CN1561590A - 用于同步通信周期的通信系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于同步通信周期的方法和一种网络(1)中的通信节点，所述节点包括：用于接收通信节点的通信周期时基的额定值(7)的装置(端口A)，所述通信节点与所述网络的另一个通信节点(3，4，5)的通信连接；用于由时基的额定值(7)和实际值确定调节偏差的装置(19，21)；以及用于根据该调节偏差产生校正所述时基的调节参数的装置(22，23)。

Description

用于同步通信周期的通信系统和方法
技术领域
本发明涉及一种用于同步通信周期的通信系统和方法，尤其是用于自动化系统中的应用。
背景技术
由现有技术公知用于在数据网络的用户之间建立通信连接的各种方法和系统。广泛使用的是总线系统，其中每个用户可以直接通过总线系统查找其它每个用户的地址。此外还公知可开关的数据网络，其中建立所谓的点对点连接，也就是说，用户只能间接地通过借助一个或多个耦合单元转发待传送的数据来联系可开关数据网络中的所有其它用户。
数据网络通过联网、即各用户相互间的连接实现了多个用户之间的通信。在此，通信意味着在用户之间传送数据。其中待传送的数据作为数据电报发送，也就是说，将该数据组合为多个分组，并以该形式通过数据网络发送到对应的接收器。因此也称为数据分组。在此，传送数据的概念与上述传送数据电报或数据分组同义。
联网本身例如在可开关的大功率数据网络、尤其是以太网中是这样解决的，即在两个用户之间分别接通至少一个与两个用户都相连的耦合单元。每个耦合单元可以与多于两个用户相连。每个用户至少与一个耦合单元相连，但不能直接与另一个耦合单元相连。用户例如是计算机、存储器可编程的控制装置(SPS)或其它与别的机器交换电子数据、尤其是处理数据的机器。
在分布式自动化系统中，例如在传动技术领域，必须在确定时间将确定的数据输入为此确定的用户并由接收者进行处理。在此称为实时临界数据或数据交换，因为在确定位置非实时地输入数据会导致在用户那里产生非期望的后果。根据IEC61491，EN61491 SERCOS interface-TechnischeKurzbeschreibung( http：//www.sercos.de/deutsch/index deutsch.htm)，可以保证在分布式自动化系统中进行成功的所述类型的实时临界数据交换。
同样由现有技术公知在这种自动化系统中采用的同步、并由脉冲控制的具有等间隔特性的通信系统。在此理解为由至少两个用户组成的系统，该用户为了相互交换数据或相互传送数据而通过数据网络相互连接。
在此，在等间隔的通信周期内周期性地进行数据交换，该通信周期通过系统采用的通信脉冲预先给出。用户例如是中心自动化设备、可编程设备、可规划设备或操纵台、外围设备(例如输入/输出部件)、传动装置、放射体(Aktor)、传感器、存储器可编程的控制装置(SPS)或其它控制单元、计算机或与其它机器交换电子数据、尤其是处理其它机器数据的机器。控制单元在下面应理解为各种类型的调整器或控制单元。作为数据网络例如采用诸如场总线(Feldbus)、过程现场总线(Profibus)、以太网、工业以太网、火线(FireWire)或PC内置总线系统(PCI)等等的总线系统。
目前，自动化部件(例如控制装置、传动装置...)一般控制至周期脉冲化的通信系统的接口。自动化部件的运行级(Ablaufebene)(快循环)(例如控制装置中的位置调节、传动装置中的转矩调节)与通信周期同步。由此设置通信时钟。尽管更慢的周期就足够了，但自动化部件的其它低性能(Niederperformant)算法系统(慢循环)(例如温度调节)可以同样只通过该通信时钟与其它部件(例如风扇的二重开关、泵...)通信。通过只采用一种通信时钟来传送系统中的所有信息，对传输距离的带宽提出了很高的要求。
为实现在自动化系统中的应用，尤其是由现有技术公知了过程现场总线以及过程现场网络(PROFInet)。为此的技术信息位于 www.profibus.com上。在过程现场总线网络中，通信周期的同步、即所谓的等时周期通过相同步逻辑(PLL)完全在硬件中实现。这一点是可能的，因为总线结构以过程现场总线拓扑关系为基础。但由此不能建立点对点连接，尤其是不能在基于以太网的网络中建立。在硬件中实现过程现场总线系统的PLL导致在以太网网络中产生振荡效应。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于，实现一种用于同步通信周期的改进的方法，一种改进的通信节点以及改进的通信系统和自动化系统，以及相应的计算机程序产品。
