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

背景技术：

工业自动化系统用于监视技术过程，对技术过程进行开环控制和闭环控制，其尤其用于生产自动化、过程自动化和建筑自动化领域中，并实现控制装置、传感器、机器和工业设施的应尽可能独立且不受人为干预的运行。由于信息技术对于具有大量的联网的控制或计算机单元的自动化系统的重要性越来越高，因此，用于可靠地提供在自动化系统上分布的功能以用于提供监视、控制和调节功能的方法就愈发重要。在工业自动化系统中，通常由具有数量较大的、但是长度较短的报文的消息流产生特别严重的问题，由此加剧上述问题。

软件定义网络(sdn)旨在通过将诸如路由器或交换机的通信设备在功能上划分为与控制平面和数据平面相关联的部件使得通信网络功能可视化。数据平面包括用于转发数据包或数据帧的功能和/或部件。相反，控制平面包括用于控制数据平面的转发和/或部件的管理功能。例如，借助openflow定义以软件实现的控制平面的标准。将硬件抽象为虚拟服务使得能够尤其通过如下方式放弃硬件的手动配置，即实现可编程的网络流中央控制。openflow支持将系统资源划分为网络切片，通过网络切片，确保独立于其他现有的网络切片地提供限定的系统资源。

us2013/268686a1公开了一种用于发送建立连接请求的方法，其中openflow交换机向配置服务器发送参数请求消息，以便获取openflow控制器的连接参数。响应于参数请求消息，openflow交换机从配置服务器接收ip地址和openflow连接参数集，其中，openflow连接参数集至少包括第一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连接参数集向第一openflow控制器发送建立连接请求消息。以该方式，可以在openflow交换机与openflow控制器之间自动建立连接。

de10138363a1公开了一种用于确保因特网应用的服务质量的方法，其中利用在因特网应用的启动时间点存在的ip接入网络资源和终端系统资源自动地调整和优化因特网应用。检测因特网应用对于ip接入网络的qos-通信要求(服务质量-通信要求)并且存储为应用配置文件。在激活因特网应用时，将ip接入网络的当前存在的网络资源与存储的应用配置文件进行比较，并得出控制数据。根据得出的控制数据，优化用于相关的因特网应用的网络资源的提供。在此，优化涉及所调整的时间流程和得出在成本方面(传输成本)有利的布局。

ep2795842b1中描述了一种用于在物理通信网络内提供通信服务的控制单元。该通信服务由运行在通信设备上的多个应用使用，为这些应用分别规定对于通信服务的要求。通过控制单元产生通信网络模型，其描述物理通信网络的拓扑结构且针对每个通信设备包括一网络节点模型。网络节点模型描述相应的通信设备的功能和资源。另外，对于在通信设备上运行的每个应用，通过将相应的应用对通信服务的要求映射到通信网络模型上的方式，控制单元计算虚拟通信网络。所计算的虚拟通信网络分别包括至少两个通过网络节点模型描述的网络节点和通过通信设备提供的所选的通信网络资源的分区或网络切片。

技术实现要素：

本发明所基于的目的是：提出一种用于有效且可靠地运行用于工业自动化系统的包括大量通信设备的通信网络的方法，其能够为多个不同的用户按需确保服务质量参数，如带宽、延迟或可用性，以及提出一种用于执行该方法的控制单元。

根据本发明，该目的通过具有权利要求1所述特征的方法和通过具有权利要求12所述特征的控制单元来实现。在从属权利要求中说明本发明的有利的改进方案。

按照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根据本发明的方法，至少一个控制单元控制多个通信设备的功能，通信设备与控制单元相关联。通信网络划分成多个分区，分区分别包括作为服务接入点的多个终端节点和与相应的分区相关联的通信设备的能预设的系统资源份额。对于在分区之内的数据传输，分别通过成对的终端节点且取决于方向得出能保证的服务质量参数，服务质量参数能够映射在每个分区的多维的服务质量参数矩阵中。服务质量参数例如能够包括带宽、延迟、可用性、冗余和/或在决定性周期中可用的连接。

