WO2020020579A1 - Verfahren zur übermittlung zeitkritischer daten innerhalb eines kommunikationssystems für ein industrielles automatisierungssystem und kommunikationssystem - Google Patents

Verfahren zur übermittlung zeitkritischer daten innerhalb eines kommunikationssystems für ein industrielles automatisierungssystem und kommunikationssystem Download PDF

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WO2020020579A1
WO2020020579A1 PCT/EP2019/067554 EP2019067554W WO2020020579A1 WO 2020020579 A1 WO2020020579 A1 WO 2020020579A1 EP 2019067554 W EP2019067554 W EP 2019067554W WO 2020020579 A1 WO2020020579 A1 WO 2020020579A1
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WO
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data frame
control device
time
data frames
communication system
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PCT/EP2019/067554
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Feng Chen
Franz-Josef GÖTZ
Marcel Kiessling
An Ninh NGUYEN
Jürgen Schmitt
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H04L12/40Bus networks
    • H04L12/40143Bus networks involving priority mechanisms
    • H04L12/40156Bus networks involving priority mechanisms by using dedicated slots associated with a priority level
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    • H04L12/44Star or tree networks
    • H04L2012/445Star or tree networks with switching in a hub, e.g. ETHERNET switch

Definitions

  • TSN Working Group Time-sensitive Networks
  • MSRP-TAS A combined MSRP-TAS concept is described in the older international patent application WO 2019/007516 A1, the disclosure content of which is explicitly referred to here.
  • This concept combines the reservation protocol according to IEEE 802.1 Q, Chapter 35 (MSRP) and the time-aware shaper (TAS) according to IEEE 802.1 Qbv.
  • MSRP Society for Mobile Communications
  • TAS time-aware shaper
  • a protection of real-time traffic against best-effort data traffic is realized by the time window, whereby usually no quality of service qualities are guaranteed for best-effort data traffic.
  • the task of the reservation protocol is to activate a forwarding of streams as long as there is enough memory in switches or bridges and enough transmission time for a transfer within the time window. Another condition is that forwarding can be configured in every switch or bridge.
  • the reservation protocol manages system resources within the time window protected for real-
  • Strangs runs in a logical line topology through the connected field devices and is manipulated during the transfer. Actuators read specific control information for them from the sum frames, while sensors write corresponding information into the sum frames to transmit their measured values.
  • a summation frame is always fed in at the beginning of a line topology, runs through all field devices along the common line and returns to the beginning of the line.
  • EP 1 748 338 B1 discloses a method for optimizing the effective data transmission rate in a bus system, in which the data telegram used can be used in higher-level data networks based on the Internet protocol. At least one data telegram, at least one data segment or at least one data section is generated, changed or deleted by at least one slave.
  • the to- The bus system can be selected according to the application and is taken into account in the configuration of the data contained in the data telegrams without violating the protocol properties of the higher-level data network. The number of data telegrams required is significantly reduced, especially on the communication routes with the highest load.
  • DE 10 2008 018633 A1 describes a process control process in which data is exchanged between a network designed for the transmission of Ethernet telegrams and a subordinate bus system via a bus coupler.
  • the bus coupler is connected to the network via a first interface and to the subordinate bus system via a second interface.
  • Process data are read in or output by at least one bus participant of the subordinate bus system and the following steps are carried out:
  • the DE 10 2017 203 828 A1 relates to a machine and a method for the synchronous control of drive devices of a machine.
  • the machine has at least two drive devices for driving at least one element in one movement and at least two control devices, of which at least one control device is designed to control at least one of the at least two drive devices in such a way that the at least two drive devices move at least two elements into one at least temporarily drive synchronous movement.
  • the at least two control devices have a first interface that is configured to receive data according to a first communication protocol.
  • the data has time information from a time master for time synchronization of the at least two of the control devices.
  • the at least one of the at least two control devices has a second one
  • the Interface that is designed for communication with at least one of the two drive devices according to a second communication protocol.
