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Die
Erfindung betrifft ein Kommunikationssystem, beispielsweise ein
geschaltetes Netzwerk, mit einer Mehrzahl von Teilnehmern, die (paarweise) über Datenverbindungen,
insbesondere Leitungen, miteinander verbunden sind.
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Ein
geschaltetes Netzwerk ist beispielsweise in der
DE 100 58 524 A1 beschrieben.
Teilnehmer eines geschalteten Netzwerks können Computer, speicherprogrammierbare
Steuerungen oder andere Geräte
sein, die elektronische Daten mit anderen Maschinen austauschen,
insbesondere verarbeiten. Im Gegensatz zu Bussystemen, bei denen
jeder Teilnehmer jeden anderen Teilnehmer des Datennetzes direkt über den
Datenbus erreichen kann, handelt es sich bei den schaltbaren Datennetzen
ausschließlich um
Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, d.h. ein Teilnehmer kann alle anderen
Teilnehmer des schaltbaren Datennetzes nur indirekt, durch entsprechende
Weiterleitung der zu übertragenden
Daten mittels einer oder mehrerer Datenverbindungen (Koppeleinheiten) erreichen.
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In
verteilten Automatisierungssystemen müssen bestimmte Daten zu bestimmten
Zeiten bei den dafür
bestimmten Teilnehmern eintreffen und von den Empfängern verarbeitet
werden. Man spricht dabei von echtzeitkritischen Daten bzw. Datenverkehr, da
ein nicht rechtzeitiges Eintreffen der Daten am Bestimmungsort zu
unerwünschten
Resultaten beim Teilnehmer führt.
Gleichzeitig werden in geschalteten Netzwerken nicht echtzeitkritische
Daten erzeugt und müssen übermittelt
werden.
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Die
DE 100 58 524 A1 stellt
einen Mischbetrieb von echtzeitkritischer und nicht echtzeitkritischer
Datenkommunikation dadurch bereit, dass die Daten zwischen jeweils
zwei Teilnehmern, insbesondere einem Sender oder einem Empfänger, in
wenigstens einem Übertragungszyklus
mit einstellbarer Zeitdauer übertragen
werden, wobei jeder Übertragungszyklus
in wenigs tens einen ersten Bereich zur Übertragung von echtzeitkritischen
Daten zur Echtzeitsteuerung und wenigstens einen zweiten Bereich zur Übertragung
von nicht echtzeitkritischen Daten unterteilt ist.
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Im
Stand der Technik stellt sich nun das Problem, dass die echtzeitkritischen
Daten in kurzen Zyklen übermittelt
werden sollen.
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In
einem System gemäß
DE 100 585 24 A1 beträgt beispielsweise
der Minimalgrundtakt für
echtzeitkritische Daten 31,25 μs.
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Für die nicht
echtzeitkritischen Daten müssen
bei einer uneingeschränkten
offenen Ethernet-Standardkommunikation Framelängen von 1,5 kByte übertragen
werden. Hierzu muss bei 100 Mbaud eine Zeitdauer von ca. 125 μs zur Verfügung gestellt
sein. Damit ergibt sich ein minimaler Kommunikationszyklus von 156,25 μs. Im Stand
der Technik gemäß der
DE 100 58 524 A1 kann
ein einzelner Kommunikationszyklus nicht kürzer sein als diese 156,25 μs.
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Insbesondere
in der Automatisierung ist es zur Verbesserung von Regelungsvorgängen wünschenswert,
die Zykluszeiten stark zu verringern. Aufgrund der sequentiellen Übertragung
von echtzeitkritischen und nicht echtzeitkritischen Daten vergrößern die
nicht echtzeitkritischen Daten den minimal möglichen Kommunikationszyklus.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, wie die
Zykluszeiten verringerbar sind.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe dadurch, dass ein Teilnehmerpaar über eine erste und eine zweite,
davon getrennte Datenverbindung (oder auch Koppeleinheit), insbesondere
eine Leitung, miteinander verbunden sind, wobei eine Steuerung dazu
ausgelegt ist, echtzeitkritische Daten der ersten Datenverbindung
zuzuordnen, damit die echtzeitkritischen Daten über die erste Datenverbindung übertragen werden,
und nicht echtzeitkritische Daten der zweiten Datenverbindung zuzuordnen,
damit die nicht echtzeitkritischen Daten über die zweite Datenverbindung übertragen
werden.
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Die
Erfindung besteht also darin, dass die für das Kommunikationssystem
notwendigen Informationen auf parallele Leitungen aufgeteilt werden.
Dies gilt auch für
Kommunikationsdienste, deren Übertragung
in Form echtzeitkritischer und nicht echtzeitkritischer Daten erfolgt.
