WO2007073862A1 - Verfahren, kommunikationsnetzwerk und steuereinheit zum zyklischen übertragen von daten - Google Patents

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WO2007073862A1
WO2007073862A1 PCT/EP2006/011964 EP2006011964W WO2007073862A1 WO 2007073862 A1 WO2007073862 A1 WO 2007073862A1 EP 2006011964 W EP2006011964 W EP 2006011964W WO 2007073862 A1 WO2007073862 A1 WO 2007073862A1
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transmission
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telegrams
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PCT/EP2006/011964
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Dirk Janssen
Hans Beckhoff
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Beckhoff Automation Gmbh
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    • H04L12/417—Bus networks with decentralised control with deterministic access, e.g. token passing

Definitions

  • the invention relates to a method, a communication network and a control unit for the cyclic transmission of data, in particular in the form of Ethernet telegrams.
  • Ethernet is the most widely used technology with which data can currently be transmitted in local communication networks, so-called Local Area Networks (LAN), at speeds of up to 100 million bits / s (Mbps).
  • LANs are local communication networks that are limited to a geographical area and that have as subscribers at least one control unit and several workstations, also called nodes, which are connected by a transmission link, e.g. a coaxial, fiber or twisted pair cable are connected.
  • Ethernet is a possible network protocol, supporting a variety of communication protocols, e.g. the TCP / IP protocol or the IPX protocol.
  • OSI layered model the international reference model for data transmission in networks, which is made up of a layer stack of seven layers, with a set of protocols being defined for each layer, which make their services available to the next higher layer, this is Ethernet protocol of the second layer, the so-called line layer assigned.
  • the data to be sent are bundled into telegrams, to which specific information for the respective communication protocol is added.
  • the line layer is responsible in the network for the transport of data telegrams from subscriber to subscriber and for error detection.
  • the line layer is divided into two levels, with the first level giving the data a head-off to add a so-called start tag containing information needed for proper data transfer from the receiver protocol.
  • the telegram is then used with the aid of an additional preamble and an end section, a so-called "preamble".
  • An Ethernet controller also referred to as a Media Access Controller (MAC), which is connected between the control unit and the Ethernet transmission path, is generally responsible for sending and receiving the Ethernet telegrams on the Ethernet transmission path.
  • the MAC controller generally includes a transmit and a receive shift register to decouple the Ethernet link from the physical memory of the controller.
  • Modern Ethernet controllers also generally have a direct access to the physical memory, a so-called direct memory access (DMA) mode, which saves time to send and receive Ethernet telegrams stored directly in memory or retrieved from this memory can be.
  • DMA direct memory access
  • Ethernet protocols are used primarily in office communication networks. Due to the advantages of the Ethernet concept in the use of standard hardware and software components as well as the possibility of achieving high data transfer rates with simple networking technology, Ethernet communication networks will increasingly also be used in industrial production for data exchange between workstations. When using the Ethernet protocol in automation technology, however, the real-time capability of the Ethernet data transmission must be ensured. When controlling machines, it is usually necessary that a cyclical processing of a control task substantially without temporal fluctuations, ie so-called. Jitter takes place, being reacted with a predictable response time to the rule request.
  • Ethernet telegrams are sent cyclically as part of a real-time application running on the Ethernet network, in order to address sensors and actuators connected via an Ethernet transmission link, the control unit transmits corresponding Ethernet telegrams to its MAC controller for transmission in each control cycle. Before the transfer to the MAC controller, the control unit automatically adds the pause times, start identifiers, preambles and checksums defined in the Ethernet transmission standard (IEEE 802.3) to the data to be sent. The MAC controller then loads the Ethernet telegrams into its send shift register, preferably using the DMA mode, and starts sending the Ethernet telegrams on the Ethernet link at a certain level of the send shift register.
  • IEEE 802.3 Ethernet transmission standard
  • control unit in the communication network used in industrial automation has to react to control requests faster and faster.
  • reaction times in the microsecond range are required for the control of technical processes, for example in the plastics industry.
  • control unit in LAN networks requires a high-performance processing unit to ensure microsecond cycle time, which in turn results in high hardware costs.
  • the object of the present invention is to provide a method for data transmission, a communication network and a control unit for such a communication network, with which can be distributed in a simple and cost-effective manner cyclically high-frequency data among the participants in the traffic.
  • the control unit for transmitting data on a transmission path to which a control unit and a plurality of nodes are connected, the control unit cyclically outputs data in the form of telegrams continuously during the entire transmission cycle times in compliance with the transmission standard on the transmission path, the nodes when passing through the telegrams Exchange data with the telegrams.
  • the control unit divides the transmission cycle into a number of subcycles of the same length, wherein in each subcycle at least one communication message is sent, in which a first node can write data for a second node downstream of the transmission path during the passage.
  • the continuous transmission of the telegram ensures an exact repeatability of the transmission process and thus jitter-free transmission of the telegrams.
  • control unit resources can then be released for further tasks, or the control unit can be equipped with a slow and therefore inexpensive hardware.
  • subdividing the transmission cycle of the control unit into subcycles it is also possible to carry out a communication between the nodes connected downstream of the control unit within a transmission cycle, whereby a decentralized control is achieved in a simple manner.
  • the communication telegram is sent by the control unit at a fixed time in the subcycle. This procedure ensures that real-time data can be transmitted to the nodes with the communication telegram and thus fast control processes are possible.
  • the number and / or the length of the telegrams to be sent in the sub-cycle, including the communication telegram are adapted by the control unit to continuously transmit the telegrams in order to continuously output telegrams to the transmission path during the predetermined sub-cycle time .
  • a first register data set is provided in the first node, which contains an identifier of a data area in the communication telegram transmitted on the transmission link, an identifier of an allocated memory area in the first node and a write command
  • a second register data record is provided in the second node, which contains an identifier of the data area in the communication message transmitted on the transmission link, an identifier of an assigned memory area in the second node and a read command, wherein the first node and the second node in each case perform a comparison of the messages passing through on the transmission link telegrams with the associated register data set and on the basis of the comparison result data transmission between the first and the second node via the output from the control unit communication telegram takes place.
  • the register data set contains a start address of the data in the communication telegram, an end address of the data or a length of a data area in the communication telegram, a start address of the assigned data in the node and an identification of the data transmission as read and write. This procedure enables a fast interpretation of the communication protocol in the run and thus a fast data processing.
  • the register data set is preferably generated in the node during a start-up phase of the communication network, whereby a high flexibility in the communication network is ensured and the communication network can easily adapt to the desired rule requirements.
  • control data in the data area of the communication telegram that can be written by the first node when passing through the communication telegram, the second one at the transmission link downstream
  • Node then reads the tax date and compares it to a given date to result in a control process.
  • This approach makes it easy to quickly regulate inter-node communication, for example, in the plastics industry.
  • FIG. 1A shows a communication network according to the invention
  • FIG. 1B shows an inventive design of a control unit in the communication network
  • FIG. 1C shows an inventive design of a node in the communication network
  • FIG. 2A shows a communication message
  • 3A is a flowchart in a node according to the invention in a read operation
  • 3B is a flow chart in a node according to the invention in a write operation.
  • Ethernet communication networks are an easy way to share data and resources between participants, generally computers and machines.
  • the Ethernet concept is the most widely used communication standard in the LAN.
  • the invention will be explained with reference to an Ethernet communication network. However, it is possible to operate any LAN communication network in the manner according to the invention.
  • the Ethernet communication network is based on a LAN structure in which a plurality of subscribers are connected to one another via a common transmission path, with an encapsulation of the data to be transmitted in pa- keten, hereinafter referred to as Ethernet telegrams made with a predetermined format becomes.
  • the Ethernet consists of three areas, namely the transmission link and the network interfaces, the amount of protocols that control access to the Ethernet transmission link, and the Ethernet message format.
  • the communication network basically represents a bus system, wherein any network topologies, e.g. Star, bus or tree networks can be used.
  • Ethernet protocol has established itself as the communication standard for network systems, not only in office communication but also in industrial automation, since standard hardware components and standard software protocols can be used and, in addition, high data transmission rates are possible.
  • Fig. IA shows schematically an Ethernet network, as used in industrial automation for performing control tasks.
  • the Ethernet network has an Ethernet transmission link 2, via which a control unit 1 is connected to a plurality of nodes 3 (31,... 3n-1).
  • the transmission link 2 is, for example, an electrical line, a light guide or a radio cable.
  • the control unit 1 is the active subscriber to the communication network, which determines the data traffic.
  • Such a control unit 1 is, for example, a microcontroller which serves as a process control computer in a manufacturing process.
  • the control unit 1 has a network access authorization and can output telegrams to the transmission link 2 and receive via the transmission link 2.
