專利名稱：在自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)的方法，該方法利用具有基于OPC-UA標(biāo)準(zhǔn)的接口的通信協(xié)議來(lái)交換數(shù)據(jù)。本發(fā)明還涉及一種用于在兩個(gè)設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)的裝置以及一種具有至少兩個(gè)設(shè)備和這種裝置的網(wǎng)絡(luò)。
背景技術(shù)：
圖I示出自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的示意性視圖。在自動(dòng)化技術(shù)設(shè)備的所謂現(xiàn)場(chǎng)級(jí)上有多個(gè)設(shè)備8，這些設(shè)備接收傳感器10的數(shù)據(jù)并且將合適的控制數(shù)據(jù)發(fā)送至執(zhí)行器9。在此，設(shè)備8能夠作為獨(dú)立的計(jì)算機(jī)與傳感器10和執(zhí)行器9處于有效聯(lián)系，或者設(shè)備8可以指的是嵌入的系統(tǒng)。設(shè)備8能夠特別地支配其各個(gè)自身的控制技術(shù)固件。除此之外，示例性顯示了存在于控制級(jí)(SPS)中的計(jì)算機(jī)7。計(jì)算機(jī)7和設(shè)備8被用于控制或者調(diào)節(jié)設(shè)備的配屬的機(jī)器。在自動(dòng)化技術(shù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，它們處于所謂的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)4的或者說(shuō)現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)(Plant Floor·Network) 3的子網(wǎng)絡(luò)上。在現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)3和自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)2之間，通過(guò)具有數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)的計(jì)算機(jī)6形成連接。因此，計(jì)算機(jī)6是過(guò)程控制級(jí)的一部分，通過(guò)過(guò)程控制級(jí)，監(jiān)視并且控制現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)3或者說(shuō)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)4中的技術(shù)進(jìn)程。在自動(dòng)化技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的上一級(jí)中，可以設(shè)置計(jì)算機(jī)5作為企業(yè)網(wǎng)絡(luò)I的一部分。該計(jì)算機(jī)可以包括制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)，并且因此是工廠控制級(jí)的一部分。可替換地可以設(shè)計(jì)為，計(jì)算機(jī)5作為企業(yè)級(jí)的一部分而配備有企業(yè)資源計(jì)劃(ERP)系統(tǒng)。這種用在辦公室級(jí)(Buroebene)中的ERP系統(tǒng)提供綜合的軟件，用于支持企業(yè)的資源計(jì)劃(例如SAP系統(tǒng))。對(duì)于辦公室級(jí)上的網(wǎng)絡(luò)通信常見的是，使用非實(shí)時(shí)性的星形系統(tǒng)(Sternsystem)。作為網(wǎng)絡(luò)通信中的新標(biāo)準(zhǔn)，在計(jì)算機(jī)6的SCADA系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)5的ERP系統(tǒng)之間建立了根據(jù)OPC原理的規(guī)格的所謂的OPC統(tǒng)一架構(gòu)(OPC-UA)系統(tǒng)。在根據(jù)OPC-UA的數(shù)據(jù)通信中，會(huì)以質(zhì)量評(píng)判數(shù)據(jù)(數(shù)值)，應(yīng)被用于數(shù)值更新的比率也屬于質(zhì)量。只傳輸發(fā)生變化并且觸發(fā)其屬性的那些數(shù)據(jù)，即必須傳輸相應(yīng)的數(shù)值。因此，OPC-UA提供基于事件的通信。在此，例如在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)、TCP/IP (傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議)或者基于http的網(wǎng)絡(luò)中所熟知的，OPC-UA基于遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用(RPC)機(jī)制。根據(jù)RPC機(jī)制，客戶端的詢問(wèn)到達(dá)服務(wù)器，以調(diào)用在該服務(wù)器上處理該詢問(wèn)的過(guò)程。