CN114846775B - 用于在自动化网络中的用户之间数据通信的方法、用于自动化网络的主用户和自动化网络 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在自动化网络(100)中的用户之间进行实时数据通信的方法(200)，其中，自动化网络(100)包括一个主用户(101)、多个从用户(103)和至少一个连接单元(A)，其中，该方法(200)包括以下方法步骤：在第一布置步骤(201)中，通过主用户(101)按发送顺序以该发送顺序的总占用持续时间布置n个待发送的数据包，在优化步骤(203)中，通过主用户(101)实施用于确定具有最小总占用持续时间的优化的发送顺序的优化方法，并且在发送步骤(205)中，通过主用户(101)将n个数据包以优化的发送顺序发送给从用户(103)。本发明还涉及一种用于执行该方法(200)的主用户(101)以及一种具有主用户(101)的自动化网络(100)。

Description

用于在自动化网络中的用户之间数据通信的方法、用于自动 化网络的主用户和自动化网络

技术领域

本发明涉及一种用于在自动化网络中的用户之间进行数据通信的方法。本发明还涉及一种用于自动化网络的主用户，其被构造用于执行用于在自动化网络的用户之间进行数据通信的方法，并且涉及一种相应的自动化网络。

背景技术

自动化网络常常作为“现场总线系统”来运行。现场总线系统是工业总线系统，它们能够实现对自动化网络的机器或设备的有实时能力的控制。通常，自动化网络的机器或设备借助于存储器可编程的控制器(SPS)来控制。为了现场设备、即例如自动化网络的机器或设备的传感器和致动器与SPS的通信，SPS使用现场总线系统。如果多个通信用户可被构造成有线或无线总线系统的同一数据线路来发送数据包，则必须规定：哪个通信用户在哪个时间点应当发送。为此目的，存在被规定的架构和标准化的数据传输协议。

大多数情况下，现场总线系统在所谓的“主从运行”下工作。也就是说，主用户承担对过程的控制，而从用户在自动化网络的控制运行中承担子任务的处理。在此，在自动化网络中借助于由主用户输出给从用户的数据包来交换数据。从用户可以读取被寻址到这些从用户的输出数据并且必要时将数据包发送回给主用户。

在借助于数据包的交换来进行数据传输的自动化网络中，数据包可以由从用户转发给其它从用户或者发送回给主用户。

在此，转发表示确定用于在自动化网络中传输数据包的传输路径。对于具有从用户布置在网络的不同分区中的复杂拓扑结构的网络，数据包可以通过相应的连接元件被转发到布置有被寻址的从用户的相应分区中。在此可能出现的是，从网络的不同分区中发送回给主用户的数据包在从用户到主用户的返回路径上彼此相会，也就是说几乎同时到达位于其之间的连接元件，由此引起不同数据包的附加延迟，所述附加延迟因此不利地影响系统的反应时间。但不仅仅在数据路径上的交叉是严重的。通过所述顺序也可以发生，各个数据包这样晚地到达设备或分区并且该装置本身具有强烈的延迟，使得仅非常延迟地调用必须考虑所有数据的控制动作。

但各个数据包的延迟或在主机中发送时的错误顺序一方面引起由于延迟的数据包而导致网络的占用时间的延长，也就是说数据包在通过主用户发送之后传输至相应的从用户并且由主用户再次接收所需的时间段并且在该时间段期间网络被用于传输其它数据包的数据包阻止。网络的占用时间一般也可以称为总占用持续时间。

此外，数据包延迟为了避免数据包迭加可能引起其它数据包的进一步延迟，以便再次避免之前延迟的数据包的冲突。其中数据包的迭加导致至少两个数据包至少部分迭加地在相同的方向上被传输。迭加导致不能明确地读取所迭加的数据包的信息，使得必须延迟所叠加的数据包中的至少一个数据包，以避免迭加。除了延迟之外，也可以使用所传输的数据包的顺序的改变来避免数据包的迭加。这两者都会导致主用户与从用户之间的整个数据通信的延迟并且与此相关地导致降低自动化系统的效率和性能。

为了改善在主用户与多个从用户之间交换多个数据包的数据通信、尤其是为了避免或减少各个数据包的延迟以避免冲突，有利的是以确定的顺序发送数据包，其中数据包这样布置，使得可以完全避免冲突亦或可以减少所需延迟的数量或延迟的总持续时间。

以相应有利的顺序布置待发送的数据包落入调度问题的范围内。为多个相互影响的过程的顺序寻找最佳解决方案的调度问题的特征在于高度的复杂性并且大多已经对于相对较少数量的要考虑的因素而言在实际的时间中并且以实际的计算耗费是不可解决的。

在数据通信领域中，由现有技术已知各种优化方法，其目的是以最小的网络占用时间通过数据包找到待发送数据包的顺序或调度。由Wisniewski等人的文献“Schedulingof PROFINET IRT Communication in Redundant Network Topologies”(DOI:10.1B/WFCS.2016.7496530在葡萄牙阿威罗举办的第十二届IEEE工厂通信系统国际会议)例如已知一种用于PROFINET系统的调度方法。然而，在此描述的方法仍然相对复杂并且要求实质的计算耗费，其最终不适合于确定最优，而是仅能够实现接近所追求的最优。

发明内容

本发明涉及一种网络，在该网络中数据流在部分路段上并行地运行并且可能在其它部分路段上出现交叉。目的是将所述交叉的影响降低到最小。本发明涉及一种主从关系中的数据流的协调，其中，为数据通信而发送的数据包的数据流具有共同的数据路径，从而要考虑通信的顺序和数据包的发送。

因此，本发明的任务是提供一种用于在自动化网络中用户之间进行数据通信的改进方法，该方法通过为了数据通信要交换的数据包能够实现减少网络的占用时间并且需要较小的计算能力。此外，本发明的任务是提供一种用于自动化网络的主用户，其被构造用于执行根据本发明的用于在自动化网络中的用户之间进行数据通信的方法。此外，本发明的任务是提供一种相应的自动化网络。

所述任务通过根据独立权利要求的方法、主用户和自动化网络来解决。优选的实施方式在从属权利要求中给出。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于在自动化网络中的用户之间进行实时数据通信的方法，其中，自动化网络包括一个主用户、多个从用户和至少一个连接单元，它们经由数据线路网络相互连接，其中，主用户构造用于在一个运行中向从用户发送数据包以用于数据通信，在该运行中数据包由主用户发送给从用户并且由从用户发送给主用户，并且其中，所述连接单元构造用于将被寻址到从用户的数据包转发并且将该数据包引回给主用户，其中，该方法包括以下方法步骤：

在第一布置步骤中，通过主用户按发送顺序以该发送顺序的总占用持续时间布置n个待发送的数据包，其中，所述总占用持续时间包括从通过主用户发送首先发送的数据包的第一比特到通过主用户接收最后接收的数据包的最后一比特的时间段，

在优化步骤中，通过主用户实施用于确定具有最小总占用持续时间的优化的发送顺序的优化方法，其中，该优化方法包括以所述发送顺序依次相继的n个数据包的顺序的有限数量的最大n*(n-1)/2的成对交换和确定通过所述交换引起的发送顺序的总占用持续时间，并且

在发送步骤中，通过主用户将n个数据包以优化的发送顺序发送给从用户。

由此实现了如下技术优点，即可以提供一种用于在自动化网络中的用户之间进行实时数据通信的方法，该方法能够通过为数据通信而交换的数据包以通信介质的减少的占用时间实现有效且高效的数据通信。通过在优化步骤中实施优化方法，可以实现用于待发送数据包的数据通信的发送顺序，该发送顺序具有通过待发送的数据包的通信介质最小总占用持续时间。通过以所述发送顺序布置的数据包的顺序的有限数量的最大n*(n-1)/2的成对交换步骤可以确定具有最小占用时间的发送顺序。总之，在n！(n阶乘)个数据包的发送顺序的情况下可以交换数据包。

以所述发送顺序布置的数据包的顺序的有限数量的最大n*(n-1)/2的成对交换可以以相对小的计算耗费来实施。因此实现了如下技术优点，即为了以最小占用时间实现发送顺序仅需要相对小的计算能力。由此实现了如下技术优点，即根据本发明的用于在自动化网络中的用户之间进行实时数据通信的方法可以通过自动化网络的主用户来实施。而不需要用于执行优化方法的附加的计算单元。

通过在所述发送顺序依次相继的数据包的顺序的最大n*(n-1)/2的成对交换步骤中实现具有最小总占用持续时间的发送顺序可以实现关于总占用持续时间的发送顺序的快速优化。可以放弃用于确定具有最小总占用持续时间的经优化的发送顺序的耗费且耗时的优化方法。因此，根据本发明的用于在自动化网络中的用户之间进行实时性数据通信的方法可以在每次发送多个数据包之前通过主用户毫无问题地实施。因此可以避免通过前置的实施费时的优化方法而引起的数据通信的延迟。

在优化步骤中，通过实施优化方法确定以所述发送顺序布置的数据包的具有最小总占用持续时间的发送顺序。通过以所述发送顺序依次相继的数据包的顺序的最大n*(n-1)/2的成对交换来确定所述发送顺序，对于该发送顺序，以该发送顺序中发送的数据包经历最小的延迟以避免数据包之间的冲突。如果所述发送顺序的待发送的数据包被布置成，使得在以相应的发送顺序发送数据包之后或者在所发送的数据包之间不出现冲突，或者对于由于自动化网络的相应拓扑结构而不可避免冲突的情况，导致所发送的数据包的最小延迟，则实现发送顺序的最小总占用持续时间。

