DE20022210U1 - System zum multidirektionalen Austausch von Informationen zwischen Teilnehmern auf Ethernet-Basis - Google Patents

Description

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PATENTANWÄLTE

27. August. 2001
43 975 K

AG-E automation
Dennewartstrasse 27, 52068 Aachen

"System zum multidirektionalen Austausch von Informationen zwischen Teilnehmern auf Ethernet-Basis"

Die Erfindung betrifft ein Kommunikationssystem der Industrieautomation auf Ethernet-Basis .

Auf Ethernet basierende Automatisierungssysteme sind nicht hierarchisch aufgebaut, so daß alle Teilnehmer eines Automatisierungssystems über das Ethernet, z.B. auf der Basis des TCP/IP-Protokolls, unmittelbar miteinander kommunizieren können. Dieses stellt derzeit einen weltweiten de facto Standard dar. Nach dem Stand der Technik können Managementfunktionen, wie z.B. Programm- und Parametersätze, Diagnosedaten und Visualisierungsdaten hoher Bandbreite an die Automatisierungsgeräte übertragen und dadurch in einigen Bereichen Vorteile gegenüber den in der industriellen Automation gebräuchlichen Feldbussystemen erzielt werden.

Das Ethernet erlaubt es jedoch nicht, Systeme mit garantierten Mindestreaktionszeiten für Steuerungs- und Reglerfunktionen bereitzustellen. Bei "motion control"-Anwendungen, d.h. Anwendungen bei denen Bewegungen gesteuert werden, benötigt man heute Lageregelzeiten, die unterhalb einer Millisekunde liegen. Dies bedeutet, daß die Steuerungsdaten innerhalb dieser Zeit auch innerhalb des Automatisierungsnetzwerks von der Quelle zu ihrem Ziel übertragen sein müssen und zwar innerhalb der genannten Mindestreaktionszeit. Femer ist eine ausreichend genaue Takt- und/oder Uhrensynchronisation der Automatisierungsgeräte untereinander zum Ausführen aufeinander abgestimmter Vorgänge nötig. Eine solche Synchronisation wird häufig durch ein Synchronisationssignal durchgeführt. Dazu ist es jedoch erforderlich, die genaue Laufzeit des Signals zu den einzelnen Stationen zu kennen, was sich im Ethernet nicht verwirklichen läßt.

Auch Sicherheitsaspekte spielen in der Automatisierungstechnik eine große Rolle, so daß zur Gewährleistung von Sicherheitsfunktionen hohe Anforderungen an die Automatisierungssysteme gestellt werden. Wird zum Beispiel der Schutzbereich eines Arbeiters durch eine für den Menschen gefahrbringenden Bewegung eines Autoimatisierungsgerätes verletzt, muß diese Gefahr innerhalb kürzester Zeit - durch Abbruch der Bewegung, beispielsweise eines Roboters, sein - ausgeschlossen werden. Dies heißt, daß das Signal zum Stillstand innerhalb der noch verbleibenden Zeit zwischen Feststellen (Messen) bzw. Auftreten der Gefährdung und der möglichen Verletzung des Arbeiters garantiert, d.h. determinierbar am Automatisierungsgerät eintreffen muß. Die Zeitanforderungen für die Übertragung der entsprechenden sicherheitsrelevanten Daten liegen daher ebenfalls im unteren Millisekundenbereich.

Solche determinierbaren Reaktionszeiten vermag das Ethernet aufgrund seines KollisionsSystems (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection = CSMA/CD) nicht zu gewährleisten.

Ethernet realisiert ein logisches Bussystem, d.h. mehrere Stationen teilen sich einen gemeinsamen Kommunikationskanal. Der Zugang wird dabei von keiner Station zentral gesteuert. Daher ist der Aufbau ohne eine feste Hierarchie möglich, was in bezug auf die Bandbreite Vorteile bietet. Jede Station prüft ständig, ob in dem Übertragungskanal gerade ein Signal übertragen wird. Liegt kein fremdes Signal auf der Leitung, ist die Station selber sendeberechtigt. Durch die unterschiedliche räumliche Lage der Stationen ist es nicht auszuschließen, daß mehrere Stationen gleichzeitig oder fast gleichzeitig mit ihrer Übertragung beginnen. Es kommt somit zu einer Kollision der Daten auf dem Übertragungskanal.

Die sendende Station prüft aber auch während des eigenen Sendens den Übertragungskanal, wodurch sie in der Lage ist, solche Kollisionen zu erkennen. Der Empfang von Daten während des eigenen Sendens wird dabei als Kollision interpretiert. Die Station bricht in diesem Fall das Senden ab und sendet dann ein Kollisionssignal (Jam-Signal). Das Senden wird nach Ablauf einer "Backoff Time" wiederholt. Diese Art der Kollisionsbewältigung kostet Zeit und ist nicht vorhersagbar.

Dies gilt auch in gleicher Weise für Fast- und Gigabit-Ethernetsysteme, wobei dort die Kollisionen nicht auf der Leitung stattfinden, sondern innerhalb der notwendigen Hubsysteme.

Bei Ethernet wird also mit einer kalkulierbaren, statistischen Erfolgswahrscheinlichkeit gesendet. Dabei ist das System auf einen möglichst hohen Gesamtdurchsatz von Daten ausgelegt.

Aus dem Multimediabereich ist ferner das Circuit-Switching (Leitungsvermittlung) bekannt, welches die Übertragungsgeschwindigkeit und den Determinierungsgrad im Ethernet steigern kann. Dabei handelt es sich um ein Vermittlungsprinzip, bei dem der Weg für eine Datenübertragung vermittelt wird. Die dazu nötige Bandbreite wird auf der Strecke vom Sender zum

Empfänger fest reserviert, so daß keine Konkurrenz auftritt. Jedoch vergeben die Circuit-Switching-Systeme ihre Bandbreite starr, d.h. unabhängig vom momentan tatsächlichen Bedarf. Ein Umschalten der freien Bandbreite auf andere Anwendungen ist nicht möglich, so daß sehr viel Bandbreite verschenkt bzw. verschwendet wird. Es sind daher zur Erreichung der geforderten Reaktionszeiten enorm große Bandbreiten nötig, welches sich für die Industrieautomation als unpraktikabel erweist.

Die Übertragung von Daten, wie z.B. Automatisierungsdaten, stellt andere Anforderungen als die Übertragung von Multimediasignalen (Sprach-, Videokommunikation, etc.). Diese werden besser von Packet-Switching-Systemen erfüllt, die keine Bandbreite reservieren, sondern die Datenpakete Zwischenspeichern und anschließend weitervermitteln. Dies geschieht beispielsweise in "Store-and-Forward" Systemen, wie z.B. Switches. Hierbei wird der statistische Aspekt ausgenutzt. Da selten alle Stationen gleichzeitig kommunizieren, kann in der Summe pro Station mehr Bandbreite zur Verfügung gestellt werden. Jedoch wird auch hier nur mit einer kalkulierbaren, statistischen Erfolgswahrscheinlichkeit gesendet, so daß das System zur Industrieautomation nur bedingt geeignet ist.

