CN110574342B - 运行自动化网络的方法、自动化网络和存储介质 - Google Patents

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Abstract

在具有网关设备(2)和多个网络设备(3，4，5)的自动化网络(1)的运行方法中，网络设备(3，4，5)在网关设备(2)处，订阅具有相应的相关联的订阅标志(AK2)的订阅数据(AD2)，并且在相应的相关联的发布标志(PK1)下，进行发布数据(PD1)的发布。网关设备(2)作为订阅的订阅数据(AD1)，在相应的订阅标志(AK1)下，进行发布数据(PK1)的发布。网络设备(3，4，5)是现场装置设备(4)和数据库设备(3)，数据库设备订阅、存储、提供和/或发布现场装置设备(4)的测量数据(MD)和/或控制数据(SD)、关于存在于自动化网络(1)中的网络设备(3，4，5)的装置数据(GD)以及关于网络设备(3，4，5)的用户的用户数据(BD)。根据预先给定的协议，通过经由网关设备(2)进行订阅和发布，来传输数据(MD，SD，BD，GD)。

Description

运行自动化网络的方法、自动化网络和存储介质
技术领域
本发明涉及一种运行自动化网络的方法、自动化网络和计算机程序产品。
背景技术
自动化网络包括现场装置、例如控制器、转换器和测量装置以及中央控制设备，现场装置通常经由通信总线、例如Profinet、Profibus或者Modbus与中央控制设备进行通信。已知在大范围的分布式自动化网络中作为中央控制设备的基于云的数据库设备。分布式自动化网络中的现场装置经由相应的协议与数据库设备进行通信。
此外，在分布式自动化网络中，为了协调自动化网络的运行，需要关于网络中的现场装置的装置数据和关于网络中的装置的用户的用户数据。为了交换装置数据和用户数据，使用针对管理任务进行了优化的附加的协议，例如SQL或者TCP Socket(套接字)。
在多个不同的设备上使用不同的协议产生高的系统复杂性。
Armin Pühringer等人的白皮书“How Industrial Cloud CommunicationsDelivers the Benefits of Internet-Connected Manufacturing”(2016年1月1日，XP055384410)公开了一种自动化网络，在该自动化网络中，现场装置设备根据预先给定的MQTT协议传输遥测数据，同时边缘网关(Edge-Gateway)在现场装置设备与云中的装置之间传递管理数据。Hilscher Gesellschaft für Systemautomation mbH的手册“EdgeGateway NIOT-E-TIJCX-GB-RE”(XP 055384415)描述了边缘网关的细节。
Andy Stanford-Clark和Hong Linh Truong的文档“MQTT for Sensor Networks(MQTT-SN)Protocol Specification”(XP055358775)提出了用于在自动化网络中在机器与机器通信的框架中传输现场数据的MQTT-SN协议。
发明内容
在这种背景下，本发明要解决的技术问题是，改善自动化网络的运行。
因此，提出了一种运行自动化网络的方法，自动化网络包括网关设备和多个网络设备。在所述方法中，网络设备在网关设备处，订阅具有相应的相关联的订阅标志的订阅数据，并且在相应的相关联的发布标志下，进行发布数据的发布。在此，通过网关设备，作为订阅的订阅数据，在与发布数据的相应的发布标志对应的相应的订阅标志下，进行发布数据的发布，使得向订阅具有与相应的发布标志相同的订阅标志的订阅数据的所有网络设备，传输所订阅的具有订阅标志的订阅数据。网络设备包括：现场装置设备，现场装置设备订阅、采集和/或发布测量数据和/或控制数据；以及数据库设备，数据库设备订阅、存储、提供和/或发布现场装置设备的测量数据和/或控制数据、关于存在于自动化网络中的网络设备的装置数据以及关于网络设备的用户的用户数据。在此，根据唯一的预先给定的协议，在网络设备之间进行数据的传输，特别是测量数据和/或控制数据、装置数据和用户数据的传输。在实施方式中，仅通过经由网关设备进行订阅和发布，进行测量数据和/或控制数据、装置数据和用户数据的传输。
因此，自动化网络包括数据库设备、网关设备、现场装置设备，并且可以包括自动化网络的运行所需的其它网络设备，例如控制设备和操作设备。
数据库设备可以包括云中的测量值数据库、用户数据库和/或装置数据库。此外，数据库设备可以包括用于控制自动化网络的运行的中央控制单元。
现场装置设备特别地是用于执行测量任务和/或自动化任务的联网设备，特别地是IoT节点、嵌入式装置或者传感器和/或执行器设备，其可以利用诸如网络、总线等的连接线路以无线或者有线的方式以通信的方式耦合。特别是，现场装置设备可以具有用于测量或者采集测量数据的至少一个传感器和用于将测量数据作为发布数据传输到网关设备的通信单元。此外，现场装置设备可以具有用于执行自动化任务的至少一个执行器。
