现场网络系统的制作方法

专利名称：现场网络系统的制作方法
技术领域：
本申请涉及利用网际协议(IP)网络的现场网络系统，尤其涉及对多播通信的控制。
背景技术：
近些年来，已经提出了通过网络将包括组成反馈控制环路的控制器、致动器或者诸如温度计或流量计之类的传感器的现场设备进行连接，并且在工业自动化的过程控制系统中这些现场设备建成为现场网络系统。
这些现场设备利用预定控制网络协议发送和接收诸如测量信息或控制信息之类的各种信息，并且进行控制处理，以便最优地操作工厂中的受控对象等。
例如，日本专利申请公开JP-A-2003-242123描述了一种相关技术中的现场网络系统。
图6是相关技术中的现场网络的结构框图。现场设备1-12安装在工厂中，并且具有发送数据的通信功能，或者具有执行模拟信号输入(AI)、模拟信号输出(AO) 、 PID计算(比例、积分、微分计算)等的现场设备特有的功能模块的功能。
路由器13-16具有选择传输目的地并且传输接收到的包的传输功能。网络NW100具有构成骨干网络的带宽。另外，路由器13-16可以是第三层(L3)交换机。
配置器17具有设置现场设备1-12的各种操作或者操作进度的设置功能以及发送设置信息的通信功能。控制器18具有发送数据的通信功能以及操作的操作控制功能，使得从传感器接收的测量值集中在预定目标值。
现场设备l-4通过路由器13连接到网络NW100，现场设备5-8通过路由器14连接到网络NW100，现场设备9-12通过路由器15连接到网络NWIOO，另外，配置器17和控制器18通过路由器16连接到网络NWIOO。
这种现场网络被建成为例如现场总线FF-HSE (注册商标)。
图7和图8是说明图6所示的现场网络系统的操作的示意图。现场设备1-12中的每一个都把针对有关自身的设备信息或者发现新设备等的通告告知配置器。
此时，现场设备1-12中的每一个都使用多播地址。多播地址是连接到现场网络的所有单元都可以使用的公知目的地。另外，参与到现场网络的所有单元都参与到该多播组中。
例如，如图7所示，现场设备1将一个用于向配置器17告知诸
如与构成现场网络的每个现场设备相关的设置信息或者识别信息之类的设备信息的"设备信息通告包"发送到预定多播地址目的地。
路由器13从现场设备1接收设备信息通告包，复制该设备信息通告包，并且随后将该包分别传输到现场设备2-4以及路由器14-16。
此时，路由器13是根据网络地址进行传输处理的，从而不能识别出存储在包的有效载荷等中的控制网络协议中的隐含目的地(例如，配置器)。
随后，路由器14复制接收到的设备信息通告包并且将该包传输到现场设备5-8，路由器15复制接收到的设备信息通告包并且将该包传输到现场设备9-12，而路由器16复制接收到的设备信息通告包并且将该包传输到配置器17和控制器18。
由此，现场设备1利用多播包来告知有关自身的设备信息或者发现新设备的通告等。
顺便提及，在执行IP的现场网络中，例如，使用了防爆区中所用的链路、节能无线链路等，或者还可以包括具有比100Mbps或lGbps窄的带宽的链路。那么，在该现场设备中，由于限制了功耗，所以可以使用低吞吐量的单元。
然而，在路由器13-16中或路由器(未示出)中，传输处理是根据网络地址进行的，从而不能识别出设备信息通告包中的控制网络
协议的隐含目的地，并且如图8所示，多播包被传输到所有单元。
因此，在连接了窄带链路、节能无线链路或者具有低吞吐量的现场设备的网络中，存在窄带链路受到压迫、现场设备的载荷增加以及包传输延迟的问题。
而且，在具有构成现场网络的骨干网络的带宽的网络中，要被发送的包基本上接近于广播。因此，这导致了不必要的载荷。

发明内容
