl die Übertragungsdauer nach oben begrenzt ist als auch die Übertragungsrate nach unten. Hierbei lassen sich zwei theoretische Grenzfälle für eine noch als sicher einzustufende Kommunikation angeben, die dies verdeutlichen:

– Geht die Übertragungsdauer gegen Null, so steht der durch die obere Schranke gegebene maximale Zeitraum komplett für den Abstand des ersten und zweiten Sendezeitpunktes zur Verfügung.
– Geht der zeitliche Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Sendezeitpunkt gegen Null, so steht der durch die obere Schranke gegebene maximale Zeitraum komplett für die Übertragungsdauer zur Verfügung.

The estimation of the transmission duration or the transmission rate with respect to a limit value can be carried out particularly effectively by estimating the time interval of the reception time and of the first transmission time with respect to an upper limit. If this difference is below the upper bound, it is ensured that both the transmission duration is limited upwards and the transmission rate downwards. Two theoretical limiting cases can be given for a communication that still has to be classified as safe, which makes this clear:

- If the transmission duration goes to zero, then the maximum period given by the upper limit is completely available for the distance of the first and second transmission time.
If the time interval between the first and the second transmission time approaches zero, the maximum period given by the upper limit is completely available for the transmission duration.

Aus praktischen Gründen kann die Abschätzung des zeitlichen Abstandes des Empfangszeitpunktes und des ersten Sendezeitpunktes nur indirekt realisiert werden, da Sender und Empfänger im Allgemeinen unabhängig voneinander laufende Uhren aufweisen.Out practical reasons can the estimate the time interval of the reception time and the first Sending time can be realized only indirectly, since transmitter and receiver in the Generally independent have running clocks from each other.

Zunächst ist es zweckmäßig, dass mit einer Empfängerzeiterfassungseinheit im Empfänger ein empfängerzeitbasierter Empfangszeitpunkt des zweiten Telegramms ermittelt wird und mit einer Senderzeiterfassungseinheit im Sender ein senderzeitbasierter Sendezeitpunkt des ersten Telegramms ermittelt wird.First is it is appropriate that with a receiver time detection unit in the receiver a receiver time based Receiving time of the second telegram is determined and with a sender time detection unit in the transmitter senderzeitbasierter Transmission time of the first telegram is determined.

Damit die von der Senderzeiterfassungseinheit und die von der Empfängerzeiterfassungseinheit erfassten Zeiten in Relation miteinander zu bringen sind, ist eine besonders vorteilhafte Vorgehensweise, dass der Sender zur Synchronisation von Sender- und Empfängerzeiterfassungseinheit zu einem Synchronisationszeitpunkt ein Synchronisationstelegramm an den Empfänger sendet und der Empfänger bei Empfang des Synchronisationstelegramms eine Quittung an den Sender übermittelt. Durch das Abschicken des Synchronisationstelegramms lässt sich im Empfänger zum Empfangszeitpunkt des Synchronisationstelegramms ein Bezugszeitpunkt erzwingen. Durch das Abschicken der Quittung lässt sich im Sender wiederum ein Bezugszeitpunkt ermitteln. Auf diese Art und Weise wird durch das Schicken und Quittieren des Synchronisationstelegramms eine gemeinsame Zeitbasis realisierbar.In order to that of the sender time acquisition unit and that of the receiver time acquisition unit is a relationship between recorded times particularly advantageous approach that the transmitter for synchronization of transmitter and receiver time detection unit at a synchronization time a synchronization telegram to the recipient sends and the receiver upon receipt of the synchronization telegram an acknowledgment to the Transmitter transmitted. By sending the synchronization telegram can be in the receiver at the time of reception of the synchronization telegram a reference time force. By sending the receipt can be in the transmitter again determine a reference date. This way is going through the sending and acknowledgment of the synchronization telegram common time base feasible.

Bei einer besonders vorteilhaften Vorgehensweise zur Erzeugung einer gemeinsamen Zeitbasis wird die Empfängerzeiterfassungseinheit bei Empfang des Synchronisationstelegramms auf eine Basiszeit eingestellt, die von der Senderzeiterfassungseinheit zum Synchronisationszeitpunkt erfasst wird. Alle weiteren von der Empfängerzeiterfassungseinheit erfassten Zeiten können nun in Relation zu dieser Basiszeit bestimmt werden.at a particularly advantageous procedure for generating a common time base, the receiver time detection unit at Reception of the synchronization telegram set to a base time, that from the sender time detection unit at the synchronization time is detected. All other detected by the receiver time detection unit Times can now be determined in relation to this base time.

Es ist weiterhin zweckmäßig, mit der Senderzeiterfassungseinheit einen senderzeitbasierten Empfangszeitpunkt der Quittung zu ermitteln. Alle mit der Senderzeiterfassungseinheit ermitteln Zeiten können nun in Relation zu diesem senderzeitbasierten Empfangszeitpunkt der Quittung ermittelt werden. Da der senderzeitbasierte Empfangszeitpunkt und die Basiszeit unmittelbar durch das Senden und Empfangen der Quittung verknüpft sind, wird auf diese Weise eine gemeinsame Zeitbasis hergestellt.It is still appropriate with the sender time detection unit, a sender time based reception time to determine the receipt. All with the sender time registration unit can determine times now in relation to this sender-time-based reception time the receipt. Since the sender-time-based reception time and the base time directly by sending and receiving the Receipt linked are created in this way a common time base.

Nach der Synchronisation der Uhren in Sender und Empfänger kann eine besonders vorteilhafte Abschätzung bzw. Sicherung der Übertragungsrate und/oder Übertragungsdauer dadurch durchgeführt werden, dass

– ein erster zeitlicher Abstand zwischen dem empfängerzeitbasierten Empfangszeitpunkt und der Basiszeit ermittelt wird,
– ein zweiter zeitlicher Abstand zwischen dem senderzeitbasierten Sendezeitpunkt und dem senderzeitbasierten Empfangszeitpunkt der Quittung ermittelt wird und
– die Differenz zwischen dem ersten zeitlichen Abstand und dem zweiten zeitlichen Abstand gegenüber der oberen Schranke abgeschätzt wird.

After the synchronization of the clocks in the transmitter and receiver can be a particularly advantageous from estimation or assurance of the transmission rate and / or transmission duration can be carried out by

A first time interval between the receiver-time-based reception time and the base time is determined,
A second time interval between the transmission time-based transmission time and the transmission time-based reception time of the acknowledgment is determined, and
- the difference between the first time interval and the second time interval is estimated from the upper limit.

Durch Abschätzen dieser Differenz wird implizit auch eine Abschätzung des zeitlichen Abstandes des Empfangszeitpunktes des zweiten Telegramms und des ersten Sendezeitpunktes des ersten Telegramms gegenüber der oberen Schranke durchgeführt und somit auch implizit eine Abschätzung der Übertragungsdauer und der Übertragungsrate. Es lässt sich zeigen, dass der Wert dieser Differenz um die Übertragungsdauer der Quittung größer ist als der zeitliche Abstand des Empfangszeitpunktes des zweiten Telegramms und des ersten Sendezeitpunktes des ersten Telegramms. Da die Differenz gegenüber der oberen Schranke abgeschätzt wird, muss bei Einhaltung dieses Grenzwertes auch der zeitliche Abstand des Empfangszeitpunktes des zweiten Telegramms und des ersten Sendezeitpunktes des ersten Telegramms unterhalb des Grenzwertes liegen.By estimate This difference implicitly becomes an estimate of the time interval the reception time of the second telegram and the first transmission time the first telegram opposite the upper barrier and thus also implicitly an estimate of the transmission duration and the transmission rate. It leaves show that the value of this difference is around the transmission time the receipt is larger as the time interval of the reception time of the second telegram and the first transmission time of the first telegram. Because the difference across from the upper bound is estimated must comply with this limit and the time interval the reception time of the second telegram and the first transmission time of the first telegram are below the limit value.

