CN107592263B - 模块式工业自动化设备和模块式工业自动化设备配置方法 - Google Patents

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Abstract

为了配置具有中央单元和至少一个分别包括路由器模块和路由配置单元的通信模块的模块式工业自动化设备，路由配置单元将存储在它的路由表中的路由信息传输给其他路由器模块的路由配置单元。路由配置单元根据从其他路由器模块的路由配置单元接收的路由信息在到分配给其他路由器模块的IPv4子网的路由方面、在默认网关方面并且在相对应的路由器模块与背板总线系统的连接方面更新分配给其的路由表。

Description

模块式工业自动化设备和模块式工业自动化设备配置方法
技术领域
工业自动化系统用于监控、控制和调节技术流程，尤其是在制造、加工和建筑自动化领域，并且实现控制装置、传感器、机床和工业设备的如下运行，这种运行要尽可能独立地并且不依赖人工干涉地实现。在此具有重要意义的是，实时提供监控功能、控制功能和调节功能。
背景技术
工业自动化系统的自动化设备或者计算机单元之间的通信连接的干扰可能会导致不利地重复对服务请求的传输。尤其是未传输的或者未完整传输的信息可能妨碍工业自动化系统过渡到或者停留在安全的运行状态，并且可能导致工业设备的故障。生产设备的故障经常导致高成本的生产停滞。工业自动化系统中的一个特别的问题来源于报告交换具有比较多、却相对较短的、要实时传输的报文。由此加剧了以上问题。
由申请号为EP15185045.0的较早的欧洲专利申请中已知一种工业自动化系统的模块式控制器，它包括中央单元和至少一个相应具有一个集成的路由器的通信模块。为了配置这种模块式控制器，第一路由器的路由器配置单元检测另一个路由器的可提供的路由器功能和所分配的优先级值。第一路由器具有用于与上级通信网络连接的、拓展的路由器功能。第二路由器包括用于与下级的现场层面分网连接的、受限的路由器功能。在存在其他的第一路由器的情况下，第一路由器的路由器配置单元分别借助优先级值检查，哪一个第一路由器分配有最高的优先级值。具有最高优先级值的第一路由器被配置作为用于与上级的通信网络连接的上级路由器。
在EP2913727A1中公知一种具有背板总线系统和多个连接到背板总线系统的功能模块的模块式工业自动化设备。功能模块分别包括通信网络适配器、用于执行通信协议栈的协议功能单元和链接到通信网络适配器的MAC桥接元件。此外还设置有连接到背板总线系统的路由器模块，它包括通信网络适配器、链接到通信网络适配器的、用于执行路由器通信协议栈的路由器功能单元、和分别对于每个功能模块的一个虚拟通信网络适配器。虚拟通信网络适配器通过背板总线系统将路由器功能单元链接到相应功能模块的MAC桥接元件。只有路由器模块的通信协议栈包含路由功能。信息借助目标-MAC-地址继续传递。
EP2988465A1涉及一种用于经由模块式控制器的背板总线将IP数据包从模块式控制器的第一自动化模块传输到模块式控制器的第二自动化模块的方法。在此，IP数据包包括报头区域和数据区域。由存在于第一自动化模块中的IP数据包创建运输数据包。运输数据包包括IP数据包的报头区域的数据选择和IP数据包的数据区域。运输数据包经由背板总线传输到第二自动化模块。然后从运输数据包重建IP数据包。
在US2004/0114591A1中描述了一种可编程逻辑控制器，它包括一个背板总线系统以及连接到该背板总线系统的模块，它们借助因特网通信协议(IP)经由背板总线系统进行通信。在这里，每个模块都有自己的IP地址。
发明内容
本发明基于以下目的，实现一种能够低耗费地进行配置的模块式工业自动化设备，它使得能够实现多个连接着自动化设备的分网之间的路由，以及提供用于配置模块式工业自动化设备的合适方法。
根据本发明的自动化设备包括用于处理控制程序的中央单元和至少一个通信模块以及设置作为IPv4子网的背板总线系统。中央单元和至少一个通信模块经由背板总线系统相互连接，并且中央单元和至少一个通信模块分别具有用于执行包含网路层功能的通信协议栈的路由器模块。通过路由器模块执行的通信协议栈优选地是IP堆栈，尤其是TCP/IP堆栈或UDP/IP堆栈。
此外，中央单元和至少一个通信模块还分别包括用于将路由器模块与背板总线系统连接的第一通信网络适配器和至少一个第二通信网络适配器，该第二通信网络适配器用于将路由器模块与设置作为IPv4子网的上级通信网络或者设置作为IPv4子网的下级的现场层面分网连接。通信网络适配器优选地分别包括：发送和接收单元，尤其是用于按照OSI模型实现物理端口的PHY电路；以及用于控制对通信介质的访问的功能单元，尤其是用于按照OSI模型实现数据链路层的MAC电路。此外，中央单元和至少一个通信模块分别具有分配给路由器模块的路由表和用于更新相应的路由表的路由配置单元。
