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Die Erfindung betrifft einen Koppler für ein Automatisierungssystem.
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Ein Feldbus ist ein Bussystem, das in einer Anlage Feldgeräte wie Messfühler (Sensoren) und Stellglieder (Aktoren) zwecks Kommunikation mit einem Automatisierungsgerät verbindet. Für die Kommunikation gibt es normierte Protokolle. Es sind viele unterschiedliche Feldbussysteme mit unterschiedlichen Eigenschaften am Markt etabliert. Seit 1999 werden Feldbusse in der Norm IEC 61158 (Digital data communication for measurement and control - Fieldbus for use in industrial control systems) standardisiert. Die aktuelle Generation der Feldbustechnik basiert auf Echtzeit-Ethernet. Bekannte Feldbusse sind beispielsweise Ethernet-/IP, PROFIBUS, PROFINET oder EtherCAT.
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Eine physische Schnittstelle PHY (engl. PHYsical Layer) ist eine Schaltung in der Computer- und Nachrichtentechnik, die für die Kodierung und Dekodierung von Daten zwischen einer rein digitalen Schaltung und einem modulierten analogen System, beispielsweise einer Übertragung über das Twisted-Pair-Kabel, zuständig ist. Eine physische Schnittstelle ist beispielsweise in einem Feldbusteilnehmer implementiert und dient zur Kommunikation über den Feldbus. Die physische Schnittstelle dient dabei dem digitalen Zugriff auf den moduliert betriebenen Kanal (Kabel).
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Aus der
EP 1 590 927 B1 ist ein Koppler für ein Netzwerk mit Ringtopologie und ein Netzwerk (Feldbus) bekannt, das auf Ethernet basiert. Falls sich die Übertragungsphysik des Ethernet-Netzwerkes von dem des ringförmigen Übertragungsweges unterscheidet, ist im Koppler eine Verarbeitungseinrichtung notwendig, um ein Ethernet-Telegramm von der Übertragungsphysik des Ethernet-Netzwerkes auf die des ringförmigen Übertragungsweges umzusetzen. Diese Verarbeitungseinheit ist zwischen der externen Schnittstelle und internen Schnittstelle des Kopplers angeordnet. Weiterhin können von der Verarbeitungseinheit notwendige Änderungen am Ethernet-Telegramm vorgenommen werden, um den Ethernet-Standard für auf dem Übertragungswege ausgegebene modifizierte Ethernet-Telegramme zu garantieren, z.B. durch Vertauschung von Quell- und Zieladresse und Neuberechnung einer Ethernet-Checksumme.
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Aus der
EP 2 274 655 B1 ist ein Verfahren und ein Buskoppler zum Austauschen von Daten zwischen einem überlagerten und einem unterlagerten Netzwerk vorgesehen. Der Buskoppler weist eine externe Schnittstelle zur Anbindung an ein externes Netzwerk (überlagertes Bussystem), auf dem netzwerkspezifische Telegramme übertragen werden können, auf. Der Buskoppler weist eine interne Schnittstelle zur Anbindung einer Mehrzahl von Busteilnehmern in Reihe an einen ringförmigen Übertragungsweg eines unterlagerten Bussystems auf. Der Buskoppler weist eine Umsetzungseinrichtung auf, welche derart ausgebildet ist, dass sie ein über die externe Schnittstelle empfangenes netzwerkspezifisches Telegramm in ein internes Datentelegramm zur Übertragung über den ringförmigen Übertragungsweg umsetzten kann. Dabei enthält das Datentelegramm keine Steuerdaten des netzwerkspezifischen Telegramms. Die Umsetzungseinrichtung entfernt den Steuerdaten enthaltenen Ethernetheader aus jedem empfangenen Ethernet-Telegramm und schreibt nur die im Datenfeld übertragenen Nutzdaten in ein Datenfeld des internen Datentelegramms. Die Ethernet-Telegramme werden in gleich lange interne Datentelegramme umgesetzt. Die Datentelegramme werden über die Sendeeinrichtung des Buskopplers dem unterlagerten Bussystem übergeben und über die Busteilnehmer wieder zurück zur Empfangseinrichtung des Kopplers übertragen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Koppler auszubilden, der möglichst flexibel ist. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
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Demzufolge ist ein Koppler für ein Automatisierungssystem vorgesehen. Das Automatisierungssystem dient zur Steuerung eines Prozesses. Das Automatisierungssystem weist beispielsweise eine Leitstelle mit einer SPS (Speicher-Programmierbare Steuerung, Engl. PLC - Programmable Logic Controller) auf. Die SPS ist vorteilhafterweise mittels eines Ethernet-basierten Netzwerks (Feldbus) mit einer Vielzahl von Geräten zur Steuerung des Prozesses verbunden. Es können jedoch auch andere Automatisierungssysteme vorgesehen sein. Der Koppler verbindet ein Ethernet-basiertes Netzwerk mit einem Lokalbus.
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Hierzu weist der Koppler eine Netzwerk-Schnittstelle auf zum Anschluss an ein Ethernet-basiertes Netzwerk zum Empfang eines Ethernet-Telegramms mit Prozessdaten des Prozesses und mit Steuerdaten. Eine Netzwerk-Schnittstelle ist dabei im Sinne von mindestens einer Netzwerk-Schnittstelle zu verstehen, so dass der Koppler genau eine oder mehrere Netzwerk-Schnittstellen aufweisen kann. Vorteilhafterweise ist der Koppler zudem eingerichtet, über die Netzwerk-Schnittstelle Prozessdaten des Prozesses an andere - an das Ethernet-basierte Netzwerk angeschlossene - Geräte zu senden. Die Netzwerk-Schnittstelle weist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine Anschlussmechanik (Buchse) auf.
