CN102918820B - 在自动化网络的两个设备之间交换数据的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在网络（24）的两个设备（8，8a，8b，8c）之间交换数据（D1，D2）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）来交换该数据（D1，D2），其中，通信协议（11）具有优先分配功能（23），能通过该优先分配功能将至少两个不同的优先值分配给数据（D1，D2）并且取决于该分配的优先值实现数据（D1，D2）的交换，以便能够在预定的时间段内以预设的概率在两个设备（8，8a，8b，8c）之间交换数据（D1，D2）。

Description

在自动化网络的两个设备之间交换数据的方法和装置

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

由Crevatin,M.等人所著的“用于工业通信系统的安全性（SecurityforIndustrialCommunicationSystems）”中，ProceedingoftheIEEE,BD.93,Nr.6,1.2005年六月，第1152-1177页，描述了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标准的接口的通信协议来交换数据。与此无关地，文献D1提出了对IEEE802.IQVLAN和优先模式的应用，以便通过绕过IP层的方式，能够以对于时间关键的应用而言非常低的时间延迟实现快速传输数据。

WO2007/105979A1在具有自动化系统中的系统周期的软件-代理的同步的背景下，提出了一种OPC-UA（统一架构）接口，以便能够对于部分的自动化系统而言实现基于网络的访问。

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（PlantFloorNetwork）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，通常使用所谓的时钟频率协议。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ProfinetIO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。

例如应该对高精度轴进行同步时，在自动化技术的多个应用领域中存在硬性的实时要求。在硬实时过程中，必须在预设的时间段内在两个设备之间交换数据。以硬性的确定性来实现该通信。如果在确定的时间区间之外进行数据交换，那么这些数据将不再满足实时要求。特别在DIN44300中限定了实时的含义。

在软实时要求的情况下，对数据交换的时间过程所提出的条件不再是那么硬性。仅仅必须确保在预定的时间段内以预设的概率在两个设备之间交换数据。例如可以设计为，即，对于实现数据交换的时间点的分布而言，该分布的平均值始终处在预设的时间区间内。软实时要求在自动化技术的多个应用领域中已经足够了。特别是在基于自动化技术任务不存在对时间的那么硬性的要求时会出现上述情况。

据此而存在用于满足软实时要求的通信协议的方式，例如，软实时以太网（SRT）。在SRT的情况下，为了使得常规的以太网通信或TCP/IP通信具有软实时性能力并且因此为了除了常规的数据通信之外能够实现上述通信，使用了以太网优先机制。在SRT的情况下，尽管避免了数据包的冲突，但仍无法完全排除该冲突。不需要全面预先计划网络上的通信。例如不必强制性地计划数据包的时间特性，而仅仅计划出优先的通信的路径即可。正如在以太网或办公室通信中那样，通常计划成星形结构。

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，利用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7的特征的装置，以及一种具有权利要求8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，该通信协议具有优先分配功能，通过该优先分配功能将至少两个不同的优先值分配给数据并且取决于分配的优先值实现数据的交换，以便能够在预定的时间段内以预设的概率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。在通信协议中特别能以软实时扩展形式来实施优先分配功能。特别可以设计为，在根据软实时扩展来更改OPC-UA的协议层的同时不改变OPC-UA的应用协议。优先分配功能特别能够这样将优先值分配给数据，即，在网络上的数据发生冲突的情况下，例如，在交换机或路由器中通过优先值确定优选地继续传输哪些数据。特别可以设计为，将特定的高优先值发送给数据，而该数据的交换应该符合软实时要求或者说SoftRealTime要求。那么这种数据能在预定的时间段内以预设的概率在两个设备之间进行交换。能特别根据现有技术所公知的软实时应用设计优先分配功能。特别可以设计为，根据合适的软实时扩展更改TCP/IP包。

利用软实时方法能够在一定范围内实现实时要求，但例如不必增加IRTE解决方法的相应费用。能够仅利用微小的变化来训练常规的OPC-UA通信协议，从而在软实时环境下几乎不对常规的TCP/IP环境产生限制地使用该OPC-UA通信协议。能够利用使用常规的OPC-UA通信协议的服务器，通过简单的多协议路由器来实现服务器的通信，而在服务器中使用了按照根据本发明的方法的通信协议，而可能不需要专门的硬件。

本发明基于以下想法，即，借助软实时扩展这样更改OPC-UA，即，使原本不具实时性的OPC-UA通信自此具有软实时特性。通过在一个通信协议中结合OPC-UA接口和优先分配功能而实现满足软实时要求并且符合自动化技术中的多个要求的通信。由此实现的通信协议能够简单且不复杂地实施在现场级的装置中。由此，利用以OPC-UA为基础的更高层的装置，例如，自动化网络或企业网络确保了顺利的数据交换。在自动化技术设备的子网络之间实现了高比例的互相兼容性并且明显改善了纵向合并。该通信协议的特征在于高效率，其原因在于，特别基于OPC-UA部件的原因可靠地避免了多余的数据交换。同时，优先分配功能确保了根据软实时的实时功能性。