根据本发明，路由配置单元尤其是通过配置被构造和设置用于将存储在相应的路由表中的路由信息传输给其他路由器模块的路由配置单元。此外，路由配置单元还被构造和设置用于，根据自其他路由器模块的路由配置单元接收的路由信息在到分配给其他路由器模块的IPv4子网的路由方面、在默认网关方面和在相对应(zugeordnet)的路由器模块与背板总线系统的连接方面更新相应的路由表。这有利于，不需要工程系统来配置路由器模块，并且使用者方面不必手动设置路由，从而连接了模块式工业自动化设备的分网对于彼此可访问。
此外，路由配置单元例如还可以构造并设置用于，借助端对端(Peer-to-Peer)通信彼此交换路由信息，并且在接收到与相应的自身配置相矛盾的路由信息时，就发出配置错误的信号。根据本发明的替代构造方案，将刚好一个路由配置单元设置为主路由配置单元，而所有其他的路由配置单元被设置为从路由配置单元。从路由配置单元被构造和设置用于，将存储在相应的路由表中的路由信息传输给主路由配置单元。相反地，主路由配置单元被构造和设置用于，将主路由配置单元中存在的路由信息分发给从路由配置单元，并且选择刚好一个路由器并且将其预设为所有的路由器模块的默认网关。有利地，中央单元的路由配置单元被设置为主路由配置单元。
主路由配置单元优选地还被构造和设置用于，将主路由配置单元中存在的路由信息分发给从路由配置单元，并且选择刚好一个路由器并且将其预设为所有的路由器模块的默认网关。有利地，从路由配置单元还被构造和设置用于，根据自主路由配置单元接收的路由信息更新相应的路由表，该路由信息涉及到分配给其他路由器模块的IPv4子网的路由、默认网关和相对应的路由器模块与背板总线系统的连接。
根据本发明的另一种构造方案，主路由配置单元此外还构造和设置用于，根据自从路由配置单元接收的路由信息在到其他路由器模块的IPv4子网的路由方面、在默认网关方面和在相对应的路由器模块与背板总线系统的连接方面更新分配给其的路由表。此外，主路由配置单元还被构造和设置用于，在超过一个默认网关时发出配置错误的信号。优选地，主路由配置单元包括中央数据库，其中存储了有关分配给背板总线系统的IPv4子网的说明、有关设置用于到默认网关的连接的路由器模块的分配给背板总线系统的IPv4地址的说明、有关所有的路由器模块的分配给背板总线系统的IPv4地址的说明、和有关分配给这些路由器模块的IPv4子网的信息的说明。
中央单元和至少一个通信模块例如可以分别具有路由器配置单元，路由器配置单元用于向相对应的路由器模块和相应的路由配置单元提供分配给第一和第二通信网络适配器的端口信息。以有利的方式，路由器配置单元与相对应的第一和第二通信网络适配器连接，并且端口信息包含有关分配给第一和第二通信网络适配器的IPv4地址的说明和有关分配给上级通信网络或者下级现场层面分网的IPv4网络掩码的说明。端口信息尤其是可以包含有关默认网关的说明。此外，相应的路由器配置单元例如可以是符合发现协议和基础配置协议的DCP服务器。
按照根据本发明的用于配置模块式工业自动化设备的方法，背板总线系统被设置为IPv4子网，其中，工业自动化设备包括背板总线系统、用于处理控制程序的中央单元和至少一个通信模块。中央单元和至少一个通信模块通过背板总线系统相互连接，并且分别具有用于执行包含网路层功能的通信协议栈的路由器模块。此外，中央单元和至少一个通信模块分别包括用于将路由器模块和背板总线系统连接的第一通信网络适配器和至少一个第二通信网络适配器，第二通信网络适配器用于将路由器模块和被设置为IPv4子网的上级通信网络或者被设置为IPv4子网的下级的现场层面分网连接。此外，中央单元和至少一个通信模块分别具有分配给路由器模块的路由表和用于更新相应的路由表的路由配置单元。
根据本发明，路由配置单元将存储在相应的路由表中的路由信息传输给其他路由器模块的路由配置单元。根据从其他路由器模块的路由配置单元接收的路由信息，路由配置单元在到分配给其他路由器模块的IPv4子网的路由方面、在默认网关方面并且在相对应的路由器模块与背板总线系统的连接方面更新相应的路由表。
附图说明
下面用一个实施例借助附图更详尽地阐述本发明。图中示出：
图1是具有一个中央单元和多个分别包含一个路由器模块的通信模块的工业自动化系统的模块式自动化设备的示意图。
