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Die Erfindung betrifft ein Automatisierungsgerät mit redundant ausgeführten Netzwerkschnittstellen zur Verbindung mit einem Feldbus, wobei das Automatisierungsgerät einen Feldbus-Controller mit einer einzigen MAC-Adresse und einen an den Feldbus-Controller angeschlossenen Netzwerkverteiler hat.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur redundanten Verbindung eines solchen Automatisierungsgerätes mit einem Feldbus.
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Automatisierungsgeräte dienen zur Überwachung und Steuerung technischer Einrichtungen und Anlagen. Sie sind über einen Feldbus miteinander vernetzt. Dabei muss oftmals sichergestellt werden, dass die Netzwerkverbindung nicht unterbrochen wird. Aus diesem Grunde werden die Netzwerkverbindungen für solche sicherheitskritischen Anwendungen, in denen eine hohe Verfügbarkeit gefordert ist, redundant ausgeführt, so dass mindestens zwei Teilnetzwerke vorhanden sind, die gleichzeitig parallel benutzt werden können oder bei Ausfall eines Netzwerkes ein Umschalten auf ein anderes Netzwerk ermöglicht wird.
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DE 10 2004 041 824 B4 offenbart ein Schiff mit einem Datennetzwerk zur Übertragung von den Antriebsfunktionen des Schiffes dienenden Steuerungsdaten und zur Übertragung von Kommunikations- und Servicedaten. Subnetzwerke stehen jeweils über einen parametrierbaren Netzwerkschalter mit dem Hauptringbus in Verbindung. Einer der Netzwerkschalter ist als Ringbusmanager parametriert und in einer Sicherheitszone mit erhöhten Sicherheitsanforderungen angeordnet. Im Störfall, beispielsweise bei Durchtrennung des Hauptringsbuses an einer beliebigen Steile, kann der Ringbusmanager den Ringbus über die Subnetzwerke sicher als logischen Ring weiter betreiben. Im ungestörten Betrieb wird der Ringbusmanager als einziger Netzwerkschalter offen am Hauptringbus betrieben.
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In ”EtherCat: Die Beckhoff-Lösung für Echtzeit-Ethernet”, SPS, Ausgabe 5 + 6/2003, Seiten 42–45 ist ein Automatisierungssystem mit einer echtzeitfähigen Ethernet-Feldbusverbindung beschrieben. in den Feldbuskopplern sind Netzwerkschalter zur Ansteuerung von Ethernet-Abzweigleitungen integriert.
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P. Sundaram, J. G. D'Ambrosio: ”Controller Integrity in Automotive Fail Safe System Architecture”, in: SAE Technical Paper Series 2006-01-0840, 2006 SAE World Congress Detroit, Michigan, April 3–6, 2006 sind Strategien zur sicheren Anbindung von Automatisierungsgeräten durch redundante Prozessoren und einen asymmetrischen Prozessorbetrieb beschrieben. Hierbei fordert der sekundäre Prozessor periodisch Diagnosetests durch den primären Prozessor an, um die Integrität des primären Prozessors zu überprüfen.
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DE 103 30 916 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum automatisierten Steuern eines Betriebsablaufes bei einer technischen Anlage. Die Ein-/Ausgabe-Einheiten verfügen über zwei Schnittstellen, mit denen physikalisch getrennte Anschlussmöglichkeiten realisiert werden. Eine Schnittstelle dient als Standardschnittstelle zum Anschluss an einen handelsüblichen Feldbus, wobei die andere Schnittstelle zum Anschluss an einen sicherheitsoptimierten Feldbus dient. Die beiden Schnittstellen greifen jeweils auf unterschiedliche Speicher zu, in denen die Prozessabbilder der Ein- und Ausgänge abgelegt sind. Die Schnittstellen können mit einer gemeinsamen Hardware als logisch getrennte Ethernet-Schnittstellen realisiert werden.
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US 2004/0008722 A1 beschreibt ein redundantes Netzwerkinterface für Ethernet-Geräte, bei dem an die Anschlüsse eines Ethernet-Switches mehrere voneinander unabhängige Netzwerkschnittstellen mit eigener MAC-Adresse angeschlossen werden.
