CN111670567B - 在尤其是工业网络中进行数据通信的方法、控制方法、装置、计算机程序和计算机可读介质 - Google Patents

在尤其是工业网络中进行数据通信的方法、控制方法、装置、计算机程序和计算机可读介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于尤其是工业网络中的数据通信的方法，其中，数据在至少两个设备(2、3、4、5)之间传输，这些设备中的至少一个设备位于优选地基于以太网的现场总线(1)上，其中，数据传输至少逐段地通过网络，尤其是TSN网络(6)实现，在该网络中为至少一个现场总线(1)建立或已经建立至少一个流(7、8、30)，其中在网络(6)的一个或多个节点(9、10、29)，尤其是交换机和/或网桥处为至少一个流(7、8、30)预留或已经预留资源，并且数据帧(13)，该数据帧源自至少一个位于现场总线上的设备和/或确定用于位于现场总线上的至少一个设备，并通过至少一个流(7、8、30)传输。此外，本发明涉及一种控制方法，装置，计算机程序和计算机可读介质。

Description

在尤其是工业网络中进行数据通信的方法、控制方法、装置、 计算机程序和计算机可读介质
技术领域
本发明涉及一种用于尤其是工业网络中的数据通信的方法，其中数据在至少两个设备之间传输，其中至少一个设备位于现场总线上。此外，本发明涉及一种控制方法，装置，计算机程序和计算机可读介质。
背景技术
在工业自动化中，特殊的控制***，尤其是所谓的可编程逻辑控制器，缩写为SPS(英语：Programmable Logic Controller，PLC)用于例如机器，设施或工业过程的自动化控制或调节。SPS通常通过提供输入值的多个传感器和接收控制值的多个致动器连接到机器，设施或过程。
纯示例性地提到提及压力和温度传感器，增量式传感器和液位传感器。致动器可以是例如接触器，电动阀和用于驱动控制的模块的形式。传感器和致动器布置为靠近自动化过程，以便在相关点记录所需的测量值或能够在所需点影响过程。致动器的位置也由机器或设施的结构决定。
在运行中，控制***从传感器接收由传感器记录的测量值，并基于这些测量值来计算用于致动器的控制值，并将其发送给致动器。
为了不必为每个传感器和/或致动器铺设通向控制***的自己的电缆，已经开发了通信网络，即所谓的现场总线。
用于工业应用的现场总线的标准例如为IEC 61158，IEC 61784-1至IEC 61784-5。
这始于简单的总线***。简单的总线***通常的特点是，连接到该总线***的各个设备通过主线相互连接。通常，控制***，尤其是SPS，已经为代表现场设备的所有传感器和致动器铺设了总线网络。其他设备，例如操作设备和/或显示设备，也可以通过现场总线连接到控制***，以便从控制***或为控制***传输数据。PROFIBUS是这种物理总线***的一个示例。
如今，许多现场总线都基于以太网(对于以太网，请参见IEEE 802，尤其是IEEE802.3)，例如PROFINET RT。如有必要，可以提供专有扩展，以实现所需的传输性能/传输质量。但是整个逻辑基本概念以及控制器与传感器/致动器之间的总线都预留在工程中。现场总线形式的基于以太网的通信网络仍被视为单条逻辑电缆(总线网络)。可用带宽(通常为100Mbit/s)通常分为用于实时数据的一半(通常为50Mbit/s)和用于其他流量的另一半(通常为50Mbit/s)。然后必须通过设计实时应用程序来确保带宽的保持。网络设备根据专有扩展或通过使用特殊地址来识别实时数据，并为其分配相应的资源。
以前的现场总线无法轻松集成到新的标准化以太网中。主要通过众所周知的AVB扩展和TSN扩展将使网络功能强大，以满足尤其是对于实时数据传输的要求。
在以太网中使用多个现场总线特别成问题。
迄今为止，工业现场总线(例如PROFINET)已被设计用于100Mbit/s的以太网。申请人知道，在配置期间假定了整个以太网的总线拓扑。在设计中还假定可以独占使用网络中的所有资源。如果这些假设之一不适用，则必须手工进行资源计划，这需要大量的精力并且需要丰富的经验。据申请人所知，到目前为止，还没有一种机制可以将计划与现实进行比较并控制计划的限制并应对损害。这可能会导致整个网络出现故障。由于网络中的资源规划是未知的，因此无法在运行期间进行保护。
通过以太网的进一步发展，可用的带宽越来越高。但是，现场总线通常仅设计用于100Mbit/s网络。由于较高的带宽，期望在以太网中使用多个现场总线***。如果单个***不适配，则无法保护逻辑现场总线。所有实时应用程序均等地共享资源。
在IEEE标准化的范畴中，在AVB(音视频桥接)工作组中，以太网技术(请参阅IEEE802)扩展出用于实现有保证的QoS(“Quality of Service”，也称为服务质量)的机制。在此，定义了一种新的流量类型，即所谓的流，可以通过这种流来保证网络中的质量(QoS)。根据这些标准的流提供了从也称为发布器并形成数据源的设备到一个或或多个也成为订阅器并表现为接收器的设备的受保护的单向通信连接。
时间敏感网络(TSN)描述了一系列标准，该标准为桥接标准IEEE 802.1Q扩展了用于通过以太网络传输实时关键数据的机制。例如时间同步(IEEE 802.1AS-Rev)，帧抢占(IEEE 802.1Qbu)和预留(IEEE 802.1Qca，IEEE 802.1Qcc)和其他标准属于提及的标准。
在通过流进行实际数据传输之前，需要进行注册和预留，以便从网络接收用于无损实时传输数据帧和准时交付的保证。对流的预留尤其通过所谓的流预留协议(SRP)来实现。每个流都有其自己的地址来控制转发。
