CN107864231B - 使用工业控制程序的因特网协议寻址方法和系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种使用工业控制程序的因特网协议寻址方法和系统，在该系统中，可以预先确定拓扑中的每个设备(相对于其他设备)的位置以及每个设备的相应设备ID。然后，可以将每个设备的预定位置和相应设备ID与拓扑中的实际设备进行比较，该实际设备具有预编程的设备ID和预分配的IP地址。如果比较产生匹配，则可以利用实际设备中的预分配IP地址。然而，如果比较未产生匹配，则可以报告该情况以进一步行动。

Description

使用工业控制程序的因特网协议寻址方法和系统

技术领域

本发明涉及工业控制系统领域，更特别地涉及用于使用工业控制程序对工业控制设备进行因特网协议(IP)寻址的系统和方法。

背景技术

工业控制器是例如在工厂环境中用于控制工业过程或机械的专用计算机系统。通常，工业控制器执行存储的控制程序，该存储的控制程序读取来自与受控过程或机器相关联并且感测过程或机器的状况的各种传感器的输入，并且工业控制器基于这些输入和存储的控制程序计算用于控制致动器的一组输出，其中致动器控制过程或机器。通常使用专用控制语言例如“继电器梯形逻辑图(relay ladder logic)”以便于对设备进行编程。在存储的程序的指示下，工业控制器的处理器周期性地检查输入设备的状态并更新输出设备的状态。为了确保对机器或过程的可预测的控制，控制程序必须是高度可靠和确定性的，即在精确定义的时间段执行。

工业控制器在许多方面与传统计算机不同。在物理上，与传统计算机相比，工业控制器被构造为对于冲击和损坏实质上更为鲁棒，并且更好地抵抗外部污染物和极端的环境条件。处理器和操作系统针对实时控制被优化，并且用被设计为允许快速开发控制程序的语言来编程，针对不断变化的一组机器控制或过程控制应用而定制该控制程序。

通常，工业控制器具有高度模块化的架构，例如该架构允许使用不同数量和类型的输入和输出模块将控制器与要控制的过程或机器连接。通过使用适用于高度可靠且可用的实时通信的专用“控制网络”来促成该模块化。这样的控制网络(例如，EtherNet/IP、DeviceNet和ControlNet)与标准通信网络的不同之处在于：通过预先安排网络的通信容量来保证最大的通信延迟，和/或为高可用性提供无缝冗余的通信能力。

作为其增强的模块化的一部分，工业控制器可以采用专用于特定类型的电信号和功能(例如检测输入AC或DC信号或控制输出AC或DC信号)的I/O模块或设备。这些I/O模块或设备中的每个I/O模块或设备可以具有连接器系统，该连接器系统使得这些I/O模块或设备能够以不同组合与其他被选择的I/O模块或设备一起安装在壳体中或机架上以匹配特殊应用的需求。多个或单独的I/O模块或设备可以位于受控的过程或机器附近的便利控制点处，以经由控制网络与中央工业控制器通信。

控制网络可以采用“连接的消息传递”，其中将网络和缓冲空间的带宽预分配给专用“连接”，以检测丢失的或不可预测地延迟的数据控制消息传送，或者将网络和缓冲空间的带宽预分配给专用“连接”以保证一般以太网用途中的客户端/服务器业务完整性。在通用工业协议(CIP)中体现了连接的消息传递的一个示例，CIP是由开放DeviceNet供应商协会(ODVA)支持的工业自动化应用的介质独立工业协议。在开放DeviceNet供应商协会公司2006年版权所有的“通用工业协议(CIP)和CIP网络系列”中描述了CIP，该文件通过引用全部在此并入。

CIP包含用于收集包括控制、安全性、同步、运动、配置和其他信息的制造自动化应用的消息和服务的完整套件。CIP的应用扩展包括：CIP安全，根据IEC 61508标准，CIP安全为诸如安全应用中的安全I/O块、安全互锁开关、安全光幕和安全PLC的节点之间提供高达安全完整性等级(SIL)3级的通信；CIP运动，CIP时间同步扩展，允许现场设备和运动驱动集成在同一网络上，从而消除对单独运动优化网络的需要；以及CIP同步，基于最近的IEEE-1588标准(用于网络测量和控制系统的精确时钟同步协议)为顺序要求事件记录(sequencing demanding events recording)、分布式运动控制和其他分布式应用提供增强的控制协调。CIP最大化工业系统中和实现CIP的典型控制网络中的设备之间的兼容性，其中实现CIP的典型控制网络包括EtherNet/IP、DeviceNet、ControlNet、以及其规范被发布并且其协议被许多制造商和供应商广泛使用的类似网络。

在工业控制系统中，通常期望与系统中的不同设备通信以实现各种目的，例如监视设备状态、监视传感器、控制致动器等。可以使用基于因特网协议(IP)的寻址网络(例如EtherNet/IP网络)方便地实现这样的通信，在基于因特网协议(IP)的寻址网络中，为不同的设备分配各自唯一的IP地址。然而，将IP地址分配给“受限制的”设备可能很困难。受限制的设备是通常具有有限的功率、计算能力、存储器、通信速率的设备或者是另外的受限制的资源，并且在一些情况下可以是电池供电的设备。这样的受限制的设备的示例可以包括电子过载继电器、按钮、接触器、接近传感器和其他I/O元件。

在过去，受限制的设备可能根本不会接收到IP地址。这样的设备的受限本质通常阻止支持动态主机配置协议(DHCP)或引导程序协议软件的能力，或阻止支持用于静态IP地址分配的硬件交换机的能力，因此完全禁止了经由现有寻址方法的IP地址分配。此外，即使可行，在工业控制系统中传统DHCP软件的实现方式仍然会是不需要的，因为DHCP分配通常禁止为特定设备维持固定的IP地址，而为特定设备维持固定的IP地址在工业控制系统中通常又是重要的功能。

