DE102011015966A1

DE102011015966A1 - Automatisierungssystem

Info

Publication number: DE102011015966A1
Application number: DE102011015966A
Authority: DE
Inventors: Alexander Blumenröther; Jens Breitenstein
Original assignee: Wago Verwaltungs GmbH
Current assignee: Wago Verwaltungs GmbH
Priority date: 2011-04-04
Filing date: 2011-04-04
Publication date: 2012-10-04
Anticipated expiration: 2031-04-05
Also published as: US20130003754A1; US8792518B2; CN102739651B; DE102011015966B4; CN102739651A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Daten in einem Automatisierungssystem mit zyklischer Datenübertragung, wobei Daten in Fragmente unterteilt werden und die Fragmente zusammen mit einer Fragmentinformation an die Gegenseite übertragen werden. Dabei wird ein Fragment solange übertragen, bis die Gegenseite eine entsprechende Quittierung in der Fragmentinformation zurücksendet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Daten in einem Automatisierungssystem umfassend eine erste und wenigstens eine zweite Automatisierungs-Netzwerkkomponente, die über ein Automatisierungsnetzwerk zur zyklischen Datenübertragung unter Verwendung eines dem Automatisierungsnetzwerk zwecks Datentransports zugrunde gelegten Kommunikationsprotokolls ausgebildet und miteinander verbunden sind.
Die Erfindung betrifft auch ein Automatisierungssystem, ein Computerprogramm sowie eine Automatisierungs-Netzwerkkomponente hierzu.
Durch den ökonomischen Druck hat der Grad der Automatisierung in weiten Teilen der industriellen Landschaft stark zugenommen. Dabei ist ein wesentliches Hauptmerkmal der Automatisierungstechnik, dass Maschinen und Anlagen halb- oder vollautomatisch derart gesteuert werden, dass beispielsweise in einem industriellen Herstellungsprozess dieser sicher und größtenteils ohne Eingriff des Menschen ausgeführt wird. Daneben gibt es weitere zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, wie beispielsweise die sichere Überwachung von Arbeitsplätzen oder die Steuerung und Regelung von in Gebäude ablaufenden Anwendungsprozessen, wie beispielsweise eine Fahrstuhl- oder Lichtsteuerung. Schließlich ist auch das Anwendungsgebiet im Kfz-Bereich nicht zu vergessen, bei dem heutzutage über speziell hierfür ausgebildete Feldbussysteme verschiedenste Steuergeräte und Messfühler miteinander verbunden sind.
Automatisierungssysteme weisen meist eine Mehrzahl von Feldgeräten, wie Sensoren oder Aktoren auf, die über ein I/O-System meist an eine übergeordnete programmierbare Steuerung, einen Feldbuscontroller oder anderweitige Geräte zum Steuern, Regeln, Bedienen oder Beobachten angeschlossen sind. Besonders flexibel einsetzbar sind dabei dezentrale, modulare I/O-Systeme, in denen ein I/O-Knoten aus einem Feldbuskoppler bzw. -controller sowie einer Zusammenstellung verschiedener I/O-Module besteht. Das modulare Konzept erlaubt die Anpassung an Art und Anzahl der vorliegenden Feldgeräte durch geeignete Kombination verschiedener feldbusunabhängiger I/O-Module sowie die Anbindung an den vorliegenden Feldbus durch Kombination dieser mit einem entsprechenden Feldbuskoppler. Um dieses modulare Konzept zu ermöglichen, aber auch aus Gründen der Fehlersicherheit und der begrenzten Rechenkapazitäten eines eingebetteten Systems, erfolgt die Kommunikation zwischen I/O-Modulen und Feldbuskoppler in der Form, dass die Module zyklisch ein Eingangsprozessabbild an den Koppler und dieser zyklisch ein Ausgangsprozessabbild an die Module überträgt, wobei sich der interne Aufbau – d. h. die Anordnung und Länge der Prozessdaten – nach Anlauf des Systems nicht mehr verändert. Zyklisch bedeutet dabei, dass die zu versendenden Daten ähnlich einer Ringbusstruktur kontinuierlich und in zeitdiskreten Abständen ausgesendet werden; im Gegensatz zu ereignisgesteuerten Datenkommunikationsnetzwerken.
Hinsichtlich der Vernetzung dezentraler Automatisierungskomponenten haben sich je nach Branche verschiedene Feldbussysteme etabliert. Beispielhaft seien hier CAN-Bus, Profibus oder Modbus genannt. Jedes dieser Feldbussysteme verwendet dabei für den Datenaustausch entsprechende Kommunikationsprotokolle, die den physischen Datentransport von einer Komponente zur nächsten Komponente sicherstellen sollen. Hinsichtlich vieler Protokolleigenschaften, wie beispielsweise der maximalen Datengröße, die pro Nachricht mit Hilfe des Kommunikationsprotokolls übertragen werden kann, oder aber der Häufigkeit des Datenaustauschs, unterscheiden sich die jeweiligen Feldbussysteme und Implementierungen dabei zum Teil sehr stark voneinander.
Häufig werden daher mit den Feldgeräten auszutauschende Mess- oder Steuerdaten auch auf dem Feldbus dadurch transportiert, dass zyklisch ein konfigurationsspezifisches Prozessabbild zwischen den Teilnehmern und dem bzw. den Mastern des Feldbussystems ausgetauscht wird. Grundlegende Eigenschaft der zyklischen Abarbeitung ist, dass in jeder datenverarbeitenden Station – d. h. in diesem Fall dem I/O-Modul, dem Feldbuskoppler, dem Feldbusmaster und dem Steuerungsprogramm – zu jedem Zeitpunkt genau eine Momentaufnahme des Prozessabbildes vorliegt.
