CN104378291B - 用于在工业通信网络中进行冗余的信息传输的方法和通信设备 - Google Patents

Abstract

为了在具有任意联网的网络拓扑的工业通信网络中进行冗余的消息传输，为工业通信网络之内的两个网络节点之间的至少部分冗余的通信连接确定彼此无关的路径。在此，彼此无关的路径包括单个通信网络的单独的网络节点。具有副本标识符的消息根据与确定的路径相对应的转发规则在工业通信网络的通信设备的发送和接收单元之间交换。

Description

用于在工业通信网络中进行冗余的信息传输的方法和通信 设备

技术领域

本发明涉及一种用于在工业通信网络中进行冗余的消息传输的方法以及一种用于能冗余运行的工业通信网络的通信设备。

背景技术

通常，工业自动化***包括多个工业自动化设备，所述工业自动化设备经由工业通信网络彼此联网并且在生产自动化或过程自动化的范围中用于控制或调节设施、机器或设备。由于借助于工业自动化设备而自动化的工程***中的时间关键的框架条件，在工业通信网络中为了在自动化设备之间进行通信通常应用实时通信协议，例如Profinet、Profibus或Real-Time-Ethernet。

极其有问题的是工业自动化设备或工业自动化***的计算机单元之间的通信连接的中断，因为这除了信息丢失之外例如能够引起不期望地或不必地重复传输服务请求。由此，造成工业自动化***的通信连接的附加的负荷，这能够引起其他的***干扰或错误。此外，没有传输的或没有完全传输的消息例如能够阻止工业自动化***过渡或保持在安全的运行状态中。在最不利的情况下，能够造成整个生产设施的失效并且造成昂贵的生产中止。在工业自动化***中，特殊的问题通常由具有相对多、但是相对短的消息的指令信息流量造成，由此加强上述问题。

为了能够补偿通信连接或通信设备的失效，研发通信协议，例如媒体冗余协议、高可用性无缝冗余协议、并行冗余协议或(快速)生成树协议以用于高可用性的、可冗余运行地用在工业通信网络中。

媒体冗余协议(MRP)在标准IEC62439中定义并且在含冲突地冗余传递消息的情况下实现对具有简单的环形拓扑的网络中的各个连接失效进行补偿。含冲突的媒体冗余法基本上能够借助相对小的耗费实现。然而，缺点是，一方面消息在错误情况下能够丢失并且另一方面在通信网络的重新配置期间首先存在干扰状态。这种干扰状态必须通过叠加的通信协议、例如借助于中继或传输网络层上的TCP/IP来确保，以便避免通信连接的中断。

高可用性无缝冗余协议(HSR)和并行冗余协议(PRP)在标准IEC 62439-3中定义并且能够实现无冲突地冗余地传递消息，尤其在拓扑改变时没有切换冲突的情况下。根据高可用性无缝冗余协议和并行冗余协议，每个消息由用于发送的通信设备复制并且以两个不同的路径传送给接收器。通过接收侧的通信设备将为副本的冗余的消息从接收到的数据流中滤除。

在冗余的HSR或PRP通信网络中，提供到冗余的通信网络上的存取的网络部件具有不同的作用。在HSR或PRP通信网络中的参与者或终端设备一方和没有HSR/PRP功能的终端设备或网络段另一方之间中继电报的这种网络部件称作为HSR/PRP代理或RedBox。原则上，网络部件能够为了到冗余的HSR或PRP通信网络的存取而将多个HSR环连接或实现HSR和PRP网络段之间的通信。在该情况下，网络部件称作为HSR-HSR-耦合器或QuadBox或HSR-PRP耦合器。

从EP 2 165 474 A2中已知一种用于运行网络的方法，所述网络具有交换器以及连接于所述交换器的网络基础设施。交换器由控制单元控制。在交换器和控制单元之间接入的冗余单元分析交换器和控制单元之间的数据流并且根据分析结果将数据***到数据流中或将数据从数据流中移除。

在EP 2 282 452 A1中描述了一种用于在环状的通信网络之内进行数据传输的方法，其中数据传输根据高可用性无缝冗余协议进行并且通信网络包括至少一个主节点、源节点和目标节点。每个节点具有第一和第二通信接口，所述第一和第二通信接口具有相应的第一和第二相邻节点。此外，每个节点经由第一通信接口接收数据帧并且将接收到的数据帧在改变的或没有改变的情况下经由第二通信接口在没有附加延迟的情况下转发。主节点将第一和第二冗余的数据帧或空的数据帧发送给其第一或第二相邻节点。在接收到两个冗余的数据帧的情况下，源节点将相应的数据帧填充在具有过程数据的预定的预留的区域中。随后，将每个填充的数据帧立即并且单独地转发给源节点的第一或第二相邻节点。最后，目标节点从一对冗余的数据帧的接收到的填充的第一数据帧中提取过程数据。