自动化网络的所有网络设备优选仅利用预先给定的协议来传输数据，该协议提供数据经由网关设备的订阅和发布。特别是，相应的网络设备可以在网络设备不知道进行订阅的网络设备或者进行订阅的网络设备的数量或者网络地址的情况下，在相应的发布标志下，发布相应的发布数据。
订阅特别是应当理解为，网络设备通过传输包括订阅标志的订阅请求，向网关设备指示其想要接收与订阅标志相关联的订阅数据。只要网络设备订阅了具有订阅标志的订阅数据，则每当在网关设备处存在相应的订阅数据时，网络设备就收到具有订阅标志的订阅数据。可以通过传输取消请求来终止订阅。
发布特别是应当理解为，网络设备作为具有发布标志的发布数据，向网关设备传输数据。在此，网络设备例如没有作为自动化网络中的发布数据的实际接收者的网络设备的知识、实际接收者的网络地址或者数量。网关设备确定如下网络设备，这些网络设备事先将针对与发布标志对应的订阅标志的订阅请求传输到了网关设备，并且网关设备将发布数据作为具有订阅标志的订阅数据，传输到所确定的所有网络设备。
发布数据和订阅数据分别可以包括标志和有效数据字段。有效数据字段(也称为有效载荷)可以包括测量数据和/或控制数据、装置数据、用户数据和/或管理指令。标志是相应的发布或者订阅标志，例如测量数据标志、控制数据标志、装置数据标志、用户数据标志和/或管理标志。
就此而言，在网关设备处在相应的发布标志下作为发布数据发布相应的数据，可以理解为产生发布数据，发布数据作为有效载荷包括相应的数据，并且还包括相应的发布标志，并且将发布数据传输到网关设备。
在网关设备处在相应的订阅标志下作为订阅数据订阅相应的数据，特别是应当理解为，在将相应的订阅请求传输到网关设备之后，接收订阅数据，订阅数据作为有效载荷包括相应的数据，并且还包括相应的订阅标志。
特别是可以在存储在数据库设备中的装置数据中，存储在网络中存在哪些网络设备，以及哪个网络设备订阅和/或发布具有哪个标志的数据。此外，可以想到其它装置数据，例如相应的现场装置设备和/或相应的现场装置设备的传感器或者执行器的配置数据或者特征曲线。
配置数据可以是影响现场装置设备的运行的所有数据，例如接通时间和断开时间或者关于采集和传输测量数据的频率的信息。
特征曲线例如可以是如下数据序列，在该数据序列中，将传感器的可能的输入参量或者测量参量、例如压电电压，与相应的输出参量、例如压力或者偏转(Auslenkung)相关联。
特别是可以在存储在数据库设备中的用户数据中，存储注册数据、例如用户名和密码以及授权数据，这些数据确定允许哪些用户访问自动化网络的哪些区段、例如网络设备的特定选择和/或存储在数据库设备中的数据的特定选择。
通过利用唯一的预先给定的协议进行订阅和发布，也可以有效地以小的带宽、少的资源需求并且以少的配置开销，经由仅有限地可靠并且广泛分布的网络，在大量的网络设备之间传输数据。
在所述方法的实施方式中，与测量数据和控制数据相同，也仅根据相同的唯一的预先给定的协议，通过经由网关设备进行订阅和发布，来传输装置数据和用户数据以及管理指令。优选现场装置设备仅支持该预先给定的协议。由此，可以以节省资源的方式实现相应的现场装置设备，因为仅需要一个通信协议。由此，使得现场装置设备能够经由该预先给定的协议，对自动化网络的用户数据和装置数据进行访问。
消除了在自动化网络的网络设备、例如数据库设备和网关设备上支持其它复杂的协议的必要性。这些设备可以管理非常大的数量的现场装置设备，从而使得能够经济地使用资源、例如带宽和计算时间。此外，当在整个自动化网络中仅使用一个预先给定的协议时，用于维修、维护、故障查找和故障消除的管理开销减少。
此外，当利用相同的预先给定的协议传输自动化网络中的所有数据时，数据建模得到简化。
根据实施方式，预先给定的协议是Message-Queue-Telemetry-Transport(消息队列遥测传输，MQTT)协议。在此，相应的订阅标志和相应的发布标志分别是相应的MQTT-Topic(MQTT主题)，并且网关设备实现MQTT-Broker(MQTT代理)。
MQTT是预先给定的协议的示例，其使得能够以可靠并且节约资源和数据的方式发布和订阅数据、例如测量数据，并且传统上仅针对现场数据、测量数据和遥测数据的交换进行了优化。
根据另一个实施方式，进行相应的订阅和/或发布时的传输经由相应的TCP连接线路进行，并且预先给定的协议是MQTT协议。此外，进行相应的订阅和/或发布时的传输可以经由相应的UDP、ZigBee或者TinyOS连接线路进行，其中，预先给定的协议是MQTT-SN协议。
MQTT-SN是MQTT的进一步发展，其能够实现不基于TCP/IP的连接线路。可以特别有利地在具有不同类型的连接线路的广泛分布的异构网络中执行所述方法。
根据另一个实施方式，禁用和/或阻止不符合预先给定的协议的、自动化网络的网络设备之间的数据传输和/或针对网关设备的请求。
请求特别是应当理解为向网关设备发送消息。
禁用可以通过去除相应的网络设备和/或网关设备上的相应的程序产品部件来进行，阻止可以通过关闭相应的端口和/或通过插入防火墙来进行。由此，可以提高自动化网络的鲁棒性和安全性。
