WO2002075992A2 - System und verfahren zur einführung von redundanzmechanismen in ein kommunikationssystem - Google Patents

System und verfahren zur einführung von redundanzmechanismen in ein kommunikationssystem Download PDF

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Michael Franke
Martin Kiesel
Karl-Heinz Krause
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • G05B2219/20—Pc systems
    • G05B2219/24—Pc safety
    • G05B2219/24175—Redundant communication channel, if one fails use the other

Definitions

  • the invention relates to a system and method for introducing redundancy mechanisms in a communication system
  • a method for synchronizing local timers of an automation system is known.
  • a local timer is synchronized with time information which is formed from the time information from a central timer and a correction corresponding to the transmission and processing time.
  • the time information is only transmitted by a transmission unit belonging to the central timer if it differs from the current time by less than a predetermined amount.
  • a disadvantage of this previously known method is that if the central timer fails or if the bus line to the central timer is interrupted, the local timers can no longer be synchronized.
  • DE 197 03 963 AI discloses a method for exchanging data between decentralized electronic assemblies.
  • An assembly is used as the clock generator and without a redundancy mechanism.
  • bus systems for data exchange between two or more electronic assemblies or devices are known from the prior art, in particular also for use in automation systems.
  • Examples of such communication systems are: Fieldbus, Profibus, Ethernet, Industrial Ethernet, FireWire or even PC-internal bus systems (PCI).
  • PCI PC-internal bus systems
  • Synchronous, clocked communication systems with equidistance properties are known in particular from automation technology.
  • This is understood to be a system of at least two participants, which are connected to one another via a data network for the purpose of the mutual exchange of data or the mutual transmission of data.
  • the data exchange takes place cyclically in equidistant communication cycles, which are specified by the communication clock used by the system.
  • Participants are, for example, central automation devices, programming, configuration or operating devices, peripheral devices such as Input / output modules, drives, actuators, sensors, programmable logic controllers (PLC) or other control units, computers or machines that exchange electronic data with other machines, in particular process data from other machines.
  • control units are understood to mean any type of regulator or control unit.
  • An equidistant, deterministic, cyclical data exchange in communication systems is based on a common clock or time base of all components involved in the communication. components.
  • the clock or time base is transferred from an excellent component (beater) to the other components.
  • the clock or the time base is specified by a synchronization master by sending synchronization telegrams.
  • the beat or time base for the remaining components involved in the communication fails.
  • the object of the invention is to prevent the loss of the clock or time base for the remaining components involved in the communication.
  • a redundancy mechanism for the clock synchronization is produced in such a way that the clock is transmitted on a disjoint path by a clock racket. This principle can be used both when using only one racket and when using more than one racket. If there is an interruption in one of the paths, the corresponding data telegrams from the clockbeater are fed into the subnetworks that were created as a result of the interruption.
  • a redundancy mechanism is introduced in which a plurality of beaters each with a different priority in the
  • the clockbeater with the highest priority also synchronizes all other clockbeaters, so that the clock signals from clockbeaters and from spare clockbeaters are almost identical in normal operation.
  • the available beat with the next lower priority is then automatically selected as the beat for a specific node in the communication system. This selection can be made in such a way that each beat's data telegram also includes its priority.
  • a node in the communication system can then select the data telegram of the highest priority beat.
  • the priorities can be fixed or the priorities can be reassigned if one of the beaters fails.
  • a replacement clockbeat can be selected by configuring the communication system accordingly. It is particularly advantageous if the beaters can have information about the beaters present or configured in the system, so that the prioritization takes place, for example, via the configuration.
  • the nodes of the communication system to be synchronized either only the highest priority clock signal that is available at the node in question is used, or a clock signal weighted from several or all of the clock signals available at a node is generated.
  • the weighting can be generated by averaging the individual clock signals or by another type of filtering.
  • the invention allows the introduction of a redundancy mechanism in a communication system by means of the simultaneous use of several clock beaters or by means of a mechanism for activating spare clock beaters in the event of a malfunction.
  • the increase in the availability of such systems that can be achieved with the invention is particularly advantageous because the failure of a single component (beater) or a connection path does not lead to the failure of the overall system.
  • This advantage according to the invention is particularly important in an application for packaging machines, presses, plastic injection machines, textile machines, printing machines, machine tools, robots, handling systems, wood processing machines, glass processing machines, ceramic processing machines and lifting equipment.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a first embodiment of a communication system according to the invention
  • FIG. 3 shows a block diagram of a second preferred embodiment of a communication system according to the invention with at least one spare clock beat
  • FIG. 4 shows a flowchart of a second embodiment of the method according to the invention with at least one spare clock beat
  • FIG. 5 shows a flowchart of a further embodiment of the method according to the invention with replacement clock beaters.
  • Each of the nodes 1 to 5 contains a device component of the communication tion network such as a beat or a control unit.
  • the component of the node 1 is a clock which generates data telegrams for the synchronization of the components of the further nodes 2 to 5. These data telegrams are transmitted in the communication system via lines 6 to 10, which connect the individual nodes 1 to 5 with one another.
  • the data telegrams are transmitted to nodes 4 and 5 via lines 8 and 9. Furthermore, the nodes 3 and 4 are connected to one another via a line 10. Lines 8, 9 and 10 form a path P 2 , to which the set M 2 of nodes 4 and 5 belongs.
  • the two paths Pi and P 2 are connected to one another at their end points by the line 10 of the path P 2 . Due to the resulting ring topology, both the data telegram of the clockbeater of the node 1 sent via the path Pi and the path P 2 can be received in each of the nodes 2 to 5.
  • the relevant component in a node can then only use the data telegram for synchronization that has been sent out via the path to which the relevant component belongs - in the case of node 2, this means that the component of node 2 only the data telegram of the beat of node 1 evaluates which has been received via line ⁇ .
