Device-Level-Ring-Technologie zur gesicherten Kommunikation

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Nachteil dieser linearen Topologie ist jedoch, dass der Ausfall eines integrierten Kommunikationsmoduls oder die Unterbrechung des Kabelweges für alle nachfolgenden Geräte die Kommunikation mit dem Steuerungssystem unterbricht.

Dieses Problem lässt sich lösen, indem man die Teilnehmer in einen Kommunikationsring zusammenschaltet. Ein Verfahren, das schon seit längerem eingesetzt wird, wenn man Switches zu einem Ring zusammenschließt.

Ringtopologie mit Redundanz

In einer Ringtopologie sind die Teilnehmer untereinander verbunden, ein einzelner Fehler im Netzwerk, wie z.B. durch Kabelbruch, führt jedoch nicht zu einem Ausfall weiterer Teilnehmer. Die Vorteile des einfachen Aufbaus durch das Verlegen von Kabeln von einem Teilnehmer zum anderen und des unkomplizierten Kabeltauschs im Fehlerfall bleiben erhalten. Die Ringschaltung bringt eine Redundanz ins Spiel, die zum Tragen kommt, wenn eine Verbindung ausfällt. Eingesetzte Protokolle sind hier Spanning-Tree (ST) bzw. Rapid-Spanning-Tree (RST).

In der direkten Kommunikation mit Endgeräten an Maschinen reicht die Geschwindigkeit dieser Protokolle jedoch nicht aus, um den Kommunikationspfad im Fehlerfall umzulenken. Die Wiederaufnahmezeit einer unterbrochenen Kommunikation ist auf Geräteebene von großer Bedeutung: Die Verbindung der Steuerung zum Endgerät darf nicht unterbrochen werden, um Verzögerungen im Prozess und Schäden an Produkt und/oder Maschine zu vermeiden. Zwar drückt das RST-Protokoll die Ausfallzeit von ca. 30 Sekunden auf unter eine Sekunde, im E/A-Verkehr ist dies aber immer noch inakzeptabel und kostet letztendlich die Verbindung zum Endgerät.

Eine bessere Lösung ist die Device-Level-Ring-(DLR)-Technologie, die Rockwell Automation in seine dezentralisierten Kommunikations- und E/A-Module integriert hat. Mit der Embedded-Switch-Technologie überträgt DLR die bereits auf der Switch-Ebene bekannte Struktur auf die Geräteebene. In einem Device-Level-Ring mit bis zu 50 Teilnehmern liegt die Zeit zum Wiederaufbau einer Kommunikation unter 3 ms. Während dieses Zeitintervalls wird die Verbindung vom steuernden PAC (Programmable Automation Controller) zum E/A-Gerät nicht unterbrochen.

Elemente eines Device-Level-Ring

Innerhalb eines Device-Level-Ring existieren Teilnehmer mit unterschiedlichen Eigenschaften und Aufgaben. So genannte Ring-Supervisor-Knoten steuern das DLR-Netzwerk. Innerhalb eines Rings muss immer ein Supervisor-Knoten neben den Standardknoten vorhanden sein. Der DLR-Supervisor überprüft die Integrität des Netzwerks, konfiguriert den Ring nach einem Fehler um und sammelt Diagnosedaten aus dem Ring.

Optional kann man Back-up-Supervisor-Knoten definieren. Ein Back-up-Supervisor verhält sich im Normalfall wie jeder andere DLR-Knoten. Fällt ein aktiver DLR-Supervisor aus, zum Beispiel durch eine vorübergehende Unterbrechung seiner Versorgungsspannung oder einen Defekt im Kommunikationskanal, wird der Back-up-Supervisor aktiv. Mit Hinblick auf diesen Umstand ist es also ratsam immer mindestens einen Back-up-Supervisor festzulegen. Sind mehrere Back-up-Supervisor vorhanden, wird derjenige zum aktiven Supervisor, der den höchsten Prioritätswert hat. Dieser Prioritätswert wird bei der Konfiguration in RSLogix 5000, der Entwicklungsumgebung einer Logix-Steuerung, vergeben. Existieren mehrere Back-up-Supervisor mit dem gleichen Prioritätswert im Ring, wird der Back-up-Teilnehmer mit dem höchsten MAC-Adresswert als neuer aktiver Supervisor bestimmt.

Teilnehmer am DLR-Netzwerk ohne Supervisor-Aufgaben sind einfache Ringknoten. Diese konsumieren lediglich die für sie bestimmten Daten oder leiten nicht für sie bestimmte Daten an den nächsten Teilnehmer weiter. Bei einem Fehler im Ring konfigurieren sich diese Teilnehmer für die neue logische Topologie selbst um. Zusätzlich können diese Geräte den Ort eines Fehlers an den aktiven Supervisor übermitteln.

Verhalten in einem DLR-Netzwerk

Im normalen Betriebsfall sendet der aktive Ring-Supervisor ein „Aktivsignal“, um die korrekte Funktionalität des Rings zu bestimmen. Alle Teilnehmer, ob Back-up-Supervisor oder einfacher Ringteilnehmer, beobachten dieses Signalpaket und registrieren den Übergang von normaler Betriebsart in den fehlerhaften Zustand.

Bei normaler Betriebsart des Rings ist einer der Netzwerkabgänge des Supervisors blockiert, wobei das Aktivsignal jedoch von der Blockierung ausgenommen ist.

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