CN103684954B - 能冗余操作的工业通信系统和用于操作所述工业通信系统的方法 - Google Patents

Abstract

在具有冗余地连接到工业通信网络上的通信设备和与工业通信网络相关联的网络基础设施设备的能冗余操作的工业通信系统中至少部分地进行无线消息传输。在工业通信网络中，设有多个用于在网络节点上有线地接收到的且由所述网络节点待无线发送的消息元素的缓冲存储单元。在超过最大缓存大小时，将存在于相应的缓冲存储单元中的最旧的消息元素删除。在超过最大缓存大小之前，将最旧的消息元素选作下一个待无线发送的消息元素。

Description

能冗余操作的工业通信系统和用于操作所述工业通信系统的 方法

技术领域

本发明涉及一种能冗余操作的工业通信系统和用于操作所述工业通信系统的方法。

背景技术

在分布式工业自动化系统中，在采集、评估和传输测量和控制数据时要确保：完整的和未经更改的数据尤其在对时间要求严格的工业生产过程中实时可用。工业自动化系统通常包括多个经由工业通信网络相互联网的自动化设备并且在生产或过程自动化的范围中用于控制或调节装置、机器或设备。没有被传输的或没有被完整传输的讯息例如能够阻止工业自动化系统转入安全的操作状态下或留在安全的操作状态下。这最终可能会导致整个生产装置的失效和成本高昂的生产停机状态。在工业自动化系统中，通常由具有比较多的、但是相对短的消息的讯息流量而引起特殊的问题，由此加剧上述问题。

为了能够补偿通信连接或通信设备的失效，通信协议，如媒体冗余协议、高可用性无缝冗余协议或并行冗余协议被研发用于高可用性的、能冗余操作的工业通信网络。媒体冗余协议（MSR）在IEC62439标准中定义并且能够实现在有扰动地冗余传输消息的情况下对在具有简单的环形拓扑的网络中的各个连接失效进行补偿。根据媒体冗余协议，具有两个在环形拓扑之内的端口的交换机分配有冗余管理器，所述冗余管理器监控网络的连接失效并且必要时引入用于环路闭合（Ringschluss）的交换措施。在正常的操作状态下，冗余管理器借助于测试消息来检查，在环形拓扑之内是否出现中断。然而，与冗余管理器相关联的交换机通常不将具有有效数据的消息从一个端口转发给其他端口。因此防止了具有有效数据的消息在环形拓扑之内持续地循环。如果在环形拓扑之内交换机或连接失效，那么从端口发出的测试消息不再在相应的其他端口上被接收。据此，冗余管理器能够识别出失效并且在失效的情况下将具有有效数据的消息以不同于正常的操作状态的方式从一个端口转发给其他端口并且反之亦然。此外，冗余管理器安排通知其余的交换机关于由失效所引起的拓扑改变。以这种方式避免：消息经由失效的连接进行传输。

原则上，能够以相对小的耗费实现有扰动的媒体冗余方法。然而不利的是，一方面在错误情况下消息可能会丢失，并且另一方面在重新配置通信网络期间首先存在故障状态。这种故障状态必须通过更高级别的通信协议，例如借助于网络层或传输层上的TCP/IP（传输控制协议/因特网互联协议）来进行保护，以便避免通信连接的中断。

PROFINET（IEC61158类型10）也引用媒体冗余协议作为在具有环形拓扑的通信网络之内的有扰动的媒体冗余方法。与此相对，有计划地复制媒体冗余（MRPD）提供了对无扰动地传输同步的实时数据的扩展。然而，有计划地复制媒体冗余不是与应用无关的无扰动的媒体冗余方法，而是PROFINET的特殊扩展。

在IEC 62439-3标准中定义高可用性无缝冗余协议（HSR）和并行冗余协议（PRP），并且能够以极短的恢复时间实现消息的无扰动冗余传输。根据高可用性无缝冗余协议和并行冗余协议，由进行发送的通信设备复制每个消息，并且将其以两种不同的路径发送到接收器。通过接收器侧的通信设备，从接收数据流中过滤掉代表副本的冗余消息。