还可以根据诸如线性拓扑、环形拓扑和/或星形拓扑的不同网络拓扑来将设备配置在系统的一部分中，这会进一步使得工业控制系统中通信的建立复杂化。此外，包括受限制设备的这样的设备通常大量存在。因此，由于例如需要增加建立网络的时间、难以确保IP地址唯一性等原因，例如通过在可行的情况下使用DHCP软件或硬件交换机将IP地址分配给每个单独的设备可能是低效和/或无效的。此外，对系统应用改变的可能性也使得维持容错寻址方案变得复杂，其中对系统应用改变包括更新硬件或软件、更换设备等。

除了向工业控制系统中的每个设备分配唯一的IP地址之外，向工业控制器提供每个设备的IP地址对于实现系统中的控制器与设备之间的精确通信也是重要的。这通常通过在控制器的设备配置和控制程序中手动设置每个设备的IP地址来实现。此过程首先需要开发系统的操作员在控制器中手动设置设备的IP地址，然后要求操作员手动验证每个IP地址设置的正确性。此外，当相同的系统被复制时，例如相同的机器被安装在相邻的工作单元中，必须为每个系统重新配置控制器中的IP地址设置，从而需要额外的启动成本和延迟。

因此，期望提供一种改进的工业控制系统，其提供用于为系统中的设备更有效地分配IP地址并且用于在系统中的工业控制器中设置设备的IP地址的机制。

发明内容

本发明提供了一种系统，在该系统中，可以预先确定拓扑中每个设备(相对于其他设备)的位置和每个设备的相应设备ID。然后，可以将每个设备的预先确定的位置和相应设备ID与拓扑中的实际设备进行比较，其中该实际设备具有预编程的设备ID和预分配IP的地址。如果比较产生匹配，则可以利用实际设备中的预分配的IP地址。然而，如果比较未产生匹配，则可以报告该情况以进一步采取行动。

在新网络运行、网络的一部分被更新或升级、和/或网络的一个或更多个设备被替换的情况下，根据本发明的IP地址分配可以是有用的。根据本发明的IP地址分配在相邻工作单元中安装相同的机器时，可以有利地避免在每个系统的工业控制器中重新配置IP地址设置的需要。

在一个方面，用于系统的线性或环形拓扑部分的工业控制程序和设备配置可以由用户使用诸如罗克韦尔自动化公司提供的Studio 5000环境的配置软件来离线地开发。线性拓扑可以是设备以菊花链的形式物理地接连连接的拓扑。环形拓扑可以是设备物理地接连连接以形成闭合环路的拓扑。控制程序可以使得设备的操作能够使用本领域已知的传感器和致动器来控制工业过程。设备配置可以反映每个设备(相对于拓扑中的其他设备)的预定位置以及每个设备的相应的预定设备ID。在一个方面，预定设备ID可以优选地包括一个或更多个通用工业协议(CIP)产品密钥(例如供应商ID、设备ID、产品代码、大修订、小修订等)，当在相邻的工作单元中安装相同的机器时，这可以避免在每个系统的工业控制器中重新配置IP地址设置的需要，尽管在其他方面可以使用MAC地址。每个设备的相应IP地址可以在等待分配的期间保持打开状态(例如，设置为“等待自动设置”)。然后可以将控制程序和设备配置安装在与实现拓扑的设备相连接的工业控制器上，并且工业控制器可以在等待决定这样的设备的IP地址的期间将控制程序保持在“空闲”模式。

然后，工业控制器可以启动自动的设备IP寻址处理，在自动的设备IP寻址处理中，工业控制器单独地发现和/或确定来自每个设备的信息，例如：(1)每个设备在拓扑中的位置(相对于拓扑中的其他设备)；(2)每个设备的设备ID(例如CIP产品密钥或MAC地址)；以及(3)在自动的设备IP寻址处理期间分配的每个设备的IP地址。这可以例如通过以下方式来实现：工业控制器经由线性链中的每个设备传送“自动IP命令消息”并接收“自动IP完成消息”。然后，工业控制器将针对每个设备而发现的位置和设备ID与安装在工业控制器上的设备配置中的预定位置和设备ID进行比较。该比较尝试在设备配置中所预先确定的与拓扑中已经发现的之间将相同的设备位置与相同的相应设备ID相关联。如果设备配置中的预定拓扑信息与所发现的拓扑信息匹配，则工业控制器将设备IP地址写入设备配置，确认拓扑中的设备可用，并将控制程序置于“运行”模式以用于使用IP地址与拓扑中的设备进行通信的正常操作。然而，如果设备配置中的预定拓扑信息与所发现的拓扑信息不匹配，则工业控制器向用户报告该情况以进一步行动。

然后，具体地，本发明的一个方面提供了一种用于对本地网络组中的设备进行寻址的方法，可操作本地网络组中的设备以控制工业过程或机器，并且本地网络组包括工业控制器。该方法可以包括：(a)将设备配置提供给工业控制器，该设备配置包括：(i)本地网络组中的设备的预定相对位置；以及(ii)分别与预定相对位置对应的预定设备标识符，每个预定设备标识符提供用于将设备从多个设备之中区分开的属性；(b)将控制程序提供给工业控制器，该控制程序被配置成控制本地网络组中的设备，该控制程序还被配置成使用设备配置来引用本地网络组中的设备；(c)将寻址命令消息发送至本地网络组中的设备，该寻址命令消息被配置成生成本地网络组中的设备的因特网协议(IP)地址，该寻址命令消息还被配置成产生提供下述内容的寻址完成消息：(i)本地网络组中设备的实际相对位置；(ii)分别与实际相对位置对应的实际设备标识符；以及(iii)本地网络组中的设备的IP地址；(d)将来自设备配置的预定相对位置和预定设备标识符分别与来自寻址完成消息的实际相对位置和实际设备标识符进行比较，以确定匹配；以及(e)当成功地确定匹配时，执行控制程序以通过使用与设备对应的IP地址来控制本地网络组中的设备。

