CN103004143A - 帧传送和通信网络 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及互连多个同步节点（1，2，3，4）的通信网络，其中定期或周期地传送包括时间关键数据（R1，R2，R3，R4）的常规帧（RP），并且不定期或偶然传送偶发帧（SP）。具体而言，多个节点（1，2，3，4）的每个节点在所有节点所共同并且在其之间同步的传送时期开始时传送常规帧（RP）。节点然后从其第一相邻节点接收常规帧（RP），并且在相同传送时期内以及以最短延迟将它们转发到第二相邻节点。此外，节点积极地延迟任何偶发帧（SP）（无论是源于由节点自身接管的应用还是从相邻节点接收的）的传送，直到完成所有接收的常规帧（RP）的转发。

Description

帧传送和通信网络
技术领域
本发明涉及使用基于以太网的通信网络的工业通信***以用于在车辆控制、驱动控制或变电站自动化中控制时间关键过程。
背景技术
过程控制***或工业自动化***保护、控制并且监视用于例如制造货品、转化物质或发电的工厂中的过程。它们还监视和控制扩展的初级***，类似电力、水或气供应***或电信***，其包括它们相应的变电站。工业自动化***一般具有分布在工厂中或扩展的初级***上并且经由工业通信***而通信地互连的大量过程控制器。
高和中压电力网中的变电站包括初级装置，例如电缆、电线、母线、开关装置、电力变压器和仪表变压器，其一般布置在开关场和/或架（bay）中。这些初级装置经由变电站自动化（SA）***以自动化的方式操作。该SA***包括次级装置，所谓的智能电子装置（IED），负责保护、控制和监视初级装置。可将IED指派到分级等级，例如站级、架级和过程级，其中过程级与架级由所谓的过程接口分开。SA***的站级包括具有人机接口（HMI）的操作者工作站（OWS）和到网络控制中心（NCC）的网关。架级上的IED（其也可称为架单元）又经由服务交换命令和状态信息目的中间架或站总线连接到彼此以及站级上的IED。
用于变电站的次级装置之间通信的通信标准已引入作为名为“变电站中的通信网络和***（communication networks and systems in substations）”的标准IEC 61850的一部分。对于非时间关键消息，IEC 61850-8-1基于减少的开放式***互连（OSI）协议栈（在传输和网络层中分别具有传送控制协议（TCP）和因特网协议（IP））以及作为物理介质的以太网来规定制造消息规范（MMS，ISO/IEC 9506）协议。对于时间关键的基于事件的消息，IEC 61850-8-1直接在通信栈的以太网链路层上规定面向通用对象的变电站事件（GOOSE）。对于在过程级非常快地改变信号（例如测量的模拟电压或电流），IEC 61850-9-2规定采样值（SV）服务，其与GOOSE类似直接建立在以太网链路层（OSI中的层2）上。因此，该标准定义公布的格式，如在工业以太网上的多播消息、基于事件的消息和来自过程级上的电流或电压传感器的数字化测量数据。
专利申请EP-A 2148473涉及基于具有多个交换节点并且用全双工链路操作的环形通信网络的任务关键工业自动化应用，例如过程或驱动控制***。对于时间关键和可用性关键的自动化***的实时数据通信要求针对网络中的故障的无缝弹性和时间关键数据的确定性输送两者。针对网络中链路失败的无缝容限可以通过对每个节点给出两个通信端口并且使节点在这两个端口上以相同的有效载荷发送帧而提供，如例如在标准IEC 62439-3 条款5（称作高可用性无缝冗余（HSR））中规定的。因此，对于要在示范性环形网络上发送的每个消息，源和复制帧在相反的方向上传送，这两个帧由环形网络的其他节点中继直到它们最终返回到始发的发送器节点。因此，网络负载相对于常规环形网络大致上加倍，但目的地节点将在等于环的最长可能路径的最大传送延迟之后接收数据。在无故障状态下，目的地节点从而接收具有相同内容的两个冗余帧，其具有由于如果直接从相邻节点接收一个帧则另一个帧环绕整个环来循环这一事实引起的某一时滞。冗余帧可以由序号识别，因此节点可以检测复制物并且只将两个帧中前面的或第一帧转发到它的上层协议并且丢弃后面的或第二帧。
