CN101548508A - 用于优化控制设备和多个现场设备之间的数据传输的方法和*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于优化经由基于IP的通信网络彼此连接的控制设备和多个现场设备之间的数据传输的方法，其中使用Profinet协议来控制数据传输。本发明还涉及一种特别适合于执行该方法的控制和数据传输设备(10)。利用该控制和数据传输设备(10)，有可能在一个被细分为数据域的单个总和帧中将从控制设备(20)传输的数据传输至一组现场设备(30，40，50)，并且仅在细分为数据域的一个共用总和帧中同样地将要发送的数据从多个现场设备(30，40，50)传输至控制设备(20)。以该方式，相对于标准Profinet帧可以使传输速率优化。

Description

用于优化控制设备和多个现场设备之间的数据传输的方法和***

技术领域

本发明涉及用于优化经由基于IP的通信网络彼此相连接的控制设备和多个现场设备之间的数据传输的方法，其中使用Profinet协议来控制数据传输。本发明还涉及特别适合于执行该方法的控制和数据传输***。

背景技术

在各种标准中，通过高层控制设备支持对诸如传感器和执行单元的现场设备的控制的Profinet标准被用在自动化技术中。

Profinet标准的一个版本是基于以太网技术的Profinet-IO。Profinet-IO是在Profibus用户组织内部开发的，并被标准化为IEC61158/IEC61784。Profinet-IO支持所谓的提供者-使用者模型，其中，数据被周期性地实时从被称为提供者的数据源传输至被称为使用者的数据接收器(data sink)。这样的提供者和使用者都在I/O控制设备和I/O现场设备中实现。I/O控制设备和分散的I/O现场设备之间的周期性数据交换通过在提供者和使用者之间建立的通信关系(CR)进行。控制设备到现场设备的通信关系被称为输出CR，而现场设备到控制设备的通信关系被称为输入CR。

图2示意性地解释了基于Profinet-IO标准的已知通信***的操作的模式。图2示出了基于Profinet IO标准的已知通信***的控制设备20和例如三个现场设备30、40和50之间的通信循环的时序图。图1示意性地表现了这样的通信***。图1示出了在以太网基础上构建的通信网络60，控制设备20以及三个I/O现场设备30、40和50与所述通信网络60相连接。

我们现在返回图2。如图2所示，如果控制设备希望将数据传输至现场设备，控制设备20必须建立到每一个现场设备的单独的输出CR。出于该目的，在控制设备中启动提供者应用程序P，而在各个现场设备中启动使用者应用程序C。以相同的方式，必须在控制设备20和要将数据传输至控制设备20的每一个现场设备之间建立单独的输入CR。出于该目的，在每一个现场设备中启动提供者应用程序P，并且对于每一个现场设备在控制设备20中启动使用者应用程序C。图2示意性地表现了这些关系。根据所示出的时序图，在控制设备20和现场设备30之间初始地产生了输出关系。然后，在现场设备30和控制设备20之间产生了输入关系。以相似的方式，在控制设备20和现场设备40和50之间暂时连续地建立输出和输入关系。

对于每一个输出CR，在控制设备的数据链路层中产生其中嵌入了包含要传输的数据的Profinet帧的以太网数据包，并且将其传输至各个现场设备，所述数据链路层对应于OSI模型中的第2层。以相似的方式，希望在输入CR中将数据传输至控制设备的每一个现场设备生成其中也嵌入了Profinet帧的以太网数据包。图2示出了以太网数据包90的实例，其中嵌入了Profinet帧用于从现场设备50到控制设备20的输入CR。在常规的方式中，以太网数据包90具有以太网包头，接着是Profinet包头。Profinet包头后面是要由现场设备50发送的输入数据(E数据槽口1；E数据槽口2)，该数据被细分为SLOT1和SLOT2。应注意，在所描述的实施例变体中，仅为了容易表示，存储在现场设备中的数据被包含在两个槽口(slot)内。以太网数据包的最小长度为72字节，其中8字节被分配给前导字节。利用这样的分组大小，Profinet允许在一个以太网数据包中传输44字节的有效载荷数据。如果现场设备50传输的数据具有较小的长度，例如只有4字节，则以太网数据包的剩余部分被图2所示的填充字节占据。控制设备和现场设备之间的单独的以太网数据包的传输导致了不利的传输行为，尤其是对于具有小有效载荷数据长度的自动化部件。首先，由于有效载荷数据与填充数据的比率小，传输速率很低。其次，导致了相应的高循环次数。此外，对于给定的循环时间，只有少数用户可以是活动的，因为传输介质的带宽限于例如100Mbit/s。