  • Nodes 3 in the communication network represent the machine peripherals such as I / O devices, valves, drives, and transducers. They do not have their own Access authorization to the communication network, ie they may not issue independent telegrams on the network, but only perform a data exchange with the circulating from the transmission line 2 telegrams.
  • the subscribers on the transmission link 2 are combined into a chain, with each node 3 having two neighbors, the first node 31 and the last node 3n being connected to the control unit 1.
  • the data transfer takes place in one
  • FIG. 1B shows a control unit 1 according to the invention for connection to the Ethernet transmission path 2.
  • a coding unit 15 is provided, for receiving the Ethernet telegrams from the transmission path 2, a decoding unit 16 the coding unit 15 or the decoding unit 16 is in each case connected to a latch 13, 14 designed as a shift register in order to buffer the Ethernet telegrams to be sent or received.
  • the coding unit 15, the decoding unit 16 and the two latches 13, 14 form the Media Access Controller (MAC).
  • the send and receive shift registers 13, 14 of the MAC controller are preferably designed so that a physical memory 11 can be accessed directly by means of a so-called direct memory access (DMA) mode.
  • DMA direct memory access
  • CPU central processing unit
  • the control of the data exchange in the control unit 1 is carried out via the CPU 12.
  • the CPU 12 also continues to manage all operations necessary for the operation of the Ethernet network, i. performs the management of the send and receive process and ensures encapsulation of the data to be sent in Ethernet telegrams or the unpacking of the data from the received Ethernet telegrams.
  • the operating system implemented on the CPU 12 of the control unit 1 generally has a layered software structure in order to separate a protocol-specific processing from a telegram and hardware-specific processing. This makes it possible to use different communication protocols within the framework of the Ethernet standard, without having to make any changes to the hardware-specific driver. At the same time, the hardware of the control unit can be changed without having to additionally execute a protocol-specific software change.
  • FIG. 1C shows the structure of a node 3 on the Ethernet transmission path 2.
  • the node 3 has a reception unit 31 and a transmission unit 32 which are used to receive an Ethernet telegram or to transmit an Ethernet telegram on the Ethernet transmission path 2 serve.
  • the transmitting unit 31 and the receiving unit 32 are connected to an assignment unit 33, which is referred to below as the FFMU (Fieldbus Memory Management Unit) and in which the part of the bus protocol necessary for the respective node is implemented.
  • the allocation unit 33 controls the data transfer between the telegrams passing through on the transmission path 2 and user data stored in a data memory 34 of the node 3. This user data can, for example Be measurement data or control data for performing a manufacturing operation.
  • FIG. 2A schematically shows an Ethernet telegram 5 circulating on the transmission path 2.
  • a telegram can contain up to 1500 bytes and comprises a header with a start identifier 51, a preamble 52, which identifies the destination and source address and the data packet type , a center part 53 having the data and a checksum-containing end part 34 serving as an error detection mechanism.
  • control unit 1 When using LAN communication networks in industrial automation, it is necessary to ensure real-time data transmission. At the same time, to perform fast control tasks using the distributed LAN network, it is necessary for each node representing the machine periphery to receive data with cycle times in the microsecond range largely jitter free, ie, without deviations from the desired cycle time. In order to ensure such fast cycle times jitter-free and at the same time to relieve the control unit of the communication network to reduce the hardware complexity of the control unit, the control unit 1 according to the invention cyclically data in the form of telegrams 5 continuously over the entire transmission cycle time in compliance with the transmission standard on the transmission line 2 off.
  • control unit 1 divides the transmission cycle into a number of sub-cycles of the same length, wherein in each sub-cycle at least one communication message is sent, in which a first node 3 can write data for a second node 3 downstream of the transmission path 2 during the passage.
  • the continuous transmission of the telegrams in the transmission cycle of the control unit 1 ensures an exact repeatability of the transmission process and thus jitter-free transmission of the telegrams.
  • control unit 1 By subdividing the transmission cycle of the control unit 1 into subcycles, which in each case at least one communication telegram with data to be distributed to the individual nodes, via which the nodes can also exchange data with one another, it is possible to operate the control unit with a slow transmission cycle clock, which relieves the control unit and requires no expensive hardware, eg with a Transmit cycle clock in the millisecond range, and at the same time to carry out control tasks with very fast control times, for example in the microsecond range, using the communication telegrams contained in the subcycles under real-time conditions.
  • FIG. 2B shows an example of an inventive design of a transmission cycle of a control unit 1.
  • the transmission cycle which is 0.6 msec, is subdivided into three subcycles of 200 msec.
  • two communication telegrams 501 are provided with data to be distributed among the downstream nodes.
  • the communication telegrams 501 can then write a first node in the passage of the data for a further, downstream on the transmission link 2 in the transmission direction node.
  • the two communication telegrams 501 are sent by the control unit at a fixed point in the subcycle, in the embodiment shown in FIG. 2B in the first and second place.
  • FIG. 2B shows two additional data packets in the first subcycle.
  • Telegrams 502a, 502b, in the second subcycle a wildcard telegram 503 and in the third subcycle three further data telegrams 502c, 502d, 502e. Between the individual telegrams the pause time required according to the transition protocol is maintained.
  • the transmission process of the Ethernet telegrams via the transmission path 2 is carried out by the control unit 1 so that the software driver used in the CPU 12 to the sending data into the Ethernet telegrams that, when the control unit 3 operates in DMA mode, are stored in the physical memory 11.
  • the transmit shift register 13 then accesses these stored Ethernet telegrams in order to load the Ethernet telegrams 5 into the shift register.
  • FIG. 1 In the telegram sequence shown in FIG.
  • the transmission shift register 13 transmits the cached Ethernet telegrams to the Ethernet transmission via the encoding unit 15 - stretch 2 out.
  • An Ethernet transmission however, only takes place when the Ethernet network is quiet.
  • a collision prevention mechanism is generally additionally provided on the Ethernet transmission link 2.
  • a control unit 1 is to control sensors or actuators, which are connected to the Ethernet transmission link 2 as further nodes, in real time, a jitter-free transmission sequence of the Ethernet telegrams 5 in the sub-cycle is required.
  • a first jitter results from the fluctuating interrupt latencies of the operating system of the control unit 1 and the software driver during conversion the Ethernet telegrams. Furthermore, runtime fluctuations of the data code passing through until the sending of the Ethernet telegrams occur.
  • the CPU 12 of the control unit 1 is programmed according to the invention so that Ethernet telegrams 5 are sent from the transmission shift register 13 without a break.
  • the transmission shift register 13 and the connected coding unit 15 are controlled in such a way that, following a transmitted Ethernet telegram, the next Ethernet telegram is sent directly in compliance with the pause time defined in the Ethernet transmission standard.
  • the CPU 12 calculates how many and how long Ethernet telegrams have to be sent in order to maintain the specified subcycle time exactly.
  • the CPU compiles the data 53 to be sent according to the Ethernet transmission standard into correspondingly long Ethernet telegrams 5 with start identifier 51, preamble 52 and checksum 54 and stores them in the physical memory 11.
  • the transmission shift register 13 then accesses these Ethernet telegrams 5 and stores them between. From a certain level in the transmission shift register 13, the transmission process is then started, wherein Ethernet telegrams are continuously sent, as shown in FIG. 2B for a complete transmission cycle of the control unit 1.
  • the transmission shift register 13 By means of the transmission shift register 13, the provision of the Ethernet telegrams by the CPU 12 in the physical memory 11 of the control unit 1 from the transmission time of the Ether net telegrams decoupled, so that a possible jitter is compensated. Since the timing of the transmission process depends exclusively on the control unit 1 and the downstream transmission physics of the transmission path 2 and 13 of the transmission shift register Ethernet telegrams 5 are sent continuously, an exact repeatability and thus a jitter-free transmission is possible.
  • the CPU 12 of the control unit 1 takes into account both the baud rate used on the transmission path 2 and the additional data automatically inserted in the encapsulation of the data to be sent, ie Start identifier 51, preamble 52 and checksum 54, as well as the pause times to be observed between the Ethernet telegrams.
  • These additional signals are specified in the IEEE 802.3 Ethernet standard and are 8 bits for the 100-bit Fast Ethernet, 8 bits for the start ID, 56 bits for the Preamble, 32 bits for the preamble and 32 bits for the checksum the break time is 69 bits.
  • the output from the transmitting unit 1 via the coding unit 15 telegrams are interpreted by the connected via the transmission link 2 node 3 in the run.
  • the transmission cycle By dividing the transmission cycle into subcycles, each containing at a fixed location, preferably in the first position, communication telegrams for controlling real-time operations, it is possible to initiate fast control operations due to the higher frequency of the subcycles.
  • the nodes 3 communicate with each other in a transmission cycle via the communication telegrams in the subcycles or exchange the process data necessary for the control processes.
  • a preceding node encrypts data for a downstream node in a communication telegram during the run, which data is then read out in the subsequent node and triggers a corresponding control process. That one- exchange between the nodes and the communication messages is preferably carried out in the manner shown below.
