CN101989943A - 在环形通信网络中的数据传输 - Google Patents

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Abstract

本发明与实时操作数据在至少具有主节点、源节点和目的节点的高度可用的、无缝冗余(HSR)的环形通信网络中的确定性数据传输有关。节点中的每一个包括连接到该通信网络的各自的第一和第二相邻节点的第一和第二通信端口，并且适应于通过该第一通信端口接收帧并且通过该第二通信接口无附加延迟地转发该接收的帧(修改或未修改)。主节点分别发送第一和第二冗余帧或空数据包到它的第一和第二相邻节点。当接收该两个冗余帧时，源节点将过程数据插入每个帧的预定和专用字段。两个加载的冗余帧中的每一个瞬时并且单独地分别转发到源节点的第一和第二相邻节点。目的节点最后从该对中首先到达的加载冗余帧提取过程数据。

Description

在环形通信网络中的数据传输
技术领域
本发明涉及使用冗余通信网络用于控制关键任务过程的确定性工业通信系统的领域，特别地涉及车辆控制、驱动控制或变电站自动化。
背景技术
在用于致命的或另外关键任务应用(例如车辆控制、驱动控制或变电站自动化等)的工业通信系统中，可用性和可靠性是关键问题，因为失败的通信系统可导致应用中断和由后者控制的过程关闭。因此，通信网络冗余是要求高可用性的工业通信系统(特别是那些使用具有商业交换机的基于以太网的通信)的重要特征。
万一故障，具有无缝操作的高冗余度可通过复制通信线路(例如电或光学传输电缆)以及通过两个独立的收发器和总线控制器附连到两个局域网中的每个的装置的对应协议栈的至少物理层来提供。对于将传送的每个帧，发送器同时发送两个帧，每个线路上一个，并且接收器接受这样的一对冗余帧中首先来到的无论哪个帧并且丢弃后来的帧。交换是无缝的，因为万一一个路径中断则不需要重复帧。冗余帧的加标签提供具有正常业务流的两个冗余线路的完全监督，确保高覆盖范围。该方法已经在专利申请WO2006/053459中描述并且在IEC标准62439中标准化为并行冗余协议(PRP)。然而，该PRP要求物理网络的完全和因此相当不经济的复制。
环形拓扑提供更加成本有效的技术方案(特别当交换元件集成在节点内(形成交换端节点)时)，从而提供与PRP相似的可用性但常常苦于高达几个ms的长恢复延迟。在环形网络中，每个节点具有连接到两个相邻节点的两个通信端口因此该环形网络可以在任一或两个方向上操作从而提供抵御链路故障的弹性。例如FDDI或令牌环等环形网络是技术现状并且可以是以太网类型的，在该情况下例如RSTP(IEEE802.1D)等协议确保帧不能在环上无限地循环。
未发布的专利申请EP08160883.8涉及基于具有多个交换节点并且用全双工链路操作的环形通信网络的关键任务或高度可用的应用。在相应第一和第二端口上连接到该通信网络的发送器节点传送成对的冗余帧。对于将在该环形网络上发送的每个帧，源和复制帧在相反方向上传送，两个帧都被该环形网络的其他节点中继直到它们最终返回到始发发送器节点。结果，网络负荷关于常规环形网络大致上翻倍，而目的节点将在等于环的最长可能路径的最大传输延迟后接收到该数据。在无故障状态中，目的节点从而接收具有相同内容的两个冗余帧。冗余帧可以根据上文的并行冗余协议PRP识别，因此仅两个帧中的较早或第一帧转发到上层协议并且丢弃较晚的或第二帧。在该发明的有利变化形式中，为了防止帧在环中无限循环，始发发送器节点不中继它自己之前发送的帧。
