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DE10013541A1 - System für die prozessadaptive Optimierung von industriellen Kommunikationssystemen - Google Patents

System für die prozessadaptive Optimierung von industriellen Kommunikationssystemen

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Publication number
DE10013541A1
DE10013541A1 DE10013541A DE10013541A DE10013541A1 DE 10013541 A1 DE10013541 A1 DE 10013541A1 DE 10013541 A DE10013541 A DE 10013541A DE 10013541 A DE10013541 A DE 10013541A DE 10013541 A1 DE10013541 A1 DE 10013541A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
communication system
communication
industrial
optimization
industrial communication
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE10013541A
Other languages
English (en)
Inventor
Wolfgang Popp
Tobias Grasmeyer
Michael Roeser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Martin Luther Universitaet Halle Wittenberg
Original Assignee
Martin Luther Universitaet Halle Wittenberg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Martin Luther Universitaet Halle Wittenberg filed Critical Martin Luther Universitaet Halle Wittenberg
Priority to DE10013541A priority Critical patent/DE10013541A1/de
Publication of DE10013541A1 publication Critical patent/DE10013541A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G05B19/418—Total factory control, i.e. centrally controlling a plurality of machines, e.g. direct or distributed numerical control [DNC], flexible manufacturing systems [FMS], integrated manufacturing systems [IMS] or computer integrated manufacturing [CIM]
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Abstract

Industrielle Kommunikationssysteme zur Steuerung automatisierter Prozesse werden bisher mit fest eingestellten Parametern während der gesamten Betriebszeit eingesetzt. Hieraus resultiert bei sich zeitlich ändernden Anforderungsprofilen eine nicht optimale Datenübertragung, deren Echtzeitfähigkeit kann verloren gehen und in Extremfällen kann einem eventuellen Systemzusammenbruch nicht rechtzeitig entgegenwirkt werden. Das neue System soll dagegen mit variablen Parametern arbeiten, die automatisch entsprechend der Datenverkehrssituation optimal eingestellt werden. Bei seiner Realisierung soll die eingeschränkte Rechenleistung industrieller Kommunikationspartner berücksichtigt werden. DOLLAR A Ein zentrales Regelsystem ermittelt aus dem aktuellen Datenverkehr die relevanten Charakeristika, speichert sie und aktiviert hiermit einen Selektivregler, der während des laufenden Datenverkehrs die entsprechende Optimierungsstrategie, die online die optimalen Parameter für das industrielle Kommunikationssystem ermittelt. Diese Optimierungsstrategie wirkt entweder als Einzeleingriff oder als geeignete Kombination von Einzeleingriffen. DOLLAR A Das neue System ermöglicht die optimale Selbstparametrierung industrieller Kommunikationssysteme während des Betriebes der von ihnen gesteuerten Automatisierungsprozesse.

Description

Industrielle Kommunikationssysteme verbinden i. a. eine Vielzahl von Rechnern, Steuerungen, Aktoren und Sensoren zum automatisierten Betrieb von technologischen Prozessen. Zunehmend werden die dezentral im Prozess verteilten Sensoren und Aktoren mit Mikroprozessoren ausgestattet. Infolge dieser dezentralen Datenverarbeitung ergibt sich ein erhöhter Kommunikationsbedarf.
Technologische Prozesse stellen in ihrem Anforderungsprofil i. a. erhöhte Anforderungen an industrielle Kommunikationssysteme bezüglich deren
  • - Sicherheit,
  • - Zuverlässigkeit,
  • - Fehlertoleranz,
  • - Echtzeitfähigkeit,
  • - Störfestigkeit
  • - funktionale und topologische Erweiterbarkeit und
  • - ökonomischem Einsatz.
Hieraus ergeben sich gravierende Unterschiede zwischen den industriellen Kommunikationssystemen und Kommunikationssystemen mit Einsatz im telekommunikativen Bereich.
Auswahl und Aufbau industrieller Kommunikationssysteme in einem speziellen technologischen Prozess erfolgen i. a. derart, dass die Erfüllung der mutmaßlich angenommenen, oben beschriebenen Anforderungen soweit wie möglich durchführbar scheint.
Die für den Betrieb der Kommunikationssysteme entscheidenden Parameter werden bei der Inbetriebnahme fest eingestellt. Parameteränderungen während der Laufzeit sind bei den meisten industriellen Kommunikationssystemen nicht vorgesehen. D. h. bei sich ändernden Anforderungen kann ein optimales Verhalten des Systems nicht mehr gewährleistet werden. Durch sich ändernde Anforderungsprofile während des Betriebes, z. B. infolge sich anbahnender Havarien in den Anlagen, werden die so eingesetzten Kommunikationssysteme zunehmend an die Grenze ihrer Leistungsfähigkeit getrieben. In Extremfällen können diese völlig kollabieren und möglichen Havarien nicht mehr entgegenwirken.
Durch diese statische Worst-Case-Parametrierung ist das industrielle Kommunikationssystem während der Laufzeit überdimensioniert. Unerwartet steigende Anforderungen führen dazu, dass das Kommunikationssystem unterdimensioniert ist.
Auf Parameteränderungen industrieller Kommunikationssysteme während des Betriebes wird derzeit aufgrund der zugrundeliegenden Komplexität und den konkurrierenden Zielen zur Parameterauswahl in fast allen Einsatzfällen verzichtet.
Im Bereich der industriellen Kommunikationssysteme existiert ein wichtiges, singuläres Verfahren, welches in Extremfällen zur Erhöhung der Zuverlässigkeit eingesetzt wird. Dieses Verfahren bezieht sich ausschließlich auf die Erhöhung der Verfügbarkeit eines Kommunikationssystems. Im Fehlerfall wird auf eine redundant vorhandene kommunikationstechnische Ressource während des Betriebes bedarfsgerecht umgeschaltet.
In der Druckschrift atp-Automatisierungstechnische Praxis 38 (1996), S. 41 bis 47, wird der Aufbau eines redundanten Kommunikationssystems als Bestandteil eines technologischen Prozesses beschrieben. In der Druckschrift wird nur diese singuläre Maßnahme an einem einzelnen Kommunikationssystem beschrieben. Es existiert kein allgemeingültiger Ansatz.
In der Druckschrift Popp, M.: "PROFIBUS DP" (Hüthig Buch Verlag, Heidelberg. 1998) werden als singuläre Maßnahme redundante Strategien für ein einzelnes Kommunikationssystem erwähnt. Ein allgemeingültiger Ansatz für alle industriellen Kommunikationssysteme existiert in beiden Druckschriften nicht.
Singuläre Maßnahmen zur Vermeidung von Datenübertragungsengpässen existieren im Bereich der Telekommunikation und der Weitbereichsnetze, welche reine Rechnernetze darstellen. Diese beziehen sich bei völlig anderen Anforderungsprofilen an Sicherheit, Echtzeitfähigkeit, Ökonomie usw. und Netzauslegungen (kontinentale und interkontinentale Kommunikation) sowie rechentechnischer Ressourcen (Einsatz von z. T. Hochleistungsrechnern) als bei industriellen Kommunikationssystemen hauptsächlich auf das Fehler-, Konfigurations- und Leistungsmanagement. Aus technischen und ökonomischen Gründen lassen sich diese Managementfunktionen, wie im telekommunikativen Bereich üblich, nicht auf industrielle Kommunikationssysteme direkt übertragen.
Es ist aus der DE 195 02 230 C2 ein Verfahren bekannt, welches aus der Beobachtung eines technischen Systems, insbesondere eines Rechnernetzes, die Adaption eines Fuzzy- Reglers vornimmt. Dieses Verfahren beschränkt sich auf einen einzigen Parameter, die Umlaufzeit eines Tokens, in Abhängigkeit von zwei Messwerten, der Ringlatenz und der Last. In dem Verfahren wird die optimale Auslegung eines Fuzzy-Reglers ausschließlich für Rechnernetzwerke beschrieben.
Die in der Norm EN 50 254 verwendeten Netzwerkmanagement-Ebenen beziehen sich einmal auf die Schichten 1 und 2 des OSI-Modells und einmal auf die Schicht 7. Eine dynamische Anpassung des Netzwerkes ist nicht möglich. Auch in der Norm EN 50170 existieren Netzwerkmanagement-Dienste, die aber keine dynamische Selbstoptimierung vornehmen.
