Verfahren und System zur Planung eines Kommunikationsnetzes eines industriellen Automatisierungssystems

Üblicherweise umfaßt ein industrielles Automatisierungssystem eine Vielzahl von industriellen Automatisierungsgeräten, die über ein industrielles Kommunikationsnetz miteinander vernetzt sind und im Rahmen einer Fertigungs- oder Prozeßautoma- tisierung zur Steuerung oder Regelung von Anlagen, Maschinen bzw. Geräten dienen. Aufgrund zeitkritischer Rahmenbedingungen in technischen Systemen, die mittels industrieller Automatisierungsgeräte automatisiert sind, werden in industriellen Kommunikationsnetzen zur Kommunikation zwischen Automati- sierungsgeräten überwiegend Echzeit-Kommunikationsprotokolle, wie Profinet, Profibus oder Real -Time-Ethernet , verwendet.

Äußerst problematisch sind Unterbrechungen von Kommunikationsverbindungen zwischen Rechnereinheiten eines industriellen Automatisierungssystems oder industriellen Automatisierungsgeräten, da dies neben einem Informationsverlust beispielsweise zu einer unerwünschten oder unnötigen Wiederholung einer Übermittlung einer Dienstanforderung führen kann. Hierdurch wird eine zusätzliche Auslastung von Kommunikationsver- bindungen des industriellen Automatisierungssystems verursacht, was zu weiteren Systemstörungen oder -fehlem führen kann. Darüber hinaus können nicht oder nicht vollständig übermittelte Nachrichten beispielsweise einen Übergang oder Verbleib eines industriellen Automatisierungssystems in einen sicheren Betriebszustand verhindern. Im ungünstigsten Fall kann es zu einem Ausfall einer kompletten Produktionsanlage und zu einem kostspieligen Produktionsstillstand kommen. Eine besondere Problematik resultiert in industriellen Automatisierungssystemen regelmäßig aus einem Meldungsverkehr mit verhältnismäßig vielen, aber relativ kurzen Nachrichten, wodurch obige Probleme verstärkt werden.

Aus EP 0 460 843 A2 ist eine rechnergestützte Netzplanungs- einrichtung bekannt, das eine zur Darstellung eines Kommunikationsnetzes mit einer Vielzahl von Knoten vorgesehene Anzeigeeinrichtung aufweist. Jedem der Knoten ist eine Vielzahl von untergeordneten Knoten zugeordnet, wobei die untergeordneten Knoten eine vorbestimmte Verkehrsbeziehung zu dem zu- geordneten Knoten und zu zumindest einem weiteren Knoten aufweisen. Auf eine Benutzereingabe werden einem ausgewählten Knoten zugeordnete untergeordnete Knoten ermittelt. Außerdem wird ermittelt, welche der untergeordneten Knoten eine intensivere Verkehrsbeziehung zu dem zumindest einen weiteren Kno- ten als zu dem ausgewählten Knoten aufweisen, um gegebenenfalls eine Zuordnungsänderung vorzunehmen.

EP 1 098 474 AI betrifft ein Kommunikationsnetz -Modellierungssystem, das ein Netzinformationsmodell umfaßt und eine Funktionen- sowie eine Geräte-Datenbasis sowohl erzeugt als auch verwaltet. Die Funktionen- und die Geräte-Datenbasis sind miteinander verknüpft und dienen zur Erzeugung eines Wege und Verbindungen umfassenden Netzmodells. Eine Steuerungseinrichtung steht in Wechselwirkung mit einem oder mehreren Systemmodulen, die das Netzinformationsmodell für spezielle Funktionen nutzen, beispielsweise Netzplanung.