Die gemessenen Zeitpunkte sind immer mit einem Fehler behaftet, der im Laufe der Zeit zunimmt. Die Fehler sind auf Ungenauigkeiten der Sender- und Empfängerzeiterfassungseinheit zurückzuführen. Diese Ungenauigkeiten werden vom Hersteller derartiger Uhren im Allgemeinen in Form von Toleranzintervallen angegeben.The measured times are always affected by an error that increases over time. The mistakes are due to inaccuracies of the Transmitter and receiver time detection unit due. These Inaccuracies are generally made by the manufacturer of such watches indicated in the form of tolerance intervals.

Durch die Ungenauigkeiten der Uhren entsteht mit zunehmender Zeit nach der Durchführung einer wie oben beschriebenen Synchronisation eine zunehmende Unsicherheit bei der Abschätzung von Übertragungsdauer und Übertragungsrate. Es existiert ein mit der Zeit zunehmendes Zeitfenster, innerhalb dessen keine zuverlässige Aussage hinsichtlich der Übertragungssicherheit getätigt werden kann. Kann keine gesicherte Aussage hinsichtlich der Übertragungsdauer und -rate getätigt werden, muss im Sinne der Übertragungssicherheit die Kommunikation beendet, d. h. ein sicherer Zustand eingenommen werden. Daher ist es sinnvoll, von Zeit zu Zeit eine Neusynchronisation der Zeiterfassungseinheiten in der zuvor beschrieben Weise durchzuführen.By the inaccuracies of the clocks develop with increasing time the implementation synchronization as described above, increasing uncertainty in the estimation of transmission duration and transfer rate. There is a time window that increases with time, within which is not reliable Statement regarding transmission security placed can be. Can not secure statement regarding the transmission duration and -rate must be in the sense of transmission security the Communication ends, d. H. a safe state to be taken. Therefore, it makes sense from time to time to resynchronize the time detection units in the manner described above.

Hierzu kann beispielsweise die Synchronisation von Sender- und Empfängerzeiterfassungseinheit in äquidistanten Zeitintervallen durchgeführt werden. Zweckmäßigerweise wird hierzu ein Kriterium definiert, welches die Größe der Zeitintervalle in Abhängigkeit des Zeitfensters, welches einen nicht entscheidbaren Bereich kennzeichnet, festlegt.For this For example, the synchronization of transmitter and receiver time detection unit in equidistant Time intervals performed become. Conveniently, For this purpose, a criterion is defined, which determines the size of the time intervals dependent on the time window, which indicates a non-decidable area, sets.

Besonders vorteilhaft ist hingegen eine Bestimmung eines neuen Synchronisationszeitpunktes während der laufenden Kommunikation, bei der

– eine Online Berechnung eines neuen Synchronisationszeitpunktes durchgeführt wird, bei der auf Basis eines aktuellen und eines vergangenen empfängerzeitbasierten Empfangszeitpunktes und vergangener senderzeitbasierter Sendezeitpunkte eine insbesondere lineare Approximation eines zukünftigen empfängerzeitbasierten Synchronisationszeitpunktes durchgeführt wird und
– bei Überschreiten des empfängerzeitbasierten Synchronisationszeitpunktes durch die von der Empfängerzeiterfassungseinheit erfasste Zeit vor Empfang eines neuen Telegramms die Synchronisation von Sender- und Empfängerzeiterfassungseinheit durchgeführt wird.

By contrast, determining a new synchronization time during ongoing communication is particularly advantageous

- An online calculation of a new synchronization time is performed, in which based on a current and a past receiver time based reception time and past sender time based transmission times a particular linear approximation of a future receiver time-based synchronization time is performed and
- When the receiver time-based synchronization time is exceeded by the time detected by the receiver time detection unit before receiving a new telegram, the synchronization of transmitter and receiver time detection unit is performed.

Eine derartige Vorgehensweise stellt einen idealen Kompromiss zwischen Aufwand für die Synchronisation und Sicherheit bei der Abschätzung der Übertragungsdauer und -rate dar.A Such an approach is an ideal compromise between Effort for the synchronization and security in estimating the transmission duration and rate represents.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:in the Below, the invention with reference to the figures shown in the figures embodiments described in more detail and explained. Show it:

1 Ein Automatisierungssystem mit einer sicherheitsgerichteten Kommunikationsverbindung zwischen Automatisierungskomponenten, 1 An automation system with a safety-related communication connection between automation components,

2 das Sollverhalten einer Kommunikation, 2 the nominal behavior of a communication,

3 mögliche Fehler bei einer Kommunikation, 3 possible errors in a communication,

4 unbemerktes Verzögern bei ausschließlicher Überwachung benachbarter Empfangszeitpunkte, 4 unnoticed deceleration with exclusive monitoring of adjacent reception times,

5 Verfahren zur Sicherung einer Übertragung durch Quittierung gemäß Stand der Technik, 5 Method for securing transmission by acknowledgment according to the prior art,

6 ein Verfahren zur Sicherung einer Übertragung mit stark reduzierter Quittierung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, 6 a method for securing a transmission with greatly reduced acknowledgment according to an embodiment of the invention,

7 ein Verfahren zur Herstellung einer gemeinsamen Zeitbasis, 7 a method for establishing a common time base,

8 Entscheidungsbereiche bei einem Verfahren zur Abschätzung einer Übertragungsrate und Übertragungsdauer, 8th Decision areas in a method for estimating a transmission rate and transmission duration,

9 ein Verfahren zur Offline Berechnung eines Synchronisationspunktes, 9 a method for the offline calculation of a synchronization point,

10 ein Verfahren zur Bestimmung eines Synchronisationszeitpunktes durch Interpolation und 10 a method for determining a synchronization time by interpolation and

11 eine Kommunikationseinrichtung gemäß einer Ausführung der Erfindung. 11 a communication device according to an embodiment of the invention.

1 zeigt ein Automatisierungssystem AS mit einer sicherheitsgerichteten Kommunikationsverbindung zwischen Automatisierungskomponenten, wobei eine erste Komponente als Sender S und eine zweite Komponente als Empfänger E fungiert. Beispielsweise handelt es sich bei dem Sender S um einen Sensor, mit dem sicherheitsrelevante Prozessparameter eines Automatisierungsprozesses erfasst und an eine als Empfänger E dienende CPU gesendet werden. Um eine maximale Reaktionszeit der CPU auf diese sicherheitsrelevanten Daten zu gewährleisten, muss eine Überwachung der Übertragungsdauer und Übertragungsrate durchgeführt werden. 1 shows an automation system AS with a safety-related communication link between automation components, with a first component as a sender S and a second component acts as a receiver E. By way of example, the transmitter S is a sensor with which security-relevant process parameters of an automation process are detected and sent to a CPU serving as a receiver E. In order to guarantee a maximum response time of the CPU to this safety-relevant data, a monitoring of the transmission duration and transmission rate must be carried out.

2 zeigt das Sollverhalten einer Kommunikation beispielsweise der in 1 dargestellten Kommunikationspartner. Der Sender soll zu den Zeitpunkten ...t_S(i), t_S(i + 1), ... Telegramme ...T(i), T(i + 1) ... abschicken, die der Empfänger zu den Zeitpunkten ..., t_E(i), t_E(i + 1), ... erhalten soll. Dies geschieht mit einer Übertragungsrate, die dem reziproken Abstand zweier benachbarter Sendezeitpunkte entspricht und mit einer Übertragungsdauer, die dem zeitlichen Abstand zwischen dem Senden und dem Empfangen eines Telegramms entspricht. 2 shows the nominal behavior of a communication, for example, the in 1 represented communication partner. The transmitter is to send at the times ... t _S (i), t _S (i + 1), ... telegrams ... T (i), T (i + 1) ..., the receiver to the times ..., t _E (i), t _E (i + 1), ... should receive. This is done with a transmission rate which corresponds to the reciprocal distance between two adjacent transmission times and with a transmission duration which corresponds to the time interval between the transmission and the reception of a telegram.

