CN112840281A - 通过无线网络在控制器与受控设备之间的通信 - Google Patents

Abstract

一种在源接口设备处执行的通过3GPP无线网络在受控设备和控制器之间进行通信的方法。该方法包括：将输入业务分割(102)到承载原生以太网业务的第一路径和承载IP互联网协议业务的第二路径中；将IP业务的分组的IP地址与3GPP无线网络的远端处的目的地接口设备的IP地址重新映射(106)；使用3GPP无线网络的远端处的目的地接口设备的IP地址将原生以太网业务封装(104)到IP业务中，并调度(108)来自所述第一路径和所述第二路径的IP业务以用于经由3GPP无线网络传输(110)到目的地接口设备。

Description

通过无线网络在控制器与受控设备之间的通信

技术领域

一般而言，本发明涉及受控设备和远程控制器之间的通信，并且具体地涉及一种用于通过3GPP无线网络的这种通信的方法和接口设备。

背景技术

未来的工厂将通过制造过程和工厂的数字化来实现。数字化转型开始于在工厂中连接先前隔离的设备和系统，以提高制造过程的灵活性。制造商希望个性化其生产，以在不牺牲可持续性、灵活性、可追溯性或安全性的情况下，最大化产品产出。将需要新型云驱动的机器人设备，这些设备能够彼此之间进行通信以及与人类进行通信。

在典型的工业环境中，生产线由各种工作单元组成，每个工作单元专用于制造产品的特定部分。生产线由可编程逻辑控制器(PLC)控制，该可编程逻辑控制器协调并向每个工作单元分配任务。工作单元或生产站是完整的系统，其包括机器人设备、传送带和其他外围设备，例如零件定位器和安全环境。整个工作单元由站PLC控制。每个机器人设备具有其自己的机器人控制器，该机器人控制器由站PLC管理。

PLC是用于控制机器和过程的专用计算机。因此，它与典型的PC(如中央处理单元、存储器、软件和通信)共享常用术语。尽管，与个人计算机不同，PLC被设计为在恶劣的工业氛围中生存，并且在它如何与真实世界的输入和输出接口连接方面非常灵活。PLC持续监视系统，将输入信号(例如来自交换机、传感器和机器人设备的输入信号)处理为输出(例如电动机命令、机器人命令、LED、继电器等)，并且采取与受控过程有关的必要措施以确保顺序过程中的所有步骤都以适当的顺序执行。

站PLC与不同的设备(例如远程I/O(输入/输出)、其他PLC(例如生产线的PLC)和机器人控制器等)进行通信。所有这些通信需要物理连接(其是布线和连接组件)和共享协议(其是允许联网设备之间进行通信的通用语言)。通信协议(例如现场总线)描述了在设备之间的通信中使用的一组规则。当今工业机器人技术中使用的协议列表非常多，使用的许多协议基于以太网和/或IP联网或具有专有联网协议的串行电缆。尽管性能通常由物理层(最低层)确定，但工业机器人技术中使用的通信协议大部分从应用层(上层)的特征变化。工业中使用的主要基于以太网的协议是以太网/IP、Modbus TCP/IP、Profinet、EtherCAT。

工业协议处理不同类型的通信以执行其功能。例如，PROFINET IO使用不同的通信信道与可编程控制器和其他设备交换数据：

实时(RT)通信-I/O和警报数据通过实时PROFINET IO信道进行传输。RT数据可以是：

RT非循环数据-未调度的按需通信。从IO主管到I/O设备的诊断消息是非循环的；

RT循环数据-调度的重复通信。I/O数据和警报传输是循环的。

非实时通信-配置和诊断消息通过非实时PROFINET IO信道传输。

工业通信(尤其在生产和过程自动化中)需要准时和确定性的数据传输。因此，对于时间关键I/O用户数据的循环交换，PROFINET IO不使用TCP/IP，因为它不像Profinet应用所要求的那样快速而确定，而是纯以太网业务。TCP/UDP主要用于启动配置，并且很少使用，然而通过预防性监视，它的使用将增加。

如今，生产线基于使用以太网连接的刚性有线网络。然而，由于成熟的工厂具有多达1000个活动部件以及更多的设备和传感器，现有的有线内部网络不再能够支持数据业务，因此当前的工厂网络开始出现瓶颈。

可以添加第二个有线网络以支持传统的有线网络，但是集成这两个网络并不容易。同时，例如使用光纤对工厂进行完全重新布线可能太昂贵。

因此，在这种场景中，无线连接看起来是最好的解决方案。在市场上，当前可用的解决方案没有覆盖PLC和用于操作机器人的机器人设备之间的通信。相反，他们聚焦于朝向顶层SCADA(监督控制和数据采集)的监视和一般管理功能，以用于远程接入各种本地控制模块。传感器可以作为客户端经由LTE连接到远程服务器，并且在某些情况下，PLC可以经由LTE朝向SCADA通信。

这种连接遵循经典的IoT方案，在该方案中，IP客户端与其中运行一些管理/监视功能的远程服务器联系。例如，基于工业IoT LTE的示例是由西门子、塞拉无线(SierraWireless)和摩莎(Moxa)提供的一种。

西门子的SCALANCE M876-4 LTE(UE)是4G路由器，用于经由LTE的基于以太网的无线IP通信。即使西门子声明它支持Profinet协议，它也仅将这种支持限制为仅用于监视和管理的协议的IP业务。不支持用于控制机器人设备的实时原生以太网Profinet业务。