  • the FMMU unit 33 of the respective node 3 extracts or transfers the data assigned to it from the communication messages 501 on the transmission path 2, the FMMU unit 33 contains a register unit 331 with a plurality of register data sets, including the continuous communication telegram 501 the data memory 34 in the respective node, which contains the associated data, correlate.
  • Each register data set 331 comprises the following registers which describe a contiguous memory area in the communication telegram 501: start address of the data area in the communication telegram; End address of the data area in the communication telegram; Start address of the data area in the data memory 34 of the node 3; Type of data transfer "Write" or "Read".
  • Each register data set 331 thus indicates the beginning of the data assigned to the respective node in the communication message 501.
  • the register data set 331 can therefore also contain information about the length of the assigned data area in the communication message 501.
  • the information contained in the register data record 331 about the beginning of the data record in the data memory 34 of the node provides for the assignment of the data contained in the communication messages to the data in the node.
  • the type of data transfer in the register file finally determines whether a write or read operation is to be performed between nodes and the communication message.
  • the register data sets 331 in the FMMU units 33 of the node 3 are generated in the startup phase. During the cyclical see data traffic on the transmission link 2 are then each passing communication telegrams 501 compared to the register data sets 331 of the FMMU unit 33 from a comparison unit 34 of the FMMU unit 33 and in accordance with an access unit 35 of the FMMU unit 33 then the corresponding data read or entered into the communication message.
  • FIG. 6 shows the processing sequence in the FMMU unit 33 of a node 3 upon receipt of a read telegram.
  • the head parts 511, 521 of the communication telegram 501 circulating on the transition section 2 are compared in the FMMU unit 33 with the stored register data sets 331. If this comparison shows that the data part 531 of the communication message contains areas to be assigned to the node, these data areas are read from the data memory 34 of the node and entered into the communication message 501 with recalculation of the checksum 541 on the transmission link 2.
  • FIG. 7 shows the processing sequence in the FMMU unit 33 of a node 3 upon receipt of a write message.
  • the head parts 511, 521 of the communication message 501 on the transition route 2 are compared with the register data sets 331. If a match is detected and indicated in the register record that a write is to be made, the corresponding data 531 is read from the communication message 501 and stored in the data memory 34 of the node.
  • the data area of the communication telegram preferably contains in each case a control data item that is to be written by a preceding node during the passage of the communication telegram, preferably in the manner shown in FIG. 6, in subcircuits of the transmission cycle of the transmitted communication telegrams.
  • a subordinate node, which is to execute the control process, then reads out the control data, preferably according to the manner shown in FIG.
  • the invention has been explained with reference to the Ethernet protocol, but it is also possible to further develop other network protocols in the manner according to the invention in order to enable fast inter-node communication along a transmission path.

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Abstract

Zum Übertragen von Daten auf einer Übertragungsstrecke, an der ein Steuereinheit und mehrere Knoten angeschlossen sind, gibt die Steuereinheit zyklisch Daten in Form von Telegrammen kontinuierlich während der gesamten Sendezykluszeit unter Beachtung der Übertragungsnorm auf die Übertragungstrecke aus, wobei die Knoten beim Durchlauf Daten mit den Telegrammen austauschen. Die Steuereinheit unterteilt den Sendezyklus dabei in eine Anzahl von gleichlangen Subzyklen, wobei in jedem Subzyklus mindestens ein Kommunikationstelegramm versandt wird, in das ein erster Knoten beim Durchlauf Daten für einen zweiten an der Übertragungsstrecke nachgeordneten Knoten einschreiben kann.

Description

Verfahren, Kommunikationsnetzwerk und Steuereinheit zum zyklischen Übertragen von Daten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, ein Kommunikationsnetz- werk und eine Steuereinheit zum zyklischen Übertragen von Daten, insbesondere in Form von Ethernet-Telegrammen.
Das Ethernet ist die am weitesten verbreitete Technologie, mit der in lokalen Kommunikationsnetzen, sog. Local Area Net- works (LAN) Daten aktuell mit einer Geschwindigkeit bis zu 100 Mio. Bits/s (Mbps) übertragen werden können. LANs sind lokale Kommunikationsnetzwerke, die auf ein geografisches Gebiet begrenzt sind und als Teilnehmer wenigstens eine Steuereinheit und mehrere Arbeitsstationen, auch Knoten genannt, aufweisen, die über eine Übertragungsstrecke, z.B. ein Koaxial-, Glasfaser- oder Twisted Pair-Kabel verbunden sind.
LANs werden mit einem Netzwerk-Betriebssystem und einem einheitlichen Netzwerk-Protokoll betrieben. Das Ethernet stellt ein mögliches Netzwerkprotokoll dar und unterstützt dabei die unterschiedlichsten Kommunikationsprotokolle, z.B. das TCP/IP-Protokoll oder das IPX-Protokoll. Im OSI-Schichtenmo- dell, dem internationalen Referenzmodell für Datenübertragung in Netzwerken, das aus einem Schichtenstapel aus sieben Schichten aufgebaut ist, wobei für jede Schicht eine Menge von Protokollen definiert ist, die jeweils der nächst höheren Schicht ihre Dienste zur Verfügung stellen, ist das Ethernet- Protokoll der zweiten Schicht, der sog. Leitungsschicht zugeordnet. In dieser Leitungsschicht werden die zu versendenden Daten zu Telegrammen gebündelt, denen spezifische Informationen für das jeweilige Kommunikationsprotokoll hinzugefügt werden. Die Leitungsschicht ist im Netzwerk für den Transport der Daten-Telegrammme von Teilnehmer zu Teilnehmer und für die Fehlererkennung zuständig.
Beim Ethernet-Konzept ist die Leitungsschicht in zwei Ebenen unterteilt, wobei die erste Ebene den Daten einen Kopfab- schnitt, einen sog. Startkennung hinzufügen, die Informationen enthält, die für eine korrekte Datenübertragung vom Empfängerprotokoll benötigt werden. In der zweiten Ebene des E- thernet-Protokolls wird dann das Telegramm mithilfe einer zu- sätzlichen Präambel und eines Endabschnitts, einer sog.
Checksumme, für den Transport von Teilnehmer zu Teilnehmer eingekapselt. Mit solchen Ethernet-Telegrammen lassen sich Daten mit einer Länge von bis zu 1500 Bytes übertragen, wobei zwischen den einzelnen Ethernet-Telegrammen eine feste Pau- senzeit einzuhalten ist.
Für das Versenden und das Empfangen der Ethernet-Telegramme auf der Ethernet-Übertragungsstrecke ist in der Regel ein E- thernet-Controller, auch als Media Access Controller (MAC) bezeichnet, zuständig, der zwischen der Steuereinheit und die Ethernet-Übertragungsstrecke geschaltet ist. Der MAC- Controller umfasst im Allgemeinen ein Sende- und ein Empfangsschieberegister, um die Ethernet-Übertragungsstrecke von dem physikalischen Speicher der Steuereinheit zu entkoppeln. Moderne Ethernet-Controller besitzen weiter in der Regel eine direkte Zugriffsmöglichkeit auf den physikalischen Speicher, einen sog. Direct Memory Access (DMA) -Modus, wodurch zeitsparend die zu sendenden und zu empfangenen Ethernet-Telegramme direkt im Speicher abgelegt bzw. aus diesem Speicher abgeholt werden können.
Ethernet-Protokolle werden vornehmlich bei Bürokommunikationsnetzwerken eingesetzt. Aufgrund der Vorteile des Ethernet- Konzepts bei der Nutzung von Standard-Hardware- und -soft- warekomponenten sowie der Möglichkeit, bei einfacher Vernetzungstechnologie hohe Datenübertragungsraten zu erreichen, werden Ethernet-Kommunikationsnetzwerke zunehmend auch in der industriellen Fertigung zum Datenaustausch zwischen Arbeitsstationen einzusetzen. Beim Einsatz des Ethernet-Protokolls in der Automatisierungstechnik muss aber die Echtzeitfähigkeit der Ethernet-Datenübertragung sichergestellt werden. Bei der Steuerung von Maschinen ist es in der Regel erforderlich, dass eine zyklische Bearbeitung einer Steuerungsaufgabe im Wesentlichen ohne zeitliche Schwankungen, d.h. sog. Jitter erfolgt, wobei mit einer vorhersehbaren Antwortzeit auf die Regelanforderung reagiert wird.
