CN111656737A - 用于工业自动化系统的无线电通信系统和用于运行无线电通信系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于工业自动化系统的无线电通信系统，其包括各自具有用于待冗余发送的数据帧的多路复用单元的至少一个无线电基站和至少一个无线电用户站。无线电基站和无线电用户站各自以多个相互不同的载频并行地传输待冗余发送的数据帧并且各自包括用于处理接收到的冗余的数据帧的冗余处理单元。冗余处理单元各自探测接收到的冗余的数据帧或者由不同的数据帧片段重建冗余发送的数据帧。

Description

用于工业自动化系统的无线电通信系统和用于运行无线电通 信系统的方法

背景技术

工业自动化系统用于监视、控制和调节技术过程，特别用在制造自动化、过程自动化和建筑自动化的领域中，并且能够实现控制装置、传感器、机械和工业设备的运行，该运行应当尽可能自动并且不取决于机械干涉地进行。由于包括大量联网的控制或计算单元的自动化系统的信息技术越来越重要，用于可靠地提供经由自动化系统分布的、用于提供监视、控制和调节功能的功能的方法具有越来越重要的意义。

工业自动化系统的计算单元或自动化装置之间的通信连接的中断能够导致服务请求的不期望或不必要的重复。此外，不传输或不完全传输的消息例如能够阻止工业自动化系统至更安全的运行状态的过渡或保持。这最后能够导致完整的生产设备的故障和高成本的生产停止。在工业自动化系统中特别的问题通常由具有比较多但是相对短的通知的消息交流引起，由此加剧了上述问题。

为了能够补偿通信连接或装置的故障，开发了用于高可用性的、能冗余运行的工业通信网的通信协议、例如介质冗余协议、高可用性无缝冗余或并行冗余协议。介质冗余协议(MSR)在标准IEC 62439中限定并且能够在网络中利用简单的环形拓扑结构在拥堵的冗余的消息传输中实现对各个故障的补偿。根据介质冗余协议，为在环形拓扑结构中具有两个端口的交换机分配冗余管理器，其监视网络的连接故障并且在可能的情况下引入用于环路的连接措施。

有冲突的介质冗余方法原则上能够以相对小的开销实现。然而缺点在于，一方面消息能在故障情况下丢失并且另一方面在通信网重新配置时首先出现干扰状态。必须通过重叠的通信协议(例如TCP/IP)在网络层或传输层对这种干扰状态进行防护，以避免通信连接的中断。

网络PROFINET(IEC 61158类型10)由于用具有环形拓扑结构的通信网中有冲突的介质冗余方法也参考介质冗余协议。与此相对，计划复制的介质冗余(MRPD)代表了无冲突地传输等时的实时数据的扩展。然而，计划复制的介质冗余不是中性应用的无冲突的介质冗余方法，而是按照PROFINET特定的扩展。

高可用性无缝冗余(HSR)和并行冗余协议(PRP)在标准IEC 62439-3中限定并且能够以尽可能小的恢复时间实现消息的无干扰的冗余的传输。根据高可用性无缝冗余和并行冗余协议，由发送的通信装置将每个消息复制并且在两个不同的到接收器的路径上发送。通过接收侧的通信装置从接收到的数据流滤出代表副本的冗余的消息。

在标准IEC 62439-3中，对于并行冗余协议(PRP)，由于无线通信系统中的相对较长的延迟运行时间和由此受限的非决定性的传输表现，迄今仅规定有线连接的传输线路。在Markus Rentschler、Per Laukemann在IEEE 2012的“Towards a Reliable ParallelRedundant WLAN Black Channel(关于可靠的并行冗余无线局域网黑色通道)”中，研究了PRP通信网中的WLAN传输线路的能力。借助于并行应用，不同的用于例如空间、时间和频率的多样性技术能够在WLAN通信网中充分地补偿随机的通道衰减的影响。

