CN105323131B - 网络、首用户及数据传输方法 - Google Patents

Abstract

在网络中，控制节点1是经由封闭环形的数据路径2而被连接至多个网络用户，其中所述网络用户形成链路，从所述控制节点开始、以首用户308作为所述链路的终端。所述环形的数据路径2于出站路程21和入站路程22上中转通过所述网络用户3，其中所述网络用户被设计为在所述出站路程上与所述入站路程上与在所述环形的数据路径上周期传送的数据消息进行数据交换。所述控制节点1是另外被设计为使得它于数据路径2上输出具有标识符的数据消息，其中所述链路中的首用户308具有过滤功能，以在数据消息于出站路程21上中转通过首用户308之后，使用规定的标识符来阻挡带有对应标识符的数据消息在入站路程上的进一步输送。首用户308进一步具有传输功能，以在规定的时刻于入站路程22上另外输出数据消息。

Description

网络、首用户及数据传输方法

技术领域

本发明与具有控制节点的网络及经由封闭环形数据路径而连接至控制节点的多个网络用户有关，数据路径通过出站路程与入站路程两者上的网络用户。本发明另外与形成从节点开始的网络用户链路终端的首用户有关。此外，本发明与这类网络的数据传输方法有关。

背景技术

在工业自动化中，使用串行总线系统于传感器/致动器能级和控制能级之间的通信。在工业自动化中也称为场总线的这种类型的串行总线系统承受关于传输速度与无误率的高通信要求。传感器/致动器级和控制器级具有在它们之间实时传输的过程状态，亦即传感器数据与致动器指令。这种数据交换通常都是周期性发生。然而，除了这种类型的周期性数据交换以外，在传感器/致动器级和控制器级之间也传输非周期性数据，以例如为了将参数传送至传感器/致动器级，或为了查询状态数据。

在场总在线的数据交换通常是基于主/从式原理来执行。主动总线用户(一般为控制级的控制节点)具有总线接入权限并且确定数据传送。对比地，传感器与致动器通常是被动总线用户，它们不被提供有总线接入权限，亦即，它们仅能应答接收到的信息信号、或在有来自控制节点的请求时将信息信号传送至控制节点。

信息信号一般由控制节点以数据消息的形式发送，数据消息是由控制数据与有用数据构成，数据消息优选地基于以太网标准而设计。与总线连接的传感器与致动器处理控制节点馈送至总在线的数据消息中的各自的装置所要的有用数据。

具有主/从结构的场总线系统通常是利用环形拓朴来设计，以避免复杂的布线，其中所有网络用户都连接至环形数据路径。控制节点产生的数据消息是通过控制节点馈送至数据路径中、并依次地中转通过与数据路径连串连接的其他网络用户，以接着由控制节点再次接收。

为了在网络中有高数据传输率，优选地是执行全复用模式。在这个情况中，环形数据路径是由出站路程与入站路程构成，它连接网络用户，且因此允许网络用户进行同时发送及接收。网络被设计为使得网络用户从控制节点开始形成链路，其中以首用户作为终端，环形数据路径是在出站路程和入站路程两者上中转通过网络用户。网络用户可接着在出站路程及入站路程两者上执行与控制节点馈送至数据路径上的数据消息的数据交换。

由于在以太网中数据传输率的增加，不断增加使用1Gbit/s的数据传输率来替代一般的数据传输率(100Mbit/s)，通过网络用户的数据消息的延迟时间在传感器/致动器能级和控制能级之间的数据交换速度上更为显著地增益。

在工业自动化中，使用经由网络的数据交换的控制通常会发生，使得控制节点周期性地执行控制过程，以基于传感器/致动器级的输入数据来确认传感器/致动器级的输出数据。在控制过程周期终止之后，控制节点以数据消息的形式发送输出数据，其中网络用户读取与各自的网络用户相关联的输出数据，然后使用这些输出数据来执行本地网络用户过程。以这些本地网络用户过程确认的数据接着通过由网络用户返回至控制节点，然后由控制节点使用作为下个控制过程周期的输入数据。

在这个情况中，来自控制节点输出的数据消息的输出数据是由网络用户于数据路径的出站路程上读入。网络用户提供的输入数据是在入站路径上被读入到控制节点发送的这个或另一个数据消息，并被反馈至控制节点。由于读出及读入数据期间通过网络用户的中转时间无法缩短至与网络中数据传输增加达相同程度，控制节点进行的控制过程的最短周期时间由环形数据路径上数据消息的周期时间而被渐增地确定，所述周期时间是基于通过网络用户的中转时间来取得。

发明内容

本发明的目的在于提供一种网络和用于此网络的数据传输方法，所述网络具有全复用模式的环形数据路径，所述数据传输方法可使控制过程的周期时间缩短。

上述目的是利用根据权利要求1所述的网络、根据权利要求10所述的用于此网络中的首用户、及根据权利要求11所述的传输方法而实现。优选的改良则于从属权利要求中具体指定。