优选地，优先分配功能将第一优先值分配给第一类型的数据并且将第二优先值分配给第二类型的数据，其中，对于能预设的网络结构（24）而言，通过网络结构在两个设备之间进行数据的交换，在第一类型的数据和第二类型的数据之间发生冲突的情况下，基于分配的优先值优先地传输第二类型的数据。特别将冲突理解为：在网络的一个节点、例如交换机或路由器上同时有多个数据包到达。在发生冲突的情况下，特别无法确定性地确定，交换机要优先传输两个数据包中的哪个数据包。当第二个数据包到达的同时交换机已经在处理一个数据包，从而不能直接继续处理第二个数据包，而要中断第二个数据包的继续传输直至第一个数据包完全处理完毕为止时，也可能发生冲突情况。在这种冲突情况下通过优先值确保第二类型的数据相对于第一类型的数据优先地被处理。特别也可以设计为，即，当第二类型的数据到达时，中断已经开始的、第一类型的数据的处理，从而自此开始优先处理第二类型的数据并且在网络上继续传输。以这种方式，网络的分支点上恢复了确定性。第二类型的数据特别可以涉及这种必须符合软实时要求的数据。然后，继续传输这种和实时相关的数据，该数据更优先于其它的、对于其而言保持传输时间窗口不是那么关键的数据。

优选地这样确定用于交换第二类型的数据的时间窗口，即，对于能预设的网络结构而言，使得分别仅具有第二类型的数据的两个数据包的冲突概率不超过能预设的阈值概率。在此特别有利的是通过在两个设备之间预设周期性的同步时钟频率，确定用于交换第二类型的数据的时间窗口。通过预先计划时钟频率能确保，具有第二类型数据的两个高优先数据包不会同时在交换机上相遇。由此可靠地避免了冲突情况。保证了实时性的数据交换。

优选地可以设计为，即，这样设计网络结构，使得分别仅具有第二类型的数据的数据包的由网络情况决定的冲突概率不超过能预设的由网络情况决定的阈值概率。优选地由此构造网络结构，即，这样选择通信线路和/或通信节点，使得由网络情况决定的冲突概率不超过由网络情况决定的阈值概率。通过明智的预先计划例如能这样设置网络内部的电线走向以及节点（交换机或路由器）的位置，从而将第二类型的数据的冲突概率保持得尽可能小。通过限定阈值概率在一定程度上确保了确定性。可以限制发生冲突的危险。由此可以非常良好地满足以下条件，即，在预定的时间段内以预设的概率在两个设备之间交换数据。

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。在此，通信协议具有优先分配功能，能通过该优先分配功能将至少两个不同的优先值分配给数据。通信协议确保，取决于分配的优先值实现数据交换，以便能够在预定的时间段内以预设的概率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。

所示出的与根据本发明的方法相关的优选的实施方式及其优点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

下面借助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2A示出在两个设备之间交换数据的示意图，其中，在两个发送的数据包之间出现了冲突情况；

图2B示出在两个设备之间交换数据的示意图，其中，通过预设适合的优先值而避免了冲突情况；

图3A示出根据现有技术的网络基础设施；

图3B示出网络基础设施；以及

图4示出设备的示意图，该设备按照根据本发明的方法的一个实施例利用通信协议在网络中交换数据。

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。

图2A示意性地示出了设备8a与设备8c的通信或设备8b与设备8c的通信。设备8a和8b为此通过数据线22将数据包D1发送给设备8c。网络24在此具有交换机18形式的节点，为了到达设备8c，数据包D1必须经过该节点。这使得数据包D可能同时到达交换机18上，从而发生冲突情况。交换机18必须决定应该将哪个数据包D1首先继续传输给设备8c。

基于根据现有技术的IRTE的通信，在所示情况中不再满足确定性。如果出现了冲突，那么将不再清楚应该首先继续传输哪个数据包D1。为了避免这个情况，必须预先计划好网络24上的完整通信。在IRTE通信的情况下，交换机18在此设计为带有专用的IRTE硬件的特殊IRTE交换机。

按照根据本发明的方法的一个实施例，为软实时功能性提供了一种优先分配功能。这意味着适合的优先值被分配给数据包D1或D2。在图2B的实施例中，数据包D2中的数据涉及的是这种对于设备8a和8c的同步而言是必要的数据。这些数据由此必须符合实时要求。与其在数据线22上的传输相关，必须实现确定性。因而，在设备8a中实施的通信协议11的优先分配功能将高优先级的值分配给数据包D2。

设备8b与此相反地仅仅向设备8c传递数据，该数据显示出了设备8b的工作状态，例如，该装置目前的温度。设备8c在哪个时间点获得该信息并不是非常重要。因此，设置在设备8b的通信协议11中的优先分配功能将低优先权分配给数据包D1。