根据另一个实施方式，一个或多个现场装置设备采集测量数据，并且作为具有一个或多个测量数据标志作为发布标志的发布数据，发布测量数据。数据库设备作为订阅数据，订阅具有一个或多个测量数据标志作为订阅标志的测量数据。数据库设备依据订阅的测量数据和/或存储在数据库设备中的装置数据，生成针对一个或多个现场装置设备和/或针对一个或多个另外的现场装置设备的控制数据，并且作为具有控制数据标志作为发布标志的发布数据，发布所生成的控制数据。一个或多个现场装置设备和/或一个或多个另外的现场装置设备作为订阅数据，订阅具有控制数据标志作为订阅标志的控制数据，并且依据所订阅的控制数据执行自动化任务。
测量数据是例如利用现场装置设备的传感器或者其它测量设备采集的数据，例如温度、压力、风力、声级、辐射强度、电压、电流强度、相位等，以及更广泛的测量数据，例如图像、图像序列或者音频样本。特别是，测量数据以数字形式存在。
控制数据例如包括针对相应的现场装置的执行器的额定值、控制命令和/或控制参数。
自动化任务例如是操作执行器、执行机构或者电机。
在特别是基于云的数据库设备中，可以使用预先给定的协议，将来自广泛分布的现场设备的测量数据聚集在一起，对测量数据进行分析，并且使用测量数据来确定针对相同的现场设备或者针对其它现场设备的控制数据。在此，也可以考虑存储在装置数据中的信息。在此，预先给定的协议的使用确保了自动化网络的精益并且高效的运行。
根据另一个实施方式，网络设备还包括操作设备，操作设备显示订阅的数据，和/或采集和发布管理指令。
订阅的数据可以是在自动化网络中发布的任意数据，特别地是测量数据、装置数据或者用户数据。
管理指令是操作者的指令，其使得数据库设备改变存储在数据库设备中的数据。管理指令特别是包括管理数据，例如用于向用户数据添加关于用户的数据的指令，用于将关于用户的数据从用户数据中删除的指令，用于改变用户数据中的关于用户的数据，例如用于改变密码，用于向装置数据添加网络设备、例如现场装置设备，用于从装置数据中删除网络设备，或者用于改变装置数据中的网络设备的配置参数和/或授权请求。例如通过键入、触摸显示器、对操作元件进行操作、语音输入或者操作者的其它操作者交互来采集管理指令。
根据所提出的方法，操作设备作为网络设备中的一个，同样根据预先给定的协议与数据库设备进行通信，并且在必要时与自动化网络的其它网络设备进行通信。由此，消除了在网关设备、数据库设备和其它网络设备上，针对与操作者的交互以及操作者的管理指令的传输，实现单独的协议的必要性。由此，系统复杂性降低。此外，特别是可以是具有有限的资源、例如有限的计算能力、有限的电力储备和有限的存储空间的移动设备的操作设备，可以从节约资源的预先给定的协议、例如MQTT获益。
根据实施方式，操作设备是平板电脑或者平板计算机、智能电话、便携式计算机或者固定计算机。在此，操作设备相应地可以执行程序、应用(App)和或网络浏览器，以实现操作设备的功能。
根据另一个实施方式，现场装置设备采集测量数据，并且作为具有测量数据标志作为发布标志的发布数据，发布测量数据；操作设备作为具有测量数据标志作为订阅标志的订阅数据，订阅测量数据；并且操作设备显示所订阅的测量数据。在另外的实施方式中，数据库设备发布具有装置数据标志作为发布标志的装置数据和/或具有用户数据标志作为发布标志的用户数据；操作设备作为订阅数据，订阅具有装置数据标志作为订阅标志的装置数据和/或具有用户数据标志作为订阅标志的用户数据；并且操作设备显示订阅的装置数据和/或订阅的用户数据。
因此，通过操作设备直接利用预先给定的协议与现场装置设备进行通信，操作设备可以“实况(live)”显示现场装置设备发布的测量数据。此外，操作设备可以像存储在数据库设备中的、数据库设备根据预先给定的协议发布的装置数据和用户数据一样，显示系统配置，并且操作设备不需要支持附加的协议。
根据一个实施方式，操作设备采集操作者的管理指令，管理指令使得数据库设备改变存储在数据库设备中的数据。操作设备发布具有管理标志作为发布标志的管理指令。数据库设备订阅具有管理标志作为订阅标志的管理指令，并且根据订阅的管理指令，来调整存储在数据库设备中的装置数据和/或用户数据。
因此，操作设备使得操作者能够改变存储在数据库设备中的装置数据和用户数据。因此，操作者可以利用操作设备来操作自动化网络，其中，根据预先给定的协议，通过进行发布和订阅来传输所有的数据和指令。网络设备和网关设备不需要实现单独的协议来连接操作设备，系统复杂性由此降低。
改变装置数据和/或用户数据，可以是添加(也称为登记或者注册)、删除或者处理关于装置或网络设备或者关于装置数据或用户数据中的用户的数据。
根据另一个实施方式，相应的网络设备以预先给定的协议的数据格式，将设置用于进行发布的数据编码为发布数据。相应的进行订阅的网络设备以预先给定的协议的数据格式，对订阅的订阅数据进行接收和解码。
数据格式是可以利用预先给定的协议发布的数据的结构的规范。例如可以想到具有预先给定的最大长度的JSON或者XML数据格式。
如果选择MQTT作为预先给定的协议，则MQTT协议仅需要很少的资源、例如计算容量和带宽，因为MQTT协议被设计为用于各个测量数据中的简单的有效载荷、例如传感器测量值。现在，例如为了同样通过预先给定的协议发布和订阅照相机或者图像传感器的二进制图像数据(其包括多个单个的图像点数据)以及管理指令、装置数据和用户数据，在必要时首先以与协议兼容的简单的格式对这些数据进行编码。编码例如可以包括二进制数据的Base64编码或者数据压缩。此外，编码可以包括加密，以提高数据安全性。
