用于运行工业自动化系统的包括多个通信设备的通信网络的方法和控制单元与流程

工业自动化系统用于监视、控制和调节技术过程，尤其是在加工自动化、过程自动化和建筑自动化领域中的技术过程，并且实现控制装置、传感器、机器和工业设施的运行，该运行应尽可能自主地且与人类干预无关地进行。由于信息技术对于自动化系统的意义持续增加，用于可靠地提供分布在自动化系统之上的功能的方法对于提供监视、控制和调节功能愈发重要，其中自动化系统包括大量联网的控制或计算单元。

在工业自动化系统的计算单元或自动化设备之间的通信连接的中断能够导致不期望或不必要地重复传输服务要求。这引起工业自动化系统的通信连接的附加负担，附加负担能够导致另外的系统干扰或错误。此外，未传输的或未完整传输的消息例如能够阻碍工业自动化系统过渡或保留在安全的运行状态下。这最后能够导致整个生产设施的失效和高成本的生产停滞。在工业自动化系统中，由具有相对大量的、但是相对短的消息的报告通信定期地导致特别的难题，由此加强了上述问题。

软件定义网络的目的是通过如下方式实现通信网络功能的虚拟化：通信设备、如路由器或交换机在功能上划分成与控制平面和数据平面相关联的部件。数据平面包括用于指向端口地转发数据包或数据帧的功能或部件。相反，控制平面包括用于控制转发或控制数据平面的部件的管理功能。借助openflow例如限定用于软件执行的控制平面的标准。将硬件抽象为虚拟服务能够实现放弃手动地配置硬件，这特别是通过实现网络通信的可编程的中央控制的方式来实现。

从us2013/268686a1中已知用于发送连接结构的要求的方法，其中openflow交换机将具有参数要求的消息发送给配置服务器，以便由openflow控制器获得连接参数。根据具有参数化要求的消息，openflow交换机从配置服务器接收ip地址和openflow连接参数组，其中openflow连接参数组至少包括第一openflow控制器的连接参数。openflow交换机根据ip地址和第一openflow控制器的openflow连接参数组将具有连接结构要求的消息发送给第一openflow控制器。以该方式，能够实现在openflow交换机与openflow控制器之间的自动的连接结构。

在wo2014/108178a1中描述一种用于借助于中央控制单元将引导结束交换机与通信网络连接的方法，其中通信网络包括多个交换机，这些交换机被中央控制单元控制。为了控制交换机，中央控制单元将具有用于交换机的控制信息的数据包经由与具有有效数据的数据包相同的通信路径传输。交换机分别包括传输管道，在传输管道中存储用于数据包的转发规则，并且其经由本地的交换机端口访问。用于具有控制信息的数据包的通信路径通过如下方式设计：通过中央控制单元将预设的转发规则存储在交换机的传输管道中。交换机中的至少一个具有所选择的端口，经由该端口将引导结束交换机与通信网络连接。为了将转发规则通过中央控制单元存储在引导结束交换机中，使用临时的通信路径，该通信路径包括在所选择的端口与中央控制单元之间的通信路径以及在所选择的端口与引导结束交换机的本地端口之间的通信路径。该临时的通信路径实现对引导结束交换机的传输管道进行访问。

wo2015/096761a1描述用于软件定义网络(sdn)的数据通信导向的动态的区形成，其中网络部件从多个sdn控制器中的一个sdn控制器接收控制信息。网络部件测定可用的通信规划区，并为每个所测定的通信规划区选择一个本地的区控制器。根据控制信息和一个区形成格式选择主-区控制器，其中主-区控制器和本地的区控制器从sdn控制器中选出。此外，网络部件将对本地的区控制器、区成员和主-区控制器的说明传输给snd控制器中的至少一些。

为了为软件定义网络实现可定标的且失效安全的控制平面，将snd控制器功能分散到多个控制器实例上。在此，各个控制器实例必须分别具有对当前的系统状态信息的访问，以满足控制器功能，例如路径测定、数据包检查和过滤、或使用通信网络规则或准则属于所述控制器功能。特别地，在各个控制器实例中用于控制任务的系统状态信息必须充分地彼此一致，并且与之相应地在控制器实例之间同步。另一方面，该一致性要求在控制器实例数量增长的情况下，应当导致最后不再可操纵的或不恰当的高同步耗费。

技术实现要素：

本发明所基于的目的是：提出一种用于运行工业自动化系统的通信网络的有效且可靠的方法，该通信网络包括多个通信设备，其中多个控制单元分别控制多个相关联的控制设备的功能，本发明还提出一种相应的控制单元。