在高和中电压电力网中的变电站包括例如电缆、线路、母线、开关、电力互感器和仪表互感器等主要装置，其一般设置在开关站和/或间隔(bay)中。这些主要装置采用自动方式通过变电站自动化(SA)系统操作。该SA系统包括基于微处理器的可编程次要装置，所谓的智能电子装置(IED)，其负责主要装置的保护、控制和/或监测。该IED一般指派给三个分级等级(即站级、间隔或馈电线级和过程级)中的一个。该SA系统的站级包括具有人机界面(HMI)的操作员工作站(OWS)和到网络控制中心(NCC)的网关。在间隔级上的IED(也称为间隔单元)进而通过间隔间或站总线连接到彼此以及连接到在站级上的IED。该站总线由IEC标准61850“communication networksand systems in substations(变电站中的通信网络和系统)”规定协议(例如制造报文规范MMS或面向通用对象变电站事件GOOSE)的部分8-1涵盖，该规定协议在网络负荷(每秒几个数据包)和同步(通常要求1ms)方面要求不高，并且旨在传送命令到间隔控制器，并且报告事件，例如警报或状态变化等。
在另一方面，链接过程级到间隔级的过程接口包括由上文标准的部分IEC61850-9-2涵盖的过程总线。该过程总线的主要任务是从仪表互感器或合并单元传送测量值(采样值SV)到保护装置和从保护装置传送跳闸命令(GOOSE)到开关装置。不像站总线，过程总线要求高可用性(即采样值发送率在4kHz和12kHz之间)和严格的实时限制(即采样值必须在它们产生后3ms内传输到保护应用)以便正确地执行保护功能。
尽管样本值数据的可用性要求由上述冗余协议清楚地解决，实时要求仍然是悬而未决的问题。用于采样值的IEC61850-9-2协议基于以太网并且因此仅可以提供关于数据传输的延迟的尽力保证。此外，该协议确定已经在环中循环的数据包的优先次序高于必须由节点发送的那些。该性质可以导致静默节点，即不断地从一个端口转发数据包到另一个而不能发送它自己的数据包的节点。
实时协议在过去的30年期间已经广泛地研究，并且找到两个主要的方法保证对于通信协议的实时性质。根据这些方法，通信介质在某个时间被预定并长达给定的延迟(例如时间触发控制器区域网络TTCAN)，或数据包在该介质上周期地循环，在该介质中每个节点在固定位置插入或检索数据(例如EtherCAT)。EtherCAT应用以太网到自动化应用，其要求短数据更新时间或循环时间，其中以太网数据包、帧或电报不再作为过程数据在每个节点接收、解释和复制。EtherCAT从属装置读取寄送给它们的数据，并且插入输入数据，同时该帧通过该装置。帧在每个节点中仅延迟毫秒的若干分之几，并且许多节点(典型地整个网络)可以被寄送仅一个帧。
发明内容
因此本发明的目的是使在环形通信网络中的实时和/或确定性数据传输成为可能。该目的通过分别根据权利要求1和7的在环形通信网络中传送数据的方法和环形通信网络实现。另外的优选实施例从附属的专利权利要求是明显的。
根据本发明，实时(RT)操作数据在至少具有主节点、源或发布节点和目的或预定节点的高度可用的、无缝冗余(HSR)的环形通信网络中传送。该节点中的每个包括连接到该通信网络的相应第一和第二相邻节点的第一和第二通信端口，并且适应于通过该第一通信端口接收帧并且通过该第二通信接口无附加延迟地转发该接收的帧(修改或未修改)。主节点基本上同时分别发送第一和第二冗余帧或空数据包到它的第一和第二相邻节点。当接收到两个冗余帧中的第一个时，源节点将过程数据插入预定和专用字段。源节点随后增加相同的过程数据到第二或较晚的冗余帧的预定字段。一旦加载或扩充有过程数据，两个冗余帧都瞬时并且单独地分别转发到源节点的第一和第二相邻节点。目的节点最后从该对中首先到达的加载冗余帧提取或复制过程数据。
在本发明的优选变化形式中，一旦相关的过程数据已经由目的节点提取，则转发接收的加载冗余帧。在尝试确定环中的另一个节点是否可能对由接收的帧携带的过程数据感兴趣的目的节点中没有实行消除标准。仅主节点将消除它自己之前发出的冗余帧(特别包括基于后者的加载冗余帧)。
