VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR FILTERUNG VON DATENPAKETEN IN EINEM KOMMUNIKATIONSNETZ NACH PROFINET STANDARD

PROFINET (Process Fiele Network) ist der offene Industrial

Ethernet-Standard von Profibus & Profinet International (PI) für die Automatisierung. Profinet nutzt TCP/IP und IT-Standards, ist Echtzeit-Ethernet-fähig und ermöglicht die Integration von

Feldbus-Systemen .

Das Konzept von PROFINET ist modular aufgebaut, so dass der Anwender die Funktionalität selbst wählen kann. Man unterscheidet weiter zwischen PROFINET IRT (Isochronous-

Real-Time) und RT (Real-Time) . PROFINET IRT bietet im Gegensatz zu RT harte Echtzeitfähigkeit.

PROFINET IRT besteht aus einem isochronen Real-Time Kommunikationsanteil (IRT) und einem Non-Real-Time Kommunikationsanteil (NRT) .

Die IRT-Kommunikation zeichnet sich unter anderem durch folgende Merkmale aus:

Die Übertragung der Daten erfolgt in äquidistanten Zeitintervallen .

Jedes Zeitintervall wird in ein IRT-Intervall (IRT-Kanal) und in ein offenes Intervall (offener Kanal) unterteilt. Am Anfang eines jeden Zeitintervalls erfolgt eine Zeitsynchronisation.

Ein IRT-Frame ist durch seine zeitliche Lage innerhalb des IRT- Kanals gekennzeichnet. Die Zeitsynchronisation erfolgt bei IRT mit Hilfe des Precision Transparent Clock Protocol (PTCP) bzw. PTP (nach IEEE 1588) .

Für die Gewährleistung der zeitlichen Anforderungen sind spezielle IRT-Switches erforderlich. Durch die Zeitsynchronisation bekommen alle Switches den Zeitpunkt für den Start mitgeteilt, IRT-Telegramme durchzuschleusen.

Bei der Verwendung von PROFINET IRT wird für das gesamte Netzwerk (alle IRT-Teilnehmer) offline vorab durch das verwendete Engineering-Werkzeug (z. B. das von der Firma Siemens angebotene sogenannte TIA Portal) das Senden der Prozessdaten nach einer genauen festgelegten, Reihenfolge mit höchster Präzision festgelegt. Die maximal erlaubte Abweichung vom Beginn eines Buszyklus beträgt 1 ]is . Bei der Kommunikation kommt es so zu keinen Warte ^¬ zeiten. Für diese auf höchste Performance getrimmte Datenüber- tragung sind spezielle PROFINET IRT-Hardware- orkehrungen zu treffen, insbesondere Ethernet-Controller geeignet zur Unterstützung der Taktsynchronisation.

Der IRT-Anteil ist also vorgeplant, indem Zeitschlitze verschie- denen Sendern zugeteilt werden. Dieser Zeitbereich füllt aber nicht den ganzen verfügbaren Zeitbereich pro Zeitintervall aus. Ein vorbestimmter Rest der Bandbreite kann für NRT-Verkehr verwendet werden.

Die IRT-Hardware ist auf allen Kommunikationsstrecken, die über IRT kommunizieren, erforderlich. Dieses Netzwerk kann aber auf Kommunikationsstrecken, die keine IRT-Kommunikation erfordern, mit Standard-Netzkomponenten kombiniert werden. Auf diesen Kommunikationsstrecken kann PROFINET RT-Kommunikation eingesetzt werden .

Durch die Vorplanung im IRT-Anteil und die Überwachung durch die IRT-Hardware ist ausgeschlossen, dass der IRT-

Kommunikationsanteil durch Nicht-RT Kommunikation gestört wird.

PROFINET RT setzt dagegen keine spezielle Hardware voraus. Da- durch kann keine Vorplanung (Zeitschlitze) durchgeführt werden, da dies eine Überwachung der Zeitscheiben durch die Hardware voraussetzen würde. PROFINET RT nutzt vielmehr die Standard- Mechanismen, die durch Ethernet IEEE 802.3 definiert sind. Da ^¬ durch wird erreicht, dass PROFINET RT mit Standard-Ethernet Kom- munikation (NRT) und Hardware koexistieren kann. Die RT- Kommunikation muss gegenüber der Standard-Kommunikation vorrangig übertragen werden, damit die RT-Kommunikation Echtzeitanforderungen erfüllen kann - selbstverständlich gehen diese Anforderungen nicht soweit wie bei IRT. Diese Bevorzugung wird durch die Benutzung der bereits bekannten Prioriätsebenen des Ethernet Protokolls erreicht.

