EP4046344A1 - Multifunktionaler switch zum einsatz in einer prozesssteuernden automatisierungsanlage sowie eine solche prozesssteuernde automatisierungsanlage - Google Patents

Multifunktionaler switch zum einsatz in einer prozesssteuernden automatisierungsanlage sowie eine solche prozesssteuernde automatisierungsanlage

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EP4046344A1
EP4046344A1 EP20790285.9A EP20790285A EP4046344A1 EP 4046344 A1 EP4046344 A1 EP 4046344A1 EP 20790285 A EP20790285 A EP 20790285A EP 4046344 A1 EP4046344 A1 EP 4046344A1
Authority
EP
European Patent Office
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program
switch
functionality
designed
multifunctional switch
Prior art date
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Pending
Application number
EP20790285.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Mueller
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Phoenix Contact GmbH and Co KG
Original Assignee
Phoenix Contact GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP4046344A1 publication Critical patent/EP4046344A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G06F9/455—Emulation; Interpretation; Software simulation, e.g. virtualisation or emulation of application or operating system execution engines
    • G06F9/45533—Hypervisors; Virtual machine monitors
    • G06F9/45558—Hypervisor-specific management and integration aspects
    • G06F2009/45595—Network integration; Enabling network access in virtual machine instances

Definitions

  • Multifunctional switch for use in a process-controlling automation system as well as such a process-controlling automation system
  • the invention relates to a multifunctional switch for use in a process-controlling automation system and to such a process-controlling automation system.
  • modular process control automation systems are used that, in addition to an external
  • Energy supply device usually a router, a switch, a control device, for example in the form of a programmable logic controller (PLC) for controlling a manufacturing process, and can have several input and / or output modules. All components can be designed in a modular manner and mounted spatially separated from one another on a mounting rail.
  • PLC programmable logic controller
  • All components can be designed in a modular manner and mounted spatially separated from one another on a mounting rail.
  • communication between the control device and the input and / or output modules takes place via a first bus system, for example the AXIO bus, while communication between the control device, the switch and the router is carried out via a second bus system, for example the Ethernet .
  • the external bus system for example the AXIO bus
  • the power supply is usually connected to the router, the switch and the cable via a cable
  • the present invention is based on the object of providing a multifunctional switch and a process-controlling automation system which allow less cabling, less space requirements and simplified communication.
  • a core idea of the invention can be seen in providing a multifunctional switch which, in addition to the actual switch functionality, has at least one further functionality, namely a
  • Control device functionality and / or a router functionality can run, which can be stored and installed as virtual machines in the multifunctional switch. It should be noted at this point that a switch functionality is preferably implemented in layer 2 of the OSI layer reference model, while a router functionality is implemented in layer 3 of the OSI layer reference model.
  • the control device functionality takes on all the tasks of a conventional programmable logic controller (PLC).
  • FIG. 1 shows an exemplary process-controlling automation system 10, which can have, for example, an external energy supply device 20, a multifunctional switch 30 and at least one input and / or output module 60 for connecting field devices such as sensors and / or actuators.
  • the exemplary automation system 20 has, in addition to the input and / output module 60, to which preferably safety-related field devices 100, 101 can be connected for controlling a safety-critical process, an input and / or output module 90, to which preferably non-safety-related field devices 110 and 111 can be connected to control a non-safety-critical process.
  • the energy supply device 20, the multifunctional switch 30 and the input and / or output modules 60 and 90 can be of modular design and in particular can be provided to be electrically connected to one another via a bus system 80.
  • the bus system 80 can be arranged in a mounting rail 70, for example a top hat rail, wherein the
  • Energy supply device 20, multifunctional switch 30 and the at least two input and / or output modules 60 and 90 can be designed for mounting on top-hat rail 70.
  • the multifunctional switch 30 has a control unit 31, which can preferably be designed as a microcontroller and in particular as a 500 MHz or even faster control unit.
  • the control unit 31 is below among other things designed to operate the multifunctional switch 30 as a switch, preferably as an Ethernet switch or Gigabit Ethernet switch.
  • the multifunctional switch 30 has a large number of ports 40-43 and 50-52 to which, depending on the application or implementation, for example at least one network segment and / or another communication network, such as the Internet, can be connected.
  • ports 40-43 and 50-52 are designed as RJ-45 connectors. However, the ports can also be designed differently physically.
  • the ports 40-43 and 50-52 can be electrically connected via an internal backplane 33, which is, for example, a high-speed bus.
  • the control unit 31 and a communication interface 34 of the multifunctional switch 30, via which the multifunctional switch 30 can be connected to the bus system 80, for example, are preferably also connected to the high-speed bus 33.
  • a memory device 32 is implemented in the multifunctional switch 30, in which a first program for executing a switch functionality is stored.
  • the first program can preferably be firmware that operates the multifunctional switch 30 as a switch.
  • the multifunctional switch 30 can preferably be designed as a high-speed switch which, in particular when it executes the switch functionality, several
  • High speed ports for example ports 40 to 43 can support.
  • the term “high speed” here means that i) the high speed ports, for example ports 40 to 43 Send and receive data independently of each other at a data transfer rate of at least 100 Mbit / s, preferably 1Gbit / s, 2.5Gbit / s, 5Gbit / s, 10Gbit / s, 25Gbit / s, 50Gbit / s, 100Gbit / s and more can, and that ii) the multifunctional switch 30 is designed to transfer data, preferably in response to a routing table, with the corresponding
  • the multifunctional switch 30 preferably comprises suitable high-speed transmission means, for example the above-mentioned high-speed bus 33 which connects the high-speed ports, and a sufficiently fast operating control unit 31, for example the above-mentioned 500 MHz control unit.