Sollen z. B. im Rahmen einer auf dem Ethernet-Netzwerk laufenden Echtzeitanwendung zyklisch Ethernet-Telegramme versandt werden, um per Ethernet-Übertragungsstrecke angebundene Sensoren und Aktoren anzusprechen, übergibt die Steuereinheit in jedem Steuerungszyklus entsprechende Ethernet-Telegramme an seinen MAC-Controller zum Versenden. Dabei fügt die Steuereinheit vor der Übergabe an den MAC-Controller den zu versendenden Daten automatisch die in der Ethernet- Übertragungsnorm (IEEE 802.3) definierten Pausenzeiten, Startkennungen, Präambeln und Checksummen hinzu. Der MAC- Controller lädt dann, vorzugsweise mithilfe des DMA-Modus, die Ethernet-Telegramme in seinen Sendeschieberegister und beginnt ab einem bestimmten Füllstand des Sendeschieberegisters mit dem Versenden der Ethernet-Telegramme auf der Ethernet-Übertragungsstrecke.
Moderne Produktions- und Verarbeitungsprozesse zeichnen sich zunehmend durch schnelle Steuerungsaufgaben aus. Dies hat zur Folge, dass die Steuereinheit in dem bei der Industrieautoma- tion eingesetzten Kommunikationsnetzwerk immer schneller auf Regelanforderungen reagieren muss. So werden Reaktionszeiten im Mikrosekundenbereich zur Steuerung technischer Prozesse zum Beispiel in der Kunststoffindustrie gefordert. Um solche schnellen Reaktionszeiten zu gewährleisten, ist bei der Steu- ereinheit in LAN-Netzwerken eine hochleistungsfähige Verarbeitungseinheit notwendig, um Zykluszeiten im Mikrosekundenbereich zu gewährleisten, was wiederum hohe Hardware-Kosten nach sich zieht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Datenübertragung, ein Kommunikationsnetz und eine Steuereinheit für ein solches Kommunikationsnetz bereitzustellen, mit denen sich auf einfache und kostengünstige Weise zyklisch Daten mit hoher Frequenz unter den Teilnehmern am Datenverkehr verteilen lassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1, einem Kommunikationsnetzwerk gemäß Anspruch 9 und einer Steuereinheit gemäß Anspruch 17 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird zum Übertragen von Daten auf einer Übertragungsstrecke, an der eine Steuereinheit und mehrere Knoten angeschlossen sind, von der Steuereinheit zyklisch Daten in Form von Telegrammen kontinuierlich während der gesamten Sendezykluszeiten unter Beachtung der Übertragungsnorm auf die Übertragungsstrecke ausgegeben, wobei die Knoten beim Durchlaufen der Telegramme Daten mit den Telegrammen austauschen. Die Steuereinheit unterteilt den Sendezyklus dabei in eine Anzahl von gleichlangen Subzyklen, wobei in jedem Subzyklus mindestens ein Kommunikationstelegramm versandt wird, in das eine erster Knoten beim Durchlauf Daten für einen zweiten an der Übertragungsstrecke nachgeordneten Knoten einschreiben kann.
Mit der erfindungsgemäßen Auslegung wird durch das kontinu- ierliche Versenden des Telegramms eine exakte Wiederholbarkeit des Sendevorgangs und damit ein jitterfreies Versenden der Telegramme gewährleistet. Durch die Unterteilung des Sendezyklus der Steuereinheit auf dem Kommunikationsnetz in gleichlange Subzyklen, die jeweils ein Kommunikationstele- gramm enthalten, besteht die Möglichkeit, den Sendevorgang der Steuereinheit mit einer langsamen Taktrate und damit mit einer geringen Belastung zu betreiben und gleichzeitig in jedem Subzyklus Daten mit einer wesentlich höheren Frequenz zu verteilen, zum Beispiel um schnelle Regelvorgänge anzustoßen. Die Steuereinheit des Kommunikationssystems kann somit mit deutlich langsameren Takt betrieben werden als für die Echtzeitkommunikation benötigt wird, was die Steuereinheit ent- lastet. In der Steuereinheit können dann Ressourcen für weitere Aufgaben freigegeben werden, bzw. die Steuereinheit kann mit einer langsamen und damit kostengünstigen Hardware bestückt werden. Durch die Unterteilung des Sendezyklus der Steuereinheit in Subzyklen besteht ferner die Möglichkeit eine Kommunikation zwischen den der Steuereinheit nachgeschalteten Knoten innerhalb eines Sendezyklus auszuführen, wodurch auf einfache Weise eine dezentrale Steuerung erreicht wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Kommunikati- onstelegramm von der Steuereinheit zu einem festen Zeitpunkt im Subzyklus verschickt. Diese Vorgehensweise gewährleistet, dass mit dem Kommunikationstelegramm Echtzeitdaten auf die Knoten übertragen werden können und somit schnelle Regelungs- Vorgänge möglich sind.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird zum kontinuierlichen Senden der Telegramme bei einer vorgegebenen Sendezykluszeit die Anzahl und/oder die Länge der in dem Sub- zyklus zu versendenden Telegramme einschließlich des Kommunikationstelegramms von der Steuereinheit angepasst, um während der vorgegebenen Subzykluszeit kontinuierlich Telegramme auf die Übertragungsstrecke auszugeben. Diese Vorgehensweise ermöglicht es auf einfache Weise, kontinuierlich Telegramme im Rahmen eines Subzyklus bei gleichzeitiger optimaler Nutzung der im Subzyklus verfügbaren Sendezeit auszuführen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist im ersten Knoten ein erster Registerdatensatz vorgesehen, der eine Kennung eines Datenbereichs in dem auf der Übertragungsstrecke übertragenen Kommunikationstelegramm, eine Kennung eines zugeordneten Speicherbereichs im ersten Knoten und einen Schreibbefehl enthält, und ist im zweiten Knoten ein zweiter Registerdatensatz vorgesehen, der eine Kennung des Datenbe- reichs in dem auf der Übertragungsstrecke übertragenen Kommunikationstelegramm, eine Kennung eines zugeordneten Speicherbereichs in dem zweiten Knoten und einen Lesebefehl enthält, wobei der erste Knoten und der zweite Knoten jeweils einen Vergleich der auf der Übertragungsstrecke durchlaufenden Telegramme mit dem zugehörigen Registerdatensatz ausführen und auf der Grundlage des Vergleichsergebnisses eine Datenüber- tragung zwischen dem ersten und dem zweiten Knoten über das von der Steuereinheit ausgegebene Kommunikationstelegramm stattfindet. Mit dieser Auslegung wird auf einfache Weise eine Datenkommunikation zwischen beliebig nacheinander an der Übertragungsstrecke angeordneten Knoten ermöglicht, da die Knoten im Durchlauf durch Vergleich mit dem vorgegebenen Registerdatensatz die gewünschten Nutzdaten in das Kommunikationstelegramm einschreiben bzw. aus dem Kommunikationstelegramm auslesen können.
Bevorzugt ist dabei weiterhin, dass der Registerdatensatz eine Startadresse der Daten im Kommunikationstelegramm, eine Endadresse der Daten oder eine Länge eines Datenbereichs im Kommunikationstelegramm, eine Startadresse der zugeordneten Daten im Knoten und eine Kennzeichnung der Datenübertragung als Schreib- und Lesevorgang enthält. Diese Vorgehensweise ermöglicht eine schnelle Interpretation des Kommunikationste- legramms im Durchlauf und damit eine schnelle Datenverarbeitung. Der Registerdatensatz wird bevorzugt im Knoten während einer Hochlaufphase des Kommunikationsnetzwerkes erzeugt, wo- durch eine hohe Flexibilität im Kommunikationsnetz gewährleistet wird und sich das Kommunikationsnetzwerk auf einfache Weise an die gewünschten Regelanforderungen anpassen kann.
Weiterhin ist es bevorzugt, um schnelle Steuerungsvorgänge, insbesondere Schaltvorgänge mit den in den Subzyklen des Sendezyklus übertragenen Kommunikationstelegrammen auslösen zu können, im Datenbereich des Kommunikationstelegramms ein Steuerdatum vorzusehen, dass vom ersten Knoten beim Durchlaufen des Kommunikationstelegramms eingeschrieben werden kann, wobei der zweite an der Übertragungsstrecke nachgeordnete
Knoten das Steuerdatum dann ausliest und mit einem vorgegebenen Datum vergleicht, um bei Eintritt eines bestimmten Ver- gleichsergebnis einen Steuervorgang auszuführen. Mit dieser Vorgehensweise lassen sich auf einfache Weise mithilfe einer Inter-Knoten-Kommunikation schnelle Regelungen, zum Beispiel in der Kunststoffindustrie durchführen.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. IA ein erfindungsgemäßes Kommunikationsnetzwerk;
Fig. IB eine erfindungsgemäße Auslegung einer Steuereinheit im Kommunikationsnetzwerk;
Fig. IC eine erfindungsgemäße Auslegung eines Knotens im Kommunikationsnetzwerk;
Fig. 2A ein Kommunikationstelegramm;
Fig. 2B einen erfindungsgemäßen Sendevorgang;
Fig. 3A ein Ablaufdiagramm in einem erfindungsgemäßen Knoten bei einem Lesevorgang; und
Fig. 3B ein Ablaufdiagramm in einem erfindungsgemäßen Knoten bei einem Schreibvorgang.