具体实施方式
工业自动化系统的如图所示的模块式自动化设备具有用于处理控制程序的中央单元101和两个通信模块102-103。中央单元101和通信模块102经由背板总线系统104相互连接，背板总线系统设置为IPv4子网。模块式自动化设备在所示实施例中是可编程逻辑控制器。
中央单元101和两个通信模块102-103分别具有用于执行包含网路层功能的通信协议栈的路由器模块110、120、130。通过路由器模块110、120执行的通信协议栈优选地是IP堆栈，尤其是TCP/IP堆栈或者UDP/IP堆栈。此外，中央单元101和两个通信模块102-103分别包括用于将相应的路由器模块110、120、130与背板总线系统104连接的第一通信网络适配器111、121、131。附加地，中央单元101和两个通信模块102-103还分别具有多个第二通信网络适配器112、122、132，第二通信网络适配器用于将相应的路由器模块110、120、130与设置为IPv4子网的上级通信网络或者设置为IPv4子网的下级现场层面分网连接。上级通信网络例如可以是设施网络(Anlagennetz)。此外，中央单元101和两个通信模块102-103分别包括分配给相应的路由器模块110、120、130的路由表113、123、133和用于更新相应的路由表113、123、133的路由配置单元114、124、134。它们分别包含通过PHY电路执行的发送和接收单元以及通过MAC电路执行的、用于控制对通信介质的访问的功能单元。路由器模块110、120、130经由作为硬件抽象元件的端口驱动件访问它们的通信网络适配器111-112、121-122、131-132。
路由配置单元114、124、134分别将存储在它们的路由表113、123、133中的路由信息传输给其他路由器模块110、120、130的路由配置单元114、124、134。根据自其他路由器模块110、120、130的路由配置单元114、124、134接收的路由信息，路由配置单元114、124、134分别在到分配给其他路由器模块110、120、130的IPv4子网的路由方面、在默认网关方面并且在相对应的路由器模块110、120、130与背板总线系统104的连接方面更新路由配置单元的路由表113、123、133。原则上，路由配置单元114、124、134借助端对端通信彼此交换路由信息。在这种情况下可以设置为，路由配置单元114、124、134在接收到与它们自身的配置矛盾的路由信息时发出配置错误的信号。
作为端对端方案的替代，中央单元101的路由配置单元114在所示实施例中设置为主路由配置单元，而通信模块102-103的路由配置单元124、134设置为从路由配置单元。从路由配置单元124、134将存储在分配给它们的路由表123、133中的路由信息传输给主路由配置单元114。根据自从路由配置单元124、134接收的路由信息，主路由配置单元114在分配给其他路由器模块120、130的IPv4子网的路由方面、在默认网关方面并且在分配给其的路由器模块110与背板总线系统104的连接方面更新分配给主路由配置单元的路由表113。优选地，主路由配置单元114在超过一个默认网关时发出配置错误的信号。
为了持续地监管路由信息，主路由配置单元114包含中央数据库100，其中存储了有关以下的说明：
-分配给背板总线系统104的IPv4子网，
-设置用于到默认网关的连接的路由器模块110、120、130的、分配给背板总线系统104的IPv4地址，
-所有的路由器模块110、120、130的分配给背板总线系统104的IPv4地址，
-分配给这些路由器模块110、120、130的IPv4子网，这些子网可以由相应的路由器模块110、120、130通过其第二通信网络适配器112、122、132直接或者间接地通信。
路由器模块110、120、130的分配给背板总线系统104的IPv4地址例如可以从背板总线系统104上用于相应的路由器模块110、120、130的硬件插入位置中得到。
主路由配置单元114将存在于中央数据库100中的路由信息分配给从路由配置单元124、134，并且选择刚好一个路由器作为所有路由器模块110、120、130的默认网关，由此统一地预设了用于所有路由器模块110、120、130的默认网关。从路由配置单元124、134根据从主路由配置单元114接收的路由信息在以下方面更新它们的路由表123、133：
-分配给其他路由器模块110、120、130的IPv4子网的路由，
-默认网关，
