CN113219909A - 基于工业级确定性网络的数据传送方法以及融合控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于工业级确定性网络的数据传送方法以及融合控制系统。采用的技术方案包括：以环形拓扑结构方式设置的第一网络交换机、第二网络交换机、第三网络交换机、第四网络交换机，其中一端为数据发送端、另一端为数据接收端，其特征在于，数据传送方法如下：数据a在所述数据发送端被复制并修改流标志，生成两个复制后的数据帧1.1和数据帧1.2，并沿着两个不同的链路进行传输，使两条数据流变成源数据帧的子流，携带两个不同的流标志，且设有不同的VLAN ID，两条数据流经过不同的路径传输到达数据接收端接收时，所述数据接收端的序列号消除功能识别到达的复制的数据帧，经过序列号识别后消除重复数据，接收到数据a。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于工业级确定性网络的数据传送方法以及融合控制系统。
背景技术
传统的工业互联网技术的发展主要是基于工业应用场景对以太网技术进行优化，在工业化网络应用，数据采集延迟作为重要的指标尤为重要。现在的工业网络中虽然存在QoS，但标准以太网只能保证延迟到某一点，在网络利用率很高的情况时，网络数据延迟非常严重。主要是由于多端口交换机中常用的存储转发策略和带宽预留能力不足引起的。
为了解决工业数据传输的延时性，工业网络衍生了各种各样的总线协议如profinet、EtherCAT和CC-LINK等，总线的复杂性不仅造成OT端设备互联性问题，IT信息采集与指令下行需要协议转换模块，主要是由于总线有着不同的物理接口、传输机制、对象字典，即使采用了以太网来标准各个总线，仍然导致互操作层的问题，对于IT应用，无法实现基本的应用数据标准，这需要每个厂商根据底层设备不同写各种接口、应用层配置工具，带来了极大的复杂性，总线协议的多样化使得依靠规模效应来运营的IT缺乏经济性。
工业网络中的IT与OT数据差异对网络差异性提出需求，针对不同网络采用不同的数据传输机制，在工业网络的OT层，控制任务是周期性的，采用的是周期性网络，多数采用轮询机制，由主站对从站分配时间片的模式；IT层则是广泛使用的标准IEEE802.3网络，采用CSMA/CD，即冲突监测，防止碰撞的机制。同时对于微秒级的运动控制系统，数据传输网络必须要非常低的延时与抖动，而对于IT网络则对实时性没有特别的要求，对数据负载有大带宽的需求。因此不同数据的差异性也导致了工业互联网的IT和OT层网络的融合问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于工业级确定性网络的数据传送方法以及融合控制系统。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案包括：包括以环形拓扑结构方式设置的第一网络交换机、第二网络交换机、第三网络交换机、第四网络交换机，其中一端为数据发送端、另一端为数据接收端，其特征在于，数据传送方法如下：
数据1在所述数据发送端被复制并修改流标志，生成两个复制后的数据帧1.1和数据帧1.2，并沿着两个不同的链路进行传输，使两条数据流变成源数据帧的子流，携带两个不同的流标志，且设有不同的VLAN ID，两条数据流经过不同的路径传输到达数据接收端接收时，所述数据接收端的序列号消除功能识别到达的复制的数据帧，经过序列号识别后消除重复数据，接收到数据1。
所述的基于工业级确定性网络的数据传送方法，其特征在于：所述数据帧1.1、数据帧1.2的数据帧头包括前导码、MAC目标地址、MAC源地址、VLAN标签、帧类型字段、有效数据字段、循环冗余校验码，其中，所述VLAN标签中的优先级字段将数据帧分配为0~7的不同优先级，其中7为级别最高的数据帧。
