CN112073162A - 用于运行冗余的自动化系统的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于运行冗余设计的自动化系统(1)的方法和冗余设计的自动化系统。该自动化系统具有第一子系统(2)和第二子系统(3),其中,这些子系统(2、3)中的一个作为主机工作并且这些子系统(2、3)中的另一个作为从机工作,并且其中,从机在主机发生故障的情况下承担主机的功能。该方法的特征在于,第一子系统(2)接收由外部数据源(11)生成的数据包,并且在第一子系统(2)中在高于物理层和数据链路层的级别的层的级别上对数据包进行处理之前,仅在物理层和数据链路层的级别上将数据包转发至第二子系统(3)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于运行冗余的自动化系统的方法,该自动化系统具有第一子系统和第二子系统,其中,这些子系统中的一个子系统作为主机工作,并且另一个子系统作为从机工作,并且其中,从机在主机发生故障的情况下承担主机的功能。此外,本发明涉及一种冗余设计的自动化系统,该自动化系统具有第一子系统和第二子系统,其中,这些子系统中的一个子系统被设置成作为主机工作,并且另一个子系统被设置成作为从机工作,并且其中,从机被设置成在主机发生故障的情况下承担主机的功能。此外,本发明涉及一种用于运行冗余设计的自动化系统的方法,该自动化系统具有第一子系统和第二子系统,其中,这些子系统中的一个子系统作为主机工作,并且另一个子系统作为从机工作,并且其中,从机在主机发生故障的情况下承担主机的功能。此外,本发明涉及一种冗余设计的自动化系统,该自动化系统具有第一子系统和第二子系统,其中,这些子系统中的一个子系统被设置成作为主机工作,并且另一个子系统被设置成作为从机工作,并且其中,从机被设置成在主机发生故障的情况下承担主机的功能。
背景技术
在自动化领域中,对适于将可能出现的设施停机时间减少到最小程度的高利用率解决方案(H系统)的需求不断增长。这种高利用率的解决方案的开发成本很高,其中,在自动化领域中通常使用的H系统的特性在于,两个或多个呈自动化设备或计算机系统形式的子系统通过同步连接相互耦联。原则上,两个子系统都能以读和/或写的方式访问与这种H系统连接的外围单元。两个子系统之一对于与该系统连接的外围单元处于主导地位。这表示,到外围单元的输出或用于这些外围单元的信息输出只能由两个子系统中的一个作为主机或承担主机功能的子系统实现。为了使两个子系统能够同步运行,子系统通过同步连接以固定间隔同步。能够在同步的频率及其范围方面区分不同特性(温备用,热备用)。
由2011年出版的西门子目录ST 70的第6章公开了一种由两个子系统组成的冗余的自动化系统,该自动化系统被设置用于提高要控制的设备的利用率。该自动化系统通常被同步并且确保子系统之一的故障不会干扰要控制的过程,因为另一个子系统能够继续执行或处理其相应控制程序的相应部分或者能够执行或处理该控制程序的相应部分。
由EP 0 907 912 B1公开了一种用于由两个子系统构成的自动化系统的同步方法。该同步方法基于两个子系统的时间同步耦联,其中,两个子系统在提供比较的适当的程序点处等待其他相应参与者的响应,并且然后才分别时间同步地继续其程序处理。
EP 2 657 797 A1公开了一种用于运行冗余的自动化系统的方法,该方法包括特别有利的同步方法。
在冗余自动化系统中基本存在的问题是输入数据流和输出数据流的同步处理。这基本上意味着,必须将输入数据流复制到两个冗余子系统上并且将两个冗余子系统中出现的输出数据流分开。
在迄今已知的冗余解决方案中,其引起两个子系统上相应高的计算时间负荷。
发明内容
因此,本发明所基于的目的是,提出一种开头部分所述类型的方法,通过该方法能够减少冗余设计的自动化系统的子系统上的负荷。
该目的通过本发明的方法实现。根据本发明,该方法的特征在于,第一子系统接收由外部数据源生成的数据包,并且在第一子系统中在高于物理层和/或数据链路层的级别的层的级别上对数据包进行处理之前,第一子系统仅在物理层和/或数据链路层的级别上将数据包转发至第二子系统。
