CN104880979B - 模块化工业自动化设备和经背板总线系统传输消息的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种模块化自动化设备和用于经由其背板总线系统传输消息的方法，模块化工业自动化设备具有：背板总线系统；多个连接到背板总线系统上的功能模块，所述功能模块分别包括通信网络适配器，用于实现通信协议栈的功能单元和与通信网络适配器联接的桥元件。此外，设有连接到背板总线系统上的路由器模块，所述路由器模块包括：通信网络适配器；与通信网络适配器联接的、用于实现路由器通信协议栈的功能单元并且对于每个功能模块而言分别包括联接元件。这样的联接元件将用于实现路由器通信协议栈的功能单元经由背板总线系统与相应的功能模块的桥元件联接。仅路由器模块的通信协议栈包括路由功能。

Description

模块化工业自动化设备和经背板总线系统传输消息的方法
技术领域
工业自动化系统用于监控、控制和调节尤其在制造自动化、过程自动化和建筑自动化领域中的技术过程，并且能够实现控制装置、传感器、机器和工业设施的运行，所述运行应尽可能自主地且不依赖人为干涉地进行。由于信息工程对包括大量联网的控制或计算机单元的自动化系统的持续增长的重要性，用于可靠地提供经由自动化系统分配的功能的方法对于提供监控、控制和调节功能而言越来越重要。
背景技术
在工业自动化系统的计算机单元或自动化设备之间的通信连接的中断能够造成不期望地或不必要地重复传输服务请求。这造成工业自动化系统的通信连接的附加的负荷，这能够导致其他的系统故障或错误。此外，未传输的或未完全传输的消息例如能够阻碍工业自动化系统转变到或留在安全的运行状态中。最终，这能够造成整个生产设施停止运转和昂贵的生产停机。在工业自动化系统中，特别的问题经常在具有相对多的、但是相对短的消息的消息通信中产生，由此使上述问题更严重。
从EP 1 188 93 B1中已知一种用于可编程逻辑控制器的接口模块，所述接口模块能够实现通过在工业自动化系统之外的通信设备或计算机单元将数据请求传输给可编程逻辑控制器，例如经由互联网传输。接口模块包括具有实时操作系统的处理器、通信网络接口和用于可编程逻辑控制器的背板总线系统的背板总线驱动器。此外，在接口模块中实现包括第一和第二协议栈的双协议栈以及客户端控制过程。客户端控制过程用于与双协议栈以及背板总线驱动器来进行通信并且发起数据请求。附加地，设有服务器控制过程，以便与双协议栈以及背板总线驱动器通信并且对数据请求进行响应。此外，协议控制过程用于，与双协议栈以及背板总线驱动器通信并且调用以及响应对协议栈提出的请求。第一协议栈设为用于非时间关键的消息，而时间关键的消息通过第二协议栈处理。
在US 2004/0114591 A1中描述一种可编程逻辑控制器，其包括背板总线系统以及与背板总线系统连接的模块，所述模块借助于互联网通信协议(IP)经由背板总线系统通信。在此，每个模块具有自身的IP地址。
为了将来自不同的子网的消息在两个连接到背板总线系统上的、分别与子网相关联的IP可用的模块之间基于IP经由背板总线系统传输，原则上能够为每个IP可用的模块设有自身的IP栈并且将背板总线系统作为自身的子网运行。在此情况下，对于每个IP可用的模块必须设有在背板总线系统上的单独的IP地址和路由功能。因此，在两个子网之间经由IP可用的模块和背板总线系统进行消息传输时，更确切地说在过渡到背板总线系统时和在从背板总线系统过渡时，总是处理两个完整的IP栈。
发明内容
因此，本发明所基于的目的在于，提供一种模块化的工业自动化设备，所述模块化的工业自动化设备能够实现经由自动化设备的背板总线系统有效地基于IP进行消息传输，以及提出一种用于消息传输的适合的方法。
根据本发明，所述目的通过模块化的工业自动化设备并且通过本文所述的方法来实现。本发明的有利的改进方案在下文中给出。
一种模块化工业自动化设备，具有：
-背板总线系统；
-多个连接到所述背板总线系统上的功能模块，所述功能模块分别包括
-通信网络适配器，
-用于实现通信协议栈的功能单元，和
-与所述通信网络适配器联接的桥元件，所述桥元件具有用于实现所述通信协议栈的所述功能单元的第一服务接入点和与所述背板总线系统相关联的第二服务接入点，
-其中所述功能模块的所述通信协议栈包括传输功能，并且其中路由功能从所述功能模块的所述通信协议栈去除；
