DE102018212399A1

DE102018212399A1 - Verfahren zur Übermittlung zeitkritischer Daten innerhalb eines Kommunikationssystems für ein industrielles Automatisierungssystem und Kommunikationssystem

Info

Publication number: DE102018212399A1
Application number: DE102018212399.3A
Authority: DE
Inventors: Feng Chen; Franz-Josef Götz; Marcel Kiessling; An Ninh Nguyen; Jürgen Schmitt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2018-07-25
Filing date: 2018-07-25
Publication date: 2020-01-30
Also published as: WO2020020579A1

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

Ergänzend zum Standard IEEE 802.1 für Ethernet-Kommunikationssysteme sind durch die TSN Working Group (Time-senstive Networks) Mechanismen definiert, um für bestimmte periodische Netzwerkdaten (Streams) eine garantierte Übertragung, insbesondere mit keinen Verluste durch Überlast, innerhalb einer definierten Zeit zu gewährleisten.
In der älteren internationalen Patentanmeldung PCT/ EP2017/ 066989 , 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 eingerichteten 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 gewährleistet 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 Zusammenfassung von Sensordaten und Aktorwerten unterschiedlicher, an einen gemeinsamen Strang angeschlossener Feldgeräte in einem Summenframe. Entsprechend dem Summenframe-Konzept sendet eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) einen Frame (Datenrahmen), der als Summenframe entlang des gemeinsamen Strangs in einer logischen Linientopologie durch die angeschlossene Feldgeräte läuft und während der Übertragung manipuliert wird. Aktoren lesen für sie bestimmte Steuerungsinformationen aus den Summenframes, während Sensoren zur Übertragung 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 gemeinsamen Strangs und kehrt zum Anfang des Strangs zurück. Entsprechend dem Summenframe-Konzept kommt es so zu einer automatischen Antwort nach einer durch eine Konfiguration des gemeinsamen Strangs bestimmten Zeit.
Bei einer direkten Übertragung entsprechend dem Summenframe-Konzept ist ein Netzwerk zwischen SPS und Feldbusgeräten begrenzt, 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 kombinierten MSRP-TAS-Konzepts entsprechend PCT/ EP2017/066989 auf das Summenframe-Konzept ein größeres Zeitfenster benötigt werden. Dies ist jedoch aufgrund von Randbedingung eines Sendens von allen Feld- bzw. Endgeräten an einem Phasenanfang zu einer anderen Ressourcenverwaltung führen würde. Ein vereinfachtes 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.
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 Latenz als geschützter Stream möglich. Allerdings ergeben sich durch ein Zwischenspeichern bis zum nächsten Zyklus erhebliche Geschwindigkeitsnachteile ergeben.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einerseits Summenframes in einem Kommunikationssystem unter Berücksichtigung spezieller Anforderungen in Bezug auf zeitkritischen Datenverkehr zu übermitteln, das Kommunikationssystem andererseits erweiterbar für eine Aufnahme zusätzlicher Kommunikationsteilnehmer zu gestalten
Diese Ausgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und durch ein Kommunikationssystem mit den in Anspruch 7 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß werden Datenrahmen zur Übermittlung zeitkritischer Daten innerhalb eines Kommunikationssystems für ein industrielles Automatisierungssystem entlang eines gemeinsamen Strangs, an den ein Steuerungsgerät und mehrere Feldgeräte angeschlossen sind, als Summen-Datenrahmen übermittelt. Das Steuerungsgerät speist zu übermittelnde Summen-Datenrahmen an einem Anfang des Strangs ein. Die durch das Steuerungsgerät eingespeisten Summen-Datenrahmen werden einer ersten Datenrahmen-Klasse zugeordnet, 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 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 geschütztes zweites Zeitfenster benutzt werden. Eine Konfiguration des zweiten Zeitfensters mit einer Pause zwischen dem ersten und Zeitfenster ermöglicht eine effiziente Bandbreiten-Nutzung.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die

1 ein Kommunikationssystem zur Übermittlung zeitkritischer Daten innerhalb industriellen Automatisierungssystems, das ein Steuerungsgerät und mehrere an einen gemeinsamen Strang angeschlossene Feldgeräte umfasst.