3 zeigt mögliche Fehler bei einer Kommunikation zwischen Sender S und Empfänger E, die alle zu einem verfälschten Empfangszeitpunkt führen. Ein Fehler liegt z. B. dann vor, wenn ein Telegramm zu einem falschen Zeitpunkt gesendet wird. Dieser Fall, bei dem eine Sendeverzögerung d_S ≠ 0 vorliegt, ist in 3 oben dargestellt. In dem mittleren Diagramm in 3 ist der Fall dargestellt, dass eine Zeitverzögerung d_V ≠ 0 bei der Übertragung vorliegt. 3 unten zeigt den Fall, dass beide Fehler d_S ≠ 0 und d_V ≠ 0 vorliegen. Alle Fehler äußern sich in einem verfälschten Empfangszeitpunkt t_E(i + 1) + d_E(i + 1). 3 shows possible errors in a communication between transmitter S and receiver E, which all lead to a falsified reception time. An error lies z. For example, if a telegram is sent at the wrong time. This case, in which a transmission delay d _S ≠ 0 is present, is in 3 shown above. In the middle diagram in 3 the case is shown that there is a time delay d _V ≠ 0 in the transmission. 3 below shows the case that both errors d _S ≠ 0 and d _V ≠ 0 are present. All errors are expressed in a corrupt reception time t _E (i + 1) + d _E (i + 1).

Es erscheint zweckmäßig, den zeitlichen Abstand zwischen zwei empfangenen Telegrammen T(i), T(i + 1) exakt zu überwachen. Wenn er größer als erwartet ist, muss einer der Fehler nach 3 aufgetreten sein. Eine solche Überwachung ist allerdings nur dann angebracht, wenn im fehlerfreien Fall tatsächlich der Sender S im konstanten Takt Telegramme sendet, die Übertragungsdauer immer konstant ist und keine Messungenauigkeiten auftreten. Deswegen kann der Abstand zwischen zwei empfangenen Telegrammen nur auf eine Obergrenze überwacht werden. Sobald jedoch ein Intervall zugelassen wird, was aus praktischen Gründen immer der Fall ist, können sich die Abweichungen in unzulässiger Weise addieren.It seems expedient to monitor the time interval between two received telegrams T (i), T (i + 1) exactly. If it is bigger than expected, one of the mistakes must be 3 have occurred. However, such monitoring is only appropriate if, in the error-free case, the transmitter S actually transmits telegrams in a constant cycle, the transmission duration is always constant and no measurement inaccuracies occur. Therefore, the distance between two received telegrams can only be monitored for an upper limit. However, once an interval is allowed, which is always the case for practical reasons, the deviations may add up in an inadmissible way.

4 zeigt ein unbemerktes Verzögern bei ausschließlicher Überwachung benachbarter Empfangszeitpunkte. Das unbemerkte Verzögern resultiert aus der oben erwähnten Addition der Abweichungen. Obwohl im Empfänger E der Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten Telegrammen T(i), T(i + 1) bzw. T(i + 1), T(i + 2) kleiner als eine obere Schranke Time_Out ist, liegt eine unzulässige Verzögerung vor, die nicht bemerkt werden kann. 4 shows an unnoticed delay with exclusive monitoring of adjacent reception times. The unnoticed delay results from the above-mentioned addition of the deviations. Although in the receiver E, the distance between each two adjacent telegrams T (i), T (i + 1) and T (i + 1), T (i + 2) is smaller than an upper limit Time_Out, there is an impermissible delay that can not be noticed.

5 zeigt ein Verfahren zur Sicherung einer Übertragung durch Quittierung gemäß Stand der Technik. Hierbei wird eine unbemerkte Addition der Verzögerungen verhindert, indem eine Quittung Q(i) für jedes Telegramm T(i) eingeführt und derart verwendet wird, dass erst nach dem Eintreffen der Quittung Q(i) im Sender S das nächste Telegramm T(i + 1) verschickt wird. 5 shows a method for securing a transmission by acknowledgment according to the prior art. In this case, an unnoticed addition of the delays is prevented by introducing an acknowledgment Q (i) for each telegram T (i) and using it so that the next telegram T (i + 1) does not arrive in the transmitter S until the acknowledgment Q (i) has arrived 1) is sent.

Dieses Vorgehen erlaubt die alleinige Betrachtung benachbarter Telegramme:

– Check 1: Nachdem der Sender zu einem Sendezeitpunkt t_S(i) ein Telegramm T(i) gesendet und der Empfänger E es zum Empfangszeitpunkt t_E(i) empfangen hat, sendet der Empfänger E sofort nach Erhalt des Telegramms eine Quittung Q(i) an den Sender S. Im Sender S kann nun die Zeitdifferenz zwischen dem Sendezeitpunkt t_S(i) des Telegramms T(i) und dem Empfangszeitpunkt der Quittung t_S(i + 1) bestimmt und mit der oberen Schranke Time_Out verglichen werden. Ist sie größer als die obere Schranke Time_Out, wird der Übergang in einen sicheren Zustand eingeleitet.
– Check 2: Die gleiche Vorgehensweise im Empfänger E bedeutet, dass die Zeit zwischen dem Senden der Quittung Q(i) zum Empfangszeitpunkt t_E(i) und dem Empfang eines nächsten Telegramms T(i + 1) zum nächsten Empfangszeitpunkt t_E(i + 1) überwacht wird.

This procedure allows the sole consideration of adjacent telegrams:

Check 1: After the transmitter has sent a telegram T (i) at a transmission time t _S (i) and the receiver E has received it at the time of reception t _E (i), the receiver E transmits an acknowledgment Q immediately after receiving the telegram. i) to the transmitter S. In the transmitter S, the time difference between the transmission time t _S (i) of the telegram T (i) and the reception time of the acknowledgment t _S (i + 1) can now be determined and compared with the upper limit Time_Out. If it is greater than the upper limit Time_Out, the transition to a safe state is initiated.
Check 2: The same procedure in the receiver E means that the time between the transmission of the acknowledgment Q (i) to the reception time t _E (i) and the reception of a next telegram T (i + 1) to the next reception time t _E (i + 1) is monitored.

Check 1 garantiert dem Sender S zum Empfangszeitpunkt der Quittung t_S(i + 1), dass das Telegramm T(i) nach dem Senden zum Sendezeitpunkt t_S(i) innerhalb einer Zeit kleiner als der oberen Schranke Time_Out empfangen wurde (worst case: Das Telegramm T(i) benötigte fast die gesamte Zeit, die der oberen Schranke Time_Out entspricht, bis zum Empfänger E und die Quittung Q(i) wurde sehr schnell übertragen).Check 1 guarantees the sender S at the time of receipt of the acknowledgment t _S (i + 1) that the telegram T (i) was received after transmission at the sending time t _S (i) within a time smaller than the upper limit Time_Out (worst case). The telegram T (i) took almost the entire time, which corresponds to the upper limit Time_Out, to the receiver E and the acknowledgment Q (i) was transmitted very fast).