In EP 1398905 AI ist ein Kommunikationsnetzplanungssystem beschrieben, bei dem an einer graphischen Benutzerschnittstelle eine Übersicht über Teilnetze innerhalb eines Kommunikations- netzes bereitgestellt wird. Außerdem wird ein Selektor zur Auswahl einer graphischen Darstellung eines Teilnetzes bereitgestellt, die eine hierarchisch gegliederte Wiedergabe von im jeweiligen Teilnetz vorhandenen Knotenarten und eine Wiedergabe von zwischen diesen Knotenarten bestehenden Verknüpfungen umfaßt. Des weiteren wird ein Selektor zur Auswahl einer kombinierten graphischen Darstellung jeweils eines Ausschnittes von miteinander verbundenen Teilnetzen im Bereich eines Teilnetzübergangs bereitgestellt, die eine hierarchisch gegliederte Wiedergabe von im jeweiligen Teilnetzübergangsbe- reich vorhandenen Knotenarten und eine Wiedergabe von zwischen diesen Knotenarten bestehenden Verbindungen umfaßt. Eine Steuerungseinheit ist zur Ansteuerung der graphischen Be- nutzerschnittstelle entsprechend von einer Eingabeeinheit empfangenen Selektionseingaben vorgesehen.

Aus EP 1 624 614 AI ist ein Verfahren zur automatischen Planung von Netzkonfigurationen bekannt, bei dem mindestens ein beschriebenes Netz -Planungsproblem mittels Partitions- Verfahren in Teilprobleme zerlegt wird. Dabei wird das Netz- Planungsproblem durch ein Modell bestehend aus Knoten und Kommunikationsbeziehungen beschrieben. Durch die Zerlegung werden Knoten zu autonomen Gruppen zusammengefaßt, die jeweils ein Teilproblem darstellen. Außerdem wird jeweils mindestens eine Lösung für die Teilprobleme auf Basis vorgebbarer, auf Attribute der Knoten anwendbarer Regeln mittels einer heuristischen Suche generiert. Dabei sind die Attribute grafenbezogenen Problembeschreibungen von Bereichen des Automatisierungssystems. Mittels eines Akzeptanztests erfolgt eine Überprüfung der generierten Lösungen für die Teilprobleme.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Planung eines Kommunikationsnetzes eines in- dustriellen Automatisierungssystems anzugeben, das eine für eine Kommunikation zwischen Leitsystem- und Steuerungsgeräteebene hinreichende Deterministik gewährleistet, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und durch ein System mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Planung eines Kommunikationsnetzes eines industriellen Automatisierungssystems wird das Kommunikationsnetz hinsichtlich einer wahrscheinlichen Übermittlungsdauer von Nachrichten innerhalb des Kommunikationsnetzes stochastisch modelliert. Dabei ist aus einem resultierenden stochastischen Kommunikationsnetzmodell eine zu erwartende Ausfallrate des Kommunikationsnetzes ableitbar. Das Kommunikationsnetz kann beispielsweise eine Leitsystemebene mit einer Steuerungsgeräteebene verbinden.

Vorzugsweise wird das Kommunikationsnetz vorzugsweise nichtzyklisch betrieben. Anhand des stochastischen Kommunikations- netzmodells wird eine Verfügbarkeit des Kommunikationsnetzes überprüft. Bei Unterschreitung einer vorgebbaren Mindest- Verfügbarkeit wird anhand des stochastischen Kommunikations- netzmodells die Verfügbarkeit des Kommunikationsnetzes unter Verwendung erster zusätzlicher bzw. alternativer Netzkomponenten iterativ ermittelt. Zu Netzkomponenten können beispielsweise auch Leitungsverbindungen zählen.

Bei Unterschreitung der vorgebbaren Mindest-Verfügbarkeit trotz Verwendung der zusätzlichen bzw. alternativen Netzkomponenten wird die Verfügbarkeit des Kommunikationsnetzes unter Verwendung zweiter oder weiterer zusätzlicher und/oder alternativer Netzkomponenten entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren erneut ermittelt. Bei Einhaltung der vorgebbaren Mindest-Verfügbarkeit wird eine überprüfte Netzkonfiguration für einen Betrieb freigegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet als Vorteil, daß aufgrund eines quantifizierbaren Verhalten eines Kommunikations- netzes eines industriellen Automatisierungssystems eine gesicherte Verfügbarkeit des Kommunikationsnetzes erzielt werden kann, ohne daß spezielle Kommunikationsprotokolle, wie Feldbus-Kommunikationsprotokolle, erforderlich sind. Beispielsweise kann das Kommunikationsnetz Ethernet-basiert sein. Darüber hinaus kann eine Nachrichtenübermittlung innerhalb des Kommunikationsnetzes entsprechend TCP/IP-Kommunikationsproto- koll erfolgen.

Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung bildet das Kommunikationsnetzmodell Netzkomponenten hinsichtlich ihrer Ausfallrate und Kommunikationsverbindungen hinsichtlich einer Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen

Nachrichtenübermittlung innerhalb einer vorgebbaren Reaktionszeit ab. Auf diese Weise können verschiedene Verfügbarkeitsmodelle in einem Gesamtmodell vereint werden. Das erfindungsgemäße System zur Planung eines Kommunikations- netzes eines industriellen Automatisierungssystems umfaßt eine Modellierungseinheit zur stochastischen Modellierung des Kommunikationsnetzes hinsichtlich einer wahrscheinlichen Übermittlungsdauer von Nachrichten innerhalb des Kommunikati- onsnetzes. Dabei ist aus einem resultierenden stochastischen Kommunikationsnetzmodell eine zu erwartende Ausfallrate des Kommunikationsnetzes ableitbar. Des weiteren ist eine Prüf- einheit zur Überprüfung einer Verfügbarkeit des Kommunikationsnetzes anhand des stochastischen Kommunikationsnetzmodells vorgesehen. Außerdem ist eine Korrektureinheit vorgesehen, die dazu ausgestaltet und eingerichtet ist, daß bei Unterschreitung einer vorgebbaren Mindest-Verfügbarkeit anhand des stochastischen Kommunikationsnetzmodells die Verfügbarkeit des Kommunikationsnetzes unter Verwendung erster zusätzlicher bzw. alternativer Netzkomponenten iterativ ermittelt wird. Die Korrektureinheit ist ferner dazu ausgestaltet und eingerichtet, daß bei Unterschreitung der vorgebbaren Mindestverfügbarkeit trotz Verwendung der zusätzlichen bzw. alterna- tiven Netzkomponenten die Verfügbarkeit des Kommunikations- netzes unter Verwendung zweiter oder weiterer zusätzlicher bzw. alternativer Netzkomponenten erneut ermittelt wird. Die Prüfeinheit ist darüber hinaus dazu ausgestaltet und eingerichtet ist, daß bei Einhaltung der vorgebbaren Mindest- Verfügbarkeit eine überprüfte Netzkonfiguration für einen Betrieb freigegeben wird.

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

Figur ein Blockschaltbild eines Systems zur Planung eines

Kommunikationsnetzes eines industriellen Automatisierungssystems .

Das in der Figur dargestellte System zur Planung eines Kommunikationsnetzes eines industriellen Automatisierungssystems umfaßt eine Modellierungseinheit 1 zur stochastischen Modellierung des Kommunikationsnetzes hinsichtlich einer wahr- scheinlichen Übermittlungsdauer von Nachrichten innerhalb des Kommunikationsnetzes. Hierzu umfaßt die Modellierungseinheit 1 eine Komponente 11 zur Erfassung einer Netztopologie bzw. zum virtuellen Aufbauen eines industriellen Automatisierungssystems sowie eine Komponente 12 zur Durchführung einer Netz- analyse . Die Komponente 12 zur Durchführung der Netzanalyse ist mit einer Einheit 4 zur Vorgabe geforderter maximaler Reaktionszeiten für eine erfolgreiche Nachrichtenübermittlung innerhalb des Kommunikationsnetzes verbunden. Aus einem resultierenden stochastischen Kommunikationsnetzmodell ist da- mit eine zu erwartende Ausfallrate des Kommunikationsnetzes durch eine Durchführung der Netzanalyse ableitbar. Die Modellierungseinheit 1 umfaßt außerdem eine Komponente 13 zur Erfassung von Ausfallraten von Netzkomponenten des Kommunikati- onsnetzes. Das Kommunikationsnetzmodell bildet damit nicht nur Kommunikationsverbindungen hinsichtlich einer Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Nachrichtenübermittlung innerhalb einer vorgebbaren Reaktionszeit ab, sondern auch Netzkomponenten hinsichtlich ihrer Ausfallrate.

