DE102006060222A1

DE102006060222A1 - Redundante Ethernet-Verbindung

Info

Publication number: DE102006060222A1
Application number: DE200610060222
Authority: DE
Inventors: Christian Metzler
Original assignee: BACHMANN GmbH
Current assignee: BACHMANN GmbH
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2026-12-21
Also published as: DE102006060222B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine redundante Ethernet-Verbindung, wobei zwei im Abstand voneinander angeordnete Geräte (1, 2) über eine redundante Ethernet-Datenleitung (29, 30) mit mindestens zwei elektrisch voneinander getrennten Datenleitungen (31, 32; 33, 34) elektrisch miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens dem Daten empfangenden Gerät (1, 2) und den Datenleitungen (31, 32; 33, 34) eine Schaltmatrix (19, 20) zwischengeschaltet ist, welche einen Fehler auf der aktiven Datenleitung (31, 32; 33, 34) detektiert und auf eine andere, funktionsfähige passive Datenleitung (33, 34; 31, 32) umschaltet. Damit ergibt sich der wesentliche Vorteil, dass nun erstmals eine schnelle Umschaltung auf einer Echtzeit-Ethernet-Leitung möglich ist, ohne dass für die Umschaltung Softwarebefehle verwendet werden müssten. Damit besteht der Vorteil, dass eine praktisch verzögerungsfreie Umschaltung auf die andere, redundante Datenleitung stattfindet, da maximal ein einziges Datenpaket bei der Umschaltung zwischen den redundanten Datenkanälen verloren geht.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine redundante Ethernet-Verbindung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 oder 2.

In der Industrie und Kraftwerkstechnik, wie z.B. bei Windturbinen, besteht die Forderung nach einer redundanten Übertragungsstrecke zwischen zwei entfernten Punkten (z.B. Windturbine 80–150 m zwischen Turmfuß und Gondel), damit bei einem Unterbruch einer Datenleitung kein Betriebsunterbruch stattfindet.

Gegenstand der Erfindung ist, bei einer Störung der Datenübertragung auf einer ersten Übertragungsstrecke, insbesondere bei einem Kabelbruch einer Datenleitung, diese zu detektieren und auf eine zweite redundante Übertragungsstrecke, insbesondere Datenleitung umzuschalten.

Die Anlage einer redundanten Ethernet-Verbindung ist im Stand der Technik bekannt. Es wird hier beispielsweise auf die DE 198 14 096 A1 verwiesen, die allerdings kein schnelles Realtime-Ethernet zeigt, sondern lediglich eine softwaremäßige Umschaltung zwischen zwei Datenquellen, die von einer Diagnoseeinheit abgehört werden. Bei fehlerhafter Datenübertragung wird in dieser Druckschrift von der einen Signalquelle auf die andere umgeschaltet. Nachteil dieser Umschaltung ist, dass lediglich eine durch ein Software-Programm gesteuerte Umschaltung stattfindet, die nur mit einer außerordentlich großen Verzögerung möglich ist. Es werden demzufolge die Quellen umgeschaltet, jedoch nicht eine Übertragungsleitung. Demzufolge gibt diese Druckschrift keinen Hinweis, wie eine Umschaltung einer schnellen Ethernet-Leitung erfolgen könnte, wenn die Leitung selbst gestört ist.

Mit dem Gegenstand der DE 199 49 996 A1 werden zwei Schaltmatrizen dann umgeschaltet, wenn ein Fehlerfall in der einen Schaltmatrix festgestellt wird. Auch hier besteht kein Schutz gegen Unterbrechungen oder Störungen auf einer zwischen zwei Geräten angeordneten Übertragungsleitung.

Mit dem Gegenstand der DE 297 12 080 U1 wird vollständig von einem Server auf einen anderen umgeschaltet und hierfür eine Schaltmatrix verwendet. Auch hier geht es nicht um das Problem der Umschaltung im Falle einer Störung auf einer Ethernet-Leitung.

Bei der DE 101 61 186 A1 wird ein Verfahren für eine schnelle Redundanz in einer Ethernet-Ringstruktur beschrieben. Bei jeder Ethernet-Verbindung wird ein vorhandenes Link-Signal so modifiziert, dass es im Fehlerfall den Zustand der Ringunterbrechung signalisieren kann. Dieses Fehlersignal wird von einem speziellen Knoten im Ring ausgewertet und darauf hin der Datenverkehr zu dem unterbrochenen Segment wieder hergestellt.