尽管存在可能的通信误差或延迟，数据的确定性传送保证在无故障状态下以在源处准备传送它们的时刻与由它们的最终目的地接收它们的时刻之间的最大延迟来输送数据。数据的确定性传送要求预先分配足够的带宽。每个节点预期以在配置整个网络时限定的固定频率传送其具有固定长度的数据，从而占用带宽的固定部分。沿传送介质行进时的传播延迟以及对于穿过交换机并且容易超出该传播延迟的转发延迟必须添加到帧自身的持续时间。因此，连接5个节点（其中每个节点在1kHz以100Mbit/s传送2500比特的帧加上5μs的传播时间（导致每帧30μs持续时间））的传送介质的示范性较坏情况占用至少等于5 x 30 x 10-6 x 103=15%。
在例如IEC 61850-9-2的实时通信网络中，业务由定期发送的R-帧来携带，其中“R”代表“常规的”或“实时”。相比之下，非关键、软实时数据经受宽松的定时要求，并且预期只以某一概率满足输送延迟。该非关键业务由“S-帧”携带，其中“S”代表“偶发的”或“软时间”。R-帧需要的最小网络容量可以例如从在IEC 61850中规定的变电站配置描述（SCD）文件，在维修时间来估计。SCD文件指示时间关键帧SV和GOOSE多久需要传送以及它们具有哪个尺寸，并且包括限定网络的拓扑和交换机数量的通信分段。然而，因为在交换机和R-帧内发生冲突，R-帧的通信延迟可超出在维修时间计算的数字，尽管它具有更高的优先级，在S-帧在相同的介质上传送时必须排队。
传统地通过限制每个节点中的生产率使得排除过载并且另外通过调节业务使得使用例如以下中的一个来避免冲突而提供确定性通信：1）在有用数据通信可以发生之前建立的共用时钟触发的时分多址（TDMA）时隙分配；2）以预定义顺序轮询源地址的中央主控，如例如在IEC 61735中规定的；或3）由主控装置引入的主帧，其被所有起作用的装置（例如使用的EtherCat）填充和读取。后两个选项在帧可以被复制并且可采取不同路径的地方难以实现。因此，对HSR保留第一个方法，其提供简单的基于时钟的TDMA而不必配置中央主控或发送专用主帧或其他令牌。
PROFINET（Profibus.com）区分非实时（NRT）、实时（RT）和同步实时（IRT）数据。PROFINET IRT使用IEEE 1588、TDMA和专门的交换机的组合来实现硬实时性能。当配置网络时，从每个装置要求的网络拓扑和数据被分析并且限定具有实时时期和非实时时期的周期。对每个IRT装置指派时隙以在实时时期期间通信。因为所有IRT装置使用IEEE 1588而同步，每次仅一个IRT装置发送包。具有特殊ASIC缓冲包的交换机在实时时期期间从非IRT装置发送并且在非实时时期期间传送它们。
发明内容
因此本发明的目的是在通信网络中提供带宽节省的确定性通信。根据独立权利要求，该目的由传送帧的方法和通信网络实现。优选实施例从从属专利权利要求中显而易见，其中指示的权利要求从属性不应该解释为排除另外有意义的权利要求组合。
根据本发明，在互连多个同步节点的通信网络中，定期或周期传送包括时间关键数据的常规帧，并且不定期或偶然传送偶发帧。具体而言，多个节点的每个节点在所有节点所共同并且在其之间同步的传送时期开始时传送常规帧。节点然后从其第一相邻节点接收常规帧，并且在相同传送时期内以及以最短延迟将它们转发到第二相邻节点。此外，节点积极地延迟任何偶发帧（无论是源于由节点自身接管的应用还是从相邻节点接收的）的传送，直到完成所有接收的常规帧的转发。
在本发明的一优选变形中，偶发帧的传送被延迟直到完成预定长度的常规阶段，从而能够实现任何常规帧到其目的地节点的传送。备选地，偶发帧的传送被延迟直到观察到常规阶段的结束或完成。通过示例，常规帧传送一经沉寂预定最小静默时间（其超出两个连续常规帧之间的标准帧间间隔），常规阶段就视为完成。
在本发明的一有利实施例中，在偶发帧传送之前，节点证实或检查后者的传送是否可在下一个传送时期开始之前完成。否定地，偶发帧的传送被延迟直到下一个传送时期。
