Teilnehmer, Master-Einheit, Kommunikationssystem und Verfahren zu deren Betreiben

Die Erfindung betrifft einen Teilnehmer und eine Master- Einheit in einem Kommunikationssystem mit mehreren Teilnehmern, die über eine gegenläufig arbeitende Doppelringstruktur miteinander verbunden sind, ein solches Kommunikationssystem mit einer Master-Slave-Struktur und ein Verfahren zum Betrieb des Teilnehmers bzw. des Kommunikationssystems.

In der Fertigungs- und Automatisierungstechnik werden zunehmend serielle Bussysteme eingesetzt, bei denen die dezentral angeordneten Geräte einer Maschinenperipherie wie E/A-Module, Messumformer, Antriebe, Ventile und Bedienerterminals über ein leistungsfähiges Echtzeit-Kommunikationssystem mit Auto- matisierungs-, Engineering- oder Visualisierungssystemen kommunizieren. Alle Teilnehmer sind dabei über einen seriellen Bus, vorzugsweise über einen Feldbus miteinander vernetzt, wobei der Datenaustausch über den Bus in der Regel auf der Grundlage des Master-Slave-Prinzips ausgeführt wird.

Die aktiven Busteilnehmer am Bussystem, in der Regel die Steuergeräte, sind im Besitz einer Buszugriffsberechtigung und bestimmen den Datentransfer auf dem Bus. Die aktiven Busteilnehmer werden als die Master-Einheiten im seriellen Bussystem bezeichnet. Passive Busteilnehmer sind dagegen in der Regel Maschinenperipheriegeräte. Sie erhalten keine Bus- Zugriffsberechtigung, d.h. sie dürfen nur empfangene Informationssignale quittieren oder auf Anfrage einer Master-Einheit Informationssignale an diese übermitteln. Die passiven Busteilnehmer werden als Slave-Einheiten im seriellen Bussystem bezeichnet.

Feldbussysteme mit einer Master-Slave-Struktur werden im Allgemeinen, um eine aufwändige Verkabelung zu vermeiden, in

Ringtopologie ausgeführt, wobei alle Busteilnehmer an einen ringförmigen Übertragungsweg angeschlossen sind. Ein von der Master-Einheit erzeugtes Informationssignal wird von der Master-Einheit in den ringförmigen Übertragungsweg eingespeist und durchläuft nacheinander die seriell an den ringförmigen Übertragungsweg angeschlossenen Slave-Einheiten, um dann wieder von der Master-Einheit empfangen und ausgewertet zu werden. Master-Slave-Systeme können dabei auch als Multi- Mastersysteme ausgelegt sein.

Die Informationssignale werden von der Master-Einheit in der Regel in Datenpakete organisiert, die sich aus Steuerdaten und Nutzdaten zusammensetzen, wobei vorzugsweise der Ether- net-Standard verwendet wird, der Datenpakete mit einer Länge von bis zu 1500 Byte bei einer gleichzeitig hohen Übertragungsgeschwindigkeit von 100 Mbit/sec ermöglicht. Jede der an den ringförmigen Übertragungsweg angeschlossenen Slave- Einheiten tauscht beim Durchlauf des von der Master-Einheit eingespeisten Ethernet-Telegramms auf dem ringförmigen Über- tragungsweg die für ihn bestimmten Nutzdaten mit dem Ether- net-Telegramm aus.

Die Master-Slave-Kommunikationssysteme mit Ringstruktur sind in der Regel so aufgebaut, dass die Master-Einheit eine Sen- deeinheit als Dateneinkoppelstelle und eine Empfangseinheit als Datenauskoppelstelle in ein Übertragungsmedium aufweist. Die einzelnen Slave-Einheiten sind dann am Übertragungsweg zu einer Kette zusammengeschlossen, wobei jeder Teilnehmer mit zwei Nachbarn, der erste und der letzte Teilnehmer in der Kette dabei mit der Master-Einheit verbunden ist. Die Übertragung der Datenpakete erfolgt dabei in eine Richtung ausgehend von der Master-Einheit über deren Sendeeinheit zur ersten angeschlossenen Slave-Einheit und von dort zur nächsten, bis die letzte Slave-Einheit in der Kette erreicht ist, und dann zurück zur Empfangseinheit der Master-Einheit. Jede Slave-Einheit weist zum Empfang der umlaufenden Datenpakete vom vorherigen Teilnehmer eine Schnittstelle mit einer Empfangs-

einheit und zur Weitergabe an den nachfolgenden Teilnehmer eine Schnittstelle mit einer Sendeeinheit auf, wobei zwischen Empfangs- und Sendeeinheit eine Verarbeitungseinheit angeordnet ist, um die durch die Slave-Einheit durchlaufenden Daten- pakete zu verarbeiten, d.h. mit den Datenpaketen die der Slave-Einheit zugeordneten Nutzdaten auszutauschen.

Die ringförmigen Kommunikationssysteme mit Master-Slave- Struktur sind dabei oft so ausgelegt, dass die Master-Einheit mit den daran angeordneten Slave-Einheiten eine physikalische Linie bildet, wobei das Übertragungsmediurα eine Doppelleitungsstruktur und jede Slave-Einheit zwei Ports mit einer kombinierten Sende-Empfangseinheit aufweist, wobei im Ausgangsport der letzten Slave-Einheit in der Übertragungskette Sende- und Empfangseinheit kurzgeschlossen sind. Die von der Master-Einheit über deren Empfangseinheit in die erste Leitung eingekoppelten Datenpakete werden von den Slave- Einheiten auf dem Hinweg bearbeitet und auf dem Rückweg über die zweite Leitung dann einfach nur an die Empfangseinheit der Master-Einheit weitergeleitet.

Eine zentrale Anforderung an Master-Slave-Kommunikationssys- teme, insbesondere beim Einsatz in der Fertigungs- und Prozessautomatisierung, ist eine hohe Fehlertoleranz, also die Fähigkeit des Kommunikationssystems, trotz des Auftretens von Fehlern die geforderte Funktion, d.h. zum Beispiel die Herstellung eines Werkstücks aufrecht zu erhalten. Fehler im Kommunikationssystem, die ohne Beeinträchtigung des Prozesses überstanden werden müssen, sind dabei neben Fehlern in den Datenpaketen insbesondere auch der Ausfall ganzer Übertragungsstrecken, beispielsweise durch physikalisches Durchtrennen des Übertragungsmediums.