Die DE 103 54 712 A1 beschreibt eine bitfehlerfreie Ersatzschaltung für Ethernet und Fiberkabel, wobei für den Fehlerfall sogar eine Zwischenspeicherung der gesendeten Datenpakete vorgesehen ist und eine Selbstkorrektur stattfindet. Die genannte Druckschrift hat den Vorteil, dass praktisch ein Fehler in der Datenübertragung dadurch ausgeschlossen wird, dass sogar defekte Datenpakete restauriert werden. Nachteil der Anordnung ist, dass die gesamte Restaurierung und Datenpaketkorrektur durch Software-Befehle erfolgt, was zu einer außerordentlich hohen Verzögerung bei der Datenübertragung führt. Eine solche Anordnung wäre nicht für eine Echtzeit-Ethernet-Übertragung ansetzbar.

Mit dem Gegenstand der WO 2004/028102 A1 wird ein IP-Redundanz-Verfahren für den Fall geschildert, dass an einem Eingang-Ausgang eines Gerätes ein Fehler festgestellt wird. Es wird dann durch Software-Befehle auf einen neuen Datenpfad umgeschaltet. Auch hier besteht der Nachteil, dass eine solche Fehlerumschaltung nicht für ein Echtzeit-Ethernet verwendet werden kann.

Mit der EP 1 111 860 A2 ist eine weitere Umschaltung eines Ethernet-Datenpfades bekannt geworden. Es wird dort ein gewöhnliches Ethernet-Netzwerk beschrieben, und auch hier erfolgt die Umschaltung des Netzwerkes durch Software-Befehle.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei einer Störung auf einer Übertragungsstrecke, insbesondere einem Kabelbruch einer aus mindestens zwei Signalleitungen bestehenden Datenleitung, diese zu detektieren und auf eine zweite redundante Übertragungsstrecke, insbesondere Datenleitung umzuschalten.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruches 1 oder 2 gekennzeichnet.

Bei der Lösung dieser Aufgabe ist es unerheblich, ob die Datenübertragung zwischen den zwei voneinander entfernten Geräten drahtgebunden über Kabel (z.B. über elektrisch leitende Kabel insbesondere aus Kupfer oder aber über Lichtleiterkabel insbesondere als Glasfaser) erfolgt, oder aber drahtlos über Funk über mindestens je eine Luftschnittstelle pro Gerät, z.B. als WPAN/Bluetooth (Local Personal Network), WLAN (Local Area Network) oder WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access). Auch Kombinationen dieser Übertragungsvarianten sollen durch den Erfindungsgedanken abgedeckt sein.

In der folgenden Beschreibung wird aber aus Vereinfachungsgründen nur die Datenübertragung via elektrisch leitendem Kabel näher erläutert, was aber für den Gegenstand der Erfindung nicht einschränkend sein soll, da eben auch andere beliebige Datenübertragungs-Arten per Lichtleiterkabel oder Funkstrecke ebenso möglich sein sollen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zwei im Abstand voneinander angeordnete Geräte über eine Ethernet-Datenleitung miteinander verbunden sind, dass am Ethernet-Anschluss des jeweiligen Gerätes jeweils eine Schaltmatrix angeordnet ist und dass zwischen den beiden entfernt voneinander angeordneten Schaltmatrizen der beiden Geräte eine redundante Ethernet-Datenleitung angeordnet ist und dass im Fehlerfall auf der jeweiligen Empfangsleitung der Ethernet-Datenleitung dieser Fehler detektiert wird und die Empfangsleitung auf die funktionierende, andere, redundante Datenleitung umgeschaltet wird.

Mit der gegebenen technischen Lehre ergibt sich der wesentliche Vorteil, dass nun erstmals eine schnelle Umschaltung auf einer Echtzeit-Ethernet-Leitung möglich ist, ohne dass für die Umschaltung Softwarebefehle verwendet werden müssten. Damit besteht der Vorteil, dass eine praktisch verzögerungsfreie Umschaltung auf die andere, redundante Datenleitung stattfindet, denn maximal geht nach der technischen Lehre der Erfindung ein einziges Datenpaket bei der Umschaltung zwischen den redundanten Datenkanälen verloren.

Damit ist die Erfindung weit gegenüber den Software-Umschaltungen des Standes der Technik überlegen, und es gelingt erstmals, eine schnelle Echtzeit-Umschaltung durchzuführen, ohne dass es zu Verzögerungszeiten kommt, wie sie bei der Software-Umschaltung in Kauf genommen werden müssten.