-相对应的路由器模块110、120、130与背板总线系统104的连接。
中央单元101和通信模块102-103分别具有一个用于提供端口信息的路由器配置单元115、125、135，这些端口信息被分配给它们的第一和第二通信网络适配器111-112、121-122、131-132。为此，路由器配置单元115、125、135与所分配的通信网络适配器111-112、121-122、131-132连接。路由器配置单元115、125、135例如可以是符合发现和基础配置协议(Discovery and Basic Configuration Protocol)的DCP服务器，并且用于提供PROFINET基础功能。
端口信息通过路由器配置单元115、125、135被存储在相应的路由器配置单元115、125、135的存储器单元116、126、136中，并且从那里可调用地提供给相对应的路由器模块110、120、130并且提供给相应的路由配置单元114、124、135。端口信息包括有关分配给相应的第一和第二通信网络适配器的IPv4地址的说明，以及有关分配给上级的通信网络或者下级的现场层面分网的IPv4网络掩码的说明。此外，端口信息给出默认网关。端口信息不仅用于配置相应的局域通信协议栈，而且还用于通过路由配置单元114、124、134生成关于经由相应的路由器模块110、120、130可到达的IPv4子网的IPv4子网信息。

Claims (20)

1.一种模块式工业自动化设备，具有
用于处理控制程序的中央单元(101)和至少一个通信模块(102-103)，
设置为IPv4子网的背板总线系统(104)，
其中，所述中央单元和所述至少一个通信模块通过所述背板总线系统相互连接，并且所述中央单元和所述至少一个通信模块分别具有：
用于执行包含网路层功能的通信协议栈的路由器模块(110、120、130)；
用于使所述路由器模块与所述背板总线系统连接的第一通信网络适配器(111、121、131)；
至少一个第二通信网络适配器(112、122、132)，用于使所述路由器模块与设置为IPv4子网的上级通信网络或者设置为IPv4子网的下级现场层面分网连接；
分配给所述路由器模块的路由表(113、123、133)；以及
用于更新相应的所述路由表的路由配置单元(114、124、134)，
其中，所述路由配置单元构造和设置用于，将存储在相应的所述路由表中的路由信息传输给其他路由器模块的路由配置单元，
其中，所述路由配置单元还构造和设置用于，根据从其他路由器模块的路由配置单元接收的路由信息在到分配给其他路由器模块的IPv4子网的路由方面、在默认网关方面并且在相对应的所述路由器模块与所述背板总线系统的连接方面更新相应的所述路由表。
2.根据权利要求1所述的自动化设备，其中，刚好一个路由配置单元设置为主路由配置单元，其中，所有其他路由配置单元被设置为从路由配置单元，其中，所述从路由配置单元构造和设置用于，将存储在相应的所述路由表中的路由信息传输给所述主路由配置单元，其中，所述主路由配置单元构造和设置用于，将所述主路由配置单元中存在的路由信息分发给所述从路由配置单元，并且刚好一个路由器被选择并且预设为用于所有路由器模块的默认网关，并且其中，所述从路由配置单元还构造和设置用于，根据从主路由配置单元接收的路由信息在到分配给其他路由器模块的IPv4子网的路由方面、在所述默认网关方面并且在相对应的所述路由器模块与所述背板总线系统的连接方面更新相应的所述路由表。
3.根据权利要求2所述的自动化设备，其中，所述主路由配置单元还构造和设置用于，根据自从路由配置单元接收的路由信息在到分配给其他路由器模块的IPv4子网的路由方面、在所述默认网关方面并且在相对应的所述路由器模块与所述背板总线系统的连接方面更新所述主路由配置单元的相对应的路由表。
4.根据权利要求2所述的自动化设备，其中，所述主路由配置单元还构造和设置用于，在超过一个默认网关时发出配置错误的信号。
5.根据权利要求2所述的自动化设备，其中，所述主路由配置单元包括中央数据库(100)，在所述中央数据库中存储了有关分配给所述背板总线系统的IPv4子网的说明、有关设置用于到所述默认网关的连接的路由器模块的分配给所述背板总线系统的IPv4地址的说明、有关所有路由器模块的分配给所述背板总线系统的IPv4地址的说明、和有关分配给所述路由器模块的IPv4子网的说明。
6.根据权利要求2所述的自动化设备，其中，所述中央单元的路由配置单元设置为主路由配置单元。