在EP 2 282 452 A1中描述一种用于在环型通信网络内进行数据传输的方法，在所述方法中根据高可用性无缝冗余协议来进行数据传输，并且通信网络包括至少一个主节点、一个源节点和一个目标节点。每个节点具有带有相应的第一和第二相邻节点的第一和第二通信接口。此外，每个节点经由第一通信接口接收数据帧，并且将所接收到的数据帧更改或未经更改地经由第二通信接口无额外延迟地进行转发。主节点将第一和第二冗余的数据帧或空的数据帧发送给其第一或第二相邻节点。在接收到两个冗余的数据帧时，源节点在预定的保留区域中以过程数据来填充相应的数据帧。随后，每个已填充的数据帧立即并且单独地转发给源节点的第一或第二相邻节点。最终，目标节点从冗余的数据帧对中的所接收到的已填充的第一数据帧中提取过程数据。

从EP 2 413 538 A1中已知一种用于在通信系统中进行冗余通信的方法，所述通信系统包括多个通信网络。通信网络经由至少一个耦合节点相互连接。基于在数据传输之前限定的信息阻止源自第一通信网络的数据从第二通信网络向回传输到第一通信网络中。

在IEC 62439-3标准中，基于在无线通信系统中的比较长的延迟时间和由其所引起的非确定性的传输行为，至今为止仅为并行冗余协议（PRP）规定有线连接的传输路径。在Markus Rentschler，Per Laukemann，IEEE 2012的“Towards a Reliable ParallelRedundant WLAN Black Channel”中，在PRP通信网络中检验WLAN传输路径的适用性。借助于对于例如空间、时间和频率的不同的分集技术的并行应用能够在WLAN通信网络中充分地补偿随机信道衰落的影响。

发明内容

本发明基于的目的是，实现一种具有无线传输路径的能冗余操作的通信系统，所述通信系统适合于应用在工业自动化系统中，以及提出用于这样的通信系统的组件和一种用于操作所述通信系统的方法。

根据本发明，所述目的通过在本文中提出的通信系统、网络节点以及方法来实现。本发明的有利的改进方案在下文中说明。

根据本发明的通信系统包括多个冗余地连接到工业通信网络上的通信设备，所述通信设备分别具有至少一个第一和第二发送和接收单元。待冗余传输的消息的传递优选根据高可用性无缝冗余协议或根据并行冗余协议来进行。两个发送和接收单元分别具有用于工业通信网络的网络连接的接口以及相同的网络地址。信号处理单元与第一和第二发送和接收单元连接，信号处理单元具有用于将待发送的消息并行转发给两个发送单元的多路复用器单元和用于处理由两个接收单元所接收到的消息的冗余处理单元。冗余连接的通信设备的信号处理单元例如能够借助于现场可编程门阵列来实现。冗余处理单元包括设立为用于检测所接收到的冗余的消息的过滤器单元。

此外，根据本发明的通信系统具有多个与工业通信网络相关联的网络基础设施设备，所述网络基础设施设备分别具有多个发送和接收单元以及将网络基础设施设备的发送和接收单元相互连接的耦合元件。网络基础设施设备的耦合元件例如能够是高速总线或具有所配设的控制器的背板式交换机。工业通信网络包括多个用于无线消息传输的发送和接收站。例如，能够设有第一和第二发送和接收站，其中第一发送和接收站是基站并且第二发送和接收站是能与基站连接的无线通信设备。

此外，根据本发明，工业通信网络包括多个用于在网络节点上有线地接收到的并且由所述网络节点待无线发送的消息元素的缓冲存储单元。缓冲存储单元例如能够分配给网络基础设施设备、用于无线消息传输的发送和接收站并且优选构造为环形缓冲区。此外，缓冲存储单元分别具有最大缓存大小并且构成和设立为，使得在超过最大缓存大小时，将在相应的缓冲存储单元中存在的最旧的消息元素从缓冲存储单元中删除。最旧的消息元素例如对应于在所有存在于相应的缓冲存储单元之中的消息元素中首先插入到缓冲存储单元中的消息元素。