在下文中，自动化网络是一种自动化系统，在该自动化系统中以特定的拓扑结构或结构通过数据线路网络布置有一个主用户、多个从用户和至少一个连接单元。所述拓扑结构或结构可以是例如树状结构、梳状结构、环形结构、线性结构或以任何形式的不同类型的结构。自动化网络的用户布置在主从通信装置中，在该主从通信装置中主用户仅被设计用于将通信请求发送给从用户。

主用户在下文中是自动化网络的用户，该用户仅合法地用于发起与相应的从用户的数据通信。主用户例如可以是现场总线主站。

从用户在下文中是自动化网络的用户，该用户不合法地发起与自动化网络的其它用户的数据通信。从用户仅合法地参与通过主用户发起的数据通信。从用户例如可以是自动化网络的现场总线端子、致动器或传感器。

数据线路网络在下文中例如可以是现场总线系统。

数据包在下文中例如可以是相应通信协议的电报并且具有至少一个报头和一个数据部分。例如，数据包可以是以太网协议、EtherCAT协议或另一现场总线协议的电报。

连接单元在下文中是这样的单元，其被设计用于将用于数据通信的数据包转发给自动化网络的相应被寻址的用户。此外，连接单元的功能可以集成到一个从用户或多个从用户和/或一个主用户或多个主用户中。

此外，根据本发明的方法可以用于在用户已解耦的情况下实现总占用持续时间的优化。

根据一种实施方式，所述从用户可以分成多个分区，其中，每个分区包括至少一个从用户，并且其中，所述连接单元被构造用于转发被寻址到特定分区的从用户的数据包。

分区在下文中是自动化网络的一部分。分区又可以划分成多个子分区。分区可以包括自动化网络的至少一个从用户或多个从用户。分区可以通过相应的连接单元与自动化网络的其它分区连接。

下文中成对交换是每两个以所述发送顺序直接依次相继的数据包的顺序的交换。

根据一种实施方式，所述第一布置步骤包括：

在第二布置步骤中，以具有n个数据包的下降的单独运行持续时间的下降的发送顺序布置所述n个数据包，其中，以下降的发送顺序将具有最长单独运行持续时间的数据包布置在所述发送顺序的的第一位置上并且将具有最短单独运行持续时间的数据包布置在所述发送顺序的最后位置上，并且其中，每个数据包的单独运行持续时间包括从通过主用户发送数据包的第一比特到通过主用户接收数据包的最后一比特的时间段。

由此实现了如下技术优点，即可以提供一种用于在自动化网络中的用户之间进行实时数据通信的有效的方法。

在第一布置步骤中进行的n个数据包的预布置能够实现在优化步骤中减少数据包所需的成对交换的数量，以实现具有最小总占用持续时间的优化的发送布置。通过在第二布置步骤中以下降的发送顺序布置数据包，其中将具有最长单独运行持续时间的数据包布置在第一位置上并且将具有最短单独运行持续时间的数据包布置在最后的位置上，可以实现，下降的发送顺序的总占用持续时间相对于具有任意布置的数据包的发送顺序已经减小，其方式为将对于从发送的主用户至被寻址的从用户并且又返回至主用户的运行需要最长的时间段的数据包作为第一数据包发送。

如果对于自动化网络的相应的拓扑结构来说，在下降的发送顺序中不会出现所发送的数据包的冲突，则下降的发送顺序已经表示具有最小总占用持续时间的优化的发送顺序。用于确定具有最小总占用持续时间的优化的发送顺序所需的时间可以通过在第二配置步骤中以下降的发送顺序布置数据包相对于任意的发送顺序已经能够实质上被减少。

根据一种实施方式，所述第一布置步骤包括：

在第一确定步骤中，为下降的发送顺序的n个数据包中的每个数据包确定第一接收时间标记，其中，发送顺序的任意数据包的第一接收时间标记是接收相应数据包的第一比特的时间点，并且其中，第一接收时间标记的值包括从通过主用户发送所述发送顺序的第一数据包的第一比特到通过主用户接收所述发送顺序的相应数据包的第一比特的时间段，并且为下降的发送顺序的n个数据包中的每个数据包确定第二接收时间标记，其中，第二接收时间标记对应于第一接收时间标记的值与数据包的单独占用持续时间之和，其中，数据包的单独占用持续时间包括从将数据包的第一比特发送至第一发送时间标记直到将第二数据包的最后一比特发送至第二发送时间标记的时间段，其中，所述第一发送时间标记是发送相应数据包的第一比特的时间点，并且其中，所述第二发送时间标记是发送数据包的最后一比特的时间点；

在第三布置步骤中，以具有n个数据包的升高的第一接收时间标记的升高的发送顺序布置下降的发送顺序的n个数据包，其中，以所述升高的发送顺序将具有最小的第一接收时间标记的数据包布置在第一位置上并且将具有最大的第一接收时间标记的数据包布置在最后的位置上；并且

在校正步骤中，如果数据包的第一接收时间标记早于以升高的发送顺序布置在数据包之前的数据包的第二接收时间标记，则以升高的发送顺序确定数据包的校正的第一接收时间标记和校正的第二接收时间标记，其中，数据包的校正的第一接收时间标记对应于布置在数据包之前的数据包的第二接收时间标记，并且其中，数据包的校正的第二接收时间标记对应于校正的第一接收时间标记和数据包的单独占用持续时间之和。

由此实现了如下技术优点，即可以提供一种用于在自动化网络中的用户之间进行实时数据通信的有效的方法。通过在布置步骤中以发送顺序布置n个数据包可以实现在优化步骤中以减少数量的最大n*(n-1)/2的成对交换实现具有最小总占用持续时间的优化的发送顺序。

通过在第三布置步骤中以升高的发送顺序布置来自下降的发送顺序的数据包并且通过在校正步骤中实施校正可以模拟包括数据包的待实施延迟的所发送的数据包的接收顺序，以避免依次相继的数据包之间的冲突。由此可以实现，在下面的优化步骤中能够实现简化地确定具有最小总占用持续时间的发送顺序。

如果数据包的第一接收时间标记的值小于或大于另一个数据包的第一接收时间标记的值，则该数据包的第一接收时间标记小于或大于另一个数据包的第一接收时间标记。

第一发送时间标记和第二发送时间标记相对于首先发送的数据包的第一发送时间标记来计算。因此，首先发送的数据包的第一发送时间标记获得值0。因此，发送顺序的数据包的第一发送时间标记的值包括从通过主用户发送首先发送的数据包的第一比特到通过主用户发送相应的数据包的第一比特的时间段。

持续时间和/或时间标记的总和在下文中是持续时间的值和/或时间标记的值的总和。

替代地，任意数据包的第一接收时间标记可以包括从发送所述发送顺序的第一数据包的第一比特至接收所述发送顺序的相应数据包的任意比特的时间段，对于所述时间段在其位置处要作出转发决定。这也可以是该数据包的最后一比特。

根据一种实施方式，升高的发送顺序的校正的总占用持续时间包括从升高的发送顺序的第一数据包的第一发送时间标记到升高的发送顺序的最后数据包的校正的第二接收时间标记的时间段。

由此实现了可简单确定的校正的总占用持续时间的技术优点。在此，校正的总占用持续时间是升高的发送顺序的总占用持续时间。

根据一种实施方式，所述布置步骤包括以下方法步骤：

在第二确定步骤中，确定每个数据包的发送偏移，其中，数据包的发送偏移对应于以所述发送顺序布置在该数据包之前的数据包的单独占用持续时间的总和，并且

在第四布置步骤中，以下降的发送顺序布置n个数据包，使得与下降的发送顺序的第一数据包的第一比特的发送相比，数据包的第一比特的发送以数据包的所述发送偏移延迟。

由此实现了如下技术优点，即通过确定发送偏移并且以下降的发送顺序布置数据包，下降的发送顺序的一个数据包的发送到下降的发送顺序的第一数据包的发送以相应数据包的发送偏移延迟。由此可以实现下降的发送顺序的各个数据包的直接依次相继发送。因此可以避免在依次相继的数据包的发送之间出现间隙，这可能导致下降的发送顺序的总占用持续时间的延长。

因此，通过在第四布置步骤中确定发送偏移并且以下降的发送顺序布置数据包可以进一步减少下降的发送顺序的总占用持续时间并且因此减少在优化步骤中为了确定具有最小总占用持续时间的优化的发送顺序所需的、以下降的发送顺序的依次相继的数据包的顺序的必要交换的数量。

根据一种实施方式，数据包的所述第一接收时间标记对应于该数据包的发送偏移和单独运行持续时间之和减去该数据包的单独占用持续时间。

由此实现了简单确定的第一接收时间标记的技术优点。由此又能够实现简化的优化方法并且减少对于实施该优化方法所需的计算耗费。

根据一种实施方式，所述优化步骤包括：

在第一交换步骤中以具有第m个发送顺序的第m个总占用持续时间的n个数据包的m个发送顺序交换第i个数据包和接着所述第i个数据包的第i+1个数据包的顺序并且形成具有第m+1个总占用持续时间的第m+1个发送顺序，其中，在第m+1个发送顺序中交换第i个数据包和第i+1个数据包的顺序，并且其中适用1≤i≤n-1并且n≥3，在第一检查步骤中检查第m+1个总占用持续时间是否小于第m个总占用持续时间；