Ein weiteres Verfahren zur Parameteroptimierung wird in der Druckschrift Fiedler, K.: "Zeitverhaltensanalyse serieller Bussysteme mittels Lastmethode" beschrieben. Dieses Verfahren bezieht sich auf eine Optimierung des Parameters Token-Target-Rotation-Time auf der Basis von Simulationsanalysen, nicht aber auf eine Parameteroptimierung während des Betriebes eines industriellen Kommunikationssystems.
In der Druckschrift Kiefer, J.: "Methodische Partitionierung und Parametrierung von Feldbussen" wird eine Parametrierung von Feldbussystemen vorgenommen. Diese beschränkt sich aber auf eine optimale Parameterauswahl anhand einer Simulation des technologischen Prozesses und des zu erwartenden Verhaltens des Kommunikationssystems. Der in der Druckschrift vorgeschlagene, genetische Algorithmus wird zur Prozesssimulation verwendet, anhand dieser ein einziger Parameter des Kommunikationssystems und dieser auch nur bei der Inbetriebnahme des Kommunikationssystems, nicht aber während des Betriebs, verändert werden kann.
In der Druckschrift FET '99 Magdeburg, S. 342 bis S. 350, wird von Almeida, L. et al. "A flexible time-triggered communication system based on the controller area network: Experimental results" ein flexibler, zeitgetriggerter Master/Slave-Buszugriff beschrieben. Ob ein Slave in einen Zyklus einzubeziehen ist, wird von einem Planungsrechner zuvor berechnet und durch das Senden eines spezifischen Master-Aufrufes werden die betroffenen Slaves über diese Erlaubnis des Buszugriffes in Kenntnis gesetzt. Dies betrifft nur einen spezifischen Parameter - die Sendeerlaubnis der Slaves. In der vorliegenden Erfindung werden dagegen prozessadaptiv mehrere Parameter verändert.
In der internationalen Norm ISO 11898 sind die Schichten 1 und 2 des OSI- Schichtenmodells normiert. Der Aufbau und der Einsatz von Diensten zur Initialisierung und dynamischen Adaption obliegt dem Anwender des Kommunikationssystems. Der Standard CANopen basiert auf der Norm ISO 11898 und nennt 3 denkbare, während der Laufzeit einstellbare Parameter: den Identifier, die Pausenzeit von Nachrichten und den Betriebszustand der angeschlossenen Teilnehmer. Es existieren hierzu jedoch keine Verfahren zur prozessadaptiven Veränderung dieser Parameter im Sinne des vorliegenden erfindungsgemäßen Regelsystems.
Das vorbeschriebene Verfahren der redundanten Auslegung eines industriellen Kommunikationssystems für den Extremfall des Ausfalls einer Ressource initiierte die Suche nach Lösungen, die Konfigurationsmaßnahmen nicht nur im oben genannten Extremfall des Ausfalls einer Ressource ermöglichen, sondern eine multifunktionale Regelung und Optimierung von industriellen Kommunikationssystemen für zahlreiche weitere, kritische oder nicht optimale Datenverkehrssituationen bereitstellen. Dabei galt es, ein neuartiges Regelsystem (1) für industrielle Kommunikationssysteme (2) mit einer Vielzahl neuer, über das o. g. Verfahren weit hinausgehender, weiterer Eingriffsmöglichkeiten zu entwickeln und zu optimieren.
Dieses Regelsystem (1) sollte eine dynamische Anpassung industrieller Kommunikationssysteme (2) an das betriebsbedingt schwankende Anforderungsprofil (siehe oben) selbsttätig vornehmen, womit dem Anforderungsprofil in einem größeren Umfang Rechnung getragen werden kann. Daher wird das Kommunikationssystem als zu steuernder Prozess in dem Verfahren angesehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren der dynamischen Selbstoptimierung wurde an die eingeschränkte Rechenleistung der an industrielle Kommunikationssysteme (2) angeschlossenen Kommunikationsteilnehmer (19. . .24) angepasst und nicht für den Einsatz in telekommunikativen Rechnernetzwerken entwickelt. Von der in den Kommunikationsteilnehmern (19. . .24) eingeschränkt vorhandenen Rechenleistung wird aufgrund der zentralen Steuerung der dynamischen Selbstoptimierung nur ein geringer Teil für die Parameteränderung benötigt. Durch die Benutzung der in den Kommunikationsteilnehmern (19. . .24) vorhandenen rechentechnischen Ressourcen kann eine Selbstoptimierung kostengünstig erreicht werden.
Die dynamische Selbstoptimierung industrieller Kommunikationssysteme (2) kombiniert verschiedene, singuläre Optimierungseingriffe in Optimierungsstrategien (42. . . 47). Die Auswahl erfolgt in einer Funktionseinheit (Selektor (40)), die eine Wertung der Optimierungsstrategien (42. . .47) beinhaltet und den Optimierungsstrategien (42. . .47) vorgeschaltet ist.
Das Verfahren zur dynamischen Selbstoptimierung benötigt für die Berechnung kein Modell des technologischen Prozesses. Lediglich ein Modell des eingesetzten industriellen Kommunikationssystems (2), welches in dem kommunikationssystemspezifischen Regelsystem (1) hinterlegt ist, die im Busmonitor (10) ermittelten kommunikationstechnischen Charakteristika und deren Speicherung in einer Datenbank (11) werden benötigt.
Das erfindungsgemäße Verfahren reduziert den Einsatz von Inbetriebnahme- und Wartungspersonal auf ein Minimum und verringert die Stillstandszeiten des technologischen Prozesses (5), die durch neue Parametereinstellungen am industriellen Kommunikationssystem (2) hervorgerufen werden, durch das frühzeitige Erkennen eines veränderten Anforderungsprofils und der unmittelbar folgenden automatischen Parameteranpassung.
Das erfindungsgemäße Verfahren verletzt keine existierende Norm oder Standard der industriellen Kommunikationssysteme. Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Aufbau ist von universeller Natur und kann durch den modularen Austausch des Busmonitors (10), des Selektivreglers (12), der zentralen (13) und der dezentralen Stelleinrichtung (27) für jedes beliebige industrielle Kommunikationssystem (2) eingesetzt werden.
Prinzip des neuen Verfahrens
Erfindungsgemäß wird das industrielle Kommunikationssystem (2) aus regelungstech­ nischer Sicht als Regelstrecke betrachtet (Fig. 1), welche sich als zeitlich variant darstellt.
Die kommunikationstechnischen Charakteristika des industriellen Kommunikationssystems (2) bestimmt der technologische Prozess (5), welcher zum Datenaustausch das industrielle Kommunikationssystem (2) verwendet, durch dessen tatsächliche Anforderungen (6). Der Betreiber (7), der über grundsätzliche Kenntnisse über den technologischen Prozess (5) verfügt, kann durch eine entsprechende Parametrierung die Grundeinstellungen des industriellen Kommunikationssystems (sogenannte Startparameter) vornehmen. Dies kann entweder direkt dadurch geschehen, dass er innerhalb der Konfigurationsphase die entsprechenden Startparameter des industriellen Kommunikationssystems vorgibt, oder aber indirekt (wie in Fig. 1 (8)), indem er die grundsätzlichen Kenntnisse über den technologischen Prozess (5) in ein Speichersystem (eine mögliche Ausführungsform ist eine Datenbank (11) und im weiteren als solche bezeichnet) eingibt (Betreiberforderungen (8)), mittels dessen die Startparameter ermittelt werden.
Die Erfindung beinhaltet die datenverkehrsabhängige Regelung eines industriellen Kommunikationssystems (2) mittels eines Regelsystems (1) entsprechend wichtiger Optimierungskriterien. Dabei ermittelt das Regelsystem (1) die kommunikationstechnisch relevanten Charakteristika des industriellen Kommunikationssystems (2) anhand der Beobachtung des Datenverkehrs (3) und gibt Konfigurationsbefehle (4) zur Veränderung der Parameter und damit des Verhaltens des industriellen Kommunikationssystems (2).