在本发明的有利实施例中，主节点在一个循环内产生并且传送成对冗余帧的序列。在该序列中对的数量取决于在通信环中节点的实际数量，其从而可超过由一个单个帧的有效负载能力限定的节点数量。
在本发明的另外的有利实施例中，操作过程数据包括根据IEC618509-2的采样测量值(SMV)，其由连接到电力系统的高或中电压变电站、或连接到风力、水力或分布式能量资源(DER)系统的电流或电压传感器提供给源节点。源节点可另外在相同帧中包括GOOSE数据。
提出的协议的另一个优势存在于不再要求例如IEEE1588等专用同步协议用于使得连接到通信环的不同装置同步的事实。如果主节点通过无论什么方式与变电站的其余部分同步，主节点将通过以例如4kHz循环发送的空RT-HSR冗余帧将固有地同步或谐振环上的其他装置。
为了避免单点故障，描述的协议的另外变化形式包括在环中备用或冗余主节点的提供。后者假定与主要主节点(primary master node)同步，并且具有与主要主节点的内部时钟相同种类和品质的内部时钟。然而，代替具有将使网络负荷翻倍的活动冗余主节点，备用主节点优选地采用备用冗余模式操作并且适应于主动探测主要主节点的故障。如果备用主节点位于主要主节点附近，并且优选地作为最接近的邻居，备用主节点将能够准瞬时确定主要主节点的故障。实际上，假使在例如5μs的最大抖动或传输延迟期满之前没有RT-HSR帧由备用主节点接收到，备用主节点将断定主要主节点故障并且进而开始发送冗余帧。
总的来说，本发明通过使用在HSR协议中的多个令牌方法使采样值的实时或确定性数据传输成为可能。每隔一定时间间隔在环上提供数据包，每个节点将把需要发送的数据插入其中。提出的方法照此涵盖数据通信(即如何可以使在HSR上的数据输送成为可预测的)，以及配置部分(即在初始化阶段或在网络拓扑改变后)。提出的RT-HSR协议向采样值在过程总线上的输送提供可用性和实时性质两者。
附图说明
本发明的主旨将在下列正文中参照在附图中图示的优选示范性实施例更加详细地说明，其中：
图1描绘具有环形拓扑的示范性自动化网络，
图2图示能够实时(RT)的HSR协议的基本原理，以及
图3图示RT-HSR冗余帧的结构。
在附图中使用的标号和它们的含义采用总结形式列在标号列表中。原理上，在图中相同的部件提供有相同的标号。
具体实施方式
图1描绘具有环形拓扑的示范性自动化网络，其中在环内的所有交换节点(1-6)，例如保护、控制和测量装置(1-3)、监管工作站(4)、时钟主节点(5)以及中间节点(6)等，包括能够从一个端口(11a、11b)转发帧到另一个(11b、11a)的交换元件(10)，从而确保帧围绕环的循环。该中间节点(6)通过可选的非环节点交换机(7)连接到许多非环装置(8a-8c)。在本发明的标记中，主节点(1)的交换元件注入两个冗余帧(21a、21b)，循环的每个方向(A、B)上一个。源节点(3)或目的节点(3)的交换元件(10)能够从环的任一方向接收帧(22a、22b)和通过与接收端口(11b；11a)相对的发送端口(11a；11b)转发它们(修改或如同接收的)，从而保持在环中的两个冗余帧的循环的始发(逆)顺时针方向。该方面根据如在EP08160883.8中论述的原始高可用性无缝冗余(HSR)环协议，其中节点一直在它的两个端口上发送从它的更高层协议接收的帧，并且帧的两个副本在总线上相反的方向上循环直到它们到达它们的始发发送器，并且其中的接收器仅将一对中较早的帧传给它们的更高层协议并且丢弃副本。
