CN114450922A - 用于运行工业自动化系统的无线通信系统的方法、无线通信系统、基站和参与站 - Google Patents
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Abstract
为了运行用于包括至少一个基站(100)和多个参与站(101‑103)的工业自动化系统的无线通信系统，基站周期地在预定的传输时间点(tP，N)查询相应的由参与站待传输的数据报(20)。基站为参与站在查询周期中预先给定发送待传输的数据报的传输时间点(tP，N)。在此，传输时间点(tP，N)分别从之前的传输时间点(tP，N‑1)加上查询周期持续时间(tC)并且减去等待时间(tW，M)来求出，而至少一个在之前的传输时间点之前待传输的数据报在相应的参与站中已经准备好用于发送。参与站发送关于相应的用于求出传输时间点的等待时间的信息给基站。
Description
背景技术
工业自动化系统通常包括多个经由工业通信网相互联网的自动化设备，并且在制造和过程自动化的范畴中用于控制或调节设施、机器或者设备。由于工业自动化系统中的时间关键的框架条件为了自动化设备之间的通信大多应用实时通信协议、如PROFINET、PROFIBUS、实时以太网或时间敏感型网络(TSN)。
工业的自动化系统或自动化设备的计算单元之间的通信连接的中断能够导致服务请求的传输的不期望或不需要的重复。此外，没传输或者没完全传输的消息例如能够阻止工业自动化网络过渡或保持在安全的运动状态。这最后能够导致整体的生产设施的故障和高成本的生产停顿。在工业自动化系统中规律地由于具有相对大量、但是相对短的消息的信息交换产生特别的问题，由此加剧上述问题。
由于用于经常极度不同的应用能够在基于以太网的通信网中例如出现的问题是，竞争性地为具有大量使用数据内容的数据帧的传输在没有特殊服务质量要求的情况下要求用于传输具有实时要求的数据流或数据帧的网络资源。这能够导致的是，具有实时要求的数据流或数据帧不根据要求或需要的服务质量传输。
从EP 1 867 101 B1中已知了具有基站和多个参与站的通信系统，其中，参与站仅在由基站给相应的参与站分配地址的查询消息上发动消息给基站。在此，查询消息能够包括为其它的参与站作为相应的分配地址的参与站确定的数据范围。因此，每个参与站也随着读取不直接分配给其地址的查询消息。特别地，在查询消息中给出由参与站待实施的控制指令。如果过查询消息直接给接收的参与站分配地址，则该参与站实施相应的控制指令并且发送确认消息回到基站。当参与站接收不直接分配给其地址的查询消息的时候，参与站虽然实施为其设置的控制指令，但其实施首先不会确认，而是直至接收到直接分配给其地址的查询消息之后才确认。
在EP 1 427 150 A2中描述了用于经由WLAN传输多媒体数据的方法，其中，借助于称为点协调功能(PCF)的媒体访问方法能够实现通过WLAN客户端的完整的传输周期的使用。在此，用于多媒体数据的传输周期能够针对关于其长度方面的要求而动态地被分配。在此，请求在一个时间段中传输，在此期间不借助于PCF进行媒体访问协调。多媒体数据随后在一个时间段中被传输，在此期间借助于PCF进行媒体访问协调。
US 2014/301375 A1涉及用于计算用于无线通信系统的定时提前值的方法。由此，通信装置能够将发送时间点提前，以便通过相应的接收器确保发出的数据的可靠的接收。为了计算定时提前值，在发送器与接收器之间交换两个媒体访问控制层消息。
因为基站在借助于查询数据交换时没有关于在哪个时间点在参与站中存在新的待发送的数据的信息，因此，查询周期和发送周期能够剧烈地相互相对推迟。由此造成了相应的延迟。在最不合适的情况下，查询消息能够在参与站中在待发送的数据在参与站中存在之前的稍早的时候到达。然后，该数据的发送延迟几乎一个查询周期。特别地，在失败的传输尝试之后的自动重复数据传输中能够发生的是，以该方式传输的数据比已经在之前接收的要旧。因此产生的风险为，当前的数据被过时的数据覆盖。
原则上，通过将查询周期选择为明显短于发送周期，能够解决上述问题，其中，在发送周期中存在新的要发送的数据。然而这导致了使用的无线信道和参与数据交换的设备的急剧升高的负载。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种用于运行用于工业自动化系统的无线通信的方法，其能够实现低延迟的数据传输和系统资源的有效率的使用，以及给出用于实现该方法的合适的设备。