类似地，诸如塞拉无线的其他制造商提供的设备(例如Airlink RV50工业LTE网关)也仅允许由本地路由器处理到LTE以及例如运行SCADA的远程应用服务器的IP连接。因此，它们允许PLC和上层之间的连接以用于进行监视和管理/配置的目的，但它们不适用于工作单元的PLC对工作单元中的机器人设备进行运行时间控制。

可以使用的另一种设备是LTE网关，例如摩莎提供的一种(例如内嵌式G3470A-LTE系列工业LTE蜂窝网关)。使用客户端和服务器之间的VPN连接，可以在两侧连接相同的LAN。在该解决方案中，使用了VPN，因为该解决方案被假定用于将一些设备(如传感器和PLC)连接到远程管理和监视系统。通过互联网，具有IPsec的VPN提供了良好的加密级别。同样，不支持将PLC直接连接到机器人设备。

如上所述，用于提供与数百个机器人、传感器及其控制器的连接的附加电缆(电或光)是不切实际且过于昂贵的。因此，将部署无线连接以降低成本并简化基础设施。

同时，出于以下若干动机，当前的Wi-Fi在工厂环境中不可行：

它是共享频谱上的“尽力而为”通信技术，由于存在多个针对带宽竞争的接入点，因此对同信道干扰不鲁棒。

Wi-Fi无法确保工厂中所需的可扩展性(例如添加新的传感器和设备)，因为性能随所连接设备的数量而降级。

对工厂进行稳定的Wi-Fi覆盖计划并不容易，因为“信号强度映射”非常不准确，并且可能受到车间周围移动的“对象”的动态影响。

WiFi可能受到来自工厂中的机械的干扰和高业务负荷的影响。

发明内容

本发明的目的是消除至少一些以上缺点，并提供一种用于通过3GPP无线网络在受控设备和远程控制器之间进行通信的改进的方法和接口设备。

因此，本发明试图优选地单独地或以任何组合地减轻、缓解或消除上述缺点中的一个或多个。

根据本发明的第一方面，提供了一种通过3GPP无线网络在受控设备和控制器之间进行通信的方法。该方法在源接口设备处执行，该方法包括将输入业务分割到承载原生以太网业务的第一路径和承载IP互联网协议业务的第二路径中。该方法还包括：将IP业务的分组的IP地址与3GPP无线网络的远端处的目的地接口设备的IP地址重新映射，以及使用3GPP无线网络的远端处的目的地接口设备的IP地址将原生以太网业务封装到IP业务中。该方法还包括调度来自所述第一路径和所述第二路径的IP业务，以用于经由3GPP无线网络传输到目的地接口设备。

根据本发明的第二方面，提供了一种通过3GPP无线网络在受控设备和控制器之间进行通信的方法。该方法在目的地接口设备处执行，该方法包括将输入业务分割到承载封装在IP互联网协议分组中的原生以太网业务的第三路径和承载IP业务的第四路径中。该方法还包括：将第四路径上的IP业务的分组的IP地址与至少一个受控设备或控制器的IP地址重新映射，并且从第三路径上的IP业务解封装原生以太网业务。该方法还包括：调度来自所述第三路径和所述第四路径的业务，以用于传输到与目的地接口设备连接的至少一个受控设备或控制器。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于通过3GPP无线网络在受控设备和控制器之间进行通信的接口设备。该接口设备适于将输入业务分割到承载原生以太网业务的第一路径和承载IP互联网协议业务的第二路径中。接口设备还适于将IP业务的分组的IP地址与3GPP无线网络的远端处的目的地接口设备的IP地址重新映射，并且使用3GPP无线网络的远端处的目的地接口设备的IP地址将原生以太网业务封装到IP业务中。此外，接口设备适于调度来自第一路径和第二路径的IP业务，以用于经由3GPP无线网络传输到目的地接口设备。

根据本发明的第四方面，提供了一种用于通过3GPP无线网络在受控设备和控制器之间进行通信的接口设备。该接口设备适于将输入业务分割到承载封装在IP互联网协议分组中的原生以太网业务的第三路径和承载IP业务的第四路径中。该接口设备还适于将第四路径上的IP业务的分组的IP地址与至少一个受控设备或控制器的IP地址重新映射，并且从第三路径上的IP业务解封装原生以太网业务。此外，接口设备适于调度来自第三路径和第四路径的业务，以用于传输到与接口设备连接的至少一个受控设备或控制器。

根据本发明的第五方面，提供了一种用于通过3GPP无线网络在受控设备和控制器之间进行通信的接口设备。该接口设备包括处理电路和存储器，该存储器包含指令，该指令可由该处理电路执行，使得该接口设备可操作以将输入业务分割到承载原生以太网业务的第一路径和承载IP互联网协议业务的第二路径中。接口设备还可操作以将IP业务的分组的IP地址与3GPP无线网络的远端处的目的地接口设备的IP地址重新映射，并且使用3GPP无线网络的远端处的目的地接口设备的IP地址将原生以太网业务封装到IP业务中。此外，接口设备可操作以调度来自第一路径和第二路径的IP业务，以用于经由3GPP无线网络传输到目的地接口设备。

根据本发明的第六方面，提供了一种用于通过3GPP无线网络在受控设备和控制器之间进行通信的接口设备。该接口设备包括处理电路和存储器，该存储器包含指令，该指令可由该处理电路执行，使得该接口设备可操作以将输入业务分割到承载封装在IP互联网协议中的原生以太网业务的第三路径和承载IP业务的第四路径中。接口设备还可操作以将第四路径上的IP业务的分组的IP地址与至少一个受控设备或控制器的IP地址重新映射，并且从第三路径上的IP业务解封装原生以太网业务。此外，接口设备可操作以调度来自第三路径和第四路径的业务，以用于传输到与接口设备连接的至少一个受控设备或控制器。