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Die
nicht echtzeitkritischen Daten können Daten
zur Planung der echtzeitkritischen Übertragung umfassen, die sogenannten
Context-Management-Daten (CMD).
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Dadurch,
dass die echtzeitkritischen Daten gemäß der Erfindung über verschiedene
Datenverbindungen übertragen
werden, ist es möglich,
lange Zykluszeiten für
die Übertragung
der nicht echtzeitkritischen Daten beizubehalten und gleichzeitig
die nicht echtzeitkritischen Daten auf der zweiten Datenverbindung
mit entsprechenden kurzen Zykluszeiten zu übertragen.
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Insbesondere
wird es möglich,
die Daten über
die erste Datenverbindung in Übertragungszyklen
von 31,25 μs
Dauer oder in der Zukunft sogar noch weniger zu senden.
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Ein
Beispiel für
ein Kommunikationssystem ist ein geschaltetes Netzwerk. Da die Datenübermittlung
in geschalteten Netzwerken immer paarweise erfolgt und zwischen
zwei Teilnehmern auch die Daten für einen Teilnehmer übermittelt
werden, die an einen weiteren Teilnehmer weiterzuleiten sind, gibt es
in geschalteten Netzwerken Datenengstellen, sogenannte Flaschenhälse. Dies
sind Stellen, an denen die nicht echtzeitkritischen Daten besonders
umfangreich sind und eine Verringerung der Zykluszeit verhindern.
Es ist im Rahmen der Erfindung besonders vorteilhaft, wenn gerade
an diesen Stellen zwischen Teilnehmerpaaren erste und zweite Datenverbindungen
vorgesehen werden, über
die die echtzeitkritischen und nicht echtzeitkritischen Daten getrennt übertragen
werden.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines Kommunikationssystems,
insbesondere eines geschalteten Netzwerks mit einer Mehrzahl von
Teilnehmern, bei dem echtzeitkritische und nicht echtzeitkritische
Daten zwischen je zwei Teilnehmern übertragen werden, dass dadurch
gekennzeichnet ist, dass zwischen zumindest einem Teilnehmerpaar
die echtzeitkritischen Daten über
eine erste Verbindungsleitung und die nicht echtzeitkritischen Daten über eine
davon getrennte zweite Verbindungsleitung übertragen werden. Eine entsprechende
Zuordnung wird von einer Steuerung vorgenommen.
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Zur
Erfindung gehört
auch ein Verfahren zum Beseitigen einer Datenengstelle für die Datenkommunikation
in einem geschalteten Netzwerk, in dem zwischen zwei Teilnehmern
je über
eine erste Datenverbindung echtzeitkritische und nicht echtzeitkritische
Daten übertragen
werden, die dadurch gekennzeichnet ist, dass an der Datenengstelle
eine zweite Datenverbindung vorgesehen wird, wobei die echtzeitkritischen
Daten dann über
die erste und die nicht echtzeitkritischen Daten über die
zweite Datenverbindung gesandt werden.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung wird nun unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben,
in der:
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1 zwei
Teilnehmer eines Kommunikationssystems gemäß dem Stand der Technik zeigt,
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2 drei
Kommunikationszyklen zwischen den zwei genannten Teilnehmern zeigt,
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3 zwei
Teilnehmer eines Kommunikationssystems zeigt, die gemäß der Erfindung über zwei
Leitungen miteinander verbunden sind,
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4 die
Kommunikationszyklen über
die beiden in 3 gezeigten Leitungen darstellt,
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5 einen
Ausschnitt aus einem geschalteten Netzwerk mit drei Teilnehmern
darstellt, wobei eine Datenengstelle gemäß der Erfindung ausgeführt ist.
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Die 1 stellt
einen Ausschnitt aus einem Kommunikationssystem des Standes der
Technik dar, mit zwei Teilnehmern, nämlich mit einem ersten Gerät 10 und
einem zweiten Gerät 12.
Beide Geräte können sowohl
Daten senden als auch empfangen. Die Teilnehmer 10 und 12 sind über eine
Datenleitung 14 miteinander verbunden. Die Datenleitung
ist bei beiden Geräten 10 und 12 an
der jeweiligen Schnittstelle 1 der Teilnehmer angeschlossen.
Die jeweiligen Schnittstellen 2 des ersten Geräts 10 und des
zweiten Geräts 12 sind
hier als nicht angeschlossen dargestellt. Über beide Schnittstellen 2 könnte jedoch
jeweils ein weiterer Teilnehmer des Kommunikationssystems angeschlossen
sein.
