用于在可冗余操作的工业通信网络中进行消息传输的方法和用于可冗余操作的工业通信网络的通信设备

技术领域

本发明涉及一种用于在可冗余操作的工业通信网络中进行消息传输的方法和一种用于可冗余操作的工业通信网络的通信设备。 

背景技术

工业自动化系统通常包括多个经由工业通信网络相互联网的自动化设备并且在制造或生产自动化的范围中用于控制或调节装置、机器或者设备。由于在借助于工业自动化系统自动化的技术系统中的时间重要的框架条件，在工业通信网络中主要应用实时通信协议，如Profinet、Profibus或实时以太网来在自动化设备之间进行通信。 

在工业自动化系统或者自动化设备的计算单元之间的通信连接的中断能够导致服务请求的传输的不期望或者不必要的重复。这造成工业自动化系统的通信连接的附加的负荷，这可能会导致进一步的系统故障或系统错误。此外，没有被传输的或没有完全地传输的消息例如阻碍工业自动化系统过渡到安全的操作状态下或者留在安全的操作状态下。这最终可能会导致整个生产装置的失效和昂贵的生产停工状态。在工业自动化系统中，常常由具有相对多的、但是相对短的消息的讯息流量而引起特殊的问题，由此加剧了上述问题。 

从WO2008/119649A1中已知一种用于重新配置分组交换的通信网络的方法，所述通信网络包括第一子网和第二子网。当在第一子网中应用第一网络协议时，在第二子网中应用不同于第一网络协议的第二网络协议。两个子网通过至少三个冗余的数据链相互连接，分别仅激活所述三个冗余的数据链中的一个以用于有效数据交换。在此，主数据链预先设定地是激活的，而至少两个从数据链预先设定地是禁用的。通过第二子网的与主数据链连接的主桥来监视主数据链或者从数据链的失效。在这样的失效的情况下，主桥生成第一数据包并且将其传送给第二子网的 与从数据链连接的从桥。根据可预设的选择规则通过主桥来选择从桥。接下来，通过所选择的从桥来处理第一数据包。第一数据包包括逻辑信息，根据所述逻辑信息至少部分地执行在从桥的与从数据链连接的端口上的第一网络协议并且通过在从桥的端口上执行的第一网络协议来激活从数据链。 

在EP2343857A1中说明了一种用于通信网络的网络节点，所述通信网络包括第一子网和与所述第一子网连接的第二子网。在第一子网中应用生成树协议，而在第二子网中应用与第一子网的协议不同的第二协议。网络节点设立为用于第二子网的元素并且构造成用于在第二子网内进行通信。此外，网络节点借助于生成树功能构造和设立为用于监视和控制第二子网的生成树主节点。因此，第二子网被在第一子网中应用的生成树协议视作为虚拟的网络节点，其方式为：作为生成树主节点的网络节点对第二子网的其他网络节点进行生成树协议应用。 

从WO2010/105828A1中已知一种用于操作具有冗余特性的通信网络的方法，所述通信网络具有环形网络拓扑。在通信网络内，通信设备经由数据线与其数据端口相互连接并且基于通信协议经由数据线交换控制数据以及有效数据。为了避免消息在通信网络的网中无限地循环，除用于控制或者监视媒体冗余的消息以外，借助于通信协议阻止消息经由各个通信设备的所选定的数据端口进行传输。在通信网络内将两个不同的通信协议彼此并行地应用在通信设备中。例如通过将待阻塞的数据端口的监控分配给单独的通信协议来实现不同的通信协议的并行应用。替选于此，能够为通信协议选择参数，使得通过第一通信协议不阻挡根据第二通信协议视为激活的连接。 

发明内容

本发明基于下述目的，提供一种用于在可冗余操作的、具有至少两个子网的工业通信网络中进行消息传输的方法，所述方法在应用至少两个不同的通信协议的情况下能够实现在设备失效或者连接失效之后快速地激活备用连接，以及提供一种适合于实施所述方法的通信设备。 

根据本发明，所述目的通过一种用于在可冗余操作的工业通信网络中进行消息传输的方法和一种用于可冗余操作的工业通信网络的通信 设备来实现。本发明的有利的改进形式在下文中说明。 