在从属权利要求中要求保护本发明的其他特征。

本发明提供了许多益处，现在简要地提及其中的一些。在其各种实施例中的方法和设备关于工业协议是不可知的。该解决方案提供了4G和5G无线通信与工业协议的兼容性。通过消除对电缆连接的需求，它允许降低基础设施成本，并通过虚拟化功能来提高生产线的灵活性。电缆的去除促进了站PLC功能的转移，以在本地云中的服务器上的远程位置运行，从而有可能利用这种机器提供的比PLC强大得多的计算能力。因此，可以引入更灵活和复杂的控制功能。该解决方案还减少了重新布置装配线所需的停机时间，因为不需要重新布置电缆。

附图说明

通过以下结合附图进行的详细描述，将更全面地理解和领会本发明，在附图中：

图1是示出了在本发明的一个实施例中的通过3GPP无线网络在受控设备和控制器之间进行通信的方法的流程图；

图2是示出了在本发明的另一实施例中的通过3GPP无线网络在受控设备和控制器之间进行通信的方法的流程图；

图3和图3a是示出了在本发明的一个实施例中的用于通过3GPP无线网络在受控设备和控制器之间进行通信的接口设备的图；

图4是示出了在本发明的一个实施例中的用于通过3GPP无线网络在受控设备和控制器之间进行通信的接口设备的图；

图5和图6示出了用于在操作中通过3GPP无线网络在受控设备和控制器之间进行通信的接口设备；

图7示出了在方法的一个实施例中的以太网业务封装的操作；

图8是示出了图3和图4中所示的接口设备的连接和断开连接的消息序列图。

具体实施方式

在以下描述中，出于说明而非限制的目的，阐述了具体细节，例如特定架构、接口、技术等，以提供对发明的完全理解。然而，对本领域技术人员将显而易见的是：该发明可在脱离这些具体细节的其它实施例中实践。在其他实例中，省略了对公知设备、电路和方法的详细描述，以免不必要的细节使本发明的描述变得模糊。

贯穿说明书，对“一个实施例”或“实施例”的提及意味着结合实施例所描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定全指代同一实施例。此外，可以在一个或多个实施例中通过任何合适的方式来组合特定特征、结构或特性。

通过使用LTE无线连接，可以解决使用WiFi连接的许多问题。然而，如果从带宽和时延的角度来看存在更严格的要求，则具有其标准化网络功能、内置安全性、保证的服务等级以及网络切片概念的5G无线连接是想要利用数字化转型的先进工业的最佳解决方案。

然而，发明人意识到，当使用仅直接在标准IEEE 802.3以太网帧内传输I/O和机器人控制业务的Profinet或EtherCAT协议时，以太网上传输的工业协议与LTE/5G的基于IP的网络架构之间的兼容性问题变得显而易见。因此，解决工业协议(例如，Profinet、Ethercat)和LTE/5G通信之间的兼容性问题以将无线连接用于工业通信是至关重要的。

由于绝大多数工业设备被设计为响应命令而不是发起命令，因此这是IP通信的问题。互联网上的用户或主设备将无法发起与分配了动态IP地址的工业设备或传感器的联系。为了解决该IP地址问题，可以采用使用VXLAN(虚拟可扩展局域网)、VPN(虚拟专用网)或类似技术的IP隧道。

然而，隧道无法优化业务的传输。一切都经隧道，同时封装原生以太网(例如，Profinet RT和ethercat RT业务)和原生IP业务(例如，配置、维护和监视)两者。以这种方式，原生IP业务被打包到另一个IP流中，从而使开销增加一倍并导致带宽浪费。

对于要通过IP网络封装传输的原生以太网业务是必须的，但对于可以更有效地处理的原生IP业务则不是必须的。然而，还必须以正确的方式处理IP(TCP和UDP)业务，如今不支持这种方式。如果要避免封装，则需要将IP地址和端口号重新映射到移动网络用于连接设备的IP地址和端口号，并且NAT(网络地址转换)功能不适合于该任务。

发明人意识到，对于优化的工业通信，今天所缺少的是以下的可能性：将原生以太网业务与来自相同源(具有相同MAC地址)的原生IP业务分离，从而将以太网与IP区别对待，封装以太网并重新映射IP。

此外，发明人意识到，从基于IP的监视和管理业务中分离出原生以太网(传输实时业务)和一般实时业务之间的业务流，可以减少时间关键业务上的抖动。

本文档公开了一种方法和接口设备，该方法和接口设备允许受控设备使用由4G或5G无线网络提供的无线连接以最佳方式与远程控制器(可以运行到云中)进行通信。

该接口设备能够接收工业以太网业务(例如Profinet、EtherCAT)，通过封装原生以太网并重新映射IP业务来使其适于经由移动无线通信以高效方式进行发送。可以引入该业务流在通信类别(CBR、VBR、UBR)中的进一步映射，以在移动网络拥塞或相对于机器人LAN速率的上行链路速率受限(例如，由于4G/5G无线模块的类别)的情况下，减少时间关键服务上的抖动。

参考图1，现在将描述通过3GPP无线网络在受控设备和控制器之间进行通信的方法的一个实施例。受控设备可以是例如机器人、机器人单元中的设备或传感器，而控制器可以是例如可编程逻辑控制器(PLC)。3GPP无线网络可以是例如LTE(长期演进)网络，也称为4G网络或5G网络。在图5所示的简单实现的示例的上下文中描述了该方法，其中机器人508位于远离其PLC控制器502的位置。PLC 502连接到第一接口设备504，并且机器人508连接到第二接口设备506。PLC和第一接口设备之间以及机器人和第二接口设备之间的连接可以经由例如电缆或光缆通过制造工厂中的同一局域网实现。PLC和机器人(及其本地连接的接口设备504和506)可以位于同一建筑物中、不同建筑物中或甚至更远的位置处。接口设备504和506之间的通信是通过3GPP无线网络520(例如，4G或5G网络)实现的。

