CN105721335B - 工业自动化系统通讯网络中数据传输方法和耦合通讯设备 - Google Patents

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Abstract

为了在工业自动化系统的通讯网络中传输数据，通过通讯网络的耦合通讯设备仅在周期性的第一时间区间内传输第一数据帧，其包括用于自动化系统的控制数据。在周期性的第二时间区间内传输第二数据帧和/或第三数据帧，第二数据帧分配给包括数据帧的顺序的数据流，对于第二数据帧和/或第三数据帧的传输而言不规定或规定一个低于预设的阈值的服务质量。第一时间区间分为第一和第二子区间。要转发的数据帧以子区间交替的方式插入到第一或第二队列中并且交替地从队列中取出以用于转发。

Description

工业自动化系统通讯网络中数据传输方法和耦合通讯设备
技术领域.
本发明涉及一种在工业自动化系统的通讯网络中数据传输的方法和耦合通讯设备。
背景技术
工业自动化系统通常包括多个经由工业通讯网络彼此网连的自动化设备，并且在制造或者过程自动化的范畴中用于设施、机械或设备的控制或调节。由于在借助工业自动化系统自动化的技术系统中的时间关键的帧条件，在用于在自动化设备之间进行通讯的工业通讯网络中主要使用实时通讯协议，如现场总线(PROFINET)，过程现场总线系统(PROFIBUS)，或者实时以太网(Real-Time-Ethernet)。
在工业自动化系统或自动化设备的计算单元之间的通讯连接的中断能够引起不期望地或者不必要地重复传输服务请求。这造成工业自动化系统的通讯连接的附加的负荷，该负荷能够引起进一步的系统故障或者系统错误。在工业自动化系统中，特别的问题通常由具有比较多的、但较短的报文的报告产生，由此加剧了上述问题。
基于对于通常极其不同的应用场合的应用，当具有实时请求的短数据帧传输的网络资源与具有大量有效数据内容的数据帧传输的网络资源相竞争时，在基于实时(Ethernet)的通讯网络中例如能够产生问题。这能够导致延迟具有实时请求的数据帧传输或者甚至造成一些这种数据帧的丢失。
例如基于虚拟本地网络或者虚拟局域网(VLAN)根据标准IEEE 802.1Q，数据帧的优先传输基本上借助相应地在数据帧中插入标签是可行的。为了在通讯网络上同步和优先地传输声音和视频数据流(声音/视频桥接)，相应的标准IEEE 802.1Qav设有用于各个通讯连接的带宽预留，其分配有最高的优先权。对于传输声音和视频数据流所需要的资源在此保留在通讯设备中、例如交换机中。然而，对高优先级的数据帧的传输在一次成功的保留后才进行。在带宽监控的范畴中保证，在实际所使用的带宽方面存在足够的预留带宽。使用的带宽多于保留带宽的通讯连接，在其他方面引起对整个通讯网络的干扰，在最坏的情况下由于过载引起通讯网络停机。
根据标准IEEE 802.1Qbv，为了经由基于实时的通讯网络可靠地传输音频和视频数据流，将令牌整形(CBS)定义为用于带宽监控的尺度。通过令牌整形在每个所传输的数据帧之后限定传输间隔，以保证在预留带宽方面的带宽界定。然而，在工业自动化系统中，这类强制间隔在传输多个具有用于控制数据的很小有效数据内容的数据帧时是非常有问题的，该控制数据更确切地说能看成数据包或分帧(Bursts)。控制数据通常必须在处理周期内传输和处理。例如在处理周期开始时，控制数据由所有的传感器发出到所分配的存储器可编程的控制装置中。在以由传感器接收的控制数据为基础随后进行的计算后，存储器可编程的控制装置发出控制数据到工业自动化系统的执行器处。此后在下一个处理周期内实现了重新的传感器数据询问。为了在处理周期内保持用于处理控制数据的充裕时间，具有控制数据的数据帧应当尽可能地在处理周期开始时传输，尤其是在使用分散的外围设备或者分散的输入和输出设备时。
