工业自动化系统通讯网络中数据传输方法和耦合通讯设备的制造方法
【技术领域】
.
[0001]本发明涉及一种在工业自动化系统的通讯网络中数据传输的方法和耦合通讯设备。
【背景技术】
[0002]工业自动化系统通常包括多个经由工业通讯网络彼此网连的自动化设备，并且在制造或者过程自动化的范畴中用于设施、机械或设备的控制或调节。由于在借助工业自动化系统自动化的技术系统中的时间关键的帧条件，在用于在自动化设备之间进行通讯的工业通讯网络中主要使用实时通讯协议，如现场总线(PR0FINET)，过程现场总线系统(PR0FIBUS)，或者实时以太网(Real-Time-Ethernet)。
[0003]在工业自动化系统或自动化设备的计算单元之间的通讯连接的中断能够引起不期望地或者不必要地重复传输服务请求。这造成工业自动化系统的通讯连接的附加的负荷，该负荷能够引起进一步的系统故障或者系统错误。在工业自动化系统中，特别的问题通常由具有比较多的、但较短的报文的报告产生，由此加剧了上述问题。
[0004]基于对于通常极其不同的应用场合的应用，当具有实时请求的短数据帧传输的网络资源与具有大量有效数据内容的数据帧传输的网络资源相竞争时，在基于实时(Ethernet)的通讯网络中例如能够产生问题。这能够导致延迟具有实时请求的数据帧传输或者甚至造成一些这种数据帧的丢失。
[0005]例如基于虚拟本地网络或者虚拟局域网(VLAN)根据标准IEEE802.1Q，数据帧的优先传输基本上借助相应地在数据帧中插入标签是可行的。为了在通讯网络上同步和优先地传输声音和视频数据流(声音/视频桥接)，相应的标准IEEE 802.1Qav设有用于各个通讯连接的带宽预留，其分配有最高的优先权。对于传输声音和视频数据流所需要的资源在此保留在通讯设备中、例如交换机中。然而，对高优先级的数据帧的传输在一次成功的保留后才进行。在带宽监控的范畴中保证，在实际所使用的带宽方面存在足够的预留带宽。使用的带宽多于保留带宽的通讯连接，在其他方面引起对整个通讯网络的干扰，在最坏的情况下由于过载引起通讯网络停机。
[0006]根据标准IEEE802.1Qbv，为了经由基于实时的通讯网络可靠地传输音频和视频数据流，将令牌整形(CBS)定义为用于带宽监控的尺度。通过令牌整形在每个所传输的数据帧之后限定传输间隔，以保证在预留带宽方面的带宽界定。然而，在工业自动化系统中，这类强制间隔在传输多个具有用于控制数据的很小有效数据内容的数据帧时是非常有问题的，该控制数据更确切地说能看成数据包或分帧(Bursts)。控制数据通常必须在处理周期内传输和处理。例如在处理周期开始时，控制数据由所有的传感器发出到所分配的存储器可编程的控制装置中。在以由传感器接收的控制数据为基础随后进行的计算后，存储器可编程的控制装置发出控制数据到工业自动化系统的执行器处。此后在下一个处理周期内实现了重新的传感器数据询问。为了在处理周期内保持用于处理控制数据的充裕时间，具有控制数据的数据帧应当尽可能地在处理周期开始时传输，尤其是在使用分散的外围设备或者分散的输入和输出设备时。
[0007]从WO 2014/072374 Al已知一种用于在工业自动化系统中借助链路状态路由协议(Link-State-Routing-Pro toko I Ien)传输组播数据流的方法，其中路由表(Routi ng-Tabellen)不是对于所有可行的点对点连接进行计算，而是仅对于所选择的时间关键的路径，特别是在工业自动化系统中在作为数源的“说话者(Talkers)”和作为数据源的订阅者的“倾听者(Listeners)”之间。为了计算在这类通讯网络中的路由路径，描述了通讯关系的信息借助于链路状态路由协议(Link-State-Routing-Protoko I Ien)分布在通讯网络的内部。关于通讯关系的信息例如包括对在组播路径内部的通讯参与者的组成的详细说明或对“说话者(Talkers)”和分配给与其的倾听者(Listeners)的详细说明。