所述的基于工业级确定性网络的数据传送方法，其特征在于：所述数据发送端、数据接收端提取出端口处的数据帧头，对数据进行VLAN标签以及MAC目标地址、MAC源地址的过滤，丢弃无效的数据帧，并根据数据帧的优先级代码分配到不同的端口传输队列中，根据端口的门控列表序列对数据进行传输控制。
所述的基于工业级确定性网络的数据传送方法，其特征在于：在数据冗余传输方法中，网络上的设备主要包含端点设备和数据交换设备，其中端点设备发送端负责复制并修改流标志；端点设备接收端负责识别并消除重复帧,数据交换设备接收数据时重新加入序列号，发送时修改为多播MAC地址和VLAN传输，在靠近接受端时将同一数据序列号剥离。
所述的基于工业级确定性网络的数据传送方法，其特征在于：数据以冗余备份方式传输，传输的数据帧的格式由前导码、MAC目标地址、MAC源地址、VLAN标签、冗余标签、保留位、序列号、帧类型字段、有效数据字段、循环冗余校验码组成。
所述的基于工业级确定性网络的数据传送方法，其特征在于：所述冗余标签包括网络类型、保留位、序列号三部分，所述网络类型主要指示该数据为冗余数据，所述保留位在实际使用中以0进行发送，主要用于数据帧的冗余拓展功能，所述序列号主要用于识别数据帧的冗余编号，对安全数据进行编解码。
一种融合控制系统，其特征在于，包括：第一网络交换机、第二网络交换机、第三网络交换机、第四网络交换机、OPC服务器、柔性化智造系统、分布式I/O模块、机器视觉系统、仓储机器人、装配机器人和自动化产线的控制I/O，所述第一网络交换机、第二网络交换机、第三网络交换机、第四网络交换机环形拓扑结构方式设置，所述OPC服务器、柔性化智造系统分别位于与上层的第四网络交换机连接，所述HMI显示器、分布式I/O模块、机器视觉系统、仓储机器人、装配机器人和自动化产线的控制I/O分别与位于中层或低层的第一网络交换机、第二网络交换机、第三网络交换机连接，并且所述第一网络交换机、第二网络交换机、第三网络交换机、第四网络交换机采用上述任一项所述的数据传送方法进行传送。
所述的融合控制系统，其特征在于：所述第一网络交换机、第二网络交换机、第三网络交换机、第四网络交换机采用时间敏感络网络交换机，且于中间层的时间敏感络网络交换机中有视频数据和控制指令数据。
所述的融合控制系统，其特征在于：应用层采用OPC UA协议，OT层和采用标准的TSN协议。
所述的融合控制系统，其特征在于：采用时间敏感数据和非时间敏感数据的共网传输，对于时间敏感数据，系统则按照用户自定义数据实时性传输需求传输数据，对于非时间敏感数据在网络中则是按照QoS机制进行传输。
本发明的数据传送方法以及融合控制系统优点如下：
1、环形组网保证了网络的健壮性，使得任意一路的断开，网络能够正常的数据传输；数据发送端和数据接收端主要是指控制系统中的端设备和柔性化智造系统，在源端系统和网络中的中继系统中，设备数据发送端的端口通过对需要发送的包进行顺序编号和复制，在第二网络交换机和第三网络交换机的端口处，数据经过第一次帧消除，由于第一网络交换机和第四网络交换机连接着数据接收端口，来自第三网络交换机和第四网络交换机将数据直接转发，在数据接收端口处根据数据包的编号，对相同的数据包进行覆盖消除，断开交换机之间的任何一路均可以保证数据的转发，为流提供了更高的可靠性(降低了包丢失率)。
2、在网络中的底层设备的数据传输中，针对不同的协议格式，在数据链路层中将统一为上层的数据帧格式，相比传统的以太网数据帧，增加了802.1Q标签中的字段使用，可以与传统的以太网数据进行共网传输；