Ein Switch ist ein Netzwerkcomputer, der den simultanen Austausch von Daten zwischen einer großen Zahl von Stationen (oder einzelnen LANs) ermöglicht. Er erlaubt dabei die Weiterleitung von Daten von jedem Anschluß an jeden anderen Anschluß. Der Switch entnimmt jedem eintreffenden Datenpaket das jeweilige Ziel und bestimmt durch seine interne Adressenzuordnungstabelle den geeigneten Ausgangsanschluß zur sofortigen Weiterleitung der Information. Sollte der Anschluß momentan besetzt sein (= Kollision), so wird die Information zwischengespeichert und erst bei Freigabe des Anschlusses weitergeleitet.

Es ist bekannt, zur Beschleunigung des Netzwerks einer jeden Station einen dedizierten Switch zur Verfügung zu stellen. Dies erhöht die Determinierbarkeit erheblich und Kollisionen werden vermieden, so daß solche Systeme grundsätz-

lieh auch für die Industrieautomation geeignet sind. Mit den heute bekannten Switch-Technologien ist jedoch aufgrund der erheblichen Kosten eines separaten Switch-"computers" für jede Station - der Preis eines Ethernet-Switches wird durch seine sehr aufwendige Rechnerarchitektur bestimmt - ein praktischer Einsatz ausgeblieben.

Weitere Probleme ergeben sich in der Programmierung der Switches. Switches verfolgen eine Strategie der komplexen, programmierbaren Prioritätssteuerung, wodurch es möglich ist, ähnlich wie im Fall des Circuit-Switching-Systems, bestimmten Kommunikationsstrecken Vorrang (= höhere Bandbreite) einzuräumen. Dies kann jedoch nicht für alle Kommunikationsstrecken gleichzeitig erfolgen. Daher ist eine eindeutige Berechnung der Datentransportzeit aufgrund der Komplexität aller möglichen Permutationen der Prioritäten, welche gegen unendlich strebt, bereits bei kleineren Systemen nicht mehr möglich.

Des weiteren variieren die Datentransportzeiten durch die unterschiedlichen, großen Längen der Ethernettelegramme (z. B. 1498 Byte) zum Teil erheblich. Bedingt durch die daraus resultierenden Laufzeiten und der Vorrangprioritäten ist eine für die Automatisierungstechnik ausreichend genaue Takt- und/oder Uhrensynchronisation auf Ethernet-Basis nicht erreichbar.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein auf Ethernet basierendes Kommunikationssystem für die Industrieautomation bereitzustellen, das ein im wesentlichen determinierbares Kommunikationsverhalten, Reaktionszeiten im unteren Millisekundenbereich und niedrige Kosten der Kommunikationsknoten aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Systeme der unabhängigen Ansprüche 1 und 7 und ein System des unabhängigen Anspruchs 35 gelöst.

Der Begriff "Industrial Domain Switch" (IDS) wird im folgenden für eine elektronische Logikeinheit verwendet, die mindestens eine Speichereinheit und einen

Anschluß für ein Ethernetgerät sowie für mindestens zwei weitere elektronische Einheiten aufweist.

Zunächst wird das System nach Anspruch 1 dargestellt.

Dadurch, daß je nach Größe des gesendeten Ethemet-Datenpaketes (Telegramm), dieses in mehrere kleinere Pakete (Kurztelegramme) zerlegt und diesen jeweils mindestens eine Steuerinformation hinzugefügt ist, die kleineren Pakete in mehreren Zyklen an ihr Ziel übertragen und gegebenenfalls dort mittels der Steuerinformationen zum ursprünglichen Ethernet-Datenpaket wieder zusammengesetzt werden, ist die Übertragung der Automatisierungsdaten enthaltenden Telegramme in einer höheren Geschwindigkeit möglich.

Dabei können alle Telegramme, deren Länge größer als die der Kurztelegramme ist, zerlegt werden, wobei es ferner günstig ist, wenn alle Kurztelegramme die gleiche, fest eingestellte Größe besitzen.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Steuerinformation die Quelle und das Ziel des Kurztelegramms, ob es sich um ein zerlegtes oder unzerlegtes Telegramm handelt, in wieviele Kurztelegramme zerlegt ist und die laufende Nummer des Kurztelegramms des zerlegten Paketes enthält. Zudem sollte die Steuerinformation die Erkennung einer fehlerfreien Übertragung der Kurztelegramme ermöglichen.

Im Falle, daß von einem Nicht-Automatisierungsgerät Dienste angefordert werden, die den Managementfunktionen in der Automatisierung zuzuordnen sind, sind größere bis z.B. 1498 Byte-lange Ethemet-Telegramme wahrscheinlich, die das Netzwerk im Falle von Fast Ethernet dann für etwa 125 \isec belasten würden. Liegen gleichzeitig mehrere solcher Anforderungen im Netzwerk vor, würde die verbleibende Bandbreite nicht mehr ausreichen, um in ausreichend kurzer Zeit Steuerungsdaten zu transportieren. Deshalb können Telegramme, deren Länge größer als die der Kurztelegramme ist, vor dem

Versand in mehrere Kurztelegramme zerlegt werden. Die Daten sind dann auf mehrere Kurztelegramme aufgeteilt. Die Empfängerseite ist dann mit Hilfe der zugefügten Steuerinformation in der Lage, entweder ein unzerlegtes Kurztelegramm direkt an den jeweiligen Teilnehmer (z.B. ein Automatisierungsgerät) weiterzuleiten oder nach zyklischem Empfang aller zum ursprünglichen Langtelegramm gehörenden Daten, diese wieder in der richtigen Reihenfolge zusammenzusetzen, eine neue (alte) Prüfsumme einzufügen und anschließend das wieder zusammengesetzte Langtelegramm an den jeweiligen Teilnehmer weiterzuleiten.

Dieses System ermöglicht aufgrund der Steuerinformationen ebenfalls den gleichzeitigen Empfang mehrerer zerlegter Langtelegramme mit unterschiedlicher Quelladresse.

Aus Sicht der angeschlossenen Teilnehmer werden nur Standard-Ethernet-Telegramme mit unterschiedlichster Länge gesendet bzw. empfangen. Die Zerlegung bleibt für sie verborgen.

Vorteilhaft ist es, wenn ein Telegramm (Managementtelegramm) zur Durchführung von Managementfunktionen dient. Dabei kann die Steuerinformation zur Erkennung dienen, ob es sich um ein Managementtelegramm zur Durchführung von Managementfunktionen handelt. Mit dem Managementtelegramm ist z.B. die Senderechts- und Prioritätsvergabe durchführbar. Ferner können Diagnosefunktionen durchgeführt werden, die z.B. Ausfälle lokalisieren können oder die Bestimmung der Qualität der Verkabelung der Netzwerksegmente ermöglichen. Bei dem Managementtelegramm kann es sich sowohl um ein Langtelegramm als auch um ein Kurztelegramm handeln. Das Langtelegramm kann bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung in unzerlegter Form eingesetzt werden.

Nach Anspruch 9 ist jedem "Industrial Domain Switch" (IDS) ein Teilnehmer zugewiesen, welcher mit dem IDS über einen Ethernet-Anschluß verbunden ist.

