Verfahren zur Konfiguration eines modularen Steuerungsgeräts eines industriellen Automatisierungssystems und modulares Steuerungsgerät

Industrielle Automatisierungssysteme dienen zur Überwachung, Steuerung und Regelung von technischen Prozessen, insbesondere im Bereich Fertigungs-, Prozess- und Gebäudeautomatisie- rung, und ermöglichen einen Betrieb von Steuerungseinrichtungen, Sensoren, Maschinen und industriellen Anlagen, der möglichst selbständig und unabhängig von menschlichen Eingriffen erfolgen soll. Aufgrund einer ständig steigenden Bedeutung von Informationstechnik für Automatisierungssysteme, die zahlreiche vernetzte Steuerungs- bzw. Rechnereinheiten umfas ^¬ sen, gewinnen Verfahren zur zuverlässigen Bereitstellung von über ein Automatisierungssystem verteilten Funktionen für eine Bereitstellung von Überwachungs- , Steuerungs- und Rege ^¬ lungsfunktionen verstärkt an Bedeutung.

Unterbrechungen von Kommunikationsverbindungen zwischen Rechnereinheiten eines industriellen Automatisierungssystems oder Automatisierungsgeräten können zu einer unerwünschten oder unnötigen Wiederholung einer Übermittlung einer Dienstanfor- derung führen. Dies verursacht eine zusätzliche Auslastung von Kommunikationsverbindungen des industriellen Automatisierungssystems, was zu weiteren Systemstörungen oder -fehlem führen kann. Außerdem können nicht oder nicht vollständig übermittelte Nachrichten beispielsweise einen Übergang oder Verbleib eines industriellen Automatisierungssystems in einen sicheren Betriebszustand verhindern. Dies kann schließlich zu einem Ausfall einer kompletten Produktionsanlage und einem kostspieligen Produktionsstillstand führen. Eine besondere Problematik resultiert in industriellen Automatisierungssys- temen regelmäßig aus einem Meldungsverkehr mit verhältnismä ^¬ ßig vielen, aber relativ kurzen Nachrichten, wodurch obige Probleme verstärkt werden. Aus EP 1 188 293 Bl ist ein Schnittstellenmodul für eine speicherprogrammierbare Steuerung bekannt, das eine Übermitt ^¬ lung von Datenanforderungen durch ein Kommunikationsgerät oder eine Rechnereinheit außerhalb eines industriellen Auto ^¬ matisierungssystems an die speicherprogrammierbare Steuerung ermöglicht, beispielsweise per Internet. Das Schnittstellen ^¬ modul umfasst einen Prozessor mit einem Echtzeitbetriebssys- tem, eine Kommunikationsnetzschnittstelle und einen Rückwand ^¬ bus-Treiber für ein Rückwandbus-System der speicherprogrammierbaren Steuerung. Darüber hinaus sind im Schnittstellenmo- dul ein doppelter Protokollstapel, der einen ersten und einen zweiten Protokollstapel umfasst, sowie ein Client-Steuerungs- prozess implementiert. Der Client-Steuerungsprozess dient da ^¬ zu, um mit dem doppelten Protokollstapel sowie dem Rückwand ^¬ bus-Treiber zu kommunizieren und Datenanforderungen zu initi- ieren. Zusätzlich ist ein Server-Steuerungsprozess vorgese ^¬ hen, um mit dem doppelten Protokollstapel sowie dem Rückwand ^¬ bus-Treiber zu kommunizieren und auf Datenanforderungen zu antworten. Darüber hinaus dient ein Protokoll-Steuerungs- prozess dazu, um mit dem doppelten Protokollstapel sowie dem Rückwandbus-Treiber zu kommunizieren und an den Protokollstapel gerichtete Anforderungen abzurufen sowie zu beantworten. Während der erste Protokollstapel für zeitunkritische Nach ^¬ richten vorgesehen ist, werden zeitkritische Nachrichten durch den zweiten Protokollstapel behandelt.