按照根据本发明的方法，在具有树状拓扑的第一子网中根据生成树协议传输消息。在此，与第一子网的网络节点相关联的通信设备相互交换具有拓扑信息的消息以用于形成树状拓扑。根据所交换的拓扑信息，通过与第一子网的网络节点相关联的通信设备确定作为树状拓扑的基本元素的根网络节点。从根网络节点开始建立到第一子网的其余的网络节点的无环路的连接。在第二子网中，根据并行或环形冗余协议传输消息。第一子网和第二子网经由多个通信设备相互耦合。与第一或第二子网的网络节点相关联的通信设备优选是交换机或者网桥。与第二子网的网络节点相关联的通信设备根据并行或环形冗余协议相互交换具有第一子网的拓扑信息的消息，并且将其与第一子网的本地可用的拓扑信息进行比较。与第二子网的网络节点相关联的通信设备根据比较结果确定第一子网的所得出的拓扑信息。此外，与第二子网的网络节点相关联的通信设备根据第一子网的被确定的所得出的拓扑信息相关于到所述第一子网的闭合的和/或断开的连接调整所述通信设备的配置。 

根据本发明，根据另一设计方案通过与第二子网的网络节点相关联的全部通信设备统一地确定第一子网的所得出的拓扑信息。此外，对与第一子网的网络节点相关联的通信设备恒定地提供所得出的拓扑信息，以用于在第一子网中应用生成树协议。 

与至今为止的途径相反，根据本发明，在第二子网内不并行应用生成树协议和并行或环形冗余协议。优选在与第二子网相关联的通信设备的网络节点之间仅根据并行或环形冗余协议传输消息。因此，对于第二子网而言不必借助于生成树协议形成树状拓扑。这决定性地有助于在设备或连接失效之后快速地激活备用连接。此外，在相应的子网中基本上以相互脱耦的方式应用生成树协议和并行或环形冗余协议。优选地，为了在第一子网中应用生成树协议，第二子网通过在第一子网中将各个网络节点相互连接的通信设备来代表。总的来说，在第一子网中的生成树协议的应用对于第二子网中的通信设备而言显现为透明的并且反之亦然。通过将第一子网的拓扑信息隧穿（Tunnelung）第二子网以及通过将该拓扑信息相对于在导出最佳的信息的意义上得出的拓扑信息进行调整来实现这种脱耦。所得出的该拓扑信息又能够用于在第一子网中应 用生成树协议。 

按照根据本发明的方法的一个优选的设计方案，第一子网的拓扑信息包括对第一子网的网络节点之间的现有的连接的说明，并且从根网络节点起到第一子网的其余的网络节点的无环路的连接根据确定到根网络节点的最小的路径成本来建立。 

生成树协议例如能够是根据IEEE802.1d的生成树协议、根据IEEE802.1w的快速生成树协议或者根据IEEE802.1s的多生成树协议。具有第一子网的拓扑信息的消息例如是网桥协议数据单元（BPDU）或者优选分别包括在与第二子网的网络节点相关联的通信设备之间交换和比较的端口优先级向量。 

并行或环形冗余协议例如是根据IEC62439-3，第四条（Clause4）的并行冗余协议、根据IEC62439-3，第五条（Clause5）的高可用性无缝冗余协议、或者根据IEC62439的媒体冗余协议。在应用高可用性无缝冗余协议作为环形冗余协议的情况下，与第二子网的网络节点相关联的通信设备优选分别包括至少一个第一和第二发送和接收单元，所述至少一个第一和第二发送和接收单元分别具有用于第二子网的网络连接的接口。在这种情况下，第二子网具有环形拓扑。此外，两个发送和接收单元具有相同的网络地址和优选相同的设备标识符。此外有利的是，信号处理单元分别与第一和第二发送和接收单元连接，所述信号处理单元将待发送的消息并行地转发给两个发送单元并且检测由接收单元所接收到的冗余的消息。此外，将信号处理单元优选分别与耦合元件连接，经由所述耦合元件将单向链接的网络节点或无冗余的子网与信号处理单元连接。按照根据本发明的方法的另一设计方案，相互冗余的消息通过一致的序列号来标明，其中将已经无错地接收到的消息的序列号存储在与信号处理单元相关联的存储单元中。因此，信号处理单元在接收到新的消息时检验所述新的消息的序列号与已经存储的序列号的一致性。 