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Die IDS sind über ethemetkonforme-Anschlüsse, vorzugsweise als Punkt-zuPunkt-Netzwerk aufgebaut und jeder IDS erhält nach einem vorgegebenen, zyklischen Regelwerk zeitlich determiniert ein Senderecht.

So ist es möglich, daß gesendete Daten in einer garantierten Zeit (determinierbar) durch die Freischaltung der gesamten Kommunikationsstrecke alle IDS durchlaufen und an ihr Ziel gelangen.

Zwar beinhaltet diese Punkt-zu-Punkt-Verschaltung der IDS eine höhere Anzahl der zu durchlaufenden Switches, so daß die Bandbreite gegenüber den Standardtopologien reduziert wird. Der Vorteil liegt jedoch in der Garantie der vorhandenen Bandbreite für alle Teilnehmer, so daß für industrielle Automatisierungsanwendungen die geforderte Reaktionszeit in jedem Falle ermöglicht wird.

Der Vorteil eines linienförmigen Aufbaues ist es, daß die Verkabelung von Switch zu Switch optimal der dezentralen Automatisierungsstruktur angepaßt ist.

Ferner werden durch die "ein Switch pro Teilnehmer"-Strategie Kollisionen zwischen dem Teilnehmer und "seinem" IDS vermieden, zumindest statistisch, da die Wahrscheinlichkeit einer Kollision bei zwei über Halb-Duplex-Ethernet kommunizierenden Geräten gegen Null strebt.

Wenn ein Voll-Duplex-Ethernet-Anschluß zwischen dem Teilnehmer und dem jeweiligem IDS vorliegt, sind Kollisionen sogar mathematisch und nicht nur statistisch ausgeschlossen.

Kollisionen zwischen von den IDS gesendeten bzw. weitergeleiteten Daten können vermieden werden, da durch das zyklische Regelwerk immer nur ein IDS zeitlich determiniert ein Senderecht erhält, d.h. es sendet immer nur ein IDS zur gleichen Zeit.

Günstig ist ein Ringschluß des Netzwerks, weil somit ein Austausch von Teilnehmern bei laufendem Betrieb aufgrund der Redundanz des Netzwerks möglich wird. Ferner bleibt das Netzwerk bei Ausfall einer Netzwerkverbindung über die verbleibende zweite Verbindung unter Ausschluß der gestörten Strecke funktionsfähig.

Durch das vorgegebene Regelwerk der Senderechtsvergabe ist eine Projektierung der Sendeprioritäten nicht notwendig, wie dies in aufwendiger Weise bei der Verwendung bekannter Ethernet-Switches erforderlich wäre.

Wenn keine Sendedaten in einem sendeberechtigten IDS vorliegen, kann die Weitergabe des Senderechts durch Senden eines Signals erfolgen. Ein geeignetes Signal ist z.B. ein Dummy-Kurztelegramm.

Bei Ethernet ist die Präambel, welche am Anfang eines Telegramms steht, eine Art synchronisierender Weckruf für den Empfänger des Telegramms. Da beim beanspruchten System pro IDS normalerweise nur ein Teilnehmer vorhanden ist, wird daher auf die Präambel im Ethemet-Telegramm verzichtet, da jedes eintreffende Signal als Datensendung interpretiert werden kann.

Damit die Kommunikation zwischen einem Teilnehmer und seinem zugewiesenen IDS ohne Störungen verläuft ist es günstig, wenn ein Überlauf des Zwischenspeichers auf der Empfangsseite des IDS Teilnehmer-Anschlusses durch Belegung der Empfangsleitung (z.B. Kollisionserzeugung = Back-off-Signal) des IDS (= Sendeleitung des Teilnehmers) signalisiert wird, wodurch verhindert wird, daß der IDS mit Daten "überschwemmt" wird.

Für die Steuerung von Bewegungsabläufen aufeinander abgestimmter Vorgänge ist es vorteilhaft, wenn innerhalb eines Netzwerkbereichs durch das Regelwerk der Senderechtsvergabe zusammen mit den gleich groß eingestellten Kurztelegrammen die Durchlaufzeiten der Telegramme ausreichend genau bestimmt sind.

Dadurch sind z.B. für Sicherheitsanwendungen die Durchlaufzeiten der Telegramme berechenbar und/oder überprüfbar.

Ein großer Vorteil der beanspruchten Systeme liegt darin, daß diese auf der OSI-2-Schicht ablaufende System einsetzen, wodurch Standard-Protokolle, wie z.B. TCP/IP oder UDP als überlagerte Protokolle verwendet werden können und von den beschriebenen Systemen unbeeinflußt bleiben.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die IDS in der Lage sind, sowohl die Zerlegung der Langtelegramme als auch das Zusammensetzen der Kurztelegramme durchzuführen.

Aufgrund der kurzen Telegramme, nur eines Teilnehmers pro IDS, des zyklischen Regelwerks der Senderechtsvergabe usw. resultieren geringe Hardwareanforderungen an die IDS, so daß zur Zwischenspeicherung der Kurztelegramme ein wenige Kilobyte ( z.B. 6 KByte) großer Speicher ausreicht und es möglich wird, den IDS als kostengünstige Einchiplösung ohne Verwendung von aufwendigen Mikroprozessor- und Speicherarchitekturen herzustellen.

Besonders kostengünstig und platzsparend kann der IDS unter Wegfall des Ethernet-Teilnehmeranschlusses direkt in den jeweiligen Teilnehmer integriert sein.

Vorteilhaft ist es auch, mehrere IDS durch Wegfall der externen Ethernet-Verschaltungen in einem Mehrport-IDS mit entsprechend vielen Teilnehmeranschlüssen zu integrieren.

An einen Kurztelegraimmsendezyklus, in dem alle IDS ihre datenenthaltenden Telegramme verschickt haben, kann sich ein Managementzyklus anschließen, in dem die Telegramme zur Durchführung von Managementfunktionen dienen. Die Managementfunktionen können beispielsweise zur Vergabe der Priorität des

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Senderechts, zur Anmeldung der IDS am Netzwerk, zur Parameterisierung oder zur Netzwerkdiagnose dienen. Dabei gibt die Steuerinformation im Managementtelegramm den Status (Konfiguration) der Managementfunktion an. Zur Durchführung der Managementfunktionen können Kurz- oder Langtelegramme (zerlegt oder unzerlegt) dienen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn anhand der Steuerinformation erkannt wird, ob es sich um ein Managementtelegramm zur Durchführung von Managementfunktionen handelt.

Die zyklische Senderechtsvergabe kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung über eine weitere Steuerinformation, die den Managementtelegrammen hinzugefügt wird, erfolgen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert. Die Merkmale der Ausführungsbeispiele sind untereinander kombinierbar. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1A und B ein normales Ethernet-Lang- bzw. ein erfindungsgemäßes Kurztelegramm;

Fig. 2 ein schematisches Flußdiagramm des Ablaufs einer Daten

übertragung im Quell-IDS;

Fig. 3 ein schematisches Flußdiagramm des Ablaufs einer Daten

übertragung im Ziel-IDS;

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen IDS-Netzwerks;

Fig. 5A einen einzelnen IDS mit einem angeschlossenen Automatisie

rungsgerät;

Fig. 5B einen in ein Automatisierungsgerät integrierten IDS;

Fig. 6 das Blockschaltbild eines Mehrport-IDS;

Fig. 7 ein Blockschaltbild einer IDS-Ein-Chip-Lösung;

Fig. 8 und 9 Switch-Topologien nach dem Stand der Technik;

Fig. 10 eine Punkt-zu-Punkt-Switch-Topologie und

Fig. 11 ein Beispiel einer Senderechtsvergabe.