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Der Koppler weist eine Lokalbus-Schnittstelle zum Anschluss an einen Lokalbus zur Übertragung eines Lokalbus-Telegramms auf. Eine Lokalbus-Schnittstelle ist dabei im Sinne von mindestens einer Lokalbus-Schnittstelle zu verstehen, so dass der Koppler genau eine oder mehrere Lokalbus-Schnittstellen aufweisen kann. Vorteilhafterweise ist der Koppler eingerichtet, über die Lokalbus-Schnittstelle Prozessdaten des Prozesses an zumindest einen an den Lokalbus angeschlossenen Lokalbusteilnehmer zu senden und/oder Prozessdaten von zumindest einem Lokalbusteilnehmer zu empfangen. Vorteilhafterweise unterscheidet sich der Typ der Netzwerk-Schnittstelle und der Typ der Lokalbus-Schnittstelle. Aufgrund der in diesem Fall unterschiedlichen Übertragungsphysik des Ethernet-basierten Netzwerks und des Lokalbusses, ist der Koppler vorzugsweise eingerichtet, das Ethernet-Telegramm von der Übertragungsphysik des Ethernet-basierten Netzwerks auf die Übertragungsphysik des Lokalbusses umzusetzen. Die Lokalbus-Schnittstelle weist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine Anschlussmechanik, z.B. in Form von metallischen Kontakten auf. Darüber hinaus weist der Koppler in anderen Weiterbildungen der Erfindung weitere elektrische und/oder mechanische Funktionen auf.
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Der Koppler weist eine zwischen der Netzwerk-Schnittstelle und der Lokalbus-Schnittstelle ausgebildete Schaltung auf. Eine Schaltung ist dabei im Sinne von mindestens einer Schaltung zu verstehen, so dass der Koppler genau eine oder mehrere Schaltungen aufweisen kann. Vorteilhafterweise ist die Schaltung als digitale elektronische Schaltung an die Netzwerk-Schnittstelle und an die Lokalbus-Schnittstelle angeschlossen. Die Schaltung ist dabei zur Durchführung von Funktionen des Kopplers ausgebildet. Die Schaltung ist beispielweise auf einem Schaltungsträger ausgebildet und vorteilhafterweise in einem oder mehreren Halbleiterchips integriert. Dies schließt nicht aus, dass die Netzwerk-Schnittstelle und/oder die Lokalbus-Schnittstelle eine schnittstellenbezogene Schnittstellenschaltung aufweist.
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Die Schaltung weist eine Rechenschaltung zum Holen der Prozessdaten aus einem Nutzdatenbereich des Ethernet-Telegramms auf. Der Nutzdatenbereich wird auch als Payload bezeichnet. Eine Rechenschaltung ist dabei im Sinne von mindestens einer Rechenschaltung zu verstehen, so dass der Koppler genau eine oder mehrere Rechenschaltungen aufweisen kann. Die empfangenen Prozessdaten sind vorzugsweise einem oder mehreren Lokalbusteilnehmern zugeordnet. Entsprechend sollen die empfangenen Prozessdaten an Lokalbusteilnehmer über den Lokalbus weitergeleitet werden.
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Die Schaltung weist eine von der Rechenschaltung verschiedene erste Datenfilterschaltung zur Ausfilterung von einer vorbestimmten Teilmenge der Steuerdaten aus einem dem Nutzdatenbereich vorangestellten Header/Kopf des Ethernet-Telegramms auf. Eine erste Datenfilterschaltung ist dabei im Sinne von mindestens einer ersten Datenfilterschaltung zu verstehen, so dass der Koppler genau eine oder mehrere erste Datenfilterschaltungen aufweisen kann. Die Teilmenge der Steuerdaten ist dabei genau dann vorbestimmt, wenn in der Schaltung eine Regel hinterlegt ist, die die Teilmenge begrenzt. Beispielsweise kann die Teilmenge vorbestimmt sein durch Grenzen der Teilmenge, die in der Schaltung definiert, insbesondere gespeichert sind. Unter Steuerdaten sind Daten im Header/Kopf des Ethernet-Telegramms zu verstehen, die Steuerungsfunktionen zugeordnet sind, wie beispielweise die Destination MAC, Source MAC oder EtherType. Die erste Datenfilterschaltung ist dann von der Rechenschaltung verschieden, wenn beide Schaltungen parallel zumindest die Funktionen des Holens und der Ausfilterung durchführen können. Vorteilhafterweise sind die Rechenschaltung und die erste Datenfilterschaltung derart ausgebildet, dass das Holen der Prozessdaten und die Ausfilterung der Teilmenge der Steuerdaten voneinander unabhängig erfolgt. Die Ausfilterung der Teilmenge der Steuerdaten erfolgt beispielsweise, indem die Teilmenge der Steuerdaten von den übrigen Steuerdaten getrennt wird. Die Schaltung ist vorteilhafterweise eingerichtet, die von den übrigen Steuerdaten getrennte Teilmenge der Steuerdaten zwischen zu speichern.