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US 6,594,227 B1 beschreibt ein Kommunikationssteuerungssystem, bei dem mehrere unabhängige voneinander unabhängige Netzwerkadapter mit jeweils individuellen MAC-Adressen vorgesehen sind. Die MAC-Adressen können mit Hilfe einer Mapping-Tabelle angepasst werden.
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Aus der
US 200410165525 A1 sind ein System und ein Verfahren für eine Netzwerkredundanz bekannt, bei dem die MAC-Adressen von redundanten physikalischen Schnittstellen PHY veränderbar sind. Beim Ausfall einer Schnittstelle kann der redundanten Schnittstelle die MAC-Adresse der ausgefallenen Schnittstelle zugewiesen werden.
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Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Automatisierungsgerät zu schaffen, das einen Anschluss gleichzeitig oder wahlweise durch Umschalten an mehrere Netzwerke ermöglicht, ohne dass eine Anpassung der Netzwerktelegramme für das Ansprechen eines Automatisierungsgerätes erforderlich ist.
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Die Aufgabe wird durch das Automatisierungsgerät der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Netzwerkverteiler als Ethernet-Switch ausgeführt ist und das Automatisierungsgerät zur Emulation von individuellen MAC-Adressen für die mindestens zwei Netzwerkschnittstellen und zur Umsetzung der unterschiedlichen MAC-Adresssen der Netzwerkschnittstellen auf die einzige gemeinsame MAC-Adresse des gemeinsamen Feldbus-Controllers eingerichtet ist, und dass der Netzwerkverteiler eingerichtet ist, die mehreren Netzwerkschnittstellen in Abhängigkeit ihrer individuellen MAC-Adressen mit jeweils individuellen Netzwerkadressen zu versehen.
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Gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung soll somit der Netzwerkverteiler für jeden Netzwerkanschluss eine individuelle MAC-Adresse haben. Somit wird nicht wie üblich einfach die einzige Netzwerkadresse des Feldbus-Controllers mit seiner individuellen MAC-Adresse genutzt, sondern es werden mehrere MAC-Adressen für den Netzwerkverteiler emuliert, über den der Feldbus-Controller angesprochen werden kann.
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Der Feldbus-Controller stellt somit einen gemeinsamen Netzwerk-Controller (z. B. Ethernet-Controller) mit einer einzigen MAC-Adresse bereit, der mit dem konfigurierbaren Netzwerkverteiler, z. B. einem Ethernet-Switch, verbunden ist. Dieser Netzwerkverteiler stellt mit seinen individuellen MAC-Adressen und den auf dieser Basis vergebenen individuellen Netzwerkadressen (z. B. IP-Adresse) die physikalischen Schnittstellen zu den zwei oder mehr Feldbussen, wie z. B. Ethernet-Netzwerken, bereit. Dabei wird das Vorhandensein von zwei oder mehr Netzwerk-Controllern (z. B. Ethernet-Controllern) mit einer eigenen MAC-Adresse emuliert, obwohl das Automatisierungsgerät eigentlich nur einen einzigen Feldbus-Controller (Ethernet-Controller) mit einer einzigen MAC-Adresse hat. Damit lässt sich das Automatisierungsgerät ohne Änderungen an dem Ethernet-Telegramm oder ohne zusätzliche Protokolle mit einem einzigen Feldbus-Controller so nutzen, dass das Automatisierungsgerät zwei oder mehr Feldbus-Controller besitzen würde.
