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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Netzwerk zum Verbinden
einer Mehrzahl von Vorrichtungen, z.B. Datenverarbeitungssystemen,
das für
industrielle Umgebungen geeignet ist.
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Bei
vielen Steuerungs- und Überwachungsanwendungen
werden ein oder mehrere Feldbusse verwendet, um eine Kommunikation
zwischen den verschiedenen Sensoren, Betätigungsgliedern, Steuerungen
und anderen Komponenten, die bei derartigen Systemen üblicherweise
auf der Feldebene zu finden sind, herzustellen. Die meisten dieser
Feldbusse sind entweder urheberrechtlich geschützt oder außerhalb ziemlich enger Anwendungsbereiche
nur von begrenztem Nutzen. Es besteht ein beträchtliches Interesse daran,
bei diesen Anwendungen ein standardmäßiges Kommunikationsprotokoll
wie z.B. EthernetTM zu verwenden.
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Kommunikationen
auf Feldebene werden üblicherweise
zwischen Sensoren, Betätigungsgliedern,
Steuerungen und anderen Vorrichtungen (Knoten) hergestellt, die
in Fabrik-, industriellen, Umweltüberwachungs-, landwirtschaftlichen
und ähnlichen Anwendungsumgebungen
zu finden sind. Ungünstigerweise
weisen Anwendungen in einem industriellen Rahmen in der Regel deutlich
andere Umwelt-, Installations- und Betriebsanforderungen auf als
diejenigen, die man in der Büroumgebung
antrifft, wo EthernetTM das dominante Protokoll
ist.
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Erstens
werden die Vorrichtungen in einer industriellen Umgebung üblicherweise
von Leitern mit Leistung versorgt, die in dem Kabel, das die Signalleitungen
führt,
enthalten sind. Bei Büroumgebungen werden
individuelle Knoten von lokalen 110VAC-Netzsteckern mit Leistung
versorgt. Wenn in einer industriellen Umgebung ein Kabelausfall
auftritt, könnte
der gesamte Teil des Netzwerks, der durch dieses Ka bel versorgt
wird, funktionsuntüchtig werden.
Die Reparatur des Systems kann einen gewissen Zeitraum verzögert werden,
da die industrielle Umgebung Gefahren aufweist, aufgrund derer das Reparaturpersonal
auf Techniker beschränkt
ist, die mit der jeweiligen Anlagenumgebung, in der das Kabel installiert
ist, vertraut sind. Derartige Ausfälle sind in der Büroumgebung
weniger häufig,
da einzelne Knoten separat mit Leistung versorgt werden und Reparaturen
nicht durch Sicherheitsüberlegungen
verkompliziert werden. Somit liefern die in den Büroimplementierungen
von Ethernet verwendeten Netzwerkkomponenten keine Möglichkeiten,
den Ausfall einzudämmen,
um zu ermöglichen,
dass zumindest ein Teil des Netzwerks weiterhin funktioniert.
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Zweitens
verwenden Büroumgebungen
Systeme üblicherweise
in einer Sterntopologie; wohingegen industrielle Umgebungen besser
für eine
Kombination von Stern- und linearen Topologien geeignet sind. In
einer Büroumgebung
sind Vorrichtungen üblicherweise
unter Verwendung eines Sternmusters mit einem Repeater verbunden.
Derartige Repeater sind normalerweise in „Verkabelungsschränken" zu finden, die andere
Netzwerkkomponenten wie z.B. Netzübergänge, einen Zugriff auf Weitverkehrsnetzwerke
usw. enthalten. Bei industriellen Umgebungen auf der Feldebene finden
sich zwei typische Konfigurationen. Bei der ersten Konfiguration
sind eine Anzahl von Vorrichtungen in einem relativ engen Abstand
angeordnet. Beispielsweise könnte
sich eine Sammlung von Vorrichtungen, die einer bestimmten Maschine
oder einem bestimmten Prozess wie z.B. einem Boiler oder einer Verpackungsmaschine
zugeordnet sind, vorliegen. In diesem Fall ist ein Netzwerk in einer
Sternkonfiguration bevorzugt. Bei der zweiten Konfiguration liegen
eine Anzahl von Vorrichtungen oder eine Anzahl von Sammlungen von
Vorrichtungen vor, die relativ spärlich beabstandet sind, wobei
für dieselben
eine lineare Topologie typischer ist, um die Verkabelungskosten
zu minimieren. Eine Sammlung von Näherungssensoren, die entlang
einem Förderband
beabstandet sind, wären
vorzugsweise auf diese Art und Weise konfiguriert.
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Aktuelle
Zentralstationen bzw. Hubs und 10baseT-Systeme sind auf eine Sterntopologie
beschränkt.
Das ursprüngliche
Ethernet-Koaxialsystem war linear, stellt jedoch derzeit einen geringen
Anteil der Ethernet-Installationen. In einer industriellen Umgebung
sind Koaxialkabel nicht bevorzugt, da sie anfälliger für Beschädigungen und eine Qualitätsverschlechterung
auf Grund von Verbiegen sind als paarverseilte Kabel.