Check 2 garantiert dem Empfänger E zum Empfangszeitpunkt t_E(i + 1) des nächsten Telegramms T(i + 1), dass das nächste Telegramm T(i + 1) vor einer Zeit kleiner als der oberen Schranke Time_Out gesendet wurde (worst case: Die Quittung Q(i) wurde sehr schnell übertragen und das nächste Telegramm T(i + 1) benötigte fast die gesamte Zeit, die der oberen Schranke Time_Out entspricht). Weiterhin garantiert Check 2, dass mindestens im Abstand der Time-Out-Zeit neue Telegramme im Empfänger eintreffen.Check 2 guarantees to the receiver E at the reception time t _E (i + 1) of the next telegram T (i + 1) that the next telegram T (i + 1) has been sent less than the upper limit Time_Out a while ago (worst case: The acknowledgment Q (i) was transmitted very quickly and the next telegram T (i + 1) took almost the entire time, which corresponds to the upper limit Time_Out). Furthermore, Check 2 guarantees that new telegrams arrive in the receiver at least at intervals of the time-out time.

Bei Broadcast-Übertragungen (ein Telegramm wird an mehrere Empfänger gesendet) ist ein derartiges Quittungsverfahren in vielen Fällen nicht mehr realisierbar, da das Netzwerk durch die vielen Quittungen übermäßig belastet werden würdeat Broadcast transmissions (a telegram is sent to several recipients) is one such Receipt procedure in many cases no longer feasible because the network is overburdened by the many receipts would become

6 zeigt ein Verfahren zur Sicherung einer Übertragung mit stark reduzierter Quittierung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Verfahren beruht auf einer Abschätzung des zeitlichen Abstandes eines Empfangszeitpunktes t_E(i) eines zu einem zweiten Sendezeitpunkt t_S(i) gesendeten zweiten Tele gramms T(i) und einem ersten Sendezeit t_S(i – 1) eines unmittelbar vor dem zweiten Telegramm T(i) gesendeten ersten Telegramms T(i – 1). Wenn zum Empfangszeitpunkt t_E(i) im Empfänger gilt tE(i) – tS(i – 1) ≤ Time_Out (1)bedeutet das:

– Das zweite Telegramm T(i) wurde nach dem ersten Telegramm T(i – 1) innerhalb einer durch eine obere Schranke Time_Out begrenzten Zeit abgeschickt (worst-case: der Abstand zwischen beiden Sendezeitpunkten t_S(i), t_S(i – 1) ist gleich Time_Out, und das zweite Telegramm T(i) wurde sehr schnell übertragen).
– Das zweite Telegramm T(i) wurde ohne unzulässige Verzögerung übertragen (worst-case: der Abstand zwischen beiden Sende-Zeitpunkten ist sehr kurz, und die Übertragungsdauer ist gleich Time_Out).

6 shows a method for securing a transmission with greatly reduced acknowledgment according to an embodiment of the invention. The method is based on an estimation of the time interval of a reception time t _E (i) of a second transmission time t _S (i) sent second telegram T (i) and a first transmission time t _S (i - 1) one immediately before the second Telegram T (i) sent first telegram T (i - 1). If at the time of reception t _E (i) in the receiver applies t e (i) - t S (i - 1) ≤ Time_Out (1) does that mean:

The second telegram T (i) was sent after the first telegram T (i-1) within a time limited by an upper limit Time_Out (worst-case: the distance between the two transmission times t _S (i), t _S (i) 1) is equal to Time_Out, and the second telegram T (i) has been transmitted very quickly).
- The second telegram T (i) was transmitted without undue delay (worst-case: the distance between both transmission times is very short, and the transmission time is equal to Time_Out).

Wenn der erste Sendezeitpunkt t_S(i – 1) im Empfänger E bekannt ist, wären mit Anwendung der Gleichung (1) sowohl die Übertragungsrate als auch die Übertragungsdauer abgesichert.If the first transmission time t _S (i-1) is known in the receiver E, both the transmission rate and the transmission duration would be ensured using equation (1).

Der Wert des ersten Sendezeitpunktes t_S(i – 1) kann problemlos mit dem ersten Telegramm T(i – 1) oder dem zweiten Telegramm T(i) übertragen werden. Allerdings müssen Sender S und Empfänger E eine gemeinsame Zeitbasis erhalten, und es muss die Ungenauigkeit der Zeitmessungen berücksichtigt werden.The value of the first transmission time t _S (i-1) can easily be transmitted with the first telegram T (i-1) or the second telegram T (i). However, transmitter S and receiver E must have a common time base, and account must be taken of the inaccuracy of the time measurements.

7 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer gemeinsamen Zeitbasis im Rahmen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die gemeinsame Zeitbasis wird durch ein Synchronisationstelegramm T(0) erzielt. Es wird zu einem Synchronisationszeitpunkt t^S(0) im Sender S abgeschickt und erzwingt zum Zeitpunkt des Empfangs t_E(0) einen Bezugszeitpunkt t₀ im Empfänger E. Der Bezugszeitpunkt t₀ ist im Prinzip frei wählbar und kann dementsprechend der Einfachheit halber auch zu Null gesetzt werden. Er wird jedoch als frei wählbare Variable in den nachfolgenden Herleitungen mitgeführt. 7 shows a method for producing a common time base in an embodiment of the method according to the invention. The common time base is achieved by a synchronization telegram T (0). It is sent to a synchronization time t ^S (0) in the transmitter S and enforces at the time of reception t _E (0) a reference time t ₀ in the receiver E. The reference time t ₀ is in principle freely selectable and accordingly for simplicity also Zero be set. However, it is included as a freely selectable variable in subsequent derivations.

Die korrekten Zeitpunkte t_E(i) und t_S(i – 1) in Gleichung (1) müssen nun durch die im Sender und Empfänger tatsächlich vorhandenen Werte ausgedrückt bzw. abgeschätzt werden. Im Empfänger handelt es sich um empfängerzeitbasierte Zeitpunkte, die durch den hochgestellten Index E gekennzeichnet sind, und im Sender S durch senderzeitbasierte Zeitpunkte, die durch den hochgestellten Index S gekennzeichnet sind. Zur Transformation der Zeitpunkte ist es notwendig, die Übertragungsdauer des Synchronisationstelegramms T(0) zu kennen, die im Sender S durch Auswertung einer Quittung Q(0) des Synchronisationstelegramms T(0) abgeschätzt werden kann (siehe 7). Der senderzeitbasierte Empfangszeitpunkt der Quittung Q(0) ist t^S _E(0), der Wert von t^S _E(0) muss selbstverständlich kleiner als die Time_Out sein.The correct times t _E (i) and t _S (i-1) in equation (1) must now be expressed or estimated by the values actually present in the transmitter and receiver. The receiver is receiver-time-based times identified by the superscript E, and in the sender S by sender-time-based times indicated by the superscript S. For the transformation of the times, it is necessary to know the transmission duration of the synchronization telegram T (0), which in the transmitter S by evaluating an acknowledgment Q (0) of the synchronization telegram T (0) from can be estimated (see 7 ). The sender-time-based receipt time of the acknowledgment Q (0) is t ^S _E (0), the value of t ^S _E (0) must of course be smaller than the Time_Out.