根据本发明，所述目的通过具有权利要求1中提出的特征的方法和通过具有权利要求14中提出的特征的控制单元来实现。本发明的有利的改进形式在从属权利要求中说明。

按照根据本发明的用于运行工业自动化系统的通信网络的有效的且可靠的方法，其中通信网络包括多个通信设备，多个控制单元分别控制多个相关联的控制设备的功能。在此，对于每个控制单元在能预设的资源使用持续时间期间使相关联的通信设备的能预设的系统资源份额能用。尤其在资源使用持续时间期间，依照品质标准在考虑相应的可用系统资源的情况下，控制单元分别测定所选择的通信设备之间经由相关联的通信设备的通信网络路径，并且控制单元根据所测定的通信网络路径来控制相关联的通信设备的路由或交换功能。优选地，通信设备与软件定义网络相关联，软件定义网络包括称作为控制平面的通信控制层面和称作为数据平面的数据传输层面。在此，将控制单元与控制平面相关联，而将通信设备与数据平面相关联。特别地，控制设备能够包括路由器或交换机，其中通过控制单元例如可预设流表，由流表推导出用于与相应的控制单元相关联的通信设备的路由表和或转发表。

根据本发明，在出现能预设的同步事件时，控制单元同步地检测通信设备的状态参量并且相互调准。在此，同步事件包括能预设的同步区间，并且资源使用持续时间被彼此相随的同步事件限界。同步事件有利地以资源个性化和/或资源类型个性化的方式限定，其中端口带宽、队列缓冲区、dhcp地址范围、vlan标识符、路由表-和/或转发表条目是资源类型的实例。根据本发明，控制单元对于至少一个过去的资源使用持续时间测定：取决于能用于路径测定的测定，对于要测定的通信路径来说发生何种品质标准变化，并且依据品质标准变化来测定用于同步事件的第一校正值。通过控制单元将路径成本规定为用于测定通信网络路径的品质标准。根据本发明，在将状态参量相互调准时，控制单元测定不一致的状态参量，并且取决于不一致的状态参量测定用于同步事件的第二校正值。依据第一和第二校正值对于控制单元规定所改变的同步事件。

按照根据本发明的方法的一个优选的设计方案，通过系统资源的分区和关联使通信设备的系统资源的份额对于控制单元可用。在此，系统资源能够在通信网络起动时以均匀分布分区的方式与控制单元相关联。在该情况下，根据相应的资源利用或要求通过控制单元改变分区。

此外，同步事件除了同步区间之外还能够包括：在控制单元的成功的和/或失败的资源要求的数量方面阈值超出、和/或在控制单元中状态参量彼此不一致的存在频数方面阈值超出、要求附加的资源份额、释放资源份额、和/或通过控制单元通知的用于同步事件的校正值。有利地，第二校正值根据不一致的状态参量的频数、程度和/或影响来测定。在该情况下，不一致的状态参量的影响例如能够包括用于到一致的系统状态或到基准系统状态的过渡的附加的路径成本、系统失效时间和/或受限制的系统可用性。

按照根据本发明的方法的另一设计方案，在限定的上限和下限之内，通过在控制单元上运行的控制程序根据令牌原理，由控制单元来要求对于控制单元分别可用的系统资源份额。此外，对于控制单元分别可用的系统资源份额有利地根据交易设计通过控制单元提供给在控制单元上运行的控制程序。

根据本发明的控制单元设置用于执行对应于上述实施方案的方法并且构成和设计用于：控制多个相关联的控制设备的功能。在此，为控制单元在能预设的资源使用持续时间期间提供相关联的通信设备的能预设的系统资源份额。此外，控制单元构成和设计用于：在资源使用持续时间期间依照品质标准在考虑相应的可用系统资源的情况下，测定所选择的通信设备之间经由相关联的通信设备的通信网络路径，并且根据所测定的通信网络路径来控制相关联的通信设备的路由或交换功能。

根据本发明，控制单元构成和设计用于：在出现能预设的同步事件时，同步地利用另外的控制单元检测通信设备的状态参量并且相互调准。在此，同步事件包括能预设的同步区间，并且资源使用持续时间被彼此相随的同步事件限界。此外，控制单元构成和设计用于：对于至少一个过去的资源使用持续时间测定：取决于对于路径测定可用的测定时间，对于要测定的通信路径来说发生何种品质标准变化，并且依据品质标准变化来测定用于同步事件的第一校正值。控制单元还构成和设计用于：在将状态参量调准时，测定不一致的状态参量，并且取决于不一致的状态参量测定用于同步事件的第二校正值，并且依照第一校正值和第二校正值规定改变的同步事件。

附图说明

下面以一个实施例根据附图详细阐述本发明。附图示出

图1示出工业自动化系统的通信网络，通信网络包括多个通信设备和与所述通信设备相关联的控制单元，

图2示出适配用于图1中示出的通信系统的控制单元的同步事件的流程图。

具体实施方式

工业自动化系统的通信网络在图1中示出，该通信网络包括多个通信设备200和多个控制单元101、102。通信设备200例如能够是交换机、路由器或防火墙，并且用于连接工业自动化系统的输入/输出单元或可编程逻辑控制器300。可编程逻辑控制器300分别包括通信模块、中央单元以及至少一个输入/输出单元并且因此同样是通信设备。经由通信模块，将可编程逻辑控制器300例如与交换机或路由器连接、或附加地与现场总线连接。输入/输出单元用于在可编程逻辑控制器300与通过可编程逻辑控制器300控制的机器或设备400之间交换控制和测量参量。中央单元尤其设置用于从检测的测量参量中测定适当的控制参量。可编程逻辑控制器300的上述部件在当前的实施例中经由背板总线系统彼此连接。