只有當(dāng)詢問(wèn)的處理結(jié)束，并且從服務(wù)器發(fā)送答復(fù)到客戶端上時(shí)，該客戶端才能繼續(xù)被詢問(wèn)中斷的進(jìn)程。這涉及到分散的系統(tǒng)中進(jìn)程間通信(IPC)的傳統(tǒng)通信架構(gòu)。并行的進(jìn)程在因果關(guān)系上彼此相關(guān)聯(lián)。與此相反，OPC-UA識(shí)別所謂的訂閱機(jī)制。其中，接收器從發(fā)送器處訂閱信息或者說(shuō)數(shù)據(jù)的特定選擇。如果出現(xiàn)信息量或者子數(shù)據(jù)選擇的變化，則發(fā)送器自主地將該變化發(fā)送至接收器。該機(jī)制能夠被參數(shù)化，這是因?yàn)槔缒軌蝾A(yù)先規(guī)定最早應(yīng)以何種時(shí)間間隔發(fā)送這些變化。利用OPC-UA為工業(yè)提供了標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，借助于該標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，一方面可以在信息模型中為極其不同的信息(警報(bào)、過(guò)程值等)建模，并且另一方面也可以傳輸這些信息。對(duì)此，存在所謂的服務(wù)集和服務(wù)，使對(duì)應(yīng)的功能性可用。利用OPC-UA第一次也可能將這種輕松的信息傳輸用于嵌入式區(qū)段。這使OPC-UA在信息建模領(lǐng)域成為極有用的工具?，F(xiàn)今，OPC-UA主要用于自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)2中，例如用于SCADA系統(tǒng)中，而對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)3或者說(shuō)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)4中的通信協(xié)議則存在完全不同的要求。在自動(dòng)化技術(shù)中，需要越過(guò)通信線路同步多個(gè)設(shè)備8。對(duì)于該同步的要求非常多樣化。它們達(dá)到硬性的實(shí)時(shí)要求，例如對(duì)于同步造紙廠的驅(qū)動(dòng)軸而言。特別是在車間中(在此，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)出現(xiàn)在辦公室級(jí)上)，通常已經(jīng)使用基于以太網(wǎng)TCP/IP的基礎(chǔ)設(shè)施，例如用于總控系統(tǒng)(Kopfsteuerung)和/或SCADA/MES系統(tǒng)之間的通信。在這些情況下，通常使用所謂的時(shí)鐘脈沖協(xié)議。這表示時(shí)間被拆分為時(shí)間片段，并且精確地預(yù)先計(jì)劃，哪一設(shè)備在一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)應(yīng)如何發(fā)送以及發(fā)送多少。在通信參與者之間交換周期過(guò)程圖(具有輸入/輸出值的表格)。在此，下列規(guī)則是適用的周期越短(脈沖越高)，則同步性越好并且必須持續(xù)傳輸更多數(shù)據(jù)。時(shí)鐘頻率的加倍引起整體通信數(shù)量的翻倍。在每個(gè)周期中始終發(fā)送所有數(shù)據(jù)，這與所有值是否符合同一個(gè)時(shí)間要求或值是 否發(fā)生了改變無(wú)關(guān)。自動(dòng)化技術(shù)中的這一通信原則在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)上是常見的，以能夠滿足在此起作用的硬性的實(shí)時(shí)要求。在分散的外圍設(shè)備領(lǐng)域中，實(shí)時(shí)通信在此能夠通過(guò)例如通信協(xié)議Profinet IO實(shí)現(xiàn)。它實(shí)現(xiàn)了在基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備8之間的數(shù)據(jù)交換。另一基于以太網(wǎng)的、用于自動(dòng)化技術(shù)的方式是工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)(IRTE)。根據(jù)IRTE，完全預(yù)先計(jì)劃了網(wǎng)絡(luò)上的通信，以便排除意外的數(shù)據(jù)沖突。然而，該模型是非常靜態(tài)的，這是因?yàn)樗荒茉跊]有新計(jì)劃的情況下針對(duì)改變做出反應(yīng)。該計(jì)劃是極其復(fù)雜的并且只能借助于工具進(jìn)行，這是因?yàn)橥瑯颖仨毧紤]由于例如電纜長(zhǎng)度產(chǎn)生的時(shí)間過(guò)程。通過(guò)IRTE首先計(jì)劃了線性結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)在于，產(chǎn)生了硬性的確定性。因此，對(duì)于在其子網(wǎng)絡(luò)中使用的通信協(xié)議而言，辦公室級(jí)或者說(shuō)控制級(jí)與現(xiàn)場(chǎng)級(jí)是分開的。分別使用的通信協(xié)議滿足不同的要求。在可能的情況下，在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)上處于支配地位的實(shí)時(shí)要求對(duì)于辦公室級(jí)是不重要的。