发明内容

因此，本发明基于下述问题：提供这样一种方法以及控制和数据传输装置：通过使用上述方法和装置可以实现控制设备和现场设备之间的更有效的数据传输，并且同时与Profinet标准兼容。

本发明的核心概念是可以在一个被细分为数据域的单个帧中传送要从控制设备传输至多个现场设备的数据；并且可以同样地在被细分为数据域的单个帧中传输要从多个现场设备传输至控制设备的数据。以该方式，传输速率可以相对于利用标准Profinet帧所达到的传输速率有所增加，因为除其它因素之外，可以减少要传输的填充字节的数量。

首先通过权利要求1的方法步骤来解决上述技术问题。

因此，提供了一种用于优化控制设备和多个现场设备之间的数据传输的方法。现场设备和控制设备经由基于IP的通信网络彼此连接，其中通过Profinet协议来监控数据传输。

为了能够在输出阶段从控制设备向多个N个现场设备传输数据，根据Profinet协议生成单个帧(步骤a)。这个在现有技术中已知的Profinet帧被细分为N个数据域，所述N个数据域以预定方式被分配给要向其传输数据的N个现场设备(步骤b)。可以在计划阶段期间完成数据域到各个现场设备的分配。此时，被分配至各个数据域的现场设备的数据被写入细分的Profinet帧的每一个数据域中，只要控制设备具有要传输至该现场设备的可用数据(步骤c)。如果所有可用数据都已经写入Profinet帧的数据域中，则细分的Profinet帧经由通信网络被引导至N个现场设备中的每一个(步骤d)。例如，出于该目的，细分的Profinet帧被嵌入到可以在控制设备的数据链路层中生成的以太网数据包中。细分的Profinet帧经过N个现场设备中的每一个，其中每一个现场设备都从分配至各个现场设备的数据域读取数据(步骤e)。

作为替代或附加地，该方法包括在输入阶段期间、即在从现场设备到控制设备的数据传输期间的优化的数据传输。出于该目的，再次根据Profinet协议产生单个帧，以便将N个现场设备的数据传输至控制设备(步骤f)。将Profinet帧细分为N个数据域，所述N个数据域以预定方式被分配给N个现场设备(步骤g)。细分的Profinet帧被传送至N个现场设备中的一个(步骤h)。

此处应注意，Profinet帧的生成和Profinet帧被细分为数据域可以在N个现场设备中的预定现场设备或在单独的装置中进行。如果Profinet帧在N个现场设备中的一个中产生并且被细分为数据域，则将Profinet帧传送至N个现场设备中的一个的步骤是指Profinet帧被传送至该现场设备的某个层，其中现场设备的数据在细分的Profinet帧中被写入分配至该现场设备的数据域。如果在单独的处理装置中生成Profinet帧，并且将其细分为数据域，则将Profinet帧传送至N个现场设备中的一个现场设备的步骤是指细分的Profinet帧被处理装置传送至该一个现场设备。处理装置也可以是该现场设备的一个部件。细分的Profinet帧被连续地传输至所有的N个现场设备(步骤i)，当接收到细分的Profinet帧时所述N个现场设备将数据写入被分配给各个现场设备的数据域。

该方法确保了可以按照比标准协议更高的速度进行传输，因为仅需要与有效载荷数据一起传输减少数量的填充字节，在最佳情况下没有填充字节需要被传输。

有利的改进是从属权利要求的主题。

可以进一步通过以下方法来优化数据传输：根据要传输至N个现场设备和/或从N个现场设备传输的数据量，决定是否在一个单个的细分的Profinet帧传送来自N个现场设备和/或至N个现场设备的数据，或者是否在各个独立的常规Profinet帧中传送来自和/或至N个现场设备中的至少一个现场设备的数据。因此，该方法可以确保只要数据量大致对应于常规Profinet帧的有效载荷数据域的长度，就在单独的常规Profinet帧中传输要传输至现场设备和/或从现场设备传输的数据，因此没有填充字节或仅有很少的填充字节需要传输。

在不能在单个细分的Profinet帧中传输来自和/或至现场设备的数据的情况下，可以循环地重复方法1的步骤a)-e)和/或f)-j)，直到所有数据已全部被、特别地实时地被传输至现场设备或控制设备。