本发明的示例实施例致力于上述的不足以及上面没有说明的其他不足。然而，本发明并不需要克服上述不足，因此，本发明的示例实施例可能不会克服上述任何问题。
因此，本发明的一个方面是减小窄带链路、现场网络和现场设备的载荷。
根据本发明的一个或多个方面，提供了一种现场网络系统。这种现场网络系统包括多个现场设备和多个隧道单元。现场设备通过IP网络相互耦接。IP网络被分成多个子网络。在每个子网络中都提供了每个隧道单元来进行隧道通信。
根据本发明的一个或多个方面，只有在多播包的控制网络协议中的目的地出现在关于连接到其他隧道单元的现场设备的每个设备信息中时，才允许每个隧道单元与连接到目的地的所述其他隧道单元进行隧道通信。
根据本发明的一个或多个方面，每个隧道单元都根据从每个现场设备接收到的多播包进行封包来生成隧道包，每个隧道单元根据隧道包进行解包来再现多播包，随后将多播包传输到控制网络协议中的目的地。
根据本发明的一个或多个方面，每个隧道单元包括通信部分，用于进行包通信；存储部分，用于存储下述信息中的至少一个关于连接到隧道单元的现场设备的第一设备信息、关于另一个隧道单元的 单元信息以及关于与所述另一个隧道单元相连接的另一个现场设备 的第二设备信息；以及计算控制部分，其可操作来i)分析多播包； ii )提取控制网络协议中的目的地；iii)只有在目的地出现在第二设备 信息中时才允许传输；iv)生成隧道包；v)将隧道包发送到与网络协 议的目的地相连接的所述另一个隧道单元。
根据本发明的一个或多个方面，计算控制部分还可操作来Vi)
对从另一个隧道单元接收到的隧道包进行解包来再现多播包；以及vii) 将多播包传输到控制网络协议中的目的地。
根据本发明的一个或多个方面，计算控制部分还可操作来Viii)
对从每个现场设备接收的包进行分析，以将第二设备信息存储到存储 部分中。
从以下说明、附图和权利要求，本发明的其他方面和优点将变 得明显。


从下文结合附图的更详细说明，本发明的上述方面和其他方面、
特征和优势更加明显，其中
图1是示出了根据本发明的示例实施例的现场网络系统的结构
框图2是图l所示的隧道单元39的结构框图； 图3是根据本发明的示例实施例的现场网络系统的流程图； 图4是描述了根据本发明的示例实施例的现场网络系统的操作 的示意图5是对根据本发明的示例实施例的现场网络系统的操作进行 说明的示意图6是现有技术中的现场网络系统的结构框图7是对图6所示的现场网络系统的操作进行说明的示意以及
图8是对图6所示的现场网络系统的操作进行说明的示意图。
具体实施例方式
下文将参照附图来对本发明的示例实施例进行说明。 图1是示出了根据本发明的示例实施例的现场网络系统的结构 框图。现场网络系统的结构基本上类似于现有技术中的结构，现场设
备21-32被安装在工厂中并且被构造成例如现场总线FF-HSE (注册 商标)，而通过利用路由器33-36的小网络的多个子网络构成整个网 络。在每个子网络中提供了隧道单元39-42。网络NW200具有构成 骨干网络的带宽。另外，路由器33-36可以是第三层(L3)交换机。 现场设备21-24通过路由器33和隧道单元39连接到网络 NW200，现场设备25-28通过路由器34和隧道单元40连接到网络 NW200，现场设备29-32通过路由器35和隧道单元41连接到网络 NW200，配置器37和控制器38通过路由器36和隧道单元42连接 到网络NW200。
所有的隧道单元39-42都具有类似的结构，并且用图2所示的 结构框图作为典型例子来说明隧道单元39。隧道单元39由计算控制 部分391、通信部分392和存储部分393构成，计算控制部分391由 隧道包发送和接收部分391A和传输判定部分391B构成。通信部分 392连接至计算控制部分391，计算控制部分391连接至存储部分 393。
