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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Gesamtnetzwerkanalyse eines auf Industrial Ethernet basierenden Automatisierungsnetzwerkes.
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In der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Beispiele für derartige Feldgeräte sind Füllstandsmessgeräte, Massedurchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte etc., die als Sensoren die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck bzw. Temperatur erfassen.
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Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, z. B. Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann.
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Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten.
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Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
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Zunehmend werden etablierte Feldbusprotokolle wie Profibus oder Foundation Fieldbus durch Industrial Ethernet ersetzt. Hierbei stellt Industrial Ethernet einen Obergriff dar, welcher alle Bestrebungen, den Ethernet-Standard für die Vernetzung von Geräten, die in der industriellen Automatisierungstechnik eingesetzt werden, nutzbar zu machen, umfasst.
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Unter den Begriff Industrial Ethernet fallen somit beispielsweise EtherNet/IP, Modbus TCP, EtherCAT, PROFINET oder Powerlink.
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Gerade PROFINET und/oder EtherNet/IP bieten Konzepte für die Diagnose des Automatisierungsnetzwerks an. So können Feldgeräte, im Folgenden auch als Netzwerteilnehmer bezeichnet, bspw. über Alarme Geräte-Diagnoseinformationen, welche sich auf den Gerätezustand beziehen, über den Feldbus versenden. Auch Tools, welche an Switche angeschlossen werden, bieten die Möglichkeit der Diagnose an. Diese Geräte-Diagnoseinformationen können von jedem Ort über sogenannte Supervisor-Stationen, im Folgenden auch als übergeordnete Einheiten bezeichnet, empfangen und ausgewertet werden.
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Bei der Diagnose bzw. Analyse des Ethernet-Netzwerkes basierend auf dem Standard IEEE 802.3, welcher die Grundbasis der Kommunikation von PROFINET und EtherNet/IP darstellt, sind die Möglichkeiten der Diagnose bzw. Analyse jedoch auf Teilstücke des Netzwerkes beschränkt. So können bspw. an Switches Netzwerk-Diagnoseinformationen, welche sich auf das Netzwerk beziehen (z.B. Datenvolumen je Port), abgefragt oder durch Diagnosereports an den Switches Protokollanalysen (z.B. Wireshark) durchgeführt werden. Diese Diagnose bzw. Analyse ist jedoch örtlich auf ein Teilsegment des EtherNet/IP oder PROFINET-Netzwerkes begrenzt.
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Eine Möglichkeit den Zustand des ganzen bzw. des gesamten Netzwerkes an jedem beliebigen Netzwerkpunkt abzugreifen, um Aufschluss über die Güte des Gesamtnetzwerkes und/oder Trendaussagen dieses betreffend zu erhalten, ist momentan nicht gegeben.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, mit welchem eine Diagnose bzw. Analyse über ein Teilsegment des gesamten Netzwerkes hinaus möglich ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Gesamtnetzwerkanalyse eines auf Industrial Ethernet basierenden Automatisierungsnetzwerkes, vorzugsweise ein PROFINET und/oder EtherNet/IP basiertes Automatisierungsnetzwerk gelöst, wobei das Automatisierungsnetzwerk zumindest eine Steuerung und wenigstens einen Netzwerkteilnehmer, vorzugsweise mehrere Netzwerkteilnehmer, aufweist und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- – Bereitstellen von jeweils einer definierten Menge an Netzwerkparametern, welche die Diagnose und/oder Kommunikation des Industrial Ethernet basierten Automatisierungsnetzwerks betreffen, in allen Netzwerkteilnehmern;
- – Verfügbar machen der jeweiligen definierten Menge an Netzwerkparametern durch jeden der Netzwerkteilnehmer,
- – Durchführen einer Gesamtnetzwerkanalyse an einem beliebigen Netzzugangspunkt mittels der jeweiligen durch alle Netzwerteilnehmer zur Verfügung gestellten definierten Menge an Netzwerkparametern.
