CN102907070A - 用于交换数据的方法和装置，以及网络 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在网络（26）的两个设备（8，8a，8b）之间交换数据的方法，该方法利用具有基于OPC-UA标准的接口（13）的通信协议（11）来交换数据，其中，通信协议（11）包括基于IEEE 802.1Qat流预留协议（SRP）标准或者多流注册协议（MSRP）标准的接口（18），以便能够在预定的时间段内通过两个接口（13，18）在两个设备（8，8a，8b）之间交换数据。

Description

用于交换数据的方法和装置,以及网络

技术领域

本发明涉及一种用于在网络的两个设备之间交换数据的方法，该方法利用具有基于OPC-UA标准的接口的通信协议来交换数据。本发明还涉及一种用于在两个设备之间交换数据的装置以及一种具有至少两个设备和这种装置的网络。

背景技术

图1示出自动化网络的示意性视图。在自动化技术设备的所谓现场级上有多个设备8，这些设备接收传感器10的数据并且将合适的控制数据发送至执行器9。在此，设备8能够作为独立的计算机与传感器10和执行器9处于有效联系，或者设备8可以指的是嵌入的系统。设备8能够特别地支配其各个自身的控制技术固件。除此之外，示例性显示了存在于控制级（SPS）中的计算机7。计算机7和设备8被用于控制或者调节设备的配属的机器。在自动化技术网络内部，它们处于所谓的现场网络4的或者说现场控制网络（Plant Floor Network）3的子网络上。

在现场控制网络3和自动化网络2之间，通过具有数据采集与监视控制系统（SCADA）的计算机6形成连接。因此，计算机6是过程控制级的一部分，通过过程控制级，监视并且控制现场控制网络3或者说现场网络4中的技术进程。

在自动化技术网络的上一级中，可以设置计算机5作为企业网络1的一部分。该计算机可以包括制造执行系统（MES），并且因此是工厂控制级的一部分。可替换地可以设计为，计算机5作为企业级的一部分而配备有企业资源计划（ERP）系统。这种用在办公室级（Büroebene）中的ERP系统提供综合的软件，用于支持企业的资源计划（例如SAP系统）。

对于办公室级上的网络通信常见的是，使用非实时性的星形系统（Sternsystem）。作为网络通信中的新标准，在计算机6的SCADA系统和计算机5的ERP系统之间建立了根据OPC原理的规格的所谓的OPC统一架构（OPC-UA）系统。在根据OPC-UA的数据通信中，会以质量评判数据（数值），应被用于数值更新的比率也属于质量。只传输发生变化并且触发其属性的那些数据，即必须传输相应的数值。因此，OPC-UA提供基于事件的通信。在此，例如在标准以太网、TCP/IP（传输控制协议/因特网互联协议）或者基于http的网络中所熟知的，OPC-UA基于远程过程调用（RPC）机制。根据RPC机制，客户端的询问到达服务器，以调用在该服务器上处理该询问的过程。只有当询问的处理结束，并且从服务器发送答复到客户端上时，该客户端才能继续被询问中断的进程。这涉及到分散的系统中进程间通信（IPC）的传统通信架构。并行的进程在因果关系上彼此相关联。

与此相反，OPC-UA识别所谓的订阅（Subscription）机制。其中，接收器从发送器处订阅信息或者说数据的特定选择。如果出现信息量或者子数据选择的变化，则发送器自主地将该变化发送至接收器。该机制能够被参数化，这是因为例如能够预先规定最早应以何种时间间隔发送这些变化。

利用OPC-UA为工业提供了标准协议，借助于该标准协议，一方面可以在信息模型中为极其不同的信息（警报、过程值等）建模，并且另一方面也可以传输这些信息。对此，存在所谓的服务集和服务，使对应的功能性可用。利用OPC-UA第一次也可能将这种轻松的信息传输用于嵌入式区段。这使OPC-UA在信息建模领域成为极有用的工具。

现今，OPC-UA主要用于自动化网络2中，例如用于SCADA系统中，而对于现场控制网络3或者说现场网络4中的通信协议则存在完全不同的要求。在自动化技术中，需要越过通信线路同步多个设备8。对于该同步的要求非常多样化。它们达到硬性的实时要求，例如对于同步造纸厂的驱动轴而言。特别是在车间中（在此，现场级出现在办公室级上），通常已经使用基于以太网TCP/IP的基础设施，例如用于总控系统（Kopfsteuerung）和/或SCADA/MES系统之间的通信。