In Fig. 1A ist ein Beispiel eines normalen Ethernet-Telegramms dargestellt, welches als Ganzes mit 10 bezeichnet ist. Von links nach rechts gelesen, besteht dieses Langtelegramm zunächst aus der Präambe! 1, welche eine Art synchronisierender Weckruf für den Empfänger des Telegramms ist. Gefolgt wird die Präambel 1 von dem sogenannten Start-Frame-Delimiter 2, der den Rahmenbeginn des Datenpaketes kennzeichnet. Anschließend folgen die Zieladresse 3 und die Quelle des Telegramms 4. Gefolgt werden diese von der Länge 5 des Gesamttelegramms. Diese beträgt beispielsweise im vorliegenden Fall 1498 Byte. Gefolgt wird die Länge 5 von mehreren Datenblöcken 6 bzw. 6' und 6" usw.. Am Ende des Telegramms steht die sogenannte Frame-Check-Sequence 7, durch die Übertragungsfehler erkannt werden können. Dies erfolgt im LAN-Bereich üblicherweise durch die Implementierung des Cyclic-Redundency-Checks.

In der Automatisierungstechnik kann jedoch davon ausgegangen werden, daß die Datenpakete, die zu Steuerzwecken im Netzwerk ausgetauscht werden, etwa denen von Feldbus-Systemen entsprechen. Dies bedeutet, daß Datengrößen in der Größenordnung von 44 bis 128 Byte anfallen. Die Größe eines entsprechenden Kurztelegramms, welches nicht zerlegt und immer vollständig gesendet bzw. weitergeleitet wird, wird entsprechend fest eingestellt.

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Telegramme, deren Länge größer als die der Kurztelegramme ist, werden daher in mehrere Kurztelegramme zerlegt. Ein solches Kurztelegramm ist beispielhaft in der Fig. 1B dargestellt und als Ganzes mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet. Es können zum Beispiel bei der Zerlegung die Präambel 21, der Start-Frame Delimiter 22, die Zieladresse 23 und die Quelladresse 24 unverändert als Teil der Steuerinformation übernommen werden. Anschließend wird die entsprechende Längeninformation 25 eingefügt. Diese beträgt im vorliegenden Fall 44 Byte. Die Datenblöcke 6 des Langtelegramms werden auf mehrere Kurztelegramme verteilt und sind dort mit 26 bzw. 26' und 26" usw. bezeichnet. Diesen neuen Datenblöcken 26 wird eine weitere Steuerinformation 28 im Telegramm vorangestellt. Abschließend erhalten die Kurztelegramme neue Prüfsummen 27, die dem Frame-Check-Sequence 7 des Langtelegramms 10 entsprechen und die Überprüfung einer fehlerfreien Übertragung ermöglichen.

Die Steuerinformation gibt darüber Auskunft, ob es sich um ein zerlegtes oder unzerlegtes Protokoll handelt, in wieviele Kurztelegramme zerlegt wurde und die entsprechend laufende Nummer des Kurztelegramms, um die Kurztelegramme in richtiger Reihenfolge wieder zu dem ursprünglichen Langtelegramm zusammensetzen zu können.

Am Ziel können die Kurztelegramme aufgrund der Steuerinformation entweder direkt an das korrespondierende Automatisierungsgerät weitergeleitet oder nach Empfang aller zum ursprünglichen Telegramm gehörenden Kurztelegramme diese mit Hilfe der laufenden Nummer wieder in der richtigen Reihenfolge zu einem Langtelegramm zusammengesetzt werden. Anschließend wird eine neue Prüfsumme, die im fehlerfreien Fall der alten entspricht, eingefügt und das zusammengesetzte Langtelegramm an das Automatisierungsgerät weitergeleitet. Um festzustellen, ob ein Telegramm am Ziel angekommen ist, besitzt jeder IDS dieselbe Adresse wie sein angeschlossener Teilnehmer. Der IDS kann diese Adresse aus Sendungen des Teilnehmers entnehmen.

In Fig. 2 ist der schematische Ablauf einer möglichen Zerlegung der Langtelegramme dargestellt. Im ersten Schritt IA überprüft der Quell-IDS, in dem die Zerlegung stattfindet, ob vom Automatisierungsgerät Daten empfangen werden. Im nächsten Schritt IB werden die empfangenen Daten zwischengespeichert. Im folgenden Schritt IC wird überprüft, ob es sich um ein Langtelegramm handelt, welches zerlegt werden muß, oder nicht. Wird dies verneint, so wird das Telegramm als Kurztelegramm interpretiert und beim nächsten Senderecht direkt weitergeleitet.

Sollte es sich jedoch um ein Langprotokoll handeln, welches zerlegt werden muß, so wird im folgenden Schritt ID das Telegramm zerlegt, die entsprechende Steuerinformation hinzugefügt, eine neue Prüfsumme berechnet und die entsprechenden Kurztelegramme nacheinander nach dem Überprüfen der Sendeerlaubnis im Schritt IF im Schritt H gesendet.

Die Sendeerlaubnis wird nach einem noch zu beschreibenden, vorgegebenen zyklischen Regelwerk umlaufend jeweils immer nur einem IDS erteilt.

Der schematische Ablauf beim Empfang der Daten ist in Fig. 3 dargestellt. Zunächst wird wieder im Schritt MA überprüft, ob Daten empfangen werden. Wird dies verneint, so wartet der IDS ab. Werden jedoch Daten empfangen, so werden diese direkt zum nächsten IDS weitergeleitet und zunächst zwischengespeichert (Schritt HB). Anschließend wird im Schritt HC überprüft, ob es sich um Daten für das jeweilige Ziel handelt. Wird dies verneint, so wartet der IDS das nächste Telegramm ab. Sind die empfangenen Daten jedoch an ihrem Ziel angelangt, so wird im Schritt HD überprüft, ob es sich um ein Langtelegramm handelt. Wird dies verneint, so wird das empfangene Telegramm direkt an das Automatisierungsgerät weitergeleitet. Handelt es sich jedoch um ein Kurztelegramm, so werden im Schritt IIE die nacheinander empfangenen Kurztelegramme zwischengespeichert, die Steuerinformation ausgewertet, die Prüfsummen auf Fehler überprüft und im folgenden Schritt HF überprüft, ob alle Kurztelegramme empfangen wurden. Wird dies verneint, so wird der Empfang weiterer

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Kurztelegramme abgewartet. Sind dann alle zu einem ursprünglichen Langtelegramm gehörenden Kurztelegramme empfangen worden, werden diese zu dem ursprünglichen Langtelegramm zusammengesetzt und eine neue (alte) Prüfsumme eingefügt. Anschließend wird das zusammengesetzte Langtelegramm im Schritt HG an das entsprechende Automatisierungsgerät weitergeleitet.