In US 2004/0114591 AI ist eine speicherprogrammierbare Steue ^¬ rung beschrieben, die ein Rückwandbus-System sowie mit dem Rückwandbus-System verbundene Modul umfasst, die mittels In ^¬ ternet-Kommunikationsprotokoll (IP) über das Rückwandbus- System kommunizieren. Dabei weist jedes Modul eine eigene IP Adresse auf.

EP2913727A1 betrifft ein modulares industrielles Automatisie rungsgerät mit einem Rückwandbus-System, mehreren an das Rückwandbus-System angeschlossenen Funktionsmodulen, die jeweils einen Kommunikationsnetzadapter, eine Funktionseinheit zur Implementierung eines Kommunikationsprotokollstapels und ein mit dem Kommunikationsnetzadapter verknüpftes Brückenele ment umfassen. Außerdem ist ein an das Rückwandbus-System an geschlossenes Router-Modul vorgesehen, das einen Kommunikati onsnetzadapter, eine mit dem Kommunikationsnetzadapter verknüpfte Funktionseinheit zur Implementierung eines Router- Kommunikationsprotokollstapels und für jedes Funktionsmodul jeweils ein Verknüpfungselement umfasst. Ein solches Verknüp fungselement verknüpft das die Funktionseinheit zur Implemen tierung des Router-Kommunikationsprotokollstapels über das Rückwandbus-System mit dem Brückenelement des jeweiligen Funktionsmoduls. Nur der Kommunikationsprotokollstapel des Router-Moduls umfasst Routing-Funktionen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das eine aufwandsarme Konfiguration eines mit mehreren unterschiedlichen Teilnetzen verbindbaren modularen Steuerungsgeräts ermöglicht, sowie ein geeignetes Steuerungsgeräts anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und durch ein modula res Steuerungsgerät mit den in Anspruch 13 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Konfiguration eines modularen Steuerungsgeräts vorgesehen, das eine Zentraleinheit zur Verarbeitung von Steuerungsprogrammen und zumindest ein Kommunikationsmodul umfasst, die jeweils einen integrier- ten Router umfassen und über ein Rückwandbus-System miteinander verbunden sind. Dabei weisen erste Router eine erweiterte Router-Funktion für eine Verbindung mit einem übergeordneten Kommunikationsnetz auf, während zweite Router eine einge ^¬ schränkte Router-Funktion für eine Verbindung mit einem un- tergeordneten Feldebenen-Teilnetz aufweisen. Eine Datenübermittlung über das Rückwandbus-System erfolgt vorzugsweise entsprechend Internet Protocol.

Erfindungsgemäß erfassen Router-Konfigurationseinheiten der ersten Router jeweils über Router-Konfigurationseinheiten anderer Router verfügbare Router-Funktionen und zugeordnete Prioritätswerte der jeweiligen Router. Außerdem überprüfen die Router-Konfigurationseinheiten der ersten Router jeweils anhand der erfassten Router-Funktionen anderer Router, ob weitere erste Router vorhanden sind. Darüber hinaus überprü ^¬ fen die Router-Konfigurationseinheiten der ersten Router bei vorhandenen weiteren ersten Routern jeweils anhand der Prioritätswerte, welchem ersten Router der höchste Prioritätswert zugeordnet ist. Der erste Router mit dem höchsten Prioritäts- wert wird als übergeordneter Router für eine Verbindung mit einem übergeordneten Kommunikationsnetz konfiguriert. Alle übrigen Router werden jeweils als untergeordnete Router für eine Verbindung mit einem untergeordneten Feldebenen-Teilnetz konfiguriert und übernehmen eine durch den übergeordneten Router vorgegebene Namensdienst- und Teilnetz-Adresskonfigu ^¬ ration. Auf diese Weise kann auch ohne vorherige Projektie ^¬ rung eine automatische Verbindung eines modularen Steuerungs ^¬ geräts mit einer Vielzahl untergeordneter Feldebenen-Teilnet- ze sowie mit einem übergeordneten Kommunikationsnetz sichergestellt werden.

Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung des erfin- dungsgemäßen Verfahrens wird der Router der Zentraleinheit als übergeordneter Router konfiguriert wird, falls keine ers ^¬ ten Router vorhanden sind. In diesem Fall kann der Router der Zentraleinheit beispielsweise eine mittels eines Projektie ^¬ rungssystems vorgegebene Namensdienst- und Teilnetz-Adress- konfiguration übernehmen, so dass stets eine definierte Konfiguration sichergestellt ist.