在这些情况下，通常使用所谓的计时协议。这表示：时间被拆分为时间片段，并且精确地预先计划，哪一设备在一个时间周期内应如何发送以及发送多少。在通信参与者之间交换周期过程图（具有输入/输出值的表格）。在此，下列规则是适用的：周期越短（脉冲越高），则同步性越好并且必须持续传输更多数据。时钟频率的加倍引起整体通信数量的翻倍。在每个周期中始终发送所有数据，这与所有值是否符合同一个时间要求或值是否发生了改变无关。自动化技术中的这一通信原则在现场级上是常见的，以能够满足在此起作用的硬性的实时要求。

在分散的外围设备领域中，实时通信在此能够通过例如通信协议Profinet IO实现。它实现了在基于以太网的现场设备8之间的数据交换。另一基于以太网的、用于自动化技术的方式是工业实时以太网（IRTE）。根据IRTE，完全预先计划了网络上的通信，以便排除意外的数据冲突。然而，该模型是非常静态的，这是因为它不能在没有新计划的情况下针对改变做出反应。该计划是极其复杂的并且只能借助于工具进行，这是因为同样必须考虑由于例如电缆长度产生的时间过程。通过IRTE首先计划了线性结构。优点在于，产生了硬性的确定性。

因此，对于在其子网络中使用的通信协议而言，办公室级或者说控制级与现场级是分开的。分别使用的通信协议满足不同的要求。在可能的情况下，在现场级上处于支配地位的实时要求对于办公室级是不重要的。表述“自动化技术的纵向合并”可理解为，致力于合并不同的子网络并且实现从企业级自上而下至现场级的统一的通信结构。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种方法、一种装置以及一种网络，通过它们可以实现子网络的改进的合并。

该目的通过一种具有权利要求1的特征的方法，一种具有权利要求6的特征的装置，以及一种具有权利要求7的特征的网络得以实现。

根据本发明的方法用于在网络的两个设备之间交换数据，该方法利用具有基于OPC-UA标准的接口的通信协议来交换数据。在此，通信协议包括基于IEEE 802.1Qat媒体流预留协议（SRP）标准或者多媒体流注册协议（MSRP）标准的接口，以便能够在预定的时间段内通过两个接口在两个设备之间交换数据。

OPC-UA（用于流程控制的对象链接与嵌入统一架构）是OPC原理的OPC规范并且在www.opcfoundation.org上进行了描述。媒体流预留协议（SRP）或者多媒体流注册协议（MSRP）是音视频桥接工作组的标准化接口并且表征了网络上的音频媒体流和视频媒体流。本发明基于这样的考虑，即借助于音视频桥接（AVB）这样修改OPC-UA，即原本非实时性的OPC-UA通信具有实时属性。通过能够在预定的时间段内经由两个接口在两个设备之间交换数据的方法，满足了特别是实时要求或者说实时系统的要求。关于“实时”的含义，已经在特别是DIN 44300中定义。特别地，其涉及到所谓的硬实时。特别地可以设计为，由OPC-UA保留类似RPC的通信形式，然而，其中，在下方的输送被反映在AVB上。特别地可以设计为，通过SRP/MSRP接口修改和/或更换OPC-UA的协议层。

通过OPC-UA接口和SRP/MSRP接口在一个通信协议中的组合，实现了实时性的通信，该实时性的通信自身满足了如轴同步的复杂的要求。这样实现的通信协议能够简单并且不复杂地在现场级的装置中实施。此外，确保了通过更高级别（如自动化网络或者企业网络）的基于OPC-UA的设备的无问题的数据交换。达到了自动化技术设备的子网络之间的高的互兼容性标准，并且明显改进了纵向合并。通信协议的特征在于高效率，因为特别是由于OPC-UA部件，可靠地避免了过量的数据交换。同时，MSRP/SRP部件确保实时功能性。