Darüber hinaus weist das in der Figur dargestellte System eine Prüfeinheit 2 auf, die eine Komponente 21 zur Überprüfung einer Verfügbarkeit des Kommunikationsnetzes anhand des stochastischen Kommunikationsnetzmodells. Dieser Komponente 21 werden Ergebnisse der Netzanalyse und erfaßte Ausfallraten der Netzkomponenten zugeführt. Ausgangsseitig ist die Komponente 21 zur Verfügbarkeitsüberprüfung über einen Vergleicher 23 mit einer Einheit 5 zur Vorgabe eines Schwellwerts für eine geforderte Mindest-Verfügbarkeit verbunden. Der Verglei- eher 23 ist ausgangsseitig einerseits mit einer Freigabe- Komponente 22 der Prüfeinheit 2 und andererseits mit einer Korrektureinheit 3 verbunden. Die Freigabe-Komponente 22 ist dazu ausgestaltet und eingerichtet, daß bei Einhaltung einer vorgebbaren Mindest-Verfügbarkeit ohne oder durch Verwendung der zusätzlichen bzw. alternativen Netzkomponenten eine resultierende Netzkonfiguration für einen Betrieb freigegeben wird .

Die Korrektureinheit 3 ist dazu ausgestaltet und eingerichtet ist, daß bei Unterschreitung der vorgebbaren Mindest-

Verfügbarkeit anhand des stochastischen Kommunikationsnetzmodells die Verfügbarkeit des Kommunikationsnetzes unter Verwendung erster zusätzlicher bzw. alternativer Netzkomponenten iterativ ermittelt wird. Hierzu ist die Korrektureinheit 3 ausgangsseitig mit der Komponente 12 zur Durchführung der Netzanalyse verbunden. Bei Unterschreitung der vorgebbaren Mindest-Verfügbarkeit trotz Verwendung der zusätzlichen bzw. alternativen Netzkomponenten wird die Verfügbarkeit des Kom- munikationsnetzes unter Verwendung zweiter oder weiterer zusätzlicher bzw. alternativer Netzkomponenten erneut ermittelt .

Mittels des in der Figur dargestellten Systems kann also ein Verfahren zur Planung eines Kommunikationsnetzes durchgeführt werden, das eine Leitsystemebene mit einer Steuerungsgeräteebene eines industriellen Automatisierungssystems verbindet und nicht-zyklisch betrieben wird. Insbesondere kann das Kommunikationsnetz Ethernet-basiert sein. Eine Nachrichtenüber- mittlung innerhalb des Kommunikationsnetzes erfolgt beispielsweise entsprechend TCP/IP-Kommunikationsprotokoll .

Im Rahmen des Verfahrens zur Planung eines Kommunikationsnetzes wird das Kommunikationsnetz zunächst hinsichtlich einer wahrscheinlichen Übermittlungsdauer von Nachrichten innerhalb des Kommunikationsnetzes stochastisch modelliert wird. Anhand eines stochastischen Kommunikationsnetzmodells wird dann eine Verfügbarkeit des Kommunikationsnetzes überprüft. Bei Unterschreitung einer vorgebbaren Mindest-Verfügbarkeit wird an- hand des stochastischen Kommunikationsnetzmodells die Verfügbarkeit des Kommunikationsnetzes unter Verwendung erster zusätzlicher bzw. alternativer Netzkomponenten iterativ ermittelt. Bei Unterschreitung der vorgebbaren Mindest-Verfügbarkeit trotz Verwendung der zusätzlichen bzw. alternativen Netzkomponenten wird die Verfügbarkeit des Kommunikationsnetzes unter Verwendung zweiter oder weiterer zusätzlicher bzw. alternativer Netzkomponenten erneut ermittelt. Bei Einhaltung der vorgebbaren Mindest-Verfügbarkeit wird eine überprüfte Netzkonfiguration für einen Betrieb freigegeben. _n

Das beschriebene Verfahren verbindet eine Modellierung von Kommunikationsverbindungen mit einer Verfügbarkeitsbetrachtung. Dieses Verfahren ist grundsätzlich für Kommunikations- netze mit beliebiger Topologie anwendbar und erfordert keine speziellen Kommunikationsprotokolle .