AVB中引入了“每个流多个订阅器”，以减少从一个源(发布器)到多个目的地(订阅器)的实时数据流数量。具体地，通过仅一个流就可以实现从一个发布器到多个订阅器的数据传输。在申请人引用的文件号为EP 18 15 4319的欧洲专利申请中，还公开了一种流预留模型，该模型允许“每个订阅器多个发布器”，具体是通过仅一个流将数据从多个发布器传输到一个订阅器。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于尤其是工业自动化应用的组件或设备之间的数据通信的方法，该方法使得能够可靠地进行实时通信，并且同时能够以合理的成本执行，并且在此还实现现场总线的现有概念的其他应用。
该目的通过一种用于尤其是工业网络中的数据通信的方法来实现，其中，在至少两个设备之间传输数据，其中至少一个设备位于现场总线上，其中，该数据传输至少逐段地通过AVB网络或TSN网络实现，在该网络中，为现场总线建立或已经建立至少一个流，其中，在网络的一个或多个节点(尤其是交换机和/或网桥)处为至少一个流预留和/或已经预留资源，并且数据帧，该数据帧源自位于现场总线上的至少一个设备和/或确定用于位于现场总线上的至少一个设备，通过至少一个流传输。
根据本发明，进一步提出，一个现场总线或每个现场总线经由至少一个连接节点连接到AVB网络或TSN网络，其中，至少一个连接节点在相应的现场总线的方向上具有现场总线端口并且在在AVB网络或TSN网络的方向上具有流端口，并且至少一个连接节点设计和配置为，为到达现场总线端口的数据帧分配，尤其前置于至少一个流参数，尤其是指定的流地址和/或VLAN ID和/或优先级，和/或从到达流端口的数据帧删除至少一个流参数，尤其是指定的流地址和/或VLAN ID和/或优先级。
至少两个设备优选是工业自动化应用的设备/组件，例如现场设备和/或控制设备，其中，控制设备尤其能够以可编程逻辑控制器(SPC)(英语：Programmable LogicController,PLC)的形式存在。现场设备可以例如以IO设备的形式给出，其包括一个或多个传感器和/或致动器，或者被分配给一个或多个传感器和/或致动器或与之连接。
换句话说，本发明基于以下想法：使用新的标准化以太网机制在以太网网络中的通信链路上映射一个或多个逻辑现场总线-尤其是作为整个***。由此，尤其使得可以继续使用现场总线技术的现有概念。现有设备可以与新标准，尤其是AVB及其扩展TSN一起继续使用。在这种情况下，最好不是所有现有的设备(例如传感器和/或致动器)都单独连接到AVB网络或TSN网络，而是尤其是多个设备仍保留在现有的现场总线上或现有的现场总线的一部分/区段上，并与一个或多个位于至少一个其他现场总线部分或区段上的现场总线设备通过AVB或TSN网络和经由(多个)流连接。
现场总线或(如果有多个的话)多个现场总线可以是物理现场总线(例如PROFIBUS)和/或基于以太网的、无AVB或TSN扩展的逻辑现场总线(例如PROFINET)。
在相应的现场总线或现场总线的一部分/区段内，设备或组件可以根据属于现场总线的现有标准继续通信。在PROFINET现场总线的情况下，例如在现场总线内部以太网数据帧(符合IEEE 802，尤其是IEEE802.3)在没有AVB扩展或TSN扩展的情况下仍然不会通过流发送。用于数据帧的其他代码属于物理现场总线(例如PROFIBUS)，这些代码也可以继续在(相应的)现场总线或(相应的)现场总线区段内使用。因此，无需为符合新标准的AVB网络或TSN网络更改现场总线设备。
根据本发明，在AVB或TSN网络中建立至少一个流，即具有安全的，预留的资源并且尤其是限定的时延的受保护的连接。因此，AVB网络或TSN网络是一种支持通过资源预留建立流的网络。
无论如何，建立一个或多个流所需的所有参数通常都存在于现场总线的工程设计中，尤其是在TIA Portal中，并且可以以简单的方式使用。这些参数的示例是数据包大小，数据包数量，带宽，更新周期，发送间隔和时延。
尤其是，(相应的)逻辑现场总线已经包含在用于参与者的配置的工程程序中。例如，使用PROFINET，可以在TIA门户中完成。通过硬件配置器中已配置模块的逻辑互连可创建逻辑现场总线。逻辑总线***通常具有用于配置一般网络参数的名称和供内部使用的明确ID(例如，UUID-通用唯一标识符)。如有必要，例如可以设置物理总线的或映射逻辑总线的基础以太网网络(无AVB扩展或TSN扩展)的数据速率。通过名称或明确ID，可以将相应现场总线的数据帧分配给一个或多个流。这使得可以利用本发明在AVB以太网络或TSN以太网络中适配或建立用作“隧道”的流。也可以通过现场总线名称和/或关联的明确ID来识别关联的现场总线区段或现场总线设备。
尤其地，例如，通过在TSN网络中使用抢占(IEEE 802.1Qbu)，还可以满足现场总线中时间非常紧迫的应用程序的时延要求。例如，在100Mbit/s的情况中，发送具有最大数据量的帧所需的时间大约为125微秒，这已经大于64微秒的小总线周期。
AVB技术和TSN技术主要是通过在汽车领域的成功使用和/或来自相对便宜的网络组件中的家庭网络的AVB(音频视频桥接)来获得。通过使用根据本发明的相对便宜和标准化的AVB机制或TSN机制(流)，只能用于更昂贵的机制中的、用于在以太网络中隧穿数据传输的其他机制(例如至今为止仅在昂贵的硬件组件中存在的并且不能为此提供资源保护的VXLAN，Mac-in-Mac，SPB-V)可以被放弃。