根据另一个实施方式，以预先给定的协议的数据格式对设置用于进行发布的数据进行编码包括：将设置用于进行发布的数据划分为多个帧，例如多个MQTT帧。
帧是发布数据或者订阅数据的有效数据段或者有效载荷，其在根据协议、例如MQTT进行发布和订阅时，可以包含要发布或者要订阅的数据。
当使用MQTT作为预先给定的协议时，关于在单个MQTT传输中可以传输的有效载荷的最大长度，可能存在限制。在一些MQTT实现的情况下，有效载荷的这种最大长度例如为4096字节。在自动化网络中交换的数据可能超过该长度。例如可以想到，利用照相机采集现场装置设备的图像数据或者视频数据，作为测量数据，并且根据MQTT进行发布和订阅。在进行编码时，可以将这些数据划分为多个MQTT帧或者有效载荷，依次在单独的MQTT传输中发布和传输这些帧或者有效载荷。可以附加地对各个有效载荷设置连续编号，连续编号使得在接收方侧进行解码时，能够将订阅的订阅数据的有效载荷中的划分的数据，按照原始的顺序组合在一起。
根据另一方面，提出了一种自动化网络，自动化网络包括网关设备和多个网络设备。网络设备分别被配置为，在网关设备处，订阅具有相应的相关联的订阅标志的订阅数据，并且在相应的相关联的发布标志下，进行发布数据的发布。在此，网关设备被配置为，作为订阅的订阅数据，在与发布数据的相应的发布标志对应的相应的订阅标志下，发布发布数据，使得向订阅具有与相应的发布标志相同的订阅标志的订阅数据的所有网络设备，传输所订阅的、具有订阅标志的订阅数据。网络设备包括：现场装置设备，现场装置设备被配置为，订阅、采集和/或发布测量数据和/或控制数据；以及数据库设备，数据库设备被配置为，订阅、存储、提供和/或发布现场装置设备的测量数据和/或控制数据、关于存在于自动化网络中的网络设备的装置数据以及关于网络设备的用户的用户数据。在此，各个网络设备分别被配置为，根据唯一的预先给定的协议，将数据传输到其它网络设备或者传输来自其它网络设备的数据。特别是，仅通过经由网关设备进行订阅和发布，来进行数据的传输。
根据一个实施方式，所提出的自动化网络被配置为用于执行所提出的方法。针对所提出的方法描述的实施方式和特征也相应地适用于所提出的自动化网络。
数据库设备、网关设备和相应的网络设备分别可以构造为程序控制的设备。相应的程序控制的设备可以包括一个或多个单元，其中，相应的单元，例如计算单元或者控制单元，可以通过硬件技术和/或软件技术来实现。在通过硬件技术实现的情况下，可以将相应的单元构造为设备或者设备的一部分，例如构造为计算机、微处理器、嵌入式控制设备或者IoT节点。在通过软件技术实现的情况下，可以将相应的单元构造为计算机程序产品、函数、例程、程序代码的一部分或者可执行对象。
此外，提出了一种计算机程序产品，其使得在相应的单元上执行上面说明的方法。
例如相应地可以作为存储介质、例如存储卡、USB棒、CD-ROM、DVD，或者也可以以可以从网络中的服务器下载的文件的形式，提供或者供应计算机程序、例如计算机程序装置。这例如可以在无线通信网络中，通过传输具有计算机程序产品部分或者计算机程序装置的相应的文件来进行。
本发明的其它可能的实现还包括未明确地提到的、前面或者下面关于实施例描述的特征或者实施方式的组合。在此，本领域技术人员还作为改善或者补充，对本发明的相应的基本形式添加各个单方面。
附图说明
本发明的其它有利的设计方案和方面是从属权利要求以及下面描述的本发明的实施例的内容。此外，参照附图，借助优选实施方式更详细地说明本发明。
图1示出了根据第一实施例的自动化网络以及其运行的示意图。
图2示出了根据第二实施例的自动化网络以及其运行的示意图。
图3示出了其它网络设备到根据第二实施例的自动化网络的添加。
在附图中，除非另外说明，否则对相同或者在功能上相同的元素设置相同的附图标记。
具体实施方式
在图1中示出的第一实施例中，自动化网络1具有网关设备2、数据库设备3和网络设备4。网络设备4是现场装置设备。现场装置设备4、网关设备2和数据库设备3经由用实线示出的连接线路V以通信的方式彼此连接。
下面，描述自动化网络1的运行。就此而言，通过实现相应的方法步骤的、所示出的网关设备2和所示出的网络设备3、4来实现相应的运行方法。
现场装置设备4采集测量数据MD，并且在网关设备2处，在例如内容为“/fieldData”的第一发布标志PK1下，作为第一发布数据PD1，发布测量数据MD。为此，现场装置设备4向网关设备2发送具有发布标志“/fieldData”和作为有效载荷的测量数据MD的MQTT“PUBLISH(发布)”消息(发布数据PD1的示例)。
数据库设备3订阅具有订阅标志AK1(其内容同样是“/fieldData”)的订阅数据AD1。也就是说，数据库设备3先前已经作为订阅请求，将针对具有订阅标志AK1“/fieldData”的订阅数据AD1的订阅请求，传输到了网关设备2。在该示例中，订阅请求是规定了MQTT主题“/fieldData”的MQTT“SUBSCRIBE(订阅)”消息。因此，网关设备2已知数据库设备3是具有标志AK1“/fieldData”的订阅数据AD1的订阅者。由此，网关设备2将由现场装置设备4发布的、具有发布标志PK1“/fieldData”的发布数据PD1中的测量数据MD，作为具有订阅标志AK1“/fieldData”的订阅数据AD1传输到数据库设备3。为此，网关设备将具有订阅标志“/fieldData”和作为有效载荷的测量数据MD的MQTT“PUBLISH”消息(订阅数据AD1的示例)发送到数据库设备3。以这种方式，数据库设备3获得测量数据MD，而网络设备4不需要知道数据库设备3的存在、网络地址等。
