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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kommunikationsnetzwerk, insbesondere ein Feldbusnetzwerk, aufweisend zwei Hauptteilnehmer und wenigstens einen Nebenteilnehmer.
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Stand der Technik
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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.
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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.
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Es ist wünschenswert, ein solches Kommunikationsnetzwerk auf möglichst einfach Weise mit einer sicherheitsgerichteten Übertragung auszustatten.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Kommunikationsnetzwerk, insbesondere 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.
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Vorteile der Erfindung
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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. Die Erfindung stellt nun zusätzlich eine sicherheitsgerichtete Übertragung bereit, indem der abzusichernde Nebenteilnehmer mit beiden Hauptteilnehmern kommuniziert. Es findet eine zweikanalige Kommunikation statt. Im Gegensatz zu bisherigen zweikanaligen Lösungen ist jedoch jedem der zwei Kanäle ein eigener Hauptteilnehmer zugeordnet.
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In dem erfindungsgemäßen Kommunikationsnetzwerk ist ein erster der zwei Hauptteilnehmer mit einem zweiten der zwei 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. Der logische gegenläufige Doppelring wird vorzugsweise nur durch einen physikalischen Ring (z. B. unter Verwendung unterschiedlicher Adern eines Ethernet-Kabels) gebildet, kann aber auch durch zwei physikalische Ringe (z. B. durch Verwendung von zwei Ethernet-Kabeln) gebildet werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der wenigstens eine Nebenteilnehmer ist dazu eingerichtet, je Übertragungszyklus zumindest ein Datenpaket von jedem Hauptteilnehmer zu berücksichtigen und gemäß einer sicherheitsgerichteten Betriebsart weiterzuverarbeiten. Derartige Betriebsarten sind an sich bekannt und umfassen insbesondere einen Vergleich der Datenpakete und ein Feststellen einer Fehlfunktion der Übertragung, wenn die Datenpakete nicht identisch sind, oder ein Einschreiben von Rückmeldedaten in beide Datenpakete. Der Nebenteilnehmer ist vorzugsweise dazu eingerichtet, für ein Vergleichsergebnis nur die nebenteilnehmerspezifischen Daten zu berücksichtigen.
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Eine Unterscheidung, welches der empfangenen Datenpakete von welchem Hauptteilnehmer stammt, erfolgt zweckmäßigerweise durch Auswertung der hauptteilnehmerspezifischen Daten durch den Nebenteilnehmer.
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Vorzugsweise weisen die zwei Hauptteilnehmer jeweils 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. Zur Verbesserung der Uhrzeitsynchronisation und/oder zur Erzeugung eines abgeschlossenen Produkts können beide Hauptteilnehmer auch als ein Gerät realisiert sein, d. h. in demselben Gerätegehäuse und ggf. auch auf einer Platine.
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Die Erfindung eignet sich besonders für eine sichere Feldbuskommunikation beispielsweise in der Prozess- oder Fabrikautomatisierung, wo Sicherheitsschaltgeräte, wie sicherheitsgerichtete Sensoren mit den Funktionen eines Lichtgitters, eines Laserscanners, eines Zweihandtasters, einer Trittmatte, einer sicheren Türverriegelung oder der Anwahl einer sicheren Betriebsart (wie sicher begrenzte Geschwindigkeit oder sicher abgeschaltetes Moment in einem Antrieb) usw., als Nebenteilnehmer eingesetzt werden. Bei sicherheitsgerichteten Systemen bzw. bei der sicherheitsgerichteten Übertragung von Daten eines Sicherheitsschaltgerätes an eine übergeordnete Kontrolleinheit (Hauptteilnehmer) sollen nämlich sicherheitsrelevante Datenpakete doppelt gesendet werden.
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In einem erfindungsgemäßen Feldbusnetzwerk können vorteilhaft auch nicht-sicherheitsgerichtete Nebenteilnehmer eingesetzt werden, indem diese beispielsweise dazu eingerichtet sind, nur Prozessdaten des ersten empfangenen Datenpakets, das den nicht-sicherheitsgerichteten Nebenteilnehmer in einem Übertragungszyklus erreicht, zu berücksichtigen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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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.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Feldbusnetzwerks.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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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. Der logische Doppelring wird im vorliegenden Beispiel physikalisch durch ein einziges Ethernet-Kabel gebildet, wobei jedem logischen Ring eigene Adern im Kabel zugeordnet sind, z. B. vier Adern für den einen Ring und vier andere Adern für den anderen Ring.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Wenigstens ein Nebenteilnehmer oder alle Nebenteilnehmer 401, 402 sind sicherheitsgerichtete Nebenteilnehmer und dazu eingerichtet, eine zweikanalige Kommunikation durchzuführen, d. h. je Übertragungszyklus jeweils ein Datenpaket 501 und ein Datenpaket 502 (also von jedem Hauptteilnehmer eines) zu berücksichtigen und gemäß einer sicherheitsgerichteten Betriebsart weiterzuverarbeiten. Vorzugsweise wird dabei ein Datenpaket von einem Ring und das andere Datenpaket vom anderen Ring berücksichtigt. Es kann jedoch auch um die Datenpakete auf nur einem der Ringe des Doppelrings handeln. Die Erkennung, ob es sich bei einem empfangenen Datenpaket um eines der Datenpakete 501 oder 502 handelt, kann anhand der hauptteilnehmerspezifischen Daten erfolgen. Eine sicherheitsgerichtete Betriebsart umfasst beispielsweise, die nebenteilnehmerspezifischen Daten (z. B. Sollwerte oder andere Prozessdaten) auszulesen und vor der Verarbeitung zu vergleichen und dadurch zu validieren oder Rückführdaten (insbesondere Mess- und Diagnosedaten) in beide Datenpakete einzuschreiben.
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Vorzugsweise ist auch wenigstens einer der Nebenteilnehmer 401, 402 kein sicherheitsgerichteter Nebenteilnehmer und, 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 nicht-sicherheitsgerichtete Nebenteilnehmer auf bekannte Weise betrieben werden, indem sie insbesondere jeweils nur das erste empfangene Datenpaket je Übertragungszyklus berücksichtigen.
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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.
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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 zwei Eingänge (in der Figur Pfeilspitzen) und zwei Ausgänge (in der Figur Pfeilenden) auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004041093 A1 [0003]
- EP 1657619 A2 [0014]