从WO 2014/072374 A1已知一种用于在工业自动化系统中借助链路状态路由协议(Link-State-Routing-Protokollen)传输组播数据流的方法，其中路由表(Routing-Tabellen)不是对于所有可行的点对点连接进行计算，而是仅对于所选择的时间关键的路径，特别是在工业自动化系统中在作为数源的“说话者(Talkers)”和作为数据源的订阅者的“倾听者(Listeners)”之间。为了计算在这类通讯网络中的路由路径，描述了通讯关系的信息借助于链路状态路由协议(Link-State-Routing-Protokollen)分布在通讯网络的内部。关于通讯关系的信息例如包括对在组播路径内部的通讯参与者的组成的详细说明或对“说话者(Talkers)”和分配给与其的倾听者(Listeners) 的详细说明。
在申请号为13176454.0的在先欧洲专利申请中描述了一种用于借助工业自动化系统的通讯设备来传输数据帧的方法，其中借助通讯设备要传输的数据帧分别分配有传输优先级。对于经由通讯设备的至少一个所选择的端口来传输的、具有高于预设的优先级阈值的传输优先级的数据帧，检测所传输的数据量。在至少一个监控周期内周期性地检测所传输的数据量。对于每个监控周期过程所检测的数据量在是否超过预设的数量阈值方面进行监控。在对于一次监控周期过程而言超过数量阈值时，所选择的接口在相应的监控周期过程的直到结束为止的闭锁时间期间针对传输具有高于优先级阈值的传输优先级的数据帧进行闭锁。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种在工业自动化系统的通讯网络中传输数据的方法，该方法实现了在传输控制数据时间减小运行时间和运行抖动 (Jitter)，以及提供了一种适用于执行该方法的耦合通讯设备。
根据本发明，该目的通过根据本发明的在工业的自动化系统的通讯网络中数据传输的方法和根据本发明的工业自动化系统的耦合通讯设备来实现。
按照根据本发明的用于在工业自动化系统的通讯网络中传输数据的方法，通过通讯网络的耦合通讯设备仅在周期性的第一时间区间内传输第一数据帧，该第一数据帧包括用于自动化系统的控制数据。该耦合通讯设备能够例如是交换机或者桥接器(Bridge)，其优选地互相时间同步。第一时间区间分别至少分为第一子区间和第二子区间。优选地，第一和第二时间区间互相补充。此外，第一时间区间能够分别分为多个周期性的第一和第二子区间，其中第一和第二子区间分别交替地互相跟随。
根据本发明，在第一子区间期间通过耦合通讯设备接收的要转发的第一数据帧插入到相应的耦合通讯设备的第一队列中。在第二子区间期间通过耦合通讯设备接收的要转发的第一数据帧插入到相应的耦合通讯设备中的第二队列中。此外，在插入第一数据帧之后的相应的第二子区间期间，从第一队列中取出第一数据帧以用于转发。在插入第一数据帧之后的相应的第一子区间期间，从第二队列中取出第一数据帧以用于转发。此外，通过耦合通讯设备仅在周期性的第二时间区间内传输第二数据帧和/或第三数据帧，第二数据帧分配给包括数据帧的顺序的数据流，对于第三数据帧的传输而言不规定或规定一个低于预设的阈值的服务质量。通过这种方式，控制数据能够利用最小的运行时间并且利用在相位长度上减小的抖动 (Jitter)传输。在此，运行时间能够尤其是基于跳数(Hops)和相位长度来确定。
按照根据本发明的方法的有利的改进方案，在空的第一和第二队列的情况中，要转发的第一数据帧通过相应的耦合通讯设备基本上直接地转发。这实现了附加地减小运行时间。此外，在空的第一和第二队列的情况中，要转发的第一数据帧通过相应的耦合通讯设备优选地没有延迟地转发，直到在第一和第二队列的接收时间点后跟随的子区间为止。根据另外的有利的设计方案，在空的和已填充的队列的情况中，要转发的第一数据帧通过相应的耦合通讯设备与通过第一和第二子区间预设的取出时间表无关地从已填充的队列中取出并转发。
根据本发明的方法的优选的设计方案，为第二数据帧分别分配规定的对于其传输的服务质量。在此，第二数据帧在第二时间区间内分别利用与分配给其的服务质量相对应的优先级或数据传输率来传输。相反地，第三数据帧能够非优先地以“尽力服务(besteffort)”的意义上在第二时间区间内传输。