3、在工业网络数据交换中，通过将数据进行冗余备份传输，利用冗余机制解决环路网络拓扑中，可能由CRC、线路开路、连接器断开等导致的信息错误或丢失，针对工业场景的高可靠性和高安全等级的要求中，采用该数据传输方法可以有效的提高网络数据传输的稳定性。
下面结合说明书附图对本发明做进一步说明。
附图说明
图1是本发明的端点设备的结构示意图；
图2是本发明的交换设备的结构示意图
图3是本发明数据帧头的结构示意图；
图4是本发明采用备份数据传输的方式时数据帧头的结构示意图；
图5是本发明融合控制系统的结构示意图。
具体实施方式
实施例1：
参照图1-4所示，本发明的一种基于工业级确定性网络的数据传送方法，至少包括以环形拓扑结构方式设置的第一网络交换机1、第二网络交换机2、第三网络交换机3、第四网络交换机4，网络其中一端为数据发送端5、另一端为数据接收端6，其数据传送方法如下：
在端点设备中，数据1在数据发送端被复制并修改流标志，生成两个复制后的数据帧1.1和数据帧1.2沿着两个不同的链路进行传输，两条流变成了源数据帧的子流，携带两个不同的流标志，两条流的VLAN ID也是不同的，经过不同的路径传输到达数据接收端时，数据接收端的序列号消除功能识别到达的复制的数据帧，经过序列号识别后消除重复数据，接收到数据1。
在交换设备中，相比较端点设备的数据处理方式，交换设备的处理方式相对简单，将接收的数据进行重新加入序列号，在发送数据时，修改为多播MAC地址和VLAN进行发送，在靠近数据接收端的Switch时，将会把同一数据的序列号进行剥离，恢复源数据的MAC地址和VLAN。
通过创造性的提出端点设备和交换设备上的数据的传输方式，降低了单个设备上的数据的传输处理时间，提高数据传输的实时性；同时通过分离设备的处理功能，提高数据的处理准确性。
优选的，所述数据帧1.1、数据帧1.2的数据帧头包括前导码7、MAC目标地址8、MAC源地址9、VLAN标签10、帧类型字段11、有效数据字段12、循环冗余校验码13，其中，所述VLAN标签10中的优先级字段将数据帧分配为0~7的不同优先级，其中7为级别最高的数据帧。所述数据发送端5、数据接收端6提取出端口处的数据帧头，对数据进行VLAN标签10以及MAC目标地址8、MAC源地址9的过滤，丢弃无效的数据帧，并根据数据帧的优先级代码分配到不同的端口传输队列中，根据端口的门控列表序列对数据进行传输控制。所述VLAN标签10包括TPID14，所述TPID14由0x8100值15、优先级代码16、丢弃标志位17、VLAN识别号18组成。
优选的，在工业网络数据交换中，将数据进行冗余备份传输，传输的数据帧的格式由前导码7、MAC目标地址8、MAC源地址9、VLAN标签10、冗余标签19、保留位20、序列号21、帧类型字段11、有效数据字段12、循环冗余校验码13组成。该数据帧是对传统的以太网数据帧的补充应用，兼容传统的以太网应用。利用冗余机制解决环路网络拓扑中，可能由CRC、线路开路、连接器断开等导致的信息错误或丢失。针对工业场景的高可靠性和高安全等级的要求中，采用该数据传输方法可以有效的提高网络数据传输的稳定性。数据在发送时，其会为特定数据打上标签和序列码，并且在不同网络上复制传输。在链路汇聚点处，复制信息会被识别并消除，以防止接收节点的上层应用接收到多个重复数据。其应用大致分为两种形式：终端节点上实现数据复制和消除或 Switch节点上实现数据复制和消除。后者相比于前者，实现起来难度较低，设计变更和复杂程度也会相对较小。