Über die Betreiberforderungen (8) und entsprechende Startparameter wird die Inbetriebnahme des industriellen Kommunikationssystems (2) durchgeführt. Ein Busmonitor (10) (Fig. 2) überwacht und analysiert den zwischen den Kommunikationsteilnehmern (19. . .24) über Kommunikationsstränge (25) stattfindenden Datenverkehr. Kommunikationsteilnehmer (19. . .24) sind hierbei Rechner, Steuerungen, Sensoren und Aktoren. Anhand der Beobachtung des Datenverkehrs (3) und der Datenverkehrs-Analyse in entsprechenden Funktionseinheiten im Busmonitor (10) werden die den tatsächlichen Anforderungen (6) des technologischen Prozesses (5) entsprechenden, kommunikationstechnisch relevanten Charakteristika gewonnen. Diese Informationen werden mittels der Verbindung (14) in einer Datenbank (11) gespeichert. Zur Datenverkehrs-Analyse werden über die Verbindung (15) gespeicherte relevante Informationen aus der Datenbank (11) in den Busmonitor (10) übergeben.
In dem Selektivregler (12) (Fig. 2 und 4) wird anhand eines vorgeschalteten Selektors (40) die treffendste Optimierungsstrategie (42. . .47) aktiviert. Die aktivierte Optimierungsstrategie (z. B. 47) ermittelt die notwendigen Parameteränderungen und übergibt diese einer zentralen Stelleinrichtung (13), welche die Parameteränderungen mittels Konfigurationsbefehlen (4) überträgt (Fig. 2). Die dezentralen Stelleinrichtungen (27) in den Kommunikationsteilnehmern (19. . .24) erkennen die geforderte Parameter­ änderung und nehmen den Stelleingriff vor. Die Kommunikationsteilnehmer (19. . .24) besitzen nun bezüglich der Anforderungen (6) des technologischen Prozesses (5) eine optimierte Parametereinstellung.
Des weiteren können mit Konfigurationsbefehlen (4) im industriellen Kommunikationssystem (2) vorhandene Koppelelemente (26) derart gesteuert werden, dass der topologische Aufbau des industriellen Kommunikationssystems (2) variiert werden kann. Variationsmöglichkeiten sind die Netzsegmentierung, -aggregation, - kombination und redundante Netzumschaltung auf mögliche weitere Kommunikationsstränge. Entsprechend den topologischen Strategien sind entsprechende Koppelelemente (26) und Kommunikationsstränge (25) im topologischen Aufbau des industriellen Kommunikationssystems vorzusehen.
Aufbau der Datenbank
Die Datenbank (11) ist von ihrer Struktur so aufgebaut, dass sie eine globale Gültigkeit für alle industriellen Kommunikationssysteme (2) und technologischen Prozesse (5) besitzt.
Die Aufgaben der Datenbank (11) bestehen in
  • a) Aufnahme der Betreiberforderungen (8) für die Ermittlung der Startparameter (letzteres im Selektivregler)
  • b) Aufnahme aller Parameter, die für alle in Betracht kommenden und hinterlegten Betriebszustände am Kommunikationssystem jeweils einzustellen sind (Verbindung 18)
  • c) Aufnahme der aktuell eintreffenden, kommunikationstechnisch relevanten Charakteristika (Verbindung 14)
  • d) Bereitstellung der Daten für Selektivregler (12) und Busmonitor (10) (Verbindung 15 und 16)
  • e) Bereitstellung von Informationen über das industrielle Kommunikationssystem für den Betreiber (Betreiberbeobachtung (9)) (nicht für prozessadaptive Optimierung erforderlich)
Der Aufbau der Datenbank (11) ist in drei Hauptbereiche unterteilt:
  • 1. I den Klassifizierungstabellen (28),
  • 2. II der statischen Konfigurationstabelle (33) und
  • 3. III der dynamischen Anforderungstabelle (34).
Zu den Klassifizierungstabellen (28) zählen die
  • 1. I Netzstrukturtabelle (29),
  • 2. II Datenverkehrstabelle (30),
  • 3. III Teilnehmertabelle (31) und
  • 4. IV Nachrichtentabelle (32).
Die Klassifizierungstabellen (28) entsprechen Auswahllisten, mit denen die Beschreibung der Betreiberforderungen (8) erleichtert wird.
In diesen sind Größen (Klassifizierungsmerkmale) aufgelistet, die zur kommunikations­ technischen Kennzeichnung von industriellen Kommunikationssystemen (2) und technologischen Prozessen (5) herangezogen werden.
Mit Hilfe der in der Netzstrukturtabelle (29) enthaltenen Merkmale können die Kommunikationsnetze in verschiedene Netzstrukturklassen eingestuft werden. Zu diesen Merkmalen zählen die Netztopologie, das Kommunikationsmedium, die maximale Ausdehnung und die maximale Anzahl der anschließbaren Kommunikationsteilnehmer.
Mit den Merkmalen in der Datenverkehrstabelle (30) kann festgelegt werden, welche Arten von Datenverkehrslasten, wie z. B. Betrieb zur Laufzeit, Havarie, Chargenprozesse usw., i. a. vorzusehen sind.
Die verschiedenen Klassifizierungsmerkmale von Kommunikationsteilnehmern (19. . . 24) werden in der Teilnehmertabelle (31) aufgelistet. Wesentliche Merkmale dieser Teilnehmertabelle (31) sind die maximale Anzahl der Nachrichtenquellen und -senken pro Kommunikationsteilnehmer (19. . .24), die Priorität sowie die Diagnose- und Parametrierfähigkeit der Kommunikationsteilnehmer (19. . .24).
Eine weitere Klassifizierungstabelle ist die Nachrichtentabelle (32). Mit ihr lassen sich den Nachrichtenquellen der einzelnen Kommunikationsteilnehmer (19. . .24) bestimmte Nachrichtenklassen mit den dazugehörigen Merkmalen zuordnen. Die Merkmale sind z. B. die Nutzdatenlänge, die Nachrichtenpriorität, die Art der Übertragung (zyklisch oder azyklisch), maximale Wartezeit sowie Varianz der Zykluszeit.
Für die Initialisierung der Datenbank (11) muss der Betreiber (7) bei dem oben genannten indirekten Verfahren die Betreiberforderungen (8) in die statische Konfigurationstabelle (33) unter Zuhilfenahme der beschriebenen Klassifizierungstabellen (29. . .32) eingeben.
Folgende Vorgehensweise zur Erstellung der statischen Konfigurationstabelle (33) wird vorgeschlagen:
  • a) Kennzeichnung der realen Netzsegmente mit den Merkmalen aus der Netzstrukturtabelle (29) mit Angabe, wie viel verschiedene Datenverkehrslasten je Netzsegment existieren (Verbindung 35),
  • b) Kennzeichnung aller Datenverkehrslasten in allen Netzsegmenten mit den in der Datenverkehrstabelle (30) vorgegebenen Merkmalen mit der Angabe, wie viel Kommunikationsteilnehmer (19. . .24) jeder einzelnen Datenverkehrslast zugeordnet sind (Verbindung 36),
  • c) Kennzeichnung aller Kommunikationsteilnehmer (19. . .24) aller Datenverkehrslasten und Netzsegmente mit den Merkmalen der Teilnehmertabelle (31) mit der Angabe, wie viele Nachrichtenquellen und -senken jeder einzelne Kommunikationsteilnehmer (19. . .24) besitzt (Verbindung 37),
  • d) Kennzeichnung der Nachrichtenquellen aller Kommunikationsteilnehmer (19. . .24) aus allen Datenverkehrslasten und Netzsegmenten mit den Merkmalen in der Nachrichtentabelle (32) (Verbindung 38),
  • e) Verknüpfung der Nachrichtenquellen jedes einzelnen Kommunikationsteilnehmer (19. . .24) mit den dazugehörigen Nachrichtensenken in den anderen Kommunikationsteilnehmer (19. . .24), wobei dies auch über Netzsegmente hinweg möglich ist. Nicht möglich ist die Verknüpfung zwischen Kommunikationsteil­ nehmern (19. . .24), die einem Netzsegment aber unterschiedlichen Datenverkehrslasten innerhalb des Netzsegments zugeordnet sind.