Die über die redundante Datenleitung miteinander verbundenen Geräte sind jeweils aus der Sicht des anderen Gerätes vollkommen transparent zueinander, denn das eine Gerät stellt nicht fest, ob im Fehlerfall auf die andere Leitung umgeschaltet wurde oder nicht.

Die beiden Geräte selbst sind an der Umschaltung nicht beteiligt, weil die Umschaltung völlig autark durch die erfindungsgemäßen Schaltmatrizen erfolgt, die jeweils am Ethernet-Anschluss des jeweiligen Geräte getrennt für sich angeordnet sind.

Aus der Sicht der Geräte handelt es sich also um eine passive Umschaltung der Datenleitung, ohne dass die Geräte hier eingreifen müssen.

Damit besteht der Vorteil, dass keine Schaltlogik und keine speziellen Aufwendungen in den Geräten selbst vorgenommen werden müssen. Die Geräte selbst können dann sehr einfach aufgebaut werden, weil die gesamte Intelligenz der Umschaltung in den erfindungsgemäßen Schaltmatrizen angeordnet ist.

Weil entsprechende Software-Umschalter fehlen, benötigt man auch keine verzögerungsbehaftete Zwischenspeicherung von Datenpaketen.

Damit ist das System auch jitter-frei, und eine Verzögerungsvarianz ist ausgeschlossen. Damit wird ein strikter Echtzeit-Ethernetbetrieb gewährleistet. Dies war bei den Anordnungen des Standes der Technik nicht der Fall.

Erfindungsgemäß wird als Umschaltkriterium in den beiden einander entgegengesetzt angeordneten und im Abstand voneinander angeordneten Schaltmatrizen ein einziges korruptes Datenpaket angenommen.

Wenn in der Folge von einem Echtzeit-Ethernet oder Realtime-Ethernet gesprochen wird, handelt es sich um eine festgelegte, wiederholbare Verzögerungszeit und es ist daher immer ein Zugriff möglich. Das heißt, jedes Gerät kann innerhalb einer festgesetzten Zeit seine Information an ein anderes, entfernt angeordnetes Gerät schicken. Diese Übertragungszeit ist stets garantiert.

Weiters ist die Erfindung unabhängig bezüglich Anpassungen zukünftiger Ethernetprotokolle.

Als Datenübertragungsmedien kommen z.B. „Kupferleitungen" in Form von STP (shielded twisted pair; Übertragungsstrecke derzeit bis zu 150 m), UTP (unshielded twisted pair) und LWL (Lichtwellenleiter) zum Einsatz. Die Länge des LWL ist abhängig von der Dämpfung des Kabels (Einfluss des verwendeten LWL-Materials wie Kunststoff oder Glas) und von der von Ethernet erlaubten maximalen Laufzeit von 26 μs.

Die Ethernet Redundanz wird als eigenständiges M1 Modul (separates Modul mit serieller Schnittstelle und eigenes Power-Supply oder auf M1 Busschiene) realisiert.

Die Redundanz ist voll transparent für Realtime-Ethernet. Eine Variante für Realtime-Ethernet stellt Profinet dar. Profinet ist ein Standard für ein industrielles Ethernet in der Automatisierungstechnik, bei dem zwischen RT (Real-Time, Zykluszeit ca. 1...10 ms) und IRT (Isochronous Real-Time, Zykluszeit, ca. 100 μs...1 ms) unterschieden wird.

Mit Hilfe der Erfindung kann eine kaskadierte Steuerung aufgebaut werden.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltmatrizen ist, dass diese Schaltmatrizen auf beliebige Übertragungsraten ausgelegt werden können, z. B. 10 Mbit, 100 Mbit, 1 Gbit jeweils pro Sekunde.

Weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass zwei vollkommen redundante Übertragungsstrecken vorhanden sind, wobei jede Übertragungsstrecke zwei Datenströme definiert, von denen der eine Datenstrom in die eine Richtung und der andere Datenstrom in die entgegengesetzte Richtung gerichtet ist.

Wichtig ist nun, dass beide Übertragungsstrecken mit dem gleichen Datenstrom in eine Richtung betrieben werden und in der Empfangsseite entschieden wird, welcher dieser empfangenen Datenströme verwendbar ist. Damit ergibt sich der Vorteil, dass über die beiden redundanten Übertragungsstrecken immer ein Datenstrom in beide Richtungen übertragen wird und erst über die erfindungsgemäßen Schaltmatrizen entschieden wird, welcher Datenstrom ausgewählt wird.