Mit lokalen Kommunikationsnetzen (LANs) lassen sich auf ein- fache Weise Daten und Ressourcen zwischen Teilnehmern, im allgemeinen Computer und Maschinen gemeinsam nutzen. Das E- thernet-Konzept ist dabei der am weitesten verbreitete Kommunikationsstandard im LAN. Die Erfindung wir anhand eines E- thernet-Kommunikationsnetzwerkes erläutert. Es besteht jedoch die Möglichkeit, ein beliebiges LAN-Kommunikationsnetzwerk in der erfindungsgemäßen Weise zu betreiben. Das Ethernet-Kommunikationsnetzwerk basiert auf einem LAN- Aufbau, bei dem eine Mehrzahl von Teilnehmern über ein gemeinsame Übertragungsstrecke miteinander verbunden sind, wobei eine Verkapselung der zu übermittelnden Daten in Datenpa- keten, im weiteren auch als Ethernet-Telegramme bezeichnet mit einem vorgegebenen Format vorgenommen wird. Das Ethernet besteht dabei aus drei Bereichen, nämlich der Übertragungsstrecke und den Netzwerkschnittstellen, der Menge an Protokollen, die den Zugriff auf die Ethernet-Übertragungsstrecke steuern, und dem Ethernet-Telegrammformat . Das Ethernet-
Kommunikationsnetzwerk stellt dabei grundsätzlich ein Bussystem dar, wobei beliebige Netzwerktopologien z.B. Stern-, Busoder Baumnetze verwendet werden können.
Das Ethernet-Protokoll hat sich als Kommunikationsstandard für Netzwerksysteme nicht nur in der Bürokommunikation, sondern auch in der Industrieautomation durchgesetzt, da Standard-Hardwarekomponente und Standard-Softwareprotokolle genutzt werden können und darüber hinaus hohe Datenübertra- gungsraten möglich sind.
Fig. IA zeigt schematisch ein Ethernet-Netzwerk, wie es in der Industrieautomation zur Durchführung von Steuerungsaufgaben eingesetzt wird. Das Ethernet-Netzwerk weist eine Ether- net-Übertragungsstrecke 2 auf, über die eine Steuereinheit 1 mit mehreren Knoten 3 (31,...3n-l) verbunden ist. Die Übertragungsstrecke 2 ist zum Beispiel eine elektrische Leitung, ein Lichtleiter oder ein Radiokabel. Die Steuereinheit 1 ist der aktive Teilnehmer am Kommunikationsnetzwerk, der den Da- tenverkehr bestimmt. Eine solche Steuereinheit 1 ist zum Beispiel ein Microcontroller, der als Prozessleitrechner in einem Fertigungsprozess dient. Die Steuereinheit 1 besitzt eine Netzzugriffsberechtigung und kann Telegramme auf die Übertragungsstrecke 2 ausgeben und über die Übertragungsstrecke 2 empfangen. Die Knoten 3 im Kommunikationsnetzwerk stellen die Maschinenperipheriegeräte wie z.B. E/A-Geräte, Ventile, Antriebe und Messumformer dar. Sie besitzen keine eigene Zugriffsberechtigung auf das Kommunikationsnetzwerk, d.h. sie dürfen keine eigenständigen Telegramme auf das Netz ausgeben, sondern nur einen Datenaustausch mit dem aus der Übertragungsstrecke 2 umlaufenden Telegrammen ausführen.
Bei dem in Fig. IA gezeigten Ethernet-Netzwerk sind die Teilnehmer an der Übertragungsstrecke 2 zu einer Kette zusammengeschlossen, wobei jeder Knoten 3 mit zwei Nachbarn, der erste Knoten 31 und der letzte Knoten 3n mit der Steuereinheit 1 verbunden ist. Die Datenübertragung erfolgt dabei in eine
Richtung ausgehend von der Steuereinheit 1 zum ersten Knoten 31 und von dort weiter bis zum letzten Knoten 3n und dann zurück zur Steuereinheit 1. Bei der in Fig. IA gezeigten Ausführungsform werden die von der Steuereinheit 1 auf die Über- tragungsstrecke 2 ausgegebenen Ethernet-Telegramme auf dem Hinweg von den Knoten 3 beim Durchlauf verarbeitet und dann vom letzten Knoten 3n gegebenenfalls durch alle vorangehenden Knoten ohne weitere Verarbeitung hindurch auf die Steuereinheit 1 rückgekoppelt.
Fig. IB zeigt eine erfindungsgemäße Steuereinheit 1 zur Anbindung an die Ethernet-Übertragungsstrecke 2. Für das Versenden der Ethernet-Telegramme auf der Übertragungsstrecke 2 ist eine Kodiereinheit 15 vorgesehen, für den Empfang der Ethernet-Telegramme von der Übertragungsstrecke 2 eine Dekodiereinheit 16. An die Kodiereinheit 15 bzw. die Dekodiereinheit 16 ist jeweils ein als Schieberegister ausgelegter Zwischenspeicher 13, 14 angeschlossen, um die zu versendenen bzw. empfangenen Ethernet-Telegramme zwischenzuspeichern. Die Kodiereinheit 15, die Dekodiereinheit 16 und die beiden Zwischenspeicher 13, 14 bilden den Media Acess Controller (MAC) . Die Sende- und Empfangsschieberegister 13, 14 des MAC- Controllers sind vorzugsweise so ausgelegt, dass auf einen physikalischen Speicher 11 direkt mithilfe eines sogenannten Direct-Memory-Access (DMA) -Modus zugegriffen werden kann. Alternativ besteht die Möglichkeit, den Datenaustausch zwischen dem Sendeschieberegister 13 bzw. dem Empfangsschieberegister 14 und dem physikalischen Speicher 11 über eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 12 der Steuereinheit 1 erfolgen zu lassen. Der direkte Zugriff über den DMA-Modus sorgt jedoch für einen beschleunigten Datenaustausch.
Die Steuerung des Datenaustausches in der Steuereinheit 1 erfolgt über die CPU 12. Die CPU 12 verwaltet weiterhin auch alle zum Betrieb des Ethernet-Netzwerks notwendigen Vorgänge, d.h. führt das Management des Sende- und EmpfangsVorgangs durch und sorgt für eine Verkapselung der zu versendenden Daten in Ethernet-Telegrammen bzw. das Entpacken der Daten aus den empfangenen Ethernet-Telegrammen. Das auf der CPU 12 der Steuereinheit 1 implementierte Betriebssystem weist in der Regel eine geschichtete Softwarestruktur auf, um eine proto- kollspezifische Bearbeitung von einer telegramm- und hardwarespezifischen Bearbeitung zu trennen. Dadurch ist es möglich, unterschiedliche Kommunikationsprotokolle im Rahmen des Ethernet-Standards einzusetzen, ohne am hardwarespezifischen Treiber Änderungen durchführen zu müssen. Gleichzeitig kann so auch die Hardware der Steuereinheit geändert werden ohne zusätzlich eine protokollspezifische Softwareänderung ausführen zu müssen.
Fig. IC zeigt den Aufbau eines Knoten 3 an der Ethernet- Übertragungsstrecke 2. Der Knoten 3 weist eine Empfangseinheit 31 und eine Sendeeinheit 32 auf, die zum Empfangen eines Ethernet-Telegramms bzw. zum Senden eines Ethernet-Telegramms auf der Ethernet-Übertragungsstrecke 2 dienen. Die Sendeeinheit 31 und die Empfangseinheit 32 sind mit einer Zuordnungs- einheit 33 verbunden, die im weiteren als FFMU (Feldbus- Memory-Management-Unit) bezeichnet wird und in der der für den jeweiligen Knoten notwendige Teil des Busprotokolls implementiert ist. Die Zuordnungseinheit 33 steuert die Datenübergabe zwischen den auf der Übertragungsstrecke 2 durchlau- fenden Telegrammen und in einem Datenspeicher 34 des Knotens 3 abgelegten Nutzdaten. Diese Nutzdaten können zum Beispiel Messdaten oder Steuerdaten zum Ausführen eines Fertigungsvorgangs sein.
Fig. 2A zeigt schematisch ein auf der Übertragungsstrecke 2 umlaufendes Ethernet-Telegramm 5. Ein solches Telegramm kann bis zu 1500 Bytes enthalten und setzt sich aus einem Kopfteil mit einer Startkennung 51, einer Präambel 52, die die Ziel- und Quelladresse und den Datenpakettyp kennzeichnet, einem Mittelteil 53 mit den Daten und einem eine Checksumme enthal- tenen Endteil 34, das als Fehlererkennungsmechanismus dient, zusammen.