Um ein fehlertolerantes Master-Slave-Kommunikationssystem, insbesondere bei Streckenfehlern, d.h. beim Ausfall ganzer Übertragungsabschnitte, zu erreichen, werden oft gegenläufig arbeitende Doppelringstrukturen eingesetzt. So ist in der US

4,663,748 ein Kommunikationssystem mit einer Master-Slave- Struktur beschrieben, bei dem die Master-Einheit mit einer Mehrzahl von Slave-Einheiten seriell über zwei gegenläufig arbeitende Kommunikationspfade verbunden ist, wobei die Mas- ter-Einheit die Datenpakete gleichzeitig über beide Kommuni- kationspfade versendet. Die Slave-Einheit besitzt dann zwei Verarbeitungseinheiten, die jeweils zwischen die beiden Kommunikationspfade geschaltet sind, um die durchlaufenden Datentelegramme zu verarbeiten. Weiterhin sind in den Teilneh- mern aktivierbare Kopplungseinheiten angeordnet, um bei Auftreten eines Streckenfehlers, z.B. dem Bruch einer Kommunika- tionsleitung, durch Signalüberwachung der Signale auf beiden Übertragungsringen und entsprechendes Umschalten das Kommunikationssystem so zu rekonfigurieren, dass ein durch den Stre- ckenfehler bedingter Ausfall eines größeren Abschnitts des

Kommunikatiσnssystems oder sogar ein Gesamtausfall vermieden wird.

In der DE 103 12 907 Al ist weiterhin vorgeschlagen, die SIa- ve-Einheit so auszubilden, dass in jedem Koiraαunikationspfad in Datenübertragungsrichtung zuerst eine Verarbeitungseinheit und dann ein Multiplexer mit zwei Eingängen und einem Ausgang angeordnet ist. Der Multiplexer ist dabei mit seinen Eingängen jeweils mit den beiden Verarbeitungseinheiten der Slave- Einheit verbunden und mit seinem Ausgang an den zugeordneten Kommunikationspfad angeschlossen. Im störungsfreien Normalbetrieb schaltet jeder der beiden Multiplexer die im zugeordneten Kommunikationspfad angeordnete Verarbeitungseinheit durch. Im Störbetrieb, bei Auftreten eines Streckenfehlers im zugeordneten Kommunikationspfad, wird dann jedoch die Verarbeitungseinheit im anderen Kommunikationspfad durchgeschaltet. Diese Auslegung der Slave-Einheit ermöglicht es im Störfall im Wesentlichen in Echtzeit, das Kommunikationssystem zu rekonfigurieren .

Fehlertolerante Master-Slave-Kommunikationssysteme mit einer Doppelringstruktur, bei dem die einzelnen Slave-Einheiten j e-

weils zwei Verarbeitungseinheiten zur Verarbeitung der durchlaufenden Datentelegramme aufweisen, sorgen jedoch für einen hohen Hardware- und Schaltaufwand der Slave-Einheiten und erhöht somit die Kosten. Weiterhin rauss jede Slave-Einheit im Normalbetrieb entscheiden, welches der beiden durch die zwei Verarbeitungseinheiten durchlaufenden Datenpakete zur Gerätesteuerung genutzt werden soll, was bei den geforderten hohen Datenübertragungsraten den Einsatz solcher Kommunikationssysteme stark beschränkt. Darüber hinaus ist es bei den bekannten fehlertoleranten Kommunikationssystemen mit Doppel- ringtopologie erforderlich, dass die Master-Einheit auf einen Streckenfehler gesondert reagiert und vom Normalbetrieb in einen Störbetriebmodus umschaltet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen Teilnehmer in einem Kommunikationssystem, eine Master- Einheit, ein Kommunikationssystem mit einer Master-Slave- Struktur und ein Verfahren zum Betrieb des Teilnehmers und des KommunikationsSystems bereitzustellen, die mit minimalem Hardware- und Schaltaufwand, sowohl in den Slave- als auch in der Master-Einheit, Rekonfigurationsmaßnahmen in Echtzeit bei Auftreten von Streckenfehlern in einer fehlertolerante Dop- pelringtopologie ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch einen Teilnehmer gemäß Anspruch 1, eine Master-Einheit gemäß Anspruch 4 oder 7, ein Kommunikationssystem gemäß Anspruch 8, ein Verfahren zum Betreiben eines Teilnehmers gemäß Anspruch 9 und ein Verfahren zum Betreiben eines Kommunikationssystems mit einer Master-Slave-Struktur gemäß Anspruch 12 oder 15 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß ist ein Teilnehmer in einem Kommunikationssystem mit mehreren Teilnehmern, die über einen ersten Kommu- nikationspfad und einen zweiten Kommunikationspfad miteinander verbunden sind, wobei die beiden Kommunikationspfade als Doppelringstruktur gegenläufig zueinander arbeiten, so ausge-

legt, dass der Teilnehmer pro Kommunikationspfad je eine Empfangseinheit zum Empfangen von InformationsSignalen auf dem zugehörigen Kommunikationspfad und je eine Sendeeinheit zum Senden von Informationssignalen auf dem zugehörigen Kommuni- kationspfad aufweist. Darüber hinaus ist eine einen Ein- und Ausgang aufweisende einzelne Verarbeitungseinheit zum Verarbeiten von durch den Teilnehmer durchlaufenden Informationssignalen sowie eine aktivierbare Kopplungseinheit vorgesehen. Diese aktivierbare Kopplungseinheit verbindet im Normalbe- trieb die zum ersten Kommunikationspfad gehörende erste Empfangs- und Sendeeinheit, wobei die Verarbeitungseinheit zur Verarbeitung der durchlaufenden Informationssignale zwischengeschaltet ist, und die zum zweiten Kommunikationspfad gehörende zweite Empfangs- und Sendeeinheit miteinander. Im Feh- lerfall der ersten Sendeeinheit und/oder der zweiten Empfangseinheit, d.h. beim Auftreten eines Streckenfehlers zum Teilnehmer, verbindet die aktivierbare Kopplungseinrichtung dann die erste Empfangseinheit mit der zweiten Sendeeinheit über die Verarbeitungseinheit und im Fehlerbetrieb der ersten Empfangseinheit und/oder der zweiten Sendeeinheit, d.h. wiederum beim Auftreten eines Streckenfehlers zum daran angrenzenden Teilnehmer, die zweite Empfangseinheit mit der ersten Sendeeinheit über die Verarbeitungseinheit.