Es gelten folgende drei Beziehungen für die Terme in Gleichung (1): tE(i) – tS(i – 1) = (tE(i) – tS(0)) – (tS(i – 1) – tS(0)) tE(i) – tS(0) < tE E(i) – t0 + tS E(0) – t0, tS(i – 1) – tS(0) = tS S(i – 1) – t0 so dass sich für Gleichung (1) nun die folgende zu prüfende Bedingung (2) ergibt: tE E(i) – t0 + tS E(0) – (tS S(i – 1) – t0) ≤ Time_Out (tE E(i) – t0) – (tS S(i – 1) – tS E(0)) ≤ Time_Out (2) The following three relationships apply to the terms in equation (1): t e (i) - t S (i - 1) = (t e (i) - t S (0)) - (t S (i - 1) - t S (0)) t e (i) - t S (0) <t e e (i) - t 0 + t S e (0) - t 0 . t S (i - 1) - t S (0) = t S S (i - 1) - t 0 so that equation (1) now yields the following condition (2) to be tested: t e e (i) - t 0 + t S e (0) - (t S S (i - 1) - t 0 ) ≤ Time_Out (t e e (i) - t 0 ) - (t S S (i - 1) - t S e (0)) ≤ Time_Out (2)

Dem Empfänger E müssen demnach zur Auswertung der senderzeitbasierte Empfangszeitpunkt t^S _E(0) der Quittung Q(0) des Synchronisationstelegramms T(0) im Sender S und der senderzeitbasierte Sendezeitpunkt t^S _S(i – 1) des ersten Telegramms T(i) zur Verfügung stehen. Diese Werte können problemlos bei der Übertragung der Telegramme mit an den Empfänger E übertragen werden.Accordingly, the receiver E has to evaluate the sender-time-based reception time t ^S _E (0) of the acknowledgment Q (0) of the synchronization telegram T (0) in the transmitter S and the sender-time-based transmission time t ^S _S (i-1) of the first telegram T (i). be available. These values can easily be transferred to the receiver E when the telegrams are transmitted.

Durch die in Gl (2) angegebene Abschätzung wird gleichzeitig eine Abschätzung des zeitlichen Abstandes zwischen dem realen Empfangszeitpunkt t_E(i) des zweiten Telegramms T(i) und dem realen ersten Sendezeitpunkt t_S(i – 1) des ersten Telegramms T(i – 1) gemäß Gl (1) erreicht. D. h., für den Fall das Gl (2) erfüllt ist, ist sichergestellt, dass auch Gl (1) erfüllt ist. Somit kann mit Gl (2) die gewünschte Abschätzung der Übertragungsrate und Übertragungsdauer durchgeführt werden.By estimation given in Eq. (2), an estimation of the time interval between the real reception time t _E (i) of the second telegram T (i) and the real first transmission time t _S (i-1) of the first telegram T (i - 1) according to Eq (1). That is, if Eq. (2) is satisfied, it is ensured that Eq. (1) is also satisfied. Thus, with Gl (2), the desired estimate of the transmission rate and transmission time can be performed.

Die gemessenen Zeitpunkte sind immer mit einem Fehler behaftet, der im Laufe der Zeit zunimmt. Beim Verfahren mit Quittung spielt dieser Effekt keine Rolle, da die Ermittlung der Zeitdifferenz jeweils mit der gleichen Uhr (im Sender S oder im Empfänger E) stattfindet und nur der relativ kurze Zeitraum zwischen dem Senden eines Telegramms und dem Empfang einer Quittung bzw. zwischen dem Senden der Quittung und dem Empfang eines folgenden Telegramms einbezogen werden muss (vgl. 5).The measured times are always associated with an error that increases over time. In the case of the acknowledgment procedure, this effect does not matter, since the determination of the time difference takes place in each case with the same clock (in the transmitter S or receiver E) and only the relatively short period between the transmission of a telegram and the receipt of an acknowledgment or between the receiver Sending the acknowledgment and the receipt of a following telegram must be included (see. 5 ).

Die Toleranz der Zeitmessung wird vom Hersteller der Uhr angegeben. Die Angabe eines Intervalls –2%.. + 1% bedeutet beispielsweise, dass bei einer Anzeige von 100 s die tatsächliche Zeit zwischen 98 und 101 s liegen kann. Ein solches Toleranz-Intervall für einen Zeitpunkt t wird im Folgenden durch seine Grenzen t = t ~·(1 – a₁) und t = t ~·(1 + a₂) symbolisiert. Die mit einer Tilde versehenen Variablen bezeichnen hierbei und im Folgenden die von den jeweiligen Zeiterfassungseinheiten gemessenen Werte.The tolerance of the time measurement is specified by the manufacturer of the clock. For example, specifying an interval of -2% .. + 1% means that for a reading of 100 s, the actual time may be between 98 and 101 s. Such a tolerance interval for a time t is symbolized below by its limits t = t ~ · (1-a ₁ ) and t = t ~ · (1 + a ₂ ). The tags provided with a tilde designate here and below the values measured by the respective time recording units.

Für die Zeitpunkte in Gleichung (2) gilt: tE E(i) – t0 = (t ~E E(i) – t ~0)·(1 – aE 1)..(t ~E E(i) – t ~0)·(1 + aE 2) tS S(i – 1) – tS E(0) = (t ~S S(i – 1) – t ~S E(0))·(1 – aS 1)..(t ~S S(i – 1) – t ~S E(0))·(1 + aS 2) For the times in equation (2): t e e (i) - t 0 = (t ~ e e (i) - t ~ 0 ) · (1 - a e 1 ) .. (t ~ e e (i) - t ~ 0 ) · (1 + a e 2 ) t S S (i - 1) - t S e (0) = (t ~ S S (i - 1) - t ~ S e (0)) · (1 - a S 1 ) .. (t ~ S S (i - 1) - t ~ S e (0)) · (1 + a S 2 )

Damit lautet die Gleichung (2) mit den gemessenen Werten:

Thus the equation (2) with the measured values is:

Wenn bereits die obere Intervallgrenze in Gleichung (3) die Bedingung erfüllt, d.h. (t ~E E(i) – t ~0)·(1 + aE 2) – (t ~S S(i – 1) – t ~S E(0))·(1 - aS 1) ≤ Time_Out (4)bzw.

gilt, dann liegt eine Kommunikation ohne unzulässige Verzögerung vor.If already the upper interval limit in equation (3) fulfills the condition, ie (t ~ e e (i) - t ~ 0 ) · (1 + a e 2 ) - (t ~ S S (i - 1) - t ~ S e (0)) · (1 - a S 1 ) ≤ Time_Out (4) respectively.

applies, then there is a communication without undue delay.

Wenn demgegenüber bereits die untere Intervallgrenze die Bedingung verletzt, d.h. (t ~E E(i) – t ~0)·(1 - aE 1) – (t ~S S(i – 1) – t ~S E(0))·(1 + aS 2) > Time_Out (6)bzw.

gilt, dann liegt eine unzulässige Verzögerung vor, und der Übergang in den sicheren Zustand muss eingeleitet werden.If, on the other hand, the lower interval limit already violates the condition, ie (t ~ e e (i) - t ~ 0 ) · (1 - a e 1 ) - (t ~ S S (i - 1) - t ~ S e (0)) · (1 + a S 2 )> Time_Out (6) respectively.

applies, then there is an inadmissible delay and the transition to the safe state must be initiated.

In dem dazwischen liegenden Bereich, d.h. wenn (vgl. Gleichungen (4) und (6)) (t ~E E(i) – t ~)0·(1 – aE 1) – (t ~S S(i – 1) – t ~S E(0))·(1 + aS 2) ≤ Time_Out < (t ~E E(i) – t ~0)·(1 + aE 2) – (t ~S S(i – 1) – t ~S E(0))·(1 – aS 1) (8)bzw. (vgl. Gleichungen (5) und (7))

gilt, lässt sich keine Aussage treffen. Es kann eine unzulässige Verzögerung aufgetreten sein, die Messwerte lassen sich aber auch durch zulässige Abweichungen der Uhren erklären. Im Interesse der Sicherheit muss hier ebenfalls der sichere Zustand eingenommen werden. Demzufolge reicht für eine sichere Übertragung die Überwachung der Einhaltung der Gleichung (5).In the intermediate region, ie when (see equations (4) and (6)) (t ~ e e (i) - t ~) 0 · (1 - a e 1 ) - (t ~ S S (i - 1) - t ~ S e (0)) · (1 + a S 2 ) ≤ Time_Out <(t ~ e e (i) - t ~ 0 ) · (1 + a e 2 ) - (t ~ S S (i - 1) - t ~ S e (0)) · (1 - a S 1 ) (8th) or (see Equations (5) and (7))

applies, no statement can be made. An inadmissible delay may have occurred, but the measured values can also be explained by permissible deviations of the clocks. In the interest of safety, the safe state must also be taken here. As a result, monitoring of compliance with equation (5) is sufficient for secure transmission.