Die Vorgehensweise gemäß Punkt c) bis e) besitzt Analogien zu der Erstellung der Kommunikationsbeziehungslisten der industriellen Kommunikationssysteme (2). Bei den Kommunikationsbeziehungslisten fehlen aber viele Informationen, vor allem zu den Netzsegmenten und Datenverkehrslasten sowie der Art der Kommunikationsteilnehmer (19 24). Die bisher bekannten Kommunikationsbeziehungslisten besitzen keine Möglichkeiten für eine dynamische Selbstoptimierung. Das erfindungsgemäße Verfahren der dynamischen Selbstoptimierung ermöglicht dagegen mittels der Aktualisierung der dynamischen Anforderungstabelle (34) während des Betriebes des industriellen Kommunikationssystems (2) eine ständige, prozessadaptive Optimierung.
Die prozessspezifischen Informationen in der statischen Konfigurationstabelle (33) und der darin enthaltenen Verbindungen zu den Klassifizierungstabellen (29. . .32) werden nach der Eingabe aller Betreiberforderungen (8) in eine anfängliche dynamische Anforderungstabelle (34) kopiert (Verbindung 39). Damit ist die Konfiguration abgeschlossen.
Die dynamische Anforderungstabelle (34) besitzt neben der Verbindung (39) zur statischen Konfigurationstabelle (33) Verbindungen (14, 15, 16 und 18) von und zum Busmonitor (10) und dem Selektivregler (12) und eine Verbindung für eine eventuelle Betreiberbeobachtung (9). Die dynamische Anforderungstabelle (34) enthält neben den Betreiberforderungen (8) und den kommunikationstechnischen Charakteristika die den tatsächlichen Anforderungen (6) des technologischen Prozesses (5) entsprechen, auch alle Parametereinstellungen des industriellen Kommunikationssystems (2).
Zu den enthaltenen Parametereinstellungen zählen sowohl die Parameter des aktuellen Betriebzustandes als auch die Parameter der anderen möglichen Betriebszustände. Der Wechsel zwischen zwei Betriebszuständen wird dadurch vereinfacht, dass die Parameter aller Betriebszustände in der Datenbank (11) gespeichert sind.
Über die Verbindung (18) werden am industriellen Kommunikationssystem (2) vorgenommene Parameteränderungen in der Datenbank (11) gespeichert.
Aufbau des Selektivreglers
Der Selektivregler (12) besitzt einen modularen Aufbau (Fig. 4), wobei die einzelnen Module von dem zu regelnden industriellen Kommunikationssystem (2) abhängig sind. Die Module des Selektivreglers (12) sind zum einen ein vorgeschalteter Selektor (40) und zum anderen mehrere Optimierungsstrategien (42. . .47), von denen immer nur eine über eine Umschaltung (41) aktiviert wird. Die einzelnen Optimierungsstrategien (42. . .47) beinhalten einzelne oder eine Kombination von mehreren Optimierungseingriffen.
Der Selektor (40) hat zwei Aufgaben: die Wertung der von der Datenbank (11) über die Verbindung (16) eintreffenden Charakteristika des industriellen Kommunikationssystems (2) und die darauf folgende Aktivierung einer nachgeschalteten Optimierungsstrategie (42 . . .47).
Beispielhaft treffen in dem Selektor (40) die Last L, die tatsächliche (tWreal) und die erlaubte (tWgeg) Wartezeit von Nachrichten N als Charakteristika des industriellen Kommunikationssystems (2) ein. Unter der Last L werden die in einem bestimmten Zeitraum t gesendeten Nachrichten N verstanden. Diese Werte werden vom Selektor (40) bewertet.
Tritt nun der Fall einer hohen Last L und einer Überschreitung der erlaubten Wartezeiten (tWreal < tWgeg) von allen Nachrichten N ein, so kann z. B. die Erhöhung der Bruttodatenrate als Optimierungsstrategie (z. B. 42) eine hohe Wertung erhalten und somit aktiviert werden. Sind hingegen eine niedrige Last L und nur die Überschreitung einzelner erlaubter Wartezeiten zu verzeichnen, so bieten sich verschiedene Optimierungsstrategien (42. . .47) an. In diesen Strategien können Optimierungseingriffe für die Änderung des Buszugriffs, die Änderung der Priorität für die betreffenden Nachrichten Ni oder eine Kombination dieser Optimierungseingriffe enthalten sein. Die Auswahl der treffendsten Optimierungsstrategie (42. . .47) erfolgt anhand der Wertung im Selektor (40).
Der Selektor (40) besitzt demnach sowohl Kenntnisse über das Verhalten des industriellen Kommunikationssystems (2) als auch über die nachgeschalteten Optimierungsstrategien (42. . .47).
Durch eine geeignete Kombination von singulären Optimierungseingriffen werden neue Optimierungsstrategien (42. . .47) aufgebaut, die eine schnellere Anpassung des industriellen Kommunikationssystems (2) an veränderte Anforderungen (6) des technologischen Prozesses (5) ermöglichen.
Jede einzelne Optimierungsstrategie (42. . .47) ist so aufgebaut, dass sie keine konkurrierenden Ziele enthält. Die Auswahl nur einer einzigen Optimierungsstrategie (42 . . .47) durch den Selektor (40) verhindert, dass sich die eventuell konkurrierenden Zielen dienende Optimierungseingriffe gegenseitig stören.
Der Aufbau und die konkrete Realisierung der Optimierungsstrategien (42. . .47) im Selektivregler (12) sind anhand einer regelungstechnischen Analyse des industriellen Kommunikationssystems (2) auszuwählen. Eingesetzt werden können z. B. die klassischen Mehrgrößenregler, Fuzzy-Regler, Regler basierend auf neuronalen Netze oder Petri-Netze usw.. Auch der Einsatz von elementaren Reglern, wie ein Zweipunktregler, ist möglich.
Die vom Selektor (40) über die Umschaltung (41) aktivierte Optimierungsstrategie (z. B. 47) übergibt die errechneten Parameter über die Verbindung (17) an die zentrale Stelleinrichtung (13). Diese setzt die Parameterinformation in Konfigurationsbefehle (4), die einer bis alle Kommunikationsteilnehmer (19. . .24) oder Koppelelemente (26) in der dezentralen Stelleinrichtung (27) empfangen, auswerten und darauf die entsprechenden Parameter ändern. Über die Verbindung (18) wird die Parameteränderung in der Datenbank (11) gespeichert.
Beschreibung der Optimierungseingriffe
Die nachfolgend beschriebenen Optimierungseingriffe können einzeln oder in einer geeigneten Kombination in Abhängigkeit vom technologischen Prozess (2) in den Optimierungsstrategien (42. . .47) im Selektivregler (12) des Regelsystems (1) enthalten sein.
Änderung der Bruttodatenrate
Eine Änderung der Bruttodatenrate wird notwendig, wenn die Last L des Datenaufkommens einen Maximalwert Lmax über- oder einen Minimalwert Lmin unterschreitet. Die Maximallast Lmax hat meist zur Folge, dass viele Teilnehmer auf eine Sendeerlaubnis warten müssen.
Die Bruttodatenrate der industriellen Kommunikationssysteme (2) ist ein wesentlicher Parameter zur Adaption. Mit diesem Parameter können verschiedene Eigenschaften des Kommunikationssystems beeinflusst werden. Zu solchen Eigenschaften zählen die maximal mögliche Länge der Kommunikationsstränge (25), der Abstand zwischen sendenden und empfangenden Kommunikationsteilnehmer (19. . .24), die Übertragungszeit für ein Telegramm und die daraus resultierende Zykluszeit für einen Telegrammzyklus und die Störempfindlichkeit der Datenübertragung, z. B. gegenüber elektromagnetischen Störungen.
In bisherigen industriellen Kommunikationssystemen wird bei der Inbetriebnahme des industriellen Kommunikationssystems (2) durch den Betreiber (7) die Bruttodatenrate fest vorgegeben, obwohl dieser als wesentlicher Parameter prozessadaptiv gesteuert werden sollte.
So kann es dazu kommen, dass Nachrichten aufgrund einer zu kleinen Bruttodatenrate zu lange warten müssen oder dass die Störempfindlichkeit der Telegramme aufgrund einer zu großen Datenrate zu hoch ist.
