DE10147434A1 - System und Verfahren zur Diagnose von Kommunikationssystemen, insbesondere Real-time Ethernet - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System und Verfahren von schaltbaren Kommunikationssystemen mit wenigstens zwei Teilnehmern, insbesondere Realtime Ethernet, wobei Daten in wenigstens einem Übertragungszyklus mit einstellbarer Zeitdauer übertragen werden und jeder Übertragungszyklus in wenigstens einen ersten Bereich zur Übertragung von echtzeitkritischen Daten, wenigstens einen zweiten Bereich zur Übertragung von nicht echtzeitkritischen Daten und wenigstens einen dritten Bereich zur Übertragung von Diagnosedaten unterteilt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein System und Verfahren zur Diagnose von Kommunikationssystemen, insbesondere Realtime Ethernet.

Unter einem synchronen, getakteten Kommunikationssystem mit Äquidistanz-Eigenschaften versteht man ein System aus wenigs­ tens zwei Teilnehmern, die über ein Datennetz zum Zweck des gegenseitigen Austausches von Daten bzw. der gegenseitigen Übertragung von Daten miteinander verbunden sind. Dabei er­ folgt der Datenaustausch zyklisch in äquidistanten Kommunika­ tionszyklen, die durch den vom System verwendeten Kommunika­ tionstakt vorgegeben werden. Ein äquidistanter deterministi­ scher zyklischer Datenaustausch in Kommunikationssystemen ba­ siert auf einer gemeinsamen Takt- bzw. Zeitbasis aller an der Kommunikation beteiligten Komponenten. Die Takt- bzw. Zeitba­ sis wird von einer ausgezeichneten Komponente (Taktschläger) zu den anderen Komponenten übertragen. Bei isochronem Realti­ me-Ethernet wird der Takt bzw. die Zeitbasis von einem Syn­ chronisationsmaster durch das Senden von Synchronisationste­ legrammen vorgegeben. Teilnehmer sind beispielsweise zentrale Automatisierungsgeräte, Programmier-, Projektierungs- oder Bediengeräte, Peripheriegeräte wie z. B. Ein-/Ausgabe- Baugruppen, Antriebe, Aktoren, Sensoren, speicherprogrammier­ bare Steuerungen (SPS) oder andere Kontrolleinheiten, Compu­ ter, oder Maschinen, die elektronische Daten mit anderen Ma­ schinen austauschen, insbesondere Daten von anderen Maschinen verarbeiten. Teilnehmer werden auch Netzwerkknoten oder Kno­ ten genannt. Unter Kontrolleinheiten werden im folgenden Reg­ ler- oder Steuerungseinheiten jeglicher Art verstanden, aber auch beispielsweise Switches und/oder Switch-Controller. Als Datennetze werden beispielsweise Bussysteme wie z. B. Feldbus, Profibus, Ethernet Industrial Ethernet, FireWire oder auch PC-interne Bussysteme (PCI), etc., insbesondere aber auch isochrones Realtime Ethernet verwendet.

Datennetze ermöglichen die Kommunikation zwischen mehreren Teilnehmern durch die Vernetzung, also Verbindung der einzel­ nen Teilnehmer untereinander. Kommunikation bedeutet dabei die Übertragung von Daten zwischen den Teilnehmern. Die zu über­ tragenden Daten werden dabei als Datentelegramme verschickt, d. h. die Daten werden zu mehreren Paketen zusammengepackt und in dieser Form über das Datennetz an den entsprechenden Emp­ fänger gesendet. Man spricht deshalb auch von Datenpaketen. Der Begriff Übertragung von Daten wird dabei hier synonym zur oben erwähnten Übertragung von Datentelegrammen oder Datenpa­ keten verwendet.