Das in der Figur dargestellte Kommunikationssystem umfasst ein Steuerungsgerät 100, beispielsweise eine speicherprogrammierbare Steuerung, und mehrere an einen gemeinsamen Strang 300 angeschlossene Feldgeräte 101-105, beispielsweise Sensoren 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 gemeinsamen Strangs 300 als Summen-Datenrahmen übermittelt. Das Steuerungsgerät 100 speist zu übermittelnde Summen-Datenrahmen an einem Anfang des Strangs 300 bzw. am Koppler 201 in den Strang 300 ein. Dabei werden die durch das Steuerungsgerät 100 eingespeisten Summen-Datenrahmen einer ersten Datenrahmen-Klasse zugeordnet, für deren Übermittlung erste System-Ressourcen innerhalb des Kommunikationssystems reserviert werden. System-Ressourcen umfassen insbesondere nutzbare Übertragungszeitfenster, Bandbreite, Queue-Speicher in Switches 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 Steuerungsinformationen. Dagegen fügen Feldgeräte mit Sensor-Funktion jeweils erfasste Messwerte in die in den Strang 300 eingespeisten Summen-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 Steuerungsgerät 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 Zeitfenster 110 übermittelt, während Datenrahmen der zweiten Datenrahmen-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 Network 200 vorgesehen. Zur Übermittlung von Datenrahmen der ersten Datenrahmen-Klasse und Datenrahmen der zweiten Datenrahmen-Klasse werden sowohl innerhalb des Time-sensitive Network 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 beispielsweise zur Übermittlung von Best-Effort-Datenverkehr oder 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 umfassen kann, eine Optimierung möglich, da sämtliche Steuerungsinformationen von einer Stelle im Kommunikationssystem ausgesendet werden und somit serialisiert sind. In diesem Fall kann ein kleines erstes Zeitfenster 211 für das Time-sensitive Network 200 dimensioniert werden. Insbesondere ist ein direktes Forwarding im Time-sensitive Network 200 möglich, da während des ersten Zeitfensters keine weiteren Daten zu übermitteln sind. Ankommenden Daten können nach Auswertung von Weiterleite-Informationen (Ethernet-Header) direkt über freie Links zu einem jeweils nächsten Netzwerkknoten gesendet werden.
Ein Zeitabstand zwischen ersten und zweiten Zeitfenstern ergibt sich bei mehreren zu berücksichtigenden Strängen beispielsweise aus einer Verarbeitungszeit eines längsten Strangs. Durch eine schnelle Verarbeitung entsprechend vorliegendem Summenframe-Konzept ergibt sich eine deutlich kleiner Lücke als ein Abstand zu einem nächsten Zyklus. Bei Anbindung eines einzigen Strangs ergibt sich dementsprechend eine weitere Optimierungsmöglichkeit. Durch Einführung eines Zeitfensters für die Antwort-Summen-Datenrahmen und eine Abbildung auf 2 TSN-Streams ergibt sich eine schnellere Verarbeitungszeit für ein Summenframe-System, da die Antwort wird schneller zum Steuerungsgerät 100 gesendet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2017/066989 [0002, 0004]

Claims

Verfahren zur Übermittlung zeitkritischer Daten innerhalb eines Kommunikationssystems für ein industrielles Automatisierungssystem, 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, - das Steuerungsgerät (100) zu übermittelnde Summen-Datenrahmen an einem Anfang des Strangs (300) einspeist, wobei die durch das Steuerungsgerät eingespeisten Summen-Datenrahmen einer ersten Datenrahmen-Klasse zugeordnet werden, für deren Übermittlung erste System-Ressourcen innerhalb des Kommunikationssystems reserviert werden, - Feldgeräte mit Aktor-Funktion aus den durch das Steuerungsgerät in den Strang eingespeisten Summen-Datenrahmen jeweils an sie adressierte Steuerungsinformationen entnehmen, - Feldgeräte mit Sensor-Funktion jeweils erfasste Messwerte 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-Datenrahmen eingefügten Messwerte umfassen, - die Antwort-Summen-Datenrahmen einer zweiten Datenrahmen-Klasse zugeordnet werden, für deren Übermittlung zweite System-Ressourcen innerhalb des Kommunikationssystems reserviert werden.
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 zweiter periodischer Zeitintervalle übermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem zwischen den ersten Zeitintervallen und den zweiten Zeitintervallen jeweils ein Pausen-Zeitfenster vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die System-Ressourcen nutzbare Übertragungszeitfenster, Bandbreite, Queue-Speicher in Switches oder Bridges und/oder zugesicherte maximale Latenz umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei das Steuerungsgerät (100) über ein Time-sensitive Network (200), insbesondere entsprechend IEEE 802.1 Q und IEEE 802.1 Qbv, und über einen an den Strang (300) angeschlossenen Koppler (201) für Time-sensitive Networks mit den Feldgeräten (101-105) verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem für die erste Datenrahmen-Klasse und für die zweiten Datenrahmen-Klasse jeweils Time-aware Shaper gemäß IEEE 802.1 Qbv verwendet werden.
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, - das Steuerungsgerät (100) zu übermittelnde Summen-Datenrahmen an einem Anfang des Strangs (300) einspeist, wobei die durch das Steuerungsgerät eingespeisten Summen-Datenrahmen einer ersten Datenrahmen-Klasse zugeordnet werden, für deren Übermittlung erste System-Ressourcen innerhalb des Kommunikationssystems reserviert werden, - Feldgeräte mit Aktor-Funktion aus den durch das Steuerungsgerät in den Strang eingespeisten Summen-Datenrahmen jeweils an sie adressierte Steuerungsinformationen entnehmen, - Feldgeräte mit Sensor-Funktion jeweils erfasste Messwerte 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-Datenrahmen eingefügten Messwerte umfassen, - die Antwort-Summen-Datenrahmen einer zweiten Datenrahmen-Klasse zugeordnet werden, für deren Übermittlung zweite System-Ressourcen innerhalb des Kommunikationssystems reserviert werden.