DE19851245B4

DE19851245B4 - Feldbuskomponente, Kommunikationssystem und Verfahren zur Übertragung von Daten über ein Hochgeschwindigkeitsübertragungsmedium

Info

Publication number: DE19851245B4
Application number: DE19851245A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Jasperneite; Kai Fechner
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 1998-06-12
Filing date: 1998-11-06
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2018-11-07
Also published as: DE19851245A1

Abstract

Feldbuskomponente umfassend
eine ein Feldbusprotokoll abarbeitende Datensicherungsschicht (70; 72–76) und
eine physikalische Schicht (60–64)
dadurch gekennzeichnet, daß
die physikalische Schicht (60–64) für eine Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung entsprechend der Norm IEEE802.3u des Fast-Ethernets ausgebildet ist, daß
eine die Datensicherungsschicht (70; 72–74; 76) und die physikalische Schicht (60–64) verbindende Schnittstelle (65) vorgesehen ist, daß
eine Anpassungsschicht (71) vorgesehen ist, die die ein Feldbusprotokoll abarbeitenden Datensicherungsschicht (70; 72–74; 76) an die entsprechend der Norm IEEE802.3u des Fast-Ethernets ausgebildete physikalische Schicht (60–64) anpasst, indem die von der Datensicherungsschicht (70; 72–74; 76) kommenden Daten zu einem zu übertragenden Datenrahmen zusammengesetzt werden, der von der physikalischen Schicht (60–64) verarbeitbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Feldbuskomponente gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein mehrere Feldbuskomponenten umfassendes Kommunikationssystem sowie ein Verfahren zur Übertragung von Daten über ein Hochgeschwindigkeits-Übertragungsmedium.
In der Automatisierungstechnik werden heute sogenannte Feldbussysteme als Verbindungstechnik zwischen den am Produktionsprozeß beteiligten Geräten eingesetzt. Diese Feldbussysteme arbeiten in der Regel mit Übertragungsraten < 10 Mbit/s. Durch die zunehmende Eindringung der Feldbussysteme in alle Bereiche der Automatisierungstechnik auf der einen Seite und der steigenden Leistungsfähigkeit der Steuerungssysteme auf der anderen Seite gibt es einen Bedarf an höherer Bandbreite für die Feldbussysteme.
Auf dem Gebiet der Informationstechnik, insbesondere im lokalen Netzwerkbereich, existieren bereits Netze mit einer Bandbreite von 10 Mbit/s, die als Ethernet bekannt sind. Diese Netzwerktechnologie wird entsprechend dem ständig wachsenden Bandbreitenbedarf kontinuierlich weiterentwickelt. Es werden Übertragungsgeschwindigkeiten von 100 Mbit/s bei Ausdehnung bis 100 m unter Verwendung eines auf Kupfer basierenden Übertragungsmediums ermöglicht. Dieses Netz wird auch als Fast-Ethernet bezeichnet.

Aus der DE 41 31 909 A1 ist ein als Gateway fungierender frei parametrierbarer Protokollkonverter einem Rechner zur Ankopplung an ein Ethernet nach IEEE802.3 vorgeschaltet. Der Protokollkonverter weist eine Ethernet-Hardware-Anschaltung sowie eine Ethernet-Schnittstelle auf, die als TCP-IP-Schnittstelle implementiert ist. Dem Dokument lässt sich jedoch nicht entnehmen, dass der Protokollkonverter eine Datensicherungsschicht aufweist und dass die Datensicherungsschicht und die als Ethernet-Hardware-Anschaltung implementierte physikalische Schicht auf unterschiedlichen Kommunikationsprotokollen basieren.

Aus der WO 96/12993 A1 ist eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines Zugangs zu Feldbusgeräten in einem verteilten Steuersystem bekannt. Gemäß einer Ausführungsvariante werden Bridges verwendet, um ein erstes, mit niedriger Übertragungsrate arbeitendes Feldbus-Steuernetzwerk mit einem zweiten, höherratiges Feldbus-Steuernetzwerk zu verbinden. Dem Dokument sind keine Informationen dahingehend zu entnehmen, Änderungen an den am ersten Feldbus-Steuernetzwerk angeschalteten Feldbusgeräten vorzunehmen, damit diese direkt, das heißt ohne Verwendung von Bridges, an das zweite, höherratige Feldbus-Steuernetzwerk anschalten zu können.