  • a component it is also possible for a component to use both data telegrams for synchronization, that is to say both the data telegram of the path to which the component belongs and the data telegram of the other path, for example by using one of the two data telegrams for synchronization weighted or filtered signal is generated.
  • the nodes 2 to 5 of the communication system are supplied with data telegrams for synchronization via the sub-networks resulting in this way, that is to say the component of the node 2 receives a data telegram from the clock beat of the node 1 via the line 6 and the components 4 and 5 receive a data telegram via lines 8 and 9 of path P 2 .
  • the partial path P ⁇ 2 consisting of the node 3 is connected to the path P 2 , so that the component of the node 3 receives a data telegram for synchronization, despite the line 7 being severed.
  • the disjoint paths Pi and P 2 thus ensure that the communication system can continue to work even in the event of a line cut. 2 shows a corresponding flow chart.
  • data telegrams are transmitted from a clockbeater of the communication system via disjoint paths.
  • the data telegrams are transmitted via the path Pi to nodes of the communication system of the set Mi and via a path P 2 to nodes of the set M 2 .
  • the paths Pi and P 2 are disjoint and preferably have the same end point or are connected to one another at their end points via a line.
  • step 21 An error occurs in step 21.
  • the path P x is interrupted by the fault.
  • the path Pi breaks down into two partial paths P and P ⁇ 2 .
  • the partial path Pn has a direct connection to the node of the communication system, which contains the bat.
  • This subpath Pn has a subset Mn of nodes of the set Mi.
  • the sub-path P ⁇ 2 has no direct connection to the node of the communication network with the clockbeater and contains a subset M i2 of nodes of the set Mi.
  • the sub-path P 12 has a connection to the path P 2 .
  • step 22 the beat rack transmits a data telegram via the partial path Pu to the nodes of the set Mn.
  • a linked path Pverr which consists of the interconnected paths P 2 and P ⁇ 2 .
  • the beater transmits the corresponding data telegram to the nodes of the union of the sets M 2 and M i2 via this linked path.
  • the resulting paths Pn and P ver are also disjoint, but have no common end point or a connection between their end points.
  • 3 shows an alternative embodiment of a communication system according to the invention.
  • the communication system of FIG. 3 includes nodes 11 to 15, which are connected to one another via lines 16 to 19. There is a beat in at least two different nodes of the communication system; 3 is the nodes 11 and 15.
  • the nodes 11 and 15 beats have different priorities.
  • the beat of node 11 is the highest priority beat and the beat of node 15 is a low priority beat, which is also referred to as a spare beat.
  • both the clock beat of node 11 and the spare clock beat of node 15 are active and send corresponding data telegrams.
  • the priority is a property of the respective bat and is statically determined when the communication system is parameterized and / or can be dynamically adapted to the respective situation.
  • the respective priority is known to the components to be synchronized and / or is transmitted together with the data telegram of the clock signal. All components exclusively use the clock signal of the highest priority and indeed also the spare clock beater (s) for their synchronization with the highest priority beater.
  • the clock beats of nodes 11 and 15 each send data telegrams for synchronization.
  • the respective data telegrams contain an identifier from which the priority of the beat rack that sent the data telegram results.
  • the components in nodes 12, 13 and 14 each receive two data telegrams with different priorities, which result from the respective identifier contained in the data telegram.
  • the component in question can then select the data telegram from the higher-priority beater and only use this for synchronization.
  • the component can also take both data telegrams into account and, by filtering, for example weighting the corresponding synchronization data, generate a signal for the synchronization of the local clock signal of the component.
  • the beat in node 11 fails.
  • the synchronizing components of the nodes 12, 13 and 14 only receive data telegrams for the synchronization from the substitute beat of node 15, which due to the failure of the beat of node 11 is also the remaining beat of the communication system and thus becomes the highest priority beat , Because of this, the replacement clockbeat replaces the failed clockbeater.
  • only the highest priority clockbeater transmits in normal operation, that is to say the clockbeater of the node 11.
  • the data signals sent by the clockbeater of the node 11 are also received by the replacement clockbeater of the node 15.
  • the substitute beat in node 15 no longer receives a clock signal. After a configurable number of communication cycles, the replacement clockbeater of the node 15 then starts operating and sends data telegrams for synchronization to the components of the network to be synchronized.
  • the cycles between the failure of the highest priority clockbeater of the node 11 until the start of operation by the replacement clockbeater of the node 15 are bridged by the internal clock generation in the components.
  • the transition from the synchronization by means of the data telegrams received from the main clockbeater to a synchronization based on data telegrams from the substitute clockbeater or from the internal clock to the clock of the substitute clockbeater is controlled or regulated by algorithms using historical values without a jump.
  • FIG. 4 shows a flow diagram of a further embodiment of the method according to the invention.
  • Step 40 concerns normal operation.
  • Several clock beaters Ti to T n each send data telegrams to the network.
  • the individual beaters have different priorities, which means that each priority only occurs once in the communication system.
  • the beater i is the beater with the highest priority and the beater T n is the beater with the lowest priority, the priorities of the beaters T 2 to T n - ⁇ decreasing linearly with their running index, for example.
  • the individual data telegrams of the beaters contain an identifier from which the priority of the corresponding beater can be recognized for each node in the communication system. For example, each node only takes into account the data telegram for the synchronization originating from the highest priority clockbeater Ti. This also applies in particular to the low-priority beaters T 2 to T n , which in turn synchronize themselves with the highest-priority beater Ti by means of its data telegrams.
  • step 41 there is a failure of the highest priority clock i due to a defect in the clock Ti and / or a line interruption which disconnects the clock Ti from at least some of the nodes of the communication system.
  • step 42 the node Ki first checks whether a Receiving data telegrams from the clockbeater with the next lower priority, that is, the clockbeater T 2 is present. If this is the case, this beater T 2 is selected by the node Ki in step 43 as a beater for the further synchronization.