  • the at least two control devices are designed to synchronize their system time via the first interface on the basis of the time information of the data.
  • the first interface is designed to generate a cyclical clock signal from the system time.
  • the at least one of the at least two control devices is designed to transfer the cyclical clock signal to the second interface in order to drive the at least two elements in an at least temporarily synchronous movement by actuating at least one of the at least two drive devices.
  • One possibility for the retransmission of sum frames is to store the response temporarily and to transfer the sum frame comprising the response in a next cycle.
  • a transmission of sum frames in both strand directions would be possible within a short latency as a protected stream.
  • temporary storage results in considerable speed disadvantages until the next cycle.
  • the present invention is therefore based on the object on the one hand to transmit sum frames in a communication system taking into account special requirements with regard to time-critical data traffic, and on the other hand to make the communication system expandable for accommodating additional communication participants
  • data frames for the transmission of time-critical data within a communication system for an industrial automation system along a common line to which a control device and several field devices are connected are transmitted as sum data frames.
  • the control device feeds sum data frames to be transmitted at a start of the line.
  • the control device is connected to the field devices via a time-sensitive network in accordance with IEEE 802.1 Q and IEEE 802.1 Qbv and via a coupler for time-sensitive networks connected to the line.
  • the total data frames fed in by the control device are assigned to a first data frame class, for the transmission of which first system resources within the communication system are reserved.
  • Field devices with an actuator function take control information addressed to them from the total data frames fed into the line by the control device.
  • field devices with a sensor function insert measured values into the sum data frames fed into the string. After the sum data frames have been transmitted along the strand, a field device at one end of the string sends response sum data frames to the control device, which comprise at least all of the measured values inserted into the sum data frames.
  • the response sum data frames are assigned to a second data frame class, for the transmission of which second system resources within the communication system are reserved.
  • a separate protected second time window can be used for the transmission of the response sum data frames complementary to a first time window for the first data frame class. Configuring the second time window with a pause between the first and time window enables efficient bandwidth use.
  • Time-aware shapers in accordance with IEEE 802.1 Qbv are used for the second data frame class.
  • Figure a communication system for the transmission of time-critical data within industrial automation system, which comprises a control device and several field devices connected to a common line.
  • the communication system shown in the figure comprises a control device 100, for example a programmable logic controller, and a plurality of field devices 101-105 connected to a common line 300, for example sensors or actuators for machines or devices controlled by the control device 100.
  • the control device 100 is connected to the field devices 101-105 via a time-sensitive network 200, which is designed and set up in accordance with IEEE 802.1 Q and IEEE 802.1 Qbv, and via a coupler 201 connected to the line 300 for time-sensitive networks ,
  • data frames are transmitted along the common line 300 as a sum data frame.
  • the control device 100 feeds sum data frames to be transmitted at a start of the line 300 or at the coupler 201 into the line 300.
  • the sum data frames fed in by the control device 100 are assigned to a first data frame class, for the transmission of which first system resources within the communication system are reserved.
  • System resources include, in particular, usable transmission time windows, bandwidth, queue storage in switches or bridges or guaranteed maximum latency.
  • Field devices with an actuator function take control information addressed to them from the total data frames fed into the line 300 by the control device 100. In contrast, field devices with a sensor function insert measured values into the total data frames fed into line 300.
  • a field device 105 at one end of the string 300 after transmission of the sum data frames along the string, sends back response sum data frames to the control device 100, which comprise at least all of the measured values inserted into the sum data frames.
  • the response sum data frames are assigned to a second data frame class, for the transmission of which second system resources are reserved within the communication system.
  • data frames of the first data frame class are transmitted during the first periodic time window 110, while data frames of the second data frame class are transmitted during the second periodic time window 120.
  • Corresponding reserved time windows 210, 220 for transmitting data frames of the first or second data frame class are also provided in the time-sensitive network 200.
  • time-aware shapers according to IEEE 802.1 Qbv are used both within the time-sensitive network 200 and along the line 300.
  • a time window 130, 230 is provided, which can be used for example for the transmission of best effort data traffic or data traffic with bandwidth limitation.