Bei Fehlern, die in einem Kommunikationsnetz auftreten können, ist allgemein zwischen folgenden Arten zu unterscheiden 1. Übertragungsfehler, die durch physikalische Effekte bzw.

Ausfälle von Netzknoten hervorgerufen werden,

2. Übertragungsfehler, die durch Topologieänderungen entstehen .

Erste Übertragungsfehler können aus empirischen Ausfallraten von Netzkomponenten abgeleitet werden und kennzeichnen diese hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit. Zweite Übertragungsfehler treten dagegen beim Routing in vermaschten Netzen auf. Dies gilt insbesondere dann, wenn Teilnehmer im Kommunikationsnetz dynamisch hinzugefügt werden. Gemeinsame Pfade im Kommunikationsnetz werden häufig von vielen Teilnehmern konkurrierend genutzt. Dies kann zu nicht-deterministischen Wartezeiten führen. In industriellen Automatisierungssystemen kann dadurch beispielsweise eine Übermittlung von Information über einen aktuellen Prozeßwert an einen Empfänger auf Leitsystemebene unvorhersagbar verzögert werden, so daß ein Empfang innerhalb einer erwarteten maximalen Zeit nicht mehr gewährleistet ist.

Zweite Übertragungsfehler können durch ein stochastisches Kommunikationsnetzmodell nachgebildet und damit einer quantifizierten Betrachtung zugeführt werden. Derartige Kommunikationsnetzmodelle liefern beispielsweise eine Aussage darüber, mit welcher Wahrscheinlichkeit eine bestimmte Reaktionszeit innerhalb eines Kommunikationsnetzes überschritten wird. Die Aussage eines solchen stochastischen Kommunikationsnetzmodells gibt bei zweiten Übertragungsfehlern eine zu erwartende Ausfallrate eines Kommunikationsnetzes wieder. Hierzu wird durch eine Benutzereingabe festgelegt, welche Reaktionszeit toleriert wird, und ab welchem Grenzwert ein unerwünschtes Systemverhalten vorliegt. Die Wahrscheinlichkeit von Reaktionszeiten über dem festgelegten Grenzwert repräsentiert dabei eine Ausfallrate des Kommunikationsnetzes. Somit sind erste Übertragungsfehler durch Aussagen über Ausfallraten von Netz- komponenten modellierbar, während zweite Übertragungsfehler anhand einer Ausfallrate des Kommunikationsnetzes in einem stochastischen Kommunikationsnetzmodell abbildbar sind. Ergibt eine Analyse des Kommunikationsnetzmodells eine unzulässig niedrige Gesamtverfügbarkeit, werden an einer Benutzerschnittstelle vorzugsweise Hinweise dargestellt, durch welche Maßnahmen stochastische Eigenschaften des Kommunikationsnetzes verbessert werden können. Dies kann beispielsweise durch eine Verwendung anderer Netzkomponenten oder durch eine Verlegung paralleler Leitungen an kritischen Stellen innerhalb des Kommunikationsnetzes erzielt werden. Ein Netzplaner wird dabei vorteilhafterweise in einer iterativen Vorgehensweise unterstützt, bis die Gesamtverfügbarkeit des Kommunika- tionsnetzes in einem akzeptierten Rahmen liegt. Ein ähnliches Vorgehen ist auch bei einer nachträglichen Erweiterung eines Kommunikationsnetzes möglich. Werden zusätzliche Netzkomponenten in ein Kommunikationsnetz eingebracht, kann anhand einer Analyse des stochastischen Kommunikationsnetzmodells im Voraus geprüft werden, ob sich dies unzulässig negativ auf

Reaktionszeiten innerhalb des Kommunikationsnetzes auswirken wird. Besteht dieses Problem nicht, kann die Erweiterung durchgeführt werden.