  • step 44 it is checked for beats T j in order of decreasing priorities by the node Ki whether a data telegram can be received from the beats T j in question. If this is the case, the clock beat Tj in question is selected in step 45 for the further synchronization.
  • step 46 it is finally checked in step 46 with regard to the clock pulse T n with the lowest priority whether a data telegram can be received in the node Ki from this lowest priority clock pulse T n . If this is the case, this beat is selected in step 47 by the node Ki for further synchronization. If the opposite is the case, the failure of the node Ki in question is reported in step 48, in which, for example, a signal lamp comes on.
  • the tests 42 and 46 in the nodes of the communication system can result in different results for the nodes in question, that is to say a different selection of beats.
  • the communication network can break down into subnetworks due to one or more line interruptions, which are then supplied by different spare clock beats of different priority. It is particularly advantageous that the selection of replacement clock beats is made decentrally in the individual nodes.
  • Figure 5 shows a flow diagram of another preferred one
  • Step 50 relates to normal operation.
  • the highest priority beater for example beater i
  • each of which has a priority falling from T 2 to T n there are further beaters T 2 to T n , each of which has a priority falling from T 2 to T n .
  • These spare clock beats receive the data telegrams from the highest priority clock beat Ti as well as the other components of the communication system in the nodes of the network.
  • the replacement clock beaters do not send any data telegrams for synchronization.
  • the components of the nodes of the network use the data telegram from the highest priority clockbeat Ti for the synchronization of the corresponding local clock signal in step 51. This also applies to the spare clockbeats, which keep their respective internal oscillator in sync with that of the main clockbeater i.
  • step 52 a malfunction occurs in that the clockbeat fails due to a defect and / or a line break for at least some of the nodes in the network.
  • a replacement clock beat can then be activated for the relevant nodes in the network.
  • a clock racer Tj checks from the set of substitute clock racers T 2 to T n whether it receives a data telegram from a higher priority substitute racquet after no more data telegrams have been received from the main clock racer Ti after a dead time. If so, the beater Tj uses that Data telegram of the higher priority clockbuster for the synchronization of its internal oscillator in step 54.
  • this beat device T j activates itself automatically in step 55 by sending data messages for synchronization.
  • This clock beat T j then serves as a spare clock beat for synchronization, at least for a subnetwork.
  • the invention is a system and method for introducing redundancy mechanisms in a communication system with the following steps:
  • This is also a method for synchronizing nodes of a communication system, in particular an automation system, and a corresponding computer program and system.

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Abstract

System und Verfahren zur Einführung von Redundanzmechanismen in ein Kommunikationssystem mit folgenden Schritten: a) Übertragung eines Datentelegramms für die Synchronisation von einem Taktschläger über disjunkte Pfade zu den Knoten; b) im Fall einer Unterbrechung der Übertragung in einem der disjunkten Pfade: i) Übertragung des Datentelegramms von dem Taktschläger über einen ersten Teilpfad des unterbrochenen Pfades; und ii) Übertragung des Datentelegramms von dem Taktschläger über den nicht unterbrochenen Pfad und von dort über einen zweiten Teilpfad des unterbrochenen Pfads.

Description

Beschreibung
System und Verfahren zur Einführung von Redundanzmechanismen in ein Kommunikationssystem
Die Erfindung betrifft ein System und Verfahren zur Einführung von Redundanzmechanismen in ein Kommunikationssystem
Aus der DE 42 15 380 AI ist ein Verfahren zum Synchronisieren von lokalen Zeitgebern eines Automatisierungssystems bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein lokaler Zeitgeber mit einer Zeitinformation synchronisiert, die aus der Zeitinformation eines zentralen Zeitgebers sowie einer der Übertragungs- und Verarbeitungszeit entsprechenden Korrektur gebildet ist. Die Zeitinformation wird von einer dem zentralen Zeitgeber zugehörigen Übertragungseinheit nur dann übertragen, wenn diese von der aktuellen Zeit um weniger als einen vorgegebenen Betrag abweicht. Nachteilig bei diesem vorbekannten Verfahren ist, dass, wenn es zu einem Ausfall des zentralen Zeitgebers kommt oder wenn die Busleitung zu dem zentralen Zeitgeber unterbrochen wird, keine Synchronisation der lokalen Zeitgeber mehr erfolgen kann.
Aus der DE 197 03 963 AI ist ein Verfahren zum Austauschen von Daten zwischen dezentral anordenbaren elektronischen Baugruppen bekannt. Dabei wird eine Baugruppe als Takterzeuger verwendet und zwar ohne einen Redundanzmechanismus.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene standardisierte Kommunikationssysteme, auch Bussysteme genannt, zum Datenaustausch zwischen zwei oder mehreren elektronischen Baugruppen bzw. Geräten bekannt, insbesondere auch für den Einsatz in Automatisierungssystemen. Beispiele für solche Kommunikationssysteme sind: Feldbus, Profibus, Ethernet, Industrial Ethernet, FireWire oder auch PC-interne Bussysteme (PCI) . Diese Bussysteme sind jeweils für unterschiedliche Anwendungsfelder konzipiert bzw. optimiert und erlauben den Aufbau eines dezentralen Steuerungssystems. Für die Prozesssteuerung und - Überwachung in der automatisierten Fertigung und insbe- sondere bei digitalen Antriebstechniken sind sehr schnelle und zuverlässige Kommunikationssysteme mit vorhersagbaren Reaktionszeiten erforderlich.
Mit parallelen Bussystemen, wie beispielsweise SMP, ISA, PCI oder VME, ist eine sehr schnelle und einfache Kommunikation zwischen verschiedenen Baugruppen aufbaubar. Diese bekannten Bussysteme finden ihren Einsatz dabei insbesondere in Rechnern und PCs .