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Die
Softwaresteuerung der jeweiligen Geräte erfolgt in den Einheiten "Applikation", "Kommunikations-Stapel" und einer Steuerung
zur Zuordnung der Daten. Die Steuerung ordnet sämtliche Daten, die zu dem zweiten
Gerät 12 gesendet
werden oder von diesem empfangen werden, der Schnittstelle 1 zu. Entsprechend
umfasst das zweite Gerät 2 auch
eine Steuerung zur Zuordnung der Daten, die sämtliche Daten, die von dem
ersten Gerät 10 herrühren oder zu
diesem gesendet werden, der Schnittstelle 1 zuordnet.
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Das übertragen
von Daten über
die Leitung 14 erfolgt auf die in 2 dargestellte
Art und Weise: In 2 ist längs der Achse die Zeit dargestellt,
und diese ist in Kommunikationszyklen 16 unterteilt. Jeder
Kommunikationszyklus 16 ist seinerseits in zwei Bereiche 18 und 20 unterteilt.
Der Bereich 18 ist die Zeitdauer, über die echtzeitkritische Daten über die Leitung 14 übertragen
werden. Echtzeitkritische Daten sind Daten, bei denen eine zeitgenaue
Aussage über
den Zeitpunkt des Eintreffens der Daten gemacht werden kann; es
handelt sich also um eine hochdeterministische Phase (geplante zyklische Kommunikation).
In den Bereichen 20 erfolgt jeweils die Übertragung
der nicht echtzeitkritischen Daten (Standardkommunikation). Die
nicht echtzeitkritischen Daten sind nicht geplante Daten, können aber Daten
für die
Planung der echtzeitkritischen Daten umfassen (Context-Management-Daten).
Wie erwähnt,
werden sowohl die echtzeitkritischen als auch die nicht echtzeitkritischen
Daten von der Steuerung zur Zuordnung der Daten in den beiden Geräten 10 und 12 der
jeweiligen Schnittstelle 1 zugeordnet.
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Sollen
in den Bereichen 20 auch Frames von 1,5 kByte Größe übertragen
werden, benötigt
der Bereich 20 mindestens 125 μs. Im Stand der Technik kann
der Zyklus 16 beispielsweise eine Millisekunde dauern,
so dass großzügig für den Bereich 18 für die Übertragung
von echtzeitkritischen Daten 500 μs
zur Verfügung
stehen und für
den Bereich 20 zur Übertragung
von nicht echtzeitkritischen Daten ebenfalls 500 μs zur Verfügung stehen.
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Viele
Applikationen, beispielsweise im Werkzeugmaschinenbereich, erfordern
kurze Regelungszyklen. Dementsprechend schnell müssen die für die Regelung notwendigen
echtzeitkritischen Daten übertragen
werden. Die erreichbare Regelungsgüte ist über die erreichbare Zykluszeit
mit der Menge der insgesamt übermittelten
Daten korreliert. Die Zeitdauer der Bereiche 20, während derer
die nicht echtzeitkritischen Daten übertragen werden, stellt zum
einen eine Totzeit dar und vergrößert zum
andern die minimal mögliche
Zykluszeit. Um die Regelung zu verbessern bzw. um die minimal mögliche Zykluszeit zu
verringern, wird eine Anordnung gemäß 3 bereitgestellt. 3 zeigt
ebenfalls einen Ausschnitt aus einem Kommunikationssystem mit zwei
Teilnehmern, einem ersten Gerät 10 und
einem zweiten Gerät 12.
Zusätzlich
zu der Leitung 14, welche über die Schnittstellen 1 der
Geräte 10 und 12 angeschlossen ist,
gibt es eine zweite Leitung 22, welche über die Schnittstelle 2 des
Geräts 10 und
die Schnittstelle 2 des Geräts 12 angeschlossen
ist.
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Zusätzlich zum
Anschließen
der Leitung 22 muss gegenüber dem Stand der Technik noch
die Steuerung zur Zuordnung der Daten anders arbeiten. Insbesondere
muss die Steuerung zur Zuordnung der Daten im Gerät 10 alle
echtzeitkritischen Daten, welche zum zweiten Gerät 12 zu senden sind
oder von diesem empfangen werden, der Schnittstelle 1 zuordnen.
Sie muss alle nicht echtzeitkritischen Daten, welche zum zweiten
Gerät 12 zu
senden sind oder von diesem empfangen werden, der Schnittstelle 2 zuordnen.
Dies hat zur Folge, dass die echtzeitkritischen Daten über die
Leitung 14 zum zweiten Gerät 12 gesendet werden
und von dieser auch empfangen werden und dass die nicht echtzeitkritischen
Daten vom ersten Gerät 10 über die
Leitung 22 gesandt werden und über diese Leitung auch vom
zweiten Gerät 12 empfangen
werden. Die Steuerung zur Zuordnung der Daten im zweiten Gerät 12 ist
entsprechend zu ändern,
wobei die Funktion eines Empfängers
spiegelbildlich eingenommen wird, wenn das erste Gerät 10 der
Sender ist und umgekehrt. Außer der
Steuerung zum Zuordnen der Daten muss in den beiden Geräten gegenüber dem
in 1 gezeigten Stand der Technik nichts geändert werden.