有利地，通过耦合通讯设备对于第二数据帧检测相应的所传输的数据量。在此，在监控周期内周期性地检测所传输的数据量，监控周期至少包括第一时间区间和第二时间区间。此外，对于每个监控周期过程所检测的数据量检查是否超过预设的数量阈值。在超过预设的数量阈值时，第二数据的传输中断、暂停、和/或以具有减小的优先级继续。相应的数量阈值通过分别分配给数据流的服务质量来预设。优选地，在每个监控周期过程开始时，分别回置所检测的数据量。另外，在第二数据帧传输暂停时，所检测的数据量以与相应的等待时间成比例的数值来减小。特别地，在第二数据帧传输暂停时，所检测的数据量在第一时间区间期间以与该第一时间区间的持续时间成比例的数值来减小。
例如，能够规定在通讯网络内部测定的、数据流负荷最大的连接的最大的占用持续时间作为第一子区间的和第二子区间的持续时间。替代于此地，在具有时间多路数据传输的通讯系统中，规定时隙持续时间作为第一子区间的和第二子区间的持续时间。另外通过以下方式能够进一步实现运行时间和抖动减少，即第一时间区间分别分成多个周期性的第一子区间和第二子区间，其中，第一子区间和第二子区间分别交替地彼此跟随，并且，在具有时间多路数据传输的通讯系统中，规定时隙持续时间的整数部分作为第一子区间的和第二子区间的持续时间。耦合通讯设备分别以称作直通转发(Cut Through)的传输模式运行。
根据本发明的用于工业自动化系统的耦合通讯设备设置用于执行根据前述的实施方案，并且其包括多个接口，用于与在工业的通讯网络内部互相连接的通讯设备相连。此外，设有与所述接口相对应的接收和发射单元，为所述接收和发射单元分配至少一个第一队列和至少一个第二队列。此外，根据本发明的耦合通讯设备、例如交换机或者桥接器(Bridge)具有与接收和发射单元互相连接的耦合元件。此外，耦合通讯设备配置和设计用于，仅在周期性的第一时间区间内传输第一数据帧，所述第一数据帧包括用于自动化系统的控制数据。在此，第一时间区间分别至少分为第一和第二子区间。
根据本发明，耦合通讯设备配置和设计用于，在第一子区间期间所接收的要转发的第一数据帧插入到第一队列中，并且在第二子区间期间所接收的要转发的第一数据帧插入到第二队列中。此外，耦合通讯设备配置和设计用于，在相应的跟随插入第一数据帧之后的第二子区间期间，从第一队列中取出第一数据帧以用于转发。在相应的跟随插入第一数据帧之后的第一子区间期间，从第二队列中取出第一数据帧以用于转发。此外，耦合通讯设备，设备配置和设计用于，仅在周期性的第二时间区间内传输第二数据帧和/或第三数据帧，第二数据帧分配给包括数据帧的顺序的数据流，对于第二数据帧和/或第三数据帧的传输而言不规定或规定一个低于预设的阈值的服务质量。
附图说明
随后借助附图对本发明的实施例作出更清楚的说明，图中示出
图1示出具有多个交换机和数据流传输的示意时间数据位置的通讯网络，
图2示出根据图1的交换机的示意图，其对于每个接口具有两个交替能填充的队列，
图3示出利用根据图2的交换机的第一变体传输用于控制数据的数据帧的示意性时间数据位置，
图4示出利用根据图2的交换机的第二变体传输用于控制数据的数据帧的示意性时间数据位置。
具体实施方式
在图1中示出的通讯网络包括多个交换机100，110，120，130，其能够在当前的实施例中在环形拓扑内部彼此连接。然而为了避免形成回路，交换机100，110，120，130中的一个交换机的恰好一个接口以不转发有效数据的状态运行。工业自动化系统中的相应的控制装置或现场设备、例如储存器可编程的控制装置或者分散的外围设备能够分别接通到交换机100，110，120，130处。