  • first time windows 110, 210 For the first time windows 110, 210, if the sum frame concept is used purely on the basis of the control device 100, which can include several virtual control devices, for example, optimization is possible since all control information is sent from one point in the communication system and is therefore serialized.
  • a small first time window 211 can be dimensioned for the time-sensitive network 200.
  • direct forwarding is possible in the time-sensitive network 200, since no further data are to be transmitted during the first time window.
  • incoming data can be sent directly to the next network node via free links.
  • a time interval between the first and second time windows results for several strands to be taken into account, for example from a processing time of a longest

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Small-Scale Networks (AREA)

Abstract

Zur Übermittlung zeitkritischer Daten innerhalb eines industriellen Automatisierungssystems werden Datenrahmen entlang eines gemeinsamen Strangs (300), an den ein Steuerungsgerät (100) und mehrere Feldgeräte (101-104) angeschlossen sind, als Summen-Datenrahmen übermittelt. Das Steuerungsgerät (100) speist zu übermittelnde Summen-Datenrahmen an einem Anfang des Strangs (300) ein. Die durch das Steuerungsgerät eingespeisten Summen-Datenrahmen werden einer ersten Datenrahmen- Klasse zugeordnet. Ein Feldgerät (105) an einem Ende des Strangs (300) sendet nach Übermittlung der Summen-Datenrahmens entlang des Strangs Antwort-Summen-Datenrahmen an das Steuerungsgerät (100), die zumindest sämtliche in die Summen-Datenrahmen eingefügten Messwerte umfassen. Dabei werden die Antwort-Summen-Datenrahmen einer zweiten Datenrahmen-Klasse zugeordnet.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Übermittlung zeitkritischer Daten innerhalb eines Kommunikationssystems für ein industrielles
Automatisierungssystem und Kommunikationssystem
Ergänzend zum Standard IEEE 802.1 für Ethernet-Kommunikati onssysteme sind durch die TSN Working Group (Time-senstive Networks) Mechanismen definiert, um für bestimmte periodische Netzwerkdaten (Streams) eine garantierte Übertragung, insbe sondere mit keinen Verluste durch Überlast, innerhalb einer definierten Zeit zu gewährleisten.
In der älteren internationalen Patentanmeldung WO 2019/007516 Al, auf deren Offenbarungsgehalt hier explizit Bezug genommen wird, ist ein kombiniertes MSRP-TAS-Konzept beschrieben. Bei diesem Konzept wird das Reservierungsprotokoll gemäß IEEE 802.1 Q, Chapter 35 (MSRP) und dem Time-aware Shaper (TAS) gemäß IEEE 802.1 Qbv kombiniert. In einem durch TAS einge richteten Zeitfenster werden nur Echtzeitdaten übertragen. Alle anderen Sende-Queues sind während dieses Zeitfensters geschlossen und können somit keine Daten übermitteln. Durch das Zeitfenster wird ein Schutz von Echtzeitverkehr gegenüber Best-Effort-Datenverkehr realisiert, wobei für Best-Effort- Datenverkehr üblicherweise keine Dienstgüte-Qualitäten ge währleistet werden. Aufgabe des Reservierungsprotokolls ist eine Aktivierung einer Weiterleitung von Streams, solange für eine Übertragung innerhalb des Zeitfensters genug Speicher in Switches bzw. Bridges und genügend Übertragungszeit vorhanden ist. Eine weitere Bedingung ist, dass die Weiterleitung in jedem Switch bzw. jeder Bridge konfigurierbar ist. Durch das Reservierungsprotokoll werden System-Ressourcen innerhalb des für Echtzeitverkehr geschützten Zeitfensters verwaltet.