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Die Schaltung ist eingerichtet, das Lokalbus-Telegramm zu erzeugen und in das Lokalbus-Telegramm die Prozessdaten und die vorbestimmte Teilmenge der Steuerdaten einzufügen. Vorzugsweise sind ein Protokoll des Lokalbus-Telegramms und ein Protokoll des Ethernet-Telegramms verschieden. Vorzugsweise ist das Lokalbus-Telegramm kürzer als das Ethernet-Telegramm. Vorzugsweise weist das Lokalbus-Telegramm einen Kopf/Header und einen Nutzdatenbereich/Payload auf. In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die Prozessdaten und die vorbestimmte Teilmenge der Steuerdaten in den Nutzdatenbereich des Lokalbus-Telegramms eingefügt. In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung werden die Prozessdaten in den Nutzdatenbereich des Lokalbus-Telegramms und die vorbestimmte Teilmenge der Steuerdaten in den Kopf/Header des Lokalbustelegramms eingefügt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die erste Datenfilterschaltung zur Einstellung der vorbestimmten Teilmenge der Steuerdaten eingerichtet. Die Einstellbarkeit der Teilmenge ermöglicht es, die Daten im Header auszuwählen, die ausgefiltert werden sollen. Durch die Einstellung der Teilmenge der Steuerdaten kann beispielsweise zwischen einer Destination MAC oder einer Source MAC oder einem EtherType als Teilmenge der Steuerdaten gewählt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die erste Datenfilterschaltung einen Eingang zur Einstellung der vorbestimmten Teilmenge der Steuerdaten auf. Vorteilhafterweise ist die Schaltung zur Einstellung der vorbestimmten Teilmenge der Steuerdaten über den Eingang der ersten Datenfilterschaltung eingerichtet. Der Eingang zur Einstellung der vorbestimmten Teilmenge der Steuerdaten ist beispielweise ein Register, in das die Grenzen der Teilmenge geschrieben werden können.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Schaltung zusätzlich zur ersten Datenfilterschaltung eine zweite Datenfilterschaltung zur Filterung der vorbestimmten Teilmenge der Steuerdaten auf. Eine zweite Datenfilterschaltung ist dabei im Sinne von mindestens einer zweiten Datenfilterschaltung zu verstehen, so dass der Koppler genau eine oder mehrere zweite Datenfilterschaltungen aufweisen kann. Vorzugsweise ist die zweite Datenfilterschaltung von der ersten Datenfilterschaltung verschieden, so dass beide Schaltungen getrennt zumindest die Funktion der Ausfilterung durchführen können.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Netzwerk-Schnittstelle eine erste physische Schnittstelle mit einer Sende-Verbindung (TX) und einer Empfangsverbindung (RX) und eine zweite physische Schnittstelle mit einer Sende-Verbindung (TX) und einer Empfangs-Verbindung (RX) auf. Entsprechend können die erste Datenfilterschaltung und die zweite Datenfilterschaltung unterschiedlich verbunden werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Netzwerk-Schnittstelle eine erste physische Schnittstelle auf. Die erste Datenfilterschaltung und die zweite Datenfilterschaltung sind mit derselben ersten physischen Schnittstelle der Schaltung verbunden. Insbesondere ist die erste Datenfilterschaltung mit einer Empfangs-Verbindung (RX) der ersten physischen Schnittstelle verbunden und die zweite Datenfilterschaltung ist mit einer Sende-Verbindung (TX) der ersten physischen Schnittstelle verbunden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die erste Datenfilterschaltung und die zweite Datenfilterschaltung mit unterschiedlichen physischen Schnittstellen der Netzwerk-Schnittstelle verbunden. Insbesondere ist die erste Datenfilterschaltung mit einer Empfangs-Verbindung (RX) der ersten physischen Schnittstelle verbunden und die zweite Datenfilterschaltung ist mit einer Empfangs-Verbindung (RX) der zweiten physischen Schnittstelle verbunden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist ein Dateneingang der Datenfilterschaltung an einen Ausgang einer physischen Schnittstelle angeschlossen. Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist ein Dateneingang der Datenfilterschaltung an einen Eingang einer physischen Schnittstelle angeschlossen. Hierdurch können sowohl eingehende als auch ausgehende Ethernet-Telegramme gefiltert werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind zwei erste Datenfilterschaltungen mit einer ersten physischen Schnittstelle (RX/TX) und zwei zweite Datenfilterschaltungen mit einer zweiten physischen Schnittstelle (RX/TX) der Schaltung verbunden. Durch diese vier Datenfilterschaltungen können bei zwei RJ45 Steckern alle eingehenden und ausgehenden Ethernet-Telegramme gefiltert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die erste Datenfilterschaltung einen Zähler auf. Vorteilhafterweise ist die erste Datenfilterschaltung eingerichtet, zum Abzählen von Dateneinheiten des Ethernet-Telegramms durch Inkrementierung oder Dekrementierung eines Zählerwerts. Die Dateneinheiten des Ethernet-Telegramms sind beispielsweise Bits, Nibbles oder Bytes. Vorteilhafterweise ist die erste Datenfilterschaltung eingerichtet, zur Filterung der vorbestimmten Teilmenge der Steuerdaten basierend auf dem Zählerwert. Beispielweise wird der Zählerwert mit zumindest einem festen oder einstellbaren Vergleichswert verglichen. Die Filterung wird dann basierend auf einem Vergleichsergebnis durchgeführt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Datenfilterschaltung eingerichtet, eine Kennung zu einem Typ des empfangenen Ethernet-Telegramms herauszufiltern. Der Typ des Ethernet-Telegramms wird auch als EtherType bezeichnet und bildet entsprechend die Teilmenge der Steuerdaten.