如果现在带有优先信息的数据包D1和D2在交换机18上发生冲突，那么优先地将高优先级的数据包D2继续传输给设备8c，前述的交换机同样也支持设备8a和8b中实施的通信协议11。因此确保了与数据包D2相关的确定性并且在设备8a和8c之间实现了实时性通信。

通过适合的预先计划仅需确保设备8b不会在设备8a也发送了高优先级的数据包时同时将高优先级的数据包D2发送给设备8c。在实践中，可以静态地通过计划通信路径，也就是说取决于时间地，实现前述目的。实践表明，往往能彼此不相交地建立起在通信路径上运行着高优先级的包的通信路径。

特别能通过优先分配功能将OPC-UA订阅（Subscription）标记为高优先级的数据包D2。由此能够通过使用软实时方法来这样发送OPC-UA订阅（更确切地说是订阅的变化信息），从而使得该订阅对象精确地符合软实时要求。

正如图1中所示的那样，这种方法改进了网络结构上的相互操作性。根据现有技术，迄今为止需要所谓的蓝盒（Bluebox）21来用作为基于OPC-UA或TCP/IP的办公室网络19与例如基于ProfinetIO的现场网络20之间的通信桥或中间装置。在图3A的示意图中，蓝盒21借助ProfinetIO朝向于现场网络20进行通信且进而是现场网络20中的参与者。朝向于办公室网络19，蓝盒21例如能通过网络服务或OPC-UA与计算机5上的SAP系统进行通信。该蓝盒也就是办公室网络19中的参与者。

根据带有根据优先分配功能进行了更改的OPC-UA通信协议的新方法，如图3B中所示的那样，取消了网络24中的蓝盒21。通过OPC-UA的软实时扩展，无论是在办公室网络19还是现场网络20中均实现了兼容的通信环境，从而能够放弃蓝盒21。传统的TCP/IP以及OPC-UA/SRT通信能在相互不影响的情况下共存。

图4再次示意性地示出了通信协议11的可能的构造，该通信协议处在设备8a中。设备8a包括计算机，通信协议11可运行地安装在该计算机中。通信协议11在此包括多个带有所属的接口的层。这些层具体来说是应用层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。另外，自此设置了转换优先分配功能的软实时扩展23。根据数据的种类借助软实时扩展23来为优先分配功能补充优先信息或优先值。在此，特别优选的是，基于开放式系统互联参考模型（标准化国际组织的OSI层模型）将通信协议11构造成多层的。

总而言之，在网络24上的通信内，最佳地组合了通过OPC-UA和SRT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，通过SRT在一定程度上保证了实时性。和现有技术相比，对通信的集中预先规划的需求更低。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24上的高程度的相互操作性。

Claims (8)

1.一种用于在网络(24)的两个设备(8，8a，8b，8c)之间交换数据(D1，D2)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(D1，D2)，其中，所述通信协议(11)具有优先分配功能(23)，能通过所述优先分配功能将至少两个不同的优先值分配给所述数据(D1，D2)并且取决于所述分配的优先值实现所述数据(D1，D2)的交换，以便能够在预定的时间段内以预设的概率在所述两个设备(8，8a，8b，8c)之间交换所述数据(D1，D2)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述优先分配功能(23)将第一优先值分配给第一类型的数据(D1)并且将第二优先值分配给第二类型的数据(D2)，其中，对于能预设的网络结构(24)而言，通过所述网络结构在所述两个设备(8，8a，8b，8c)之间进行所述数据(D1，D2)的交换，在所述第一类型的数据(D1)和所述第二类型的数据(D2)之间发生冲突的情况下，基于所述分配的优先值优先地传输所述第二类型的数据(D2)。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，这样确定用于交换所述第二类型的数据(D2)的时间窗口，即，对于所述能预设的网络结构(24)而言，使得分别仅具有所述第二类型的数据的两个数据包(D2)的冲突概率不超过能预设的阈值概率。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过在所述两个设备(8,8a,8b,8c)之间预设周期性的同步时钟频率，确定用于交换所述第二类型的数据(D2)的所述时间窗口。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，这样设计所述网络结构(24)，使得分别仅具有所述第二类型的数据的两个数据包(D2，D2)的由网络情况决定的冲突概率不超过能预设的由网络情况决定的阈值概率。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，这样设计所述网络结构(24)，即，这样选择通信线路(22)和/或通信节点(18)，从而使得所述由网络情况决定的冲突概率不超过所述由网络情况决定的阈值概率。

7.一种用于在自动化网络(24)的两个设备(8，8a，8b，8c)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(D1，D2)，其中，所述通信协议(11)具有优先分配功能(23)，能通过所述优先分配功能将至少两个不同的优先值分配给所述数据(D1，D2)，并且所述通信协议(11)确保，取决于所述分配的优先值实现所述数据(D1，D2)的交换，以便能够在预定的时间段内以预设的概率在所述两个设备(8，8a，8b，8c)之间交换所述数据(D1，D2)。

8.一种具有至少两个设备(8，8a，8b，8c)的基于OPC-UA标准的网络(24)，所述网络具有根据权利要求7所述的装置。