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Im Sinne der vorliegenden Anmeldung sollen als Netzwerkparameter solche Parameter verstanden werden, die sich ausschließlich auf die Diagnose und/oder Kommunikation zwischen Netzwerkteilnehmern und Steuerung beziehen. Somit unterscheiden sich die Netzwerkparameter von den Geräteparametern, welche sich ausschließlich auf die Konfiguration eines einzelnen Gerätes bzw. Netzwerkteilnehmers beziehen.
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Weiterhin soll unter Bereitstellen das Herunterschreiben bzw. der Upload von Netzwerkparametern aus der Steuerung in einen Netzwerkteilnehmer und/oder das Berechnen eines Netzwerkparameters durch den Netzwerkteilnehmer selbst verstanden werden.
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Im Gegensatz hierzu soll unter verfügbar machen im Sinne der vorliegenden Anmeldung das zugänglich machen (Veröffentlichen) der Netzwerkparameter durch einen Netzwerkteilnehmer verstanden werden. Dieses zugänglich machen kann in der Form erfolgen, dass die Netzwerkparameter bspw. über ein Notebook, Laptop, Smartphone, etc. aus dem entsprechenden Netzwerkteilnehmer auslesbar sind, um sie einem Servicetechniker zugänglich zu machen bzw. anzuzeigen.
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Im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist ferner unter dem Begriff Gesamtnetzwerkanalyse die Möglichkeit den Zustand des ganzen bzw. gesamten Netzwerkes zu analysieren bzw. zu diagnostizieren zu verstehen. Somit umfasst der Begriff der Gesamtnetzwerkanalyse insbesondere auch die Analyse über ein Teilsegment des Netzwerkes hinaus.
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Erfindungsgemäß wird also eine definierte Menge an Netzwerkparametern, welche die Diagnose und/oder Kommunikation des Industrial Ethernet basierten Automatisierungsnetzwerkes betreffen, in allen Netzwerkteilnehmern vorgehalten bzw. gespeichert. Oder anders ausgedrückt, jeder Netzwerkteilnehmer hält eine definierte Menge an Netzwerkparametern bereit, wobei alle Netzwerkteilnehmer dieselbe definierte Menge an Netzwerkparametern bzw. dieselben Werte zu den Netzwerkparametern speichert. Auf diese Weise lässt sich bspw. mittels einer übergeordneten Einheit bzw. Supervisor-Station auf alle der jeweiligen definierten Menge an Netzwerkparametern, die in jedem der Netzwerkteilnehmer verfügbar gemacht werden, von jedem Netzzugangspunkt des Netzwerkes aus zugreifen, umso eine Gesamtnetzwerkanalyse zu ermöglichen.
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Im Gegensatz zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren muss somit nicht mehr an mehreren Netzwerksegmenten eine Analyse bzw. Abfrage durchgeführt werde, um eine Gesamtnetzwerkanalyse zu erhalten, sondern es bedarf lediglich nur noch einer einzigen Abfrage, welche von einer beliebigen Stelle im Netzwerk aus erfolgen kann.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die definierte Menge an Netzwerkparametern zumindest einen, vorzugsweise zwei, besonders bevorzugt drei der folgenden Netzwerkparameter aufweist:
- – Watch-Dog-Faktor des jeweiligen Netzwerkteilnehmers,
- – Jitter des jeweiligen Netzwerkteilnehmers,
- – Delay des jeweiligen Netzwerkteilnehmers, oder
- – Erzeugte Buslast des jeweiligen Netzwerkteilnehmers.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass zum Bereitstellen der definierten Menge an Netzwerkparametern ein Netzwerkprotokoll verwendet wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass als Netzwerkprotokoll ein Simple Network Management Protokoll (Kurzform: SNMP) verwendet wird.