从EP 2 413 538 A1中已知一种用于在通信***中进行冗余通信的方法，所述通信***包括多个通信网络。通信网络经由至少一个耦合节点彼此连接。出自第一通信网络的数据从第二通信网络向回到第一通信网络中的回传由于在数据传递之前定义的信息而受到妨碍。

根据高可用性无缝冗余协议或并行冗余协议来无冲突地冗余地传递消息的方法在其应用方面限制于具有环形结构或具有多个彼此分开构建的通信网络的网络拓扑。

发明内容

本发明基于下述目的，实现一种用于冗余地、无冲突地在联网的工业通信网络中进行消息传输的基本上拓扑无关的方法和并且提出一种适合于执行该方法的通信设备。

所述目的根据本发明通过具有在本文中说明的特征的方法以及通过具有在本文中说明的特征的通信设备来实现。本发明的有利的改进形式在本文中说明。

按照根据本发明的用于在工业通信网络中进行冗余的信息传输的方法，至少一个通信设备包括至少一个第一和第二发送和接收单元，所述第一和第二发送和接收单元分别具有用于工业通信网络的网络连接的接口并且与通信设备的耦合元件连接。所述通信设备例如能够是交换器或网桥。耦合元件优选是高速总线。对此替选地，耦合元件原则上也能够借助于矩阵切换网络来实现。发送和接收单元与通信设备的信号处理单元相关联，通过所述信号处理单元由发送和接收单元以复制的方式发送要以冗余的方式由通信设备发送的消息并且由通信设备上的发送和接收单元检测冗余接收到的消息。根据协议层，消息例如能够通过数据段、数据包或数据帧来代表。相互冗余的消息的特征根据本发明在于共同的副本标识符。

此外，工业通信网络按照根据本发明的方法具有任意联网的网络拓扑。具有联网的网络拓扑的通信网络例如分别包括多个在两个网络节点之间的经由分开的耦合单元、例如交换器或网桥和耦合路段、例如有线的或无线的通信连接引导的路径。为工业通信网络之内的两个网络节点之间的至少部分冗余的通信连接确定彼此无关的路径，所述路径包括单独的网络节点。具有副本标识符的消息根据与确定的路径相对应的转发规则在通信设备的发送和接收单元之间交换。以所述方式，能够在具有任意联网的网络拓扑的单独的通信网络中实现无冲突的媒体冗余。

原则上，可能的是，仅通信网络的部分区域具有联网的网络拓扑。因此，仅提供部分冗余的路径。与此相应地，具有仅在部分区域中联网的网络拓扑的通信网络仅在所述部分区域中受到保护以防止失效。

按照根据本发明的方法的一个设计方案，经由耦合元件将单向链接的网络节点与发送和接收单元连接。副本标识符通过单向链接的网络节点***到要冗余发送的消息中。以相应的方式，将副本标识符通过单向链接的网络节点从冗余接收的消息中移除。对所述设计方案替选地，通过信号处理单元能够将副本标识符***到单向链接网络节点的要冗余发送的消息中并且从用于单向链接的网络节点的冗余接收的消息中移除。

以在确定的路径上的通信关系中交换的消息能够单义地根据源地址和目标地址、确定的优先级或虚拟局域网的标记或根据这些说明的组合来单义地标识。源地址和目标地址能够是IP地址和MAC地址。例如归入虚拟局域网的例如是对通信参与者或端子的称作为VLAN的逻辑分组。按照根据本发明的方法的一个有利的设计方案，为确定的彼此无关的路径分别设计虚拟局域网。确定的彼此无关的路径在此根据其相关联的虚拟局域网的标记来标识。虚拟局域网的设定能够基于端口或动态地进行。

通信设备的信号处理单元优选地借助于现场可编程门阵列(FPGA)来实现，而耦合元件例如是具有相关联的控制器的背板式交换器。因此，FPGA能够近似作为用于背板式交换器控制器的协同处理器来执行网络耦合任务。因为背板式交换器控制器通常具有VLAN功能，FPGA作为用于背板式交换器的协同处理器的链接能够被简化。FPGA因此能够根据数据帧中的相应的VLAN标记在确定彼此无关的路径之后区分地处理消息。附加地，FPGA能够用于存储具有关于全部与耦合元件连接的单向链接的网络节点的说明的表格(代理节点表)。这能够实现简单地管理与通信设备连接的单向链接的网络节点。

