DE102012010851A1

DE102012010851A1 - Feldbusnetzwerk aufweisend zwei Hauptteilnehmer und wenigstens einen Nebenteilnehmer

Info

Publication number: DE102012010851A1
Application number: DE102012010851A
Authority: DE
Inventors: Andreas Selig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2013-12-05
Also published as: US20130325996A1; JP2013251899A; US9197439B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Feldbusnetzwerk (100) mit zwei Hauptteilnehmern (201, 202) und wenigstens einem Nebenteilnehmer (401, 402), die in einem einen ersten Ring (101) und einen zweiten Ring (102) umfassenden Doppelring miteinander verbunden sind, wobei jeder der zwei Hauptteilnehmer (201, 202) dazu eingerichtet ist, Datenpakete (501, 502) zu erzeugen und in regelmäßigen Zeitabständen auf jeden der Ringe (101, 102) ein erzeugtes Datenpaket (501, 502) auszusenden, wobei der wenigstens eine Nebenteilnehmer (401, 402) dazu eingerichtet ist, ein Datenpaket (501, 502) an einem Eingang zu empfangen und an einem Ausgang weiterzusenden, wobei jeder der zwei Hauptteilnehmer (201, 202) dazu eingerichtet ist, ein von dem jeweils anderen Hauptteilnehmer stammendes Datenpaket (501, 502) an einem Eingang zu empfangen und an einem Ausgang weiterzusenden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Feldbusnetzwerk aufweisend zwei Hauptteilnehmer und wenigstens einen Nebenteilnehmer.
Stand der Technik
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet von echtzeitfähigen, redundanten Feldbusnetzwerken mit Ringtopologie, wie z. B. SERCOS III. Es handelt sich dabei um industrielle Netzwerke, die zur Vernetzung von Industriemaschinen eingesetzt werden und oftmals auf Ethernet basieren. Echtzeitfähig bedeutet, dass übertragene Daten zu einem definierbaren Zeitpunkt den erwünschten Teilnehmer erreichen oder erreicht haben. Insbesondere soll betont werden, dass herkömmliche Ethernet-Netzwerke, selbst wenn diese für Audio- oder Videoübertragungen verwendet werden, nicht echtzeitfähig sind, da hier Puffer eingesetzt werden, um Datenübertragungsverzögerungen zu kompensieren oder verspätete oder ausgefallene Pakete einfach verworfen werden. In echtzeitfähigen Netzwerken kann hingegen garantiert werden, dass jedes Paket auch rechtzeitig sein Ziel erreicht, so dass insbesondere in Industriemaschinen die Bewegungen unterschiedlicher Aggregate auch synchron ablaufen. Die Kommunikation läuft insbesondere in festen Zyklen ab, wobei in jedem Zyklus ein Paket vom Hauptteilnehmer rundgeschickt wird.
Die DE 10 2004 041 093 A1 beschreibt ein solches ringförmiges Netzwerk, welches beispielsweise ein Steuerungs- und Antriebssystem für Industriemaschinen, wie z. B. wellenlose (also ohne mechanische ”wellenbehaftete” Kopplung der Aggregate) Produktionsmaschinen darstellen könnte. Derartige Systeme nutzen einen so genannten gegenläufigen Doppelring zur Kommunikation zwischen einem Hauptteilnehmer (sog. ”Master”, z. B. einer SPS), der die Kommunikation kontrolliert, und Nebenteilnehmern (sog. ”Slave”, z. B. Aktoren und Sensoren), die Befehle empfangen und/oder Daten (insbesondere Mess- und Diagnosedaten) an den Hauptteilnehmer zurückliefern.
Wie in der EP 1 659 467 A1 beschrieben, kann aus Redundanzgründen vorgesehen sein, dass der Doppelring im Fehlerfall (z. B. bei einer Leitungsunterbrechung) in zwei Einzelringe zerfällt, zwischen denen sich der Hauptteilnehmer befindet. So kann die Kommunikation zwischen dem Hauptteilnehmer und allen Nebenteilnehmern weiterlaufen.
Es ist wünschenswert, ein solches Feldbusnetzwerk auch bei Ausfall eines Hauptteilnehmers weiter betreiben zu können.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Feldbusnetzwerk aufweisend zwei Hauptteilnehmer und wenigstens einen Nebenteilnehmer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung schafft eine Hauptteilnehmer-Redundanz in Feldbusnetzwerken, die eigentlich nur auf einen einzelnen Hauptteilnehmer im Ring ausgelegt sind, mit einfachen Mitteln. Die wesentliche Maßnahme besteht darin, zwei Hauptteilnehmer anstelle von einem in dem Feldbusnetzwerk vorzusehen und die beiden Hauptteilnehmer entsprechend dazu einzurichten, dass sie sich im ungestörten Betrieb nicht gegenseitig stören und sich gleichzeitig gegenseitig überwachen. Dazu müssen nur die Hauptteilnehmer umkonfiguriert werden, wobei die Verkabelung und auch die Nebenteilnehmer unverändert beibehalten werden können. Die Erfindung schafft eine Möglichkeit, ein solches Feldbusnetzwerk auch bei Ausfall eines Hauptteilnehmers oder bei doppeltem Netzwerkbruch (solange sich in jedem verbleibenden Netzwerksegment ein Hauptteilnehmer befindet) weiter betreiben zu können.