通信部分392主要与现场设备21-24和路由器33通信。计算控 制部分391被配置来控制每部分的操作，并且例如使用了中央处理单 元(CPU)。存储部分393中存储了操作系统(一种运行作为隧道单 元的程序)、诸如关于每个现场设备的标签信息或识别信息之类的各 种信息。
隧道包发送和接收部分391A主要从现场设备21-24中接收包， 执行向接收到的包添加各种扩展包头或IP包头(包括另一个隧道单 元的网络地址)的封包处理，随后产生并发送隧道包。而且，隧道包 发送和接收部分391A还根据从另一隧道单元接收到的隧道包来执行 解包处理，再现和分析封包之前的包，并且获得诸如发送目的地和发送源之类的包信息。
传输判定部分391B判断从现场设备21-24接收的多播包或者从 另一隧道单元接收的隧道包是否可以被传输到每个连接到子网络的 单元。
而且，计算控制部分391对从另一单元或者现场设备21-24接 收到的包括诸如设备ID之类的单元信息的通告包进行分析，提取单 元信息并且将单元信息存储在存储部分393中。
图3是现场网络系统的流程图，而图4和图5是说明现场网络 系统的操作的示例示意图。下文将说明现场设备21将关于自身的设 备信息通告给配置器37的操作。
假定隧道单元39-42共同获得每个网络地址，并且在每个隧道 单元之间建立隧道通信(例如，参见图4中的隧道TN100到TN104)。 另外，假定隧道单元39和42参与了 "多播组"，其中事先接收了相 同的多播地址(例如，多播地址224.0.0.33)。
隧道单元39-42预先存储了诸如连接到每个链路的配置器或者 现场设备的标签名或网络地址之类的"设备信息"、诸如其他隧道单 元的标签名或网络地址之类的"单元信息"、以及关于连接到其他隧 道单元的设备的设备信息。
在图3的步骤S101中，现场设备21将用于通告设备信息的"设 备信息通告包"如图5所示发送到预定多播地址(例如224.0.0.3) 的目的地。另外，如图5所示，该设备信息通告包也被属于同一子网 络的隧道单元39和现场设备22-24所接收。
在步骤S102，隧道单元39的计算控制部分391启动存储在存储 单元393中的任务，而传输判定部分391B根据从现场设备21接收 的设备信息通告包来判断是否执行传输。
具体地说，隧道单元39的隧道包发送和接收部分391A分析设 备信息通告包，并且提取存储在有效载荷中的控制网络协议的目的地 (例如，配置器37)的网络地址或标签名等。
随后，传输判定部分391B根据存储在存储部分393中的关于连 接到每个隧道单元的每个设备的设备信息，来确定当从设备信息通告包中提取的控制网络协议的目的地出现在这些设备信息中时允许传
输，随后处理进行到步骤S103。当控制网络协议的目的地不在这些
设备信息中时确定不允许传输，并且处理结束。
另外，隧道单元39的计算控制部分391读出并执行存储在存储 部分393中的程序并且对每个部分进行控制的操作与其他隧道单元 的那些操作类似，因此下文省略对其的说明。
在步骤S103，隧道单元39的传输判定部分391B根据存储在存 储部分393中的设备信息获得控制网络协议的目的地(例如，配置器 37)所连接的隧道单元(例如，隧道单元42)，并且将隧道单元确 定为隧道通信的通信目的地。换言之，隧道单元39确定了传输中所 用的隧道(例如，图5的隧道TN100)。
在步骤S104，隧道单元39的隧道包发送和接收部分391A在设 备信息通告包中执行封包处理并且生成隧道包。
具体地说，隧道包发送和接收部分391A根据与被确定为隧道通 信的通信目的地隧道单元(例如隧道单元42)相关的单元信息，通 过将包括隧道单元42的网络地址的IP包头添加到设备信息通告包来 生成隧道包。