根据本发明，该目的通过具有权利要求1所述的特征的方法实现，通过具有权利要求13所述的特征的无线通信系统实现，通过具有权利要求14所述的特征的基站实现，并且通过具有权利要求15所述的特征的参与站实现。本发明的有利的改进方案在从属权利要求中给出。
根据本发明的方法设置用于运行无线通信系统，其包括至少一个基站和多个参与站。基站、例如WLAN访问点在参与站、例如WLAN客户端周期地在预定的传输时间点分别查询待传输的数据报。在此，基站为参与站在查询周期之中预定用于发送待传输的数据报的传输时间点。
根据本发明，传输时间点分别从之前的传输时间点加上查询周期持续时间并且减去等待时间来求出，而至少一个在之前的传输时间点之前待传输的数据报在相应的参与站中已经准备好用于发送。为了求出传输时间点，参与站发送关于相应的等待时间的信息给基站。
通过求出通过参与站待发送的数据的滞留时间并且将滞留时间传输给基站，能够求出优化的查询流程。在此，特别地，传输时间点能够选择为，保留足够多的时间，以便能够补偿由于重复的数据传输的在无线路径上的传输错误。此外，能够在周期积累的或者待发送的数据中减少缺失各个数据包或数据帧(Frames)的概率。附加地，利用根据本发明的方法得出减少的延迟。
根据本发明的一个优选的设计方案，基站从检测的最小等待时间加上常数或持续检测的延迟时间而求出相应的等待时间。对此，能够在时间检测时考虑不准确性或者等待时间的其它的技术决定的波动。这样的不准确性例如能够通过应用于时间检测的计时器或通过在实施根据本发明的方法的步骤时的波动来得出。此外，上述延迟时间有利地从经由多个查询周期中检测的等待时间方差来求出。
参与站将关于相应的等待时间的信息与在相应的当前和之后的传输时间点待传输的数据报一起发送。对此，替代地或附加地，参与站能够分别经由多个查询周期求出平均等待时间。在该情况下，发送给基站的关于相应的等待时间的信息包括平均等待时间。因此，不要求参与站利用每个查询周期发送关于相应的等待时间的信息给基站。这简化了根据本发明的方法的实现并且能够实现从系统资源到其执行的节省。特别地能够提出，使得参与站仅根据通过基站的请求发送关于相应的等待时间的信息。
基站例如能够为选定的参与站或为每个参与站，在每个参与站的各自的传输时间点根据通过基站预定的站顺序单独查询相应的待传输的数据报。对此，替代或附加地，分别将多个参与站与一个站组相关联。在该情况下，基站为站组在每个站组的相应的传输时间点根据通过基站预定的组顺序和/或站顺序查询分别待传输的数据报。
如果多个参与站与一个站组相关联，则为了对于与站组相关联的每个参与站来查询和发送相应的待传输的数据报，优选地应用各自的无线信道，其由与相应的站组相关联的信道束所包括。在此，基站优选地从站组之中检测的最小等待时间加上延迟时间来求出用于每个站组的相应的等待时间。
参与站例如能够相互不同步。在该情况下，站顺序和传输时间点连续地根据对于每个查询周期检测的等待时间来确定。根据本发明的其它或另外的设计方案，在选定的参与站上分别连接多个终端装置和/或现场设备。由连接到相同的参与站处的终端装置和/或现场设备分别待传输的数据报优选地作为整体数据报被发送到基站。在此，等待时间在整体数据报中对应持续时间，而至少一个在之前的传输时间点之前的待传输的整体数据报在相应的参与站中已经准备好用于发送。
根据本发明的无线通信系统设置用于根据前述实施方案执行方法，并且包括至少一个基站和多个参与站。基站设计和设置为，周期地在预定的传输时间点查询分别由参与站待传输的数据报。此外，基站设计和设置为，为参与站在查询周期之中预先给定发送待传输的数据报的传输时间点。在此，传输时间点分别对应之前的传输时间点加上查询周期持续时间并且减去等待时间，而至少一个在之前的传输时间点之前待传输的数据报在相应的参与站中已经准备好用于发送。参与站设计和设置为，发送关于相应的用于求出传输时间点的等待时间的信息给基站。
根据本发明的基站设置用于根据前述的实施方案执行方法并且设计和设置为，周期地在预定的传输时间点查询分别由参与站待传输的数据报。此外，基站设计和设置为，为参与站在查询周期之中预先给定发送待传输的数据报的传输时间点。在此，传输时间点分别对应之前的传输时间点加上查询周期持续时间并且减去等待时间，而至少一个在之前的传输时间点之前待传输的数据报在相应的参与站中已经准备好用于发送。
