Verfahren zur Übermittlung zeitkritischer Daten innerhalb eines Kommunikationssystems für ein industrielles

Automatisierungssystem und Kommunikationssystem

Ergänzend zum Standard IEEE 802.1 für Ethernet-Kommunikati onssysteme sind durch die TSN Working Group (Time-senstive Networks) Mechanismen definiert, um für bestimmte periodische Netzwerkdaten (Streams) eine garantierte Übertragung, insbe sondere mit keinen Verluste durch Überlast, innerhalb einer definierten Zeit zu gewährleisten.

In der älteren internationalen Patentanmeldung WO 2019/007516 Al, 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 einge richteten 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 ge währleistet 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 Zusam menfassung von Sensordaten und Aktorwerten unterschiedlicher, an einen gemeinsamen Strang angeschlossener Feldgeräte in ei nem Summenframe. Entsprechend dem Summenframe-Konzept sendet eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) einen Frame (Da tenrahmen) , der als Summenframe entlang des gemeinsamen

Strangs in einer logischen Linientopologie durch die ange schlossene Feldgeräte läuft und während der Übertragung mani puliert wird. Aktoren lesen für sie bestimmte Steuerungsin formationen aus den Summenframes, während Sensoren zur Über tragung 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 gemeinsa men Strangs und kehrt zum Anfang des Strangs zurück. Entspre chend dem Summenframe-Konzept kommt es so zu einer automati schen Antwort nach einer durch eine Konfiguration des gemein samen Strangs bestimmten Zeit.

Bei einer direkten Übertragung entsprechend dem Summenframe- Konzept ist ein Netzwerk zwischen SPS und Feldbusgeräten be grenzt, 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 kom binierten MSRP-TAS-Konzepts entsprechend WO 2019/007516 Al auf das Summenframe-Konzept ein größeres Zeitfenster benötigt werden. Dies ist jedoch aufgrund von Randbedingung eines Sen- dens von allen Feld- bzw. Endgeräten an einem Phasenanfang zu einer anderen Ressourcenverwaltung führen würde. Ein verein fachtes 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.

Aus EP 1 748 338 Bl ist ein Verfahren zur Optimierung der ef fektiven Datenübertragungsrate in einem Bussystem bekannt, bei dem das verwendete Datentelegramm in übergeordneten Da tennetzen, die auf dem Internetprotokoll basieren, verwendbar ist. Dabei wird mindestens ein Datentelegramm, mindestens ein Datensegment bzw. mindestens ein Datenabschnitt durch mindes tens einen Slave generiert, verändert bzw. gelöscht. Die To- pologie des Bussystems ist hierbei gemäß der Applikation wählbar und wird in der Projektierung der in den Datentele grammen enthaltenen Daten berücksichtigt, ohne die Proto kolleigenschaften des übergeordneten Datennetzes zu verlet zen. Die Anzahl der benötigten Datentelegramme wird dabei, insbesondere auf den Kommunikationsstrecken mit der höchsten Belastung deutlich reduziert.

In DE 10 2008 018633 Al ein Verfahren zur Prozess-Steuerung beschrieben, bei dem zwischen einem zur Übertragung von Ethernet-Telegrammen ausgebildeten Netzwerk und einem unter lagerten Bussystem über einen Buskoppler Daten ausgetauscht werden. Der Buskoppler ist über eine erste Schnittstelle mit dem Netzwerk und über eine zweite Schnittstelle mit dem un terlagerten Bussystem verbunden. Durch wenigstens einen Bus teilnehmer des unterlagerten Bussystems werden Prozessdaten eingelesen bzw. ausgegeben und dabei folgende Schritte ausge führt :

- Empfangen eines Ethernet-Telegramms über die erste

Schnittstelle des Buskopplers,

- Umsetzen des empfangenen Ethernet-Telegramms in ein in ternes Datentelegramm, welches eine kürzere Datenlänge aufweist als das empfangene Ethernet-Telegramm,

- Ausgeben des internen Datentelegramms über die zweite Schnittstelle des Buskopplers an die Busteilnehmer des unterlagerten Bussystems.

DE 10 2017 203 828 Al betrifft eine Maschine und ein Verfah ren zur synchronen Ansteuerung von Antriebseinrichtungen ei ner Maschine. Die Maschine hat mindestens zwei Antriebsein richtungen zum Antrieb jeweils mindestens eines Elements in eine Bewegung und mindestens zwei Steuereinrichtungen, von denen mindestens eine Steuereinrichtung ausgestaltet ist, mindestens eine der mindestens zwei Antriebseinrichtungen derart zu steuern, dass die mindestens zwei Antriebseinrich tungen mindestens zwei Elemente in eine zumindest zeitweise synchrone Bewegung antreiben. Dabei weisen die mindestens zwei Steuereinrichtungen eine erste Schnittstelle auf, die zum Empfang von Daten gemäß einem ersten Kommunikationsproto koll ausgestaltet ist. Die Daten weisen eine Zeitinformation von einem Zeitmaster zur Zeitsynchronisation der mindestens zwei der Steuereinrichtungen auf. Die mindestens eine der mindestens zwei Steuereinrichtungen weist eine zweite

Schnittstelle auf, die zur Kommunikation mit mindestens einer der zwei Antriebseinrichtungen gemäß einem zweiten Kommunika tionsprotokoll ausgestaltet ist. Die mindestens zwei Steuer einrichtungen sind ausgestaltet, ihre Systemzeit über die erste Schnittstelle auf der Grundlage der Zeitinformation der Daten zu synchronisieren. Die erste Schnittstelle ist ausge staltet, aus der Systemzeit ein zyklisches Taktsignal zu er zeugen. Die mindestens eine der mindestens zwei Steuerein richtungen ist ausgestaltet, das zyklische Taktsignal an die zweite Schnittstelle zu übergeben, um durch eine Ansteuerung mindestens einer der mindestens zwei Antriebseinrichtungen die mindestens zwei Elemente in eine zumindest zeitweise syn chrone Bewegung anzutreiben.