Mit dieser Auslegung des Teilnehmers in einem fehlertoleranten Kommunikationssystem mit einer Doppelringtopologie kann bei Auftreten von Streckenfehlern zu benachbarten Teilnehmern in einem oder in beiden Kommunikationspfaden in Echtzeit eine Teilnehmer-Rekonfiguration vorgenommen werden, um trotz des Streckenfehlers einen störungsfreien Betrieb zu ermöglichen. Die Funktion des Teilnehmers und damit die Funktion des Kommunikationssystems, an das der Teilnehmer angeschlossen ist, kann so trotz des Streckenfehlers aufrecht erhalten werden. Die erfindungsgemäße Auslegung hat dabei den Vorteil, dass in jedem Teilnehmer nur eine einzelne Verarbeitungseinheit vorgesehen ist, was den Hardware-Aufwand und damit die Kosten reduziert. Darüber hinaus unterscheidet sich das Verhalten

des Teilnehmers im Redundanzfall, also bei Auftreten eines Streckenfehlers, nicht vom Verhalten im Normalbetrieb, da die durchlaufenden Informationssignale immer von der einen vorhandenen Verarbeitungseinheit beim Durchlauf interpretiert und verarbeitet werden. Dies sorgt gleichzeitig für eine hohe Dynamik beim Umschaltvorgang und damit zum Einhalten der Echtzeitanforderungen an das Kommunikationssystem.

Bevorzugt ist es dabei, die aktivierbare Kopplungseinrichtung des Teilnehmers in Form eines ersten Multiplexers, dessen erster Eingang mit der ersten Empfangseinheit, dessen zweiter Eingang mit der zweiten Empfangseinheit, und dessen Ausgang mit der Verarbeitungseinheit verbunden ist, und eines zweiten Multiplexers, dessen erster Eingang mit der zweiten Empfangs- einheit, dessen zweiter Eingang mit der Verarbeitungseinheit und dessen Ausgang mit der zweiten Sendeeinheit verbunden ist, auszulegen, wobei der erste Multiplexer im Normalbetrieb seinen ersten Eingang auf seinen Ausgang und im Fehlerbetrieb der ersten Empfangseinheit und/oder zweiten Sendeeinheit sei- nen zweiten Eingang auf seinen Ausgang aufschaltet, und wobei der zweite Multiplexer im Normalbetrieb seinen ersten Eingang auf seinen Ausgang und im Fehlerbetrieb der ersten Sendeeinheit und/oder der zweiten Empfangseinheit seinen zweiten Eingang auf seinen Ausgang aufschaltet.

Die erfindungsgemäße Auslegung der aktivierbaren Kopplungseinrichtung mit zwei 2-1-Multiplexern, die der Verarbeitungseinheit vor- bzw. nachgeschaltet sind, sorgt im Fehlerfall dafür, dass je nach Lage des auftretenden Streckenfehlers das Informationssignal immer so durch den Teilnehmer geleitet wird, dass das Informationssignal nach Durchlauf durch die Verarbeitungseinheit rückgekoppelt wird. Der Einsatz von 2-1- Multiplexern zieht nur einen geringen Hardware-Aufwand nach sich und ermöglicht darüber hinaus, einfach und hochdynamisch zwischen Normalbetrieb und Störbetrieb umzuschalten.

Erfindungsgemäß ist eine Master-Einheit in einem Kommunikationssystem mit einer Master-Slave-Struktur, das eine Mehrzahl von Teilnehmern als Slave-Einheiten aufweist, so ausgebildet, dass die Slave-Einheiten seriell mit der Master-Einheit über die aus dem ersten und dem zweiten Kommunikationspfad gebildete gegenläufig arbeitende Doppelringstruktur verbunden sind. Die Master-Struktur weist dabei für jeden Kommunikationspfad eine zugeordnete Sende- und Empfangseinheit auf, wobei die Sendeeinheiten mit einer Sendesteuereinheit und die Empfangseinheiten mit einer Empfangssteuereinheit verbunden sind. Die Sendesteuereinheit übergibt dabei an die beiden Sendeeinheiten der Master-Einheit ein Informationssignal mit einem Datenfeld und einem auf einen vorgegebenen Wert gesetzten Zählerfeld zum getrennten gegenläufigen Senden auf dem ersten und auf dem zweiten Kommunikationspfad. Die Verarbeitungseinheiten jedes Teilnehmers verändern beim Durchlauf des Informationssignals den Wert des Zählerfeldes um einen vorgegebenen Wert. Die Steuereinheit wertet dann den Wert der Zählerfelder der beiden von den Empfangseinheiten auf dem ersten und dem zweiten Kommunikationspfad empfangenen Informationssignale aus.

Mit der erfindungsgemäßen Auslegung des Kommunikationssystems besteht für die Master-Einheit auf einfache Weise die Mög- lichkeit, die Störungsfreiheit im Kommunikationssystem insbesondere auch bei einer Rekonfiguration des Kommunikationssystems nach Auftreten eines Streckenfehlers festzustellen. Nach Auswerten der Zählerfelder nach Empfang der beiden gegenläufig über die Kommunikationspfade umlaufenden identischen In- formationssignale kann die Master-Einheit feststellen, wie viele der angeschlossenen Slave-Einheiten im Betrieb sind. Die Verarbeitungseinheiten der aktiven Slave-Einheiten verändern nämlich jeweils den Wert des Zählerfeldes des durchlaufenden Informationssignals mithilfe ihrer Verarbeitungsein- heit, wodurch beim Auswerten der Zählerfelder der beiden in der Master-Einheit empfangenen Informationssignale dann auf die Funktionsfähigkeit der Slave-Einheiten geschlossen werden

kann. Auch kann durch Korrelieren der Werte in den Zählerfeldern der beiden empfangenen Informationssignale festgestellt werden, zwischen welchen Teilnehmern der Streckenfehler im Kommunikationssystem aufgetreten ist, bzw. ob oder wo ein Teilnehmer komplett ausgefallen ist.