  • a buffer with sufficient storage capacity for storing data frames can be implemented.
  • the buffer memory can be implemented as part of the memory device 32 or as a separate memory in the multifunctional switch 30.
  • the multifunctional switch 30 can preferably be designed as a Gigabit Ethernet switch such as, for example, of the VSC7449-01 type, which can support 52 Gigabit Ethernet ports. A corresponding number of high-speed ports can then be implemented in the multifunctional switch 30.
  • the switch functionality in particular a high-speed switch functionality, as explained above by way of example, cannot be implemented as a pure virtual switch in a PC. Rather, in this case a switch must be used that has the hardware shown as an example above and capabilities.
  • the switch functionality to be carried out by the multifunctional switch determines its required performance.
  • the multifunctional high-speed switch explained above by way of example can be designed to carry out industrial applications in the field of automation technology.
  • At least one other program is stored in the memory device 32, namely a second program for executing a safety-related control device functionality and / or a third program for executing a router functionality and / or a fourth program for executing a non-safety-related control device functionality .
  • the second, third and / or fourth program can each be downloaded as an app into the storage device 32 and installed in the multifunctional switch 30.
  • Each app runs in a virtual machine that represents, for example, a virtual safety-related control device, a virtual non-safety-related control device or a virtual router.
  • the apps can be downloaded via an external computer, which can be connected to port 40, for example, or directly from an app store.
  • the control unit 31 can be based on the
  • Storage device 32 access stored programs. It is designed, for example, as a function of an operating system, which is also in the Storage device 32 can be stored, a switch functionality while processing the first program, and / or a safety-related functionality when processing the second program
  • Control device functionality and / or a router functionality while processing the third program and / or a non-safety-related control device functionality while processing the fourth program.
  • the first, second, third and fourth programs, if installed, can be executed simultaneously or at different times.
  • an operating system is stored in the multifunctional switch 30 in which the switch functionality or the first program runs, via which the further programs or apps and / or also the ports are made available.
  • Automation system 10 can be seen in the fact that, in particular, multifunctional switch 30 and, in the present example, input and / or output modules 60 and 90 can communicate with one another via a common bus system, here bus system 80.
  • the bus system 80 is preferably an SPE-based bus system which is based on single-pair Ethernet technology.
  • the communication interface 34 is designed as an SPE-based interface, which can be electrically connected to a complementary SPE-based interface 81 of the bus system 80.
  • the safety-related input and / or output module 60 has an SPE-based interface 62, which can be electrically connected to a further SPE-based complementary interface 82 of the bus system 80.
  • the input and / or output module 60 may include multiple PES-based having n ports 61i-61, in the SPE-based safety-related field devices 110, 101 can be directly connected. In this case there is no need for gateways to convert the communication protocol.
  • the non-safety-related input and / or output module 90 has an SPE-based interface 92, which can be electrically connected to a further SPE-based complementary interface 83 of the bus system 80.
  • the input and / or output module 90 may comprise a plurality of n SPE-based interfaces 91i -91, to the SPE-based non-safety-related field devices 110, 111 can be directly connected. In this case, too, no gateways are required that have a
  • the energy supply of the multifunctional switch 30 and possibly the field devices that can be switched to the input and / or output modules 60 and 90 can take place via what is known as PoDL technology.
  • the abbreviation PoDL stands for "Power over Data Line".
  • the external energy supply device 20 can transmit energy via the SPE-based bus system 80 to the multifunctional switch 30 and to the input and / or output modules 60 and 90.
  • the energy supply device 20 has an SPE-based interface 21, which can be electrically connected to a further complementary SPE-based interface 84 of the bus system 80.
  • the energy supply device 20 can preferably provide a direct voltage, for example a direct voltage of 24 V.
  • the process-controlling automation system 10 shown by way of example in FIG. 1 enables the energy supply device 20 to transmit not only energy but also data, such as diagnostic data, to the multifunctional switch 30 via the bus system 80.
  • the multifunctional switch 30 works, for example, as a virtual safety-related control device, that is, the control unit 31 executes the second program
  • the diagnostic data of the energy supply device 20 can be evaluated and processed by the multifunctional switch 30, for example in order to detect the safety-related data connected to the input and / or output module 60
  • the control unit 31 is executing, for example, the second program relating to the control device functionality.
  • the mode of operation of the multifunctional switch 30 is explained below by way of example.
  • the energy supply device 20 diagnostic data which, for example, indicate faulty operation of the energy supply device 20, via the interfaces 21 and 84 via the bus system 80 and the interfaces 81 and 34 as well as via the
  • High speed bus 33 to control unit 31 transmits.
  • the control unit 31 is designed to recognize that diagnostic data have been transmitted.
  • the control unit 31 executes the second program stored in the memory device 32, ie the function of a safety-related virtual PLC.
  • One possible scenario provides that, in response to the diagnostic data, the control unit 31 transfers all of the safety-related actuators (not shown) connected to the input and / or output module 60 to a safe state by sending corresponding control data from the control unit 31 via the high-speed bus 33 and the interfaces 34 and 81 as well as via the bus system 80 and via the interfaces 82 and 62 are fed to the respective safety-related actuators.
  • the process-controlling automation system 10 shown in FIG. 1 is to communicate with the Internet connected to port 50.
  • the control unit 31 executes the router functionality stored in the memory device 32, and the multifunctional switch 30 causes communication between the Internet and the process-controlling automation system 10 to be handled via the port 50.
  • the measurement data generated by a safety-related sensor connected to the input and / or output module 60 should be stored on the Internet.