优选地，通信协议被构建为多层，其中，为每层分配有接口，并且其中，对于第一类型的数据而言，经过根据OPC-UA标准的层序，并且对于第二类型的数据而言，在经过时，会这样偏离于根据OPC-UA标准的层序，即使用SRP或者MSRP接口，并且在预定的时间段内在两个设备之间交换第二类型的数据。在此，如果通信协议基于开放式通信系统互联参考模型（OSI层级模型）被构建为多层，则是特别优选的。第一类型的数据可以特别地指的是这种数据，这些数据不必满足实时要求。第二类型的数据可以特别地指的是这种数据，这些数据必须满足实时要求。该实施方式允许非实时关键的数据使用传统的OPC-UA通信协议架构，而实时相关的数据这样偏离于现有技术公开的OPC-UA协议，即它使用新预设的MSRP/SRP接口。在此，根据相应的数据类型，不仅理想地利用OPC-UA在数据交换方面的强大功能，还理想地利用AVB在实时特性方面的强项。

优选地，通信协议包括应用层、OPC-UA接口、TCP/IP接口、以太网接口和物理接口。对于第一类型的数据而言，经过这些接口，而对于第二类型的数据而言，至少绕过TCP/IP接口。“绕过”可理解为，在数据的处理方面，不经过或者说不利用TCP/IP接口。取代TCP/IP接口，优选地经过SRP/MSRP接口。也可以设计为，为了第二类型数据的处理，恰当地修改位于OPC-UA接口下游的统一架构层。特别地可以设计为，相对于OPC-UA标准，至少应用层和物理接口保持完全不变。该实施方式允许基于OPC-UA的通信协议的功能范围的明显扩展，而同时在作为通信协议基础的层级系统内只有极小的改变。编程技术的转化被简化。对于程序开发员来说，接口访问变得极其简单。

优选地，通过SRP接口或者MSRP接口提供的数据窗口被分为多个在时间上顺次连续跟随的子数据窗口。该实施方式允许在两个设备之间的数据传输的极好的组织性。在用数据填充数据窗口的灵活性方面也有所改进。此外，可能优化数据传输时的时钟频率。

特别优选的是：在子数据窗口中传输第二类型的数据，通过子数据窗口形成子数据窗口的第一子集，并且为了传输第一类型的数据，使用子数据窗口的第二子集，该第二子集与第一子集是不相交的。特别地，能够在专门为此而预设的子数据窗口中传输实时关键的数据，而与此同时，剩余的子数据窗口用于非实时关键的数据的传输。用于数据传输的自由资源因此能够极好地被利用。存在传输大数据量并且仍保证实时性的可能。

根据本发明的装置用于在网络的两个设备之间交换数据，该装置利用具有基于OPC-UA标准的接口的通信协议来交换数据。根据本发明，通信协议包括基于IEEE 802.1Qat媒体流预留协议（SRP）标准或者多媒体流注册协议（MSRP）标准的接口，以便能够在预定的时间段内通过两个接口在两个设备之间交换数据。

根据本发明的网络包括至少两个设备以及根据本发明的装置。

基于根据本发明的方法所显示的优选的实施方式及其优点也相应地适用于根据本发明的装置以及根据本发明的网络。

附图说明

接下来，根据实施例，进一步阐述本发明。图中示出：

图1示出自动化技术设备的多层网络的示意图；

图2示出在网络的两个设备之间的数据交换的示意图，通过符合根据本发明的方法的一个实施例的通信协议调节该数据交换；以及

图3示出AVB媒体流中的数据窗口到子数据窗口的划分的示意图。

在附图中，相同的或者功能相同的元件用相同的参考标号表示。

具体实施方式

本发明允许将OPC-UA用于实时通信（确定性通信）领域。迄今为止主要用于自动化网络2中（例如在具有SCADA系统的计算机6中）的OPC-UA现今能够广泛用于现场控制网络3或者说现场网络4。通过使用推荐的方法，在自动化金字塔内，OPC-UA的应用范围在金字塔中向下方扩展。因为存在这样的目标：希望将OPC-UA也同样用于企业网络1中的具有ERP系统或者MES系统的计算机5中，因此得到持续的通信，以及从最低级到ERP级的统一的过程数据概览。持续使用该技术，这能够确保完整的相互操作性，而可能无需附加的硬件（映射器或者转换器）。

