WO2020114706A1 - Verfahren zum betrieb eines kommunikationssystems zur übermittlung zeitkritischer daten, kommunikationsgerät, kommunikationsendgerät und kommunikationssteuerungseinrichtung - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines kommunikationssystems zur übermittlung zeitkritischer daten, kommunikationsgerät, kommunikationsendgerät und kommunikationssteuerungseinrichtung Download PDF

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WO2020114706A1 PCT/EP2019/080519 EP2019080519W WO2020114706A1 WO 2020114706 A1 WO2020114706 A1 WO 2020114706A1 EP 2019080519 W EP2019080519 W EP 2019080519W WO 2020114706 A1 WO2020114706 A1 WO 2020114706A1
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Günter Steindl
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Siemens AG
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    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks

Definitions

  • An industrial automation system usually comprises a large number of automation devices which are networked with one another via an industrial communication network and is used in the context of manufacturing or process automation to control or regulate plants, machines or devices. Due to time-critical framework conditions in industrial automation systems, communication between automation devices mainly use real-time communication protocols such as PROFINET, PROFIBUS, Real-Time Ethernet or Time-Sensitive Networking (TSN).
  • real-time communication protocols such as PROFINET, PROFIBUS, Real-Time Ethernet or Time-Sensitive Networking (TSN).
  • Interruptions in communication links between computer units of an industrial automation system or automation devices can lead to an undesired or unnecessary repetition of a transmission of a service request.
  • messages that are not or not completely transmitted can prevent, for example, a transition or whereabouts of an industrial automation system to a safe operating state. Eventually, this can lead to a complete production line failure and costly production downtime.
  • a particular problem in industrial automation systems regularly results from a message traffic with a comparatively large number of but relatively short messages, which exacerbates the above problems.
  • Ethernet-based communication networks can For example, problems arise when network resources for a transmission of data streams or data frames with Real Z eitanssenen competitive for transmission of data frames with a large useful data without specific quality of service requirements are claimed. This can cause data streams or data frame eitanssenen with real-Z not according to a requested or required
  • Prioritized transmission of data frames is possible, for example, on the basis of virtual local networks or virtual local area networks (VLAN) in accordance with the IEEE 802. IQ standard, in principle by means of appropriate tags inserted into data frames.
  • VLAN virtual local networks
  • IQ virtual local area networks
  • a bandwidth reservation is provided for individual communication connections to which the highest priority is assigned. Resources required for the transmission of audio and video data streams are reserved in communication devices such as switches.
  • high-priority data frames are only forwarded after a successful reservation.
  • Bandwidth monitoring ensures that there is sufficient reserved bandwidth with regard to the bandwidth actually used. A communication link that uses more bandwidth than reserved would otherwise lead to a disruption of an entire communication network, in the worst case to its stoppage due to overload.
  • credit-based shapers have been defined as a measure of bandwidth monitoring for the secure transmission of audio and video data streams via Ethernet-based communication networks.
  • Credit-based shapers define a transmission pause after each transmitted data frame in order to ensure bandwidth limitation with regard to a reserved bandwidth.
  • forced breaks are extremely problematic in industrial automation systems for the transmission of many data frames with low user data content for control data, which are to be regarded more as data bundles or bursts.
  • first data frames which include control data for the automation system, are transmitted by coupling communication devices of the communication network only within periodic first time intervals.
  • Second data frames which are assigned to sequences of data streams comprising data frames, or third data frames, for the transmission of which none or a value below a predetermined threshold value
  • Quality of service is defined, are transmitted within periodic second time intervals.
  • the first time intervals are divided into first and second subintervals.
  • First data frames to be forwarded are inserted in alternating intervals into a first or second queue and are taken alternately from the queues for forwarding.
  • the present invention has for its object to provide a method for operating a communication system for the transmission of time-critical data, which allows both effi cient use of available system resources and flexible and fast adaptation to changing operating conditions, and suitable devices for implementation of the procedure.
  • selected datagrams are assigned to data streams and transmitted between first communication devices at first network nodes and second communication devices at second network nodes via paths comprising at least the first and second network nodes.
  • a local cycle time can be set on selected communication devices, which is a multiple of a general cycle time.
  • the local cycle duration can also correspond to the general cycle duration.
  • reservation inquiries are ben to a first and second network node and quality of service parameters, in each case by a reservation function component, which is assigned to a first or second communication terminal or is associated with a datagram forwarding communicating device connected to a higher-level communication control device.
  • the higher-level communication control device determines a path for each reservation request and checks whether sufficient resources are available in the communication devices along the respective path for the transmission of the data streams while observing the specified quality of service parameters.
  • the higher-level communication control device determines a proposed local cycle duration for the selected communication devices.
  • the resources to be provided by the communication devices include, for example, usable transmission time windows, bandwidth, guaranteed maximum latency, number of queues, queue cache, in particular memory for data frames or packets, or address cache, in particular memory for addresses in filtering database (FDB ), in switches or bridges.
  • the higher-level communication control device transmits, with sufficient resources, proposed local cycle times, comprehensive configuration information to configuration control units which are assigned to the communication devices at the network nodes covered by the respective path.
  • the configuration control units set up the assigned communication devices in accordance with the transmitted configuration information for the provision of resources for the transmission of the data streams.
  • the data streams on reservation requests are set up bidirectionally.
  • the higher-level communication control device preferably receives configuration guidelines from an engineering system. and converts this into the configuration information transmitted to the configuration control units.
  • the higher-level communication control device continuously monitors at least one predetermined communication network domain for topology changes and determines updated configuration information for changed paths resulting from topology changes.
  • This updated configuration information is transmitted to the configuration control units for the updated device setup, which are assigned to the communication devices at network nodes encompassed by changed paths.
  • Continuous monitoring of topology changes and corresponding local configuration adjustments enable flexible and quick adaptation to changing operational framework conditions in connection with locally or decentrally provided reservation function components. In particular, by taking into account local cycle times that can be set on communication devices, in contrast to previous decentralized resource reservation procedures, there is an efficient use of available system resources.
  • the communication system is assigned to an industrial automation system which comprises a plurality of control devices, for example programmable logic controllers or controllers for input / output devices, and input / output devices assigned to them.
  • control devices for example programmable logic controllers or controllers for input / output devices, and input / output devices assigned to them.
  • Each control device includes a reservation function component. The control devices use their reservation function components for the assigned inputs
  • Each communication device preferably comprises at least one configuration control unit.
  • the higher-level communication control device can send a data stream destination address assigned to the data stream to the reservation function component of the first communication terminal or the datagrams connected to the communication device and to the reservation function component of the second communication terminal or the one connected to the reservation function upon successful reservation requests Communicate datagrams forwarding communication device.
  • the communication system can comprise a plurality of higher-level communication control devices.
  • the higher-level communication control devices are preferably determined by means of a service description recorded in a domain name system or by means of identification in accordance with the PROFINET Dynamic Configuration Protocol.
  • the higher-level communication control devices can thus select an active higher-level communication control device from one another on the basis of a selection criterion, non-active higher-level communication control devices being put into a ready state.
  • at least one redundant higher-level communication control device can be kept available for failure scenarios.
  • the higher-level communication control device preferably stores a last-acquired topology of the communication system and paths determined for successfully established data streams.
  • the higher-level communication control device can load the last recorded topology when the communication system starts up and determine topology changes. Depending on the determined topology changes, stored paths for setting up data streams can be reused by the higher-level communication control device.
  • the communication device in particular a switch, a bridge or a device with an integrated switch or integrated bridge, is provided for carrying out a method according to the preceding statements and comprises a plurality of connections for connection to further communication devices and a coupling element through which the connections are made are switchable interconnectable.
  • the communication device comprises a reservation function component and a configuration control unit.
  • the communication device is designed and set up to transmit datagrams assigned to a data stream between a first communication device at first network nodes and a second communication device at a second network node.
  • the reservation function component of the communication device is designed and set up to transmit a reservation request, which in each case comprises at least information on the first and second network node and quality of service parameters, for the reservation of resources to be provided by communication devices for a transmission of the data stream to a higher-level communication control device.
  • the configuration control unit of the grain Communication device is designed and set up to receive configuration information from the higher-level communication control device and to set up the communication device in accordance with the received configuration information for the transmission of the data stream.