Da die Trennung zwischen RT und NRT-Kommunikation bei PROFINET RT nicht so effektiv ist wie bei PROFINET IRT, müssen Anforde- rungen an die NRT-Kommunikation gestellt werden, welche strenger sind als die Anforderungen durch klassisches Ethernet IEEE 802.3.

Obwohl PROFINET RT keine Vorplanung wie oben beschrieben,

PROFINET IRT voraussetzt, findet beim Anlagenbetreiber natürlich eine Anlagenplanung gefolgt von einer Inbetriebsetzungs- und folgender Produktionsphase statt. Nach der Inbetriebsetzungsphase ist die Infrastruktur grundsätzlich stabil, ausgenommen sind Wartungsfälle und Anlagenerweiterungen.

Der PROFINET Standard fordert von allen Teilnehmern, dass diese nicht mehr als 3 KByte/ms senden. Eine solche Forderung existiert bei Ethernet IEEE 802.3 nicht, vielmehr gibt es mehrere Erweiterungen, die dieser Anforderung entgegenstehen, z. B. die sogenannte Burst-Mode Übertragung oder die nicht standardisierten, übergroßen Jumbo-Frames.

Das kann nun dazu führen, dass RT-Frames auf Grund überlaufender Warteschlangen verworfen werden, da die Netzkomponente z. B. durch gerade übertragene Jumbo-Frames der NRT-Kommunikation blo- ckiert ist. Die RT-Kommunikation kann somit nicht mehr anforderungsgemäß aufrechterhalten werden, so dass die unterlagerte automatisierungstechnische Aufgabe nicht mehr fehlerfrei ausgeführt wird. Beispielsweise kann ein PROFINET RT-Netzwerk zur Übertragung der Echtzeitdaten aufgebaut und später um Komponenten beispielsweise zur Übertragung von Bildschirminhalte über VNC (Virtual Network Computing) erweitert werden. Dies führt gegebenenfalls dazu, dass die Anlage (sporadisch) stehen bleibt weil eine burstartige Übertragung der Bildschirminhalte zum Verlust von RT-Frames an einer Netzwerkkomponente führen.

Dadurch können für den Anlagenbetreiber hohe Kosten entstehen, insbesondere dadurch dass die Diagnose bzw. das Auffinden des Verursachers der Störung, welche sich in der Regel als schwierig und langwierig erweist. Stand der Technik

Derzeit ist keine automatisierte Lösung des Problems bekannt. Mit Hilfe von Netzwerkaufzeichnungstools, wie z. B. Wireshark und SNMP-Clients , wird „manuell" versucht, das Verhalten auf dem Netzwerk zu interpretieren und zu verstehen.

Die erweiterten Anforderungen von PROFINET RT können nicht durch das System (Netzwerk) erkannt werden. Des Weiteren achtet die Standard-Software und Hardware, wie z. B. VNC oder eingesetzte Videokameras, nicht auf die Einhaltung dieser Anforderung, sondern vielmehr ausschließlich auf die Einhaltung der Standard- Ethernet (IEEE802.3) Anforderung.

Ein vollständiger präventiver Schutz vor oben genanntem Problem ist nur schwer möglich. Bisher wurde das Problem erst bei Wahrnehmung durch den Betreiber der Anlage (Anlagenstillstand) bemerkt und analysiert, um den Fehler bzw. die Störquelle zu eliminieren. Befindet sich die Anlage in der Produktionsphase sind Änderungen am Netzwerk nicht zu erwarten, mit Ausnahme des Einbringens von Zusatzgeräten für Wartung und Diagnose. Die höchsten Kosten nicht durch das erste einmalige Auftreten des Problems verursacht, sondern vielmehr durch die langwierige Diagnose zum Auffinden der Störquelle.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, zur Einbringung in ein Datennetzwerk, welches zumindest eine erste Klasse von Netzelementen beinhaltet, welche die Datenpakete gemäß einem Datenübertragungsstandard für die Realisierung von Echtzeit-Kommunikation, insbesondere dem PROFINET RT Standard, versenden und/oder empfangen, und eine zweite Klasse von Netzelementen beinhaltet, die Datenpakete nicht gemäß einem Datenübertragungsstandard für die Realisierung von Echtzeit- Kommunikation versenden und/oder empfangen. Die Vorrichtung ist über eine erste Schnittstelle mit einem ersten Netzelement und über eine zweite Schnittstelle mit einem zweiten Netzelement verbunden, wobei die Vorrichtung derart eingerichtet ist, dass sie mittels eines über Filterkriterien konfigurierbaren Datenfilters eines vom erste Netzelement ausgesendeten oder an das erste Netzelement adressierten Datenpaketes überprüft, und eine Weiterleitung des Datenpaketes an das bzw. von dem Netzelement zunächst verhindert, sofern ein Filterkriterium des Datenfilters erfüllt ist.