OPC-UA的强项在于其在信息建模中的强大功能，信息建模同时用于改进或者说能够实现部件的相互操作性。所有参与的设备8不仅提供其过程值，还在信息模型中提供关于这些值的语义信息。现今，该优点一直作用至现场控制网络3，而无需多余花费。

基本理念在于：由OPC-UA保留类似RPC的通信形式，并且其中将下方的输送反映在AVB上。AVB提供能够处于优先地位的媒体流（Streams），能够预先确定该媒体流的带宽，并且接下来也能够保证其带宽。在现有技术中，AVB用于音频流和视频流的传输。在此存在基本要求，即可靠且快速地传输大量数据（图像信息）。如果AVB不能满足该基本要求，就会在图像中出现所谓的停顿（Freezer）和晃动（Ruckler）。然而，这一基本要求恰好与自动化技术中的实时要求一致。因此，产生一种理念，即借助于AVB修改OPC-UA并且以此方式使其具有实时性。

在此，通常借助于AVB技术输送订阅（更准确地说：订阅的改变信息），该技术自身又保证了要求的传输质量。通过这一组合，实现了基于OPC-UA的实时性的通信。

在两个设备8a和8b之间的通信原理示例性地在图2中显示。两个设备8a和8b包括计算机，在该计算机中可执行地安装有通信协议11。该通信协议11在此包括具有配属的接口的多个层。具体而言，这些层是应用层12、具有OPC-UA接口13的统一架构（UA）堆栈14、TCP/IP接口15、以太网接口16以及物理接口17。此外，现在预设有MSRP/SRP接口18，该接口提供AVB功能性20。平行于TCP/IP层，现在预设有实时统一架构（RT-UA）层19。

两个设备8a和8b通过数据线路22以及交换机或者路由器21彼此连接。在实施例中，数据线路22指的是以太网铜线电缆。然而，可替换地可以设计为任意类型的数据线路22，其例如能够设计为导线连接的、基于玻璃纤维的或者基于无线电的（例如WLAN）。路由器21必须特别地这样设计，即路由器支持通信协议11。在路由器21上还连接有计算机23。如果在计算机23上可执行地安装有能够实现基于OPC-UA标准的通信的程序代码，则该计算机23能够无问题地与设备8a和8b通信。在计算机23中特别地不必预设有通信协议11中的实时扩展，然而也能实现与设备8a和8b的无问题的通信。

设备8a进入与设备8b的通信，并且在此传送实时关键数据以及非实时关键数据。实时关键数据指的是例如设备8a的活动部分的运动过程。举例而言，只有在设备8a自身已执行运动过程后，设备8b才执行专门的运动过程。如果没有遵守这一时间顺序，设备8a和8b就会彼此冲突。而这是要避免的。因此，预先规定硬性的时间段，在该时间段内必须进行设备8a和8b之间的实时关键数据的交换。在通信协议11中，根据虚线标出的路径W2处理这些数据。根据路径W2，数据这样经过通信协议11的单个层或者接口，即应用MSRP/SRP接口。和实时相关的数据则通过AV流输送，并且因此满足实时要求。也就是说经过了RT-UA层19。同样地，在设备8b的通信协议11中也是这种情况。

然而，设备8a和8b同时也交换非实时关键数据。举例而言，设备8a定期通知设备8b其运行温度。在此，该信息是否在确定的时间窗内在设备8b上出现，是不重要的。对于这些数据的交换而言，在通信协议11内选择传统的、由OPC-UA预设的数据处理路径W1。与路径W2相反，没有绕过TCP/IP接口15；没有使用MSRP/SRP接口18。

AVB技术的特征在于相对低时钟频率（Taktung）下的高带宽。然而，在自动化技术中，这一要求特征是刚好相反的。因为根据OPC-UA订阅，只传输相对少的数据量，所以比AVB通常可用的带宽更低的带宽已经足够。与此相对，较高的时钟频率是值得期待的。