彼此无关的路径例如能够通过工业通信网络之内的中央实体或非中心地通过工业通信网络的网络节点来确定。尤其地，彼此无关的路径能够通过通信设备的信号处理单元来确定。

优选地，在配属于信号处理单元的存储单元中存储已经无错误地接收的消息的副本标识符。与此相应地，信号处理单元在接收到新的消息时对其副本标识符检测与已经存储的副本标识符的一致性。

用于可冗余运行的工业通信网络的根据本发明的通信设备适合于执行在上文中描述的方法并且包括至少一个第一和第二发送和接收单元，所述第一和第二发送和接收单元分别具有用于工业通信网络的网络连接的接口。附加地，设有与发送和接收单元连接的耦合元件。发送和接收单元与信号处理单元相关联，所述信号处理单元包括用于复制要通过发送和接收单元冗余发送的消息的复制单元和过滤单元，所述过滤单元设计成用于检测冗余接收的消息。在此，彼此冗余的消息的特征在于共同的副本标识符。

此外，根据本发明的通信设备构造并且设计用于在具有联网的网络拓扑的工业通信网络中运行。在此，为在工业通信网络之内的两个网络节点之间的至少部分冗余的通信连接确定彼此无关的路径，所述路径包括单独的网络节点。此外，信号处理单元包括转发单元，所述转发单元构造成并且设计成，使得具有副本标识符的消息根据与确定的路径相对应的转发规则在通信设备的发送和接收单元之间交换。

经由耦合元件例如能够将单向链接的网络节点与发送和接收单元连接。信号处理单元能够包括功能单元，所述功能单元构造成并且设计成，将副本标识符通过信号处理单元***到单向链接的网络节点的要冗余发送的信息中。此外，信号处理单元能够包括功能单元，所述功能单元构造成并且设计成，使得将副本标识符通过数据处理单元从用于单向链接的冗余接收的消息中移除。以所述方式，不具有冗余功能的单向链接的网络节点能够包括到用于具有任意联网的网络拓扑的通信网络的无冲突的媒体冗余法中。

优选地，为确定的彼此无关的路径分别设计虚拟局域网。在此，确定的彼此无关的路径能够根据其相关联的虚拟局域网的标记来标识。按照根据本发明的通信设备的一个有利的改进形式，耦合元件包括控制单元，所述控制单元设计成用于运行虚拟局域网。根据另一个设计方案，信号处理单元构造成并且设计成还能够用于确定彼此无关的路径，例如作为工业通信网络之内的中央实体。

发送和接收单元能够直接地或经由信号处理单元与耦合元件连接。信号处理单元又能够直接地或经由耦合元件与发送和接收单元连接。

按照根据本发明的通信设备的一个尤其优选的设计方案，信号处理单元包括用于存储已经无错误接收到的消息的副本标识符的存储单元。此外，过滤单元构造成并且设计成用于，在接收到新的消息时对其副本标识符检查与已经存储的副本标识符的一致性。

附图说明

本发明在下文中以实施例根据附图来详细阐述。附图示出：

图1示出用于可冗余运行的工业通信网络的通信设备的示意图，

图2示出联网的可冗余运行的工业通信网络的示意图。

具体实施方式

在图1中示出的用于可冗余运行的工业通信网络2的通信设备1包括多个发送和接收单元101-104，所述发送和接收单元分别具有用于工业通信网络2的网络连接的接口。在此，第一和第二发送和接收单元101-102直接连接于工业通信网络2。耦合元件12与发送和接收单元101-104连接。在本实施例中，两个单向链接的网络节点31-32经由耦合元件12与第一发送和接收单元101和第二发送和接收单元102连接。此外，耦合元件12包括控制单元121，所述控制单元设计成用于运行虚拟局域网。优选地，耦合元件12通过具有集成控制器的背板式交换器来实现。

发送和接收单元101-104与借助于现场可编程门阵列(FPGA)来实现的信号处理单元11相关联，所述信号处理单元包括用于复制要通过第一发送和接收单元101和第二发送和接收单元102冗余发送的消息的复制单元111。此外，信号处理单元11具有过滤单元112，所述过滤单元设计成用于检测通过第一发送和接收单元101和第二发送和接收单元102冗余接收的消息。相互冗余的消息的特征在此在于共同的副本标识符。