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Schaltung eingerichtet, vor dem Einfügen der vorbestimmten Teilmenge der Steuerdaten diese zu bearbeiten. Durch die Bearbeitung sind die einzufügenden Daten nach wie vor Steuerdaten der Teilmenge. Beispielweise ist deren Format für den Lokalbus angepasst. Vorzugsweise ist die Schaltung eingerichtet, vor dem Einfügen der vorbestimmten Teilmenge der Steuerdaten diese zu komprimieren. Beispielsweise werden vier verschiedene EtherTyps empfangen, so dass diese Teilmenge der Steuerdaten auf zwei Bit komprimiert werden kann ohne Information zu verlieren. Die Bearbeitung, insbesondere die Komprimierung kann beispielweise mittels einer Tabelle LUT (LUT - engl. Look Up Table) erfolgen. Vorzugsweise ist die Schaltung eingerichtet, die bearbeitete, vorbestimmte Teilmenge der Steuerdaten in das Lokalbus-Telegramm einzufügen. Beispielweise werden zwei Bits für vier unterschiedliche EtherTypes in das Lokalbustelegramm eingefügt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Lokalbus-Telegramm einen Steuerdatenbereich, insbesondere einen Kopf, und einen Prozessdatenbereich, insbesondere eine Payload auf. Dabei werden die Prozessdaten in den Prozessdatenbereich des Lokalbus-Telegramms eingefügt. Der Prozessdatenbereich kann auch als Nutzdatenbereich bezeichnet werden. In einer ersten Weiterbildung ist die Schaltung eingerichtet, die Teilmenge der Steuerdaten ebenfalls in den Prozessdatenbereich des Lokalbus-Telegramms einzufügen. In einer zweiten, alternativen Weiterbildung ist die Schaltung eingerichtet, die Teilmenge der Steuerdaten in den Steuerdatenbereich des Lokalbus-Telegramms einzufügen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Schaltung einen M-Bit breiten Parallelbus auf. Beispielsweise weist der Parallelbus eine Breite von 32 Bit auf. Vorzugsweise sind die erste Datenfilterschaltung und die Rechenschaltung mit dem Parallelbus verbunden. Vorteilhafterweise ist die Schaltung eingerichtet, mittels des Parallelbusses die empfangenen Prozessdaten und die Teilmenge der Steuerdaten in einen Zwischenspeicher für die Erzeugung des Lokalbus-Telegramms zu kopieren. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Schaltung einen DMA-Controller (DMA - engl. Direct Memory Access) zur Steuerung des Kopierens der Prozessdaten und der Teilmenge der Steuerdaten auf. Der DMA-Controller wird auch als Speicherdirektzugriffskontroller bezeichnet.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Automatisierungssystem zur Steuerung eines Prozesses mit zumindest einem Koppler, wie dieser vorhergehend oder in der Figurenbeschreibung erläutert ist.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Kopplers für ein Automatisierungssystem, mit den Schritten:
- - Empfangen eines Ethernet-Telegramms mit Prozessdaten des Prozesses und mit Steuerdaten über eine Netzwerk-Schnittstelle ausgebildet zum Anschluss an ein Ethernet-basiertes Netzwerk,
- - Übertragen eines Lokalbus-Telegramms über eine Lokalbus-Schnittstelle ausgebildet zum Anschluss an einen Lokalbus,
- - Holen von den Prozessdaten aus einem Nutzdatenbereich des Ethernet-Telegramms durch eine Rechenschaltung einer Schaltung des Kopplers,
- - Filterung von einer vorbestimmten Teilmenge der Steuerdaten aus einem Header des Ethernet-Telegramms durch eine von der Rechenschaltung verschiedene erste Datenfilterschaltung der Schaltung des Koppler,
- - Erzeugen des Lokalbus-Telegramms durch die Schaltung des Kopplers, wobei die Prozessdaten und die vorbestimmte Teilmenge der Steuerdaten in das Lokalbus-Telegramm zusammen eingefügt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung erfolgen die Schritte des Verfahrens in einer vorbestimmten Reihenfolge. Vorteilhafterweise wird das Lokalbus-Telegramm nach dem Holen der Prozessdaten und der Filterung der vorbestimmten Teilmenge erzeugt. Vorteilhafterweise werden die mit dem Ethernet-Telegramm empfangenen Prozessdaten durch die Recheneinheit geholt und zeitgleich die vorbestimmte Teilmenge der Steuerdaten durch die erste Datenfilterschaltung ausgefiltert. Es können noch zusätzliche Schritte als die zuvor Genannten im Verfahren vorgesehen sein.
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Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf die zuvor erläuterten Weiterbildungen beschränkt. So können die erläuterten Merkmale oder Teilmerkmale auch in anderer Zusammenstellung kombiniert werden. Mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in der Figurenbeschreibung erläutert. Dabei zeigen
- 1 einen schematischen Blockschaltplan eines Ausführungsbeispiels eines Automatisierungssystems mit einem Koppler;
- 2 einen schematischen Blockschaltplan eines Ausführungsbeispiels eines Kopplers;
- 3 ein schematisches Diagramm eines Ausführungsbeispiels mit einem Ethernet-Telegramm und einem Lokalbus-Telegramm;
- 4 einen Ausschnitt eines schematischen Blockschaltplans eines Ausführungsbeispiels eines Kopplers;
- 5 ein schematisches Diagramm, das einen Zeitausschnitt zeigt; und
- 6 einen schematischen Blockschaltplan eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Kopplers.
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1 zeigt einen schematischen Blockschaltplan eines Automatisierungssystems 1. Das Automatisierungssystem 1 weist ein Ethernet-basiertes Netzwerk 20 als Feldbus auf, an dem ein Koppler 10 angeschlossen ist. Das Ethernet-basierte Netzwerk 20 kann beispielsweise als EtherCAT-Feldbus öder PROFInet-Feldbus ausgebildet sein. Als physikalisches Übertragungsmedium kann ein Twisted-Pair-Kabel mit RJ45 Steckern/Buchsen dienen. Für einen geringen Verkabelungsaufwand sind die am Ethernet-basierten Netzwerk 20 angeschlossenen Geräte 21, 10, 22, 23 vorzugsweise in Reihe geschaltet. Das Ethernet-basierte Netzwerk 20 kann jedoch auch jede andere geeignete Topologie aufweisen. Das Ethernet-basierte Netzwerk 20 ist ausgebildet, Ethernet-Telegramme zu übertragen für eine Kommunikation von Teilnehmern 10, 21, 22, 23 untereinander. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist eine SPS 21 mit dem Ethernet-basierten Netzwerk 20 verbunden, wobei die SPS 21 mit den Knoten 10, 22, 23 im Automatisierungssystem 1 über das Ethernet-basierte Netzwerk 20 kommuniziert. Die SPS 21 kann beispielsweise als Leitstelle ausgebildet sein.