在当前的实施例中，交换机100，110，120，130在结构和功能方面是一致的。代表交换机100，110，120，130的交换机110在图2中示意性地示出。在当前的实施例中，交换机110包括四个发射和接收单元 111-114，其分别具有一个接口101-104用于在工业自动化系统化内部的通讯连接。发射和接收单元111-114经由背板开关(Backplane Switch)115 能利用相对应的控制器116控制地彼此连接。为了传输自动化系统的控制数据，为发射和接收单元111-114分别分配第一队列107和第二队列108，在此，在图3和图4中更加详细地示出了第一数据帧301-304，311-314， 401-402，411-412，其包括用于自动化系统的控制数据，通过交换机100， 110，120，130仅在循环的第一时间区间210的内部传输这些第一数据帧。相反，第二数据帧201-204，211-214，221-214以及第三数据帧仅在循环的第二时间区间220内部传输，其中第二数据帧分配给包括数据帧的顺序的数据流，对于第三数据帧的传输而言不规定或规定一个低于预设的阈值的服务质量。在当前的实施例中，第三数据帧非优先地在第二时间区间220 内根据“尽力服务(best effort)”传输。
根据图1，第一和第二时间区间210，220彼此互补。基本上在第一和第二时间区间210，220之间能够附加地设有保护或锁定时间区间。交换机100，110，120，130彼此时间同步。对此，交换机110根据图2包括同步单元109。例如根据图3，在具有时间多路数据传输的通讯系统中的时隙持续时间能够被规定作为第一和第二子区间210a，210b的持续时间。替代于此地，在具有时间多路数据传输的通讯系统中的时隙持续时间的整数部分能够被规定作为第一和第二子区间210a，210b的持续时间，使得持续时间相当于子时隙(参见图4)。在这种情况下，交换机100，110， 120，130优选以直通转发(Cut Through)传输模式运行。基本上，在通讯网络内部测定的数据流负荷最多的连接的最大的占用持续时间能够被规定作为第一和第二子区间210a，210b的持续时间。
第一时间区间210分别分为多个第一子区间210a和第二子区间210b，其中第一和第二子区间210a和210b相应地彼此交替地跟随。在第一子区间210a期间通过交换机100，110，120，130接收的要转发的第一数据帧 301-304，311-314，401-402，411-412，插入到相应的发射和接收单元111-114 的第一队列107中。相对应的，在第二子区间210b期间接收的要转发的第一数据帧301-304，311-314，401-402，411-412，插入到相应的第二队列108中。
在相应的跟随插入第一数据帧之后的第二子区间210b期间，从相应的第一队列中取出第一数据帧以用于转发。与其类似地，在相应的跟随插入第一数据帧之后的第一子区间210a期间，从相应的第二队列中取出第一数据帧，以用于转发。为了控制从第一和第二队列107，108中填充并取出第一数据帧，交换机110根据图2包括对于每个队列对的相应的队列控制单元106，该队列控制单元实现了交替的队列转换。
此外，队列控制单元106如下地设计和设置，即在相应的空队列或已填充的队列的情况中，与通过第一和第二子区间210a，210b预设的取出时间表无关地，通过相应的交换机在“首先最短队列(shortest queue first)”的意义上从填充的队列中取出和转发要转发的第一数据帧303，402。因此根据图3和图4，与接收的第一数据帧301-304，401-402相比，例如通过交换机110转发的第一数据帧313和412不同于所转发的第一数据帧301， 302，304，401不具有以时隙或子时隙进行的延迟。根据当前实施例的前提是，相应的第一数据帧303，402在预设的保护时间300，400内从相应的子区间的起点开始接收。
为第二数据帧201-204，211-214，221-224分别分配规定的对于其传输的服务质量。以这种方式，在第二时间区间220内，第二数据帧分别利用与为其分配的服务质量相对应的优先级或数据传输率来传输。对此，交换机110包括对于每个发射和接收单元111-114的各一个数据量采集单元 105，以实施瞬时限制整形(Burst Limiting Shaper)的或者用于第二数据帧的令牌整形(Credit-based Shaper)。