根据一个特别的实施例，由控制设备本身来执行属于输出阶段的处理步骤a)-d)。作为替代，可以由优化装置来执行步骤a)-d)，所述优化装置在下文中被称为领头站(head station)，其与控制设备相关联。然而，在生成Profinet帧之前，控制设备为要向其传输数据的N个现场设备的每一个生成单独的常规Profinet帧。要传输至相应现场设备的数据被写入每一个Profinet帧。然后，控制设备优选地使用相应现场设备的目的地地址，将Profinet帧一个接一个地传送至优化装置。在优化装置中，目的地地址被替换为被写入细分的Profinet帧中的多播地址。然后，由优化装置执行步骤c)和d)。

优化装置的使用具有这样的优点：常规控制设备也可以用于执行根据本发明的方法。

在输入阶段，优化装置接收被送往控制设备的细分Profinet帧。然后该细分Profinet帧的每一个数据域的数据都被写入一个单独的Profinet帧。此时，每一个Profinet帧都包含N个现场设备之一的数据。使用各个现场设备的源地址，此时将每一个Profinet帧在其自己的以太网数据包中传输至控制设备。基于该源地址，控制设备识别各个Profinet帧中的数据所源自的现场设备。

同样地，由用于优化控制设备和多个现场设备之间的数据传输的控制和数据传输***来解决上述技术问题。控制设备和多个N个现场设备通过基于IP的通信网络相连接，其中Profinet协议被用作通信协议。用于优化数据传输的装置与控制设备相关联。优化装置具有用于根据Profinet协议生成单个帧，以便将数据传输至N个现场设备的装置。优化装置还具有用于将Profinet帧细分为N个数据域，并且以预定方式将N个数据域分配给N个现场设备的装置。还提供了用于将数据定向地写入细分的Profinet帧的数据域的装置，以及用于将细分的Profinet帧传输至N个现场设备中的每一个现场设备的装置。每一个现场设备被指定为从细分的Profinet帧的相关数据域读取打算供其使用的数据。

在优选的实施例中，在控制设备中实现优化装置。

在替代实施例中，优化装置以N个现场设备中的形式实现，或者以与通信网络相连接的单独的装置的形式实现。在该情况下，优化装置具有用于从控制设备接收常规Profinet帧的第一装置，每一个常规Profinet帧都打算供给N个现场设备中的一个。还提供了用于从接收到的Profinet帧读取数据的装置，其中写入装置被构建为用于将读取的数据写入Profinet帧中与相应现场设备相关联的数据域中。还提供了用于接收打算供给控制设备的细分的Profinet帧的第二装置。此外，可以提供用于将细分的Profinet帧的每一个数据域的数据写入单独的常规Profinet帧的装置、以及用于使用相应现场设备的源地址将常规Profinet帧传输至控制设备的装置。

为了将数据从现场设备传输至控制设备，N个现场设备中的至少一个具有用于根据Profinet协议生成帧的装置、以及用于将Profinet帧细分为N个数据域的装置。然后，N个现场设备中的每一个都被构建为用于将将数据写入细分的Profinet帧中与相应现场设备相关联的数据域。

为了使从优化装置传送至通信网络的细分的Profinet帧也可以被N个现场设备的每一个接收，优化装置具有可以将多播地址写入IP数据包的装置，它将细分的Profinet帧传输至N个现场设备。在该情况下，N个现场设备中的每一个都知道其自身的源地址、和允许将细分的Profinet帧传输至现场设备组的多播地址。

为了进一步在传输速度方面优化控制和数据传输设备的效率，优化装置具有判决装置，根据要传输至N个现场设备和/或从N个现场设备传输的数据量，可以决定是否应在相应的单个细分的Profinet帧中传输来自N个现场设备的数据和/或至N个现场设备的数据，或者是否应在各个单独的常规的Profinet帧中将来自和/或至N个现场设备中至少一个现场设备的数据传输至控制设备或从控制设备传输。

基于IP的通信网络优选地为以太网，尤其是快速以太网。

该方法、以及该控制和数据传输设备可以支持所有Profinet配置机制，诸如上下文管理。此外，标准Profinet现场设备可以和实时支持优化传输服务的现场设备一起操作。由于在细分为数据域的单个Profinet帧中将数据传输至多个现场设备并从多个现场设备传输数据，例如仅传输一次循环计数就足够了，由此可以进一步优化数据传输。