表述“自動(dòng)化技術(shù)的縱向合并”可理解為，致力于合并不同的子網(wǎng)絡(luò)并且實(shí)現(xiàn)從企業(yè)級(jí)自上而下至現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的統(tǒng)一的通信結(jié)構(gòu)。例如應(yīng)該對(duì)高精度軸進(jìn)行同步時(shí)，在自動(dòng)化技術(shù)的多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中存在硬性的實(shí)時(shí)要求。在硬實(shí)時(shí)過(guò)程中，必須在預(yù)設(shè)的時(shí)間段內(nèi)在兩個(gè)設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)。以硬性的確定性來(lái)實(shí)現(xiàn)該通信。如果在確定的時(shí)間區(qū)間之外進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，那么這些數(shù)據(jù)將不再滿足實(shí)時(shí)要求。特別在DIN44300中限定了實(shí)時(shí)的含義。在軟實(shí)時(shí)要求的情況下，對(duì)數(shù)據(jù)交換的時(shí)間過(guò)程所提出的條件不再是那么硬性。僅僅必須確保在預(yù)定的時(shí)間段內(nèi)以預(yù)設(shè)的概率在兩個(gè)設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)。例如可以設(shè)計(jì)為，即，對(duì)于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的時(shí)間點(diǎn)的分布而言，該分布的平均值始終處在預(yù)設(shè)的時(shí)間區(qū)間內(nèi)。軟實(shí)時(shí)要求在自動(dòng)化技術(shù)的多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中已經(jīng)足夠了。特別是在基于自動(dòng)化技術(shù)任務(wù)不存在對(duì)時(shí)間的那么硬性的要求時(shí)會(huì)出現(xiàn)上述情況。據(jù)此而存在用于滿足軟實(shí)時(shí)要求的通信協(xié)議的方式，例如，軟實(shí)時(shí)以太網(wǎng)(SRT)。在SRT的情況下，為了使得常規(guī)的以太網(wǎng)通信或TCP/IP通信具有軟實(shí)時(shí)性能力并且因此為了除了常規(guī)的數(shù)據(jù)通信之外能夠?qū)崿F(xiàn)上述通信，使用了以太網(wǎng)優(yōu)先機(jī)制。在SRT的情況下，盡管避免了數(shù)據(jù)包的沖突，但仍無(wú)法完全排除該沖突。不需要全面預(yù)先計(jì)劃網(wǎng)絡(luò)上的通信。例如不必強(qiáng)制性地計(jì)劃數(shù)據(jù)包的時(shí)間特性，而僅僅計(jì)劃出優(yōu)先的通信的路徑即可。正如在以太網(wǎng)或辦公室通信中那樣，通常計(jì)劃成星形結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種方法，一種裝置以及一種網(wǎng)絡(luò)，利用它們可以實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)的合并。該目的通過(guò)一種具有權(quán)利要求I的特征的方法，一種具有權(quán)利要求7的特征的裝置，以及一種具有權(quán)利要求8的特征的網(wǎng)絡(luò)得以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的方法用于在網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)，該方法利用具有基于 OPC-UA標(biāo)準(zhǔn)的接口的通信協(xié)議來(lái)交換數(shù)據(jù)。在此，該通信協(xié)議具有優(yōu)先分配功能，通過(guò)該優(yōu)先分配功能將至少兩個(gè)不同的優(yōu)先值分配給數(shù)據(jù)并且取決于分配的優(yōu)先值實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，以便能夠在預(yù)定的時(shí)間段內(nèi)以預(yù)設(shè)的概率在兩個(gè)設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)。OPC-UA (用于流程控制的對(duì)象鏈接與嵌入統(tǒng)一架構(gòu))是OPC基金會(huì)的OPC規(guī)范并且在WWW, opcfoundation. orR上進(jìn)行了描述。在通信協(xié)議中特別能以軟實(shí)時(shí)擴(kuò)展形式來(lái)實(shí)施優(yōu)先分配功能。特別可以設(shè)計(jì)為，在根據(jù)軟實(shí)時(shí)擴(kuò)展來(lái)更改OPC-UA的協(xié)議層的同時(shí)不改變OPC-UA的應(yīng)用協(xié)議。