优选的，网络上的设备主要包含端点设备和数据交换设备，其中端点设备发送端负责复制并修改流标志；端点设备接收端负责识别并消除重复帧，数据交换设备接收数据时重新加入序列号，发送时修改为多播MAC地址和VLAN传输，在靠近接受端时将同一数据序列号剥离。通过区别设备功能提高数据传输处理的准确性，降低数据在设备上的处理时间，提高设备的传输实时性。数据以冗余备份方式传输，传输的数据帧的格式由前导码7、MAC目标地址8、MAC源地址9、VLAN标签10、冗余标签19、保留位20、序列号21、帧类型字段11、有效数据字段12、循环冗余校验码13组成。所述冗余标签19字节为0XF1C1值，并将序列号21子参数编码到包中,冗余标签主要包括网络类型（EtherType）、保留位（Reserved）、序列号（SequenceNumber）三部分，所述网络类型主要为指示该数据为冗余数据，所述保留位在实际使用中以0进行发送，主要用于数据帧的冗余拓展功能，所述序列号主要用于识别数据帧的冗余编号，对安全数据进行编解码,实现数据的可靠性传输。
实施例2：
参照图5所示，本发明的本发明的一种融合控制系统，包括：第一网络交换机1、第二网络交换机2、第三网络交换机3、第四网络交换机4、OPC服务器25、柔性化智造系统26、分布式I/O模块28、机器视觉系统29、仓储机器人30、装配机器人31和自动化产线的控制I/O32，所述第一网络交换机1、第二网络交换机2、第三网络交换机3、第四网络交换机4环形拓扑结构方式设置。所述OPC服务器25、柔性化智造系统26分别位于通过时间敏感转换模块34与上层的第四网络交换机4连接。所述HMI显示器27、分布式I/O模块28、机器视觉系统29、仓储机器人30、装配机器人31和自动化产线的控制I/O32通过时间敏感转换模块34分别与位于中层或低层的第一网络交换机1、第二网络交换机2、第三网络交换机3连接，其中，装配机器人31和自动化产线的控制I/O32经过PLC控制器与第二网络交换机2连接。并且所述第一网络交换机1、第二网络交换机2、第三网络交换机3、第四网络交换机4采用实施例1所述的数据传送方法进行传送。
优选的，所述第一网络交换机1、第二网络交换机2、第三网络交换机3、第四网络交换机4采用时间敏感络网络交换机，位于中层的第二网络交换机2上接有系统调试接口33。位于中层的第四网络交换机4上接有HMI显示器27。
优选的，位于中间层的时间敏感交换机中有视频数据和控制指令数据，融合了工业控制系统中的不同工业协议数据共网传输，保证了大带宽数据与实时性控制数据共网传输，同时保证实时性数据低延时传输需求。融合控制系统的IT层与OT层数据融合传输，实现网络拓扑的任意组网形式，保证网络健壮性。应用层采用OPC UA协议，OT层采用标准的TSN协议，打破了不同厂商的设备协议不同造成的数据转换困难。融合系统接入的均是不同协议类型的设备，可以实现不同协议设备的即插即用，避免协议之间的重复解析。
优选的，时间敏感数据和非时间敏感数据的共网传输，对于时间敏感数据，系统则按照用户自定义数据实时性传输需求传输数据，精度可以达到10ns，对于非时间敏感数据在网络中则是按照QoS机制进行传输，提高了网络传输的带宽利用率。
上所述，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。
Claims (10)
1.一种基于工业级确定性网络的数据传送方法，至少包括以环形拓扑结构方式设置的第一网络交换机（1）、第二网络交换机（2）、第三网络交换机（3）、第四网络交换机（4），其中一端为数据发送端（5）、另一端为数据接收端（6），其特征在于，数据传送方法如下：
数据1在所述数据发送端（5）被复制并修改流标志，生成两个复制后的数据帧1.1和数据帧1.2，并沿着两个不同的链路进行传输，使两条数据流变成源数据帧的子流，携带两个不同的流标志，且设有不同的VLAN ID，两条数据流经过不同的路径传输到达数据接收端（6）接收时，所述数据接收端（6）的序列号消除功能识别到达的复制的数据帧，经过序列号识别后消除重复数据，接收到数据1。
