Datenübertragung zwischen einer Steuereinheit und einem Feld gerät

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Netzwerkkompo nente zur Datenübertragung zwischen einer Steuereinheit und einem Feldgerät.

In der Automatisierungstechnik werden Feldgeräte, das heißt Sensoren und/oder Aktoren, häufig von Steuereinheiten kon trolliert. Dabei müssen ein Feldgerät und eine das Feldgerät kontrollierende Steuereinheit miteinander kommunizieren, wozu Daten zwischen dem Feldgerät und der Steuereinheit übertragen werden müssen. Die Daten werden in Automatisierungsnetzwerken häufig über Netzwerkkomponenten wie Switches geleitet, die Netzwerksegmente miteinander verbinden. Insbesondere bei ei ner zyklischen Datenübertragung zwischen einer Steuereinheit und einem Feldgerät ist es dabei wichtig, dass die Netzwerk komponente die Daten möglichst verlust- und verzögerungsfrei überträgt .

Ein in der Automatisierungstechnik gebräuchlicher Standard zum Datenaustausch zwischen einer Steuereinheit und einem Feldgerät ist Profinet IO (Process Field Network Input-Out- put) . Für die zyklische Datenübertragung definiert Profinet IO das RT-Protokoll (Real-Time Protokoll) und das IRT-Proto- koll (Isochronous Real-Time Protokoll). Profinet RT erlaubt Zykluszeiten im einstelligen Millisekundenbereich und unter stützt Standard-Ethernet-Hardware . Profinet IRT ermöglicht Zykluszeiten unter einer Millisekunde mit einem Jitter, der kleiner oder gleich einer Mikrosekunde ist, und eignet sich daher vor allem für taktsynchrone Anwendungen wie beispiels weise Achsensteuerungen.

Profinet IRT erfordert hierfür eine zeitliche Synchronisie rung aller IRT-Teilnehmer sowie die Verwendung spezieller an wendungsspezifischer integrierter Schaltungen, die einen off- line berechneten Zeitplan für eine konfliktfreie Weiterlei tung von Profinet IRT-Datenframes mit dem so genannnten Cut- Through-Verfahren überwachen und umsetzen. Dadurch wird er reicht, dass Profinet IRT-Datenframes mit minimaler Latenz weitergeleitet werden.

Die Weiterleitung von Profinet RT-Datenframes zwischen einer Steuereinheit und einem Feldgerät hingegen erfolgt priori tätsbasiert nach dem Standard IEEE 802. IQ ohne eine Reservie rung von Speicherkapazität zum Zwischenspeichern der zu über tragenden Daten. Die Übertragung zusätzlicher Daten, bei spielsweise zur Diagnose, sowie ein hohes Datenaufkommen, insbesondere wenn mehrere Profinet IO-Systeme eine gemeinsame Netwerkinfrastruktur verwenden, können somit je nach Imple mentierung der verwendeten Netzwerkkomponenten zum Verlust von zyklischen Profinet RT-Datenframes durch eine unzurei chende Speicherkapazität einer Netzwerkkomponente führen. Die Erfindung zielt daher insbesondere auf die zyklische Daten übertragung zwischen einer Steuereinheit und einem Feldgerät über eine Netzwerkkomponente gemäß dem Profinet RT-Protokoll .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Netzwerkkomponente zur Datenübertragung zwischen einer Steuereinheit und einem Feldgerät über die Netzwerkkomponente anzugeben, die insbesondere hinsichtlich der Vermeidung von Datenverlusten bei einer zyklischen Datenübertragung verbes sert sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Netzwerkkomponente mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Datenübertragung zwi schen einer Steuereinheit und einem Feldgerät über eine Netz werkkomponente werden von der Steuereinheit und dem Feldgerät durch über die Netzwerkkomponente zwischen der Steuereinheit und dem Feldgerät ausgetauschte Initialisierungsnachrichten Kommunikationsparameter für eine zyklische Datenübertragung zwischen der Steuereinheit und dem Feldgerät festgelegt. Die Netzwerkkomponente liest die Kommunikationsparameter, be stimmt aus den Kommunikationsparametern eine für die zykli sche Datenübertragung benötigte Speicherkapazität zum Zwi schenspeichern der zu übertragenden Daten und prüft, ob sie über die benötigte Speicherkapazität verfügt. Wenn die Netz werkkomponente über die benötigte Speicherkapazität verfügt, reserviert die Netzwerkkomponente die benötigte Speicherkapa zität für die zyklische Datenübertragung und überträgt die Daten der zyklischen Datenübertragung zwischen der Steuerein heit und dem Feldgerät. Die Netzwerkkomponente ist beispiels weise ein Switch oder weist einen integrierten Switch, bei spielsweise einen 2-Port-Switch, auf.

Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft also eine zyklische Datenübertragung zwischen einer Steuereinheit und einem Feld gerät über eine Netzwerkkomponente, wobei Kommunikationspara meter für die zyklische Datenübertragung durch zwischen der Steuereinheit und dem Feldgerät ausgetauschte Initialisie rungsnachrichten festgelegt werden. Die Erfindung ermöglicht die Reservierung einer für die zyklische Datenübertragung be nötigten Speicherkapazität zum Zwischenspeichern der zu über tragenden Daten durch die Netzwerkkomponente. Dazu sieht die Erfindung vor, dass die zwischen der Steuereinheit und dem Feldgerät ausgetauschten Kommunikationsparameter von der Netzwerkkomponente ausgewertet werden, um die benötigte Spei cherkapazität zu bestimmen und zu reservieren. Durch die Re servierung der benötigten Speicherkapazität wird die Wahr scheinlichkeit eines Datenverlustes bei der zyklischen Daten übertragung infolge einer unzureichenden Speicherkapazität reduziert .

Die Erfindung ermöglicht somit eine Erhöhung der Zuverlässig keit der zyklischen Datenübertragung in Fällen, in denen ein für die zyklische Datenübertragung verwendetes Übertragungs- Protokoll keine Speicherplatzreservierung zum Zwischenspei chern der zu übertragenden Daten vorsieht, sofern das Über tragungsprotokoll, wie beispielsweise das Profinet RT-Proto- koll, die Festlegung von Kommunikationsparametern für die zyklische Datenübertragung durch den Austausch von durch die Netzwerkkomponente auswertbaren Initialisierungsnachrichten zwischen der Steuereinheit und dem Feldgerät vorsieht.

Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass, wenn die Netz werkkomponente nicht über die benötigte Speicherkapazität verfügt, dies von der Netzwerkkomponente der Steuereinheit und/oder, beispielsweise mit einer SNMP-Trap-Nachricht (SNMP = Simple Network Management Protocol) , einem Netzwerkmanage mentsystem mitgeteilt wird und/oder von der Netzwerkkompo nente die Datenübertragung zwischen der Steuereinheit und dem Feldgerät verweigert wird. Diese Ausgestaltungen der Erfin dungen ermöglichen, auf eine unzureichende Speicherkapazität der Netzwerkkomponente rechtzeitig hinzuweisen und zu reagie ren, bevor dadurch verursachte Datenverluste auftreten.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kommunizieren die Steuereinheit als ein Profinet IO-Controller und das Feldgerät als ein Profinet IO-Device gemäß Profinet IO mitei nander und zyklische Daten werden zwischen der Steuereinheit und dem Feldgerät gemäß dem Profinet RT-Protokoll übertragen.