Darüber hinaus kann der übergeordnete Router entsprechend ei ^¬ ner anderen vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Er- findung mittels seiner Router-Konfigurationseinheit eine Na ^¬ mensdienst- und Teilnetz-Adresskonfiguration aus dem übergeordneten Kommunikationsnetz übernehmt. Vorzugsweise übernehmen die untergeordneten Router mittels ihrer jeweiligen Router-Konfigurationseinheit die Namensdienst- und Teilnetz- Adresskonfiguration des übergeordneten Routers. Somit ist eine zueinander konsistente Konfiguration sämtlicher integrierter Router des modularen Steuerungsgeräts gewährleistet.

Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungs- gemäßen Verfahrens werden Konfigurationen verbleibender Router bei ersatzlosem Entfernen eines Kommunikationsmoduls wäh ^¬ rend laufenden Betriebs unverändert beibehalten. Vorteilhaft ^¬ erweise überprüft die der Zentraleinheit zugeordnete Router- Konfigurationseinheit während laufenden Betriebs nur bzw. erst bei Hinzufügen eines Kommunikationsmoduls, welcher Rou ^¬ ter als übergeordneter Router zu konfigurieren ist. Dementsprechend veranlasst die der Zentraleinheit zugeordnete Rou ^¬ ter-Konfigurationseinheit nur bei einer Änderung des überge ^¬ ordneten Routers eine Umkonfiguration von Routern, deren Kon- figuration jeweils von der Änderung des übergeordneten Routers abhängig ist. Auf diese Weise kann die Konfiguration des modularen Steuerungsgeräts bei laufendem Betrieb so stabil wie möglich gehalten werden. Insbesondere führt ein noch nicht vollständig abgeschlossener Austausch von Kommunikati ^¬ onsmodulen auf diese Weise nicht zu einer inkonsistenten oder instabilen Systemkonfiguration. In diesem Sinn kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass die der Zentraleinheit zugeord ^¬ nete Router-Konfigurationseinheit während eines Steuerungs- programmablaufs gegen Konfigurationsänderungen gesperrt wird. In diesem Fall ist die der Zentraleinheit zugeordnete Router- Konfigurationseinheit während eines Steuerungsprogrammablaufs vorzugsweise auch bei Hinzufügen eines Kommunikationsmoduls gegen Konfigurationsänderungen gesperrt.

Die Router-Konfigurationseinheiten der ersten Router überprüfen entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung bei vorhandenen weiteren ersten Routern, ob in der Zentraleinheit eine Projektierung eines übergeordneten Router gespeichert ist, die gegenüber den Prioritätswerten der jeweiligen ersten Router vorrangig ist. Vorteilhafterweise wird der erste Router entsprechend der in der Zentraleinheit gespeicherten Projektierung bei einem positiven Überprüfungsergebnis als übergeordneter Router konfiguriert. Somit kann eine gewünschte Router-Topologie auch durch eine projek ^¬ tierte Konfiguration vorgegeben werden.

Das erfindungsgemäße modulare Steuerungsgerät ist zur Durch ^¬ führung eines Verfahrens entsprechend vorangehenden Ausfüh- rungen vorgesehen und umfasst eine Zentraleinheit zur Verar ^¬ beitung von Steuerungsprogrammen und zumindest ein Kommunikationsmodul, die jeweils einen integrierten Router umfassen und über ein Rückwandbus-System miteinander verbunden sind. Dabei weisen erste Router eine erweiterte Router-Funktion für eine Verbindung mit einem übergeordneten Kommunikationsnetz auf, während zweite Router eine eingeschränkte Router- Funktion für eine Verbindung mit einem untergeordneten Feldebenen-Teilnetz aufweisen. Router-Konfigurationseinheiten der ersten Router sind dazu ausgestaltet und eingerichtet, je ^¬ weils über Router-Konfigurationseinheiten anderer Router verfügbare Router-Funktionen und zugeordnete Prioritätswerte der jeweiligen Router zu erfassen. Außerdem sind die Router- Konfigurationseinheiten der ersten Router dazu ausgestaltet und eingerichtet, jeweils anhand der erfassten Router- Funktionen anderer Router zu überprüfen, ob weitere erste Router vorhanden sind.