Bei einem bekannten Summenframe-Konzept erfolgt eine Zusam menfassung von Sensordaten und Aktorwerten unterschiedlicher, an einen gemeinsamen Strang angeschlossener Feldgeräte in ei nem Summenframe. Entsprechend dem Summenframe-Konzept sendet eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) einen Frame (Da tenrahmen) , der als Summenframe entlang des gemeinsamen
Strangs in einer logischen Linientopologie durch die ange schlossene Feldgeräte läuft und während der Übertragung mani puliert wird. Aktoren lesen für sie bestimmte Steuerungsin formationen aus den Summenframes, während Sensoren zur Über tragung ihrer Messwerte entsprechende Informationen in die Summenframes schreiben. Entsprechend dem Summenframe-Konzept wird immer ein Summenframe am Anfang einer Linientopologie eingespeist, durchläuft alle Feldgeräte entlang des gemeinsa men Strangs und kehrt zum Anfang des Strangs zurück. Entspre chend dem Summenframe-Konzept kommt es so zu einer automati schen Antwort nach einer durch eine Konfiguration des gemein samen Strangs bestimmten Zeit.
Bei einer direkten Übertragung entsprechend dem Summenframe- Konzept ist ein Netzwerk zwischen SPS und Feldbusgeräten be grenzt, wenn kein spezieller Schutz für Summenframes in einem Ethernet-Kommunikationssystem besteht. Damit können Netzwerke nicht einfach erweitert und mit anderen Teilnehmern geteilt werden. Darüber hinaus würde bei direkter Anwendung des kom binierten MSRP-TAS-Konzepts entsprechend WO 2019/007516 Al auf das Summenframe-Konzept ein größeres Zeitfenster benötigt werden. Dies ist jedoch aufgrund von Randbedingung eines Sen- dens von allen Feld- bzw. Endgeräten an einem Phasenanfang zu einer anderen Ressourcenverwaltung führen würde. Ein verein fachtes Modell entsprechend dem kombinierten MSRP-TAS-Konzept wäre somit nicht mehr anwendbar. Der Vorteil kurzer Latenzen bei einer Datenübertragung in einem Zeitfenster und einer vereinfachten Ressourcenverwaltung ginge also verloren.
Aus EP 1 748 338 Bl ist ein Verfahren zur Optimierung der ef fektiven Datenübertragungsrate in einem Bussystem bekannt, bei dem das verwendete Datentelegramm in übergeordneten Da tennetzen, die auf dem Internetprotokoll basieren, verwendbar ist. Dabei wird mindestens ein Datentelegramm, mindestens ein Datensegment bzw. mindestens ein Datenabschnitt durch mindes tens einen Slave generiert, verändert bzw. gelöscht. Die To- pologie des Bussystems ist hierbei gemäß der Applikation wählbar und wird in der Projektierung der in den Datentele grammen enthaltenen Daten berücksichtigt, ohne die Proto kolleigenschaften des übergeordneten Datennetzes zu verlet zen. Die Anzahl der benötigten Datentelegramme wird dabei, insbesondere auf den Kommunikationsstrecken mit der höchsten Belastung deutlich reduziert.
In DE 10 2008 018633 Al ein Verfahren zur Prozess-Steuerung beschrieben, bei dem zwischen einem zur Übertragung von Ethernet-Telegrammen ausgebildeten Netzwerk und einem unter lagerten Bussystem über einen Buskoppler Daten ausgetauscht werden. Der Buskoppler ist über eine erste Schnittstelle mit dem Netzwerk und über eine zweite Schnittstelle mit dem un terlagerten Bussystem verbunden. Durch wenigstens einen Bus teilnehmer des unterlagerten Bussystems werden Prozessdaten eingelesen bzw. ausgegeben und dabei folgende Schritte ausge führt :
- Empfangen eines Ethernet-Telegramms über die erste
Schnittstelle des Buskopplers,
- Umsetzen des empfangenen Ethernet-Telegramms in ein in ternes Datentelegramm, welches eine kürzere Datenlänge aufweist als das empfangene Ethernet-Telegramm,
- Ausgeben des internen Datentelegramms über die zweite Schnittstelle des Buskopplers an die Busteilnehmer des unterlagerten Bussystems.