根据本发明的参与站设置用于根据前述的实施方案执行方法并且设计和设置为，通过基站周期地在预定的传输时间点查询分别由参与站待传输的数据报。此外，参与站设计和设置为，发送关于相应的用于求出传输时间点的等待时间的信息给基站，而至少一个在之前的传输时间点之前待传输的数据报在相应的参与站中已经准备好用于发送。
附图说明
接下来根据附图结合实施例详细阐述本发明。在此示出：
图1是用于工业自动化系统的无线通信系统，该工业自动化系统具有WLAN访问点和多个WLAN客户端，
图2是用于从WLAN客户端到WLAN访问点的没有优化的查询的情况下的数据传输的时间曲线，
图3是用于从WLAN客户端到WLAN访问点的具有优化的查询的情况细下的数据传输的时间曲线。
具体实施方式
图1示出的无线通信系统包括WLAN访问点100作为无线基站和多个能无线地与其连接的WLAN客户端101-103作为无线参与站。在当前的实施例中，在WLAN客户端101-103处分别连接工业自动化系统的多个自动化设备或现场设备111-113，121-123，131-133。特别地，视为自动化设备的是可编程逻辑控制器、输入/输出单元(I/O模块)或者工业自动化系统的操作和监视站。
可编程逻辑控制器典型地分别包括通信模块、中央单元以及至少一个输入/输出单元。输入/输出单元原则上也能够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。经由其通信模块能够将可编程逻辑控制器例如与交换机或路由器或者附加地与现场总线连接。输入/输出单元用于在可编程逻辑控制器与和可编程逻辑控制器连接的传感器或者控制的机器或者设施之间的控制和测量变量的交换。传感器或者机器或者设施原则上也能够经由无线通信系统与可编程逻辑控制器连接。特别地，可编程逻辑控制器的中央单元设置用于从检测的测量变量来求出合适的控制变量可编程逻辑控制器的上面的部件例如能够经由背板总线系统相互连接。
特别地，操作和监视站用于过程数据或测量和控制变量的可视化，其通过可编程逻辑控制器、输入/输出单元或者传感器被处理或者检测。特别地，操作和监视站用于显示调节回路的值和用于改变调节参数。操作和监视站包括至少一个图形的用户界面、输入设备、处理器单元和通信模块。
特别地，一方面WLAN访问点100、并且另一方面WLAN客户端101-103设计和设置为，相互交换数据帧10，20。数据帧10，20在当前实施例中一方面包括查询消息10并且另一方面包括借助于查询消息10通过WLAN访问点100从WLAN客户端101-103查询的控制数据20、特别是过程数据或测量和控制变量，其与和WLAN客户端101-103连接的控制器、执行器、传感器、机器或设施相关联。
WLAN访问点100借助于查询消息10，PM，PM+1周期地在预定的传输时间点tP，N，tP，N+1从WLAN客户端101-103分别查询待传输的控制数据20，DM，DM+1(也见图2和3)。在此，WLAN访问点100为WLAN客户端101-103在查询周期之中预先给定用于发送待传输的控制数据20，DM，DM+1的传输时间点tP，N，tP，N+1。查询周期在当前实施例中对应自动化周期，在该自动化周期中，连接到WLAN客户端101-103的自动化设备或现场设备111-113，121-123，131-133，FD提供控制数据20，DM，DM+1。
与图2所示的在没有优化的查询的情况下的时间曲线相比，WLAN访问点100在当前实施例中根据图3分别从之前的传输时间点tP，N-1，tP，N加上查询周期持续时间tC并且减去等待时间tw，M，tW，M+1，求出传输时间点tP，N，tP，N+1，而在之前的传输时间点tP，N-1，tP，N之前待传输的控制数据20，DM，DM+1在相应的WLAN客户端101中已经完全完成用于发送。整体上，在根据图3的优化的查询的情况下，根据下面的等式得出相应的下一个传输时间点tP，N+1：
tP，N+1＝tP，N+tC-tw，M。
为了求出传输时间点tP，N，tP，N+1，WLAN客户端101-103发送关于相应的等待时间tw，M，tW，M+1的信息给WLAN访问点100。
