CN117242437A - 用于使用时间敏感网络控制通信网络中的冗余功能的方法和系统 - Google Patents

用于使用时间敏感网络控制通信网络中的冗余功能的方法和系统 Download PDF

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CN117242437A CN202280030011.7A CN202280030011A CN117242437A CN 117242437 A CN117242437 A CN 117242437A CN 202280030011 A CN202280030011 A CN 202280030011A CN 117242437 A CN117242437 A CN 117242437A
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Abstract

本发明公开了一种由控制器(201)执行的用于通过在通信网络中配置位于远处的冗余模块来控制冗余功能的方法和系统。由控制器(201)执行的方法包括以下步骤：通过具有TSN的通信网络(206)创建(302)冗余对；基于到第一模块和第二模块的信号的传输来定义(304)主模块(202)和辅模块(204)；引起(306)主模块(202)和辅模块(204)创建用于在主模块(202)与辅模块(204)之间传送冗余信息的TSN流配置；使得(308)主模块(202)能够通过TSN流配置周期性地向辅模块(204)传送(308)冗余信息；以及响应于确定至少一个事件而触发(312)辅模块(204)来执行主模块(202)的功能。

Description

用于使用时间敏感网络控制通信网络中的冗余功能的方法和 系统
技术领域
本文中的实施例总体上涉及通信网络中冗余控制器的配置。更具体地，涉及一种用于通过使用时间敏感网络(TSN)来配置位于远处的冗余模块来控制通信网络中的冗余功能的方法和系统。
背景技术
通信网络中的冗余功能应用于复制除了具有同等可靠性的原件之外能够执行相同/相似功能/操作的设备、装置或软件。
通常，如果有源组件、设备或装置发生故障，则复制或备用组件、设备和装置可以接管有源组件的责任，并且在不中断的情况下继续操作。由于复制或备用组件是原始组件的副本，所以任何组件、设备或装置的故障都不会影响通信网络中所有其他组件的操作。此外，复制或备用组件在硬件或软件方面可以具有与原始组件相同的规范。例如，如果主控制器发生故障，则具有与主控制器类似规范的备用控制器/辅控制器接管责任，并且在没有任何初始化或用户干预的情况下自动提供不间断的操作/服务。
常规上，如图1所示，称为冗余对的主控制器和辅控制器必须位于同一位置，以共享专用实时冗余链路。主控制器和辅控制器应当充当彼此的冗余控制器。然而，在由于火灾、洪水、化学品等造成的危急/危险情况下，位于同一位置的冗余对可能会一起损坏。因此，冗余对的主控制器和辅控制器都可能被暂停，因此，冗余控制器的自动化会发生中断。
为了克服上述问题，冗余对必须位于远处。然而，将冗余对的主控制器和辅控制器重新定位到地理位置较远的位置有若干限制。由于主控制器和辅控制器通常安装在公共安装底座上，这使得很难在远处移动。此外，如图1所示，现有冗余控制器需要专用硬件或专用通信链路或这两者以维持用于控制过程的高可用性操作的无缝冗余。专用硬件和通信链路被部署以在不影响由控制器执行的操作的情况下在所有控制器中维持相似/相同的过程图像，例如，HMI通信、IO通信等。
因此，根据上述讨论，需要重新配置主控制器和辅控制器的位置。
发明内容
本公开的目的是减轻、缓解或消除现有技术中的上述缺陷和缺点中的一个或多个，并且至少解决上述问题。
鉴于上述内容，本文中的一个实施例提供了一种由控制器执行的用于通过在通信网络中配置位于远处的冗余模块来控制冗余功能的方法的第一方面、以及一种用于通过在通信网络中配置位于远处的冗余模块来控制冗余功能的系统的第二方面。
根据实施例的第一方面，提供了一种由控制器执行的用于通过在通信网络中配置位于远处的冗余模块来控制冗余功能的方法。控制器被配置为控制位于第一位置的第一模块和位于第二位置的第二模块。该方法包括以下步骤：通过具有时间敏感网络(TSN)的通信网络创建包括第一模块和第二模块的冗余对。第一模块和第二模块充当彼此的冗余模块。该方法还包括基于到第一模块和第二模块的信号的传输来定义主模块和辅模块的步骤。控制器在从第一模块和第二模块接收到响应信号时定义主模块和副模块；引起主模块和辅模块创建用于在主模块与辅模块之间传送冗余信息的TSN流配置；使得主模块能够通过TSN流配置周期性地向辅模块传送冗余信息；以及响应于确定至少一个事件而触发辅模块来执行主模块的功能。