7.根据权利要求1所述的自动化设备，其中，所述路由配置单元还构造和设置用于借助端对端通信彼此交换路由信息，并且在接收到与相应的自身配置相矛盾的路由信息时，发出配置错误的信号。
8.根据权利要求1所述的自动化设备，其中，所述中央单元和所述至少一个通信模块分别具有用于向相对应的路由器模块和相应的路由配置单元提供端口信息的路由器配置单元(115、125、135)，所述端口信息被分配给所述第一通信网络适配器和所述第二通信网络适配器。
9.根据权利要求8所述的自动化设备，其中，所述路由器配置单元与相对应的所述第一通信网络适配器和所述第二通信网络适配器连接，并且其中，所述端口信息包含有关分配给所述第一通信网络适配器和所述第二通信网络适配器的IPv4地址的说明、和有关分配给上级通信网络或者下级现场层面分网的IPv4网络掩码的说明。
10.根据权利要求9所述的自动化设备，其中，所述端口信息包含有关默认网关的说明。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的自动化设备，其中，所述路由器配置单元是符合发现协议和基础配置协议的DCP服务器。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的自动化设备，其中，通过路由器模块执行的通信协议栈是IP堆栈。
13.根据权利要求12所述的自动化设备，其中，通过路由器模块执行的通信协议栈是TCP/IP堆栈或者UDP/IP堆栈。
14.根据权利要求1所述的自动化设备，其中，所述通信网络适配器分别包括发送和接收单元以及用于控制对通信介质的访问的功能单元。
15.一种用于配置根据权利要求1至14中任一项所述的模块式工业自动化设备的方法，其中
所述模块式工业自动化设备包括背板总线系统、用于处理控制程序的中央单元和至少一个通信模块，
所述背板总线系统设置为IPv4子网，
所述中央单元和所述至少一个通信模块通过所述背板总线系统相互连接，并且所述中央单元和所述至少一个通信模块分别具有：
用于执行包含网路层功能的通信协议栈的路由器模块；
用于使所述路由器模块与所述背板总线系统连接的第一通信网络适配器；
至少一个第二通信网络适配器，用于使所述路由器模块与设置为IPv4子网的上级通信网络或者设置为IPv4子网的下级现场层面分网连接；
分配给所述路由器模块的路由表；以及
用于更新相应的所述路由表的路由配置单元，
所述路由配置单元将存储在相应的所述路由表中的路由信息传输给其他路由器模块的路由配置单元，
所述路由配置单元根据从其他路由器模块的路由配置单元接收的路由信息在到分配给其他路由器模块的IPv4子网的路由方面、在默认网关方面并且在相对应的所述路由器模块与所述背板总线系统的连接方面更新相应的所述路由表。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，刚好一个路由配置单元被设置为主路由配置单元，其中所有其他路由配置单元被设置为从路由配置单元，其中，所述从路由配置单元将存储在相应的所述路由表中的路由信息传输给所述主路由配置单元，其中，所述主路由配置单元将所述主路由配置单元中存在的路由信息分配给所述从路由配置单元，并且刚好一个路由器被选择并且被预设为用于所有路由器模块的默认网关，并且其中，所述从路由配置单元根据从所述主路由配置单元接收的路由信息在到分配给其他路由器模块的IPv4子网的路由方面、在默认网关方面并且在相对应的所述路由器模块与所述背板总线系统的连接方面更新相应的所述路由表。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述主路由配置单元根据自从路由配置单元接收的路由信息在到分配给其他路由器模块的IPv4子网的路由方面、在默认网关方面并且在相对应的所述路由器模块与所述背板总线系统的连接方面更新所述主路由配置单元的相对应的所述路由表。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述主路由配置单元在超过一个默认网关时发出配置错误的信号。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，其中，所述中央单元的路由配置单元被设置为主路由配置单元。
20.根据权利要求15所述的方法，其中，所述路由配置单元借助端对端通信彼此交换路由信息，并且在接收到与相应的自身配置相矛盾的路由信息时发出配置错误的信号。
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