通信设备200在当前的实施例中与软件定义网络(sdn)相关联，软件定义网络包括称作为控制平面的通信层面和称作为数据平面的数据传输层面。作为sdn控制器的控制单元101、102与控制平面相关联，而通信设备与数据平面相关联。通过控制单元101、102例如预设用于交换机或路由器的流表，由流表推导出用于与相应的控制单元101、102相关联的通信设备的路由表或转发表。

控制单元101、102一般性地构成和设计用于：控制多个相关联的通信设备200的功能。在此，为控制单元101、102分别在能预设的资源使用持续时间期间提供相关联的通信设备的能预设的系统资源份额，其中对每个控制单元101、102分别预设具有该系统资源份额的单独的资源视图111、121。通过系统资源的分区和关联，使通信设备的该系统资源份额对于控制单元101、102可用。例如，系统资源能够在通信网络起动时以均匀分布分区的方式与控制单元101、102相关联。于是，根据相应的资源利用或要求通过控制单元101、102来改变分区。

此外，在资源使用持续时间期间，依据路径成本在考虑相应的可用系统资源的情况下，控制单元分别测定在所选择的通信设备200之间经由相关联的通信设备200的通信网络路径，并且根据所测定的通信网络路径来测定相关联的通信设备200的路由或交换功能。此外，在出现预设的同步事件时，控制单元101、102同步地检测通信设备200的可用的状态参量，并且将这些状态参量相互调准。同步事件包括预设的同步区间，其中资源使用持续时间被彼此相随的同步事件限界。同步事件优选地以资源个性化或资源类型个性化的方式限定，其中例如端口带宽、队列缓冲区、dhcp地址范围、vlan标识符、路由表条目和/或转发表条目是资源类型。在当前的实施例中，同步事件除了同步区间之外还包括：

-在如下方面的阈值超出

-在通过控制单元成功的和/或失败的资源要求的数量方面，或

-在控制单元中状态参量彼此不一致的存在频数方面，

-要求附加的资源份额，

-释放资源份额，或

-通过另外的控制单元300通知的用于同步事件的校正值。

根据图2中示出的用于适配控制单元101、102的同步事件的流程图，根据按照步骤201通过一个控制单元201从另一控制单元102接收的消息122，对同步事件进行检查：在控制单元101、102的数据库中检测的状态参量之间是否存在一致性冲突(步骤202)。如果不存在一致性冲突，那么相应的控制单元101对于历史上过去的资源使用持续时间测定：取决于对于路径测定可用的测定时间，对于要测定的通信路径来说发生何种路径成本变化(步骤204)，其中通过相应的同步区间限界测定时间。依照路径成本变化，通过在相应的控制单元101上运行的sdn应用来测定用于同步事件的第一校正值，第一校正值描述次佳选择的同步区间的成本cs。次佳选择的同步区间的高成本cs显示出：通过更长的测定时间并不可预期对于路径成本测定的适当的精度改进，其中测定时间可供用于执行路径成本测定。

如果根据步骤202存在一致性冲突，则在相应的控制单元101上运行的sdn应用取决于不一致的状态参量测定用于同步事件的第二校正值，第二校正值描述冲突解决方案的成本cc。特别地，取决于不一致的状态参量的频繁性、程度或影响测定第二校正值。在此，不一致的状态参量的影响包括：

-用于到一致的系统状态或到基准系统状态的过渡的附加路径成本，

-系统失效时间，或

-受限制的系统可用性。

根据按照步骤204测定的第一校正值和根据按照步骤203测定的第二校正值、或基于次佳选择的同步区间的成本cs和冲突解决方案的成本cc，通过在相应的控制单元101上运行的sdn应用，预设用于控制单元的改变的同步事件或区间，更确切地说首先以适配的一致性等级的形式预设(步骤205)。随后，该适配的一致性等级根据步骤205反应到新的或更新的同步区间上，相应的控制单元101、102在所述同步区间之内基于本地可用的状态参量来控制相关联的通信设备200的功能。最后，根据步骤207将新的或更新的同步区间转发给全部要牵涉的控制单元，以进行接收。

在限定的上限和下限之内，通过在控制单元上运行的sdn应用根据令牌原理，能够由控制单元要求对于控制单元101、102分别可用的系统资源份额。根据一个优选的实施方式，对于控制单元分别可用的系统资源份额根据交易设计通过控制单元提供给在控制单元上运行的sdn应用。