此外，根据本发明，缓冲存储单元构成和设立为，使得在超过最大缓存大小之前，将最旧的消息元素选作下一个待无线发送的消息元素。以这种方式，在应用无线传输路径时能够避免在能冗余操作的工业通信系统中的所不允许的高的延迟时间。

依照根据本发明的通信系统的一个特别优选的设计方案，缓冲存储单元构成和设立为，使得在超过预设的允许时效时从相应的缓冲存储单元中删除消息元素。这有助于进一步缩短延迟时间。

彼此冗余的消息优选通过统一的序列号来标识，其中冗余连接的通信设备的信号处理单元设立为用于将序列号分配给待冗余传输的消息。此外，信号处理单元分配有存储单元，所述存储单元设立为用于存储已经无错地接收到的消息的序列号。在这种情况下，冗余处理单元优选设立为用于在接收到新的消息时检查已经被存储的序列号。这能够实现特别有效地处理冗余的消息。

根据本发明的用于上述能冗余操作的工业通信系统的网络节点包括至少一个用于接收有线传输的冗余的消息的接收单元和至少一个用于发送待无线传输的冗余的消息的发送单元。此外，设有与接收单元连接的和与发送单元连接的用于有线地接收到的且待无线发送的消息元素的缓冲存储单元。缓冲存储单元具有最大缓存大小并且构成和设立为，使得在超过最大缓存大小时，将存在于相应的缓冲存储单元中的最旧的消息元素从缓冲存储单元中删除。此外，缓冲存储单元构成和设立为，使得在超过最大缓存大小之前，将最旧的消息元素选作下一个待无线发送的消息元素。根据本发明的网络节点例如能够包括网络基础设施设备，如交换器、集线器、路由器或网桥；无线基站，如WLAN接入点；或者包括无线通信设备，如移动WLAN客户端，并且在与其他相应地构成的网络节点共同作用下能够实现有效地限制在PRP或HSR通信网络中应用无线传输路径时的延迟时间。

依照根据本发明的用于冗余操作工业通信系统的方法，将多个通信设备冗余地连接到工业通信网络上。在此，通信设备分别具有至少一个第一和第二发送和接收单元，所述第一和第二发送和接收单元分别包括用于所述工业通信网络的网络连接的接口。两个发送和接收单元具有相同的网络地址。此外，通信设备分别包括与第一和第二发送和接收单元连接的信号处理单元，所述信号处理单元将待发送的消息并行地转发到两个发送单元上并且检测由接收单元接收到的冗余的消息。待冗余传输的消息优选根据高可用性无缝冗余协议或根据并行冗余协议来传递。

此外，根据本发明，设有多个与工业通信网络相关联的网络基础设施设备，所述网络基础设施设备分别包括多个发送和接收单元和将网络基础设施设备的发送和接收单元相互连接的耦合元件。在工业通信网络中，消息传输至少部分无线地借助于多个发送和接收站进行。此外，工业通信网络包括多个用于在网络节点上有线地接收到的且由所述网络节点待无线发送的消息元素的缓冲存储单元。缓冲存储单元分别具有最大缓存大小。根据本发明，在超过最大缓存大小时，将存在于相应的缓冲存储单元中的最旧的消息元素从缓冲存储单元中删除。最旧的消息元素优选对应于在所有存在于相应的缓冲存储单元之中的、首先插入到缓冲存储单元中的消息元素。在超过最大缓存大小之前，将最旧的消息元素选作下一个待无线发送的消息元素。以这种方式，尤其能够在PRP和HSR通信网络中避免所不允许的高的延迟时间。