Santori et al. beschreiben in dem Aufsatz „Field Bus brings Protocol to Proces Control" IN : IEEE Spektrum, 1996, Vol. 33, Nr. 3, Seiten 60 bis 64, welches eine Netzwerkumgebung beschreibt, die der aus der WO 96/12993 A1 sehr ähnlich ist.

Cavalieri et al. beschreiben in dem Aufsatz „On the Integration of Field Bus Traffic within IEEE 802.11 Wireless LAN" IEEE International Workshop on Factory Communication Systems, 1-3, Oktober 1997, proceedings, Seiten 131 bis 138, eine Möglichkeit, Feldbus-Netzwerke mit einem drahtlosen Back-Bone zu verbinden. Hierzu werden Bridges verwendet, die an die Feldbus-Netzwerke angeschlossen sind. Um einen Zugriff über die Bridges auf das drahtlose Back-Bone zu ermöglichen, schlagen Cavalieri et al. vor, das MAC (Medium Access Control)-Protokoll gemäß der Norm IEEE802.11 zu verändern. Dies steht im Gegensatz zu der vorliegenden Erfindung, bei der Feldbuskomponente unmittelbar an ein Hochgeschwindigkeits-Medium entsprechend der Norm IEEE802.3u des Fast-Ethernets angeschlossen werden, wobei als Mediumzugriffs-Protokoll die Datensicherungsschicht eines Feldbusprotokolls verwendet wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Feldbuskomponente, ein Kommunikationssystem und ein Verfahren bereitzustellen, mit denen es möglich ist, Feldbus-Komponenten bei einer Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung einzusetzen.

Dieses Problem löst die Erfindung zum einen mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Demgemäß weist die Feldbuskomponente eine ein Feldbusprotokoll abarbeitende Datensicherungsschicht (diese entspricht der Schicht 2 des OSI-Referenzmodells) und eine physikalische Schicht (diese entspricht der ersten Schicht des OSI-Referenzmodells) auf. Um die Feldbuskomponente für eine Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung entsprechend der Norm IEEE802.3u des Fast-Ethernets zu befähigen, ist die physikalische Schicht für eine Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung entsprechend der Norm IEEE802.3u des Fast-Ethernets ausgebildet. Ferner ist eine die Datensicherungsschicht und die physikalische Schicht verbindende Schnittstelle vorgesehen. Eine Anpassungsschicht ist vorgesehen, die die ein Feldbusprotokoll abarbeitende Datensicherungsschicht an die entsprechend der Norm IEEE802.3u des Fast-Ethernets ausgebildete physikalische Schicht anpasst, indem die von der Datensicherungsschicht kommenden Daten zu einem zu übertragenden Datenrahmen zusammengesetzt werden, der von der physikalischen Schicht verarbeitbar ist.

Ein Vorteil hierbei ist, daß die bereits bestehende, genormte physikalische Schicht und ihre Akzeptanz im Bereich der Bürokommunikation eine Vielzahl von Halbleiter-Realisierungen bewirkt hat. Diese, die physikalische Schicht verwirklichenden Bausteine sind bereits preisgünstig am Markt verfügbar.

Als Schnittstelle, die die physikalische Schicht und die Datensicherungsschicht verbindet, kann die ebenfalls genormte, medienunabhängige Schnittstelle (MII; Medium Independent Interface) gemäß der Norm IEEE802.3u verwendet werden.

Bei den Feldbuskomponenten handelt es sich beispielsweise um Komponenten, die der für das Feldbussystem Interbus entwickelten Norm EN50258 mit Ausnahme der dort beschriebenen Schicht 1 genügen.

In an sich bekannter Weise umfasst die Datensicherungsschicht eine Mediums-Zugriffs-Steuerschicht, eine Basis-Verbindungsschicht, eine Peripherie-Datenverbindungsschicht und eine Netzverwaltunsschicht.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Kommunikationssystem, insbesondere ein Automatisierungssystem nach Anspruch 4 vorgeschlagen, das ein Hochgeschwindigkeits-Übertragungsmedium aufweist, an das mehrere Feldbuskomponenten ankoppelbar sind. Für Feldbussysteme ist das Hochgeschwindigkeits-Übertragungsmedium als Linienstruktur aufgebaut, von der Stichleitungen abzweigen können. Die Feldbuskompopnenten sind aktiv an das Übertragungsmedium angekoppelt.

An dieser Stelle sei erwähnt, daß die Feldbuskomponente alle Teilschichten enthalten kann. Darüber hinaus ist es denkbar, die Datensicherungsschicht und gegebenenfalls die Anpassungsschicht in der Feldbuskomponente und die physikalische Schicht zusammen mit der Schnittstelle in einer separaten, dem Hochgeschwindigkeits-Übertragungsmedium zugeordneten Modul zu implementieren.