  • the measurement data from the sensor 100 via the bus system 80 to the multifunctional switch 30 and then transferred to the Internet via port 50 under the control of the control unit 31, which operates as a virtual router.
  • control unit 31 of the multifunctional switch 30 works, for example, at the same time as a virtual router and virtual safety-related control device.
  • the control unit 31, which functions as a virtual safety-related control device, is configured to evaluate the measurement data received from the sensor 100 and to forward corresponding control data to a predetermined safety-related actuator connected to the input and / or output module 60, for example the actuator 101, for example to switch the actuator 101 on to drive in a safe state.
  • a multifunctional switch 30 is provided for use in a process-controlling automation system 10, wherein the multifunctional switch 30 can have the following features: a control unit 31, which can be designed as a microcontroller, a large number of ports or interfaces 40-43 and 50-52, and a memory device 32 in which a first program for executing a switch functionality and also a second program for executing a
  • Control device functionality and / or a third program for executing a router functionality can be stored, wherein the control unit 31 is designed to execute a switch functionality while processing the first program and furthermore a control device functionality while processing the second program and / or a router functionality while processing the third program.
  • the control unit 31 is advantageously designed to assign at least some of the ports to the corresponding functionality to be executed as a function of the program to be processed in each case.
  • the multifunctional switch 30 can expediently have an SPE-based interface 34, to which an external energy supply device 20 for supplying energy to the multifunctional switch according to PoDL technology can be connected.
  • the multifunctional switch 30 is preferably designed as a module for mounting on a mounting rail 70.
  • the multifunctional switch 30 can be electrically connected via a bus system 70 to at least one input and / or output module 60, 90 for communication with field devices 100, 101 or 110, 111.
  • a non-safety-related control device functionality can be stored in the memory device 32 as a second program and a safety-related control device functionality as a fourth program
  • the control unit 31 is designed to execute a safety-related control device functionality while processing the fourth program.
  • the multifunctional switch 30 can preferably be designed as a high-speed switch, in particular as a gigabit Ethernet switch.
  • At least some ports 40-43 of the large number of ports 40-43 and 50-52 can be designed as high-speed ports, each of which can be designed to receive data at a transmission rate of at least 100Mbit / s, preferably 1Gbit / s, 2, 5Gbit / s, 5Gbit / s, 10Gbit / s, 25Gbit / s, 50Gbit / s, 100Gbit / s and more to send and transmit, wherein the control unit 31 can be designed to execute a switch functionality while processing the first program and data between the high-speed ports 40-43 at a data transfer rate of at least 100Mbit / s, preferably 1Gbit / s, 2.5Gbit / s, 5Gbit / s, 10Gbit / s, 25Gbit / s, 50Gbit / s, 100Gbit /
  • a process-controlling automation system 10 which has the following features: a bus system 80, a multifunctional switch 30 that can be electrically connected to the bus system 80 in accordance with the explanations above, and at least one input and / or output module 60 that can be electrically connected to the bus system 80 , 90.
  • the bus system 80 is advantageously an SPE-based bus system which is designed to be arranged in a mounting rail 70.
  • the multifunctional switch 30 is advantageously designed to control the automation system 10 by executing the second program by the control unit 31.
  • the automation system 10 can advantageously comprise an external energy supply device 20 having an SPE-based interface 21, which can be connected to an SPE-based interface 34 of the multifunctional switch 30, the external
  • Energy supply device 20 is designed to supply in particular the multifunctional switch 30 with energy by means of PoDL technology.
  • the programs that can be stored in the storage device 32 represent virtual machines, such as a virtual router, a virtual safety-related control device, a virtual, non-safety-related control device.
  • the multifunctional switch 30 at least performs the functions of a virtual machine.

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Abstract

Die Erfindung betrifft u.a. einen multifunktionalen Switch (30) zum Einsatz in einer prozesssteuernden Automatisierungsanlage (10), welcher eine Steuereinheit (31), eine Vielzahl von Ports (40-43; 50-52), und eine Speichereinrichtung (32) aufweist, in der ein erstes Programm zur Ausführung einer Switch-Funktionalität und ferner ein zweites Programm zum Ausführen einer Steuerungseinrichtungs-Funktionalität und/oder ein drittes Programm zum Ausführen einer Router-Funktionalität speicherbar sind, wobei die Steuereinheit (31) dazu ausgebildet ist, unter Abarbeitung des ersten Programms eine Switch-Funktionalität und ferner unter Abarbeitung des zweiten Programms eine Steuerungseinrichtungs- Funktionalität und/oder unter Abarbeiten des dritten Programms eine Router-Funktionalität auszuführen.

Description

Multifunktionaler Switch zum Einsatz in einer prozesssteuernden Automatisierungsanlage sowie eine solche prozesssteuernde Automatisierungsanlage
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen multifunktionalen Switch zum Einsatz in einer prozesssteuernden Automatisierungsanlage sowie eine derartige prozesssteuernde Automatisierungsanlage .