Bevorzugt erfolgt dabei die Auswertung der Zählerfelder der beiden auf dem ersten und zweiten Kommunikationspfad empfangenen umlaufenden Informationssignale durch Aufaddieren der Zählerfeldwerte. Der Gesamtwert gibt dann sofort an, ob alle angeschlossenen Slave-Einheiten aktiv sind, da deren Anzahl sich direkt im Summenwert wiederspiegelt.

Erfindungsgemäß wird die Fehlertoleranz des Kommunikations- Systems auf einfache Weise weiterhin dadurch erhöht, dass im Lesebetrieb, d.h. dann, wenn die Slave-Einheiten Daten zur Master-Einheit übertragen sollen, von der Sendesteuereinheit der Master-Einheit an die beiden Sendeeinheiten ein Informationssignal mit einem Datenfeld übergeben wird, das für jeden angeschlossenen Teilnehmer am KommunikationsSystem einen zugeordneten Datenbereich aufweist. Diese beiden Informationssignale werden dann getrennt und gegenläufig auf dem ersten und dem zweiten Kommunikationspfad gesendet, wobei die Teilnehmer beim Durchlauf des Informationssignals in den zugeord- neten Datenbereich einschreiben. Die Empfangssteuereinheit der Master-Einheit überlagert dann die Datenfelder der beiden auf dem ersten Kommunikationspfad und dem zweiten Kommunikationspfad empfangenen Informationssignale.

Mit dieser Vorgehensweise wird die Funktionsfähigkeit des

Kommunikationssystems auf einfache Weise, insbesondere auch im redundanten Fall, also dann, wenn das Kommunikationssystem aufgrund eines Streckenfehlers rekonfiguriert ist und einzelne Teilnehmer auf Fehlerbetrieb umgeschaltet haben, ein zu- verlässiger Lesebetrieb gewährleistet wird. Durch Überlagerung der Datenfelder der beiden empfangenen Informationssignale, d.h. insbesondere durch deren Verodern, wird dann näm-

lieh ein kombiniertes Datenfeld erzeugt, in dem unbesehen davon, wie die Informationssignale über die Kommunikationspfade zur Master-Einheit rückgekoppelt werden, die alle von den Teilnehmern zu übermittelnden Daten enthalten sind. Die er- findungsgemäße Vorgehensweise ermöglicht so auf einfache Art eine hohe Fehlertoleranz, insbesondere bei Streckenfehlern in der Doppelringtopologie. Weiterhin unterscheidet sich das Auswerteverfahren der Master-Einheit im Rekonfigurations- betrieb nicht von dem im Normalbetrieb.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kommunikationssystems mit einer Master-Slave-Struktur, wobei

Figur IA den Normalbetrieb,

Figur IB eine erste Kommunikationssystem-Rekonfiguration bei Auftreten eines Strecken-Doppelfehlers, und

Figur IC eine zweite Kommunikationssystem-Rekonfiguration bei - Ausfall einer Slave-Einheit darstellt; und

Figur 2 eine schematische Darstellung eines Teilnehmers gemäß der Erfindung.

In der Automatisierungstechnik werden zunehmend Feldbussysteme eingesetzt, bei denen verteilt angeordnete Geräte der Ma- schinenperipherie mit Automatisierungs-, Engineerings- und

Visualisierungssystemen über einen Feldbus kommunizieren. Das Feldbussystem weist in der Regel einen seriellen Bus auf, welcher beispielsweise eine elektrische Leitung, ein Lichtleiter oder ein Radiokabel sein kann. An diesen Feldbus sind dann alle Busteilnehmer angeschlossen, wobei zwischen aktiven und passiven Busteilnehmern unterschieden wird. Die aktiven Busteilnehmer am Feldbussystem sind die Master-Einheiten, die

den Datenverkehr auf dem Bus bestimmen. Eine solche Master- Einheit ist zum Beispiel ein Industrie-PC, der als Prozess- leitrechner in einem Fertigungsverfahren dient. Diese Master- Einheit besitzt eine BusZugriffsberechtigung und kann Daten ohne externe Aufforderung auf den Feldbus ausgeben. Die passiven Busteilnehmer am Bussystem sind Maschinenperipheriege- räte, beispielsweise E/A-Geräte, Ventile, Antriebe und Messumformer. Sie dienen als Slave-Einheiten und erhalten keine Buszugriffsberechtigung, d.h. sie dürfen nur empfangene In- formationssignale quittieren oder auf Anfrage einer Master- Einheit Informationssignale an diese übermitteln.

Als Kommunikationsstandard zur Datenübertragung im Master- Slave-System wird vorzugsweise das Ethernet-Konzept einge- setzt. Bei Ethernet-Kommunikationssystemen werden die zu ü- bermittelnden Daten in Datenpaketen, im weiteren auch als Telegramme bezeichnet, mit einem vorgegebenen Format verkapselt. Die Ethernet-Telegramme können dabei eine Datenlänge von bis zu 1500 Bytes aufweisen, wobei zusätzlich zu den Nutzdaten Steuerdaten, die eine Anfangskennung, eine Ziel- und Quelladresse, den Datenpaket-Typ und einen Fehlermechanismus aufweisen, enthalten sind.

Ethernet-Kommunikationssysteme mit einer Master-Slave- Struktur sind bevorzugt so ausgelegt, dass die einzelnen Slave-Einheiten über das Übertragungsmedium zu einer Kette zusammengeschlossen sind, wobei jede Slave-Einheit mit zwei Nachbarn, der erste und der letzte Teilnehmer in der Kette dabei mit der Master-Einheit verbunden ist, so dass sich eine Ringstruktur ergibt. Die Datenübertragung erfolgt dabei in eine Richtung ausgehend von der Master-Einheit zur ersten benachbarten Slave-Einheit und von dort zur nächsten bis zur letzten Slave-Einheit und dann zurück zur Master-Einheit.

