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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kommunikationssystem, insbesondere ein Kommunikationssystem einer Werkzeugmaschine, zum Betreiben eines Datennetzwerks sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Kommunikationssystems zum Betreiben eines Datennetzwerks gemäß dem jeweiligen Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 6.
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Dabei betrifft die vorliegende Erfindung ein Kommunikationssystem zum Betreiben eines Datennetzwerks, wobei dieses Kommunikationssystem zumindest eine Steuerungseinrichtung sowie zumindest zwei Steuerelemente umfasst, welche von der Steuerungseinrichtung über ein Steuernetzwerk ansteuerbar sind. Handelt es sich bei dem Kommunikationssystem um ein Kommunikationssystem einer Werkzeugmaschine ist denkbar, dass mehrere Steuerelemente Komponenten einer Werkzeugmaschine sowie mehrere Werkzeugmaschinen mit beliebigen Anzahl von Steuerelemente miteinander kommunizieren. Mit anderen Worten ist, zusätzlich zu der Kommunikation zwischen der Steuerungseinrichtung und den Steuerelementen, eine Querkommunikation zwischen den Steuerelementen ermöglicht. Weitere Anwendungsgebiete betreffen unterschiedlich priorisierte Kommunikation zu Peripheriegeräten oder zu Geräten im Internet. Dazu kann das Kommunikationssystem in Form einer Cloud-Kommunikation eingerichtet sein.
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Es sind jedoch grundsätzlich Kommunikationssysteme, insbesondere solche Kommunikationssysteme, welche in Form von Werkzeugmaschinen zu Kommunikationssystemen ausgebildet sind, aus dem Stand der Technik bereits bekannt.
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Bekannt sind nämlich solche Kommunikationssysteme, basierend auf einem traditionellen Netzwerk, bei dem das gesamte Kommunikationssystem eine Mehrzahl von lediglich physikalisch getrennten Subnetzen umfasst und jedes Subnetz mindestens einen eigenen Switch, an dem die Endgeräte angeschlossen sind, umfasst. Durch geeignete Router erfolgt dann für gewöhnlich die Kommunikation über Subnetz-Grenzen hinweg. Dabei kann jedes Subnetz einen eigenen IP-Bereich und mitunter auch eigene Namensdienste umfassen.
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Um über Netzwerkgrenzen zu kommunizieren werden daher im Stand der Technik statische projektdynamische Routen eingesetzt. Dieses Modell der Trennung ist klar und übersichtlich und wurde über Jahre angewandt. Dies hat jedoch die Nachteile, dass Broadcastanforderungen im Subnetz für alle Teilnehmer sichtbar sind und von den Endpunkten betrachtet werden müssten. Mit anderen Worten, konnten bisher verschiedene Endgeräte nur über entsprechende jedem Subnetz zugeordnete separate und physikalisch voneinander getrennte Switches angesteuert werden. Ein derartiger Aufbau ist jedoch besonders kostspielig und umfangreich im Design.
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Ausgehend hiervon ist es daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das oben genannte Problem zu lösen und insofern ein Kommunikationssystem anzugeben, welches in ganz besonders einfacher und kostengünstiger Art und Weise eine bidirektionale Kommunikation zwischen zumindest einer Steuerungseinrichtung und zumindest zwei Steuerelementen derart herzustellen, dass die Subnetzkommunikation mit den einzelnen Steuerelementen nur aufgrund einer Unterteilung des Netzwerks in logische Subnetzwerke, anstatt physikalische Subnetzwerke, ermöglicht ist.
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Wie obig bereits erwähnt ist somit insbesondere auf die Ausgestaltung eines jeden Subnetzwerks mit einem separaten Switch und separaten physikalischen Datenleitungen vermieden, sodass für das gesamte Kommunikationsnetz eine einzige physikalische Struktur angewandt werden kann, wobei diese physikalische Struktur, d. h. Netzwerkarchitektur, nur aufgrund einer logisch, insbesondere auch mathematischen, Unterscheidung, d. h. gedacht, aufgetrennt wird.