本发明允许在以太网网络的节点之间建立点对点连接。在此，节点之间的各通信连接优选地在相互同步的通信周期中运行。为了同步通信周期，在每个节点中设置了调节器。
根据本发明的一优选实施方式，对通信周期的校正(Nachregelung)均匀地分布在通信周期上，也就是分布在当前通信周期或随后的通信周期上。由此可以实现，作为基础的(unterlagert)较高频率的周期在等时周期内只有一次所谓的计时器脉冲跳动。
根据本发明的另一优选实施方式，由一个时钟发生器提供每个节点的时基额定值。时钟发生器为一特定节点产生具有该节点时基额定值的数据电报，并在该数据电报的接收时刻到达该节点，其中，时钟发生器在考虑数据电报至该节点的传送时间的情况下根据该时钟发生器的时基来确定所述额定值。
附图说明
下面通过附图详细说明本发明的优选实施例。其中示出了：
图1为根据本发明的通信系统的实施方式的框图，
图2为根据本发明的通信节点的实施方式的框图，
图3为根据本发明的用于同步通信周期的方法的优选实施方式的流程图，
图4为用于显示在通信节点中校正时基的信号图。
具体实施方式
图1示出了具有通信节点2、3、4和5的网络1。通信节点5是一个时钟发生器节点，其提供同步网络1中其它节点时基的基准时基。通信节点5的基准时钟发生器的时基通过计时器6产生，该计时器由于通信节点5的本地时钟产生的脉冲而总是从0计数到n-1。
通信节点5为节点2产生数据电报7。数据电报7包含节点2在接收该数据电报时刻的时基额定值。
节点2的时基通过计时器8实现，该计时器在原理上与通信节点5的计时器6构造相同。计时器8具有一个自身的本地时钟以使计时器的计数装置产生脉冲，该时钟与通信节点5的时钟无关。因此在接通节点2时，计时器8与计时器6异步。在开始同步之后需要一直进行校正，因为时基的不同时钟的脉冲频率不会完全相同。
为了同步节点2的时基、即该节点的计时器8，通信节点5产生数据电报7。数据电报7由通信节点5的端口H通过网络1中相应的网络连接发送到通信节点2的端口A。通过这种方式和方法，通信节点2获得校正其时基所需的额定值。
相应的，通信节点3和4也从通信节点5获得用于调节相应计时器9和10的数据电报7。
在网络1的各节点2、3和4中同步时基之后，网络1的点对点连接的通信周期相互同步。例如，通信节点2可以在一个通信周期内，借助通信节点2的端口B和通信节点3的端口C之间的点对点连接向通信节点3发送一个或多个数据电报。
相应的，也可以在同步的通信周期内，在通信节点2的端口B接收来自通信节点3的端口4的数据电报。相应的，相同方法也适用于两个通过网络1的网络连接相互联系的不同通信节点的通信。
如果不存在这种直接的网络连接，则通过耦合场在通信节点中建立通信连接。如果例如通信节点4希望将数据电报发送到通信节点2，则这样进行，即通信节点4首先将该数据电报从其端口E发送到通信节点3的端口D，从那里通过通信节点3的耦合场转发到端口C，以便从那里通过直接的网络连接点对点地发送到通信节点2的端口B。
尤其在用于特定通信系统中的实时数据传输、例如出于自动化技术目的尤其需要这种实时数据传输时，该过程以同步网络1中各点对点连接的通信周期为前提。
图2示出了图1的通信节点2的框图。通信节点2的计时器8具有计数器11，其不断地从0计数到阈值寄存器12中的阈值n-1。该计数器11通过本地振荡器13、即所谓的时钟产生脉冲。
阈值寄存器12的内容、即参数n可以由用户选择。通过选择参数n定义通信周期的长度。
计数器11具有寄存器14，其中存放计数器的实际值。此外计数器11还具有寄存器15和寄存器16，分别用于存储调节计数器11的调节参数S1和S2，用于同步通信周期的时基。
在达到由阈值寄存器12的内容给定的阈值时，计数器11给出启动传输周期的周期信号。该周期信号例如输出到通信节点2的端口B。端口B包含发送列表17和接收列表18。在通信周期内既处理发送列表17又处理接收列表18。
通信节点2还具有程序19。该程序19具有程序模块20用于输入计数器11的计数器实际值以及计数器额定值。程序19还具有程序模块21用于根据对计数器实际值和计数器额定值的比较来确定调节偏差。程序19还具有程序模块22和23，每个模块都具有用于根据调节偏差产生调节或校正时基的调节参数的调节规则。在此，程序模块22用于在初始化阶段进行调节，而程序模块23用于在运行期间进行校正。两个程序模块22和23都产生用于校正时基、即计时器8的计数器11的调节值参数S1和S2。