除了上述措施或方法步骤以外，能够改变尤其是应用在安全级（根据OSI参考模型的层2）上的媒体访问控制协议（Medienzugriffsprotokolle），如CSMA/CA，使得待发送的报文在短的重试时间之后就已经被丢弃。此外，运行时间差也能够通过应用iPCF协议（工业点协调功能industrial Point Coordination Function）来限定。为了相对于运行时间差来提高公差，也能够增加用于彼此冗余的消息的序列号的长度。依照根据本发明的方法的另一优选的设计方案，彼此冗余的消息通过统一的序列号来标识。例如，冗余连接的通信设备的信号处理单元将序列号分配给待冗余传输的消息。依照根据本发明的方法的另一设计方案，信号处理单元分配有存储单元，所述存储单元存储已经无错地接收到的消息的序列号。在此，冗余处理单元有利地对接收到的新的消息检查已经被存储的序列号。

此外，能够有利地调整无线网络组件的配置，使得允许相应于PRP或HSR报文的可能的最大报文长度。当在超过预设的允许时效的情况下从相应的缓冲存储单元中删除消息元素时，依照根据本发明的方法的另一设计方案得出延迟时间的进一步的限制。

附图说明

在下文中，借助于附图详细阐述本发明的一个实施例。附图示出：

图1示出具有多个冗余连接到工业通信网络上的网络设备的能冗余操作的工业通信系统，

图2-6示出在不同的填充状态下的用于根据图1的通信系统的网络节点的环形缓冲区的示意图。

具体实施方式

在图1中示出的工业通信系统包括多个冗余地连接到两个子网1、2上的通信设备11-14，在本实施例中所述通信设备具有相同的设计。示例地，详细地示出冗余连接的通信设备11，所述通信设备能够被分配给SCADA系统110（数据采集与监视控制系统SupervisoryControl and data Acquisition），并且与所述SCADA系统经由互联端口117连接。在本实施例中，其余的冗余地连接的通信设备12-14在现场级上分配给工业自动化系统的传感器或执行器系统，例如分配给生产机械人120、用于传送系统的驱动器130、或分配给在生产线上的操纵和观察站140。

冗余连接的通信设备11-14分别具有第一和第二发送和接收单元111-112、121-122、131-132、141-142，所述第一和第二发送和接收单元分别包括用于到两个冗余的子网1、2中的一个的网络连接的接口。在此，冗余连接的通信设备11-14的两个发送和接收单元111-112、121-122、131-132、141-142具有相同的IP地址。

在示例性地示出的通信设备11中，借助于现场可编程门阵列实现的信号处理单元113与第一和第二发送和接收单元111-112连接，所述信号处理单元包括用于将待发送的消息并行转发给两个发送单元111-112的多路复用器单元114。此外，为了处理由两个接收单元111-112接收到的消息而设有冗余处理单元115，所述冗余处理单元包括用于检测接收到的冗余的消息的过滤器单元116。在本实施例中，待冗余传输的消息根据并行冗余协议来传递。原则上，根据高可用性无缝冗余协议的传递是可行的。随后的实施方案类似地适用于此。

彼此冗余的消息通过统一的序列号来标识。在此，冗余连接的通信设备11-14的信号处理单元将序列号分配给待冗余传输的消息。此外，信号处理单元分配有存储已经无错地接收到的消息的序列号的存储单元。在此基础上，冗余处理单元为了检测接收到的冗余的消息而对接收到的新的消息检查已经被存储的序列号。

两个冗余的子网1、2分别包括多个相关的网络基础设施设备21-23，在本实施例中是网桥或交换机。对于子网1，这在图1中示例性地详细示出。网络基础设施设备21-23分别包括多个发送和接收单元211-214和将发送和接收单元211-214相互连接的耦合元件215。为了更简单的概览，这在图1中仅对于网络基础设施设备21详尽地示出，然而这也适用于两个其他的网络基础设施设备22-23。在本实施例中，网络基础设施设备21的耦合元件215通过具有相关联的控制器216的背板式交换机来实现。

沿在子网1中的传输路径，根据图1，在基于WLAN的两个无线电站31-32之间无线地交换消息。在此，网络基础设施设备21和无线电站32与一个网络节点相关联。网络基础设施设备21和无线电站31分别分配有用于在网络节点上有线地接收到的且由所述网络节点待无线发送的消息元素的缓冲存储单元217、311。所述缓冲存储单元217、311优选构成为环形缓冲区，并且分别具有预设的最大缓存大小。