图2描绘在具有五个节点(1-5)的环(虚线)中根据本发明的修改的和能够实时(RT)的HSR协议的基本原理。主节点(1)产生并且发送一对冗余帧的两个冗余帧(23a、23b)，其中指定“A”的帧顺时针循环并且指定“B”的帧逆时针循环。如下文进一步详细描述的，两个冗余帧起初是相同的除了等同于“A”或“B”的某个标识符，并且包括将由源节点提供和加载的过程数据的预先确定的区域。两个帧都由在环中的所有节点转发直到它们偶尔被移除。两个冗余帧中的第一个(23b)一到达源节点(4)，后者就将把待公布的相关过程数据(例如根据IEC61850的采样值等)插入帧中，并且将转发加载或扩充的帧(24b)到最近的相邻节点。同样应用于稍后到达该源节点的第二冗余帧(23a)。在图2中，包括来自源节点的过程数据的两个加载的冗余帧(24a、24b)用指示增加的过程数据的灰色条纹标记。最后目的节点(2)读取并且处理来自到达目的节点的该两个加载的冗余帧中的第一个(24b)的数据，并且根据为并行冗余协议(IEC标准62439)开发的原理丢弃来自第二或较晚的帧(24a)的数据。为了使目的节点能够分辨源节点的有效负载字段是否是空的，有效负载字段可包括特定的标题字段，或“空”有效负载字段可预先加载有无意义的位序列。
数据包由该数据包的始发站(即主节点)丢弃或消除。必须小心以便不会由于消除在特定的目的节点可能仍然是第一帧的加载帧而损害冗余度。也就是说，在已经在环中循环单次后消除每个帧可能过早，而等待帧完成通过环的第二圈代表安全的一面。
图3示出根据本发明的RT-HSR冗余帧。如在原始HSR协议中，帧以前同步码(101)开始，接着是目的MAC地址(102)，其指出帧的多播字符而不识别单个目的节点，并且接着是源MAC地址(103)，其识别主节点作为帧在相同子网内的始发站。在帧中位置12处的下一个字段(104)是由例如六个字节构成并且包括指示当前帧遵守HSR协议的事实的特定值(0x88)、路径、帧的尺寸和序列号的HSR标签。在位置18处的字段105指示帧的实时性质并且实际上指向如由本发明介绍的对原始HSR协议的修改。字段106指示假使主节点发送成对冗余帧的序列所要求的序列号或标识符。最终，在位置21开始，接着是指派给网络的各个节点的有效负载字段107。每个有效负载字段(107-1至107-n)被预定或预先指派给具体的源节点(1至n)并且由对应的帧内地址或位置识别。帧由字段108结束，其包括例如循环冗余码校验CRC等帧校验序列。
如果在环中字节的数量超过一个单个帧的有效负载能力，成对冗余帧的序列由主节点产生，其中该对由在字段106中序列号或偏离量识别。该字段具有2字节的预定长度，从而允许多达65536对的序列。结果，特定源节点的预先指派的区域包括序列号和在帧内的存储点或位置。
允许每个节点发送过程数据要求的报文数量取决于节点的数量和由每个节点发送的数据的尺寸。对于SMV数据的具体情况，9-2轻量版本限定150字节的协议特定帧，其意味每具有1526字节的标准以太网帧尺寸的冗余帧可以分配10个不同的预先指派的区域。如果示范性环包括27个节点，即27个合并单元，主节点以由IEC618509-2协议要求的频率(即对于欧洲4kHz或12kHz)发出三对空RT-HSR帧。
从性能角度，RT-HSR保证对网络对每个节点的访问而不增加业务流负荷。当考虑20个节点的环示例时，并且如果节点中的10个是提供SMV数据(根据9-2轻量版本以4kHz的150字节的帧)的合并单元并且10个是IED，当使用HSR时网络负荷是10×4.5Mbits/sec×2＝90Mbits/sec，而当使用RT-HSR时等于2×45Mbits/sec＝90Mbits/sec。从实时角度，每个节点可以彼此通信，小于(N-2)×RD，其中N是在环中节点的数量并且RD是在节点中帧的驻留延迟。利用20个节点的环和320纳秒的驻留延迟(假设100Mbits/sec网络和在每个节点上在32位后实现的直通转发技术)，最大延迟是18×320纳秒＝5.7微秒。