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Um nun ein solches Kommunikationssystem anzugeben, macht die vorliegende Erfindung unter anderem von der Idee Gebrauch, dass das Steuernetzwerk mittels zumindest eines VLAN-Switches in zumindest zwei, nur logisch voneinander getrennte, Netzwerksegmente (VLAN) unterteilbar ist, und wobei beide Steuerelemente in Abhängigkeit von der Ansteuerung durch den VLAN-Switch und/oder die Steuerungseinrichtung durch jedes der Netzwerksegmente ansteuerbar sind. Dabei bezeichnet die Abkürzung „VLAN-Switch“ einen solchen Netzwerkswitch, welcher dazu eingerichtet und dafür vorgesehen ist ein Netzwerk in Form eines Virtual Local Area Network (VLAN) mit zu betreiben.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Kommunikationssystem, insbesondere das Werkzeugmaschinen Kommunikationssystem, zum Betreiben eines Datennetzwerks zumindest eine Steuerungseinrichtung und zumindest zwei Steuerelemente, welche von der Steuerungseinrichtung über ein Steuernetzwerk ansteuerbar sind. Erfindungsgemäß ist das Steuernetzwerk mittels zumindest eines VLAN-Switches in zumindest zwei, nur logisch voneinander getrennte, Netzwerksegmente (VLAN) unterteilbar, wobei beide Steuerelemente in Abhängigkeit von der Ansteuerung durch den VLAN-Switch und/oder die Steuerungseinrichtung durch jedes der Netzwerksegmente ansteuerbar sind.
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Insofern wird somit durch die nunmehr beanspruchten Netzwerksegmente, welche jeweils in Form eines VLAN-Netzwerks ausgebildet sind, es ermöglicht, dass die Trennung des Netzwerks in mehrere logische Segmente, also die Netzwerksegmente, unterteilt wird.
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Anders als bei der physikalischen Trennung durch die Zuordnung zu einem Switchport werden bei der Trennung durch VLANs die Geräte durch eine VLAN-ID logisch getrennt. Dabei wird der Datenstrom jeder Station mit einer Kennung (dem VLAN-"Tag") versehen. Diese Kennung bestimmt die Zugehörigkeit eines Datenpakets zu einem bestimmten VLAN. Alle Geräte mit der gleichen VLAN-Kennung befinden sich nunmehr in einem logischen Netzwerk.
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Insbesondere kann nämlich durch die logische Trennung der einzelnen Netzwerke ein Broadcast eingegrenzt werden. Broadcasts werden nämlich nur an Mitglieder des gleichen VLANS und nicht an alle am Switch hängenden Steuerelemente verteilt.
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Dies trägt insofern auch nicht nur zu einer höheren Leistung sondern auch zu mehr Sicherheit bei, denn der Datenverkehr wird auf weniger Adressaten eingeschränkt. Hinzu kommt, dass Benutzer oder die Steuerelemente in der Regel in einem VLAN keine Möglichkeit haben aus dem zugewiesenen VLAN auszubrechen. Ein Zugriff (oder Angriff) auf einen anderen Rechner, der nicht zum eigenen VLAN gehört kann daher bereits durch den Netzwerkswitch verhindert werden. Wenn eine VLAN übergreifende Kommunikation notwendig ist, so können hierfür explizit Routen eingerichtet werden.
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Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebene VLAN-Technologie eine solche sein kann, welche an den Industriestandard IEEE 802.1Q angepasst ist und/oder diesem entspricht und/oder mit diesem kompatibel ist.
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Der Standard IEEE 802.1Q ist eine durch das IEEE genormte Priorisierungs- und VLAN-Technologie, die im Unterschied zu den älteren, nur Port-basierten VLANs, paketbasierte tagged-VLANS implementiert. Der Ausdruck „tagged“ leitet sich vom englischen Ausdruck „material tags“ ab.
