CN108139737A - 利用实时请求提供过程设施中的过程值 - Google Patents

Abstract

在自动化技术设施中需要在不同的设备之间交换过程信息。为此建立了OPC基金会的、OPC统一自动化标准协议(OPC UA)。构思在于，所请求的OPC‑UA订阅不经由传统的OPC‑UA会话信道进行传输，而是构建了单独的TSN数据通信，通过它来传输订阅信息。

Description

利用实时请求提供过程设施中的过程值

技术领域

本发明涉及一种用于控制过程、例如制造过程的设施，在设施中，服务器设备对于至少一个过程参数、例如温度、在不同的发送时间点得出当前过程值并且将其分配给多个其他设备、在这里称为客户端设备。属于本发明的还有一种相应的服务器设备和一种相应的客户端设备以及一种用于运行该服务器设备的方法。

背景技术

在自动化技术设施或者简称设施中，需要在不同的设备之间交换过程信息。为此建立起了OPC基金会的、OPC统一自动化标准协议(OPC UA)。(OPC-用于过程控制的OLE，OLE-对象链接与嵌入)。

在这种场景中经常出现以下情况，即过程信息的多个消费者(客户端)关注于相同的过程信息，因此OPC UA服务器多次将该相同的过程信息发送到不同的客户端。此外，OPCUA例如通过接受确认确保这种数据传输。为此，OPC UA的前提是，客户端和服务器相互识别。在客户端与服务器之间构建了单独的对等连接，即所谓的OPC UA会话。

在设施运行时可能出现，服务器设备因为管理连接或会话和多次发送当前过程值而过载。此时在这里就需要提供电路技术上复杂的且因此制造成本昂贵的服务器设备。此外，多次发送过程值还能够妨碍设施的通信表现，因为多次传输过程值会阻碍其他设备的通信。

如今OPC-UA订阅是安全的(TCP)1:1通信关系，它必须由服务器管理。一种可行的解决方案是通过UDP协议进行拓展。用户数据报协议，简称UDP，是一种最小的、无连接的网络协议，它属于因特网协议家族的传输层。UDP使得应用能够在基于IP的计算机网络中发送数据报。UDP解决了1：n关系的问题，但是却带来新的问题，例如通信随之而不安全。UDP方案还带来新的、对网络或有效通信的攻击可行性，例如通过大量数据包洪泛网络。OPC-UA层在此按照协议而言对网络层没有任何作用可能性。

为了在服务器与客户端之间传输数据变化，正如前文提到的那样，在OPC UA中使用订阅(Subscription)：客户端在服务器上设置这种订阅并且添加它想要知道其值变化的元素。一旦该订阅被成功提交，那么客户端就会被告知所输入的元素的值变化。

一个客户端可以设置多个订阅。除了客户端想要就哪些元素被告知的信息以外，订阅还包含客户端想要以何种方式或者以何种频率获得这些信息/更新的信息。

为了获得更新，客户端向服务器提出询问/请求，一旦出现数据变化，就由服务器用回答/响应对其作出回答。

服务器必须管理所出现的询问/请求，并且当没有出现值变化时，向客户端发送Keep-Alive报文。

当多个客户端想要了解同一元素的值变化时，就必须让每个单个的客户端在服务器上设置一个自己的订阅并且添加相应的元素。服务器此时必须为每个客户端发送包含同一内容的报文。

如果不想为订阅劳神费事，客户端也可以简单地向服务器提出READ请求。在此，服务器虽然不必管理订阅机制，然而却必须在每次读取访问时构建起上下文关系，服务器使用这个上下文关系来生成变量名称与实际的变量访问的对应关系。

对于这两种变体(读取或者订阅)，必须在客户端与服务器之间建立对话，只要客户端还对值变化感兴趣，这个对话就一直有效。

已知的是所谓的“用于OPC UA的UDP多目标订阅”。在这种解决方案中可以将多个客户端集中成为组播集群，从而使管理和传输负担最小化。

但是，这种UDP机制不能明确地保障服务质量，从而只能用在可以接受数据损耗(至少暂时地)的环境中。此外，UDP协议仅仅在单向上起作用。

发明内容

因此本发明基于以下目的，即高效地构建在设施的设备之间的过程值交换。

所述目的通过独立的权利要求所述的对象得以解决。本发明的有利改进方式通过从属权利要求所述的特征给出。

根据本发明提供了一种方法，借助该方法运行设施中的服务器或服务器设备。设施可以是自动化技术设施，其例如用于制造产品(例如制造机动车)或者用于执行一个过程(例如基于核能生成能量)或者用于控制系统(例如控制市区的交通灯)。这个过程也可以布置在单个的装置内，例如可以是用于协调机器人的各个设备、例如其传感器和致动器的机器人控制系统。另一种装置例如可以是生产站，例如喷漆站或者瓶灌装站。在这些站内，一个过程也可以提供站的期望功能。因此，在术语“设施”下优选地也包含这种装置和这种站。