根据一个实施例，响应于确定至少一个事件而触发辅模块执行主模块的功能的步骤包括：由辅模块确定从主模块到辅模块的通信损耗。通信损耗是通过以预定义时间间隔检查来自主模块的冗余信息的周期性通信来确定的。
根据一个实施例，响应于确定至少一个事件而触发辅模块执行主模块的功能的步骤包括：由辅模块确定主模块的关键功能停止运行。当来自主模块的冗余信息在指定时间内在辅模块处未被接收到时，辅模块确定主模块的关键功能停止运行。
根据一个实施例，冗余信息包括要在主模块与辅模块之间传送以维持数据库的信息、以及正在模块之间传送以维持冗余状态的信息。
根据一个实施例，TSN在通信网络中在主模块与辅模块之间实现，以保留带宽以在主模块与辅模块之间传输冗余信息。
根据一个实施例，引起步骤包括由控制器引起主模块创建TSN流配置以向辅模块传送冗余信息。引起步骤还包括由控制器引起辅模块创建TSN流配置以在辅模块执行主模块的功能时向主模块传送冗余信息。
根据第二方面，提供了一种用于通过在通信网络中配置位于远处的冗余模块来控制冗余功能的系统。该系统包括控制器，该控制器被配置为控制：位于第一位置的第一模块；以及位于第二位置的第二模块。控制器被配置为通过具有时间敏感网络的通信网络创建包括第一模块和第二模块的冗余对。第一模块和第二模块充当彼此的冗余模块。控制器被配置为基于到第一模块和第二模块的信号的传输来定义主模块和辅模块。控制器在从第一模块和第二模块接收到响应信号时定义主模块和辅模块。控制器还被配置为引起主模块和辅模块创建用于在主模块与辅模块之间传送冗余信息的TSN流配置。控制器还被配置为使得主模块能够通过TSN流周期性地向辅模块传送冗余信息，并且响应于确定至少一个事件而触发辅模块执行主模块的功能。
根据一个实施例，响应于确定至少一个事件辅模块被触发以执行主模块的功能包括：由辅模块确定从主模块到辅模块的通信损耗。通信损耗是通过以预定义时间间隔检查来自主模块的冗余信息的周期性通信来确定的。
根据一个实施例，响应于确定至少一个事件辅模块被触发以执行主模块的功能包括：由辅模块确定主模块的关键功能停止运行。当来自主模块的冗余信息在指定时间内在辅模块处未被接收到时，辅模块确定主模块的关键功能停止运行。
根据一个实施例，TSN在主模块与辅模块之间在通信网络中实现，以保留带宽以在主模块与辅模块之间传输冗余信息。
第二方面的效果和特征在很大程度上类似于上面结合第一方面描述的效果和特征。关于第一方面提及的实施例在很大程度上与第二方面兼容。
因此，应当理解，本文中公开的内容不限于上述设备的特定组成部分或上述方法的步骤，因为这样的设备和方法可能会有所不同。还应当理解，本文中使用的术语仅用于描述特定实施例，而非旨在限制。应当注意，在说明书和所附权利要求中使用的术语“一个(a)”、“一个(an)”、“该(the)”和“上述(said)”旨在表示存在一个或多个元素，除非上下文另有明确规定。因此，例如，对“一个单元”或“该单元”的引用可以包括若干设备等。此外，词语“包括(comprising)”、“包括(including)”、“包含(containing)”和类似词语并不排除其他元素或步骤。
通过下面给出的详细描述，本公开将变得很清楚。当结合以下描述和附图考虑时，将更好地理解和理解本发明的实施例的这些和其他方面以及本发明的其他目的和优点。结合附图是为了说明本发明的优选实施例，而不旨在限制其范围。然而，应当理解，以下描述在指示优选实施例及其很多具体细节的同时，是通过说明而非限制的方式给出的。在不脱离其精神的情况下，可以在本文中的实施例的范围内进行不同的配置改变和修改，并且本文中的实施例包括所有这样的修改。
附图说明
详细描述参考附图进行阐述。在图中，附图标记最左边的(多个)数字表示附图标记首次出现的图。在不同的附图中使用相同的附图标记表示相似或相同的项目。
图1示出了被并置以共享专用实时冗余链路的常规主辅冗余对；
图2示出了根据本文中的实施例的用于使用时间敏感网络(TSN)来控制通信网络中位于远处的冗余模块的冗余功能的系统；以及
图3是示出根据本文中的实施例的用于使用时间敏感网络(TSN)来控制通信网络中位于远处的冗余模块的冗余功能的方法的流程图。
具体实施方式