In verteilten Automatisierungssystemen, beispielsweise im Be­ reich Antriebstechnik, müssen bestimmte Daten zu bestimmten Zeiten bei den dafür bestimmten Teilnehmern eintreffen und von den Empfängern verarbeitet werden. Man spricht dabei von echtzeitkritischen Daten bzw. Datenverkehr, da ein nicht rechtzeitiges Eintreffen der Daten am Bestimmungsort zu uner­ wünschten Resultaten beim Teilnehmer führt, im Gegensatz zur nicht echtzeitkritischen, beispielsweise inter- bzw. intra­ netbasierten Datenkommunikation. Gemäss IEC 61491, EN61491 SERCOS interface - Technische Kurzbeschreibung (http:/ / www.sercos.de/deutsch/index deutsch.htm) kann ein er­ folgreicher echtzeitkritischer Datenverkehr der genannten Art in verteilten Automatisierungssystemen gewährleistet werden. In der deutschen Patentanmeldung DE 10 05 8524.8 ist ein Sys­ tem und ein Verfahren zur Übertragung von Daten über schalt­ bare Datennetze, insbesondere das Ethernet, offenbart, das einen Mischbetrieb von echtzeitkritischer und nichtechtzeit­ kritischer, insbesondere Inter- bzw. Intranet basierter Da­ tenkommunikation erlaubt.

Automatisierungskomponenten (z. B. Steuerungen, Antriebe, . . .) verfügen heute im Allgemeinen über eine Schnittstelle zu ei­ nem zyklisch getakteten Kommunikationssystem. Eine Ablaufebe­ ne der Automatisierungskomponente (Fast-cycle) (z. B. Lagere­ gelung in einer Steuerung, Drehmomentregelung eines Antriebs) ist auf den Kommunikationszyklus synchronisiert. Dadurch wird der Kommunikationstakt festgelegt. Andere, niederperformante Algorithmen (Slow-cycle) (z. B. Temperaturregelungen) der Au­ tomatisierungskomponente können ebenfalls nur über diesen Kommunikationstakt mit anderen Komponenten (z. B. Binärschal­ ter für Lüfter, Pumpen, . . .) kommunizieren, obwohl ein langsa­ merer Zyklus ausreichend wäre. Durch Verwendung nur eines Kommunikationstaktes zur Übertragung von allen Informationen im System entstehen hohe Anforderungen an die Bandbreite der Übertragungsstrecke.

Für die Prozesssteuerung und -überwachung in der automati­ sierten Fertigung und insbesondere bei digitalen Antriebs­ techniken sind sehr schnelle und zuverlässige Kommunikations­ systeme mit vorhersagbaren Reaktionszeiten erforderlich.

Mit parallelen Bussystemen, wie beispielsweise SMP, ISA, PCI oder VME, ist eine sehr schnelle und einfache Kommunikation zwischen verschiedenen Baugruppen aufbaubar. Diese bekannten Bussysteme finden ihren Einsatz dabei insbesondere in Rech­ nern und PCs.

Zur Diagnose von Switches werden heute Spiegelports einge­ setzt. Dabei werden die an einem Port empfangenen bzw. gesen­ deten Daten über einen dezidierten Port (Spiegelport) ausge­ geben. An dem Spiegelport kann ein Diagnosetool (z. B. Analy­ zer) angeschlossen werden, um die empfangenen und/oder gesen­ deten Daten aufzuzeichnen und/oder zu analysieren. Der An­ schluss an dem Spiegelport erfolgt hierbei unmittelbar am entsprechenden Knoten innerhalb des Netzwerks. Prinzipiell ist es möglich die an einem Port empfangenen und/oder gesen­ deten Daten an einen dezidierten Knoten im Netzwerk, an dem das Diagnosetool angeschlossen ist, zu übertragen. Der Vor­ teil liegt darin, dass die Diagnose von verschiedenen Knoten des Netzwerks von einem zentralen Punkt aus erfolgen kann. Der Nachteil liegt darin, dass das Zeitverhalten der normalen Kommunikation (Kommunikation ohne Spiegelportdaten) beein­ flusst wird, was insbesondere in Automatisierungsanlagen mit priorisierter Kommunikation zu einem nicht vorhersagbaren Verhalten führen kann.