根据本发明的一个或多个流的使用导致具有安全资源的、鲁棒并有保证的传输，并保证保持实时应用所需的时延。通过预留，保护要传输的数据，使其免受网络中其他实时应用程序和/或其他应用程序的过度影响。因此，其他应用程序对传输时间具有特别小的、但是刚好已知的影响。资源预留不会导致实时数据丢失。
为了能够透明地连接在现场总线中，即集成在现场总线中的以太网设备，分组选择可以限于属于(相应的)现场总线的分组。例如，可以使用以太网类型实现此识别。这里以太网类型是以太网数据帧的已定义组成部分，它定义了发送数据并在目的地接收到后对其进行处理的协议。例如，对于PROFINET RT，以太类型为0x8892。
优选为该现场总线或每个现场总线自动地设置至少一个流。
为了获得一个或多个受保护的连接，即一个或多个流，在实际传输数据之前，以本身已知的方式在网络的一个或多个节点中预留资源，这优选地使用预留协议来实现。通过为实时流使用预留协议，可以使用相应的拓扑结构在网络中自动执行复杂的配置。
预留和/或已经预留的资源可以是例如地址表条目，帧缓冲器，传输时间片，带宽，抖动，时延等。
在一种优选的设计方案中提出，在网络的一个或多个节点处预留和/或已经预留作为至少一个流的资源的地址表条目和/或帧缓冲器和/或带宽。特别优选的，在至少一个节点处预留和/或已经预留至少一个地址表条目和帧缓冲器以及带宽。
将数据帧分配给隧道或流可以在端点中根据协议实现。例如，在PROFINET的情况中，也可以附加地使用帧ID，即以太网数据帧内的ID。由此，就可以为现场总线的每种服务(尤其是PROFINET服务)选择自己的隧道，即流。
尤其是，使用预留协议和/或使用现有现场总线工程，尤其是TIA Portal的参数的情况下，可以以一种简单的方式自动配置一个或多个流，即使没有特殊的IT知识也可以简化用户的处理和使用。
在根据本发明的方法的上下文中，一个或多个流可以用于现场总线内的两个或多个设备之间的数据传输和/或位于两个或多个不同现场总线上的设备之间，即两个或多个现场总线之间的数据传输，和/或设备之间的数据传输，其中至少一个设备在现场总线上，至少一个设备不在现场总线上。
在AVB或TSN网络中建立一个或多个流。AVB网络或TSN网络应被理解为是指满足一个或多个音频视频桥接(AVB)或时间敏感联网(TSN)标准的网络，尤其是包括一个或多个具有AVB能力或TSN能力的节点，例如交换机和/或网桥。尤其地，网络或节点被设计和/或配置为，满足一个或多个AVB标准或TSN标准。AVB标准尤其包括IEEE802.1AS，IEEE802.1Qat，IEEE802.1Qav，IEEE802.1BA，TSN标准包括例如时间同步(IEEE 802.1AS-Rev)，帧抢占(IEEE 802.1Qbu)和预留(IEEE 802.1Qca，IEEE 802.1Qcc)和其他标准。
根据本发明的处理方法提供了多个优点。一方面，现场总线可以继续作为逻辑现场总线存在。与以前一样，用户可以将通信视为总线，并在逻辑上将设备彼此连接。
通过一个或多个流保护AVB以太网或TSN以太网中的传输，并且不再受其他应用程序的干扰。此外，无需更改终端设备。相反，现有的终端设备或***，尤其是工业自动化应用，可以继续使用而不会出现任何问题。同时，可以使用新的标准化以太网机制AVB或TSN。此外，一个或多个现场总线通过根据本发明的处理方法可被视为在AVB网络或TSN网络中的可见连接，通过至少一个流的预留也使得能够以非常简单的方式诊断在AVB网络或TSN网络中可能出现错误和资源瓶颈。尤其地，在AVB网络或TSN网络的诊断中，一个或多个逻辑现场总线以至少一个流的形式可见，优选地，以双向通信的正好两个流的形式可见。然后可以在网络管理中使用所占用的资源识别每个流，尤其是隧道通信(逻辑总线)的每个传输方向。例如，可以在AVB网络或TSN网络中识别具有数量不足的FDB条目的网桥。对流的诊断是预留协议SRP(在IEE 802.1Q中)的一部分。
经由至少一个流的数据帧的传输尤其使得，通过整形器，尤其是根据IEEE802.1保证了对带宽的保持。通过保证的带宽保持意味着可以在每个节点(例如每个网桥)保证最大时延。通过符合IEEE 802.1Qav的基于信用的整形器(CBS)，在AVB流或TSN流的情况中，例如在每个数据帧的传输或转发过程中执行暂停，暂停的长度取决于数据帧的大小和预留的带宽。暂停之前已发送或转发的数据帧越大，暂停时间越长，即转发或发送的数据量越大。该关系在此尤其是线性的。暂停的长度尤其对应于传输各个数据帧所需的时间的长度乘以取决于预留带宽的因数。例如，如果为一个流预留了25％的带宽，则尤其地在每个数据帧之后进行一次暂停，这是其传输所需时间的三倍。如果预留50％，则暂停时间与传输时间一样长，依此类推。暂停时间的长短因预留而已知，并且是固定的。通过该处理方法可确保保持带宽。到达节点(尤其是AVB网络或TSN网络的网桥或交换机)的帧始终可以立即转发。
特别优选地提出，在现场总线的两个区段之间建立或已经建立至少一个流，其中，多个设备优选地位于至少一个现场总线区段上。在最简单的情况下，现场总线区段也可以包括单个设备或由该设备提供。这意味着还可以通过例如流在连接两个或更多设备的现场总线区段和单个现场总线设备之间交换数据。
根据本发明的方法的另一优选设计方案的特征在于，提供了两个或更多个现场总线，相应至少一个设备位于现场总线上，并且为每个现场总线，在AVB网络或TSN网络中建立或已经建立至少一个分配给相应的现场总线的流，其中，为每个流在网络的一个或多个节点(尤其是交换机和/或网桥)处预留或已经预留资源，并且数据帧，该数据帧源自位于相应的现场总线上的至少一个设备和/或确定用于位于相应的现场总线上的至少一个设备，该数据帧在AVB网络或TSN网络中通过相应的至少一个流传输。