本文中的实施例及其各种特征和有利细节将参考非限制性实施例进行更全面的解释，并且在以下描述中进行详细说明。省略了对公知组件和处理技术的描述，以免不必要地混淆本文中的实施例。本文中使用的示例仅旨在促进对可以实践本文中的实施例的方式的理解，并且进一步使得本领域技术人员能够实践本文中的实施例。因此，这些示例不应当被解释为限制本文中的实施例的范围。
如上所述，需要将主控制器和辅控制器放置在地理位置较远的位置，而无需任何特殊硬件和/或经由特殊光纤或并行总线链路。本文中的实施例通过提供一种用于通过在通信网络中配置位于远处的冗余模块来控制冗余功能的方法和系统来实现这一点。为了实现模块冗余，在主模块和辅模块地理上远离的情况下，本文中的实施例使用基于时间敏感网络(TSN)的以太网技术来在冗余对的主模块与辅模块之间交换冗余信息，而不是模块之间的专用链路。凭借基于TSN的以太网技术的能力，可以将主模块和辅模块定位在地理位置较远的位置处，大大减少硬件和工程工作量。控制器被配置为控制位于第一位置的第一模块和位于第二位置的第二模块。现在参考附图，更具体地参考图2至图3，其中相似的附图标记在附图中一致地表示对应特征，示出了优选实施例。
图2示出了根据一个实施例的用于使用时间敏感网络(TSN)来控制通信网络206中位于远处的冗余模块的冗余功能的系统200。系统200包括控制器201、主模块202、辅模块204以及具有TSN的通信网络总线。通信网络中的冗余功能应用于复制除了具有同等可靠性的原件之外能够执行相同/相似功能/操作的设备、装置或软件。
控制器201被配置为控制位于第一位置的第一模块和位于第二位置的第二模块。在一个实施例中，第一位置和第二模块彼此远离。在一个实施例中，第二模块可以远程地位于远处。
控制器201被配置为通过具有时间敏感网络(TSN)的通信网络206创建包括第一模块和第二模块(在图2中示出为主模块和辅模块)的冗余对。通信网络206可以是以太网过程网络。TSN是适用于基于以太网的网络的IEEE 802标准的集合，基于以太网的网络在默认情况下使网络具有确定性。TSN包括各种能力，包括但不限于时间同步、调度、业务整形、通信路径的选择、路径保留和容错。
控制器201还被配置为基于到第一模块和第二模块的信号的传输来定义主模块202和辅模块204。该信号可以是心跳信号或信标信号等。例如，控制器201将心跳信号传输到第一模块和第二模块。控制器201基于从第一模块和第二模块接收的响应信号来定义主模块202和辅模块204。在一个实施例中，如果控制器201从第一模块接收到响应信号比从第二模块接收的响应信号更快，则控制器201将第一模块定义为主模块202。在另一实施例中，控制器201使用这些信号来标识主模块202和辅模块204的活动状态。
在另一实施例中，主模块202和辅模块204在冗余对的安装阶段期间手动配置和定义。
控制器201还被配置为引起主模块202和辅模块204创建用于在主模块202与辅模块204之间传递冗余信息的TSN流配置。控制器201引起主模块202创建TSN流配置以向辅模块204传送冗余信息，并且引起辅模块204创建TSN流配置以向主模块202传送冗余信息。
控制器201还被配置为使得主模块202能够通过TSN流配置周期性地向辅模块204传送冗余信息。TSN流配置在主模块202与辅模块204之间在通信网络206中实现，以保留带宽以在主模块202与辅模块204之间传输冗余信息。
在一个实施例中，冗余信息/冗余对信息包括要在主模块202与辅模块204之间传送以在主模块202和辅模块204两者处维持具有已更新信息的数据库的信息。例如，与连接到主模块202的设备的状态相关的信息。冗余信息还包括正在主模块202与辅模块204之间传送以维持冗余状态的信息。例如，与主模块202的活动状态相关的信息。
控制器201还被配置为当辅模块204确定来自主模块202的通信损耗时触发辅模块204执行主模块202的功能。在一个实施例中，辅模块204被配置为周期性地检查来自主模块202的冗余信息的接收。当辅模块204未能从主模块接收到冗余信息时，通信损耗将被确定。
例如，如果第一位置发生火灾事故，则位于第一位置的主模块202可能因火灾事故而损坏，并且辅模块204可能会经历来自主模块202的通信损耗。然后，当辅模块204确定并且报告来自主模块202的通信损耗时，控制器201可以触发辅模块204执行主模块202的功能。
类似地，当辅模块204确定主模块202的关键功能停止运行时，控制器201被配置为触发辅模块204执行主模块202的功能。辅模块204被配置为当来自主模块202的冗余信息在指定时间内在辅模块204处未被接收到时，确定主模块202的关键功能停止运行。关键功能可以是对一个或多个设备的控制。