在操作中，PLC 502可以向其控制的机器人508发送包括例如控制命令以及配置和管理业务的业务。通过3GPP无线网络520在PLC502和机器人508之间进行通信的方法是在第一接口设备520处执行的。当第一接口设备520将业务从PLC 502传输到与第二接口设备506连接的机器人508时，第一接口设备504可以称为源接口设备，并且第二接口设备504可以称为目的地接口设备。

在源接口设备处执行的方法504包括：将输入业务分割102到承载原生以太网业务的第一路径和承载IP互联网协议业务的第二路径中。然后，IP业务具有与3GPP无线网络的远端处的目的地接口设备506的IP地址重新映射106的IP业务的分组的IP地址。另一方面，通过向以太网帧添加IP报头将原生以太网业务封装到IP业务中，其中IP报头包括3GPP无线网络的远端处的目的地接口设备506的IP地址。优选地，重新映射106和封装104的操作是并行执行的。在以下操作中，调度108来自所述第一路径和所述第二路径的IP业务，以用于经由3GPP无线网络传输110到目的地接口设备506，然后向前传输到机器人508。当然，如前所述，代替机器人，传感器或机器人单元中的设备也可以是来自PLC502的业务的接收者。

下表1中进一步说明了图5所示场景中的重新映射的操作。由源接口设备504从PLC502接收的IP分组包含第一机器人508的寻址，例如120.100.1.10/1000。PLC 502和第一机器人508在相同的本地网络中操作。源接口设备504将来自本地网络的IP地址重新映射到目的地接口设备506的IP地址，例如10.10.10.2/1000，并且使用该IP地址，通过4G或5G无线通信网络将分组从源传输到目的地接口设备。因为仅存在连接到目的地接口设备506的一个机器人508，所以不需要执行端口号的重新映射。因此，在所有接口上使用值10000。这在表1的右手侧(TX侧)示出。

表1

图6示出了所公开的解决方案的实际部署，其中，3GPP无线网络的远端处的目的地接口设备506连接到多个受控设备508、510、512。在该实施例中的方法将以下操作包括在重新映射106和封装104的操作中：将端口号添加106-1和104-1到目的地接口设备506的IP地址，该端口号用于将业务路由到相应受控设备。

在图6所示的场景中，重新映射的操作类似于以上参考图5和表1讨论的操作。差异在下表2中说明。

首先，由源接口设备504从PLC 502接收的IP分组包含连接到目的地接口设备506的三个机器人508、510和512的寻址，例如120.100.1.10/1000、120.100.1.11/1000和120.100.1.12/1000。然后，将这些IP地址重新映射到目的地接口设备506的无线网络接口的IP地址，例如10.10.10.2，但是为了区分这三个单独的业务流，它们使用不同的端口号，每个端口号标识连接到目的地接口设备506的机器人之一。IP地址被重新映射为10.10.10.2/5000、10.10.10.2/5001和10.10.10.2/5002。使用这些重新映射的IP地址，通过4G或5G无线通信网络将分组从源接口设备传输到目的地接口设备。如表2、图6和以上讨论中所示，当存在若干连接到单个接口设备的机器人时，重新映射端口号。

表2

尽管以上示例描述了从PLC到单个机器人或多个机器人的业务传输，但是相同的解决方案同样适用于业务从单个机器人到单个PLC以及从连接到一个接口设备的多个机器人到连接到单个接口设备的多个PLC的场景。而且，代替机器人，可以在图5和图6所示的场景中实现另一个受控设备，例如，机器人单元中的传感器或任何其他设备。

图7示出了本地网络中原生以太网业务的处理以及具体地原生以太网业务的封装，以用于通过4G或5G网络进行传输。图7所示的示例网络与图6所示的网络相同，但为清楚起见，已去除IP寻址的一些细节。

源接口设备502像以太网侧的网桥(或交换机)一样操作，这意味着无论目的地MAC地址如何，它都接受所有输入业务。以这种方式，可以将帧中的目的地MAC地址直接设置为另一侧的机器人之一。为简便起见，我们在此仅考虑以第二机器人510为目的地的原生以太网业务。第二机器人510使用具有MAC地址MAC_2的网络接口。通过将包括MAC_2地址的以太网帧702发送给源接口设备504，PLC 502将原生以太网业务传输到第二机器人510。

源接口设备502通过将包含目的地接口设备506的无线网络接口的IP地址的IP报头与被分配给解封装功能的端口号(例如，10.10.10.2/6001)一起附加，来执行以太网帧的封装。这形成IP分组704，该IP分组通过4G或5G网络传输到目的地接口设备506。