在根据本发明的另一有利的设计方案应用媒体冗余协议作为环形冗余协议的情况下，在第二子网中将通信设备配置为监视和控制单元。在这种情况下，第二子网具有环形拓扑。监视和控制单元根据所发送的测试数据包检测在环形拓扑内的中断并且控制将具有寻址到配置为监视和控制单元的通信设备的第一端子的有效数据的数据包转发给通信 设备的第二端子。 

根据本发明的通信设备设置为用于并且适合用于可冗余操作的工业通信网络，所述工业通信网络包括具有树状拓扑的第一子网以及根据生成树协议进行的消息传输、第二子网以及根据并行或环形冗余协议进行的消息传输和与两个子网耦合的多个通信设备。例如，第一和第二发送和接收单元、具有多路复用单元和冗余处理单元的信号处理单元以及与信号处理单元连接的耦合元件设置为用于根据并行或环形冗余协议在第二子网内进行消息传输的机构。耦合元件优选是高速总线，经由所述高速总线例如能够将单向链接的网络节点或者无冗余的子网与信号处理单元连接。耦合元件尤其能够是具有相关联的控制器的背板式交换机。替选于此，耦合元件原则上也能够借助于矩阵交换网络（Matrix-Schaltnetzes）来实现。信号处理单元优选借助于现场可编程门阵列（FPGA）来实现。 

此外，根据本发明的通信设备包括用于将具有第一子网的拓扑信息的消息根据并行或环形冗余协议与和第二子网相关联的另一通信设备的网络节点进行交换的机构。所述机构例如能够通过第一和第二发送和接受单元、信号处理单元、耦合元件和与信号处理单元相关联的协议封装器来实现。根据本发明，拓扑信息设置用于确定作为树状拓扑的基本元素的根网络节点。在此，根网络节点形成用于建立到第一子网的其余的网络节点的无环路的连接的起点。附加地，设有用于将具有第一子网的拓扑信息的所交换的消息与第一子网的本地可用的拓扑信息进行比较的并且用于根据比较结果确定第一子网的所得出的拓扑信息的机构。所述机构例如能够通过信号处理单元来实现。 

此外，根据本发明的通信设备包括用于根据第一子网的被确定的所得出的拓扑信息对通信设备的相关于到第一子网的闭合的和/或断开的连接进行配置调整的机构。所述机构例如能够通过耦合元件的控制器来实现。优选的是，根据本发明的通信设备构建为用于仅根据并行或环形冗余协议在第二子网内进行消息传输。因此，在相应的子网中的生成树协议和并行或环形冗余协议基本上能够以相互脱耦的方式应用。这能够实现在设备或者连接失效之后显著缩短的恢复时间。 

并行或环形冗余协议能够是并行冗余协议、高可用性无缝冗余协议或者媒体冗余协议。如果环形冗余协议是高可用性无缝冗余协议，那么 与第二子网的网络节点相关联的通信设备优选分别包括至少一个第一和第二发送和接收单元，所述至少一个第一和第二发送和接收单元分别具有用于第二子网的网络连接的接口。在这种情况下，第二子网具有环形拓扑。此外，两个发送和接收单元具有相同的网络地址和相同的设备标识符。优选的是，第一和第二发送和接收单元与信号处理单元连接，所述信号处理单元包括用于将待发送的消息并行地转发给两个发送单元的多路复用单元和用于处理由两个接收单元所接收到的消息的冗余处理单元。附加地，冗余处理单元优选包括过滤单元，所述过滤单元设立为用于检测所接收到的冗余的消息。此外，信号处理单元能够与耦合元件连接，经由所述耦合元件将单向链接的网络节点或者无冗余的子网与信号处理单元连接。 

按照根据本发明的通信设备的另一设计方案，相互冗余的消息通过一致的序列号来标明。在此，信号处理单元优选与存储单元相关联，所述存储单元设立为用于存储已经无错地接收到的消息的序列号。有利的是，冗余处理单元设立为用于在接收到新的消息时检验已经存储的序列号。 