Aus Sicht der angeschlossenen Automatisierungsgeräte werden nur Standard-Ethernet-Telegramme mit unterschiedlichster Länge gesendet bzw. empfangen. Die Zerlegung bleibt für diese Geräte verborgen und wird im weiter unten beschriebenen IDS durchgeführt.

Aufgrund der Steuerinformationen ist es in diesem System möglich, gleichzeitig mehrere zerlegte Langtelegramme mit unterschiedlicher Quelladresse zu empfangen. Die entsprechenden Kurztelegramme werden dann im Zwischenspeicher der IDS anhand der Steuerinformationen getrennt in die jeweiligen Langtelegramme zusammengesetzt.

Damit der begrenzte Zwischenspeicher der IDS bei großem Datenaufkommen der Automatisierungsgeräte nicht überläuft, d.h. überschwemmt wird, werden so lange keine weiteren Telegramme vom Automatisierungsgerät angenommen, wie der IDS ein Kurz- bzw. Langtelegramm nicht weitergeleitet hat. Dies wird gegenüber dem Automatisierungsgerät durch die Belegung seiner Sendeleitung signalisiert.

In Fig. 4 ist ein schematisches Blockschaltbild eines IDS-Netzwerkes dargestellt. Die einzelnen IDS 40 bzw. 40' oder 40" usw. sind untereinander jeweils Punkt zu Punkt über eine Sende- und Empfangsleitung verbunden. Was für den einen IDS die Sendeleitung ist, ist für den folgenden IDS die Empfangsleitung, d.h. die Sende- und Empfangsleitungen sind über Kreuz geschaltet. Im vorliegenden Beispiel ist also die Sendeleitung 44 des IDS 40 gleichzeitig eine Empfangsleitung des IDS 40'. Die Empfangsleitung 46 des IDS 40 ist entsprechend eine Sendeleitung des IDS 40'. Entsprechendes gilt für den IDS 40". Die Signale

werden dabei immer in beide Richtungen, d.h. jeweils über zwei Leitungen gesendet.

Denkbar ist auch ein Halb-Duplex-Betrieb, bei dem alle nicht sendeberechtigten IDS auf Empfang schalten.

Erhält also der IDS 40 von dem ihm zugewiesenen Automatisierungsgerät 30 Daten, so werden diese nach entsprechender Umwandlung auf der Leitung 44 an den IDS 40' weitergeleitet. Der IDS 40' leitet die Daten wiederum der entsprechenden Leitung 44' an den IDS 40" weiter.

Die aus dem Automatisierungsgerät 30 stammenden Daten werden in einem geeigneten Ethernet-Interface 31 in normale Ethemet-Langtelegramme umgesetzt und über die Leitung 32 an die entsprechende Schnittstelle 41 des IDS 40 gesendet. Der IDS vollführt dann entsprechend dem oberen Schemata gegebenenfalls eine Zerlegung des empfangenen Langtelegramms in Kurztelegramme und leitet diese über die Leitung 44 und eine entsprechende zweite Ausgangsleitung 45 in alle Richtungen weiter. Dazu wird das Signal jeweils in einer Schnittstelle 42 bzw. 43 aufbereitet.

Nehmen wir an, das Ziel der Daten sei der IDS 40", so wird zuerst der dazwischenliegende IDS 40' durchlaufen. Die Kurztelegramme erreichen dann den IDS 40". Die Daten werden zunächst in der Schnittstelle 43" für den IDS 40" aufbereitet und anschließend nach dem zyklischen Empfang aller zum ursprünglichen Langtelegramm gehörender Kurztelegramme entsprechend dem Schemata aus Fig. 3 zusammengesetzt und über die entsprechende Schnittstelle 41" über die Leitung 33" an die Schnittstelle 31" des Automatisierungsgerätes 30" weitergeleitet.

Das IDS-Netzwerk kann über einen sogenannten Industrial-Domain-Controller (IDC) 50 mit einem normalen Büro-Automatisierungsnetzwerk 51 verknüpft sein. Der Industrial-Domain-Controller hat dabei die Aufgabe, das Automatisierungs-

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netzwerk 52 von dem Büro-Netzwerk 51 zu trennen, so daß beide ihre spezifischen Aufgaben erfüllen können, jedoch trotzdem einen Austausch von Daten, z.B. zu Management-2!wecken, möglich ist. Der IDC sorgt also dafür, daß das Automatisierungsnetzwerk nicht von den großen Datenmengen (Langtelegramme), die bei der Büro-Automatisierung anfallen, überflutet wird.

Im einfachsten Fall kann als IDC ein IDS dienen, dessen Schnittstelle 41 mit dem Büro-Netzwerk 51 verbunden ist. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn dieser als IDC dienende IDS alle Adressen der Teilnehmer im Bereich des Automatisierungsnetzwerks 52 verwalten kann.

Wie man aus Fig. 5A erkennt, welche vergrößert im Ausschnitt die Einzelverbindung eines Automatisierungsgerätes 30 mit seinem IDS 40 darstellt, wird die Ethemet-Kommunikation zwischen dem Automatisierungsgerät 30 und dem IDS 40 auf physikalischer Ebene von den Schnittstellen 31 bzw. 41 und den Leitungen 32 bzw. 33 durchgeführt. Es handelt sich im vorliegenden Fall um eine VoII-Duplex-Verbindung, d.h. Senden und Empfangen von Daten ist gleichzeitig möglich. Es kommt daher nicht zu Kollisionen.

Es ist gemäß Fig. 5B möglich, unter Wegfall dieser Elemente den IDS direkt in das Automatisierungsgerät zu integrieren. Das Automatisierungsgerät, welches nun mit einer um 100 erhöhten Bezugszahl bezeichnet wird, sendet seine Daten auf der entsprechenden Leitung 132 an das integrierte IDS und empfängt Daten vom IDS auf der Leitung 133. Es kann somit die Umwandlung der Daten in den Schnittstellen entfallen, welches sowohl Kosten als auch Zeit spart, sowie die Störanfälligkeit der Geräte verringert.

Entsprechend können, wie in Fig. 6 dargestellt ist, mehrere IDS unter Wegfall der externen physikalischen Verschaltungen und Schnittstellen, jedoch unter Beibehaltung der Automatisierungsgeräte-Schnittstellen in einem Mehrport-IDS 200 integriert werden. Dazu werden beispielsweise drei IDS 240, 240' und 240" zu einem Mehrport-IDS 200 zusammengefaßt. Jedem IDS 240 bzw. 240' bzw.

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240" ist jeweils eine entsprechende Automatisierungsgeräte-Schnittstelle 241 bzw. 241' bzw. 241" zugeordnet. Diese sind für die Umwandlung der aus dem IDS kommenden Daten auf physikalischer Ebene zuständig, analog den obigen Beispielen. Der Mehrport-IDS 200 besitzt den großen Vorteil, daß die Ethernet-Anschlußschnittstellen 242 und 243 nur noch jeweils einmal vorhanden sein müssen, nämlich an den entsprechenden Ein- bzw. Ausgängen zu dem weiteren Netzwerk der IDS. Intern werden die Leitungen 244 bzw. 246 direkt in den nächsten IDS weitergeleitet und dort wiederum über Kreuz verschaltet.