例如，主模块202可以控制连接到主模块202的一个或多个设备。由于某些原因，主模块202的关键功能(对一个或多个设备的控制)停止运行，并且主模块202未能向辅模块204传输冗余信息。辅模块204可以标识出主模块202的关键功能已经停止，并且控制器201触发辅模块204执行主模块202的功能。
在一个实施例中，在主模块202和辅模块204的配置期间，冗余信息和关于TSN网络的信息对主模块202和辅模块204两者都是可用的。TSN发送器信息(主模块202或辅模块204充当传输器或TSN发送器)包括目的地MAC地址、VLAN优先级和VLAN ID，并且TSN侦听器信息(主模块202或辅模块204充当接收器或TSN侦听器)包括目的地MAC地址、VLAN ID和VLAN标签信息。
在一个实施例中，控制器201是处理器或软件模块。在另一实施例中，控制器201可以被配置在主模块202和辅模块204处。在又一实施例中，控制器201可以是被配置在主模块202和辅模块204两者处的开关或可编程逻辑控制器、PLC/监控控制和数据采集、基于SCADA的控制单元。
图3是示出根据一个实施例的用于使用时间敏感网络(TSN)来控制通信网络中位于远处的冗余模块的冗余功能的方法300的流程图。图3所示的方法300是逻辑流程图中的操作集合，其表示可以在硬件、软件、固件或其组合中实现的操作序列。描述方法的顺序不旨在被解释为限制，并且任何数目的所描述的方法块可以以任何顺序组合以实现这些方法或替代方法。此外，在不脱离本文中描述的主题的范围的情况下，可以从方法中删除个体操作。在软件的上下文中，操作表示在由一个或多个处理器执行时执行上述操作的计算机指令。
在步骤302，方法300包括通过具有时间敏感网络(TSN)的通信网络206创建201包括第一模块和第二模块的冗余对。第一模块和第二模块充当彼此的冗余模块。在步骤304，方法300包括基于到第一模块和第二模块的信号的传输来定义主模块202和辅模块204。方法300包括在从第一模块和第二模块接收到响应信号时定义主模块202和辅模块204。在步骤306，方法300包括引起主模块202和辅模块204创建用于在主模块202与辅模块204之间传送冗余信息的TSN流配置。
在步骤308，方法300包括使得主模块202能够通过TSN流配置周期性地向辅模块204传送冗余信息。在步骤310，方法300包括允许辅模块确定(i)从主模块到辅模块的通信损耗和(ii)主模块的关键功能的运行中的至少一项。在步骤312，方法300包括当从主模块202到辅模块204的通信损耗被确定时和/或当确定主模块202的关键功能停止运行时，触发辅模块204执行主模块202的功能。
在一个实施例中，冗余信息/冗余对信息包括要在主模块202与辅模块204之间传送以在主模块202和辅模块204两者处维持具有已更新信息的数据库的信息。例如，与连接到主模块202的设备的状态相关的信息。冗余信息还包括正在主模块202与辅模块204之间传送以维持冗余状态的信息。例如，与主模块202的活动状态相关的信息。
本发明减少/消除了对专门设计的硬件和专用冗余链路的需要。此外，本发明提高了系统在危险场所或关键位置的可靠性。此外，该方法可以用于需要设备冗余配对的任何控制系统。
特定实施例的前述描述将充分揭示本文中的实施例的一般性质，使得本领域技术人员可以通过应用当前知识在不偏离一般概念的情况下容易地修改和/或适应于各种应用，因此，这样的适应和修改应当并且旨在被理解为在所公开的实施例的等价物的含义和范围内。应当理解，本文中使用的措辞或术语是用于描述而非限制的目的。因此，虽然已经根据优选实施例描述了本文中的实施例，但是本领域技术人员将认识到，可以在本文中描述的实施例的范围内进行修改来实践本文中的实施例。

Claims (10)

1.一种由控制器(201)执行的用于通过在通信网络中配置位于远处的冗余模块来控制冗余功能的方法，其中所述控制器(201)被配置为控制位于第一位置的第一模块和位于第二位置的第二模块，由所述控制器(201)执行的所述方法包括以下步骤：
通过具有时间敏感网络(TSN)的所述通信网络(206)创建(302)包括所述第一模块和所述第二模块的冗余对，其中所述第一模块和所述第二模块充当彼此的冗余模块；
基于到所述第一模块和所述第二模块的信号的传输来定义(304)主模块(202)和辅模块(204)；