優(yōu)先分配功能特別能夠這樣將優(yōu)先值分配給數(shù)據(jù)，即，在網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)發(fā)生沖突的情況下，例如，在交換機(jī)或路由器中通過(guò)優(yōu)先值確定優(yōu)選地繼續(xù)傳輸哪些數(shù)據(jù)。特別可以設(shè)計(jì)為，將特定的高優(yōu)先值發(fā)送給數(shù)據(jù)，而該數(shù)據(jù)的交換應(yīng)該符合軟實(shí)時(shí)要求或者說(shuō)Soft Real Time要求。那么這種數(shù)據(jù)能在預(yù)定的時(shí)間段內(nèi)以預(yù)設(shè)的概率在兩個(gè)設(shè)備之間進(jìn)行交換。能特別根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)所公知的軟實(shí)時(shí)應(yīng)用設(shè)計(jì)優(yōu)先分配功能。特別可以設(shè)計(jì)為，根據(jù)合適的軟實(shí)時(shí)擴(kuò)展更改TCP/IP包。利用軟實(shí)時(shí)方法能夠在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)要求，但例如不必增加IRTE解決方法的相應(yīng)費(fèi)用。能夠僅利用微小的變化來(lái)訓(xùn)練常規(guī)的OPC-UA通信協(xié)議，從而在軟實(shí)時(shí)環(huán)境下幾乎不對(duì)常規(guī)的TCP/IP環(huán)境產(chǎn)生限制地使用該OPC-UA通信協(xié)議。能夠利用使用常規(guī)的OPC-UA通信協(xié)議的服務(wù)器，通過(guò)簡(jiǎn)單的多協(xié)議路由器來(lái)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的通信，而在服務(wù)器中使用了按照根據(jù)本發(fā)明的方法的通信協(xié)議，而可能不需要專門的硬件。本發(fā)明基于以下想法，即，借助軟實(shí)時(shí)擴(kuò)展這樣更改0PC-UA，即，使原本不具實(shí)時(shí)性的OPC-UA通信自此具有軟實(shí)時(shí)特性。通過(guò)在一個(gè)通信協(xié)議中結(jié)合OPC-UA接口和優(yōu)先分配功能而實(shí)現(xiàn)滿足軟實(shí)時(shí)要求并且符合自動(dòng)化技術(shù)中的多個(gè)要求的通信。由此實(shí)現(xiàn)的通信協(xié)議能夠簡(jiǎn)單且不復(fù)雜地實(shí)施在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的裝置中。由此，利用以O(shè)PC-UA為基礎(chǔ)的更高層的裝置，例如，自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)或企業(yè)網(wǎng)絡(luò)確保了順利的數(shù)據(jù)交換。在自動(dòng)化技術(shù)設(shè)備的子網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)了高比例的互相兼容性(Inierkompatibi丨itat)并且明顯改善了縱向合并。該通信協(xié)議的特征在于高效率，其原因在于，特別基于OPC-UA部件的原因可靠地避免了多余的數(shù)據(jù)交換。同時(shí)，優(yōu)先分配功能確保了根據(jù)軟實(shí)時(shí)的實(shí)時(shí)功能性。優(yōu)選地，優(yōu)先分配功能將第一優(yōu)先值分配給第一類型的數(shù)據(jù)并且將第二優(yōu)先值分配給第二類型的數(shù)據(jù)，其中，對(duì)于能預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(24)而言，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在兩個(gè)設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，在第一類型的數(shù)據(jù)和第二類型的數(shù)據(jù)之間發(fā)生沖突的情況下，基于分配的優(yōu)先值優(yōu)先地傳輸?shù)诙愋偷臄?shù)據(jù)。特別將沖突理解為在網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)、例如交換機(jī)或路由器上同時(shí)有多個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)。在發(fā)生沖突的情況下，特別無(wú)法確定性地確定，交換機(jī)要優(yōu)先傳輸兩個(gè)數(shù)據(jù)包中的哪個(gè)數(shù)據(jù)包。當(dāng)?shù)诙€(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)的同時(shí)交換機(jī)已經(jīng)在處理一個(gè)數(shù)據(jù)包，從而不能直接繼續(xù)處理第二個(gè)數(shù)據(jù)包，而要中斷第二個(gè)數(shù)據(jù)包的繼續(xù)傳輸直至第一個(gè)數(shù)據(jù)包完全處理完畢為止時(shí)，也可能發(fā)生沖突情況。在這種沖突情況下通過(guò)優(yōu)先值確保第二類型的數(shù)據(jù)相對(duì)于第一類型的數(shù)據(jù)優(yōu)先地被處理。