附图说明

下面利用实施例根据附图详细阐明本发明。附图示出： 

图1示出在无错的连接状态下的可冗余操作的工业通信网络，所述通信网络包括具有树状拓扑的第一子网和具有环形拓扑的第二子网； 

图2示出在第二子网中具有连接错误的状态下的根据图1的通信网络； 

图3示出在第一子网中具有连接错误的状态下的根据图1的通信网络； 

图4示出与第二子网的网络节点相关联的通信设备， 

图5示出与应用并行冗余协议的子网的网络节点相关联的通信设备。 

具体实施方式

在图1中示出的工业通信网络包括具有树状拓扑以及根据生成树协议进行消息传输的第一子网1和具有环形拓扑以及根据环形冗余协议进行消息传输的第二子网2。在与第二子网2的网络节点相关联的通信设备201-206之间的消息仅根据环形冗余协议来传输。 

第一子网1和第二子网2经由多个通信设备101、104、105、110、202、203、205、206相互耦合。在本实施例中，为了避免不期望的环形连接，在通信设备101、104、105、110、202、203、205、206之间仅激活三个连接。去激活的连接在附图中通过虚线来代表，而实线表示激活的连接。这适用于两个子网1、2。 

与第一子网1的网络节点相关联的通信设备101-110相互交换具有拓扑信息的消息100以用于形成树状拓扑并且根据所交换的拓扑信息确定作为树状拓扑的基本元素的根网络节点。在本实施例中，生成树协议是快速生成树协议。但是，后面的实施方案同样适用于Spanning Tree Protocol、多生成树协议或者类似的生成树协议。在本实施例中，借助节点标识符和相关联的优先级根据快速生成树协议将与通信设备101相关联的网络节点确定为根网络节点。因此，通信设备101是根桥。具有第一子网1的拓扑信息的在第一子网1的通信设备101-110之间交换的消息100例如能够是网桥协议数据单元（BPDU），第一子网1的通信设备101-110借助于所述网桥协议数据单元配置其端口状态。通过配置端口状态尤其激活或者去激活网络节点之间的连接。 

从根网络节点起建立到第一子网的其余的网络节点的无环路的连接。这也适用于通过具有环形拓扑的第二子网2的转接连接。为此，与第二子网2的网络节点相关联的通信设备201-206根据环形冗余协议相互交换具有第一子网1的拓扑信息的消息200并且将这些消息与第一子网的本地可用的拓扑信息进行比较。在本实施例中，具有第一子网1的拓扑信息的在第二子网2的通信设备201-206之间交换的消息200分别具有端口优先级向量，从所述端口优先级向量的比较中，全部通信设备201-206根据比较结果统一地确定作为第一子网1的所得出的拓扑信息的根优先级向量。根据第一子网1的所确定的得出的拓扑信息，与第二子网2的网络节点相关联的通信设备201-206相关于到所述第一子网1 的闭合的和/或断开的连接调整所述通信设备的配置。在本实施例中，与第一子网1和第二子网2的网络节点相关联的通信设备101-110、201-206是交换机或者网桥。 

第一子网1的通过第二子网2的通信设备201-206统一确定的所得出的拓扑信息也提供给第一子网1的通信设备101-110以用于在第一子网1中应用生成树协议。因此，为了在第一子网1中应用生成树协议，第二子网2能够通过第一子网1中的将各个网络节点相互连接的通信设备、尤其通过功能性的RSTP网桥来代表。因此，通过第二子网2进行的转接连接对于第一子网1的通信设备而言是透明的。 

第一子网1的拓扑信息尤其包括对第一子网1的网络节点之间的现有连接和其路径成本的说明。根据到根网络节点的最小的路径成本的确定，第一子网的通信设备101-110以自主交互的方式建立从根网络节点起到第一子网1的其余的网络节点的无环路的连接。对此的更详细的细节能够参考例如IEEE802.1w的快速生成树协议获知。 

在无错的连接状态下，为了避免根据图1的环路连接，将在通信设备103和104之间的、104和202之间的、203和204之间的、106和108之间的、107和108之间的以及107和109之间的连接去激活。在图2所示出的在第二子网2中的通信设备201和202之间的连接错误的情况下，根据在第二子网2中应用的环形冗余协议激活通信设备203和204之间的连接，而不会对第一子网1产生影响。以相应的方式，也在图3中示出的在通信设备206和105之间的连接错误对第二子网2不具有深远的后果。也就是说，为了处理错误，仅根据在第一子网1中应用的生成树协议保持通信设备205和110之间的连接是激活的，而这不会影响其余的通信设备201-204、206。其他的处理错误的措施、即激活通信设备106和108之间的以及107和108之间的连接并且去激活通信设备105和107之间的连接保持局限于第一子网1。因此，错误处理原则上总是能够基于在那里应用的通信协议在直接出现错误或者发生故障的子网中进行。 