从EP 2 712 124 A1中已知了冗余运行的、具有与工业通信网冗余连接的通信装置的工业通信系统，在其中至少在局部无线地进行消息传输。在工业通信网中设有多个缓存单元，其用于有线连接到网络节点上的接收的和要由其无线发送的消息元件。在超过最大缓冲大小时删除最早位于相应的缓存单元中的消息元件。直到超过最大缓冲大小时选择最早的消息元件作为下个要发送的消息元件。

在能冗余运行的工业通信系统中，具有冗余功能的第一通信装置根据EP 3 211838 A1经由第一和第二通信网接口冗余连接到第一交换机等。类似地，具有冗余功能的第二通信装置经由第一和第二通信网接口冗余连接在第二交换机等。从第一和第二通信装置的第一通信网接口传输到相应的交换机的数据帧被分配给第一虚拟局域网，而从第一和第二通信装置的第二通信网接口传输到相应的交换机的数据帧被分配给第二虚拟局域网。被分配给第一虚拟局域网的数据帧借助于相应的第一无线电收发站经由第一无线电网络发送，而被分配给第二虚拟局域网的数据帧借助于相应的第二无线电收发站经由第二无线电网络发送。

EP 3 211 962 A1涉及用于工业自动化系统的无线电通信系统，其中至少一个第一和第二通信装置冗余连接到工业通信网。第一和第二通信装置各自经由其第一接口和其通信网接口间接或直接地与相应的第一和第二无线电收发站连接。第一和第二无线电收发站根据配属于要发送的数据帧的目标MAC(媒体访问控制)地址确定预设的时间段内的序列。要发送到选定的目标MAC地址的数据帧内的序列由其输入顺序确定。

从WO 2014/187893 A1中已知对应于权利要求1的前序部分的系统。然而，在那里尤其没有提出由各自经由不同的传输线路不完整或有错地接收的数据片段重建数据帧。反而在那里应用纯定时组合，其中立刻传递第一次完整接收的数据报文并且稍后经由冗余的路径拒绝到达的副本。

发明内容

本发明的目的在于，提出用于工业自动化系统的故障安全的无线电通信系统及其运行方法以及合适的系统组件，该无线电通信系统能够实现高效的无线电资源利用。

根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征的无线电通信系统实现，通过具有权利要求15的特征的无线电基站实现，通过具有权利要求16的特征的无线电用户站实现，还通过具有权利要求17的特征的方法实现。本发明的有利的改进方案在从属权利要求中给出。

根据本发明的用于工业自动化系统的无线电通信系统具有至少一个无线电基站，无线电基站包括至少一个无线电发送和接收单元。此外，设有至少一个能与无线电基站连接的无线电用户站，无线电用户站包括至少一个无线电发送和接收单元。无线电基站和无线电用户站设计和设置用于相互交换数据帧，至少以选定的载频传输数据帧。

根据本发明，无线电基站和无线电用户站各自包括用于待冗余发送的数据帧的多路复用单元。此外，无线电基站和无线电用户站各自设计和设置用于以多个相互不同的载频并行地传输待冗余发送的数据帧。此外，无线电基站和无线电用户站各自包括用于处理接收到的冗余的数据帧的冗余处理单元。冗余处理单元各自设计和设置用于探测接收到的冗余的数据帧并且用于由不同的数据帧片段重建冗余发送的数据帧。

根据本发明的无线电通信系统明显减少了延迟和抖动，尤其以多个不同的载频代替串行通过并行方式传输冗余的信息。此外，在通常分开的载频中非常不容易在多个载频上同时由相同的干扰源造成干扰。因此，根据本发明的无线电通信系统提供了针对干扰的提高的不敏感性。

根据本发明的一个优选的设计方案，无线电基站和无线电用户站各自设计和设置用于，利用带间载波聚合将用于传输待冗余发送的数据帧的载频分开。因此，本发明能够在已证明的标准化的方法的基础上实现。此外，多路复用单元能够各自设计和设置用于，利用相应不同的编码模式将待以相互不同的载频冗余发送的数据帧编码。这能够实现针对干扰的再次提高的不敏感性。