8 zeigt Entscheidungsbereiche A, B, C bei einem Verfahren zur Abschätzung einer Übertragungsrate und Übertragungsdauer. Die drei Entscheidungsbereiche A, B, C sind durch die Ungleichungen Gl (5), Gl (7) und Gl (9) festgelegt. In einem ersten durch Gl (5) definierten Entscheidungsbereich liegt definitiv keine unzulässige Verzögerung bei der Datenkommunikation vor. 8th shows decision areas A, B, C in a method for estimating a transmission rate and transmission duration. The three decision areas A, B, C are defined by the inequalities Gl (5), Gl (7) and Gl (9). In a first decision area defined by Eq (5), there is definitely no undue delay in the data communication.

In einem zweiten durch Gl (9) definierten Entscheidungsbereich B kann aufgrund der ungenauen Zeitmessung keine zuverlässige Abschätzung der Übertragungsrate und Übertragungsdauer durchgeführt werden. Somit erzwingt dieser Bereich aus Gründen der Übertragungssicherheit den Übergang in den sicheren Zustand. Dieser Bereich wächst mit zunehmendem zeitlichem Abstand vom Synchronisationszeitpunkt, wie 8 zu entnehmen ist.In a second decision area B defined by G1 (9), due to the inaccurate time measurement, no reliable estimation of the transmission rate and transmission duration can be performed. Thus, for reasons of transmission security, this area forces the transition to the safe state. This range increases with increasing time interval from the synchronization time, such as 8th can be seen.

In einem dritten durch Gl (7) definierten Entscheidungsbereich C liegt definitiv eine unzulässige Verzögerung vor, so dass der sichere Zustand ebenfalls herbeigeführt werden muss.In a third decision region C defined by G1 (7) definitely an invalid delay before, so that the safe state also be brought about got to.

Um die Übertragung verfügbar zu gestalten, muss so gut wie möglich verhindert werden, dass durch die restriktive Behandlung des durch Gleichung (9) beschriebenen Bereichs unnötig der sichere Zustand eingenommen wird. Das wird dadurch erreicht, indem zu gewissen Zeitabständen erneut die Zeit des Empfängers auf die des Senders gesetzt und das Telegramm quittiert wird, so dass erneut eine Situation wie in 7 vorliegt.In order to make the transmission available, it must be prevented as much as possible that the restrictive treatment of the range described by equation (9) unnecessarily takes the safe state. This is achieved by repeating the time of the receiver to that of the transmitter at certain intervals and the telegram is acknowledged, so again a situation as in 7 is present.

Je häufiger diese Synchronisation stattfindet, desto geringer ist die Chance von unnötigen Übergängen in den sicheren Zustand. Bereits beim Empfang des ersten Telegramms kann unnötig der sichere Zustand eingenommen werden, wenn die Verletzung der Gleichung (5) nur durch die Toleranzen der Uhren, nicht aber durch eine unzulässige Verzögerung des Telegramms hervorgerufen wurde. Wenn allerdings deswegen jedes Telegramm synchronisierend wirkt, liegt ein komplettes Verfahren mit Quittung vor. Demgegenüber führt eine Synchronisierung, die zu selten stattfindet, praktisch zur Unverwendbarkeit der Kommunikation.ever frequently This synchronization takes place, the lower the chance from unnecessary transitions in the safe state. Already on receipt of the first telegram may be unnecessary the safe state be taken when the injury of the Equation (5) only by the tolerances of the clocks, but not by an invalid delay of the telegram was caused. If so, that's why every telegram synchronizing effect, there is a complete procedure with acknowledgment in front. In contrast, performs a synchronization, which takes place too rarely, practically the inoperability of the communication.

9 zeigt ein Verfahren zur Offline Berechnung eines Synchronisationspunktes. Ein sinnvoller Kompromiss für einen Richtwert liegt in folgender Festlegung: Eine Synchronisation findet spätestens dann statt, wenn zu einem Zeitpunkt t ~^S _S(i – 1) = t ~^S _Sync die Größe des nicht entscheidbaren Bereichs (t ~^E _Sync1 – t ~^E _Sync2) im Verhältnis zur Größe des Bereichs ohne unzulässige Verzögerung (t ~^E _Sync2 – t ~₀) gleich einer Abweichung a_Sync ist (siehe 9). Die Größe des nicht entscheidbaren Bereichs wird damit wie eine tolerierbare Ungenauigkeit des Bereichs ohne unzulässige Verzögerung behandelt. Diese Festlegung trägt der Tatsache Rechnung, dass bereits mit der Wahl der Uhren eine Ungenauigkeit akzeptiert wird, die sich jedoch nicht in einer schlechteren Sicherheit, sondern ausschließlich in der schlechteren Verfügbarkeit äußern darf. 9 shows a method for offline calculation of a synchronization point. A reasonable compromise for a guideline value lies in the following definition: A synchronization takes place at the latest when, at a time t ~ ^S _S (i-1) = t ^S _sync the size of the _undecidable range (t ~ ^E _Sync1 - t ~ ^E _sync2 ) is equal to a deviation a _sync in relation to the magnitude of the range without undue delay (t ~ ^E _Sync2 - t ~ ₀ ) (see 9 ). The size of the undecidable area is thus treated as a tolerable inaccuracy of the area without undue delay. This definition takes into account the fact that even with the choice of clocks an inaccuracy is accepted, which may not be expressed in a poorer security, but only in the poorer availability.

Damit gilt zum Zeitpunkt t ~^S _Sync:

und damit (vgl. Gleichungen (5) und (7)):

Thus, at time t ~ ^S _Sync :

and thus (see Equations (5) and (7)):

Hinweis: Bei negativem Zähler oder einem Zähler gleich Null ist die Abweichung a_Sync bereits unmittelbar nach dem Zeitpunkt t ~^S _E(0) überschritten. Es muss in einem solchen Fall jedes Telegramm quittiert werden. Dagegen wird sie bei negativem Nenner immer unterschritten, so dass nie synchronisiert werden muss. Der nicht entscheidbare Bereich wächst zwar absolut, nicht jedoch relativ zu t ~^E _Sync2 (es sind allerdings Zweifel an der sinnvollen Wahl von a_Sync angebracht).Note: With a negative counter or a counter equal to zero, the deviation a _{Sync is} already exceeded immediately after the time t ~ ^S _E (0). In this case, every telegram must be acknowledged. By contrast, it always falls below the negative denominator, so that it never has to be synchronized. Of the Although _undecidable range grows absolutely, but not relative to t ~ ^E _Sync2 (however, there are doubts about the sensible choice of a _sync appropriate).

