帧传送和通信网络制造技术

本发明专利技术涉及互连多个同步节点（1，2，3，4）的通信网络，其中定期或周期地传送包括时间关键数据（R1，R2，R3，R4）的常规帧（RP），并且不定期或偶然传送偶发帧（SP）。具体而言，多个节点（1，2，3，4）的每个节点在所有节点所共同并且在其之间同步的传送时期开始时传送常规帧（RP）。节点然后从其第一相邻节点接收常规帧（RP），并且在相同传送时期内以及以最短延迟将它们转发到第二相邻节点。此外，节点积极地延迟任何偶发帧（SP）（无论是源于由节点自身接管的应用还是从相邻节点接收的）的传送，直到完成所有接收的常规帧（RP）的转发。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及使用基于以太网的通信网络的工业通信系统以用于在车辆控制、驱动控制或变电站自动化中控制时间关键过程。
技术介绍
过程控制系统或工业自动化系统保护、控制并且监视用于例如制造货品、转化物质或发电的工厂中的过程。它们还监视和控制扩展的初级系统，类似电力、水或气供应系统或电信系统，其包括它们相应的变电站。工业自动化系统一般具有分布在工厂中或扩展的初级系统上并且经由工业通信系统而通信地互连的大量过程控制器。 高和中压电力网中的变电站包括初级装置，例如电缆、电线、母线、开关装置、电力变压器和仪表变压器，其一般布置在开关场和/或架(bay)中。这些初级装置经由变电站自动化(SA)系统以自动化的方式操作。该SA系统包括次级装置，所谓的智能电子装置(IED)，负责保护、控制和监视初级装置。可将IED指派到分级等级，例如站级、架级和过程级，其中过程级与架级由所谓的过程接口分开。SA系统的站级包括具有人机接口(HMI)的操作者工作站(OWS)和到网络控制中心(NCC)的网关。架级上的IED (其也可称为架单元)又经由服务交换命令和状态信息目的中间架或站总线连接到彼此以及站级上的IED。用于变电站的次级装置之间通信的通信标准已引入作为名为“变电站中的通信网络和系统(communication networks and systems in substations)，，的标准 IEC 61850的一部分。对于非时间关键消息，IEC 61850-8-1基于减少的开放式系统互连(OSI)协议栈(在传输和网络层中分别具有传送控制协议(TCP)和因特网协议(IP))以及作为物理介质的以太网来规定制造消息规范(丽S，IS0/IEC 9506)协议。对于时间关键的基于事件的消息，IEC 61850-8-1直接在通信栈的以太网链路层上规定面向通用对象的变电站事件(GOOSE)0对于在过程级非常快地改变信号(例如测量的模拟电压或电流)，IEC 61850-9-2规定采样值(SV)服务，其与GOOSE类似直接建立在以太网链路层(0SI中的层2)上。因此，该标准定义公布的格式，如在工业以太网上的多播消息、基于事件的消息和来自过程级上的电流或电压传感器的数字化测量数据。专利申请EP-A 2148473涉及基于具有多个交换节点并且用全双工链路操作的环形通信网络的任务关键工业自动化应用，例如过程或驱动控制系统。对于时间关键和可用性关键的自动化系统的实时数据通信要求针对网络中的故障的无缝弹性和时间关键数据的确定性输送两者。针对网络中链路失败的无缝容限可以通过对每个节点给出两个通信端口并且使节点在这两个端口上以相同的有效载荷发送帧而提供，如例如在标准IEC62439-3条款5 (称作高可用性无缝冗余(HSR))中规定的。因此，对于要在示范性环形网络上发送的每个消息，源和复制帧在相反的方向上传送，这两个帧由环形网络的其他节点中继直到它们最终返回到始发的发送器节点。因此，网络负载相对于常规环形网络大致上加倍，但目的地节点将在等于环的最长可能路径的最大传送延迟之后接收数据。在无故障状态下，目的地节点从而接收具有相同内容的两个冗余帧，其具有由于如果直接从相邻节点接收一个帧则另一个帧环绕整个环来循环这一事实引起的某一时滞。冗余帧可以由序号识别，因此节点可以检测复制物并且只将两个帧中前面的或第一帧转发到它的上层协议并且丢弃后面的或第二帧。尽管存在可能的通信误差或延迟，数据的确定性传送保证在无故障状态下以在源处准备传送它们的时刻与由它们的最终目的地接收它们的时刻之间的最大延迟来输送数据。数据的确定性传送要求预先分配足够的带宽。每个节点预期以在配置整个网络时限定的固定频率传送其具有固定长度的数据，从而占用带宽的固定部分。沿传送介质行进时的传播延迟以及对于穿过交换机并且容易超出该传播延迟的转发延迟必须添加到帧自身的·持续时间。因此，连接5个节点(其中每个节点在IkHz以100Mbit/s传送2500比特的帧加上5 y s的传播时间(导致每帧30 u s持续时间))的传送介质的示范性较坏情况占用至少等于 5 X 30 X KT6X IO3=15%o在例如IEC 61850-9-2的实时通信网络中，业务由定期发送的R-帧来携带，其中“R”代表“常规的”或“实时”。