Die Auswahl wird durch den jeweiligen Empfängerbaustein in der Schaltmatrix vorgenommen. Nachdem erfindungsgemäß nun in beiden redundant angelegten Übertragungsstrecken die Datenströme übertragen werden, besteht damit der wesentliche Vorteil, dass lediglich wenn ein einziges Datenpaket als verlustbehaftet festgestellt wird, dann bereits schon umgeschaltet wird und mit der Umschaltung keine weiteren Verzögerungen oder Unterbrechungen stattfinden. Insbesondere werden damit softwaremäßige Verzögerungen ausgeschlossen, wie sie beim Stand der Technik in Kauf genommen werden mussten und bei denen mehrere Datenpakete verloren gehen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erfolgt eine hardwaremäßige Umschaltung von Signalleitungen in der Schaltmatrix. Eine solche hardwaremäßige Umschaltung kann entweder durch einen Multiplexer geschehen oder auch durch andere Umschaltelemente, die eine verzögerungsarme, relativ verlustfreie Umschaltung gewährleisten. Es kommt im Übrigen auch nicht auf in Kauf zu nehmende Verzögerungszeiten beim Umschalten an, denn der besondere Vorteil der Erfindung liegt ja gerade darin, dass über die redundant angelegten Übertragungsstrecken immer der gleiche Datenstrom auch parallel übertragen wird. Der Parallelbetrieb der beiden Übertragungsstrecken erbringt die oben genannten Vorteile.

Bei unterschiedlichen Leitungslängen der Übertragungsstrecken ist es erforderlich, die unterschiedlichen Leitungslängen durch entsprechende Verzögerungsglieder auszugleichen. Bevorzugt sind diese Verzögerungsglieder in jeweils einer Schaltmatrix angeordnet.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung hat jede Schaltmatrix einen Diagnoseausgang, der wahlweise in eines der Geräte eingeführt werden kann, um dem Gerät zu ermöglichen, festzustellen, aus welchem Grund eine Umschaltung stattfand.

Die Erfindung hat somit folgende Vorteile:

• Automatische Erkennung von Leitungsunterbrüchen (Stand der Technik)
• Automatische Umschaltung auf redundante Leitung bei Detektion eines Fehlers (Stand der Technik)
• Erkennung von Bitfehlern bei fehlerhaften Daten und automatische Umschaltung auf anderen Kanal (Stand der Technik)
• Detektion von Fehlern auf der physikalisch niedrigsten Ebene (Bitebene) und nicht wie andere redundante Systeme auf Softwareebene. Somit ist die Erfindung für zukünftige Protokolle komplett transparent und absolut unabhängig.
• Es werden Laufzeitunterschiede in den beiden redundanten Datenleitungen bis zu Kabellängen von 150 m kompensiert.
• Jitterprobleme infolge der autark arbeitenden PLL (Bei einem Phaselocked loop, abgekürzt PLL, handelt sich um einen phasengekoppelten Regelkreis, eine häufig verwendete Schaltung der Elektronik, die u. a. für die Taktsynchronisation verwendet wird.) werden ebenfalls kompensiert.
• Kaskadierung von Steuerungen
• Fehlermeldung, wenn beide Datenleitungen defekt.

Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.

Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.

Es zeigen:
1: schematisiert eine Datenverbindung zwischen zwei miteinander kommunizierenden Geräten 1 und 2
2: ein schematisiertes Blockschaltbild einer Schaltmatrix gemäß 1
In 2 werden folgende Symbole verwendet:

• PHY Die 2 redundanten PHY im oberen Teil des Bildes von 2, stellen die Schnittstelle zu den redundanten Leitungen (entweder LWL oder Twisted Pair) dar. PHY (Aussprache "fü") ist ein spezieller Halbleiterbaustein, die für die Codierung und Decodierung von Daten zwischen einem rein digitalen System (im obigen Bild FPGA) und einem modulierten analogen (z.B. Ethernet) zuständig ist. Die beiden PHY's werden über den konfigurierbaren Logikbaustein FPGA zu einen PHY (in 2 unten links) zusammengefügt und mit dem RJ-45 Ethernet Stecker verbunden. Die Kommunikation unter den Phy's erfolgt über die von der Norm vollständig definierten MII (media independent interface) oder über die reduzierte MII (RMII).
• FPGA Allgemein: Ein FPGA (Field Programmable Gate Array) ist ein frei programmierbarer Logikschaltkreis. Mit ihm können digitale Schaltungen beliebiger Funktionalität realisiert werden, die man sonst aus einzelnen ICs mit festgelegten Funktionen aufbauen müsste. Δt: Das Δt wird zum Ausgleich etwaiger Kabellängenunterschiede oder Jitter (infolge zeitlicher Schwankungen der PHY's, etc.) benötigt. Der Ausgleich von Δt erfolgt automatisch. Logik (check link loss): Die Logik überwacht die Daten auf Bitebene, detektiert etwaige Fehler und schaltet auf den funktionierenden Kanal um. MDC/MDIO Interface: Das MDC/MDIO Interface ist eine serielle Schnittstelle bestehend aus Clock (MDC..Media Data Clock) und bidirekionaler Datenleitung (MDIO..Media Data Input Output). Die Linkinformationen (Signalübertagungsqualität, Kabellängen auf ca. 5 m genau, Ethernet-spezifische Setups, Fehlerauswertungen, etc.) werden über Status- und Interruptregister der Steuerung mitgeteilt.
• Interface Converter Der Interface Converter konvertiert alle gängigen Schnittstellen (parallel, seriell, optisch, akustisch).
• Interface Über das Interface erfolgt die Anbindung an die Aussenwelt.
• Power Supply Das Power Supply versorgt die Elektronik mit den notwendigen Spannungen, wobei es je nach Ausführung auch optional ist.