DE 10 2017 203 828 Al betrifft eine Maschine und ein Verfah ren zur synchronen Ansteuerung von Antriebseinrichtungen ei ner Maschine. Die Maschine hat mindestens zwei Antriebsein richtungen zum Antrieb jeweils mindestens eines Elements in eine Bewegung und mindestens zwei Steuereinrichtungen, von denen mindestens eine Steuereinrichtung ausgestaltet ist, mindestens eine der mindestens zwei Antriebseinrichtungen derart zu steuern, dass die mindestens zwei Antriebseinrich tungen mindestens zwei Elemente in eine zumindest zeitweise synchrone Bewegung antreiben. Dabei weisen die mindestens zwei Steuereinrichtungen eine erste Schnittstelle auf, die zum Empfang von Daten gemäß einem ersten Kommunikationsproto koll ausgestaltet ist. Die Daten weisen eine Zeitinformation von einem Zeitmaster zur Zeitsynchronisation der mindestens zwei der Steuereinrichtungen auf. Die mindestens eine der mindestens zwei Steuereinrichtungen weist eine zweite
Schnittstelle auf, die zur Kommunikation mit mindestens einer der zwei Antriebseinrichtungen gemäß einem zweiten Kommunika tionsprotokoll ausgestaltet ist. Die mindestens zwei Steuer einrichtungen sind ausgestaltet, ihre Systemzeit über die erste Schnittstelle auf der Grundlage der Zeitinformation der Daten zu synchronisieren. Die erste Schnittstelle ist ausge staltet, aus der Systemzeit ein zyklisches Taktsignal zu er zeugen. Die mindestens eine der mindestens zwei Steuerein richtungen ist ausgestaltet, das zyklische Taktsignal an die zweite Schnittstelle zu übergeben, um durch eine Ansteuerung mindestens einer der mindestens zwei Antriebseinrichtungen die mindestens zwei Elemente in eine zumindest zeitweise syn chrone Bewegung anzutreiben.
Eine Möglichkeit zur Rückübermittlung von Summenframes ist grundsätzlich ein Zwischenspeichern der Antwort und eine Übertragung des die Antwort umfassenden Summenframes in einem nächsten Zyklus. Eine Übertragung von Summenframes in beide Strangrichtungen wäre damit zwar innerhalb einer kurzen La tenz als geschützter Stream möglich. Allerdings ergeben sich durch ein Zwischenspeichern bis zum nächsten Zyklus erhebli che Geschwindigkeitsnachteile ergeben.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einerseits Summenframes in einem Kommunikationssystem unter Berücksichtigung spezieller Anforderungen in Bezug auf zeit kritischen Datenverkehr zu übermitteln, das Kommunikations system andererseits erweiterbar für eine Aufnahme zusätzli cher Kommunikationsteilnehmer zu gestalten
Diese Ausgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und durch ein Kommu nikationssystem mit den in Anspruch 5 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfin dung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß werden Datenrahmen zur Übermittlung zeitkri tischer Daten innerhalb eines Kommunikationssystems für ein industrielles Automatisierungssystem entlang eines gemeinsa men Strangs, an den ein Steuerungsgerät und mehrere Feldgerä te angeschlossen sind, als Summen-Datenrahmen übermittelt.
Das Steuerungsgerät speist zu übermittelnde Summen-Datenrah men an einem Anfang des Strangs ein. Das Steuerungsgerät ist über ein Time-sensitive Network entsprechend IEEE 802.1 Q und IEEE 802.1 Qbv und über einen an den Strang angeschlossenen Koppler für Time-sensitive Networks mit den Feldgeräten ver bunden. Die durch das Steuerungsgerät eingespeisten Summen- Datenrahmen werden einer ersten Datenrahmen-Klasse zugeord net, für deren Übermittlung erste System-Ressourcen innerhalb des Kommunikationssystems reserviert werden. Feldgeräte mit Aktor-Funktion entnehmen aus den durch das Steuerungsgerät in den Strang eingespeisten Summen-Datenrahmen jeweils an sie adressierte Steuerungsinformationen. Dagegen fügen Feldgeräte mit Sensor-Funktion jeweils erfasste Messwerte in die in den Strang eingespeisten Summen-Datenrahmen ein. Ein Feldgerät an einem Ende des Strangs sendet nach Übermittlung der Summen- Datenrahmen entlang des Strangs Antwort-Summen-Datenrahmen an das Steuerungsgerät, die zumindest sämtliche in die Summen- Datenrahmen eingefügten Messwerte umfassen.