  • the communication terminal according to the invention is provided for carrying out a method according to the preceding statements and comprises at least one connection for connection with a datagram forwarding communication device, in particular a switch, a bridge or a device with an integrated switch or bridge.
  • the communication terminal comprises a configuration control unit.
  • the communication terminal is designed and set up to transmit datagrams assigned to a data stream between a first communication device at first network nodes and a second communication device at a second network node.
  • the communication end device is designed and set up to use a proprietary reservation function component or a reservation function component of a connected datagram to forward a communication device that sends a reservation request, which in each case comprises at least information on the first and second network nodes and quality of service parameters, for reserving by communication devices for a Transmission of the data stream to be made available resources to a higher-level communication control device.
  • the configuration control unit of the communication terminal is designed and set up to receive configuration information from the higher-level communication control device and the communication terminal corresponds to the received configuration information for the transmission of the data stream.
  • the communication control device is provided for carrying out a method in accordance with the preceding explanations and comprises at least one connection for connection to a communication device forwarding datagrams.
  • the communication control device is designed and set up to determine a path for reservation requests for the reservation of resources to be made available by communication devices for the transmission of data streams and to check whether in communication devices along the respective path sufficient resources for the transmission of the data streams are maintained specified quality of service parameters are available, and to determine a proposed local cycle duration for selected communication devices.
  • the communication control device is designed and set up to transmit, with sufficient resources, proposed local cycle times, comprehensive configuration information to configuration control units which are assigned to the communication devices at network nodes encompassed by the respective path.
  • the communication control device is designed and set up to continuously monitor at least one predetermined communication network domain for topology changes, to determine updated configuration information for changed paths resulting from topology changes, and to transmit the updated device device to the configuration control units, which included communication paths on the communication devices Network nodes are assigned.
  • FIG. 1 shows a communication system for an industrial automation system comprising several communication devices
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of communication devices of the communication system according to FIG. 1, in each of which a local cycle time is set which is a multiple of a general network-wide cycle time.
  • the communication system shown in FIG. 1 for an industrial automation system comprises a plurality of bridges or switches 200 as communication devices that forward datagrams and higher-level communication control units 101-103.
  • Bridges or switches 200 are used in particular for connecting programmable logic controllers 301, operating and observation stations 302, I / O controllers 401 or I / O modules 402-403, which also represent communication devices or communication terminals.
  • the communication system is designed as a time-sensitive network, in particular in accordance with IEEE802.3-2018, IEEE 802.1Q-2018, IEEE 802.1AB-2016, IEEE 802.1AS-2011, IEEE 802.1BA-2011 or IEEE 802.1CB -2017.
  • Programmable logic controllers 301 typically each comprise a communication module, a central unit and at least one input / output unit. Input / output units can in principle also be designed as decentralized peripheral modules which are arranged remotely from a programmable logic controller.
  • a programmable logic controller can be tion 301 can be connected to a switch or router or additionally to a fieldbus.
  • the input / output unit is used to exchange control and measured variables between the programmable logic controller 301 and a machine or device 313 controlled by the programmable logic controller 301.
  • the central unit is provided in particular for determining suitable control variables from measured variables.
  • the above components of the programmable logic controller 301 are connected to one another, for example, via a backplane bus system.
  • the I / O modules 402-403 are also intended for the exchange of control and measurement variables with connected machines or devices 422, 432.
  • an assigned I / O controller 401 is provided for each automation cell.
  • the I / O modules 402-403 can in principle also be controlled by a remote programmable controller 301.
  • An operating and monitoring station 302 is used to visualize process data or measurement and control variables which are processed or recorded by programmable logic controllers, input / output units or sensors.
  • an operating and monitoring station 302 is used to display values of a control loop and to change control parameters.
  • Operator control and monitoring stations 302 include at least one graphical user interface, an input device, a processor unit and a communication module.
  • first communication or automation devices which in particular have a talker or provider function
  • second communication or automation devices provided that have a listener or consumer function in particular.
  • An automation device can have both one or more talker functions and one or more listener functions at the same time, for example if it provides automation services on the one hand and uses automation services of other devices on the other.
  • data streams on reservation requests are preferably set up bidirectionally in the present exemplary embodiment.
  • the programmable logic controller 301 and the I / O modules 402-402 can, for example, supply measured values and thus have a talker function.
  • the operating and monitoring station 302 can have a listener function and in particular can receive information provided by the programmable logic controller 301 or the I / O modules 402-403.
  • the operating and monitoring station 302 could analyze information received from the programmable logic controller 301 or the I / O modules 402-403 and from this control parameters for the programmable logic controller 301 or the I / O modules 402-403 could be specified. Both the programmable logic controller 301 or the I / O modules 402-403 and the operator control and monitoring station 302 can thus perform both functions.
  • selected datagrams 10 are assigned to data streams and transmitted between first communication devices 301 at first network nodes and second communication devices 302, 402-403 at second network nodes via paths comprising at least the first and second network nodes.
  • data streams can, for example, between the programmable logic controller 301 and the operating and monitoring station 302 or between the memory Programmable controller 301 and the I / O modules 402-403 can be set up.
  • a local cycle duration T2, T3 can be set on selected communication devices 402-403, which is a multiple of a general network-wide cycle duration TI.
  • a general network-wide transmission cycle Tl 31.25 ys is set on the I / O controller 401
  • the original cycle times of each transmitting network node are retained during forwarding. This means that, for example, for cyclic data traffic when forwarding through a network node with an underclocked transmission cycle, several transmission time windows are provided within the underclocked transmission cycle. For cyclic data traffic that originates directly from the network node with an underclocked transmission cycle, basically only one transmission time window is provided within the underclocked transmission cycle.
  • Reservation requests 11-13 each containing at least information on a first and second network node and quality of service parameters comprise, for reserving resources to be provided by communication devices 200 for a transmission of data streams are respectively passed through a reservation function component 201, 311, 411, which forwards a first or second communication terminal 301-302, 402-403 or a datagram connected to it Communication device 200, 401 is assigned, transmitted to a higher-level communication control device 101.
  • the resources to be provided by the communication devices include, for example, usable transmission time windows, bandwidth, assured maximum latency, number of queues, queue cache and address cache in switches or bridges.
  • the communication system can comprise a plurality of higher-level communication control devices 101-103. These via higher-level communication control devices 101-103 can be determined, for example, by means of a service description recorded in a domain name system or by means of an identification in accordance with PROFINET Dynamic Configuration Protocol, the latter even without configuration or engineering. Based on this, the higher-level communication control devices 101-103 select an active higher-level communication control device from one another on the basis of a selection criterion. Inactive superordinate communication control devices 102-103 are put into a standby state.
  • the active higher-level communication control device 101 determines a path in each case when making reservation inquiries by means of a path calculation component 112 and checks whether sufficient resources are available in the communication devices 200, 401 along the respective path for the transmission of the data streams while observing the specified quality of service parameters. For the selected communication devices 402-403, the active higher-level communication control device 101 also determines a proposed local cycle duration.
  • the superordinate communication control device 101 uses a network configuration component 113 to provide proposed local cycle times comprising comprehensive configuration information 21-25 and to transmit this to configuration control units 202, 312,
  • the higher-level communication control device 101 receives configuration guidelines 20 from an engineering system 100 and implements these in the configuration information 21-25 transmitted to the configuration control units 202, 312, 412, 421, 431.
  • the configuration guidelines 20 an application of pre-emption with strict priority (see IEEE 802.1Q-2018) for the data streams can be controlled in the communication devices 200, 301-302, 401-403, for example.
  • the configuration control units 202, 312, 412, 421, 431 set up the assigned communication devices 200, 301-302, 401-403 in accordance with the transmitted configuration information 21-25 for the provision of resources for the transmission of the data streams.
  • each communication device in each case comprises a configuration control unit.
  • the connected communication device forwarding datagrams has a reservation function component for the transmission of reservation requests.
  • the I / O controller 401 uses its reservation function component 411 to make reservations for the I / O modules Resources for the transmission of data streams.
  • the higher-level communication control device 101 can, in the event of successful reservation requests, in each case a data stream destination address assigned to the data stream to the reservation function component of the first communication terminal or the communication device communicating datagrams connected thereto and to the reservation function component of the second communication terminal or transmit this connected, datagram forwarding communication device.
  • the higher-level communication control device 101 continuously monitors at least one predetermined communication network domain for topology changes. Domain boundaries are preferably determined using the Link Layer Discovery Protocol.