第一子系统用作为从机,即其在数据包的处理方面在用作为主机的第二子系统之后运行。
本发明的优点在于自动化系统的两个子系统的改善的性能,因为已经在物理层和/或数据链路层的级别上执行两个子系统之间的用于实现冗余的必要同步。在将数据包从第一子系统传输至第二子系统之前,从外部数据源接收的数据包必须经过更高级别的层(例如网络层或传输层)。通过使用本发明,冗余的自动化解决方案的性能得以提高,这开辟了新的另外的应用可能方案。
在本发明的一个有利的改进方案中,第一子系统将在数据包处理的范畴内的数据包存储在第一子系统的电子存储器中,优选存储在先进先出(FIFO)存储器中。存储器被设计用于以特定顺序存储数据包并且又以特定顺序输出数据包。
如果第二子系统发生故障,则第一子系统必须平稳地继续处理应用程序。为此,第一子系统能够获取存储在存储器中的数据。
优选地,在将数据包存储至第一子系统的存储器中之后,将同步消息从第二子系统发送至第一子系统,以使在第二子系统上对数据包的处理与在第一子系统上对数据包的处理同步。
特别优选的是,同步消息包括关于第一子系统应该从存储器提取存储在第一系统的存储器中的数据包的多少数据量的信息。由此,不必为了同步目的将数据包中的全部数据量(可能很大)从第二子系统传输至第一子系统,而只需传输关于第一子系统应该从存储器提取多少数据量的信息。
先前提出的目的还通过一种冗余设计的自动化系统来实现,该自动化系统具有第一子系统和第二子系统,其中,这些子系统中的一个子系统被设置成作为主机工作,并且另一个子系统被设置成作为从机工作,并且其中,从机被设置成在主机发生故障的情况下承担主机的功能。冗余设计的自动化系统的特征在于,第一子系统被设置用于,接收由外部数据源生成的数据包,并且在第一子系统中在高于物理层和/或数据链路层的级别的层的级别上对数据包进行处理之前,仅在物理层和/或数据链路层的级别上将数据包转发至第二子系统。
该目的还通过本发明的方法来实现。该方法的特征在于,在第一子系统中在高于物理层和/或数据链路层的级别的层的级别上对设置用于外部接收器的数据包进行处理之前,在物理层和/或数据链路层的级别上将该数据包从第二子系统传输至第一子系统,并且该数据包从第一子系统转发至外部接收器。
类似于本发明的先前阐述的方法,该方法的优点在于,在第一子系统与第二子系统之间进行数据传输之前(在此在到外部接收器的数据包发送的范畴中),数据包仅经过物理层和/或数据链路层的级别。
该目的还通过本发明的冗余设计的自动化系统来实现。根据本发明,该自动化系统的特征在于,第二子系统被设置成,在第一子系统中在高于物理层和/或数据链路层的级别的层的级别上对设置用于外部接收器的数据包进行处理之前,在物理层和/或数据链路层的级别上将该数据包从第二子系统传输至第一子系统,并且第一子系统被设置成将第二子系统接收的数据包转发至外部接收器。
附图说明
结合实施例的以下描述,本发明的上述特性、特征和优点及其实现方法和方式变得更明白易懂,实施例结合附图来详细阐述。附图示出:
图1示出具有两个子系统的自动化系统;
图2示出两个子系统在输入数据包的情况下的按时间耦联的序列;
图3示出在两个子系统之一发生故障的情况下根据图1的序列;以及
图4示出两个子系统在输出数据包的情况下的按时间耦联的序列。
具体实施方式
图1示出了被设置为冗余网络节点的自动化系统1。自动化系统1具有第一子系统2和第二子系统3。第一子系统具有第一网络接口4,第二子系统具有第二网络接口5,第一子系统2和第二子系统3能够通过网络接口与外部设备(未示出)通信。
在内部,第一子系统2能被分为第一传输系统6和第一应用系统7,而第二子系统3类似地具有第二传输系统8和第二应用系统9。第一传输系统6和第二传输系统承担在第一子系统2与第二子系统3之间转发或传输数据包的任务。为此,第一子系统2和第二子系统3通过同步连接10彼此耦联。
假设第二子系统3作为主机运行并且第一子系统2作为从机或备份运行。主机在技术过程的控制方面处于主导地位并且承担过程控制任务。仅当主机由于干扰发生故障时,从机才承担主机功能。