附图说明

下面将结合附图参照实施例来详细描述本发明，其中，

图1示出了其中实现了本发明的控制和数据传输***；

图2示出了根据标准Profinet的在控制设备和多个现场设备之间的传输循环的时序图；

图3示出了通过根据本发明的通过单个Profinet总和帧，在控制设备和多个现场设备之间传输数据的时序图；

图4示出了与图3相似的数据传输的时序图，其中使用领头站来提供Profinet总和帧；

图5示出了嵌入在以太网数据包中的、根据本发明的Profinet总和帧；

图6示出了可以在图3所示的控制设备中或者在图4所示的领头站中实现的优化模块的示意性框图；以及

图7示出了图1所示的现场设备的示意性框图，其中实现了本发明。

具体实施方式

作为控制和数据传输***，图1示出了实例自动化***10，其中I/O控制设备20和为了示例的可以用作I/O设备的三个现场设备30、40和50基于以太网技术与传输介质相连接。应注意，图1所示的自动化***10被构建为使得其既可以支持根据标准Profinet协议的数据传输也可以支持根据本发明的优化的实时操作的数据传输。

图6示出了根据本发明的优化模块100的实例，其可以在控制设备20中并且在图4所示的领头站中实现。为了支持基于标准Profinet的数据传输以及具有更高效率(即更高传输速度)的传输，优化模块具有用于根据标准Profinet协议生成Profinet帧的装置110，以及被构建为形成Profinet总和帧的另外的生成装置120。

生成装置120用于根据标准Profinet将Profinet帧细分为多个数据域，打算供各个现场设备使用的数据可以被写入所述多个数据域中。在优选的实施例中，常规Profinet帧被生成装置110存储在Profinet帧存储器160中。以相似的方式，生成装置120将被细分为数据域的Profinet帧存储在用于Profinet总和帧的存储器150中，所述被细分为数据域的Profinet帧在下面被称为Profinet总和帧。写入/读取装置170被连接至两个存储器160和150，以便将打算供现场设备使用的数据写入被引导至仅一个现场设备的常规Profinet帧、或者写入包含一组现场设备的数据的Profinet总和帧。优化模块100还具有基于以太网技术的数据链路层180和物理层190。这两个层分别对应于OSI层模型的第二和第一层。优化模块100经由物理层190连接至以太网60。此处应注意，数据链路层180和物理层190可以在控制设备20的任何点处实现，或者如果优化模块在领头站80中实现，则可以在领头站80的任何点实现。仅为了示例而选择这两个层和优化模块相关联。控制设备或微处理器140与优化模块的所有部件相连接，以便能够监测和控制优化模块100。微处理器140还与判决装置130相连接，所述判决装置130又与生成装置110和生成装置120相连接。判决装置130能够基于要传输至现场设备和/或从现场设备传输至控制设备20的数据量来决定是否应在单独的常规Profinet帧中将数据传输至每一个单独的现场设备，或从现场设备传输至控制设备20和/或在一个共用的Profinet总和帧中传输至现场设备的组，或从现场设备的组传输至控制设备。对于数据传输，常规Profinet帧和Profinet总和帧都被传送至数据链路层180，其将各个帧嵌入以太网数据包中。为了示例，包含Profinet总和帧的以太网数据包70在图5中被示出。仅出于示例的目的，假设以太网数据包包含72字节的最小长度。在常规方法中，以太网数据包包含前导字节71、目标地址域72、源地址域73、类型区74和此时嵌入了Profinet总和帧的数据域。在本情况下，Profinet总和帧包含Profinet包头75的区域、与现场设备30相关联的第一数据域76、与现场设备40相关联的第二数据域77和与现场设备50相关联的第三数据域78。当在这些数据域中传输的数据项的数量少于以太网数据包所提供的有效载荷数据长度时，填充字节被填入对应的域。在Profinet总和帧的末尾，提供了Profinet状态域79。Profinet状态域79中的信息指示例如正在以太网数据包70中传输的是常规Profinet帧还是Profinet总和帧。