Deswegen gilt für die Wahl von a_Sync:

Therefore, when choosing a _Sync :

Eine viel effektivere Möglichkeit besteht darin, erst dann zu synchronisieren, wenn bei der nächsten Übertragung tatsächlich der nicht entscheidbare Bereich eingenommen werden könnte. 10 zeigt ein Verfahren zur Bestimmung eines Synchronisationszeitpunktes durch Interpolation, welches eine derartige Online Bestimmung eines neuen Synchronisationspunktes ermöglicht. Dazu werden jeweils die beiden letzten Messpunkte (t ~S S(i – 1), t ~E E(i)) = (t ~S S(k – 2), t ~E E(k – 1))und (t ~S S(i – 1), t ~E E(i)) = (t ~S S(k – 1), t ~E E(k))für eine Approximation des erwarteten Messpunktes im nicht entscheidbaren Bereich verwendet.A much more effective way is not to synchronize until the next transmission actually takes the undecidable range. 10 shows a method for determining a synchronization time by interpolation, which allows such online determination of a new synchronization point. For this purpose, the last two measuring points are each (t ~ S S (i - 1), t ~ e e (i)) = (t ~ S S (k - 2), t ~ e e (k - 1)) and (t ~ S S (i - 1), t ~ e e (i)) = (t ~ S S (k - 1), t ~ e e (K)) used for an approximation of the expected measurement point in the undecidable range.

Der Synchronisationszeitpunkt wird im Empfänger berechnet. Er berechnet sich aus

mit (vgl. Gleichung (5))

The synchronization time is calculated in the receiver. He is calculated

with (see equation (5))

Wenn die Uhr im Empfänger einen Wert größer als das zuletzt berechnete t ~^E _Sync erreicht, wird eine Synchronisation im Empfänger vorgenommen, d.h. die Uhr des Empfängers wird auf die vom Sender t ~^S _S(i) (die im Telegramm enthalten ist) gestellt, und das Telegramm wird quittiert.If the clock in the receiver reaches a value greater than the last calculated t ~ ^E _sync , a synchronization is performed in the receiver, ie the clock of the receiver is set to that of the transmitter t ~ ^S _S (i) (which is contained in the telegram) , and the telegram is acknowledged.

Der Wert für t ~^E _E(k), der nach dem Empfang des nächsten Telegramms als t ~^E _E(k – 1) im Verfügbarkeitsteil zur Verfügung stehen muss, wird auf t ~^S _S(i) gesetzt.The value for t ~ ^E _E (k), which must be available in the availability section after receiving the next telegram as t ~ ^E _E (k-1), is set to t ~ ^S _S (i).

11 zeigt schematisch eine Kommunikationseinrichtung gemäß einer Ausführung der Erfindung umfassend einen Sender S und einen Empfänger E. Der Sender weist erste Mittel M1 zur Übertragung eines Telegramms T(i) auf, wobei das Telegramm T(i) neben einer zu übertragenen Datenmenge DATA einen mit einer Senderzeiterfassungseinheit SZ zum Übertragungszeitpunkt des Telegramms T(i) gemessenen, senderzeitbasierten Sendezeitpunkt t ~^S _S(i) und einen ebenfalls mit der Senderzeiterfassungseinheit SZ gemessenen empfängerzeitbasierten Empfangszeitpunkt einer Quittung t ~^S _E(0) enthält. Die Quittung wurde, wie bereits zur 7 erläutert, im Rahmen einer Synchronisation der Senderzeiterfassungseinheit SZ mit einer im Empfänger E befindlichen Empfängerzeiterfassungseinheit EZ vom Empfänger E an den Sender S gesendet. 11 schematically shows a communication device according to an embodiment of the invention comprising a transmitter S and a receiver E. The transmitter has first means M1 for transmitting a telegram T (i), wherein the telegram T (i) in addition to a data volume to be transmitted DATA one with a Senderzeiterfassungseinheit SZ at the time of transmission of the telegram T (i) measured senderzeitbasierten transmission time t ~ ^S _S (i) and also measured with the transmitter time detection unit SZ receiver time-based reception time of an acknowledgment t ~ ^S _E (0) contains. The receipt became, as already for 7 explained, as part of a synchronization of the transmitter time detection unit SZ with a receiver E located in the receiver time detection unit EZ sent from the receiver E to the transmitter S.

Der Empfänger weist erste Mittel M1 zur Überprüfung der Einhaltung einer maximal zulässigen Übertragungsdauer und einer minimal geforderten Übertragungsrate auf, die in einer ersten Operation OP1 die Einhaltung der Gleichung (5) überprüfen. Hierzu umfassen die ersten Mittel M1 ein Speicherelement S1, mit dem der senderzeitbasierte Sendezeitpunkt t ~^S _S(i) um einen Takt verzögert wird. Ferner wird zur Durchführung der ersten Operation OP1 eine mit der Empfängerzeiterfassungseinheit EZ zum Empfangszeitpunkt des Telegramms T(i) ermittelte empfängerzeitbasierte Empfangszeit t ~^E _E(i) benötigt. Zur vereinfachten Darstellung ist in 11 die Basiszeit t ~₀, auf die gemäß des zuvor beschriebenen Synchronisationsverfahrens die Empfängerzeiterfassungseinheit EZ bei Empfang des Synchronisationstelegramms gestellt wird, zu Null gesetzt worden.The receiver has first means M1 for checking compliance with a maximum permissible transmission duration and a minimum required transmission rate, which check compliance with equation (5) in a first operation OP1. For this purpose, the first means M1 comprise a memory element S1, with which the transmitter time-based transmission time t ~ ^S _S (i) is delayed by one clock. Furthermore, in order to carry out the first operation OP1, a receiver time-based reception time t ^E _E (i) determined with the receiver time detection unit EZ at the time of reception of the telegram T (i) is required. For simplified representation is in 11 the base time t ~ ₀ , to which the receiver time detection unit EZ is set on receipt of the synchronization telegram according to the synchronization method described above, has been set to zero.

Darüber hinaus umfasst der Empfänger dritte Mittel zur Online Berechnung eines neuen Synchronisationspunktes gemäß Gleichung (10). Um die für diese Berechnung benötigten zeitverzögerten Sende- und Empfangszeitpunkte zu erzeugen, weisen die dritten Mittel zwei weitere Speichermedien S2, S3 auf. In einer zweiten Operation OP2 wird überprüft, ob die von der Empfängerzeiterfassungseinheit EZ gemessene empfängerzeitbasierte Empfangszeit t ~^E _E(k) einen durch lineare Interpolation gemäß Gl 10 berechneten neuen empfängerzeitbasierten Synchronisationszeitpunkt t ~^E _Synch nicht überschreitet. Bei einer Überschreitung wird eine neue Synchronisation der Empfängerzeiterfassungseinheit EZ durchgeführt.In addition, the receiver comprises third means for online calculation of a new synchronization point according to equation (10). In order to generate the time-delayed transmission and reception times required for this calculation, the third means have two further storage media S2, S3. In a second operation OP2, it is checked whether the receiver time-based reception time t ^E _E (k) measured by the receiver time detection unit EZ does not exceed a new receiver time-based synchronization time t ^E _synch calculated by linear interpolation according to Eq. If exceeded, a new synchronization of the receiver time detection unit EZ is performed.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Kommunikationseinrichtung und ein Verfahren zur Sicherung der Übertragungsrate und Übertragungsdauer bei einer Datenkommunikation. Um bei der Datenübertragung zwischen einem Sender und einem Empfänger die Einhaltung einer maximal zulässigen Übertragungsdauer und -rate bei möglichst geringer Netzwerkbelastung zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, den zeitlichen Abstand zwischen einem zu einem ersten Empfangszeitpunkt empfangen Telegramm und dem Sendezeitpunkt eines Telegramms, welches vor dem ersten Empfangzeitpunkt empfangen wurde, mit einem maximal zulässigen Wert zu vergleichen, wobei Messungenauigkeiten mit berücksichtigt werden. Zur Erzeugung einer gemeinsamen Zeitbasis für Sender und Empfänger wird eine Synchronisation der jeweiligen Uhren durchgeführt.In summary The invention relates to a communication device and a method to secure the transmission rate and transmission time in a data communication. In order to transfer data between a sender and a receiver compliance with a maximum permissible transmission duration and -rate if possible low network load, it is proposed that the time interval between a first reception time receive telegram and the transmission time of a telegram, which received before the first reception time, with a maximum allowable value , taking into account measurement inaccuracies become. To create a common time base for stations and receiver a synchronization of the respective clocks is performed.