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Es handelt sich daher bei tagged-VLANS um Netze, die Netzwerkpakete verwenden, welche eine spezielle VLAN-Markierung tragen.
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Insbesondere sind nämlich in den 802.1Q-Standard Datenfelder für das V-LAN-tagging definiert, die in dem Datenbereich eines Ethernetpakets eingeführt werden können.
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Insofern kann das vorliegende Kommunikationssystem in Form eines Ethernet-Kommunikationssystems ausgebildet sein.
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Das hat den Vorteil, dass in der Regel auch bereits vorhandene, ältere Switches solche Pakete weiterleiten können. Das eingefügte Tag besteht in der Regel aus mehreren Feldern, beispielsweise vier Feldern mit einer Gesamtlänge von 32 Bit.
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Für die Protokoll-ID werden 2 Byte, für das Prioritätenfeld 3 Bit, für Indikator des Canonicalformats 1 Bit und für VLAN-ID 12 Bit genutzt.
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Zur eindeutigen Identifizierung eines VLANS wird jedem VLAN daher zunächst eine eindeutige Nummer zugeordnet. Man nennt daher diese Nummer VLAN-ID. Ein Steuerelement einer Werkzeugmaschine beispielsweise, das mit der VLAN-ID = 1 ausgestattet ist, kann mit jedem anderen Gerät im gleichen VLAN kommunizieren, nicht jedoch mit einem Gerät in einem anderen VLAN, wie z. B. ID = 2, 3, ....
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Um zwischen den VLANS zu unterscheiden, wird nach dem Standard IEEE 802.1Q ein Ethernetframe um 4 Byte erweitert. Davon sind 12 Bit zur Aufnahme der VLAN-ID vorgesehen, sodass (ohne Ausnutzung des Canonical Formats) theoretisch 4096-2 = 4094 VLANS möglich sind.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist mittels des VLAN-Switches eine Priorisierung der einzelnen Netzwerksegmente insbesondere im Hinblick auf deren Datenaustausch ermöglicht.
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Denkbar ist, dass die einzelnen logischen Netzwerkverbindungen entsprechend eines OPC-Standards, d. h. beispielsweise in Form von OPC UA-Verbindungen ausgebildet sind. Insbesondere ist nämlich denkbar, dass pro Netzwerksegment über die Steuerungseinrichtung mehrere OPC UA-Endpunkte mit unterschiedlicher IP-Adresse, VLAN-ID und Priorisierung entsprechend des oben genannten Standards IEEE 802.1Q zur Verfügung stehen.
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Weist nun ein Netzwerksegment, welches eindeutig, vorzugsweise eineindeutig, eine bestimmte VLAN-ID zugewiesen bekommen hat, eine höhere Priorität auf als ein, nur in logischer Hinsicht, davon unterschiedliches Netzwerksegment einer entsprechend unterschiedlichen VLAN-ID, so kann die Steuerungseinrichtung und/oder der VLAN-Switch dazu vorgesehen sein, zunächst den Datenaustausch zunächst des höher priorisierten Netzwerksegments zu bevorzugen, und erst nach Abbau der diesem höher priorisierten Netzwerksegment zugeordneten Aufgaben eine Abarbeitung des tiefer priorisierten Netzwerksegments zu erlauben. Mit anderen Worten gilt generell: Zuordnung und Konfiguration der OPC UA Endpunkte zu einem bestimmten Netzwerksegment entsprechend der VLAN-ID und Zuordnung einer Priorität entsprechend der Priorität des entsprechenden VLANs
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind jedem Steuerelement zumindest eine VLAN-IDs zugeordnet und jedem Netzwerksegment ist wiederum zumindest eine, beispielsweise genau eine, eindeutig, vorzugsweise eineindeutig, VLAN-ID zugeordnet, wobei über jede der VLAN-IDs zumindest ein Steuerelement ansteuerbar ist.