引起(306)所述主模块(202)和所述辅模块(204)创建用于在所述主模块(202)与所述辅模块(204)之间传送冗余信息的TSN流配置；
使得(308)所述主模块(202)能够通过所述TSN流配置周期性地向所述辅模块(204)传送(308)所述冗余信息；以及
响应于确定至少一个事件而触发(312)所述辅模块(204)来执行所述主模块(202)的功能。
2.根据权利要求1所述的方法，其中响应于确定至少一个事件而触发(312)所述辅模块(204)来执行所述主模块(202)的功能包括：
由所述辅模块(204)确定(310)从所述主模块(202)到所述辅模块(204)的通信损耗，其中所述通信损耗是通过以预定义时间间隔检查来自所述主模块(202)的冗余信息的周期性通信来确定的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中响应于确定至少一个事件而触发(312)所述辅模块(204)来执行所述主模块(202)的功能包括：
由所述辅模块(204)确定(310)所述主模块(202)的关键功能停止运行，
其中当来自所述主模块(202)的所述冗余信息在指定时间内在所述辅模块(204)处未被接收到时，所述辅模块(204)确定所述主模块(202)的所述关键功能停止运行。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述冗余信息包括要在所述主模块(202)与所述辅模块(204)之间传送以维持数据库的信息、以及正在所述模块之间传送以维持冗余状态的信息。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述TSN在所述主模块(202)与所述辅模块(204)之间在所述通信网络(206)中实现，以保留带宽以在所述主模块(202)与所述辅模块(204)之间传输所述冗余信息。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述引起(306)包括：
由所述控制器(201)引起所述主模块(202)创建所述TSN流配置以向所述辅模块(204)传送所述冗余信息，
由所述控制器(201)引起所述辅模块(204)创建所述TSN流配置以在所述辅模块(204)执行所述主模块(202)的功能时向所述主模块(202)传送所述冗余信息。
7.一种用于通过在通信网络中配置位于远处的冗余模块来控制冗余功能的系统，其中所述系统包括控制器(201)，所述控制器(201)被配置为控制：
位于第一位置的第一模块；以及
位于第二位置的第二模块，
其中所述控制器(201)被配置为：
通过具有时间敏感网络(TSN)的所述通信网络(206)创建包括所述第一模块和所述第二模块的冗余对，其中所述第一模块和所述第二模块充当彼此的冗余模块；
基于到所述第一模块和所述第二模块的信号的传输来定义主模块(202)和辅模块(204)，其中所述控制器(201)在从所述第一模块和所述第二模块接收到响应信号时定义所述主模块(202)和所述辅模块(204)；
引起所述主模块(202)和所述辅模块(204)创建用于在所述主模块(202)与所述辅模块(204)之间传送冗余信息的TSN流配置；
使得所述主模块(202)能够通过所述TSN流周期性地向所述辅模块(204)传送所述冗余信息；以及
响应于确定至少一个事件而触发所述辅模块(204)来执行所述主模块(202)的功能。
8.根据权利要求7所述的系统，其中响应于确定至少一个事件，所述辅模块(204)被触发以执行所述主模块(202)的功能包括：
由所述辅模块(204)确定从所述主模块(202)到所述辅模块(204)的通信损耗，其中所述通信损耗是通过以预定义时间间隔检查来自所述主模块(202)的冗余信息的周期性通信来确定的。
9.根据权利要求7所述的系统，其中响应于确定至少一个事件，所述辅模块(204)被触发以执行所述主模块(202)的功能包括：
由所述辅模块(204)确定所述主模块(202)的关键功能停止运行，
其中当来自所述主模块(202)的所述冗余信息在指定时间内在所述辅模块(204)处未被接收到时，所述辅模块(204)确定所述主模块(202)的所述关键功能停止运行。
10.根据权利要求7所述的系统，其中所述TSN在所述主模块(202)与所述辅模块(204)之间在所述通信网络(206)中实现，以保留带宽以在所述主模块(202)与所述辅模块(204)之间传输所述冗余信息。
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