根据本发明，在网络中，控制节点是经由封闭环形数据路径而连接至多个网络用户，其中网络用户形成链路，从控制节点开始，以首用户作为所述链路的终端。环形数据路径于出站路程和入站路程上中转通过网络用户，其中网络用户被设计为在出站路程上与在入站路程上执行与环形数据路径上周期性传送的数据消息的数据交换。控制节点是另外被设计为使得它于数据路径上输出具有标识符的数据消息，其中链路中的首用户具有过滤功能，以使用规定的标识符于数据消息在出站路程上中转通过首用户之后阻挡具有对应标识符的数据消息在入站路程上的进一步输送。首用户还具有传输功能，以在规定的时刻于入站路程上另外输出数据消息。

利用以全复用模式操作的网络中的首用户的设计(具有两种附加功能：用以在数据路径的出站路程上中转之后从数据路径中移除特定数据消息的过滤功能、以及用以在规定时刻将附加数据消息输出至数据路径的入站路程上的传输功能)可缩短网络中控制周期的处理数据的中转时间。

用以将控制周期中的处理数据从控制节点传输至传感器/致动器级的网络用户的数据消息不再反馈至控制节点，理由是在数据路径的出站路程上中转之后，首用户基于数据消息的标识符而过滤出数据消息。首用户输出至入站路程上的独立数据消息被使用来收集数据路径的入站路程上的网络用户的处理数据，而非使用控制节点发送的数据消息。

将处理数据写入传感器/致动器级、及从传感器/致动器级读取处理数据可因此而彼此独立地进行，因为相关联的数据消息是独立的，且由传感器/致动器级的网络用户在数据路径的不同路程上处理。这造成了可在最佳时刻于传感器/致动器能级中对处理数据执行读取与写入操作的选择，例如包括利用覆盖，并且因此缩短了控制过程周期的处理数据的中转时间，这允许在工业自动化中的控制过程有更快速的性能。

当控制节点被设计为周期性执行控制过程以在网络用户的输入数据的基础上确认针对网络用户的输出数据时，特别可得到这个优点，其中，在控制过程终止之后，控制节点将具有写入数据消息形式的输出数据输出至数据路径的出站路程上。在写入数据消息于数据路径的出站路程上中转时，网络用户接着从写入消息中读取与各自的网络用户相关联的输出数据。每一个网络用户依序取得输出数据作为周期性执行本地网络用户过程的基础，其中，接着从这个网络用户过程得到控制节点的下一个控制过程周期的输入数据。

在写入数据消息中转之后，在链路中的首用户阻挡写入数据消息、并防止数据路径的入站路程上的进一步输送。此外，首用户在规定时刻于数据路径的入站路程上输出读取数据消息，其中，在读取数据消息于数据路径的入站路程上中转时，网络用户将针对下一个控制过程周期的网络用户输入数据写入读取数据消息中。由于写入数据消息并不阻挡数据路径的入站路程，首用户传输读取数据消息时的合适定时允许利用覆盖来于传感器/致动器级中读入及读出数据。因此可缩短控制节点的控制过程所需的处理数据的中转时间，并且可减少该控制过程的周期时间。

首用户将读取数据消息输出至数据路径的入站路程上的时刻优选地选择为使得与读取数据消息中的网络用户相关联的数据区域仅在网络用户过程终止之后才运行通过相关的网络用户。这种由首用户以时间协作形式进行读取数据消息的传输可确保针对控制节点的下一个控制过程周期的输入数据被可靠地取出。

为控制节点的控制过程缩短处理数据的中转时间可另外地通过控制节点将输出数据设置在写入数据消息中而实现，使得网络用户的输出数据是以沿数据路径上的链路中的网络用户顺序相反的顺序来分类，其中首先是首用户的输出数据。利用输出数据在写入数据消息中的这种分类，与各别网络用户相关联的输出数据在实质相同时间中转通过网络用户。网络用户可因此实质上同时地读入他们的输出数据，并开始本地网络用户过程。在那样的情况下，从网络用户过程得到的控制节点的下一个控制过程周期的输入数据也为早期可用，并可利用首用户传输的读取数据消息而取出。

控制节点还另外被设计为使得单独的查验总和可针对来自每一个网络用户的输出数据而被确立，并与来自每一个网络用户的输出数据一起被包括在写入数据消息的传输中。在接收到其输出数据之后，网络用户可接着使用查验总和立即决定数据传输是否已经以无误差形式实现，并且因此不需要等待整个写入数据消息的中转，以执行这个查验并接着开始相关的网络用户过程。

另外有利的是若首用户将为网络用户提供的数据区域设置于读取数据消息中，这使得网络用户的输入数据是以链路中网络用户的顺序而被分类到读取数据消息，其中首用户的输入数据为最后。这种读取数据消息设计提供了优化取出操作的定时的机会，所述取出操作是针对由网络用户对控制节点的下一个控制周期提供的输入数据，特别是当从本地网络用户过程取得的这些输入数据实质上为同时可用时。输入数据可接着实质上并行地被耦合至读取数据消息中，这使得处理数据中转时间及控制周期可被进一步缩短。

作为用于查验寻址的网络用户是否正确处理了来自控制节点的数据消息的安全措施，由控制节点传输的数据消息被提供有寄存器字段，寄存器字段含有起始值。每一个网络用户都被设计为使得它可增量与对应的数据消息进行数据交换的寄存器字段。在首用户于出站路程上利用规定的标识符进行阻挡以免进一步于入站路程上输送的数据消息的情况中，首用户可接着读取被阻挡的数据消息的寄存器字段的值，并且缓存这个值。所缓存的值接着在稍后时刻与首用户输出至入站路程上的数据消息一起被发送至控制节点。控制节点可接着使用寄存器字段的值，以建立网络用户是否已经正确地处理了由首用户过滤出的数据消息。