Insbesondere aus der Automatisierungstechnik sind synchrone, getaktete Kommunikationssysteme mit Äquidistanz-Eigenschaften bekannt. Hierunter versteht man ein System aus wenigsten zwei Teilnehmern, die über ein Datennetz zum Zweck des gegenseitigen Austauschs von Daten bzw. der gegenseitigen Übertragung von Daten miteinander verbunden sind. Dabei erfolgt der Datenaustausch zyklisch in äquidistanten Kommunikationszyklen, die durch den vom System verwendeten Kommunikationstakt vorgegeben werden. Teilnehmer sind beispielsweise zentrale Automatisierungsgeräte, Programmier-, Projektierungs- oder Be- diengeräte, Peripheriegeräte wie z.B. Ein- / Ausgabe- Baugruppen, Antriebe, Aktoren, Sensoren, speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) oder andere Kontrolleinheiten, Computer, oder Maschinen, die elektronische Daten mit anderen Maschinen austauschen, insbesondere Daten von anderen Maschinen verarbeiten. Unter Kontrolleinheiten werden im folgenden Regler- oder Steuerungseinheiten jeglicher Art verstanden.
Ein äquidistanter deterministischer zyklischer Datenaustausch in Kommunikationssystemen basiert auf einer gemeinsamen Takt- bzw. Zeitbasis aller an der Kommunikation beteiligten Kompo- nenten. Die Takt- bzw. Zeitbasis wird von einer ausgezeichneten Komponente (Taktschläger) zu den anderen Komponenten übertragen. Bei einem Isochronen Realtime-Ethernet wird der Takt bzw. die Zeitbasis von einem Synchronisationsmaster durch das Senden von Synchronisationstelegrammen vorgegeben. Bei einem Ausfall der Komponente Taktschläger oder eines Verbindungspfades des Taktschlägers fällt die Takt- bzw. Zeitbasis für die restlichen an der Kommunikation beteiligten Komponenten aus. Aufgabe der Erfindung ist es, den Verlust der Takt- bzw. Zeitbasis für die restlichen an der Kommunikation beteiligten Komponenten zu verhindern.
Das der Erfindung zu Grunde liegende Problem wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche jeweils gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Redundanzmechanismus für die Taktsynchronisation so hergestellt, dass von einem Taktschläger der Takt auf disjunkten Pfaden übertragen wird. Dieses Prinzip kann sowohl bei der Verwendung nur eines Taktschlägers als auch bei Verwendung mehrerer Taktschläger angewandt werden. Kommt es zu einer Unterbrechung in einem der Pfade, so werden die entsprechenden Datentelegramme des Takt- Schlägers in die aufgrund der Unterbrechung entstandenen Teilnetze eingespeist.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Redundanzmechanismus eingeführt, in dem mehrere Taktschläger jeweils mit unterschiedlicher Priorität in dem
Kommunikationssystem vorhanden sind. Dabei synchronisiert der Taktschläger mit der höchsten Priorität auch alle anderen Taktschläger, so dass die Taktsignale von Taktschlägern und von Ersatztaktschlägern im Normalbetrieb nahezu identisch sind. Bei Ausfall des höchstprioren Taktschlägers wird dann automatisch der jeweils verfügbare Taktschläger mit der nächst niedrigeren Priorität als Taktschläger für einen bestimmten Knoten in dem Kommunikationssystem ausgewählt. Diese Auswahl kann so erfolgen, dass in jedem Datentelegramm eines Taktschlägers auch dessen Priorität beinhaltet ist. Anhand der Priorität kann dann ein Knoten in dem Kommunikationssystem, das Datentelegramm des höchstprioren Taktschlägers auswählen. Dabei können die Prioritäten fest zugeordnet sein oder die Prioritäten können etwa bei einem Ausfall eines der Taktschläger neu vergeben werden.
Beispielsweise kann die Auswahl eines Ersatztaktschlägers bei einem Ausfall des höchstprioren Taktschlägers über eine ent- sprechende Projektierung des Kommunikationssystems erfolgen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Taktschläger über Informationen über die im System vorhandenen bzw. projektierten Taktschläger verfügen können, so dass die Priorisierung beispielsweise über die Projektierung erfolgt.
In den zu synchronisierenden Knoten des Kommunikationssystems wird entweder immer nur das höchstpriore Taktsignal verwendet, welches an dem betreffenden Knoten verfügbar ist, oder es wird ein aus mehreren oder allen an einem Knoten verfügba- ren Taktsignalen gewichtetes Taktsignal generiert. Die Ge- wichtung kann durch Mittelwertbildung der einzelnen Taktsignale oder durch eine andere Art der Filterung generiert werden.
Die Erfindung erlaubt die Einführung eines Redundanzmechanismus in ein Kommunikationssystem mittels der gleichzeitigen Verwendung mehrerer Taktschläger bzw. mittels eines Mechanismus zur Aktivierung von Ersatztaktschlägern bei einem Störfall. Besonders vorteilhaft ist dabei die mit der Erfindung erreichbare Erhöhung der Verfügbarkeit solcher Systeme, da der Ausfall einer einzelnen Komponente (Taktschläger) oder eines Verbindungspfades nicht zum Ausfall des Gesamtsystems führt .
Dieser erfindungsgemäße Vorteil ist besonders bei einer Anwendung für Verpackungsmaschinen, Pressen, Kunststoffspritz- maschinen, Textilmaschinen, Druckmaschinen, Werkzeugmaschinen, Roboter, Handlingsystemen, Holzverarbeitungsmaschinen, Glasverarbeitungsmaschinen, Keramikverarbeitungsmaschinen so- wie Hebezeugen von Bedeutung.
Im Weiteren werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
FIG 1 ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kommunikationssystems,
FIG 2 ein Flussdiagramm einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
FIG 3 ein Blockdiagramm einer zweiten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kommunikationssystems mit zumindest einem Ersatztaktschläger,
FIG 4 ein Flussdiagramm einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit zumindest einem Ersatztaktschläger,
FIG 5 ein Flussdiagramm einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Ersatztaktschlägern.