In der industriellen Automatisierungstechnik werden u.a. modular aufgebaute prozesssteuernde Automatisierungsanlagen eingesetzt, die neben einer externen
Energieversorgungseinrichtung in der Regel einen Router, einen Switch, eine Steuerungseinrichtung, beispielsweise in Form einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) zur Steuerung eines Fertigungsprozesses, und mehrere Eingabe- und/oder Ausgabemodule aufweisen kann. Alle Komponenten können modulartig ausgebildet und räumlich getrennt voneinander auf einer Tragschiene montiert werden. Bei herkömmlichen Automatisierungsanlagen erfolgt die Kommunikation zwischen der Steuerungseinrichtung und den Eingabe- und/oder Ausgabemodulen über ein erstes Bussystem, beispielsweise dem AXIO Bus, während die Kommunikation zwischen der Steuerungseinrichtung, dem Switch und dem Router über ein zweites Bussystem, beispielsweise das Ethernet, ausgeführt wird. Die externe
Energieversorgungseinrichtung wird in der Regel über ein Kabel an den Router, den Switch und die
Steuerungseinrichtung und gegebenenfalls an die Eingabe- und/oder Ausgabemodule angeschlossen. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen multifunktionalen Switch und eine prozesssteuernde Automatisierungsanlage bereitzustellen, die einen geringeren Verkabelungsaufwand, einen geringeren Platzbedarf und eine vereinfachte Kommunikation ermöglichen .
Ein Kerngedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, einen multifunktionalen Switch bereitzustellen, der neben der eigentlichen Switch-Funktionalität zumindest eine weitere Funktionalität, nämlich eine
Steuerungseinrichtungs-Funktionalität und/oder eine Router- Funktionalität ausführen kann, die als virtuelle Maschinen im multifunktionalen Switch gespeichert und installiert werden können. An dieser Stelle sei angemerkt, dass eine Switch-Funktionalität vorzugsweise in der Schicht 2 des OSI-Schichten-Referenzmodells implementiert ist, während eine Router-Funktionalität in der Schicht 3 des OSI- Schichten-Referenzmodells implementiert ist. Die Steuerungseinrichtungs-Funktionalität übernimmt beispielsweise alle Aufgaben einer herkömmlichen speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS).
Das oben genannte technische Problem wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und durch die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche . Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit Fig. 1 näher erläutert .
In Fig. 1 ist eine beispielhafte prozesssteuernde Automatisierungsanlage 10 dargestellt, die beispielsweise eine externe Energieversorgungseinrichtung 20, einen multifunktionalen Switch 30 und wenigstens ein Eingabe- und/oder Ausgabemodul 60 zum Anschließen von Feldgeräten, wie z.B. Sensoren und/oder Aktoren, aufweisen kann. Die beispielhafte Automatisierungsanlage 20 weist neben dem Eingabe- und/Ausgabemodul, 60, an welches vorzugsweise sicherheitsgerichtete Feldgeräte 100, 101 zum Steuern eines sicherheitskritischen Prozesses anschließbar sind, ein Eingabe- und/oder Ausgabemodul 90 auf, an welches vorzugsweise nicht-sicherheitsgerichtete Feldgeräte 110 und 111 zum Steuern eines nicht-sicherheitskritischen Prozesses anschließbar sind. Die Energieversorgungseinrichtung 20, der multifunktionalen Switch 30 und die Eingabe- und/oder Ausgabemodule 60 und 90 können modulartig ausgebildet und insbesondere dafür vorgesehen sein, über ein Bussystem 80 elektrisch miteinander verbunden zu werden. Das Bussystem 80 kann in einer Tragschiene 70, beispielsweise einer Hutschiene, angeordnet sein, wobei die
Energieversorgungseinrichtung 20, der multifunktionale Switch 30 und die wenigstens zwei Eingabe- und/oder Ausgabemodule 60 und 90 für eine Montage an der Hutschiene 70 ausgebildet sein können.
Der multifunktionale Switch 30 weist eine Steuereinheit 31 auf, die vorzugsweise als Mikrocontroller und insbesondere als eine 500MHz oder noch schnellerer Steuereinheit ausgebildet sein kann. Die Steuereinheit 31 ist unter anderem dazu ausgebildet, den multifunktionalen Switch 30 als Switch, vorzugsweise als Ethernet-Switch oder Gigabit- Ethernet-Switch zu betreiben. Des Weiteren weist der multifunktionale Switch 30 eine Vielzahl von Ports 40-43 und 50-52 auf, an die je nach Anwendungsfall bzw. Implementierung beispielsweise wenigstens ein Netzsegment und/oder ein anderes Kommunikationsnetz, wie z.B. das Internet, angeschlossen werden können. Beispielsweise sind die Ports 40-43 und 50-52 als RJ-45-Steckverbinder ausgebildet. Allerdings können die Ports auch physikalisch unterschiedlich ausgestallte sein. Die Ports 40-43 und 50- 52 können elektrisch über eine interne Backplane 33, bei der es sich beispielsweise um einen Hochgeschwindigkeitsbus handelt, verbunden werden. An den Hochgeschwindigkeitsbus 33 ist vorzugsweise auch die Steuereinheit 31 und eine Kommunikationsschnittstelle 34 des multifunktionalen Switches 30 angeschlossen, über der multifunktionale Switch 30 beispielsweise mit dem Bussystem 80, verbunden werden kann. Des Weiteren ist im multifunktionalen Switch 30 eine Speichereinrichtung 32 implementiert, in der ein erstes Programm zur Ausführung einer Switch-Funktionalität abgespeichert ist. Das erste Programm kann vorzugsweise eine Firmware sein, die den multifunktionalen Switch 30 als Switch betreibt.