在首用户中，附加的功能(即，过滤功能与传输功能)可加以调整，这优选地经由首用户的可组态的消息内存来完成。消息内存含有需要被阻挡而不于数据路径的入站路程上转发的数据消息的标识符、以及于入站路程上输出数据消息的规定时刻。这个可组态的消息内存为控制节点提供了机会，针对要执行的控制过程而以最佳形式来调整首用户，以缩短控制过程的处理数据到数据路径所需的中转时间。

为了避免数据消息(特别是在入站路程上)之间的冲突，首用户另外具有被设计为缓存由控制节点非周期性发送的数据消息(若由控制节点非周期性发送的数据消息在数据路径的入站路程上的转发与由首用户在入站路程上传送的数据消息冲突时)的缓冲储存器。这种方式确保实时处理能力需要的周期性数据交换能够被可靠地且无错误地执行。

附图说明

将参考附图来更详细说明本发明。

图1显示根据本发明的网络的示意说明，所述网络具有控制节点和经由封闭环形数据路径而连接到控制节点的八个网络用户的链路；

图2显示图1所示网络中的数据传输流程控制的第一具体实施方式；

图3显示图1所示网络中的数据传输流程控制的第二具体实施方式；

图4显示首用户中的消息内存的具体实施方式；及

图5显示在图1所示网络中的数据传输流程控制的第三具体实施方式。

具体实施方式

在工业自动化中使用网络以将致动器/传感器级的分布设置的装置连接至控制级。也称为场总线系统的网络通常具有可以是例如电线、光纤或无线缆线的串行总线。所有网络用户都连接到这个总线，区别是在于主动与被动总线用户。

场总线系统中的主动网络用户是调节串行总在线的数据流量的控制节点。这种控制节点为工业PC，它被使用作为例如生产在线的过程控制计算机。控制节点具有总线接入权限，且可在无外部请求下将数据输出到串行总在线。被动网络用户则为机器外围装置，例如I/O装置、阀、驱动器、传感器、换能器等。它们通常不具有总线接入授权，意即，它们仅能应答接收到的数据、并在请求时经由总线传输数据。

用于场总线系统中的数据传输的通信标准优选地是以太网标准。在以太网网络中，要被传输的数据被包封为数据分组的形式，因此也被称为是数据消息。以太网消息可具有达1500字节(byte)的数据长度，其中有具有起始标识符的控制数据，且除了有用数据以外还可包括目的与来源地址、数据分组类型及误差机制。

以太网的一种优选拓朴为环形总线系统，其中，于再次抵达控制节点之前，数据消息是从控制节点被路由通过总在线的所有网络用户。为了实现高数据传输率，特别是吉比特(Gigabit)的数据传输率，以太网网络优选地以全复用模式操作。为此目的，在以太网网络中的数据路径在出站与入站方向中具有单独的传输，因此能针对网络用户同时进行发送与接收。

在这个情况下，网络用户形成了从控制节点开始的链路，在环形数据路径上的出站路程与入站路程在最后的网络用户之后被缩短，因此也被称为首用户。网络用户接着被设计为使得其在出站路程与入站路程上能执行与中转至环形数据路径上的数据消息的数据交换。举例而言，以以太网原理为基础进行操作的这种场总线系统为以太网控制自动化技术(EtherCat)总线，以下将以它为基础来说明本发明。然而，本发明也可使用于其他总线系统的情形中，特别是例如工业以太网ProfiNet系统。

为了能够使用场总线系统于自动化工程中执行快速调节操作，一个目的是实现要在控制节点与其余网络用户之间进行交换的有用数据的短中转时间。在总在线高数据传输率时，通过网络用户的中转时间是不断地增加限制因素。控制过程的最短周期时间是与控制节点何时针对下一个周期接收以来自先前周期的输出数据为基础的输入数据有关。

在控制周期终了时，控制节点以数据消息的形式在数据路径的出站路程上输出控制过程输出数据，网络用户在数据路径的出站路程上中转期间读入与各自的网络用户相关联的输出数据。网络用户接着基于已经读入的输出数据执行本地网络用户过程，以确认针对控制节点的下一个控制过程周期的输入数据。这些输入数据接着通常被写入由控制节点输出的数据消息、或是被写入由控制节点、由入站路程上的网络用户发送的另一个数据消息。在接收数据消息之后，控制节点接着在下一个控制过程周期中处理输入数据。因此，数据消息于网络中的所有网络用户中转两次，在数据路径的出站路程上以对网络用户写入前一个控制周期的输出数据，及在入站路程上以读入针对下一个控制周期的输入数据。

根据本发明，为了缩短控制过程所需数据通过网络的中转时间，采用的过程会使得控制节点提供在数据路径上输出的、具有标识符的数据消息，而首用户(从网络用户的链路中的控制节点观看时形成链路的终端)具有附加的功能，也就是为了在数据消息中转通过出站路程上的首用户时使用规定的标识符来防止具有对应标识符的数据消息于入站路程上进一步输送的过滤功能，以及为了要在规定时刻于入站路程上独立地输出数据消息的通信功能。