Beim Einsatz von LAN-Kommunikationsnetzwerken in der Industrieautomation ist es erforderlich, dass eine Echtzeitdaten- Übertragung gewährleistet wird. Gleichzeitig ist es zur Ausführung schneller Steuerungsaufgaben mithilfe des verteilten LAN-Netzwerks erforderlich, dass die einzelnen Knoten, die die Maschinenperipherie darstellen, Daten mit Zykluszeiten im Mikrosekundenbereich weitgehend jitterfrei, d.h. ohne Abwei- chungen von der gewünschten Zykluszeit erhalten. Um solche schnellen Zykluszeiten jitterfrei zu gewährleisten und gleichzeitig die Steuereinheit des Kommunikationsnetzwerks zu entlasten bzw. zu ermöglichen, den Hardwareaufwand der Steuereinheit zu reduzieren, gibt die Steuereinheit 1 gemäß der Erfindung zyklisch Daten in Form von Telegrammen 5 kontinuierlich über die gesamte Sendezykluszeit unter Beachtung der Übertragungsnorm auf die Übertragungsstrecke 2 aus. Die Steuereinheit 1 unterteilt dabei den Sendezyklus in eine Anzahl von gleichlangen Subzyklen, wobei in jedem Subzyklus mindes- tens ein Kommunikationstelegramm versandt wird, in das ein erster Knoten 3 beim Durchlauf Daten für einen zweiten an der Übertragungsstrecke 2 nachgeordneten Knoten 3 einschreiben kann. Durch das kontinuierliche Senden der Telegramme im Sendezyklus der Steuereinheit 1 wird eine exakte Wiederholbar- keit des Sendevorgangs und damit ein jitterfreies Versenden der Telegramme gewährleistet. Durch die Unterteilung des Sendezyklus der Steuereinheit 1 in Subzyklen, die jeweils we- nigstens ein Kommunikationstelegramm mit auf die einzelnen Knoten zu verteilende Daten enthält, über das die Knoten auch untereinander Daten austauschen können, besteht die Möglichkeit, die Steuereinheit mit einem langsamen Sendezyklustakt, der die Steuereinheit entlastet und keine aufwändige Hardware benötigt, zu betreiben, z.B. mit einem Sendezyklustakt im Millisekundenbereich, und gleichzeitig über die in den Sub- zyklen enthaltenen Kommunikationstelegramme unter Echtzeitbedingungen Steueraufgaben mit sehr schnellen Regelzeiten z.B. im Mikrosekundenbereich auszuführen.
Fig. 2B zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Auslegung eines Sendezyklus einer Steuereinheit 1. Der Sendezyklus, der 0,6 msec beträgt, ist in drei Subzyklen ä 200 msec unterteilt. Pro Subzyklus sind dabei zwei Kommunikationstelegramme 501 mit unter den nachgeordneten Knoten zu verteilenden Daten vorgesehen. In die Kommunikationstelegramme 501 kann dann ein erster Knoten beim Durchlauf der Telegramme Daten für einen weiteren, an der Übertragungsstrecke 2 in der Übertragungsrichtung nachgeordneten Knoten einschreiben. Die beiden Kommunikationstelegramme 501 werden von der Steuereinheit zu einem fest definierten Zeitpunkt im Subzyklus, in der in Fig. 2B gezeigten Ausführungsform an erster und zweiter Stelle verschickt. Nach den beiden Kommunikationstelegrammen 501 können im Subzyklus dann weitere Telegramme 502 mit zusätzlichen Daten für die Knoten verschickt werden oder durch „leere" Telegramme 503, die nur als Platzhalter dienen, um den Sendezyklus aufzufüllen. Fig. 2B zeigt im ersten Subzyklus zwei zusätzliche Daten-Telegramme 502a, 502b, im zweiten Subzyklus ein Platzhalter-Telegramm 503 und im dritten Subzyklus drei weitere Datentelegramme 502c, 502d, 502e. Zwischen den einzelnen Telegrammen ist die gemäß dem Übergangs- Protokoll erforderliche Pausenzeit eingehalten.
Der Sendevorgang der Ethernet-Telegramme über die Übertragungsstrecke 2 wird von der Steuereinheit 1 so ausgeführt, dass der in der CPU 12 eingesetzte Softwaretreiber die zu versendenden Daten in die Ethernet-Telegramme umsetzt, die, wenn die Steuereinheit 3 im DMA-Modus arbeitet, im physikalischen Speicher 11 abgelegt werden. Auf diese abgespeicherten Ethernet-Telegramme greift dann das Sendeschieberegister 13 zu, um die Ethernet-Telegramme 5 in das Schieberegister zu laden. Bei der in Fig. 2B gezeigten Telegrammfolge werden zuerst die beiden Kommunikationstelegramme 501a, 501b des ersten Subzyklus, dann die beiden weiteren Daten-Telegramme 502a, 502b des ersten Subzyklus, anschließend die beiden Kom- munikationstelegramme 501c, 501d und das Platzhalter- Telegramm 503 des zweiten Subzyklus, dann die beiden Kommunikationstelegramme 501e, 501f des dritten Subzyklus und schließlich die drei Daten-Telegramme 502c, 502d, 502e des dritten Subzyklus in das Sendeschieberegister 13 übergeführt. In gleicher Weise werden dann die Telegrammsätze weiterer Sendezyklen in das Sendeschieberegister 13 eingespeichert. Wenn unter Steuerung durch den Softwaretreiber der CPU 12 vom physikalischen Speicher 11 genügend Ethernet-Telegramme auf das Sendeschieberegister 13 übertragen wurden, um einen kon- tinuierlichen Sendevorgang auszuführen, gibt das Sendeschieberegister 13 die zwischengespeicherten Ethernet-Telegramme über die Kodiereinheit 15 auf die Ethernet-Übertragungs- strecke 2 aus. Eine Ethernet-Übertragung findet jedoch nur dann statt, wenn das Ethernet-Netzwerk ruhig ist. Darüber hinaus ist in der Regel zusätzlich ein Kollisionsverhinde- rungsmechanismus auf der Ethernet-Übertragungsstrecke 2 vorgesehen.
Wenn eine Steuereinheit 1 Sensoren oder Aktoren, die als wei- tere Knoten an die Ethernet-Übertragungsstrecke 2 angebunden sind, in Echtzeit steuern soll, ist ein jitterfreie Sendeabfolge der Ethernet-Telegramme 5 im Subzyklus erforderlich. Beim Senden von Ethernet-Telegrammen sind jedoch mehrere jit- terbehaftete Vorgänge enthalten, deren Jitter sich im ungüns- tigsten Fall aufsummiert. Ein erster Jitter ergibt sich aus den schwankenden Interrupt-Latenzzeiten des Betriebssystems der Steuereinheit 1 und des Software-Treibers beim Umsetzen der Ethernet-Telegramme. Weiterhin treten Laufzeitschwankungen des bis zum Versenden des Ethernet-Telegrammen durchlaufenden Datencodes auf. Bei modernen Steuereinheiten, die über einen Cache-Speicher verfügen, schwanken zusätzlich auch die Laufzeiten ein und desselben durchlaufenden Datencodes, da je nach Cache-Inhalt unterschiedlich lange auf den angeforderten Speicher gewartet werden muss. Weitere Jitter ergeben sich zudem bei der Übergabe der Ethernet-Telegramme an das Sendeschieberegister 13.
Zur Kompensation des Jitter wird erfindungsgemäß die CPU 12 der Steuereinheit 1 so programmiert, dass ohne Pause Ethernet-Telegramme 5 aus dem Sendeschieberegister 13 versendet werden. Dabei wird das Sendeschieberegister 13 und die ange- schlossene Kodiereinheit 15 so gesteuert, dass im Anschluss an ein gesendetes Ethernet-Telegramm direkt das nächste E- thernet-Telegramm unter Einhaltung der in der Ethernet- Übertragungsnorm definierten Pausezeit gesendet wird.
Um zu gewährleisten, dass bei einer durch die Regelzeit vorgegebenen Subzykluslänge kontinuierlich Ethernet-Telegramme versandt werden, berechnet die CPU 12, wie viele und wie lange Ethernet-Telegramme versandt werden müssen, um die vorgegebene Subzykluszeit exakt einzuhalten. Die CPU stellt die zu versendenden Daten 53 gemäß der Ethernet-Übertragungsnorm in entsprechend lange Ethernet-Telegramme 5 mit Startkennung 51, Präambel 52 und Checksumme 54 zusammen und legt sie im physikalischen Speicher 11 ab. Das Sendeschieberegister 13 greift dann auf diese Ethernet-Telegramme 5 zu und speichert sie zwischen. Ab einem gewissen Füllstand im Sendeschieberegister 13 wird dann mit dem Sendevorgang begonnen, wobei kontinuierlich Ethernet-Telegramme versendet werden, wie in Fig. 2B für einen gesamten Sendezyklus der Steuereinheit 1 gezeigt ist.