Angemerkt sei, dass der multifunktionale Switch 30 vorzugsweise als ein Hochgeschwindigkeits-Switch ausgebildet sein kann, der, insbesondere, wenn er die Switch-Funktionalität ausführt, mehrere
Hochgeschwindigkeits-Ports , zum Beispiel die Ports 40 bis 43 unterstützen kann. Der Begriff „Hochgeschwindigkeit" bedeutet hierbei, dass i) die Hochgeschwindigkeits-Ports, z.B. die Ports 40 bis 43 unabhängig voneinander jeweils Daten mit einer Datenübertragungsrate von mindestens 100 Mbit/s, vorzugsweise von lGbit/s, 2,5Gbit/s, 5Gbit/s, 10Gbit/s, 25Gbit/s, 50Gbit/s, 100Gbit/s und mehr senden und empfangen können, und dass ii) der multifunktionale Switch 30 dazu ausgebildet ist, Daten, vorzugsweise unter Ansprechen auf eine Routingtabelle, mit den entsprechenden
Datenübertragungsraten zwischen den Hochgeschwindigkeits- Ports, z.B. den Ports 40 bis 43, zu vermitteln. Hierzu weist der multifunktionale Switch 30 vorzugsweise eine geeignete Hochgeschwindigkeits-Übertragungseinrichtung, z.B. den oben erwähnten Hochgeschwindigkeitsbus 33, der die Hochgeschwindigkeits-Ports verbindet, und eine ausreichend schnell arbeitende Steuereinheit 31, z.B. die oben erwähnte 500MHz-Steuereinheit auf. Ferner kann ein Zwischenspeicher mit ausreichender Speicherkapazität zum Speichern von Datenrahmen implementiert sein. Der Zwischenspeicher kann Teil der Speichereinrichtung 32 oder als separater Speicher in dem multifunktionalen Switch 30 implementiert sein.
Vorzugsweise kann der multifunktionale Switch 30 als ein Gigabit-Ethernet-Switch wie zum Beispiel vom Typ VSC7449-01 ausgebildet sein, der 52 Gigabit-Ethernet-Ports unterstützen kann. Eine entsprechende Anzahl an Hochgeschwindigkeits-Ports kann dann im multifunktionalen Switch 30 implementiert sein. In diesem Zusammenhang ist noch darauf hinzuweisen, dass die Switch-Funktionalität, insbesondere eine Hochgeschwindigkeits-Switch- Funktionalität, wie oben beispielhaft erläutert, nicht als reiner virtueller Switch in einem PC implementiert werden kann. Vielmehr muss in diesem Fall ein Switch zum Einsatz kommen, der über die oben beispielhaft aufgezeigte Hardware und Leistungsfähigkeit verfügt. Mit anderen Worten: Insbesondere die von dem multifunktionalen Switch auszuführende Switch-Funktionalität bestimmt dessen erforderliche Leistungsfähigkeit. Anzumerken ist noch, dass der zuvor beispielhaft erläuterte multifunktionale Hochgeschwindigkeits-Switch dazu ausgebildet sein kann, industrielle Anwendungen im Bereich der Automatisierungstechnik auszuführen.
Darüber hinaus ist mindestens ein weiteres Programm in der Speichereinrichtung 32 gespeichert, nämlich ein zweites Programm zum Ausführen einer sicherheitsgerichteten Steuerungseinrichtung-Funktionalität und/oder ein drittes Programm zum Ausführen einer Router-Funktionalität und oder ein viertes Programm zum Ausführen einer nicht- sicherheitsgerichteten Steuerungseinrichtungs- Funktionalität . Angemerkt sei, dass insbesondere das zweite, dritte und/oder das vierte Programm jeweils als App in die Speichereinrichtung 32 runtergeladen und im multifunktionalen Switch 30 installiert werden können. Jede App läuft in einer virtuellen Maschine, die zum Beispiel eine virtuelle sicherheitsgerichtete Steuerungseinrichtung, eine virtuelle nicht-sicherheitsgerichtete Steuerungseinrichtung oder einen virtuellen Router repräsentieren. Die Apps können über einen externen Rechner, der beispielsweise am Port 40 angeschlossen werden kann, oder direkt aus einem App-Store heruntergeladen werden.
Die Steuereinheit 31 kann auf die in der
Speichereinrichtung 32 gespeicherten Programme zugreifen. Sie ist dazu ausgebildet, z.B. in Abhängigkeit eines Betriebssystems, welches ebenfalls in der Speichereinrichtung 32 gespeichert sein kann, unter Abarbeitung des ersten Programms eine Switch- Funktionalität, und/oder unter Abarbeitung des zweiten Programms eine sicherheitsgerichtete
Steuerungseinrichtungs-Funktionalität und/oder unter Abarbeiten des dritten Programms eine Router-Funktionalität und/oder unter Abarbeitung des vierten Programms eine nicht-sicherheitsgerichtete Steuerungseinrichtungs- Funktionalität auszuführen. Mit anderen Worten: Das erste, zweite, dritte und vierte Programm können, soweit installiert, gleichzeitig oder zeitlich getrennt voneinander ausgeführt werden.
Angemerkt sei, dass gemäß einer vorteilhaften Implementierung in dem multifunktionalen Switch 30 ein Betriebssystem gespeichert ist, in dem die Switch- Funktionalität bzw. das erste Programm läuft, über das die weiteren Programme bzw. Apps und/oder auch die Ports zur Verfügung gestellt werden.