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Im Ausführungsbeispiel der 1 ist ein Koppler 10 dargestellt, der an das Ethernet-basierte Netzwerk 20 und an einen Lokalbus 30 angeschlossen ist. Unter einem Lokalbus 30 ist dabei ein Bus zu verstehen, der vom Ethernet-basierten Netzwerk 20 getrennt ist. Der Lokalbus 30 weist im Ausführungsbeispiel der 1 eine vom Ethernet-basierten Netzwerk 20 verschiedene Übertragungsart auf. Beispielsweise unterscheiden sich die auf dem Ethernet-basierten Netzwerk 20 und dem Lokalbus 30 verwendeten Protokolle. Ebenfalls können sich die Übertragungsphysik des Ethernet-basierten Netzwerks 20 und die des Lokalbusses 30 unterscheiden. Im Ausführungsbeispiel der 1 kommunizieren die Geräte 21, 22, 23 mit Lokalbus-Teilnehmern 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37 ausschließlich über den Koppler 10. Der Koppler 10 kann auch als Buskoppler bezeichnet werden. Die Lokalbus-Teilnehmer 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37 können dabei voneinander und vom Koppler 10 örtlich entfernt angeordnet sein. Vorteilhafterweise sind die Lokalbus-Teilnehmer 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37 jedoch in unmittelbarer Nähe zum Koppler 10 angeordnet. Bevorzugt weisen die Lokalbus-Teilnehmer 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37 eine mechanische Befestigung auf, zur Fixierung aneinander und insbesondere am Koppler 10. So kann eine kompakte Einheit erzeugt werden.
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Im Ausführungsbeispiel der 1 weisen die Lokalbus-Teilnehmer 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37 eine geringe Datenmenge auf, so dass nur wenige Daten geschrieben oder gelesen werden. Daher wird für die Daten der Lokalbus-Teilnehmer ein gemeinsames Ethernet-Telegramm genutzt, der die Lokalbus-Teilnehmer 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37 mit Prozessdaten versorgt. Der Koppler 10 weist eine Netzwerk-Schnittstelle 100 zum Anschluss an das Ethernet-basierte Netzwerk 20 auf. Über die Netzwerk-Schnittstelle 100 ist ein Ethernet-Telegramm mit Prozessdaten des Prozesses empfangbar. Weiterhin weist der Koppler 10 eine Lokalbus-Schnittstelle 200 zum Anschluss an den Lokalbus 30 auf. Über die Lokalbus-Schnittstelle 200 ist ein Lokalbus-Telegramm übertragbar. Der Koppler 10 wirkt also als Bindeglied zwischen dem Ethernet-basierten Netzwerk 20 und dem Lokalbus 30. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist der Koppler 10 im Lokalbussystem als Master (Meister) eingerichtet und die anderen Lokalbus-Teilnehmer 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37 sind als Slaves (Sklaven) ausgebildet.
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In der Ausbildung des Ausführungsbeispiels der 1 kann das Ethernet-basierte Netzwerk 20 auch als übergeordneter Bus oder überlagerter Bus und der Lokalbus 30 als untergeordneter oder unterlagerter Bus bezeichnet werden. Vorteilhafterweise ist der Lokalbus 30 als Ringbusstruktur ausgebildet, wobei ein Lokalbus-Telegramm die Lokalbus-Teilnehmer 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37 der Reihe nach in Abwärtsrichtung (Downstream) und/oder in Aufwärtsrichtung (Upstream) durchläuft und anschließend zum Koppler 10 zurückgelangt. Die Netzwerk-Schnittstelle 100 des Kopplers 10 weist Kontakte im Ausführungsbeispiel der 1, beispielsweise eine Buchse, zum Anschluss an das Ethernet-basierte Netzwerk 20 auf. Zudem kann die Netzwerk-Schnittstelle 100 eine Schnittstellenschaltung (z.B. Transceiver TRX - nicht dargestellt) zur Kommunikation aufweisen. Die Lokalbus-Schnittstelle 200 des Kopplers 10 weist Kontakte zum Anschluss an den Lokalbus 30 auf. Zudem weist die Lokalbus-Schnittstelle 200 im Ausführungsbeispiel der 1 eine Schnittstellenschaltung zum Senden und zum Empfangen von Lokalbus-Telegrammen über den Lokalbus 30 auf. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 können über das Ethernet-Netzwerk 20 Ethernet-Telegramm übertragen werden, wobei in unterschiedlichen Payloads mehrerer Ethernet-Telegramme Feldbuspakete mit unterschiedlichem Protokoll, beispielweise für ProfiNET oder EtherCAT enthalten sein können. Der Koppler 10 ist im Ausführungsbeispiel der 1 eingerichtet, Prozessdaten für unterschiedliche Feldbus-Protokolle auf dem Lokalbus 30 zu übertragen.
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Im Ausführungsbeispiel der 2 ist ein Koppler 10 als Blockschaltplan schematisch dargestellt. Der Koppler 10 hat eine Netzwerk-Schnittstelle 100 zum Anschluss an ein Ethernet-basiertes Netzwerk 20. Die Netzwerk-Schnittstelle 100 weist im Ausführungsbeispiel der 2 eine Buchse auf, an die das Ethernet-basierte Netzwerk 20 angeschlossen ist. Die Netzwerk-Schnittstelle 100 ist zum Empfang eines Ethernet-Telegramms eingerichtet, wobei das Ethernet-Telegramm Prozessdaten eines Prozesses und Steuerdaten aufweist. Zum Empfang des Ethernet-Telegramms weist die Netzwerk-Schnittstelle 100 eine Schnittstellenschaltung 110 auf. Die Schnittstellenschaltung 110 kann auch als physische Schnittstelle PHY bezeichnet werden.
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Der Koppler 10 hat zudem eine Lokalbus-Schnittstelle 200 zum Anschluss an einen Lokalbus 30. Die Lokalbus-Schnittstelle 200 weist im Ausführungsbeispiel der 2 elektrische Kontakte 250 auf, an die der Lokalbus 30 angeschlossen ist. Die Lokalbus-Schnittstelle 200 ist zur Übertragung eines Lokalbus-Telegramms eingerichtet, wobei das Lokalbus-Telegramm Prozessdaten für mehrere Lokalbusteilnehmer aufweisen kann. Zur Übertragung des Lokalbus-Telegramms weist die Lokalbus-Schnittstelle 200 eine Schnittstellenschaltung 220 auf.