受控的过程具有至少一个过程参数，过程参数由于经历了该过程而能够发生变化，其例如是温度、压力、例如转动件或轴的旋转位置、或例如是流水线的速度。服务器设备在不同的发送时间点对于至少一个过程参数分别得出当前过程值，即例如当前温度或者当前压力。服务器设备为此例如可以具有温度传感器或压力传感器或者用于电动机的电动机控制系统或者用于机器人的控制设备。

至少一个过程参数的、相应的当前过程值应该输出给设施的多个客户端设备。同样，客户端设备也可以例如是电动机控制系统或者其他的致动器控制系统或者传感器。每个客户端设备在此都可以向服务器设备或者对于每个至少一个过程参数都要求当前过程值或者也可以仅要求其中一个子集，即一个或者若干。相应地，服务器设备在相应的发送时间点经由数据网络、例如以太网或者Profinet总线向设施的多个客户端设备分别对于至少一个过程参数中的每个或者一个子集发送相应得出的当前过程值。

为了在此在数据网络上高效地形成产生的数据交换，服务器设备执行以下步骤。

服务器设备由要发送给客户端设备中的至少一个客户端设备的至少一个过程参数形成分组。服务器设备在发送时间点分别将分组的至少一个过程参数的当前过程值合并为唯一的TSN电报并且将TSN电报发送到数据网络中。

现在就不再分别向每个设备都发送一份该电报的复件，而是由服务器设备将该电报以目标是属于相关分组的所有客户端的方式发送到数据网络中。

术语“服务器设备”不局限于仅仅作为用于过程值的数据源运行的设备。用于至少一个过程参数的服务器设备可以同时结合至少一个另外的过程参数而是一个客户端设备，它从另一个服务器设备接收至少一个另外的过程参数的当前过程值。

构思在于，所请求的OPC-UA订阅不经由传统的OPC-UA会话信道进行传输，而是构建一个单独的TSN数据通信，通过它来传输订阅信息。

时间敏感网络(Time-Sensitive Networking TSN)描述了一系列标准，时间敏感网络任务组(IEEE 802.1)按照这些标准工作。

TSN描述了拓展的2层机制和用于桥接和终端设备的协议，从而此外还确保了确定性。已经存在的协议被拓展并且建立起新的协议(例如用于计算路径和用于预留的协议)。确定性(Determinism)是对基于以太网的网络的基本要求，以能够在自动化技术设施的工厂现场中使用(当然还有能量、汽车...)。

通过本发明得到以下优点，即，在服务器设备中节省了计算工作，因为过程值不必被多次发送并且服务器设备相应地仅需要一次性地为多个客户端设备准备这些过程值。这尤其是在设施的现场层内是有利的，在那里，服务器设备可能是低效率的设备，例如传感器。

属于本发明的相应地还有一种用于控制过程的设施的设备，该设备可以用作服务器设备。设备设计用于向服务器设备发送询问电报，在该询问电报中给出，分别将来自服务器设备所监控的至少一个过程参数中的哪个过程参数的过程值发送到客户端设备。客户端设备经由数据网络发送该询问电报。设备还设计用于向服务器设备发送询问电报，并且经由数据网络从服务器设备接收分组信息。此时，经由数据网络在不同的发送时间点分别接收一个编址的TSN电报，并且从TSN电报读取至少一个包含在其中的过程值。

正如已经阐述的那样，一个且同一个设备不仅可以设计作为服务器设备也可以作为服务器设备，或者同时作为二者运行。

最后，属于本发明的还有一种用于控制过程的设施。在文中已经列举例如可以涉及哪些过程。设施具有至少一个根据本发明的服务器设备和多个根据本发明的客户端设备。

附图说明

下面描述本发明的一个实施例。为此示出：

图1是存放在服务器上的、有关订阅的信息的示意图，

图2示出示例性的、具有一个服务器和多个客户端设备的网络，以及

图3示出根据本发明的方法的一个实施方式的流程图，该方法可以在图1所示的设施中执行。

具体实施方式

下面阐述的实施例是本发明的一种优选实施方式。但是在本实施例中，实施方式的所描述的组成成分分别是本发明的各个相互独立地观察的特征，这些特征分别也相互独立地改进了本发明，从而也可以单独地或者以不同于所示组合的组合被视为本发明的组成部分。此外，实施方式也可以通过本发明的其他已经描述的特征来补充。

客户端在服务器处请求一个或者多个订阅，订阅具有一个或者多个元素(监测对象)和特性(例如发布速率)。

在图1中示例性地给出了5个服务器，它们如下地请求信息：

客户端A

对象：z，y

代理服务器：冗余

客户端B

对象：z，x，v

客户端C

对象：y，w

客户端D

对象：v，u，s，t

客户端E

对象：s，t

从中形成两个分组，如下：

实体组1：

客户端：A，B，C

对象：v，x，y，z

代理服务器：冗余

实体组2：

客户端：D，E

项目：v，u，s，t

服务器自身形成(或补充)这些分组E1、E2。这些分组形成用于管理服务器中的订阅的基础。一个组根据特性将来自潜在的不同客户端Client A、Client B...的多个待监控的过程参数v、w、x、y、z(监测对象)合并。特性例如可以是发布速率或者是所请求的传输质量(质保)等等。