如果第m+1个总占用持续时间不短于第m个总占用持续时间：

则在第一交换回来步骤中交换回来第i个数据包和第i+1个数据包的顺序并且恢复第m个发送顺序；

在第二检查步骤中检查是否适用：在第m个发送顺序中i＝n-1；

如果适用：i＝n-1，

则在发送步骤中根据第m个发送顺序发送n个数据包；

如果不适用：i＝n-1，

则在第一设定步骤中以第m个发送顺序设定i＝i+1；

继续进行具有第m个发送顺序的第一交换步骤；

如果第m+1个总占用持续时间短于第m个总占用持续时间：

则在第二设定步骤中以第m+1个发送顺序保持第i个数据包和第i+1个数据包的顺序的交换并且设定在第m+1个发送顺序中k＝i，

在第三检查步骤中检查是否适用：在第m+1个发送顺序中k＜2；

如果适用：k＜2，

则继续进行具有第m+1个发送顺序的第二检查步骤，

如果不适用，则k＜2：

则在第二交换步骤中交换第k个数据包的顺序和以第m+1个发送顺序在第k个数据包之前的第k-1个数据包的顺序并且确定具有第m+2个总占用持续时间的第m+2个发送顺序，其中，在第m+2个发送顺序中第k个数据包和第k-1个数据包的顺序被交换，

在第四检查步骤中检查第m+2个总占用持续时间是否小于第m+1个总占用持续时间；

如果第m+2个总占用持续时间不短于第m+1个总占用持续时间：

则在第二交换回来步骤中交换回来第k个数据包和第k-1个数据包的顺序并且恢复第m+1个发送顺序；

则继续进行具有第m+1个发送顺序的第二检查步骤，

如果第m+2个总占用持续时间短于第m+1个总占用持续时间：

则在第三设定步骤中以第m+2个发送顺序保持第k个数据包和第k-1个数据包的顺序的交换并且设定k＝k-1并且m＝m+2，

则继续进行具有第m个发送顺序的第三检查步骤。

由此实现了如下技术优点，即可以提供一种用于在自动化网络中的用户之间进行实时数据通信的有效的方法。通过在优化步骤中实施依次相继的数据包的最大n*(n-1)/2的成对交换可以提供一种相对简单实施的优化方法，该优化方法仅需要小的计算耗费。

在该优化方法中，首先从发送顺序开始实施依次相继的数据包的顺序的成对交换。在依次相继的数据包的顺序的每次成对交换之后，确定通过交换产生的发送顺序的总占用持续时间并且检查通过依次相继的数据包的顺序的成对交换产生的发送顺序的总占用持续时间是否短于初始发送顺序的总占用持续时间。如果依次相继的数据包的顺序的成对交换没有实现改善总占用持续时间，则继续对依次相继的数据包进行另外的成对交换，直到达到发送顺序的结束。如果成对交换不能改善总占用持续时间，则中断优化方法并且使用初始发送顺序来发送数据包。

初始发送顺序在下文中是进行第一次成对交换的发送顺序。

如果依次相继的数据包的顺序的成对交换实现具有比初始发送顺序的总占用持续时间长度更短的总占用持续时间长度的发送顺序，则保持依次相继的数据包的顺序的交换并且从分别交换的数据包出发朝发送顺序开始的方向继续依次相继的数据包的进一步交换。由此产生了依次相继的数据包的顺序的交替的成对交换，所述数据包分别在发送顺序的结束方向上或者在发送顺序的开始方向上继续，直到达到这样的发送顺序，即其总占用持续时间短于所有之前通过成对交换产生的发送顺序以及包括初始发送顺序的总占用持续时间。

由于在发送顺序结束的方向上或者在发送顺序开始的方向上交替地继续成对交换并且由此仅在通过最后的成对交换产生的发送顺序的总占用持续时间短于到目前为止所实现的总占用持续时间的情况下才继续成对交换，因此在有限数量的最大n*(n-1)/2的成对交换之后实现了具有最小总占用持续时间的发送顺序。由此实现时间和计算能力高效的优化方法，该优化方法按照有限的时间间隔实现具有最小总占用持续时间的优化的发送顺序。

根据一种实施方式，所述第一交换步骤以具有m＝1的第一发送顺序的具有i＝1的第一数据包开始。

由此实现了如下技术优点，即该优化方法以发送顺序、尤其是初始发送顺序的第一和第二数据包的交换开始。由此实现了将发送顺序的所有数据包至少一次地与直接相邻的数据包进行交换。由此保证实现具有最小的总占用持续时间的发送顺序。

根据一种实施方式，具有m＝1的第一总占用持续时间是升高的发送顺序的校正的总占用持续时间。

由此实现了如下技术优点，即可以提供一种用于在自动化网络中的用户之间进行实时数据通信的有效的方法。通过将升高的发送顺序用作实施优化方法的初始发送顺序，可以减少用于确定具有最小总占用持续时间的优化的发送顺序所需的成对交换的数量。

这可以导致加速优化方法，这又提高了用于自动化网络中的用户之间进行数据通信的方法的效率，在该自动化网络中可以在较短的依次相继的时间段中发送数据包。

根据本发明的第二方面提供了一种用于自动化网络的主用户，其中，所述主用户被构造用于执行根据本发明的用于在自动化网络的用户之间进行实时数据通信的方法。

由此实现了如下技术优点，即可以提供一种用于自动化网络的主用户，其被构造用于执行根据本发明的用于在自动化网络中的用户之间进行实时数据通信的方法。

根据本发明的第三方面提供了一种自动化网络，其具有至少一个根据本发明的主用户、多个从用户和至少一个连接单元，它们经由数据线路网络相互连接，其中，主用户构造用于在一个运行中向从用户发送数据包以用于数据通信，在该运行中数据包由主用户发送给从用户并且由从用户发送回给主用户，并且其中，所述连接单元构造用于将被寻址到确定分区的从用户的数据包转发并且将该数据包引回给主用户。

由此实现了如下技术优点，即可以提供一种自动化网络，其被构造用于执行根据本发明的用于在自动化网络中的用户之间进行实时数据通信的方法。由此提供了一种自动化网络，其能够实现有效的数据通信。通过有效的数据通信可以提高自动化网络的效率和性能。

根据一种实施方式，所述自动化网络划分为多个分区，其中，每个分区包括至少一个从用户。

附图说明

下面借助附图来详细阐释本发明。在附图中：

图1示出根据一种实施方式的自动化网络的示意图；

图2示出根据一种实施方式的用于在自动化网络中的用户之间进行数据通信的方法的流程图；

图3示出根据另一实施方式的用于在自动化网络中的用户之间进行数据通信的方法的流程图；

图4示出根据另一实施方式的用于在自动化网络中的用户之间进行数据通信的方法的流程图；以及

图5示出根据另一实施方式的用于在自动化网络中的用户之间进行数据通信的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出根据一种实施方式的自动化网络100的示意图。

根据图1中的实施方式，所述自动化网络100包括至少一个主用户101、多个从用户103和至少一个连接单元105，它们经由数据线路网络115连接，其中，自动化网络100分成多个分区X，其中，每个分区X包括至少一个从用户103，其中，主用户101构造用于在一个运行中向从用户103发送数据包以用于数据通信，在该运行中数据包由主用户101发送给从用户103并且数据包由从用户103发送回给主用户101，并且其中，所述连接单元105构造用于将被寻址到特定分区X的从用户103的数据包转发并且将该数据包引回给主用户101。

根据图1中的实施方式，自动化网络100包括控制单元113，该控制单元经由数据线路网络115与主用户101和从用户103连接。自动化网络100划分为第一分区A、第二分区B和第三分区C，它们分别线性地经由数据线路网络115与主用户101连接。第一分区A还包括第一子分区A1、第二子分区A2和第三子分区A3。第二区分区B包括第四子分区B1和第五子分区B2。第三分区C包括第六子分区C1和第七子分区C2。

因此，自动化网络100布置在梳状结构中，其方式为所述分区X彼此线性地布置并且相应的子分区XN分别仅与所属的分区X连接。各个子分区XN分别具有多个从用户103，这些从用户分别经由数据线路网络115相互连接。各个子分区XN可以包括不同数量的不同从用户103。替换地，子分区XN也可以包括相同数量的从用户103。

作为图1中所示结构的替代，自动化网络100可以以不同的结构实现。例如，自动化网络100可以具有与图1中所示的不同数量的分区X和子分区XN。此外，自动化网络100例如可以以树状结构或环形结构布置。此外，子分区XN可以包括任意数量的从用户103。

此外，自动化网络100包括多个连接单元105，这些连接元件构造用于将由主用户101发送给特定从用户103的数据包转发给分别被寻址的从用户103，或者将由从用户103发送给主用户101的数据包转发给主用户。根据图1，第一分区A包括第一连接单元107，其被构造用于将数据包从主用户101转发给布置在第一子分区A1、第二子分区A2或第三子分区A3中的从用户103。第二分区B包括第二连接单元109，其被构造用于从主用户101转发给布置在第四子分区B1或第五子分区B2中的从用户103。第三分区C包括第三连接单元111，其构造用于由主用户101将发送给布置在第六子分区C1或第七子分区C2中的从用户103的数据包转发给相应的从用户103。连接单元105相应地被构造用于由相应的从用户103将被寻址到主用户101的数据包相应地转发给主用户101。

