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Die Erfindung betrifft ein Netzwerk nach einem der vorgenannten Ansprüche.
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Aus dem Stand der Technik ist zum Beispiel aus der
DE 10 2019 102 615 A1 ein Verfahren zum Zugriff auf Daten und Dienste eines Netzwerkknotens in einem Netzwerk bekannt, bei dem ein Netzwerkknoten seine eigene Verzeichnisstruktur um die nachgelagerter Netzwerkknoten erweitern kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Netzwerk für die Automatisierungstechnik bereitstellen zu können, welches eine verbesserte, insbesondere eine umfassendere und einfachere Kontrolle einzelner Netzwerkknoten bietet.
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Die Aufgabe wird, ausgehend von einem Netzwerk der eingangs genannten Art, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
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Das vorgeschlagene, erfindungsgemäße Netzwerk wird hauptsächlich in der Automatisierungstechnik eingesetzt. Innerhalb des Netzwerkes gibt es Netzwerkknoten, die Verbindungen herstellen, z.B. zu einem Benutzer oder zu einem funktionalen Element oder zu einem sonstigen Hardware-Element.
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Ein solches Netzwerk lässt sich hierarchisch in einzelne Ebenen gliedern:
- - Es kann eine Verbindung nach außen zu einer Cloud bzw. zu einer Cloud-Ebene bestehen. Ein Cloud-Zugriff ermöglicht zum Beispiel eine Verbindung zu einer Großrechenanlage, einem großen externen Speicher oder dergleichen. Auch die Cloud-Ebene kann einen oder mehrere Netzwerkknoten aufweisen.
- - Ein Infrastrukturnetzwerk kann eine ERP-Programm (Enterprise Resource Planning) aufweisen, sofern dieses nicht über eine Cloud zugreifen sollte. Ansonsten kann das Infrastrukturnetzwerk eine Betriebsleitebene (Manufacturing Execution System) umfassen. Auf dieser Ebene kann ein zentraler Server angeordnet sein.
- - Das Infrastrukturnetzwerk kann über eine weitere Ebene über eine Ethernet-Verbindung, Profinet oder dergleichen mit Schalter (Switches) mit der Prozessleit- oder Steuerungsebene verbunden sein.
- - Die Verbindung zur Steuerungsebene kann über eine Prozessleitebene erfolgen. Je nach Netzwerkstruktur kann die Prozessleitebene auch im Bereich des
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Infrastrukturnetzwerks, aber auch in einer niedrigeren Ebene angesiedelt sein. In der Prozessleitebene kann der Zugang des Benutzers ermöglicht werden, d.h. es besteht dort über ein Mensch-Maschine-Interface die Möglichkeit der Ein- und Ausgabe von Daten, Befehlen und dergleichen.
- - Die Steuerungsebene umfasst eine programmierbare logische Einheit, welche z.B. zur Kontrolle, d.h. Steuerung bzw. Regelung von Sensoren und/oder Aktoren ausgebildet ist.
- - Diese Sensoren bzw. Aktoren sind hierarchisch auf der Feldebene angeordnet.
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Die Erfindung zeichnet sich nun dadurch aus, dass zur Kommunikation ein Protokoll verwendet wird, mit dem eine einfache, schnelle Übertragung von nur kurzen Nachrichten (Messages) von Maschine zu Maschine möglich ist. Zu diesem Zweck kann ein IoT-Core in der Cloud, im Server im Infrastrukturnetz und auf der Steuerungsebene in der programmierbaren logischen Einheit untergebracht sein. Anstelle eines IoT-Core kann grundsätzlich auch MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) verwendet werden, mit dem Telemetriedaten versendet werden können. Ein IoT-Core bietet bislang den Vorteil, dass Diagnosebefehle ohne Weitere umgesetzt werden können. Wenn diese Objekte oder Befehle aber als Parameter behandelt und über das Protokoll übertragen werden können, kann dieses Protokoll grundsätzlich verwendet werden.