Eine Besonderheit der prozesssteuernden
Automatisierungsanlage 10 kann darin gesehen werden, dass insbesondere der multifunktionale Switch 30 und im vorliegenden Beispiel die Eingabe-und/oder Ausgabemodule 60 und 90 über ein gemeinsames Bussystem, hier das Bussystem 80, miteinander kommunizieren können. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Bussystem 80 um ein SPE-basiertes Bussystem, welches auf der Single-Pair-Ethernet-Technologie basiert. In diesem Fall ist die Kommunikationsschnittstelle 34 als SPE-basierte Schnittstelle ausgebildet, die mit einer komplementären SPE-basierten Schnittstelle 81 des Bussystems 80 elektrisch verbunden werden kann. In ähnlicher Weise weist das sicherheitsgerichtete Eingabe- und/oder Ausgabemodul 60 eine SPE-basierte Schnittstelle 62 auf, die mit einer weiteren SPE-basierten komplementären Schnittstelle 82 des Bussystems 80 elektrisch verbunden werden kann. Das Eingabe- und/oder Ausgabemodul 60 kann mehrere SPE-basierte Schnittstellen 61i-61n aufweisen, an die SPE-basierte sicherheitsgerichtete Feldgeräte 110, 101 unmittelbar angeschlossen werden können. In diesem Fall sind keine Gateways erforderlich, die eine Kommunikationsprotokollumwandlung vornehmen müssen.
In ähnlicher Weise weist das nicht-sicherheitsgerichtete Eingabe- und/oder Ausgabemodul 90 eine SPE-basierte Schnittstelle 92 auf, die mit einer weiteren SPE-basierten komplementären Schnittstelle 83 des Bussystems 80 elektrisch verbunden werden kann. Das Eingabe- und/oder Ausgabemodul 90 kann mehrere SPE-basierte Schnittstellen 91i -91n aufweisen, an die SPE-basierte nicht- sicherheitsgerichtete Feldgeräte 110, 111 unmittelbar angeschlossen werden können. Auch in diesem Fall sind keine Gateways erforderlich, die eine
Kommunikationsprotokollumwandlung vornehmen müssen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Energieversorgung des multifunktionalen Switches 30 und ggf. der an die Eingabe- und/oder Ausgabemodule 60 und 90 schaltbaren Feldgeräte über die sogenannte PoDL-Technologie erfolgen. Hierbei steht die Abkürzung PoDL für "Power over Data Line". Gemäß der PoDL-Technologie kann die externe Energieversorgungseinrichtung 20 Energie über das SPE- basierte Bussystem 80 zum multifunktionalen Switch 30 und zu den Eingabe- und/oder Ausgabemodul 60 und 90 übertragen. Hierzu weist die Energieversorgungseinrichtung 20 eine SPE- basierte Schnittstelle 21 auf, die mit einer weiteren komplementären SPE-basierten Schnittstelle 84 des Bussystems 80 elektrisch verbunden werden kann. Die Energieversorgungseinrichtung 20 kann vorzugsweise eine Gleichspannung, beispielsweise eine Gleichspannung von 24 V, bereitstellen.
Die beispielhaft in der Fig. 1 gezeigte prozesssteuernde Automatisierungsanlage 10 ermöglicht es, dass die Energieversorgungseinrichtung 20 neben Energie auch Daten, wie z.B. Diagnosedaten, über das Bussystem 80 zum multifunktionalen Switch 30 übertragen kann. Arbeitet der multifunktionale Switch 30 beispielsweise als virtuelle sicherheitsgerichtete Steuerungseinrichtung, d.h. die Steuereinheit 31 führt das zweite Programm aus, können die Diagnosedaten der Energieversorgungseinrichtung 20 vom multifunktionalen Switch 30 ausgewertet und verarbeitet werden, um beispielsweise die an das Eingabe- und/oder Ausgabemodul 60 angeschlossenen sicherheitsgerichteten Feldgeräte sicher anzusteuern, sofern die Steuereinheit 31 beispielsweise das zweite Programm, welches die Steuerungseinrichtungs-Funktionalität betrifft, ausführt.
Die Funktionsweise des multifunktionalen Switches 30 wird nachfolgend beispielhaft erläutert.
Angenommen sei, dass die Energieversorgungseinrichtung 20 Diagnosedaten, die beispielsweise einen fehlerhaften Betrieb der Energieversorgungseinrichtung 20 anzeigen, über die Schnittstellen 21 und 84 über das Bussystem 80 und die Schnittstellen 81 und 34 sowie über den
Hochgeschwindigkeitsbus 33 zur Steuereinheit 31 überträgt. Die Steuereinheit 31 ist dazu ausgebildet zu erkennen, dass Diagnosedaten übertragen worden sind. Unter Ansprechen auf die von der Energieversorgungeinrichtung 20 empfangenen Diagnosedaten führt die Steuereinheit 31 das in der Speichereinrichtung 32 abgelegte zweite Programm, d. h. die Funktion einer sicherheitsgerichteten virtuellen SPS aus. Ein mögliches Szenario sieht vor, dass unter Ansprechen auf die Diagnosedaten die Steuereinheit 31 alle an dem Eingabe- und/oder Ausgabemodul 60 angeschlossenen sicherheitsgerichteten Aktoren (nicht dargestellt) in einen sicheren Zustand überführt, indem entsprechende Steuerdaten von der Steuereinheit 31 über den Hochgeschwindigkeitsbus 33 und die Schnittstellen 34 und 81 sowie über das Bussystem 80 und über die Schnittstellen 82 und 62 den jeweiligen sicherheitsgerichteten Aktoren zugeführt werden.
Gemäß einem weiteren beispielhaften Szenario kann vorgesehen sein, dass die in Fig. 1 gezeigte prozesssteuernde Automatisierungsanlage 10 mit dem am Port 50 angeschlossenen Internet kommunizieren soll. In diesem Fall führt die Steuereinheit 31 die der Speichereinrichtung 32 hinterlegte Router-Funktionalität aus veranlasst den multifunktionalen Switch 30, dass eine Kommunikation zwischen dem Internet und der prozesssteuernden Automatisierungsanlage 10 über den Port 50 abgewickelt wird.