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Filterung von Datenpaketen in einem Datennetzwerk, welches zumindest eine erste Klasse von Netzelementen beinhaltet, die die Datenpakete gemäß einem Datenübertragungsstandard für die Realisierung von Echtzeit-Kommunikation, insbesondere dem PROFINET RT Standard, versenden und/oder empfangen, und eine zweite Klasse von Netzelementen beinhaltet, die Datenpakete nicht gemäß einem Datenübertragungsstandard für die Realisierung von Echtzeit- Kommunikation versenden und/oder empfangen wobei die Datenpakete von einem ersten Netzelement zu einem zweiten Netzelement adressiert und weiter gesendet werden, wobei das Datenpaket mittels eines über Filterkriterien konfigurierbaren Datenfilters überprüft wird, und eine Weiterleitung des Datenpaketes an das bzw. von dem Netzelement zunächst verhindert wird, sofern ein Filterkriterium des Datenfilters erfüllt ist.

Die in der Anmeldung beanspruchte Lösung setzt daher nicht bei der Vermeidung des Problems an, sondern beim schnellen und effizienten Auffinden der Störquelle.

Es stellt für die Anlage bereits eine fundamentale Verbesserung dar, wenn durch die Zugangssicherung insbesondere von neu eingebrachten Geräten zum Anlagennetz hin kontrolliert werden. So können die während der Produktionsphase eingebrachte Wartungsund Diagnosegeräte derart abgeschirmt werden, dass diese selbst bei Missachtung der PROFINET-Richtlinien (z. B. 3 KByte/ms) das Anlagennetzwerk nicht stören, so dass der Betrieb der Anlage weiterhin sichergestellt ist.

In den Unteransprüchen sind weitere Ausführungsformen der Erfindung beansprucht.

Ein in die Anlage einzubringendes Diagnose-/Wartungsgerät wird über eine zusätzliche Netzwerkschnittstelle (z. B. mittels USB- Netzwerkstick) an das Anlagennetzwerk angeschlossen. Diese Netzwerkschnittstelle enthält neben der normalen Ethernet-Hardware eine Kontroll-Hardware, die fehlerhaftes (im Sinne von nicht PROFINET-Standard konformes) Sendeverhalten herausfiltert. Dies würde beispielsweise passieren, wenn aus dem Stand der Technik bekannte Traffic Shaper eingesetzt werden würde. Dieser Filter darf natürlich nicht flächendeckend jeglichen so eingestuften Verkehr unterbinden, da das Diagnosegerät dann in der Regel seine Aufgabe nicht mehr wahrnehmen kann.

Der konfigurierbare Datenfilter kann vorteilhafterweise mit Hil- fe von, mittels eines Netzmanagementtools generierten, Filterkriterien automatisiert konfiguriert werden. Die für den HW- PROFINET-Access Plug benötigte (anlagenspezifische) Konfiguration kann mit Hilfe eines Zusatztools zu Netzwerkmanagementtools, beispielsweise TIA Portal oder SINEMA Server, generiert werden. Existierende Tools sind leicht um die oben genannte Funktionalität erweiterbar, da die notwendigen Informationen in diesen Tools bereits vorhanden sind.

Ein mittels des konfigurierbaren Datenfilters gefiltertes Daten- paket in einem Speicherbereich wird vorteilhafterweise der Vorrichtung zwischengespeichert. Alternativ kann das mittels des konfigurierbaren Datenfilters gefilterte und im Speicherbereich zwischengespeichertes Datenpaket zeitverzögert weiter gesendet werden .

Weiter könnte ein mittels des konfigurierbaren Datenfilters gefiltertes und im Speicherbereich zwischengespeichertes Datenpaket verworfen werden.

Würde die Kontroll-HW einen störenden Traffic verwerfen (also das Datenpaket löschen) , so wäre die diesen Paketen zugrundelie- gende Kommunikation zerstört. In einer ersten Stufe kann daher die Kontroll-HW an Stelle solche Pakete zu filtern, diese auch Zwischenspeichern und zeitlich gestreckt/verzögert übertragen, so dass die PROFINET-Richtlinien eingehalten werden, aber die Standard-Kommunikation nur verlangsamt wird.