这些分组在此不是单个客户端的订阅请求的1:1映射，而确切地说是不同客户端的不同订阅请求的优化的合并/划分。

在形成分组时能够确定，对于新的订阅而言不需要新的分组。在这种情况下，仅仅通知客户端，哪些组与它相关。服务器也向网络告知新的通信请求(TSN路径拓展和预留)。

如果在这个步骤中产生新的分组，那么服务器为这些新的实体组同样也启动路径和带宽预留。通过路径也为客户端进行编址。这种情况(新的分组)被通知给客户端。在图2中示出了这种网络，其由一个服务器设备Server和五个客户端设备Client A等等组成。为这两个分组E1、E2分别预留了数据路径E1-Data和E2-Data。

通过根据本发明应用TSN以便映射OPC-UA订阅，完全实现UDP订阅的优点(1：n通信)，却不会有上面提到的UDP缺点。

此外，OPC-UA还通过TSN获得了新的特性，这些新的特性目前既不可能在OPC-UA中实现，也不可能通过UDP机制添加。

现在，例如可以在不增加复杂性的情况下在OPC-UA中使用介质冗余(Medienredundanz)，这引起可用性的明显提升。

通过TSN的“有保障的服务质量(Quality of Service)”，现在也为OPC-UA提供了确定性(有保障的时延/实时性)和无损传输。

尤其提出将这种情况作为一项优点，因为OPC-UA因为基于事件的通信而明确地放弃了确定性，从而在特定的实时环境中不被采用。

随着采用所要求保护的方法，因此使得OPC-UA能够用在迄今为止不被采用的领域中。

通过使用TSN机制以用于映射OPC-UA订阅，由TSU提供了额外的机制以用于防御对OPC-UA通信的攻击：

通过计算出的路径和预留保证了网络的洪泛不会干扰有效通信。这不需要在OPC-UA的客户端或服务器中产生其他的管理耗费。

在图3中还举例示出了在客户端与服务器之间的通信，在客户端于服务器中进行订阅Subscription之后，客户端以有规律的时间间隔从服务器获得所请求的过程值Send1，Send2...。

Claims (10)

1.一种用于运行设施中的服务器设备(Server)的方法，在所述设施中所述服务器设备在不同的发送时间点由所述设施所控制的过程的至少一个过程参数(z、x、v、w、y、u、s、t)分别得出当前过程值，并且所述服务器设备经由数据网络向所述设施的多个客户端设备(Client A...Client E、Cx)针对所述至少一个过程参数(z、x、v、w、y、u、s、t)中的每个过程参数分别发送得出的所述当前过程值，其特征在于以下步骤：

-所述服务器设备由要发送给所述客户端设备中的至少一个客户端设备的所述至少一个过程参数形成分组(E1、E2)，

-所述服务器设备(Server)在发送时间点分别将所述分组的至少一个过程参数的当前过程值(z、x、v、w、y、u、s、t)合并为唯一的TSN电报(Send1、Send2、Send3)并且将所述TSN电报发送到所述数据网络中。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于以下步骤：

-所述服务器设备(Server)在配置阶段中经由网络连接在OPC-UA会话期间按照OPC-UA标准从所述至少一个客户端设备(Client A...Client E、Cx)接收相应的询问电报(Subscription)。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述询问电报(Subscription)包含以下信息，应该以何种形式或者以何种频率通过服务器实现更新地告知所询问的过程值(z、x、v、w、y、u、s、t)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，当所述分组的所述至少一个过程参数的所述当前过程值(z、x、v、w、y、u、s、t)相比上一条报文没有变化时，所述服务器设备(Server)在发送时间点发送Keep-Alive报文。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述服务器设备根据请求的特性、尤其是发送频率或者所追求的服务质量，由要发送给所述客户端设备中的至少一个客户端设备的至少一个过程参数形成所述分组(E1、E2)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述服务器设备(Server)从另一个客户端设备(Client A...Client E、Cx)接收另一个询问电报(Subscription)，并且随后检查该询问是否落入现有的分组(E1、E2)中或者必须形成新的分组。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为每个所述分组(E1、E2)都在所述数据网络中通过TSN预留了合适的路径(E1-Data、E2-Data)。

8.一种用于控制过程的设施的设备(Server)，其中，所述设备设计用于作为服务器设备执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。

9.一种用于控制过程的设施的设备(Cx、Client A...Client E)，其中，所述设备被设计用于

-经由数据网络向服务器设备(Server)发送询问电报(Subscription)，在所述询问电报中给出分别将来自至少一个过程参数中的哪个过程参数的过程值(z、x、v、w、y、u、s、t)发送到所述设备(Cx、Client A...Client E)，

-经由所述数据网络从所述服务器设备(Server)接收分组信息(E1、E2)，以及

-经由所述数据网络在不同的发送时间点分别接收一个编址的TSN电报(E1-Data、E2-Data)并且从TSN电报读取出至少一个包含在所述TSN电报中的过程值(z、x、v、w、y、u、s、t)。

10.一种用于控制过程的设施，其中，所述设施具有至少一个根据权利要求8所述的设备(Server)和多个根据权利要求9所述的设备(Cx、Client A、...Client E)。