Wenn ein zyklischer Datenaustausch mit einer in der Kommunikationskette benachbarten Station erfolgt ist, wird diese Momentaufnahme von der jeweils nächsten überschrieben. Ist die Zykluszeit, in der Daten von der jeweils vorherigen Station erhalten werden, höher als die Zykluszeit, in der Daten an die jeweils nächste Station weitergegeben werden, so wird die aktuelle Momentaufnahme solange wiederholt, bis sie von der nächsten ersetzt wurde. Ist umgekehrt die Zykluszeit zur vorherigen Station niedriger als die zur nächsten Station, so wird das Prozessabbild unter Umständen mehrmals überschrieben, bevor es an diese nächste Station übertragen wird. Für zyklische Prozessdaten wie Werte eines Analogsensors stellt diese Form eines Kommunikationsprotokolls kein Problem dar.
Entscheidend für die Systemperformance eines I/O-Systems ist unter anderem die erreichbare minimale Zykluszeit im I/O-Knoten. Aus diesem Grund ist die Größe der von I/O-Modulen verwendeten Prozessabbilder eng begrenzt und beträgt in der Regel nur selten mehr als zur unmittelbaren Abbildung der Prozesswerte angeschlossener Feldgeräte nötig. Da auch die Hardware traditionell hierdurch geprägt ist, bestehen je nach I/O-System zum Teil eng gesetzte Grenzen für die maximal mögliche Größe eines Prozessabbildes.
Es gibt nicht seltene Anwendungsfälle, in denen Mitarbeiter oder entsprechendes Wartungspersonal Zugriff auf die Feldgeräte haben müssen, um bestimmte Wartungsmaßnahmen oder Umprogrammierungsarbeiten vorzunehmen, oder in denen die Endgeräte neben kontinuierlich aufgefrischten Prozesswerten auch ereignisbezogene Daten wie Diagnosen oder Geräteinformationen wie z. B. ein elektronisches Typenschild zur Verfügung stellen. Wenn die Feldgeräte jedoch in dem eigentlichen Prozess derart verbaut sind, dass ein direkter physischer Zugriff nicht möglich ist, besteht nur noch die Möglichkeit, eine Kommunikation über das ohnehin vorhandene Automatisierungsnetzwerk aufzubauen. Hierbei ist jedoch das Wartungspersonal an das dem Automatisierungsnetzwerk zugrunde gelegte Kommunikationsprotokoll gebunden, dessen maximal zulässige Paketgrößen jedoch oft nicht erlauben, die mit dem Feldgerät auszutauschenden Datenelemente wie beispielsweise Parametrier- oder Diagnosetelegramme konsistent zu übertragen.
Stand der Technik
Die DE 69825882 T2 offenbart ein System und ein Verfahren zum Einkapseln von ATM-Zellen in einen LAN-Rahmen. Dabei werden größere Datenpakete auf den sogenannten ATM-Standard (asynchronous transfer mode) transformiert, der standardmäßig feste Paketgrößen mit einer Länge von 53 Byte unterstützt. Die größeren Datenpakete werden dabei in kleine Datenpakete auf der sogenannten Netzwerk- beziehungsweise Transportschicht segmentiert.
Die US 2010/0166015 A1 beschreibt ein Verfahren zum dynamischen Segmentieren von Datenpaketen, wobei die Segmentgröße in Abhängigkeit der Verbindungsqualität eingestellt und später auch neu angepasst werden kann. Ein ähnliches Verfahren offenbart auch die EP 2 039 075 B1 , wobei ein bereits segmentiertes Paket auch weitersegmentiert werden kann, wenn eine Verringerung der maximalen Paketgröße erkannt wurde.
Aus der DE 10 2009 013 229 A1 ist ein Diagnoseverfahren für Feldbussysteme bekannt, bei dem Diagnosemeldungen derart priorisiert werden können, dass der Anwender gezielt wählen kann, welche Gruppe Diagnosedaten ausgelesen werden sollen.
Schließlich ist aus der DE 10 2008 025 234 A1 und 10 2006 055 513 A1 ein Verfahren bekannt, mit dem Daten innerhalb eines Netzwerkes, insbesondere eines Feldbus-Netzwerknetzwerkes priorisiert übertragen werden können. Dazu wird in einer Arbitrierungsphase derjenige Teilnehmer ermittelt, welcher von allen Teilnehmern das größte Interesse daran hat, seine Daten zu senden und somit das Medium für sich zu beanspruchen. Hierfür setzen die einzelnen Teilnehmer in einer Nachricht abwechselnd bestimmte Bits, wobei dasjenige Endgerät, welches schlussendlich die höchste Anzahl von Bits gesetzt hat, priorisiert behandelt wird und seine Daten senden darf.
Aufgabe
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren und Automatisierungssystem anzugeben, mit dem auch in einem Automatisierungsnetzwerk mit zyklischer Datenübertragung und unterschiedlichen Datenverarbeitungszyklen große Datenelemente trotz eines schmalbandigen Kommunkationsprotokolls an entsprechende Kommunikationsteilnehmer übertragen werden können.
Lösung
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelost. Die Aufgabe wird ebenfalls erfindungsgemäß durch das Computerprogramm gemäß Anspruch 12, durch ein Automatisierungssystem gemäß Anspruch 13 und einer Automatisierungs-Netzwerkkomponente gemäß Anspruch 14 gelöst.
Demnach sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass jeweils zwei Netzwerkkomponenten, die beispielsweise Endpunkte eines Kommunikationssystem sein können und eine Vollduplexübertragung von Datenelementen ermöglichen, große, zu übertragende Daten mittels einer auf der ersten Automatisierungs-Netzwerkkomponente angeordneten Fragmentierungssteuerung in einzelne Fragmente zergliedert werden, die jede für sich betrachtet mit Hilfe des dem Automatisierungsnetzwerk zugrunde gelegten Kommunikationsprotokolls durch eine einzige Nachricht übertragen werden können. Dem Kommunikationssystem an einem der Endpunkte übergebene Datenelemente werden somit systemintern zum jeweils gegenüberliegenden Endpunkt transferiert und sind dort in unveränderter Form wieder verfügbar.