因此，由主用户101发送给在第一分区A的第一子分区A1中的从用户103的数据包通过第一连接单元107被转发到第一子分区A1中并且被转发给布置在其中的相应的从用户103。因此，相应的数据包在数据通信正向方向117上经过第一分区A内的数据线路网络115的一部分并且由第一连接单元107转发到第一子分区A1中。在第一子分区A1内，数据包经过布置在其中的从用户103并且数据包的相应数据由被寻址的从用户103读出。

替代地，在一个分区内多个从用户可以被寻址。替代地，该分区可以作为整体被寻址并且因此该分区的所有从用户被寻址。

当到达第一子分区A1的最后的从用户103时，数据包由最后的从用户103发送回给主用户101，并且数据包在数据通信反向方向119上经过第一子分区A1并且由第一连接单元107发送回给主用户101。数据通信正向方向117和数据通信反向方向119在图1中通过两个指离主用户101的并且指向主用户101的箭头示出。

类似地，由主用户101例如发送给第三分区C的第六子分区C1或第七子分区C2的从用户103的数据包在数据线路网络115的所述部分的数据通信正向方向(图1中未示出)上经过第一分区A、第二分区B和第三分区C并且由第三连接单元111转发给第六子分区C1或第七子分区C2。相应的数据包经过整个子分区XN并且由相应子分区XN的分别最后的从用户103在数据通信反向方向(在图1中未示出)上发送回给主用户101，其中，第三连接单元111将所发送回的数据包转发给主用户101。

所发送回的数据包在数据通信反向方向上也经过第三分区C、第二分区B和第一分区A的数据线路网络115的所述部分并且由主用户101接收。图1中未示出在第二子分区A2、第三子分区A3、第四子分区B1、第五子分区B2、第六子分区C1或第七子分区C2中的用于从用户103的数据通信正向方向和数据通信反向方向。相应的数据通信正向方向和数据通信反向方向类似于在图1中对于第一子分区A1的从用户103示出的数据通信正向方向117和数据通信反向方向119进行。

主用户101被构造用于执行根据本发明的用于在自动化网络100中的用户之间进行实时数据通信的方法。对于根据本发明的用于在自动化网络100中的用户之间进行实时数据通信的方法的详细描述，参考对图2至图5的附图说明。

数据线路网络115例如可以是现场总线系统、尤其是以太网系统或EtherCAT系统或Profibus系统。主用户101例如可以是现场总线主站。从用户103例如可以是现场总线设备、尤其是现场总线端子、致动器或传感器。连接单元105可以构造用于将由主用户发送给相应的从用户103的数据包转发给相应的从用户103或者将由从用户103发送回给主用户101的数据包转发给主用户101。连接单元105例如可以构造为交换机。

连接单元105还可以被构造用于延迟数据包，以便因此防止依次相继的数据包的冲突。因此，尤其是位于数据通信反向方向上的数据包可以通过各个分区X的不同连接单元105在给主用户101的转发中停留这样长的时间，直到在先的数据包由相应的连接单元105完全转发给主用户101。在通过相应的连接单元105完全转发在先的数据包之后，随后的数据包可以由相应的连接单元105完全转发给主用户101。因此，可以防止不同数据包之间的冲突。

连接单元105尤其是可以构造用于将由主用户101发送给从用户103或由从用户103发送给主用户101的数据包以直通方法(Cut-Through-Verfahren)或以存储和转发方法(Store-and-Forward-Verfahren)转发给相应的从用户103或主用户101。

在图1的实施方式中的自动化系统100是仅示例性的性质并且仅用于说明的目的。作为图1中所示的实施方式的替代方案，自动化系统100也可以不同地设计。尤其是，从用户103的数量的布置可以变化。类似地，自动化系统100可具有不同数量的分区X。尤其是，自动化系统100中的从用户103不能布置在分区X中。

图2示出根据一种实施方式的用于在自动化网络100中的用户之间进行数据通信的方法200的流程图。

在下文中参照针对图1描述的自动化网络100描述根据本发明的方法200。但根据本发明的方法200并不限于具有在图1中所示的结构的自动化网络100，而是也可被应用于具有不同结构的自动化网络。

根据图2中的实施方式，所述自动化网络100包括至少一个主用户101、多个从用户103和至少一个连接单元105，它们经由数据线路网络115连接，其中，自动化网络100分成多个分区X，其中，每个分区X包括至少一个从用户103，其中，主用户101构造用于在一个运行中向从用户103发送数据包以用于数据通信，在该运行中数据包由主用户101发送给从用户103并且数据包由从用户103发送回给主用户101，并且其中，所述连接单元105构造用于将被寻址到特定的分区X的从用户103的数据包转发并且将该数据包引回给主用户101。

根据一种实施方式，该方法200包括以下方法步骤：

在第一布置步骤201中，通过主用户101按发送顺序以该发送顺序的总占用持续时间布置n个待发送的数据包，其中，所述总占用持续时间包括从通过主用户101发送首先发送的数据包的第一比特到通过主用户101接收最后接收的数据包的最后一比特的时间段，

在优化步骤203中，通过主用户101实施用于确定具有最小总占用持续时间的优化的发送顺序的优化方法，其中，该优化方法包括以所述发送顺序依次相继的n个数据包的顺序的有限数量的最大n*(n-1)/2的成对交换并且确定通过所述交换引起的发送顺序的总占用持续时间，并且在发送步骤205中，通过主用户101将n个数据包以优化的发送顺序发送给从用户103。

在第一布置步骤201中，主用户101以具有总占用持续时间的发送顺序布置n个待发送的数据包。所述n个数据包可以是待发送的任意数量的数据包，其中，n可以是任意的自然数。发送顺序可以是n个待发送数据包的任意顺序，数据包以该顺序依次布置，从而n个待发送的数据包可以通过主用户101根据所述发送顺序被依次发送。

n个待发送的数据包可以以所述发送顺序任意地布置。如针对图1详细解释，主用户101与从用户103之间的数据通信可以以轮询方法实施，在该轮询方法中在读出数据包中包含的数据之后，将通过主用户101发送给相应的从用户103的数据包通过相应的从用户103发送回给主用户101。因此，由主用户101发送的n个数据包在经过相应的从用户103之后通过主用户101最终再次被接收。

因此，n个待发送的数据包的发送顺序的总占用持续时间包括从发送首先发送的数据包的第一比特直到通过主用户101接收最后接收的数据包的最后一比特的时间段。因此，发送顺序的总占用持续时间描述n个发送的数据包在主用户101与从用户103之间通过数据线路网络115传输的时间段。

在优化步骤203中，主用户101实施优化方法，以确定具有最小总占用持续时间的优化的发送顺序。为此，主用户101经过以发送顺序依次相继的n个数据包的顺序的有限数量的成对交换。

依次相继的数据包的顺序的成对交换包括数据包与以发送顺序直接在前的或直接在后的数据包的交换，使得以发送顺序两个直接依次相继布置的数据包分别占据以发送顺序直接在前的或后续的数据包的位置。

在两个依次相继的数据包每次成对交换之后，通过主用户101利用分别成对交换的数据包确定发送顺序的总占用持续时间。在由主用户101以发送顺序最大n*(n-1)/2的成对交换数据包之后，该主用户确定具有最小总占用持续时间的优化的发送顺序。

在发送步骤205中，主用户101根据优化的发送顺序将n个待发送的数据包发送给从用户103。

如果通过以所述发送顺序依次相继的数据包的顺序的成对交换没有实现具有最小总占用持续时间的优化的发送顺序，也就是说：如果通过成对交换没有实现相对于最初的发送顺序的对总占用持续时间的改善，则n个待发送的数据包根据最初的发送顺序被发送。

图3示出根据另一实施方式的用于在自动化网络100中的用户之间进行数据通信的方法200的流程图。

除非另有说明，根据图3中的实施方式的方法200包括针对图2描述的方法步骤。

根据在图3中的实施方式，所述第一布置步骤201包括以下方法步骤：

在第二布置步骤207中，以具有n个数据包的下降的单独运行持续时间的下降的发送顺序布置所述n个数据包，其中，以下降的发送顺序将具有最长单独运行持续时间的数据包布置在所述发送顺序的的第一位置上并且将具有最短单独运行持续时间的数据包布置在所述发送顺序的最后位置上，并且其中，每个数据包的单独运行持续时间包括从通过主用户101发送数据包的第一比特到通过主用户101接收数据包的最后一比特的时间段；

在第一确定步骤209中，为下降的发送顺序的n个数据包中的每个数据包确定第一接收时间标记，其中，发送顺序的任意数据包的第一接收时间标记是接收相应数据包的第一比特的时间点，并且其中，第一接收时间标记的值包括从通过主用户101发送所述发送顺序的第一数据包的第一比特到通过主用户101接收所述发送顺序的相应数据包的第一比特的时间段，并且为下降的发送顺序的n个数据包中的每个数据包确定第二接收时间标记，其中，第二接收时间标记对应于第一接收时间标记的值与数据包的单独占用持续时间之和，其中，数据包的单独占用持续时间包括从将数据包的第一比特发送至第一发送时间标记直到将数据包的最后一比特发送至第二发送时间标记的时间段；

在第三布置步骤211中，以具有n个数据包的升高的第一接收时间标记的升高的发送顺序布置下降的发送顺序的n个数据包，其中，以所述升高的发送顺序将具有最小的第一接收时间标记的数据包布置在第一位置上并且将具有最大的第一接收时间标记的数据包布置在最后的位置上；并且