因此，网关设备2将其接收到的、发布的发布数据PD，转换为要传输到进行订阅的网络设备3、4的订阅数据AD，这在图1中在示出网关设备2的方框内部示意性地示出。
此外，数据库设备3在发布标志PK“2/controlData”下发布控制数据SD，例如针对现场装置设备4的额定值。现场装置设备4先前已经作为订阅请求，将针对具有订阅标志AK2“/controlData”的订阅数据AD2的订阅请求传输到了网关设备2。因此，网关设备2已知现场装置设备4是具有订阅标志AK2“/controlData”的订阅数据AD2的订阅者。因此，网关设备2将由数据库设备3发布的、具有发布标志PK2“/controlData”的发布数据PD2中的控制数据SD，作为具有订阅标志AK2“/controlData”的订阅数据AD2传输到现场装置设备4。该订阅和发布以与前面所描述的相同的方式借助MQTT消息进行。
此外，数据库设备3作为发布数据PD3，在发布标志PK3“/managementData”下发布装置数据GD和用户数据BD。在本实施例中，其对于现场装置设备4没有意义，因此现场装置设备4没有订阅具有订阅标志“/managementData”的订阅数据。然而，在图1中未示出的其它网络设备可以订阅这些数据，并且为此使用相同的预先给定的MQTT协议和相同的网关设备2，通过其，还订阅和发布测量数据MD和控制数据SD。
现在，借助图2所示的第二实施例，对此进行更详细的描述。
在图2中，自动化网络11具有多个现场装置设备41、42、43、数据库设备3和操作设备5。第一现场装置设备41是具有传感器411的现场装置，第二现场装置设备42是具有执行器421的现场装置，并且第三现场装置设备43是具有图像传感器(Bildgeber)431的现场装置。数据库设备3作为云来实现，并且包括测量值数据库31、装置数据库32和用户数据库33。操作设备是平板计算机5。
网关设备2包括防火墙6，防火墙6阻止不符合MQTT协议的请求和/或数据传输。因此，现场装置41、42、43、数据库设备3和操作设备5之间的数据传输，仅能够根据预先给定的MQTT协议经由网关设备2进行。
基于云的数据库设备3、现场装置设备41、42和43以及平板计算机5经由连接线路V与网关设备2连接。网关2与平板计算机5之间的连接线路V是无线WLAN连接线路。网关设备2与现场设备42之间的连接线路V是无线ZigBee连接线路。网关设备2与第三现场装置设备43之间的连接线路V以及基于云的数据库设备3与网关设备2之间的连接线路分别是有线的以太网连接线路。网关设备2与现场设备41之间的连接线路V包括现场装置设备41与总线耦合器7之间的有线的ProfiBUS区段以及总线耦合器7与网关设备2之间的无线WLAN连接线路。
网络设备3、41、42、43、5仅根据预先给定的MQTT协议，通过发布数据PD1至PD6的发布以及订阅数据AD1至AD6的订阅来传输数据。网关设备2将接收到的发布数据PD，作为订阅数据AD传输到相应的所有进行订阅的网络设备3、41、42、43、5。与在根据图1的第一实施例中相同，订阅、发布和传输的过程借助MQTT消息进行。对于给定的订阅标志AD1...6，可以存在多于一个的订阅，因此网关设备2在将发布数据PD转换为订阅数据AD时，在必要时可以对其进行复制，并且将其传输到进行订阅的多个网络设备3、4、5。这在图2中在示出网关设备2的方框中象征性地示出。
现在，描述图2中的自动化网络11运行时的过程。现场装置设备41的传感器411采集测量数据MD1、例如温度和时间戳。现场装置设备在作为发布标志的测量数据标志MK、例如“/fieldDevice41/fieldData”下，作为发布数据PD1，作为有效载荷发布测量数据MD，其在JSON-Notation(JSON符号)下例如内容是“{“time(时间)”：20170103182205；“temperature(温度)”：18.2}”。
装置数据存储在装置数据库32中，装置数据包括自动化网络11的所有网络设备3、4、5以及其用来发布相应的发布数据PD的发布标志PK的列表。数据库设备3从装置数据库32中读出装置数据，并且订阅具有如下订阅标志MK的订阅数据AD1、AD5、AD6，这些订阅标志MK对应于存储在装置数据库32中的现场装置的相应的发布标志。因此，数据库设备3也订阅与如下发布标志MK对应的订阅标志MK“/fieldDevice41/fieldData”，现场装置设备41在该发布标志MK下，作为发布数据PD1发布了由传感器411采集的测量数据MD1。因此，网关设备2向数据库设备3传输具有测量数据标志MK作为订阅标志的、包括发布数据PD1中的测量数据MD1的订阅数据AD1。数据库设备3将测量数据MD1存储在测量数据库31中。