另一方面可以提供一种工业控制系统，该工业控制系统包括：本地网络组中的多个设备，可操作本地网络组中的多个设备以控制工业过程或机器；以及连接至本地网络组的工业控制器，可操作该工业控制器以执行存储在非暂态介质中的程序，可操作该程序以进行以下操作：(a)接收包括以下内容的设备配置：(i)本地网络组中设备的预定相对位置；以及(ii)分别与预定相对位置对应的预定设备标识符，每个预定设备标识符提供用于将设备从多个设备之中区分开的属性；(b)接收控制程序，该控制程序被配置成控制本地网络组中的设备，该控制程序还被配置成使用设备配置来引用本地网络组中的设备；(c)将寻址命令消息发送至本地网络组中的设备，该寻址命令消息被配置成生成本地网络组中的设备的因特网协议(IP)地址，该寻址命令消息还被配置成产生提供下述内容的寻址完成消息：(i)本地网络组中设备的实际相对位置；(ii)分别与实际相对位置对应的实际设备标识符；以及(iii)本地网络组中设备的IP地址；(d)将来自设备配置的预定相对位置和预定设备标识符分别与来自寻址完成消息的实际相对位置和实际设备标识符进行比较，以确定匹配；以及(e)当成功匹配时，执行控制程序以通过使用与设备对应的IP地址来控制本地网络组中的设备。

此外，在工业控制网络中，可以根据“子网”和“组”来划分网络，其中该工业控制网络可以具有第一层级处的路由器，该路由器连接至第二层级处的多个交换机，而多个交换机又连接至第三层级处的多个设备。子网可以是通过网络中的公共交换机连接的设备的集合。组可以是在“子网”中在本地彼此连接的设备的集合。每个组可以实现其自己的拓扑，例如：(1)线性拓扑，其中设备以菊花链的形式物理地接连连接；(2)环形拓扑，其中设备物理地接连连接以形成闭合环路；或(3)星形拓扑，其中每个设备与公共连接点点对点物理地连接。此外，组的拓扑可以在单个网络中彼此不同。在新网络运行、网络的一部分被更新或升级、和/或网络的一个或更多个设备被替换的情况下，根据本发明的IP地址分配可以是有用的。

使用上述工业控制系统架构，可以提供IP寻址方法，在该IP寻址方法中，可以基于组的物理拓扑生成IP地址。IP地址可以由下述内容组成：(1)“网络ID”/“网络信息”(可以由用于连接的子网的路由器来分配，并且可以包括网关地址、子网掩码、子网ID或前缀(例如，192.168.1)和子网大小(例如256))；(2)“组ID”/“组信息”(其可以由组的交换机分配，并且可以包括组ID和/或组大小)；以及(3)“组设备ID”(GDID)(对于线性拓扑或环形拓扑，其可以基于设备在组中相对于组中用作为“启动器”设备的第一设备的位置，或对于星形拓扑，其可以基于设备可以连接到公共连接点的哪个端口)。

对于实现线性拓扑或环形拓扑的组，组中的第一设备可以用作“启动器”设备。启动器设备可以设置有包括网络ID、组ID和起始GDID的起始地址信息。起始地址信息可以来自交换机、远程DHCP服务器或用户工具。例如，用户可以使用用户工具设置组大小(网络组中的设备数量)和设备的IP参数(IP地址、网络掩码、网关地址等)以生成起始地址信息。然后，启动器设备可以执行基于位置的顺序IP寻址处理，其可以由用户经由硬件或软件接口来命令。除其它操作之外，IP寻址处理还可以使得能够进行以下操作：(1)对新运行的系统的网络中的所有设备进行寻址；(2)对网络中新添加的设备进行寻址，例如针对系统升级；和/或(3)对网络中的替换设备进行寻址，例如针对故障设备替换。寻址处理可以例如经由第二层寻址消息(公知的计算机网络的七层开放系统互连(OSI)模型的数据链路层)来执行。可以经由寻址命令消息向每个设备提供网络ID、组ID和可更新的GDID。然后，每个设备可以基于其在网络中的位置来生成其GDID。然后，使用确定的GDID，每个设备还可以根据网络ID、组ID以及其GDID一起来确定IP地址。“拓扑信息”(其可以包括具有相应的IP地址、MAC地址、设备ID和/或位置ID和/或设备的总数量的设备列表)和/或“状态信息”(其可以传送组中的拓扑变化和/或设备故障，如果有的话)可以作为寻址结果经由“寻址完成消息”返回给每个设备。系统中的其他设备，例如工作站、控制器等可以出于不同的目的(例如显示拓扑、在工业控制器的配置中设置IP地址等)取回这样的信息。

在一个方面(概念1)，启动器设备可以访问或接收网络ID、组ID以及起始GDID。启动器设备可以是例如访问在设备中本地存储的默认网络ID、组ID和/或起始GDID的工业控制器。启动器设备还可以是例如访问针对不同的组而本地存储的多组网络ID、组ID和/或起始GDID的公共管理工业网络交换机。应用前述顺序IP地址分配处理，启动器设备可以根据网络ID、组ID和起始GDID确定起始IP地址。然后，启动器设备可以以“寻址命令消息”将网络ID、组ID和GDID转发到组中的下一设备。下一设备又可以接收“寻址命令消息”，并且基于其在网络中相对于启动器设备的位置来确定其GDID。然后，下一设备还可以基于网络ID、组ID以及其GDID一起来确定其IP地址。然后，下一设备可以将网络ID、组ID以及其GDID(更新的)转发到组中的下一设备，继续“寻址命令消息”。该顺序经由每个设备继续，直到组中的所有设备都具有确定的GDID和IP地址为止。最后，可以经由组中的设备返回“拓扑信息”和/或“状态信息”，以经由“寻址完成消息”完成IP地址分配。

在另一方面(概念2)，上游元素可以访问或接收网络ID、组ID和/或起始GDID。上游元素可以是例如访问在交换机中本地存储的默认网络ID、组ID和/或起始GDID的子网的公共管理网络交换机。上游元素(例如子网的公共交换机)可以存储用于不同启动器的多组网络ID、组ID和/或起始GDID。上游元素又可以向启动器设备提供网络ID、组ID和/或起始GDID。启动器设备又可以应用前述顺序IP地址分配处理，包括发送“寻址命令消息”以及接收“寻址完成消息”，如上文关于概念1所描述的。