In Fig. 7 ist ein schematisches Blockschaltbild eines Einchip IDS 340 genauer dargestellt. Der IDS 340 besitzt jeweils zwei externe Schnittstellen 342 und 343 zur physikalischen ethernetkonformen Umwandlung der Signale zur Kommunikation mit den weiteren IDS in dem Punkt-zu-Punkt-Netzwerk und eine weitere entsprechende Schnittstelle 341 zur Kommunikation auf Ethernet-Basis mit dem jeweiligen Automatisierungsgerät. Den Schnittstellen 342 bzw. 343 sind jeweils Empfangs- und Senderegister 351 und 352 zugeordnet. Diese wiederum sind jeweils mit einer Schalt- und Steuerlogikeinheit 349 verbunden. Diese wertet die eintreffenden Daten aus und speichert diese entweder, wenn es sich um am Ziel angekommene Kurztelegramme handelt, im Datenspeicher 350 ab oder leitet die Daten über ein entsprechendes Senderegister über die jeweilige Schnittstelle an das Netzwerk weiter.

Nachdem die Schalt- und Steuerlogikeinheit 349 die Kurz- bzw. Langtelegramme ausgewertet und gegebenenfalls wieder zusammengesetzt hat, werden diese über das entsprechende Senderegister 354 an die Automatisierungsgeräte-Schnittstelle 341 weitergeleitet, die die Daten dann physikalisch aufbereitet. Von dem Automatisierungsgerät eintreffende Daten werden ebenfalls an der Schnittstelle 341 physikalisch aufbereitet und an das Empfangsregister 353 weitergeleitet, welches seinerseits mit der Schalt- und Steuerlogik 349 verknüpft ist.

Solange der Speicher eines IDS ausreicht, werden möglichst alle Telegramme empfangen. Ein Besetzt-Signal (Back-off) an das korrespondierende Automatisierungssystem erfolgt nur in dem Falle, daß der Speicher überzulaufen droht. Dies erfolgt durch die Belegung der Sendeleitung des angeschlossenen Automatisierungsgerätes durch den IDS.

Die gesamte Steuerlogik des IDS kann sehr preiswert in einem hochintegrierten elektronischen Baustein integriert werden. Der Aufwand für die Steuerlogik liegt, wie aus den Flußdiagrammen der Abbildungen 2 und 3 zu erahnen ist, unterhalb der von Mikroprozessoren. Der Speicher zur Ablage bzw. Zwischenspeicherung von Kurztelegrammen läßt sich auf wenige Kilobyte (zum Beispiel 6 KB) begrenzen.

Ist die Sendeleitung eines Standardswitches frei, d.h. es liegt kein Backoff-Signal des nächsten Empfängers vor, wird das Telegramm bei einem normalen Ethernet-Signal, welches zuerst in den Switch eingelaufen ist, bzw. das bei Prioritätssteuerung höher priorisierte Telegramm direkt weitergeleitet bzw. gesendet. Im Falle hoher Netzwerklasten werden die Telegramme der einzelnen Automatisierungsgeräte von Switch zu Switch zeitlich versetzt weitergereicht, bis sie erfolgreich den Empfänger erreichen.

In der in Fig. 8 dargestellten Topologie 1000 nach dem Stand der Technik muß ein Telegramm vom Automatisierungsgerät A1, dessen Empfänger A32 ist, vier Switches S1, S2, S3, und S4 durchlaufen. Die gesamte Bandbreite der Leitung L1 beträgt dabei z.B. 100 Mbit. Diese wird beispielhaft in dem Switch S2 zu jeweils einem Viertel auf die abgehenden Leitungen aufgeteilt, so daß die Leitung L2 eine Bandbreite von 25 Mbit besitzt. Diese Bandbreite teilt sich wiederum im Switch S1 nochmals beispielhaft um den Faktor vier auf, so daß der Leitung L3 nur noch 8,25 Mbit Bandbreite zur Verfügung stehen.

Im ebenfalls bekannten Fall der in Fig. 9 benutzten Topologie 2000 müssen acht Switches S1 bis S8 durchlaufen werden. Die zur Verfügung stehende

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Bandbreite verteilt sich entsprechend des Beispiels in Fig. 8, so daß die Leitung zwischen dem Switch S1 und dem Automatisierungsgerät A1 nur eine Bandbreite von 6,25 Mbit besitzt.

Bei bekannten Topologien von Switches vereinbaren diese mit dem jeweils nächsten Switch Strategien zum effektiven Telegrammaustausch. Es einigen sich jedoch nie alle Switches eines Ethernet-Systems auf eine Gesamtstrategie eines festen Sende- und Empfangsrythmus im Vorfeld. Insbesondere wird nicht im Sinne einer Strategie der gesamte Kommunikationsweg zu einem Zeitpunkt von Automatisierungsgerät zu Automatisierungsgerät durchgeschaltet. Die Weiterleitung der Telegramme erfolgt also immer nur schrittweise von Switch zu Switch. Eine Durchschaltung kann daher nur ein statistischer zufälliger Fall sein, wenn die Netzwerklast sehr klein ist. Erklärbar ist dies durch die hohe Anzahl von möglichen Topologien (s. zum Beispiel Fig. 8 und 9) und aufgrund der Grundstrategie einen möglichst hohen Datendurchsatz unter statistischer Beurteilung durchzuführen.

Durch Festlegung, daß jeder Switch (IDS) nur mit einem Automatisierungsgerät verbunden ist, wie dies im erfindungsgemäßen Fall aus der in Fig. 10 dargestellten Topologie 3000 hervorgeht, und daß alle IDS Punkt zu Punkt untereinander verbunden sind, kann mit einem festen Regelwerk gearbeitet und die gesamte Kommunikationsstrecke freigeschaltet werden, so daß alle IDS durchlaufen werden können.

Da alle Switches nun wie auf einer Perlenschnur hintereinander aufgezogen sind und damit jedes Telegramm alle Switches durchlaufen muß, wird das vorgestellte System möglich. In diesem Fall muß ein Telegramm vom Automatisierungsgerät A1, dessen Empfänger A32 ist, zweiunddreißig Switches S1 bis S32 durchlaufen. Die niedrigere resultierende Bandbreite (3,125 Mbit) gegenüber den Standard-Topologien, wie sie beispielsweise in den Fig. 8 und 9 dargestellt sind, wird in Kauf genommen, weil die nun vorliegende geringere Bandbreite garantiert werden kann, welches für eine industrielle Automatisie-

rungstechnik nötig ist. Ein weiterer Vorteil des Punkt-zu-Punkt-förmigen Aufbaus ist es, daß die Verkabelung somit von Switch zu Switch dezentral optimal der Automatisierungsstruktur angepaßt werden kann. Im Vergleich dazu verlangen Standard-Switch-Topologien eine aufwendige sternförmige Verkabelung jedes dezentralen Automatisierungsgerätes zum nächsten Switch.