Diese auf Profinet IO gerichtete Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht, Datenverluste bei einer zyklischen Datenübertra gung gemäß dem Profinet RT-Protokoll zu reduzieren. Wie oben bereits ausgeführt wurde, sieht Profinet IO eine prioritäts basierte Weiterleitung von Profinet RT-Datenframes zwischen einer Steuereinheit und einem Feldgerät ohne eine Speicher platzreservierung zum Zwischenspeichern der zu übertragenden Daten vor. Eine hohe Datenmenge über die Netzwerkkomponente zu übertragender Daten, beispielsweise wenn mehrere Profinet IO-Systeme Daten über die Netzwerkkomponente übertragen, und/oder die Übertragung zusätzlicher Daten mit einer höheren Priorität über die Netzwerkkomponente können daher zu Verlus- ten von Profinet RT-Datenframes bei der Weiterleitung über die Netzwerkkomponente führen. Die Erfindung verhindert der artige Datenverluste oder reduziert wenigstens deren Wahr scheinlichkeit durch die Bestimmung und Reservierung der für die zyklische Datenübertragung der Profinet RT-Datenframes benötigten Speicherkapazität durch die Netzwerkkomponente.

Insbesondere sind bei der auf Profinet IO gerichteten Ausge staltung der Erfindung die Initialisierungsnachrichten eine von der Steuereinheit gemäß einem Profinet CM-Protokoll

(Context Manager-Protokoll) gesendete Verbindungsanfrage (Connect Request) und eine von dem Feldgerät gemäß dem

Profinet CM-Protokoll gesendete Verbindungsantwort (Connect Response) , mit denen eine Profinet IO-Applikationsbeziehung (Application Relation) zwischen der Steuereinheit und dem Feldgerät aufgebaut wird.

Dabei wird ausgenutzt, dass jeder Datenaustausch zwischen ei nem Profinet IO-Controller und einem Profinet IO-Device den Aufbau einer Profinet IO-Applikationsbeziehung erfordert. Zum Aufbau einer Profinet IO-Applikationsbeziehung sendet der Profinet IO-Controller eine Verbindungsanfrage an das Profi net IO-Device und das Profinet IO-Device beantwortet die Ver bindungsanfrage mit einer Verbindungsantwort. Die Verbin dungsanfrage und die Verbindungsantwort enthalten Kommunika tionsparameter mit detaillierten Informationen über die zyk lische Datenübertragung, unter anderem die Identifikation des für die Datenübertragung vorgesehenen Profinet IO-Frametyps (Frame ID) , die Länge der zyklisch zu übertragenden Daten (Data Length) , die Länge einer Phase innerhalb eines Sende zyklus (Send Clock Factor) und die Aktualisierungsrate der Daten (Reduction Ratio) . Ferner werden diese Informationen in Klartext übertragen. Dies ermöglicht es der Netzwerkkomponen te, die in der Verbindungsanfrage und der Verbindungsantwort enthaltenen Kommunikationsparametern zu lesen und daraus die für die zyklische Datenübertragung benötigte Speicherkapazi tät zu bestimmen. Ferner ist jede Profinet IO-Applikationsbe- ziehung durch einen ARUUID (Application Relation Universal Unique Identifier) eindeutig bestimmt. Dies ermöglicht der Netzwerkkomponente, für die Profinet RT-Datenframes einer 10- Applikationsbeziehung anhand deren ARUUID eine Speicherkapa zität zu reservieren und Profinet RT-Datenframes einer Reser vierung anhand des ARUUID, der MAC-Adressen der Steuereinheit und des Feldgeräts und der in den Profinet RT-Datenframes verwendeten Frame ID eindeutig zuzuordnen.

Wenn die Netzwerkkomponente nicht über die benötigte Spei cherkapazität verfügt, wird dies der Steuereinheit von der Netzwerkkomponente bei der auf Profinet 10 gerichteten Ausge staltung der Erfindung beispielsweise mit einem Profinet- Alarm mitgeteilt. Dazu wird in Profinet 10 ein Alarmtyp zum Hinweis auf eine unzureichende Speicherkapazität einer Netz werkkomponente definiert.

Dabei wird ausgenutzt, dass Profinet 10 die Möglichkeit des Versendens von Profinet-Alarmen verschiedener Alarmtypen in einer Profinet IO-Applikationsbeziehung ermöglicht. Um einer Steuereinheit eine unzureichende Speicherkapazität einer Netzwerkkomponente für die zyklische Datenübertragung von Profinet RT-Datenframes einer Profinet IO-Applikationsbezie- hung mitzuteilen, wird von der Netzwerkkomponente gemäß der vorgenannten Ausgestaltung der Erfindung beispielsweise ein Profinet-Alarm des entsprechend definierten Alarmtyps zusam men mit dem ARUUID der Profinet IO-Applikationsbeziehung an die Steuereinheit gesendet.