在校正步骤213中，如果数据包的第一接收时间标记早于以升高的发送顺序布置在数据包之前的数据包的第二接收时间标记，则以升高的发送顺序确定数据包的校正的第一接收时间标记和校正的第二接收时间标记，其中，数据包的校正的第一接收时间标记对应于布置在数据包之前的数据包的第二接收时间标记，并且其中，数据包的校正的第二接收时间标记对应于校正的第一接收时间标记和数据包的单独占用持续时间之和。

在第二布置步骤207中，主用户101以具有n个数据包的下降的单独运行持续时间的下降的发送顺序布置n个数据包，其中，以下降的发送顺序将具有最长单独运行持续时间的数据包布置在下降的发送顺序的第一位置上并且将具有最短单独运行持续时间的数据包布置在下降的发送顺序的最后位置上。在此，数据包的单独运行持续时间包括从通过主用户101发送数据包的第一比特到通过主用户101接收数据包的最后一比特的时间段。如上面已经提到的，主用户101与从用户103之间的数据通信为此包括通过主用户101将数据包发送给相应的从用户103并且通过被寻址的从用户103将数据包发送回并且通过主用户101相应地接收所发送回的数据包。

主用户101可以为此为每个数据包确定相应的单独运行持续时间。单独运行持续时间在此由双倍等待时间、数据包的单独占用持续时间以及对于相应分区的数据包的单独运行持续时间的总和得出。数据包的等待时间在此包括如下时间段，该时间段用于将数据包从主用户101数据传输至相应分区X的相应连接单元105，在该分区X中布置有从用户103，待发送的数据包被寻址到该从用户。

数据包的单独占用持续时间包括从通过主用户101将数据包的第一比特发送至第一发送时间标记直至将数据包的最后一比特发送至第二发送时间标记的时间段。在此，在相应分区中的数据包的单独占用持续时间包括从通过相应分区X的相应连接单元105接收数据包的第一比特至通过相应连接单元105将数据包的最后一比特发送给主用户101的时间段。

因此，数据包在相应分区中的单独运行持续时间描述相应的数据包为了完整经过布置有被寻址的从用户103的相应的分区X或所属的子分区XN所需的时间段，从而相应的数据包在通过被寻址的从用户103读取之后能够通过相应的连接单元105发送回给主用户101。对于主用户101与从用户103之间的使用直通方法的数据通信，数据包的单独占用持续时间对应于相应数据包的帧长度。

因此，所述发送顺序的n个数据包的单独运行持续时间可以根据相应被寻址的从用户103来变化。关于图1中的自动化网络100，在相同分区X的不同子分区XN中被发送给从用户103的数据包的单独运行持续时间发生变化。

寻址到不同子分区XN的从用户103的数据包经过相同分区X的不同路程并且经过不同数量的从用户103，从而相应的数据包因此在该分区内具有不同的单独运行持续时间，也就是说在各个分区X的相应的子分区XN通过相应的连接单元105被发送回给主用户101之前需要经过各个分区X的相应子分区XN的不同的持续时间。

因此，寻址到不同分区X的从用户103的数据包同样可以在其单独运行持续时间中变化，因为这种数据包在其可以通过相应的连接单元105被发送回给主用户101之前经过不同数量的分区X和在该分区X内的不同路径。

在根据对于相应的数据包相应地寻址的从用户103确定每个数据包的单独运行持续时间之后，主用户101以下降的发送顺序布置具有下降的单独运行持续时间的发送顺序的数据包。

在第一确定步骤209中，主用户101为下降的发送顺序的n个数据包中的每个数据包确定第一接收时间标记。在此，下降的发送顺序的任意数据包的第一接收时间标记描述从通过主用户101发送下降的发送顺序的第一数据包的第一比特到通过主用户101接收下降的发送顺序的相应数据包的第一比特的时间段。

在第一确定步骤209中，主用户101还确定用于下降的发送顺序的n个数据包中的每个数据包的第二接收时间标记。下降的发送顺序的每个数据包的第二接收时间标记描述相应的数据包的第一接收时间标记和单独占用持续时间之和。如上面已经解释的，数据包的单独占用持续时间描述从通过主用户101将数据包的第一比特发送至第一发送时间标记直至将数据包的最后一比特发送至第二发送时间标记的时间段。对于在直通方法中主用户101与从用户103之间的数据通信，数据包的单独占用持续时间对应于相应数据包的帧长度。

在第三布置步骤211中，主用户101以升高的发送顺序布置下降的发送顺序的n个数据包，其中，升高的发送顺序的第一数据包具有最小的第一接收时间标记并且升高的发送顺序的最后的数据包具有最大的第一接收时间标记。

在校正步骤213中，如果相应的数据包的第一接收时间标记早于以升高的发送顺序布置在数据包之前的数据包的第二接收时间标记，主用户101为升高的发送顺序的每个数据包确定校正的第一接收时间标记。在此，升高的发送顺序的数据包的校正的第一接收时间标记对应于以升高的发送顺序布置在数据包之前的数据包的第二接收时间标记。除了校正的第一接收时间标记，主用户101为相应的数据包确定校正的第二接收时间标记。在此，所述校正的第二接收时间标记对应于校正的第一接收时间标记和相应的数据包的单独占用持续时间之和。

为了更详细地描述相应的参量和所描述的方法步骤，参考针对图4的附图说明并且尤其是参考在那里所列举的表1至3和针对相应的表所列举的解释。

图4示出根据另一实施方式的用于在自动化网络100中的用户之间进行数据通信的方法200的流程图。

除非另有说明，根据图4中的实施方式的方法200包括针对图2或图3描述的方法步骤。

在第二确定步骤215中，主用户101为每个数据包确定发送偏移。在此，在发送顺序中的数据包的发送偏移对应于在相应的发送顺序中布置在相应数据包上游的数据包的单独占用持续时间的总和。

在第四布置步骤217中，主用户101还以下降的发送顺序这样布置n个数据包，使得下降的发送顺序的数据包的第一比特的发送以相应数据包相对于下降的发送顺序的第一数据包的第一比特的发送的发送偏移延迟。在此，数据包的发送偏移对应于布置在相应数据包上游的数据包的单独占用持续时间的总和。因此下降的发送顺序的n个数据包中的每个数据包相对于直接布置在该数据包之前的数据包以直接布置在相应的数据包上游的数据包的相应的单独占用持续时间延迟，使得在发送直接布置在该数据包之前的数据包的最后一比特之前，不能实现发送下降的发送顺序的数据包的第一比特。

在下面的表1至3中，基于在图1中示出的自动化网络100借助示例性的数值示例性地示出上面描述的方法步骤以及其中出现的参量。在表1至3中以及在针对图5阐述的表4至5中说明的数值或者时间单位不对应于真实的参量说明并且仅仅用于说明目的。

表1

具有单独运行持续时间的发送顺序

在表1中，以任意的发送顺序布置有7个由自动化网络100的主用户101发送给从用户103的数据包。各个数据包用布置在表1左侧的标法DA1、DA2、DA3、DB1、DB2、DC1和DC2来标识。各个数据包的标识对应于图1中所示的自动化网络100的子分区DA1至DC2。因此，数据包DA1被寻址到第一子分区DA1的从用户103，而数据包DC2被寻址到图1中的自动化网络100的第七子分区DC2的从用户103。

在表1的第一列中针对每个数据包列举了一个等待时间(Lat)。所述等待时间涉及数据包由主用户101传输给包括相应的子分区XN的分区X所需的时间段。因此，不同数据包的等待时间根据相应的分区X与主用户101的距离来区分，从而数据包DA1、DA2、DA3具有最小的等待时间，而分别被传输直到第三分区C的数据包DC1和DC2具有最大的等待时间。

在表1的第二列中，对于每个数据包给出一个单独占用持续时间。单独占用持续时间分别地与相应的数据包相关并且可以在数据包之间变化。单独占用持续时间可以用一个数据包的帧长度来解释。数据包的单独占用持续时间与其中布置有被寻址的从用户103的相应子分区XN的关联不存在。

在表1的第3列中，对于每个数据包给出了单独部分运行持续时间。数据包的单独部分运行持续时间涉及数据包经过相应的分区X、尤其是相应的子分区XN所需的时间段并且因此尤其是包括从通过各自的分区X的相应的连接单元105接收数据包直至通过相应的连接单元105将数据包发送给主用户101的时间段。

在表1的第四列中，对于每个数据包给出一个单独运行持续时间。数据包的单独运行持续时间涉及从通过主用户101发送数据包的第一比特直到通过主用户101接收数据包的最后一比特的时间段。因此，数据包的单独运行持续时间描述对于相应的数据包从主用户101沿数据通信正向方向至被寻址的从用户103以及相应的从用户103沿相应的数据通信反向方向返回至主用户101的运行所需的时间段。从在表1中列举的参量中，对于任意数据包的单独运行持续时间作为两倍等待时间(分别对于数据通信正向方向一次和对于数据通信反向方向一次)和分别描述在相应的分区内用于完整运行的时间段的单独部分运行持续时间之和减去相应的数据包的单独占用持续时间得出。

表2

具有下降的单独运行持续时间和第一接收时间标记的下降的发送顺序

在表2中，表1中的数据包以下降的发送顺序布置，其中，相应的数据包以具有下降的单独运行持续时间的下降的发送顺序布置。因此，下降的发送顺序的第一数据包(在表2中为数据包DA3)具有最长的单独运行持续时间，而下降的发送顺序的最后的数据包、在表2中为数据包DB1具有最短的单独运行持续时间。