-连接到所述背板总线系统上的路由器模块，所述路由器模块包括
-通信网络适配器，
-与所述通信网络适配器联接的、用于实现路由器通信协议栈的功能单元，和
-对于每个功能模块而言分别包括联接元件，所述联接元件将用于实现所述路由器通信协议栈的功能单元经由所述背板总线系统与相应的所述功能模块的所述第二服务接入点联接，
-其中仅所述路由器模块的通信协议栈包括路由功能。
一种用于经由根据1至10中任一项设计的模块化的工业自动化设备的背板总线系统来传输消息的方法，其中
-将在所述功能模块的所述通信网络适配器上接收到的消息根据其相应的目标MAC地址转发给相应的所述功能模块的所述桥元件的所述第一服务接入点和/或第二服务接入点，
-将转发给所述第一服务接入点的消息通过用于实现相应的所述功能模块的所述通信协议栈的所述功能单元处理，
-将转发给所述第二服务接入点的消息经由所述背板总线系统转发给所述路由器模块的分别相关联的联接元件并且通过用于实现所述路由器通信协议栈的所述功能单元对其进行处理。
根据本发明的自动化设备具有背板总线系统和多个连接到背板总线系统上的功能模块。功能模块分别包括通信网络适配器、用于实现通信协议栈的功能单元与通信网络适配器联接的桥元件。为了简单地匹配于应用特定的要求，用于实现通信协议栈的功能单元分别优选以软件的方式实现。桥元件具有用于实现通信协议栈的功能单元的第一服务接入点和与背板总线系统相关联的第二服务接入点。功能模块的通信协议栈包括传输功能，而路由功能从功能模块的通信协议栈去除。功能模块例如能够是模块化自动化设备的通信模块或中央单元。
此外，根据本发明的自动化设备具有连接到背板总线系统上的路由器模块，所述路由器模块包括通信网络适配器、与通信网络适配器联接的、用于实现路由器通信协议栈的功能单元，并且对于每个功能模块而言分别包括联接元件。连接元件将用于实现路由器通信协议栈的功能单元经由背板总线系统与相应的功能模块的第二服务接入点联接。仅路由器模块的通信协议栈包括路由功能。功能模块的通信协议栈和路由器协议栈优选是IP栈、尤其是TCP/IP栈或UDP/IP栈。此外，路由器模块的联接元件能够有利地设计为虚拟化的通信网络适配器。
与至今为止的解决方案相比，在根据本发明的自动化设备中不需要用于背板总线系统的显式的IP子网。这能够实现减低的管理耗费。此外，在根据本发明的自动化设备中，仅路由器模块具有路由功能，但是功能模块不具有路由功能。而在至今为止的解决方案中，每个功能模块必须有计划地且相对于彼此一致地管理单独的路由器单元。
根据本发明的自动化设备的有利的设计方案，通信网络适配器分别包括发送和接收单元以及用于对通信介质的访问进行控制的功能单元。桥元件优选分别是MAC桥。根据本发明的一个优选的设计方案，MAC桥分别以软件的方式实现。为了避免或减少经由背板总线系统的不必要的消息通信，依照根据本发明的自动化设备的另一设计方案，桥元件有利地分别包括在第二服务接入点上的消息过滤器单元。在此，根据所涉及的协议层，消息例如能够是数据段、数据包或数据帧。为了可靠地分配经由功能模块的通信协议栈处理的消息和经由路由器通信协议栈处理的消息，为每个服务接入点优选分别配设自身的MAC地址。
根据本发明的方法设为用于根据前述实施方案经由自动化设备的背板总线系统传输消息。在此，在功能模块的通信网络适配器上接收到的消息根据其相应的目标MAC地址转发给相应的功能模块的桥元件的第一或第二服务接入点。转发给第一服务接入点的消息通过用于实现相应的功能模块的通信协议栈的功能单元处理。而转发给第二服务接入点的消息经由背板总线系统转发给路由器模块的相应地相关联的联接元件并且通过用于实现路由器通信协议栈的功能单元处理。
依照根据本发明的方法的一个优选的改进方案，来自用于实现相应的功能模块的通信协议栈的功能单元的消息根据其相应的目标MAC地址传输给相应的功能模块的的通信网络适配器或路由器模块的分别相关联的联接元件。此外，依照根据本发明的方法的另一设计方案，来自用于实现路由器通信协议栈的功能单元的消息根据其相应的目标MAC地址经由分别相关联的联接元件传输给通信网络适配器或用于实现相应的功能模块的通信协议栈的功能单元。
附图说明
在下文中，根据附图借助于实施例详细阐述本发明。