为了清楚和简便起见，图7中以简化形式示出了以太网帧和封装的以太网帧。示出封装概念的其他方式也是可能的，但是它们不改变本公开的教导。

以上描述了一种简单的情况，其中一侧只存在一个PLC，而另一侧只存在一个机器人。在存在一个PLC和多个机器人的场景中，封装过程可以使用单个IP地址和被分配给解封装功能的单个端口号，因为在解封装之后IP报头被去除，然后以太网帧将基于图7所示的实施例中的MAC地址MAC_1、MAC_2和MAC_3转发给相应的机器人。在一侧具有若干个PLC的场景中，可以存在用于相应若干解封装功能的若干端口号。备选地，不同的解封装功能可以通过被分配给封装/解封装功能的封装ID来标识，就像例如在VxLAN封装中一样。标准化文档RFC7348-“Virtual eXtensible Local Area Network(VXLAN)：AFramework for OverlayingVirtualized Layer 2Networks over Layer 3Networks”中详细描述了VxLAN。在又一备选实施例中，即使在4G/5G无线网络的一侧具有若干PLC且另一侧具有若干机器人的场景中，也可以使用单个解封装功能(以及被分配给该解封装功能的单个端口号)，因为一旦IP报头由解封装功能被去除，然后揭露的MAC地址用于将以太网帧转发给其目的地机器人。

在一个实施例中，封装操作包括向IP报头添加104-2与封装操作相关联的标识符(ID)。在VxLAN封装的情况下，封装ID称为VxLAN网络标识符或VNI，并且它位于VxLAN报头(即在封装期间添加的报头)中。这在图7的元素704中以非常简化的形式示出。在备选实施例中，可以使用其他封装方法，例如使用如OpenVPN或IPsec的VPN的方法。在这些方法中，数据使用适当的报头被封装到IP分组(TCP、UDP)中。与VxLAN相比，主要差异在于基于VPN的封装中使用的加密，这与VxLAN相比增加了其复杂性。

源接口设备从PLC接收的业务包括IP业务和以太网的混合。在优选的实施例中，以太网是工业以太网，例如Profinet、EtherCAT等。在优选的实施例中，分割102的操作包括将具有IP报头的分组转发给第二路径，并将剩余的分组转发给第一路径。以这种方式，将用于IP重新映射的业务与用于IP封装的业务分离。

在优选的实施例中，调度108的操作将实时控制业务优先于配置和管理业务。通常，在分割之后第一路径上存在的原生以太网业务具有最高优先级，而分割之后第二路径上存在的TCP/UDP通常用于管理和监视目的，因此优先级较低。为此，可以采用若干种类型的调度机制。在一个实施例中，加权轮循(WRR)可以用于调度。然而，在备选实施例中，可以使用不同的调度技术，例如加权公平排队(WFQ)、严格优先级、基于优先级的赤字加权轮循等。

当4G/5G无线模块306是上行链路带宽低于将机器人和PLC连接到其各自的接口设备504和506的本地网络(例如，第4类LTE加密狗与LAN的100Mbps相比具有50Mbps的上行链路速率)的类别时，调度功能对减少抖动是有用的。还重要的是要注意，封装机制可以影响接口设备504、506的最大吞吐量，并且需要调度来处理具有低抖动的时间关键服务。

因为调度优先处理优先级较高的业务，而不是优先级较低的业务，所以该解决方案包括将业务排队等待传输的队列。

参考图2，现在将描述通过3GPP无线网络520在受控设备508、510、512和控制器502之间进行通信的方法的一个实施例。该方法在目的地接口设备506处执行，并且包括将输入业务分割202到承载封装在IP互联网协议分组中的原生以太网业务的第三路径和承载IP业务的第四路径中。目的地接口设备506通过3GPP无线网络520接收业务，如前所述，在优选实施例中，该3GPP无线网络可以是4G或5G网络。使用目的地接口设备506的3GPP无线网络接口的IP地址对业务的分组进行寻址。在图5、图6和图7所示的示例中，该IP地址为10.10.1.0.2。还使用端口号对接收到的分组进行进一步寻址，该端口号允许区分针对连接到目的地接口设备506的不同机器人508-512的业务以及包含封装的以太网帧的业务。承载封装的以太网帧的接收到的业务部分使用被分配给解封装功能的端口号。此外，对于一些类型的封装，承载封装的以太网帧的业务报头包括封装ID(例如，在VxLAN封装的情况下为VNI)。如果使用VxLAN封装，则封装的原生以太网业务由VxLAN标识符(VNI)以及VxLAN的IP地址和端口定义。在这种情况下，业务分割器的行为像路由器。具有与VxLAN相关联的IP地址和端口的分组被路由朝向解封装功能，而其余IP业务则被发送给TCP/UDP排队系统。可选地，在建立多于一个的VxLAN的情况下，业务分割器还可以检查VxLAN标识符，该情况通常对应于PLC侧发生。因此，在一个实施例中，分割操作可以将具有被分配给解封装功能的端口号的分组转发给第三路径(并且到解封装功能)，或者，在备选实施例中，分割操作可以将包含封装ID(例如VNI)的IP分组转发给第三路径。业务的剩余部分将被转发给第四路径。

一旦业务被分割，则第三路径上的部分被解封装204，并且在去除IP报头之后产生原始的原生以太网帧。在使用基于VxLAN或VPN的封装的实施例中，还必须去除对应的报头，并且在VPN的情况下，还应解密数据。在第四路径上，执行接收到的分组的IP地址与至少一个受控设备或控制器的IP地址的重新映射206。在图5至图7所示的场景中，业务从PLC控制器502流向机器人508-512，但是如果业务从机器人508-512流向PLC控制器502，则解决方案仍以相同的方式工作。

在将业务从目的地接口设备506传输210到机器人508或多个机器人508-512之前，该业务经受调度208。在优选的实施例中，调度208的操作将实时控制业务优先于配置和管理业务。

在先前呈现的表1(RX侧)中说明了在图5所示的场景(单个机器人508，连接到目的地接口设备506)中的重新映射操作。接收原生IP分组(即不承载封装的以太网帧的IP分组)，其中目的地接口设备506的无线网络接口的IP地址为10.10.10.2并且端口号为10000。IP地址10.10.10.2被重新映射到机器人508的本地IP地址120.100.1.10。端口号保持不变，因为只存在一个连接到目的地接口设备的机器人，并且不需要区分从源接口设备发送给目的地接口设备的业务。