根据本发明，冗余处理单元各自设计和设置用于借助于最大比组合、选择组合或增量冗余由不同的数据帧片段重建冗余发送的数据帧。当干扰影响多个或全部载频时，利用这样的冗余方案还能实现冗余发送的数据帧的成功的重建。

优选地，无线电基站和无线电用户站各自设计和设置用于确定用于传输待冗余发送的数据帧的载频、信号质量值或传输错误。在相应的持续监视的基础上能够例如适配地选择应用的载频。此外，无线电基站和无线电用户站能够各自设计和设置用于，根据确定的信号质量值或传输错误来实施用于传输待冗余发送的数据帧的编码率适配。有利地，当信号质量值位于预设的阈值之下或传输错误位于预设的阈值之上时将编码率减小。此外，当信号质量值位于预设的阈值之上或传输错误位于预设的阈值之下时能够将编码率增大。特别地，能够以单独的载频进行编码率适配。

根据本发明的另一个有利的设计方案，无线电基站和无线电用户站各自设计和设置用于，根据确定的信号质量值或传输错误来选择用于传输待冗余发送的数据帧的、改变的或附加的载频或者启用已使用的载频。有利地，无线电基站和无线电用户站各自设计和设置用于，借助于认知无线电来确定潜在的干扰源或能无干扰地使用的载频。

可替换地或附加地，无线电基站和无线电用户站各自设计和设置用于，为了传输被识别为时间要求不严格的数据帧，临时启用对于传输被识别为时间要求严格的数据帧不再需要的载频。根据另一个有利的设计方案，无线电基站和无线电用户站各自设计和设置用于，将为了传输被识别为时间要求不严格的数据帧而临时启用的载频优先分配用于传输被识别为时间要求严格的数据帧。

根据本发明的一个优选的设计方案，无线电基站和无线电用户站各自设计用于，为了CSMA冲突的避免并且为了应用先听后讲而以多于实际应用数量的数量的载频进行收听。特别地，无线电基站和无线电用户站优选地被分配给无线局域网、WiMAX移动无线电网络、UMTS移动无线电网络、LTE移动无线电网络、5G移动无线电网络或其它移动无线电网络。

根据本发明的无线电基站设置用于根据前述实施方案的通信系统并且具有至少一个无线电发送和接收单元。无线电基站设计和设置用于与至少一个无线电用户站交换数据帧，至少以选定的载频传输数据帧。此外，无线电基站包括用于待冗余发送的数据帧的多路复用单元。

此外，根据本发明的无线电基站设计和设置用于以多个相互不同的载频并行地传输待冗余发送的数据帧。无线电基站还包括用于处理接收到的冗余的数据帧的冗余处理单元。冗余处理单元设计和设置用于探测接收到的冗余的数据帧或用于由不同的数据帧片段重建冗余发送的数据帧。

根据本发明的无线电用户站设置用于根据前述实施方案的通信系统并且具有至少一个无线电发送和接收单元。无线电用户站设计和设置用于与至少一个无线电基站交换数据帧，至少以选定的载频传输数据帧。无线电用户站还包括用于待冗余发送的数据帧的多路复用单元。

此外，根据本发明的无线电用户站设计和设置用于以多个相互不同的载频并行地传输待冗余发送的数据帧。无线电用户站还包括用于处理接收到的冗余的数据帧的冗余处理单元。冗余处理单元设计和设置用于探测接收到的冗余的数据帧或用于由不同的数据帧片段重建冗余发送的数据帧。

根据本发明的方法设置用于运行根据前述实施方案的无线电通信系统，其中，无线电通信系统具有至少一个无线电基站和至少一个能与无线电基站连接的无线电用户站，无线电基站包括至少一个无线电发送和接收单元，无线电用户站包括至少一个无线电发送和接收单元。无线电基站和无线电用户站相互交换数据帧，至少以选定的载频传输数据帧。无线电基站以及无线电用户站各自包括用于待冗余发送的数据帧的多路复用单元。