在另一方面(概念3)，上游元素可以访问或接收网络ID、组ID和/或起始GDID。上游元素可以是例如访问在交换机中本地存储的默认网络ID、组ID和/或起始GDID的子网的公共管理网络交换机。上游元素(例如子网的公共交换机)可以存储用于不同启动器的多组网络ID、组ID和/或起始GDID。此外，上游元素可以实现用于基于组中设备的可选网络ID、可选组ID和/或GDID一起来分配IP地址的DHCP服务器。上游元素可以向启动器设备提供网络ID、组ID和/或起始GDID。启动器设备又可以应用前述顺序IP地址分配处理，包括发送“寻址命令消息”以及接收“寻址完成消息”，如上文关于概念1所描述的。然而，每个下一设备可以将其确定的GDID传送到实现DHCP服务器的上游元素，并且实现DHCP服务器的上游元素可以确定设备的IP地址，并且向设备提供IP地址和其他“网络信息”，而不是由每个下一设备确定其IP地址。

在另一方面(概念4)，上游元素可以访问或接收网络ID、组ID和/或起始GDID。上游元素可以是例如访问在交换机中本地存储的默认网络ID、组ID和/或起始GDID的子网的公共管理网络交换机。上游元素(例如子网的公共交换机)可以存储用于不同启动器的多组网络ID、组ID和/或起始GDID。此外，还可以在系统中设置单独的DHCP服务器以基于组中设备的网络ID、组ID和GDID一起来分配IP地址。上游元素可以向启动器设备提供可选的网络ID、组ID和/或起始GDID。启动器设备又可以应用前述顺序IP地址分配处理，包括发送“寻址命令消息”以及接收“寻址完成消息”，如上文关于概念1所描述的。然而，每个下一设备将其确定的GDID和组ID传送给DHCP服务器，并且DHCP服务器可以确定设备的IP地址，并向设备提供IP地址和其他“网络信息”，而不是由每个下一设备确定其IP地址。

根据以下详细描述和附图，本发明的这些以及其他的特征和优点对于本领域技术人员而言将变得明显。然而，应当理解的是，在指示本发明的优选实施方式时，详细描述和特定示例被以图示的方式给出并且不受限制。可以在不背离本发明的精神的前提下在本发明的范围内做出许多改变和修改，并且本发明包括所有这样的修改。

附图说明

图1是根据本发明实施方式的可以实现用于为系统中的设备分配因特网协议(IP)地址的方法的示例工业控制系统的框图；

图2是根据本发明实施方式的示出用于分配IP地址的示例处理的流程图；

图3是可以在图1的系统中的寻址命令消息中被传送的示例数据字段；

图4是可以用于确定图1的系统中的IP地址的地址分配系统的框图；

图5是可以在图1的系统中的寻址完成消息中被传送的示例数据字段；

图6A是根据本发明实施方式的示出本地网络组的设备的IP地址分配的示例表；

图6B是示出图6A中设备的更新的IP地址分配的表，其中在图6A中设备已被更新；

图6C是示出图6A中设备的更新的IP地址分配的表，其中在图6A中新设备已被添加；

图7是根据本发明另一方面的示出用于寻址本地网络组中的设备的示例处理的流程图；

图8是根据本发明实施方式的以表格形式提供参数的示例设备配置；以及

图9是根据本发明实施方式的也以表格形式提供参数的示例设备集合。

具体实施方式

现在参照图1，提供了根据本发明的实施方式的可以实现用于为系统中的设备分配因特网协议(IP)地址的方法的示例工业控制系统10的框图。系统10可以包括路由器12，路由器12可以连接至广域网(WAN)以连接至其他设备，例如与系统10类似的另一系统和/或因特网连接。路由器12可以是被配置成在工业控制网络之间转发数据包的联网设备。

路由器12可以连接至系统10中的一台或更多台交换机14(图1中示出为交换机14a和14b，分别对应于“交换机1”和“交换机2”，以示例的方式示出)。因此，每台交换机14可以在系统10中建立IP子网，例如与交换机1相关联的“子网1”、与交换机2相关联的“子网2”等。每台交换机14又可以连接至一个或更多个本地网络组16(在图1中示出为本地网络组16a、16b和16c，分别对应于“组1”、“组2”和“组3”，以示例的方式示出)。每个本地网络组16可以包括多个工业控制设备18(图1中示出为设备18a至18j)，其中，设备能够操作以控制工业过程或机器20。设备18可以包括工业控制器、驱动、I/O模块等，以及受限制的设备(其可以具有有限的功率、计算能力、存储器、通信速率或是另外的受限制的资源)，例如电子过载继电器、按钮、接触器、接近传感器和其他I/O元件。因此，设备18可以包括连接到本领域已知的传感器和/或致动器的各种连接22，其中传感器用于感测过程或机器20的状况，致动器用于控制工业过程或机器20。

在子网内，本地网络组16可以各自实现各种网络拓扑，例如星形拓扑、线性拓扑和/或环形拓扑。以示例的方式如图1所示，本地网络组16a可以包括用于使用设备18a、18b和18c实现星形拓扑的交换机或集线器19。因此，星形拓扑可以将设备18a、18b和18c中的每个设备与交换机或集线器19点对点地物理连接。此外，本地网络组16b可以使用设备18d、18e和18f实现线性拓扑。因此，线性拓扑可以以菊花链的形式接连地连接设备18d、18e和18f。此外，本地网络组16c可以使用设备18g、18h、18i和18j实现环形拓扑。因此，环形拓扑可以接连地物理连接设备18g、18h、18i和18j以形成闭合环路。

在题为“Industrial Controller Employing the Network RingTopology”的美国专利第8,244,838号中也描述了环形拓扑，该文件通过引用全部并入本文。因此，本地网络组16c可以采用通常被环形管理器在环形管理器处打开的环形拓扑，该环形管理器例如是设备18g(图1中也标识为设备“1”)。当环形网络发生故障时，环形管理器可以重新连接环以提供绕过故障点的替选传输路径。