Die Antwort-Summen-Datenrahmen werden erfindungsgemäß einer zweiten Datenrahmen-Klasse zugeordnet, für deren Übermittlung zweite System-Ressourcen innerhalb des Kommunikationssystems reserviert werden. Auf diese Weise kann für die Übermittlung der Antwort-Summen-Datenrahmen komplementär zu einem ersten Zeitfenster für die erste Datenrahmen-Klasse ein eigenes ge schütztes zweites Zeitfenster benutzt werden. Eine Konfigura tion des zweiten Zeitfensters mit einer Pause zwischen dem ersten und Zeitfenster ermöglicht eine effiziente Bandbrei ten-Nutzung. Sowohl für die erste Datenrahmen-Klasse als auch für die zweite Datenrahmen-Klasse werden jeweils Time-aware Shaper gemäß IEEE 802.1 Qbv verwendet.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend an einem Ausfüh rungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die
Figur ein Kommunikationssystem zur Übermittlung zeitkri tischer Daten innerhalb industriellen Automatisie rungssystems, das ein Steuerungsgerät und mehrere an einen gemeinsamen Strang angeschlossene Feldge räte umfasst.
Das in der Figur dargestellte Kommunikationssystem umfasst ein Steuerungsgerät 100, beispielsweise eine speicherprogram mierbare Steuerung, und mehrere an einen gemeinsamen Strang 300 angeschlossene Feldgeräte 101-105, beispielsweise Senso ren oder Aktoren für durch das Steuerungsgerät 100 gesteuerte Maschinen oder Vorrichtungen. Dabei ist das Steuerungsgerät 100 über ein Time-sensitive Network 200, das entsprechend IEEE 802.1 Q und IEEE 802.1 Qbv ausgestaltet und eingerichtet ist, und über einen an den Strang 300 angeschlossenen Koppler 201 für Time-sensitive Networks mit den Feldgeräten 101-105 verbunden ist.
Bei einer Übermittlung zeitkritischer Daten innerhalb des Kommunikationssystems werden Datenrahmen entlang des gemein samen Strangs 300 als Summen-Datenrahmen übermittelt. Das Steuerungsgerät 100 speist zu übermittelnde Summen-Datenrah men an einem Anfang des Strangs 300 bzw. am Koppler 201 in den Strang 300 ein. Dabei werden die durch das Steuerungsge rät 100 eingespeisten Summen-Datenrahmen einer ersten Daten- rahmen-Klasse zugeordnet, für deren Übermittlung erste Sys tem-Ressourcen innerhalb des Kommunikationssystems reserviert werden. System-Ressourcen umfassen insbesondere nutzbare Übertragungszeitfenster, Bandbreite, Queue-Speicher in Swit ches oder Bridges bzw. zugesicherte maximale Latenz. Feldgeräte mit Aktor-Funktion entnehmen aus den durch das Steuerungsgerät 100 in den Strang 300 eingespeisten Summen- Datenrahmen jeweils an sie adressierte Steuerungsinformatio nen. Dagegen fügen Feldgeräte mit Sensor-Funktion jeweils er fasste Messwerte in die in den Strang 300 eingespeisten Sum- men-Datenrahmen ein. Ein Feldgerät 105 an einem Ende des Strangs 300 sendet nach Übermittlung der Summen-Datenrahmen entlang des Strangs Antwort-Summen-Datenrahmen an das Steue rungsgerät 100 zürück, die zumindest sämtliche in die Summen- Datenrahmen eingefügten Messwerte umfassen. Dabei werden die Antwort-Summen-Datenrahmen einer zweiten Datenrahmen-Klasse zugeordnet, für deren Übermittlung zweite System-Ressourcen innerhalb des Kommunikationssystems reserviert werden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden Datenrahmen der ersten Datenrahmen-Klasse während erster periodischer Zeit fenster 110 übermittelt, während Datenrahmen der zweiten