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In diesem Zusammenhang ist generell folgendes Szenario im Hinblick auf die Priorisierung der einzelnen Netzwerksegmente vorstellbar:
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Denkbar ist, dass das Kommunikationssystem mehrere Steuerelemente, beispielsweise vier Steuerelemente, umfasst. Zumindest diese Steuerelemente bilden daher zusammen ein Bearbeitungszentrum mit unterschiedlich priorisierten Datenaustausch. Dazu kann nämlich jedes der Steuerelemente eine wie obig beschriebene OPC UA-Schnittstelle oder auch einen entsprechenden OPC UA-Server umfassen, wobei jeder OPC UA-Server eines Netzwerksegmentes beispielsweise drei Endpunkte bietet. Diese Endpunkte sind daher repräsentiert durch drei voneinander unterschiedlich ausgestalteten adressierbaren VLAN-IDs des jeweiligen VLAN-Netzwerks.
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Beispielsweise bietet ein Endpunkt (also eine IP-Adresse) OPC UA-Dienste mit einer niedrigen Priorität (von wenigstens 200 bis höchstens 500 ms) an und wird daher einem Netzwerksegment (VLAN) mit niedrigerer Priorität zugeordnet. An diesem logischen Netzwerksegment können beispielsweise typische Dienste wie Hosts aus weiteren Bereichen, wie BDE, MES und ERP und weiter entferntere Hosts (Fernwartung) zu Verfügung gestellt werden.
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Der zweite Endpunkt, d. h. die zweite IP-Adresse, bietet OPC UA-Dienste mit einer mittleren Priorität (von wenigstens 50 bis 100 ms) an und wird daher einem Netzwerksegment mit mittlerer Priorität zugeordnet. In diesem logischen Netzwerksegment werden typischerweise Dienste für die Visualisierungsgeräte oder Smartdevices (Tablets, ...) zur Verfügung gestellt.
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Der dritte Endpunkt, d. h. die dritte IP-Adresse, bietet OPC UA-Dienste mit der höchsten Priorität (von wenigstens 1 bis höchstens 10 ms) an und wird daher einem Netzwerksegment mit hoher Priorität zugeordnet. In diesem logischen Netzwerksegment werden typischerweise Dienste für andere Steuerungen zur Querkommunikation angeboten.
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Insofern ist mit anderen Worten über die eindeutige Identifikation jedes Netzwerksegments über die jedem Netzwerksegment eindeutig, vorzugsweise eineindeutig, zugeordnete VLAN-ID eine ausschließlich auf logischer Trennung beruhende separate Steuerung der Steuerelemente insbesondere auch durch einen einzigen VLAN-Switch ermöglicht, ohne dass die einzelnen Steuernetzwerke zu deren separaten Ansteuerung einer physikalischen Netzwerktrennung unterliegen müssten.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zumindest einer VLAN-ID zumindest eine Handlungsanweisung eindeutig, vorzugsweise eineindeutig, zugeordnet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden diejenigen Handlungsanweisungen, welche aufgrund einer, insbesondere von dem VLAN-Switch und/oder der Steuerungseinrichtung vorgenommene Priorisierung der Handlungsanweisungen, eine höhere Priorität zugewiesen bekommen, zuerst bearbeitet. Dies stellt eine sogenannte Hierarchieordnung sicher, welche ermöglicht, dass ohne externen Eingriff das Kommunikationssystem vorzugsweise vollautomatisch und insbesondere auch störungsfrei sequentiell Prioritäten und entsprechend damit verbundene Handlungsanweisungen abarbeitet, wie obig dies auch beschrieben wurde.
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Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Kommunikationssystems, insbesondere ein Verfahren zum Betreiben eines Kommunikationssystems einer Werkzeugmaschinen, wobei dieses Verfahren ein Datennetzwerk, sowie zumindest eine Steuerungseinrichtung und zumindest zwei Steuerelemente umfasst, welche von der Steuerungseinrichtung über ein Steuernetzwerk ansteuerbar sind.