Dies geht natürlich nur in einem begrenzten Rahmen. Ist dieser Rahmen ausgeschöpft, können die Pakete nur noch verworfen werden .

Die Kontroll-Hardware bekommt erfindungsgemäß (vom Anlagenbe- treiber, bei der Übergabe an den Wartungstechniker) eine Konfi- guration, welche Kommunikationsteilnehmer bzw. über welche Kommunikationsteilnehmer kritisch im Sinne der PROFINET Kommunikation sind. In einer weiteren Ausführungsform gibt es eine Anzeigevorrichtung, welche durch eine geeignete Signalisierung anzeigt, wenn bei einem Filtervorgang die Weiterleitung eines Datenpakets verhindert wird. Ausgangsverkehr der an einem bzw. über so einem Kommunikationsteilnehmer gerichtet ist, wird von der Kontroll-HW im Sinne der Erfindung überprüft und gegebenenfalls gefiltert, da dies beim standardgemäßen Wartungseinsatz nicht passieren sollte - also auf eine unerwartete Software auf dem Wartungsgeräte hindeutet, kann die Kontroll-Hardware diesen Eingriff auf geeignete Art und Weise anzeigen (z. B. durch eine gesonderte LED) .

Im Folgenden wird die Erfindung noch durch Figuren verdeutlicht: Figur 1 zeigt das Anlagennetz, so wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist.

Figur 2 zeigt das Anlagennetz mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung

In der Figur 1 ist ein Netzwerk NET nach dem Stand der Technik dargestellt, es besteht aus verschiedenen Netzelementen, Swit- ches (SW) zur Verknüpfung sowie Daten-Sender und Empfänger, welche hier typisch für eine Automatisierungsanlage sind.

Es befinden sich mehrere Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) im Netz, welche auch Daten DATA_RT versenden und empfangen, sowie Bediengeräte mit Display HMI, PC und ein Fertigungs- managementsystem MES . Es wird nun ein neues Gerät PG in das

Netzwerk eingebracht, welches weiteren Datenverkehr DATA_NRT erzeugt. Wie bereits in der Einleitung ausführlich beschrieben, führt der zusätzliche Datenverkehr nun zu Problemen im Netzwerk SW2, SW4, (dargestellt durch das Achtung-Symbol), welches dazu führt, dass der gewünschte Realtime / Echtzeit-Datentransfer

DATA_RT nicht mehr in der vom PROFINET Standard geforderten Qualität erfolgen kann und in diesem Fall der Betrieb der Anlage massiv gestört ist. Figur 2 zeigt nun ein Netzwerk NET mit einem Netzelement HW AP, gemäß der Erfindung. Dieses Netzelement ist ausgestattet mit geeigneten Schnittstellen SSI, SS2, einem Zwischenspeicher für empfangene Datenpakete S, und dem verwendeten Filter F.

Das PROFINET Anlagennetzwerk (NET) kann bei punktuellem Einbringen von Diagnose-/Wartungsgeräten unter Einsatz des HW-PROFINET- Access Plug vor Ausfällen der Anlage geschützt werden. Da es sich 90% um Standard-Hardware (USB-Netzwerkadapter, LAN-LAN- Adapter) handelt, kann dieser HW-PROFINET-Access Plug kostengünstig hergestellt werden.

Ein Kriterium des Filters F ist, welcher Klasse von Netzelementen der Sender und/oder Empfänger des Datenpakets angehört.

Eine beispielhafte Filtertabelle sieht wie folgt aus:

- kritische Kommunikation

Netzelemente SPS3, SPS1, SPS2, HMI1

Filterkriterien: Beschränkung des Sendeverhaltens auf max . 3 KByte/ms, kein Burst, keine Jumbo Pakete

- unkritische Kommunikation

Netzelemente PC, MES

Filterkriterien; keine Beschränkung des Sendeverhaltens

Bezugszeichenliste

DATA_NRT Data Non-Realtime

DATA_RT Data Realtime

F Filter

HMI1 Human Machine Interface

HW AP Hardware PROFINET Access Plug

MES Manufacturing Execution System

NET Netzwerk, Anlage

PC Personal Computer

PG Produktions-Gerät

SW2, 3, 4 Switch

SPS1, 2, 3 Speicherprogrammierbare Steuerung S Speicher