此外根据本发明的方法，无线电基站和无线电用户站各自以多个相互不同的载频并行地传输待冗余发送的数据帧。无线电基站和无线电用户站还各自包括用于处理接收到的冗余的数据帧的冗余处理单元。冗余处理单元各自探测接收到的冗余的数据帧或由不同的数据帧片段重建冗余发送的数据帧。

附图说明

接下来根据附图结合实施例详细阐述本发明。附图示出：

附图示出具有通信网和与其连接的无线电通信系统的工业自动化系统。

具体实施方式

附图所示的工业自动化系统包括通信网100，与其连接的有多个自动化装置101、102和无线电通信系统。在当前实施例中，无线电通信系统包括与通信网100有线连接的无线电基站201和多个能与无线电基站201连接的无线电用户站202、203。

通信网100包括多个网络节点，在网络节点处设有网络基础装置。网络基础装置200-202例如能够是交换机、路由器或防火墙并且用于与自动化装置101、102连接。特别地，算作自动化装置的是可编程逻辑控制器101、输入/输出单元(I/O模块)或工业自动化系统的操作和监视站102。

可编程逻辑控制器101典型地各自包括通信模块、中央单元以及至少一个输入/输出单元。入/输出单元原则上也能被设计为非中心的外围模块，其远离可编程逻辑控制器地布置。经由其通信模块例如能够将可编程逻辑控制器101与交换机或路由器或还与现场总线连接。输入/输出单元用于可编程逻辑控制器101和与可编程逻辑控制器101连接的传感器或受控的机器或设备300之间的、控制和测量参量的交换。传感器或机器或设备300原则上也能够经由无线电通信系统与可编程逻辑控制器101连接。特别地，可编程逻辑控制器101的中央单元设置用于从检测的测量参量确定合适的控制参量。可编程逻辑控制器101的上述组件例如能够经由背板总线系统相互连接。

特别地，操作和监视站102用于将被可编程逻辑控制器、输入/输出单元或传感器处理或检测的过程数据或测量和控制参量可视化。特别地，操作和监视站102用于显示调节回路的值并且用于改变调节参数。操作和监视站102包括至少一个图形用户界面、输入装置、过程单元和通信模块。

无线电基站201以及无线电用户站202、203除了包括天线布置之外还各自包括无线电发送和接收单元211、221、231。无线电基站201和无线电用户站202、203例如能够被分配给无线局域网、WiMAX移动无线电网络、UMTS移动无线电网络、LTE移动无线电网络、5G移动无线电网络或其它移动无线电网络。此外，无线电基站201和无线电用户站202、203设计和设置用于经由无线电基站201交换数据帧10、20，以选定的载频传输数据帧。特别在当前实施例中，数据帧10、20包括配属于与无线电用户站202、203连接的车辆或传感器、机器或设备300的过程数据或者测量和控制参量。

无线电基站201和无线电用户站202、203还各自包括用于待冗余发送的数据帧10、20的多路复用单元212、222、232。在此，无线电基站201和无线电用户站202、203各自以多个相互不同的载频11-13、21-23并行地传输待冗余发送的数据帧10、20。此外，无线电基站201和无线电用户站202、203各自设计和设置用于，利用带间载波聚合将用于传输待冗余发送的数据帧的载频分开。优选地，无线电基站201和无线电用户站202、203各自为了CSMA冲突的避免并且为了应用先听后讲而以多于实际应用数量的数量的载频进行收听。根据一个有利的变体实现方案，多路复用单元212、222、232各自设计和设置用于，利用相应不同的编码模式将待以相互不同的载频冗余发送的数据帧编码。

此外，无线电基站201和无线电用户站202、203各自包括用于处理接收到的冗余的数据帧的冗余处理单元213、223、233。冗余处理单元213、223、233各自设计和设置用于探测接收到的冗余的数据帧或用于由不同的数据帧片段重建冗余发送的数据帧。在此优选的是，借助于最大比组合、选择组合或增量冗余由不同的数据帧片段重建冗余发送的数据帧。