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Im
Prinzip kann eine lineare Topologie aus einer Mehrzahl von miteinander
verbundenen Hubs konstruiert werden. In der Praxis ist jedoch die
Anzahl von Hubs, die auf zuverlässige
Weise kombiniert werden können,
auf weniger als 7 beschränkt.
Diese Einschränkung
ergibt sich aus dem „Signaljitter", das durch jedes
Hub bewirkt wird. Dieses Jitter ist additiv; somit nimmt das Jitter
mit der Anzahl von Hubs zu, bis die Signalisierungsprotokolle ausfallen.
Allgemein ist die maximale Anzahl von Hubs nicht vorhersehbar, da
diese Anzahl von den Besonderheiten jeder Installation abhängt. Um
eine lineare Topologie zu liefern, ist also eine Komponente erforderlich,
die Signale kombiniert, ohne Jitter zu bewirken.
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Drittens
werden individuelle Knoten lediglich über ihre Knotenadressen in
Ethernet-Systemen adressiert. Obwohl Adresstabellen logisch ausreichend
sind, um Kommunikationen zu verwalten, weisen sie eine Anzahl von
Problemen auf. Beispielsweise unterliegen die Tabellen Installationsfehlern
und sind schwierig zu unterhalten.
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Ferner
sind die Informationen für
mit den Knoten verbundene Komponenten nicht ohne weiteres zugänglich.
Die Netzwerktopologie enthält
oft Informationen über
das Funktionieren von Vorrichtungen in dem Netzwerk. Beispielsweise
können
alle mit einem bestimmten Hub verbundenen Bauelemente auf eine bestimmte
Maschine oder eine Gruppe von Maschinen, die zusammenarbeiten, bezogen
sein. Wenn eine Maschine aus fällt,
kann es notwendig sein, an die anderen Maschinen Nachrichten zu
senden, Schritte zu unternehmen, um den durch den Ausfall der ersten
Maschine verursachten Schaden einzudämmen. Dies erfordert, dass
das Datenverarbeitungssystem an dem Knoten, der den Ausfall erfasste,
eine Nachricht an alle anderen Vorrichtungen in dem relevanten Hub
sendet. Um diese Kommunikation durchzuführen, muss der sendende Prozessor die
Adressen aller Vorrichtungen in diesem Hub kennen. Diese Informationen
stehen an das Netzwerk angeschlossenen Vorrichtungen allgemein nicht ohne
weiteres zur Verfügung. Üblicherweise
weist ein Computer in einem großen
Netzwerk eine Abbildung des Netzwerks auf, und dieser Computer ist nicht
notwendigerweise dazu programmiert, diese Informationen einer Vorrichtung
an einem Knoten des Netzwerks bereitzustellen. Somit wird eine zusätzliche
Ebene einer Adressunterstützung
benötigt,
so dass eine Nachricht direkt an alle Vorrichtungen, die an einem
Hub oder einer ähnlichen
Vorrichtung angeschlossen sind, geleitet werden kann, ohne dass
es erforderlich wäre,
dass der Absender die Adresse jedes Empfängers bereitstellt. Die US-Patentschrift Nr. 5608729
beschreibt eine Ausgangsverzweigungsvorrichtung.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein verbessertes Netzwerk.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine in Anspruch 1 festgelegte Ausgangsverzweigungsvorrichtung
vorgesehen.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist ein Netzwerk gemäß Anspruch 6 vorgesehen.
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Das
bevorzugte Ausführungsbeispiel
kann ein verbessertes Netzwerksystem liefern, das besser an industrielle
Umgebungen angepasst ist, beispielsweise ein industrielles Netzwerk,
das mit dem Ethernet-Standard arbeiten kann und das lineare Topologien
unterstützen
kann.
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Das
bevorzugte industrielle Netzwerk kann in der Lage sein, Kabelausfälle einzudämmen, so dass
zumindest ein Teil des durch das Kabel versorgten Netzwerks weiterhin
funktionieren kann.
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Vorteilhafterweise
können
Vorrichtungen unter Bezugnahme auf die Netzwerktopologie adressiert
werden.