Ein bestimmtes Minimum der Bruttodatenrate darf in bestimmten Anwendungsfällen für die Sicherstellung einer zeitäquidistanten Regelung nicht unterschritten sowie ein Maximum aufgrund der erlaubten Leitungslänge des Kommunikationssystems nicht überschritten werden. Optimal kann die Bruttodatenrate auch unter Berücksichtigung der Störempfindlichkeit der Datenübertragung nur prozessadaptiv, also zur Laufzeit, eingestellt werden.
Vergabe von Prioritäten
Optimierungseingriffe zur Veränderung der Priorität von Kommunikationsteilnehmern (19. . .24) oder Nachrichtenquellen sollten eingesetzt werden, wenn hochpriore Kommunikationsteilnehmer (19. . .24) bzw. Nachrichten gegenüber niederprioren auf den Buszugriff warten müssen.
Den Kommunikationsteilnehmern (19. . .24) und den Sendenachrichten können durch verschiedene Parameter Prioritäten für das Senden von Daten vergeben werden, z. B. durch:
  • - die Abfragehäufigkeit von Slaves bei einem Master/Slave-Buszugriff,
  • - die Änderung der Token-Target-Rotation-Time bei Token-Ring- und Token-Bus- Systemen,
  • - die Vergabe von priorisierten Identifiern bei ereignisorientiertem Buszugriff und
  • - die Beschränkung der Last einzelner Teilnehmer.
Änderung des Buszugriffs
Die Optimierungseingriffe zur Änderung des Buszugriffs können für den Übergang zwischen unterschiedlichen Betriebszuständen im technologischen Prozess (5) zu einer schnellen Adaption des industriellen Kommunikationssystems (2) führen.
Bei dem Übergang von einem zyklischen Datenaustausch zur Laufzeit zu einem azyklischen Datenaustausch im Havariefall, wo hochpriore Warnungs- und Fehlermeldungen und die darauf resultierenden Reaktionsbefehle den absoluten Vorrang gegenüber anderen Daten des technologischen Prozesses (5) besitzen, kann ein Wechsel von Master/Slave- auf ereignisorientierten Buszugriff die Wartezeit tWi der wenigen hochprioren Nachrichten Ni erheblich verkürzen.
Ein weiteres Beispiel für den Einsatz eines Optimierungseingriffs zur Änderung des Buszugriffs wäre eine hohe Last L für das Kommunikationssystem, die dazu führt, dass bei einem ereignisorientierten Buszugriff einzelne, niederpriore Nachrichten Nj eine erhebliche Zeit tWj warten oder im Extremfall keine Sendeerlaubnis erhalten. Durch die Umschaltung auf einen Master/Slave-Buszugriff kann diesen Nachrichten Nj nun ein Zugriff gewährt werden. Für die anderen Nachrichten Ni hat dies eine erhöhte Wartezeit tWi zur Folge.
Es konkurrieren bei diesem Beispiel mehrere Optimierungseingriffe miteinander, deren jeweilige Optima nicht gleichzeitig erfüllbar sind. Die aktivierte und eingestellte Optimierungsstrategie (z. B. 47) erfüllt die Aufgabe, die treffendste Parametereinstellung zu finden.
Nicht bei allen industriellen Kommunikationssystemen kann der Buszugriff verändert werden, weil die bestehenden Normen oder Standards dies verbieten.
Schnelle Anpassung an diskontinuierliche Anforderungsänderungen
Ein weiterer Optimierungseingriff ist die Anpassung an verschiedene Fahrweisen des technologischen Prozesses (5). Diese können sich durch unterschiedliche Betriebszustände des technologischen Prozesses (5) ergeben, wie z. B. Havariefälle, die gänzlich andere Parametereinstellungen von dem industriellen Kommunikationssystem (2) verlangen als sie bei einem zyklischen Datenaustausch während der Laufzeit notwendig sind.
Bisher wurden diese z. T. stark differierenden Anforderungen an das industrielle Kommunikationssystem (2) durch eine Worst-Case-Parametereinstellung abgedeckt. Dies wird durch die in der Erfindung vorgeschlagene dynamische Selbstoptimierung des Kommunikationssystems umgangen. Nun kann während aller Betriebsphasen eine optimale Kommunikation sichergestellt werden.
Zu einer schnellen Umschaltung ist es notwendig, dass das Regelsystem (1) über die zentrale Stelleinrichtung (13) wenige Konfigurationsbefehle (4) an die dezentralen Stelleinrichtungen (27) aller Kommunikationsteilnehmer (19. . .24) sendet.
Um die Belastung des industriellen Kommunikationssystems (2) für die Änderung der Parameter möglichst gering zu halten, besitzen die dezentralen Stelleinrichtungen (27) Listen. Die Listen enthalten Informationen, wie sich der Kommunikationsteilnehmer (19. . . 24) während bestimmter Betriebszustände zu verhalten hat. Diese Listen wurden während der Inbetriebnahmephase von dem Regelsystem (1) initialisiert und während der gesamten Betriebszeit aktualisiert.
Bei der Erfindung braucht dann nur noch ein Konfigurationsbefehl (4) von der zentralen Stelleinrichtung (13) an alle dezentralen Stelleinrichtungen (27) gesendet werden. Dieser Konfigurationsbefehl (4) enthält nur einen eindeutigen Stellbefehl zur Umschaltung auf die gewünschte Zielliste, welche die Parameter für den speziellen, neuen Betriebszustand beinhaltet.
Adaptive Teilnehmerselektion
Durch die Selektion der zum Datenaustausch benötigten Kommunikationsteilnehmer (19. . .24) kann die Zykluszeit erheblich reduziert werden, weil immer nur prozessrelevante Nachrichten N von den Teilnehmern gesendet werden.
Mit diesem Optimierungseingriff können bestimmte Kommunikationsteilnehmer (19. . . 24) innerhalb bestimmter Betriebszustände selektiv aus dem Datenaustausch ausgegliedert werden.
Lastbeschränkung, zur Vermeidung von lastbedingten Ausfällen
Optimierungseingriffe, welche die Beschränkung der Last L beinhalten, können lastbedingte Ausfälle des industriellen Kommunikationssystems (2) vermeiden. Unter der Last L werden die in einem bestimmten Zeitraum t gesendeten Nachrichten N verstanden. Die Last eines Teilnehmers Li ergibt sich aus der Anzahl seiner Sendenachrichten Ni. Die Anzahl der Sendenachrichten Ni, in einem bestimmten Zeitraum t wird bei der Lastbeschränkung begrenzt.
Ein weiterer Eingriff ist die Änderung der Pausenzeiten tPi einzelner Nachrichtenquellen i. Diese Nachrichtenquellen können erst nach Ablauf der Pausenzeit tPi eine neue Nachricht Ni senden. Dies beeinträchtigt aber auch die Echtzeitfähigkeit dieser Nachricht Ni. Für die Pausenzeit tPi von Nachrichten Ni existieren demzufolge konkurrierende Optimierungsstrategien, die durch den erwähnten Selektor (40) gewertet werden müssen. Die Optimierungsstrategie (Erhöhung der Wartezeit oder der Echtzeitfähigkeit einer Nachricht) mit dem größeren Wertungsfaktor wird vom Selektor (40) aktiviert.
Diagnose der Teilnehmer
Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit ist die ständige Überwachung der Kommunikationsteilnehmer (19. . .24) durch den Selektivregler (12). Dieser besitzt anhand der vorhandenen Daten die Möglichkeit, Frühausfälle der Kommunikationsteilnehmer (19. . .24) zu erkennen und durch eine Parameteränderung darauf zu reagieren.
Diese ständige Überwachung der Kommunikationsteilnehmer (19. . .24) durch einen Busmonitor (10) ist in einigen Fällen bereits vorhanden. Vielfach wird für die Änderung der Parameter am industriellen Kommunikationssystem (2) derzeit jedoch noch der Eingriff des Wartungspersonals benötigt. Auch ergeben sich durch die Kombination der Teilnehmerdiagnose mit weiteren Adaptionseingriffen neue Möglichkeiten, die Zuverlässigkeit eines industriellen Kommunikationssystems (2) zu erhöhen.
Natürlich kann der Selektivregler (12) einen defekten Kommunikationsteilnehmer (z. B. 24) nicht reparieren oder austauschen, er kann aber durch Parameteränderungen die verbleibenden Kommunikationsteilnehmer (19. . .23) an diese Situation anpassen. Weiterhin kann der Betreiber (7) durch die statistische Auswertung in der Datenbank (11) die Verschlechterung des Betriebszustandes einzelner Kommunikationsteilnehmer (19. . . 24) erkennen.