这种方式为数据消息提供了写入来自控制过程的输出数据、及为下一个控制过程读取在物理上彼此隔绝且在独立时间执行的输入数据的机会。数据消息仅中转通过每一个网络用户一次，写入数据消息于数据路径的出站路程上中转通过网络用户，而读取数据消息是在入站路程上中转通过网络用户。在时间控制下，读取与写入数据消息的发送可最佳地协作到控制过程的周期时间。

网络中的控制过程是以下述方式执行。在控制过程周期终止之后，控制节点以写入数据消息的形式于数据路径的出站路程上输出所述输出数据，在写入数据消息于数据路径的出站路程上中转时，网络用户从写入数据消息读取与各自的网络用户相关联的输出数据。每一个网络用户接着以已经被读取的输出数据执行本地网络用户过程。接着由链路中的首用户利用由这个首用户输出至数据路径的入站路程上的读取数据消息收集从这个网络用户过程产生的输入数据，这些输入数据被馈回控制节点。首用户同时使用写入数据消息的标识符来阻挡写入数据消息在入站路程上中转之后的进一步输送。

图1示意显示上述网络设计。网络具有控制节点1，由八个网络用户3(在图1中被连续标示为301、302、…、308)组成的链路经由数据路径2而连接至控制节点1。数据路径2具有出站路程21与入站路程22。控制节点1具有传输单元TX11和接收单元RX12。传输单元TX11经由第一埠而连接至出站路程21，且接收单元RX12经由第二埠而连接至入站路程22。此外，控制节点1含有经由控制线路而与传输单元TX11和接收单元RX12连接的控制单元13。

所示的八个网络用户3中的每一个都具有(如图1中放大视图所示)第一埠与第二埠，第一端口具有第一接收单元RX31以经由出站路程21接从前一个网络用户接收数据消息，第二端口具有第一传输单元TX32以经由出站路程21转发至下一个网络用户。此外，每一个网络用户都具有第三端口与第四埠，第三端口具有第二接收单元RX33以经由入站路程22从前一个网络用户接收数据消息，第四端口具有第二传输单元TX34以经由入站路程22转发至后续的网络用户。在第一接收单元RX31与第一传输单元TX32之间、以及在第二接收单元RX33与第二传输单元TX34之间，处理单元35与连接第一接收单元RX31与第一传输单元TX32、及连接第二接收单元RX33与第二传输单元TX34的连接线路连接，以于数据路径2的出站路程21和入站路程22上执行与中转的数据消息的数据交换。

数据路径2的出站路程21与入站路程22通过链路中的最后网络用户(首用户308)而缩短。首用户308具有与一般网络用户类似的设计，且如图1的详细视图所示，它还另外具有可编程内存区域36，可编程内存区域36具有消息内存361、第一缓存储存器362与第二缓存储存器363。可编程内存区域36可以是通常已置于每一个网络用户3中、且优选地集成于处理单元35中的内存的部分。因此原则上可有使用任何网络用户作为首用户308的选项。在首用户308处，第一传输单元TX32和第二接收单元RX33彼此连接以为数据路径2的出站路程21与入站路程22设置短路23。

图1另示出控制节点1将写入数据消息5输出至数据路径2的出站路程21上，同时首用户308于入站路程上发送读取数据消息6。两个数据消息优选地具有相同的数据结构、且由具有接收标识符的表头、目标和来源地址、数据区域、以及包括分组长度和错误辨识机制的尾部构成。

为了执行控制任务，于表头与尾部之间的数据消息的数据区域含有控制任务所需的处理数据。在这个情况下，控制节点1输出的写入数据消息5说明了在控制过程周期终止之后的过程图，其中针对连接的网络用户而包括有控制过程中确认的输出数据。相较之下，读取数据消息5被用以收集针对控制节点1下一个控制过程周期的输入数据，输入数据是由网络用户3基于来自先前控制过程周期的输出数据确认。

在已经于出站路程21上中转通过所有网络用户3之后，于移除有用数据之后，首用户308擦除来自控制节点1的写入数据消息5。此外，首用户308在时间控制下将读取数据消息6输出至入站路程22上，包括首用户308的所有网络用户3将为控制节点1提供的有用数据写至该读取数据消息。

网络中的首用户308的附加过滤与传输功能使处理数据的写入和读取能够以单独数据消息而彼此独立地执行，这些数据消息中的每一个仅需要在数据路径2的出站路程21上、或在入站路程22上中转通过每一个网络用户3一次。这种方式可缩短网络的处理数据的中转时间。特别是，通过首用户308的传输功能的适当控制，存在为下一个控制过程周期读取来自网络用户3的输入数据的最佳基础时刻的选择，输入数据是在所述时刻由网络用户3提供。

使用读取与写入数据消息的处理数据交换可以图2所示方式进行。图2示出在由控制节点1的控制单元13执行的控制过程Task1的两次周期之间的处理数据交换。在时刻T10，执行控制过程Task1的第一周期。在控制过程终止之后为网络用户3可用的输出数据Out1接着被控制节点1的控制单元13转换为写入数据消息5，每一个网络用户已经被指定数据区域中的数据片段：第一数据片段被指定给第一网络用户301，第二数据片段被指定给第二网络用户302等。