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Das
bevorzugte System ist ein Netzwerk zum Verbinden einer Mehrzahl
von Vorrichtungen und der beim Konstruieren des Netzwerks verwendeten
Komponenten. Das Netzwerk umfasst zumindest eine Ausgangsverzweigungsvorrichtung
zum Verbinden der Vorrichtungen. Die Ausgangsverzweigungsvorrichtung
umfasst ein oberes Tor und eine Mehrzahl von in Flussrichtung nachgelagerten
Toren. Die Ausgangsverzweigungsvorrichtung umfasst ferner eine Steuerung
zum Überwachen
von Nachrichten, die durch die Tore empfangen werden, und zum Erzeugen
von Nachrichten, die über
die Tore zu senden sind. Eine erste Signalkombinationsschaltung
in der Ausgangsverzweigungsvorrichtung erzeugt eine in Flussrichtung
vorgelagerte kombinierte Nachricht, die Nachrichten, die durch die
Steuerung für
das obere Tor erzeugt werden, und Nachrichten, die durch die in
Flussrichtung nachgelagerten Tore empfangen werden, umfasst. Die
in Flussrichtung vorgelagerte kombinierte Nachricht wird von dem
oberen Tor gesendet. Die Ausgangsverzweigungsvorrichtung umfasst
ferner eine zweite Signalkombinationsschaltung zum Erzeugen einer
in Flussrichtung nachgelagerten kombinierten Nachricht, die Nachrichten,
die durch die Steuerung für
die in Flussrichtung nachgelagerten Tore erzeugt werden, und Nachrichten,
die durch das obere Tor empfangen werden, umfasst. Die in Flussrichtung
nachgelagerte kombinierte Nachricht wird von den in Flussrichtung
nachgelagerten Toren gesendet. Das Netzwerk umfasst ferner eine
Mehrzahl von Netzwerkkabeln, eines pro Tor, zum Kommunizieren von
Nachrichten an die und von den Vorrichtungen. Die Signalkombinationsschaltungen
sind vorzugsweise Summierverstärker.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung umfasst das Netzwerkkabel verdrillte
Leitungen zum Kommunizieren der Nachrichten über das Ethernet-Protokoll
sowie erste und zweite Leistungsleiter. Es können alternative Ausführungsbeispiele
entworfen werden, die die Signalisierungs- und Leistungsfunktion
in einem einzigen Paar von Drähten
kombinieren.
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Bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung umfasst die Ausgangsverzweigungsvorrichtung
ferner eine Mehrzahl von Leistungskomponenten, wobei eine derartige
Leistungskomponente jedem der Tore zugeordnet ist. Jede Leistungskomponente
ist mit dem ersten und dem zweiten Leiter des Netzwerkkabels verbunden, das
mit dem dieser Leistungskomponente zugeordneten Tor verbunden ist.
Die Ausgangsverzweigungsvorrichtung wird mit einer Leistung versorgt, die
durch eine der Leistungskomponenten, üblicherweise durch die dem
oberen Tor zugeordnete Leistungskomponente, empfangen wird. Jede
der Leistungskomponenten umfasst ferner eine Schaltung zum Erfassen
eines vorbestimmten Zustands an dem ersten und dem zweiten Leistungsleiter,
die mit der Leistungskomponente verbunden sind, und zum Erzeugen
eines Signals, das das Vorliegen des Zustands angibt. Ferner umfasst
jede der Leistungskomponenten eine Umschaltschaltung zum Trennen des
ersten und des zweiten Leistungsleiters in dem Netzwerkkabel, das
mit dem Tor, das der Leistungskomponente zugeordnet ist, verbunden
ist, von der Ausgangsverzweigungsvorrichtung auf eine Erfassung
des vorbestimmten Zustands hin. Wenn der vorbestimmte Zustand erfasst
wird, erzeugt und sendet die Steuerung ferner eine Nachricht, die
angibt, dass der vorbestimmte Zustand über das obere Tor erfasst wurde.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung umfasst das Netzwerkkabel einen ersten und einen zweiten
Signalleiter, und die Ausgangsverzweigungsvorrichtung umfasst ferner
eine Mehrzahl von Signalleitungsüberwachungskomponenten
zum Erfassen von Problemen in den Signalleitern und zum Trennen
der Signalleiter, wenn Probleme erfasst werden.
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Eine
derartige Signalleitungsüberwachungskomponente
ist jedem der Tore zugeordnet und ist mit dem ersten und dem zweiten
Signalleiter des Netzwerkkabels verbunden, das mit dem dieser Signalleitungsüberwachungskomponente
zugeordneten Tor verbunden ist. Jede der Signalleitungsüberwachungskomponenten
umfasst eine Schaltung zum Erfassen eines vorbestimmten Zustands
an dem ersten und dem zweiten Signalleiter, die mit der Signalleitungsüberwachungskomponente
verbunden sind, und zum Erzeugen eines Signals, das das Vorliegen
des Zustands angibt. Ferner umfasst jede der Signalleitungsüberwachungskomponenten
eine Umschaltschaltung zum Trennen des ersten und des zweiten Signalleiters
in dem Netzwerkkabel, das mit dem der Signalleitungsüberwachungskomponente zugeordneten
Tor verbunden ist, von der Ausgangsverzweigungsvorrichtung. Die
Steuerung erzeugt und sendet eine Fehlernachricht, die angibt, dass
der vorbestimmte Zustand über
das obere Tor erfasst wurde.
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Bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung umfasst die Ausgangsverzweigungsvorrichtung
ferner eine Schaltung zum Speichern einer Vorrichtungsidentifizierungsnummer.
Die Steuerung erzeugt und sendet eine Identifizierungsnachricht,
die die Vorrichtungsidentifizierungsnummer enthält, ansprechend auf eine Nachricht,
die an einem der in Flussrichtung nachgelagerten Tore empfangen
wurde, über
das obere und das in Flussrichtung nachgelagerte Tor. Ferner erzeugt die
Steuerung ein Signal an dem oberen Tor, das jegliche Vorrichtung,
die über
das obere Tor mit der Ausgangsverzweigungsvorrichtung verbunden
ist, veranlasst, die Nachricht zu ignorieren. Die Identifizierungsnachricht
kann ferner Informationen umfassen, die spezifizieren, welches Tor
an der Ausgangsverzweigungsvorrichtung die Anforderungsnachricht empfing.