如果AVB网络或TSN网络的带宽允许，例如千兆位网络可用，则也可以在网络中组合多个逻辑现场总线，对于这些逻辑现场总线，分别假定50Mbit/s为实时数据传输的最大带宽。在根据本发明的方法的范围内，也可以经由网络连接多个现场总线。然后，通过流，在更快的基于AVB或TSN的网络中，每个现场总线都有安全的资源。预留可以例如根据最大物理现场总线速度在TSN骨干网中实现。可以通过更快的链接速度来实现低时延，并且可以选择使用实时应用的抢占，尤其是具有相对较低的周期(例如，低于250微秒)的实时应用。
特别优选地为该现场总线或每个现场总线建立至少两个流，并且尤其是经由至少一个流在相应的现场总线的方向上传输数据帧以及经由至少一个另外的、源自相应的现场总线的流来传输数据帧。然后，整个数据传输可以特别在两个方向上，通过两个或多个流实现，为这些流在位于流网络路径上的一个或多个节点(尤其是交换机和/或网桥)上预留或为已经预留资源。
尤其可以根据(对于每个方向)存在至少一个流ID来确定一个方向上是否存在至少一个流和/或另一方向上是否存在至少一个流。
在根据本发明的方法的范畴内，尤其是通过流传输数据帧，该数据帧包括作为用户数据的、由自动化设施的传感器检测到的测量值或表示它们的数据和/或为自动化设施的致动器确定的控制值或表示它们的数据。替代地或附加地，为了配置网络和位于现场总线上的一个或多个设备，尤其是传感器和/或致动器的数据和/或用于周期性监视位于现场总线上的一个或多个设备的数据被传输。
根据本发明的方法的另一优选设计方案的特征在于，在使用(相应的)现场总线的配置数据的情况下，尤其是在使用(相应的)现场总线的TIA门户的配置数据的情况下，为现场总线或每个现场总线建立或已经建立至少一个流。在现场总线工程中通常已经存在的配置数据可以以简单的方式被利用。这些参数的示例是数据包大小，数据包数量，带宽，更新周期，发送间隔和时延。
在PROFINET的情况下，例如可以通过不带AVB扩展或TSN扩展的以太网(尤其是根据IEEE 802.3)，根据现有的现场总线标准在位于相应的现场总线或现场总线区段上的一个或多个设备与该连接节点或每个连接节点之间传输数据。
还可以提出，该现场总线或每个现场总线经由至少两个连接节点连接到AVB网络或TSN网络，并且每个连接节点在相应的现场总线的方向上具有一个现场总线端口，在AVB网络或TSN网络的方向上具有一个流端口，并且每个连接节点的设计和配置为，为到达现场总线端口的数据帧分配，尤其前置于至少一个流参数，尤其是指定的流地址和/或VLAN ID和/或优先级，和/或从到达流端口的数据帧删除至少一个流参数，尤其是指定的流地址和/或VLAN ID和/或优先级。
优选在连接节点中提供逻辑配置，该逻辑配置使现场总线能够连接到(相应的)流。例如，PRU优选地被集成在相应的连接节点中。PRU是具有至少2个端口的设备中的可编程功能，根据程序的不同，PRU可以在进一步的内部处理或传输之前根据程序处理接收或要发送的帧，并且可以添加，更改和/或删除内容。PRU程序可以确保必须通过隧道发送的所有传入帧都可以在更高级别的AVB或TSN网络中被识别为流。尤其可以通过使用的目的地地址和/或VLAN ID和/或VLAN优先级来识别AVB流或TSN流的数据帧。
优选地，该连接节点或每个连接节点在来自现场总线的到达现场总线端口的数据帧的报头中提供至少一个流参数，或者将具有一个或多个流参数的(流)报头置入相应的数据帧之前。
该连接节点或每个连接节点实际上形成(相应)现场总线(网络)与AVB网络或TSN网络之间，其中建立或已经建立至少一个流，或者属于(相应)流的，也可以称为流网络路径的网络路径之间的连接器。至少一个连接节点尤其承担代理的功能和/或形成(相应的)流的(相应的)端点。连接节点优选地是2端口或多端口设备，其在现场总线中具有至少一个端口，并且在流网络路径的方向上具有至少一个另外的端口。
连接节点的使用使现场总线数据帧(例如，以太网(无AVB扩展或TSN扩展)帧或具有不同编码的数据帧)可以平稳地转变为具有流能力的数据帧(尤其是具有指定流地址和/或VLAN标签，尤其是VLAN ID和/或优先级，和/或其他通常位于帧头中的流参数)，反之亦然。然后，相应的流数据帧特别包括报头和在报头之后的用户数据，它们也被称为“有效载荷”。然后，流数据帧的“有效负载”尤其对应于现场总线数据帧。在相反的方向上，尤其去除至少一个流参数或报头。
也可能的是，至少一个连接节点或其功能集成在设备中，例如控制设备，例如以SPS的形式。
如果按照本发明的方式将多个现场总线连接到AVB网络或TSN网络，则优选地为每个现场总线提供至少一个连接节点，并且优选地为每个现场总线提供至少两个连接节点。
如果提供一个或多个连接节点，则这些连接节点优选形成用于为至少一个流预留和/或已经预留资源的节点。
一个或多个连接节点和/或必要时存在的任何其他节点优选地被设计为具有AVB能力或TSN能力的节点。例如，它可以是(相应地)具有AVB或TSN的网桥和/或具有AVB或TSN的交换机或其他具有AVB或TSN的设备。在网络方向上的连接节点的至少一个端口优选是AVB端口或TSN端口。
另一设计方案的特征在于，该或每个现场总线的一个或多个设备连接到一个连接节点的现场总线端口，并且该或每个现场总线的一个或多个其他设备连接到另一连接点的现场总线端口。不言而喻，相应的设备到相应的现场总线端口的连接-通过一个或多个其他组件-可以是直接的或间接的，例如通过一个或多个现场总线节点，尤其是相应的现场总线的交换机和/或网桥。