Ein weiter Gesichtpunkt der Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zum Übertragen von Daten über ein Hochgeschwindigkeits-Übertragungsmedium entsprechend der Norm IEEE802.3u des Fast-Ethernets, an das mehrere Feldbuskomponenten angeschaltet sind.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch einen Ausschnitt eines Feldbussystems mit zwei an ein Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungsmedium angeschalteten Feldbuskomponenten,
2 eine detailliertere Prinzipschaltung der erfindungsgemäßen Feldbuskomponente.
1 zeigt zwei Feldbuskomponenten 10 und 20, die in Serie an ein Hochgeschwindigkeit-Übertragungsmedium 30 entsprechend der Fast-Ethernet-Netzwerktechnologie angeschaltet sind. Die Anschaltung der Feldbuskomponenten 10, 20 an das Übertragungsmedium 30 erfolgt beispielsweise über RJ45-Steckverbinder 40. Die Feldbuskomponenten 10 und 20 weisen für eine ankommende Leitung 32 und für eine abgehende Leitung 34 des Übertragungsmediums 30 jeweils getrennte Kanäle einer physikalischen Schicht 60 auf, die identisch ausgebildet sind. Es sei darauf hingewiesen, daß die Leitungen 32 und 34 bidirektional ausgebildet sein können.
Die in 2 und 3 dargestellte physikalische Schicht 60 ist gemäß der Norm IEEE802.3u ausgebildet und daher bekannt. Eine detaillierte Beschreibung der einzelnen Funktionseinheiten erübrigt sich daher. Der Vollständigkeit halber seien hier nur die wesentlichen Funktionseinheiten genannt: die mediumunabhängige Schnittstelle 61 (MDI; Medium Dependent Interface), die die direkte Verbindung zum Übertragungsmedium 30 herstellt. Darüber hinaus umfaßt die physikalische Schicht 60 eine physikalische, mediumunabhängige Schnittstelle (PMD; Physical Medium Dependent) 62, eine physikalische Verbindungsschicht (PMA; Physical Medium Attachment) 63 sowie eine physikalische Codierungs-Subschicht 64, der eine mediumunabhängige Schnittstelle MII (Medium Independent Interface) 65 folgt. Die mediumunabhängige Schnittstelle 65 stellt die Verbindung zur Datensicherungsschicht 70 her. Die mediumunabhängige Schnittstelle 65 kann alternativ als verkleinerte mediumunabhängige Schnittstelle (R-MII; Reduced Medium Independent Interface) oder als Symbol-Schnittstelle ausgeführt sein.
Die vom Nutzer der Datensicherungsschicht 70 kommenden Daten werden zu einem zu übertragenden Datenrahmen zusammengestellt, der typischerweise aus einer Präambel, einem Start-Begrenzerfeld, einem Rahmentypenfeld, einem Rahmenlängenfeld, einem Header-Prüffeld, dem eigentlichen Datenfeld, einem Daten-Prüffeld und einem Endbegrenzerfeld besteht. Da es sich bei der Feldbuskomponente 10, 20 jedoch um keine Fast-Ethernet-kompatible Baugruppe handelt, ist eine Anpassungsschicht 71 erforderlich, die den von der Datensicherungsschicht 70 der Feldbuskomponente 10, 20 bereitgestellten Datenrahmen an den zu übertragenden Datenrahmen der physikalischen Schicht 60 des Fast-Ethernets anpaßt. Diese Rahmendaten werden anschließend an der medienunabhängigen Schnittstelle 65 den unterlagerten physikalischen Schichten 64 bis 61 übergeben und über das Übertragungsmedium 30 der nachfolgenden Feldbuskomponente 20 übermittelt. Es kann für die Funktionsfähigkeit der Feldbuskomponenten 10 und 20 dahingestellt bleiben, ob die Anpassungsschicht 71 der Datensicherungsschicht 70 oder der physikalischen Schicht 60 zugeordnet werden soll.
Wie 2 zu entnehmen ist, umfaßt die Datensicherungsschicht 70 beispielsweise eine Mediums-Zugriffs-Steuerschicht (MAC, Medium Access Control) 72, eine Basis-Verbindungsschicht (BLL, Basic Link Layer) 73, eine Peripherie-Datenverbindungsschicht (PDL, Peripheral Data Link) 74 sowie eine Netzwerkverwaltungsschicht 76.
1 wird nochmals betrachtet. Grundsätzlich sieht Fast-Ethernet eine sternförmige oder Punkt-zu-Punkt-Verbindung vor. Bei Feldbussystemen sind die Feldbuskomponenten 10 und 20 in bekannter Weise in Linie mit optional abzweigenden Stichleitungen und in Form einer aktiven Ankopplung zu verbinden. Somit bleibt auch die Notwendigkeit von mindestens zwei Schnittstellen pro Feldbuskomponente 10, 20 bestehen. Jedoch kann es im Sinne der Ausfallsicherheit des Kommunikationssystems und der Rückwirkungsfreiheit während des Entfernens/Hinzufügens von Feldbuskomponenten 10 und 20 bei laufendem Betrieb des Kommunikationssystems sinnvoll sein, diese beiden logischen Schnittstellen, wie in 1 dargestellt, zu einer physikallischen Schicht (Steckverbindung) zusammenzufassen.
Dank der Erfindung ist es möglich, spezielle, von der Fast-Ethernet-Norm abweichende Feldbusprotokolle so anzupassen, daß die Feldbusprotokolle anwendenden Feldbuskomponenten 10, 20 über die physikalische Schicht 60 des Fast-Ethernet kommunizieren können. Damit wird es erstmals möglich, Hochgeschwindigkeitsübertragungen, wie von Fast-Ethernet bekannt, mit Feldbussystemen im Bereich der industriellen Automation zu realisieren.