WLAN访问点100能够从检测的最小等待时间tW，min加上常数或持续检测的延迟时间tD来求出相应的等待时间tw，M，tW，M+1。优选地，从经由多个(x)查询周期检测的等待时间方差tw，Jitter求出延迟时间tD。因此，根据下面的等式得出相应的下一个传输时间点tP，N+1：
tP，N+1＝tP，N+tC-tw，min+tD，
其中
tD＝x*tw，Jitter(x>0)。
与图2所示的用于从WLAN客户端101-103至WLAN访问点100的数据传输的时间曲线相比，利用根据图3的优化的查询得到明显减少的等待时间或延迟。此外，WLAN客户端101-103能够将关于相应的等待时间tw，M，tW，M+1的信息与分别在当前的传输时间点tP，N或在之后的传输时间点tP，N+1待传输的控制数据DM或DM+1一起发送。关于相应的等待时间的信息与在更晚的传输时间点待传输的控制数据的发送提供了解决方案，如果关于相应的等待时间的信息由于技术原因不再能够添加到具有分别在当前的传输时间点待传输的控制数据的数据帧。另外的简化方案得出的是，当WLAN客户端101-103分别经过多个查询周期求出平均等待时间，并且发送给WLAN访问点100的关于相应的等待时间的信息包括平均等待时间。在该情况下，关于相应的等待时间的信息不在每个查询周期中传输给WLAN访问点100。还能够实现进一步的成本降低为，如果WLAN客户端101-103仅根据通过WLAN访问点100为了专门的请求给其发送关于相应的等待时间的信息。
原则上，WLAN访问点100能够为选定的WLAN客户端或为每个WLAN客户端101-103在在每个WLAN客户端的各自的传输时间点tP，N根据通过WLAN访问点100预定的站顺序单独查询相应的待传输的控制数据20。对此，替代地或附加地，相应的多个WLAN客户端能够与一个 站组相关联。在该情况下，WLAN访问点100为站组在相应的传输时间点tP，N对于每个站组根据通过WLAN访问点100预定的组顺序或站顺序查询相应的待传输的控制数据20。
在多个WLAN客户端与一个站组相关联时，为了相应的待传输的控制数据20的查询和发送，对于每个WLAN客户端优选地应用各自的无线信道，其被与相应的站组相关联的信道束包括。例如，在WLAN系统中根据IEEE 802.11ax，多个WLAN客户端能够根据多用户下行链路触发帧(MU-DL)在整体的多用户上行链路帧(MU-UL)中同时发送数据。特别地，对于每个可行的信道宽度(例如20MHz或40MHz)，根据IEEE 802.11ax的站组能够、包括最大数量的WLAN客户端。在成组的查询中，WLAN访问点100在当前实施例中为每个站组从站组之中检测的最小等待时间tW，M加上延迟时间tD求出相应的等待时间。
原则上也可行的是，WLAN客户端101-103彼此不同步或不必同步。在该情况下，站顺序和传输时间点tP，N连续地根据对于每个查询周期检测的等待时间tW，M确定。
有利地，由在相同的WLAN客户端101-103处连接的终端装置或现场设备111-113，121-123，131-133将相应的待传输的数据报21-23作为整体数据报发送给WLAN访问点100。在此，等待时间tW，M在整体数据报中对应持续时间，而至少一个在之前的传输时间点之前的待传输的整体数据报在相应的WLAN客户端101-103中已经准备好用于发送。
Claims (15)
1.一种用于运行用于工业自动化系统的无线通信系统的方法，其中，
-所述无线通信系统包括至少一个基站(100)和多个参与站(101-103)，
-所述基站周期地在预定的传输时间点(tP，N)查询分别由参与站待传输的数据报(20)，
-所述基站为参与站在查询周期之中预先给定发送待传输的数据报的传输时间点(tP，N)，其中，传输时间点(tP，N)分别从之前的传输时间点(tP，N-1)加上查询周期持续时间(tC)并且减去等待时间(tW，M)来求出，而至少一个在所述之前的传输时间点之前待传输的数据报在相应的参与站中已经准备好用于发送，
-参与站发送关于相应的用于求出所述传输时间点的所述等待时间的信息给所述基站。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述基站从检测的最小等待时间(tW，最小)加上常数或连续检测的延迟时间(tD)来求出相应的等待时间(tW，M)。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，