在时刻T11，控制节点1开始将写入数据消息5输出至出站路程21上。在时刻T12，控制节点1已经发送完整的写入数据消息5。写入数据消息5接着呈现在链路中控制节点1下游的第一网络用户301上，且在时刻T121时已经在该处完全被接收。在写入数据消息5中转上，网络用户301移除网络用户的写入数据消息中提供的输出数据Out11，并将写入数据消息5转发至下一个网络用户302。网络用户301使用移除的输出数据Out11来起始本地网络用户过程T1，接着从本地网络用户过程T1得到针对控制单元1的下一个控制过程周期的网络用户301的输入数据In11。在时刻T122，写入数据消息5接着被完整地呈现于用户302，用户302移除相关联的输出数据Out12并起始本地网络用户过程T2。针对链路中所有其他网络用户302、…、307都重复相同操作，直到首用户308。在时刻T128，如图2所示，首用户308将接着接收完整的写入数据消息5。首用户308接着从写入数据消息5中移除相关联的输出数据，并且起始本地网络用户过程T8。

在这个例子中，单独的网络用户的本地网络用户过程T1、…、T8的过程周期可以具有相同长度，如图2所示。然而，他们也可具有不同的周期持续时间。如图2所示，在已经读入输出数据之后，本地网络用户过程可由各自的网络用户立即起始。然而，可替代地，也有可在时间控制下在相同时刻起始本地网络用户过程的选择。此外，被指定给每一个网络用户的数据片段可在写入数据消息5的数据区域中以任何顺序排列。

在已经中转通过出站路程21上所有网络用户之后，来自控制节点1的写入数据消息5由首用户308利用其标识符过滤出，并且不再经由入站路程22上的第一传输单元TX32与第二接收单元RX33之间的首用户308的输出端的短路23而馈回控制节点1。对于由首用户308于入站路程22上发送的读取数据消息6，因此没有与写入数据消息5冲突的危险。

在时刻T14，如图2所示，所有网络用户3已经终止它们的本地网络用户过程。首用户308接着也开始在此时刻T14输出读取数据消息6，所述读取数据消息在数据路径2的入站路程22上被传输通过所有网络用户3而至控制节点1。对于每一个网络用户3，读取数据消息6的数据区域含有数据片段，相关的网络用户可在其中为控制节点1的下一个控制过程周期从本地网络用户控制过程读入它的输入数据In11、…、In18。第一数据片段被指定给首用户308，第二数据片段被指定给第七网络用户307等。由于只有当所有本地网络用户过程T1、…、T8都在末端且要读入的输入数据In11、…、In18都是可用的时候才发送读取数据消息6，因此对于指定给每一个网络用户的数据片段而言，如在写入数据消息5的情况中，也可以任何顺序被设置在读取数据消息6的数据区域中。

在中转读取数据消息6时，每一个网络用户3输入所述输入数据，然后将读取数据消息6转发至下一个网络用户，直到读取数据消息6接着在时刻T20时完整地呈现于控制节点1中为止。对于输入数据In1，控制节点1的控制单元12接着起始控制过程任务Task1的下一个周期。

由首用户308于入站路程22上输出读取数据消息6是在时间控制下发生，总是使得在相关本地网络用户过程已经终止、且输入数据在网络用户中是可用时读取数据消息仅能够中转至链路中的网络用户，因此，网络用户可在无延迟下将输入数据插入读取数据消息中为此目的而提供的数据片段中。

在这个例子中，如图2所示，首用户308只有在所有本地网络用户过程都已经终止、且所有网络用户的输入数据都可用于读入读取数据消息6中的时候才可输出读取数据消息6。然而，可替代地，首用户308实际上可在早于给定的适当时间控制下将读取数据消息6馈送至入站路程21中。被指定给各自的网络用户的数据片段接着优选地设置在读取数据消息的数据区域中，使得它们可考虑到输入数据要呈现在单独网络用户中的各自的时刻。

图3示出了使用数据路径2的出站路程21和入站路程22上单独的读取与写入数据消息的处理数据的数据传输优化。在写入数据消息5中的网络用户3的输出数据Out1接着被设置为使得网络用户的输出数据可以与链路中网络用户的顺序相反的顺序而分类，其中首先是首用户308的输出数据。在写入数据消息5中，第一数据片段508接着被指定给首用户308，第二数据片段507被指定给第七网络用户307等等。在写入数据消息5中网络用户3的各自的数据片段另外含有检验总和，检验总和是由控制节点1针对各自的网络用户中的输出数据计算、并且被附加至输入数据。

图3示出在具有这种类型的优化写入数据消息5的控制过程Task1的两次周期之间的处理数据交换。在时刻T10，执行控制过程Task1的第一周期。在控制过程终止之后为网络用户3可用的输出数据接着由控制节点1的控制单元12转换为优化写入数据消息5。控制节点1在时刻T11开始将写入数据消息5输出至出站路程21。