Dabei kann bei zyklischer Datenübertragung über mehrere Schnittstellen potentiell abweichender Zykluszeiten bei Übergang von einer schnelleren auf eine langsamere Zykluszeit der Fall eintreten, dass ein Fragment das vorherige Fragment im Empfangspuffer überschreibt, bevor die gegenseitige langsamere Schnittstelle nächstmalig zur Aufnahme von Daten bereit ist. Um diesem Problem und dem damit verbundenen Datenverlust vorzubeugen, wird vorgeschlagen, dass zusammen mit jedem Daten-Fragment eine Fragmentinformation übertragen wird, die von der Gegenseite als Datum der Nachricht interpretiert werden kann. Erfolgt nun die Weiterverarbeitung des im Empfangspuffer liegenden Fragmentes durch die zweite Komponente, so wird dies in der Fragmentinformation quittiert und an die erste Komponente zurückgesendet. Zu diesem Zweck enthält jede gesendete Fragmentinformation neben dem Datum der gesendeten Nachricht zusätzlich eine Quittierung über ein Datum einer empfangenen Nachricht.
Da dem Sender jedoch in der Regel nicht bekannt ist, wann die tatsächliche Datenverarbeitung auf der Gegenseite erfolgt, wird das aktuelle Fragment mittels einer Fragment-Nachricht so lange von der ersten Automatisierungs-Netzwerkkomponente im Sendepuffer vorgehalten und zyklisch ausgesendet, bis eine von der ersten Komponente empfangene Nachricht eine Quittierung innerhalb der Fragmentinformation für das aktuelle Fragment enthält. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Sender durch aussenden des nächsten Fragmentes nicht das vorherige Fragment auf der Gegenseite überschreibt.
Die Datenübertragung kann somit auch bei zyklischen Datenübertragungssystemen synchron und konsistent gehalten werden.
Zwischen der ersten Automatisierungs-Netzwerkkomponente und der zweiten Automatisierungs-Netzwerkkomponente können auch weitere Netzwerkkomponenten angeordnet sein, die zur Strukturierung des gesamten Automatisierungssystems dienen und die Nachrichten entsprechend ihrer Spezifikation weiterleiten.
Darüber hinaus ermöglicht ein derartiges Verfahren, dass unabhängig von dem Kommunikationsprotokoll des Automatisierungsnetzwerkes beliebig große Datenelemente gesendet werden können, ohne dass auf das Kommunikationsprotokoll des Automatisierungsnetzwerkes und/oder anderer Teilabschnitte des Übertragungsweges, wie beispielsweise das des Feldbusses, Rücksicht genommen werden muss. Insbesondere in heterogenen Netzwerksituationen wird dadurch eine größtmögliche Flexibilität erreicht.
Vorteilhafterweise ist die zweite Automatisierungs-Netzwerkkomponente (Gegenseite) nach dem Empfang aller Fragmente derart eingerichtet, dass sie mittels einer Defragmentierungssteuerung die empfangenen Fragmente wieder zu einem vollständigen Datenelement zusammensetzen kann.
Um den Overhead bei der Übertragung der Fragmente möglichst gering zu halten, ist als Datum einer ausgehenden Nachricht sowie für die Quittierung einer erhaltenen Nachricht lediglich jeweils ein einziges Bit innerhalb der Fragmentinformation vorgesehen. Die Fragmentinformation ist dabei eine Bitfolge von Informationen bezüglich des entsprechenden Fragmentes. Die Bitfolge, umgangssprachlich oft Header genannt, wird den eigentlichen Nutzdaten meist vorangestellt, kann aber auch am Ende der Nutzdaten angeordnet werden. Innerhalb dieser Fragmentinformation beziehungsweise des Fragmentheaders befindet sich nun an einer bestimmten Stelle ein Bit, dessen Wert als Quittierung gilt. Die Quittierung erfolgt beispielsweise durch invertieren des Bits.
Die Gegenseite ist dabei vorteilhafterweise derart eingerichtet, dass sie einen entsprechenden Status einer Fragmenterkennung erwartet. Hat sie ein entsprechendes Fragment mit einer erwarteten Fragmenterkennung verarbeitet, so invertiert die Gegenseite ebenfalls ihre Fragmenterkennungsbit, um so auf das nächste zu erwartende Fragmenterkennungsbit eingestellt zu sein. Entspricht das erwartete Fragmenterkennungsbit nicht dem tatsächlich empfangenen Fragmenterkennungsbit, so wird die Nachricht als Wiederholung bereits bekannter Daten gewertet und ignoriert. Somit kann immer die korrekte Sende- und Empfangsreihenfolge der einzelnen Fragmente, die für den letztendlichen fehlerfreien Zusammenbau der gesamten Daten auf der Gegenseite notwendig ist, sichergestellt werden.
Besonders vorteilhaft ist es nun, wenn die Fragmentinformation sowohl zum ausgehenden als auch zum eingehenden Datenstrom entsprechende Informationen enthält. Somit kann beispielsweise der Empfang eines Fragmentes an die Gegenseite mit der aktuellen Nachricht quittiert werden, während diese aktuelle Nachricht ein neues Fragment und zugehörige Fragmentinformationen enthält.