Um eine hohe Fehlertoleranz insbesondere bei einem Streckenfehler im Kommunikationssystem, d.h. dem Ausfall ganzer Übertragungsabschnitte mit Slave-Einheiten, z.B. durch Kabel-

bruch, zu gewährleisten, weisen die Kommunikationssysteme mit einer Master-Slave-Struktur oft zwei Kommunikationspfade auf, die gegenläufig zueinander arbeiten. Durch die gegenläufig arbeitende Doppelringstruktur besteht bei Streckenfehlern die Möglichkeit, Rekonfigurationsmaßnahmen im Kommunikationssys- tem auszuführen, um die Funktionsfähigkeit des Kommunikationssystems trotz Streckenfehler aufrecht zu erhalten.

Figur 1 zeigt in einem Prinzipschaltbild ein solches fehler- tolerantes Kommunikationssystem in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform. Das Kommunikationssystem weist eine Master- Einheit 1 auf, die über eine Doppelringstruktur 2 mit N SIa- ve-Einheiten 3 seriell verbunden ist. Die Doppelringstruktur umfasst zwei unidirektionale Kommunikationspfade 21, 22, die die angeschlossenen Slave-Einheiten 3 gegenläufig durchlaufen. Die Master-Einheit 1 ist über eine erste Sendeeinheit TXIl an den ersten Kommunikationspfad 21 als Datenauskoppel- .stelle und über eine zweite Sendeeinheit TX12 an den zweiten Kommunikationspfad 22 als Datenauskoppelstelle angeschlossen. Weiterhin weist die Master-Einheit 1 eine erste Empfangseinheit RX13 als Dateneinkoppelstelle für den ersten Kommunikationspfad 21 und eine zweite Empfangseinheit RX14 als Dateneinkoppelstelle für den zweiten Kommunikationspfad 22 auf. Die erste Sendeeinheit TXIl und die zweite Sendeeinheit TX12 sind über eine erste Steuerleitung 15 mit einer Sendesteuereinheit 16 verbunden. Die erste Empfangseinheit RX13 und die zweite Empfangseinheit RX14 sind über eine zweite Steuerleitung 17 und an eine Empfangssteuereinheit 18 angeschlossen.

Jede Slave-Einheit 3 wiederum weist zum Empfang von Telegrammen von einem vorherigen Teilnehmer über den ersten Kommunikationspfad 21 eine Schnittstelle mit einer ersten Empfangseinheit RX31 und zur Weitergabe an den nächsten Teilnehmer über den ersten Kommunikationspfad 21 eine Schnittstelle mit einer ersten Sendeeinheit TX32 auf. Weiterhin weist jede Slave-Einheit 3 zum Empfang eines umlaufenden Ethernet- Telegramms über den zweiten Kommunikationspfad 22 von einem

vorherigen Teilnehmer eine Schnittstelle mit einer zweiten Empfangseinheit RX33 und zur Weitergabe an den nachfolgenden Teilnehmer eine Schnittstelle mit einer zweiten Sendeeinheit TX34 auf. Zwischen die erste Empfangseinheit RX31, die zweite Empfangseinheit RX32, die erste Sendeeinheit TX33 und die zweite Sendeeinheit TX34 ist in jeder Slave-Einheit 3 weiterhin eine Verarbeitungseinheit 35 und eine aktivierbare Kopplungseinrichtung 37 geschaltet.

Das Prinzipschaltbild einer Slave-Einheit 3 ist in Figur 2 genauer dargestellt. In der Slave-Einheit 3 sind die erste Empfangseinheit RX31, die an den ersten Kommunikationspfad 21 angeschlossen ist, und die zweite Sendeeinheit TX34, die an den zweiten Kommunikationspfad 22 angeschlossen ist, als Port 0 gruppiert. Die zweite Empfangseinheit RX33, die an einen zweiten Kommunikationspfad 22 angeschlossen ist, und die erste Sendeeinheit TX32, die an den ersten Kommunikationspfad 21 angeschlossen ist, sind als Port 1 organisiert.

Die aktivierbare Kopplungseinrichtung 37 hat einen ersten Umschalter 38 und einen zweiten Umschalter 39 auf, die jeweils als 2-1-Multiplexer ausgelegt sind. Die Empfangs- und Sendeeinheit 31, 32, 33, 34, die Multiplexer 38, 39 der aktivierbaren Kopplungseinrichtung 37 und die Verarbeitungseinheit 35 sind dabei in der durch Pfeile in Figur 2 gezeigten Weise ü- ber ein Leitungsnetz 40 miteinander verschaltet.

Der Ausgang der ersten Empfangseinheit RX31 ist mit dem ersten Eingang des ersten Multiplexers 38 verbunden. Der zweite Eingang des ersten Multiplexers 38 ist an die zweite Empfangseinheit RX33 angeschlossen. Der Ausgang des ersten Multiplexers 38 ist weiterhin mit der Verarbeitungseinheit 35 verbunden. Der zweite Multiplexer 39 ist wiederum mit seinem ersten Eingang an die zweite Empfangseinheit RX 33 und mit seinem zweiten Eingang an den Ausgang der Verarbeitungseinheit 35 angeschlossen. Der Ausgang des zweiten Multiplexers 39 ist mit der zweiten Sendeeinheit TX34 verbunden. Außerdem

ist der Ausgang der Verarbeitungseinheit 35 noch über das Leitungsnetz 40 mit der ersten Sendeeinheit TX32 verbunden.

Beim störungsfreien Normalbetrieb des Kommunikationssystems, wie er in Figur IA gezeigt ist, übergibt die Sendesteuereinheit 16 des Master-Einheit an die erste Sendeeinheit TXlI und die zweite Sendeeinheit TX12 ein Telegramm, das dann von den beiden Sendeeinheiten gleichzeitig gegenläufig über den ersten Kommunikationspfad 21 und den zweiten Kommunikationspfad 22 geschickt wird. Die Telegramme durchlaufen dabei die angeschlossenen Slave-Einheiten 3 gegenläufig, wobei alle aktivierbaren Kopplungseinrichtungen 37 in den Slave-Einheiten 3 so geschaltet sind, dass der Eingang der Verarbeitungseinheit 35 mit der ersten Empfangseinheit RX31, der Ausgang der Ver- arbeitungseinheit 35 mit der ersten Sendeeinheit TX32 und die zweite Empfangseinheit RX33 mit der zweiten Sendeeinheit TX34 verbunden sind.