在图6所示的场景中，重新映射的操作类似于以上参考图5和表1讨论的操作。差异在先前呈现的表2(RX侧)中进行了说明。从3GPP无线网络到达目的地接口设备506的分组使用目的地接口设备506的无线网络接口的IP地址10.10.10.2进行寻址，并进一步通过被分配给连接到目的地接口设备506的机器人508-512的不同端口号(即，10.10.10.2/5000、10.10.10.2/5001和10.10.10.2/5002)进行区分。在该场景中，无线接口上使用的IP地址和端口号将被重新映射到LAN中机器人508-512使用的IP地址和端口号，即120.100.1.10/1000、120.100.1.11/1000和120.100.1.12/1000。被定向到图6所示的这三个机器人的业务由交换机6转发给其接收者。交换机602在图6和图7中被示为单独的组件，并且其功能是将所有以太网端口连接在一起并将业务转发给预期的目的地。在备选实施例中，接口设备506可具有针对每个机器人的端口，并且然后切换功能将在调度器之后位于接口设备506内部。

参考图3，现在将描述用于通过3GPP无线网络在受控设备和控制器之间进行通信的接口设备300的实施例。在该实施例中，接口设备300适于作为源接口设备(例如，图5至图7中的设备504)操作。在优选的实施例中，接口设备300包括处理电路302和存储器304。存储器304包含可由处理电路302执行的指令，使得接口设备300可操作以将输入业务分割到承载原生以太网业务的第一路径和承载IP互联网协议业务的第二路径中。接口设备300还可操作以将IP业务的分组的IP地址与3GPP无线网络的远端处的目的地接口设备的IP地址重新映射，并且使用3GPP无线网络的远端处的目的地接口设备的IP地址将原生以太网业务封装到IP业务中。此外，接口设备300可操作以调度来自第一路径和第二路径的IP业务，以用于经由3GPP无线网络传输到目的地接口设备。

处理电路302可以是单个现成的处理器或多个现成的处理器，并且它也可以是专用的专用集成电路(ASIC)，或包括数字或模拟硬件组件或专用处理器的任何其他类型的处理电路。类似地，存储器304可以是以已知技术中的一种生产的一个或多个存储器模块。

当作为源接口设备操作时，接口设备300可操作以执行图1所示和以上描述的方法的各种实施例。

在又一个实施例中，现在将描述用于通过3GPP无线网络在受控设备和控制器之间进行通信的接口设备300。该接口设备的一个实施例在图3中示出。在该实施例中，接口设备300适于作为图5至7所示的目的地接口设备506操作。接口设备300包括处理电路302和存储器304。如上所述，处理电路和存储器可以以各种技术被实现为单个模块或多个模块。存储器304包含可由处理电路302执行的指令，使得接口设备300可操作以将输入业务分割到承载封装在IP互联网协议中的原生以太网业务的第三路径和承载IP业务的第四路径中。接口设备300还操作以将第四路径上的IP业务的分组的IP地址与至少一个受控设备或控制器的IP地址重新映射，并且从第三路径上的IP业务解封装原生以太网业务。此外，接口设备300可操作以调度来自第三路径和第四路径的业务，以用于传输到与接口设备连接的至少一个受控设备或控制器。

当作为源接口设备操作时，接口设备300可操作以执行图2所示和以上描述的方法的各种实施例。

尽管在优选实施例中，接口设备300在上面已经分别地被描述为适于作为源接口设备和目的地接口设备操作，但是接口设备适于执行两种功能，即源接口设备和目的地接口设备。在实际部署中，业务在PLC和机器人之间在两个方向上交换，因此连接到PLC的接口设备接收从PLC到机器人的业务，并且也接收从机器人到PLC的业务。组合源和目的地的功能的接口设备300的一个实施例在图4中示出。图4中示出的功能模块对应于在较早描述的它们的各种实施例中的方法的操作。在一个实施例中，这些功能模块可以由处理电路302中的软件来实现，或者，备选地，它们可以以专用硬件来实现(例如，当处理电路被实现为ASIC设备时)。

该解决方案的优点之一是，即使PLC和机器人用于部分或全部基于以太网(例如Profinet、EtherCAT、以太网IP)的通信工业协议，接口设备和方法也允许在工业场景中最佳使用4G或5G连接。换句话说，本解决方案允许引入4G和/或5G连接，而无需在传统PLC和机器人上的改变。通过移动无线网络的通信将自动建立和拆除，并基于其特性优化工业业务传输。在终端侧，接口设备306还包括4G/5G无线电电路306-2和相关软件。这在图3a中示出。

接口设备300允许使用专用发送和接收模块306-1通过4G/5G网络发送和接收工业以太网业务。在一个实施例中，如上所述，模块306-1的Tx部分从PLC(或机器人)接收工业以太网业务，分割业务以将TCP/UDP业务和原生以太网业务分离，并经由4G或5G无线网络将它们发送给机器人设备(或PLC)，从而将以太网业务封装在IP中并重新映射原生IP业务。