在时刻T12，控制节点1已经完整地输出写入数据消息5。如图3所示，写入数据消息5接着由链路中的网络用户3于出站路程21上转发，直到具有与网络用户相关联的输出数据的各自的数据片段位于网络用户3的中转区域中为止。图3的呈现另外示出了在写入数据消息5的数据区域中的相关联数据片段是由链路中的单独网络用户3在时刻T13实质上同时接收。在时刻T13，链路中的第一网络用户301已经接收到写入数据消息5，包括与网络用户301相关联的数据片段501。第一网络用户301接着移除输出数据Out11，并且开始本地网络用户过程T1。此外，在时刻T13，写入数据消息5也会呈现在链路中的第二网络用户302中，包括相关联的数据片段502，这表示输出数据Out12可被移除，且本地网络用户过程T2开始。相同操作对于链路中所有其他网络用户302、…、307都适用，包括首用户308。在时刻T13，所有网络用户3都已接着接收到写入数据消息5的相关联数据片段，以从写入数据消息5移除输出数据，并起始其本地网络用户过程。

由与各自的网络用户相关联的数据片段在写入数据消息的数据区域中的顺序(该顺序是链路中的网络用户的顺序相反)达到的效果是所有网络用户可实质上同时读入各自的输出数据。例如，当每一个网络用户的数据消息处理的中转时间为0.5微秒时，每一个网络用户具有写入数据消息5中60字节的指定数据片段时即是如此。已知数据传输率为1GBaud，以此进行60字节(60*8＝480比特)的传输持续达0.48微秒，网络用户3的数据的传输时间(0.048微秒)因此大致与通过网络用户3的中转时间(0.5微秒)相同，且因此输出数据会实质上同时呈现于所有八个网络用户3中，即在时刻T13，如图3所示。在已经读入其输出数据之后，网络用户3可接着全部都实质上同时地起始其本地网络用户过程。

由于与单独网络用户3相关联的输出数据各具有单独的查验总和，因此进一步可针对每一个网络用户，能够在已经实际上读入写入数据消息中其数据片段之后，在不需要接收及评估整个写入数据消息5下，利用与其输出数据相关联的查验总和来校验无错误传输。网络用户因而不需要在起始其本地网络用户过程之前等待整个写入数据消息的中转。

如图3进一步所示，中转时间的另一种优化可通过将数据片段601、…、608设置在首用户308传输的读取数据消息6中而达成，使得网络用户的输入数据在读取数据消息6的数据区域中是以链路中网络用户的顺序加以分类，其中首用户308的输入数据是最后的。在时刻T14，于所有网络用户已经结束它们的本地网络用户过程之前，首用户308可接着在时间控制下于数据路径2的入站路程22上实际输出读取数据消息6。

数据消息6是由首用户308输出，使得读取数据消息6的最后数据片段608仅于本地网络用户过程T8是在末端时由首用户308发送，使得新的输入数据In18可被输入至数据片段608中。此外，读取数据消息6被发送，使得链路中的倒数第二个网络用户307仅于网络用户307中的本地网络用户过程T7是在末端时转发数据片段607，并且新的输入数据In17可被输入至数据片段607中。相同操作应用于与读取数据消息6中相关联数据片段606、…、601有关的链路中的所有其他网络用户306、…、301。

于入站路程22上输出读取数据消息6的时刻是在时间控制下由首用户308选择，使得通过网络用户的中转时间表示：当其本地网络用户过程是在末端时且出现得到的输入数据时，读取数据消息6中与网络用户相关联的数据片段出现在对应的网络用户中。如图3中的定时所示，网络用户3接着可实质上同时地将它们的输入数据读入读取数据消息中，所述读取数据消息接着在时刻T20时再次完整地出现在控制节点1处，所述控制节点接着可开始下一个控制过程周期Task1。

首用户308可被编程，使得它可利用数据消息标识符过滤出由控制节点1传输的写入数据消息。为此目的，首用户308检查写入数据消息5中包含的数据消息标识符。这会优选地进行，使得首用户308将读取数据消息标识符与可组态内存区域36的消息内存361中含有的数据消息标识符相比较。若标识符匹配，则阻止写入数据消息5在数据路径2的入站路程21上进一步输送，且优选地由首用户308将擦除。

作为查验总和之外的进一步安全性措施，写入数据消息优选地含有另一寄存器数据字段，也称为工作计数器，由控制节点1提供起始值。网络用户则被设计为在与相关的数据消息进行数据交换时增加中转的数据消息的寄存器数据字段。基于寄存器计数据字段的值，当在环形数据路径上循环之后控制节点1再次接收数据消息时，控制节点1可确立网络用户是否已经正确地执行了数据交换。

为了提出可由控制节点1接入的安全性措施，即使是在首用户308过滤出根据本发明提供的写入数据消息时，首用户308优选地被设计为使得在擦除之前其先读取写入数据消息5的寄存器字段的值、并将其储存于第一缓冲储存器362。缓存的写入数据消息5的寄存器域值可接着被送回控制节点1，用于以首用户308输出到入站路程22上的读取数据消息6进行评估。