Erfindungsgemäß sind die Router-Konfigurationseinheiten der ersten Router dazu ausgestaltet und eingerichtet, bei vorhan ^¬ denen weiteren ersten Routern jeweils anhand der Prioritätswerte zu überprüfen, welchem ersten Router der höchste Prioritätswert zugeordnet ist. Darüber hinaus sind die Router da ^¬ zu ausgestaltet und eingerichtet, dass der erste Router mit dem höchsten Prioritätswert als übergeordneter Router für eine Verbindung mit einem übergeordneten Kommunikationsnetz konfiguriert wird. Zusätzlich sind die Router dazu ausgestal ^¬ tet und eingerichtet, dass alle übrigen Router jeweils als untergeordnete Router für eine Verbindung mit einem unterge- ordneten Feldebenen-Teilnetz konfiguriert werden und eine durch den übergeordneten Router vorgegebene Namensdienst- und Teilnetz-Adresskonfiguration übernehmen .

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend an einem Ausfüh- rungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die

Figur 1 eine schematische Darstellung eine modularen Steue ^¬ rungsgeräts eines industriellen Automatisierungs- Systems mit mehreren an ein Rückwandbus-System angeschlossenen Kommunikationsmodulen und integrierten Routern, Figur 2 das modulare Steuerungsgerät gemäß Figur 1, dessen integrierten Routern jeweils eine Router-Manager bzw. Router-Topologie-Manager-Komponente zugeordnet ist . Das in Figur 1 dargestellte modulare Steuerungsgerät weist eine Steuerungszentraleinheit 101 und mehrere Kommunikations ^¬ prozessoren 102 auf, die über einen IPv6-basierten Rückwandbus 103 miteinander verbunden sind. Das modulare Steuerungs ^¬ gerät ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine speicher- programmierbare Steuerung.

Sowohl die Steuerungszentraleinheit 101 als die Kommunikati ^¬ onsprozessoren 102 umfassen jeweils zumindest eine Ethernet- 105 bzw. Feldbus-Schnittstelle 106 zur Uplink-Anbindung des modularen Steuerungsgeräts an ein Anlagennetz 111 bzw. zur Downlink-Anbindung an Feldbus-Subnetze 112. Die Ethernet- Schnittstellen 105 können außer zur Uplink-Anbindung auch zur Downlink-Anbindung an PROFINET-basierte Feldbus-Subnetze ver ^¬ wendet werden. Darüber hinaus umfassen die Steuerungszentral- einheit 101 und die Kommunikationsprozessoren 102 jeweils ei ^¬ nen integrierten Router 104, der insbesondere einen IP-Kommu- nikationsprotokollstapel implementiert und über Schnittstel ^¬ len-Treiber als Hardwareabstraktionselementen auf Ethernet- 105 bzw. Feldbus-Schnittstellen 106 zugreift.

Bei bisherigen modularen Steuerungsgeräten muss vor Inbetriebnahme projektiert werden, welche Schnittstelle zur Up ^¬ link-Anbindung vorgesehen ist und welche Schnittstellen zur Downlink-Anbindung verwendet werden. Da der Rückwandbus 103 des modularen Steuerungsgeräts einen Aufbau eines eigenstän ^¬ diger IPv6-Links mit Multicast-Eigenschaften ermöglicht und durch IPv6-Stacks als Ethernet-Link behandelt werden kann, können verfügbare Funktionen auch am Rückwandbus 103 verwen- det werden. Hierzu zählt insbesondere ein selbständiges de ^¬ zentrales Erzeugen von IPv6-Adressen .