在当前实施例中，无线电基站201和无线电用户站202、203各自确定用于载频的信号质量值或传输错误，该载频用于传输待冗余发送的数据帧。根据确定的信号质量值或传输错误，无线电基站201或无线电用户站202、203实施用于传输待冗余发送的数据帧的编码率适配。特别地，当信号质量值位于预设的阈值之下或传输错误位于预设的阈值之上时将编码率减小。与此相反，当信号质量值位于预设的阈值之上或传输错误位于预设的阈值之下时将编码率增大。根据一个优选的实施方式，以单独的载频进行编码率适配。

此外，无线电基站201和无线电用户站202、203各自设计和设置用于，根据确定的信号质量值或传输错误来选择用于传输待冗余发送的数据帧的、改变的或附加的载频或者启用已使用的载频。在此有利的是，借助于认知无线电来确定潜在的干扰源或能无干扰地使用的载频。此外，无线电基站201和无线电用户站202、203能够各自配置用于，为了传输被识别为时间要求不严格的数据帧，临时启用对于传输被识别为时间要求严格的数据帧不再需要的载频。在此，例如无线电基站201或无线电用户站202、203将为了传输被识别为时间要求不严格的数据帧而临时启用的载频优先分配用于传输被识别为时间要求严格的数据帧。这能够实现载频的特别高效的使用，而不妨碍时间要求严格的数据传输。

Claims (17)

1.一种用于工业自动化系统的无线电通信系统，具有：

-至少一个无线电基站(201)，所述无线电基站包括至少一个无线电发送和接收单元(211)，

-至少一个能与所述无线电基站连接的无线电用户站(202、203)，所述无线电用户站包括至少一个无线电发送和接收单元(221、231)，

-其中，所述无线电基站和所述无线电用户站设计和设置用于相互交换数据帧(10、20)，至少以选定的载频传输所述数据帧，

-其中，所述无线电基站和所述无线电用户站各自包括用于待冗余发送的数据帧的多路复用单元(212、222、232)，并且所述无线电基站和所述无线电用户站各自设计和设置用于以多个相互不同的载频(11-13、21-23)并行地传输待冗余发送的数据帧，并且

-其中，所述无线电基站和所述无线电用户站各自包括用于处理接收到的冗余的数据帧的冗余处理单元(213)，

其特征在于，

-所述冗余处理单元各自设计和设置用于探测接收到的冗余的数据帧并且用于由不同的数据帧片段重建冗余发送的数据帧，

-所述冗余处理单元各自设计和设置用于借助于最大比组合、选择组合或增量冗余由不同的数据帧片段重建冗余发送的数据帧。

2.根据权利要求1所述的通信系统，其中，所述无线电基站和所述无线电用户站各自设计和设置用于，利用带间载波聚合将用于传输待冗余发送的数据帧的载频分开。

3.根据权利要求1或2所述的通信系统，其中，所述多路复用单元各自设计和设置用于，利用相应不同的编码模式将待以相互不同的载频冗余发送的数据帧编码。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的通信系统，其中，所述无线电基站和所述无线电用户站各自设计和设置用于确定用于传输待冗余发送的数据帧的载频、信号质量值和/或传输错误。

5.根据权利要求4所述的通信系统，其中，所述无线电基站和所述无线电用户站各自设计和设置用于，根据确定的信号质量值和/或传输错误来实施用于传输待冗余发送的数据帧的编码率适配。

6.根据权利要求5所述的通信系统，其中，当信号质量值位于预设的阈值之下和/或传输错误位于预设的阈值之上时将编码率减小。

7.根据权利要求5或6所述的通信系统，其中，当信号质量值位于预设的阈值之上和/或传输错误位于预设的阈值之下时将编码率增大。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的通信系统，其中，以单独的载频进行所述编码率适配。

9.根据权利要求4所述的通信系统，其中，所述无线电基站和所述无线电用户站各自设计和设置用于，根据确定的信号质量值和/或传输错误来选择用于传输待冗余发送的数据帧的、改变的或附加的载频或者启用已使用的载频。