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Mit Hilfe des Netzwerkverteilers wird die einzige MAC-Adresse des Feldbus-Controllers mit Hilfe individueller MAC-Adressen und zur Simulation mehrerer Feldbus-Controller mit den zugehörigen Netzwerkadressen für mehrere, z. B. zwei voneinander unabhängige Teilnetze aufgeteilt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Automatisierungsgerät zur Aktivierung einer ausgewählten Netzwerkschnittstelle und passiven Halten der Netzwerkverbindung über die anderen Netzwerkschnittstellen so eingerichtet ist, dass ein Austausch von Steuerdaten mit an den Feldbus angeschlossenen Teilnehmern nur über die aktivierte Netzwerkschnittstelle erfolgt. Das Automatisierungsgerät ist dann zur Aktivierung einer passiv gehaltenen Netzwerkverbindung bei Ausfall der aktivierten Netzwerkschnittstelle eingerichtet. Die Kommunikation erfolgt somit immer nur über eine aktivierte Netzwerkschnittstelle mit einem Netzwerk/Feldbus.
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Erst bei Ausfall dieser Netzwerkschnittstelle kann auf eine andere verfügbare Netzwerkschnittstelle mit daran angeschlossenem Teilnetz umgeschaltet werden. Da die Kommunikation durch Umsetzung der Adressen in den Netzwerkschnittstellen der Netzwerkverteiler auf die einzige Adresse des Feldbus-Controllers mit zugehöriger MAC-Adresse umgesetzt wird, kann die Kommunikation beim Umschalten von dem aktivierten Netzwerk auf das passiv gehaltene Netzwerk ohne Protokolländerung nahtlos erfolgen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Teilnetze, zwischen denen mit dem Netzwerkverteiler über die Netzwerkschnittstellen umgeschaltet wird, virtuelle lokale Netzwerke (Virtual Local Area Network – VLAN) sind. Hierbei handelt es sich um logische Teilnetze innerhalb des Netzwerkverteilers bzw. des gesamten physikalischen Netzwerkes. Ein solches virtuelles lokales Netzwerk trennt physikalische Netze in Teilnetze dadurch auf, dass Datenpakete eines solchen virtuellen lokalen Netzwerkes nicht in ein anderes virtuelles lokales Netzwerk weitergeleitet werden, obwohl diese Teilnetze an einen gemeinsamen Netzwerkverteiler angeschlossen sind. Dies wiederum gelingt beispielsweise durch statische Portzuordnung an den Netzwerkverteilern (Switch) über spezielle Markierungen an den Datenpaketen oder dynamisch durch MAC-Adressen, IP-Adressen und ggf. über die Zuordnung von TCP- und UDP-Ports und höheren Protokollen. Diese virtuellen lokalen Netzwerke VLAN sind in IEEE 802.1q Virtual Bridge Local Area Networks definiert.
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Die Aufgabe wird weiterhin durch das Verfahren zur redundanten Verbindung eines Automatisierungsgeräts mit einem Feldbus gelöst durch:
- a) Emulieren jeweils einer individuellen MAC-Adresse für jede Netzwerkschnittstelle eines Netzwerkverteilers, der als Ethernet-Switch ausgeführt ist, des Automatisierungsgerätes, wobei jeweils eine Netzwerkschnittstelle zum Anschließen des Automatisierungsgerätes an ein Teilnetz vorgesehen ist, und
- b) Zuordnen jeweils einer individuellen Netzwerkadresse zu jeder Netzwerkschnittstelle basierend auf der emulierten MAC-Adresse der jeweiligen Netzwerkschnittstelle und
- c) Umsetzen der gemeinsamen einheitlichen MAC-Adresse des Feldbus-Controllers auf ausgewählte MAC-Adressen der Netzwerkschnittstellen des Netzwerkverteilers.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 – Blockdiagramm eines Automatisierungsgerätes mit Feldbus-Controller und Netzwerkverteiler; und
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2 – Blockdiagramm des Automatisierungsgerätes aus 1 angeschlossen an zwei unabhängige Netzwerke.