Potentiell nachteilig an der Notwendigkeit der Quittierung jeder Nachricht ist, dass der Sender erst dann eine neue Nachricht generieren kann, wenn die Quittierung vorliegt. Es ist daher ganz besonders vorteilhaft, wenn jedem Fragment eine Übertragungskanalnummer zugeordnet wird und die Fragmente dann in Abhängigkeit von der jeweiligen Übertragungskanalnummer von der ersten an die zweite Automatisierungs-Netzwerkkomponente gesendet werden. Die Übertragungskanalnummer kann beispielsweise in die Fragmentinformation beziehungsweise in den Fragmentheader eingetragen werden und ermöglicht dadurch eine Differenzierung auf der Gegenseite.
So ist es beispielsweise in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform denkbar, dass jedem Fragment eine Übertragungskanalnummer einer begrenzten Anzahl von möglichen Übertragungskanalnummern zugeordnet wird. Fragmente, denen jeweils die gleiche Übertragungskanalnummer zugeordnet wurde, werden dabei sequenziell gesendet, das heißt es wird erst dann das nächste Fragment mit der gleichen Übertragungskanalnummer gesendet, wenn der entsprechend korrekte Empfang des vorherigen Fragmentes mit dieser Übertragungskanalnummer entsprechend quittiert wurde. Fragmente mit unterschiedlichen Übertragungskanalnummern jedoch können parallel übertragen werden, das heißt, dass beispielsweise zwei Fragmente mit unterschiedlichen Übertragungskanalnummern nacheinander auf das Übertragungsmedium geschrieben werden, ohne dass der Empfang des ersten Fragmentes von der Gegenseite bereits quittiert wurde. Somit lassen sich trotz der zeitlichen Verzögerung durch die Verarbeitung der Gegenseite die Fragmente unter Ausnutzung der gesamten Kanalbandbreite effektiv übertragen.
Somit lässt sich insbesondere im Falle, dass die lokale Zykluszeit von der Round-Trip-Time einer Nachricht zum Empfänger stark abweicht, eine besonders hohe Ausnutzung der verfügbaren Ressourcen feststellen.
Um auch bei großen Datenmengen, die mit Hilfe von einer Vielzahl von Fragmenten übertragen werden sollen, sicherheitskritische Aspekte des Automatisierungssystems nicht in den Hintergrund treten zu lassen, ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn den zu sendenden Daten eine Priorisierung beziehungsweise eine Priorität zugeordnet wird und die Reihenfolge der Übertragung in Abhängigkeit von den zugeordneten Prioritäten gewählt wird. Dadurch lassen sich zeitkritische Daten, die beispielsweise in Form dringlicher Diagnosenachrichten vorliegen können, ohne Verzögerung an die Gegenseite übertragen.
In einer besonderen Ausführungsform der Priorisierung werden an die Gegenseite zu sendende sowie von dieser erhaltene Fragmente nieder-priorisierter Daten zwischengespeichert, so dass später eingegangene, aber höher-priorisierte Daten von der ersten Automatisierungs-Netzwerkkomponente sofort an die Gegenseite gesendet und von dieser auch verarbeitet werden können. Sind alle höher-priorisierten Daten übertragen, so kann mit den hinsichtlich der zwischengespeicherten Daten noch ausstehenden Fragmenten fortgefahren werden. So ist es beispielsweise denkbar, dass sowohl dem Sender als auch dem Empfänger jeweils entsprechende Prioritätskanäle zugeordnet werden, in denen dann die Fragmente entsprechend ihrer Priorität, die sie von der Priorität ihrer Daten erhalten haben, zugeordnet werden. Stellt der Sender nun fest, dass in einem Prioritätskanal neue höher priorisierte Daten vorhanden sind, so wird eine entsprechende kurze Nachricht an die Gegenseite gesendet, um den dortigen Empfangs-Prioritätskanal umzuschalten, so dass die nun gesendeten höher-priorisierten Daten auch in den entsprechend höher-priorisierten Empfangskanal eingeschrieben werden. Bereits gesendete Fragmente nieder-priorisierter Daten in den anderen Empfangs-Prioritätskanälen werden dabei so lange zwischengespeichert. Nach Übertragung aller höher-priorisierten Fragmente kann wieder auf den nächstniedrigeren Prioritätskanal umgeschaltet werden. Für die Datenübertragung niedrigerer Prioritäten stellt sich die Umschaltung und temporäre Übertragung in anderen Prioritätskanälen lediglich als Übertragungspause dar, nach Rückwechsel zur betreffenden Priorität müssen weder bereits erfolgreich übertragene Fragmente wiederholt werden, noch tritt ein Datenverlust ein.
In dieser obig beschriebenen ersten Ausführungsform ist es somit möglich, dass höher priorisierte Daten sofort an die Gegenseiten ausgesendet werden können, und zwar unabhängig von dem Übertragungsstatus der jeweils nieder priorisierten Daten beziehungsweise Fragmente. Auf der anderen Seite muss die Gegenseite in dieser Ausführungsform entsprechend eingerichtet sein, damit sie die bereits gesendeten Fragmente zwischenspeichern und die höher priorisierten Daten empfangen kann. Um unabhängig von dem technischen Ausrüstungszustand der Gegenseite eine Priorisierung durchführen zu können, ist es in einer zweiten Ausführungsform ganz besonders vorteilhaft, wenn Daten höherer Priorität innerhalb der Sendeliste weiter vorne eingefügt werden, so dass eine schnellere Bearbeitung sichergestellt werden kann. Wurden jedoch bereits Fragmente eines Datenelementes gesendet, so müssen zunächst alle Fragmente dieses Datenelementes übertragen werden, ehe die höher priorisierten Daten übertragen werden können. Der Vorteil hierbei ist jedoch, dass die Prioritäts-Intelligenz lediglich auf Seiten des Senders notwendig ist. Der Empfänger ist hierbei nicht betroffen.