Eine erfindungsgemäße Netzwerkkomponente, beispielsweise ein Switch oder ein Netzwerkgerät mit integriertem Switch, dient zur Datenübertragung zwischen einer Steuereinheit und einem Feldgerät, die dazu ausgebildet sind, durch zwischen ihnen ausgetauschte Initialisierungsnachrichten Kommunikationspara meter für einen zyklischen Datentransfer zwischen der Steuer einheit und dem Feldgerät festzulegen. Die Netzwerkkomponente ist dazu ausgebildet, die Kommunikationsparameter zu lesen, aus den Kommunikationsparametern eine für die zyklische Da tenübertragung benötigte Speicherkapazität zum Zwischenspei- ehern der zu übertragenden Daten zu bestimmen, zu prüfen, ob sie über die benötigte Speicherkapazität verfügt, und wenn sie über die benötigte Speicherkapazität verfügt, die benö tigte Speicherkapazität für die zyklische Datenübertragung zu reservieren und die Daten der zyklischen Datenübertragung zwischen der Steuereinheit und dem Feldgerät zu übertragen.

Eine Ausgestaltung der Netzwerkkomponente sieht vor, dass die Netzwerkkomponente dazu ausgebildet ist, im Falle, dass sie nicht über die benötigte Speicherkapazität verfügt, dies der Steuereinheit und/oder einem Netzwerkmanagementsystem mitzu teilen .

Eine weitere Ausgestaltung der Netzwerkkomponente sieht vor, dass die Netzwerkkomponente dazu ausgebildet ist, im Falle, dass sie nicht über die benötigte Speicherkapazität verfügt, die Datenübertragung zwischen der Steuereinheit und dem Feld gerät zu verweigern.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Netzwerkkomponente sind die Initialisierungsnachrichten eine von der Steuereinheit gemäß einem Profinet CM-Protokoll gesendete Verbindungsan frage und eine von dem Feldgerät gemäß dem Profinet CM-Proto koll gesendete Verbindungsantwort, mit denen eine Profinet IO-Applikationsbeziehung zwischen der Steuereinheit und dem Feldgerät aufgebaut wird. Dabei ist die Netzwerkkomponente beispielsweise dazu ausgebildet, im Falle, dass sie nicht über die benötigte Speicherkapazität verfügt, dies der Steu ereinheit mit einem Profinet-Alarm eines entsprechend defi nierten Alarmtyps mitzuteilen.

Eine erfindungsgemäße Netzwerkkomponente ermöglicht die

Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorteile einer erfindungsgemäßen Netzwerkkomponente entsprechen daher den oben genannten Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfah- rens Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam menhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbei spielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläu tert werden. Dabei zeigen:

FIG 1 schematisch eine Steuereinheit, ein Feldgerät und eine Netzwerkkomponente,

FIG 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Datenüber tragung zwischen der Steuereinheit und dem Feldgerät über die Netzwerkkomponente .

Figur 1 zeigt schematisch eine Steuereinheit 1, ein Feldge rät 3 und eine Netzwerkkomponente 5. Die Netzwerkkomponente 5 ist jeweils über ein Verbindungskabel 7 mit der Steuerein heit 1 und dem Feldgerät 3 verbunden. Die Steuereinheit 1, das Feldgerät 3 und die Netzwerkkomponente 5 können Komponen ten eines größeren (hier nicht näher dargestellten) Rechner netzes sein.

Die Steuereinheit 1 und das Feldgerät 3 sind dazu ausgebil det, miteinander gemäß dem Profinet IO-Standard zu kommuni zieren, wobei die Steuereinheit 1 als ein Profinet IO-Con- troller betrieben wird und das Feldgerät 3 als ein Profinet IO-Device betrieben wird. Zwischen der Steuereinheit 1 und dem Feldgerät 3 werden Daten über die Netzwerkkomponente 5 gemäß dem anhand von Figur 2 beschriebenen Verfahren übertra gen. Die Netzwerkkomponente 5 ist beispielsweise ein Switch und dazu ausgebildet, die Verfahrensschritte S2 bis S4 des Verfahrens auszuführen.

Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Verfahrensschritten S1 bis S4 zur Datenübertragung zwischen der Steuereinheit 1 und dem Feldgerät 3 über die Netzwerkkomponente 5. In einem ersten Verfahrensschritt S1 sendet die Steuerein heit 1 dem Feldgerät 3 über die Netzwerkkomponente 5 eine Verbindungsanfrage (Connect Request) gemäß dem Profinet CM- Protokoll (Profinet Context Manager-Protokoll) , um mit dem Feldgerät 3 eine Profinet IO-Applikationsbeziehung (Profinet IO Application Relation) aufzubauen und in der IO-Applikati- onsbeziehung Daten zyklisch gemäß dem Profinet RT-Protokoll zu übertragen. Die Verbindungsanfrage enthält unter anderem detaillierte Informationen über die zyklische Datenübertra gung in Form von Kommunikationsparametern, beispielsweise die Identifikation des für die Datenübertragung vorgesehenen Profinet IO-Frametyps (Frame ID) , die Länge der zyklisch zu übertragenden Daten (Data Length) , die Länge einer Phase in nerhalb eines Sendezyklus (Send Clock Factor) und die Aktua lisierungsrate der Daten (Reduction Ratio) .

Das Feldgerät 3 beantwortet die Verbindungsanfrage der Steu ereinheit 1 mit einer Verbindungsantwort (Connect Response) gemäß dem Profinet CM-Protokoll , die von dem Feldgerät 3 über die Netzwerkkomponente 5 an die Steuereinheit 1 gesendet wird. In der Verbindungsantwort bestätigt das Feldgerät 3 entweder die Kommunikationsparameter der Verbindungsanfrage oder beantwortet die Verbindungsanfrage mit einer Fehlermel dung .

In einem zweiten Verfahrensschritt S2 liest die Netzwerkkom ponente 5 die in der Verbindungsanfrage und der Verbindungs antwort enthaltenen Kommunikationsparameter. Aus den Kommuni kationsparametern ermittelt die Netzwerkkomponente 5 eine für die zyklische Datenübertragung benötigte Speicherkapazität zum Zwischenspeichern der zu übertragenden Daten und prüft, ob sie über die benötigte Speicherkapazität verfügt. Wenn die Netzwerkkomponente 5 über die benötigte Speicherkapazität verfügt, wird das Verfahren mit einem dritten Verfahrens schritt S3 fortgesetzt. Andernfalls wird das Verfahren mit einem vierten Verfahrensschritt S4 fortgesetzt. In dem dritten Verfahrensschritt S3 reserviert die Netzwerk komponente 5 die benötigte Speicherkapazität für die zykli sche Datenübertragung und überträgt die Daten der zyklischen Datenübertragung zwischen der Steuereinheit 1 und dem Feldge rät 3.

In dem vierten Verfahrensschritt S4 teilt die Netzwerkkompo nente 5 der Steuereinheit 1 mit, dass sie nicht über die be nötigte Speicherkapazität verfügt. Diese Mitteilung kann bei spielsweise als ein Profinet-Alarm eines entsprechend defi nierten Alarmtyps, der Profinet IO hinzugefügt wird, erfol gen. Alternativ oder zusätzlich teilt die Netzwerkkompo nente 5 in dem vierten Verfahrensschritt S4 einem Netzwerkma nagementsystem, beispielsweise mit einer SNMP-Trap-Nachricht, mit, dass sie nicht über die benötigte Speicherkapazität ver fügt, und/oder verweigert die Datenübertragung zwischen der Steuereinheit 1 und dem Feldgerät 3.

Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungs beispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

1 Steuereinheit

3 Feldgerät

5 Netzwerkkomponente

S1 bis S4 Verfahrensschritt