Die bisherigen Optimierungseingriffe legten eine Verbesserung des Verhaltens von industriellen Kommunikationssystemen anhand von Parameteränderungen innerhalb der Kommunikationsteilnehmer (19. . .24) dar. Weiterhin können aber auch die Koppelelemente (26) durch Optimierungseingriffe in ihrem kommunikationstechnischen Verhalten verändert werden, einerseits durch die oben genannten Optimierungseingriffe oder Kombinationen von ihnen und/oder andererseits durch neuartige strukturändernde Optimierungseingriffe. Die letztgenannten werden im folgenden aufgezeigt.
Anpassung der Topologie, Netzsegmentierung und Redundanzumschaltungen
Erfindungsgemäß wird die prozessabhängige Strukturänderung des industriellen Kommunikationssystems (2) durch ein oder mehrere strukturierende Elemente, sogenannte Koppelelemente (26), durchgeführt, die durch Befehle aus dem Regelsystem (1) prozessabhängig so umgestellt werden, dass der Datenverkehr je nach Datenverkehrssituation in der geeignetsten Form durchgeführt werden kann.
Datenverkehrssituationen, die dazu prädistiniert sind, durch eine strukturelle Änderung des Kommunikationssystems beherrscht und optimiert zu werden, sind:
  • - Allgemeine Überlastsituationen,
  • - Notwendigkeit zur Erhöhung der Datenrate über einen Wert, der für die Gesamtausdehnung des gesamten Kommunikationssystems zu hoch ist,
  • - Fehlersituationen
Der Aufbau eines datenverkehrsabhängig schaltbaren Koppelelements (26), welches einer Brücke ähnelt, wird beispielhaft in Fig. 5 gezeigt. Das Koppelelement (26) bietet zusätzlich zur Brücke zwei Eingriffsmöglichkeiten, sein Verhalten verkehrsabhängig zu steuern. Bisher bekannte Brückenschaltungen bieten im Gegensatz dazu keine solche Eingriffsmöglichkeiten.
Brücken bekannter Bauart, die nur über eine feste Einstellung verfügen, können den Datenverkehr sowohl beschleunigen als auch beeinträchtigen: Eine Brücke bisherigen Typs kann in einem Netz mit hoher Netzlast durch ihre Segmentierungswirkung das Datenaufkommen in den entstehenden Segmenten erheblich drosseln und somit für einen schnelleren Datendurchsatz in den entlasteten Segmenten sorgen. Dagegen wirkt dieselbe Brücke im selben Netz bei niedrigem Verkehrsaufkommen verlangsamend auf den Datenverkehr, was einen immensen Nachteil darstellt.
Diesen Nachteil hat man in bisherigen Kommunikationssystemen auch dann, wenn man versucht, den i. a. nur temporären Überlastsituationen des Datenverkehrs dadurch zu begegnen, indem man von vorn herein die Datenrate so hoch wie möglich und wirtschaftlich vertretbar einstellt. Diese wirkt dann aber während der gesamten Betriebes eines Kommunikationssystems, auch zu Zeiten niedrigen Verkehrsaufkommens.
Abgesehen von den Nachteilen zu hoher Datenraten, z. B. durch Störbeeinflußbarkeit, läßt sich eine hohe Datenrate nur über eine Aufteilung des Netzes in kürzere Netzsegmente erreichen. Dies führt zum Zwang, diese Netzsegmente - mit dem geschilderten Nachteil - durch Brücken zu koppeln.
Erfindungsgemäß werden die geschilderten Nachteile beseitigt, indem das Regelsystem (1) das Koppelelement (26) dem Verkehrsaufkommen und/oder den Datenraten anpasst, es bei höherem Verkehrsaufkommen und/oder höheren Datenraten aktiviert und bei niedrigem Verkehrsaufkommen und/oder niedrigen Datenraten deaktiviert.
Konfigurationsbefehle (4) aus dem Regelsystem (1) werden nach Durchlauf durch einen linken oder rechten Empfänger (48 bzw. 49) in einem entsprechenden Befehlsempfänger (50 bzw. 51) zum Einklinken des Koppelelements (26) identifiziert und lösen die Aktivierung des Koppelelementes (26) aus (Koppelelementaktivierung 52 bzw. 53). Die den Konfigurationsbefehlen (4) folgenden Nachrichtentelegramme N22, N23, N24 bzw. N19, N20, N21, die für die auf der anderen Seite des Koppelelement angeschlossenen Kommunikationsteilnehmer (22. . .24 bzw. 19. . .21) bestimmt sind, werden in einem Register (54 bzw. 55) gespeichert und nach Bearbeitung durch ein Filter-, Speicher-, Prioritäts- und Stelleinrichtungsmanagement (56 bzw. 57) in eine Warteschlange übertragen (58 bzw. 59). Von hier aus werden die Nachrichten über einen Sender (60 bzw. 61) auf die jeweils andere Seite des Koppelelements (26) weitergeleitet.
Der Optimierungseingriff am Koppelelement (26), mit dem strukturändernd auf ein industrielles Kommunikationssystem (2) während seines Betriebes eingegriffen werden kann, soll hier auch als Beispiel für einen Eingriff dienen, der für die Kombination mit anderen Optimierungseingriffen zur Realisierung einer komplexeren Optimierungsstrategie prädestiniert ist: Es wird in dem zur Selbstoptimierung des industriellen Kommunikationssystems (2) dienenden Regelsystem (1) entsprechend einer Kombination gewichteter einzelner Eingriffe entschieden, ob bei einer Überlastsituation
  • - die Aktivierung von Koppelelementen (26) ohne Erhöhung der Bruttodatenrate,
  • - die Aktivierung von Koppelelementen (26) mit Erhöhung der Bruttodatenrate oder
  • - keine Aktivierung von Koppelelementen (26) und nur die Erhöhung der Bruttodatenrate
erfolgt.
Darüber hinaus bietet eine erfindungsgemäße Koppelelementschaltung (beispielhaft in Fig. 5 dargestellt) die Möglichkeit eines weiteren datenverkehrsabhängigen Optimierungseingriffs, des sogenannten "Filter-, Speicher-, Prioritäts- und Stelleinrichtungsmanagement " (56 bzw. 57), indem die Nachrichten, die von der linken zur rechten Seite (oder umgekehrt) durch das Koppelelement transportiert werden, datenverkehrsabhängig
  • - selektiert und/oder
  • - in ihrer Priorität umarrangiert werden können.
Teil der Funktionseinheiten des Managements sind auch dezentrale Stelleinrichtungen (62). Ähnlich wie die Stelleinrichtungen (27) in den Kommunikationsteilnehmern (19. . . 24) können sie (62) seitens des Regelsystems (1) von einem der oben aufgeführten parameterbeeinflussenden Optimierungseingriffe oder einer gewichteten Kombination dieser gemäß einer bestimmten Optimierungsstrategie zur Ausführung einer entsprechenden Einstellung des Koppelelements (26) veranlasst werden.
Eine Option für die unmittelbare Rücksendung einer Quittungsnachricht in die Richtung des Systems, aus der eine Nachricht empfangen wurde, ist gegeben.
Das Regelsystem (1), welches das industrielle Kommunikationssystem (2) optimiert, kann sowohl linkerhand als auch rechterhand des Koppelelements (26) platziert sein: In jedem Fall bewirkt ein an dem Koppelelement (26) einlaufender Befehl zum Einklinken des Koppelelements (26) sowohl am linken (48 und 50) als auch am rechten (49 und 51) Empfänger des Koppelelements die dort erforderliche Umschaltung aus.
Einen weiteren Optimierungseingriff stellt die folgende Netzsegmentierung in Abhängigkeit von Fehlerfällen des Kommunikationssystems dar, welche ermöglicht: Aus dem Kommunikationssystem, das in geeigneter Weise modular aufgebaut ist, werden im Fehlerfall einzelner Module diese Module herausgetrennt, indem:
entweder die verbleibenden Module ohne Störbeeinträchtigung der störenden Module in einem temporär ausreichenden Modus jeweils für sich weiter kommunikationsfähig bleiben
oder die störenden Module durch gleichwertige Module im "hotstandby" oder "coldstandby" in dem Netz ersetzt werden.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird mittels des industriellen Kommunikationssystems CAN (2) ausgeführt, welches eine Vielzahl von Parameteränderungen während des Betriebes bietet.