特別也可以設(shè)計(jì)為，即，當(dāng)?shù)诙愋偷臄?shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，中斷已經(jīng)開始的、第一類型的數(shù)據(jù)的處理，從而自此開始優(yōu)先處理第二類型的數(shù)據(jù)并且在網(wǎng)絡(luò)上繼續(xù)傳輸。以這種方式，網(wǎng)絡(luò)的分支點(diǎn)上恢復(fù)了確定性。第二類型的數(shù)據(jù)特別可以涉及這種必須符合軟實(shí)時(shí)要求的數(shù)據(jù)。然后，繼續(xù)傳輸這種和實(shí)時(shí)相關(guān)的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)更優(yōu)先于其它的、對(duì)于其而言保持傳輸時(shí)間窗口不是那么關(guān)鍵的數(shù)據(jù)。優(yōu)選地這樣確定用于交換第二類型的數(shù)據(jù)的時(shí)間窗口，S卩，對(duì)于能預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而言，使得分別僅具有第二類型的數(shù)據(jù)的兩個(gè)數(shù)據(jù)包的沖突概率不超過(guò)能預(yù)設(shè)的閾值概率。在此特別有利的是通過(guò)在兩個(gè)設(shè)備之間預(yù)設(shè)周期性的同步時(shí)鐘頻率，確定用于交換第二類型的數(shù)據(jù)的時(shí)間窗口。通過(guò)預(yù)先計(jì)劃時(shí)鐘脈沖能確保，具有第二類型數(shù)據(jù)的兩個(gè)高優(yōu)先數(shù)據(jù)包不會(huì)同時(shí)在交換機(jī)上相遇。由此可靠地避免了沖突情況。保證了實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)交換。優(yōu)選地可以設(shè)計(jì)為，S卩，這樣設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得分別僅具有第二類型的數(shù)據(jù)的數(shù)·據(jù)包的由網(wǎng)絡(luò)情況決定的沖突概率不超過(guò)能預(yù)設(shè)的由網(wǎng)絡(luò)情況決定的閾值概率。優(yōu)選地由此構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即，這樣選擇通信線路和/或通信節(jié)點(diǎn)，使得由網(wǎng)絡(luò)情況決定的沖突概率不超過(guò)由網(wǎng)絡(luò)情況決定的閾值概率。通過(guò)明智的預(yù)先計(jì)劃例如能這樣設(shè)置網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的電線走向以及節(jié)點(diǎn)(交換機(jī)或路由器)的位置，從而將第二類型的數(shù)據(jù)的沖突概率保持得盡可能小。通過(guò)限定閾值概率在一定程度上確保了確定性?？梢韵拗瓢l(fā)生沖突的危險(xiǎn)。由此可以非常良好地滿足以下條件，即，在預(yù)定的時(shí)間段內(nèi)以預(yù)設(shè)的概率在兩個(gè)設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)。根據(jù)本發(fā)明的裝置用于在網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)，該裝置利用具有基于OPC-UA標(biāo)準(zhǔn)的接口的通信協(xié)議來(lái)交換數(shù)據(jù)。在此，通信協(xié)議具有優(yōu)先分配功能，能通過(guò)該優(yōu)先分配功能將至少兩個(gè)不同的優(yōu)先值分配給數(shù)據(jù)。通信協(xié)議確保，取決于分配的優(yōu)先值實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，以便能夠在預(yù)定的時(shí)間段內(nèi)以預(yù)設(shè)的概率在兩個(gè)設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)。根據(jù)本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)包括至少兩個(gè)設(shè)備以及根據(jù)本發(fā)明的裝置。所示出的與根據(jù)本發(fā)明的方法相關(guān)的優(yōu)選的實(shí)施方式及其優(yōu)點(diǎn)相應(yīng)地適用于根據(jù)本發(fā)明的裝置以及根據(jù)本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)。