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Wenn Protokolle zur Übertragung von nur kurzen Messages verwendet werden, zeichnet es sich als besonders vorteilhaft aus, die Software im Bereich der Steuerung so zu gliedern, dass sich eine oder mehrere hierarchische Baumstrukturen aus Hardware-Elementen (Sensoren, Aktoren, I/O-Devices, usw.) und sonstigen funktionalen Elementen ergeben. Die hierarchische Baustruktur wird über einzelne Netzwerkknoten angesprochen. Den Netzwerkknoten wiederum sind Administrative States zugeordnet, deren aktueller oder zuzuweisender Wert (locked oder unlocked) über das Protokoll übertragen werden kann. Somit können also Hardware-Elemente und funktionale Elemente, die über diesen Netzwerkknoten verbunden werden, ausgeschaltet werden.
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Die Verzeichnisstrukturen können bei einzelnen Netzwerkknoten auch zusammengestellt werden. Insgesamt ergibt sich dadurch eine vollständige, geordnete und hierarchisch angelegte Netzwerkstruktur. Hierzu ist es von Vorteil, wenn die Verzeichnisstrukturen von Netzwerkknoten um die nachgelagerter Netzwerkknoten ergänzt werden können, sodass ein Daten- oder Dienstezugriff, vor allem aber auch ein An- bzw. Abschalten vereinfacht werden kann.
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Zudem besitzt eine hierarchische Baustruktur Vorteile bei Diagnosemeldungen, da aufgrund der Baumstruktur auch unmittelbar aus der Verzweigung hervorgeht, welche weiteren Hardware-Elemente oder funktionalen Elemente von z.B. einem Ausfall betroffen sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind zudem redundante Komponenten vorgesehen, die über die Netzwerkknoten angeschaltet werden können, wenn andere abgeschaltet werden. Es ist aber in der Regel nicht notwendig, jede möglicherweise ausgeschaltete Komponente durch eine redundante zu ersetzen, weil damit auch Kostennachteile und eine Erhöhung der Komponentenzahl verbunden sein können.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden Prozessdaten, wie z.B. Temperaturdaten oder Druckdaten von Sensoren, nicht ohne Weiteres einem Bediener angezeigt. Diese Daten könnten nämlich Betriebsgeheimnisse von Produktionsprozessen darstellen und sind damit schützenswert, d.h. sie sollen nicht jedem Bediener zur Verfügung stehen. Stattdessen werden nur Zustände übermittelt, aus denen man zum Beispiel den störungsfreien, oder aber den fehlerbehafteten Betrieb der Anlagen erkennen kann (fault state). Es können auch andere Zustände übermittelt werden, etwa, ob sich ein Element überhaupt einen Zugriff ermöglicht oder nicht (locked oder unlocked: administrative state). Ferner kann ein Zustand bedeuten, dass ein Element gerade aktiv ist, deaktiviert wurde oder erst hochfährt (operational state). Eine Zuordnung von Daten bzw. Diensten zu bestimmten Zuständen (States) kann durch eine Netzwerkkomponente, gegebenenfalls ein Element selbst eine Recheneinheit, einen Mikrocontroller oder Prozessor, ein FPGA oder dergleichen als Zuordnungseinheit durchgeführt werden.
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Vorteilhafterweise kann eine standardisierte Applikation über einen Browser auf der Prozessleitebene, die ein Mensch-Maschine-Interface anbietet, ausgeführt werden. Zur Sicherheit kann eine Authentifikation erfolgen, wenn vom Benutzer ein Zugriff auf die programmierbare logische Einheit erfolgt.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung können weitere Zustandsdaten von Netzwerkknoten oder Hardware-Elementen oder funktionalen Elementen verwendet werden, z.B. ein Operational State, der angibt, ob ein Objekt, also ein Element des Netzwerks, am Hochfahren ist, aktiviert oder deaktiviert wurde. Auch der Operational State eignet sich zur Übertragung kurzer Mitteilungen. Fehler können mit dem Fault-State auch über Kurznachrichten übermittelt werden und geben an, ob ein Fehler vorliegt oder nicht.