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Eine
Ausgangsverzweigungsvorrichtung kann derart aus Summierverstärkern und
Leitungsempfängern
aufgebaut sein, dass die Vorrichtung für Ethernet-Protokolle transparent
ist, jedoch nicht das Jitter in die Signale einbringt, die den Neusende-
und Synchronisationsfunktionen, die durch herkömmliche Hubs erfüllt werden,
zugeordnet sind.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird nachstehend lediglich beispielhaft
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es
zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Netzwerks;
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2 eine
schematische Zeichnung des einfachsten Ausführungsbeispiels einer Ausgangsverzweigungsvorrichtung;
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3 eine
schematische Zeichnung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Ausgangsverzweigungsvorrichtung;
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4 eine
schematische Zeichnung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Ausgangsverzweigungsvorrichtung;
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5 eine
schematische Zeichnung einer Ausgangsverzweigungsvorrichtung, die
die Funktionalität
eines herkömmlichen
Ethernet-Hubs beinhaltet.
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Es
sei nun auf 1 Bezug genommen, die ein Blockdiagramm
eines Ausführungsbeispiels
eines Netzwerks 10 zum Verbinden einer Anzahl von Vorrichtungen 11 miteinander
und mit einem Kopfende 15, das normalerweise ein Server
ist, zeigt. Das Netzwerk 10 ist aus einem Kabelsystem 14 und
zwei Arten von Ausgangsverzweigungsvorrichtungen aufgebaut. Das
Kabelsystem 14 beruht auf verdrillten Leitungen zur Signalübertragung;
somit müssen
die einzelnen Vorrichtungen 11 über eine Art Ausgangsverzweigungsvorrichtung
verbunden sein. Die erste Art der Ausgangsverzweigungsvorrichtung
wird als Hub bzw. Zentralstation bezeichnet. In 1 sind Hubs
bei 12 gezeigt. Ein Hub verstärkt die Signale und synchronisiert und
sendet die verstärkten
Signale neu. Wie oben erwähnt
wurde, ist die Anzahl von Hubs, die in Reihe geschaltet sein können, begrenzt, da
die Neusendefunktion jedes Hubs in die aus demselben ausgegebenen
Signale ein „Jitter" einbringt.
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Um
die Einschränkung
bezüglich
der Anzahl von Hubs, die in Reihe geschaltet werden können, zu überwinden,
verwendet das Netzwerk eine zweite Art Ausgangsverzweigungsvorrichtung,
die als „T" bezeichnet wird.
Exemplarische Ts sind bei 13 gezeigt. Ein T kann als Hub
betrachtet werden, der eine Ausgangsverzweigung von 2 aufweist,
der lediglich die Signale verstärkt.
Das heißt,
dass ein T nicht die einem Hub normalerweise zugeordneten Neusynchronisations-
und Neusendefunktionen liefert und somit für das Ethernet-Protokoll transparent
ist. Dementsprechend bringt ein T in die dasselbe durchlaufenden
Signale kein bedeutendes Jitter ein. Somit sind Ts bezüglich der
Anzahl derartiger Vorrichtungen, die in Reihe geschaltet werden
können,
nicht annähernd so
eingeschränkt.
Bei Ts, die ordnungsgemäß dazu entworfen
sind, die Impedanz- und Sendeeigenschaften des Signalgebungsdrahtes
zu berücksichtigen,
wird die Grenze bezüglich
der Anzahl von Ts, die in Reihe geschaltet werden können, durch
die Gesamtlänge
an Draht, die zwischen dem letzten herkömmlichen Repeater (d.h. der
Neusendevorrichtung) und der Endvorrichtung erlaubt ist, abzüglich der
effektiven elektrischen Länge
der Ts (auf der Basis ihrer internen Verzögerungen) bestimmt. Derartige
Verzögerungen
sind üblicherweise
vernachlässigbar;
somit ist die Anzahl von Ts, die in Reihe geschaltet werden können, beträchtlich
höher als
die Anzahl von Hubs, die in Reihe geschaltet werden können.
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Die
Art und Weise, wie ein T funktioniert, wird unter Bezugnahme auf 2 besser
verständlich. 2 ist
eine schematische Zeichnung des einfachsten Ausführungsbeispiels eines T.
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Ein
T 20 weist drei Tore auf, die mit 21, 31 und 41 bezeichnet
sind. Man betrachte nun Tor 21. Die Signaleingangsleitung 22 ist
mit einem Leitungsempfangsverstärker 24 verbunden.
Die 21. Die Signalausgangsleitung 23 ist mit einem
Summierverstärker 25 verbunden,
dessen Eingaben die Ausgaben der Leitungsempfangsverstärker von
den anderen Toren in dem T, d.h. der Verstärker 34 und 44,
sind. Die anderen Tore arbeiten auf analoge Weise. Das Tor 31 verstärkt das
auf der Eingangsleitung 32 empfangene Signal über den
Verstärker 34 und
erzeugt ein Ausgangssignal auf der Leitung 33, indem er
die Ausgaben der Verstärker 24 und 44 in
dem Verstärker 35 summiert.