In diesem Betriebsmodus der Slave-Einheiten 3 sorgt die akti- vierbare Kopplungseinrichtung 37 dafür, dass die beiden gegenläufig im ersten Kommunikationspfad 21 und im zweiten Kommunikationspfad 22 zirkulierenden identischen Telegramme die Slave-Einheit immer so durchlaufen, dass nur die über den ersten Kommunikationspfad 21 übertragenen Telegramme durch die Verarbeitungseinheit 35 verarbeitet werden. Das auf dem zweiten Kommunikationspfad 22 umlaufende Telegramm wird dagegen durch die Slave-Einheiten 3 nur durchgereicht und trifft unverarbeitet wieder bei der Master-Einheit 1 ein. Die beiden über den ersten und zweiten Kommunikationspfad 21, 22 gegen- läufig zirkulierenden Telegramme werden dabei von der ersten Empfangseinheit RX13 und der zweiten Empfangseinheit RX14 der Master-Einheit 1 erkannt und über die zweite Steuerleitung 17 an die Empfangssteuereinheit 18 zur Auswertung weitergeleitet.

Bei der erfindungsgemäßen Auslegung wird also beim störungs ^¬ freien Normalbetrieb die aus den beiden 2-1-Multiplexern 38,

39 bestehende aktivierbare Kopplungseinrichtung 37 so gesteuert, dass von den beiden identischen Telegrammen die auf den beiden Kommunikationspfaden 21, 22 gleichzeitig, jedoch in entgegengesetzte Richtung zirkulieren, immer nur das TeIe- gramm auf dem ersten Kommunikationspfad 21 durch die Verarbeitungseinheit 35 der Slave-Einheiten 3 zum Verarbeiten geleitet wird. Das auf dem zweiten Kommunikationspfad 22 umlaufende Telegramm dient zur Redundanz und wird unverändert auf die Master-Einheit 1 rückgekoppelt.

Das erfindungsgemäße Kommunikationssystem mit einer Master- Slave-Struktur, bei der die Slave-Einheiten seriell mit der Master-Einheit über zwei gegenläufig arbeitende Doppelringstrukturen verbunden sind, wobei nur eine einzelne Verarbei- tungseinheit 35 in jeder Slave-Einheit 3 vorgesehen ist, besitzt weiterhin im Störfall, d.h. bei Auftreten eines Streckenfehlers, die Fähigkeit zur Rekonfiguration der Kommunikationspfade in den einzelnen Slave-Einheiten, um so die Funktionsfähigkeit des GesamtkommunikationsSystems aufrecht zu erhalten.

Figur IB zeigt einen Streckendoppelfehler zwischen der Slave- Einheit M und der Slave-Einheit M+l. Figur IC stellt einen Komplettausfall der Slave-Einheit M dar, was gleichbedeutend mit dem Auftreten von zwei Streckendoppelfehlern, einem zwischen Slave-Einheit M-I und der Slave-Einheit M und zwischen der Slave-Einheit M+l und der Slave-Einheit M ist. Beim Auftreten solcher Streckendoppelfehler wird die aktivierbare Kopplungseinrichtung 37 der Slave-Einheiten 3 so angesteuert, dass das entweder auf dem ersten Kommunikationspfad 21 oder dem zweiten Kommunikationspfad 22 eintreffende Telegramm auf dem jeweils anderen Kommunikationspfad an die Master-Einheit 1 rückgekoppelt wird, wobei das Telegramm vorher immer die Verarbeitungseinheit 35 der Slave-Einheit 3 durchläuft.

Bei dem in Figur IB gezeigten Streckendoppelfehler zwischen der Slave-Einheit M und der Slave-Einheit M+l erfolgt dies

so, dass die Slave-Einheiten 1 bis M-I und M+2 bis M sich im Normalbetrieb befinden, die Slave-Einheiten M und M+l dagegen rekonfiguriert werden. Bei dem in Figur IC gezeigten Fehlerfall, bei dem Slave-Einheit M total ausfällt, befinden sich die Slave-Einheiten 1 bis M-2, sowie die Slave-Einheiten M+2 bis M im Normalbetrieb. Die Slave-Einheiten M-I und M+l dagegen werden rekonfiguriert.

Die Rekonfiguration wird dabei vorzugsweise durch die beiden Ports 0 und 1 in den Slave-Einheiten 3 ausgelöst. Diese beiden Ports 0 und 1 erkennen durch ein bekanntes Erkennungsverfahren, ob die Slave-Einheit mit einer angrenzenden Slave- Einheit kommunizieren kann. Wenn ein Streckenfehler vom Port 0 oder Port 1 erkannt ist, wird dann ein entsprechender Fehlerbetrieb durchgeführt und die aktivierbare Kopplungseinrichtung 34 der Slave-Einheit in der gewünschten Weise angesteuert.

Beim Fehlerbetrieb des Ports 1, wie er beim in Figur IB ge- zeigten Streckendoppelfehler in der Slave-Einheit M bzw. beim in Figur IC gezeigten Geräteausfall in der Slave-Einheit M-I auftritt, wird die aktivierbare Kopplungseinrichtung 37 so angesteuert, dass der Eingang der Verarbeitungseinheit 35 mit der ersten Empfangseinheit RX31 und der Ausgang der Verarbei- tungseinheit 35 mit der zweiten Sendeeinheit TX34 verbunden ist. Das auf dem ersten Kommunikationspfad 21 umlaufende Telegramm wird so über die Verarbeitungseinheit 35 auf den zweiten Kommunikationspfad 21 rückgekoppelt. Bei der in Figur 2 gezeigten Auslegung der aktivierbaren Kopplungseinrichtung 37 in der Slave-Einheit 3 mit dem ersten Multiplexer 38 und dem zweiten Multiplexer 39 erfolgt dies so, dass der zweite Eingang des zweiten Multiplexers 39 auf seinen Ausgang geschaltet wird. Der erste Multiplexer 38 dagegen verbleibt im Normalbetrieb .