Da tenrahmen-Klasse während zweiter periodischer Zeitfenster 120 übermittelt werden. Entsprechende reservierte Zeitfenster 210, 220 zur Übermittlung von Datenrahmen der ersten bzw. zweiten Datenrahmen-Klasse sind auch im Time-sensitive Net work 200 vorgesehen. Zur Übermittlung von Datenrahmen der ersten Datenrahmen-Klasse und Datenrahmen der zweiten Daten- rahmen-Klasse werden sowohl innerhalb des Time-sensitive Net work 200 als auch entlang des Strangs 300 jeweils Time-aware Shaper gemäß IEEE 802.1 Qbv verwendet. Zwischen den ersten Zeitfenstern 110, 210 und den zweiten Zeitfenstern 120, 220 ist jeweils ein Zeitfenster 130, 230 vorgesehen, das bei spielsweise zur Übermittlung von Best-Effort-Datenverkehr o- der Datenverkehr mit Bandbreiten-Limitierung genutzt werden kann .
Für die ersten Zeitfenster 110, 210 ist bei reiner Anwendung des Summenframe-Konzepts ausgehend vom Steuerungsgerät 100, das beispielsweise mehrere virtuelle Steuerungsgeräte umfas sen kann, eine Optimierung möglich, da sämtliche Steuerungs informationen von einer Stelle im Kommunikationssystem ausge sendet werden und somit serialisiert sind. In diesem Fall kann ein kleines erstes Zeitfenster 211 für das Time-sensi- tive Network 200 dimensioniert werden. Insbesondere ist ein direktes Forwarding im Time-sensitive Network 200 möglich, da während des ersten Zeitfensters keine weiteren Daten zu über mitteln sind. Ankommenden Daten können nach Auswertung von Weiterleite-Informationen (Ethernet-Header) direkt über freie Links zu einem jeweils nächsten Netzwerkknoten gesendet wer den .
Ein Zeitabstand zwischen ersten und zweiten Zeitfenstern ergibt sich bei mehreren zu berücksichtigenden Strängen bei spielsweise aus einer Verarbeitungszeit eines längsten
Strangs. Durch eine schnelle Verarbeitung entsprechend vor liegendem Summenframe-Konzept ergibt sich eine deutlich klei ner Lücke als ein Abstand zu einem nächsten Zyklus. Bei An bindung eines einzigen Strangs ergibt sich dementsprechend eine weitere Optimierungsmöglichkeit. Durch Einführung eines Zeitfensters für die Antwort-Summen-Datenrahmen und eine Ab bildung auf 2 TSN-Streams ergibt sich eine schnellere Verar beitungszeit für ein Summenframe-System, da die Antwort wird schneller zum Steuerungsgerät 100 gesendet wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Übermittlung zeitkritischer Daten innerhalb eines Kommunikationssystems für ein industrielles Automati sierungssystem, bei dem
- Datenrahmen entlang eines gemeinsamen Strangs (300), an den ein Steuerungsgerät (100) und mehrere Feldgeräte (101-104) angeschlossen sind, als Summen-Datenrahmen übermittelt werden, wobei das Steuerungsgerät (100) über ein Time-sensitive Network (200) entsprechend IEEE 802.1 Q und IEEE 802.1 Qbv und über einen an den Strang (300) angeschlossenen Koppler (201) für Time-sensitive Net works mit den Feldgeräten (101-105) verbunden ist,
- das Steuerungsgerät (100) zu übermittelnde Summen- Datenrahmen an einem Anfang des Strangs (300) einspeist, wobei die durch das Steuerungsgerät eingespeisten Sum men-Datenrahmen einer ersten Datenrahmen-Klasse zugeord net werden, für deren Übermittlung erste System- Ressourcen innerhalb des Kommunikationssystems reser viert werden,
- Feldgeräte mit Aktor-Funktion aus den durch das Steue rungsgerät in den Strang eingespeisten Summen-Daten rahmen jeweils an sie adressierte Steuerungsinformatio nen entnehmen,