在步骤S105，隧道单元39的隧道包发送和接收部分391A将隧 道单元42的隧道包发送到路由器33。另外，通过如图5所示的路由 器33、网络NW200和路由器36将该隧道包传输到隧道单元42。
在步骤S106，隧道单元39的传输判定部分391B根据从现场设 备21接收到的设备信息通告包来确定是否进行传输。
具体地说，隧道单元42的隧道包发送和接收部分对从路由器36 接收的隧道包执行解包处理，再现封包之前的设备信息通告包，分析 该包并且获得存储在有效载荷中的控制网络协议的目的地(例如配置 器37)的网络地址或标签名等。
随后，隧道单元42的传输判定部分根据存储在存储部分中的与 每个连接到隧道单元42的设备相关的设备信息，来确定当从设备信 息通告包中提取的控制网络协议的目的地(配置器37)出现在这些 设备信息中时允许进行传输，随后处理进行到步骤S107。当控制网络协议的目的地(配置器37)不在这些设备信息中时确定不允许进 行传输，并且处理结束。
在步骤S107，隧道单元42的隧道包发送和接收部分将设备信息 通告包发送到包括配置器37的链路。
即使当任意现场设备发送设备信息通告包时，由这些隧道单元 和现场设备所执行的步骤S101到S107的操作也基本上是相同的操 作。当现场设备24发送设备信息通告包时，该包被传输到属于同一 子网络的现场设备21-23、隧道单元39和42、配置器37或者控制器 38，如图5所示。
因此，只有在事先获得的另一隧道单元的每个设备信息中存在 从每个现场设备中接收的多播包的控制网络协议中的目的地时，每个
隧道单元才选择连接到该目的地的隧道单元并且进行隧道通信，从而 可以减小窄带链路、现场网络和该现场设备的载荷。
而且，消除了多播包的不必要的通信，从而也可以减小具有构 成控制网络骨干网络的带宽的网络上的载荷。
另外，路由器或者诸如路由器之类的中继单元可以具有如上述 示例实施例所示的每个隧道单元的功能。
而且，在上述示例实施例中，通过建立多个隧道可以产生备用 路径。提供了多个隧道，使得通过隧道单元之间的另一路径发送多播 包。结果，即使在任何一个路径由于通信故障等不能通信时，也可以 通过另一路径进行通信。
而且，根据上述示例实施例，隧道单元根据设备信息通告包确 定是否传输，但是隧道单元可以根据控制网络协议中所用的多播包来 确定是否传输。
而且，在上述示例实施例中，通过利用安全套接层(SSL)隧道 或者IPsec (用于网际协议的安全结构)的隧道模式来提供用于进行 隧道通信的安全功能。
而且，在上述示例实施例中，隧道单元被依次安装在每个子网 络中，但是也可以被安装在路由器和每个现场设备之间的每个窄带链 路中。结果，当隧道单元被依次安装在每个子网络中时，不能对子网络内部发送和接收的多播包进行控制。因此，通过将隧道单元安装在 路由器和每个现场设备之间的窄带链路中，可以控制子网络内部的多 播包的发送和接收，从而可以消除不必要的多播包通信。
而且，在上述示例实施例中，隧道单元根据与连接到另一个隧 道单元的每个设备相关的设备信息来确定是否传输设备信息通告包，
但是也可以获得在接收到的设备信息通告包的有效载荷中存储的关 于控制网络协议的信息，并且可以存储与安装了隧道单元的子网络的 配置器、控制器或现场设备相关的设备信息。即，隧道单元根据接收 到的设备信息通告包可以学习关于子网络的每个设备信息。
例如，隧道单元根据接收到的设备信息通告包学习关于子网络 的每个单元信息。因此，可以获得多播包的传输目的地。结果，在利 用通过学习得到的信息来在现场网络中查找现场设备的情况下或者 搜索现场设备的情况下，隧道单元可以确定是否将多播包传输到属于 隧道单元的子网络。