Claims

Method for estimating a transmission duration and / or a transmission rate in the case of data communication between a transmitter (S) and a receiver (E), in particular in automation technology, in which - the transmitter (S) has a first transmission time (t _S (i-1)) from a first telegram (T (i-1)) transmitted to the receiver (E) before a second transmission time (t _S (i)), and - the receiver (E) after receiving a second transmission time (t _S (i)) and at a reception time (t _E (i)) received telegram (T (i)) an estimate of the transmission duration and / or the transmission rate based on the first transmission time (t _S (i - 1)) and the reception time (t _E (i)).

The method of claim 1, wherein the first transmission time (t _S (i-1)) with the first telegram (T (i-1)) is transmitted.

The method of claim 1, wherein the first transmission time (t _S (i-1)) with the second telegram (T (i)) is transmitted.

Method according to one of the preceding claims, wherein the first transmission time (t _S (i-1)) is immediately before the second transmission time (t _S (i)).

Method according to one of the preceding claims, wherein the time interval of the reception time (t _E (i)) and the first transmission time (t _S (i - s)) compared to an upper limit (Time_Out) is estimated.

Method according to one of the preceding claims, wherein a receiver time-based reception time (t ^E _E (i)) of the second telegram is determined with a receiver time detection unit in the receiver (E).

Method according to one of the preceding claims, wherein a sender-time-based transmission time (t ^S _S (i-1)) of the first telegram is determined with a sender time acquisition unit in the transmitter (S).

Method according to one of the preceding claims, wherein the transmitter (S) for synchronization of transmitter and receiver time detection unit at a synchronization time (t _S (0)) sends a synchronization telegram (T (0)) to the receiver (E) and the receiver (E ) upon receipt of the synchronization telegram (T (0)) an acknowledgment (Q (0)) to the transmitter (S) transmitted.

The method of claim 8, wherein the receiver time detection unit is set upon receiving the synchronization telegram (T (0)) to a base time (t ₀ ), which is detected by the sender time detection unit at the synchronization time (t _S (0)).

Method according to one of claims 8 or 9, wherein the transmitter time detection unit is a transmitter time based reception time (t ^S _E (0)) of the acknowledgment is determined.

Method according to one of claims 8 to 10, wherein - a first time interval (t ^E _E (i) - t ₀ ) between the receiver time-based reception time (t ^E _E (i)) and the base time (t ₀ ) is determined, - a second time interval (t ^S _S (i-1) -t ^S _E (0)) between the transmission time-based transmission time (t ^S _S (i-1)) and the transmission time-based reception time (t ^S _E (0)) of the acknowledgment (Q (Q (FIG. 0)) is determined, and - the difference ((t ^E _E (i) - t ₀ ) - (t ^S _S (i - 1) - t ^S _E (0)) between the first time interval (t ^E _E (i ) - t ₀ ) and the second time interval (t ^S _S (i - 1) - t ^S _E (0)) compared to the upper limit (Time_out) is estimated.

Method according to one of claims 8 to 11, wherein the synchronization of transmitter and receiver time detection unit in equidistant Time intervals performed becomes.

Method according to one of claims 8 to 11, wherein - an online calculation of a new synchronization time is carried out, based on a current (t ~ ^E _E (k)) and a past receiver time-based reception time (t ~ ^E _E (k - 1) ) and past transmitter-time-based transmission times (t ~ ^S _S (k-1), t ~ ^S _S (k-2)) a particular linear approximation of a future receiver time-based synchronization time (t ~ ^E _synch ) is performed and - if the receiver time-based synchronization time is exceeded ( t ~ ^E _Synch ) the synchronization of transmitter and receiver time _{detection unit is performed} by the time detected by the receiver time detection unit before receiving a new telegram.

Communication device in particular for automation technology with a transmitter (S) and a receiver (E), wherein - the transmitter (S) first means for transmitting a first transmission time (t _S (i - 1)) from one before a second transmission time (t _S (i)) to the receiver (E) transmitted first telegram (T (i - 1)) and - the receiver (E) second means for estimating a transmission duration and / or a transmission rate after receiving a second, at the second transmission time (t _S (i)) and at a reception time (t _E (i)) received telegram (T (i)) based on the first transmission time (t _S (i - 1)) and the reception time (t _E (i)) ,

Communication device according to claim 14, wherein the first means for transmitting the first transmission time (t _S (i-1)) with the first telegram (T (i-1)) are provided.

Communication device according to claim 14, wherein the first means for transmitting the first transmission time (t _S (i-1)) with the second telegram (T (i-1)) are provided.

Communication device according to one of claims 14 to 16, wherein the first means for transmitting the second transmission time (t _S (i)) are provided immediately after the first transmission time (t _S (i-1)).

Communication device according to one of claims 14 to 17, wherein the second means for estimating the time interval of the reception time (t _E (i)) and the first transmission time point (t _S (i - s)) are provided with respect to an upper limit (Time_Out).

Communication device according to one of Claims 14 to 18, having a receiver time detection unit in the receiver (E) for determining a receiver time-based reception time (t ^E _E (i)) of the second telegram.

Communication device according to one of Claims 14 to 19, having a transmitter time detection unit in the transmitter (S) for determining a transmitter time-based transmission time (t ^S _S (i-1)) of the first telegram.

Communication device according to one of claims 14 to 20, wherein the transmitter (S) for synchronization of transmitter and receiver time detection unit at a synchronization time (t _S (0)) by sending a synchronization telegram (T (0)) to the receiver (E) is used and the receiver (E) for transmitting an acknowledgment to the transmitter (S) vorgese upon receipt of the synchronization telegram (T (0)) hen is.

Communication device according to claim 21, wherein the receiver time detection unit on receipt of the synchronization telegram (T (0)) to a base time (t ₀ ) is adjustable, for the detection of the transmitter time detection unit at the synchronization time (t _S (0)) is provided.

Communication device according to one of claims 21 or 22, wherein with the sender time detection unit, a sender time-based reception time (t ^S _E (0)) of the acknowledgment can be determined.

Communication device according to one of claims 21 to 23, wherein the second means - for determining a first time interval (t ^E _E (i) - t ₀ ) between the receiver time-based receiving time (t ^E _E (i)) and the base time (t ₀ ) For determining a second time interval (t ^S _S (i-1) -t ^S _E (0)) between the transmission time-based transmission time (t ^S _S (i-1)) and the transmission time-based reception time (t ^S _E (0) ) of the acknowledgment (Q (0)) and - to estimate the difference ((t ^E _E (i) - t ₀ ) - (t ^S _S (i - 1) - t ^S _E (0)) between the first time interval (t ^E _E (i) - t ₀ ) and the second time interval (t ^S _S (i - 1) - t ^S _E (0)) are provided with respect to the upper limit (Time_out).

Communication device according to one of claims 21 to 24, wherein the synchronization of transmitter and receiver time detection unit in equidistant Time intervals feasible is.

Communication device according to one of claims 21 to 25, comprising - third means for online calculation of a new synchronization time, on the basis of a current (t ~ ^E _E (k)) and a past receiver time-based reception time (t ~ ^E _E (k - 1) ) and past transmitter-time-based transmission times (t ~ ^S _S (k-1), t ~ ^S _S (k-2)) a particular linear approximation of a future receiver time-based synchronization time (t ~ ^E _synch ) is performed and fourth means for initiating a renewed one Synchronization of transmitter and receiver time detection unit when exceeding the receiver time-based synchronization time (t ~ ^E _Synch ) by the time detected by the receiver time detection unit time before receiving a new telegram.