In dem erfindungsgemäßen Feldbusnetzwerk ist ein erster Hauptteilnehmer mit einem zweiten Hauptteilnehmer über zwei Ringsegmente verbunden, welche vorzugsweise jeweils wenigstens einen Nebenteilnehmer enthalten. Ein Ringsegment enthält wiederum einen Ast eines Doppelrings. Beide Hauptteilnehmer sind zur Durchführung derselben Kommunikation mit den Nebenteilnehmern eingerichtet, bspw. läuft auf beiden Hauptteilnehmern dasselbe Ansteuerprogramm für eine Industriemaschine, deren Aktoren (Schalter, Relais, Elektromotoren usw.) und Sensoren (für Position, Temperatur, Spannung, Strom, Druck usw.) die Nebenteilnehmer sind.
Jeder der Hauptteilnehmer ist dazu eingerichtet, Datenpakete zu erzeugen und zyklisch (d. h. in regelmäßigen Zeitabständen) auf jeden Ring ein Datenpaket auszusenden. Die beiden von einem Hauptteilnehmer je Zyklus ausgesandten Datenpakete (d. h. auf jeden Ring eines) sind zweckmäßigerweise identisch und werden zweckmäßigerweise auch gleichzeitig ausgesandt. Jedes Datenpaket umfasst hauptteilnehmerspezifische Daten (z. B. ”Absenderadressen” wie MAC-Adressen) und nebenteilnehmerspezifischen Daten (z. B. Sollwerte oder andere Prozessdaten). Es kann auch eine Prüfsumme enthalten sein. Auf diese Weise bleibt die im Stand der Technik bekannte Redundanz für Doppelringe vorteilhaft erhalten.
Datenpakete unterschiedlicher Hauptteilnehmer unterscheiden sich in demselben Übertragungszyklus vorzugsweise nur durch hauptteilnehmerspezifische Daten, wobei die nebenteilnehmerspezifischen Daten identisch sind. Sind Prüfsummen vorhanden, in die die unterschiedlichen hauptteilnehmerspezifischen Daten eingehen, sind selbstverständlich auch die Prüfsummen unterschiedlich. Damit kann auf sehr einfache Weise ein Ausfall eines Hauptteilnehmers verkraftet werden.
Das Feldbusnetzwerk ist so eingerichtet, dass die Datenpakete von Teilnehmer zu Teilnehmer laufen und im ungestörten Fall letztendlich den aussenden Hauptteilnehmer wieder erreichen. Auf dem Weg werden ggf. Sollwerte oder andere Prozessdaten an die Nebenteilnehmer überbracht und/oder ggf. Daten von den Nebenteilnehmern in das Datenpaket eingeschrieben. Diese Übertragungsart ist insbesondere in SERCOS III-Netzwerken üblich, auf die hinsichtlich näherer Details verwiesen wird.
In der Folge passiert im ungestörten Fall jedes Datenpaket, das vom ersten Hauptteilnehmer gesendet wird, den zweiten Hauptteilnehmer und jedes Datenpaket, das vom zweiten Hauptteilnehmer gesendet wird, den, ersten Hauptteilnehmer, wodurch auf einfache Weise eine gegenseitige Überwachung realisiert werden kann. Stellt ein Hauptteilnehmer fest, dass in einem Übertragungszyklus nur ein oder kein Datenpaket eines anderen Hauptteilnehmers ankommt, kann festgestellt werden, dass ein Ring oder dass beide Ringe oder der andere Hauptteilnehmer beschädigt sind.
Ist einer der Hauptteilnehmer nicht mehr vorhanden, so übernimmt der andere Hauptteilnehmer ohne zeitlichen Versatz automatisch die Aufgaben des anderen, da die dazu notwendigen nebenteilnehmerspezifischen Daten ja vorliegen. Fallen bspw. sämtliche Datenpakete eines Hauptteilnehmers aus, erreichen immer noch die Datenpakete des anderen Hauptteilnehmers die Nebenteilnehmer. Erkennt ein Hauptteilnehmer, dass der andere nicht mehr vorhanden ist, oder sich nicht mehr richtig verhält, so können durch ihn weiterführende Maßnahmen wie das Abschalten des anderen Hauptteilnehmers eingeleitet werden.