然而，AVB提供了以较低带宽为代价而实现较高时钟频率的可能性。例如能够通过将传输视频帧必需的时间（视频帧长度T，PAL下通常为1/25s）划分为多个相同大小的时隙24的方式来实现较高的时钟频率。这些时隙24的每一个都由此具有相应较小的时钟时间或者说时隙长度t1。由此实现较高的时钟频率。自然地，也能够在这些时隙24的每一个中传输相应少的数据。然而，这在自动化技术中不是问题，因为相较于视频流数据，在每个时隙24中必须传输明显少的信息数据。

在图3的实施例中，长度T=40ms的数据窗口25被划分为四个相同长度的时隙24，该时隙的时隙长度为t1=10ms。通过时间窗25或者说帧的同步，这些时隙24相应地也只以该频率（例如1/25s）同步（参见同步点p2）。然而这是完全足够的，因为在单个时隙24（伪同步点p1）中的抖动足够小，以保持在抖动公差中的帧频内。通过保证的AVB带宽，如果没有这种数据需要传输（例如因为在订阅中没有数值改变），可以在订阅或者说和实时相关的数据方面保持时隙24未使用。这种变为自由的带宽自动被AVB用于传输其它非实时相关的数据。预留的带宽或者说未使用的时隙24因此可用于设备8a和8b之间的其它通信。这就是所谓的“呼吸式”通信。

总而言之，在网络26上的通信内，最佳地组合了通过OPC-UA和AVB提供的优点。在OPC-UA中使用的订阅原理保证了在同时低的数据量下传输所有相关数据；另一方面，实时性和智能带宽管理通过AVB来提供。因此离散地管理了带宽管理和实时通信。不再需要通信的集中预先规划。尽管这样，能够传输的数据量整体上升。能够很好地由通信协议处理用于确定性以及非确定性通信的数据。此外，确保了网络26上的高程度的相互操作性。

Claims (7)

1.一种用于在网络（26）的两个设备（8，8a，8b）之间交换数据的方法，所述方法利用具有基于OPC-UA标准的接口（13）的通信协议（11）来交换所述数据，其特征在于，所述通信协议（11）包括基于IEEE 802.1Qat媒体流预留协议（SRP）标准或者多媒体流注册协议（MSRP）标准的接口（18），以便能够在预定的时间段内通过两个接口（13，18）在所述两个设备（8，8a，8b）之间交换所述数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通信协议（11）特别是基于开放式通信系统互联参考模型被构建为多层，其中，为每层分配有接口（13，15，16，17，18），并且其中，对于第一类型的数据而言，经过根据所述OPC-UA标准的层序（12，13，15，16，17）（W1），并且对于第二类型的数据而言，在经过时，会这样偏离于根据所述OPC-UA标准的所述层序（12，13，15，16，17）（W2），即使用所述SRP接口或者MSRP接口（18），并且在所述预定的时间段内在所述两个设备（8，8a，8b）之间交换所述第二类型的数据。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述通信协议（11）包括应用层（12）、OPC-UA接口（13）、TCP/IP接口（15）、以太网接口（16）和物理接口（17），对于所述第一类型的数据而言，经过这些所述接口（W1），其中，对于所述第二类型的数据而言，至少绕过所述TCP/IP接口（18）（W2）。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过所述SRP接口或者MSRP接口（18）提供的数据窗口（25）被分为多个在时间上顺次连续跟随的子数据窗口（24）。

5.根据权利要求2和4或者根据权利要求3和4所述的方法，其特征在于，在所述子数据窗口（24）中传输所述第二类型的数据，通过所述子数据窗口形成所述子数据窗口（24）的第一子集，并且为了传输所述第一类型的数据，使用所述子数据窗口（24）的第二子集，所述第二子集与所述第一子集是不相交的。

6.一种用于在网络（26）的两个设备（8，8a，8b）之间交换数据的装置，所述装置利用具有基于OPC-UA标准的接口（13）的通信协议（11）来交换所述数据，其特征在于，所述通信协议（11）包括基于IEEE 802.1Qat媒体流预留协议（SRP）标准或者多媒体流注册协议（MSRP）标准的接口（18），以便能够在预定的时间段内通过两个接口（13，18）在所述两个设备（8，8a，8b）之间交换所述数据。

7.一种具有至少两个设备（8，8a，8b）的网络（26），所述网络具有根据权利要求6所述的装置。

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