Die Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kommunikationssystems mit den Knoten 1 bis 5. Jeder der Kno- ten 1 bis 5 beinhaltet eine Geräte-Komponente des Kommunika- tionsnetzwerks wie beispielsweise einen Taktschläger oder eine Steuereinheit. Bei dem gezeigten Beispiel handelt es sich bei der Komponente des Knotens 1 um einen Taktschläger, der Datentelegramme zur Synchronisation der Komponenten der wei- teren Knoten 2 bis 5 generiert. Diese Datentelegramme werden über die Leitungen 6 bis 10, die die einzelnen Knoten 1 bis 5 miteinander verbinden, in dem Kommunikationssystem übertragen.
Die Übertragung eines Datentelegramms vom Knoten 1 erfolgt dabei einerseits über einen Pfad Pi, der die Leitungen 6 und 7 beinhaltet zu den Knoten 2 und 3. Die Knoten 2 und 3 bilden eine Mi, die zum Pfad Pi gehört.
Zu den Knoten 4 und 5 werden die Datentelegramme andererseits über die Leitungen 8 und 9 übertragen. Ferner sind die Knoten 3 und 4 über eine Leitung 10 miteinander verbunden. Die Leitungen 8, 9 und 10 bilden einen Pfad P2, zu dem die Menge M2 der Knoten 4 und 5 gehört.
Durch die Leitung 10 des Pfads P2 werden die beiden Pfade Pi und P2 an deren Endpunkten miteinander verbunden. Aufgrund der so resultierenden Ringtopologie können in jedem der Knoten 2 bis 5 sowohl das über den Pfad Pi, als auch das über den Pfad P2 abgesandte Datentelegramm des Taktschlägers des Knotens 1 empfangen werden.
Die betreffende Komponente in einem Knoten kann dann lediglich jenesDatentelegramm für die Synchronisation verwenden, welches über den Pfad ausgesendet worden ist, zu dem die betreffende Komponente gehört - für den Fall des Knotens 2 bedeutet dies, dass die Komponente des Knotens 2 nur das Datentelegramm des Taktschlägers des Knoten 1 auswertet, welches über die Leitung β empfangen worden ist. Dagegen ist es auch möglich, dass eine Komponente beide Datentelegramme, das heißt, sowohl das Datentelegramm des Pfads, zu dem die Komponente gehört, als auch das Datentelegramm des anderen Pfads, für die Synchronisation verwendet, indem beispielsweise aus den beiden Datentelegrammen ein für die Synchronisation gewichtetes oder gefiltertes Signal generiert wird.
Für die Komponente des Knotens 2 bedeutet dies, dass sowohl das über die Leitung 6 als auch das über die Leitung 7 empfangene Datentelegramm des Taktschlägers der Komponente 1 • für die Synchronisation verwendet wird.
In einem Fehlerfall kommt es beispielsweise an der mit X in der Leitung 7 in der Fig. 1 gekennzeichneten Stelle des Netzwerks zu einer Unterbrechung, das heißt, der Pfad Pi wird zwischen den Knoten 2 und 3 aufgetrennt. Daraus resultiert ein Teilpfad Pn mit der Leitung 6 und dem Knoten 2 und einem Teilpfad Pχ2 mit dem Knoten 3.
In diesem Fall werden die Knoten 2 bis 5 des Kommunikationssystems mit Datentelegrammen zur Synchronisation über die so resultierenden Teilnetzwerke versorgt, das heißt, die Komponente des Knotens 2 erhält ein Datentelegramm von dem Takt- schläger des Knotens 1 über die Leitung 6 und die Komponenten 4 und 5 erhalten ein Datentelegramm über die Leitungen 8 und 9 des Pfads P2. Über die Leitung 10 ist der aus dem Knoten 3 bestehende Teilpfad Pι2 mit dem Pfad P2 verbunden, so dass auch die Komponente des Knotens 3 trotz der Durchtrennung der Leitung 7 ein Datentelegramm für die Synchronisation empfängt.
Durch die disjunkten Pfade Pi und P2 ist also sichergestellt, dass auch im Fall einer Leitungsdurchtrennung das Kommunika- tionssystem weiter arbeiten kann. Die Fig. 2 zeigt ein entsprechendes Flussdiagramm. Im Normalbetrieb des Kommunikationssystems werden Datentelegramme von einem Taktschläger des Kommunikationssystems über disjunkte Pfade übertragen. So werden die Datentelegramme über den Pfad Pi zu Knoten des KommunikationsSystems der Menge Mi und über einen Pfad P2 zu Knoten der Menge M2 übertragen. Die Pfade Pi und P2 sind disjunkt und haben vorzugsweise den selben Endpunkt bzw. sind an deren Endpunkten miteinander über eine Leitung verbunden.
Im Schritt 21 kommt es zu einem Fehlerfall. Beispielsweise wird durch den Fehlerfall der Pfad Px unterbrochen. Dadurch zerfällt der Pfad Pi in zwei Teilpfade P und Pι2. Der Teilpfad Pn hat eine unmittelbare Verbindung zu dem Knoten des Kommunikationssystems, welcher den Taktschläger beinhaltet.
Dieser Teilpfad Pn hat eine Teilmenge Mn von Knoten der Menge Mi.
Dagegen hat der Teilpfad Pι2 keine unmittelbare Verbindung zu dem Knoten des Kommunikationsnetzwerks mit dem Taktschläger und beinhaltet eine Teilmenge Mi2 von Knoten der Menge Mi. Der Teilpfad P12 hat jedoch eine Verbindung mit dem Pfad P2.