相比之下，非关键、软实时数据经受宽松的定时要求，并且预期只以某一概率满足输送延迟。该非关键业务由“S-帧”携带，其中“S”代表“偶发的”或“软时间”。R-帧需要的最小网络容量可以例如从在IEC 61850中规定的变电站配置描述(S⑶)文件，在维修时间来估计。S⑶文件指示时间关键帧SV和GOOSE多久需要传送以及它们具有哪个尺寸，并且包括限定网络的拓扑和交换机数量的通信分段。然而，因为在交换机和R-帧内发生冲突，R-帧的通信延迟可超出在维修时间计算的数字，尽管它具有更高的优先级，在S-帧在相同的介质上传送时必须排队。传统地通过限制每个节点中的生产率使得排除过载并且另外通过调节业务使得使用例如以下中的一个来避免冲突而提供确定性通信I)在有用数据通信可以发生之前建立的共用时钟触发的时分多址(TDMA)时隙分配；2)以预定义顺序轮询源地址的中央主控，如例如在IEC 61735中规定的；或3)由主控装置引入的主帧，其被所有起作用的装置(例如使用的EtherCat)填充和读取。后两个选项在帧可以被复制并且可采取不同路径的地方难以实现。因此，对HSR保留第一个方法，其提供简单的基于时钟的TDMA而不必配置中央主控或发送专用主帧或其他令牌。PROFINET (Profibus. com)区分非实时(NRT)、实时(RT)和同步实时(IRT)数据。PROFINET IRT使用IEEE 1588、TDMA和专门的交换机的组合来实现硬实时性能。当配置网络时，从每个装置要求的网络拓扑和数据被分析并且限定具有实时时期和非实时时期的周期。对每个IRT装置指派时隙以在实时时期期间通信。因为所有IRT装置使用IEEE 1588而同步，每次仅一个IRT装置发送包。具有特殊ASIC缓冲包的交换机在实时时期期间从非IRT装置发送并且在非实时时期期间传送它们。
技术实现思路
因此本专利技术的目的是在通信网络中提供带宽节省的确定性通信。根据独立权利要求，该目的由传送帧的方法和通信网络实现。优选实施例从从属专利权利要求中显而易见，其中指示的权利要求从属性不应该解释为排除另外有意义的权利要求组合。根据本专利技术，在互连多个同步节点的通信网络中，定期或周期传送包括时间关键数据的常规帧，并且不定期或偶然传送偶发帧。具体而言，多个节点的每个节点在所有节点所共同并且在其之间同步的传送时期开始时传送常规帧。节点然后从其第一相邻节点接收常规帧，并且在相同传送时期内以及以最短延迟将它们转发到第二相邻节点。此外，节点积极地延迟任何偶发帧(无论是源于由节点自身接管的应用还是从相邻节点接收的)的传送，直到完成所有接收的常规帧的转发。在本专利技术的一优选变形中，偶发帧的传送被延迟直到完成预定长度的常规阶段，从而能够实现任何常规帧到其目的地节点的传送。备选地，偶发帧的传送被延迟直到观察到常规阶段的结束或完成。通过示例，常规帧传送一经沉寂预定最小静默时间(其超出两个连续常规帧之间的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.07.20 EP 10170127.41.一种在互连多个同步节点(1-4)的通信网络中传送帧的方法，其中节点定期传送包括时间关键数据的常规帧(R1-R4)，并且其中节点不定期传送偶发帧(S2，S3)，所述方法包括 一由多个节点的每个节点在共同传送时期(TP1，TP2)开始时传送常规帧(R1-R4)， 一由节点(2)从第一相邻节点(I)接收常规帧(Rl，R4，R3)，并且在相同传送时期内将接收的常规帧转发到第二相邻节点(3)，以及 一由节点延迟偶发帧(S2)的传送直到完成所有接收的常规帧的转发。2.如权利要求1所述的方法，包括 一延迟偶发帧的传送直到专用于常规帧传送的常规阶段(RP)的观察结束。3.如权利要求1或2所述的方法，包括 一由节点并且在偶发帧传送之前证实偶发帧的传送是否可在下一个传送时期(TP2)开始之如完成。4.如权利要求1或2所述的方法，其中所述通信网络是环，所述方法包括 一由起始节点(I)将巾贞(34a)和复制巾贞(34b)分别传送到第一和第二相邻节点,其中通过冗余标识符来识别帧和复制帧。5.如权利要求4所述的方法，其中所述冗余标识符包括帧的长度，所述方法包括 一基于包括帧的长度的所述冗余标识符，由节点并且在偶发帧或复制偶发帧传送之前证实偶发帧的或复制偶发帧的传送是否可在下一个传送时期(TP2)开始之前完成。6.如权利要求1所述的方法，其包括 -由所述节点(2)将从所述第一相邻节点(I)接收并且要在常规队列(RBtoA)中转发到所述第二相邻节点(3)的常规帧(Rl)排队，并且由...

【专利技术属性】
技术研发人员：H基尔曼，JC图尼耶，
申请(专利权)人：ABB研究有限公司，
类型：
国别省市：