Das Problem wird dadurch gelöst, das für die Übertragung der Spiegelportdaten im gesamten Kommunikationssystem ein Kommu­ nikationskanal reserviert wird. Das Verfahren beruht auf der deutschen Patentanmeldung DE 100 58 524.8 bei der ein System und ein Verfahren zur Übertragung von Daten über schaltbare Datennetze, insbesondere das Ethernet, offenbart ist, das ei­ nen Mischbetrieb von echtzeitkritischer und nichtechtzeitkri­ tischer, insbesondere Inter- bzw. Intranet basierter Daten­ kommunikation erlaubt. Dies ermöglicht sowohl eine echtzeit­ kritische (RT; Real-Time) als auch eine nicht echtzeitkriti­ sche Kommunikation (NRT; Non-Real-Time) in einem schaltbaren Datennetz, bestehend aus Teilnehmern und Koppeleinheiten, beispielsweise eines verteilten Automatisierungssystems durch einen zyklischen Betrieb. In einem so genannten Übertragungs­ zyklus existiert für alle Teilnehmer und Koppeleinheiten des schaltbaren Datennetzes jeweils wenigstens ein Bereich zur Übermittlung echtzeitkritischer und wenigstens ein Bereich zur Übermittlung nicht echtzeitkritischer Daten, wodurch die echtzeitkritische von der nicht echtzeitkritischen Kommunika­ tion getrennt wird. Da alle Teilnehmer und Koppeleinheiten immer auf eine gemeinsame Zeitbasis synchronisiert sind, fin­ den die jeweiligen Bereiche zur Übermittlung von Daten für alle Teilnehmer und Koppeleinheiten jeweils zum selben Zeit­ punkt statt, d. h. die echtzeitkritische Kommunikation findet zeitlich unabhängig von der nicht echtzeitkritischen Kommuni­ kation statt und wird deshalb nicht von dieser beeinflusst. Die echtzeitkritische Kommunikation wird im Voraus geplant. Einspeisen der Datentelegramme beim originären Sender sowie deren Weiterleitung mittels der beteiligten Koppeleinheiten erfolgt zeitbasiert. Durch Zwischenspeicherung in den jewei­ ligen Koppeleinheiten wird erreicht, dass zu beliebiger Zeit auftretende, spontane, internetfähige, nicht echtzeitkriti­ sche Kommunikation in den für die nicht echtzeitkritische Kommunikation vorgesehenen Übertragungsbereich eines Übertra­ gungszyklus verschoben und auch nur dort übertragen wird.