在图2和3中，对于缓冲存储单元311示例性地示出：在超过最大缓存大小之前，分别将最旧的数据帧FRM1选作下一个待无线发送的数据帧41。这也适用于在接收到数据帧FRM3之后作为最新的有线传输的数据帧40。在图2和3中，分别作为下一待无线发送的所述数据帧41以阴影的方式示出。最旧的数据帧FRM1对应于在所有存在于缓冲存储单元311中的数据帧FRM1、FRM2、FRM3之中首先插入到缓冲存储单元中的数据帧。

根据图4至6，在接收数据帧FRMn+1、FRMn+2作为最新的有线传输的数据帧40之后超过最大缓存大小（n）时，将相应的存在于缓冲存储单元311中的最旧的数据帧FRM1、FRM2从缓冲存储单元311中删除。在图4至6中以更密的阴影的方式示出相应的作为下一个待删除的数据帧42。在接收数据帧FRMn+1之前——即在接收数据帧FRMn之后——所述下一个待删除的数据帧是FRM1（图4）。在接收数据帧FRMn+1之后，所述待删除的数据帧是数据帧FRM2（图5），并且在接收数据帧FRMn+1之后，所述待删除的数据帧是FRM3（图6）。除了所描述的、不同于FIFO（先进先出）机制的环形缓冲区机制以外，根据一个优选的实施形式，在超过预设的允许时效时，从相应的缓冲存储单元中删除数据帧。

上述的实施例的特征不仅能够单独地实现，而且也能够以所描述的相互间的组合的形式实现。

Claims (18)

1.一种能冗余操作的工业通信系统，具有：

-多个冗余连接到工业通信网络上的通信设备，所述通信设备分别具有：

-至少一个第一发送和接收单元以及第二发送和接收单元，所述第一发送和接收单元以及第二发送和接收单元分别具有用于所述工业通信网络的网络连接的接口，其中这两个发送和接收单元具有相同的网络地址，

-与所述第一发送和接收单元以及所述第二发送和接收单元连接的信号处理单元，所述信号处理单元具有用于将待发送的消息并行转发给两个发送单元的多路复用器单元以及用于处理由两个接收单元所接收到的消息的冗余处理单元，其中所述冗余处理单元包括设立为用于检测所接收到的冗余的消息的过滤器单元，

-多个与所述工业通信网络相关联的网络基础设施设备，所述网络基础设施设备分别具有：

-多个发送和接收单元，

-将网络基础设施设备的所述发送和接收单元相互连接的耦合元件，

其特征在于，

-所述工业通信网络包括多个用于无线的消息传输的发送和接收站，

-所述工业通信网络包括多个用于在网络节点上有线地接收到的且由所述网络节点待无线发送的消息元素的缓冲存储单元，其中所述缓冲存储单元分别具有最大缓存大小并且构成和设立为，使得在超过所述最大缓存大小时，将存在于相应的所述缓冲存储单元中的最旧的消息元素从所述缓冲存储单元中删除，以及使得在超过所述最大缓存大小之前，将所述最旧的消息元素选作下一个待无线发送的消息元素。

2.根据权利要求1所述的通信系统，

其中所述缓冲存储单元构成为环形缓冲区。

3.根据权利要求1或2所述的通信系统，

其中所述最旧的消息元素对应于在所有存在于相应的所述缓冲存储单元中的消息元素之中首先插入到所述缓冲存储单元中的消息元素。

4.根据权利要求1或2所述的通信系统，

其中所述缓冲存储单元构成和设立为，使得在超过预设的允许时效时从相应的所述缓冲存储单元中删除消息元素。

5.根据权利要求1或2所述的通信系统，

其中彼此冗余的消息通过统一的序列号来标识，以及其中，冗余连接的通信设备的所述信号处理单元设立为用于将序列号分配给待冗余传输的消息。

6.根据权利要求5所述的通信系统，

并且其中所述信号处理单元分配有存储单元，所述存储单元设立为用于存储已经无错地接收到的消息的序列号，以及其中所述冗余处理单元设立为用于在接收到新的消息时检查已经被存储的序列号。