Denkbar ist zum Beispiel, dass die von einem an dem Eingabe- und/oder Ausgabemodul 60 angeschlossenen sicherheitsgerichteten Sensor, beispielsweise dem Sensor 100 erzeugten Messdaten im Internet abgelegt werden sollen. Hierzu werden die Messdaten vom Sensor 100 über das Bussystem 80 zum multifunktionalen Switch 30 und anschließend unter Steuerung der als virtueller Router arbeitenden Steuereinheit 31 über den Port 50 ins Internet übertragen .
Weiterhin ist denkbar, dass die Steuereinheit 31 des multifunktionalen Switches 30 beispielsweise zeitgleich als virtueller Router und virtuelle sicherheitsgerichtete Steuerungseinrichtung arbeitet. Die als virtuelle sicherheitsgerichtete Steuerungseinrichtung fungierende Steuereinheit 31 ist dazu konfiguriert, die vom Sensor 100 empfangenen Messdaten auszuwerten und entsprechende Steuerdaten an einen vorbestimmten, am Eingabe- und/oder Ausgabemodul 60 angeschlossenen sicherheitsgerichteten Aktor, beispielsweise den Aktor 101 weiterzuleiten, um beispielsweise den Aktor 101 in einen sicheren Zustand zu fahren.
Zumindest einige der obigen Aspekte werden nachfolgend noch einmal zusammengefasst.
Es wird ein multifunktionaler Switch 30 zum Einsatz in einer prozesssteuernden Automatisierungsanlage 10 bereitgestellt, wobei der multifunktionale Switch 30 folgende Merkmale aufweisen kann: eine Steuereinheit 31, die als Mikrocontroller aasgebildet sein kann, eine Vielzahl von Ports oder Schnittstellen 40-43 und 50- 52, und eine Speichereinrichtung 32, in der ein erstes Programm zur Ausführung einer Switch-Funktionalität und ferner ein zweites Programm zum Ausführen einer
Steuerungseinrichtungs-Funktionalität und/oder ein drittes Programm zum Ausführen einer Router-Funktionalität speicherbar ist, wobei die Steuereinheit 31 dazu ausgebildet ist, unter Abarbeitung des ersten Programms eine Switch- Funktionalität und ferner unter Abarbeitung des zweiten Programms eine Steuerungseinrichtungs-Funktionalität und/oder unter Abarbeiten des dritten Programms eine Router- Funktionalität auszuführen.
Vorteilhafterweise ist die Steuereinheit 31 dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von dem jeweils abzuarbeitenden Programm wenigstens einige der Ports der entsprechenden auszuführenden Funktionalität zuzuordnen.
Zweckmäßigerweise kann der multifunktionale Switch 30 eine SPE-basierte Schnittstelle 34 aufweisen, an welche eine externe Energieversorgungseinrichtung 20 zur Energieversorgung des multifunktionalen Switches gemäß der PoDL-Technologie anschließbar ist.
Vorzugsweise ist der multifunktionale Switch 30 als Modul zur Montage an einer Tragschiene 70 ausgebildet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der multifunktionale Switch 30 über ein Bussystem 70 elektrisch mit wenigstens einem Eingabe- und/oder Ausgabemodul 60, 90 zur Kommunikation mit Feldgeräten 100, 101 bzw. 110, 111 verbindbar .
Als zweites Programm kann eine nicht-sicherheitsgerichtete Steuerungseinrichtungs-Funktionalität und als ein viertes Programm eine sicherheitsgerichtete Steuerungseinrichtungs- Funktionalität in der Speichereinrichtung 32 gespeichert werden, wobei die Steuereinheit 31 dazu ausgebildet ist, unter Abarbeitung des vierten Programms eine sicherheitsgerichtete Steuerungseinrichtungs-Funktionalität auszuführen .
Der multifunktionale Switch 30 kann vorzugsweise als Hochgeschwindigkeits-Switch, insbesondere als ein Gigabit- Ethernet-Switch ausgebildet sein. Zumindest einige Ports 40-43 der Vielzahl von Ports 40-43 und 50-52 können als Hochgeschwindigkeits-Ports ausgebildet sein, die jeweils dazu ausgebildet sein können, Daten mit einer Übertragungsrate von mindestens 100Mbit/s, vorzugsweise von lGbit/s, 2,5Gbit/s, 5Gbit/s, 10Gbit/s, 25Gbit/s, 50Gbit/s, 100Gbit/s und mehr zu senden und zu übertragen, wobei die Steuereinheit 31 dazu ausgebildet sein kann, unter Abarbeitung des ersten Programms eine Switch-Funktionalität auszuführen und Daten zwischen den Hochgeschwindigkeits- Ports 40-43 mit einer Datenübertragungsrate von mindestens 100Mbit/s, vorzugsweise von lGbit/s, 2,5Gbit/s, 5Gbit/s, 10Gbit/s, 25Gbit/s, 50Gbit/s, 100Gbit/s und mehr, insbesondere unter Ansprechen auf eine Routingtabelle zu vermitteln .
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine prozesssteuernde Automatisierungsanlage 10 vorgesehen, welche folgende Merkmale aufweist: ein Bussystem 80, einen mit dem Bussystem 80 elektrisch verbindbaren multifunktionalen Switch 30 gemäß den obigen Erläuterungen und wenigstens ein mit dem Bussystem 80 elektrisch verbindbares Eingabe- und/oder Ausgabemodul 60, 90. Das Bussystem 80 ist vorteilhafterweise ein SPE-basiertes Bussystem, welches zum Anordnen in einer Tragschiene 70 ausgebildet ist.