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1 lässt ein Blockdiagramm eines Automatisierungsgerätes 1 in Form eines Feldbuskopplers erkennen, der eine Steuerungseinheit 2 hat. Diese Steuerungseinheit 2 beinhaltet vorzugsweise einen Mikrocontroller. An die Steuerungseinheit 2 ist ein Feldbus-Controller 3 angeschlossen. Dieser Feldbus-Controller 3 kann beispielsweise ein Ethernet-Controller sein. Der Feldbus-Controller 3 hat eine fest vorgegebene individuelle MAC-Adresse. Eine solche MAC-Adresse (Media-Access-Control-Adresse) ist die Hardwareadresse jedes Netzwerkadapters zur eindeutigen Identifizierung des Gerätes in einem Kommunikationsnetzwerk. Die MAC-Adresse wird z. B. bei Ethernet-Netzwerken zur Adressvergabe nach dem so genannten Address-Resolution-Protokoll für die Adressvergabe nach dem IPv4-Standard oder nach dem Neighbour Discovery Protocol (NDP) nach dem IPv6-Protokoll genutzt. Im Fall von Ethernet-Netzwerken besteht eine MAC-Adresse aus 48 Bit bzw. 6 Byte.
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Auf Basis der MAC-Adressen werden statisch oder dynamisch, z. B. unter Verwendung des BootP-Protokolls IP-Adressen den einzelnen an ein Netzwerk angebundenen Geräten zugewiesen, mit denen diese Geräte adressierbar und damit erreichbar gemacht werden. Die MAC-Adresse ist dabei in der Kommunikationsschicht der physikalischen Schnittstelle übergeordnet.
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An dem Feldbus-Controller 3 ist ein Netzwerkverteiler 4, z. B. in Form eines Switch, angeschlossen, der mehrere physikalische Netzwerkschnittstellen 55, 5b bereitstellt. Beispielsweise sind zwei Netzwerkschnittstellen 5a, 5b vorhanden, wie sie üblicherweise bei Automatisierungsgeräten 1 zum Umrouten von Datenpaketen von einem Netzwerkeingang zu einem Netzwerkausgang in Form eines Ethernet-Hauptanschlusses und eines Ethernet-Zweiganschlusses vorhanden sein können. Das Automatisierungsgerät 1 hat dann mindestens zwei Netzwerkanschlüsse 6a, 6b zur Verbindung des Automatisierungsgerätes 1 mit einem Netzwerk, wie im Stand der Technik bekannt, oder nunmehr auch mit zwei unabhängigen Netzwerken bzw. Feldbusen.
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Das Automatisierungsgerät 1 hat weiterhin eine interne Kommunikationsschnittstelle 7 zur Verbindung der Steuerungslogik mit dem Feldbuskoppier nachgeordneten Eingangs- und/oder Ausgangsmodulen (I/O-Module), an die Feldbusgeräte, wie Sensoren und Aktoren angeschlossen werden können. Die Kommunikation dieser Feldbusgeräte mit einer übergeordneten Steuerung erfolgt dann in der Regel über einen internen Ringbus über die Steuerungseinheit 2 des Automatisierungsgerätes 1. Das Automatisierungsgerät 1 übernimmt dann als Feldbuskoppler die Umsetzung von Daten aus dem internen Ringbus zu dem Feldbus über die Netzwerkanschlüsse 6a, 6b. Die Kommunikation erfolgt dabei bidirektional zu den an dem internen Ringbus angeschlossenen I/O-Modulen und zurück zu einer übergeordneten Steuerung.
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Der Feldbus-Controller 3 hat eine einzige individuelle MAC-Adresse, dem eine einzige Netzwerkadresse zugewiesen wird. D. h., dass an dem Feldbus-Controller 3 eigentlich nur ein unabhängiges Netzwerk angeschlossen werden kann.
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Der Netzwerkverteiler 4 emuliert jedoch für jede Netzwerkschnittstelle 5a, 5b jeweils eine individuelle MAC-Adresse, die für das jeweils angeschlossene Netzwerk als eine individuelle MAC-Adresse eines Feldbus-Controllers 3 angesehen wird. Damit wird beim Anschluss des Automatisierungsgerätes 1 an zwei voneinander unabhängige Netzwerke über die Netzwerkanschlüsse 6a, 6b den Netzwerkschnittstellen 5a, 5b jeweils eine individuelle Netzwerkadresse zugewiesen, die das Automatisierungsgerät 1 in unterschiedlichen Netzwerken erreichbar machen.