Im Schritt 22 überträgt der Taktschläger ein Datentelegramm über den Teilpfad Pu zu den Knoten der Menge Mn . Durch das Durchtrennen des Pfads P resultiert ein verketteter Pfad Pverr der aus den miteinander verbundenen Pfaden P2 und Pι2 besteht. Über diesen verketteten Pfad überträgt der Taktschläger das entsprechende Datentelegramm zu den Knoten der Verei- nigungsmenge der Mengen M2 und Mi2. Die resultierenden Pfade Pn und Pver sind ebenfalls disjunkt, haben aber keinen gemeinsamen Endpunkt oder eine Verbindung zwischen ihren Endpunkten. Die Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kommunikationssystems. Das Kommunikationssystem der Fig. 3 beinhaltet die Knoten 11 bis 15, die über Leitungen 16 bis 19 miteinander verbunden sind. In zumindest zwei unterschiedlichen Knoten des Kommunikationssystems befindet sich je ein Taktschläger; bei dem Beispiel der Fig. 3 handelt es sich um die Knoten 11 und 15.
Die Taktschläger der Knoten 11 und 15 haben unterschiedliche Prioritäten. Beispielsweise handelt es sich bei dem Taktschläger des Knotens 11 um den höchstprioren Taktschläger und bei dem Taktschläger des Knotens 15 um einen niederprioren Taktschläger, der auch als Ersatztaktschläger bezeichnet wird.
Im Normalbetrieb sind sowohl der Taktschläger des Knotens 11 als auch der Ersatztaktschläger des Knotens 15 aktiv und versenden entsprechende Datentelegramme. Die Priorität ist eine Eigenschaft des jeweiligen Taktschlägers und wird bei der Parametrierung des Kommunikationssystems statisch festgelegt und / oder kann dynamisch an die jeweilige Situation an- gepasst werden. Die jeweilige Priorität ist den zu synchronisierenden Komponenten bekannt und / oder wird zusammen mit dem Datentelegramm des Taktsignals übertragen. Alle Komponen- ten verwenden ausschließlich das Taktsignal der höchsten Priorität und zwar auch der oder die Ersatztaktschläger für deren Synchronisation mit dem jeweils höchstprioren Taktschläger.
Im Normalbetrieb des KommunikationsSystems der Fig. 3 senden also die Taktschläger der Knoten 11 und 15 jeweils Datentelegramme für die Synchronisation. Die jeweiligen Datentelegramme beinhalten eine Kennung aus der sich die Priorität des Taktschlägers ergibt, der das Datentelegramm gesendet hat. Die Komponenten in den Knoten 12, 13 und 14 empfangen also jeweils zwei Datentelegramme mit unterschiedlicher Priorität, die sich aus der jeweiligen in dem Datentelegramm beinhalteten Kennung ergibt. Die betreffende Komponente kann dann das Datentelegramm von dem höherprioren Taktschläger auswählen und nur dieses für die Synchronisation verwenden. Die Komponente kann jedoch auch beide Datentelegramme berücksichtigen und durch Filterung, beispielsweise eine Gewichtung der entsprechenden Synchronisationsdaten, ein Signal für die Syn- chronisation des lokalen Taktsignals der Komponente generieren.
In einem ersten Fehlerfall fällt beispielsweise der Taktschläger im Knoten 11 aus. In diesem Fall erhalten die zur synchronisierenden Komponenten der Knoten 12, 13 und 14 nur noch Datentelegramme für die Synchronisierung vom Ersatztaktschläger des Knotens 15, der aufgrund des Ausfalls des Taktschlägers des Knotens 11 gleichzeitig auch der verbleibende Taktschläger des Kommunikationssystems ist und damit zum höchstprioren Taktschläger wird. Aufgrund dessen tritt also der Ersatztaktschläger an die Stelle des ausgefallenen Taktschlägers .
Bei einer Wichtung der einzelnen Datentelegramme des Takt- Schlägers und des Ersatztaktschlägers können bei einem Ausfall eines der Taktschläger Algorithmen unter Verwendung von Vergangenheitswerten zur Anwendung kommen, um die Takt- bzw. Zeitbasis der betreffenden Komponente ohne Sprung an das Taktsignal des verbleibenden Ersatztaktschlägers anzupassen. Ein solcher Algorithmus kann auch bei einer Durchtrennung des Kommunikationssystems z. B. an der in der Fig. 3 mit X gekennzeichneten Stelle verwendet werden, wenn in den einzelnen Komponenten dann nur noch entweder das Taktsignal des Haupttaktschlägers oder das Taktsignal des Ersatztaktschlägers empfangen wird. Wenn das System beispielsweise an der Stelle X unterbrochen wird, z. B. durch einen Kabelbruch, so „zerfällt" das Netz in zwei Teilnetze. Die Komponenten innerhalb der Teilnetze sind jedoch weiterhin synchron aufgrund des jeweils empfangenen Datentelegramms eines der Taktschläger der Knoten 11 bzw. 15.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Kommunikationssystems der Fig. 3 sendet nur der höchstpriore Taktschläger im Normalbetrieb, das heißt, der Taktschläger des Knotens 11. Die von dem Taktschläger des Knotens 11 gesendeten Datensignale werden auch von dem Ersatztaktschläger des Knotens 15 empfangen.
Fällt der Taktschläger des Knotens 11 aus, so empfängt der Ersatztaktschläger in dem Knoten 15 kein Taktsignal mehr. Nach einer projektierbaren Anzahl von Kommunikationszyklen nimmt dann der Ersatztaktschläger des Knotens 15 seinen Betrieb auf und sendet Datentelegramme für die Synchronisation an die zu synchronisierenden Komponenten des Netzwerks.
Die Zyklen zwischen dem Ausfall des höchstprioren Taktschlägers des Knotens 11 bis zur Aufnahme des Betriebs durch den Ersatztaktschläger des Knotens 15 werden durch die interne Taktgenerierung in den Komponenten überbrückt. Der Übergang von der Synchronisierung mittels der vom Haupttaktschläger empfangenen Datentelegramme zu einer Synchronisierung aufgrund von Datentelegrammen des Ersatztaktschlägers, bzw. vom internen Takt auf den Takt des Ersatztaktschlägers, wird durch Algorithmen unter Verwendung von Vergangenheitswerten ohne Sprung gesteuert bzw. geregelt.