此处应注意，对于正在以太网数据包70中传输Profinet总和帧的情况下，将三个现场设备30、40和50已知的多播地址写入地址域72。另一方面，如果正在以太网数据包70中传输常规Profinet帧，则各接收方的目的地地址在地址域72内，所述各接收方可以是控制设备20或现场设备30、40或50中的一个。如果Profinet总和帧正在从控制设备传输至现场设备30、40和50，则控制设备20的地址在源地址域73内。另一方面，如果Profinet总和帧正在从现场设备30、40和50传输至控制设备20，则源地址域73可以为空。作为代替，多播地址可以在地址域72内，并且此时正在传输Profinet总和帧的指示可以在Profinet状态域中。基于这些指示，与领头站80或控制设备20相关联的优化模块100能够识别已经从一组现场设备、在这种情况下是现场设备30、40和50中接收到的数据。此外，优化模块100和现场设备30、40和50都知道Profinet总和帧中的哪个数据域与哪个现场设备相关联。

如上所述，可以在自动化设备10中使用只能接收和发送常规Profinet帧的常规Profinet装置。此外，可以连接只能接收和发送Profinet总和帧的现场设备。既能处理常规Profinet帧也能处理Profinet总和帧的现场设备也可以与通信网络60相连接。

在本实例中，假设所有现场设备可以确实接收并发送常规Profinet帧以及Profinet总和帧，但只有现场设备50能够生成Profinet总和帧，以便能够在输入阶段将数据传输至控制设备20。在图7中更详细地示出了现场设备50。用于产生常规Profinet帧的生成装置51和用于生成Profinet总和帧的生成装置51被设置在现场设备50中。此处应注意，图6所示的生成装置110和120以及图7所示的生成装置51和52中的每一个都可以代表单个模块，其中在该情况下，用于生成Profinet总和帧的生成装置先生成常规的Profinet帧，然后将其细分为多个数据域。与图6中所示的优化模块相似，用于存储常规Profinet帧的存储器56与生成装置51相关联，而用于存储Profinet总和帧的存储器58与生成装置52相关联。写入/读取装置53用于将数据写入存储器58中存储的Profinet总和帧，或从存储器58中存储的Profinet总和帧读取数据。为了接收和发送数据，现场设备还具有数据链路层54和物理层55，这两个层是根据以太网标准构建的。现场设备50经由物理层55与以太网60相连接。由微处理器或存储器可编程控制器57来控制和监视现场设备50的部件，仅非常简略地示出所述微处理器或可编程存储器控制器57及其连接端。

现在基于两个实施例，结合图3和4，详细地解释图1所示的用于在Profinet总和帧中传输数据的自动化设备10的操作模式。

图3示意性地示出了连接至以太网60的现场设备30、40和50、以及相连的控制设备20。此外，示出了时序图，其示出了从控制设备20到现场设备30、40和50的Profinet总和帧的传输，以及从现场设备50、40和30到控制设备20的Profinet总和帧的传输。传输时间沿垂直画出的时间轴的箭头方向增加。

首先，在控制设备20中建立应用关系(AR)，通过其可以执行一个应用关系，在本实例中以该应用关系实现优化模块100。出于该目的，在控制设备20中启动提供者应用程序P，并且在现场设备50中启动使用者应用程序C。然后，控制设备20的提供者应用程序P确保微处理器140使生成装置120生成根据图5的具有数据域76、77和78的Profinet总和帧。此外，在图5所示的以太网数据包的Profinet状态域79中设定指示Profinet总和帧的传输的一个或多个位。然后通过生成装置120将Profinet总和帧设置在存储器150中。在微处理器140的控制下，读取装置170将数据存储器155中可用的现场设备30、40和50的数据写入相应的数据域76、77和78。随后，从存储器150将上述Profinet总和帧传送至数据链路层180，其将Profinet总和帧写入以太网数据包。同样由三个现场设备30、40和50所知的多播地址被同时写入图5所示的报文的地址域72中。在此处假设，在Profinet总和帧中只需传输一个填充字节。然后首先经由物理层190和以太网60将图3中同样示意性地示出的以太网数据包70引导至现场设备30，然后再从现场设备30到现场设备40，最后从现场设备40到现场设备50。基于接收到的以太网数据包70的多播地址，现场设备30从其它数据包中识别出该数据包是打算供其使用的。此外，已经通知现场设备30打算供其使用的数据正在数据域76中被传输。现场设备30从数据域76读取或复制打算供其使用的数据，并将该数据存储在例如存储器59中。该数据例如在两个槽口Slot1和Slot2中被设置在存储器59中。随后，现场设备30将以太网数据包70中继至现场设备40，其再次从多播地址中识别出该数据包是打算供其使用的。现场设备40知道其数据正在数据域77中被传输，并且将其读出。该数据也逐个槽口地设置在存储器中。以太网数据包70被随后传输至最后一个现场设备50，它此时读出数据域78中包含的数据，并将其逐个槽口地存储。数据域76、77和78是预先规划的站点，其对于优化模块100和各个现场设备30、40和50都是已知的。