此外，在系统10中可以设置有计算设备或服务器26。在一个示例中，服务器26可以连接至交换机14a。服务器26可以具有处理器，该处理器执行存储在非暂态介质中的程序，以使得用户能够例如经由键盘、监视器和/或本领域已知的其他I/O来提供系统10中的控制。在一个方面，服务器26可以实现本领域已知的动态主机配置协议(DHCP)程序28，以用于将进一步描述的系统10中的地址分配。在另一方面，服务器26可以实现罗克韦尔自动化公司提供的Studio 5000环境和/或系统10中有用的其他程序模块，例如用于提供起始地址信息、开发工业控制程序和/或开发设备配置，如将进一步描述的那样。

此外，在系统10中可以设置有人机接口(HMI)30。在一个示例中，HMI 30可以连接至交换机14a。HMI 30可以具有处理器，该处理器执行存储在非暂态介质中的程序，以使得用户能够提供与服务器26类似的系统10中的控制。

对于在实现线性拓扑的本地网络组16b(组2)中的设备，和/或在实现环形拓扑的本地网络组16c(组3)中的设备，可以根据本发明的一个方面分配IP地址。每组中的第一设备，例如本地网络组16b中的设备18d和/或本地网络组16c中的设备18g可以用作组的“启动器(initiator)”设备。启动器设备可以设置有全局网络信息。然后，启动器设备可以为组中的随后的设备执行基于位置的顺序IP寻址处理。因此，可以经由寻址命令消息将网络ID(“网络标识符”)、组ID(“组标识符”)和可更新的组设备ID(GDID或“组设备标识符”)提供给组中的每个设备。然后，每个设备可以基于其在网络中的位置来生成它的组设备标识符。然后，利用所确定的组设备标识符，每个设备还可以根据网络标识符、组标识符及其组设备标识符一起来确定IP地址。然后，“拓扑信息”(其可以包括具有相应的IP地址、MAC地址、设备ID和/或位置ID和/或设备的总数量的设备列表)和/或“状态信息”(其可以告知组中的拓扑变化和/或设备故障，如果有的话)可以经由寻址完成消息作为寻址结果返回给每个设备。

现在参照图2，提供了根据本发明实施方式的示出用于分配IP地址的示例处理100的流程图。将参照本地网络组16b以及设备18d、18e和18f以示例的方式描述处理100。然而，要认识到，处理100或类似处理可以用在具有更多或更少的设备18和变化的网络拓扑(例如本地网络组16c以及设备18g、18h、18i和18j)的各种控制网络配置中。

在步骤102处开始，可以将起始地址信息提供给本地网络组16b中的启动器设备，例如第一设备18d。例如可以通过与本地网络组16b、服务器26(其可以实现用户工具)、HMI30或另一上游元素连接的交换机14a来提供起始地址信息。

另外地参照图3，起始地址信息可以包括网络标识符120、组标识符122和/或可更新的组设备标识符124。如本领域已知的，网络标识符120可以包括可以起源于路由器12的系统10的全局网络信息，包括例如IP子网地址120a或前缀(例如192.168.1.0)、IP子网大小120b(例如256)、IP网关地址120c(例如0.0.0.0)和/或IP子网掩码120d(例如255.255.255.0)。组标识符122可以包括可以补充全局网络信息的组网络信息，包括例如组识别号122a(例如0或1)和/或组大小122b(其可以等于IP子网大小)，其中组识别号122a可以对应于本地网络组16a，用于与连接至系统10中的交换机的其他本地网络组区别开。组设备标识符124还可以通过以下方式来补充全局网络信息：基于本地网络组16b中每个设备18的相对位置来提供唯一的设备号。组设备标识符124可以是可通过每个设备18更新的，以便可以提供本地网络组16b中的每个设备的相对位置。起始地址信息可以指示出启动器设备(或第一设备18d)被首先定位在本地网络组16中并且因此是启动器设备。

再次返回图2，在步骤104处，第一设备18d可以执行存储在非暂态介质中的程序，可操作该程序以通过引用组设备标识符124和/或起始地址信息来确定其在本地网络组16中的、相对于本地网络组16b中其他设备18的位置。对于作为启动器设备的第一设备18d，组设备标识符124可以被初始地设置以指示出第一设备18d被首先定位在本地网络组16b中。

另外参照图4，第一设备18d可以通过应用以示例方式示出的地址分配系统130或通过与应用地址分配系统130的另一设备进行通信来获取IP地址。因此，可以通过硬件、软件或软硬件结合的方式将地址分配系统130的结构实现在例如设备18、服务器26(例如，经由DHCP程序28)和/或HMI 30中。在地址分配系统130中，网络标识符120的至少一部分(例如IP子网地址120a)、组标识符122的至少一部分(例如组识别号122a)以及组设备标识符124可以被应用于应用件132。在第一设备18d也作为启动器设备的情况下，第一设备18d可以遵循直接路径134到应用件132。应用件132又可以应用网络标识符120的至少一部分、组标识符122的至少一部分和组设备标识符124，以产生第一设备18d的IP地址136。在一个方面，应用件132可以执行求和逻辑。

再次返回图2，在步骤106处，第一设备18d可以进一步执行以将寻址命令消息发送至本地网络组16中的第二设备18e。寻址命令消息可以包括网络标识符120的至少一部分、组标识符122的至少一部分和组设备标识符124。寻址命令消息可以以本领域已知的开放系统互连(OSI)模型数据链路层消息来传送。

在步骤108处，第二设备18e可以执行存储在非暂态介质中的程序，可操作该程序以确定其在本地网络组16b中的、相对于本地网络组16b中其他设备18的位置，并且调整组设备标识符124。在一个方面，再次参照图4，第二设备18e可以确定其位置，并且应用调整器138来调整组设备标识符124，以产生更新的组设备标识符124’。调整器138可以增加组设备标识符124。因此，组设备标识符124可以遵循间接路径140经由调整器138到应用件132。应用件132又可以类似地应用网络标识符120的至少一部分、组标识符122的至少一部分和更新的组设备标识符124’，以产生第二设备18e的IP地址136。另一方面，组设备标识符124可以在被发送至第二设备18e之前通过第一设备18d来调整。