根据IEC 62439条款6（并行冗余协议PRP）和IEC 62439-3条款5（HSR），每个节点具有两个通信端口并且在这两个端口上发送具有相同有效载荷的帧。在不损害任意网状、矩阵或树形拓扑的情况下，IEC 62439-3条款5的优选拓扑是环形拓扑，其中帧和复制帧在相反方向上行进直到它们被源或目的地节点移除。在HSR协议（IEC 62439-3条款5）的情况下，本发明进一步利用帧和其复制帧基于帧的长度（其包括在两个帧的冗余标识符中）而同样地被识别的这一事实。在该情况下，是否开始冗余偶发帧的传送的决定基于偶发帧的帧的长度，如从其冗余标识符读取的。
总的来说，由所有节点的常规帧传送在预定时刻开始，并且排队的常规帧紧接着由任何节点转发或重新传送，从而确保带宽被优化并且所有常规业务在正在进行的传送时期的常规阶段内加快，并且从而在下一个传送时期开始之前对偶然的偶发帧传送产生足够长度的时间间隔。
附图说明
本发明的主旨将在下列文本中参照在附图中图示的示范性实施例详细地解释，其中：
图1描绘现有技术的具有环形拓扑的自动化网络，
图2描绘四个节点的环的基本操作，
图3描绘在节点内的不同位置处的一连串帧，以及
图4描绘示范***换节点的节点结构。
具体实施方式
图1描绘现有技术的具有示范性环形拓扑的自动化网络，其中该环内的所有交换节点（1-9），例如保护、控制和测量装置（1-4）、监督工作站（5）、时钟主控（6）、冗余遥控链路（7，8）以及非环形装置（11a-11c）的中间节点（9），包括交换元件（103），其能够将帧（35a，35b）从一个端口（101a，101b）转发到另一个端口，从而确保帧围绕环循环。发送器节点（1）的交换元件可以将传递给它的帧在任一或两个方向（34a，34b）上通过链路层实体（105）从更高的协议层（106）注入。目的地节点（4）的交换元件能够从环的任一方向接收帧（36a，36b）并且将它们传递到其自身的更高层协议。在根据IEC 62439-3条款5的HSR中，节点总是在其两个端口上发送从其更高层协议接收的帧，帧的两个复制物在相反的方向上在总线上循环直到它们到达它们的原始发送器，并且接收器仅将一对中的前面的帧传递到它们的更高层协议并且丢弃复制物。
图2描绘根据本发明的四个节点（1-4）的基本操作。在例如从它们的同步时钟得到的时间中的共同点处，所有节点将具有从相应更高级应用（其由节点接管或连接到节点）接收的时间关键数据的两个R-帧经由两个相应端口（A，B）发送到两个相应相邻节点。为了易读性，相应地，下列描述局限于经由四个节点（1-4）中的一个的端口B原始传送的四个R-帧（R1-R4）。在图2的下部分，这些帧描绘为矩形并且经由对应于起始节点的垂直、倾斜和水平阴影而区分。所有四个节点（1-4）在传送时期TP或周期开始时传送它们的时间关键数据作为R-帧（R1-R4）。由于其结果，节点在发送其自身的帧或先前接收的任何帧时使从其相邻节点接收的帧排队。排队的R-帧然后紧接着由节点发送或重新传送，从而确保带宽被最优化并且所有R-业务在相同传送时期内加快。在图2的下部分，指示四个帧的三个序列，如在传送时期内在网络的三个不同点（OP1-OP3）处观察到的。在节点2与节点3之间的第一观察点OP1处，首先观察到帧R2，接着是帧R1，其先前已经从节点1发送到节点2并且在正传送帧R2时在节点2处排队。利用由于较长的传送路径引起的一些延迟，帧R4和R3接着在OP1处并且使传送时期的常规或定期阶段RP结束。在节点3与节点4之间的第二观察点OP2处，帧的顺序不同，其中首先观察到帧R3，接着是帧R2和R1，并且最后是帧R4。在节点4与节点1之间的第三观察点OP3处，帧的顺序是R4-R3-R2-R1。在下一个传送时期TP2中，在该TP期间循环并且在OP1至OP3观察到的R-帧的顺序与在先前的时期TP1中的相同。
四个R帧中的最后一个的重新传送（在四个节点中的每个处）之后，常规或实时帧的常规阶段被终止，并且跟着发生偶发帧的偶发阶段SP。偶发阶段的开始可基于在常规阶段期间传送的R-帧的数量、长度和传播延迟而预定，或可由在对最小时间延迟为空的节点处的R-帧队列而触发。前面提到的R-帧在所有节点处的排队在传送时期结束时对偶发或不定期消息产生连续时隙。因此，每一个节点积极地阻止在常规阶段期间从更高级应用接收的S-帧在常规阶段结束之前被传送。在图2中，第一传送时期TP1，在偶发阶段开始时在观察点OP1处观察到源于节点2的S-帧S2。因为S2由节点3采用“贯通（cut-through）”模式以最小延迟转发，稍后在OP2和OP3观察到S2。在下一个传送时期TP2的偶发阶段中，节点3传送偶发帧S3，其然后在观察点OP2、OP3、OP1以此顺序被观察。