下面借助實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明，圖中示出圖I示出自動(dòng)化技術(shù)設(shè)備的多層網(wǎng)絡(luò)的示意圖；圖2A示出在兩個(gè)設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)的示意圖，其中，在兩個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包之間出現(xiàn)了沖突情況；圖2B示出在兩個(gè)設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)的示意圖，其中，通過(guò)預(yù)設(shè)適合的優(yōu)先值而避免了沖突情況；圖3A不出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施；圖3B示出網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施；以及圖4示出設(shè)備的示意圖，該設(shè)備按照根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施例利用通信協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)中交換數(shù)據(jù)。在附圖中，相同的或者功能相同的元件用相同的參考標(biāo)號(hào)表示。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明允許將OPC-UA用于實(shí)時(shí)通信(確定性通信)領(lǐng)域。迄今為止主要用于自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)2中(例如在具有SCADA系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)6中)的OPC-UA現(xiàn)今能夠廣泛用于現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)3或者說(shuō)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)4。通過(guò)使用推薦的方法，在自動(dòng)化金字塔內(nèi)，OPC-UA的應(yīng)用范圍在金字塔中向下方擴(kuò)展。因?yàn)榇嬖谶@樣的目標(biāo)希望將OPC-UA也同樣用于企業(yè)網(wǎng)絡(luò)I中的具有ERP系統(tǒng)或者M(jìn)ES系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)5中，因此得到持續(xù)的通信，以及從最低級(jí)到ERP級(jí)的統(tǒng)一的過(guò)程數(shù)據(jù)概覽。持續(xù)使用該技術(shù)，這能夠確保完整的相互操作性，而可能無(wú)需附加的硬件(映射器或者轉(zhuǎn)換器)。OPC-UA的強(qiáng)項(xiàng)在于其在信息建模中的強(qiáng)大功能，信息建模同時(shí)用于改進(jìn)或者說(shuō)能夠?qū)崿F(xiàn)部件的相互操作性。所有參與的設(shè)備8不僅提供其過(guò)程值，還在信息模型中提供關(guān) 于這些值的語(yǔ)義信息?，F(xiàn)今，該優(yōu)點(diǎn)一直作用至現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)3，而無(wú)需多余花費(fèi)。圖2A不意性地不出了設(shè)備8a與設(shè)備8c的通信或設(shè)備8b與設(shè)備8c的通信。設(shè)備8a和Sb為此通過(guò)數(shù)據(jù)線22將數(shù)據(jù)包Dl發(fā)送給設(shè)備Sc。網(wǎng)絡(luò)24在此具有交換機(jī)18形式的節(jié)點(diǎn)，為了到達(dá)設(shè)備8c，數(shù)據(jù)包Dl必須經(jīng)過(guò)該節(jié)點(diǎn)。這使得數(shù)據(jù)包D可能同時(shí)到達(dá)交換機(jī)18上，從而發(fā)生沖突情況。交換機(jī)18必須決定應(yīng)該將哪個(gè)數(shù)據(jù)包Dl首先繼續(xù)傳輸給設(shè)備8c?；诟鶕?jù)現(xiàn)有技術(shù)的IRTE的通信，在所示情況中不再滿足確定性。如果出現(xiàn)了沖突，那么將不再清楚應(yīng)該首先繼續(xù)傳輸哪個(gè)數(shù)據(jù)包Dl。為了避免這個(gè)情況，必須預(yù)先計(jì)劃好網(wǎng)絡(luò)24上的完整通信。在IRTE通信的情況下，交換機(jī)18在此設(shè)計(jì)為帶有專用的IRTE硬件的特殊IRTE交換機(jī)。按照根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施例，為軟實(shí)時(shí)功能性提供了一種優(yōu)先分配功能。這意味著適合的優(yōu)先值被分配給數(shù)據(jù)包Dl或D2。在圖2B的實(shí)施例中，數(shù)據(jù)包D2中的數(shù)據(jù)涉及的是這種對(duì)于設(shè)備8a和Sc的同步而言是必要的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)由此必須符合實(shí)時(shí)要求。與其在數(shù)據(jù)線22上的傳輸相關(guān)，必須實(shí)現(xiàn)確定性。因而，在設(shè)備8a中實(shí)施的通信協(xié)議11的優(yōu)先分配功能將高優(yōu)先級(jí)的值分配給數(shù)據(jù)包D2。設(shè)備Sb與此相反地僅僅向設(shè)備Sc傳遞數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)顯示出了設(shè)備Sb的工作狀態(tài)，例如，該裝置目前的溫度。設(shè)備8c在哪個(gè)時(shí)間點(diǎn)獲得該信息并不是非常重要。