Anhand von Fig. 11 soll ein Beispiel einer Senderechtsvergabe dargestellt werden. Nachdem alle IDS ihre Kurztelegramme in einem Zyklus gesendet haben, kann ein Managementzyklus eingefügt werden. Im Gegensatz zum normalen Datenverkehr, bei dem die Kurztelegramme die IDS ohne größere Verzögerung durchlaufen, werden in einem Managementzyklus die Telegramme von den Teilnehmern erst ausgewertet und dann gegebenenfalls nach einer Veränderung weitergeleitet. Zu Managementzwecken eignen sich sowohl Kurzais auch Langtelegramme.

In einem Managementzyklus ist die Steuerinformation der Telegramme derart verändert, daß die IDS erkennen, daß es sich um Managementtelegramme handelt. Dazu wird beispielsweise ein Steuerbit ID von 0 auf 1 gesetzt. Im Datenfall enthielte das ID Bit den Wert 0. Ein weiteres Bit K der Steuerinformation gibt den Status bzw. die Konfiguration des Managementtelegramms an. Ist das K Bit auf 0 gesetzt, so ist es frei, d.h. das Managementtelegramm darf verändert werden. Besitzt das K Bit den Wert 1, so ist es belegt und darf nicht verändert werden. Es dient dann nur zu Informationszwecken. So wird verhindert, daß weitere IDS gleichzeitig ein Managementtelegramm zwecks Veränderung beanspruchen.

Die Steuerinformation enthält auch einen Bereich P, der die Priorität bzw. die Höhe des Senderechts enthält. Es darf der IDS das Managementtelegramm verändern, der als erster im Ring das K Bit = 0 erkennt. Nachdem dieser IDS seine Manipulationen des Telegramms beendet hat - während es belegt war gibt er es wieder frei und der nächste IDS kann es beanspruchen.

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Eine Senderechtsvergabe wird daher beim Start des Systems bzw. Neustart (Power On oder Reset) über die Managementfunktion mittels der Managementtelegramme zwischen den IDS ausgehandelt.

Eine Senderechtsvergabe könnte wie folgt ablaufen:

Nach einem Start des Systems schalten zunächst alle IDS ihre Netzwerkabschnitte durch. Dies entspricht dem normalen Datenbetrieb, in dem die Telegramme alle IDS mit einer nur geringen Verzögerung durchlaufen. Der erste und der letzte IDS schalten das System zu einem Ring, wozu jeweils die offene Sendeleitung 44 der IDS intern mit der entsprechenden Empfangsleitung 46 geschlossen wird. Nach einer zufälligen Zeit sendet ein erster IDS 1 (Teilnehmer) ein Managementtelegramm an seinen Nachbarn. Das Telegramm ist also durch Setzen des ID Bits auf 1 als Managementtelegramm gekennzeichnet worden, welches von dem Nachbarn erkannt wird. Ferner kennzeichnet der erste IDS 1 das Telegramm mit dem K Bit als belegt. Die Priorität P erhält zunächst den Wert 0.
Die Steuerinformation sieht daher wie folgt aus:

ID K P

110

Da das Telegramm als belegt gilt, wird es von keinem anderen IDS verändert und der erste IDS 1 erhält sein Protokoll auf der Rückleitungsstrecke (Ring) zurück. Der IDS 1 speichert daraufhin seine eigene Priorität, die in diesem Fall 1 beträgt, in dem Bereich P ab. Dies bedeutet, daß er nach Beendigung der Managementfunktionen als erster seine Daten senden darf.

Als nächstes führt der IDS 1 jedoch den Konfigurationsprozeß weiter, wozu er ein weiteres Telegramm absetzt. Dies ist jedoch als frei markiert und enthält nun folgende Werte:

ID K P

1 0 1

• · I ·■·■·

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Ein zur Anmeldung bereiter, zweiter IDS 2 erkennt das K Bit O und meldet sich durch Verändern des K Bit Wertes auf 1 an. Jetzt kann kein anderer IDS das Managementtelegramm beanspruchen. Der IDS 2 erhält das Telegramm nach Umlauf also zurück. Analog zu dem ersten IDS setzt er nun seine eigene Priorität 2 in den Bereich P ein und den K Wert auf 0. Seine eigene Sendeberechtigung liegt demnach an zweiter Stelle, d.h. er darf nach dem IDS 1 seine Daten senden. Ferner gibt der IDS 2 das Telegramm durch den K = 0 für weitere Anmeldungen frei. Es ist seine Aufgabe den nächsten Managementzyklus zu initiieren.

Dieses System würde sich gemäß des Beispiels in Fig. 11 solange fortsetzen, bis sich der IDS 3 und 4 ebenfalls angemeldet haben. Die Steuerinformation enthält nun folgende Werte:

ID K P

1 0 4

Durch entsprechende weitere Zyklen erfahren die schon angemeldeten IDS die Anzahl der bisher angemeldeten Teilnehmer, so daß sich später eindeutig die Sendeberechtigung ermitteln läßt.

Dieses System läuft solange, bis sich nach einer eingestellten Zeit, z.B. zwei Zyklen, kein weiterer IDS anmeldet. Der zuletzt angemeldete IDS, hier IDS 4, stellt daraufhin das Senden von Managementtelegrammen ein. Anschließend beginnt der erste IDS 1 nach einer weiteren Wartezeit, in der er keine Managementtelegramme empfangen hat, mit der Sendung von "normalen" Daten-Kurztelegrammen entsprechend seiner Sendeberechtigung.

Der erste IDS beginnt nach einer bestimmten Anzahl von Sendezyklen, welche sich nach der Anzahl der angemeldeten Teilnehmer richtet, erneut mit der Sendung von Managementtelegrammen, so daß sich eventuell später angeschlossene IDS ebenfalls anmelden können, um sich in die Kette der Sendeberechtigungen einzufügen.

• ·

• ·

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Die Vergabe der Sendepriorität ist jedoch auch nach weiteren System denkbar. So könnte die Prioritätseinstellung nicht nach dem Zeitpunkt der Anmeldung vergeben werden, sondern durch eine feste Einstellung im jeweiligen IDS. Dies könnte ein verstellbares Bedienelement oder auch eine unverwechselbare Geräte- oder Seriennummer sein. Durch Austausch dieser Seriennummer erhält immer der IDS mit der höheren Nummer die bessere Priorität. Denkbar wäre auch eine zentrale Vergabe der Seriennummern über ein geeignetes Programm (Software).

Bricht das System in einem Fehlerfall (z.B. Stromausfall oder Netzwerkunterbrechungen) zusammen, wird dies durch geeignete Auswertung der Managementtelegramme erkannt und noch betriebsfähige Teile des Netzwerks können analog dem obigen System neu konfiguriert werden, wodurch sich eine gewisse Redundanz bzw. Fehlertoleranz ergibt. Wird das System repariert bzw. Instand gesetzt, kann der Rekonfigurationsprozeß des Gesamtsystems durch den nächsten Managementzyklus durchgeführt werden.

Durch weitere elektronische Bauteile kann eine Auswertung der Managementtelegramme über die Qualität der Netzwerkverbindungen Auskunft geben, wie z.B. über die Qualität der optischen Streckensegmente bei der Lichtwellenleiterverkabelung.