随后，数据库设备3使用测量数据MD1中的温度，来确定例如针对未示出的流量调节阀的位置的额定值。随后，数据库设备3在发布标志SK“{“/fieldDevice42/controlData”}”下，作为发布数据PD2发布包括额定值的控制数据SD。在此，数据库设备3从存储在装置数据库32中的装置数据中提取要使用的发布标志SK。
现场装置设备42订阅具有与如下发布标志SK对应的订阅标志SK“{“/fieldDevice42/controlData”}”的订阅数据，测量值数据库31在该发布标志SK下发布了发布数据PD2。因此，网关设备2将具有控制数据标志SK作为订阅标志的、包括发布数据PD2中的控制数据SD的订阅数据AD2传输到现场装置设备42。现场装置设备42将控制数据SD中的额定值传递到执行器421，执行器421将流量调节阀移置到指定的位置。
平板计算机5执行App，App被配置为用于操作自动化网络11，并且特别是利用MQTT协议与自动化网络11中的网络设备进行通信。也就是说，平板计算机5通过MQTT在网关2处发布管理指令，而不需要知道数据库设备3和/或现场装置设备4的网络配置的细节，并且平板计算机5订阅测量数据MD和控制数据SD、用户数据BD和/或装置数据GD，而发布这些数据的网络设备3、4不需要知道平板计算机5的网络配置的细节。
例如，平板计算机5订阅具有测量数据标志MK作为订阅标志的订阅数据AD1。因此，网关2也将如下订阅数据AD1传输到平板计算机5，该订阅数据AD1包含现场装置设备41在发布标志MK下发布的发布数据PD1中的测量数据MD1。以这种方式，使得能够在仅使用MQTT协议的情况下，在平板计算机5的显示器上实时显示由传感器411采集的温度测量数据。
此外，除了温度测量数据MD1之外，在自动化网络11中，还在作为发布标志的测量数据标志MK下，作为发布数据PD6，发布由现场装置设备43的图像传感器431或者照相机采集的图像数据。但是，在一些实现中，MQTT协议不允许超过4096字节的有效载荷数据。因此，现场装置设备43对图像数据进行编码，以便准备图像数据根据MQTT协议进行发布。特别是，首先根据JPG算法对图像数据进行压缩，随后将图像数据划分成每个4092字节的单个的图像数据段。其余4个字节用于计数器，计数器包括相应的图像数据段的连续编号。随后，现场装置设备43依次分别在测量数据标志MK下，作为发布数据PD6，发布由图像数据段中的一个与计数器形成的有效载荷MD2。订阅具有订阅标志MK的订阅数据的平板计算机5获得网关设备2作为订阅数据AD6传输的各个有效载荷MD2，但是不一定按照现场装置设备43发布各个有效载荷MD2的顺序获得。因此，平板计算机5收集包含在各个有效载荷MD2中的图像数据段，并且按照包含在有效载荷MD2中的连续编号的顺序排列图像数据段，随后根据JPG算法将其解码为可显示的图像数据，并且在其显示器上显示以这种方式重建的图像。
除了用于进行“实况”或者实时显示的功能之外，平板计算机5还用于管理自动化网络11。为此，平板计算机5还订阅作为订阅标志具有装置数据标志GK或者用户数据标志BK的订阅数据AD3和AD4。因此，网关2向平板计算机5传输来自装置数据库32的装置数据GD以及来自用户数据库32的用户数据BD，装置数据GD包含在数据库设备3在发布标志GK下发布的发布数据PD3中，用户数据BD包含在数据库设备3在发布标志BK下发布的发布数据PD4中。以这种方式，可以在仅使用MQTT协议的情况下，实现在平板计算机5的显示器上显示关于自动化网络11的装置和用户的装置数据和用户数据。
以有利的方式，数据库设备3不连续地对发布数据PD3和PD4进行发布，而是仅根据请求并且仅在平板计算机5的相应的用户的授权之后才进行发布。在这种变形方案中，平板计算机5首先生成管理指令VD1，管理指令VD1包括诸如“authorisationRequest(授权请求)”的命令、由平板计算机5的操作者输入的用户名和由平板计算机5的操作者输入的密码，并且还包括由平板计算机5随机生成的装置数据标志GK和随机生成的用户数据标志BK。平板计算机5在网关设备2处，在预先确定的管理标志VK、例如“/managementRequests(管理请求)”下，作为发布数据PD5的有效载荷，发布这些管理指令VD1。数据库设备3订阅了具有预先确定的管理标志VK的订阅数据AD5，网关因此将管理指令VD1传输到数据库设备3。数据库设备3检查操作者是否以包含在管理指令VD1中的用户名在用户数据库33中进行了注册，包含在管理指令VD1中的密码是否正确，以及相关用户对数据库31、32、33中的哪些数据有访问权限。在成功验证的情况下，数据库设备3作为发布数据PD3和PD4，在平板计算机5随机生成的发布标志GK和BK下，发布装置数据GD和用户数据BD。以这种方式，仅当先前正确地对平板计算机5的操作者进行了认证并且进行了授权时，平板计算机5的操作者获得对数据库设备3的装置数据库32或者用户数据库33中的用户数据BD和装置数据GD中的、其能够访问的数据的访问权限。