Jeder Nebenteilnehmer kann zweckmäßigerweise dazu eingerichtet sein, nur Prozessdaten des ersten empfangenen Datenpakets, das ihn in einem Übertragungszyklus erreicht, zu berücksichtigen.
Vorzugsweise weisen der erste und der zweite Hauptteilnehmerjeweils ein Taktungsmittel auf, welche zeitsynchronisiert werden. Eine Möglichkeit für eine Uhrzeitsynchronisation wird in der EP 1 657 619 A2 beschrieben. Dadurch sind die Hauptteilnehmer in der Lage, ihre Übertragungszyklen aufeinander abzustimmen, so dass beide Hauptteilnehmer im Wesentlichen gleichzeitig ihre Datenpakete aussenden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung
1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Feldbusnetzwerks.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Feldbusnetzwerks schematisch als Blockdiagramm dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet. Das Feldbusnetzwerk 100 ist ein echtzeitfähiges, redundantes Feldbusnetzwerk mit Ringtopologie, wie z. B. SERCOS III. Das Feldbusnetzwerk hat hier einen sog. gegenläufigen Doppelring. Gegenläufig heißt, dass die Datenpakete auf einem ersten Ring 101 im Uhrzeigersinn und auf einem zweiten Ring 102 gegen den Uhrzeigersinn zirkulieren.
Das Feldbusnetzwerk 100 weist einen mit ”Master 1” bezeichneten ersten Hauptteilnehmer 201 und einem mit ”Master 2” bezeichneten zweiten Hauptteilnehmer 202 auf. Das Feldbusnetzwerk 100 weist weiterhin ein erstes Ringsegment 301 sowie ein zweites Ringsegment 302 auf, durch die die beiden Master 201 und 202 verbunden sind.
Das erste Ringsegment 301 weist hier die in der Figur rechten Äste der Ringe 101 und 102 sowie eine Anzahl m mit ”m slaves” bezeichnete Nebenteilnehmer 401 auf. Das zweite Ringsegment 302 weist hier die in der Figur linken Äste der Ringe 101 und 102 sowie eine Anzahl n mit ”n slaves” bezeichnete Nebenteilnehmer 402 auf.
Der erste Hauptteilnehmer 201 ist dazu eingerichtet, zyklisch (d. h. in regelmäßigen Zeitabständen) Datenpakete 501 sowohl auf den ersten Ring 101 als auch auf den zweiten Ring 102 auszusenden, die in jedem Übertragungszyklus identisch sind, für unterschiedliche Übertragungszyklen jedoch nicht. Ein jedes Datenpaket 501 weist hauptteilnehmerspezifische Daten auf, die mit ”Master 1” bezeichnet sind, nebenteilnehmerspezifische Daten, die mit ”Data” bezeichnet sind, und eine Prüfsumme, die mit ”CRC” bezeichnet ist.
In entsprechender Weise ist der zweite Hauptteilnehmer 202 dazu eingerichtet, zyklisch und gleichzeitig mit dem ersten Hauptteilnehmer 201 Datenpakete 502 sowohl auf den ersten Ring 101 als auch auf den zweiten Ring 102 auszusenden, die auch in jedem Übertragungszyklus identisch sind, für unterschiedliche Übertragungszyklen jedoch nicht. Ein jedes Datenpaket 502 weist hauptteilnehmerspezifische Daten auf, die mit ”Master 2” bezeichnet sind, nebenteilnehmerspezifische Daten, die mit ”Data” bezeichnet sind, und eine Prüfsumme, die mit ”CRC” bezeichnet ist.
Die hauptteilnehmerspezifischen Daten der Datenpakete 501 und 502 unterscheiden sich in ein und demselben Übertragungszyklus, die nebenteilnehmerspezifischen Daten in den Datenpaketen 501 und 502 sind in ein und demselben Übertragungszyklus identisch.
Die Nebenteilnehmer 401, 402 sind, wie z. B. im Stand der Technik für Sercos III-Netzwerke bekannt, dafür eingerichtet, die empfangenen Datenpakete 501, 502 zu bearbeiten und weiterzusenden. Da die nebenteilnehmerspezifischen Daten in den Datenpaketen 501, 502 eines Übertragungszyklus identisch sind, können die Nebenteilnehmer auf bekannte Weise betrieben werden.
Ein Ausfall eines Haupteilnehmers wird von dem anderen Hauptteilnehmer dadurch erkannt, dass die Datenpakete dieses ausgefallenen Hauptteilnehmers den übrig gebliebenen Hauptteilnehmer nicht mehr erreichen. Der Betrieb des Feldbusnetzwerks 100 kann hier störungsfrei fortgeführt werden, da die für den Betrieb relevanten nebenteilnehmerspezifischen Daten auch von dem übrig gebliebenen Hauptteilnehmer geliefert werden.