在操作中，接口设备可以在建立通信的过程中充当服务器或客户端。这在图8中示出。在典型的实施例中，附接到PLC的接口设备300充当服务器1504，而连接到机器人、传感器、机器人单元中的设备等的其他接口设备充当客户端1506。当新的接口设备想要连接到网络时，首先，它尝试连接到无线网络(802)。如果这成功，则它尝试到达特定地址处的服务器1504。后者可以被预先设置，或可以通过连接到DNS服务来获取。客户端1506向服务器1504发送连接请求(804)，该连接请求至少包括其在无线网络中的IP地址作为信息。然后，服务器1504可以对客户端1506进行认证，并设置本地配置以用于创建封装的路径(806)。然后，它将包括用于标识封装的业务流的信息(例如，VxLAN标识参数)的操作结果发送回客户端1506(808)。此后，接口设备及其连接的PLC和机器人通过4G或5G无线网络彼此通信(810)。

客户端接口设备1506的断开连接遵循图8所示的过程。客户端接口设备1506发送断开连接请求(812)，响应于该请求，服务器接口设备1504拆除(814)朝向客户端接口设备的本地连接1506，然后发送断开连接确认(816)。在客户端侧，客户端接口设备1506拆除(818)朝向服务器接口设备1504的本地连接，然后从无线网络断开连接(820)。

在一个实施例中，可以使用在无线电路径上实现1∶1保护方案的第二无线电设备来保护接口设备的无线部分。在第一无线电电路306-2或第一无线电电路306-2所连接的无线网络的故障的情况下，保护过程可以将业务切换到第二无线电电路306-3，该第二无线电电路306-3可以连接到与第一无线电电路306-2相同的4G或5G无线网络，或者可以连接到不同的无线网络。

这里描述的保护方案的一个实际方面是指被分配给第二无线电电路306-2和306-3的IP地址。第二无线电电路306-3由与第一无线电电路306-2不同的IP地址标识。当发生切换时，创建新的封装，从而改变表中的IP地址。在VxLAN封装的情况下，将使用新的VxLAN网络标识符(VNI)。

在上述各种实施例中的方法和接口设备使受控设备与其控制器之间的通信能够受益于3GPP无线网络(尤其是第4代和第5代)的大量特征。尽管本文描述和附图所示的解决方案主要基于从PLC到机器人(或多个机器人)的业务方向，但相同的解决方案也适用于沿相反方向(即从机器人(或多个机器人)到PLC或(多个PLC))传播的业务。

尽管本文档通过使用PLC控制器和机器人的示例公开了本发明的实施例，但是权利要求中限定的该解决方案可以同等地应用于其他类型的控制器和受控设备，例如应用于医疗程序的外科手术设备和用于控制外科手术设备的控制器。以上描述的本发明实施例的其他应用包括化学和其他工业过程的控制。

Claims (37)

1.一种通过3GPP无线网络在受控设备和控制器之间进行通信的方法，所述方法在源接口设备处执行，所述方法包括：

将输入业务分割到承载原生以太网业务的第一路径和承载IP互联网协议业务的第二路径中；

将所述IP业务的分组的IP地址与所述3GPP无线网络的远端处的目的地接口设备的IP地址重新映射；

使用所述3GPP无线网络的远端处的所述目的地接口设备的IP地址将所述原生以太网业务封装到IP业务中；

调度来自所述第一路径和所述第二路径的IP业务以用于经由所述3GPP无线网络传输到所述目的地接口设备。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，如果所述3GPP无线网络的远端处的所述目的地接口设备连接到多个受控设备，则重新映射和封装的操作包括将端口号添加到所述3GPP无线网络的远端处的所述目的地接口设备的IP地址，所述端口号用于将所述业务路由到相应受控设备。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述输入业务包括工业以太网业务。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，分割的操作包括：将具有IP报头的分组转发给所述第二路径，并且将剩余的分组转发给所述第一路径。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，调度的操作将实时控制业务优先于配置和管理业务。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，封装的操作包括：将被分配给解封装操作的预定义端口号添加到所述目的地接口设备的IP地址。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，封装的操作包括：将与封装操作相关联的标识符添加到IP报头。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，包括：将所调度的业务从第一无线电电路保护切换到第二无线电电路。

9.一种通过3GPP无线网络在受控设备和控制器之间进行通信的方法，所述方法在目的地接口设备处执行，所述方法包括：

将输入业务分割到承载封装在IP互联网协议分组中的原生以太网业务的第三路径和承载IP业务的第四路径中；

将所述第四路径上的所述IP业务的分组的IP地址与至少一个受控设备或控制器的IP地址重新映射；

从所述第三路径上的所述IP业务解封装所述原生以太网业务；

调度来自所述第三路径和所述第四路径的业务以用于传输到与所述目的地接口设备连接的所述至少一个受控设备或控制器。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，分割的操作包括：将由被分配给解封装操作的预定义端口号标识的IP分组转发给所述第三路径，并且将剩余的IP分组转发给所述第四路径。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，分割的操作包括：将由与封装操作相关联的标识符所标识的IP分组转发给所述第三路径，并且将剩余的IP分组转发给所述第四路径。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中，用于传输到与所述目的地接口设备连接的所述至少一个受控设备或控制器的业务包括工业以太网业务。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其中，调度的操作将实时控制业务优先于配置和管理业务。

14.一种用于通过3GPP无线网络在受控设备和控制器之间进行通信的接口设备，所述接口设备适于：

将输入业务分割到承载原生以太网业务的第一路径和承载IP互联网协议业务的第二路径中；

将所述IP业务的分组的IP地址与所述3GPP无线网络的远端处的目的地接口设备的IP地址重新映射；

使用所述3GPP无线网络的远端处的目的地接口设备的IP地址将所述原生以太网业务封装到IP业务中；

调度来自所述第一路径和所述第二路径的IP业务以用于经由所述3GPP无线网络传输到所述目的地接口设备。

15.根据权利要求14所述的接口设备，其中，如果所述3GPP无线网络的远端处的目的地接口设备连接到多个受控设备，则所述接口设备适于在重新映射和封装的操作中将端口号添加到所述目的地接口设备的IP地址，所述端口号用于将所述业务路由到相应受控设备。

