Praktische Überlegungen – Digitale Kommunikation

Ein Hauptkriterium für industrielle Steuerungsnetzwerke, in denen die Überwachung und Steuerung von realen Prozessen oft schnell und zu festgelegten Zeiten erfolgen muss, ist die garantierte maximale Kommunikationszeit von einem Knoten zum anderen.

Wenn Sie die Position eines Kühlventils für Kernreaktoren mit einem digitalen Netzwerk steuern, müssen Sie sicherstellen können, dass der Netzwerkknoten des Ventils die richtigen Positionssignale vom Steuercomputer zum richtigen Zeitpunkt erhält. Wenn nicht, könnten sehr schlimme Dinge passieren!

Die Fähigkeit eines Netzwerks, den „Datendurchsatz“ zu garantieren, wird als Determinismus bezeichnet. Ein deterministisches Netzwerk hat eine garantierte maximale Zeitverzögerung für die Datenübertragung von Knoten zu Knoten, während dies bei einem nicht deterministischen Netzwerk nicht der Fall ist. Das herausragende Beispiel für ein nicht-deterministisches Netzwerk ist Ethernet, bei dem die Knoten auf zufällige Zeitverzögerungsschaltungen angewiesen sind, um nach einer Kollision zurückzusetzen und die Übertragung erneut zu versuchen.

Da die Datenübertragung eines Knotens durch eine lange Reihe von Resets und Wiederholungen nach wiederholten Kollisionen auf unbestimmte Zeit verzögert werden kann, gibt es keine Garantie dafür, dass seine Daten jemals an das Netzwerk gesendet werden. Realistisch gesehen sind die Chancen jedoch so astronomisch groß, dass so etwas passiert, dass es in einem schwach ausgelasteten Netzwerk praktisch nicht von Bedeutung ist.

Ein weiterer wichtiger Aspekt, insbesondere für industrielle Steuerungsnetzwerke, ist die Netzwerkfehlertoleranz:Das heißt, wie anfällig ist die Signalisierung, Topologie und/oder das Protokoll eines bestimmten Netzwerks für Ausfälle? Wir haben bereits einige der Probleme im Zusammenhang mit der Topologie kurz besprochen, aber das Protokoll beeinflusst die Zuverlässigkeit genauso stark. Zum Beispiel ist ein Master/Slave-Netzwerk, obwohl es extrem deterministisch ist (eine gute Sache für kritische Kontrollen), vollständig vom Master-Knoten abhängig, um alles am Laufen zu halten (im Allgemeinen eine schlechte Sache für kritische Kontrollen). Wenn der Master-Knoten aus irgendeinem Grund ausfällt, kann keiner der anderen Knoten überhaupt Daten übertragen, da sie nie ihre zugewiesenen Zeitschlitzberechtigungen dafür erhalten, und das gesamte System wird ausfallen.

Ein ähnliches Problem betrifft Token-Passing-Systeme:Was passiert, wenn der Knoten, der den Token hält, ausfällt, bevor er den Token an den nächsten Knoten weitergibt? Einige Token-Passing-Systeme gehen diese Möglichkeit an, indem sie einige designierte Knoten ein neues Token generieren lassen, wenn das Netzwerk zu lange still ist.

Dies funktioniert gut, wenn ein Knoten, der das Token hält, stirbt, aber es verursacht Probleme, wenn ein Teil eines Netzwerks verstummt, weil eine Kabelverbindung unterbrochen wird:Der Teil des Netzwerks, der verstummt, generiert nach einer Weile seinen eigenen Token, und Sie bleiben im Wesentlichen übrig zwei kleinere Netzwerke mit einem Token, das um jedes von ihnen herumgereicht wird, um die Kommunikation aufrechtzuerhalten.

Probleme treten jedoch auf, wenn diese Kabelverbindung wieder eingesteckt wird:Diese beiden segmentierten Netzwerke werden wieder zu einem verbunden, und jetzt werden zwei Token durch ein Netzwerk geleitet, was dazu führt, dass die Übertragungen der Knoten kollidieren!

Es gibt kein „perfektes Netzwerk“ für alle Anwendungen. Die Aufgabe des Ingenieurs und Technikers besteht darin, die Anwendung zu kennen und den Betrieb des/der verfügbaren Netzwerke(s) zu kennen. Nur so kann eine effiziente Systemauslegung und -wartung Realität werden.