在图4中详细地示出通信设备201，所述通信设备与第二子网2的网络节点相关联并且以环形结构与其他通信设备202-206连接。原则上，第二子网2的其余的通信设备202-206也能够相同地构成。通信设备204 例如能够与工业的制造或生产自动化系统的SCADA系统（数据采集与监视控制）相关联。 

作为用于在第二子网内进行消息传输的机构，通信设备201包括至少一个第一发送和接收单元11和第二发送和接收单元12、具有多路复用单元131和冗余处理单元132的信号处理单元13、以及与信号处理单元13连接的耦合元件14。两个发送和接收单元11、12具有相同的网络地址和相同的MAC设备标识符。然而在应用具有两个通信网络扩展卡的基于PC的解决方案时，所述发送和接收单元能够具有不同的MAC地址。在该情况下，两个MAC地址中的一个由两个扩展卡作为共同的MAC地址一致地用于发送或接收过程。多路复用单元131用于将待发送的数据包并行地转发给两个发送单元11、12，而冗余处理单元132设置用于处理由两个接收单元11、12接收到的数据包40、41。冗余处理单元132还包括过滤单元133，所述过滤单元设立用于检测所接收到的冗余的数据包。 

在本实施例中，信号处理单元借助于现场可编程门阵列（FPGA）来实现。耦合元件14是具有相关联的控制器的背板式交换机并且将多个自动化设备31-33与信号处理单元13连接。此外，耦合元件14分别经由互联端子与自动化设备31-33连接。信号处理单元13具有存储单元135，在所述存储单元中存储有带有对与耦合元件14连接的全部自动化设备31-33的说明的表格（代理节点表）。 

作为用于将具有第一子网1的拓扑信息的消息200根据环形冗余协议进行交换的机构，图4中示出的通信设备201包括第一发送和接收单元11和第二发送和接受单元12、信号处理单元13、耦合元件14和与信号处理单元相关联的协议封装器136。此外，信号处理单元13设置用于将具有第一子网1的拓扑信息的所交换的消息200与在通信设备201中本地可用的拓扑信息进行比较。此外，信号处理单元13在本实施例中构造并且设立为用于根据比较结果确定第一子网1的所得出的拓扑信息。 

此外，耦合元件14的控制器141有利地设置用于通信设备201相关于到第一子网1的闭合的或者断开的连接的配置调整。在此，配置调整根据第一子网1的所确定的得出的拓扑信息来进行。 

通信设备201优选设立为用于根据高可用性无缝冗余协议和根据媒体冗余协议进行消息传输。为了根据高可用性无缝冗余协议进行消息传输，冗余处理单元132包括存储单元134，所述存储单元设立为用于存储已经无错地接收到的消息的序列号。因此，冗余处理单元13在接受到新的消息时检验所述新的消息的序列号与已经存储的序列号的一致性并且必要时抛弃冗余的消息，所述冗余的消息通过一致的序列号来标识并且能够相应地检测。 

之前说明的实施例的特征能够单独地或者以所说明的相互组合的方式来实现。特别是，本发明的应用不局限于应用环形冗余协议的两个第二子网，而是上述实施方案以类似的方式也适用于应用并行冗余协议的第二子网。在图5中示例地示出用于应用并行冗余协议的第二子网的通信设备201。在该情况下，第二子网例如包括两个相互冗余的局域网21、22，借助所述局域网分别将在图5中示出的通信设备201的发送和接收单元11、12连接，所述通信设备此外包括与图4中示出的通信设备201相应的部件。对此包括尤其具有多路复用单元131、冗余处理单元132、用于代理节点表的存储单元135和协议封装器136的信号处理单元13以及具有相关联的控制器的耦合元件14。所述部件在其功能方面相应于图4中示出的通信设备的那些适用于并行冗余协议的部件。