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Vorteilhafterweise können dieses Zustände (Administrative State, Operational State, Fault-State) innerhalb der Prozessleitebene angezeigt oder abgefragt werden. Beispielsweise können diese Zustände auch einzeln über IoT-Einzelmessages abgefragt bzw. angefordert werden. Alle Knoten können separat verwaltet und Zustände (States) eingesehen oder abgefragt werden. Die Hardware-Elemente und funktionalen Elemente können aber bei einer Ausführungsvariante der Erfindung nicht nur auf den Zustand (State) abgefragt werden, sondern eine Zustandsänderung selbstständig weitermelden. Damit werden untergeordnete und übergeordnete Elemente informiert, die als Folge ihrerseits den Zustand ändern können, wenn sie z.B. von dem Zustand des anderen, aus ihrer Sicht über- oder untergeordneten Elements beeinflusst werden können.
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Die Anordnung einer Betriebs- und Wartungszentrale für Netzwerke (OMC: Operation and Maintenance Center) kann, je nach Standardisierungsgrad, unterschiedlich erfolgen. Sie kann aber auf den Kommunikationsdienst, z.B. die IoT-Cores, zugreifen, um Fehlermeldungen abzufragen und gegebenenfalls Hardware-Elemente und funktionale Elemente über Netzwerkknoten ein-/auszuschalten.
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Ausführungsbeispiel
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachstehend unter Angabe weiterer Einzelheiten und Vorteile näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines Netzwerks gem. der Erfindung,
- 2 eine schematische Darstellung einer Baumstruktur mit Netzwerkknoten, sowie
- 3: eine schematische Darstellung einer Baumstruktur wie in 2 unter Einblendung der Zustände (States).
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1 zeigt ein Netzwerk 1, bei dem ein Infrastrukturnetzwerk 2 mit einer Cloud 3 verbunden ist, z.B. um dort Daten auszulagern oder um komplexere Rechenvorgänge auf einem Großrechner auszuführen. Die Verbindung zur Cloud 3 erfolgt gesichert über eine Firewall 4. Das Infrastrukturnetzwerk 2 verfügt für alle Dienstanfragen über einen Server 5. Der Datentransfer wird über Schalter (Switches) 6 verzweigt.
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Im Folgenden wird die Verbindung z.B. zu einzelnen Produktionsmaschinen hergestellt. Dies erfolgt über eine Ethernet-Verbindung 7. Auch hier wird über Switches 8 verzweigt, insbesondere zu den einzelnen Produktionsmaschinen 9, 10. In 1 sind dabei die nächsten Ebenen, nämlich die Prozessleitebene und Steuerungsebene 11 der Anlagen 9, 10 zusammengefasst. Die eigentliche Steuerung erfolgt über die programmierbare logische Einheit (PLC) 12. Typisch für eine Prozessleitebene ist auch ein Display 13 vorgesehen. Im Unterschied zur älteren Produktionsmaschine 9 kann eine Verbindung zur nächsten Ebene, der Feldebene 14 neben einer festverdrahteten Verbindung über das Ethernet auch zusätzlich über eine Drahtlosverbindung 15 realisiert werden, in 1 zum Beispiel zu einem fahrerlosen Transportsystem (FTS) 16.
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Die Feldebene 14 umfasst neben dem FTS 16 auch eine Reihe von Sensoren 17 und Aktoren 18.
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Hier ist in der Feldebene 14 auch noch ein Input-Output-Gerät 19 dargestellt das eigentlich zur Prozessleitebene gezählt werden kann.
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Bei der Produktionsmaschine 9 wird über einen Schalter 8 verzweigt, und Steuerung 12 ist als separater Zweig angebunden. Display 13 und I/O-Gerät 19 sind auch hier in der Ebene 11 angeordnet. Die Feldebene 14 umfasst weitere Sensoren 17 und Aktoren 18.