除了表1中的参量之外，在表2中为每个数据包在第五列中给出一个发送偏移。任意数据包的发送偏移对应于以相应下降的发送顺序中布置在相应数据包上游的数据包的单独占用持续时间的总和。因此，下降的发送顺序的数据包的发送偏移描述在发送相应的数据包的第一比特中相对于发送第一数据包的第一比特的延迟。因此，数据包DA1的第一比特的发送例如相对于数据包DA3的第一比特的发送延迟了84个时间单位。

在表2的第六列中，还为每个数据包给出一个第一接收时间标记。所述第一接收时间标记是通过主用户101接收相应的数据包的第一比特的时间点，并且第一接收时间标记的值描述从通过主用户101发送下降的发送顺序的第一数据包的第一比特直至通过主用户101接收相应的数据包的第一比特的时间段。通过表2中列举的参量，从相应的数据包的单独运行持续时间和发送偏移的总和减去相应的数据包的单独占用持续时间得到用于数据包的第一接收时间标记。

下降的发送顺序的数据包的第一接收时间标记的值涉及从通过主用户101发送下降的发送顺序的第一数据包的第一比特直到通过主用户101接收相应的数据包的第一比特的时间段。通过表2中列举的参量，从数据包的单独运行持续时间和数据包的发送偏移的总和减去相应的数据包的单独占用持续时间得到数据包的第一接收时间标记。

表3

具有升高的第一接收时间标记和校正的第一接收时间标记的升高的发送顺序

在表3中，表2的下降的发送顺序的数据包以升高的发送顺序布置。在表3的升高的发送顺序中，数据包随着第一接收时间标记升高而布置，使得升高的发送顺序的第一数据包、在表3中为数据包DB1具有最小的第一接收时间标记，并且升高的发送顺序的最后的数据包、在表3中为数据包DB2因此具有最大的第一接收时间标记。

在表3的第七列中，还为每个数据包给出一个校正的第一接收时间标记。根据校正步骤213，如果必须担心数据包与前一数据包的冲突，则必须尤其是根据数据通信反向方向延迟数据包。这种冲突对应于如下情形，即数据包的第一接收时间标记早于布置在该数据包上游的数据包的第二接收时间标记。数据包的第二接收时间标记对应于相应的数据包的第一接收时间标记和数据包的单独占用持续时间的总和。

在表3中，前三个数据包DB1、DC1和DA1不涉及与分别在先的数据包的冲突。数据包DC1的第一接收时间标记晚于数据包DB1的第一接收时间标记加上数据包DB1的单独占用持续时间。数据包DA1的第一接收时间标记同样晚于数据包DC1的第一接收时间标记加上数据包DC1的单独占用持续时间。因此，对于前三个数据包DB1、DC1和DA1不存在引起延迟并且确定与第一接收时间标记不同的、校正的第一接收时间标记的起因。

而第四数据包DA2的第一接收时间标记早于数据包DA1的第一接收时间标记和数据包DA1的单独占用持续时间的总和。因此，在数据包DA1和DA2之间要担心冲突并且因此存在延迟第四数据包DA2的起因。因此，在校正步骤213中，主用户101对于数据包DA2确定一个校正的第一接收时间标记。对于数据包DA2的校正的第一接收时间标记对应于数据包DA1的第一接收时间标记和数据包DA1的单独占用持续时间之和，即数据包DA1的第二接收时间标记。

数据包DA2的延迟和数据包DA2的校正的第一接收时间标记的确定导致数据包DA2和DC2的冲突，其方式为第五数据包DC2的第一接收时间标记早于数据包DA2的校正的第一接收时间标记和数据包DA2的单独占用持续时间的总和、即数据包DA2的校正的第二接收时间标记。因此，第五数据包DC2必须同样被延迟并且必须为数据包DC2确定校正的第一接收时间标记。对于数据包DC2的校正的第一接收时间标记对应于数据包DA2的校正的第一接收时间标记和数据包DA2的单独占用持续时间之和，即数据包DA2的校正的第二接收时间标记。

如由表3可看出，第六和第七数据包DA3、DB2也必须被延迟，因为数据包DC2和数据包DA3之间的冲突以及数据包DA3和数据包DB2之间的冲突是可以预期的。数据包DA3和数据包DB2的相应的校正的第一接收时间标记与上述步骤类似地被确定，从而数据包DA3的校正的第一接收时间标记对应于数据包DC2的校正的第一接收时间标记和数据包DC2的单独占用持续时间的总和，也就是数据包DC2的校正的第二接收时间标记，并且数据包DB2的校正的第一接收时间标记对应于数据包DA3的校正的第一接收时间标记和数据包DA3的单独占用持续时间的总和，也就是数据包DA3的校正的第二接收时间标记。

升高的发送顺序的第四到第七数据包的延迟导致延长升高的发送顺序的总占用持续时间。升高的发送顺序的总占用持续时间对应于最后的数据包DB2的校正的第一接收时间标记和最后的数据包DB2的单独占用持续时间的总和。

图5示出根据另一实施方式的用于在自动化网络100中的用户之间进行数据通信的方法200的流程图。

除非另有说明，根据图5中的实施方式的方法200包括针对图2、图3或图4描述的方法步骤。

根据在图5中的实施方式，所述优化步骤203包括以下方法步骤：

在第一交换步骤219中以具有第m个发送顺序的第m个总占用持续时间的n个数据包的第m个发送顺序交换第i个数据包和接着所述第i个数据包的第i+1个数据包的顺序并且形成具有第m+1个总占用持续时间的第m+1个发送顺序，其中，在第m+1个发送顺序中交换第i个数据包和第i+1个数据包的顺序，并且其中适用1≤i≤n-1并且n≥3，其中元素i、m、n、k是自然数，

在第一检查步骤221中检查第m+1个总占用持续时间是否小于第m个总占用持续时间；

如果第m+1个总占用持续时间不短于第m个总占用持续时间：

则在第一交换回来步骤223中交换回来第i个数据包和第i+1个数据包的顺序并且恢复第m个发送顺序；

在第二检查步骤225中检查是否适用：i＝n-1；

如果适用：i＝n-1，

则在发送步骤205中根据第m个发送顺序发送n个数据包；

如果不适用：i＝n-1，

则在第一设定步骤227中设定i＝i+1；

继续进行具有第m个发送顺序的第一交换步骤219；

如果第m+1个总占用持续时间短于第m个总占用持续时间：

则在第二设定步骤229中以第m+1个发送顺序保持第i个数据包和第i+1个数据包的顺序的交换并且设定在第m+1个发送顺序中k＝i，

在第三检查步骤231中检查是否适用：在第m+1个发送顺序中k＜2；

如果适用：k＜2，

则继续进行具有第m+1个发送顺序的第二检查步骤225，

如果不适用k＜2：

则在第二交换步骤233中交换第k个数据包的顺序和以第m+1个发送顺序在第k个数据包之前的第k-1个数据包的顺序并且确定具有第m+2个总占用持续时间的第m+2个发送顺序，其中，在第m+2个发送顺序中第k个数据包和第k-1个数据包的顺序被交换，

在第四检查步骤235中检查第m+2个总占用持续时间是否小于第m+1个发送顺序的第m+1个总占用持续时间，

如果第m+2个总占用持续时间不短于第m+1个总占用持续时间：

则在第二交换回来步骤237中交换回来第k个数据包和第k-1个数据包的顺序并且恢复第m+1个发送顺序；

则继续进行具有第m+2个发送顺序的第二检查步骤225，

如果第m+2个总占用持续时间短于第m+1个总占用持续时间：

则在第三设定步骤239中以第m+1个发送顺序保持第k个数据包和第k-1个数据包的顺序的交换并且设定k＝k-1并且m＝m+2，

则以第m个发送顺序继续进行第三检查步骤231。

为了优化发送顺序，例如表3的升高的发送顺序，主用户101在优化步骤203中实施优化方法，以便基于例如升高的发送顺序确定优化的发送顺序，该发送顺序具有比升高的发送顺序更小的总占用持续时间。

为此，主用户101在第一交换步骤219中以第m-1个发送顺序交换第i个数据包和接着第i个数据包的第i+1个数据包的顺序。对于具有n个数据包的发送顺序，第i个数据包可以是任意的数据包，其中i≥1并且i≤n-1，其中适用：n≥3。第m个发送顺序可以是任意初始发送顺序。例如，第m个发送顺序可以是升高的发送顺序，在该发送顺序中n个数据包随着第一接收时间标记的升高布置。根据一种实施方式，第i个数据包可以是发送顺序的第一数据包、尤其是升高的发送顺序的第一数据包。

通过以第m个发送顺序交换第i个数据包和第i+1个数据包的顺序，形成第m+1个发送顺序，在该发送顺序中第i个数据包和第i+1个数据包的顺序与第m个发送顺序交换。第m个发送顺序具有第m个总占用持续时间，第m+1个发送顺序具有第m+1个总占用持续时间。第m个发送顺序的第m个总占用持续时间和第m+1个发送顺序的第m+1个总占用持续时间可以彼此不同。对于通过交换数据包的顺序来计算总占用持续时间或者总占用持续时间的变化的详细描述，参见对表4和5的描述。