In dieser Anmeldung ist die Ausprägung eines prinzipiellen Aufbaus eines Übertragungszyklus der in zwei Bereiche aufge­ teilt ist, beispielhaft dargestellt. Ein Übertragungszyklus ist in einen ersten Bereich, der zur Übertragung echtzeitkri­ tischer Daten vorgesehen ist, und einen zweiten Bereich, der zur Übertragung nicht echtzeitkritischer Daten vorgesehen ist, aufgeteilt. Die Länge des dargestellten Übertragungszyk­ lus symbolisiert dessen zeitliche Dauer, die vorteilhafter­ weise je nach Anwendungszweck zwischen einer Mikrosekunde und zehn Sekunden beträgt. Die Zeitdauer eines Übertragungszyklus ist veränderbar, wird aber vor dem Zeitpunkt der Datenüber­ tragung, beispielsweise durch einen Steuerungsrechner wenigs­ tens einmal festgelegt und ist für alle Teilnehmer und Kop­ peleinheiten des schaltbaren Datennetzes jeweils gleich lang. Die Zeitdauer eines Übertragungszyklus und/oder die Zeit­ dauer des ersten Bereichs, der zur Übertragung von echtzeit­ kritischen Daten vorgesehen ist, kann jederzeit, beispiels­ weise zu vorher geplanten, festen Zeitpunkten und/oder nach einer geplanten Anzahl von Übertragungszyklen, vorteilhafter­ weise vor Beginn eines Übertragungszyklus verändert werden, indem der Steuerungsrechner beispielsweise auf andere geplan­ te, echtzeitkritische Übertragungszyklen umschaltet. Darüber hinaus kann der Steuerungsrechner jederzeit im laufenden Be­ trieb eines Automatisierungssystems je nach Erfordernis Neu­ planungen der Echtzeitkommunikation durchführen, wodurch ebenfalls die Zeitdauer eines Übertragungszyklus verändert werden kann. Die absolute Zeitdauer 17 eines Übertragungszyk­ lus ist ein Maß für den zeitlichen Anteil, bzw. die Bandbrei­ te der nicht echtzeitkritischen Kommunikation während eines Übertragungszyklus, also die Zeit, die für die nicht echt­ zeitkritische Kommunikation zur Verfügung steht. So hat die nicht echtzeitkritische Kommunikation beispielsweise bei ei­ ner Zeitdauer eines Übertragungszyklus 12 von 500 µs eine Bandbreite von 30%, bei 10 ms eine Bandbreite von 97%. Im ers­ ten Bereich, der zur Übertragung echtzeitkritischer Daten vorgesehen ist, ist vor dem Senden der eigentlichen echtzeit­ kritischen Datentelegramme eine gewisse Zeitdauer zum Senden von Datentelegrammen zur Organisation der Datenübertragung reserviert. Die Datentelegramme zur Organisation der Daten­ übertragung enthalten beispielsweise Daten zur Zeitsynchroni­ sation der Teilnehmer und Koppeleinheiten des Datennetzes und/oder Daten zur Topologieerkennung des Netzwerks. Nachdem diese Datentelegramme gesendet wurden, werden die echtzeit­ kritischen Datentelegramme gesendet. Da die Echtzeitkommuni­ kation durch den zyklischen Betrieb im Voraus planbar ist, sind für alle zu übertragenden, echtzeitkritischen Datentele­ gramme eines die Sendezeitpunkte bzw. die Zeitpunkte für die Weiterleitung der echtzeitkritischen Datentelegramme vor Be­ ginn der Datenübertragung bekannt, d. h. die Zeitdauer des Be­ reichs zur Übertragung von nicht echtzeitkritischen Daten ist automatisch durch die Zeitdauer des Bereichs zur Übertragung von echtzeitkritischen Daten festgelegt. Vorteil dieser An­ ordnung ist, dass jeweils nur die notwendige Übertragungszeit für den echtzeitkritischen Datenverkehr verwendet wird und nach dessen Beendigung die restliche Zeit automatisch für die nicht echtzeitkritische Kommunikation, beispielsweise für die nicht planbare Internetkommunikation bzw. andere nicht echt­ zeitkritische Anwendungen zur Verfügung steht. Besonders vor­ teilhaft ist, dass die Zeitdauer des Bereichs zur Übertragung von echtzeitkritischen Daten jeweils durch die verbindungs­ spezifisch zu übertragenden Daten bestimmt wird, d. h., die Zeitdauer der beiden Bereiche wird für jede einzelne Daten­ verbindung durch die jeweils notwendige Datenmenge der zu übertragenden echtzeitkritischen Daten bestimmt, wodurch die zeitliche Aufteilung der beiden Bereiche für jede einzelne Datenverbindung für jeden Übertragungszyklus verschieden sein kann. Es wird jeweils nur die notwendige Übertragungszeit für den echtzeitkritischen Datenverkehr verwendet und die restli­ che Zeit eines Übertragungszyklus steht automatisch für die nicht echtzeitkritische Kommunikation, beispielsweise für die nicht planbare Internetkommunikation bzw. andere nicht echt­ zeitkritische Anwendungen für alle Teilnehmer des schaltbaren Datennetzes zur Verfügung. Da die Echtzeitkommunikation im Voraus entsprechend so geplant ist, dass das Ankommen der echtzeitkritischen Datentelegramme in den entsprechenden Kop­ peleinheiten so geplant ist, dass die betrachteten, echtzeit­ kritischen Datentelegramme spätestens zum Weiterleitungszeit­ punkt oder früher bei den entsprechenden Koppeleinheiten an­ kommen, können die echtzeitkritischen Datentelegramme ohne zeitlichen Zwischenraum gesendet bzw. weitergeleitet werden, so dass durch das dicht gepackte Senden, bzw. Weiterleiten, die zur Verfügung stehende Zeitdauer bestmöglich genutzt wird. Selbstverständlich ist es aber auch möglich bei Bedarf Sendepausen zwischen der Übertragung der einzelnen Datentele­ gramme einzubauen.