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Eine alternative Ausführungsform hierzu sieht vor, dass als Netzwerkprotokoll ein Protokoll verwendet wird, welches die Fähigkeit aufweist Daten, insbesondere Netzwerkparameter, verteilt auszulesen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass zum Verfügbar machen der definierten Menge an Netzwerkparametern eine Datenbank verwendet wird. Insbesondere sieht die Ausführungsform vor, dass als Datenbank eine auf einer Management Information Base (Kurzform: MIB) basierende Datenbank verwendet wird.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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1: ein aus dem Stand der Technik geläufiges Automatisierungsnetzwerk,
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2: eine exemplarische Darstellung eines Automatisierungsnetzwerks als Grundlage für das erfindungsgemäße Verfahren.
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1 zeigt ein aus dem Stand der Technik geläufiges Automatisierungsnetzwerk 1 bspw. eine PROFINET oder EtherNet/IP basiertes Automatisierungsnetzwerk 1. Dieses umfasst eine Steuerung 2, die die Automatisierungsaufgabe kontrolliert, ein Supervisor 6, welcher ein Entwicklungs-Werkzeug darstellt, welches typischerweise auf einem Personal Computer (PC), einem Handy, etc. basiert und der Parametrierung und Diagnose dient, sowie ein oder mehrere Netzwerkteilnehmer 3. Als Netzwerteilnehmer sind in 1 exemplarisch zwei miteinander verbundene Remote I/Os 3a sowie mehrere Switches 3b, an denen wiederum diverse Feldgeräte 3c als Netzwerkteilnehmer hängen, dargestellt.
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Eine mögliche Netzwerkdiagnose in einem solchen Automatisierungsnetzwerk 1 ist immer auf ein Teilsegment bzw. einen Teilbereich des Netzwerkes beschränkt. So sieht bspw. der in 1 dargestellte Supervisor 6 nur den Jitter, Netzlast zur Steuerung 2 hin. Andere Netzwerkbereiche werden von dem Supervisor 6 nicht gesehen bzw. erfasst. Beispielsweise kann der Supervisor 6 eine zwischen den Switches 3b auftretende hohe Netzwerklast nicht erkennen bzw. lokalisieren. Hierfür müsste ein Supervisor 6 in jeder Netzwerkverbindung, also bspw. zwischen den einzelnen Switches 3b, implementiert werden, umso eine Gesamtnetzwerkanalyse durchführen zu können.
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2 zeigt eine exemplarische Darstellung eines Automatisierungsnetzwerkes 1 für das erfindungsgemäße Verfahren. Der Aufbau ist dabei im Wesentlichen gleich wie in 1. Unterschiedlich ist jedoch, dass nun alle Netzwerkteilnehmer 3a, 3b, 3c sowie die Steuerung 2 einen Datenspeicher 7 aufweisen und in dem Datenspeicher 7 eine definierte Menge an Netzwerkparametern 4 gespeichert wird (aus Übersichtsgründen ist in 2 nur in einigen Netzwerkteilnehmern die definierte Menge an Netzwerkparametern dargestellt). Die Netzwerkteilnehmer 3a, 3b, 3c und die Steuerung 2 sind dabei über einen Feldbus 8, welcher ein entsprechendes Protokoll 9 aufweist, miteinander verbunden. Als ein vorteilhaftes Protokoll 9 hat sich ein Simple Network Management Protocol (kurz: SNMP) erwiesen. Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zur Verwaltung der definierten Menge an Netzwerkparametern 4 in den jeweiligen Netzwerkteilnehmern eine Management Information Base 2 (kurz: MIB2) eingesetzt wird.
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Mittels eines Automatisierungsnetzwerks 1, welches wie zuvor beschrieben aufgebaut ist, lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren gemäß entsprechend den nachfolgenden Schritten durchführen:
- 1. Steuerung 2 startet das Automatisierungsnetzwerk 1 und alle Netzwerkteilnehmer (Remote I/Os, Switches, Feldgeräte) 3a, 3b, 3c sind an dem zyklischen Datenaustausch des Netzwerkes beteiligt.