Des Weiteren ist es auch ganz besonders vorteilhaft, wenn vor oder während der Datenübertragung die Empfängerfunktionalität, die dem Empfänger zugrunde gelegt ist, ermittelt und verifiziert wird. insbesondere wenn sich der technischen Ausrüstungszustand der kommunizierenden Netzwerkkomponenten voneinander unterscheidet, ermöglicht dies, einen dem technischen Ausrüstungsstand der schwächeren Komponente angepassten Übertragungskanal zu etablieren, der hinsichtlich der Übertragungsparameter wie beispielsweise der Fragmentgröße, Anzahl der Übertragungskanäle sowie Anzahl der Prioritäten dennoch eine möglichst effiziente Ausnutzung des zugrunde gelegten Kommunikationsprotokolls realisiert.
Im Übrigen ist es auch ganz besonders vorteilhaft, wenn die Fragmentierungssteuerung und/oder Defragmentierungssteuerung jeweils ein Bestandteil eines auf der jeweiligen Automatisierungs-Netzwerkkomponente ablaufenden Steuerprogramms zur Steuerung des Automatisierungsprozesses darstellt. Durch die Anordnung der Fragmentsteuerung in der Applikationsebene ist die Fragmentierungs- und/oder Defragmentierungssteuerung vollständig unabhängig von dazwischenliegenden Kommunikationsprotokollen wie beispielsweise dem internen Systembus des I/O-Systems oder dem Feldbus zwischen Feldbuskoppler und Feldbusmaster. Es können daher beliebige Datenmengen beziehungsweise Datengrößen über jedes beliebige Automatisierungsnetzwerk übertragen werden, da eine Änderung des Kommunikationsprotokolls hierfür nicht notwendig ist.
Im Übrigen wird die Aufgabe auch mit einem Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die insbesondere auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sind, eingerichtet zur Durchführung des vorstehenden Verfahrens, wenn das Computerprogramm auf einem Rechner ausgeführt wird, gelöst.
Darüber hinaus wird die Aufgabe auch mit einem Automatisierungssystem, eingerichtet zur Durchführung des vorstehenden Verfahrens, umfassend eine erste Automatisierungs-Netzwerkkomponente und wenigstens eine zweite Automatisierungs-Netzwerkkomponente, die über ein Automatisierungsnetzwerk zur zyklischen Datenübertragung unter Verwendung eines dem Automatisierungsnetzwerkes zwecks Datentransports zugrunde gelegten Kommunikationsprotokoll ausgebildet und miteinander verbunden sind, gelöst. Im Übrigen wird die Aufgabe auch mit einer Automatisierungs-Netzwerkkomponente mit einer Fragmentierungssteuerung und/oder Defragmentierungssteuerung gelöst.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 – schematische Darstellung eines Automatisierungssystems mit mehreren Ebenen;
2 – schematische Darstellung einer Fragmentierung eines Datenelementes;
3 – schematische Darstellung des Kanal-Multiplexing;
4a, 4b, 4c – Abbildung von Nachrichtenprioritäten.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Automatisierungssystems 1 mit mehreren Ebenen. Das Automatisierungssystem 1 umfasst dabei Feldgeräte 2, die beispielsweise Sensoren oder Aktoren sein können. Über ein Automatisierungsnetzwerk 3a sind die Feldgeräte 2 mit je einem I/O-Modul 4 verbunden. Das I/O-Modul 4 ist darüber hinaus über ein weiteres Automatisierungsnetzwerk 3b mit dem Feldbuskoppler 5 verbunden. Dieser ist Teilnehmer eines weiteren Automatisierungsnetzwerks 3c, in welchem als Feldbusmaster 7 eine Komponente einer übergeordneten Steuerung 6 aktiv ist, welche die Steuerung und Regelung des zu automatisierenden Prozesses im Rahmen eines zyklisch abgearbeiteten Programms 8 ausführt.
Das Automatisierungsnetzwerk 3b ist dabei zur zyklischen Datenübertragung vorgesehen, was auch für die Automatisierungsnetzwerke 3a und 3c gelten kann. Dies bedeutet, dass die I/O-Module 4 entsprechend der vom Feldbuskoppler 5 festgelegten zyklischen Verarbeitungszeit Nachrichten 9 und 10 mit diesem austauschen. Die Nachrichten können dabei sogenannte Prozessabbilder enthalten, die jeweils zu dem Sendezeitpunkt der Nachricht 9 den entsprechenden Status des jeweiligen Feldgerätes 2, wie beispielsweise Sensordaten oder Aktorstellungen, enthält. Dieses Prozessabbild, welches in der Nachricht 9 enthalten ist, wird in den Empfangspuffer der Gegenseite 5 geschrieben, während die Nachricht 10 anschließend über den Rückkanal wieder zurück an das I/O-Modul 4 gesendet wird. Die zurückgesendete Nachricht 10 kann beispielsweise Prozessausgangsbilder enthalten, welche dazu geeignet sind, die Feldgeräte entsprechend anzusteuern. Weisen Feldbuskoppler 5 sowie die Feldbusmaster 7 und Automatisierungsprogramm 8 die gleiche zyklische Verarbeitungszeit auf, so werden die Daten in derselben Abfolge in der sie in den Empfangspuffer von 5 eingeschrieben werden, auch von 7 und 8 entsprechend verarbeitet.
Unterscheiden sich jedoch die zyklischen Verarbeitungszeiten, beispielsweise derart, dass das I/O-System (bestehend aus 4, 5) intern alle 2 Millisekunden Nachrichten austauscht, während der vom Busmaster 7 vorgegebene Austauschzyklus in Automatisierungsnetz 3c beispielsweise 4 Millisekunden beträgt, so werden zwei Nachrichten im Empfangspuffer von 5 aufgenommen bevor eine Nachricht im Empfangspuffer von 7 aufgenommen wird. Umgekehrt gilt, dass jede von 8 über 7 an 5 geleitete Nachricht dort zweimal an 4 geschickt wird, bevor eine neue Nachricht vorliegen kann.