Desgleichen verstärkt
das Tor 41 das auf einer Eingangsleitung 42 empfangene
Signal über
den Verstärker 44 und
erzeugt ein Ausgangssignal auf der Leitung 43, indem es
die Ausgaben der Verstärker 24 und 34 in
dem Verstärker 45 summiert.
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Für Fachleute
geht aus der vorstehenden Erläuterung
klar hervor, dass Ausgangsverzweigungsvorrichtungen, die eine Ausgangsverzweigung
von mehr als 2 aufweisen, auf eine Weise aufgebaut sein können, die
zu der oben in Bezug auf T 20 beschriebenen analog ist.
Jedes Tor der Ausgangsverzweigungsvorrichtung würde einen Leitungsverstärker aufweisen,
um die Signale auf der diesem Tor zugeordneten Eingangsleitung zu
verstärken.
Jedes Tor würde
ferner einen Summierverstärker
zum Erzeugen eines Ausgangssignals, das an den Toren der Ausgangsleitung
gesendet werden soll, aufweisen. Der Summierverstärker würde die
Ausgaben der Leitungsverstärker,
die nicht diesem Tor zugeordnet sind, als seine Eingaben aufweisen.
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Das
oben erörterte
T erscheint der an ein Tor sendenden Vorrichtung lediglich als eine
Kabellänge, vorausgesetzt,
dass lediglich eine einzige Nachricht in dem System übertragen
wird. Wenn zwei an das T angeschlossene Vorrichtungen versuchen,
gleichzeitig ein Paket zu senden, erfordert das Ethernet-Protokoll,
dass in dem Netzwerk ein „Kollisions"-Signal platziert
wird. Das Kollisionssignal sollte durch die zwei Komponenten, die
an Tore senden, erzeugt werden, da sie beide sowohl ihr eigenes
als auch das zweite Signal sehen. Jedoch können auch Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung verwendet werden, bei denen das T das
Kollisionssignal erzeugt. Eine Alternative zur Erzeugung eines Kollisionssignals
besteht darin, einen CRC-Fehler
zu erzwingen.
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Nun
sei auf 3 Bezug genommen, die ein Blockdiagramm
eines weiteren Ausführungsbeispiels eines
T gemäß der vorliegenden
Erfindung ist. T 50 weist Eingangstore 51, 52 und 53 auf.
Es unterscheidet sich insofern von dem T 20, als es auch
eine Steuerung 54 umfasst, die Signale von jedem der Leitungsverstärker 55–57 empfängt. Die
Steuerung 54 erzeugt ferner Ausgangssignale, die über Summierverstärker 58–60 mit
den verschiedenen Toren gekoppelt werden. Die Steuerung 54 umfasst
eine Schaltungsanordnung zum Erfassen des gleichzeitigen Vorliegens
eines Pakets oder Trägersignals
an zwei oder mehr Toren. Wenn dieser Zustand erfasst wird, erzeugt
und sendet die Steuerung 54 das Kollisionssignal. Die Erfassung
wird vorzugsweise auf dieselbe Weise durchgeführt, die bei herkömmlichen Ethernet-Implementierungen
verwendet wird. Somit ist das T 50 für die Knoten, die mit seinen
Toren verbunden sind, völlig
transparent.
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Die
Schaltungen in den T- und Hub-Komponenten, die in einem Netzwerk
verwendet werden, benötigen
Leistung. Im Prinzip könnte
die Leistung auf dieselbe Weise, wie sie bei herkömmlichen
Hubs in Ethernet-Systemen verwendet wird, von einer lokalen Leistungsquelle
bereitgestellt werden. Wie oben erwähnt wurde, eignen sich industrielle
Umgebungen nicht immer für
lokale Leistungsquellen. Somit umfasst die Netzwerkverkabelung bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ferner Leiter zum Übertragen von Leistung. Die Leiter
können
entweder Wechselstrom oder Gleichstrom übertragen. Wechselstrom weist
zwei Vorteile auf. Erstens ist Polarität kein Thema. Zweitens kann eine Masseisolierung
für die
Komponenten mit einfachen Transformatoren implementiert werden.
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Bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung umfassen die Ausgangsverzweigungsvorrichtungen
Leistungskomponenten, die das Leistungsverteilungssystem koppeln und/oder
verwalten. Die Leistungskomponenten werden unter Bezugnahme auf
ein T, wie es z.B. oben unter Bezugnahme auf 3 erörtert wurde,
erörtert. Jedoch
wird Fachleuten in Anbetracht der folgenden Erörterung einleuchten, dass derartige
Leistungskomponenten auch in anderen Netzwerkelementen enthalten
sein können.
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Nun
sei auf 4 Bezug genommen, die eine schematische
Zeichnung einer T 100 ist, die Komponenten zum Extrahieren
von Leistung und zum Verwalten des Leistungsverteilungsnetzwerks umfasst.
Jedes der Tore 101–103 umfasst
eine Leistungskomponente zum Koppeln der bei 111–113 gezeigten
Leistungsleiter mit dem T 100. Die Leistungskomponenten,
die den Toren 101–103 entsprechen, sind
bei 121–123 gezeigt.