  • a communication device can be identified, for example, using the Dynamic Host Configuration Protocol or PROFINET Dynamic Configuration Protocol.
  • the network configuration component 113 of the higher-level communication control device 101 determines updated configuration information 21-25 for changed paths resulting from topology changes and transmits this to the updated device device to the configuration control units 202, 312, 412, 421, 431, which the communication devices 200, 301-302, 401-403 are assigned to network nodes encompassed by changed paths.
  • the higher-level communication control device 101 stores a last-acquired topology of the communication system and paths determined for successfully established data streams.
  • the higher-level communication control device 101 loads the last acquired topology and uses the topology acquisition unit to determine 111 topology changes.
  • the higher-level communication control device 101 can reuse stored paths for setting up data streams.

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Abstract

In einem Kommunikationssystem zur Übermittlung zeitkritischer Daten werden ausgewählte Datagramme Datenströmen zugeordnet und über Pfade für die Datenströme übermittelt. Reservierungsanfragen, die jeweils zumindest Angaben zu einem ersten und zweiten Netzknoten und Dienstgüteparameter umfassen, werden zur Reservierung von durch Kommunikationsgeräte für eine Übertragung von Datenströmen bereitzustellenden Ressourcen jeweils durch eine Reservierungsfunktionskomponente, die einem ersten oder zweiten Kommunikationsendgerät oder einem mit diesem verbundenen Datagramme weiterleitenden Kommunikationsgerät zugeordnet ist, an eine übergeordnete Kommunikationssteuerungseinrichtung übermittelt. Die übergeordnete Kommunikationssteuerungseinrichtung ermittelt bei Reservierungsanfragen jeweils einen Pfad und überprüft, ob in Kommunikationsgeräten entlang des jeweiligen Pfades ausreichende Ressourcen für die Übertragung der Datenströme unter Einhaltung der spezifizierten Dienstgüteparameter verfügbar sind, und ermittelt für ausgewählte Kommunikationsgeräte eine vorgeschlagene lokale Zyklusdauer.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betrieb eines Kommunikationssystems zur Über mittlung zeitkritischer Daten, Kommunikationsgerät, Kommuni kationsendgerät und Kommunikationssteuerungseinrichtung
Ein industrielles Automatisierungssystem umfasst üblicher weise eine Vielzahl von über ein industrielles Kommunikati onsnetz miteinander vernetzten Automatisierungsgeräten und dient im Rahmen einer Fertigungs- oder Prozessautomatisierung zur Steuerung oder Regelung von Anlagen, Maschinen bzw. Gerä ten. Aufgrund zeitkritischer Rahmenbedingungen in industriel len Automatisierungssystemen werden zur Kommunikation zwi schen Automatisierungsgeräten überwiegend Echzeit-Kommunika- tionsprotokolle, wie PROFINET, PROFIBUS, Real-Time-Ethernet oder Time-Sensitive Networking (TSN) , verwendet.
Unterbrechungen von Kommunikationsverbindungen zwischen Rech nereinheiten eines industriellen Automatisierungssystems oder Automatisierungsgeräten können zu einer unerwünschten oder unnötigen Wiederholung einer Übermittlung einer Dienstanfor derung führen. Außerdem können nicht oder nicht vollständig übermittelte Nachrichten beispielsweise einen Übergang oder Verbleib eines industriellen Automatisierungssystems in einen sicheren Betriebszustand verhindern. Dies kann schließlich zu einem Ausfall einer kompletten Produktionsanlage und einem kostspieligen Produktionsstillstand führen. Eine besondere Problematik resultiert in industriellen Automatisierungssys temen regelmäßig aus einem Meldungsverkehr mit verhältnismä ßig vielen, aber relativ kurzen Nachrichten, wodurch obige Probleme verstärkt werden.
Aufgrund einer Nutzung für häufig äußerst unterschiedliche Anwendungen können in Ethernet-basierten Kommunikationsnetzen beispielsweise Probleme entstehen, wenn Netzressourcen für eine Übermittlung von Datenströmen oder von Datenrahmen mit EchtZeitanforderungen konkurrierend für eine Übermittlung von Datenrahmen mit großem Nutzdateninhalt ohne spezielle Dienst güteanforderungen beansprucht werden. Dies kann dazu führen, dass Datenströme oder Datenrahmen mit EchtZeitanforderungen nicht entsprechend einer angeforderten bzw. benötigten
Dienstgüte übermittelt werden.
Eine priorisierte Übermittlung von Datenrahmen ist beispiels weise auf Grundlage von virtuellen lokalen Netzen bzw. Virtu al Local Area Networks (VLAN) entsprechend Standard IEEE 802. IQ grundsätzlich mittels entsprechender in Datenrahmen eingefügter Tags möglich. Zur synchronisierten und priori- sierten Übertragung von Audio- und Videodatenströmen (Audi o/Video Bridging) über Kommunikationsnetze ist eine Bandbrei tenreservierung für einzelne Kommunikationsverbindungen vor gesehen, denen eine höchste Priorität zugeordnet ist. Für ei ne Übertragung von Audio- und Videodatenströmen benötigte Ressourcen werden dabei in Kommunikationsgeräten wie Switches reserviert. Eine Weiterleitung hochpriorisierter Datenrahmen erfolgt jedoch erst nach einer erfolgreichen Reservierung. Im Rahmen einer Bandbreitenüberwachung wird sichergestellt, dass hinsichtlich tatsächlich genutzter Bandbreite ausreichend re servierte Bandbreite vorliegt. Eine Kommunikationsverbindung, die mehr Bandbreite nutzt als reserviert ist, würde ansonsten zu einer Störung eines gesamten Kommunikationsnetzes führen, im ungünstigsten Fall zu dessen Stillstand aufgrund Überlas tung .
Für die gesicherte Übertragung von Audio- und Videodatenströ men über Ethernet-basierte Kommunikationsnetze sind entspre chend Standard IEEE 802.1 Qav sind Credit-based Shaper (CBS) als Maß für eine Bandbreitenüberwachung definiert worden. Durch Credit-based Shaper wird nach jedem übertragenen Daten rahmen eine Übertragungspause definiert, um eine Bandbreiten begrenzung in Bezug auf eine reservierte Bandbreite sicherzu stellen. Derartige Zwangspausen sind jedoch in industriellen Automatisierungssystemen bei einer Übertragung von vielen Da tenrahmen mit geringem Nutzdateninhalt für Steuerungsdaten, die eher als Datenbündel bzw. Bursts anzusehen sind, äußerst problematisch .
Entsprechend EP 3 038 325 Al werden zur Datenübermittlung in einem Kommunikationsnetz eines industriellen Automatisie rungssystems erste Datenrahmen, die Steuerungsdaten für das Automatisierungssystem umfassen, durch Koppel-Kommunikations geräte des Kommunikationsnetzes nur innerhalb periodischer erster Zeitintervalle übermittelt. Zweite Datenrahmen, die Sequenzen von Datenrahmen umfassenden Datenströmen zugeordnet sind, bzw. dritte Datenrahmen, für deren Übermittlung keine oder eine unter einem vorgegebenen Schwellwert liegende
Dienstgüte festgelegt ist, werden innerhalb periodischer zweiter Zeitintervalle übermittelt. Die ersten Zeitintervalle sind in erste und zweite Teilintervall unterteilt. Weiterzu leitende erste Datenrahmen werden Teilintervall-alternierend in eine erste bzw. zweite Warteschlange eingefügt und alter nierend aus den Warteschlangen für eine Weiterleitung entnom men .
In der älteren internationalen Patentanmeldung PCT/EP2017/ 066175 ist ein Verfahren zur Datenübermittlung beschrieben, das eine Kombination von geschützter Kommunikation und gerin gem Netzwerk-Konfigurationsaufwand ermöglicht. Dabei werden bei einer Reservierung von Ressourcen zur Übermittlung von Datenströmen (Streams) von einem Sender zu einem Empfänger zumindest zwei zumindest abschnittsweise redundante Pfade re serviert. Durch Erweiterung eines Reservierungsprotokolls wird eine automatische Konfiguration von Duplikatefiltern an redundanten Pfadabschnitten zugeordneten Netzknoten während einer Ressoucenreservierung vorgenommen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Kommunikationssystems zur Über mittlung zeitkritischer Daten schaffen, das sowohl eine effi ziente Ausschöpfung zur Verfügung stehender Systemressourcen als auch eine flexible und schnelle Anpassung an veränderte betriebliche Rahmenbedingungen ermöglicht, und geeignete Vor richtungen zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und durch ein Kommu nikationsgerät mit den in Anspruch 14 angegebenen Merkmalen, durch ein Kommunikationsendgerät mit den in Anspruch 15 ange gebenen Merkmalen und durch eine Kommunikationssteuerungsein richtung mit den in Anspruch 16 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprü chen angegeben.
Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb ei nes Kommunikationssystems zur Übermittlung zeitkritischer Da ten werden ausgewählte Datagramme Datenströmen zugeordnet und zwischen ersten Kommunikationsgeräten an ersten Netzknoten und zweiten Kommunikationsgeräten an zweiten Netzknoten über zumindest die ersten und zweiten Netzknoten umfassende Pfade übermittelt. Dabei ist an ausgewählten Kommunikationsgeräten jeweils eine lokale Zyklusdauer einstellbar, die ein Vielfa ches einer allgemeinen Zyklusdauer ist. Die lokale Zyklusdau er kann insbesondere auch der allgemeinen Zyklusdauer ent sprechen. Zur Reservierung von durch Kommunikationsgeräte für eine Übertragung von Datenströmen bereitzustellenden Ressour cen werden Reservierungsanfragen, die jeweils zumindest Anga- ben zu einem ersten und zweiten Netzknoten und Dienstgütepa rameter umfassen, jeweils durch eine Reservierungsfunktions komponente, die einem ersten oder zweiten Kommunikationsend gerät oder einem mit diesem verbundenen Datagramme weiterlei tenden Kommunikationsgerät zugeordnet ist, an eine übergeord nete Kommunikationssteuerungseinrichtung übermittelt werden. Die übergeordnete Kommunikationssteuerungseinrichtung ermit telt bei Reservierungsanfragen jeweils einen Pfad und über prüft, ob in den Kommunikationsgeräten entlang des jeweiligen Pfades ausreichende Ressourcen für die Übertragung der Daten ströme unter Einhaltung der spezifizierten Dienstgüteparame ter verfügbar sind. Für die ausgewählten Kommunikationsgeräte ermittelt die übergeordnete Kommunikationssteuerungseinrich tung eine vorgeschlagene lokale Zyklusdauer. Die durch die Kommunikationsgeräte bereitzustellenden Ressourcen umfassen beispielsweise nutzbare Übertragungszeitfenster, Bandbreite, zugesicherte maximale Latenz, Queue-Anzahl, Queue-Cache, ins besondere Speicher für Datenrahmen oder -pakete, bzw. Adress- Cache, insbesondere Speicher für Adressen in Filtering Data base (FDB) , in Switches oder Bridges.
Erfindungsgemäß übermittelt die übergeordnete Kommunikations steuerungseinrichtung bei ausreichenden Ressourcen vorge schlagene lokale Zyklusdauern umfassende Konfigurationsinfor mationen an Konfigurationssteuerungseinheiten, die den Kommu nikationsgeräten an den vom jeweiligen Pfad umfassten Netz knoten zugeordnet sind. Die Konfigurationssteuerungseinheiten richten die zugeordneten Kommunikationsgeräte entsprechend den übermittelten Konfigurationsinformationen zur Ressourcen- Bereitstellung für die Übertragung der Datenströme ein. Vor teilhafterweise werden die Datenströme auf Reservierungsan fragen jeweils bidirektional eingerichtet. Außerdem empfängt die übergeordnete Kommunikationssteuerungseinrichtung vor zugsweise von einem Engineering-System Konfigurationsrichtli- nien und setzt diese in die an die Konfigurationsteuerungs einheiten übermittelten Konfigurationsinformationen um.
Darüber hinaus überwacht die übergeordnete Kommunikations steuerungseinrichtung erfindungsgemäß zumindest eine vorgege bene Kommunikationsnetz-Domäne fortlaufend auf Topologieände rungen und ermittelt für aus Topologieänderungen resultieren de geänderte Pfade aktualisierte Konfigurationsinformationen. Diese aktualisierten Konfigurationsinformationen werden zur aktualisierten Geräteeinrichtung an die Konfigurationssteue rungseinheiten übermittelt, die den Kommunikationsgeräten an von geänderten Pfaden umfassten Netzknoten zugeordnet sind. Eine fortlaufende Überwachung auf Topologieänderungen und entsprechende lokale Konfigurationsanpassung ermöglichen in Zusammenhang mit lokal bzw. dezentral vorgesehenen Reservie rungsfunktionskomponenten eine flexible und schnelle Anpas sung an veränderte betriebliche Rahmenbedingungen. Insbeson dere durch eine Berücksichtigung von an Kommunikationsgeräten einstellbaren lokalen Zyklusdauern ergibt sich im Gegensatz zu bisherigen dezentral organisierten Ressourcenreservie rungsverfahren eine effiziente Ausschöpfung zur Verfügung stehender Systemressourcen.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegen den Erfindung ist das Kommunikationssystem einem industriel len Automatisierungssystem zugeordnet, das mehrere Steue rungsgeräte, beispielsweise speicherprogrammierbare Steuerun gen oder Controller für Eingabe/Ausgabe-Geräte, und diesen zugeordnete Eingabe/Ausgabe-Geräte umfasst. Jedes Steuerungs gerät umfasst jeweils eine Reservierungsfunktionskomponente. Dabei fordern die Steuerungsgeräte mittels ihrer Reservie rungsfunktionskomponenten für die zugeordneten Einga
be/Ausgabe-Geräte Reservierungen von Ressourcen für eine Übertragung von Datenströmen an. Vorzugsweise umfasst jedes Kommunikationsgerät jeweils zumin dest eine Konfigurationssteuerungseinheit. Bei Kommunikati onsendgeräten ist es grundsätzlich ausreichend, wenn diese jeweils an ein weiterleitendes Kommunikationsgerät ange schlossen sind, das eine Reservierungsfunktionskomponente zur Übermittlung von Reservierungsanfragen aufweist. Dementspre chend kann die übergeordnete Kommunikationssteuerungseinrich tung auf erfolgreiche Reservierungsanfragen jeweils eine dem Datenstrom zugeordnete Datenstrom-Ziel-Adresse an die Reser vierungsfunktionskomponente des ersten Kommunikationsendge räts oder des mit diesem verbundenen Datagramme weiterleiten den Kommunikationsgeräts und an die Reservierungsfunktions komponente des zweiten Kommunikationsendgeräts oder des mit diesem verbundenen Datagramme weiterleitenden Kommunikations geräts übermitteln.
Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Kommunikationssystem mehrere übergeordnete Kommunikati onssteuerungseinrichtungen umfassen. Vorzugsweise werden die übergeordneten Kommunikationssteuerungseinrichtungen mittels einer in einem Domain Name System erfassten Dienstbeschrei bung oder mittels einer Identifizierung entsprechend PROFINET Dynamic Configuration Protocol ermittelt. Damit können die übergeordneten Kommunikationssteuerungseinrichtungen unterei nander anhand eines Auswahlkriteriums eine aktive übergeord nete Kommunikationssteuerungseinrichtung auswählen, wobei nicht aktive übergeordnete Kommunikationssteuerungseinrich tungen in einen Bereitschaftszustand versetzt werden. Somit kann für Ausfallszenarien zumindest eine redundante überge ordnete Kommunikationssteuerungseinrichtung bereitgehalten werden . Vorzugsweise speichert die übergeordnete Kommunikationssteue rungseinrichtung jeweils eine zuletzt erfasste Topologie des Kommunikationssystems und für erfolgreich eingerichtete Da tenströme ermittelte Pfade. Somit kann die übergeordnete Kom munikationssteuerungseinrichtung die zuletzt erfasste Topolo gie bei einem Betriebsstart des Kommunikationssystems laden und Topologieänderungen ermitteln. In Abhängigkeit von ermit telten Topologieänderungen können gespeicherte Pfade für eine Einrichtung von Datenströmen durch die übergeordnete Kommuni kationssteuerungseinrichtung wiederverwendet werden.