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Der Koppler 10 hat eine Schaltung 130, die zwischen der Netzwerk-Schnittstelle 100 und der Lokalbus-Schnittstelle 200 ausgebildet ist. Die Schaltung 130 ist beispielsweise auf einem Schaltungsträger ausgebildet und kann eine Anzahl von integrierten Schaltkreisen aufweisen. Die Schaltung 130 hat eine erste Rechenschaltung 300 zum Holen von den Prozessdaten aus einem Nutzdatenbereich des Ethernet-Telegramms. Die erste Rechenschaltung 300 ist mit der Netzwerk-Schnittstelle 100 zum Einlesen des Ethernet-Telegramms verbunden. Vorteilhafterweise ist die erste Rechenschaltung 300 eingerichtet, die Prozessdaten zwischen zu speichern. Die erste Rechenschaltung 300 ist beispielsweise als Hardware-Logik in einem FPGA implementiert. Zusätzlich - in 2 jedoch nicht dargestellt - kann eine zweite Rechenschaltung vorgesehen sein. Die zweite Rechenschaltung ist beispielweise eingerichtet, Daten aus einem Ethernet-Telegramm mit anderem Feldbus-Protokoll zu holen. Alternativ ist die zweite Rechenschaltung beispielweise eingerichtet, Daten in ein Ethernet-Telegramm zu schreiben.
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Im Ausführungsbeispiel der 2 hat die Schaltung 130 eine erste Datenfilterschaltung 400 zur Ausfilterung von einer vorbestimmten Teilmenge der Steuerdaten aus einem dem Nutzdatenbereich vorangestellten Header des Ethernet-Telegramms. Die erste Datenfilterschaltung 400 ist dabei ebenfalls mit der Netzwerk-Schnittstelle 100 zum Einlesen des Ethernet-Telegramms verbunden. Vorteilhafterweise ist die erste Datenfilterschaltung 400 eingerichtet, die vorbestimmte Teilmenge der Steuerdaten zwischen zu speichern. Die erste Datenfilterschaltung 400 ist dabei von der ersten Rechenschaltung 300 verschieden. Demzufolge sind die erste Rechenschaltung 300 und die erste Datenfilterschaltung 400 voneinander getrennt, können dabei jedoch auf demselben Schaltungsträger oder innerhalb ein und desselben integrierten Schaltkreises separat ausgebildet sein. In der 2 sind die erste Rechenschaltung 300 und die erste Datenfilterschaltung 400 daher als zwei getrennte Blöcke dargestellt. Durch die Trennung von der ersten Rechenschaltung 300 und der ersten Datenfilterschaltung 400 ist es möglich, das Holen der Prozessdaten aus dem Nutzdatenbereich des Ethernet-Telegramms zeitgleich und unabhängig vom Ausfiltern der vorbestimmten Teilmenge der Steuerdaten aus dem Kopf/Header des Ethernet-Telegramms durchzuführen. Es ist auch möglich, die vorbestimmte Teilmenge der Steuerdaten auszufiltern, wenn keine Prozessdaten geholt werden.
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Im Ausführungsbeispiel der 2 ist die Schaltung 130 eingerichtet, das Lokalbus-Telegramm 3 zu erzeugen. Hierzu weist die Schaltung 130 im Ausführungsbeispiel der 2 einen Lokalbus-Rechenkern 600 auf, der zur Erzeugung des Lokalbus-Telegramms eingerichtet ist. Zudem ist der Lokalbus-Rechenkern 600 der Schaltung 130 eingerichtet, in das Lokalbus-Telegramm die Prozessdaten und die vorbestimmte Teilmenge der Steuerdaten einzufügen.
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Die erste Rechenschaltung 300 und die erste Datenfilterschaltung 400 sind im Ausführungsbeispiel der 2 mit einem Parallelbus 550 verbunden. Weiterhin ist mit dem Parallelbus 550 der Lokalbus-Rechenkern 600 verbunden. Das Ausführungsbeispiel der 2 ermöglicht eine besonders einfache Implementierung. So kann im Ausführungsbeispiel der 2 ein Zusammenfassen der vorbestimmten Teilmenge der Steuerdaten mit den Prozessdaten über den Parallelbus durch einen DMA-Controller 500 erfolgen, so dass der DMA-Controller die Zusammenfassung von Steuerdaten und Prozessdaten einfach steuern kann. Es ist möglich, die Schaltung 130 des Kopplers 10 auf einem Halbleiterchip zu integrieren. Beispielsweise kann die Schaltung 130 in einem FPGA oder ASIC ausgebildet sein.
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Durch die getrennte Ausbildung der ersten Recheneinheit 300 und der Datenfilterschaltung 400 wird eine Reihe von signifikanten Vorteilen erzielt. So können beispielsweise auch Steuerdaten aus einem Ethernet-Telegramm gelesen werden, die nicht Prozessdaten für die Lokalbusteilnehmer 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37 enthalten. Zudem kann man die Verarbeitung der Daten eines Ethernet-Telegramms flexibler gestalten ohne Echt-Zeit-Funktionalität einzubüßen. Durch die separate Ausfilterung nur einer vorbestimmten Teilmenge der Steuerdaten aus dem Ethernet-Telegramm können im Betrieb eine Vielzahl von Funktionen neu hinzugefügt werden, die bisher nicht vorgesehen waren, bzw. komplexere Ressourcen der Schaltung 130 des Kopplers 10 benötigten. Eine zusätzliche Latenz wird dabei vermieden. Durch die Ausfilterung einer vorbestimmten Teilmenge der Steuerdaten ist es zudem nicht nötig, das gesamte Ethernet-Telegramm auch über den Lokalbus 30 zu übertragen, so dass die zur Verfügung stehende Bandbreite besser ausgenutzt wird.