设于首用户308中的消息内存361优选地由控制节点1在网络的开机阶段时配置。控制节点1为首用户308指明了要被阻挡而不转发的写入数据消息的数据消息标识符、以及用于发送读取数据消息的时刻。此外，控制节点1还可指明可组态消息内存361中要由首用户308利用数据消息执行的动作，亦即发送或阻挡、或是读取要被阻挡的写入数据消息的寄存器字段。图4显示首用户308中的消息内存361的可能外观。消息内存具有储存时刻、消息标识符、以及要执行的动作的三列，例如在第一字符内存361中的地址ADR1处储存工作计数器。

利用上述数据交换方法，存在的选择是可利用处理数据的读取及写入优化数据中转次数、且每一个数据消息只需要中转通过每一个网络用户一次，其中处理数据的读取及写入是在全复用数据传输方法中彼此独立地进行。由于数据交换是周期性地进行，因此适当的时间控制能够确保即使是要并行地执行多个控制任务，相关联的读取与写入数据消息仍于出站路程及入站路程上传输而无冲突。

然而，除了来自控制任务的处理数据循环的周期性数据传输操作之外，也在网络中执行非周期性数据传输操作，特别是也在自动化工程中，例如为了传输属于传感器/致动器级的单独装置的参数、或查询状态数据。数据传输通常发生为在周期性数据消息之间也会有非周期性数据消息于数据路径上2从控制节点1传输至网络用户3、然后再次由网络用户3返回控制节点1。

首用户308经由第一传输单元TX32到第二接收单元RX33的短路23而将来自出站路程21的非周期性数据消息反馈至数据路径2的入站路程22上。在这个情况中，非周期性数据消息优选地由首用户308利用非周期性数据消息的表头含有的标识符来识别，所述标识符与首用户的可组态消息内存中储存的其中一个标识符不匹配。这接着对首用户308表明对应的非周期性数据消息并非要故意被阻挡而不于入站路程上转发。

由首用户308将非周期性数据消息从数据路径2的出站路程21反馈至入站路程22具有风险，在于非周期性数据消息将与来自首用户的受时间控制的读取数据消息冲突。为了避免这个情况，如图1所示，首用户另外具有第二缓冲储存器37，优选地是一FIFO(先进先出)内存，被设计为使得当首用户308建立了要与非周期性数据消息同时发送的读取数据消息6时，它会缓存非周期性数据消息，并只有在入站路程再次空闲时才转发。

图5示出图3的处理数据交换，其中在写入数据消息5之后，控制节点还另外于数据路径2的出站路程21上输出非周期性数据消息7。在这个例子中，图5示出了在时刻T13的写入数据消息5，在此时刻，所有网络用户3都已经接收到写入数据消息5的相关联数据片段，以从写入数据消息5中移除输出数据，并起始其本地网络用户过程。如图5所示，接着从控制节点1发送至写入数据消息5的非周期性数据消息7是在时刻T13时出现在链路中的第一网络用户301处。

此外，图5示出了在时刻T14的读取数据消息6，在此时刻，所有网络用户3都已经终止它们的本地网络用户过程。由首用户308输出数据消息6，使得在时刻T14时，读取数据消息6的最后数据区段608仍在首用户308中，这表示可将新的输入数据可被输入到数据片段608中。如图5附加示出的，非周期性数据消息7是在读取数据消息6之后，且在时刻T14仍完整地在首用户308中。在这个例子中，非周期性数据消息7由首用户308缓存、并只有在已经发送读取数据消息6之后才于入站路程22上被转发。若非周期性数据消息7在无首用户308缓存下已被转发，则非周期性数据消息(在图5中标示为7’)实际上将会已经再次部分离开首用户308，因此在入站路程22上会已经与读取数据消息冲突。

符号说明

1 控制节点

2 数据路径

3 网络用户

5 写入数据消息

6 读取数据消息

7 非周期性数据消息

13 控制单元

21 出站路程

22 入站路程

23 短路

35 处理单元

36 可编程内存区域

301-307 网络用户

308 首用户

361 消息内存

362 第一缓冲储存器

363 第二缓冲储存器

Claims (11)

1.一种具有控制节点(1)及多个网络用户的网络，所述网络用户经由封闭环形的数据路径与所述控制节点(1)连接，其中所述网络用户形成从所述控制节点(1)开始的链路，首用户(308)是作为所述链路的终端，且所述环形的数据路径是中转通过出站路程与入站路程两者上的所述网络用户，

其中所述控制节点(1)被设计为将具有标识符的数据消息(5,7)输出至所述数据路径上，

其中所述网络用户(3)被设计为于所述出站路程上及所述入站路程上执行与中转通过所述环形数据路径上的数据消息的数据交换，及

其中所述链路中的所述首用户(308)具有过滤功能，以使用规定的标识符阻挡具有对应标识符的数据消息(5)在数据消息于所述出站路程上中转通过所述首用户(308)后在所述入站路程上的进一步输送，且所述链路中的所述首用户(308)具有传输功能，以在时间控制下或在所述网络用户(3)的本地网络用户过程被终止之后将读取数据消息(6)输出至所述入站路程上，其中当执行所述本地网络用户过程时，所述网络用户(3)执行已被读入的输出数据，以确认用于所述控制节点(1)的下个控制过程周期的输入数据。