Die Verbindungen zwischen den Leistungskomponenten und den verschiedenen
Verstärkern
wurden weggelassen, um die Figur zu vereinfachen. Ferner wird angenommen,
dass die Steuerung 110 ebenfalls durch eine der Leistungskomponenten
mit Leistung versorgt wird. Allgemein wird die Leistung für das T
durch die Leistungskomponente an dem oberen Tor geliefert.
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Bei
dem einfachsten Ausführungsbeispiel
ist jede Leistungskomponente ein Transformator, und die Steuerung 110 oder
die Verstärker
selbst umfassen die notwendige Schaltungsanordnung zum Umwandeln
des Wechselstroms in die seitens der Komponenten benötigten Logikpegel.
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Wie
oben erwähnt
wurde, beinhalten industrielle Umgebungen oft lange Netzwerkleitungen,
die anfällig
für Schäden sind.
Ferner kann jegliche Vorrichtung, die mit den Leistungsleitungen
verbunden ist, im Prinzip einen Kurzschluss entwi ckeln, der das gesamte
Leistungssystem lahm legen kann. Somit umfasst bei dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung jede Leistungskomponente eine zusätzliche
Schaltungsanordnung, um Ausfälle
zu erfassen, und eine Umschaltschaltungsanordnung, um den Abschnitt
der Leistungsleitung, der einem Kurzschluss unterlag, zu isolieren.
Beispielsweise kann jede Leistungskomponente eine Schaltungsanordnung
zum Messen der Belastung umfassen, die an dem dieser Leistungskomponente zugeordneten
Tor erfasst wird, und eine Umschaltschaltungsanordnung, die ermöglicht,
dass die Leistung an diesem Tor isoliert wird. Bei derartigen Ausführungsbeispielen
umfasst die Steuerung 110 Leistungsverwaltungsfunktionen.
Die Steuerung 110 erfasst vorzugsweise die Belastung an
jedem Tor, um zu bestimmen, ob eine Abnormalität vorliegt, z.B. ein Leerlauf,
ein Kurzschluss oder eine andere definierte Abnormalität. Auf ein
Erfassen einer derartigen Abnormalität hin isoliert die Steuerung 110 die
Leistung. Die Steuerung 110 kann auch ein Signal an das
und von dem abnormalen Tor senden, um zu verhindern, dass die Abnormalität das restliche
System stört. Überdies
kann die Steuerung 110 eine visuelle Anzeige liefern, die
das Tor, das der Abnormalität
zugeordnet ist, identifiziert, um dem Wartungspersonal zu helfen.
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Eine ähnliche
Anordnung kann verwendet werden, um Probleme bei den Signalträgerleitern
des Netzwerkkabels zu erfassen. Bei Ausführungsbeispielen, die dieses
Merkmal verwenden, umfasst jedes Tor eine Leitungsüberwachungseinrichtung
unter der Steuerung der Steuerung 110, die die Impedanz der
Signalträgerleiter überwacht.
Die Leitungsüberwachungseinrichtungen,
die Toren 101–103 entsprechen,
sind bei 131–133 gezeigt.
Die Leitungsüberwachungseinrichtungen
können
ferner eine Umschaltschaltungsanordnung zum Isolieren von Abschnitten der
Leitungen, in denen eine Abnormalität vorliegt, umfassen, wodurch
verhindert wird, dass die Abnormalität den restlichen Signalsendeabschnitt
des Netzwerks stört.
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Da
derartige Ausfälle
erwartete Ereignisse sind, kann die Steuerung 110 dazu
programmiert werden, eine „konservierte" Nachricht von den
funktionstüchtigen
Toren zu senden, die das Vorliegen und die Position des erfassten
Fehlers meldet. In diesem Fall umfasst die Steuerung 110 eine
Identifizierungsnummer, die die Komponente identifiziert, in der
die Steuerung 110 bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung als Teil der Nachricht angeordnet ist.
Demgemäß umfasst
eine Netzwerkkomponente gemäß der vorliegenden
Erfindung vorzugsweise einen eindeutigen Identifizierer, der in derartigen
Nachrichten enthalten ist.
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Es
ist zu beachten, dass die Fehler bei einem Netzwerk gemäß der vorliegenden
Erfindung bekanntermaßen
dem mit dem Tor, an dem der Fehler erfasst wurde, verbundenen Segment
in Flussrichtung nachgelagert sind. Wenn der Fehler über das unmittelbare
Segment hinausginge, wäre
er stattdessen in der nächsten
Komponente erfasst worden. Ein derartiges System zum Isolieren und
Signalisieren des Vorliegens von Fehlern erhöht die Wartungsfreundlichkeit
von Ethernet-Netzwerken
in der industriellen Umgebung beträchtlich.