而且，在上述示例实施例中，尽管已经说明了现场网络系统支 持在工业自动化的工厂的操作，但是这些示例实施例并不限于此。例 如，现场网络系统可以支持楼宇的空调和照明系统的受控对象或者工 厂自动化的水净化工厂的控制系统的操作。
通过同样将本发明应用到这些系统，每个隧道单元对从每个现 场设备接收到的多播包进行分析，获得控制网络协议的目的地，并且 通过隧道通信将多播包仅传输到与该目的地连接的子网络。因此，可 以减小窄带链路、现场网络和现场设备的载荷。
另外，在上述示例实施例中，隧道单元39的计算控制部分391 通过息动存储在存储部分393中的OS、读出并执行OS上存储的程 序来控制整个隧道单元39。
而且，在上述示例实施例中，隧道单元从现场设备接收设备信 息通告包。因此，识别出安装了隧道单元的子网络中的现场设备，随 后隧道单元利用控制网络协议与现场设备通信。随后，获得并存储现 场设备所采用的多播通信(未知的多播通信包含在隧道单元中)的相 关信息，并且由此完成了学习。在此情况下，隧道单元可以获得现场设备之间的最初未知的多 播通信并且还进行控制，使得隧道单元可以接收在路由器或交换机等 中获得的多播通信。因此，可以控制在进行最初未知的多播通信并且 连接到现场网络系统的现场设备之间的发送和接收，并且消除了不必 要的多播包通信。
尽管参考本发明的某些示例实施例展示和说明了本发明，但是 其他实施方式也落入权利要求的范围内。本领域技术人员可以理解的 是，可以在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况 下作出形式上和具体情况上的各种变化。
权利要求
1. 一种现场网络系统，包括多个现场设备，通过IP网络彼此耦接，其中，所述IP网络被分成多个子网络；以及多个隧道单元，每个隧道单元被提供在每个子网络中来进行隧道通信。
2. 如权利要求1所述的现场网络系统，其中，只有在多播包的 控制网络协议中的目的地出现在与连接到另一个隧道单元的现场设 备相关的每个设备信息中时，每个隧道单元才允许与连接到目的地的 所述另一个隧道单元进行隧道通信。
3. 如权利要求1所述的现场网络系统，其中每个隧道单元都根 据从每个现场设备接收到的多播包进行封包来生成隧道包，以及其中，每个隧道单元根据隧道包进行解包来再现多播包，随后 将多播包传输到控制网络协议中的目的地。
4.如权利要求1所述的现场网络系统，其中每个隧道单元包括通信部分，用于进行包通信；存储部分，用于存储下列信息中的至少一个关于连接到隧道单元的现场设备的第一设备信息、关于另一个隧道单元的单元信息以及关于连接到另一个隧道单元的另一个现场设备的第二设备信息；以 及计算控制部分，其可操作来i )分析多播包；ii) 提取控制网络协议中的目的地；iii) 只有在目的地出现在第二设备信息中时才允许传输； iii)生成隧道包；以及v)将隧道包发送到与网络协议的目的地相连接的所述另一个隧道单元。
5. 如权利要求4所述的现场网络系统，其中计算控制部分还可操作来Vi)对从所述另一个隧道单元接收到的隧道包进行解包来再现多播包；以及vii) 将多播包传输到控制网络协议中的目的地。
6. 如权利要求5所述的现场网络系统，其中计算控制部分还可 操作来viii) 对从每个现场设备接收的包进行分析来将第二设备信息存储到存储部分中。
全文摘要
提供了一种现场网络系统。现场网络系统包括多个现场设备和多个隧道单元。现场设备通过IP网络彼此耦接。IP网络被分成多个子网络。在每个子网络中提供了每个隧道单元来进行隧道通信。
文档编号H04L12/46GK101459568SQ200810179400
公开日2009年6月17日 申请日期2008年12月10日 优先权日2007年12月10日
发明者宫泽和纪 申请人:横河电机株式会社