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Erfindungsgemäß weist das hierbei beschriebene Verfahren den Schritt auf, dass das Steuernetzwerk mittels zumindest eines VLAN-Switches und zumindest zwei nur logisch voneinander getrennte Netzwerksegmente unterteilt wird, und wobei beide Steuerelemente in Abhängigkeit von der Ansteuerung durch den VLAN-Switch durch jedes der Netzwerksegmente angesteuert wird.
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Dabei weist das hier beschriebene Verfahren die gleichen Vorteile sowie Ausführungsformen auf, wie das obig beschriebene Kommunikationssystem auf.
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Im Folgenden werden das hier beschriebene Kommunikationssystem sowie das hier beschriebene Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
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In der 1 ist in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines physikalischen Kommunikationsnetzes, beispielsweise der vorliegenden Erfindung, gezeigt.
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In der 2 ist eine logische Netzwerktopologie, beispielsweise des in der 1 gezeigten, Kommunikationsnetzes gezeigt.
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In der 3 ist eine beispielhafte Konfiguration von OPC UA-Servern als einzelne Steuerelemente gezeigt, welche von dem Kommunikationssystem umfasst sind.
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In den Figuren sind gleich oder gleichwirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die hier dargestellten Elemente sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
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In der 1 ist in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Kommunikationssystems 100 zum Betreiben eines Datennetzwerks 1 dargestellt. Insbesondere wird nämlich dieses Kommunikationssystem mittels eines entsprechenden Verfahrens 200 betrieben.
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Wie aus der 1 entnommen werden kann, umfasst das hier beispielhaft beschriebene Kommunikationssystem 100 eine Steuerungseinrichtung 2, sowie insgesamt vier Steuerelemente 3, welche von der Steuerungseinrichtung 2 über ein Steuernetzwerk 4 angesteuert werden.
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Das Steuernetzwerk 4 umfasst einen gemeinsamen VLAN-Switch 5, welcher das gesamte Steuernetzwerk 3 in insgesamt drei nur logisch voneinander getrennte Netzwerksegmente 60, 61, 62 unterteilt. „Nur logisch“ heißt nicht nur speziell in diesem Ausführungsbeispiel, sondern auch allgemein und generell, dass das Steuernetzwerk 4 auf einer einzigen physikalischen Netzwerkstruktur und -architektur beruht, jedoch diese physikalische Netzwerkstruktur in unterschiedlichen Betriebsmodi betrieben werden kann.
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Solche Betriebsmodi können dann voneinander durch beispielsweise Schaltzustände oder topologische Unterscheidungsmerkmale voneinander unterschieden werden.
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Mit anderen Worten nutzen die einzelnen Netzwerksegmente 60, 61, 62 zwar bevorzugt die gleichen Datentransferleitungen, jedoch sind die Netzwerksegmente 60, 61, 62 durch die VLAN-IDs 51, 52, 53 voneinander eindeutig und in diesem Ausführungsbeispiel sogar eineindeutig unterscheidbar.
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Erfindungsgemäß ist es nämlich so, dass der Teilnehmer, also Host, der einzelnen Netzwerksegmente 60, 61, 62 in Abhängigkeit durch den einzigen VLAN-Switch 5 durch jeden anderen Teilnehmer, also Hosts, der Netzwerksegmente 60, 61, 62 ansteuerbar ist. In jedem der Steuerelemente 3 ist nämlich eine entsprechende VLAN-ID der jeweiligen Netzwerksegmente 60, 61, 62 hinterlegt.
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Dabei basieren nämlich, und dies ist nicht nur beschränkt auf vorliegendes Ausführungsbeispiel, im Allgemeinen die einzelnen Kommunikationsverbindungen eines jeden der Netzwerksegmente 60, 61, 62, auf OPC UA-Verbindungen entsprechend des OPC-UA-Standards.