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Die
oben unter Bezugnahme auf Ts beschriebenen Netzwerkverwaltungs-
und Leistungsverteilungsfunktionen können in herkömmlichen
Ethernet-Hubs und ähnlichen
Vorrichtungen enthalten sein, um diesen Vorrichtungen die oben beschriebenen
Vorteile zu verleihen. Die Art und Weise, wie dies bewerkstelligt
wird, wird unter Bezugnahme auf 5, die ein
schematisches Diagramm eines Hubs 200 gemäß der vorliegenden
Erfindung ist, eventuell leichter verständlich. Das Hub 200 umfasst
die bei herkömmlichen
Hubs zu findende Neusendeschaltungsanordnung 201 zum schnittstellenmäßigen Miteinanderverbinden
der verschiedenen herkömmlichen
Tore 202. Definitionsgemäß ist eines der herkömmlichen
Tore das obere Tor 212, das die in Flussrichtung vorgelagerte
Richtung definiert. Die verbleibenden Tore sind die in Flussrichtung
nachgelagerten Tore. Obwohl die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
einer Ausgangsverzweigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
nicht speziell eines der Tore als das „obere Tor" definierten, wird Fachleuten jedoch
einleuchten, dass jedes beliebige der Tore mit dem in Flussrichtung
vorgelagerten Abschnitt des Netzwerks, d.h. dem Abschnitt, der dem Kopfende
am nächsten
liegt, verbunden sein kann. Dieses Tor wird dann zu dem „oberen
Tor". Die herkömmliche
Hub-Schaltungsanordnung wird nicht näher erörtert, da sie auf herkömmliche
Weise arbeitet. Das Hub 200 umfasst ferner eine Steuerung 220,
die die an jedem Tor empfangenen Signale überwacht und Signale zum Senden
durch die Tore erzeugt.
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Die
durch die Steuerung 220 erzeugten Signale werden mit Hilfe
von Summierverstärkern 205 und 206 in
den Kommunikationsstrom eingebracht. Da Ethernet-Protokolle es Hubs
nicht erlauben, zu speichern und weiterzuleiten, muss ein durch
die Steuerung 220 erzeugtes Paket durch alle Tore gesendet
werden. Für
Nachrichten, die durch die Steuerung 220 erzeugt werden
und die lediglich durch die an die unteren Tore angeschlossenen
Vorrichtungen verarbeitet werden sollten, erzeugt die Steuerung 220 ein „Kollisions"- oder ein Fehlerübertragungssignal,
das bewirkt, dass durch Vorrichtungen, die mit dem oberen Tor verbunden
sind, ein Prüfsummenfehler
erzeugt wird. Wie oben erwähnt
wurde, bewirkt dieses Signal, dass alle Empfänger, die dem oberen Tor zuhören, dieses
Paket verwerfen. Ein ähnlicher Mechanismus
kann verwendet werden, um von vornherein auszuschließen, dass
in Flussrichtung nachgelagerte Vorrichtungen eine Nachricht verarbeiten und
gleichzeitig ermöglichen,
dass eine vorgeschaltete Vorrichtung die Nachricht korrekt verarbeitet.
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Bei
Ausführungsbeispielen,
die Leistung und Leistungsverwaltung liefern, werden Leistungskomponenten 204,
die der Steuerung der Steuerung 220 unterliegen, auf eine
Weise verwendet, die zu der oben beschriebenen analog ist. Die Verbindungen zwischen
den Leistungskomponenten und den verschiedenen Verstärkern und
anderen Schaltungsanordnungen in dem Hub 200 wurden weggelassen,
um die Zeichnung zu vereinfachen. Desgleichen können Leitungsüberwachungseinrichtungen 203 unter
der Steuerung der Steuerung 220 eingebracht werden, um
das Kommunikationsnetzwerk auf eine Weise, die zu der oben beschriebenen
analog ist, zu überwachen
und zu verwalten.
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Wie
oben erörtert
wurde, adressieren herkömmliche
Ethernet-Netzwerke
die Netzwerkkomponenten über
Adresstabellen. Eine erste Vorrichtung, die eine Nachricht an eine
zweite Vorrichtung in dem Netzwerk senden möchte, muss die Adresse der empfangenden
Vorrichtung kennen, so dass sie eine Nachricht an diese Vorrichtung
adressieren kann. Dies erfordert, dass jede Vorrichtung bezüglich der Adressen
aller Vorrichtungen, an die sie eventuell eine Nachricht senden
muss, auf dem Laufenden ist. Da Netzwerktopologien selten bis in
alle Zeiten feststehen, müssen
die Adresstabellen für
derartige Vorrichtungen periodisch aktualisiert werden. Dieser Vorgang
verkompliziert die Verwaltung des Netzwerks. Ferner kann die Hinzufügung einer
neuen Vorrichtung an einem Hub Softwareänderungen in zahlreichen anderen
Vorrichtungen erfordern, was die Netzwerkverwaltung weiter verkompliziert.
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Das
bevorzugte Netzwerk liefert ein neues Verfahren zum Adressieren
von Nachrichten, das viele dieser Probleme überwindet. Da dieses Merkmal
allen beschriebenen Ausführungsbeispielen
von Netzwerkschnittstellenvorrichtungen gemeinsam ist, geht die
folgende Erörterung
davon aus, dass die relevante Vorrichtung ein Hub ist. Jedoch ist
es für Fachleute
auf der Basis der folgenden Erörterung selbstverständlich,
dass dieselbe Methodologie auch für Ts und andere Komponenten
gilt.
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Man
betrachte den Fall, in dem alle Vorrichtungen an einem bestimmten
Hub durch eine Vorrichtung adressiert werden sollen, die eine der
Vorrichtungen an dem Hub oder eine entfernte Vorrichtung sein kann.