2.根据权利要求1所述的网络，其中所述控制节点(1)被设计为周期地执行控制过程，以基于所述网络用户的输入数据，确认所述网络用户的输出数据，其中所述节点(1)在控制过程周期终止之后以至少一个写入数据消息(5)的形式将所述输出数据输出至所述数据路径的所述出站路程上，其中所述网络用户在所述数据路径的所述出站路程上中转所述写入数据消息时从所述写入数据消息(5)读取与对应的网络用户相关联的输出数据，其中每一个网络用户(3)被设计为周期地执行所述本地网络用户过程以基于已经被读取的所述输出数据确认所述控制节点(1)的下个控制过程的输入数据，其中在所述链路中的所述首用户(308)在所述写入数据消息(5)中转通过所述首用户(308)之后阻挡所述写入数据消息在所述入站路程上的进一步输送，并在所述时间控制下或在所述本地网络用户过程被终止之后输出所述读取数据消息(6)至所述数据路径的所述入站路程上，其中所述网络用户(3)在所述读取数据消息(6)于所述数据路径的所述入站路程上中转时将所述下个控制过程周期的所述网络用户的所述输入数据读入所述读取数据消息(6)中。

3.根据权利要求2所述的网络，其中所述首用户(308)在所述时间控制下或在所述本地网络用户过程被终止之后输出所述读取数据消息(6)至所述数据路径的所述入站路程上，使得与所述读取数据消息(6)中的网络用户相关联的数据区域仅在所述本地网络用户过程终止之后中转通过该对应的网络用户。

4.根据权利要求2所述的网络，其中所述控制节点(1)被设计为将所述网络用户的所述输出数据设置在所述写入数据消息(5)中，使得所述网络用户的所述输出数据以与所述链路中所述网络用户的顺序相反的顺序被分类，其中首先是所述首用户(308)的输出数据。

5.根据权利要求4所述的网络，其中所述控制节点(1)被设计为确认来自每一个网络用户的所述输出数据的单独查验总和，并将它与来自每一个网络用户的所述输出数据一起包括在所述写入数据消息(5)的传输中。

6.根据权利要求2所述的网络，其中所述首用户(308)被设计为将为所述网络用户(3)提供的所述数据区域设置在所述读取数据消息(6)中，使得所述网络用户的所述输入数据于所述读取数据消息(6)中以所述链路中的所述网络用户的顺序被分类，其中最后是所述首用户(308)的所述输入数据。

7.根据权利要求1至6中任一所述的网络，其中所述控制节点(1)被设计成为所述数据消息提供寄存器字段，所述寄存器字段含有起始值，其中所述网络用户被设计为在与该对应的数据消息进行数据交换的事件中增加中转通过所述数据路径上的所述数据消息的所述寄存器字段，且其中所述首用户(308)被设计为使用所述规定的标识符于所述出站路程上、从所述入站路程上的进一步输送读取及缓冲储存所述首用户(308)阻挡的数据消息的所述寄存器字段的值，以在稍后时刻以所述首用户(308)输出至所述入站路程的数据消息将所述缓冲储存的值传送至所述控制节点(1)。

8.根据权利要求1至6中任一所述的网络，其中所述首用户(308)具有消息内存(361)，以用于所述过滤功能与所述传输功能，所述消息内存含有需要被阻挡而不于所述数据路径的所述入站路程上进一步输送的所述数据消息的所述标识符、及用于将所述数据消息输出至所述入站路程上的规定的时刻。

9.根据权利要求1至6中任一所述的网络，其中所述首用户(308)具有缓冲储存器(363)，所述缓冲储存器(363)被设计为：在所述数据路径的所述入站路程上转发所述控制节点(1)非周期性传送的数据消息与要由所述首用户(308)于所述入站路程上发送的数据消息相冲突时，缓冲储存所述控制节点(1)非周期性发送的所述数据消息。

10.一种于根据权利要求1至9中任一所述的网络中使用的首用户，所述首用户具有过滤功能及传输功能，所述过滤功能是使用规定的标识符以阻挡在数据消息中转通过所述首用户之后的数据消息的进一步输送，所述传输功能是在时间控制下或在本地网络用户过程被终止之后输出数据消息，其中所述首用户(308)具有消息内存(361)，以用于所述过滤功能与所述传输功能，所述消息内存(361)含有需要被阻挡而不于所述数据路径的所述入站路程上进一步输送的所述数据消息的所述标识符、及用于将所述数据消息输出至所述入站路程上的规定的时刻。

11.一种用于操作网络的数据传输方法，所述网络具有控制节点及经由封闭环形的数据路径与所述控制节点连接的多个网络用户，

其中所述网络用户形成从所述控制节点开始的链路，首用户是作为所述链路的终端，且所述环形的数据路径中转通过出站路程与入站路程两者上的所述网络用户，

其中所述控制节点被设计为将具有标识符的数据消息输出至所述数据路径上，

其中所述网络用户被设计为于所述出站路程上及所述入站路程上执行与中转通过所述环形数据路径上的数据消息的数据交换，及

其中所述链路中的所述首用户具有过滤功能，以使用规定的标识符阻挡具有对应标识符的数据消息在数据消息于所述出站路程上中转通过所述首用户后在所述入站路程上的进一步输送，且所述链路中的所述首用户具有传输功能，以在时间控制下或在所述网络用户的本地网络用户过程被终止之后将数据消息输出至所述入站路程上。