Die prinzipielle Arbeitsweise in einem geschalteten Netzwerk wird folgendermaßen erläutert. Dargestellt sind stellvertre­ tend für ein Netzwerk zwei Teilnehmer, beispielsweise ein An­ trieb und ein Steuerrechner, mit jeweils integrierten Koppel­ einheiten und einem weiteren Teilnehmer ohne Koppeleinheit, die durch Datenverbindungen miteinander verbunden sind. Die Koppeleinheiten besitzen jeweils lokale Speicher, die über interne Schnittstellen mit den Teilnehmern verbunden sind. Über die Schnittstellen tauschen die Teilnehmer Daten mit den entsprechenden Koppeleinheiten aus. Die lokalen Speicher sind innerhalb der Koppeleinheiten über die Datenverbindungen mit den Steuerwerken verbunden. Die Steuerwerke empfangen Da­ ten bzw. leiten Daten weiter über die internen Datenverbin­ dungen von bzw. zu den lokalen Speichern oder über eine oder mehrere der externen Ports. Durch Anwendung des Verfahrens der Zeitsynchronisation haben die Koppeleinheiten stets eine gemeinsame synchrone Zeitbasis. Hat ein Teilnehmer echtzeit­ kritische Daten, so werden diese zum vorausgeplanten Zeit­ punkt während des Bereichs für die echtzeitkritische Kommuni­ kation über die entsprechende Schnittstelle und den lokalen Speicher vom entsprechenden Steuerwerk abgeholt und von dort über den vorgesehenen externen Port zur nächsten verbundenen Koppeleinheit gesendet. Sendet ein anderer Teilnehmer zur gleichen Zeit, also während der echtzeitkritischen Kommunika­ tion, nicht echtzeitkritische Daten, beispielsweise für eine Internetabfrage so werden diese vom Steuerwerk über den ex­ ternen Port empfangen und über eine interne Verbindung an den lokalen Speicher weitergeleitet und dort zwischengespeichert. Von dort werden sie erst im Bereich für die nicht echtzeit­ kritische Kommunikation wieder abgeholt und an den Empfänger weitergeleitet, d. h. sie werden in den zweiten Bereich des Übertragungszyklus, der für die spontane, nicht echtzeitkri­ tische Kommunikation vorbehalten ist, verschoben, wodurch Störungen der Echtzeitkommunikation ausgeschlossen werden. Für den Fall, dass nicht alle zwischengespeicherten, nicht echtzeitkritischen Daten während des, für die Übertragung der nicht echtzeitkritischen Daten vorgesehenen Bereichs eines Übertragungszyklus übertragen werden können, werden sie im lokalen Speicher der entsprechenden Koppeleinheit solange zwischengespeichert, bis sie während eines, für die Übertra­ gung der nicht echtzeitkritischen Daten vorgesehenen Bereichs eines späteren Übertragungszyklus übertragen werden können, wodurch Störungen der Echtzeitkommunikation in jedem Fall ausgeschlossen werden.