Wenn eine Vorrichtung die Identifizierungsnummer des Hubs, an dem
sie angeschlossen ist, kennt, so kann die Vorrichtung eine Nachricht,
die an alle Vorrichtungen adressiert sind, die mit dem Hub verbunden
sind, das eine Identifizierungsnummer, die in der Nachricht enthalten
ist, aufweist, ordnungsgemäß interpretieren.
Bei dem bevorzugten Netzwerk können
alle an einem Hub gemäß der vorliegenden
Erfindung angeschlossenen Vorrichtungen die Identifizierungsnummer
des Hubs ermitteln, indem sie eine Spezialnachricht senden, die
durch die Steuerung in dem Hub erkannt wird. Die Steuerung definiert
eine in Flussrichtung vorgelagerte und eine in Flussrichtung nachgelagerte
Richtung für
das Hub. Wenn sie eine Nachricht aus der in Flussrichtung nachgelagerten
Richtung empfängt,
die die Identifizierungsnummer des Hubs anfordert, antwortet die Steuerung,
indem sie eine Nachricht, die dessen Identifizierungsnummer umfasst,
an alle in Flussrichtung nachgelagerten Tore sendet.
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Man
sollte beachten, dass die Steuerung im Fall eines Hubs oder einer ähnlichen
Vorrichtung nicht verhindern kann, dass sich die Nachricht auch in
der in Flussrichtung vorgelagerten Richtung ausbreitet. Jedoch verhindert
die Steuerung, dass die Vorrichtung in der in Flussrichtung vorgelagerten Richtung
auf die Nachricht reagiert, indem sie ein Kollisionssignal an dem
oberen Tor erzeugt. Jegliche in Flussrichtung vorgelagerte Vorrichtung,
die die Nachricht empfängt,
verwirft sie somit als verfälscht.
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Dieses
Verfahren zum Verhindern, dass andere Vorrichtungen die Nachricht
lesen, kann selektiv auf jegliches Tor angewendet werden. Wenn die Steuerung
also eine Spezialnachricht von einem Tor x erfasst, kann sie auf
diese Nachricht antworten, indem sie eine Antwort wendet, die sich
bis zu allen Toren ausbreitet, während
sie gleichzeitig ein Kollisionssignal an allen Toren mit Ausnahme
des Tors x erzeugt. Dementsprechend kann die mit Tor x verbundene
Vorrichtung auch eine Nachricht empfangen, die durch die Steuerung
lediglich an sie selbst gerichtet ist. Diese Art von Nach richt ermöglicht,
dass jedes Tor seine Position in dem Hub bestimmt, indem es sowohl
die Hubidentifizierungsinformationen als auch seine Tornummer in
diesem Hub abfragt. Ein ähnlicher
Mechanismus kann verwendet werden, um zu ermöglichen, dass eine Vorrichtung
in ihrer Anfrage an die Steuerung ihre eigene eindeutige Identifizierung
liefert. Wenn diese Identifizierung in der Antwort enthalten ist,
können
andere Vorrichtungen die Informationen ignorieren. Dieser Mechanismus
erfordert eine komplexere Steuerung, da die Steuerung die Anfrage
bezüglich
ihres Inhalts, d.h. die Identifizierung und nicht lediglich die
Art der Nachricht, parsen muss. Dementsprechend kann eine mit einem Hub
verbundene Vorrichtung eine zweite Adresse für sich selbst erzeugen, die
lediglich von der Topologie des Netzwerks abhängt. Diese Adresse wird in
der folgenden Erörterung
als „topologische
Adresse" der Vorrichtung
bezeichnet.
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Wenn
eine Vorrichtung ihre topologische Adresse kennt, kann sie auf Befehle
antworten, die über
diese neue Adresse adressiert sind. Dieses Merkmal ermöglicht,
dass jegliche Vorrichtung Nachrichten an alle Vorrichtungen, die
an ein spezifisches Hub angeschlossen sind, oder an die Vorrichtung,
die an ein spezifisches Tor an dem Hub angeschlossen ist, adressiert,
ohne das Erfordernis, die Ethernet-Adressen der einzelnen Vorrichtungen
in diesem Hub zu speichern.
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Es
sollte erwähnt
werden, dass die Steuerung in einem Hub oder einer ähnlichen
Vorrichtung als mit einem inneren „Tor" der Vorrichtung verbundene separate
Vorrichtung betrachtet werden könnte. Somit
kann die Steuerung ihre topologische Adresse auch bei der Vorrichtung
abfragen, die in Flussrichtung vor der Vorrichtung, in der sie angeordnet
ist, verbunden ist. Demgemäß kann das
topologische Adressierungsschema die Basis dafür liefern, dass jegliche Vorrichtung
nicht nur ihre „Eltern", sondern auch ihre
Großeltern,
Urgroßeltern
usw. ermittelt. Somit ermöglicht
das topologische Adressierungsschema, dass Vorrichtungen auf Be fehle
ansprechen, die an eine beliebige Vorrichtung auf einer beliebigen Ebene
des „Stammbaums" einer Vorrichtung
gerichtet sind.