通信设备构造成并且设计成用于在具有联网的网络拓扑的工业通信网络2中运行。为工业通信网络之内的两个网络节点之间的至少部分冗余的通信连接确定彼此无关的路径，所述路径包括单个通信网络的单独的网络节点。信号处理单元包括另一个转发单元113，所述转发单元构造成并且设计成，使得具有副本标识符的消息根据与确定的路径相对应的转发规则在通信设备1的发送和接收单元101-102之间交换，所述发送和接收单元与联网的通信网络2连接。原则上，转发单元113根据可能的实施变型形式也能够确定冗余的彼此无关的路径或在工业通信网络2之内的其他节点上提供通信设备的转发规则。

此外，信号处理单元11包括用于存储已经无错误接收到的消息的副本标识符的存储单元114。在此，过滤单元112构造成并且设计成用于，在接收到新的消息时对其副本标识符检查与已经存储的副本标识符的一致性。附加地，信息处理单元11包括用于存储具有关于全部与耦合元件12连接的单向链接的网络节点31-32的说明的表格(代理节点表)。

特定地对没有全部冗余功能的单向链接的网络节点31-32而言，信号处理单元11作为可选的部件包括功能单元116，所述功能单元构造成并且设计成，将副本标识符通过信号处理单元11***到单向链接的网络节点31-32的要冗余发送的消息中。附加地，信号处理单元11作为可选的部件具有功能单元117，所述功能单元构造成并且设计成用于，将副本标识符通过信号处理单元11从用于单向链接的网络节点31-32的冗余接收的消息中移除。

根据图1的通信设备适合于执行用于在工业通信网络2中进行冗余的消息传输的方法，其中工业通信网络具有联网的网络拓扑2，并且其中为工业通信网络之内的两个网络节点之间的至少部分冗余的通信连接确定彼此无关的路径，所述路径包括单个通信网络的单独的网络节点。彼此无关的路径不仅能够通过工业通信网络之内的中央实体、而且能够分散地通过工业通信网络的网络节点来确定。为确定的彼此无关的路径例如能够分别设计虚拟局域网。与此相应地，确定的彼此无关的路径根据其相关联的虚拟局域网的标记来标识。

在图2中示例性地示出具有多个网络节点201-208、211-214的简单的联网的通信网络，所述通信网络在大程度彼此联网的网络节点211-214的区域20中具有冗余的路径。网络节点201-208、211-214在不同的范围中为任意联网的通信网络中的无冲突的媒体冗余实现下述基本函数：

-ADD(相加)-将单义的副本标识符***到要冗余传输的消息中，

-CPY(复制)-复制或拷贝具有通信网络之内的分支部位上的副本标识符的消息，

-FWD(向前)-转发具有副本标识符的消息，

-FLT(过滤)-在检测冗余接收的消息之后消除或丢弃不必要的信息拷贝，

-REM(移除)-将副本标识符从冗余传输的消息中移除。

网络节点211-214仅实现基本函数FWD并且将具有副本标识符的消息根据与确定的路径相对应的转发规则在其端子之间交换。基本函数FWD例如能够通过没有冗余功能的交换器来实现。

网络节点201、204和206为单向链接的端部节点。在此，网络节点201在本实施例中根本不实现冗余功能，而网络节点204和206始终实现基本函数ADD和REM。因此，用作为用于网络节点201的分支部位的网络节点202实现全部上述基本函数。用作为用于网络节点204和206的分支部位的节点205和208必须仅实现基本函数CPY、FLT和FWD，因为这两个单向链接的网络节点204和206已经实现基础的基本函数。不同于间接地经由具有转发功能(FWD)的网络节点207与其相关联的分支部位连接的网络节点206，网络节点204直接与其相关联的分支部位连接。

网络节点203为双向链接到在图2中示出的通信网络的端部节点。基于此，所述网络节点实现用于执行在上文中描述的用于冗余的消息传输的方法的全部上述基本函数。

Claims (15)

1.一种用于在工业通信网络中进行冗余的消息传输的方法，其中

-至少一个通信设备包括至少一个第一发送和接收单元和第二发送和接收单元，所述第一发送和接收单元和第二发送和接收单元分别具有用于所述工业通信网络的网络连接的接口并且与所述通信设备的耦合元件连接，

-所述通信设备的信号处理单元与所述发送和接收单元相关联，通过所述信号处理单元以由所述发送和接收单元复制的方式发送要由所述通信设备冗余发送的消息并且检测由所述通信设备上的所述发送和接收单元冗余接收的消息，