Insbesondere müssen
diejenigen Schichten der Kommunikationssoftware (Kommunikationsstapel),
die die Dienste des Kommunikationssystemes beinhalten, nicht verändert werden.
Die Änderung
gegenüber
dem Stand der Technik besteht lediglich darin, dass die Kommunikationsdienste,
die in ihrer Gesamtheit logisch zu einer Kommunikationsverbindung
gehören, nicht
sequentiell über
eine Schnittstelle übertragen werden,
sondern je nach Übertragungsverhalten
(d. h. ob sie echtzeitkritisch oder nicht echtzeitkritisch sind)
der jeweiligen Schnittstelle übergeben
werden. Das im Stand der Technik sequentielle Scheduling wird parallelisiert.
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Die
Ansteuerung der Schnittstellen durch die Steuerung erfolgt nun wie
folgt: Über
die Leitung 1 können
nun die echtzeitkritischen Daten in sehr kurzen Zyklen 24 übertragen
werden, wobei diese Übertragungszyklen
die Dauer von 31,25 μs
haben können,
wodurch eine optimale Regelungsgüte
bei der Regelung einer Werkzeugmaschine erzielbar ist. Die nicht
echtzeitkritischen Daten werden über
die zweite Leitung 22 übertragen,
und zwar in wesentlich längeren
Zyklen 26.
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Die 5 zeigt
nun einen größeren Ausschnitt
aus einem geschalteten Netzwerk mit drei Teilnehmern 28, 30 und 32.
Der Teilnehmer 28 sendet hierbei Daten, während der
Teilnehmer 30 Daten empfängt und sendet und der Teilnehmer 32 Daten nur
empfängt
(nur beispielhaft). Da der Teilnehmer 30 Daten an den Teilnehmer 32 sowohl
empfängt
als auch sendet, muss der Sender 28 über eine Datenverbindung mit
dem Teilnehmer 30 mehr Daten senden, als der Teilnehmer 30 zum
Teilnehmer 32. Es werden also besonders viele Daten vom
Teilnehmer 28 zum Teilnehmer 30 übermittelt,
weil letzterer Daten weiter übermittelt
und nicht selbst erzeugt. Dadurch gibt es zwischen dem Teilnehmer 28 und
dem Teilnehmer 30 gegenüber
der Datenverbindung zwischen dem Teilnehmer 30 und dem
Teilnehmer 32 eine Datenengstelle. Dieser "Flaschenhals" stellt die Stelle
dar, an der am meisten Daten in dem Netzwerk übermittelt werden. Vorzugsweise
ist es an dieser Stelle, an der zwei getrennte Leitungen 34 und 36 bereitgestellt
werden, wobei über
die Leitung 34 echtzeitkritische Daten getrennt von den
nicht echtzeitkritischen Daten übertragen
werden und die nicht echtzeitkritischen Daten über die Leitung 36 übertragen werden.
Zwischen dem Teilnehmer 30 und 32 gibt es dann
hingegen wieder nur noch eine Leitung 38, in der die Datenübertragung
wie in 2 gezeigt erfolgen kann. Es sind also insbesondere
die Datenengstellen, an welchen besonders viele Daten übermittelt
werden, an denen die Zyklusdauer 16, die in 2 dargestellt
ist, nicht beliebig eingeschränkt werden
kann. Daher empfiehlt es sich, mit dem "größten Flaschenhals" zu beginnen und
dort eine zweite Leitung vorzusehen, so dass man lokal die Zykluszeit
entsprechend verringern kann. Man kann dann zum nächst größeren Flaschenhals übergehen etc.,
bis eine Leitung 38 als Datenverbindung übrig bleibt, über die
weiterhin sowohl echtzeitkritischer als auch nicht echtzeitkritischer
Daten übermittelt
werden können,
weil der Gesamtdatenanfall gering ist.
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Die
Erfindung ermöglicht
es somit, in einem Kommunikationssystem wie etwa einem geschalteten
Netzwerk flexibel an bestimmten Stellen, insbesondere an Datenengstellen
eine zweite Leitung vorzusehen. Hiermit wird es möglich, auf
einer der beiden Leitungen extrem kurze Zykluszeiten für die Übertra gung
echtzeitkritischer Daten vorzusehen, während auf der zweiten Leitung
die nicht echtzeitkritischen Daten mit beliebigen Zykluszeiten übertragen werden
können.