现在，借助图3考虑如下情况：要向自动化网络11添加另一个现场装置设备44和计算机52、即另一个操作设备5的示例。必须使数据库设备3知道现场装置设备44和计算机52。例如，必须在数据库设备3的装置数据库32中登记现场装置设备44使用哪些订阅标志和发布标志来订阅或者发布数据，以便自动化算法能够考虑现场装置设备44。此外，必须将用户名和密码以及授权信息存储在用户数据库33中，如前面所描述的，可以利用用户名和密码以及授权信息，来对计算机52的用户进行认证和授权。
为此，平板计算机5基于平板计算机5的操作者的输入，产生管理指令VD2，管理指令VD2包括诸如“addDevice(添加装置)”的命令和在数据库设备3的装置数据库32中关于现场装置设备44和计算机52分别要登记的数据，以及诸如“addUser(添加用户)”的命令和关于计算机52的操作者要在数据库设备3的用户数据库33中登记的数据。此外，如前面所描述的，管理指令VD2可以包括诸如“authorisationRequest(授权请求)”的命令以及平板计算机5的操作者的用户名和密码，以针对数据库设备3对管理指令VD2包括的命令进行授权。平板计算机5在网关设备2处，作为具有预先确定的管理标志VK作为发布标志的发布数据PD7，发布管理指令VD2。如前面所描述的，网关设备2将具有订阅标志VK的订阅数据AD7传输到数据库设备3，订阅数据AD7在这种情况下包括管理指令VD2。
数据库设备3首先对所传输的管理指令VD2中的、平板计算机5的操作者的用户名和密码进行认证和授权。也就是说，数据库设备3通过从用户数据库33中读出，来检查是否登记了相应的用户名和相同的密码，以及是否对该用户名分配了赋予包含在管理指令VD2中的命令的权限。在成功进行检查的情况下，执行包含在管理指令VD2中的命令“addUser”和“addDevice”。以这种方式改变装置数据库32中的装置数据和用户数据库33中的用户数据，从而在装置数据库32中注册现场装置设备44和计算机52，并且在用户数据库33中注册计算机52的操作者。
随后，例如通过插入线缆或者通过将相应的设备与WLAN连接，来建立在图3中以虚线示出的连接线路V′。现在，新添加的现场装置设备44和计算机52可以在自动化网络11中根据MQTT协议，作为订阅数据AD订阅发布的发布数据PD，并且自己也可以进行发布数据PD的发布，数据库设备3和其它网络设备4、5可以订阅该发布数据PD。
以这种方式，针对自动化网络11的管理操作，即现场装置设备44和操作设备52的添加，仅在使用预先给定的MQTT协议的情况下，经由网关设备2来执行。
尽管借助实施例描述了本发明，但是可以以多种方式对本发明进行修改。
温度、图像数据和针对流量阀的位置的额定值仅仅是测量数据和额定值数据的示例，自动化系统可以使用任意其它的测量数据和额定值数据。也可以设置任意数量的现场装置设备4。
前面描述的认证和授权方法同样是极度简化的示例。在实践中，如果通过预先给定的协议进行相应的通信，则可以使用其它认证和授权方法。例如，网关设备2本身可以包括另外的网络设备。在该变形方案中，针对网关设备2的网络设备对操作设备5进行认证和授权，其中，同样使用预先给定的MQTT协议。在认证成功的情况下，在相应的操作设备5与网关设备2之间建立加密的VPN连接。所有其余发布和订阅仅通过加密的VPN进行。只要通过预先给定的MQTT协议进行相应的数据传输(必要时在事先准备各个数据包或者事先对各个数据包进行编码的情况下)，可以想到其它用于保证安全性的技术。
还可以设置多于一个的网关设备，特别是可以以分级结构将多个网关设备彼此耦合。以这种方式，可以分配处理负荷，并且可以将发布和订阅限制在自动化网络的各个片段上。

Claims (14)

1.一种运行自动化网络(1)的方法，所述自动化网络包括网关设备(2)和多个网络设备，
在所述方法中，所述网络设备在所述网关设备(2)处，订阅具有相应的相关联的订阅标志(AK2)的订阅数据(AD2)，并且在相应的相关联的发布标志(PK1)下，进行发布数据(PD1)的发布；
其中，通过所述网关设备(2)，作为订阅的订阅数据(AD1)，在与所述发布数据(PD1)的相应的发布标志(PK1)对应的相应的订阅标志(AK1)下，发布所述发布数据(PD1)，使得向订阅具有与相应的发布标志(PK1)相同的订阅标志(AK1)的订阅数据(AD1)的所有网络设备，传输所订阅的具有订阅标志(AK1)的订阅数据(AD1)；
其中，网络设备包括：现场装置设备(4)，所述现场装置设备订阅、采集和/或发布测量数据(MD)和/或控制数据(SD)，
其特征在于，
网络设备还包括：数据库设备(3)，所述数据库设备订阅、存储、提供和/或发布所述现场装置设备(4)的测量数据(MD)和/或控制数据(SD)、关于存在于所述自动化网络(1)中的网络设备的装置数据(GD)以及关于网络设备的用户的用户数据(BD)；
其中，数据在网络设备之间的传输，根据唯一的预先给定的协议进行，仅通过经由所述网关设备(2)进行订阅和发布。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
预先给定的协议是Message-Queue-Telemetry-Transport-Protokoll/MQTT协议，相应的订阅标志和相应的发布标志分别是相应的MQTT-Topic，并且所述网关设备(2)实现MQTT-Broker。