Das erfindungsgemäße Kommunikationsgerät, insbesondere ein Switch, eine Bridge oder ein Gerät mit integriertem Switch bzw. integrierter Bridge, ist zur Durchführung eines Verfah rens entsprechend vorangehenden Ausführungen vorgesehen und umfasst mehrere Anschlüsse zur Verbindung mit weiteren Kommu nikationsgeräten sowie ein Koppelelement, durch das die An schlüsse schaltbar miteinander verbindbar sind. Außerdem um fasst das Kommunikationsgerät eine Reservierungsfunktionskom ponente und eine Konfigurationssteuerungseinheit. Des Weite ren ist das Kommunikationsgerät dafür ausgestaltet und einge richtet, einem Datenstrom zugeordnete Datagramme zwischen ei nem ersten Kommunikationsgerät an ersten Netzknoten und einem zweiten Kommunikationsgerät an einem zweiten Netzknoten zu übermitteln .
Die Reservierungsfunktionskomponente des erfindungsgemäßen Kommunikationsgeräts ist dafür ausgestaltet und eingerichtet, eine Reservierungsanfrage, die jeweils zumindest Angaben zum ersten und zweiten Netzknoten und Dienstgüteparameter um fasst, zur Reservierung von durch Kommunikationsgeräte für eine Übertragung des Datenstroms bereitzustellenden Ressour cen an eine übergeordnete Kommunikationssteuerungseinrichtung zu übermitteln. Die Konfigurationssteuerungseinheit des Korn- munikationsgeräts ist dafür ausgestaltet und eingerichtet, von der übergeordneten Kommunikationssteuerungseinrichtung Konfigurationsinformationen zu empfangen und das Kommunikati onsgerät entsprechend den empfangenen Konfigurationsinforma tionen für die Übertragung des Datenstroms einzurichten.
Das erfindungsgemäße Kommunikationsendgerät ist zur Durchfüh rung eines Verfahrens entsprechend vorangehenden Ausführungen vorgesehen und umfasst zumindest einen Anschluss zur Verbin dung mit einem Datagramme weiterleitenden Kommunikationsge rät, insbesondere einem Switch, einer Bridge oder einem Gerät mit integriertem Switch bzw. integrierter Bridge. Außerdem umfasst das Kommunikationsendgerät eine Konfigurationssteue rungseinheit. Des Weiteren ist das Kommunikationsendgerät da für ausgestaltet und eingerichtet, einem Datenstrom zugeord nete Datagramme zwischen einem ersten Kommunikationsgerät an ersten Netzknoten und einem zweiten Kommunikationsgerät an einem zweiten Netzknoten zu übermitteln.
Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Kommunikationsendge rät dafür ausgestaltet und eingerichtet, mittels einer eige nen Reservierungsfunktionskomponente oder einer Reservie rungsfunktionskomponente eines verbundenen Datagramme weiter leitenden Kommunikationsgeräts eine Reservierungsanfrage, die jeweils zumindest Angaben zum ersten und zweiten Netzknoten und Dienstgüteparameter umfasst, zur Reservierung von durch Kommunikationsgeräte für eine Übertragung des Datenstroms be reitzustellenden Ressourcen an eine übergeordnete Kommunika tionssteuerungseinrichtung zu übermitteln. Die Konfigurati onssteuerungseinheit des Kommunikationsendgeräts ist dafür ausgestaltet und eingerichtet, von der übergeordneten Kommu nikationssteuerungseinrichtung Konfigurationsinformationen zu empfangen und das Kommunikationsendgerät entsprechend den empfangenen Konfigurationsinformationen für die Übertragung des Datenstroms einzurichten.
Die erfindungsgemäße Kommunikationssteuerungseinrichtung ist zur Durchführung eines Verfahrens entsprechend vorangehenden Ausführungen vorgesehen und umfasst zumindest einen Anschluss zur Verbindung mit einem Datagramme weiterleitenden Kommuni kationsgerät. Das Kommunikationssteuerungseinrichtung ist da für ausgestaltet und eingerichtet, bei Reservierungsanfragen zur Reservierung von durch Kommunikationsgeräte für eine Übertragung von Datenströmen bereitzustellenden Ressourcen jeweils einen Pfad zu ermitteln und zu überprüfen, ob in Kom munikationsgeräten entlang des jeweiligen Pfades ausreichende Ressourcen für die Übertragung der Datenströme unter Einhal tung spezifizierter Dienstgüteparameter verfügbar sind, und für ausgewählte Kommunikationsgeräte eine vorgeschlagene lo kale Zyklusdauer zu ermitteln.
Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Kommunikationssteue rungseinrichtung dafür ausgestaltet und eingerichtet, bei ausreichenden Ressourcen vorgeschlagene lokale Zyklusdauern umfassende Konfigurationsinformationen an Konfigurationssteu erungseinheiten zu übermitteln, die den Kommunikationsgeräten an vom jeweiligen Pfad umfassten Netzknoten zugeordnet sind. Außerdem ist das Kommunikationssteuerungseinrichtung dafür ausgestaltet und eingerichtet, zumindest eine vorgegebene Kommunikationsnetz-Domäne fortlaufend auf Topologieänderungen zu überwachen, für aus Topologieänderungen resultierende ge änderte Pfade aktualisierte Konfigurationsinformationen zu ermitteln und zur aktualisierten Geräteeinrichtung an die Konfigurationssteuerungseinheiten zu übermitteln, die den Kommunikationsgeräten an von geänderten Pfaden umfassten Netzknoten zugeordnet sind. Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend an einem Ausfüh rungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Figur 1 ein mehrere Kommunikationsgeräte umfassendes Kommu nikationssystem für ein industrielles Automatisie rungssystem,
Figur 2 eine schematische Darstellung von Kommunikationsge räten des Kommunikationssystems gemäß Figur 1, bei denen jeweils eine lokale Zyklusdauer eingestellt ist, die ein Vielfaches einer allgemeinen netzwei ten Zyklusdauer ist.
Das in Figur 1 dargestellte Kommunikationssystem für ein in dustrielles Automatisierungssystem umfasst mehrere Bridges oder Switches 200 als Datagramme weiterleitende Kommunikati onsgeräte und übergeordnete Kommunikationssteuerungseinheiten 101-103. Bridges bzw. Switches 200 dienen insbesondere zum Anschluss von speicherprogrammierbaren Steuerungen 301, Be dien- und Beobachtungsstationen 302, I/O-Controllern 401 oder I/O-Modulen 402-403, die ebenfalls Kommunikationsgeräte bzw. Kommunikationsendgeräte darstellen. Im vorliegenden Ausfüh rungsbeispiel ist das Kommunikationssystem als Time-sensitive Network ausgestaltet, insbesondere entsprechend IEEE802.3- 2018, IEEE 802.1Q-2018, IEEE 802.1AB-2016, IEEE 802.1AS-2011 , IEEE 802.1BA-2011 bzw. IEEE 802.1CB-2017.
Speicherprogrammierbare Steuerungen 301 umfassen typischer weise jeweils ein Kommunikationsmodul, eine Zentraleinheit sowie zumindest eine Eingabe/Ausgabe-Einheit dar. Eingabe/ Ausgabe-Einheiten können grundsätzlich auch als dezentrale Peripheriemodule ausgestaltet sein, die entfernt von einer speicherprogrammierbaren Steuerung angeordnet sind. Über das Kommunikationsmodul kann eine speicherprogrammierbare Steue- rung 301 mit einem Switch oder Router oder zusätzlich mit ei nem Feldbus verbunden werden. Die Eingabe/Ausgabe-Einheit dient einem Austausch von Steuerungs- und Messgrößen zwischen der speicherprogrammierbaren Steuerung 301 und einer durch die speicherprogrammierbare Steuerung 301 gesteuerten Maschi ne oder Vorrichtung 313. Die Zentraleinheit ist insbesondere für eine Ermittlung geeigneter Steuerungsgrößen aus erfassten Messgrößen vorgesehen. Obige Komponenten der speicherprogram mierbaren Steuerung 301 sind beispielsweise über ein Rück wandbus-System miteinander verbunden.
Auch die I/O-Module 402-403 sind zum Austausch von Steue rungs- und Messgrößen mit angeschlossenen Maschinen oder Vor richtungen 422, 432 vorgesehen. Zur Steuerung der I/O-Module ist beispielsweise pro Automatisierungszelle ein zugeordneter I/O-Controller 401 vorgesehen. Die I/O-Module 402-403 können grundsätzlich auch durch eine entfernte speicherprogrammier baren Steuerung 301 angesteuert werden.