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Grundsätzlich sind verschiedene Einteilungen der Ebenen möglich:
- Das gesamte Netzwerk kann in ein Distribution-Level, auf dem Geschäftsprozesse ablaufen, und in ein Access-Level, auf dem sich die eigentliche Automatisierung abspielt, eingeteilt werden. Die Verbindung (von Maschine zu Maschine) zwischen beiden erfolgt über die eine Netzwerkverbindung (hier: Ethernet) bzw. die Prozessleitebene. Dem Distribution-Level gehört das Infrastrukturnetzwerk an. Dem Access-Level gehören die Prozessleitebene, die Steuerungsebene und die Feldebene an. Oberhalb des Distribution-Levels kann über die Cloud 3 ein weiterer Büro-Zugang zum Netzwerk 1 bereitgestellt werden.
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Der Kommunikationsdienst ist über IoT-Cores 20 in folgende Elemente des Netzwerks 1 implementiert:
- - Cloud 3
- - Server 5
- - Programmierbare logische Einheit (PLC) 12.
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In den Sensoren 17 oder Aktoren 18 ist eine Implementierung des IoT-Cores 20 nicht zwingend, da diese an der PLC 12 angeschlossen sind, die in der Regel genügend Speicher und Rechenkapazität sowie das Interface für IoT aufweist. Allerdings sind die IoT-Cores 20 auf allen Ebenen sonst, nämlich in der Cloud 3, im Infrastrukturnetzwerk 2 und im Access-Level bzw. auf der Steuerungsebene 11 eingebunden.
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Mittels des IoT-Cores 20 bzw. der IoT-Protokolle können unkompliziert kurze Informationen übertragen werden.
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Ein solches Protokoll zum Übertragen kurzer Messages kann erfindungsgemäß optimal in Kombination mit einer hierarchischen Baumstruktur und der Möglichkeit, Netzwerkknoten durch einfach Zuordnung von Zuständen schnell ein- und auszuschalten, genutzt werden. Die Hardware-Elemente und funktionalen Elemente werden als hierarchische Baumstruktur angeordnet. Ist bekannt, wie über einen Netzwerknoten diese Hardware-Elemente und funktionalen Elemente zusammenhängen, können diese durch gezieltes Aktivieren und Deaktivieren einzelner Netzwerkknoten ein- oder ausgeschaltet werden.
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Besonders vorteilhaft kann es sich erweisen, wenn zusätzlich die Netzwerkknoten jeweils ihre eigene Verzeichnisstruktur um die Verzeichnisstruktur des nachgelagerten Netzwerkknotens erweitern können, um damit einen Daten- und/oder Dienstezugriff zu ermöglichen, sodass ein genauer Plan in der Steuerung vorliegt, mit welchem Netzwerkknoten welche Elemente ein- oder ausgeschaltet werden und welche Folgen dies mit sich bringt.
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2 beschreibt schematisch eine solche hierarchische Baumstruktur von Hardware-Elementen und funktionalen Elementen 22. An Verzweigungsstellen des Netzwerks 1 befinden sich Netzwerkknoten 23, die über Kurznachrichten des IoT-Protokolls aktiviert oder deaktiviert werden können, indem ein Administrative State zwischen den Werten „locked“ und „unlocked“ geändert wird. Die in der Baumstruktur nachfolgenden Hardware-Elemente bzw. funktionalen Elemente 22 werden sodann ein- oder ausgeschaltet. Denkbar ist es, über eine solche Baumstruktur dann stattdessen für einzelnen Hardware- / funktonalen Elemente andere redundante Komponenten über Netzwerkknoten hinzuzuschalten, die deren Funktionen dann übernehmen.
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Eine ähnliche Darstellung wie in 2 ist in 3 in Form einer Statusübersicht zu sehen, wobei hier jedoch die Zustände (States) von Hardware- und funktionalen Software-Elementen angezeigt sind. Man kann den erfolgreichen Betrieb einer Anlage auch daran erkennen, dass sich Prozessdaten der Automatisierungstechnik, wie Temperatur oder Drücke, ändern. Allerdings ist es aber nicht immer gewünscht, diese Prozessdaten ohne Weiteres anzuzeigen, da manche Prozessdaten von Anlagen ein Firmengeheimnis darstellen, zum Beispiel, bei welchen Temperaturen und Drücken Kunststoffe verarbeitet werden, um gewisse Eigenschaften zu erhalten.