In 1 kommunizieren zwei Geräte 1 und 2 über eine redundant angelegte Übertragungsstrecke A, B, die in der Zeichnung auch mit den Bezugszeichen 29, 30 versehen ist.
Nachdem die Übertragungsstrecke genau bezüglich einer Mittenquerachse symmetrisch aufgebaut ist, reicht es an und für sich aus, lediglich eine Hälfte der Übertragungsstrecke zu beschreiben, weil die andere, spiegelsymmetrische. Hälfte genau gleich ausgebildet ist.
Nachdem die beiden Geräte sowohl senden als auch empfangen, ergibt sich heraus ebenfalls die Spiegelsymmetrie der gesamten Anordnung.
Am Ethernet-Anschluss 3 des Gerätes 1 ist hierbei ein Eingang 5 und ein Ausgang 6 angeordnet. Gleiches gilt für den Ethernet-Anschluss 4 des Gerätes 2. Dort sind ein Eingang 7 und ein Ausgang 8 definiert.
Die genannten Ein- und Ausgänge 5–8 stehen über Verbindungsleitungen 9–12 jeweils mit einem Ethernet-Anschluss 13, 14 jeweils mit dem Eingang einer erfindungsgemäßen Schaltmatrix 19, 20 in Verbindung.
Der Ethernet-Anschluss 13 besteht aus dem T-Anschluss 15 und dem R-Anschluss 16, während der Ethernet-Anschluss 14 aus dem R-Anschluss 17 und dem T-Anschluss 18 besteht.
Wichtig ist, dass der Signalstrom, der über den jeweiligen R-Anschluss 16, 17 in die Schaltmatrix 19, 20 einläuft und über eine gemeinsame Verbindungsleitung 37, 38 auf die jeweiligen T-Anschlüsse der Übertragungsstrecke 29, 30 übertragen wird.
Genauer ist der Anschluss T der Übertragungsstrecke 30 mit dem Kabel 34 dauernd verbunden, während ebenso der Signalstrom über die Verbindungsleitung 37 mit dem T-Anschluss 26 der Übertragungsstrecke 29 verbunden ist. Genauer gesagt ist dieser Anschluss 26 mit dem Kabel 32 der Übertragungsstrecke 29 verbunden.
Wichtig ist ferner, dass in der Schaltmatrix 19 nun eine Umschaltung des empfangenen Datenstromes bedarfsweise im Störungsfall durchgeführt wird. Hierzu wird erfindungsgemäß ein Umschalter 21 verwendet, der in den beiden Schaltpositionen 39, 40 umschaltbar ist.
Die Umschaltung erfolgt hierbei gesteuert durch eine Entscheidungslogik 23, die später anhand der 2 noch näher erläutert wird.
In der gezeigten Stellung des Umschalters 21 verbindet dieser den Datenstrom aus dem Anschluss 15 mit dem ausgangsseitigen Anschluss 25 der Übertragungsstrecke 29 und ist demzufolge mit dem Kabel 31 auf der Übertragungsstrecke 29 verbunden. Dieses Kabel läuft in den Anschluss 35 der Schaltmatrix 20 ein und wird über die parallele Verbindungsleitung 38 im R-Anschluss 17 am Ethernet-Anschluss 14 zugeleitet. Von dort aus geht die Verbindungsleitung 11 in den Eingang 7 des angeschlossenen Gerätes 2.
Soweit es sich um sogenannte „T"-Anschlüsse handelt, bedeutet dies, „Transmit", was gesendete Datenpakete bedeutet.
Der Begriff „R" bedeutet „Receive" für empfangene Datenpakete.
In analoger Weise ist – wegen der Spiegelsymmetrie der gesamten Anordnung – in der Schaltmatrix 20 ebenfalls ein Umschalter 22 angeordnet. Er kann hierbei zwischen der Schaltposition 41 und 42 umgeschaltet werden.
In der geschalteten Stellung ist er in Position 41 bedingt durch den Befehl der zugeordneten Entscheidungslogik 24 geschaltet und hierbei wählt er dann entsprechend seiner Schaltposition zwischen den Positionen 41 und 42 aus, welcher Datenstrom auf der Leitung 44 oder 41 verwendet wird, um diesen Datenstrom über die Verbindungsleitung 12 dem Receive-Ausgang 8 des Gerätes 2 zuzuführen.
Im gezeigten Schaltbeispiel ist er deshalb in der Schaltposition 41 mit dem Anschluss 36 verbunden, der seinerseits mit dem Kabel 34 der Übertragungsstrecke 30 verbunden ist, welches Kabel 34 wiederum mit dem Anschluss 28 verbunden ist und dort über die parallele Verbindungsleitung 37 auf den Anschluss 16 geschaltet ist und von dort über die Verbindungsleitung 10 an den Anschluss 6 des Gerätes 1 geschaltet ist.
Der Anschluss 27 ist komplementär zu dem Anschluss 25. Die Übertragungsstrecke 29 des Kabels A besteht somit aus den Kabeln 31, 32, während die Übertragungsstrecke 30 mit dem Kabel B aus den Kabeln 33, 34 besteht.