7.根据权利要求1或2所述的通信系统，

其中冗余连接的通信设备的所述信号处理单元借助于现场可编程门阵列实现。

8.根据权利要求1或2所述的通信系统，

其中网络基础设施设备的所述耦合元件是高速总线和/或具有相关联的控制器的背板式交换机。

9.根据权利要求1或2所述的通信系统，

其中根据高可用性无缝冗余协议和/或根据并行冗余协议来进行待冗余传输的消息的传递。

10.根据权利要求1或2所述的通信系统，

其中将缓冲存储单元分配给网络基础设施设备或用于无线消息传输的发送和接收站。

11.根据权利要求1或2所述的通信系统，

其中所述工业通信网络包括用于无线的消息传输的第一发送和接收站以及第二发送和接收站，并且所述第一发送和接收站是基站，以及其中，所述第二发送和接收站是能连接基站的无线通信设备。

12.一种用于根据权利要求1至11中的任一项所述的能冗余操作的工业通信系统的网络节点，所述网络节点具有：

-至少一个接收单元，以用于接收有线传输的冗余的消息，

-至少一个发送单元，以用于发送待无线传输的冗余的消息，

-与所述接收单元连接的且与所述发送单元连接的用于有线接收到的且待无线发送的消息元素的缓冲存储单元，所述缓冲存储单元具有最大缓存大小并且构成和设立为，使得在超过所述最大缓存大小时，将存在于相应的所述缓冲存储单元中的最旧的消息元素从所述缓冲存储单元中删除，以及使得在超过所述最大缓存大小之前，将所述最旧的消息元素选作下一个待无线发送的消息元素。

13.一种用于冗余操作工业通信系统的方法，其中

-将多个通信设备冗余连接到工业通信网络上，其中所述通信设备分别包括：

-至少一个第一发送和接收单元以及第二发送和接收单元，所述第一发送和接收单元以及第二发送和接收单元分别具有用于所述工业通信网络的网络连接的接口，其中两个发送和接收单元具有相同的网络地址，以及

-与所述第一发送和接收单元以及所述第二发送和接收单元连接的信号处理单元，所述信号处理单元将待发送的消息并行地转发给两个发送单元并且检测由所述接收单元接收到的冗余的消息，

-设有多个与所述工业通信网络相关联的网络基础设施设备，所述网络基础设施设备各自包括：

-多个发送和接收单元，以及

-将网络基础设施设备的所述发送和接收单元相互连接的耦合元件，

其特征在于，

-在工业通信网络中的消息传输至少部分无线地借助于多个发送和接收站进行，

-所述工业通信网络包括多个用于在网络节点上有线地接收到的且由所述网络节点待无线发送的消息元素的缓冲存储单元，其中所述缓冲存储单元分别具有最大缓存大小，

-在超过所述最大缓存大小时，将存在于相应的所述缓冲存储单元中的最旧的消息元素从所述缓冲存储单元中删除，

-在超过所述最大缓存大小之前，将所述最旧的消息元素选作下一个待无线发送的消息元素。

14.根据权利要求13所述的方法，

其中所述最旧的消息元素对应于在所有存在于相应的所述缓冲存储单元中的消息元素之中首先插入到所述缓冲存储单元中的消息元素。

15.根据权利要求13或14所述的方法，

其中在超过预设的允许时效时从相应的所述缓冲存储单元中删除消息元素。

16.根据权利要求13或14所述的方法，

其中彼此冗余的消息通过统一的序列号来标识，以及其中冗余连接的通信设备的所述信号处理单元将序列号分配给待冗余传输的消息。

17.根据权利要求16所述的方法，

并且其中所述信号处理单元分配有存储已经无错地接收到的所述序列号的存储单元，以及其中，所述冗余处理单元对所接收到的新消息检查已经被存储的序列号。

18.根据权利要求13或14所述的方法，

其中根据高可用性无缝冗余协议和/或根据并行冗余协议来传递待冗余传输的消息。