在第一检查步骤221中，主用户101检查第m+1个发送顺序的第m+1个总占用持续时间是否短于第m个发送顺序的第m个总占用持续时间。

如果第m+1个总占用持续时间不短于第m个总占用持续时间，在第一交换回来步骤223中主用户101将第i个数据包和第i+1个数据包的顺序交换回来并且重新建立第m个发送顺序。

在第二检查步骤225中，主发出方101检查之前交换的第i个数据包在重新建立的第m个发送顺序中是否是第m个发送顺序中的相应倒数第二个数据包，也就是说是否适用：i＝n-1。

当第i个数据包是第m个发送顺序的倒数第二个数据包并且因此i＝n-1成立时，优化方法结束并且主用户101基于第m个发送顺序发送n个数据包，即：初始发送顺序，例如在发送步骤205中发送给从用户103的升高的发送顺序。

如果第i个数据包不是第m个顺序的倒数第二个数据包并且因此不适用：i＝n-1，则在第一设定步骤227中主用户101以第m个发送顺序设定i＝i+1。通过设定i＝i+1，对于在发送顺序中的下一个成对交换，位置沿发送顺序的结束方向进一步向前移动，使得在随后的交换步骤中在第一交换步骤219的第i个数据包之后的数据包被相互交换。如果在第一交换步骤219中例如i＝1并且因此在第一交换步骤219中第一和第二数据包的顺序相互交换，则意味着设定i＝i+1，也就是说：i＝2，在随后的交换步骤中第二和第三数据包的顺序被相互交换。

方法200通过参照新设定的第i个数据包和新设定的第i+1个数据包重复第一交换步骤219而继续进行。通过进一步设定i＝i+1并且相应地交换第i个数据包和第i+1个数据包实现了在每次重新实施第一交换步骤219和在先的第一设定步骤227中数据包的成对交换分别沿第m个发送顺序结束的方向、即初始发送顺序序，例如升高的发送顺序进一步返回一个位置。因此，在n-1个步骤中，发送顺序的所有n个数据包可以分别一次与直接紧接着的数据包交换并且一次与直接先前的数据包交换。

如果在第一检查步骤221中确定第m+1个总占用持续时间小于第m个总占用持续时间，则以第m+1个发送顺序保持第i个数据包和第i+1个数据包的顺序的交换并且在第二设定步骤229中以第m+1个顺序设定k＝i。

通过将第i个数据包改名为第k个数据包，在下面的方法步骤中沿相反的方向继续数据包的交换。在使用用于第i个数据包和第i+1个数据包的指数i时表明，交换方向从发送顺序的开始指向发送顺序的结束。因此，依次相继的数据包被交换，直至到达发送顺序的结束。

在使用用于第k个数据包和第k-1个数据包的指数k时表明，从第k＝i个数据包出发沿发送顺序的开始方向继续交换。

在第三检查步骤231中，主用户101检查第k个数据包是否是第m+1个发送顺序的第一数据包，也就是说是否适用：k＜2。

如果第k个数据包是第m+1个发送顺序的第一个数据包，则参照第m+1个发送顺序继续进行第二检查步骤225。

如果在第三检查步骤231中确定第k个数据包不是第m+1个发送顺序的第一数据包并且因此不适用：k＜2，则在第二交换步骤233中第k个数据包和以第m+1个发送顺序在第k个数据包之前的第k-1个数据包的顺序被交换并且确定具有第m+2个总占用持续时间的第m+2个发送顺序。在第m+2个发送顺序中，第k个数据包和第k-1个数据包的顺序相比于第m+1个发送顺序被交换。

在第四检查步骤235中，检查第m+2个发送顺序的第m+2个总占用持续时间是否短于第m+1个发送顺序的第m+1个总占用持续时间。

如果在第四检查步骤235中确定第m+2个总占用持续时间不短于第m+1个总占用持续时间，则在第二交换回来步骤237中交换回第k个数据包和第k-1个数据包的顺序并且重新建立第m+1个发送顺序。

通过第m+1个发送顺序，该方法通过第二检查步骤225继续。

如果在第四检查步骤235中确定第m+2个总占用持续时间短于第m+1个总占用持续时间，则以第m+2个发送顺序保持第k个数据包和第k-1个数据包的顺序的交换并且在第三设定步骤239中以第m+2个发送顺序设定k＝k-1和m＝m+2。通过设定k＝k-1实现了如果在随后的第三检查步骤231中确定不适用k＜2，则在随后的第二交换步骤233中将两个以第m发送顺序布置在第k数据包之前的数据包的顺序相互交换。

该方法通过具有第m个发送顺序和重新设定的第k个和第k-1个数据包的第三检查步骤231继续。如果在第二交换步骤233中例如k＝5，则因此在第二交换步骤233中交换相应的发送顺序的第五数据包和第四数据包，则通过在第m发送顺序中设定k＝k-1，k＝4适用。因此，在第二交换步骤233中，第四数据包与第m个发送顺序的第三数据包交换并且因此构建第m+2个发送顺序。因此，通过设定k＝k-1和随后的交换实现了从第k个数据包出发沿相应的发送顺序的开始的方向实现成对交换。

因此，通过所述的优化方法，优选从发送顺序的开始出发沿发送顺序结束的方向对直接依次相继的数据包实施成对交换，直至两个依次相继的数据包的交换导致较短的总占用持续时间。

在较短的总占用持续时间的情况下，保持两个数据包的交换并且再次从交换的数据包的开始出发沿相应的发送顺序的开始的方向实施成对交换。如果所述成对交换不导致缩短的发送顺序，则从交换的数据包出发沿发送顺序的结束方向再次继续成对交换，数据包的交换已经导致缩短的发送顺序。

在每次数据包沿发送顺序的结束方向进行实现缩短的总占用持续时间的交换时，从这两个交换的数据包出发沿发送顺序的开始方向进行交换，直到没有实现总占用持续时间的改善或者达到发送顺序的开始。接着，沿发送顺序的结束方向继续进行成对交换。一旦达到发送顺序的结束，优化方法就结束。在完成优化方法之后，将具有分别最短总占用持续时间的发送顺序用于通过主用户101发送n个数据包。

借助延续表1至3的表4和表5，根据上述优化方法进行数据包交换并且确定通过交换实现的发送顺序的总占用持续时间。

表4

具有升高的第一接收时间标记、校正的第一接收时间标记和成对交换的升高的发送顺序

表4基于表3并且示出七个数据包DA1至DC2的升高的发送顺序。相对于表3，在表4中第四数据包DA2和第五数据包DC2的顺序相互交换。通过数据包DC2在数据包DA2的位置处交换，数据包DC2承担数据包DA2的发送偏移。因此，在交换之后，数据包DC2具有48个时间单位的发送偏移。根据针对表2列举的对应于单独运行持续时间和发送偏移减去数据包的单独占用持续时间的总和的第一接收时间标记的计算方式，通过交换，数据包DC2的第一接收时间标记从表3中的380个时间单位减小到表4中的360个时间单位。

通过数据包DC2与数据包DA2的顺序的交换，同样给数据包DA2分配新的发送偏移。然而，数据包DA2的发送偏移在与数据包DC2交换之后不对应于数据包DC2在交换之前的发送偏移。因为数据包的发送偏移对应于布置在相应的数据包前面的数据包的单独占用持续时间的总和，并且通过用数据包DC2交换数据包DA2，该数据包在交换之后位于数据包DA2之前，但是该数据包具有比数据包DA2短四个时间单位的单独占用持续时间，所以在交换之后的数据包DC2的发送偏移相对于在交换之前的数据包DC2的发送偏移同样减小了四个时间单位。根据上述计算方式，在交换之后对于数据包DA2得出与在表3中列举的不同的第一接收时间标记。

表5

具有升高的第一接收时间标记、校正的第一接收时间标记和成对交换的升高的发送顺序

表5基于表4并且通过数据包DA1和DC2的交换由表4得知。

通过数据包DC2与数据包DA2的交换引起的数据包DC2的新的第一接收时间标记短于在表4中布置在数据包DC2之前的数据包DA1的第一接收时间标记。为了保持表4内的升高的发送顺序，在该发送顺序中数据包从数据包DB1出发以升高的第一接收时间标记布置，在表5中相对于表4交换数据包DC2和DA1的顺序。

因为在交换数据包DC2和DA1之后数据包DA1的第一接收时间标记早于数据包DC2的第二接收时间标记，第二接收时间标记对应于数据包DC2的第一接收时间标记和数据包DC2的单独占用持续时间的总和，所以数据包DA1必须经受延迟，以避免数据包DA1和DC2的冲突。因此，在表5中对于数据包DA1确定了校正的第一接收时间标记，其对应于数据包DC2的第一接收时间标记和数据包DC2的单独占用持续时间的总和。因为不必担心在数据包DA1与数据包DA2之间的冲突，所以数据包DA2的校正的第一接收时间标记对应于数据包DA2的第一接收时间标记。由于数据包DA2与数据包DA3或数据包DA3与数据包DB2之间的相应的冲突，对于数据包DA3和数据包DB2确定根据上述方法校正的第一接收时间标记。

对于在表5中列举的具有数据包DA1、DC2和DA2的顺序的上述交换的升高的发送顺序，由最后接收的数据包DB2的校正的第一接收时间标记和数据包DB2的相应的单独占用持续时间得出总占用持续时间。在此，表5中列举的发送顺序的总占用持续时间对应于460个时间单位。与此相比，表3的发送顺序具有472个时间单位的总占用持续时间，该总占用持续时间同样由最近接收的数据包DB2的校正的第一接收时间标记和该数据包DB2的单独占用持续时间得出。就此说明，通过交换表4和5中的上述数据包可以实现七个数据包的相应的发送顺序的总占用持续时间的减少。