如果现场设备30、40和50想要将数据传送至控制设备20，则初始化输入过程。出于该目的，在现场设备50中启动提供者应用程序，并且在控制设备20中启动使用者应用程序。在微处理器57的控制下，在现场设备的生成装置52中生成Profinet总和帧，并且将其设置在存储器58中。写入/读取装置53访问数据存储器59，其中逐个槽口地设置要传输至控制设备20的数据。在微处理器57的控制下将该数据写入生成的Profinet总和帧的数据域78，因为该数据域被分配至现场设备50。

将Profinet总和帧从存储器58传送至数据链路层54，其然后将Profinet总和帧嵌入以太网数据包中。在数据链路层54中，多播地址和Profinet总和帧的传输的Profinet状态域中的相应指示一起被写入地址域72。以太网数据包通过物理层55经由以太网60被传送至现场设备40。基于该多播地址，现场设备40识别出要被传输至控制设备20的Profinet总和帧。此后，现场设备40，如果有的话，则将其打算供控制设备20使用的数据写入为其分配的数据域77，并将以太网数据包传递至现场设备30。现场设备30，如果有的话，则将其要传输至控制设备20的数据写入在Profinet总和帧中分配给该现场设备的数据域76，并将以太网数据包传输至控制设备20。应注意，为了将要传送的数据填充满Profinet总和帧的整个有效载荷数据长度，本实例中的现场设备30仅将一个填充字节写入Profinet总和帧。使用者应用程序确保从合适的域读取现场设备30、40和50的数据，并进一步处理。图3同样地示意性地示出了传输至控制设备的相应以太网数据包。在这一点上应注意，从控制设备传输至现场设备的Profinet总和帧包含输出数据(O数据)，而从现场设备传输至控制设备20的Profinet总和帧包含输入数据(I数据)。可以设想图3所示的Profinet总和帧不包含现场设备30、40和50的所有数据，而是各自的数据的仅一部分，其存储在所讨论的现场设备的各个部分1中。因此，必须在第二Profinet总和帧中将数据的剩余部分从控制设备20传输至现场设备30、40和50。以相似的方式，可以设想图3所示的下面的Profinet总和帧仅传输控制设备20的输入数据，其在任务情况下都存储在现场设备30、40和50的两个槽口-Slot1或Slot2的一个中。在该情况下，在附加的Profinet总和帧中将剩余数据从现场设备传输至控制设备20。

图4示出了在控制设备20和现场设备30、40和50之间在Profinet总和帧中传输数据的另一个实施例。与图3所示的实施例不同，图6所示的优化模块100此时包括领头站80中，所述领头站80在本实例中是一个单独的现场设备，同样连接至以太网60。然而，现场设备30、40或50中的一个可以形成领头站80。

图4所示的实施例的一个优点是可以使用符合Profinet标准的常规控制设备。如果此时将数据传输至现场设备，则控制设备20首先为每一个现场设备与领头站80建立单独的应用关系。随后，控制设备20为每一个现场设备生成单独的常规Profinet帧，所述常规Profinet帧在以太网数据包中被传输至领头站80，如在控制设备20中实现的三个提供者应用程序P和图4中示出的菱形81之间的三个连接所示意性地表示的。以太网数据包包含控制设备20的源地址和各个现场设备的目的地地址。首先，将与现场设备30、40和50相关联的以太网数据包写入领头站80的优化模块100中的存储器160。然后，优化模块100生成具有数据域76、77和78的Profinet总和帧。优化模块180的微处理器140驱动写入/读取装置170，其接着将各个现场设备的单个Profinet帧中包含的数据写入存储器150中所存储的Profinet总和帧，以这样的方式，打算供现场设备30使用的数据被写入数据域76，打算供现场设备40使用的数据被写入数据域77，并且打算供现场设备50使用的数据被写入数据域78。此外，数据链路层180中的优化模块100将常规Profinet帧中包含的各个现场设备的目的地地址替换为一致的多播地址。控制设备20或领头站80的地址可以包含在源地址域77中。领头站80将包含Profinet总和帧的以太网数据包经由物理层190和通信网络60传输至现场设备30，与结合图3描述的方法相似，所述现场设备30读取相关联的数据域76中的数据，然后将以太网数据包70传输至现场设备40。现场设备40又从数据域77读取打算供其使用的数据，并经由通信网络60将以太网数据包传递至现场设备50。接着现场设备50从数据域78读取打算供其使用的数据。