图2示出了冗余设计的第一子系统2和第二子系统3的同步过程情况的序列图。在第一步骤12中,由外部数据源11生成的数据包被第一子系统2接收。首先,第一子系统2此时执行对数据包的分析13并且还确定数据包的类型和包含在数据包中的目的地址。在此例如检查:数据包中所包含的IP(互联网协议)地址作为目的地址是否与自动化系统1的IP地址匹配。该测试由第一子系统2代表第二子系统3执行。
在物理层和/或数据链路层的级别上,在成功的地址检查之后实现数据包从第一子系统2至第二子系统3的传输14。在由第一子系统2在第一子系统2的传输系统6的更高层(网络层、传输层等)的级别上转发数据包之前,已经实现该传输14。
随后,在第一子系统2和第二子系统3上实现数据包的中间缓冲15a、15b、以及在第一子系统2和第二子系统3的相应的第一传输系统6或第二传输系统8的更高层(网络层、传输层等)的级别上的进一步处理16a、16b。数据包的与相应的第一应用系统7或第二应用系统9相关的部分(即所谓的应用程序数据17a、17b)由应用程序(例如是Web(网页)服务器)在第一子系统2和第二子系统3上从数据包中提取。在此,尚未进行数据处理,仅将应用程序数据17a、17b与数据包的其余部分分开。
在第一子系统2中,在存储过程18的范畴中,将应用程序数据17a存储在设置为FIFO(先进先出)存储器的存储器19中。存储器被设计用于以特定顺序保存应用程序数据17a。
在将应用程序数据17a存储在第一子系统2的存储器19中之后,第二子系统3将同步消息20发送至第一子系统2。在此,同步消息包括关于应该从第一子系统2的存储器19提取应用程序数据17a的多少数据量的信息。如EP 2 657 797 A1中所述那样进行实际的同步。在此全文引用该文献。
同步消息20触发提取指令25,该提取指令直接寻址到存储器19。在从FIFO存储器19提取21了应用程序数据17a之后,由应用程序(例如Web服务器)在第一子系统2上对应用程序数据17a进行处理22。在第二子系统3上执行处于那里的应用程序数据17b的类似的处理23。
图3示出了与图2所示基本相同的序列图。然而区别在于,在数据经过层的较高级别或者应用程序数据17a、17b与数据包的其余部分分离之后,第二子系统3(用作为主机)发生故障24。现在,第一子系统2(用作为从机)必须承担主系统的任务并且例如维护过程设施的运行。到外部设备的数据传输应该能够无数据损失地继续进行。
如果第二子系统3发生故障,则第一子系统2必须平稳地继续在应用程序级别进行处理。这可以如下地实现,即第一子系统2响应于在特定时间点自动生成的提取指令25,提取FIFO存储器19中所包含的应用程序数据17a并且在转发37的范畴中将其转发至第一子系统2的应用程序处理22,直到FIFO存储器19被清空为止。因此,在发生故障24的时间点,第一子系统2的状态与第二子系统3的状态相同。在FIFO存储器19被清空之后,第一子系统上的应用程序又直接从第一子系统2的传输系统6的较高层(网络层、传输层等)的级别上的进一步处理16a、16b的级别(也被称为所谓的“层堆栈”)读取。由于发生故障24之后第一子系统2上的层堆栈的状态不改变,因此与通信伙伴的连接26能够继续而不会中断并且不会丢失数据。
图4示出了发送数据包时的序列图。起点是第二子系统3上的应用程序处理的应用程序数据27。作为第二子系统3到传输系统8的寻址的发送请求28的结果,第一同步消息29被发送至第一子系统2。如EP 2 657 797 A1中所述那样进行实际的同步。接下来,进行第二子系统3上的应用程序数据27的丢弃30以及应用程序数据27到第一子系统2的数据传输31。在第一子系统2上,发送指令32被发送至第一子系统的第一传输系统6,在其后进行应用程序数据27到外部接收器11a的传输33。第二子系统3与第一子系统2之间的数据传输31已经在物理层和/或数据链路层的级别上实现,该方法由此特别有效。
并行实现的是,在第二子系统3上进行另外的(新的)应用程序数据的处理34。如EP2 657 797 A1中所述那样,与此相关的信息借助于第二同步消息35与第一子系统2交换。在此实现新应用程序数据的类似的进一步处理36。
Claims (8)