In 2 wird ein schematisierter Überblick über eine Schaltmatrix 19, 20 gegeben, wobei diese dort erwähnten Bausteine in weiten Grenzen veränderbar sind.
Der Vereinfachung wegen wird lediglich ein einziger Übertragungsweg in der Schaltmatrix 19, 20 beschrieben.
Bezogen auf die dort verwendeten Bezugszahlen wird demzufolge die Schaltmatrix 19 in 2 näher beschrieben.
Es sind somit die Anschlüsse 25, 26 vorhanden, wobei der Anschluss 25 in die Schaltmatrix hineingeht und der Anschluss 26 aus der Schaltmatrix 19 herausführt.
Dort ist ein erster Transceiver 45 angeordnet, der in der vorstehenden Beschreibung auch als PHY bezeichnet wurde.
Dieser besteht im Wesentlichen aus einem Pegelwandler, der eine Reihe von digitalen Ausgängen definiert, um den einlaufenden Signalstrom digital aufzubereiten und eine Reihe von Fehlerdiagnosen durchzuführen. Es handelt sich also um einen Überwachungsbaustein, der den Datenstrom auf der Übertragungsstrecke 29, 30 im Rahmen der Schaltmatrix 19, 20 überwacht und analysiert.
Der aus dem Transceiver 45 herausgehende Datenstrom wird über die Ausgangsleitung 48 in den Umschalter 21 eingeführt und wird in der Schaltposition 39 über den dort anliegenden Umschalter auf die Verbindungsleitung 49 geschaltet. Dort gelangt der Datenstrom auf einen zweiten Transceiver 47, der eine Pegel-Rückwandlung durchführt, um den vorher zerlegten und aufgespalteten Datenstrom wieder zusammenzuführen und über mehrere – nicht näher dargestellte Leitungen – an den Anschluss des Gerätes 1 oder 2 zu bringen.
Wenn hingegen bedingt durch die Entscheidungslogik 23 der Umschalter 21 in die Schaltposition 40 geschaltet wird, wird somit der Datenstrom von dem zweiten parallel hierzu angeordneten Transceiver 46 von dem Anschluss 27 über die Verbindungsleitung 43 auf den Umschalter geleitet und von dort – bei Position 40 – auf die Verbindungsleitung 49 und ebenfalls zur Pegelrückwandlung auf den anderen Transceiver 47 geschaltet.
Zur Ansteuerung der Entscheidungslogik 23 für die Umschaltung des Umschalters 21 dienen Fehlerausgänge an den Transceivern 45, 46, die auf einer gemeinsamen Fehlersignalleitung 53 zusammengefasst werden. Über eine zugeordnete Leitung 54 werden diese Fehlersignale der Entscheidungslogik 23 zugeführt, die dementsprechend den Umschalter 21 betätigt.
Die auf der Fehlersignalleitung 53 anstehenden Fehlersignale werden über den Eingang 55 der Entscheidungslogik 23 zugeführt.
Es wird noch angefügt, dass auch eine Fehlerdiagnose möglich ist, indem beispielsweise an einem Interface-Baustein 50 eine Diagnoseschnittstelle angeordnet ist. Hier werden Fehlersignale aus dem Transceiver 47 über die Leitung 54 abgezweigt und über eine Aufbereitung 51 der Diagnoseschnittstelle 50 zugeführt.
Gleichfalls können die Fehlersignale von der Fehlersignalleitung 53 ebenfalls über die Aufbereitung 51 der Diagnoseschnittstelle 50 zugeführt werden.
Es wird noch angefügt, dass in der Schaltmatrix eine eigene Stromversorgung 52 angeordnet sein kann, so dass das gesamte System völlig autark arbeitet.
Zum Ausgleich unterschiedlich langer Übertragungsstrecken 29, 30 ist eine Verzögerungslogik 56 vorgesehen, die im Datenpfad zwischen dem Eingang der Schaltmatrix und im Ausgang der Schaltmatrix angeordnet ist, um Unterschiede in der Kabellänge zwischen der Übertragungsstrecke 29 und der Übertragungsstrecke 30 auszugleichen.
Dies ist für die Sicherheit der gesamten Anordnung wichtig, weil damit die Möglichkeit gegeben ist, die beiden Übertragungsstrecken 29, 30 in großem räumlichen Abstand zueinander zu verlegen und auch auf getrennten Wegen zu verlegen, um bei Beschädigung der einen Übertragungsstrecke mit Sicherheit dafür zu sorgen, dass die andere Übertragungsstrecke von diesem Schadensereignis freigehalten wird.
Es wurden folgende Abkürzungen verwendet:

1: Gerät
2: Gerät
3: Ethernet-Anschluss
4: Ethernet-Anschluss
5: Eingang
6: Ausgang
7: Eingang
8: Ausgang
9: Verbindungsleitung
10: Verbindungsleitung
11: Verbindungsleitung
12: Verbindungsleitung
13: Ethernet-Anschluss
14: Ethernet-Anschluss
15: Anschluss (T)
16: Anschluss (R)
17: Anschluss (R)
18: Anschluss (T)
19: Schaltmatrix
20: Schaltmatrix
21: Umschalter
22: Umschalter
23: Entscheidungslogik
24: Entscheidungslogik
25: Anschluss (RA)
26: Anschluss (TA)
27: Anschluss (RB)
28: Anschluss (TB)
29: Übertragungsstrecke (A)
30: Übertragungsstrecke (B)
31: Kabel (A)
32: Kabel (A)
33: Kabel (B)
34: Kabel (B)
35: Anschluss
36: Anschluss
37: Verbindungsleitung
38: Verbindungsleitung
39: Schaltposition, Verbindungsleitung
40: Schaltposition
41: Schaltposition, Verlindungsleitung
42: Schaltposition
43: Verbindungsleitung
44: Verbindungsleitung
45: Transceiver
46: Transceiver
47: Transceiver
48: Ausgangsleitung
49: Verbindungsleitung
50: Diagnoseschnittstelle
51: Aufbereitung
52: Stromversorgung
53: Fehlersignalleitung
54: Leitung
55: Eingang
56: Verzögerungslogik, Senden
57: Verzögerungslogik, Empfangen