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 La tenz als geschützter Stream möglich. Allerdings ergeben sich durch ein Zwischenspeichern bis zum nächsten Zyklus erhebli che Geschwindigkeitsnachteile ergeben.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einerseits Summenframes in einem Kommunikationssystem unter Berücksichtigung spezieller Anforderungen in Bezug auf zeit kritischen Datenverkehr zu übermitteln, das Kommunikations system andererseits erweiterbar für eine Aufnahme zusätzli cher Kommunikationsteilnehmer zu gestalten

Diese Ausgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und durch ein Kommu nikationssystem mit den in Anspruch 5 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfin dung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß werden Datenrahmen zur Übermittlung zeitkri tischer Daten innerhalb eines Kommunikationssystems für ein industrielles Automatisierungssystem entlang eines gemeinsa men Strangs, an den ein Steuerungsgerät und mehrere Feldgerä te angeschlossen sind, als Summen-Datenrahmen übermittelt.

Das Steuerungsgerät speist zu übermittelnde Summen-Datenrah men an einem Anfang des Strangs ein. Das Steuerungsgerät ist über ein Time-sensitive Network entsprechend IEEE 802.1 Q und IEEE 802.1 Qbv und über einen an den Strang angeschlossenen Koppler für Time-sensitive Networks mit den Feldgeräten ver bunden. Die durch das Steuerungsgerät eingespeisten Summen- Datenrahmen werden einer ersten Datenrahmen-Klasse zugeord net, 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 erfindungsgemäß 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 ge schütztes zweites Zeitfenster benutzt werden. Eine Konfigura tion des zweiten Zeitfensters mit einer Pause zwischen dem ersten und Zeitfenster ermöglicht eine effiziente Bandbrei ten-Nutzung. Sowohl für die erste Datenrahmen-Klasse als auch für die zweite Datenrahmen-Klasse werden jeweils Time-aware Shaper gemäß IEEE 802.1 Qbv verwendet.

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

Figur ein Kommunikationssystem zur Übermittlung zeitkri tischer Daten innerhalb industriellen Automatisie rungssystems, das ein Steuerungsgerät und mehrere an einen gemeinsamen Strang angeschlossene Feldge räte umfasst.

Das in der Figur dargestellte Kommunikationssystem umfasst ein Steuerungsgerät 100, beispielsweise eine speicherprogram mierbare Steuerung, und mehrere an einen gemeinsamen Strang 300 angeschlossene Feldgeräte 101-105, beispielsweise Senso ren 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 gemein samen Strangs 300 als Summen-Datenrahmen übermittelt. Das Steuerungsgerät 100 speist zu übermittelnde Summen-Datenrah men an einem Anfang des Strangs 300 bzw. am Koppler 201 in den Strang 300 ein. Dabei werden die durch das Steuerungsge rät 100 eingespeisten Summen-Datenrahmen einer ersten Daten- rahmen-Klasse zugeordnet, für deren Übermittlung erste Sys tem-Ressourcen innerhalb des Kommunikationssystems reserviert werden. System-Ressourcen umfassen insbesondere nutzbare Übertragungszeitfenster, Bandbreite, Queue-Speicher in Swit ches 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 Steuerungsinformatio nen. Dagegen fügen Feldgeräte mit Sensor-Funktion jeweils er fasste Messwerte in die in den Strang 300 eingespeisten Sum- men-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 Steue rungsgerät 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 Zeit fenster 110 übermittelt, während Datenrahmen der zweiten Da tenrahmen-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 Net work 200 vorgesehen. Zur Übermittlung von Datenrahmen der ersten Datenrahmen-Klasse und Datenrahmen der zweiten Daten- rahmen-Klasse werden sowohl innerhalb des Time-sensitive Net work 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 bei spielsweise zur Übermittlung von Best-Effort-Datenverkehr o- der 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 umfas sen kann, eine Optimierung möglich, da sämtliche Steuerungs informationen von einer Stelle im Kommunikationssystem ausge sendet werden und somit serialisiert sind. In diesem Fall kann ein kleines erstes Zeitfenster 211 für das Time-sensi- tive Network 200 dimensioniert werden. Insbesondere ist ein direktes Forwarding im Time-sensitive Network 200 möglich, da während des ersten Zeitfensters keine weiteren Daten zu über mitteln sind. Ankommenden Daten können nach Auswertung von Weiterleite-Informationen (Ethernet-Header) direkt über freie Links zu einem jeweils nächsten Netzwerkknoten gesendet wer den .

Ein Zeitabstand zwischen ersten und zweiten Zeitfenstern ergibt sich bei mehreren zu berücksichtigenden Strängen bei spielsweise aus einer Verarbeitungszeit eines längsten

Strangs. Durch eine schnelle Verarbeitung entsprechend vor liegendem Summenframe-Konzept ergibt sich eine deutlich klei ner Lücke als ein Abstand zu einem nächsten Zyklus. Bei An bindung eines einzigen Strangs ergibt sich dementsprechend eine weitere Optimierungsmöglichkeit. Durch Einführung eines Zeitfensters für die Antwort-Summen-Datenrahmen und eine Ab bildung auf 2 TSN-Streams ergibt sich eine schnellere Verar beitungszeit für ein Summenframe-System, da die Antwort wird schneller zum Steuerungsgerät 100 gesendet wird.