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In dem Ausführungsbeispiel der 2 ist die erste Datenfilterschaltung 400 zur Einstellung der vorbestimmten Teilmenge der Steuerdaten eingerichtet. Hierzu weist die erste Datenfilterschaltung 400 einen Eingang 401 zur Einstellung der vorbestimmten Teilmenge der Steuerdaten abhängig von einem Steuersignal ST auf. Dabei kann das Steuersignal ST von einer externen Schaltung oder von der Schaltung 130 des Kopplers 10 erzeugt werden. Das Steuersignal ST dient dabei der Einstellung der vorbestimmten Teilmenge der Steuerdaten über den Eingang 401 der ersten Datenfilterschaltung 300. Beispielsweise werden die Grenzen der Teilmenge durch Registereinträge vorbestimmt, die durch das Steuersignal ST in Register - in 2 nicht dargestellt - geschrieben werden.
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Der Betrieb des in 2 dargestellten Kopplers 10 erfolgt dabei in einem Verfahrensablauf. In einem ersten Schritt wird ein Ethernet-Telegramm mit Prozessdaten des Prozesses und mit Steuerdaten über die Netzwerk-Schnittstelle 100 empfangen. Danach werden in einem zweiten Schritt die Prozessdaten aus einem Nutzdatenbereich des Ethernet-Telegramms durch die erste Rechenschaltung geholt. Vorzugsweise zeitgleich wird die vorbestimmte Teilmenge der Steuerdaten aus einem Header des Ethernet-Telegramms durch die erste Datenfilterschaltung 400 ausgefiltert. In weiteren Schritten wird das Lokalbus-Telegramm durch die Schaltung 130 erzeugt, die Prozessdaten und die vorbestimmte Teilmenge der Steuerdaten wird in das Lokalbus-Telegramm eingefügt und das Lokalbus-Telegramm wird über den Lokalbus 30 an Lokalbusteilnehmer 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37 übertragen. In umgekehrter Richtung wird ein Lokalbus-Telegramm vom Koppler 10 empfangen. Die Schaltung 130 des Kopplers 10 ist eingerichtet, ein Ethernet-Telegramm zu erzeugen und aus dem Lokalbus-Telegramm entnommene Prozessdaten in das Ethernet-Telegramm einzufügen.
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In 3 ist ein schematisches Diagramm dargestellt, das ein Ethernet-Telegramm 2 und ein Lokalbus-Telegramm 3 schematisch zeigt. Das Ethernet-Telegramm 2 des Ausführungsbeispiels der 3 weist einen Header (Kopf) H, einen Nutzdatenbereich (Payload) 2.5 mit Prozessdaten PD und einen Trailer 2.6 auf. Der Trailer 2.6 kann beispielweise Prüfwerte (CRC) beinhalten. Die empfangenen Prozessdaten PD sind individuelle Daten für eine Mehrzahl der Lokalbus-Teilnehmer 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37 (gezeigt u.a. im Ausführungsbeispiel der 1). Der Kopf H des Ethernet-Telegramms 2 weist Steuerdaten CD und beispielsweise ein Feld 2.1 für eine Präambel auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel der 3 ist die Präambel inklusive SFD 8 Byte lang. Für die Steuerdaten CD sind im Ausführungsbeispiel der 3 mehrere Felder 2.2, 2.3, 2.4 im Ethernet-Telegramm 2 vorgesehen. Beispielsweise ist im ersten Feld 2.2 als Steuerdaten eine 6 Byte lange Destination MAC vorgesehen. Beispielsweise ist im zweiten Feld 2.3 als Steuerdaten eine 6 Byte lange Source MAC vorgesehen. Beispielsweise ist im dritten Feld 2.4 als Steuerdaten ein 2 Byte langer Typ des Ethernet-Telegramms - Ethertype - vorgesehen.
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Die für die Lokalbusteilnehmer 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37 bestimmten Prozessdaten PD werden dem Ethernet-Telegramm 2 durch eine erste Rechenschaltung 300 entnommen. Die entnommenen Prozessdaten PD werden dann geändert oder ungeändert in das Lokalbus-Telegramm 3 eingefügt. Eine erste Datenfilterschaltung 400 ist zur Ausfilterung von einer vorbestimmten Teilmenge ET der Steuerdaten CD aus dem Nutzdatenbereich 2.5 vorangestellten Kopf/Header H des Ethernet-Telegramms 2 eingerichtet. Im Ausführungsbeispiel der 3 entspricht die vorbestimmte Teilmenge ET dem Feld 2.4, also dem Typ (EtherType) des Ethernet-Telegramms 2.
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Alternativ zu der Darstellung im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 könnte auch eine andere Teilmenge vorbestimmt sein (nicht dargestellt), so dass als andere Teilmenge beispielsweise die Source MAC im Feld 2.3 ausgefiltert wird. Die Teilmenge ET ist im Ausführungsbeispiel der 3 dann vorbestimmt, wenn für eintreffende Ethernet-Telegramme die Teilmenge ET insbesondere durch Filtergrenzen definiert ist. Alternativ zum Ausführungsbeispiel der 3 ist die erste Datenfilterschaltung 400 eingerichtet, die vorbestimmte Teilmenge ET einzustellen. Hierdurch kann durch den Benutzer oder Konfigurator zwischen unterschiedlichen Feldern 2.2, 2.3, 2.4 der Steuerdaten die Teilmenge ET - beispielsweise durch Veränderung der Grenzen des Filters - eingestellt werden.