本发明还涉及一种用于工业技术过程或车辆的控制方法，其中，使用根据本发明的用于数据通信的方法，在自动化设施的至少两个设备之间交换数据，并且基于所交换的数据实现对工业技术过程或车辆的控制。
本发明的另一个主题是一种装置，其设计和配置为执行根据本发明的数据通信方法或控制方法，特别包括
一个或多个优选具有AVB能力或TSN能力的节点，尤其是网桥和/或交换机，以及
至少两个设备，这些设备优选是工业自动化设施的组成部分，并且其中至少一个设备可以连接到一个现场总线或位于一个现场总线上。
本发明还涉及一种计算机程序，该计算机程序包括程序代码装置，用于执行根据本发明的数据通信方法和根据本发明的控制方法的步骤。
最后，本发明的主题是一种计算机可读介质，其包括指令，当在至少一台计算机上执行该指令时，该指令使至少一台计算机执行根据本发明的用于数据通信的方法和根据本发明的控制方法的步骤。
该计算机可读介质可以是例如CD-ROM或DVD或USB或闪存。应当注意，计算机可读介质不应被理解为仅指物理介质，而是这种介质也可以例如以数据流和/或代表数据流的信号的形式存在。
附图说明
通过以下参考附图对本发明的方法的设计方案的描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见。图中示出：
图1示出了工业自动化设施的基于以太网的PROFINET现场总线的逻辑布置的纯示意图；
图2示出了工业自动化设施的现场总线的纯示意图，在TSN网络中为其建立两个流；
图3示出了作为2端口设备的、例如设计具有集成的PRU的连接节点的纯示意图；
图4示出了具有集成的连接节点的设备的纯示意图；
图5示出了源自现场总线的以太网数据帧和流数据帧的纯示意图，以及其中，以太网数据帧如何到达连接节点的现场总线端口或由其发送，以及该流数据帧如何到达连接节点的流端口或由其发送；
图6示出了在现场总线中传输的数据的纯示意图；
图7示出了将三个现场总线彼此连接的TSN网络的纯示意图；
图8示出了TSN网络的纯示意图，该TSN网络将两个现场总线区段和一个现场设备彼此连接；
图9示出了到达连接节点的现场总线端口的数据和离开它的流数据帧的纯示意图；
图10示出了到达连接节点的现场总线端口的四个现场总线数据帧和相关的流数据帧的纯示意图；
图11示出了用于在TSN网络中转发流数据帧的纯示意图；
图12示出了用于在预定的时间窗口内以更高的带宽转发网络中的现场总线数据帧的纯示意图。
具体实施方式
图1以纯示意图示出了用于图中未进一步示出的技术过程的工业自动化设施的四个设备，这些设备通过基于以太网的现场总线1，具体来说是PROFINET现场总线相互连接以进行数据交换。在此示出了逻辑总线，其基于图1中未进一步示出的以太网。
这四个设备是可编程逻辑控制器2(以下称为SPS)，包括屏幕3的形式的显示设备，操作面板4和输入/输出设备，即I/O设备5，自动化设施的一个或多个传感器和/或致动器(图中未显示)或与之连接。应当强调的是，屏幕3，操作面板4，尤其是I/O设备5被示意性地示出，并且许多其他现场设备，尤其是I/O设备5连接或可连接到现场总线1。
当未进一步示出的自动化设施运行时，以本身已知的方式在SPS 2和现场设备3、4、5之间交换数据。尤其是在运行过程中，I/O设备5将通过传感器记录的测量值发送到SPS2，并且根据测量值确定的用于自动化设施的致动器的控制值从SPS 2发送到I/O设备5。数据也从SPS 2发送到屏幕3，以便在那里被用户看到，并且特别表示用户命令的数据从操作面板4发送到SPS 2。
图2示出了SPS 2，屏幕3，操作面板4和I/O设备5，其中，现场总线1被分为两个区段1a，1b，并且现场总线区段1a，1b通过TSN网络6彼此连接。TSN网络6在图2中示意性地通过云指出。现场总线区段网络也是如此。
在TSN网络6中，在这里描述的根据本发明的用于数据通信的方法的实施例的一个步骤中建立两个流7、8，其用于在位于一个现场总线区段1a上的设备2、3和位于另一个现场总线区段1b上的设备4、5之间以保证的质量，尤其是时延的快速，安全的数据传输。
对于两个流7、8中的每一个，在TSN网络6的交换机的多个节点处已经预留了资源用于建立流。
已使用现场总线1的配置数据自动建立了两个流7、8。建立流6、7所需的所有参数已经存在于现场总线1的工程中，具体来说是在TIA Portal中，并且可以以简单的方式使用。这些参数的示例是数据包大小，数据包数量，由此获得的带宽，更新周期，发送间隔和时延。
经由流7在现场总线区段1b的方向上传输源自SPS 2的数据帧和/或源自屏幕3的数据帧，以及经由数据流8在现场总线区段1a的方向上传输源自操作面板4的数据帧和/或源自IO设备5的数据帧。
为了将从相应的设备2、3、4、5传出的现场总线数据帧(其可作为以太网帧(根据IEEE 802.3)存在，并在所示的实施例中存在)平稳地转换为具有流的能力的数据帧，反之亦然，在当前情况下提供两个连接节点9、10。两个现场总线区段1a，1b的每一个分别通过连接节点9、10连接到TSN网络6，具体地，区段1a通过连接节点9并且区段1b通过连接节点10连接。
两个连接节点9、10均被设计为2端口设备，并且在相应的现场总线区段1a，1b的方向上具有现场总线端口11，以及在TSN网络6的方向上具有流端口12。端口11、12可以在图3中看到，其以示例的方式示出了被设计为2端口设备的连接节点9、10的放大的纯示意图。在图2中仅示出了现场总线端口11，而未示出在TSN网络6的方向上的流端口12。