部件列表
1-6           交换节点
7             到无环节点的交换机
8a、8b、8c    非环节点
10         交换元件
11a、11b   通信端口
21a-24a    在方向A循环的帧
21b-24b    在方向B循环的帧
101-108    RT-HSR帧的字段

Claims (8)

1.一种在环形通信网络中传送数据的方法，所述通信网络具有主节点(1)、源节点(4)和目的节点(2)，它们连接到所述通信网络的相应第一(2；5；3)和第二(5；3；1)相邻节点，所述方法包括
-由所述主节点(1)分别发送一对冗余帧的第一和第二冗余帧(23a、23b)到所述主节点的第一(2)和第二(5)相邻节点，
-由所述源节点(4)把相同的过程数据插入所述一对冗余帧的两个冗余帧(23a、23b)中的每个的预定字段(107-4)并且分别转发包括所述过程数据的加载冗余帧(24a、24b)到所述源节点的第一(5)和第二(3)相邻节点，
-由所述目的节点(2)从由所述目的节点接收的第一加载冗余帧(24b)提取所述过程数据。
2.如权利要求1所述的方法，包括
-由所述目的节点(2)转发所述一对的两个加载的冗余帧(24a、24b)，以及
-由所述主节点(1)消除所述一对的两个冗余帧(23a、23b)和/或两个加载的冗余帧(24a、24b)。
3.如权利要求1所述的方法，包括
-由所述主节点(1)分别发送多对冗余帧的第一和第二冗余帧到所述主节点的第一(2)和第二(5)相邻节点，其中两个不同冗余对包括不同源节点的有效负载字段(107)。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述环形通信网络是电力系统的高或中电压变电站的变电站自动化SA系统的一部分，所述方法包括
-由所述源节点插入包括由连接到所述变电站的电流或电压传感器提供给所述源节点的采样测量值SMV数据的过程数据。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中在所述环上的节点(2-5)基于所述一对冗余帧的冗余帧(23a、23b)的连续接收同步于所述主节点(1)。
6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述主节点(1)是主要主节点，并且其中备用主节点连接到所述通信环，所述方法包括
-由所述备用主节点探测所述主要主节点的故障，并且由所述备用主节点发送第一和第二冗余帧到所述备用主节点的相邻节点。
7.一种环形通信网络，其具有主节点(1)、源节点(4)和目的节点(2)，它们分别连接到所述通信网络的相应的第一(2；5；3)和第二(5；3；1)相邻节点，其中
-所述主节点(1)适应于分别产生和发送一对冗余帧的第一和第二冗余帧(23a、23b)到所述主节点的第一(2)和第二(5)相邻节点，
-所述源节点(4)适应于把相同的过程数据插入所述一对冗余帧的两个冗余帧(23a、23b)中的每个的预定字段(107-4)，并且分别转发包括所述过程数据的加载冗余帧(24a、24b)到所述源节点的第一(5)和第二(3)相邻节点，
-所述目的节点(2)适应于从由所述目的节点接收的第一加载冗余帧(24b)提取所述过程数据。
8.如权利要求7所述的网络，特征在于，所述主节点(1)是主要主节点并且其中备用主节点连接到所述通信网络并且适应于主动探测所述主要主节点的故障。
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