在图1中示出了瞬时限制整形(Burst Limiting Shaper)或令牌整形 (Credit-based Shaper)的工作方式，其与通过交换机110接收的第二数据帧201-204和为了转发而计划的第二数据帧211-214相关。借助于瞬时限制整形(Burst Limiting Shaper)或令牌整形(Credit-based Shaper)，对于第二数据帧检测相应的所传输的或所计划的数据量200。在此，所传输的或所计划的数据量200在监控周期内循环地检测，该监控周期至少包括第一时间区间和第二时间区间210，220。在此，检查对于每个监控周期过程所检测的数据量是否超过预设的数量阈值。在超过数量阈值时，第二数据帧的传输暂停(令牌整形)或者以减小的优先级(瞬时限制整形)继续。在此，相应的数量阈值通过分配给数据流的服务质量来预设。所检测的数据量分别在每个监控周期过程开始时回置。在第二数据帧的传输暂停时，所检测的数据量以与相应的等待时间成比例的数值减小。
因为第二数据帧的传输仅在第二时间区间220内进行，因此不同于第二数据帧212，213地，计划用于向交换机120转发的第二数据帧211，214 具有暂停地传输。因此，数据帧211，214的一部分221a，224a在暂停前通过交换机120接收，而其他部分221b，224b在暂停后被接收。相反在当前的实施例中，源自传输数据帧212，213的接收数据帧222，223仅承受一个在交换机110和120之间的连接上的信号运行时间延迟。

Claims (19)

1.一种在工业的自动化系统的通讯网络中数据传输的方法，其中
通过所述通讯网络的耦合通讯设备仅在周期性的第一时间区间内传输第一数据帧，该第一数据帧包括用于所述自动化系统的控制数据，
所述第一时间区间分别至少分为第一子区间和第二子区间，
在所述第一子区间期间通过所述耦合通讯设备接收的、要转发的所述第一数据帧插入到相应的所述耦合通讯设备的第一队列中，
在所述第二子区间期间通过所述耦合通讯设备接收的、要转发的所述第一数据帧插入到相应的所述耦合通讯设备的第二队列中，
在相应的跟随插入所述第一数据帧之后的所述第二子区间期间，从所述第一队列中取出所述第一数据帧以用于转发，
在相应的跟随插入所述第一数据帧之后的所述第一子区间期间，从所述第二队列中取出所述第一数据帧以用于转发，
通过所述耦合通讯设备仅在周期性的第二时间区间内传输第二数据帧和/或第三数据帧，所述第二数据帧分配给包括数据帧的顺序的数据流，对于所述第三数据帧的传输而言不规定或规定一个低于预设的阈值的服务质量，
为所述第二数据帧分别分配确定的用于所述第二数据帧的传输的服务质量，并且其中，所述第二数据帧在所述第二时间区间内分别利用与分配给所述第二数据帧的所述服务质量相对应的优先级和/或数据传输率来传输。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一时间区间和所述第二时间区间互相补充。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一时间区间分别分为多个周期性的第一子区间和第二子区间，其中，所述第一子区间和所述第二子区间相应地彼此交替地跟随。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，在空的第一队列和第二队列的情况中，通过相应的所述耦合通讯设备直接地转发要转发的所述第一数据帧。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，在空的所述第一队列和所述第二队列的情况中，通过相应的所述耦合通讯设备没有延迟地转发要转发的所述第一数据帧直到在所述第一队列的和所述第二队列的接收时间点后跟随的子区间为止。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，在空的和已填充的队列的情况中，与通过所述第一子区间和所述第二子区间预设的取出时间表无关地通过相应的所述耦合通讯设备从所述已填充的队列中取出并转发要转发的所述第一数据帧。