Das industrielle Kommunikationssystem (2) besteht in der getesteten Ausführungsform aus 8 Kommunikationsteilnehmern (19. . .24) und einem Regelsystem (1). Die Beeinflussung des industriellen Kommunikationssystems CAN (2) mit variablen, tatsächlichen Anforderungen (6) eines technologischen Prozesses (5) in realen Kommunikationsteilnehmern (19. . .24) wird durch eine veränderliche Last und verschiedene Betriebszustände eines modellhaften technologischen Prozesses (5) nachgebildet.
Als Kommunikationsteilnehmer (19. . .24) werden handelsübliche CAN-Controller verwendet, die an einen programmierbaren Mikro-Controller angeschlossen sind. Jeder einzelne Mikro-Controller enthält ein Teilprogramm, welches die dezentrale Stelleinrichtung (27) zur Änderung der kommunikationstechnischen Parameter beinhaltet. Vom Aufbau her entsprechen die im Ausführungsbeispiel eingesetzten Kommunikationsteilnehmer (19. . .24) den Teilnehmern im typischen industriellen Umfeld.
Das Regelsystem (1) befindet sich in einem PC, welcher eine CAN-PC-Einsteckkarte enthält. Das Regelsystem (1), welches den Busmonitor (10), den Selektivregler (12) und die zentrale Stelleinrichtung (13) sowie die in Fig. 2 dargestellten Verbindungen (14. . . 18) beinhaltet, ist in einem Programm zusammengefasst. Ebenfalls befindet sich die Datenbank (11) auf diesem PC. Der Betreiber (7) kann dann auf diesem PC über die Datenbank (11) die Betreiberforderungen eingeben (8) oder den Zustand des industriellen Kommunikationssystem (2) abfragen (Betreiberbeobachtung (9)).
Der Busmonitor (10) greift auf den von der CAN-PC-Einsteckkarte empfangenen Datenverkehr (3) zurück. Ebenfalls werden die von der zentralen Stelleinrichtung (13) zu sendenden Konfigurationsbefehle (4) über dieselbe CAN-PC-Einsteckkarte gesendet.
Beschreibung der umgesetzten Optimierungseingriffe Änderung der Bruttodatenrate
Die Bruttodatenrate wird nach dem Erkennen einer veränderten Last L oder nach dem Anfordern einer anderen Bruttodatenrate von einem Kommunikationsteilnehmer (19. . .24) verändert.
In der Ausführung der Erfindung sind Mechanismen und Verriegelungen vorgesehen, die einen Datenverlust bei der Änderung der Bruttodatenrate verhindern.
Änderung der Identifier
Bei CAN wird die Priorität einer Nachrichtenquelle i mittels des Identifiers bei dem Zugriff auf das Kommunikationsmedium vorgegeben. Dieser Identifier bestimmt, welche anderen Nachrichtenquellen vor der jeweiligen Nachrichtenquelle den Vorrang besitzen. Die Nachrichtenquelle mit der höchsten Priorität erhält immer den Zugriff, sobald das Kommunikationsmedium frei ist.
Durch den Identifier besitzen die Nachrichten automatisch eine Rangfolge. Die Vergabe der Rangfolge erfolgt nach verschiedenen Kriterien. Dazu zählen u. a. folgende Kriterien:
  • - die Art der enthaltenen Informationen (hochpriore Alarmmeldungen oder niederpriore Lebensmeldungen),
  • - die maximal erlaubte Wartezeit einer Nachricht,
  • - die Länge der Nachricht,
  • - die Sendehäufigkeit einer Nachricht und/oder
  • - die Bedeutung des Teilnehmers (z. B. Alarmsensor).
Die Wahl des Identifiers für eine Nachricht ist somit eine mehrkriterielle Entscheidung. I. d. R. wird diese Prioritätsvergabe nur während der Inbetriebnahme des CAN durchgeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Veränderung von Identifiern während des Betriebes.
Änderung des Buszugriffes
Bei den Buszugriffen kann man zwischen zwei Arten unterscheiden, zum einen dem deterministischen und zum anderen dem probabilistischen Buszugriff. Beide besitzen Vor- und Nachteile, die in der entsprechenden Fachliteratur zu finden sind.
In dem erfindungsgemäßen Aufbau wird zwischen diesen beiden Arten des Buszugriffs gleitend umgeschaltet. Dabei greift der Selektivregler (12) auf folgende Parameter zu:
  • - Art des Buszugriffs (Umschaltung zwischen Master-Slave und ereignisorientiert)
  • - enthaltene Nachrichtenquellen in einem Zyklus
  • - Identifier der Nachricht
  • - minimale Wartezeit einer Nachricht bei wiederholtem Senden
Durch eine abgestufte Variation dieser Parameter kann das CAN von einem streng deterministischen Buszugriff zu einem ereignisorientierten Zugriff allmählich überführt werden.
Änderung der Zykluszeit
Die Zykluszeit tZ gibt an, wie lange ein Datenaustauschzyklus dauert. Zur Veränderung der Zykluszeit werden verschiedene Eingriffsarten eingesetzt. Mit den zuvor beschriebenen Optimierungseingriffen kann neben dem Buszugriff auch die Zykluszeit tZ dynamisch angepasst werden.
Ausfalldiagnose
Zur Auswertung der Empfangs- und Sendefehlerregister der einzelnen Kommunikationsteilnehmer (19. . .24) in dem Regelsystem (1) ist nur die Übertragung dieser Registerwerte in einer speziellen Nachricht erforderlich. Das Regelsystem (1) erkennt diese Nachricht im Datenverkehr (3) und ist somit in der Lage schleichende Teilnehmerausfälle frühzeitig zu erkennen und entsprechende Parameteränderungen vorzunehmen.
Lastbeschränkung
Durch den Buszugriff des CAN kann ein Schwall von wenigen, hochprioren Nachrichten die Wartezeit der verbleibenden Nachrichten extrem ansteigen lassen.
Im erfindungsgemäßen Aufbau sind Vorkehrungen getroffen, den Schwall dieser Nachrichten zu erkennen und geeignete Maßnahmen zur Begrenzung einzuleiten. Zu diesen Maßnahmen zählen eine temporäre Erhöhung der Bruttodatenrate, der Pausenzeiten tPi und der Priorität der betroffenen Nachrichten.
Bezeichnungsliste
1
Regelsystem
2
industrielles Kommunikationssystem
3
Datenverkehr
4
Konfigurationsbefehl
5
technologischer Prozess
6
tatsächliche Anforderungen
7
Betreiber
8
Betreiberforderungen
9
Betreiberbeobachtung
10
Busmonitor mit Funktionseinheiten zur Datenstrom-Analyse
11
Datenbank
12
Selektivregler
13
zentrale Stelleinrichtung
14
Verbindung von Busmonitor zu Datenbank
15
Verbindung von Datenbank zu Busmonitor
16
Verbindung von Datenbank zu Selektivregler
17
Verbindung von Selektivregler zu zentrale Stelleinrichtung
18
Verbindung von Selektivregler zu Datenbank (FeedBack)
19
. . .
24
Kommunikationsteilnehmer
25
Kommunikationsstrang
26
Koppelelement
27
dezentrale Stelleinrichtung
28
Klassifizierungstabellen
29
Netzstrukturtabelle
30
Datenverkehrstabelle
31
Teilnehmertabelle
32
Nachrichtentabelle
33
statische Konfigurationstabelle
34
dynamische Anforderungstabelle
35
. . .
38
Verbindungen von Klassifizierungstabellen zu statischer Konfigurationstabelle
39
Verbindungen von statischer Konfigurationstabelle zu dynamischer Anforderungstabelle
40
Selektor
41
Umschaltung
42
. . .