Beim Fehlerbetrieb des Ports 0 in der Slave-Einheit 3, d.h. dann, wenn die erste Empfangseinheit RX31 und/oder die zweite

Sendeeinheit TX34 eine Unterbrechung des Kommunikationspfads zur benachbarten Slave-Einheit erkennt, was bei dem in Figur IB gezeigten Streckendoppelfehler im Slave M+l und bei dem in Figur IC gezeigten Geräteausfall im Slave M+l auftritt, wird die aktivierbare Kopplungseinrichtung 34 in der Slave-Einheit 3 so angesteuert, dass der Eingang der Verarbeitungseinheit 35 mit der zweiten Empfangseinheit RX33 und der Ausgang der Verarbeitungseinheit 35 mit der ersten Sendeeinheit TX32 verbunden wird, so dass das auf dem zweiten Kommunikationspfad 22 durchlaufende Telegramm nach Verarbeitung in der Verarbeitungseinheit 35 auf dem ersten Kommunikationspfad 21 zur Master-Einheit 1 rückgekoppelt wird. Bei der in Figur 2 gezeigten Ausführung der aktivierbaren Kopplungseinrichtung 34 erfolgt dies so, dass der erste Multiplexer 38 seinen zweiten Eingang auf seinen Ausgang aufschaltet, wohingegen der zweite Multiplexer 39 im Normalbetrieb verbleibt.

Mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ist es somit möglich, auf einfache Weise bei einer Slave-Einheit mit nur ei- ner Verarbeitungseinheit mithilfe einer Doppelringstruktur und einer aktivierbarer Kopplungseinrichtung Rekonfigurati- onsmaßnahmen im Kommunikationssystem vorzunehmen, um bei Streckenfehler die Funktionsfähigkeit des Kommunikationssystems zu gewährleisten, wobei das Verhalten der Slave- Einheiten bezogen auf die Telegrammverarbeitung im Redundanzfall sich nicht von der im Normalbetrieb unterscheidet.

Die erfindungsgemäße Vorgehensweise ermöglicht es neben dem in den Figuren IB und IC gezeigten Streckendoppelfehler, bei dem die beiden Kommunikationspfade zum benachbarten Teilnehmer unterbrochen sind, auch Streckeneinfachfehler, bei dem nur ein Kommunikationspfad unterbrochen ist, zu erkennen und durch entsprechendes Rekonfigurieren der an die Fehlerstelle angrenzenden Teilnehmer die Funktionsfähigkeit des Kommunika- tionssystems aufrecht zu erhalten.

In den Slave-Einheiten 3 ist auch immer nur eine Verarbeitungseinheit 35 vorgesehen, so dass im Vergleich zu Slave- Einheiten mit zwei Verarbeitungseinheit keine Entscheidung getroffen werden muss, welche Verarbeitungseinheit für die Telegrammverarbeitung zuständig ist.

Um eine hohe Fehlertoleranz des Kommunikationssystems bei niedrigem Hardware-Aufwand insbesondere auch in der Master- Einheit 1 zu erreichen, wird die Verarbeitung der gegenläufig auf dem ersten Kommunikationspfad 21 und dem zweiten Kommunikationspfad 22 umlaufenden Telegramme so ausgeführt, dass sich die Verarbeitung beim störungsfreien Normalbetrieb von der beim Fehlerbetrieb, bei dem die Funktionsfähigkeit des Kommunikationssystems bei Streckenfehlern durch Rekonfigura- tion von einzelnen Slave-Einheiten aufrecht erhalten wird, nicht wesentlich unterscheidet. Die Slave-Einheit kann in der erfindungsgemäßen Weise ausgelegt sein. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit Slave-Einheiten mit einem anderen Schaltaufbau, der sich im Rahmen eines Master-Slave-Systems mit einer Doppelringstruktur verwenden lässt, einzusetzen.

Erfindungsgemäß werden in der Master-Einheit 1 die beiden von der ersten Empfangseinheit RX13 auf dem ersten Kommunikationspfad 21 und von der zweiten Empfangseinheit RX14 auf dem zweiten Kommunikationspfad 22 in der Master-Einheit 1 empfangenen Telegramme in der Empfangssteuereinheit 18 überlagert, um so ein einzelnes Telegramm herzustellen. Dies geschieht vorzugsweise dadurch, dass die Nutzdaten der beiden Telegramme bitweise verodert werden.

Weiterhin weisen die Telegramme im Steuerdatenbereich jeweils ein Zählerfeld auf, dessen Wert ausgewertet, vorzugsweise aufaddiert wird, um den Betriebszustand im Kommunikationssystem, insbesondere das Auftreten eines Streckenfehlers, fest- zustellen. Dies erfolgt erfindungsgemäß so, dass die Sendesteuereinheit 16 der Master-Einheit 1 an die erste Sendeeinheit TXIl und die zweite Sendeeinheit TX12 jeweils ein iden-

tisches Telegramm mit einem Datenfeld und einem auf einen vorgegebenen Wert gesetzten Zählerfeld zum getrennten gegenläufigen Senden auf dem ersten Kommunikationspfad 21 und dem zweiten Kommunikationspfad 22 übergibt. Die Verarbeitungsein- heit 35 jeder angeschlossenen Slave-Einheit 3 ist weiterhin so ausgelegt, dass beim Durchlauf des Telegramms der Wert des Zählerfeldes um einen vorgegebenen Wert verändert wird. In der Empfangssteuereinheit 18 werden dann jeweils der Wert des Zählerfeldes der beiden von der ersten Empfangseinheit RX13 auf dem ersten Kommunikationspfad 21 und von der zweiten Empfangseinheit RX14 auf dem zweiten Kommunikationspfad 22 empfangenen Telegramme ausgewertet. Aus den Werten der beiden Zählerfelder kann dann durch einfaches Aufaddieren festgestellt werden, ob alle angeschlossenen Slave-Einheiten aktiv sind.