此外，维持对R-帧的时期要求S-帧不能被传送除非在下一个常规阶段开始之前有足够的时间来完成该传送。如果S-帧由节点在传送的偶发阶段SP期间被接收（其中该S-帧的长度不允许在偶发阶段的剩余部分期间完成传送），它被延迟直到下一个传送时期的偶发阶段开始。从而必须选择偶发阶段的长度以提供足够的时间来传送最长的可能S-帧。作为一缺点，这阻碍100%利用带宽。如果根据S-帧的长度将它们归类，可在每个偶发阶段的结束时引入按分类虚拟守卫阶段GP，在其期间没有发起对应S帧的传送。这在图2中描绘，其中TP1中的守卫阶段GP1与S2的长度匹配，这暗示对于GP1期间的传送没有释放具有与S2相同长度的S-帧。在TP2中，由环中的最终节点2的S3重新传送在GP2之前开始，但仅在GP2期间完成。在任何情况下，在常规阶段开始时，未正在进行由网络的任何节点传送或转发S-帧。因此，不需要中断S-帧的传送。
因为帧的大小通常在以太网帧的头部中不可获得，S-帧被置于存储-和-转发缓冲器内来计算它们的大小。然而，根据HSR协议的帧在它们的头部中携带长度字段，并且因此可以精确地指示它们的长度而没有先前的缓冲。在任何情况下，发送端口确定帧的长度并且决定是立即发送它还是仅在下一个偶发阶段中发送它。
作为吞吐量的数值示例，假设每个节点发送64个八位字节的最小长度帧（等同于64*8=512比特），或通过以最小0.96μs的帧间间距以100Mbit/s的网络速度5μs（或以1GBit/s 0.5μs）。例如TCP/IP帧的非时间关键帧（S帧）可以占据1522个八位字节并且持续大约122s（或以1GBit/s 12.2μs）。利用对应于4kHz的最高发送频率的250μs的基本时期（或以1GBit/s 25μs和40kHz），对于一个最大长度S-帧和来自21个装置的R-帧存在足够的间距。使用61850-9-2 SMV最大尺寸帧（160个八位字节）使最高发送频率降低至2.5 kHz（以1GBit/s 25kHz）。
图3描绘在示范性节点2内在不同地点的一连串帧。顶部线条描绘准备在下一个偶发阶段发送的帧，而第二线条描绘由节点的内-端口（端口A）接收的帧，并且底部线条描绘在外-端口（端口B）处的帧。以某一发送延迟△s将节点的本地（domestic）帧R2转发到端口B。因为发送帧的时间（12μs）相对于两个节点之间的传播时间（1μs，对应于200m的距离）是长的，在相同时间由共用时钟触发的相邻节点1的R-帧R1将在该节点正传送其自身的R-帧R2时到达节点2。该节点然后以最小帧间间隔△f将帧R1附加到其自身的帧R2（以100Mbit/s 0.96μs）。这同样发生在所有后续接收的R-帧上，从而建立具有最小帧间间隔的一列R帧。
在TP2中，从由该节点接管的应用接收的本地偶发帧S2准备在偶发阶段SP开始前发送，并且对应地被延迟直到时期的开始。定期阶段的结束可以通过观察自定期阶段开始的第一最小尺寸帧间间隔或通过计算定期阶段的最大长度而确定。最后在TP3中，偶发帧Sx由于一些误差而太早被接收并且对应地被延迟直到偶发阶段开始。
图4最后描绘示范***换节点的节点结构或架构。每个节点假设成区分高优先级R-帧（对其提供确定性）的业务与较低优先级S-帧（软实时响应对其是足够的）的业务。为此，节点对于两种帧具有截然不同的队列，如在图4中描绘的。因为硬件中的队列无法同时被不同的记录器访问，在每个发送端口处，截然不同的一对R和S队列用于每个源。例如，传送器TX_A在发送端口A处从S-队列SBtoA（其中让经由端口B接收的S-帧排队）、S-队列SCtoA（其中让来自接管应用的S-帧排队）、R-队列RBtoA（其中让经由端口B接收的R-帧排队）以及R-队列RCtoA（其中让来自接管应用的R-帧排队）馈送。当时钟指示常规时期的开始时，发送时间以传送R-帧，传送器TX_A在发送端口A处收集来自其R-队列RCtoA和RBtoA的R-帧用于瞬时传送。