7.根据权利要求3所述的方法，其中，通过所述耦合通讯设备对于所述第二数据帧检测相应的所传输的数据量，并且其中，在监控周期内周期性地检测所传输的所述数据量，所述监控周期至少包括第一时间区间和第二时间区间，并且其中，检查对于每个监控周期过程所检测的所述数据量是否超过预设的数量阈值，并且其中，在超过预设的数量阈值时，所述第二数据的传输中断、暂停、和/或以减小的优先级继续。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，相应的所述数量阈值通过分别分配给数据流的所述服务质量来预设。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，在每个所述监控周期过程开始时，分别回置所检测的所述数据量。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，在所述第二数据帧传输暂停时，所检测的所述数据量以与相应的等待时间成比例的数值来减小。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，在所述第二数据帧传输暂停时，所检测的所述数据量在第一时间区间期间以与该第一时间区间的持续时间成比例的数值来减小。
12.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第三数据帧非优先地在所述第二时间区间内传输。
13.根据权利要求3所述的方法，其中，规定在通讯网络内部测定的、数据流负荷最大的连接的最大的占用持续时间作为所述第一子区间的和所述第二子区间的持续时间。
14.根据权利要求3所述的方法，其中，在具有时间多路数据传输的通讯系统中，规定时隙持续时间作为所述第一子区间的和所述第二子区间的所述持续时间。
15.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一时间区间分别分成多个周期性的第一子区间和第二子区间，其中，所述第一子区间和所述第二子区间分别交替地彼此跟随，并且其中，在具有时间多路数据传输的通讯系统中，规定时隙持续时间的整数部分作为所述第一子区间的和所述第二子区间的持续时间，并且其中，所述耦合通讯设备分别以称作直通转发的传输模式运行。
16.根据权利要求3所述的方法，其中，所述耦合通讯设备彼此时间同步。
17.根据权利要求3所述的方法，其中，所述耦合通讯设备是交换机或者桥接器。
18.一种工业自动化系统的耦合通讯设备，用于实现根据权利要求1至17中任一项所述的方法，所述耦合通讯设备
具有多个接口，用于与在工业的通讯网络内部互相连接的通讯设备相连，
具有与所述接口相对应的接收和发射单元，为所述接收和发射单元分配至少一个第一队列和至少一个第二队列，
具有与所述接收和发射单元互相连接的耦合元件，
其中，所述耦合通讯设备配置和设计用于，仅在周期性的第一时间区间内传输第一数据帧，所述第一数据帧包括用于自动化系统的控制数据，其中，所述第一时间区间分别至少分为第一子区间和第二子区间，
其中，所述耦合通讯设备配置和设计用于，在所述第一子区间期间所接收的要转发的所述第一数据帧插入到第一队列中，
其中，所述耦合通讯设备配置和设计用于，在所述第二子区间期间所接收的要转发的所述第一数据帧插入到第二队列中，
其中，所述耦合通讯设备配置和设计用于，在相应的跟随插入所述第一数据帧之后的所述第二子区间期间，从所述第一队列中取出所述第一数据帧以用于转发，
其中，所述耦合通讯设备配置和设计用于，在相应的跟随插入所述第一数据帧之后的所述第一子区间期间，从所述第二队列中取出所述第一数据帧以用于转发，
其中，所述耦合通讯设备配置和设计用于，仅在周期性的第二时间区间内传输第二数据帧和/或第三数据帧，所述第二数据帧分配给包括数据帧的顺序的数据流，对于所述第三数据帧的传输而言不规定或规定一个低于预设的阈值的服务质量。
19.根据权利要求18所述的耦合通讯设备，其中，所述耦合通讯设备是交换机或者桥接器。
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