Mithilfe des Sendeschieberegisters 13 wird die Bereitstellung der Ethernet-Telegramme durch die CPU 12 im physikalischen Speicher 11 der Steuereinheit 1 vom Sendezeitpunkt der Ether- net-Telegramme entkoppelt, so dass ein möglicher Jitter ausgeglichen wird. Da das Timing des Sendevorgangs ausschließlich von der Steuereinheit 1 und der nachgeschalteten Übertragungsphysik der Übertragungsstrecke 2 abhängt und aus dem Sendeschieberegister 13 Ethernet-Telegramme 5 kontinuierlich gesendet werden, ist eine exakte Wiederholbarkeit und damit ein jitterfreies Senden möglich.
Bei der Berechnung der Anzahl und der Länge in einem Sende- zyklus zu versendenden Ethernet-Telegramme berücksichtigt die CPU 12 der Steuereinheit 1 sowohl die auf der Übertragungsstrecke 2 verwendete Baudrate als auch die bei der Verkapse- lung der zu versendenden Daten automatisch eingefügten zusätzlichen Daten, d.h. Startkennung 51, Präambel 52 und Checksumme 54, sowie die zwischen den Ethernet-Telegrammen einzuhaltenden Pausenzeiten. Diese zusätzlichen Signale sind in der Ethernet-Norm IEEE 802.3 festgelegt und betragen bei einem 100-Base-TX-Ethernet, also einem Fast-Ethernet mit 100 MBaud für die Startkennung 8 Bit, für die Präambel 56 Bit, für die Checksumme 32 Bit und die Pausenzeit 69 Bit.
Die von der Sendeeinheit 1 über die Kodiereinheit 15 ausgegebenen Telegramme werden von den über die Übertragungsstrecke 2 angeschlossenen Knoten 3 im Durchlauf interpretiert. Durch die Unterteilung des Sendezyklus in Subzyklen, die jeweils an einer festen Stelle, vorzugsweise in erster Position, Kommunikationstelegramme zur Steuerung von Echtzeitvorgängen enthalten, ist es möglich, aufgrund der höheren Frequenz der Subzyklen schnelle Regelvorgänge zu initiieren. Hierbei be- steht die Möglichkeit, dass die Knoten 3 miteinander in einem Sendezyklus über die Kommunikationstelegramme in den Subzyklen miteinander kommunizieren bzw. die für die Regelvorgänge notwendigen Prozessdaten austauschen. Dies erfolgt in der Weise, dass ein vorausgehender Knoten in ein Kommunikations- telegramm beim Durchlauf Daten für einen nachgeordneten Knoten einschreibt, die dann im nachfolgenden Knoten ausgelesen werden und einen entsprechenden Regelvorgang auslöst. Der Da- tenaustausch zwischen den Knoten und den Kommunikationstelegrammen erfolgt dabei vorzugsweise in der nachfolgend dargestellten Weise.
Damit die FMMU-Einheit 33 des jeweiligen Knotens 3 die ihm zugeordneten Daten aus den Kommunikationstelegrammen 501 auf der Übertragungsstrecke 2 entnimmt bzw. in diese überträgt, enthält die FMMU-Einheit 33 eine Registereinheit 331 mit mehrere Registerdatensätze, die das durchlaufende Kommunikati- onstelegramm 501 mit dem Datenspeicher 34 im jeweiligen Knoten, der die zugehörigen Daten enthält, korrelieren. Jeder Registerdatensatz 331 umfasst dabei die folgende Register, die einen zusammenhängenden Speicherbereich im Kommunikati- onstelegramm 501 beschreiben: Startadresse des Datenbereichs im Kommunikationstelegramm; Endadresse des Datenbereichs im Kommunikationstelegramm; Startadresse des Datenbereichs im Datenspeicher 34 des Knotens 3; Art der Datenübertragung „Write" oder „Read".
Jeder Registerdatensatz 331 gibt also den Beginn der dem jeweiligen Knoten zugeordneten Daten im Kommunikationstelegramm 501 an. Durch das Festlegen des Datenendes im Registersatz ist dann die Länge der dem jeweiligen Knoten zugeordneten Daten im Kommunikationstelegramm 501 festgelegt. Statt einer Endadresse kann der Registerdatensatz 331 deshalb auch eine Information über die Länge des zugeordneten Datenbereichs im Kommunikationstelegramm 501 enthalten. Die im Registerdatensatz 331 enthaltene Information über den Beginn des Datensatzes im Datenspeicher 34 des Knotens sorgt für die Zuordnung der im Kommunikationstelegramme enthaltenen Daten zu den Daten im Knoten. Der Typ der Datenübertragung im Registersatz legt abschließend fest, ob ein Schreib- oder Lesevorgang zwischen Knoten und dem Kommunikationstelegramm vorgenommen werden soll.
Die Registerdatensätze 331 in den FMMU-Einheiten 33 der Knoten 3 werden in der Hochlaufphase erzeugt. Während des zykli- sehen Datenverkehrs auf der Übertragungsstrecke 2 werden dann jeweils die durchlaufenden Kommunikationstelegramme 501 mit den Registerdatensätzen 331 der FMMU-Einheit 33 von einer Vergleichseinheit 34 der FMMU-Einheit 33 verglichen und bei Übereinstimmung mit Hilfe einer Zugriffseinheit 35 der FMMU- Einheit 33 dann die entsprechenden Daten aus dem Kommunikationstelegramm ausgelesen bzw. in dieses eingegeben.
Figur 6 zeigt den Verarbeitungsablauf in der FMMU-Einheit 33 eines Knotens 3 beim Empfang eines Read-Telegramms. Die Kopfteile 511, 521 des auf der Übergangsstrecke 2 zirkulierenden Kommunikationstelegramms 501 werden in der FMMU-Einheit 33 mit den eingespeicherten Registerdatensätzen 331 verglichen. Falls dieser Vergleich zeigt, dass der Datenteil 531 des Kom- munikationstelegramms Bereiche enthält, die dem Knoten zuzuordnen sind, werden diese Datenbereiche aus dem Datenspeicher 34 des Knotens ausgelesen und in das Kommunikationstelegramm 501 unter Neuberechnung der Checksumme 541 auf der Übertragungsstrecke 2 eingegeben.
Figur 7 zeigt den Verarbeitungsablauf in der FMMU-Einheit 33 eines Knotens 3 beim Empfang eines Write-Telegramms. Hierbei werden wiederum die Kopfteile 511, 521 des Kommunikationstelegramms 501 auf der Übergangsstrecke 2 mit den Registerda- tensätzen 331 verglichen. Wenn eine Übereinstimmung festgestellt wird und im Registerdatensatz angezeigt ist, das ein Schreibvorgang vorgenommen werden soll, werden die entsprechenden Daten 531 aus dem Kommunikationstelegramm 501 ausgelesen und in den Datenspeicher 34 des Knotens eingespeichert.
Mit der vorstehend dargestellten Vorgehensweise besteht auf einfache Weise die Möglichkeit der Datenkommunikation zwischen beliebig nacheinander an der Übertragungsstrecke 2 angeordneten Knoten durchzuführen, indem der vorausgehende Kno- ten beim Durchlauf Daten in das Kommunikationstelegramm für den nachgeordneten Knoten einschreibt. Um schnelle Steuerungsvorgänge, insbesondere Schaltvorgänge mit den in den Subzyklen des Sendezyklus übertragenen Kommunikationstele- graπunen auszulösen, enthält der Datenbereich des Kommunikati- onstelegramms vorzugsweise jeweils ein Steuerdatum, dass von einem vorausgehenden Knoten beim Durchlauf des Kommunikati- onstelegramms vorzugsweise in der anhand Fig. 6 dargestellten Weise einschreiben wird. Ein nachgeordneter Knoten, der den Steuervorgang ausführen soll, liest dann das Steuerdatum, vorzugsweise entsprechend der in Fig. 7 dargestellten Weise aus und vergleicht es mit einem im Datenspeicher abgelegten Datum, um bei Eintritt eines bestimmten Vergleichsergebnisses, z.B. das Steuerdatum ist größer als das abgelegte Datum, einen Steuervorgang z.B. die Anwendung des Steuerdatums als neue Regelgröße aufzuführen. Mit dieser Vorgehensweise lassen sich auf einfache Weise mithilfe der Inter-Knoten- Kommunikation schnelle Regelungsvorgänge, wie sie z.B. in der Kunststoffindustrie erforderlich sind, durchzuführen.