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Dabei könnten pro Steuerung mehrere OPC UA-Endpunkte der einzelnen Steuerelemente 3 mit unterschiedlichen IP-Adressen, VLAN-IDs und entsprechenden Priorisierungen gemäß dem Standard IEEE 802.1Q zur Verfügung stehen.
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Des Weiteren ist es im vorliegenden Ausführungsbeispiel so, dass die Datenaufbereitung des OPC UA-Servers pro OPC UA-Endprodukt eine priorisierte Task (auch Handlungsanweisung) zur Verfügung stellt und typischerweise entsprechend der Priorität des zugehörigen Netzwerksegments 60, 61, 62 konfiguriert wird.
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Dabei werden die Daten an einem höher priorisierten Endpunkt bevorzugt bereitgestellt bzw. abgearbeitet, wie dies beispielsweise in der 2 besonders eingängig dargestellt ist. Dort ist nämlich das in der 1 dargestellte Netzwerk im Hinblick auf deren logische Strukturierung näher dargestellt, wobei das Bezugszeichen 60 für das logische Netzwerksegment „Büro“ steht, welche Verbindungen mit niedrigerer Priorität hat. Angedeutet und mit jeweils einer Strichpunktlinie umrandet sind daher jeweils diejenigen IP-Adressen welche zu dem jeweiligen Netzwerk gehören. Mit anderen ist in der 2 jeweils eine Konfiguration eines OPC UA-Endpunkts pro Steuerung pro Netzwerksegment beschrieben.
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Das Bezugszeichen 61, welches für ein logisches Netz „Peripherie“ steht, hat Verbindungen mit einer mittleren Priorität und wobei das Bezugszeichen 62 für ein logisches Netz „Maschine“ steht, welches Verbindungen mit einer hohen Priorität aufweist.
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In der 3 ist nun schließlich dargestellt, wie die einzelnen Netzwerke 60, 61, 62 (Netzwerk „Büro“, „Peripherie“, „Maschine“) in Form ihrer OPC UA-Endpunkte in den einzelnen Steuerelementen 3 hinterlegt sind.
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Erkennbar ist nämlich, dass die VLAN-ID 51 den Wert 10, die VLAN-ID 52 den Wert 20 und die VLAN-ID 53 den Wert 30. Entsprechend trägt dann die erste VLAN-ID die Priorität 1, die zweite VLAN-ID 52 den Wert 20 (Priorität 4) und die dritte VLAN-ID 53 den Wert 30 (Priorität 7) zugewiesen bekommen hat, sodass beispielsweise eine Priorisierung entsprechend der Reihenfolge beginnt mit der VLAN-ID 51 und eine Priorisierungsfolge 1-4-7 ergibt.
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Die Erfindung ist anhand der Beschreibung und des Ausführungsbeispiels beschränkt sondern die Erfindung umfasst jedes neue Merkmale, sowie jede Kombination von Merkmalen, was auch insbesondere jede Kombination der Patentansprüche beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder dem Ausführungsbeispiel angegeben ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Datennetzwerk
- 2
- Steuerungseinrichtung
- 3
- Steuerelemente
- 4
- Steuernetzwerk
- 5
- V-LAN-Switch
- 10
- V-LAN-ID 51
- 20
- V-LAN-ID 52
- 30
- V-LAN-ID 53
- 51, 52, 53
- V-LAN-IDs
- 60, 61, 62
- Netzwerksegmente
- 100
- Kommunikationssystem
- 200
- Verfahren zum Betreiben des Kommunikationssystems 100
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Industriestandard IEEE 802.1Q [0014]
- Standard IEEE 802.1Q [0015]
- 802.1Q-Standard [0017]
- Standard IEEE 802.1Q [0022]
- Standards IEEE 802.1Q [0024]
- Standard IEEE 802.1Q [0050]