再次返回图2，在处理100中的决定块110处，确定第二设备18e是否是本地网络组16b中的最后一个设备。如果第二设备18e不是本地网络组中的最后一个设备(图2中的“否”)，则第二设备18e可以进一步执行以将寻址命令消息发送至第三设备18f，并且处理可以返回到步骤106。第三设备18f又可以类似地执行以确定其位置、获取IP地址等。

然而，如果第二设备18e是最后一个设备(图2中的“是”)，处理可以替代地继续到步骤112，在步骤112中，可以经由本地网络组16b中的每个设备18来发送寻址完成消息。另外参照图5，寻址完成消息可以包括本地网络组16中每个设备18的、与设备18的位置对应的数据集合，包括例如，IP地址136、介质访问控制(MAC)地址/ID和/或状态字段144、更新的组设备标识符124’和/或通用工业协议(CIP)身份对象146。CIP身份对象146可以提供用于将一个设备18从多个设备18中区分开的属性，例如在开放DeviceNet供应商协会公司2006年版权所有的“通用工业协议(CIP)和CIP网络系列”中所描述的供应商ID、设备类型、产品代码和/或序列号中的一个或更多个，该文件通过引用全部在此并入。与寻址命令消息类似，寻址完成消息也可以以本领域已知的OSI模型数据链路层消息来传送。

现在参照图6A，提供了根据本发明实施方式的示出了本地网络组中的设备的IP地址分配的示例表160。第一列162可以指示例如系统10中的本地网络组16中的设备18(在图6A中以示例的方式示出为圆形并且被标识为设备18k至18p)。设备18可以处于通过表160中的设备18之间的连接而示出的线性拓扑或环形拓扑中。第一列162中的第一设备(在图6A中，设备18k还被标识为“P1”)可以用作本地网络组中的启动器设备。第一设备可以是例如工业控制器，并且特别是PLC，并且如果被配置在环形拓扑中，还可以是环形管理器。第一列162中的其余设备可以是例如可以经由传感器和/或致动器与工业过程或机器通信的工业控制设备，例如驱动器、I/O模块、受限制的设备等。第二列164可以指示本地网络组中的每个设备18的实际的、相对的位置(或“位置ID”)。第三列166可以指示根据本发明的实施方式的用以产生组设备标识符(进而地，IP地址)的寻址处理的执行。例如，寻址命令消息170可以经由设备18传播，设备18可以接收唯一的组标识符，例如“1”、“2”、“3”、“4”、“5”和“6”，并且寻址完成消息172可以经由设备18返回。对于大多数应用，第三列166中产生的组设备标识符可以等于第二列164中的位置ID。

另外参照图6B，在随后的时间，可以如第一更新表160’中所指示的那样来更新或替换某些设备18。这可以包括例如维持相同的硬件，而更新软件和/或固件，或者使用实质上类似的硬件来替换硬件。例如，第三列166可以指示出第三设备18m和第五设备18o已被改变(被更新或被替换)，并且因此，组设备标识符会过时。

因此，第四列174可以指示根据本发明的实施方式的用以产生更新的组设备标识符(进而地，IP地址)的随后的寻址处理的执行。例如，随后的寻址命令消息176可以经由设备18传播。已经具有组设备标识符的设备18可以保留它们的当前组设备标识符。然而，改变的设备均可以接收先前所分配的相同组设备标识符。因此，第三设备18m可以再次接收组设备标识符“3”，并且第五设备18o可以再次接收组设备标识符“5”。最后，随后的寻址完成消息178可以经由设备18返回。

另外参照图6C，在随后的时间，可以如在第二更新表160”中所指示的那样将新设备180(在图6C中以示例的方式示出为方框，并且被分别标识为第一新设备180a、第二新设备180b和第三新设备180c)添加至本地网络组16。例如，第一新设备180a可以安装在第二设备18l与第三设备18m之间，第二新设备180b可以安装在第五设备18o与第六设备18p之间，而第三新设备180c可以被安装在第六设备18p之后。因此，第二列164中的位置ID已改变，并且第三列166中的组设备标识符已过时。

因此，第四列182可以指示根据本发明的实施方式的用以产生更新的组设备标识符(进而地，IP地址)的随后的寻址处理的执行。例如，随后的寻址命令消息184可以经由设备18和新设备180传播。已经具有组设备标识符的设备18可以保留它们的当前组设备标识符。然而，新设备180均可以接收经调整的组设备标识符，该经调整的组设备标识符可以基于要分配的最后的组设备标识符来调整。因此，在序列中遇到的第一新设备可以接收唯一的组标识符例如“7”，在序列中遇到的第二新设备可以接收唯一的组标识符例如“8”，并且在序列中遇到的第三新设备可以接收唯一的组标识符例如“9”，其中第一新设备是第一新设备180a，第二新设备是第二新设备180b，第三新设备是第三新设备180c。最后，随后的寻址完成消息186可以经由设备18和设备180返回。要认识到，在本发明的范围内，利用被更新的设备标识符(进而地，IP地址)，可以提供对设备的更新、替换、添加和/或减去的组合。

现在参照图7，在本发明的另一方面中，提供了示出用于对本地网络组中的设备进行寻址的示例处理200的流程图，该设备包括可以是PLC的工业控制器。在该方面，可以预先确定拓扑中的每个设备18(相对于其他设备18)的位置和每个设备18的相应设备ID。然后，可以将每个设备的预定位置和相应设备ID与拓扑中的实际设备18进行比较，该实际设备18具有预编程的设备ID和预分配的IP地址。如果比较产生匹配，则可以利用在实际设备中的预分配IP地址。然而，如果比较未产生匹配，则可以报告该情况以进一步行动。