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In 3 ist ebenfalls ein Lokalbus-Telegramm 3 schematisch dargestellt. Das Lokalbus-Telegramm 3 weist einenKopf (Header) 3,1 und einen Nutzdatenbereich (Payload) 3.5 und einen Trailer 3.6 auf. Der Trailer 3.6 kann beispielweise Prüfwerte (CRC) beinhalten. Die Prozessdaten PD werden in den Nutzdatenbereich 3.5 des Lokalbus-Telegramms 3 eingefügt. Jeder Lokalbus-Teilnehmer 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37 ist eingerichtet, die ihm zugeordneten individuellen (Prozess-)Daten aus dem Lokalbus-Telegramm 3 zu entnehmen (Summenrahmenprotokoll). Im Ausführungsbeispiel der 3 wird die Teilmenge ET der Steuerdaten CD ebenfalls in den Nutzdatenbereich 3.5 des Lokalbus-Telegramms 3 eingefügt. Im Ausführungsbeispiel der 3 wird im Nutzdatenbereich 3.5 die Teilmenge ET der Steuerdaten CD den Prozessdaten PD vorangestellt. Dem Fachmann ist bewusst, dass auch deutlich komplexere Lokalbus-Telegramme 3 vorgesehen sein können. Alternativ zu dem Ausführungsbeispiel der 3 wird die Teilmenge ET der Steuerdaten CD in einen anderen Teil des Lokalbus-Telegramms 3 eingefügt, beispielweise in den Kopf 3.1 des Lokalbus-Telegramms 3 oder in den Nutzdatenbereich 3.5, den Prozessdaten PD hinten angestellt.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem Ausschnitt einer schematischen Schaltung eines Kopplers 10. Die 4 zeigt ein Empfangsteil 115 (RXPHY) einer Schnittstellenschaltung und eine Datenfilterschaltung 400 mit einer Zählerschaltung 409. Sofern die zwei Statussignale EnableRX und ErrorRX anzeigen, dass ein Ethernet-Telegramm 2 empfangen wird und keine Fehler während des Empfangs detektiert werden, zählt die Zählerschaltung 409 eingehende Nibble, als jeweils 4 Bit Empfangsdaten RX mit einer Flanke eines Taktsignals CLKRX . Durch das Zählen wird im Ausführungsbeispiel der 4 ein Zählerwert N inkrementiert. Alternativ könnte der Zählerwert auch dekrementiert werden. 5 zeigt ein schematisches Diagramm mit Signalen CLKRX , N, Data eines Ausführungsbeispiels. Am Ende der Präambel 2.1 wird das SFD (Start of Frame Delimiter) ermittelt und von demselben beginnend die Nibble abgezählt. Beim Zählerwert N=24 werden die Daten Data des Feldes 2.4 ausgefiltert. Die Daten Data entsprechen von N=24 bis N27 dem EtherType, der als vorbestimmte Teilmenge aus den Steuerdaten CD ausgefiltert wird.
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In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel als schematischer Blockschaltplan eines Kopplers 10 gezeigt. Die Netzwerk-Schnittstelle 100 weist zwei Buchsen 150, 150' auf. Dies ermöglicht es, das Ethernet-basierte Netzwerk in Ringstruktur auszubilden. Die Schnittstellenschaltung 110 der Netzwerk-Schnittstelle 100 weist eine erste Sende-Empfangs-Schaltung 115 und eine zweite Sende-Empfangs-Schaltung 116 auf. Ein Ausgang 117 der ersten Sende-Empfangs-Schaltung 115 ist mit einem Eingang 402 einer ersten Datenfilterschaltung 400 verbunden. Ein Eingang 118 der ersten Sende-Empfangs-Schaltüng 115 ist mit einem Eingang 412 einer zweiten Datenfilterschaltung 410 verbunden. Ein- und Ausgang der zweiten Sende-Empfangs-Schaltung 116 sind respektive mit einer dritten Datenfilterschaltung 420 und einer vierten Datenfilterschaltung 430 verbunden. Somit kann durch die Schaltung des Ausführungsbeispiels der 6 über einen Anschluss 150, 150' eingehendes Ethernet-Telegramm gefiltert werden, unabhängig über welchen Anschluss 150, 150' das Ethernet-Telegramm eingegangen ist. Durch die Schaltung des Ausführungsbeispiels der 6 kann auch ein über einen Anschluss 150, 150' ausgehendes Ethernet-Telegramm gefiltert werden, unabhängig über welchen Anschluss 150, 150' das Ethernet-Telegramm gesendet wird. Hierdurch können die Teilmengen der Steuerdaten ein- und ausgehender Ethernet-Telegramme miteinander verglichen werden. Alternativ zur Darstellung in der Fig. 6 können in einer anderen Ausgestaltung auch nur zwei Datenfilterschaltungen 400 und 420 ausschließlich für einen Empfang der Ethernet-Telegramme vorgesehen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Automatisierungssystem
- 2
- Ethernet-Telegramm
- 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6
- Bereich des Ethernet-Telegramms
- 3
- Lokalbus-Telegramm
- 3.1, 3.5, 3.6
- Bereich des Lokalbus-Telegramms
- 10
- Koppler, Buskoppler
- 20
- Ethernet-basiertes Netzwerk, Feldbus
- 21, 22, 23
- Ethernet-Netzwerk-Teilnehmer, Knoten
- 30
- Lokalbus
- 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37
- Lokalbusteilnehmer
- 100
- Netzwerk-Schnittstelle
- 110, 115, 116
- Schnittstellenschaltung, PHY
- 117
- Ausgang
- 118
- Eingang
- 130
- Schaltung
- 150, 150'
- RJ45, Buchse
- 200
- Lokalbus-Schnittstelle
- 220
- Schnittstellen-Schaltung
- 250
- Kontakte
- 300
- Recheneinheit
- 400, 410, 420, 430
- Datenfilterschaltung
- 401
- Steuereingang
- 402, 412
- Eingang
- 409
- Zählerschaltung, Zähler
- 500
- DMA, Parallel-Bussteuerung
- 550
- Parallelbus
- 600
- Recheneinheit
- ST
- Steuersignal
- H
- Header, Kopf
- CD
- Steuerdaten
- ET
- Teilmenge der Steuerdaten
- PD
- Prozessdaten
- CLKRX
- Taktsignal
- RX, Data
- Empfangsdaten
- EnableRX, ErrorRX
- Signal
- N
- Zählerwert
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1590927 B1 [0004]
- EP 2274655 B1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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