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2 lässt ein Blockdiagramm des Automatisierungsgerätes 1 aus 1 erkennen, wobei das Automatisierungsgerät 1 an zwei unabhängige Netzwerke 9a, 9b angeschlossen ist. Bei den Netzwerken 9a, 9b handelt es sich um Ethernet-Netze, die weitgehend gleiche Feldbusse darstellen, die jedoch unterschiedliche Adressen besitzen.
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Das Automatisierungsgerät 1 ist mit den Netzwerkanschlüssen 8a, 8b jeweils an einen Netzwerk-Switch 8a, 8b für die beiden Netzwerke 9a, 9b angeschlossen. An diesen Netzwerk-Switch 8a, 8b sind zudem Rechner 10a, 10b angeschlossen, die über beide Netzwerke 9a, 9b eine TCP-Verbindung zu dem Automatisierungsgerät 1 aufbauen können. Bei diesen Rechnern kann es sich um herkömmliche Computer, aber auch um andere Mikroprozessor oder Mikrocontroller gesteuerte Einheiten handeln.
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Eine Redundanz zur Sicherstellung einer Datenkommunikation auch bei Ausfall eines Netzwerkes 9a, 9b lässt sich erreichen, indem die Rechner 10a, 10b über beide Netzwerke 9a, 9b TCP-Verbindungen zu dem Automatisierungsgerät 1 aufbauen und diese Netzwerkverbindungen halten und dabei nur die Eingangsinformationen lesen. Nur eine einzige Netzwerkverbindung wird aktiv genutzt, um einem Rechner 10a, 10b eine Steuerungsverbindung zu dem Automatisierungsgerät 1 bereitzustellen und auch damit Steuerungsinformationen an das Automatisierungsgerät 1 abzusenden. Diese aktive Verbindung ist mit der Doppellinie skizziert.
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Für den Fall, dass ein Netzwerk 9a, 9b oder ein Rechner 10a, 10b ausfällt, kann sofort auf Basis der bereits aufgebauten und gehaltenen TCP-Verbindungen ein neuer Weg für eine aktive Steuerungsverbindung genutzt werden, ohne dass ein neuer Verbindungsaufbau notwendig ist. Dies ermöglicht ein stoßfreies Umschalten der aktiven Steuerung von einem Rechner 10b auf den anderen Rechner 10a oder von einem Netzwerk 9a auf ein anderes Netzwerk 9b.
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Die Verwaltung der Netzwerkadressen IP1, IP2 erfolgt für jedes Netzwerk 9a, 9b z. B. über einen Boot P-Server 11a, 11b, der entweder auf einem der Rechner 10a, 10b läuft oder, wie dargestellt, als gesonderter Server ausgeführt ist. Die Steuerung der an des Automatisierungsgerät 1 angeschlossenen Feldbusgerät kann über die Rechner 10a, 10b und/oder über. die übergeordneten Server 11a, 11b erfolgen.
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Die BootP-Server 11a, 11b vergeben für jede Netzwerkschnittstelle 5a, 5b eine eigene IP-Adresse IP1, IP2, wobei als Applikationsprotokoll z. B. Modbus/TCP genutzt werden kann. Obwohl das Automatisierungsgerät 1 nur einen Ethernet-Controller 3 mit einer einzigen individuellen MAC-Adresse hat, wird ein konfigurierbarer Netzwerkverteiler 4, z. B. in Form eines Ethernet-Switch, genutzt, um für jede physikalische Schnittstelle 5a, 5b zu den zwei Netzwerken Jeweils eine eigene MAC-Adresse zu emulieren und damit den mehreren Netzwerkschnittstellen 5a, 5b eigene IP-Adressen für unterschiedliche Netzwerke 9a, 9b zuzuordnen. Das Automatisierungsgerät 1 lässt sich auf diese Weise wie eine Steuerung mit zwei unabhängigen Feldbus-Controllern 3 bzw. Netzwerkkarten nutzen, ohne dass Änderungen an den Ethernet-Telegrammen oder zusätzliche Protokolle notwendig sind.