Eine Bedien- und Beobachtungsstation 302 dient zur Visuali sierung von Prozessdaten bzw. Mess- und Steuerungsgrößen, die durch speicherprogrammierbare Steuerungen, Eingabe/Ausgabe- Einheiten oder Sensoren verarbeitet bzw. erfasst werden. Ins besondere wird eine Bedien- und Beobachtungsstation 302 zur Anzeige von Werten eines Regelungskreises und zur Veränderung von Regelungsparametern verwendet. Bedien- und Beobachtungs stationen 302 umfassen zumindest eine graphische Benutzer schnittstelle, ein Eingabegerät, eine Prozessoreinheit und ein Kommunikationsmodul.
Mittels erster Kommunikations- bzw. Automatisierungsgeräte, die insbesondere eine Talker- oder Provider Funktion haben, werden Informationen bzw. Dienste über Datenströme zur Nut zung an zweiten Kommunikations- bzw. Automatisierungsgeräten bereitgestellt, die insbesondere eine Listener- oder Consu mer-Funktion haben. Einem Automatisierungsgerät kann gleich zeitig sowohl eine oder mehrere Talker-Funktionen als auch eine oder mehrere Listener-Funktionen haben, beispielsweise wenn es einerseits Automatisierungsdienste bereitstellt und andererseits Automatisierungsdienste anderer Geräte nutzt.
Aus diesem Grund werden Datenströme auf Reservierungsanfragen im vorliegenden Ausführungsbeispiel vorzugsweise jeweils bidirektional eingerichtet.
Die speicherprogrammierbare Steuerung 301 und die I/O-Module 402-402 können beispielsweise Messwerte liefern und somit ei ne Talker-Funktion haben. Dagegen kann die Bedien- und Be obachtungsstation 302 eine Listener-Funktion aufweisen und insbesondere durch die speicherprogrammierbare Steuerung 301 oder die I/O-Module 402-403 bereitgestellte Informationen empfangen. Grundsätzlich könnte die Bedien- und Beobachtungs station 302 von der speicherprogrammierbaren Steuerung 301 oder den I/O-Modulen 402-403 empfangene Informationen analy sieren und hieraus Steuerungsparameter für die speicherpro grammierbare Steuerung 301 oder die I/O-Module 402-403 vorge ben. Somit können sowohl die speicherprogrammierbare Steue rung 301 bzw. die I/O-Module 402-403 als auch die Bedien- und Beobachtungsstation 302 beide Funktionen wahrnehmen.
Zur Übermittlung zeitkritischer Daten werden ausgewählte Datagramme 10 Datenströmen zugeordnet und zwischen ersten Kommunikationsgeräten 301 an ersten Netzknoten und zweiten Kommunikationsgeräten 302, 402-403 an zweiten Netzknoten über zumindest die ersten und zweiten Netzknoten umfassende Pfade übermittelt. Derartige Datenströme können beispielsweise zwi schen der speicherprogrammierbaren Steuerung 301 und der Be dien- und Beobachtungsstation 302 oder zwischen der Speicher- programmierbaren Steuerung 301 und den I/O-Module 402-403 eingerichtet werden.
Entsprechend Figur 2 kann an ausgewählten Kommunikationsgerä ten 402-403 jeweils eine lokale Zyklusdauer T2, T3 einge stellt werden, die ein Vielfaches einer allgemeinen netzwerk weiten Zyklusdauer TI ist. Während beispielsweise am I/O- Controller 401 ein allgemeiner netzwerkweiter Sendezyklus Tl=31,25 ys eingestellt ist, kann an den beiden I/O-Modulen 402-403 ein Sendezyklus T2=62,5 ys bzw. T3=125 ys eingestellt werden. Dementsprechend ändern sich in den I/O-Modulen 402- 403 gegenüber dem I/O-Controller 401 Sendequeue-Belegungs- muster .
Für ankommende Datagramme werden bei einer Weiterleitung ur sprüngliche Zyklusdauern von jeweils sendenden Netzknoten beibehalten. Dies bedeutet, dass beispielsweise für zykli schen Datenverkehr bei einer Weiterleitung durch einen Netz knoten mit einem untertakteten Sendezyklus mehrere Sendezeit fenster innerhalb des untertakten Sendezyklus vorgesehen wer den. Für zyklischen Datenverkehr, der unmittelbar vom Netz knoten mit untertaktetem Sendezyklus ausgeht, wird grundsätz lich nur ein Sendezeitfenster innerhalb des untertakten Sen dezyklus vorgesehen. Eine Einstellung von lokalen Zyklusdau er, die einem Vielfaches einer allgemeinen netzwerkweiten Zyklusdauer entspricht, ist nicht nur bei einer Sendequeue- Steuerung mittels Time-Aware Shaper (vormals IEEE 802.1Qbv, aktuell IEEE 802.1Q-2018) möglich, sondern auch bei einer Sendequeue-Steuerung mittels Credit-Based Shaper (vormals IEEE 802.1Qav, aktuell IEEE 802.1Q-2018 ) , Burst Limiting Sha per, Peristaltic Shaper bzw. Priority-Based Shaper.
Reservierungsanfragen 11-13, die jeweils zumindest Angaben zu einem ersten und zweiten Netzknoten und Dienstgüteparameter umfassen, zur Reservierung von durch Kommunikationsgeräte 200 für eine Übertragung von Datenströmen bereitzustellenden Res sourcen werden jeweils durch eine Reservierungsfunktionskom ponente 201, 311, 411, die einem ersten oder zweiten Kommuni kationsendgerät 301-302, 402-403 oder einem mit diesem ver bundenen Datagramme weiterleitenden Kommunikationsgerät 200, 401 zugeordnet ist, an eine übergeordnete Kommunikationssteu erungseinrichtung 101 übermittelt. Die durch die Kommunikati onsgeräte bereitzustellenden Ressourcen umfassen beispiels weise nutzbare Übertragungszeitfenster, Bandbreite, zugesi cherte maximale Latenz, Queue-Anzahl, Queue-Cache und Adress- Cache in Switches oder Bridges.
Das Kommunikationssystem kann mehrere übergeordnete Kommuni kationssteuerungseinrichtungen 101-103 umfassen. Diese über geordneten Kommunikationssteuerungseinrichtungen 101-103 kön nen beispielsweise mittels einer in einem Domain Name System erfassten Dienstbeschreibung oder mittels einer Identifizie rung entsprechend PROFINET Dynamic Configuration Protocol er mittelt werden, letzteres sogar ohne Projektierung bzw. Engi neering. Auf Basis dessen wählen die übergeordneten Kommuni kationssteuerungseinrichtungen 101-103 untereinander anhand eines Auswahlkriteriums eine aktive übergeordnete Kommunika tionssteuerungseinrichtung aus. Nicht aktive übergeordnete Kommunikationssteuerungseinrichtungen 102-103 werden in einen Bereitschaftszustand versetzt.
Die aktive übergeordnete Kommunikationssteuerungseinrichtung 101 ermittelt bei Reservierungsanfragen mittels einer Pfadbe rechnungskomponente 112 jeweils einen Pfad und überprüft, ob in den Kommunikationsgeräten 200, 401 entlang des jeweiligen Pfades ausreichende Ressourcen für die Übertragung der Daten ströme unter Einhaltung der spezifizierten Dienstgüteparame ter verfügbar sind. Für die ausgewählten Kommunikationsgeräte 402-403 ermittelt die aktive übergeordnete Kommunikations steuerungseinrichtung 101 außerdem jeweils eine vorgeschlage ne lokale Zyklusdauer.