根据本发明，每个分区连同能保证的服务质量参数一起分别唯一地与用户相关联。在此，通过分别相关联的分区，为用户确定潜在可用的系统资源和/或权限。对于在一个分区之内的用户侧的通信服务请求，控制单元分别得出在第一终端节点处的第一通信设备与第二终端节点处的第二通信设备之间的经过与相应用户相关联的分区之内的第三通信设备的路径。优选地，在用户侧的通信服务请求的范围内，除了终端节点对之外，还规定服务质量参数。请求的通信服务有利地分别与一个分区固定地相关联。

根据本发明，控制单元检查：在计划使用时长期间，沿着所得出的路径在与相应用户相关联的分区之内是否分别提供所需要的系统资源。为此，优选地，用户侧的通信服务请求为了检查而与所得出的能保证的服务质量参数相比较，服务质量参数映射在相应的分区的服务质量参数矩阵中。在检查结果为肯定时，控制单元对于通信服务请求分别预定所需要的系统资源并且按照所得出的路径控制第三通信设备的路由或交换功能。有利地，在通信网络持续运行时，能够轻松地考虑到新的或改变的通信服务请求。此外有利的是，通信服务请求的规定独立于在鉴于能保证的服务质量参数的检查成功之后的实施。

根据本发明的一个有利的改进方案，在通信服务请求的情况下，控制单元分别根据系统规则检查：对于相应的用户在与其相关联的分区之内是否限制系统资源或用户是否有权使用具有实时要求的数据流。在检查结果为否定时，发出警告信号。

优选地，第三通信设备分别包括至少一个发送和接收单元，其中每个发送和接收单元分别与多个发送队列相关联，对于在能限定的重复周期之内的能限定的访问时长，分别同意发送队列对于相应的发送和接收单元的访问。此外，控制单元对用户侧请求的每个具有实时要求的数据流得出：在至少一个第三通信设备中沿着所得出的路径是否能够将一个发送队列中的发送窗仅与该数据流相关联。在得出结果为否定时，控制单元发出至少一个警告。相反，在得出结果为肯定时，控制单元按照所得出的路径和发送队列的关联性预定对于具有实时要求的数据流来说所需的系统资源。有利地，借助于符合iee802.1qbv的时间感知整形器控制用于第三通信设备的发送队列的访问时长和重复周期。

按照根据本发明的方法的一个优选的设计方案，通信设备与软件定义网络相关联，软件定义网络包括称作控制平面的通信控制层和称作数据平面的数据传输层。控制单元与控制平面相关联，而通信设备与数据平面相关联。分区尤其是网络切片并且能够借助于工程系统通过系统管理员手动地确定或自动地确定。此外，第三通信设备优选包括路由器或交换机，并且通过控制单元能够预设流程表，从流程表推导出用于与控制单元相关联的第三通信设备的路由表或转发表。

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设计和设置用于：控制通信网络的多个通信设备的功能，通信设备与控制单元相关联。在此，通信网络划分成多个分区，分区分别包括作为服务接入点的多个终端节点和与相应的分区相关联的通信设备的能预设的系统资源份额。此外，控制单元设计和设置用于：对于在分区之内的数据传输，接受分别通过成对的终端节点且取决于方向得出的能保证的服务质量参数，服务质量参数能够映射在每个分区的多维的服务质量参数矩阵中。此外，控制单元设计和设置用于：每个分区连同能保证的服务质量参数一起分别唯一地与用户相关联。在此，通过分别相关联的分区，为用户确定潜在可用的系统资源和/或权限。

根据本发明，控制单元还设计和设置用于：对于在一个分区之内的用户侧的通信服务请求，分别得出在第一终端节点处的第一通信设备与第二终端节点处的第二通信设备之间的、经过与相应用户相关联的分区之内的第三通信设备的路径。此外，控制单元设计和设置用于：检查在计划使用时长期间沿着所得出的路径在与相应用户相关联的分区之内是否分别提供所需要的系统资源。此外，控制单元设计和设置用于：在检查结果为肯定时，对于通信服务请求分别预定所需要的系统资源并且按照所得出的路径控制第三通信设备的路由或交换功能。