在步骤202处开始，可以例如由操作服务器26和/或HMI 30的用户来离线地开发设备配置，以提供预定拓扑，其中服务器26和/或HMI 30中的任何一个可以执行Studio 5000环境。因此，设备配置可以预先确定本地网络组中的设备(例如图1的本地网络组16中的设备18)的相对位置，并且可以分别预先确定与预定相对位置对应的设备标识符。预先确定的设备标识符可以提供用于将每个设备与其他设备区分开的属性。

另外参照图8，提供了具有表格形式的参数的示例设备配置230。设备配置230的第一列232可以根据本地网络组中的预定相对位置来识别线性拓扑或环形拓扑中的设备18。例如，“1”可以指代启动器设备或第一设备18，而“n”可以指代定位在拓扑中的最后一个设备。设备配置230的第二列234可以识别分别与预定相对位置对应的预定设备标识符(在图8中分别标识为“产品密钥1”、“产品密钥2”等)。预定设备标识符可以提供用于将设备彼此区分开的属性。例如，设备标识符可以是CIP身份对象，例如供应商ID、设备类型、产品代码或序列号。然而，可以在本发明的范围内使用能够将工业控制设备彼此区分开的其他设备标识符。第三列236可以指示每个设备的当前IP寻址模式，其在开发环境中可以只是等待自动IP地址分配配置，例如上文参照图2描述的方法。第四列238可以指示每个设备的当前IP地址，其在开发环境中可以只是未被分配的IP地址或是默认IP地址。第五列240可以指示每个设备的名称、功能和/或其他有用的参数。

再次返回图7，在开发了设备配置之后，可以将设备配置提供给本地网络组中的被认为要实现预定拓扑的工业控制器，例如图1中的设备18d或图6A的设备18k。本地网络组可以是例如工作单元的许多副本中的一个。

接下来，在步骤204处，可以例如由操作服务器26和/或HMI 30的用户来离线地开发工业控制程序，以控制工业过程或机器，例如工业过程或机器20，其中服务器26和/或HMI30中的任何一个可以执行Studio5000环境。控制程序可以被配置成控制本地网络组中的设备。此外，控制程序还可以被配置成例如通过引用(reference)第一列232中的预定相对位置和/或第二列234中的预定设备标识符的方式，使用设备配置来引用本地网络组中的设备。在开发了控制程序之后，也可以将控制程序提供给本地网络组中的被认为要实现预定拓扑的工业控制器。

接下来，在步骤206处，可以将如上文参照图2所述的寻址命令消息发送至本地网络组中的设备。因此，寻址命令消息可以被配置成生成本地网络组中设备的IP地址并且产生寻址完成消息。

接下来，在步骤208处，可以接收寻址完成消息。除其他事项以外，寻址完成消息还可以分别提供：本地网络组中设备的实际相对位置、分别与实际相对位置对应的实际设备标识符；以及本地网络组中设备的IP地址。

另外参照图9，寻址完成消息可以提供具有以表格形式示出的参数的示例设备集合250。设备配置230的第一列252可以根据本地网络组中设备的实际相对位置来识别线性拓扑或环形拓扑中的设备18。例如，“1”可以指代启动器设备或第一设备18，而“n”可以指代位于拓扑中的最后一个设备，如在系统中看到的。例如根据上文参照图2所描述的方法，第二列254可以指示设备当前被分配的IP地址。设备配置230的第三列256可以识别分别与实际相对位置对应的实际设备标识符(在图9中标识为“产品密钥1”、“产品密钥2”等)，如在系统中看到的。第四列258可以指示设备的介质访问控制(MAC)地址/ID和/或状态字段和/或任何其他有用的参数，如在系统中看到的。

再次返回图7，在从寻址完成消息接收实际系统信息之后，处理可以继续到决定块210，在决定块210中，例如根据设备配置230的预定拓扑被与例如根据设备集合250的实际拓扑进行比较。特别地，可以将来自预定拓扑的预定相对位置和预定设备标识符分别与来自实际拓扑的实际相对位置和实际设备标识符进行比较，以确定匹配。例如，第一列232中的预定相对位置和第二列234中的预定设备标识符(均有关于图8的设备配置230)可以被确定为在顺序和内容方面与第一列252中的实际相对位置和第三列256中的实际设备标识符(均有关于图9的设备集合250)匹配。

当成功地确定匹配时(图7中的“是”)，处理200可以继续到步骤212，在步骤212中，工业控制器可以接受设备当前被分配的IP地址，并且开始执行控制程序，以通过使用与设备对应的当前分配的IP地址来控制本地网络组中的设备。然而，当未能确定匹配时(图7中的“否”)，处理200可以替代地进行到步骤214，在步骤214中，阻止控制程序执行，并且进行到步骤216，在步骤216中，例如经由服务器26和/或HMI 30将警报消息发送至用户。

某些术语仅出于参考目的而在此使用，因此并非旨在限制。例如，诸如“上方(upper)”、“下方(lower)”、“以上(above)”和“以下(below)”的术语指代所参考的附图中的方向。诸如“前(front)”、“后(back)”、“尾(rear)”、“下(bottom)”、“侧(side)”、“左(left)”和“右(right)”的术语描述了在一致且任意的参照系内部件的一部分的方位，通过参考描述所讨论的部件的文本和相关附图可以清楚了解该参照系。这样的术语可以包括以上特别提及的词语、其衍生词语以及类似的引入词汇。类似地，指代结构的术语“第一”、“第二”和其他这样的数值术语不隐含顺序或次序，除非上下文清楚地指示。

当介绍本公开内容和示例性实施方式的元件或结构时，冠词“一(a)”、“一个(an)”、“该(the)”和“所述(said)”旨在意味着存在这样的元件或特征中的一个或更多个元件或特征。术语“包括(comprising)”、“包含(including)”和“具有(having)”旨在是包括性的，并且意味着可能存在着除特别指出的那些元件或特征以外的另外的元件或特征。还要理解的是，这里所描述的方法步骤、过程和操作不应当被解释为必须要求它们按照所讨论或示出的特定次序来执行，除非该特定次序被特别标识为执行的次序。还要理解的是，可以采用另外的或替选的步骤。