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Alternativ dazu ist eine Übersicht über aktuelle Zustände einer Anlage vorteilhafter, da keine Prozessdaten offengelegt werden müssen. D.h. dass beim Vorliegen bestimmter Prozessdaten diesen ein Zustand zugeordnet wird, der wiederum ausgegeben werden kann, ohne dass geheim zu haltende Prozessdaten ausgegeben werden müssen.
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Grundsätzlich können die einzelnen Hardware-Elemente und funktionalen Elemente 22 bzw. alle Knoten 23 hinsichtlich ihrer Zustände (States) abgefragt werden, aber auch von sich aus bei Zustandsänderungen Meldungen absenden. Als Reaktion auf diese Meldungen können untergeordnete und übergeordnete Elemente ihrerseits den Zustand ändern, sobald sie diese Information erhalten haben.
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Im Netzwerk, z.B. in der PLC, ist ein IoT-Core implementiert. Nach einem Login mit dem Browser, z.B. über eine IP-Adresse, werden die einzelnen IoT-Elemente angezeigt. Wie in 3 ersichtlich, werden in diesem Ausführungsbeispiel den Hardware-Elementen (HW-Elementen) und den funktionalen Elementen (Funktional) jeweils Zustände anhand der Prozessdaten zugordnet, die Zustände angezeigt werden können und abrufbar sind, hier:
- - AST = administrative state (locked oder unlocked)
- - OST = operational state (enabled oder disabled oder initializing)
- - FST = fault state (no error oder error)
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Zur Einsichtnahme bezüglich einzelner Zustände oder zur Durchführung einer Zustandsabfrage kann man sich Zugriff auf die einzelnen Knoten 23 über eine IP-Adresse verschaffen und dann die Knoten verwalten, hier also auch Einsicht in Zustände nehmen oder die Zustände abfragen.
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Es werden also statt Prozessdaten grundlegende Zustände (States) wie der Adminstrative State AST, der anzeigt, ob der Zugriff auf das Element gesperrt oder freigeben ist, der Operational State OST, der angibt, ob das Element aktiv ist, deaktiviert ist oder gerade hochfährt, sowie die Zustandsangabe FST (fault state), ob ein Fehler vorliegt, optional auch unter Angabe, welche Art von Fehler vorliegt.
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Der Login zu den Knoten 23 erfolgt hier über Eingabe einer IP-Adresse über den Browser. Dann werden die einzelnen IoT-Elemente angezeigt und können separat verwaltet werden, bzw. es können die jeweiligen Zustände der Elemente eingesehen bzw. abgefragt werden.
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In 3 sind beispielhaft neben zahlreichen funktionalen Elementen („Funktional“) auch Hardware-Elemente HW als Teil des Netzwerks dargestellt:
- - PLC: eine programmierbare logische Einheit
- - SCREEN: Bildschirmanzeige
- - Frequency: Frequenz-Sensor
- - I/O: Ein-/Ausgabeschnittstelle
- - Mobile / FTS: die Ansteuerung eines fahrerlosen Transportsystems.
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Bezugszeichen:
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- 1
- Netzwerk
- 2
- Infrastrukturnetzwerk
- 3
- Cloud
- 4
- Firewall
- 5
- Server
- 6
- Switches
- 7
- Ethernet-Verbindung
- 8
- Switches
- 9
- Produktionsmaschine
- 10
- Produktionsmaschine
- 11
- Prozessleit- / Steuerungsebene
- 12
- PLC
- 13
- Display
- 14
- Feldebene
- 15
- Drahtlosverbindung
- 16
- FTS
- 17
- Sensoren
- 18
- Aktoren
- 19
- I/O-Gerät
- 20
- IoT-Core
- 22
- Hardware-Element oder funktionales Element
- 23
- Knoten
- AST
- administrative state
- OST
- operational state
- FST
- fault state
- HW
- Hardware-Element
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019102615 A1 [0002]