上述方法可以通过表5的数据包继续，直到实现具有最小总占用持续时间的优选的发送顺序。借助表1至5的各个方法步骤的说明仅用于说明目的。由于借助表4和5中的数据包交换可以阐明各个交换步骤的特征和确定发送顺序的总占用持续时间，因此省去基于示例的其它说明附加的交换步骤。

附图标记列表

100 自动化网络

101 主用户

103 从用户

X 分区

XN 子分区

A 第一分区

A1 第一子分区

A2 第二子分区

A3 第三子分区

B 第二分区

B1 第四子分区

B2 第五子分区

C 第三分区

C1 第六子分区

C2 第七子分区

105 连接元件

107 第一连接元件

109 第二连接元件

111 第三连接元件

113 控制单元

115 数据线路网络

117 数据通信正向方向

119 数据通信反向方向

200 用于数据通信的方法

201 第一布置步骤

203 优化步骤

205 发送步骤

207 第二布置步骤

209 第一确定步骤

211 第三布置步骤

213 校正步骤

215 第二确定步骤

217 第四布置步骤

219 第一交换步骤

221 第一检查步骤

223 第一交换回来步骤

225 第二检查步骤

227 第一设定步骤

229 第二设定步骤

231 第三检查步骤

233 第二交换步骤

235 第四检查步骤

237 第二交换回来步骤

239 第三设定步骤

Claims (8)

1.一种用于在自动化网络(100)中的用户之间进行实时数据通信的方法(200)，其中，自动化网络(100)包括一个主用户(101)、多个从用户(103)和至少一个连接单元(105)，它们经由数据线路网络(115)相互连接，其中，所述数据线路网络(115)构成为现场总线系统，其中，主用户(101)构造用于在一个运行中向从用户(103)发送数据包以用于数据通信，在该运行中数据包由主用户(101)发送给从用户(103)并且数据包由从用户(103)发送给主用户(101)，并且其中，所述连接单元(105)构造用于将被寻址到从用户(103)的数据包转发并且将该数据包引回给主用户(101)，其中，该方法(200)包括以下方法步骤：

在第一布置步骤(201)中，通过主用户(101)按发送顺序以该发送顺序的总占用持续时间布置n个待发送的数据包，其中，所述总占用持续时间包括从通过主用户(101)发送首先发送的数据包的第一比特到通过主用户接收最后接收的数据包的最后一比特的时间段，

在优化步骤(203)中，通过主用户(101)实施用于确定具有最小总占用持续时间的优化的发送顺序的优化方法，其中，该优化方法包括以所述发送顺序依次相继的n个数据包的最大n*(n-1)/2的成对交换，并且确定通过所述交换产生的发送顺序的总占用持续时间，并且

在发送步骤(205)中，通过主用户(101)将n个数据包以优化的发送顺序发送给从用户(103)。

2.根据权利要求1所述的方法(200)，其中，所述第一布置步骤(201)包括：

在第二布置步骤(207)中，以具有n个数据包的下降的单独运行持续时间的下降的发送顺序布置所述n个数据包，其中，以下降的发送顺序将具有最长单独运行持续时间的数据包布置在所述发送顺序的第一位置上并且将具有最短单独运行持续时间的数据包布置在所述发送顺序的最后位置上，并且其中，每个数据包的单独运行持续时间包括从通过主用户(101)发送数据包的第一比特到通过主用户(101)接收数据包的最后一比特的时间段。

3.根据权利要求2所述的方法(200)，其中，所述第一布置步骤(201)还包括：

在第一确定步骤(209)中，为下降的发送顺序的n个数据包中的每个数据包确定第一接收时间标记，其中，发送顺序的任意数据包的第一接收时间标记是接收相应数据包的第一比特的时间点，并且其中，第一接收时间标记的值包括从通过主用户(101)发送所述发送顺序的第一数据包的第一比特到通过主用户(101)接收所述发送顺序的相应数据包的第一比特的时间段，并且为下降的发送顺序的n个数据包中的每个数据包确定第二接收时间标记，其中，第二接收时间标记对应于第一接收时间标记的值与数据包的单独占用持续时间之和，其中，数据包的单独占用持续时间包括从针对第一发送时间标记发送第一数据包的第一比特到针对第二发送时间标记发送第二数据包的最后一比特的时间段，其中，所述第一发送时间标记是发送相应数据包的第一比特的时间点，并且其中，所述第二发送时间标记是发送数据包的最后一比特的时间点；

在第三布置步骤(211)中，以具有n个数据包的升高的第一接收时间标记的升高的发送顺序布置下降的发送顺序的n个数据包，其中，以所述升高的发送顺序将具有最小的第一接收时间标记的数据包布置在第一位置上并且将具有最大的第一接收时间标记的数据包布置在最后的位置上；并且

在校正步骤(213)中，如果数据包的第一接收时间标记早于以升高的发送顺序布置在数据包之前的数据包的第二接收时间标记，则以升高的发送顺序确定数据包的校正的第一接收时间标记和校正的第二接收时间标记，其中，数据包的校正的第一接收时间标记对应于布置在数据包之前的数据包的第二接收时间标记，并且其中，数据包的校正的第二接收时间标记对应于校正的第一接收时间标记和数据包的单独占用持续时间之和。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一布置步骤(201)包括：

在第二确定步骤(215)中，确定每个数据包的发送偏移，其中，数据包的发送偏移对应于以所述发送顺序布置在该数据包之前的数据包的单独占用持续时间的总和，并且

在第四布置步骤(217)中，以下降的发送顺序布置n个数据包，使得数据包的第一比特的发送以数据包的相对于下降的发送顺序的第一数据包的第一比特的发送的发送偏移延迟。

5.根据权利要求1所述的方法(200)，其中，所述优化步骤(203)的优化方法包括：

在第一交换步骤(219)中，在具有第m个发送顺序的第m个总占用持续时间的n个数据包的第m个发送顺序中，交换第i个数据包和接着所述第i个数据包的第i+1个数据包的顺序，并且形成具有第m+1个总占用持续时间的第m+1个发送顺序，其中，在第m+1个发送顺序中交换第i个数据包和第i+1个数据包的顺序，并且其中适用1≤i≤n-1和n≥3，其中，i、m、n、k是自然数，

在第一检查步骤(221)中检查第m+1个总占用持续时间是否小于第m个总占用持续时间；

如果第m+1个总占用持续时间不短于第m个总占用持续时间：

则在第一交换回来步骤(223)中交换回来第i个数据包和第i+1个数据包的顺序并且恢复第m个发送顺序；

在第二检查步骤(225)中检查是否适用：在第m个发送顺序中i＝n-1；

如果适用：i＝n-1，

则在发送步骤(205)中根据第m个发送顺序发送n个数据包；

如果不适用：i＝n-1，

则在第一设定步骤(227)中在第m个发送顺序中设定i＝i+1；

以第m个发送顺序继续进行第一交换步骤(219)；

如果第m+1个总占用持续时间短于第m个总占用持续时间：

则在第二设定步骤(229)中在第m+1个发送顺序中保持第i个数据包和第i+1个数据包的顺序的交换并且在m＝m+1个发送顺序中设定k＝i，

在第三检查步骤(231)中检查是否适用：在第m+1个发送顺序中k＜2；

如果适用：k＜2，

则继续进行具有第m+1个发送顺序的第二检查步骤(225)，

如果不适用，则k＜2：

则在第二交换步骤(233)中交换第k个数据包的顺序和在第m+1个发送顺序中在第k个数据包之前的第k-1个数据包的顺序并且确定具有第m+2个总占用持续时间的第m+2个发送顺序，其中，在第m+2个发送顺序中第k个数据包和第k-1个数据包的顺序相对于m+1个发送顺序被交换，

在第四检查步骤(235)中检查第m+2个总占用持续时间是否小于第m+1个总占用持续时间；

如果第m+2个总占用持续时间不短于第m+1个总占用持续时间：

则在第二交换回来步骤(237)中交换回来第k个数据包和第k-1个数据包的顺序并且恢复第m+1个发送顺序；

则以第m+1个发送顺序继续进行第二检查步骤(225)，

如果第m+2个总占用持续时间短于第m+1个总占用持续时间：

则在第三设定步骤(239)中以第m+2个发送顺序保持第k个数据包和第k-1个数据包的顺序的交换并且设定k＝k-1和m＝m+2，

则以第m个发送顺序继续进行第三检查步骤(231)。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第一交换步骤(219)以具有m＝1的第一发送顺序的具有i＝1的第一数据包开始。

7.根据权利要求5的方法，其中，具有m＝1的第一总占用持续时间是升高的发送顺序的校正的总占用持续时间。

8.一种自动化网络(100)，其具有至少一个主用户(101)、多个从用户(103)和至少一个连接单元(105)，它们经由数据线路网络(115)连接，其中，所述主用户(101)被构造用于执行根据权利要求1至7中任一项所述的方法(200)，所述数据线路网络(115)构成为现场总线系统，其中，主用户(101)构造用于在一个运行中向从用户(103)发送数据包以用于数据通信，在该运行中数据包由主用户(101)发送给从用户(103)并且由从用户(103)发送回给主用户(101)，并且其中，所述连接单元(105)构造用于将被寻址到确定分区(X)的从用户(103)的数据包转发并且将该数据包引回给主用户(101)。