47
Optimierungsstrategien
48
linker Empfänger
49
rechter Empfänger
50
Befehlsempfänger links
51
Befehlsempfänger rechts
52
Koppelelementaktivierung links
53
Koppelelementaktivierung rechts
54
oberes Empfangsregister
55
unteres Empfangsregister
56
oberes Filter-, Speicher-, Prioritäts- und Stelleinrichtungsmanagement
57
unteres Filter-, Speicher-, Prioritäts- und Stelleinrichtungsmanagement
58
obere Warteschlange
59
untere Warteschlange
60
rechter Sender
61
linker Sender
62
dezentrale Stelleinrichtung des Koppelelements

Claims (5)

1. System für die prozessadaptive Optimierung von industriellen Kommunikationssystemen, gekennzeichnet dadurch, dass zur Online-Regelung eines in seinen kommunikationstechnischen Charakteristika von den Anforderungen eines technologischen Prozesses bestimmten und über die Betreiberforderungen (8) und entsprechende Startparameter ausgewählten und in Betrieb genommenen industriellen Kommunikationssystems (2) und ständigen Anpassung desselben an die tatsächlichen, betriebsbedingt schwankenden Anforderungen (6) eines technologischen Prozesses (5) ein Regelsystem (1) eingesetzt wird zur Ermittlung der kommunikationstechnisch relevanten Charakteristika des industriellen Kommunikationssystems (2) anhand des Datenverkehrs (3) und Erteilung entsprechender Konfigurationsbefehle (4) zur Veränderung der Parameter und/oder der Struktur des industriellen Kommunikationssystems (2) während des Betriebes mittels im Regelsystem (1) enthaltener und von diesem ausgewählter Optimierungsstrategien (42. . .47).
2. System nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das Regelsystem (1) einen Busmonitor (10) zur Überwachung und Analyse des Datenverkehrs (3), ein Speichersystem z. B. in Form einer Datenbank (11) zur Speicherung kommunikationstechnisch relevanter Charakteristika, einen Selektivregler (12) zur Ermittlung der notwendigen Parameteränderungen im industriellen Kommunikationssystem (2) sowie eine zentrale Stelleinrichtung (13) zur Übertragung der Parameteränderungen an das industrielle Kommunikationssystem (2) enthält.
3. System nach Patentanspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass in dem Selektivregler (12) anhand eines vorgeschalteten Selektors (40) eine der integrierten Optimierungsstragien (42. . .47) ausgewählt und aktiviert wird, welche die notwendigen Parameteränderungen ermittelt und an die zentrale Stelleinrichtung (13) zur Übertragung mittels Konfigurationsbefehlen (4) an die in den Kommunikationsteilnehmern (19. . .24) des industriellen Kommunikationssystems (2) vorliegenden dezentralen Stelleinrichtungen (27), welche die geforderte Parameteränderung erkennen und den entsprechenden Stelleingriff vornehmen, übergibt.
4. System nach Patentanspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass in den Optimierungsstrategien (42. . .47) in Abhängigkeit vom technologischen Prozess (5) und dem eingesetzten industriellen Kommunikationssystem (2) Optimierungseingriffe, welche z. B. die Änderung der Bruttodatenrate, die Vergabe von Prioritäten, die Änderung des Buszugriffes, die Anpassung an diskontinuierliche Anforderungsänderungen, die adaptive Teilnehmerselektion, die Lastbeschränkung und die Überwachung der Kommunikationsteilnehmer (19. . .24) sein können, einzeln oder in einer geeigneten Kombination enthalten sind.
5. System nach Patentanspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass in dem industriellen Kommunikationssystem (2) neben den Kommunikationsteilnehmern (19. . .24), welche Rechner, Steuerungen, Sensoren und/oder Aktoren sein können und über Kommunikationsstränge (25) miteinander verbunden sind, strukturierende Elemente, sogenannte Koppelelemente (26), zur prozessabhängigen Strukturänderung des industriellen Kommunikationssystems (2) durch Netzsegmentierung, Netzaggregation, Netzkombination und/oder Netzumschaltung auf weitere Kommunikationsstränge (25) eingesetzt werden, wobei die Strukturänderungen, vom Regelsystem (1) veranlaßt, analog den Parameteränderungen erfolgen und die Koppelelemente (26) zur optimalen Einstellbarkeit zwei Funktionseinheiten, "Filter-, Speicher-, Prioritäts- und Stelleinrichtungsmanagement" (56 und 57), enthalten, welche auch dezentrale Stelleinrichtungen (62) umfassen, die wie die (27) der Kommunikationsteilnehmer (19. . .24) prozessadaptiv eingestellt werden können.
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10321652A1 (de) * 2003-05-13 2004-12-02 Tentaclion Gmbh Modulares Datenerfassungs-und Übertragungssystem sowie Übertragungseinrichtung dafür
AT509310A3 (de) * 2009-12-16 2015-07-15 Bachmann Gmbh Verfahren zum betrieb einer speicherprogrammierbaren steuerung (sps) mit dezentraler, autonomer ablaufsteuerung
EP2764455A4 (de) * 2011-10-05 2015-08-26 Opteon Corp Verfahren, vorrichtung, und systeme zur überwachung und/oder steuerung dynamischer umgebungen
CN112882387A (zh) * 2021-01-12 2021-06-01 河北工业大学 一种袋式除尘器的控制策略设计方法
CN113904762A (zh) * 2021-09-28 2022-01-07 中孚信息股份有限公司 一种带环形缓冲区的全双工485总线通信系统及方法
CN116341281A (zh) * 2023-05-12 2023-06-27 中国恩菲工程技术有限公司 作业率的确定方法及系统、存储介质、终端
CN117631538A (zh) * 2023-11-28 2024-03-01 钛玛科（北京）工业科技有限公司 一种用于多台驱动器系统的自动适应控制方法
CN118509821A (zh) * 2024-07-19 2024-08-16 济南北方交通工程咨询监理有限公司 一种高速公路桥梁施工管理系统及方法

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10321652A1 (de) * 2003-05-13 2004-12-02 Tentaclion Gmbh Modulares Datenerfassungs-und Übertragungssystem sowie Übertragungseinrichtung dafür
AT509310A3 (de) * 2009-12-16 2015-07-15 Bachmann Gmbh Verfahren zum betrieb einer speicherprogrammierbaren steuerung (sps) mit dezentraler, autonomer ablaufsteuerung
AT509310B1 (de) * 2009-12-16 2015-10-15 Bachmann Gmbh Verfahren zum betrieb einer speicherprogrammierbaren steuerung (sps) mit dezentraler, autonomer ablaufsteuerung
EP2764455A4 (de) * 2011-10-05 2015-08-26 Opteon Corp Verfahren, vorrichtung, und systeme zur überwachung und/oder steuerung dynamischer umgebungen
US9459607B2 (en) 2011-10-05 2016-10-04 Opteon Corporation Methods, apparatus, and systems for monitoring and/or controlling dynamic environments
US9494926B2 (en) 2011-10-05 2016-11-15 Opteon Corporation Methods and apparatus employing an action engine for monitoring and/or controlling dynamic environments
CN112882387A (zh) * 2021-01-12 2021-06-01 河北工业大学 一种袋式除尘器的控制策略设计方法
CN112882387B (zh) * 2021-01-12 2022-06-03 河北工业大学 一种袋式除尘器的控制策略设计方法
CN113904762A (zh) * 2021-09-28 2022-01-07 中孚信息股份有限公司 一种带环形缓冲区的全双工485总线通信系统及方法
CN113904762B (zh) * 2021-09-28 2023-09-26 中孚信息股份有限公司 一种带环形缓冲区的全双工485总线通信系统及方法
CN116341281A (zh) * 2023-05-12 2023-06-27 中国恩菲工程技术有限公司 作业率的确定方法及系统、存储介质、终端
CN116341281B (zh) * 2023-05-12 2023-08-15 中国恩菲工程技术有限公司 作业率的确定方法及系统、存储介质、终端
CN117631538A (zh) * 2023-11-28 2024-03-01 钛玛科（北京）工业科技有限公司 一种用于多台驱动器系统的自动适应控制方法
CN117631538B (zh) * 2023-11-28 2024-06-04 钛玛科（北京）工业科技有限公司 一种用于多台驱动器系统的自动适应控制方法
CN118509821A (zh) * 2024-07-19 2024-08-16 济南北方交通工程咨询监理有限公司 一种高速公路桥梁施工管理系统及方法

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