对“微处理器”和“处理器”或“该微处理器”和“该处理器”的引用能够理解为：包括能够在独立的环境和/或分布式环境中进行通信的一个或更多个微处理器，因此能够被配置成经由有线或无线通信与其他处理器通信，其中，这样的一个或更多个处理器能够被配置成对一个或更多个受控于处理器的设备进行操作，其中受控于处理器的设备可以是类似的或不同的设备。此外，除非另有指定，否则对存储器的引用能够包括一个或更多个处理器可读且可访问的存储元件和/或部件，其中存储元件和/或部件可以是受控于处理器的设备的内部元件和/或部件、受控于处理器的设备的外部元件和/部件，和/或能够经由有线或无线网络被访问。

特别指出，本发明不应当被限制于在此所包含的实施方式和说明，并且当在所附权利要求的范围内时，权利要求应该被理解为包括那些实施方式的修改形式，所述实施方式的修改形式包括所述实施方式的各部分以及不同实施方式的元件的组合。在此所描述的包括专利公开和非专利公开的所有公开的全部内容通过引用全部在此并入。

Claims (20)

1.一种用于对本地网络组中的设备进行寻址的方法，所述设备能够进行操作以控制工业过程或机器，并且所述本地网络组包括工业控制器，所述方法包括：

(a)将设备配置提供给所述工业控制器，所述设备配置包括：

(i)本地网络组中的设备的预定相对位置；以及

(ii)分别与所述预定相对位置对应的预定设备标识符，每个预定设备标识符提供用于区分多个设备之中的设备的属性；

(b)将控制程序提供给所述工业控制器，所述控制程序被配置成控制本地网络组中的设备，所述控制程序还被配置成使用所述设备配置来引用本地网络组中的设备；

(c)将寻址命令消息发送至所述本地网络组中的设备，所述寻址命令消息被配置成生成所述本地网络组中的设备的因特网协议IP地址，所述寻址命令消息还被配置成产生寻址完成消息，所述寻址完成消息提供：

(i)所述本地网络组中的设备的实际相对位置；

(ii)分别与所述实际相对位置对应的实际设备标识符；以及

(iii)所述本地网络组中的设备的IP地址；

(d)将来自所述设备配置的所述预定相对位置和所述预定设备标识符分别与来自所述寻址完成消息的所述实际相对位置和所述实际设备标识符进行比较，以确定匹配；以及

(e)当成功地确定匹配时，执行所述控制程序，以通过使用与所述本地网络组中的所述设备对应的IP地址来控制所述设备。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：当未能确定匹配时，阻止所述控制程序执行，并且发送警报消息。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括：从与所述工业控制器通信的人机接口HMI提供所述设备配置和所述控制程序。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述属性是通用工业协议CIP身份对象。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述CIP身份对象包括供应商ID、设备类型、产品代码和序列号中至少之一。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述工业控制器是可编程逻辑控制器PLC。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述寻址完成消息还提供所述本地网络组中的设备的介质访问控制MAC地址。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述工业控制器和所述设备以线性拓扑连接。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述工业控制器和所述设备以环拓扑连接。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述工业控制器是环管理器，所述环管理器进行操作以在所述环拓扑中提供绕过失效点的传输路径。

11.一种工业控制系统，包括：

本地网络组中的多个设备，所述设备是可操作的，以控制工业过程或机器；以及

连接至所述本地网络组的工业控制器，所述工业控制器能够进行操作以执行存储在非暂态介质中的程序，所述程序是可操作的，以：

(a)接收设备配置，所述设备配置包括：

(i)本地网络组中的设备的预定相对位置；以及

(ii)分别与所述预定相对位置对应的预定设备标识符，每个预定设备标识符提供用于区分多个设备之中的设备的属性；

(b)接收控制程序，所述控制程序被配置成控制本地网络组中的设备，所述控制程序还被配置成使用所述设备配置来引用本地网络组中的设备；

(c)将寻址命令消息发送至所述本地网络组中的设备，所述寻址命令消息被配置成生成所述本地网络组中的设备的因特网协议IP地址，所述寻址命令消息还被配置成产生寻址完成消息，所述寻址完成消息提供：

(i)所述本地网络组中的设备的实际相对位置；

(ii)分别与所述实际相对位置对应的实际设备标识符；以及

(iii)所述本地网络组中的设备的IP地址；

(d)将来自所述设备配置的所述预定相对位置和所述预定设备标识符分别与来自所述寻址完成消息的所述实际相对位置和所述实际设备标识符进行比较，以确定匹配；以及

(e)当成功匹配时，执行所述控制程序，以通过使用与所述本地网络组中的所述设备对应的IP地址来控制所述设备。

12.根据权利要求11所述的工业控制系统，还包括：当未能确定匹配时，阻止所述控制程序执行，并且发送警报消息。

13.根据权利要求11所述的工业控制系统，还包括：从与所述工业控制器通信的人机接口HMI提供所述设备配置和所述控制程序。

14.根据权利要求11所述的工业控制系统，其中，所述属性是通用工业协议CIP身份对象。

15.根据权利要求14所述的工业控制系统，其中，所述CIP身份对象包括供应商ID、设备类型、产品代码和序列号中至少之一。

16.根据权利要求11所述的工业控制系统，其中，所述工业控制器是可编程逻辑控制器PLC。

17.根据权利要求11所述的工业控制系统，其中，所述寻址完成消息还提供所述本地网络组中的设备的介质访问控制MAC地址。

18.根据权利要求11所述的工业控制系统，其中，所述工业控制器和所述设备以线性拓扑连接。

19.根据权利要求11所述的工业控制系统，其中，所述工业控制器和所述设备以环拓扑连接。

20.根据权利要求19所述的工业控制系统，其中，所述工业控制器是环管理器，所述环管理器进行操作以在所述环形拓扑中提供绕过失效点的传输路径。

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