Würden nun nacheinander im I/O-Modul 4 fragmentierte Daten, so wie es beispielsweise in 2 dargestellt ist, mit der zyklischen Verarbeitungszeit des Feldbuskopplers 5 erzeugt, so würde jede zweite Nachricht, welche das zweite Fragment enthält, das mit der ersten Nachricht in den Empfangspuffer geschriebene erste Fragment überschreiben, ohne dass die Gegenseite 7 dieses mitbekommen würde, da die zyklische Verarbeitungszeit der Gegenseite 7 größer ist als die von 5. Ohne Verwendung einer Flusskontrolle würden in diesem Falle schlichtweg Fragmente fehlen.
2 zeigt ein Datenelement 11, das mittels einer aus der 1 bekannten Nachricht 9 von I/O-Modul 4 mittels mehrerer Automatisierungsnetzwerke an das Steuerungsprogramm 8 übertragen werden soll. Allerdings ist das Datenelement 11 derart groß, dass es in einem oder mehreren der Automatisierungsnetzwerkke 3b, 3c nicht mit Hilfe einer normalen Datennachricht des Kommunikationsprotokolls übertragen werden kann. Daher wird das Datenelement 11 in eine Vielzahl von Fragmente F₁ bis F_n zergliedert. Jedes dieser einzelnen Datenfragmente F₁ bis F_n weist dabei eine derartige Größe auf, dass sie mit Hilfe einer Datennachricht 9, 10 des Kommunikationsprotokolls des Automatisierungsnetzwerkes 3 übertragbar sind.
Daher werden die einzelnen Datenfragmente F₁ bis F_n nacheinander gesendet, wobei jedem Datenfragment F₁ bis F_n eine Fragmentinformation FI vorangestellt wird, die bereits entsprechende Informationen zum Zweck einer bestätigten und somit verlustfreien Fragmentübertragung enthalten, einschließlich eines Quittierungsbereiches, mit dem die Gegenseite den Empfang des Fragmentes und die Weiterverarbeitung entsprechend quittieren kann.
Das Fragment F₁ mit dem vorangestellten Header FI wird nun der Netzwerkschicht des Kommunikationsprotokolls übergeben, so dass das Fragment F₁ zusammen mit der Fragmentinformation FI als Nutzdaten in die Netzwerk-Nachricht 9 integriert wird. Je nach Kommunikationsprotokoll weist die Nachricht beziehungsweise das Übertragungsfenster 9 entsprechende Kontrollnachrichten auf, so wie sie üblicherweise bei Kommunikationsprotokollen verwendet werden.
Aufgrund der Integration von Status- und Kontrollnachrichten in dem Datenbereich einer Nachricht mit Hilfe der Fragmentinformation FI (Header) wird somit anstelle einer Empfangsquittierung der Nachricht selber, die normalerweise auf der Protokollebene erfolgt, die Quittierung des Fragmentes in der Nachricht durch die Gegenseite 8 erreicht, so dass auch bei zyklischer Datenübertragung bzw. Datenverarbeitung große Datenelemente mittels einzelner Fragmente sicher übertragen werden können.
3 zeigt schematisch ein Kanalmultiplexing mit vier Kanälen. Dazu weist der Sendepuffer 21 der ersten Komponente 2 vier logische Kanäle auf, in denen zu sendende Fragmente einsortiert werden können. Die Gegenseite 4 weist darüber einen Empfangspuffer 22 auf, der ebenfalls korrespondierende logische Empfangskanäle hat. Im Beispiel der 3 werden die Fragmente F₁ bis F_n auf die einzelnen Kanäle K1 bis K4 aufgeteilt, so dass sich im Kanal K1 die Fragmente F₁, F₅, F₉, etc. befinden, im Kanal K2 die Fragmente F₂, F₆, F₁₀, etc. im Kanal K3 die Fragmente F₃, F₇, F₁₁, etc. und in Kanal K4 die Fragmente F₄, F₈, F₁₂, etc.
Jeder Übertragungskanal für sich verwendet die Quittierungsfunktionalität der sequenziellen Betriebsart, das heißt, dass erst dann ein weiteres Fragment des jeweiligen Kanals gesendet wird, wenn das zuvor gesendete Fragment von der Gegenseite quittiert wurde. Im Ausführungsbeispiel bedeutet dies, das Fragment F₅ des Kanals K1 erst dann gesendet wird, wenn das Fragment F₁ von der Gegenseite quittiert wurde. In der Zwischenzeit können selbstverständlich die anderen Fragmente der anderen Kanäle ausgesendet werden.
Dies soll anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels kurz erläutert werden. Zu Beginn wird das Fragment F₁ des Kanals K1 ausgesendet. Unabhängig davon, ob bei der nächsten zyklischen Verarbeitung dieses Fragment quittiert wurde oder nicht, wird das Fragment F₂ des Kanals K2 ausgesendet. Danach folgt Fragment F₃ des Kanals K3 und das Fragment F₄ des Kanals K4. Danach wird die Sequenz bei Kanal 1 neu gestartet, das heißt, Fragment F₁ wird erneut gesendet, wenn hierüber noch keine Quittierung vorliegt. Sollte zwischenzeitlich eine entsprechende Quittierung jedoch bei der Sendeeinheit eintreffen, so wird das entsprechend nächste Fragment des Kanals, zu dem das quittierte Fragment gehört, ausgesendet. Auf der gegenüberliegenden Seite werden die einzelnen Fragmente in den entsprechenden Übertragungskanal des Empfangspuffers 22 einsortiert. Dabei ist es denkbar, dass die Übertragungskanalnummer in der Headerinformation der Fragmentinformation FI steht. Denkbar ist auch, dass Sender und Empfänger zuvor aushandeln, wieviele Multiplex-Kanäle beziehungsweise Übertragungskanäle K₁ bis K_n sie verwenden möchten, um die Übertragung den Eigenschaften des aus der Verkettung mehrerer Automatisierungsnetzwerke gebildeten Übertragungsweges anzupassen.