- Feldgeräte mit Sensor-Funktion jeweils erfasste Messwer te in die in den Strang eingespeisten Summen-Datenrahmen einfügen,
- ein Feldgerät (105) an einem Ende des Strangs (300) nach Übermittlung der Summen-Datenrahmen entlang des Strangs Antwort-Summen-Datenrahmen an das Steuerungsgerät (100) sendet, die zumindest sämtliche in die Summen-Datenrah men eingefügten Messwerte umfassen,
- die Antwort-Summen-Datenrahmen einer zweiten Datenrah- men-Klasse zugeordnet werden, für deren Übermittlung zweite System-Ressourcen innerhalb des Kommunikations systems reserviert werden, - für die erste Datenrahmen-Klasse und für die zweite Da tenrahmen-Klasse jeweils Time-aware Shaper gemäß IEEE 802.1 Qbv verwendet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem Datenrahmen der ersten Datenrahmen-Klasse während erster periodischer Zeitintervalle übermittelt werden und bei dem Datenrahmen der zweiten Datenrahmen-Klasse während zwei ter periodischer Zeitintervalle übermittelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
bei dem zwischen den ersten Zeitintervallen und den zweiten Zeitintervallen jeweils ein Pausen-Zeitfenster vorgesehen ist .
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei dem die System-Ressourcen nutzbare Übertragungszeitfens ter, Bandbreite, Queue-Speicher in Switches oder Bridges und/oder zugesicherte maximale Latenz umfassen.
5. Kommunikationssystem zur Übermittlung zeitkritischer Daten innerhalb eines industriellen Automatisierungssystems, wobei das Kommunikationssystem dafür ausgestaltet und eingerichtet ist, dass
- Datenrahmen entlang eines gemeinsamen Strangs (300), an den ein Steuerungsgerät (100) und mehrere Feldgeräte (101-104) angeschlossen sind, als Summen-Datenrahmen übermittelt werden, wobei das Steuerungsgerät (100) über ein Time-sensitive Network (200) entsprechend IEEE 802.1 Q und IEEE 802.1 Qbv und über einen an den Strang (300) angeschlossenen Koppler (201) für Time-sensitive Net works mit den Feldgeräten (101-105) verbunden ist,
- das Steuerungsgerät (100) zu übermittelnde Summen- Datenrahmen an einem Anfang des Strangs (300) einspeist, wobei die durch das Steuerungsgerät eingespeisten Sum men-Datenrahmen einer ersten Datenrahmen-Klasse zugeord net werden, für deren Übermittlung erste System- Ressourcen innerhalb des Kommunikationssystems reser viert werden,
- Feldgeräte mit Aktor-Funktion aus den durch das Steue rungsgerät in den Strang eingespeisten Summen-Daten- rahmen jeweils an sie adressierte Steuerungsinformatio nen entnehmen,
- Feldgeräte mit Sensor-Funktion jeweils erfasste Messwer te in die in den Strang eingespeisten Summen-Datenrahmen einfügen,
- ein Feldgerät (105) an einem Ende des Strangs (300) nach Übermittlung der Summen-Datenrahmen entlang des Strangs Antwort-Summen-Datenrahmen an das Steuerungsgerät (100) sendet, die zumindest sämtliche in die Summen-Datenrah men eingefügten Messwerte umfassen,
- die Antwort-Summen-Datenrahmen einer zweiten Datenrah- men-Klasse zugeordnet werden, für deren Übermittlung zweite System-Ressourcen innerhalb des Kommunikations systems reserviert werden
- für die erste Datenrahmen-Klasse und für die zweite Da tenrahmen-Klasse jeweils Time-aware Shaper gemäß IEEE 802.1 Qbv verwendet werden.
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