现在，假设从现场设备将数据传输至控制设备20。出于该目的，现场设备50首先生成Profinet总和帧，与已经结合图3解释的过程相似。然后，现场设备50将打算供控制设备20使用的数据写入数据域78。在现场设备50的数据链路层54中，Profinet总和帧被嵌入以太网数据包，并使用多播地址传输至现场设备40。与图3的解释相似，现场设备40将打算供控制设备20使用的数据写入数据域77，并将以太网数据包传递至现场设备30，其接着将打算供控制设备20使用的数据写入Profinet总和帧的数据域76。然后，现场设备30将以太网数据包传输至领头站80，如同图4中的菱形82所示意性地表示的。

在数据链路层180中，领头站80的优化模块100将Profinet总和帧从接收到的以太网数据包中去除，并将Profinet总和帧写入存储器150。在微处理器140的控制下，存储在数据域76、77和78中的数据被写入各自的单独的Profinet帧，所述Profinet帧是在生成装置110中产生的，并被设置在存储器160中。与三个现场设备30、40和50相关联的Profinet帧从存储器160被传送至数据链路层180，其将每一个常规Profinet帧都嵌入到一个单独的以太网数据包中。在优选的实施例中，相应现场设备的源地址、和作为目的地地址的控制设备20的地址在数据链路层54中被写入每一个以太网数据包中。随后，领头站80的优化模块100经由物理层190和以太网60将分配给现场设备30、40或50中的一个的每一个现场设备以太网数据包传输至控制设备20。该传输由菱形82和控制设备20的使用者应用程序C之间的三个通信关系在图4中示意性地表示。

由此，用于将数据从控制设备20传输至现场设备30、40或50的通信循环，以及从现场设备30、40和50到控制设备20的数据的传输结束。

此处应注意，优化模块100的判决装置130能够基于要传输至一个或多个现场设备30、40和50并以相反的方向从至少一个现场设备传输至控制设备20的数据量来识别在常规的单独的Profinet帧中还是在共用的Profinet总和帧中传输各个数据。如果判决装置130识别出例如控制设备20想要将完全或几乎完全占据了常规Profinet帧的有效载荷数据长度的数据传输至现场设备30，并且完全或几乎完全占据Profinet总和帧的数据被呈现给例如现场设备40和50，则判决装置130使控制设备20在装置110中生成的常规Profinet帧中将数据传输至现场设备30，而在Profinet总和帧中将数据传输至现场设备40和50，如同之前参照图3和4详细描述的一样。

Claims (13)

1、一种用于优化经由基于IP的通信网络(60)彼此相连的控制设备(20)和多个现场设备(30，40，50)之间的数据传输的方法，其中使用Profinet协议以如下步骤来控制数据传输：

a)根据Profinet协议生成单个数据帧，以便将数据传输至多个N个现场设备(30、40、50)；

b)将Profinet数据帧细分为以预定方式与N个现场设备(30，40，50)相关联的N个数据域；

c)将与相应数据域相关联的现场设备的数据写入Profinet数据帧的每一个数据域，只要数据是为该现场设备所提供的；

d)将细分的Profinet数据帧传输至N个现场设备(30，40，50)中的每一个；

e)由与相应数据域相关联的现场设备从每一个数据域读取数据；

和/或具有下述步骤：

f)根据Profinet协议生成单个数据帧，以便将N个现场设备(30，40，50)的数据传输至控制设备(20)；

g)将Profinet数据帧细分为以预定方式与N个现场设备(30，40，50)相关联的N个数据域；

h)将Profinet数据帧传送至N个现场设备(30，40，50)中的一个；

i)基于在一个现场设备处接收到细分的Profinet数据帧时，只要数据可用，将该数据写入到细分的Profinet数据帧中与该现场设备相关联的数据域中；

j)重复步骤h)和i)，直到细分的Profinet数据帧已经经过所有的N个现场设备(30，40，50)。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于下述步骤：根据要传输至N个现场设备和/或从N个现场设备传输的数据量来决定是否在单个细分的Profinet帧中传送来自N个现场设备和/或至N个现场设备的数据，或者是否在各个独立的常规Profinet帧中传送来自和/或至N个现场设备中至少一个现场设备的数据。