附图示出具有多个连接到背板总线系统上的功能模块的模块化工业自动化设备的示意图。
具体实施方式
在附图中示出的自动化设备1具有背板总线系统100和两个连接到背板总线系统100上的功能模块101-102。在本实施例中，自动化设备1是可编程逻辑控制器。在此，可编程逻辑控制器的第一功能模块101是通信处理器，而第二功能模块102是控制中央单元。
两个功能模块101-102分别包括用于连接到单独的功能模块110、120上的通信网络适配器111、121。此外，两个功能模块101-102分别包括用于实现通信协议栈的协议功能单元113、123，所述协议功能单元经由通信网络适配器驱动器作为硬件抽象单元对相应的通信网络适配器111、121进行访问。协议功能单元113、123优选以软件的方式实现。
此外，两个功能模块101-102分别包括优选以软件的方式实现的MAC桥112、122，其分别将相应的通信网络适配器111、121不仅与背板总线系统110而且与相应的功能模块101-102的协议功能单元113、123联接。为此，每个MAC桥112、122提供用于相应的协议功能单元113、123的第一服务接入点和与背板总线系统110相关联的第二服务接入点。在此，为每个服务接入点配设有自身的MAC地址。附加地，MAC桥112、122在其第二服务接入点上分别具有集成的包过滤器单元。由此，例如能够将非路由广播滤除。这有利于减少经由背板总线系统的消息流量。
此外，在自动化设备1中集成有连接到背板总线系统110上的路由器模块103。路由器模块103包括通信网络适配器131，与通信网络适配器131联接的路由器功能模块134以用于实现路由器通信协议栈和用于每个通信模块101-102的各一个虚拟的通信网络适配器132-133。虚拟的通信网络适配器132-133能够在路由器模块103中在运行时动态地生成和去除。经由通信网络适配器131，路由器模块103连接到单独的IP子网130上。经由通信网络适配器驱动器，路由器功能单元134再次对路由器模块103的通信网络适配器131进行访问。路由器功能单元133优选以软件的方式实现。
在本实施例中，所有的通信网络适配器111、121、131分别包括发送和接收单元(PHY)以及功能单元(MAC)以用于对通信介质的访问进行控制。在应用IPv6时能够根据功能模块101-102的通信网络适配器111、121的规划推导出适合的路由器IP地址。
在本实施例中，不仅功能模块101-102的通信协议栈而且路由器协议栈也是IP栈。功能模块101-102的IP栈在没有IP路由功能的情况下运行。这仅为路由器模块的IP栈保留。此外，背板总线系统100不构成IP子网，而是仅用作在虚拟的通信网络适配器132-133和MAC桥112、122之间的连接。
在功能模块101-102的通信网络适配器111、112上接收到的消息根据其相应的目标MAC地址转发给相应的功能模块101-102的MAC桥112、122的第一或第二服务接入点。在此，通过相应的功能模块101-102的协议功能单元113、123处理转发给第一服务接入点的消息。而转发给第二服务接入点的消息经由背板总线系统110转发给路由器模块103的分别相关联的虚拟的通信网络适配器132-133，并且紧接着通过路由器功能单元对其进行处理。
来自协议功能单元113、123的消息根据其相应的目标MAC地址传输给相应的功能模块的通信网络适配器111、121或路由器模块103的分别相关联的虚拟的通信网络适配器132-133。此外，来自路由器功能单元134的消息根据其相应的目标MAC地址经由分别相关联的虚拟的通信网络适配器132-133传输给相应的功能模块101-102的路由器功能单元113、123或通信网络适配器111、121。
在通信网络计划方面，路由器模块103如并联于模块化的自动化设备连接到其IP子网上的独立的路由器那样表现。根据本实施例，代替如在至今为止的解决方案中分配到多个通信模块上那样，将在路由器模块103中的路由配置集中化。由此，一致性保障是可简单实现的。此外，通过模块化工业自动化设备的IP路由功能对功能模块101-102的固件的反作用被最小化，因为通过MAC桥112、122实现封装。路由器模块103的固件扩展或固件纠错原则上不需要MAC桥112-122的重新匹配。此外，路由器模块103能够借助可选的防火墙实现附加功能，而不需要功能模块101-102的固件变化。