作为所示实施例的替代，连接节点9、10的功能也可以直接集成到设备2、3、4、5中，然后可以将设备直接连接到TSN网络6。在图4中纯示意性地示出了该替代设计方案。然后，设备2、3、4、5具有流端口12，设备通过该端口可以连接到TSN网络6。该设计方案特别可以在不是两个现场总线区段1a，1b通过流彼此连接，而是例如现场总线1或现场总线区段1a，1b与并不位于现场总线1上的设备2、3、4、5连接的的情况下使用。
在这里描述的实施例中，在连接节点9、10中提供了逻辑配置，该逻辑配置使得能够进行现场总线数据帧向流数据帧的过渡，反之亦然，具体地，相应地设计的在图中并未示出的PRU被集成在两个连接节点9、10中的每个中，其通过其程序来针对性地操纵分组并且添加或删除数据帧的所需标识(参见图5)。
连接节点9、10设计和配置为，将由设备2、3、4、5从相应的现场总线区段1a，1b发送的并到达相应的连接节点9、10的现场总线端口11的以太网数据帧13置于具有流参数，具体地具有指定的流地址15，源地址16，VLAN ID 17和优先级18的报头14之后，并通过相应的流端口12转发。如图5右半所示，具有前置的报头14的以太网帧13形成TSN流数据帧19。
除了用户数据20(也称为“有效载荷”)之外，以太网数据帧13在其前置的一侧还包括指定地址21，源地址22，以太类型23并且在用户数据20后方包括CRC 24。
从连接节点9、10提供新的CRC 25。
两个连接节点9、10都设计和配置为将由设备2、3、4、5从相应的现场总线区段1a，1b发送的、并到达相应的连接节点9、10的现场总线端口的数据帧置于流参数之后，并且从到达流端口的数据帧中删除流参数。
另外，连接节点9、10都设计和配置为将具有指定的流地址15、源地址16、VLAN ID17和优先级18的报头14从经由流7、8到达它们的流端口12的TSN流数据帧19中删除，然后通过现场总线端口11将没有删除的参数的数据帧13(即以太网数据帧13)转发到相应的现场总线区段1a，1b。
在图5中示意性地示出了现场总线数据帧13和流数据帧19之间的连接节点9、10，并且通过箭头26指明针对两个通信方向相应地操纵数据帧13、19。
应当注意的是，在两个连接节点9、10处以及在位于它们之间的TSN网络(图中未进一步示出)的另外的具有TSN能力的节点处为两个流7、8预留了资源。
在所示的实施例中，为了用于两个方向的预留具体地使用作为IEE802.1Qat标准化的流预留协议(SRP)。
通过预留保护要传输的数据不受其他实时应用程序和/或网络中其他应用程序的过度影响。尤其是，其他应用程序对传输时间的影响很小，但众所周知。资源预留不会导致实时数据丢失。
通过以太网的数据传输在相应的现场总线区段1a，1b内进行。在所示的实施例中，具体地从相应的设备2、3、4、5到相应的现场总线区段1a，1b的现场总线交换机27，并且从该交换机到相应的连接节点9、10，该连接节点被分配给现场总线区段1a，1b。
在图2中，纯示意性地通过与TSN网络6或现场总线区段1b的网络相邻的“语音气泡”示出了对TSN网络和现场总线网络的带宽的使用。
具体地说，对于现场总线网络(右侧的“语音气泡”)，一方面是链路带宽Blink，另一方面是带宽B50％(对应于一半)，以及低于B50％的实际使用的带宽BV。在当前情况下，提供100Mbit/s的带宽，将其分为用于实时数据的一半B50％(50Mbit/s)和用于另外的通信的另一半(通常50Mbit/s)。
在其中更高带宽可用的TSN网络6中的情况是提供最大类别带宽BKmax和在其之下的流带宽Bstream。流带宽尤其可以从现场总线1的配置中获取，尤其是从TIA配置中获取，例如为10Mbit/s，或者尤其是在PROFINET的情况下，通过***定义设置为50Mbit/s的标准值。
作为图2所示的实施例的替代，该实施例具有带有两个现场总线区段1a，1b的现场总线1，在两个区段之间通过流7、8传输数据，多个现场总线1也可以位于TSN网络6上并且在TSN网络6中为多个现场总线1建立流7、8。
在图6中示例性地并且纯粹示意性地示出了用于一个以上的现场总线1的构架。相同的组件具有相同的附图标记。应当指出的是，在图6中未示出现场总线区段1a，1b，而仅示出了三对连接节点9、10，在这些连接节点之间，为具有通过流彼此连接的现场总线区段1a，1b的相应现场总线1分别在相反方向建立两个流7、8。对于三个分别具有两个区段1a，1b的现场总线1中的每一个，其布置如图2所示。
可以看出，水平和垂直阴影线的连接节点对9、10的网络路径相同，具体地，两个连接节点对的流7、8以及因此相关的现场总线1经由TSN网络6的两个相同的TSN交换机28延伸。第三现场总线1的流7、8也经过这两个TSN交换机28的左侧。因此，所有六个流7、8的预留都存在于位于图6的左下方的该TSN交换机28处，TSN交换机28位于右下方，用于四个流7、8，而位于上部交换机28上仅用于两个流7、8。
应该强调的是，该配置是纯示例性的，并且TSN网络6包括任何其他数量的交换机28，并且预留也可以是不同的。
此外，作为到目前为止所描述的实施例的替代方案，也可以提出，可以通过TSN网络6连接两个以上的现场总线区段1a，1b，并且可以在其中建立流7、8。
应当指出，在最简单的情况下，现场总线区段也可以由分配给现场总线1的单个设备2、3、4、5形成。因此，也可以经由TSN网络6连接两个或更多个现场总线区段1a，1b以及另外的设备2、3、4、5，并且可以在其中建立流7、8。
在图7和8中仅示例性地且示意性地示出了一个构架，在该构架中，两个现场总线区段1a，1b和另一个现场总线设备3通过TSN网络6连接并且通过该网络通信。这些图中又使用了相同的附图标记。