-彼此冗余的消息的特征在于共同的副本标识符，

其特征在于，

-所述工业通信网络具有联网的网络拓扑，

-为所述工业通信网络之内的两个网络节点之间的至少部分冗余的通信连接确定彼此无关的路径，其中彼此无关的所述路径包括单个通信网络的单独的网络节点，

-将具有副本标识符的消息根据与确定的所述路径相对应的转发规则在所述通信设备的所述发送和接收单元之间交换，并且

-将所述副本标识符从冗余接收的消息中移除。

2.根据权利要求1所述的方法，

其中单向链接的网络节点经由所述耦合元件与所述发送和接收单元连接，并且其中将副本标识符通过所述单向链接的网络节点***到要冗余发送的消息中，并且其中将副本标识符通过所述单向链接的网络节点从冗余接收的消息中移除。

3.根据权利要求1所述的方法，

其中单向链接的网络节点经由所述耦合元件与所述发送和接收单元连接，并且其中将副本标识符通过所述信号处理单元***到所述单向链接的网络节点的要冗余发送的消息中，并且其中将副本标识符通过所述信号处理单元从用于所述单向链接的网络节点的冗余接收的消息中移除。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，

其中为确定的彼此无关的所述路径分别设计虚拟局域网，并且其中确定的彼此无关的所述路径根据其相关联的虚拟局域网的标记来标识。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，

其中彼此无关的所述路径通过所述信号处理单元来确定。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，

其中彼此无关的所述路径通过所述工业通信网络之内的中央实体来确定。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，

其中彼此无关的所述路径分散地通过所述工业通信网络的网络节点来确定。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，

其中在与所述信号处理单元相关联的存储单元中存储已经无错误接收的消息的副本标识符，并且其中所述信号处理单元在接收到新的消息之后对其副本标识符检查与已经存储的副本标识符的一致性。

9.一种用于能冗余运行的工业通信网络的通信设备，具有：

-至少一个第一发送和接收单元和第二发送和接收单元，所述第一发送和接收单元和第二发送和接收单元分别具有用于所述工业通信网络的网络连接的接口，

-与所述发送和接收单元连接的耦合元件，

-与所述发送和接收单元相关联的信号处理单元，所述信号处理单元包括用于复制要通过所述发送和接收单元冗余发送的消息的复制单元和过滤单元，所述过滤单元设计成用于检测冗余接收的消息，其中彼此冗余的消息的特征在于共同的副本标识符，

其特征在于，

-所述通信设备构造成并且设计成用于在具有联网的网络拓扑的工业通信网络中运行，其中为所述工业通信网络之内的两个网络节点之间的至少部分冗余的通信连接确定彼此无关的路径，所述路径包括单个通信网络的单独的网络节点，

-所述信号处理单元包括转发单元，所述转发单元构造成并且设计成用于，将具有副本标识符的消息根据与确定的所述路径相对应的转发规则在所述通信设备的所述发送和接收单元之间交换，

其中所述副本标识符能够通过单向链接的网络节点或者通过所述信号处理单元从冗余接收的消息中移除。

10.根据权利要求9所述的通信设备，

其中单向链接的网络节点经由所述耦合元件与所述发送和接收单元连接，并且其中所述信号处理单元包括功能单元，所述功能单元构造成并且设计成用于，将副本标识符通过所述信号处理单元***到所述单向链接的网络节点的要冗余发送的消息中，并且其中所述信号处理单元具有功能单元，所述功能单元构造成并且设计成用于，通过所述信号处理单元将副本标识符从用于所述单向链接的网络节点的冗余接收的消息中移除。

11.根据权利要求9或10所述的通信设备，

其中为确定的彼此无关的所述路径分别设计虚拟局域网，并且其中确定的彼此无关的所述路径能够根据其相关联的虚拟局域网的标记来标识，并且其中所述耦合元件包括控制单元，所述控制单元设计成用于运行虚拟局域网。

12.根据权利要求9或10所述的通信设备，

其中所述信号处理单元构造成并且设计成用于，确定彼此无关的所述路径。

13.根据权利要求9或10所述的通信设备，

其中所述发送和接收单元直接地或经由所述信号处理单元与所述耦合元件连接。

14.根据权利要求9或10所述的通信设备，

其中所述信号处理单元直接地或经由所述耦合元件与所述发送和接收单元连接。

15.根据权利要求9或10所述的通信设备，

其中所述信号处理单元包括用于存储已经无错误接收的消息的副本标识符的存储单元，并且其中所述过滤单元构造成并且设计成用于，在接收到新的消息之后对其副本标识符检查在与已经存储的副本标识符的一致性。