DE20015721U1 - Redundante Datenübertragung über Datenbus - Google Patents
Redundante Datenübertragung über DatenbusInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine redundante Datenübertragung über Datenbus in Rechner-Netzwerken.
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In Rechner-Netzwerken sind die einzelnen Rechner jeweils über Bus-Knoten in einem Bus-System miteinander verbunden. Der Bus bzw. Datenbus verbindet die verschiedenen Bus-Knoten miteinander und dient als Kommunikationsleitung. Der Bus selbst besteht dabei aus dem Kommunikationskanal und zugeordneten Steuerungs- und Bauelementen.
Um eine Redundanz bei Datenbussen zu erreichen, ist es bekannt, das gesamte Bus-System, bestehend aus Kabel- und Busanschluß, Bustreiber usw. doppelt auslegen.
Nachteilig ist hierbei, daß bei der Ausgestaltung eines solchen Datenbusses die doppelten Kosten entstehen und bei räumlicher Nebeneinanderverlegung der Busse diese Busleitungen dem gleichen Schadensrisiko unterworfen sind.
Es ist auch bekannt, mehrere Wege zur Datenübertragung bereitzustellen.
Gemäß DE 33 82 592 T2 wird eine Vielzahl von Buswegen zu anderen Rechnern zur Verfügung gestellt und bei Auftreten von Fehlern bei der Benutzung eines Busweges wird automatisch ein anderer Weg benutzt. Die Verwaltung der Buswege erfolgt hierbei über einen hierfür eingesetzten speziellen Micro-0 Rechner.
Gemäß DE 43 32 881 C2 sind alle Rechner miteinander über eine Wegematrix mit mehreren Wegen verbunden, sodaß bei Ausfall
eines Weges zur Datenübertragung derselbe rechnergesteuert durch die Nutzung anderer Buswege kompensiert wird.
Den bisher bekannten Lösungen haftet der Nachteil an, daß sie einen erheblichen Aufwand an Material und Arbeitsleistung zur Verkabelung erforderlich machen.
Die Erfindung stellt sich deshalb die Aufgabe, eine redundante Datenübertragung zwischen Bus-Knoten über Datenbus zu schaffen, bei dem der Datenverkehr der Bus-Knoten sowohl bei Kurzschluß als auch bei Leitungsbruch ungestört weiter erfolgen kann und bei Eintritt des Störfalles eine Störungsmeldung abgegeben wird, damit die fehlerhafte Stelle automatisch selektiert und ein neuer Übertragungsweg geschaltet werden kann, ohne daß zusätzlich Buswege erforderlich sind.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, daß der Bus eine Zusatzleitung, jeder Bus-Knoten zwei Bus-Schalter, einen 0 schaltbaren Abschlußwiderstand, sofern dies vom Bus-System gefordert wird und ein Schaltglied zwischen den ersten und letzten Bus-Knoten und einen Rechner aufweist.· Mittels der in den Bus-Knoten vorhandenen Mikrorechner werden bei Kurzschluß, Leitungsunterbrechung und Ausfall eines Bus-Knotens jeder Bus-Knoten über die zwei Bus-Schalter paarweise und zeitlich aufeinanderfolgend mit den benachbarten Bus-Knoten zeitplangesteuert und ereignisgesteuert verbunden.
Durch den Rechner wird anschließend die Funktion der 0 Datenkommunikation überprüft, wobei in Abhängigkeit vom Prüfergebnis die Bus-Segmente so zu- und abgeschaltet werden, daß das schadhafte Bus-Segment bzw. der schadhafte Bus-Knoten isoliert wird und über das zugeschaltete zusätzliche
Leitungsstück und die vorhandenen intakten Leitungen der Datenverkehr wieder aufgenommen wird, wobei die Abschlußwiderstände so geschaltet werden, daß sie bestimmungsgemäß an beiden Enden der Bus-Leitung zugeschaltet werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bezieht ein zusätzliches Schaltglied, welches zwischen den ersten und letzten Bus-Knoten die Bus-Leitung betriebsmäßig öffnet, seine Energie zum Schalten über eine zusätzliche Leitung in der Bus-Leitung, in die eine Spannungsquelle geschaltet ist, sodaß'beim Unterbrechen der Leitung das Schaltglied schließt, und so ein Ersatzweg für den Bus zugeschaltet wird.
Das erfindungsgemäß zum Einsatz kommende Schaltglied kann dabei sowohl aus einem Relais als auch einem Optokoppler oder anderen geeigneten Halbleiterelementen bestehen.
Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, 0 eine kostengünstige redundante Datenübertragung über Daten-Busse zur Eleminierung von Kurzschlüssen, Leitungsunterbrechungen oder sonstigen Ausfall eines Bus-Knotens zu ermöglichen.
5 In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lösung dargestellt.
Figur 1 zeigt eine Schaltungsanordnung, mittels welcher sowohl Kurzschluß- als auch Leitungsbrüche eliminiert und signalisiert werden.
Figur 2 zeigt die Details eines Bus-Knotens.
Figur 3 zeigt eine Schaltungsanordnung für die Nachrüstung in bestehende Anlagen für die Beseitigung von Leitungsbrüchen.
In Figur 1 sind drei Rechner mit ihren jeweiligen Bus-Knoten 1 bis 3 über Bus-Leitungen 4 miteinander verbunden. Das Bus-System könnte dabei aus beliebig vielen Bus-Knoten bestehen. Die Bus-Leitung 4 ist zwischen Bus-Knoten 1 und Bus-Knoten 2 an der Stelle 5 unterbrochen. In der Bus-Leitung 6 ist ein Schalter SO angeordnet. Jedem Bus-Knoten sind jeweils 2 Bus-Schalter si und s2 zugeordnet, die von ihren Bus-Knoten einzeln gesteuert werden können.
Beim Ausschalten wird die Verbindung zum Bus komplett galvanisch getrennt. Der Kontakt für die Herstellung des 2. Bus-Weges wird ebenfalls von einem Bus-Knoten gesteuert.
Jeder Bus-Knoten enthält einen Abschlußwiderstand 7 (Fig. 2), der dann über Schalter s3 zugeschaltet wird, wenn der Bus-Knoten sich am Ende der Bus-Leitung befindet. 20
Für die Schaltungsanordnung gem. Figur 1 und 2 ergibt sich folgende Funktion:
Im Ruhezustand sind alle Bus-Schalter si und s2 geschlossen, wogegen der Schalter sO geöffnet ist.
Bei Auftreten eines Kurzschlußes oder Leitungsunterbrechung bzw. Durchtrennung der Leitung, stellen die Bus-Knoten einen Ausfall der Datenübertragung fest. Dies ist der Startpunkt eines Steuerplanes zur Fehlerbehebung.
Im Beispiel gemäß Figur 1 tritt ein Kurzschluß oder eine Leitungsunterbrechung an der Stelle 5 zwischen Bus-Knoten und 2 ein, sodaß sich nachstehende Schaltfolge ergibt:
1. Schalter sO wird durch Bus-Knoten 1 geschlossen.
. Schalter si bis Schalter s2 aller Bus-Knoten (nachfolgend BK genannt) werden geöffnet.
3. Der Bus-Knoten mit der kleinsten Adresse nimmt den Busverkehr mit dem nächsten Bus-Knoten auf (hier Bus-Knoten 1 mit 2). Dazu werden die Kontakte s2 BKl und si BK2 geschlossen. Da hier ein Leitungsbruch oder Kurzschluß vorliegt kann es zu keinem Datenverkehr kommen. Nach einer festgelegten Zeit wird s2 BKl und si BK2 wieder geöffnet.
4. Es versucht, Bus-Knoten 2 mit 3 in Kontakt zu treten. Dazu wird Schalter s2 BK2 und si BK3 geschlossen. Die Datenübertragung funktioniert, die Schalter bleiben geschlossen.
5. Es versucht Bus-Knoten 3 mit Bus-Knoten 1 in Kontakt zu treten. Dazu wird Schalter s2 BK3 und si BKl geschlossen. Die Datenübertragung funktioniert, die Schalter bleiben geschlossen.
Es liegen somit folgende Schaltzustände vor: 30
SO si BKl, s2 BK2, si BK3, s2 BK3 geschlossen, s2 BKl, si BK2 geöffnet.
Damit ist der störungsfreie Datenverkehr wieder hergestellt und der Fehler wurde lokalisiert. Eine Fehlermeldung kann über Bus oder als akustisches Signal ausgegeben werden.
Die Zeitabstände zwischen den Schritten sind in allen Bus-Knoten gleich, um ein synchrones Arbeiten der Bus-Knoten zu ermöglichen.
Die Steuerung der vorbeschriebenen Schaltfolge erfolgt dabei rechnergesteuert, wie nachstehend beschrieben:
Das Fehlerbehandlungsprogramm in jedem Bus-Knoten wird zeitgesteuert gestartet. In jeder ankommenden und abgehenden Bus-Leitung ist jeweils ein Bus-Schalter angeordnet, der galvanisch trennt.