程序19在其入口接收寄存器14的内容，即计数器实际值，此外还通过通信节点2与通信节点5的通信连接(参见图1)通过通信节点2的端口A接收数据电报7(同样参见图1)。
在节点2的初始化阶段、即在异步运行的计数器11开始同步期间，通信节点2接收具有当前计数器额定值的数据电报7。该数据电报7从通信节点5、即其端口H发送到通信节点2的端口A，并从那里转发到程序19。
同样，将计数器实际值从寄存器14输入到程序19中。然后由程序模块20将相应的计数器实际值和额定值转发到程序模块21，以便确定调节偏差。
为此，程序模块21在初始化阶段访问程序模块22。然后程序模块22产生调节参数、即调节参数的参数S1和S2。这些参数由程序19写入寄存器15和16中。优选地，校正在给出周期信号之后才起作用，也就是用于随后的通信周期。
参数S1对这样的随后的通信周期给出该通信周期中的哪些脉冲会由于调节而受到影响。在此可以例如是每第二个、第三个或每第m个脉冲。相反，在寄存器16中的参数S2则给出如何处理受到影响的脉冲。优选的，寄存器16的内容是0或2，也就是说，通过对有关的脉冲不对计数器11加1来延长周期，或通过对有关的脉冲将计数器11增加2来缩短周期。但是，借助参数S1和S2的校正不必在直接相随的通信周期内进行，而是可以在更晚些时进行的通信周期内进行。
在初始化阶段之后、即在刚开始完全异步运行的计数器11开始同步之后，程序模块21选择程序模块23用于校正，该程序模块23然后根据用于运行阶段的调节规则产生参数S1和S2。通过这种校正的方式和方法，将通信周期的延长或缩短均匀地分布在通信周期内的脉冲上。
根据另一个优选实施方式，在节点初始化阶段的同步不通过其中(如在运行中)被调节的脉冲数在该周期内均匀分布的调节进行。而是借助初始化阶段中的第一同步电报将从同步首先“硬”设置为主同步的值。
这是具有优点的，从而使在为半个等时周期的最大调节差值时不会获得不必要的较长的过渡状态持续时间。这尤其在具有多个节点的网络中是必需的，否则可能会在网络中出现振荡效应，该效应有时根本就不允许起振并由此不允许同步。
图3示出了根据本发明方法的实施方式的流程图。在步骤30中，从通信系统的时钟发生器接收有关通信节点的时基额定值。在步骤32中，由有关通信节点的时基的额定值和计数器实际值之差确定调节偏差。
在步骤34中，借助调节规则根据该调节偏差确定用于校正时基、即通信周期持续时间的调节参数。在此，这样确定调解参数，使对随后进行的通信周期的持续时间进行的校正尽可能均匀地分布在该通信周期的脉冲上。
在步骤36中，在给出周期信号之后、即在随后的通信周期开始时，通过激活有关通信节点的计时器的相应调节参数来对通信周期进行实际校正。
图4示出了应用根据本发明的调节方法的例子。在周期25中细分主同步器的信号24、即时钟发生器节点的时钟。在每个周期25中时钟发生器节点的计时器都从0计数到9，也就是在每个周期25中产生10个脉冲26。由此给出了用于通信系统中同步通信周期的时钟发生器时基。
信号27属于从同步，也就是通信系统通信节点中的一个，对该通信节点的用于同步其通信周期的时基需要进行校正。从同步在开始时与主同步的周期之间有2个脉冲的调节偏差。根据该调节偏差确定相应的调节参数。该调节参数给出在下个通信周期内是否必须延长或缩短通信周期，以及下个通信周期在可能情况下必须被修改多少。
在这里涉及的例子中，随后进行的通信周期应当被延长4个脉冲。为此需每两个脉冲重复一次。相应的参数S1和S2(参见图2)为S1＝2和S2＝0。在此特别具有优点的是，不是简单地在该周期后添加另外4个脉冲来延长该周期，而是均匀地分布在该周期内，从而使作为基础的周期脉冲28由于该均匀分布而最高增加或减少一个脉冲。由此避免了在该通信周期内的周期脉冲28相对于其它通信周期来说在该通信周期结束时被过分延长。由此使得作为基础的高频周期脉冲28在该通信周期内仅具有一次计时器脉冲的跳动。
通过在实时网络部件、尤其是所谓的以太网交换机中实现通信周期、即所谓等时周期的分布式软件/硬件调节，使得本发明特别具有优点。这可以根据实地的网络表现(Netzausprgung)或应用场所来动态匹配调节算法。在此，在通信系统的初始化阶段或加速运行阶段的调节可以与运行时的调节不同。此外，根据在一个通信周期内调节参数的均匀分布以及与其同时进行的时基校正，也可以对基础周期进行调节。