Die Erfindung wurde anhand des Ethernet-Protokolls erläutert, es besteht jedoch die Möglichkeit auch andere Netzwerkproto- kolle in der erfindungsgemäßen Weise weiterzugestalten, um eine schnelle Inter-Knoten-Kommunikation entlang einer Übertragungsstrecke zu ermöglichen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Übertragen von Daten auf einer Übertragungsstrecke (2), an der eine Steuereinheit (1) und mehrere Knoten (3) angeschlossen sind, wobei die Steuereinheit (1) zyklisch Daten in Form von Telegrammen (5) auf die Übertragungstrecke (2) ausgibt und dabei den Sendevorgang steuert, um während der gesamten Sendezykluszeit unter Beachtung der Übertragungsnorm kontinuier- lieh Telegramme auszugeben, und wobei die Knoten (3) beim Durchlauf Daten mit den Telegrammen austauschen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Steuereinheit (1) den Sendezyklus in eine Anzahl von gleichlangen Subzyklen unterteilt, wobei von der Steuereinheit in jedem Subzyklus mindestens ein Kommunikationste- legramm (501) versandt wird, in das ein erster Knoten beim Durchlauf Daten für einen zweiten an der Übertragungsstrecke nachgeordneten Knoten einschreiben kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikationstelegramm (501) von der Steuereinheit (1) zu einem festen Zeitpunkt im Subzyklus verschickt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum kontinuierlichen Versenden der Telegramme bei einer vorgegebenen Sendezykluszeit die Anzahl und/oder die Länge der in einem Subzyklus zu versendenden Telegramme (5) einschließlich des mindestens einem Kommunikationstelegramms (501) von der Steuereinheit (1) angepasst wird, um während der gesamten vorgebenen Sendezykluszeit kontinuierlich Telegramme auf die Übertragungsstrecke (2) auszugeben.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge- kennzeichnet, dass in dem ersten Knoten ein erster Registerdatensatz erzeugt wird, der eine Kennung eines Datenbereichs in dem auf der Übertragungsstrecke übertragenen Kommunikati- onstelegramm, eine Kennung eines zugeordneten Speicherbereichs im ersten Knoten und einen Schreibbefehl enthält, und dass in dem zweiten Knoten ein zweiter Registerdatensatz erzeugt wird, der die Kennung des Datenbereichs in dem auf der Übertragungsstrecke übertragenen Kommunikationstelegramm, eine Kennung eines zugeordneten Speicherbereichs in dem zweiten Knoten und einen Lesebefehl enthält, wobei der erste Knoten und der zweiten Knoten jeweils einen Vergleich der auf der Übertragungsstrecke durchlaufenden Telegramme mit dem zugehö- rigen Registerdatensatz ausführen und auf der Grundlage des Vergleichsergebnisses eine Datenübergabe zwischen dem ersten Knoten und dem zweiten Knoten über das von der Steuereinheit versandte Kommunikationstelegramm stattfindet.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Registerdatensatz eine Startadresse der Daten im Kommunikationstelegramm, eine Endadresse der Daten oder eine Länge eines Datenbereichs im Kommunikationstelegramm, eine Startadresse der zugeordneten Daten in dem Knoten und einen Kenn- Zeichnung der Datenübertragung als Schreib- bzw. Lesevorgang enthält.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Registerdatensatz in dem Knoten während einer Hochlaufphase erzeugt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenbereich in dem Kommunikationstelegramm ein Steuerdatum enthält, das vom ersten Knoten beim Durchlauf des Kommunikationstelegramms eingeschrieben wird, wobei der zweite an der Übertragungsstrecke nachgeordnete Knoten das Steuerdatum ausliest und mit einem vorgebenen Datum vergleicht, um bei Eintritt eines bestimmten Vergleichergebnisses einen Steuervorgang auszuführen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Daten in Form von Ethernet-Telegrammen übertragen werden.
9. Kommunikationsnetzwerk mit einer Übertragungsstrecke, an der ein Steuereinheit (1) und mehrere Knoten (3) angeschlossen sind, wobei die Steuereinheit (1) zyklisch Daten in Form von Telegrammen (5) auf die Übertragungstrecke (2) ausgibt und dabei den Sendevorgang gesteuert, um während der gesamten Sendezykluszeit unter Beachtung der Übertragungsnorm kontinuierlich Telegramme auszugeben, und wobei die Knoten (3) beim Durchlauf Daten mit den Telegrammen austauschen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Steuereinheit (1) den Sendezyklus in eine Anzahl von gleichlangen Subzyklen unterteilt, wobei die Steuereinheit (1) in jedem Subzyklus mindestens ein Kommunikationstelegramm (501) versendet, in das ein erster Knoten beim Durchlauf Da- ten für einen zweiten an der Übertragungsstrecke nachgeordne- ten Knoten einschreiben kann.
10. Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (1) das Kommunikationstele- gramm (501) zu einem festen Zeitpunkt im Subzyklus verschickt.
11. Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (1) zum kontinuierli- chen Versenden der Telegramme bei einer vorgegebenen Sendezykluszeit die Anzahl und/oder die Länge der in einem Subzyklus zu versendenden Telegramme (5) einschließlich des mindestens einen Kommunikationstelegramms (501) anpasst, um während der gesamten vorgebenen Sendezykluszeit kontinuierlich TeIe- gramme auf die Übertragungsstrecke (2) auszugeben.
12. Kommunikationsnetzwerk nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Knoten ein erster Registerdatensatz vorliegt, der ein Kennung eines Datenbereichs in dem auf der Übertragungsstrecke übertragenen Kommu- nikationstelegramm, eine Kennung eines zugeordneten Speicherbereichs in dem ersten Knoten und einen Schreibbefehl enthält, und im zweiten Knoten ein zweiter Registerdatensatz vorliegt, der die Kennung des Datenbereichs in dem auf der Übertragungsstrecke übertragenen Kommunikationstelegramm, ei- ne Kennung eines zugeordneten Speicherbereichs in dem zweiten Knoten und einen Lesebefehl enthält, wobei der erste Knoten und der zweite Knoten jeweils einen Vergleich der auf der Ü- bertragungsstrecke durchlaufenden Telegramme mit den zugehörigen Registerdatensatz ausführen und auf der Grundlage des Vergleichsergebnisses eine Datenübergabe stattfindet.
13. Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Registerdatensatz eine Startadresse der Daten im Kommunikationstelegramm, eine Endadresse der Daten oder eine Länge eines Datenbereichs im Kommunikationstelegramm, eine Startadresse der zugeordneten Daten in dem Knoten und einen Kennzeichnung der Datenübertragung als Schreibbzw. Lesevorgang enthält.
14. Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Registerdatensatz in den Knoten während einer Hochlaufphase erzeugt wird.
15. Kommunikationsnetzwerk nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenbereich in dem Kommunikationstelegramm ein Steuerdatum enthält, das der erste Knoten beim Durchlauf des Kommunikationstelegramms einschreibt, wobei der zweiten an der Übertragungsstrecke nach- geordneten Knoten das Steuerdatum ausliest und mit einem vor- gebenen Datum vergleicht, um bei Eintritt eines bestimmten Vergleichergebnisses einen Steuervorgang auszuführen.
16. Kommunikationsnetzwerk nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Daten in Form von Ether- net-Telegrammen übertragen werden.
17. Steuereinheit (1) für ein Kommunikationsnetzwerk mit einer Übertragungsstrecke (2), an der die Steuereinheit und mehrere Knoten (3) angeschlossen sind, mit einer Verarbeitungseinheit (12) zum Umsetzen von zu versendenden Daten gemäß einer Übertragungsnorm in Telegram- me, und einer Sendeeinheit (15) zum zyklischen Versenden der bereitgestellten Telegramme auf der Übertragungsstrecke (2), wobei die Verarbeitungseinheit (15) den Sendevorgang der Sendeeinheit steuert, um während der gesamten Sendezykluszeit unter Beachtung der Übertragungsnorm kontinuierlich Telegram- me auszugeben, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Verarbeitungseinheit (12) den Sendezyklus in eine Anzahl von gleichlangen Subzyklen unterteilt und in jedem Subzyklus mindestens ein Kommunikationstelegramm (501) bereitstellt, in das ein erster Knoten beim Durchlauf Daten für einen zweiten an der Übertragungsstrecke nachgeordneten Knoten einschreiben kann.
18. Steuereinheit nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit (12) das Kommunikationstelegramm (501) zu einem festen Zeitpunkt im Subzyklus verschickt.
19. Steuereinheit nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Verarbeitungseinheit (12) zum kontinuierlichen Versenden der Telegramme bei einer vorgegebenen Sendezykluszeit die Anzahl und/oder die Länge der in einem Subzyklus zu versendenden Telegramme (501) einschließlich des mindestens einem Kommunikationstelegramms (501) anpasst, um wäh- rend der gesamten vorgebenen Sendezykluszeit kontinuierlich Telegramme auf die Übertragungsstrecke (2) auszugeben.
20. Steuereinheit nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Daten in Form von Ethernet- Telegrammen übertragen werden.
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