Claims

Feldbuskomponente umfassend eine ein Feldbusprotokoll abarbeitende Datensicherungsschicht (70; 72–76) und eine physikalische Schicht (60–64) dadurch gekennzeichnet, daß die physikalische Schicht (60–64) für eine Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung entsprechend der Norm IEEE802.3u des Fast-Ethernets ausgebildet ist, daß eine die Datensicherungsschicht (70; 72–74; 76) und die physikalische Schicht (60–64) verbindende Schnittstelle (65) vorgesehen ist, daß eine Anpassungsschicht (71) vorgesehen ist, die die ein Feldbusprotokoll abarbeitenden Datensicherungsschicht (70; 72–74; 76) an die entsprechend der Norm IEEE802.3u des Fast-Ethernets ausgebildete physikalische Schicht (60–64) anpasst, indem die von der Datensicherungsschicht (70; 72–74; 76) kommenden Daten zu einem zu übertragenden Datenrahmen zusammengesetzt werden, der von der physikalischen Schicht (60–64) verarbeitbar ist.
Feldbuskomponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstelle (65) eine mediumunabhängige Schnittstelle (MII; Medium Independent Interface) ist.
Feldbuskomponente nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Datensicherungsschicht eine Mediums-Zugriffs-Steuerschicht (72), eine Basis-Verbindungsschicht (73), eine Peripherie-Datenverbindungsschicht (74) und eine Netzverwaltunsschicht (76) umfasst.
Kommunikationssystem, insbesondere ein Automatisierungssystem, gekennzeichnet durch ein auf der Norm IEEE802.3u des Fast-Ethernets basierendes Hochgeschwindigkeits-Übertragungsmedium (30), an das wenigstens eine Feldbuskomponente (10, 20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 angeschaltet ist.
Kommunikationssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochgeschwindigkeits-Übertragungsmedium (30) eine Linienstruktur aufweist und die Feldbuskomponenten (10, 20) aktiv angekoppelt sind.
Kommunikationssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochgeschwindigkeits-Übertragungsmedium (30) wenigstens eine Abzweigung aufweist.
Verfahren zum Übertragen von Daten über ein auf der Norm IEEE802.3u des Fast-Ethernets basierendes Hochgeschwindigkeits-Übertragungsmedium (30), an das mehrere Feldbuskomponenten (10, 20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 angekoppelt sind, mit folgenden Verfahrensschritten: a) die zu übertragenden Daten werden in einer ein Feldbusprotokoll anwendenen Datensicherungsschicht (70; 72–74; 76) einer Feldbuskomponente (10, 20) zu einem Datenrahmen zusammengefasst; b) der Datenrahmen wird an die Datenrahmenstruktur einer physikalischen Schicht (60–64), die für eine Hochgeschwindigkeits-Übertragung entsprechend der Norm IEEE802.3u des Fast-Ethernets ausgebildet ist, angepasst (71) und dieser übergeben; c) über die physikalische Schicht (60–64) werden die zu übertragenden Daten dem auf der Norm IEEE802.3u des Fast-Ethernets basierenden Hochgeschwindigkeits-Übertragungsmedium (30) zugeführt.