3.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
进行相应的订阅和/或发布时的传输经由相应的TCP连接线路进行，并且预先给定的协议是MQTT协议，和/或
进行相应的订阅和/或发布时的传输经由相应的UDP、ZigBee或者TinyOS连接线路进行，并且预先给定的协议是MQTT-SN协议。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，
其特征在于，
禁用和/或阻止不符合预先给定的协议的、网络设备之间的数据传输和/或针对所述网关设备(2)的请求。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述现场装置设备(4)采集测量数据(MD)，并且作为具有测量数据标志(MK)作为发布标志的发布数据(PD1)，发布测量数据，
所述数据库设备(3)作为订阅数据(AD1)，订阅具有测量数据标志(MK)作为订阅标志的测量数据(MD)，
所述数据库设备(3)依据所订阅的测量数据(MD)和/或存储在所述数据库设备(3)中的装置数据(GD)，生成针对所述现场装置设备(4)的控制数据(SD)，并且作为具有控制数据标志(SK)作为发布标志的发布数据(PD2)，发布控制数据，
所述现场装置设备(4)作为订阅数据(AD2)，订阅具有控制数据标志(SK)作为订阅标志的控制数据(SD)，以及
所述现场装置设备(4)依据所订阅的控制数据(SD)执行自动化任务。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，
其特征在于，
网络设备还包括操作设备(5)，所述操作设备显示订阅的数据和/或采集并且发布管理指令(VD)，其中，所述管理指令(VD)是操作者的如下指令，这些指令使得所述数据库设备(3)改变存储在所述数据库设备(3)中的数据。
7.根据权利要求6所述的方法，
其特征在于，
所述操作设备(5)是智能电话、便携式计算机或者固定计算机。
8.根据权利要求6所述的方法，
其特征在于，
所述现场装置设备(4)采集测量数据(MD)，并且作为具有测量数据标志(MK)作为发布标志的发布数据，发布测量数据，
所述操作设备(5)作为订阅数据(AD1)，订阅具有测量数据标志(MK)作为订阅标志的测量数据(MD)，
所述操作设备(5)显示所订阅的测量数据(MD)。
9.根据权利要求6所述的方法，
和/或
所述数据库设备发布具有装置数据标志(GK)作为发布标志的装置数据(GD)，和/或发布具有用户数据标志(BK)作为发布标志的用户数据(BD)，以及
所述操作设备(5)作为订阅数据(AD3)，订阅具有装置数据标志(GK)作为订阅标志的装置数据(GD)，和/或作为订阅数据(AD4)，订阅具有用户数据标志(BK)作为订阅标志的用户数据(BD)，以及
所述操作设备(5)显示所订阅的装置数据(GD)和/或所订阅的用户数据(BD)。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，
其特征在于，
相应的网络设备以预先给定的协议的数据格式，将设置用于进行发布的数据编码为发布数据，并且相应的进行订阅的网络设备接收具有预先给定的协议的数据格式的订阅的订阅数据。
11.根据权利要求10所述的方法，
其特征在于，
以预先给定的协议的数据格式对设置用于进行发布的数据进行编码包括：将设置用于进行发布的数据划分为多个MQTT帧。
12.一种自动化网络(1)，所述自动化网络包括网关设备(2)和多个网络设备，
其中，所述网络设备被配置为，在所述网关设备(2)处，订阅具有相应的相关联的订阅标志(AK2)的订阅数据(AD2)，并且在相应的相关联的发布标志(PK1)下，进行发布数据(PD1)的发布；
其中，所述网关设备(2)被配置为，作为订阅的订阅数据(AD1)，在与所述发布数据(PD1)的相应的发布标志(PK1)对应的相应的订阅标志(AK1)下，发布所述发布数据(PD1)，使得向订阅具有与相应的发布标志(PK1)相同的订阅标志(AK1)的订阅数据(AD1)的所有网络设备，传输所订阅的、具有订阅标志(AK1)的订阅数据(AD1)；
其中，网络设备包括：现场装置设备(4)，所述现场装置设备被配置为，订阅、采集和/或发布测量数据(MD)和/或控制数据(SD)，
其特征在于，
网络设备还包括：数据库设备(3)，所述数据库设备被配置为，订阅、存储、提供和/或发布所述现场装置设备(4)的测量数据(MD)和/或控制数据(SD)、关于存在于所述自动化网络(1)中的网络设备的装置数据(GD)以及关于网络设备的用户的用户数据(BD)；
其中，各个网络设备分别被配置为，根据唯一的预先给定的协议，仅通过经由所述网关设备(2)进行订阅和发布，将数据传输到其它网络设备或者传输来自其它网络设备的数据。
13.根据权利要求12所述的自动化网络，所述自动化网络被配置为，执行根据权利要求1至11中任一项所述的方法。
14.一种存储介质，在其上存储有计算机程序产品，所述计算机程序产品使得在至少一个程序控制的设备上执行根据权利要求1至11中任一项所述的方法。
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