1.一种用于运行冗余设计的自动化系统(1)的方法,所述自动化系统具有第一子系统(2)和第二子系统(3),其中,所述第一子系统(2)和所述第二子系统(3)中的一个子系统作为主机工作,并且所述第一子系统(2)和所述第二子系统(3)中的另一个子系统作为从机工作,并且其中,所述从机在所述主机发生故障的情况下承担所述主机的功能,其特征在于,所述第一子系统(2)接收由外部数据源(11)生成的数据包,并且在所述第一子系统(2)中在高于物理层和数据链路层的级别的层的级别上对数据包进行处理之前,所述第一子系统仅在所述物理层和所述数据链路层的级别上将所述数据包转发至所述第二子系统(3)。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,所述第一子系统(2)将在网络层的级别和传输层的级别上进行处理后的所述数据包存储在所述第一子系统(2)的电子的存储器(19)中,所述存储器被设计用于以特定顺序存储所述数据包并且又以特定顺序输出所述数据包。
3.根据权利要求2所述的方法,其中,所述存储器(19)是先进先出存储器。
4.根据权利要求2或3所述的方法,其中,在将所述数据包存储在所述第一子系统(2)的所述存储器(19)中之后,将同步消息(20)从所述第二子系统(3)发送至所述第一子系统(2),以使在所述第二子系统(3)上对所述数据包的处理与在所述第一子系统(2)上对所述数据包的处理同步。
5.根据权利要求4所述的方法,其中,所述同步消息(20)包括关于所述第一子系统(2)应该从所述存储器(19)提取存储在所述第一子系统(2)的所述存储器(19)中的所述数据包的多少数据量的信息。
6.一种冗余设计的自动化系统(1),所述自动化系统具有第一子系统(2)和第二子系统(3),其中,所述第一子系统(2)和所述第二子系统(3)中的一个子系统被设置成作为主机工作,并且所述第一子系统(2)和所述第二子系统(3)中的另一个子系统被设置成作为从机工作,并且其中,所述从机被设置成在所述主机发生故障的情况下承担所述主机的功能,其特征在于,所述第一子系统(2)被设置用于,接收由外部数据源(11)生成的数据包,并且在所述第一子系统(2)中在高于物理层和数据链路层的级别的层的级别上对数据包进行处理之前,仅在所述物理层和所述数据链路层的级别上将所述数据包转发至所述第二子系统(3)。
7.一种用于运行冗余设计的自动化系统(1)的方法,所述自动化系统具有第一子系统(2)和第二子系统(3),其中,所述第一子系统(2)和所述第二子系统(3)中的一个子系统作为主机工作,并且所述第一子系统(2)和所述第二子系统(3)中的另一个子系统作为从机工作,并且其中,所述从机在所述主机发生故障的情况下承担所述主机的功能,其特征在于,在所述第一子系统(2)中在高于物理层和数据链路层的级别的层的级别上对设置用于外部接收器(11a)的数据包进行处理之前,仅在所述物理层和所述数据链路层的级别上将所述数据包从所述第二子系统(3)传输至所述第一子系统(2),并且将所述数据包从所述第一子系统(2)转发至所述外部接收器(11a)。
8.一种冗余设计的自动化系统(1),所述自动化系统具有第一子系统(2)和第二子系统(3),其中,所述第一子系统(2)和所述第二子系统(3)中的一个子系统被设置成作为主机工作,并且所述第一子系统(2)和所述第二子系统(3)中的另一个子系统被设置成作为从机工作,并且其中,所述从机被设置成在所述主机发生故障的情况下承担所述主机的功能,其特征在于,所述第二子系统(3)被设置成,在所述第一子系统(2)中在高于物理层和数据链路层的级别的层的级别上对设置用于外部接收器(11a)的数据包进行处理之前,仅在所述物理层和所述数据链路层的级别上将所述数据包从所述第二子系统(3)传输至所述第一子系统(2),并且所述第一子系统(2)被设置成将所述第二子系统(3)接收的所述数据包转发至所述外部接收器(11a)。
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CN112073162B (zh) | 2023-07-25 |
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