Der erste Ring 101 und der zweite Ring 102 können beispielsweise mittels einer leitungs- oder funkgebundenen Datenübertragung realisiert sein, welche eine bidirektionale Kommunikation zulässt. Jeder Teilnehmer (Haupt- und Nebenteilnehmer) weist Schnittstellen für die Datenübertragung auf, z. B. Buchsen für Ethernetkabelverbindungen und/oder Antennen. Da es sich um ein ringförmiges, redundantes System handelt, weist jeder Teilnehmer logisch vier Anschlüsse (jeweils 2 Eingänge (in der Figur Pfeilspitzen) und 2 Ausgänge (in der Figur Pfeilenden) auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102004041093 A1 [0003]
EP 1659467 A1 [0004]
EP 1657619 A2 [0015]

Claims

Feldbusnetzwerk (100) mit zwei Hauptteilnehmern (201, 202) und wenigstens einem Nebenteilnehmer (401, 402), die in einem einen ersten Ring (101) und einen zweiten Ring (102) umfassenden Doppelring miteinander verbunden sind, wobei jeder der zwei Hauptteilnehmer (201, 202) dazu eingerichtet ist, Datenpakete (501, 502) zu erzeugen und in regelmäßigen Zeitabständen auf jeden der Ringe (101, 102) ein erzeugtes Datenpaket (501, 502) auszusenden, wobei der wenigstens eine Nebenteilnehmer (401, 402) dazu eingerichtet ist, ein Datenpaket (501, 502) an einem Eingang zu empfangen und an einem Ausgang weiterzusenden, wobei jeder der zwei Hauptteilnehmer (201, 202) dazu eingerichtet ist, ein von dem jeweils anderen Hauptteilnehmer stammendes Datenpaket (501, 502) an einem Eingang zu empfangen und an einem Ausgang weiterzusenden.
Feldbusnetzwerk (100) nach Anspruch 1, wobei jeder der zwei Hauptteilnehmer (201, 202) dazu eingerichtet ist, Datenpakete (501, 502) unter Verwendung hauptteilnehmerspezifischer Daten zu erzeugen, wobei sich die hauptteilnehmerspezifischen Daten des ersten und des zweiten Hauptteilnehmers unterscheiden.
Feldbusnetzwerk (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei jeder der zwei Hauptteilnehmer (201, 202) dazu eingerichtet ist, Datenpakete (501, 502) unter Verwendung nebenteilnehmerspezifischer Daten zu erzeugen, wobei die nebenteilnehmerspezifischen Daten des ersten und des zweiten Hauptteilnehmers für ein und denselben Übertragungszeitpunkt gleich sind.
Feldbusnetzwerk (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jeder der zwei Hauptteilnehmer (201, 202) dazu eingerichtet ist, eine Störung einer Verbindung mit dem jeweils anderen Hauptteilnehmer zu erkennen, wenn er an einem Eingang nicht in regelmäßigen Zeitabständen ein von dem jeweils anderen Hauptteilnehmer stammendes Datenpaket (501, 502) empfängt.
Feldbusnetzwerk (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jeder der zwei Hauptteilnehmer, (201, 202) dazu eingerichtet ist, gleichzeitig auf jeden der Ringe (101, 102) ein Datenpaket (501, 502) auszusenden.
Feldbusnetzwerk (100) nach Anspruch 5, wobei die von einem Hauptteilnehmer (201, 202) gleichzeitig ausgesandten Datenpakete (501, 502) gleich sind.
Feldbusnetzwerk (100) nach Anspruch 5 oder 6, wobei der erste Hauptteilnehmer (201) dazu eingerichtet ist, seine Datenpakete zum gleichen Zeitpunkt auszusenden wie der zweite Hauptteilnehmer (202).
Feldbusnetzwerk (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, das dazu eingerichtet ist, eine Uhrzeitsynchronisation zwischen den zwei Hauptteilnehmern (201, 202) durchzuführen.
Feldbusnetzwerk (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Ring (101) und der zweite Ring (102) als Ethernetverbindung ausgebildet sind.
Feldbusnetzwerk (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, das als Sercos III-Netzwerk ausgebildet ist.
Industriemaschine mit wenigstens einem Sensor und/oder Aktor und einem Feldbusnetzwerk (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der wenigsten eine Sensor und/oder Aktor ein Nebenteilnehmer (401, 402), des Feldbusnetzwerks (100) ist.
Industriemaschine nach Anspruch 11, die als Druckmaschine, Industrieroboter, Werkzeugmaschine oder CNC-Maschine ausgebildet ist.
Industriemaschine nach Anspruch 11 oder 12, wobei der wenigsten eine Sensor und/oder Aktor einen Elektromotor aufweist.