Claims (20)

1.一种用于在网络(1)中同步通信周期的方法，具有以下步骤：
-在所述网络(1)的第一节点(2)中接收用于所述通信周期的时基的额定值(7)，
-根据所述时基的该额定值(7)和实际值确定调节偏差，
-根据该调节偏差产生用于校正所述时基的调节参数。
2.如权利要求1所述的方法，其中，在所述通信周期内，在所述网络(1)的所述第一节点(2)和第二节点(3)之间存在点对点连接。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述网络(1)是可开关的数据网络，优选的是实时以太网。
4.如权利要求1、2或3中任一项所述的方法，其中，所述第一节点(2)和/或第二节点(3)具有用于建立可开关点对点连接的耦合场。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述额定值(7)由所述第一节点(2)通过所述网络(1)接收。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述额定值(7)由所述网络的时钟发生器节点(5)借助数据电报(7)发送到所述第一节点(2)。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述额定值(7)是由所述时钟发生器节点(5)根据该时钟发生器节点(5)的基准时基，在考虑所述数据电报(7)至所述第一节点(2)的传送时间的情况下确定的。
8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述调节参数是指每个通信周期的时基的脉冲数。
9.如权利要求8所述的方法，其中，用于校正所述通信周期长度的脉冲数被均匀地分布在当前或随后的通信周期上。
10.如权利要求8或9所述的方法，其中，所述调节参数具有第一参数(S1)和第二参数(S2)，所述第一参数(S1)定义均匀分布在通信周期上的脉冲数，而所述第二参数(S2)定义是否重复或不实施由所述第一参数(S1)定义的脉冲。
11.如权利要求1至10中任一项所述的方法，其具有第一调节规则和第二调节规则，其中，所述第一调节规则用于在初始化阶段产生所述调节参数，而所述第二调节规则用于在运行时产生调节参数。
12.一种计算机程序产品，用于实施如权利要求1至10中任一项所述方法。
13.一种网络(1)中的通信节点，具有
-用于接收通信节点通信周期时基额定值(7)的装置(端口A)，所述通信节点与所述网络中的另一通信节点(3，4，5)通信连接，
-用于根据所述时基的额定值(7)和实际值确定调节偏差的装置(19，21)，
-用于根据该调节偏差产生校正所述时基的调节参数的装置(22，23)。
14.如权利要求13所述的通信连接，其中，所述通信连接为点对点连接，优选地构造在可开关数据网络中。
15.如权利要求13或14所述的通信连接，其构造用于通过该通信连接接收和/或发送实时数据。
16.如权利要求13、14或15所述的通信节点，其中，所述用于产生调节参数的装置这样构成，即对所述时基的校正均匀地分布在通信周期上。
17.如权利要求13至16中任一项所述的通信节点，其中，所述用于产生调节参数的装置构成为用于产生该调节参数的第一参数(S1)和第二参数(S2)，以及其中，所述第一参数(S1)定义所述时基的脉冲数，而所述第二参数(S2)定义是否重复或不实施由所述第一参数(S1)定义的脉冲。
18.一种通信系统，其具有如权利要求13至17中任一项所述通信节点，具有时钟发生器节点(5)，其中，所述通信节点(2，3，4)和时钟发生器节点(5)通过网络(1)相互连接，以及所述网络(1)构成为用于在同步的通信周期内建立点对点连接。
19.如权利要求18所述的通信系统，其中，所述时钟发生器节点(5)具有用于向有关通信节点(2)发送带有额定值(7)的数据电报(7)的装置，并且所述额定值根据时钟发生器时基(6)的实际值和所述数据电报(7)从该时钟发生器节点(5)至有关通信节点(2，3，4)的传送时间来确定。
20.一种自动化系统，具有如权利要求18或19中任一项所述通信系统。
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