Die echtzeitkritischen Datentelegramme, die über entsprechen­ de Datenverbindungen über die externen Ports beim Steuerwerk der zugehörigen Koppeleinheit eintreffen, werden unmittelbar über die entsprechenden externen Ports weitergeleitet. Dies ist möglich, da die Echtzeitkommunikation im Voraus geplant ist und deshalb für alle zu übertragenden, echtzeitkritischen Datentelegramme Sende- und Empfangszeitpunkt, alle jeweils beteiligten Koppeleinheiten sowie alle Zeitpunkte für die Weiterleitung und alle Empfänger der echtzeitkritischen Da­ tentelegramme bekannt sind. Durch die im Voraus erfolgte Pla­ nung der Echtzeitkommunikation ist auch sichergestellt, dass es auf den Datenverbindungen zu keinen Datenkollisionen kommt. Die Weiterleitungszeitpunkte aller echtzeitkritischen Datenpakete von den jeweils beteiligten Koppeleinheiten sind ebenfalls vorher geplant und damit eindeutig festgelegt. Das Ankommen der echtzeitkritischen Datentelegrammen ist deshalb so geplant, dass die betrachteten, echtzeitkritischen Daten­ telegramme spätestens zum Weiterleitungszeitpunkt oder früher im Steuerwerk der entsprechenden Koppeleinheit ankommen. Da­ mit ist das Problem von Zeitunschärfen, die sich insbesondere bei langen Übertragungsketten bemerkbar machen, eliminiert. Wie oben ausgeführt ist folglich ein gleichzeitiger Betrieb von echtzeitkritischer und nicht echtzeitkritischer Kommuni­ kation im selben schaltbaren Datennetz, sowie ein beliebiger Anschluss von zusätzlichen Teilnehmern an das schaltbare Da­ tennetz möglich, ohne die Echtzeitkommunikation selbst stö­ rend zu beeinflussen.

In Erweiterung zu den oben definierten Mechanismen wird der NRT-Kanal in einen NRT-Kanal und einen Diagnosekanal unter­ teilt. Die Bandbreite für den Diagnosekanal ist einstellbar und reduziert die Bandbreite für die übrige NRT-Kommunika­ tion. Die Einschränkung der Bandbreite für die übrige Kommu­ nikation kann bei ausreichend performanten Kommunikationssys­ temen (z. B. Gigabit-Ethernet) hingenommen werden. Die Kommu­ nikationsmechanismen sind in beiden Kanälen identisch. Der Diagnosekanal darf jedoch nur für Diagnosefunktionen, z. B. Routing von Spiegelport-Daten zu einem dezidierten Knoten ge­ nutzt werden. Die Nutzung wird durch Diagnosesoftware und Projektierung bestimmt. Aufgrund der Projektierbarkeit kann der Diagnosekanal abgeschaltet werden. Zur verlustfreien Übertragung der Spiegelport-Daten sollte die Breite des Zeit­ fensters für den Diagnosekanal mit der maximalen Breite der NRT-Kanals übereinstimmen können.

Der erfinderische Schritt liegt in der Idee eines zusätzli­ chen, separaten Kanals zur Übertragung von NRT-Daten, insbe­ sondere von Netzwerkdiagnosedaten (z. B. Spiegelportdaten). Dadurch kann eine zentral gesteuerte Netzwerkdiagnose durch­ geführt werden ohne dass dabei die im Normalbetrieb zur Ver­ fügung stehende Bandbreite für die übrige NRT-Kommunikation eingeschränkt bzw. ohne dass das Zeitverhalten des Gesamtsys­ tems beeinflußt bzw. verändert wird.

Von besonderem Vorteil ist es darüber hinaus, dass die offen­ barten Verfahren in Automatisierungssystemen, insbesondere bei und in Verpackungsmaschinen, Pressen, Kunststoffspritzma­ schinen, Textilmaschinen, Druckmaschinen, Werkzeugmaschinen, Robotor, Handlingssystemen, Holzverarbeitungsmaschinen, Glas­ verarbeitungsmaschinen, Keramikverarbeitungsmaschinen sowie Hebezeugen eingesetzt bzw. verwendet werden können.

Im Weiteren werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Einteilung Kommunikationszyklus

Fig. 2 Diagnosezugang für Netzwerk

Claims (2)

1. Verfahren zur Diagnose von schaltbaren Kommunikationssys­ temen mit wenigstens zwei Teilnehmern, insbesondere Realtime Ethernet, dadurch gekennzeichnet, dass Daten in wenigstens einem Übertragungszyklus mit ein­ stellbarer Zeitdauer übertragen werden und jeder Übertra­ gungszyklus in wenigstens einen ersten Bereich zur Übertra­ gung von echtzeitkritischen Daten, wenigstens einen zweiten Bereich zur Übertragung von nicht echtzeitkritischen Daten und wenigstens einen dritten Bereich zur Übertragung von Di­ agnosedaten unterteilt ist.

2. System zum Durchführen eines Verfahrens nach Anspruch 1.