2.根据权利要求1所述的基于工业级确定性网络的数据传送方法，其特征在于：所述数据帧1.1、数据帧1.2的数据帧头包括前导码（7）、MAC目标地址（8）、MAC源地址（9）、VLAN标签（10）、帧类型字段（11）、有效数据字段（12）、循环冗余校验码（13），其中，所述VLAN标签（10）中的优先级字段将数据帧分配为0~7的不同优先级，其中7为级别最高的数据帧。
3.根据权利要求1所述的基于工业级确定性网络的数据传送方法，其特征在于：所述数据发送端（5）、数据接收端（6）提取出端口处的数据帧头，对数据进行VLAN标签（10）以及MAC目标地址（8）、MAC源地址（9）的过滤，丢弃无效的数据帧，并根据数据帧的优先级代码分配到不同的端口传输队列中，根据端口的门控列表序列对数据进行传输控制。
4.根据权利要求1所述的基于工业级确定性网络的数据传送方法，其特征在于：在数据冗余传输方法中，网络上的设备主要包含端点设备和数据交换设备，其中端点设备发送端负责复制并修改流标志；端点设备接收端负责识别并消除重复帧，数据交换设备接收数据时重新加入序列号，发送时修改为多播MAC地址和VLAN传输，在靠近接受端时将同一数据序列号剥离。
5.根据权利要求1所述的基于工业级确定性网络的数据传送方法，其特征在于：数据以冗余备份方式传输，传输的数据帧的格式由前导码（7）、MAC目标地址（8）、MAC源地址（9）、VLAN标签（10）、冗余标签（19）、保留位（20）、序列号（21）、帧类型字段（11）、有效数据字段（12）、循环冗余校验码（13）组成。
6.根据权利要求5所述的基于工业级确定性网络的数据传送方法，其特征在于：所述冗余标签（19）包括网络类型、保留位、序列号三部分，所述网络类型主要为指示该数据为冗余数据，所述保留位在实际使用中以0进行发送，主要用于数据帧的冗余拓展功能，所述序列号主要用于识别数据帧的冗余编号，对安全数据进行编解码。
7.一种融合控制系统，其特征在于，包括：第一网络交换机（1）、第二网络交换机（2）、第三网络交换机（3）、第四网络交换机（4）、OPC服务器（25）、柔性化智造系统（26）、分布式I/O模块（28）、机器视觉系统（29）、仓储机器人（30）、装配机器人（31）和自动化产线的控制I/O（32），所述第一网络交换机（1）、第二网络交换机（2）、第三网络交换机（3）、第四网络交换机（4）环形拓扑结构方式设置，所述OPC服务器（25）、柔性化智造系统（26）分别位于与上层的第四网络交换机（4）连接，所述HMI显示器（27）、分布式I/O模块（28）、机器视觉系统（29）、仓储机器人（30）、装配机器人（31）和自动化产线的控制I/O（32）分别与位于中层或低层的第一网络交换机（1）、第二网络交换机（2）、第三网络交换机（3）连接，并且所述第一网络交换机（1）、第二网络交换机（2）、第三网络交换机（3）、第四网络交换机（4）采用权利要求1-5任一项所述的数据传送方法进行传送。
8.根据权利要求7所述的融合控制系统，其特征在于：所述第一网络交换机（1）、第二网络交换机（2）、第三网络交换机（3）、第四网络交换机（4）采用时间敏感络网络交换机，且于中间层的时间敏感络网络交换机中有视频数据和控制指令数据。
9.根据权利要求7所述的融合控制系统，其特征在于：应用层采用OPC UA协议，OT层采用标准的TSN协议。
10.根据权利要求7所述的融合控制系统，其特征在于：采用时间敏感数据和非时间敏感数据的共网传输，对于时间敏感数据，系统则按照用户自定义数据实时性传输需求传输数据，对于非时间敏感数据在网络中则是按照QoS机制进行传输。
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