3、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：循环地重复步骤a)至e)和/或f)至j)，直到所有数据已全部被传输，尤其是被实时地传输。

4、根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于：由控制设备执行步骤a)至d)。

5、根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于：由与控制设备(20)相关联的优化装置(100)来执行步骤a)至d)，其中在执行步骤a)之前，在控制设备中执行下述步骤：

为要向其传输数据的N个现场设备中的每一个生成一个Profinet数据帧；将打算供一个现场设备使用的数据写入相应的Profinet数据帧中；使用相应的现场设备的目的地地址将Profinet数据帧传输至优化装置，其中每一个现场设备的目的地地址在步骤c)中被替换为多播地址。

6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于下述步骤：

在优化装置(100)处接收打算供控制设备使用的细分的Profinet数据帧；

将细分的Profinet数据帧的每一个数据域的数据写入一个单独的Profinet数据帧中，并且使用相应的现场设备的源地址将每一个Profinet数据帧传输至控制设备。

7、一种用于优化控制设备(20)和多个现场设备(30，40，50)之间的数据传输的控制和数据传输***(10)，包括：

通过基于IP的通信网络(60)彼此相连的控制设备(20)和多个N个现场设备(30，40，50)，其中Profinet协议被用作通信协议，以及

用于优化与控制设备(20)相关联的数据传输的装置(100)，其具有下述特征：用于根据Profinet协议生成单个数据帧，以便将数据传输至N个现场设备的装置(110)，用于将Profinet数据帧细分为N个数据域，并且以预定方式将N个数据域与终端的N个现场设备相关联的装置(120)，

用于将数据定向地写入细分的Profinet数据帧的数据域中的装置(170)，

用于将细分的Profinet数据帧传输至N个现场设备(30，40，50)中的每一个的装置(180，190)，

其中每一个现场设备(30，40，50)适于从与其相关联的细分的Profinet数据帧的数据域中读取打算供其使用的数据。

8、根据权利要求7所述的控制和数据传输***，其特征在于：优化装置(100)在控制设备(20)中实现。

9、根据权利要求7所述的控制和数据传输***，其特征在于：

优化装置(100)被在所述现场设备中的一个现场设备中实现，或者形成与通信网络(60)相连接的单独的装置(80)，其中优化装置(100)具有下述其它特征：

用于从控制设备(20)接收常规Profinet数据帧的第一装置(54，55)，每一个常规Profinet数据帧都打算供N个现场设备(30，40，50)中的一个使用；

用于从接收到的Profinet数据帧读取数据的装置(53)，其中写入装置(53)能够将读取的数据写入与相应现场设备相关联的Profinet帧的数据域中；

用于接收打算供控制设备使用的细分的Profinet数据帧的第二装置(54，55)；

用于将细分的Profinet数据帧的每一个数据域的数据写入一个单独的常规Profinet数据帧中的装置(53)；以及

用于使用相应的现场设备的源地址将常规Profinet数据帧传输至控制设备的装置(54，55)。

10、根据权利要求7-9中任一项所述的控制和数据传输***，其特征在于：N个现场设备中的至少一个现场设备具有用于根据Profinet协议生成数据帧，以便将数据传输至控制设备的装置(51)，以及用于将Profinet数据帧细分为N个数据域的装置(52)，其中每一个现场设备都能够将数据写入细分的Profinet数据帧中与相应现场设备相关联的数据域。

11、根据前述权利要求中任一项所述的控制和数据传输***，其特征在于：优化装置(100)具有用于将多播地址写入IP数据包，以便将细分的Profinet数据帧传输至N个现场设备的装置。

12、根据前述权利要求中任一项所述的控制和数据传输***，其特征在于：

优化装置(100)具有判决装置(130)，该判决装置根据要传输至N个现场设备和/或从N个现场设备传输的数据量来决定是否在相应的单个细分的Profinet数据帧中传输来自N个现场设备和/或至N个现场设备的数据，或者是否在相应的单独的常规Profinet数据帧中传输来自和/或至N个现场设备中的至少一个现场设备的数据。

13、根据权利要求11所述的控制和数据传输***，其特征在于：根据以太网标准来构建基于IP的通信网络。

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