Mit Hilfe der Übertragungskanäle kann damit erreicht werden, dass nicht für jedes Fragment die Quittierung abgewartet werden muss, sondern dass innerhalb der zyklischen Verarbeitungszeit der Gegenseite bereits weitere Fragmente gesendet werden können, ohne dass die vorher gesendeten Fragmente quittiert werden müssen. Somit kann auch bei schmaler Bandbreite und hoher Diskrepanz der zyklischen Verarbeitungszeiten ein hoher Datendurchsatz erreicht werden.
4a, 4b und 4c zeigen jeweils unterschiedliche Modelle der Kombination der beiden Priorisierungsverfahren, nämlich einmal des Zwischenspeicherns von bereits gesendeten Fragmenten und einmal das senderseitige Neusortieren der Sendeliste.
4a zeigt das erste Modell, bei dem zunächst versucht wird, die Priorisierung mittels Zwischenspeicherung auf der Gegenseite zu nutzen, da diese die stärkste Abgrenzung bildet. Erst wenn diese Methode ausgeschöpft ist, wird für Nachrichten der höchsten Priorität das Verfahren der Neusortierung der Sendelisten angewendet, bis auch diese Methode ausgeschöpft ist. Nachrichten noch höherer Priorität werden über die maximale Priorität innerhalb des Senders abgewickelt.
Die maximale Priorität ergibt sich dabei aus: maximale Prio = min (Anzahl Fragmentierer; Anzahl Defragmentierer) + Anzahl lokaler Subprioritäten.
Die Subprioritäten spiegeln dabei diejenigen Prioritäten wieder, mit denen die Sendeliste neu sortiert werden kann. Die Anzahl der Fragmentierer ist dabei die Anzahl derjenigen Prioritäten, mit denen eine Zwischenspeicherung durchgeführt werden kann.
4a zeigt dabei ein Beispiel für einen Sender mit zwei Fragmentierern und fünf Subprioritäten und einen Empfänger mit drei Fragmentierern. In diesem Beispiel liegt auf der Empfängerseite ein Defragmentierer brach, da der Sender weniger Fragmentierer als der Empfänger Defragmentierer zur Verfügung hat.
Bei der Priorisierung werden dabei je nach Priorität die Fragmente in den Fragmentierer eingeordnet, der mit der entsprechenden Priorität assoziiert ist. Erst wenn die Priorität die Anzahl der möglichen Fragmentierer überschreitet, werden die Daten in den Fragmentierer der höchst möglichen Priorität einsortiert und dort wird dann die Sendeliste entsprechend umsortiert.
Auf der Gegenseite befindet sich dazu ein entsprechendes Empfängerpendant, das heißt auch dort werden entsprechende Defragmentierer mit unterschiedlichen Prioritäten assoziiert. Welche Priorität gerade verwendet wird, wird zuvor zwischen Sender und Empfänger mittels einer Nachricht festgelegt. Ist der Sendepuffer eines Fragmentierers mit hoher Priorität leer gelaufen, so wird der Sendepuffer der nächst höheren Priorität zur weiteren Verarbeitung herangezogen, wobei zuvor die Priorität auch auf der Empfängerseite umgeschaltet werden muss.
4b zeigt eine Tabelle, bei der zunächst die Subpriorisierung voll ausgeschöpft werden soll, bis eine neue Priorisierung mit Zwischenspeicherung genutzt wird. Dies erlaubt deutlich feinere Abbildungen der Aufrufpriorität, wobei die Abstufungen jedoch nicht gleichmäßig sind, da der Wechsel auf die nächste Priorität stärkere Auswirkungen hat als diejenige auf die nächste Subpriorität.
4b zeigt dabei ein Beispiel für einen Sender mit vier Fragmentierern und zwei Subprioritäten und einen Empfänger mit drei Fragmentierern.
Die höchste, vom Kanal unterstützte Priorität entspricht in diesem Modell maximale Prio = min (min(Anzahl Fragmentierer; Anzahl Defragmentierer)·Anzahl lokaler Subprioritäten); 255)
In diesem Beispiel liegt auf der Senderseite ein Fragmentierer brach, da der Empfänger weniger Defragmentierer als der Sender Fragmentierer zur Verfügung hat.
4c zeigt eine Tabelle, bei der Subpriorisierung ausschließlich für die niedrigste von Sender und Empfänger gemeinsam unterstützte Priorität verwendet wird. Dies hat den Vorteil, dass speziell für die höheren Prioritäten mit wichtigeren Daten besonders klar voneinander abgegrenzt sind, während dennoch durch Subpriorisierung für niederpriore Daten eine Möglichkeit zur feineren Differenzierung bleibt.