Um die in die Steuerungszentraleinheit 101 und in die Kommu ^¬ nikationsprozessoren 102 integrierten Router 104 innerhalb einer Hierarchie zu organisieren, wird jedem Router 104 entweder eine Rolle als Uplink-Router oder eine Rolle als Down- link-Router zugewiesen. Üblicherweise ist pro modularem

Steuerungsgerät nur ein Router als Uplink-Router vorgesehen. In Sonderfällen können mehrere Router gleichzeitig die Rolle als Uplink-Router übernehmen. Dabei gelten einschlägige Regeln für Multi-Homed-Netze mit automatischer Anbindung.

Der Uplink-Router stellt für den Rückwandbus 103 einen Default Router für die Downlink-Router dar. Dabei wird eine Schnittstelle des Uplink-Routers als Uplink-Schnittstelle festgelegt. Alle übrigen Schnittstellen des Uplink-Routers werden als Downlink-Schnittstellen behandelt. Die Downlink- Router benutzen den Uplink-Router als ihren Default Router. Mit Ausnahme interner Schnittstellen der Downlink-Router zum Rückwandbus 103 werden sämtliche Schnittstellen der Downlink- Router als Downlink-Schnittstellen behandelt. Ein IPv6-Router übernimmt über die Uplink-Schnittstelle Subnetz-Präfixe sowie seine DNS-Konfiguration, also DNS-Server-Adressen und DNS- Suchliste. Die Subnetz-Präfixe können beispielsweise im Rah- men einer hierarchischen oder einer zentralisierten Präfix- Delegation übernommen werden. Die DNS-Konfiguration der Router wird über die jeweiligen Downlink-Schnittstellen unterlagerte Subnetze, insbesondere PROFINET-basierte Feldbus- Subnetze, weitergegeben. Um eine topologische Verknüpfung der integrierten Router 104 innerhalb des modularen Steuerungsgeräts festzulegen, umfasst die Steuerungszentraleinheit 101 entsprechend Figur 2 eine Router-Topologie-Manager-Komponente 201. Analog dazu weisen die Kommunikationsprozessoren 103 jeweils eine korrespondie ^¬ rende Router-Manager-Komponente 202 auf. Die Router- Topologie-Manager-Komponente 201 ist für eine Koordination der topologischen Verknüpfung der integrierten Router 104 in- nerhalb des modularen Steuerungsgeräts vorgesehen. Über den

Rückwandbus 103 fragt die Router-Topologie-Manager-Komponente 201 mittels der jeweiligen Router-Manager-Komponente 202 pro Kommunikationsprozessor 102 für die Koordination relevante Informationen ab, insbesondere grundsätzlich mögliche Router- Rollen. Die Informationen über mögliche Router-Rollen werden zusammen mit einem dem jeweiligen Router 104 zugeordneten Prioritätswert jeweils in einer Datenbank 203 gespeichert, die der Router-Topologie-Manager-Komponente 201 bzw. der je ^¬ weiligen Router-Manager-Komponente 202 zugeordnet ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gelten für in der jeweiligen Datenbank 203 gespeicherte Informationen nachstehende allge ^¬ meine Festlegungen.

1. Für eine Steuerungszentraleinheit mit Uplink-Fähigkeit werden in der jeweiligen Datenbank 203 „Uplink möglich" als Rollen-Attribut und der Prioritätswert 0 gespei ^¬ chert .

2. Für einen PROFINET-Kommunikationsprozessor zur Anbindung von Feldbus-Subnetzen werden in der jeweiligen Datenbank 203 „nur Downlink" als Rollen- Attribut und der Prioritätswert 0 gespeichert.

3. Für einen Ethernet-Kommunikationsprozessor zur Anbindung an ein Anlagennetz werden in der jeweiligen Datenbank 203 „Uplink möglich" als Rollen- Attribut und der Prioritätswert 10 zugeordnet.

Die Router-Topologie-Manager-Komponente 201 führt auf Grund- läge der abgefragten Informationen eine Bewertung durch, um für die Router 104 der Steuerungszentraleinheit 101 und der Kommunikationsprozessoren 102 konkrete Router-Rollen festzulegen. Diese festgelegten Router-Rollen werden dann zur Konfiguration der integrierten Router 104 verwendet, insbesonde- re hinsichtlich Router-Funktionskomponenten wie RA-Relay 204 (Router Advertisement ) und DHCPv6-Relay 205 (Dynamic Host Configuration Protocol) . Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gelten bei der Bewertung der abgefragten Informationen durch die Router-Topologie-Manager-Komponente 201 nachstehende all- gemeine Grundsätze.