所述延迟时间从经过多个所述查询周期检测的等待时间方差来求出。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，
参与站将关于相应的等待时间的信息与在相应的当前传输时间点或在之后的传输时间点待传输的数据报一起发送。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，
参与站分别经过多个查询周期求出平均等待时间，并且其中，发送给所述基站的关于相应的等待时间的信息包括平均等待时间。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，
参与站仅根据通过所述基站的请求来发送关于相应的等待时间的信息。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，
所述基站为选定的参与站或为每个参与站在每个参与站的各自的传输时间点根据通过所述基站预定的站顺序单独查询相应的待传输的数据报。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，
相应的多个参与站与一个站组相关联，并且其中，所述基站为所述站组在每个所述站组的各自的传输时间点根据通过所述基站预定的组顺序和/或站顺序查询相应的待传输的数据报。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，
为查询和发送每个与站组相关联的参与站的相应的待传输的数据报，使用各自的无线信道，其中，所述无线信道被与相应的站组相关联的信道束包括。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，
所述基站从站组内检测的最小等待时间加上延迟时间来求出每个站组的相应的等待时间。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，
参与站相互不同步，并且其中，站顺序和传输时间点连续地根据每个查询周期检测的等待时间来确定。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，
在选定的参与站(101-103)处分别连接多个终端设备和/或现场设备(111-113，121-123，131-133)，并且其中，由连接到相同的参与站处的终端设备和/或现场设备将相应的待传输的数据报(21-23)作为整体数据报发送到所述基站，其中，等待时间(tW，M)在整体数据报中对应持续时间，而至少一个在之前的传输时间点之前的待传输的整体数据报在相应的参与站中已经准备好用于发送。
13.一种用于执行根据权利要求1至12中任一项所述的方法的无线通信系统，其中，
-所述无线通信系统包括至少一个基站和多个参与站，
-所述基站设计和设置为，周期地在预定的传输时间点查询分别由参与站待传输的数据报，
-所述基站设计和设置为，为参与站在查询周期中预先给定发送待传输的数据报的传输时间点，其中，所述传输时间点分别对应之前的传输时间点加上查询周期持续时间并且减去等待时间，而至少一个在所述之前的传输时间点之前待传输的数据报在相应的参与站中已经准备好用于发送，
-参与站设计和设置为，发送关于相应的用于求出所述传输时间点的所述等待时间的信息给所述基站。
14.一种用于执行根据权利要求1至12中任一项所述的方法的基站，其中，
-所述基站设计和设置为，周期地在预定的传输时间点查询分别由参与站待传输的数据报，
-所述基站设计和设置为，为参与站在查询周期中预先给定发送待传输的数据报的传输时间点，其中，所述传输时间点分别对应之前的传输时间点加上查询周期持续时间并且减去等待时间，而至少一个在所述之前的传输时间点之前待传输的数据报在相应的参与站中已经准备好用于发送。
15.一种用于执行根据权利要求1至12中任一项所述的方法的参与站，其中，
-参与站设计和设置为，通过基站周期地在预定的传输时间点查询分别由参与站待传输的数据报，
-参与站设计和设置为，发送关于相应的用于求出传输时间点的等待时间的信息给所述基站，而至少一个在之前的传输时间点之前待传输的数据报在参与站中已经准备好用于发送。
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