Der Schaltbefehl für das Schließen der „Ringstruktur" im Fehlerfall wird über einen Bus-Knoten - Micro-Rechner 9 mit Busanschluß - beim Ausbleiben von Datenübertragungen generiert.
Die Bus-Knoten starten dann zeitplangesteuert.ein Fehlerbehandlungsprogramm. Weiterhin schaltet jeder Bus-Knoten die ankommende und abgehende 'Bus-Leitung über die Bus-Schalter zu und ab. Hierbei muß es sich um en physisches Trennen durch ein Schaltglied handeln.
Ziel ist es, den Weg zwischen zwei Bus-Knoten zu finden, der kurzgeschlossen oder durchgeschnitten ist. Bzw. den defekten Bus-Knoten zu isolieren und einen Ersatzweg zuzuschalten.
Ablaufplan:
Startzeitpunkt:
Startzeitpunkt:
In jedem Rechner ist eine Zeitzelle „Busüberwachung" integriert, die zurückgesetzt wird, wenn eine beliebige gültige Nachricht auf dem Bus gesendet wird. Damit werden immer alle Zeitzellen-Busüberwachungen aller Rechner gleichzeitig zurückgesetzt. Gleichzeitig lösen diese Zellen aber beim Ausbleiben der Datenübertragung Alarm „Datenübertragung gestört" aus und bilden somit den Startpunkt des Fehlerbehandlungsprogrammes.
Es wird wie oben beschrieben der zweite Busweg durch Schließen des Schaltgliedes hergestellt.
Es wird ein Fehlersignal von einem oder mehreren Busteilnehmern ausgegeben (z.B. Hupe) und es werden alle Bus-Schalter geöffnet.
In nächsten Schritt des Ablaufplanes versucht der Bus-Knoten mit der kleinsten Adresse (x) mit dem Bus-Knoten (BK) der nächsthöheren Adresse (x+1) eine Kommunikation aufzunehmen. Dazu werden die dem entsprechenden Bus-Knoten (BK) zugewandten Bus-Schalter geschlossen (im Beispiel s2 BKl und si BK2).
Kann innerhalb der definierten Zeitspanne der Datenverkehr aufgenommen werden, so bleiben die genannten Bus-Schalter eingeschaltet. Im anderen Fall werden sie geöffnet, da in diesem Busabschnitt der Fehler liegen muß.
• · ♦··
Zur Absicherung der Funktion des Busses bei Ablauf des Fehlerprogrammes wird jeweils der Widerstand des Bus-Knotens mit der kleinsten Adresse (x) und der jeweiligen größten Adresse (hier x+1) zugeschaltet.
Bei ordnungsgemäßem Datenverkehr bleibt der Widerstand des Bus-Knotens mit der kleinsten Adresse eingeschaltet, der Widerstand des Bus-Knotens mit der aktuellen Adresse wird abgeschaltet.
Nach Feststellung von fehlerhaftem Datenverkehr werden die Widerstände des Bus-Knotens &khgr; und x+1, also die Bus-Knoten, zwischen denen der fehlerhafte Datenverkehr festgestellt wurde, ausgeschaltet oder bleiben ausgeschaltet.
Gleiches Vorgehen wie bei Zeitabschnitt 1. Wenn die Nummer des Zeitabschnittes &khgr; ist, so sind die Busadressen jeweils &khgr; und x+1.
Es wird der Bus-Knoten mit der kleinsten Adresse mit der Adresse mit dem Bus-Knoten mit der höchsten Adresse verbunden. Ansonsten gleiches Vorgehen wie im Zeitabschnitt 1.
••&ngr;
Es wird eine Funktionsprobe durch alle Bus-Knoten durchgeführt, indem jeder Bus-Knoten mit jedem anderen Verbindung aufnimmt.
1. Kein Fehler:
Jeder Bus-Knoten hat erfolgreich Verbindung mit jedem anderen Bus-Knoten aufgenommen. Es bleiben alle Bus-Schalter in ihren Schaltstellungen.
Über den Bus wird an die Zentrale eine Fehlermeldung ausgegeben.
2. Ein oder mehrere Bus-Knoten fehlerhaft:
Es ist ein Bus-Knoten (oder mehrere Bus-Knoten) vorhanden, 0 der keinen Datenverkehr zu den anderen hat. Es bleiben alle Bus-Schalter in ihren Schaltstellungen.
Es liegt ein Defekt eines Bus-Knoten vor. In diesem Fall werden die beiden Bus-Schalter des gestörten Bus-Knotens geöffnet, sowie die dem gestörten Bus-Knoten zugewandten Bus-Schalter der Nachbarknoten.