Bei ausreichenden Ressourcen erstellt die übergeordnete Kom munikationssteuerungseinrichtung 101 mittels einer Netzwerk- Konfigurationskomponente 113 vorgeschlagene lokale Zyklusdau ern umfassende Konfigurationsinformationen 21-25 und übermit telt diese an Konfigurationssteuerungseinheiten 202, 312,
412, 421, 431, die den Kommunikationsgeräten 200, 301-302, 401-403 an den vom jeweiligen Pfad umfassten Netzknoten zuge ordnet sind. Darüber hinaus empfängt die übergeordnete Kommu nikationssteuerungseinrichtung 101 im vorliegenden Ausfüh rungsbeispiel von einem Engineering-System 100 Konfigurati onsrichtlinien 20 und setzt diese in die an die Konfigurati onsteuerungseinheiten 202, 312, 412, 421, 431 übermittelten Konfigurationsinformationen 21-25 um. Mittels der Konfigura tionsrichtlinien 20 kann in den Kommunikationsgeräten 200, 301-302, 401-403 beispielsweise eine Anwendung von Pre emption mit Strict Priority (siehe IEEE 802.1Q-2018) für die Datenströme gesteuert werden. Die Konfigurationssteuerungs einheiten 202, 312, 412, 421, 431 richten die zugeordneten Kommunikationsgeräte 200, 301-302, 401-403 entsprechend den übermittelten Konfigurationsinformationen 21-25 zur Ressour- cen-Bereitstellung für die Übertragung der Datenströme ein.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst jedes Kommunika tionsgerät jeweils eine Konfigurationssteuerungseinheit. Bei Kommunikationsendgeräten reicht es grundsätzlich aus, wenn verbundenes, Datagramme weiterleitendes Kommunikationsgerät eine Reservierungsfunktionskomponente zur Übermittlung von Reservierungsanfragen aufweist. In entsprechender Weise for dert der I/O-Controller 401 mittels seiner Reservierungsfunk tionskomponente 411 für die I/O-Module Reservierungen von Ressourcen für eine Übertragung von Datenströmen an. Insge samt kann die übergeordnete Kommunikationssteuerungseinrich tung 101 auf erfolgreiche Reservierungsanfragen jeweils eine dem Datenstrom zugeordnete Datenstrom-Ziel-Adresse an die Re servierungsfunktionskomponente des ersten Kommunikationsend geräts oder des mit diesem verbundenen, Datagramme weiterlei tenden Kommunikationsgeräts und an die Reservierungsfunkti onskomponente des zweiten Kommunikationsendgeräts oder des mit diesem verbundenen, Datagramme weiterleitenden Kommunika tionsgeräts übermitteln.
Mittels einer Topologieerfassungseinheit 111 überwacht die übergeordnete Kommunikationssteuerungseinrichtung 101 zumin dest eine vorgegebene Kommunikationsnetz-Domäne fortlaufend auf Topologieänderungen. Domänengrenzen werden vorzugsweise mittels Link Layer Discovery Protocol ermittelt. Eine Kommu nikationsgeräteidentifizierung kann beispielsweise mittels Dynamic Host Configuration Protocol oder PROFINET Dynamic Configuration Protocol erfolgen. Die Netzwerk-Konfigurations komponente 113 der übergeordneten Kommunikationssteuerungs einrichtung 101 ermittelt für aus Topologieänderungen resul tierende geänderte Pfade aktualisierte Konfigurationsinforma tionen 21-25 und übermittelt diese zur aktualisierten Gerä teeinrichtung an die Konfigurationssteuerungseinheiten 202, 312, 412, 421, 431, die den Kommunikationsgeräten 200, 301- 302, 401-403 an von geänderten Pfaden umfassten Netzknoten zugeordnet sind.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform speichert die übergeordnete Kommunikationssteuerungseinrichtung 101 jeweils eine zuletzt erfasste Topologie des Kommunikationssystems und für erfolgreich eingerichtete Datenströme ermittelte Pfade. Bei einem Betriebsstart des Kommunikationssystems lädt die übergeordnete Kommunikationssteuerungseinrichtung 101 die zu- letzt erfasste Topologie und ermittelt mittels der Topologie erfassungseinheit 111 Topologieänderungen. In Abhängigkeit von ermittelten Topologieänderungen kann die übergeordnete Kommunikationssteuerungseinrichtung 101 gespeicherte Pfade für eine Einrichtung von Datenströmen wiederverwenden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Kommunikationssystems zur
Übermittlung zeitkritischer Daten, bei dem
- ausgewählte Datagramme (10) Datenströmen zugeordnet und zwischen ersten Kommunikationsgeräten an ersten Netzkno ten und zweiten Kommunikationsgeräten an zweiten Netzkno ten über zumindest die ersten und zweiten Netzknoten um fassende Pfade übermittelt werden, wobei an ausgewählten Kommunikationsgeräten (402-403) jeweils eine lokale Zyk lusdauer einstellbar ist, die ein Vielfaches einer allge meinen Zyklusdauer ist,
- Reservierungsanfragen (11-13), die jeweils zumindest An gaben zu einem ersten und zweiten Netzknoten und Dienst güteparameter umfassen, zur Reservierung von durch Kommu nikationsgeräte für eine Übertragung von Datenströmen be reitzustellenden Ressourcen jeweils durch eine Reservie rungsfunktionskomponente (201, 311, 411), die einem ers ten oder zweiten Kommunikationsendgerät oder einem mit diesem verbundenen Datagramme weiterleitenden Kommunika tionsgerät (200, 301-302, 401-403) zugeordnet ist, an ei ne übergeordnete Kommunikationssteuerungseinrichtung (101) übermittelt werden,
- die übergeordnete Kommunikationssteuerungseinrichtung (101) bei Reservierungsanfragen jeweils einen Pfad ermit telt und überprüft, ob in den Kommunikationsgeräten ent lang des jeweiligen Pfades ausreichende Ressourcen für die Übertragung der Datenströme unter Einhaltung der spe zifizierten Dienstgüteparameter verfügbar sind, und für die ausgewählten Kommunikationsgeräte eine vorgeschlagene lokale Zyklusdauer ermittelt,
- die übergeordnete Kommunikationssteuerungseinrichtung (101) bei ausreichenden Ressourcen vorgeschlagene lokale Zyklusdauern umfassende Konfigurationsinformationen (21- 25) an Konfigurationssteuerungseinheiten (202, 312, 412, 421, 431) übermittelt, die den Kommunikationsgeräten an den vom jeweiligen Pfad umfassten Netzknoten zugeordnet sind,
- die Konfigurationssteuerungseinheiten (202, 312, 412,
421, 431) die zugeordneten Kommunikationsgeräte entspre chend den übermittelten Konfigurationsinformationen zur Ressourcen-Bereitstellung für die Übertragung der Daten ströme einrichten,
- die übergeordnete Kommunikationssteuerungseinrichtung
(101) zumindest eine vorgegebene Kommunikationsnetz- Domäne fortlaufend auf Topologieänderungen überwacht,
- die übergeordnete Kommunikationssteuerungseinrichtung
(101) für aus Topologieänderungen resultierende geänderte Pfade aktualisierte Konfigurationsinformationen ermittelt und zur aktualisierten Geräteeinrichtung an die Konfigu rationssteuerungseinheiten (202, 312, 412, 421, 431) übermittelt, die den Kommunikationsgeräten an von geän derten Pfaden umfassten Netzknoten zugeordnet sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem die durch die Kommunikationsgeräte bereitzustellenden Ressourcen nutzbare Übertragungszeitfenster, Bandbreite, zu gesicherte maximale Latenz, Queue-Anzahl, Queue-Cache
und/oder Adress-Cache in Switches oder Bridges umfassen.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
bei dem die ersten Kommunikationsgeräte über ein Time
sensitive Network, insbesondere entsprechend IEEE802.3-2018 , IEEE 802.1Q-2018, IEEE 802.1AB-2016, IEEE 802.1AS-2011 , IEEE 802.1BA-2011 und/oder IEEE 802.1CB-2017, mit den zweiten Kom munikationsgeräten verbunden sind. 4. Verfahren nach Anspruch 3,
bei dem eine Weiterleitung der ausgewählten Datagramme mit tels Frame Preemption, insbesondere gemäß IEEE 802.1Q-2018, Time-Aware Shaper, insbesondere gemäß IEEE 802.1Q-2018, Cre- dit-Based Shaper, insbesondere gemäß IEEE 802.1Q-2018, Burst Limiting Shaper, Peristaltic Shaper und/oder Priority-Based Shaper gesteuert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei dem die Datenströme auf Reservierungsanfragen jeweils bidirektional eingerichtet werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
bei dem die übergeordnete Kommunikationssteuerungseinrichtung (101) mittels Link Layer Discovery Protocol Domänengrenzen ermittelt .