在这种情况下，为现场总线1提供三个连接节点9、10、29，并且在TSN网络6中建立三个流7、8、30。
与图6类似，图7仅示出了三个现场总线1的连接节点9、10、29和流7、8、30，其中之一具有通过TSN网络6连接的三个现场总线区段1a、1b、1c并且向其分配了三个连接节点9、10、29，并为其建立了三个流7、8、30。与图2类似，图8示出了图7中仅一个现场总线1的情况，具体地具有三个区段1a、1b、1c的现场总线1，其中，第三现场总线区段1c通过单个设备，具体地屏幕3形成。
从每个现场总线区段1a、1b、1c发出流7、8、30，通过该流分别将数据发送到其他两个现场总线区段1a、1b、1c(也请参见图7和8中的箭头)。这是每发布器多订阅器构架，并且在所示实施例中，支持此的流预留协议(SRP)被用于资源预留。
为了进一步说明，图9在纯示意图中示出了数据31，该数据在现场总线1中被传输，尤其是直到连接节点9、10、29，或者从该连接节点传输(由双箭头32示出)，数据30的右侧是具有现场总线端口11的连接节点9、10、29，数据的右侧还有具有报头14和用户数据区域或“有效载荷”13和CRC 25的流数据帧19。连接节点9、10、29与TSN网络6的连接也在图6中示意性地通过云示出。
在图10和11中更详细地示出了帧转发，其中，图10示意性地示出了四个现场总线数据帧，它们经过时间t依次到达连接节点9、10、29。现场总线数据帧在图10中用FD0，FD1，FD2和FD3表示。现场总线数据帧FD0，FD1，FD2和FD3能够以最大可能的带宽到达。
在此下方是与之对应的四个流数据帧(其由具有流能力的“打包”现场总线数据帧给定)，其分别标为SD0，SD1，SD2和SD3。在第一流数据帧SD0的左侧，用虚线表示先前的流数据帧。可以看出，流数据帧SD0，SD1，SD2和SD3在时间轴34的方向上具有较小的范围，这是由于与现场总线网络相比，TSN网络6中的浴槽宽度更大。可以以更高的带宽发送流数据帧SD0，SD1，SD2和SD3。
在图11中，再次在上方示出了四个流数据帧SD0，SD1，SD2，SD3，其中，在下面概述，以这样的方式进行转发：在每个流数据帧SD0，SD1，SD2，SD3的传输之后执行暂停P0，P1，P2，P3，暂停的长度取决于发送的数据量的长度(其在图上表示为各个流数据帧SD0，SD1，SD2，SD3的大小G0，G1，G2，G3)以及带宽(其被预留用于相应的流7、8、30)。例如，如果为流7、8、30预留了25％的带宽，则每个数据帧SD0，SD1，SD2，SD3之后的暂停时间是帧SD0，SD1，SD2，SD3的传输时间的三倍。各个流数据帧SD0，SD1，SD2，SD3越大，暂停P0，P1，P2，P3越长。通过相应的暂停保证带宽的保持。如果预先保持带宽，则下一帧SD0，SD1，SD2，SD3总是可以在到达时直接发送。
此过程与使用CBS(基于信用整形器)机制(IEE 802.1Qav)为流预留流量的AVB模块或TSN模块相对应。为流预留网络资源，例如带宽。
应当注意，在图11中，在相应的流SD0，SD1，SD2，SD3的下方以“锯齿状”线指明了“信用”，该信用在帧SD0，SD1，SD2，SD3的传输之后必须在暂停期间从负区域“恢复”到零，以便可以传输下一帧SD0，SD1，SD2，SD3。
在图12中再次纯示意性地示出了申请人已知的用于在具有更高带宽的网络中传输现场总线数据帧FD0，FD1，FD2，FD3的替代方案，其没有这些优点。
与图10类似，图12示出了在具有较小带宽的现场总线网络中以及在下方的具有较高带宽的网络中的四个现场总线数据帧FD0，FD1，FD2，FD3。如参考图11所描述的，现场总线数据帧FD0，FD1，FD2，FD3不经由具有通过预留保护的资源的流来传输，而是在每个网络周期35中提供用于帧FD0，FD1，FD2，FD3的传输的固定的时间窗F。如果数据量，尤其是一帧的数据量太大，为了在窗口F内完全传输，则传输必须在下一个周期中实现或继续进行，这在图12中由指向分别跟随的周期的箭头36指示，这导致包的卡滞。带宽永远不会被充分利用。这种基于时间的转发的另一个问题是，在现场总线***(应用是时间驱动器)和带宽更高的网络(网络中的***时间)出现不同的周期。
尽管已经通过优选的实施例详细地说明和描述了本发明，但是本发明不受公开的示例的限制，并且本领域技术人员可以在不脱离本发明保护范围的情况下从中得出其他变化。

Claims (17)

1.一种在工业网络中进行数据通信的方法，其中，数据在至少两个设备(2、3、4、5)之间传输，所述设备中的至少一个设备位于现场总线(1)上，数据传输至少逐段地通过AVB网络或TSN网络(6)实现，在所述AVB网络或TSN网络中为所述现场总线(1)已经建立或建立至少一个流(7、8、30)，在所述AVB网络或TSN网络(6)的一个或多个节点处为所述至少一个流(7、8、30)预留或已经预留资源，通过所述至少一个流(7、8、30)传输源自位于所述现场总线上的至少一个设备的和/或设置用于在所述现场总线上的至少一个设备的数据帧(13)，其特征在于，