Über den Bus wird an die Zentrale gleichzeitig eine Fehlermeldung über den gestörten Bus-Knoten ausgegeben und 0 eine Notmeldung z.B. über eine Hupe auslöst. Für den Fall, daß mehrere Schäden vorliegen, bilden sich Inseln mit einem funktionsfähigen Bus.
Rückkehr zum Normalbetrieb.
Nach einer Reparatur des Bus-Knotens oder der Bus-Leitung werden durch einen Schalt-Befehl über den Bus alle Bus-Teilnehmer wieder in den Normalzustand geschaltet.
In Figur 3 ist eine vereinfachte Lösung der Erfindung zur Beseitigung von Leitungsunterbrechungen beschrieben, mit der bereits bestehende Anlagen nachgerüstet werden können, in welche die für eine Steuerung erforderlichen Schalter und Programme jedoch nicht nachträglich eingebracht werden können.
Im Buskabel 3 wird eine zusätzliche Leitung 10 mitgeführt.
Mit Spannungsquelle 11 wird Schaltorgan 12 betrieben, welches im Ruhezustand geöffnet ist. Damit ist die Linienstruktur des Busses richtig aufgebaut.
. Wenn der Bus bei Stelle 5 getrennt wird, wird auch die zusätzliche Leitung 10 unterbrochen und es fällt über die zusätzliche Leitung das Relais des Schaltorgans 12 ab, und schließt über diese zusätzliche Leitung den Bus wieder zu einer Linienstruktur, die alle Teilnehmer umfaßt.
Nach Beheben des Fehlers zieht Schaltorgan 12 wieder an, die Zusatzleitung 10 wird unterbrochen, und die Bus-Leitung weist wieder ihre originäre Linienstruktur auf.
Gleichzeitig ist es möglich, über das Relais optische und/oder akustische Störmeldungen bei Zuschaltung der hierfür erforderlichen Bauelemente abzugeben.
Da der Bus wieder funktionsfähig ist, kann über denselben auch eine Störmeldung an die Zentrale abgeben werden.
Anstelle eines Relais kann auch ein Optokoppler oder ein anderes entsprechendes Halbleiterbauelement Anwendung finden
Als zusätzliche Bus-Leitung 10 kann in bestehenden Anlagen die Schirmung der Bus-Leitung genutzt werden. 10
Bezugszeichenliste
I. - 3. Bus-Knoten
4. Bus-Leitung
5. Schadensstelle in Bus-Leitung
6. zusätzliche Bus-Leitung
7. Abschlußwiderstand SO, si, s2, s3 Schalter
8. Schaltbefehl
9. Mikrorechner
10. zusätzliche Bus-Leitung
II. Spannungsquelle 12. Schaltorgan
Claims (4)
1. Redundante Datenübertragung über Datenbus in Rechnernetzwerken, dadurch gekennzeichnet, daß der Bus eine Zusatzleitung, jeder Bus-Knoten zwei Bus-Schalter, einen schaltbaren Abschlußwiderstand und ein Schaltglied zwischen den ersten und letzten Bus-Knoten und einen Rechner aufweist, mittels welchen bei Kurzschluß, Leitungsunterbrechung oder Ausfall eines Bus-Knotens jeder Bus-Knoten über die zwei Bus-Schalter paarweise und zeitlich aufeinanderfolgend mit den benachbarten Bus-Knoten zeitplangesteuert und ereignisgesteuert verbunden wird und anschließend durch den Rechner die Funktion der Datenkommunikation überprüft wird, wobei in Abhängigkeit vom Prüfergebnis die Bus-Segmente so zu- und abgeschaltet werden, daß das schadhafte Bus-Segment bzw. der schadhafte Bus-Knoten isoliert wird und über das zugeschaltete zusätzliche Leitungsstück und die vorhandenen intakten Leitungen der Datenverkehr wieder aufgenommen wird, wobei die Abschlußwiderstände so geschaltet werden, daß sie bestimmungsgemäß an den beiden Enden der Busleitung zugeschaltet werden.
2. Redundante Datenübertragung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzliches Schaltglied, welches zwischen dem ersten und letzten Busknoten die Busleitung betriebsmäßig öffnet, seine Energie zum Schalten über eine zusätzliche Leitung in der Busleitung bezieht, in die eine Spannungquelle geschaltet ist, sodaß beim Unterbrechen der Busleitung das Schaltglied schließt, und so einen Ersatzweg für den Bus zuschaltet.
3. Redundante Datenübertragung über Datenbus nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltglied aus einem Relais oder einem Optokoppler oder anderen geeigneten Halbleiterelementen besteht.
4. Redundante Datenübertragung über Datenbus nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzleitung der Schirm der Busleitung benutzt ist.
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