10.根据权利要求9所述的通信系统，其中，所述无线电基站和所述无线电用户站各自设计和设置用于，借助于认知无线电来确定潜在的干扰源和/或能无干扰地使用的载频。

11.根据权利要求9或10所述的通信系统，其中，所述无线电基站和所述无线电用户站各自设计和设置用于，为了传输被识别为时间要求不严格的数据帧，临时启用对于传输被识别为时间要求严格的数据帧不再需要的载频。

12.根据权利要求11所述的通信系统，其中，所述无线电基站和所述无线电用户站各自设计和设置用于，将为了传输被识别为时间要求不严格的数据帧而临时启用的载频优先分配用于传输被识别为时间要求严格的数据帧。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的通信系统，其中，所述无线电基站和所述无线电用户站各自设计用于，为了CSMA冲突的避免并且为了应用先听后讲而以多于实际应用数量的数量的载频进行收听。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的通信系统，其中，所述无线电基站和所述无线电用户站被分配给无线局域网、WiMAX移动无线电网络、UMTS移动无线电网络、LTE移动无线电网络、5G移动无线电网络或其它移动无线电网络。

15.一种用于根据权利要求1至14中任一项所述的通信系统的无线电基站，所述无线电基站具有：

-至少一个无线电发送和接收单元，

-其中，所述无线电基站设计和设置用于与至少一个无线电用户站交换数据帧，至少以选定的载频传输所述数据帧，

-其中，所述无线电基站包括用于待冗余发送的数据帧的多路复用单元，并且所述无线电基站设计和设置用于以多个相互不同的载频并行地传输待冗余发送的数据帧，并且

-其中，所述无线电基站包括用于处理接收到的冗余的数据帧的冗余处理单元，

其特征在于，

-所述冗余处理单元设计和设置用于探测接收到的冗余的数据帧并且用于由不同的数据帧片段重建冗余发送的数据帧，

-所述冗余处理单元设计和设置用于借助于最大比组合、选择组合或增量冗余由不同的数据帧片段重建冗余发送的数据帧。

16.一种用于根据权利要求1至14中任一项所述的通信系统的无线电用户站，所述无线电用户站具有：

-至少一个无线电发送和接收单元，

-其中，所述无线电用户站设计和设置用于与至少一个无线电基站交换数据帧，至少以选定的载频传输所述数据帧，

-其中，所述无线电用户站包括用于待冗余发送的数据帧的多路复用单元，并且所述无线电用户站设计和设置用于以多个相互不同的载频并行地传输待冗余发送的数据帧，并且

-其中，所述无线电用户站包括用于处理接收到的冗余的数据帧的冗余处理单元，

其特征在于，

-所述冗余处理单元设计和设置用于探测接收到的冗余的数据帧并且用于由不同的数据帧片段重建冗余发送的数据帧，

-所述冗余处理单元设计和设置用于借助于最大比组合、选择组合或增量冗余由不同的数据帧片段重建冗余发送的数据帧。

17.一种用于运行根据权利要求1至14中任一项所述的用于工业自动化系统的无线电通信系统的方法，其中，

-所述无线电通信系统包括至少一个无线电基站(201)和至少一个能与所述无线电基站连接的无线电用户站(202、203)，所述无线电基站包括至少一个无线电发送和接收单元(211)，所述无线电用户站包括至少一个无线电发送和接收单元(221、231)，

-其中，所述无线电基站和所述无线电用户站相互交换数据帧(10、20)，至少以选定的载频传输所述数据帧，

-其中，所述无线电基站和所述无线电用户站各自包括用于待冗余发送的数据帧的多路复用单元(212、222、232)并且各自以多个相互不同的载频(11-13、21-23)并行地传输待冗余发送的数据帧，并且

-其中，所述无线电基站和所述无线电用户站各自包括用于处理接收到的冗余的数据帧的冗余处理单元(213、223、233)，

其特征在于，

-所述冗余处理单元各自探测接收到的冗余的数据帧并且由不同的数据帧片段重建冗余发送的数据帧，

-所述冗余处理单元各自设计和设置用于借助于最大比组合、选择组合或增量冗余由不同的数据帧片段重建冗余发送的数据帧。

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