7. Verfahren nach Anspruch 6,
bei dem die übergeordnete Kommunikationssteuerungseinrichtung mittels Dynamic Host Configuration Protocol oder PROFINET Dy namic Configuration Protocol eine Kommunikationsgeräteidenti fizierung durchführt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
bei dem die übergeordnete Kommunikationssteuerungseinrichtung (101) von einem Engineering-System Konfigurationsrichtlinien empfängt und diese in die an die Konfigurationsteuerungsein heiten (202, 312, 412, 421, 431) übermittelten Konfigurati onsinformationen umsetzt.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
bei dem mittels der Konfigurationsrichtlinien in den Kommuni kationsgeräten eine Anwendung von Pre-emption mit Strict Pri- ority für die Datenströme gesteuert wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
bei dem jedes Kommunikationsgerät jeweils eine Konfigurati onssteuerungseinheit (202, 312, 412, 421, 431) umfasst und bei dem die übergeordnete Kommunikationssteuerungseinrichtung (101) auf erfolgreiche Reservierungsanfragen jeweils eine dem Datenstrom zugeordnete Datenstrom-Ziel-Adresse an die Reser vierungsfunktionskomponente (201, 311, 411) des ersten Kommu nikationsendgeräts oder des mit diesem verbundenen Datagramme weiterleitenden Kommunikationsgeräts und an die Reservie rungsfunktionskomponente (201, 311, 411) des zweiten Kommuni kationsendgeräts oder des mit diesem verbundenen Datagramme weiterleitenden Kommunikationsgeräts übermittelt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
bei dem das Kommunikationssystem einem industriellen Automa tisierungssystem zugeordnet ist, das mehrere Steuerungsgeräte (PLC, IOC) und diesen zugeordnete Eingabe/Ausgabe-Geräte (IOD) umfasst, bei dem jedes Steuerungsgerät jeweils eine Re servierungsfunktionskomponente (201, 311, 411) umfasst und bei dem die Steuerungsgeräte mittels ihrer Reservierungsfunk tionskomponenten (201, 311, 411) für die zugeordneten Einga be/Ausgabe-Geräte Reservierungen von Ressourcen für eine Übertragung von Datenströmen anfordern.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
bei dem das Kommunikationssystem mehrere übergeordnete Kommu nikationssteuerungseinrichtungen (101) umfasst, bei dem die übergeordneten Kommunikationssteuerungseinrichtungen (101) mittels einer in einem Domain Name System erfassten Dienstbe- Schreibung oder mittels einer Identifizierung entsprechend PROFINET Dynamic Configuration Protocol ermittelt werden und bei dem die übergeordneten Kommunikationssteuerungseinrich tungen (101) untereinander anhand eines Auswahlkriteriums ei ne aktive übergeordnete Kommunikationssteuerungseinrichtung auswählen, wobei nicht aktive übergeordnete Kommunikations steuerungseinrichtungen in einen Bereitschaftszustand ver setzt werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
bei dem die übergeordnete Kommunikationssteuerungseinrichtung (101) jeweils eine zuletzt erfasste Topologie des Kommunika tionssystems und für erfolgreich eingerichtete Datenströme ermittelte Pfade speichert, bei dem die übergeordnete Kommu nikationssteuerungseinrichtung (101) die zuletzt erfasste To pologie bei einem Betriebsstart des Kommunikationssystems lädt und Topologieänderungen ermittelt und bei dem die über geordnete Kommunikationssteuerungseinrichtung in Abhängigkeit von ermittelten Topologieänderungen gespeicherte Pfade für eine Einrichtung von Datenströmen wiederverwendet.
14. Kommunikationsgerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 mit
- mehreren Anschlüssen zur Verbindung mit weiteren Kommuni kationsgeräten,
- einem Koppelelement, durch das die Anschlüsse schaltbar miteinander verbindbar sind,
- einer Reservierungsfunktionskomponente (201, 311, 411),
- einer Konfigurationssteuerungseinheit (202, 312, 412,
421, 431),
- wobei das Kommunikationsgerät dafür ausgestaltet und ein gerichtet ist, einem Datenstrom zugeordnete Datagramme (10) zwischen einem ersten Kommunikationsgerät an ersten Netzknoten und einem zweiten Kommunikationsgerät an einem zweiten Netzknoten zu übermitteln,
- wobei die Reservierungsfunktionskomponente (201, 311,
411) dafür ausgestaltet und eingerichtet ist, eine Reser vierungsanfrage (11-13), die jeweils zumindest Angaben zum ersten und zweiten Netzknoten und Dienstgüteparameter umfasst, zur Reservierung von durch Kommunikationsgeräte für eine Übertragung des Datenstroms bereitzustellenden Ressourcen an eine übergeordnete Kommunikationssteue rungseinrichtung (101) zu übermitteln,
- wobei die Konfigurationssteuerungseinheit (202, 312, 412, 421, 431) dafür ausgestaltet und eingerichtet ist, von der übergeordneten Kommunikationssteuerungseinrichtung (101) Konfigurationsinformationen (21-25) zu empfangen und das Kommunikationsgerät entsprechend den empfangenen Konfigurationsinformationen für die Übertragung des Da tenstroms einzurichten.
15. Kommunikationsendgerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 mit
- zumindest einem Anschluss zur Verbindung mit einem Data gramme weiterleitenden Kommunikationsgerät,
- einer Konfigurationssteuerungseinheit (202, 312, 412,
421, 431),
- wobei das Kommunikationsendgerät dafür ausgestaltet und eingerichtet ist, einem Datenstrom zugeordnete Datagramme (10) zwischen einem ersten Kommunikationsgerät an ersten Netzknoten und einem zweiten Kommunikationsgerät an einem zweiten Netzknoten zu übermitteln,
- wobei das Kommunikationsendgerät dafür ausgestaltet und eingerichtet ist, mittels einer eigenen Reservierungs funktionskomponente (201, 311, 411) oder einer Reservie rungsfunktionskomponente (201, 311, 411) eines verbünde- nen Datagramme weiterleitenden Kommunikationsgeräts eine Reservierungsanfrage (11-13), die jeweils zumindest Anga ben zum ersten und zweiten Netzknoten und Dienstgütepara meter umfasst, zur Reservierung von durch Kommunikations geräte für eine Übertragung des Datenstroms bereitzustel lenden Ressourcen an eine übergeordnete Kommunikations steuerungseinrichtung (101) zu übermitteln,
- wobei die Konfigurationssteuerungseinheit (202, 312, 412, 421, 431) dafür ausgestaltet und eingerichtet ist, von der übergeordneten Kommunikationssteuerungseinrichtung (101) Konfigurationsinformationen (21-25) zu empfangen und das Kommunikationsendgerät entsprechend den empfange nen Konfigurationsinformationen für die Übertragung des Datenstroms einzurichten.
16. Kommunikationssteuerungseinrichtung mit
- zumindest einem Anschluss zur Verbindung mit einem Data gramme weiterleitenden Kommunikationsgerät,
- wobei das Kommunikationssteuerungseinrichtung dafür aus gestaltet und eingerichtet ist, bei Reservierungsanfragen (11-13) zur Reservierung von durch Kommunikationsgeräte für eine Übertragung von Datenströmen bereitzustellenden Ressourcen jeweils einen Pfad zu ermitteln und zu über prüfen, ob in Kommunikationsgeräten entlang des jeweili gen Pfades ausreichende Ressourcen für die Übertragung der Datenströme unter Einhaltung spezifizierter Dienstgü teparameter verfügbar sind, und für ausgewählte Kommuni kationsgeräte (402-403) eine vorgeschlagene lokale Zyk lusdauer zu ermitteln,
- wobei das Kommunikationssteuerungseinrichtung dafür aus gestaltet und eingerichtet ist, bei ausreichenden Res sourcen vorgeschlagene lokale Zyklusdauern umfassende Konfigurationsinformationen (21-25) an Konfigurations- Steuerungseinheiten (202, 312, 412, 421, 431) zu übermit teln, die den Kommunikationsgeräten an vom jeweiligen Pfad umfassten Netzknoten zugeordnet sind,
- wobei das Kommunikationssteuerungseinrichtung dafür aus- gestaltet und eingerichtet ist, zumindest eine vorgegebe ne Kommunikationsnetz-Domäne fortlaufend auf Topologieän derungen zu überwachen, für aus Topologieänderungen re sultierende geänderte Pfade aktualisierte Konfigurati onsinformationen zu ermitteln und zur aktualisierten Ge- räteeinrichtung an die Konfigurationssteuerungseinheiten
(202, 312, 412, 421, 431) zu übermitteln, die den Kommu nikationsgeräten an von geänderten Pfaden umfassten Netz knoten zugeordnet sind.
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