16.根据权利要求14或15所述的接口设备，适于在分割的操作中将具有IP报头的分组转发给所述第二路径，并且将剩余的分组转发给所述第一路径。

17.根据权利要求14至16中任一项所述的接口设备，适于在调度的操作中将实时控制业务优先于配置和管理业务。

18.根据权利要求14至17中任一项所述的接口设备，适于在封装的操作中将被分配给解封装操作的预定义端口号添加到所述目的地接口设备的IP地址。

19.根据权利要求14至18中任一项所述的接口设备，适于在封装的操作中将与封装操作相关联的标识符添加到IP报头。

20.根据权利要求14至19中任一项所述的接口设备，适于执行所调度的业务从第一无线电电路到第二无线电电路的保护切换。

21.一种用于通过3GPP无线网络在受控设备和控制器之间进行通信的接口设备，所述接口设备适于：

将输入业务分割到承载封装在IP互联网协议分组中的原生以太网业务的第三路径和承载IP业务的第四路径中；

将所述第四路径上的IP业务的分组的IP地址与至少一个受控设备或控制器的IP地址重新映射；

从所述第三路径上的所述IP业务解封装所述原生以太网业务；

调度来自所述第三路径和所述第四路径的业务以用于传输到与所述接口设备连接的所述至少一个受控设备或控制器。

22.根据权利要求21所述的接口设备，适于通过以下方式来分割所述输入业务：将由被分配给解封装操作的预定义端口号标识的IP分组转发给所述第三路径，并且将剩余的IP分组转发给所述第四路径。

23.根据权利要求21所述的接口设备，适于通过以下方式来分割所述输入业务：将由与封装操作相关联的标识符所标识的IP分组转发给所述第三路径，并将剩余的IP分组转发给所述第四路径。

24.根据权利要求19至21中任一项所述的接口设备，其中，用于传输到与所述接口设备连接的所述至少一个受控设备或控制器的业务包括工业以太网业务。

25.根据权利要求21至24中任一项所述的接口设备，适于通过将实时控制业务优先于配置和管理业务来调度来自所述第三路径和所述第四路径的业务。

26.一种用于通过3GPP无线网络在受控设备和控制器之间进行通信的接口设备，所述接口设备包括处理电路和存储器，所述存储器包含指令，所述指令能够由所述处理电路执行，使得所述接口设备能够操作以：

将输入业务分割到承载原生以太网业务的第一路径和承载IP互联网协议业务的第二路径中；

将所述IP业务的分组的IP地址与所述3GPP无线网络的远端处的目的地接口设备的IP地址重新映射；

使用所述3GPP无线网络的远端处的目的地接口设备的IP地址将所述原生以太网业务封装到IP业务中；

调度来自所述第一路径和所述第二路径的IP业务以用于经由所述3GPP无线网络传输到所述目的地接口设备。

27.根据权利要求26所述的接口设备，其中，如果所述3GPP无线网络的远端处的目的地接口设备连接到多个受控设备，则所述接口设备能够操作以在重新映射和封装的操作中将端口号添加到所述目的地接口设备的IP地址，所述端口号用于将所述业务路由到相应受控设备。

28.根据权利要求26或27所述的接口设备，能够操作以在分割的操作中将具有IP报头的分组转发给所述第二路径，并且将剩余的分组转发给所述第一路径。

29.根据权利要求26至28中任一项所述的接口设备，能够操作以在调度的操作中将实时控制业务优先于配置和管理业务。

30.根据权利要求26至29中任一项所述的接口设备，能够操作以在封装的操作中将被分配给解封装操作的预定义端口号添加到所述目的地接口设备的IP地址。

31.根据权利要求26至30中任一项所述的接口设备，能够操作以在封装的操作中将与封装操作相关联的标识符添加到IP报头。

32.根据权利要求26至31中任一项所述的接口设备，能够操作以执行所调度的业务从第一无线电电路到第二无线电电路的保护切换。

33.一种用于通过3GPP无线网络在受控设备和控制器之间进行通信的接口设备，所述接口设备包括处理电路和存储器，所述存储器包含指令，所述指令能够由所述处理电路执行，使得所述接口设备能够操作以：

将输入业务分割到承载封装在IP互联网协议分组中的原生以太网业务的第三路径和承载IP业务的第四路径中；

将所述第四路径上的所述IP业务的分组的IP地址与至少一个受控设备或控制器的IP地址重新映射；

从所述第三路径上的所述IP业务解封装所述原生以太网业务；

调度来自所述第三路径和所述第四路径的业务以用于传输到与所述接口设备连接的所述至少一个受控设备或控制器。

34.根据权利要求33所述的接口设备，能够操作以通过以下方式来分割所述输入业务：将由被分配给解封装操作的预定义端口号标识的IP分组转发给所述第三路径，并且将剩余的IP分组转发给所述第四路径。

35.根据权利要求33所述的接口设备，能够操作以通过以下方式来分割所述输入业务：将由与封装操作相关联的标识符所标识的IP分组转发给所述第三路径，并将剩余的IP分组转发给所述第四路径。

36.根据权利要求33至35中任一项所述的接口设备，其中，用于传输到与所述接口设备连接的所述至少一个受控设备或控制器的业务包括工业以太网业务。

37.根据权利要求33至36中任一项所述的接口设备，能够操作以通过将实时控制业务优先于配置和管理业务来调度来自所述第三路径和所述第四路径的业务。

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