Claims (14)

1.一种模块化工业自动化设备(1)，具有：
-背板总线系统(100)；
-多个连接到所述背板总线系统上的功能模块(101-102)，所述功能模块分别包括
-通信网络适配器(111，121)，和
-用于实现通信协议栈的功能单元(113，123)，
-连接到所述背板总线系统上的路由器模块(103)，所述路由器模块包括：
-通信网络适配器(131)，和
-与所述通信网络适配器(131)联接的、用于实现路由器通信协议栈的功能单元(134)，
其特征在于，
-所述功能模块(101-102)分别
-包括与所述通信网络适配器(111，121)联接的桥元件(112，122)，所述桥元件具有用于实现所述通信协议栈的所述功能单元(113，123)的第一服务接入点和与所述背板总线系统相关联的第二服务接入点，
-其中所述功能模块(101，102)的所述通信协议栈包括传输功能，并且其中路由功能(101，102)的所述通信协议栈不包括路由功能，-所述路由器模块(103)
-针对每个功能模块(101-102)而言分别包括联接元件(132，133)，所述联接元件将用于实现所述路由器通信协议栈的功能单元(134)经由所述背板总线系统与相应的所述功能模块的所述第二服务接入点联接，
-其中仅所述路由器模块(103)的功能单元(134)的通信协议栈包括路由功能。
2.根据权利要求1所述的自动化设备，
其中所述功能模块的所述通信协议栈和路由器协议栈是IP栈。
3.根据权利要求1或2所述的自动化设备，
其中所述通信网络适配器(111，121，131)分别包括发送和接收单元以及用于对通信介质的访问进行控制的功能单元。
4.根据权利要求3所述的自动化设备，
其中所述桥元件分别是MAC桥。
5.根据权利要求4所述的自动化设备，
其中所述MAC桥分别以软件的方式实现。
6.根据权利要求3所述的自动化设备，
其中所述桥元件分别包括在所述第二服务接入点上的消息过滤器单元。
7.根据权利要求6所述的自动化设备，
其中每个服务接入点分别配设有自身的MAC地址。
8.根据权利要求6所述的自动化设备，
其中所述联接元件设计为虚拟化的通信网络适配器。
9.根据权利要求6所述的自动化设备，
其中用于实现通信协议栈的所述功能单元(113，123)分别以软件的方式实现。
10.根据权利要求6所述的自动化设备，
其中所述功能模块包括所述模块化的自动化设备的通信模块和/或中央单元。
11.根据权利要求1所述的自动化设备，
其中所述功能模块的所述通信协议栈和路由器协议栈是TCP/IP栈或UDP/IP栈。
12.一种用于经由根据1至11中任一项设计的模块化的工业自动化设备(1)的背板总线系统(100)来传输消息的方法，其中
-将在所述功能模块(102-102)的所述通信网络适配器(111，121)上接收到的消息根据其相应的目标MAC地址转发给相应的所述功能模块的所述桥元件(112，122)的所述第一服务接入点和/或第二服务接入点，
-将转发给所述第一服务接入点的消息通过用于实现相应的所述功能模块的所述通信协议栈的所述功能单元(113，123)处理，
-将转发给所述第二服务接入点的消息经由所述背板总线系统(100)转发给所述路由器模块(103)的分别相关联的联接元件(132，133)并且通过用于实现所述路由器通信协议栈的所述功能单元(134)对其进行处理。
13.根据权利要求12所述的方法，
其中来自用于实现相应的所述功能模块(101，102)的所述通信协议栈的功能单元(113，123)的消息根据其相应的目标MAC地址传输给相应的所述功能模块(101，102)的所述通信网络适配器(111，121)或所述路由器模块(103)的分别相关联的所述联接元件(132，133)。
14.根据权利要求12或13所述的方法，
其中来自用于实现所述路由器通信网络协议栈的所述功能单元(134)的消息根据其相应的目标MAC地址经由分别相关联的所述联接元件(132，133)传输给所述通信网络适配器(111，121)或用于实现相应的所述功能模块(101，102)的所述通信协议栈的所述功能单元(113，123)。
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