Gleiches gilt für eine Unterbrechung des Systems, z. B. an der mit X gekennzeichneten Stelle in der Fig. 3. Vorausgesetzt beide Taktschläger sind bei einer solchen Leitungsun- terbrechung noch aktiv, zerfällt das Netz wiederum in zwei Teilnetze, die mittels des Haupt- bzw. des Ersatztaktschlägers jeweils synchronisiert werden.
Die Fig. 4 zeigt ein Flussdiagramm einer weiteren Ausfüh- rungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Schritt 40 betrifft den Normalbetrieb. Mehrere Taktschläger Ti bis Tn senden jeweils Datentelegramme ins Netzwerk.
Die einzelnen Taktschläger haben dabei unterschiedliche Prioritäten, das heißt, jede Priorität kommt nur einmal in dem Kommunikationssystem vor. Beispielsweise handelt es sich bei dem Taktschläger i um den Taktschläger mit der höchsten Priorität und bei dem Taktschläger Tn um den Taktschläger mit der niedrigsten Priorität, wobei die Prioritäten der Taktschläger T2 bis Tn-ι beispielsweise linear mit deren Laufindex abfallend sind.
Die einzelnen Datentelegramme der Taktschläger beinhalten eine Kennung aus der für jeden Knoten in dem Kommunikationssystem die Priorität des entsprechenden Taktschlägers erkennbar ist. Beispielsweise berücksichtigt jeder Knoten nur das von dem höchstprioren Taktschläger Ti herrührende Datentelegramm für die Synchronisation. Dies trifft insbesondere auch für die niederprioren Taktschläger T2 bis Tn zu, die sich ihrerseits mit dem höchstprioren Taktschläger Ti mittels dessen Datentelegrammen synchronisieren.
Im Schritt 41 kommt es zu einem Ausfall des höchstprioren Taktschlägers i aufgrund eines Defekts des Taktschlägers Ti und / oder einer Leitungsunterbrechung, die den Taktschläger Ti von zumindest einem Teil der Knoten des Kommunikationssystems abtrennt.
Im Weiteren wird ein solcher beliebiger Knoten Ki betrachtet, der nicht mehr die Datentelegramme des Taktschlägers Ti emp- fängt. Im Schritt 42 überprüft der Knoten Ki zunächst, ob ein Empfang von Datentelegrammen des Taktschlägers mit der nächstniedrigeren Priorität, das heißt, des Taktschlägers T2 vorliegt. Wenn dies der Fall ist, wird dieser Taktschläger T2 von dem Knoten Ki im Schritt 43 als Taktschläger für die wei- tere Synchronisation ausgewählt.
Falls dies nicht der Fall ist, wird im darauffolgenden Schritt 44 jeweils für Taktschläger Tj in der Reihenfolge abfallender Prioritäten vom Knoten Ki geprüft, ob ein Datente- legramm von dem betreffenden Taktschläger Tj empfangen werden kann. Ist dies der Fall, wird der betreffende Taktschläger Tj im Schritt 45 für die weitere Synchronisation ausgewählt.
Ist das Gegenteil der Fall, so wird schließlich im Schritt 46 hinsichtlich des Taktschlägers Tn mit der niedrigsten Priorität geprüft, ob im Knoten Ki ein Datentelegramm von diesem niedrigstprioren Taktschläger Tn empfangen werden kann. Ist dies der Fall, so wird dieser Taktschläger im Schritt 47 vom Knoten Ki für die weitere Synchronisation ausgewählt. Ist das Gegenteil der Fall, so wird im Schritt 48 der Ausfall des betreffenden Knotens Ki gemeldet, in dem beispielsweise eine Signalleuchte angeht.
Je nach der Art des Störfalls können aufgrund der in den Kno- ten des Kommunikationssystems ablaufenden Prüfungen 42 und 46 die betreffenden Knoten zu unterschiedlichen Ergebnissen, das heißt, zu einer unterschiedlichen Auswahl von Taktschlägern kommen. Beispielsweise kann das Kommunikationsnetz aufgrund von einer oder mehreren Leitungsunterbrechungen in Teilnetze zerfallen, die dann von verschiedenen Ersatztaktschlägern unterschiedlicher Priorität versorgt werden. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass die Auswahl von Ersatztaktschlägern dezentral in den einzelnen Knoten erfolgt. Die Fig. 5 zeigt ein Flussdiagramm eines weiteren bevorzugten
Ausführungsbeispielsw des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Schritt 50 betrifft den Normalbetrieb. Im Normalbetrieb sendet nur einer der Taktschläger, das heißt, der höchstpriore Taktschläger, beispielsweise Taktschläger i, Datentelegramme für die Synchronisation von Komponenten in das Netzwerk des Kommunikationssystems .
In dem Kommunikationssystem sind weitere Taktschläger T2 bis Tn vorhanden, die jeweils eine von T2 bis Tn abfallende Priorität aufweisen. Diese Ersatztaktschläger empfangen die Datentelegramme des höchstprioren Taktschlägers Ti wie auch die anderen Komponenten des Kommunikationssystems in den Knoten des Netzwerks. Die Ersatztaktschläger senden aber im Normal- betrieb keine Datentelegramme zur Synchronisation.
Ebenfalls im Normalbetrieb nutzen die Komponenten der Knoten des Netzwerks das Datentelegramm des höchstprioren Taktschlägers Ti für die Synchronisation des entsprechenden lokalen Taktsignals im Schritt 51. Dies trifft auch auf die Ersatztaktschläger zu, die ihren jeweiligen internen Oszillator mit dem des Haupttaktschlägers i synchron halten.