附图说明

下面参照实施例根据附图详细阐述本发明。其示出：

图1示出工业自动化系统的包括多个通信设备和与其相关联的控制单元的通信网络，

图2示出图1所示的通信网络之内的通信服务请求的处理流程图。

具体实施方式

工业自动化系统的图1中示出的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可编程逻辑控制器300或输入/输出单元。可编程逻辑控制器300通常分别包括通信模块、中央单元以及至少一个输入/输出单元(i/o模块)，并且可编程逻辑控制器因此同样是通信设备。输入/输出单元原则上也能够构造成分布式外围模块，外围模块布置得远离可编程逻辑控制器。

可编程逻辑控制器300例如经由通信模块与交换机或路由器连接，或者还与现场总线连接。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变量。特别地，中央单元设置用于由检测到的测量变量得出合适的控制变量。在本实施例中，可编程逻辑控制器300的上述部件经由背板总线系统彼此连接。

在本实施例中，通信设备200与软件定义网络(sdn)相关联，软件定义网络包括称作控制平面的通信控制层1和称作数据平面的数据传输层2。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。例如，通过控制单元101、102预设用于交换机或路由器的流程表，从流程表推导出用于与相应的控制单元101、102相关联的通信设备200的路由规则或转发规则。

控制单元101、102通常被设计和设置用于：控制与相应的控制单元相关联的多个通信设备200的功能。根据图2所示的流程的步骤201，通信网络被划分为多个分区，分区分别包括作为服务接入点的多个终端节点和与相应的分区相关联的通信设备200的能预设的系统资源份额。在本实施例中，分区是网络切片，网络切片借助于工程系统通过系统管理员手动地确定或自动地确定。对于每个控制单元101、102，分别设有具有系统资源份额的单独的资源图111、121。

对于分区内的数据传输，分别通过成对的终端节点并取决于方向得出能保证的服务质量参数，服务质量参数映射在每个分区的多维的服务质量参数矩阵中(步骤202)。服务质量参数例如能够是带宽、延迟、可用性、冗余和/或在决定性周期中可用的连接。根据步骤203，每个分区连同能保证的服务质量参数一起分别唯一地与用户相关联。通过分别相关联的分区为用户确定了潜在可用的系统资源和/或权限。

在根据步骤204的、用户侧的通信服务请求的范围中，除了终端节点对之外还规定服务质量参数。在此，所请求的通信服务分别与一个分区固定地相关联。对于在一个分区内的用户侧的通信服务请求，控制单元101、102分别得出在第一终端节点处的第一通信设备与第二终端节点处的第二通信设备之间的、经过与相应用户相关联的分区之内的第三通信设备的路径。在此基础上，用户侧的通信服务请求为了检查而与相应的分区的服务质量参数矩阵相比较。因此，根据步骤205，控制单元101、102可以检查:在计划使用时长期间,沿着所得出的路径在与相应用户相关联的分区内是否分别提供所需的系统资源。尤其是，在通信服务请求的情况下，控制单元101、102根据系统策略(systempolicies)分别检查：对于相应的用户在与其相关联的分区之内是否限制系统资源或用户是否有权使用具有实时要求的数据流。

在检查结果为肯定时，控制单元101、102根据步骤206预定对于通信服务请求来说分别所需的系统资源并且按照所得出的路径控制第三通信设备的路由或交换功能。相反，在检查结果为否定时，发出警告信号(步骤207)。在这两种情况下，随后都接受新的用户侧的通信服务请求(步骤204)。

第三通信设备分别包括至少一个发送和接收单元。优选地，每个发送和接收单元分别与多个发送队列相关联，对于在能限定的重复周期之内的能限定的访问时长，分别同意发送队列对相应的发送和接收单元的访问。在以上步骤的范围中，控制单元101、102针对用户侧请求的每个具有实时要求的数据流得出：在至少一个第三通信设备中沿着所得出的路径是否能够将一个发送队列中的发送窗仅与该数据流相关联。在得出结果为否定时，控制单元101、102发出至少一个警告信号，而在得出结果为肯定时，控制单元按照所得出的路径和发送队列的关联性预定对于具有实时要求的数据流来说所需的系统资源。优选地，借助于符合iee802.1qbv的时间感知整形器控制用于第三通信设备(200)的发送队列的访问时长和重复周期。