Die höchste, vom Kanal unterstützte Priorität entspricht in diesem Modell derer von Modell 4a.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 69825882 T2 [0010]
US 2010/0166015 A1 [0011]
EP 2039075 B1 [0011]
DE 102009013229 A1 [0012]
DE 102008025234 A1 [0013]
DE 102006055513 A1 [0013]

Claims

Verfahren zum Übertragen von Daten in einem Automatisierungssystem (1) umfassend eine erste (4) und wenigstens eine zweite (5, 7, 8) Automatisierungs-Netzwerkkomponente, die über zumindest ein Automatisierungsnetzwerk (3b, 3c, 3d) zur zyklischen Datenübertragung unter Verwendung eines dem jeweiligen Automatisierungsnetzwerkes (3b, 3c, 3d) zwecks Datentransports zugrunde gelegten Kommunikationsprotokolls ausgebildet und miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass – zu übertragene Daten mittels einer Fragmentierungssteuerung in eine Mehrzahl von Fragmenten (F₁–F_n) unterteilt und die Fragmente (F₁–F_n) zusammen mit einer Fragmentinformation (FI) mittels jeweils einer Fragment-Nachricht (9, 10) unter Verwendung des jeweiligen Kommunikationsprotokolls von der ersten (2) an die zweite (5, 7, 8) Automatisierungs-Netzwerkkomponente gesendet werden, und – der Empfang eines in der jeweiligen Fragment-Nachricht (9, 10) enthaltenen Fragmentes (F₁–F_n) in der Fragmentinformation (FI) der Fragment-Nachricht (9, 10) durch die zweite (5, 7, 8) Automatisierungs-Netzwerkkomponente quittiert wird, wobei ein Fragment (F₁–F_n) mittels einer Fragment-Nachricht (9, 10) solange von der ersten (2) Automatisierungs-Netzwerkkomponente zyklisch ausgesendet wird, bis eine Fragment-Nachricht (9, 10) mit einer in der Fragmentinformation (FI) enthaltenen Empfangsquittierung von der ersten (2) Automatisierungs-Netzwerkkomponente empfangen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Empfang aller Fragmente eines Datenelementes durch die zweite Automatisierungs-Netzwerkkomponente die zu übertragenen Daten mittels einer Defragmentierungssteuerung wieder zusammengesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfang eines Fragmentes durch die zweite Automatisierungs-Netzwerkkomponente durch Invertieren eines in der Fragmentinformation enthaltenen Quittungs-Bits quittiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach jedem quittierten Empfang eines Fragmentes vor dem Sende des darauffolgenden Fragmentes ein Fragmenterkennungs-Bit invertiert und in der Fragmentinformation an die zweite Automatisierungs-Netzwerkkomponente gesendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fragmentinformation einer Nachricht Informationen bezüglich des in der Nachricht enthaltenen Fragmentes und Informationen bezüglich eines vom Sender zuvor empfangenen Fragmentes enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fragmentierungssteuerung und/oder Defragmentierungssteuerung jeweils ein Bestandteil eines auf der jeweiligen Automatisierungs-Netzwerkkomponente ablaufenden Steuerprogramms zur Steuerung des Automatisierungsprozesses sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Fragment eine Übertragungskanalnummer zugeordnet wird und die Fragmente dann in Abhängigkeit von der jeweiligen Übertragungskanalnummer von der ersten an die zweite Automatisierungs-Netzwerkkomponente gesendet werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fragmente in Abhängigkeit ihrer jeweiligen Übertragungskanalnummer derart gesendet werden, dass Fragmente mit gleicher Übertragungskanalnummer sequentiell erst dann von der ersten Automatisierungs-Netzwerkkomponente gesendet werden, wenn die Empfangsquittung der Fragment-Nachricht des vorherigen Fragmentes mit dieser Übertragungskanalnummer empfangen wurde.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den zu übertragenen Daten eine Priorität zugeordnet wird, wobei die Reihenfolge der Übertragung der Daten in Abhängigkeit der den Daten zugeordneten Prioritäten erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Senden höher-priorisierter Daten noch zu sendende Fragmente nieder-priorisierter Daten von der ersten Automatisierungs-Netzwerkkomponente und bereits empfangene Fragmente nieder-priorisierter Daten von der zweiten Automatisierungs-Netzwerkkomponente zwischengespeichert werden, bis alle Fragmente der höher-priorisierten Daten von der zweiten Automatisierungs-Netzwerkkomponente empfangen wurden.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass Fragmente von zu sendenden Daten in einer Fragment-Sendeleiste der ersten Automatisierungs-Netzwerkkomponente in Abhängigkeit von der Priorität der zu sendenden Daten eingefügt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Empfängerfunktionalität der zweiten Automatisierungs-Netzwerkkomponente durch die erste Automatisierungs-Netzwerkkomponente ermittelt wird und die Übertragungsparameter in Abhängigkeit von der Empfängerfunktionalität angepasst werden.
Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die insbesondere auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sind, eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wenn das Computerprogramm auf einem Rechner ausgeführt wird.
Automatisierungssystem, eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine erste Automatisierungs-Netzwerkkomponente und wenigstens eine zweite Automatisierungs-Netzwerkkomponente, die über ein Automatisierungsnetzwerk zur zyklischen Datenübertragung unter Verwendung eines dem Automatisierungsnetzwerkes zwecks Datentransports zugrunde gelegten Kommunikationsprotokolls ausgebildet und miteinander verbunden sind.
Automatisierungs-Netzwerkkomponente, eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Fragmentierungssteuerung, die zum Unterteilen von zu übertragenden Daten in eine Mehrzahl von Fragmenten eingerichtet ist, wobei die Automatisierungs-Netzwerkkomponente zum Senden der Fragmente zusammen mit einer Fragmentinformation mittels jeweils einer Fragment-Nachricht unter Verwendung eines Kommunikationsprotokolls eines mit der Automatisierungs-Netzwerkkomponente verbindbaren Automatisierungsnetzwerkes derart ausgebildet ist, dass eine Fragment-Nachricht solange von Automatisierungs-Netzwerkkomponente zyklisch ausgesendet wird, bis eine Fragment-Nachricht mit einer in der Fragmentinformation enthaltenen Empfangsquittierung empfangen wird.
Automatisierungs-Netzwerkkomponente nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Automatisierungs-Netzwerkkomponente eine Defragmentierungssteuerung hat, die nach Empfang aller Fragmente zum Zusammenstellen der zu übertragenden Daten eingerichtet ist.