所述现场总线(1)通过至少一个连接节点(9、10、29)连接至所述AVB网络或TSN网络(6)，每个连接节点(9、10、29)具有在相应的所述现场总线(1)的方向上的现场总线端口(11)和在所述AVB网络或TSN网络(6)的方向上的流端口(12)，每个所述连接节点(9、10、29)设计和配置为，为到达所述现场总线端口(11)的数据帧(13)分配呈指定的流地址(15)和/或VLAN ID(17)和/或优先级(18)形式的至少一个流参数，和/或从到达所述流端口(12)的数据帧(19)删除呈指定的流地址(15)和/或VLAN ID(17)和/或优先级(18)形式的至少一个流参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提供两个或更多个现场总线(1)，至少一个设备(2、3、4、5)相应地位于所述现场总线上，并且为所述现场总线(1)在所述AVB网络或TSN网络(6)中建立或已经建立至少一个被分配给相应的所述现场总线(1)的流(7、8、30)，其中，在所述AVB网络或TSN网络(6)的一个或多个节点处为每个所述流(7、8、30)预留或已经预留资源，并且在所述AVB网络或TSN网络(6)中通过相应的所述至少一个流(7、8、30)传输源自位于相应的所述现场总线(1)上的至少一个设备(2、3、4、5)的和/或设置用于在相应的所述现场总线(1)上的至少一个设备(2、3、4、5)的数据帧(13)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在现场总线(1)的两个区段(1a、1b、1c)之间建立或已经建立至少一个流(7、8、30)，其中，多个设备(2、3、4、5)位于至少一个现场总线区段上。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在参照所述现场总线(1)的配置数据的情况下，为所述现场总线(1)建立或已经建立所述至少一个流(7、8、30)。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为所述现场总线(1)建立至少两个流，其中，通过至少一个流(7、8、30)在相应的所述现场总线(1)的方向上传输数据帧，并且通过至少一个另外的流传输源自相应的所述现场总线(1)的数据帧。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据属于相应的所述现场总线(1)的标准来传输在所述现场总线(1)中的数据。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述现场总线(1)通过至少两个连接节点(9、10、29)连接至所述AVB网络或TSN网络(6)，并且每个连接节点(9、10、29)具有在相应的所述现场总线(1)的方向上的现场总线端口(11)和在所述AVB网络或TSN网络(6)的方向上的流端口(12)，并且每个所述连接节点(9、10、29)设计和配置为，为到达所述现场总线端口(11)的数据帧(13)分配至少一个流参数(18)，和/或从到达所述流端口(12)的数据帧(19)删除至少一个流参数(18)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述现场总线(1)的每个连接节点(9、10、29)限定属于所述现场总线(1)的至少一个流(7、8、30)的端点。
9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述现场总线(1)的一个或多个设备(2、3、4、5)与一个连接节点(9、10、29)的现场总线端口(11)连接或已经连接，并且所述现场总线(1)的一个或多个另外的设备与其他的连接节点的现场总线端口连接或已经连接。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，自动为所述现场总线(1)建立至少一个流(7、8、30)。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在使用预留协议的情况下执行对用于所述至少一个流(7、8、30)的资源的预留。
12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述AVB网络或TSN网络(6)的一个或多个节点处预留和/或已经预留作为所述至少一个流(7、8、30)的资源的地址表条目和/或帧缓冲器和/或带宽。
13.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，数据帧经由所述至少一个流(7、8、30)的传输使得在每个数据帧的传输或转发之后进行暂停，暂停的长度取决于所述数据帧的大小和/或为所述至少一个流(7、8、30)预留的带宽。
14.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当经由所述至少一个流(7、8、30)传输数据帧时，通过至少一个整形器根据IEEE 802.1来保证对带宽的维持。
15.一种用于工业技术过程或车辆的控制方法，其中，在执行根据权利要求1至14中任一项所述的方法的情况下，在自动化设施的至少两个设备(2、3、4、5)之间交换数据，并且基于交换的所述数据对所述工业技术过程或车辆进行控制。
16.一种设计和配置用于执行根据权利要求1至14中任一项所述的方法的装置，包括：
-一个或多个具有AVB能力或TSN能力的、呈网桥和/或交换机形式的节点，以及
-至少两个设备(2、3、4、5)，所述设备是工业自动化设施的组成部分，并且其中，所述设备中的至少一个设备能够位于现场总线上或位于现场总线(1)上。
17.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被计算机处理器执行时实现根据权利要求1至15中任一项所述的方法的步骤。
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