[0008]在申请号为13176454.0的在先欧洲专利申请中描述了一种用于借助工业自动化系统的通讯设备来传输数据帧的方法，其中借助通讯设备要传输的数据帧分别分配有传输优先级。对于经由通讯设备的至少一个所选择的端口来传输的、具有高于预设的优先级阈值的传输优先级的数据帧，检测所传输的数据量。在至少一个监控周期内周期性地检测所传输的数据量。对于每个监控周期过程所检测的数据量在是否超过预设的数量阈值方面进行监控。在对于一次监控周期过程而言超过数量阈值时，所选择的接口在相应的监控周期过程的直到结束为止的闭锁时间期间针对传输具有高于优先级阈值的传输优先级的数据帧进行闭锁。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于，提供一种在工业自动化系统的通讯网络中传输数据的方法，该方法实现了在传输控制数据时间减小运行时间和运行抖动(Jitter)，以及提供了一种适用于执行该方法的耦合通讯设备。
[0010]根据本发明，该目的通过具有权利要求1提供的特征的方法和具有权利要求19提供的特征实现。有利地，根据本发明方法的改进方案在从属权利要求中提供。
[0011]按照根据本发明的用于在工业自动化系统的通讯网络中传输数据的方法，通过通讯网络的耦合通讯设备仅在周期性的第一时间区间内传输第一数据帧，该第一数据帧包括用于自动化系统的控制数据。该耦合通讯设备能够例如是交换机或者桥接器(Bridge)，其优选地互相时间同步。第一时间区间分别至少分为第一子区间和第二子区间。优选地，第一和第二时间区间互相补充。此外，第一时间区间能够分别分为多个周期性的第一和第二子区间，其中第一和第二子区间分别交替地互相跟随。
[0012]根据本发明，在第一子区间期间通过耦合通讯设备接收的要转发的第一数据帧插入到相应的耦合通讯设备的第一队列中。在第二子区间期间通过耦合通讯设备接收的要转发的第一数据帧插入到相应的耦合通讯设备中的第二队列中。此外，在插入第一数据帧之后的相应的第二子区间期间，从第一队列中取出第一数据帧以用于转发。在插入第一数据帧之后的相应的第一子区间期间，从第二队列中取出第一数据帧以用于转发。此外，通过耦合通讯设备仅在周期性的第二时间区间内传输第二数据帧和/或第三数据帧，第二数据帧分配给包括数据帧的顺序的数据流，对于第三数据帧的传输而言不规定或规定一个低于预设的阈值的服务质量。通过这种方式，控制数据能够利用最小的运行时间并且利用在相位长度上减小的抖动(Jitter)传输。在此，运行时间能够尤其是基于跳数(Hops)和相位长度来确定。
[0013]按照根据本发明的方法的有利的改进方案，在空的第一和第二队列的情况中，要转发的第一数据帧通过相应的耦合通讯设备基本上直接地转发。这实现了附加地减小运行时间。此外，在空的第一和第二队列的情况中，要转发的第一数据帧通过相应的耦合通讯设备优选地没有延迟地转发，直到在第一和第二队列的接收时间点后跟随的子区间为止。根据另外的有利的设计方案，在空的和已填充的队列的情况中，要转发的第一数据帧通过相应的耦合通讯设备与通过第一和第二子区间预设的取出时间表无关地从已填充的队列中取出并转发。
[0014]根据本发明的方法的优选的设计方案，为第二数据帧分别分配规定的对于其传输的服务质量。在此，第二数据帧在第二时间区间内分别利用与分配给其的服务质量相对应的优先级或数据传输率来传输。相反地，第三数据帧能够非优先地以“尽力服务(besteffort)”的意义上在第二时间区间内传输。
[0015]有利地，通过耦合通讯设备对于第二数据帧检测相应的所传输的数据量。在此，在监控周期内周期性地检测所传输的数据量，监控周期至少包括第一时间区间和第二时间区间。此外，对于每个监控周期过程所检测的数据量检查是否超过预设的数量阈值。在超过预设的数量阈值时，第二数据的传输中断、暂停、和/或以具有减小的优先级继续。相应的数量阈值通过分别分配给数据流的服务质量来预设。优选地，在每个监控周期过程开始时，分别回置所检测的数据量。另外，在第二数据帧传输暂停时，所检测的数据量以与相应的等待时间成比例的数值来减小。特别地，在第二数据帧传输暂停