- 2. In den Netzwerkteilnehmer 3a, 3b, 3c wird jeweils die definierte Menge an Netzwerkparametern 4 bereitgestellt, sodass alle Netzwerkteilnehmer 3a, 3b, 3c dieselbe definierte Menge an Netzwerkparameter 4 in ihren jeweiligen Datenspeichern 7 vorhalten. Dieser Schritt kann entweder so erfolgen, dass die Werte des jeweiligen Netzwerkparameters der definierten Menge 4 aus der Steuerung 2 in die jeweiligen Netzwerkteilnehmer 3a, 3b, 3c heruntergeschrieben wird oder, dass der jeweilige Netzwerkteilnehmer 3a, 3b, 3c die Werte des jeweiligen Netzwerkparameters der definierten Menge 4 anhand von gesammelten Informationen selbstständig ermittelt, bspw. berechnet.
Exemplarisch sind in 2 die folgenden Netzwerkparameter dargestellt:
– Watch-Dog-Faktor des jeweiligen Netzwerkteilnehmers,
– Jitter des jeweiligen Netzwerkteilnehmers,
– Delay des jeweiligen Netzwerkteilnehmers,
– erzeugte Buslast des jeweiligen Netzwerkteilnehmers.
Es versteht sich von selbst, dass die definierte Menge an Netzwerkparametern 4 darüber hinaus noch weitere Netzwerkparameter aufweisen kann oder bspw. nur aus einem, oder zwei, oder drei, der obenstehenden Netzwerkparameter besteht. Wichtig ist nur, dass in allen Netzwerkteilnehmern der gleiche bzw. die gleichen Netzwerkparameter bereitgestellt wird bzw. werden.
- 3. Nachdem die Werte der jeweiligen Netzwerkparameter der definierten Menge 4 in allen Netzwerkteilnehmern 3a, 3b, 3c bereitgestellt wurden, können diese durch die entsprechenden Netzwerkteilnehmer 3a, 3b, 3c verfügbar gemacht werden. Beispielsweise kann ein Supervisor 6, der an einem beliebigen Netzzugangspunkt angeschlossen sein kann, sämtliche Werte der definierten Menge an Netzwerkparameter 4 von allen Netzwerkteilnehmern 3a, 3b, 3c einlesen und bspw. einem Bediener anzeigen. Ferner kann vorgesehen sein, dass in dem Fall, dass der Supervisor Zugang zu einem übergeordneten System (nicht dargestellt) hat, welche sich bspw. hinter einer Firewall 10 befindet, die Werte der definierten Menge an Netzwerkparametern 4 auch diesem übergeordneten System zugänglich macht.
- 4. Durch das Verfügbar machen der jeweiligen definierten Menge an Netzwerkparametern 4 lässt sich eine Gesamtnetzwerkanalyse durchführen. Somit kann eine Aussage bspw. über die Netzwerkgüte des Gesamtnetzwerkes von jedem Netzzugangspunkt aus getroffen werden. Die Analyse des gesamten Netzwerkes lässt dabei zahlreiche Diagnosemöglichkeiten wie bspw. Jitter des Gesamtnetzwerkes, Delay des Gesamtnetzwerkes, Watch-Dog des Gesamtnetzwerkes, Gesamtnetzlast, Netzlast in einem oder mehreren Teilsegmenten zu. Daneben kann auch eine Analyse von abgeleiteten Größen, wie bspw. Topologie der Anlage bzw. des Netzwerkes mit Kabellängenberechnung erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Automatisierungsnetzwerk
- 2
- Steuerung
- 3a
- Remote I/O als Netzwerkteilnehmer
- 3b
- Switch als Netzwerkteilnehmer
- 3c
- Feldgerät als Netzwerkteilnehmer
- 4
- Definierte Menge an Netzwerkparametern
- 5
- Netzzugangspunkt
- 6
- Supervisor bzw. Supervisorstation
- 7
- Datenspeicher
- 8
- Feldbus
- 9
- Protokoll
- 10
- Firewall
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Standard IEEE 802.3 [0009]