提出的方法假设对于所有节点的共用时钟存在大约1μs的精确度，其通过例如GPS、PPS或优选地IEEE 1588的适合的部件而同步。在后者的情况下，每个节点实现既普通又显而易见的混合时钟并且根据IEEE 1588使局部时钟再同步。
当已经传送R-帧时，节点可以发送S-帧。节点知道时间关键阶段在输入队列和输出队列对于比帧间间距或间隔△f更长的时间为空时结束。这允许在偶发阶段期间使S-帧队列变空。定期阶段必须被设计使得对于至少一个S-帧总存在足够的地方。
最后，本发明可以在没有另外的修改的情况下用于使若干环形通信网络耦合，例如通过根据IEC 62439-3条款5的方盒（quadbox），如在EP-A 2148473中详述的。在该情况下，方盒的本地帧（其对应于上文的示例中来自接管应用的帧）实际上与相邻环有关。

Claims (12)

1.一种在互连多个同步节点（1-4）的通信网络中传送帧的方法，其中节点定期传送包括时间关键数据的常规帧（R1-R4），并且其中节点不定期传送偶发帧（S2，S3），所述方法包括：
－由多个节点的每个节点在共同传送时期（TP1，TP2）开始时传送常规帧（R1-R4），
－由节点（2）从第一相邻节点（1）接收常规帧（R1，R4，R3），并且在相同传送时期内将接收的常规帧转发到第二相邻节点（3），以及
－由节点延迟偶发帧（S2）的传送直到完成所有接收的常规帧的转发。
2.如权利要求1所述的方法，包括
－延迟偶发帧的传送直到专用于常规帧传送的常规阶段（RP）的观察结束。
3.如权利要求1或2所述的方法，包括
－由节点并且在偶发帧传送之前证实偶发帧的传送是否可在下一个传送时期（TP2）开始之前完成。
4.如权利要求1或2所述的方法，其中所述通信网络是环，所述方法包括
－由起始节点（1）将帧（34a）和复制帧（34b）分别传送到第一和第二相邻节点，其中通过冗余标识符来识别帧和复制帧。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述冗余标识符包括帧的长度，所述方法包括
－基于包括帧的长度的所述冗余标识符，由节点并且在偶发帧或复制偶发帧传送之前证实偶发帧的或复制偶发帧的传送是否可在下一个传送时期（TP2）开始之前完成。
6.如权利要求1所述的方法，其包括
－由所述节点（2）将从所述第一相邻节点（1）接收并且要在常规队列（RBtoA）中转发到所述第二相邻节点（3）的常规帧（R1）排队，并且由所述节点（2）将来自由所述节点（2）接管的应用并且要在不同的队列（RCtoA）中传送到所述第二相邻节点（3）的常规帧排队。
7.一种通信网络，互连多个同步节点（1-4），其中节点定期传送包括时间关键数据的常规帧（R1-R4），并且其中节点不定期传送偶发帧（S2，S3），所述网络的节点包括部件，其用于：
－在共同传送时期（TP1，TP2）开始时传送常规帧（R1-R4），
－从第一相邻节点（1）接收常规帧（R1，R4，R3），并且用于在相同传送时期内将接收的常规帧转发到第二相邻节点（3），以及
－延迟偶发帧（S2）的传送直到完成所有接收的常规帧的转发。
8.如权利要求7所述的通信网络，其特征在于，所述网络的节点包括用于延迟偶发帧的传送直到常规阶段（RP）的观察结束的部件。
9.如权利要求7或8所述的通信网络，其特征在于，所述网络的节点包括用于在偶发帧传送之前证实偶发帧的传送是否可在下一个传送时期（TP2）开始之前完成的部件。
10.如权利要求7或8所述的通信网络，其特征在于，所述通信网络是环，其中帧（34a）和复制帧（34b）由起始节点（1）分别发送到第一和第二相邻节点，并且其中通过冗余标识符来识别帧和复制帧。
11.如权利要求10所述的通信网络，其特征在于，所述冗余标识符包括帧的长度，并且所述网络的节点包括用于基于包括帧的长度的所述冗余标识符在偶发帧或复制偶发帧传送之前证实偶发帧的或复制偶发帧的传送是否可在下一个传送时期（TP2）开始之前完成的部件。
12.如权利要求7到11中任一项所述的通信网络，其特征在于，节点与过程控制PC或变电站自动化SA***的智能电子装置IED有关。
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