Im Schritt 52 tritt ein Störfall auf, dadurch dass der Takt- schläger aufgrund eines Defekts und / oder einer Leitungsunterbrechung für zumindest einen Teil der Knoten des Netzwerks ausfällt .
Für die betreffenden Knoten des Netzwerks uss dann ein Er- satztaktschläger aktiviert werden. Im Schritt 53 prüft ein Taktschläger Tj aus der Menge der Ersatztaktschläger T2 bis Tn, ob er von einem höherprioren Ersatztaktschläger ein Datentelegramm empfängt, nachdem von dem Haupttaktschläger Ti nach einer Totzeit kein Datentelegramm mehr empfangen worden ist. Wenn dies der Fall ist, nutzt der Taktschläger Tj das Datentelegramm des höher prioren Taktschlägers für die Synchronisation seines internen Oszillators im Schritt 54.
Wenn der Taktschläger Tj jedoch nach einer gewissen Totzeit kein Datentelegramm von einem höherprioren Taktschläger empfangen kann, so aktiviert sich dieser Taktschläger Tj im Schritt 55 selbsttätig, indem er Datentelegramme zur Synchronisation absendet. Dieser Taktschläger Tj dient dann zumindest für ein Teilnetzwerk als Ersatztaktschläger für die Syn- chronisation.
Wenn das Netzwerk in unterschiedliche Teilnetzwerke zerfallen ist, können für die unterschiedlichen Teilnetzwerke aufgrund der Prüfung im Schritt 53 unterschiedliche Ersatztaktschläger resultieren. Von besonderem Vorteil ist dabei wiederum, dass die Prüfung in den einzelnen Ersatztaktschlägern dezentral abläuft, wodurch ein Maximum an Flexibilität hinsichtlich der Ausfallredundanz gegeben ist.
Zusammenfassend handelt es sich bei der Erfindung um ein System und Verfahren zur Einführung von Redundanzmechanismen in ein Kommunikationssystem mit folgenden Schritten:
a. Übertragung eines Datentelegramms für die Synchro- nisation von einem Taktschläger über disjunkte Pfade zu den Knoten,
b. im Fall einer Unterbrechung der Übertragung in einem der disjunkten Pfade:
i. Übertragung des Datentelegramms von dem
Taktschläger über einen ersten Teilpfad des unterbrochenen Pfades und ii .Übertragung des Datentelegramms von dem
Taktschläger über den nicht unterbrochenen Pfad und von dort über einen zweiten Teilpfad des unterbrochenen Pfads.
Damit handelt es sich hierbei auch um ein Verfahren zur Synchronisation von Knoten eines Kommunikationssystems, insbesondere eines Automatisierungssystems, sowie ein entsprechendes Computerprogramm und System.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Synchronisation von Knoten (1 - 5) eines Kommunikationssystems mit folgenden Schritten:
a. Übertragung eines Datentelegramms für die Synchronisation von einem Taktschläger über disjunkte Pfade (6) zu den Knoten (1 - 5),
b. im Fall einer Unterbrechung der Übertragung in einem der disjunkten Pfade:
i. Übertragung des Datentelegramms von dem Taktschläger über einen ersten Teilpfad des unterbrochenen Pfades und
ii. Übertragung des Datentelegramms von dem Taktschläger über den nicht unterbrochenen Pfad und von dort über einen zweiten Teilpfad des unterbrochenen
Pfads.
2. Verfahren zur Synchronisation von Knoten (1 - 5) eines Kommunikationssystem mit folgenden Schritten:
c. Übertragung eines Datentelegramms für die Synchronisation von einem höchstprioren Taktschläger zu den Knoten (1 - 5) ,
d. für den Fall, dass ein niederpriorer Taktschläger kein Datentelegramm eines höherprioren Taktschlägers empfängt: Übertragung eines Datentelegramms für die Synchronisation von dem niederprioren Takt- schläger an zumindest eine Teilmenge der Knoten
(1 - 5) .
3. Verfahren zur Synchronisation von Knoten (1 - 5) eines Kommunikationssystems mit folgenden Schritten:
e. Übertragung von Datentelegrammen für die Synchronisation von zumindest zwei Taktschlägern unterschiedlicher Priorität an die Knoten (1 - 5),
f. Auswahl des Datentelegramms von einem höchstprioren Taktschläger aus den von einem Knoten (1 - 5) empfangenen Datentelegrammen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem der höchstpriore Taktschläger alle anderen Taktschläger synchronisiert .
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Daten für die Synchronisation in den Datentelegrammen der Taktschläger unterschiedlicher Priorität im Wesentlichen identisch sind.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, bei dem jedes Datentelegramm die Priorität des Taktschlägers beinhaltet, der das Datentelegramm gesendet hat.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, bei dem bei Auswahl eines höchstprioren Taktschlägers der Taktschläger mit der nächst niedrigeren Priorität automatisch zum höchstprioren Taktschläger wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem eine Prioritätskennung des Taktschlägers mit der nächst niedrigeren Priorität erhöht wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, bei dem jedes der Datentelegramme eine Prioritätskennung des entsprechenden Taktschlägers beinhaltet und die Auswahl eines höchstprioren TaktSchlägers in einem Knoten (1 - 5) aufgrund der Prioritätskennungen erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche bei dem die Taktschläger Informationen über die im System vorhandenen bzw. projektierten Taktschläger erhalten und / oder sich selbst beschaffen können.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem eine Auswahl und Priorisierung der Taktschläger wenigstens einmal beim Hochfahren des Systems durchgeführt wird, und / oder, dass eine Priorisierung der Taktschläger insbesondere über eine Projektierung erfolgt.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem von den Teilnehmern entweder das höchstpriore Taktsignal oder ein aus allen Taktsignalen gewichtetes Signal verwendet wird.
13. System zur Durchführung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12.
14. Computerprogrammprodukt mit computerlesbaren Mitteln zur Durchführung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, wenn das Computerprogramm in einem Kommunikationssystem ausgeführt wird.
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