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Vorteil der Ring-Topologie DLR für redundante Kommunikation im Ring mit Ethernet/IP

| Autor / Redakteur: Volker Goller * / Gerd Kucera

Der Ring ermöglicht eine einfache Redundanzlösung, weil jedes Feldgerät über zwei Wege erreichbar ist. Das scheint einfach zu sein, ist es aber nicht. Was Sie zum DLR-Protokoll wissen müssen.

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Mit DLR lassen sich Ring-Topologien auch mit EtherNet/IP realisieren; dabei werden Fehler schnell erkannt und die Topologie des Netzes im Fehlerfall angepasst. DLR funktioniert im Alltag schnell.
Mit DLR lassen sich Ring-Topologien auch mit EtherNet/IP realisieren; dabei werden Fehler schnell erkannt und die Topologie des Netzes im Fehlerfall angepasst. DLR funktioniert im Alltag schnell.
(Bild: Innovasic)

Industrial Ethernet Lösungen werden heute praktisch nur noch mit zwei Ethernet Ports angeboten. Dabei sorgt ein eingebauter 3-Port Switch im Feldgerät für die reibungslose Kommunikation. Mit einer solchen Lösung lässt sich die in der Industrie beliebte Linien-Topologie (Bild 1 in der Bildergalerie) leicht umsetzen. Ein Nachteil der Linien-Topologie ist, dass bereits eine Unterbrechung durch lokalen Stromausfall oder durch ein fehlerhaftes Kabel die ganze Installation Außerbetrieb gehen kann.

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Als Ausweg wird die Ring-Topologie propagiert. Beim Ring wird das letzte Device einer Line mit den zweiten Port des Controllers, üblicherweise die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) verbunden und so der Ring geschlossen (Bild 2). Der Ring ermöglicht eine einfache Redundanzlösung, da jedes Device (Feldgerät) über zwei Wege erreichbar ist.

Das sieht einfach aus, ist es aber nicht. Denn der Ring stellt eigene Anforderungen die von denen der Line abweichen. Was ist das Besondere an der Ring-Topologie? Wenn man einen Ring mit billigen Switches aus dem nächst besten Computerladen aufbaut, erlebt man die besonderen Anforderungen von Ringen sehr schnell. Denn fast gleichzeitig mit dem Schließen des Ringes funktioniert nichts mehr! Einfache Switches haben keine Information über die Topologie und folglich senden Sie ein Broadcast-Paket, das auf einem Port empfangen wird, brav zum anderen wieder heraus. Ist der Ring geschlossen, empfängt der Switch sein eben gesendete Paket wieder und sendet es erneut. Innerhalb kürzester Zeit ist der Ring mit Datenpaketen überflutet, die für immer, zumindest aber bis zur Unterbrechung des Rings, im Ring kreisen.

Es gilt dieses zu verhindern. Außerdem sollte in einer industriellen Anwendung natürlich der Controller sofort merken, wenn der Ring nicht mehr geschlossen ist, um darauf reagieren zu können. Denn letztlich ist es die Redundanz, die der Ring bietet, die hier gefordert ist. Wird der Ring an einer Stelle unterbrochen, sollte dennoch der Betrieb möglichst ungestört weiter gehen.

So funktioniert der Device Level Ring

Das „Device-Level-Ring“-Protokoll löst die Probleme indem es den Ring nicht völlig geschlossen lässt. Dazu wird der Ring durch einen Ring Supervisor verwaltet. Üblicherweise, aber nicht zwingend, ist diese Funktion im Controller (also der Steuerung/SPS) integriert. Der Supervisor blockiert einen seiner beiden Ports für gewöhnlichen Ethernet-Verkehr. Für den normalen Ethernet-Verkehr ist der Ring nun eigentlich nur noch eine Linie (Bild 3). Nicht so aber für die DLR-Nachrichten. Diese können den Ring in beide Richtungen benutzen und tun genau das um die Funktion des Ringes fortlaufend zu überprüfen.

Auch im gebrochenen Ring werden Beacons verschickt

Der Supervisor sendet eine spezielle Ethernet-Nachricht, genannt Beacon (engl. für Bake, Leuchtfeuer), in beide Richtungen durch den Ring. Gleichzeitig wird ein Timer gestartet. Kommt der Beacon nicht innerhalb eines vorgegeben Timeouts wieder beim Supervisor an, wird ein Fehler angenommen und in Folge der zweite Port des Supervisors für alle Nachrichtentypen wieder geöffnet. Faktisch wird hiermit der gebrochene Ring in zwei Linien verwandelt (Bild 4). Soweit kein Knoten ausgefallen ist und nur eine Unterbrechung vorhanden ist, läuft das System ungestört weiter. Auch in dem gebrochen Ring werden weiter Beacons vom Supervisor in beide Teil-Linien verschickt. Die Beacons enthalten auch eine Information darüber, ob der Ring wie gewohnt funktioniert (NORMAL) oder ob er gebrochen ist (FAULTED). Somit können auch die Devices unmittelbar erkennen, dass die Topologie geändert wurde. Sie reagieren indem sie ihre erlernten MAC-Tabellen löschen. In Folge werden alle ausgehenden Nachrichten in beide Richtungen in das Netz eingespeist, bis feststeht, aus welcher Richtung der Controller wieder erreichbar ist.

Gleichzeitig prüfen die Devices, ob sie noch einen physikalischen Link zu ihren Nachbarn haben. Wird ein Verlust einer Verbindung beobachtet, erfolgt darüber eine Meldung mittels eines „link status frames“ an den Controller/Supervisor. Dieses Vorgehen wird als Nachbarschaftsüberwachung (neighbor check process) bezeichnet und läuft unabhängig von der Überwachung durch die Beacons.

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