Der multifunktionale Switch 30 ist vorteilhafterweise dazu ausgebildet, unter Ausführung des zweiten Programms durch die Steuereinheit 31 die Automatisierungsanlage 10 zu steuern .
Vorteilhafterweise kann die Automatisierungsanlage 10 eine externe, eine SPE-basierte Schnittstelle 21 aufweisende Energieversorgungseinrichtung 20 umfassen, die an eine SPE- basierte Schnittstelle 34 des multifunktionalen Switches 30 anschließbar ist, wobei die externe
Energieversorgungseinrichtung 20 dazu ausgebildet ist, mittels einer PoDL-Technologie insbesondere den multifunktionalen Switch 30 mit Energie zu versorgen.
Angemerkt sei, dass die in der Speichereinrichtung 32 zum Beispiel als App speicherbaren Programme virtuelle Maschinen, wie zum Beispiel einen virtuellen Router, eine virtuelle sicherheitsgerichtete Steuerungseinrichtung, eine virtuelle nicht sicherheitsgerichtete Steuerungseinrichtung repräsentieren. Mit anderen Worten: Der multifunktionale Switch 30 übt neben seiner eigentlichen Aufgabe als Switch zumindest die Funktionen einer virtuellen Maschine aus.

Claims

Patentansprüche
1. Multifunktionaler Switch (30) zum Einsatz in einer prozesssteuernden Automatisierungsanlage (10), aufweisend eine Steuereinheit (31), eine Vielzahl von Ports (40-43; 50-52), und eine Speichereinrichtung (32), in der ein erstes Programm zur Ausführung einer Switch-Funktionalität und ferner ein zweites Programm zum Ausführen einer Steuerungseinrichtungs-Funktionalität und/oder ein drittes Programm zum Ausführen einer Router- Funktionalität speicherbar sind, wobei die Steuereinheit (31) dazu ausgebildet ist, unter Abarbeitung des ersten Programms eine Switch- Funktionalität und ferner unter Abarbeitung des zweiten Programms eine Steuerungseinrichtungs-Funktionalität und/oder unter Abarbeiten des dritten Programms eine Router- Funktionalität auszuführen.
2. Multifunktionaler Switch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (31) dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von dem jeweils abzuarbeitenden Programm wenigstens einige der Ports (40-44; 50-52) der entsprechenden auszuführenden Funktionalität zuzuordnen.
3. Multifunktionaler Switch nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine SPE-basierte Schnittstelle (34), an welche eine externe Energieversorgungseinrichtung (20) zur Energieversorgung gemäß der PoDL-Technologie des multifunktionalen Switches (30) anschließbar ist.
4. Multifunktionaler Switch nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der multifunktionale Switch (30) als Modul zur Montage an einer Tragschiene (70) ausgebildet ist.
5. Multifunktionaler Switch nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der multifunktionale Switch (30) über ein Bussystem (80) elektrisch mit wenigstens einem Eingabe- und/oder Ausgabemodul (60, 90) zur Kommunikation mit Feldgeräten verbindbar ist.
6. Multifunktionaler Switch nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als zweites Programm eine nicht-sicherheitsgerichtete Steuerungseinrichtungs-Funktionalität und als ein viertes Programm eine sicherheitsgerichtete Steuerungseinrichtungs-Funktionalität in der Speichereinrichtung (32) speicherbar sind, wobei die Steuereinheit (31) dazu ausgebildet ist, unter Abarbeitung des vierten Programms eine sicherheitsgerichtete Steuerungseinrichtungs- Funktionalität auszuführen.
7. Multifunktionaler Switch nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der multifunktionale Switch (30) als Hochgeschwindigkeits-Switch, insbesondere als ein Gigabit-Ethernet-Switch ausgebildet ist, dass zumindest einige der Vielzahl von Ports (40-43) als Hochgeschwindigkeits-Ports ausgebildet sind, die jeweils dazu ausgebildet sind, Daten mit einer Übertragungsrate von mindestens 100Mbit/s zu senden und zu übertragen, und dass die Steuereinheit (31) dazu ausgebildet ist, unter Abarbeitung des ersten Programms eine Switch- Funktionalität auszuführen und Daten zwischen den Hochgeschwindigkeits-Ports (40-43) mit einer Datenübertragungsrate von mindestens 100Mbit/s zu vermitteln.
8. Prozesssteuernde Automatisierungsanlage (10) umfassend ein Bussystem (80), einen mit dem Bussystem (80) elektrisch verbindbaren multifunktionalen Switch (30) nach einem der vorstehenden Ansprüche und wenigstens ein mit dem Bussystem (80) elektrisch verbindbares Eingabe- und/oder Ausgabemodul (60, 90).
9. Prozesssteuernde Automatisierungsanlage nach Anspruch
8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bussystem (80) ein SPE-basiertes Bussystem ist, welches zum Anordnen in einer Tragschiene (70) ausgebildet ist.
10. Prozesssteuernde Automatisierungsanlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der multifunktionale Switch (30) dazu ausgebildet ist, unter Ausführung des zweiten Programms durch die Steuereinheit (31) die Automatisierungsanlage (10) zu steuern.
11. Prozesssteuernde Automatisierungsanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch eine externe, eine SPE-basierte Schnittstelle (21) aufweisende Energieversorgungseinrichtung (20), die an eine SPE-basierte Schnittstelle (34) des multifunktionalen Switches (30) anschließbar ist, wobei die externe Energieversorgungseinrichtung (20) dazu ausgebildet ist, mittels einer PoDL-Technologie insbesondere den multifunktionalen Switch (30 mit Energie zu versorgen.
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