1. Für einen Router mit Rollen-Attribut „nur Downlink" wird immer eine Rolle als Downlink-Router konfiguriert. Die Bewertung ist damit abgeschlossen.

2. Bei mehreren Routern mit Rollen-Attribut „Uplink mög ^¬ lich" wird der Router mit dem höchsten Prioritätswert als Uplink-Router konfiguriert;

3. alle übrigen Router mit Rollen-Attribut „Uplink möglich" werden als Downlink-Router konfiguriert.

Nach Abschluss der Bewertung übermittelt die Router-Topolo- gie-Manager-Komponente 201 der Steuerungszentraleinheit 101 über den Rückwandbus 103 Informationen an die Router-Manager- Komponenten 202 der Kommunikationsprozessoren 102, welche Router-Rolle jeweils zu konfigurieren ist. Die Router- Manager-Komponenten 202 konfigurieren ihre zugeordneten Router 104 dann dementsprechend. In analoger Weise gilt dies auch für die durch die Router-Topologie-Manager-Komponente 201 konfigurierte Router-Rolle des in die Steuerungszentral ^¬ einheit 101 integrierten Routers 104.

Werden Kommunikationsprozessoren während laufenden Betriebs ausgetauscht (hot plugging) , ist sicherzustellen, dass sich konfigurierte Router-Rollen nicht selbständig bzw. unkoordi- niert ändern. Stattdessen sind topologische Verknüpfungen der integrierten Router 104 innerhalb des modularen Steuerungsgeräts bis auf weiteres beizubehalten. Daher wird an die Rou- ter-Topologie-Manager-Komponente 201 der Steuerungszentral ^¬ einheit 101 bei einem Hinzufügen eines Kommunikationsprozes ^¬ sors lediglich eine entsprechende Ereignismeldung übermit ^¬ telt. Erst auf diese Ereignismeldung führt die Router-Topolo- gie-Manager-Komponente 201 führt eine Neubewertung festzule- gender Router-Rollen durch. Nur falls sich aufgrund dieser

Neubewertung eine Router-Rolle ändert, veranlasst die Router- Topologie-Manager-Komponente 201 eine Rekonfiguration des je ^¬ weiligen Routers 104. Insbesondere werden Konfigurationsinformationen bei einem Entfernen von Kommunikationsprozessoren 102 aus dem modularen Steuerungsgerät nicht unmittelbar verworfen, sondern zunächst beibehalten. Auf diese Weise wird verhindert, dass bei überlappenden Entfernen-Hinzufügen- Vorgängen noch nicht ersetzte Kommunikationsprozessoren aus obiger Bewertung fallen.

Darüber hinaus kann die Router-Topologie-Manager-Komponente 201 der Steuerungszentraleinheit 101 verriegelt werden, so ^¬ bald ein Steuerungsprogramm im modularen Steuerungsgerät abläuft, um einen Programmablauf auf Grundlage stabiler topolo- gischer Verknüpfungen der integrierten Router 104 innerhalb des modularen Steuerungsgeräts sicherzustellen. In diesem Sinn unterbleibt auch bei Hinzufügen-Ereignissen eine Neubewertung festzulegender Router-Rollen. Grundsätzlich kann eine gewünschte Router-Topologie durch ei ^¬ ne mittels eines Proj ektierungs- bzw. Engineeringsystems er ^¬ stellte Gesamtkonfiguration vorgegeben werden. Dabei werden Router-Rollen mittels eines Engineeringsystems während einer Planungsphase projektiert und in der Datenbank 203 der Steue ^¬ rungszentraleinheit 101 als Gesamtkonfiguration gespeichert. Die projektierten Router-Rollen werden dann durch die Router- Topologie-Manager-Komponente 201 der Steuerungszentraleinheit 101 über den Rückwandbus 103 an die Router-Manager-Komponen- ten 203 der Kommunikationsprozessoren 102 zur weiteren Verarbeitung übermittelt.