Claims (38)

1. System zum multidirektionalen Austausch von Informationen zwischen Teilnehmern (z. B. Automatisierungsgeräte) auf Ethernet-Basis, mit einer Einrichtung, die je nach Größe des gesendeten Ethernet-Datenpaketes (Telegramm) dieses in mehrere kleinere Pakete (Kurztelegramme) zerlegt und diesen jeweils mindestens eine Steuerinformation hinzufügt, die kleineren Pakete in mehreren Zyklen an ihr Ziel überträgt und gegebenenfalls dort mittels der Steuerinformationen zum ursprünglichen Ethernet-Datenpaket wieder zusammensetzt.

2. System mit einer Einrichtung nach Anspruch 1, die alle Telegramme, deren Länge größer als die der Kurztelegramme ist, zerlegt.

3. System mit einer Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die alle Kurztelegramme in gleicher fest eingestellter Größe erzeugt.

4. System mit einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die der Steuerinformation die Quelle und das Ziel des Kurztelegramms hinzufügt.

5. System mit einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit Steuerinformationen, aus denen sich ergibt, ob es sich um ein zerlegtes oder unzerlegtes Telegramm handelt, in wieviele Kurztelegramme es zerlegt ist und daß die Steuerinformation die laufende Nummer des Kurztelegramms enthält.

6. System mit einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit Steuerinformationen, die die Erkennung einer fehlerfreien Übertragung der Kurztelegramme ermöglichen.

7. System zum multidirektionalen Austausch von Informationen zwischen Teilnehmern (z. B. Automatisierungsgeräte) mit einer Einrichtung, bei der jedem Industrial Domain Switch (IDS) ein Teilnehmer zugewiesen ist, welcher mit dem IDS über einen Ethernet-Anschluß verbunden ist, die IDS über einen ethernetkonformen Anschluß als Netzwerk aufgebaut sind und jeder IDS nach einem vorgegebenen, zyklischen Regelwerk zeitlich determiniert ein Senderecht erhält.

8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere IDS pro Kurztelegrammzyklus mehr als ein Senderecht erhalten.

9. System nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch einen Voll-Duplex- Ethernet-Anschluß zwischen dem Teilnehmer und dem jeweiligem IDS.

10. System nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk als Punkt-zu-Punkt Netzwerk aufgebaut und zu einem Ring geschlossen ist.

11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verkabelung von IDS zu IDS dezentral der Automatisierungsstruktur angepaßt ist.

12. System nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgegebene Regelwerk der Senderechtsvergabe so ausgestaltet ist, daß eine Projektierung der Sendeprioritäten nicht notwendig ist.

13. System nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß, falls keine Sendedaten in einem sendeberechtigten IDS vorliegen, die Weitergabe des Senderechts durch Senden eines Signals (z. B. eines Dummy-Kurzprotokolls) erfolgt.

14. System nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Präambel im Ethernet-Telegramm fehlt.

15. System nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Überlauf des Zwischenspeichers auf der Empfangsseite des IDS Teilnehmeranschlusses durch Belegung der Empfangsleitung (z. B. Kollisionserzeugung = Back-off Signal) des IDS (= Sendeleitung des Teilnehmers) signalisiert wird.

16. System nach einem der Ansprüche 3 bis 6 oder einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines Netzwerkbereichs (Domain) das Regelwerk der Senderechtsvergabe zusammen mit den gleich groß eingestellten Kurztelegrammen so ausgebildet ist, daß die Durchlaufzeiten der Telegramme, z. B. für eine Takt- und/oder Uhrensynchronisation ausreichend genau bestimmt sind.

17. System mit einer Einrichtung nach Anspruch 16, bei der für zeitkritische Anwendungen (z. B. Sicherheitsanwendungen) die Durchlaufzeiten der Telegramme berechenbar und/oder überprüfbar ausgestaltet sind.

18. System mit einer Einrichtung nach Anspruch 16 oder 17 mit Standard Protokollen, wie z. B. TCP/IP oder UDP als überlagerte Protokolle, die vom beschriebenen System unbeeinflußt sind.

19. IDS zum Einsatz in einem System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen wenige Kilobyte großen Speicher für die Zwischenspeicherung der Kurztelegramme.

20. IDS nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der IDS als Einchipsystem ausgebildet ist.

21. IDS nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß der IDS direkt in den jeweiligen Teilnehmer unter Wegfall des Teilnehmer- Ethernetanschlusses integriert ist.

22. IDS-System mit IDS nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere IDS durch Wegfall ihrer externen Ethernet-Verschaltungen in einem Mehrport-IDS mit entsprechend vielen Teilnehmeranschlüssen integriert sind.

23. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und einem der Ansprüche 7 bis 22, das so ausgebildet ist, daß einem Kurztelegrammsendezyklus ein Managementzyklus folgt, in dem zur Durchführung von Managementfunktionen Kurz- oder Langtelegramme (Managementtelegramme) dienen.

24. System nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die zyklische Senderechtsvergabe über eine weitere Steuerinformation, die den Managementtelegrammen hinzugefügt ist, möglich ist.

25. System nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß anhand der Steuerinformation erkennbar ist, ob es sich um ein Managementtelegramm zur Durchführung von Managementfunktionen handelt.

26. System mit einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 25, bei der die Managementfunktion zur Vergabe der Priorität des Senderechts dient.

27. System mit einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 26, bei der die Managementfunktion zur Anmeldung der IDS am Netzwerk dient.

28. System mit einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 27, bei der die Managementfunktion zur Netzwerkdiagnose dient.

29. System mit einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 28, bei der die Managementfunktion zur Parameterisierung (z. B. der Länge der Kurztelegramme) dient.

30. System nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerinformation den Status (Konfiguration) der Managementfunktion enthält.

31. System nach Anspruch 28 mit einer Erkennung für den Ausfall eines oder mehrerer IDS über die Netzwerkdiagnose.

32. System nach Anspruch 28 oder 31 mit einer Erkennung einer Netzwerkunterbrechung durch die Netzwerkdiagnose.

33. System nach einem der Ansprüche 28, 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Qualität der Verkabelung der Netzwerksegmente durch Auswertung der durch die Diagnose gewonnenen Daten ermittelbar ist.

34. System nach einem der Ansprüche 1 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß die als Langtelegramme vorliegenden Managementtelegramme nicht zerlegt sind.

35. System für den multidirektionalen Austausch von Informationen zwischen Teilnehmern (z. B. Automatisierungsgeräte), mit IDS (Industrial Domain Switch), wobei jeder IDS mit einem Teilnehmer über einen Ethernet-Anschluß verbunden und jeder IDS mit mindestens einem weiteren IDS verbunden ist.

36. System nach Anspruch 35, gekennzeichnet durch einen in mindestens einen Teilnehmer integrierten IDS.

37. System nach einem der Ansprüche 7 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Adresse des IDS mit der des angeschlossenen Teilnehmers identisch ist.

38. System nach einem der Ansprüche 7 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß der IDS seine Adresse aus dem vom Teilnehmer gesendeten Ethernet- Telegramm entnimmt.