Claims

Redundante Ethernet-Verbindung, wobei zwei im Abstand voneinander angeordnete Sende- und/oder Empfangsgeräte (1, 2), über eine redundante Ethernet-Datenverbindung mit mindestens zwei voneinander getrennten Übertragungsstrecken (29, 30) miteinander zur Datenübertragung verbunden sind, wobei eine Umschaltung der Datenübertragung im Fehlerfall erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Daten empfangenden Gerät (1, 2) und den Übertragungsstrecken (29, 30) eine Schaltmatrix (19, 20) zwischengeschaltet ist, welche mindestens zwei Dateneingänge (25, 27) für die Übertragungsstrecken (29, 30) sowie lediglich einen Datenausgang (15, 18) für das Daten empfangende Gerät (1, 2) aufweist, wobei während der Datenübertragung an allen Schaltmatrix-Dateneingängen (25, 27) die Daten über die Übertragungsstrecken (29, 30) in die Schaltmatrix (19, 20) eingespeist werden, jedoch nur einer dieser Schaltmatrix-Dateneingänge (25 oder 27) mit dem Schaltmatrix-Datenausgang (15, 18) verbunden ist, und dass während der Datenübertragung über den mit dem Schaltmatrix-Datenausgang (15, 18) verbundenen Schaltmatrix-Dateneingang (25 oder 27) die Schaltmatrix (19, 20) einen auftretenden Fehler erkennt und anschließend den Schaltmatrix-Datenausgang (15, 18) auf einen anderen Schaltmatrix-Dateneingang (27 oder 25) mit funktionsfähiger Übertragungsstrecke (29, 30) umschaltet.
Redundante Ethernet-Verbindung, wobei zwei im Abstand voneinander angeordnete Sende- und Empfangsgeräte (1, 2), über eine redundante Ethernet-Datenverbindung mit mindestens zwei voneinander getrennten Übertragungsstrecken (29, 30) miteinander zur Datenübertragung verbunden sind, wobei eine Umschaltung der Datenübertragung im Fehlerfall erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen beiden Geräten (1, 2) und den Übertragungsstrecken (29, 30) eine Schaltmatrix (19, 20) zwischengeschaltet ist, welche für eingehende Daten als Multiplexer mit mehreren Eingängen aber nur einem Ausgang wirkt und für ausgehende Daten als Datenvervielfacher mit einem Eingang aber mehreren Ausgängen wirkt, und dass während der Datenübertragung die Schaltmatrix (19, 20) einen auftreten Fehler auf der aktiven, die Daten zwischen den beiden Geräten (1, 2) übertragenden, Übertragungsstrecke (29 oder 30) erkennt und auf eine passive funktionsfähige Übertragungsstrecke (30 oder 29) umschaltet, welche dadurch aktiv wird.
Redundante Ethernet-Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Übertragungsstrecke (29, 30) durch mindestens eine elektrisch leitende und/oder lichtleitende Datenleitung (31, 32; 33, 34) gebildet ist oder durch mindestens eine Funkübertragung über mindestens zwei Luftschnittstellen arbeitend mit unterschiedlichen Frequenzen und/oder Übertragungswegen gebildet ist.
Redundante Ethernet-Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass pro Übertragungsstrecke (29, 30) jeweils mindestens zwei elektrisch voneinander getrennte Datenleitungen (31, 32; 33, 34) für einen bi-direktionalen Betrieb vorgesehen sind.
Redundante Ethernet-Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Daten sendende Gerät (1; 2) auf beide redundanten Datenleitungen (31, 32; 33, 34) die gleichen Daten aufgibt und die diese Daten empfangende Schaltmatrix (19, 20) lediglich die Daten einer dieser beiden redundanten Datenleitungen (31, 32; 33, 34) an das Daten empfangende Gerät (2; 1) weiterleitet.
Redundante Ethernet-Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlererkennung in der Schaltmatrix (19, 20) in einer Entscheidungslogik (23; 24) erfolgt, welche einen Umschaltbefehl an einen Umschalter (21; 22) der Schaltmatrix (19, 20) abgibt.
Redundante Ethernet-Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine hardwaremäßige Umschaltung der Datenleitungen (31, 32; 33, 34) durch einen Multiplexer erfolgt.
Redundante Ethernet-Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Umschaltkriterium in der Schaltmatrix (19; 20) ein einziges korruptes Datenpaket auf der Datenleitung (31, 32; 33, 34) genügt.
Redundante Ethernet-Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Geräte (1, 2) innerhalb einer festgesetzten im Wesentlichen konstanten Daten-Laufzeitdauer seine Daten das andere, entfernt angeordnete Gerät (2, 1) senden kann, so dass nahezu ein Echtzeit-Ethernetbetrieb zwischen den Geräten (1, 2) ermöglicht wird.
Redundante Ethernet-Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Leitungslängen der Ethernet-Datenleitungen (29, 30) durch entsprechende Verzögerungsglieder (56, 57) in der Schaltmatrix (19; 20) ausgeglichen werden.
Redundante Ethernet-Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmatrix (19; 20) einen Diagnoseausgang (50) aufweist, der wahlweise in eines der Geräte (1, 2) eingeführt werden kann, um den Umschaltgrund zwischen den Datenleitungen (33, 34; 31, 32) festzustellen.
Redundante Ethernet-Verbindung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungsglieder (56 und/oder 57) entweder im Empfangsteil (39, 43; 41, 44) und/oder im Sendeteil (37; 38) angeordnet sind.
Redundante Ethernet-Verbindung nach Anspruch 10 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungsglieder (56 und/oder 57) automatisch den Längenausgleich der Übertragungsstrecken (29; 30) vornehmen oder über die Diagnoseschnittstellen (50) eingestellt wird.