Bevorzugt geschieht dies so, dass das Zählerfeld des Telegramms beim gegenläufigen Senden auf den Wert 0 gesetzt wird und jede Verarbeitungseinheit 35 beim Durchlauf des TeIe- gramms durch die Slave-Einheit 3 den Wert des Zählerfeldes um 1 erhöht. Da durch die erfindungsgemäße Auslegung der Teilnehmer sowohl im Normalbetrieb als auch im Fehlerbetrieb bei Rekonfiguration der Teilnehmerschaltung immer nur ein Telegramm durch die Verarbeitungseinheit verarbeitet wird, gibt der addierte Wert der Zählerfelder der beiden auf die Master- Einheit 1 rückgekoppelten Telegramme die Anzahl der aktiven Teilnehmer an. Es kann somit ermittelt werden, ob alle angeschlossenen Teilnehmer aktiv sind oder ob ein Totalausfall eines Teilnehmers, z.B. durch zweifachen Streckendoppelfeh- ler, wie in Figur IC gezeigt, aufgetreten ist. Außerdem kann durch Vergleich der Werte in den beiden Zählerfeldern unter Zugrundelegen der bekannten Anzahl von angeschlossenen Slave- Einheiten die genaue Position des Streckenfehlers, z.B. das Auftreten zwischen der Slave-Einheit M und der Slave-Einheit M+l in Figur IB, festgestellt werden.

Ein fehlertoleranter Betrieb des Kommunikationssystems, insbesondere auch bei Rekonfiguration _. des Kommunikationssystems durch Verändern des Signallaufs in den Teilnehmern bei Auftreten eines Streckenfehlers wird weiterhin dadurch erreicht, dass die beiden identischen, gegenläufig auf dem ersten Kommunikationspfad 21 und dem zweiten Kommunikationspfad 22 umlaufenden Telegramme so ausgelegt sind, dass im Nutzdatenfeld jeder angeschlossenen Slave-Einheit ein Datenbereich zugeordnet ist. Die Verarbeitungseinheit 35 jeder Slave-Einheit 3 führt mit dem durchlaufenden Telegramm einen Datenaustausch in dem zugeordneten Datenbereich durch. In der EmpfangsSteuereinheit 18 der Master-Einheit 1 werden dann die Nutzdatenfelder der beiden von der ersten Empfangseinheit RX13 auf dem ersten Kommunikationspfad 21 und von der zweiten Empfangsein- heit RX14 auf dem zweiten Kommunikationspfad 22 empfangenen

Telegramme überlagert, so dass sich ein gemeinsames Telegramm ergibt. Dieses überlagerte Telegramm ist immer gleich, egal ob das Kommunikationssystem sich im Normalbetrieb oder im Fehlerbetrieb bei Auftreten eines Streckenfehlers befindet, solange noch alle Slave-Einheiten 3 aktiv sind.

Beim Lesebetrieb, dann, wenn die Slave-Einheiten 3 Daten zur Master-Einheit 1 übertragen sollen, wird von der Sendesteuereinheit 16 der Master-Einheit 1 über die erste Steuerleitung 15 den beiden Sendeeinheiten TXIl, TX12 ein Telegramm übergeben, das im gesamten Nutzdatenfeld auf den Wert O gesetzt ist. Die Verarbeitungseinheiten 35 der Slave-Einheiten 3 schreiben dann in die zugeordneten Nutzdatenbereichen die gewünschten Daten ein. Die Empfangssteuereinheit 18 der Master- Einheit 1 verodert anschließend die Nutzdatenfelder der beiden von der ersten Empfangseinheit RX13 auf dem ersten Kommunikationspfad 21 und von der zweiten Empfangseinheit RX 14 auf dem zweiten Kommunikationspfad 22 empfangenen Telegramme, um ein gemeinsames Telegramm zu bilden. Unbesehen davon, ob das Kommunikationssystem sich im Normalbetrieb oder im Rekon- figurationsbetrieb befindet, enthält das veroderte Telegramm

immer alle von der Master-Einheit 1 angeforderten Daten der angeschlossenen Slave-Einheiten 3.

Beim Schreibbetrieb dagegen, dann, wenn die Master-Einheit 1 über die erste Steuerleitung 15 z.B. Steuerbefehle auf die Slave-Einheiten 3 übertragen möchte, übergibt die Sendesteuereinheit 16 der Master-Einheit 1 an die Sendeeinheiten TXIl, TX12 ein Telegramm mit einem Nutzdatenfeld, das die zu den Slave-Einheiten 3 zu übertragenden Daten enthält, zum gleich- zeitigen gegenläufigen Senden auf den beiden Koπαnunikations- pfaden 21, 22. Die Verarbeitungseinheiten 35 der Slave- Einheiten 3 entnehmen dann, gleichgültig, ob sie sich im Normalbetrieb oder im Rekonfigurationsbetrieb befinden, die zugeordneten Daten aus dem Telegramm. Ein Verodern der Nutz- datenfelder der beiden auf die Master-Einheit 1 rückgekoppelten und von der ersten Empfangseinheit RX13 und zweiten Empfangseinheit RX14 empfangenen Telegramme ist dann prinzipiell nicht mehr erforderlich. Ein solcher Veroder-Vorgang führt zu einem gemeinsamen Telegramm mit einem Nutzdatenfeld, das dem Nutzdatenfeld des gesendeten Telegramms entspricht.

Mit der erfindungsgemäßen Auslegung des Master-Slave- Kommunikationssystems besteht bei beliebiger Ausgestaltung der einzelnen Slave-Einheit, insbesondere jedoch dann, wenn die Slave-Einheiten auf die erfindungsgemäße Weise aufgebaut sind und betrieben werden, für die Master-Einheit auf einfache Weise die Möglichkeit, die Störungsfreiheit im Kommunikationssystem insbesondere auch bei einer Rekonfiguration des Signallaufs in der Doppelringstruktur nach Auftreten eines Streckenfehlers festzustellen. Weiterhin ist im Kommunikati- onssystem auch im redundanten Fall, also dann, wenn im Kommunikationssystem einzelne Teilnehmer auf Fehlerbetrieb umgeschaltet haben, ein zuverlässiger Lese- und Schreibbetrieb durch Überlagerung der Nutzdatenfelder der beiden rückgekop- pelten Telegramm gewährleistet.