因此，設(shè)置在設(shè)備8b的通信協(xié)議11中的優(yōu)先分配功能將低優(yōu)先權(quán)分配給數(shù)據(jù)包Dl。如果現(xiàn)在帶有優(yōu)先信息的數(shù)據(jù)包Dl和D2在交換機(jī)18上發(fā)生沖突，那么優(yōu)先地將高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包D2繼續(xù)傳輸給設(shè)備8c，前述的交換機(jī)同樣也支持設(shè)備8a和8b中實(shí)施的通信協(xié)議U。因此確保了與數(shù)據(jù)包D2相關(guān)的確定性并且在設(shè)備8a和Sc之間實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)性通信。通過(guò)適合的預(yù)先計(jì)劃僅需確保設(shè)備Sb不會(huì)在設(shè)備8a也發(fā)送了高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包時(shí)同時(shí)將高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包D2發(fā)送給設(shè)備Sc。在實(shí)踐中，可以靜態(tài)地通過(guò)計(jì)劃通信路徑，也就是說(shuō)取決于時(shí)間地，實(shí)現(xiàn)前述目的。實(shí)踐表明，往往能彼此不相交地建立起在通信路徑上運(yùn)行著高優(yōu)先級(jí)的包的通信路徑。
特別能通過(guò)優(yōu)先分配功能將OPC-UA訂閱(Subscription)標(biāo)記為高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包D2。由此能夠通過(guò)使用軟實(shí)時(shí)方法來(lái)這樣發(fā)送OPC-UA訂閱(更確切地說(shuō)是訂閱的變化信息)，從而使得該訂閱對(duì)象精確地符合軟實(shí)時(shí)要求。正如圖I中所示的那樣，這種方法改進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上的相互操作性。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，迄今為止需要所謂的藍(lán)盒(Bluebox) 21來(lái)用作為基于OPC-UA或TCP/IP的辦公室網(wǎng)絡(luò)19與例如基于Profinet IO的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)20之間的通信橋或中間裝置。在圖3A的示意圖中，藍(lán)盒21借助Profinet IO朝向于現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)20進(jìn)行通信且進(jìn)而是現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)20中的參與者。朝向于辦公室網(wǎng)絡(luò)19，藍(lán)盒21例如能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)或OPC-UA與計(jì)算機(jī)5上的SAP系統(tǒng)進(jìn)行通信。該藍(lán)盒也就是辦公室網(wǎng)絡(luò)19中的參與者。根據(jù)帶有根據(jù)優(yōu)先分配功能進(jìn)行了更改的OPC-UA通信協(xié)議的新方法，如圖3B中所示的那樣，取消了網(wǎng)絡(luò)24中的藍(lán)盒21。通過(guò)OPC-UA的軟實(shí)時(shí)擴(kuò)展，無(wú)論是在辦公室網(wǎng)絡(luò)19還是現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)20中均實(shí)現(xiàn)了兼容的通信環(huán)境，從而能夠放棄藍(lán)盒21。傳統(tǒng)的TCP/IP以及0PC-UA/SRT通信能在相互不影響的情況下共存。圖4再次示意性地示出了通信協(xié)議11的可能的構(gòu)造，該通信協(xié)議處在設(shè)備8a中。設(shè)備8a包括計(jì)算機(jī)，通信協(xié)議11可運(yùn)行地安裝在該計(jì)算機(jī)中。通信協(xié)議11在此包括多個(gè)帶有所屬的接口的層。這些層具體來(lái)說(shuō)是應(yīng)用層12、具有OPC-UA接口 13的統(tǒng)一架構(gòu)(UA)堆棧14、TCP/IP-接口 15、以太網(wǎng)-接口 16以及物理接口 17。另外，自此設(shè)置了轉(zhuǎn)換優(yōu)先分配功能的軟實(shí)時(shí)擴(kuò)展23。根據(jù)數(shù)據(jù)的種類借助軟實(shí)時(shí)擴(kuò)展23來(lái)為優(yōu)先分配功能補(bǔ)充優(yōu)先信息或優(yōu)先值。在此，特別優(yōu)選的是，基于開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型(標(biāo)準(zhǔn)化國(guó)際組織的OSI層模型)將通信協(xié)議11構(gòu)造成多層的。總而言之，在網(wǎng)絡(luò)24上的通信內(nèi)，最佳地組合了通過(guò)OPC-UA和SRT提供的優(yōu)點(diǎn)。在OPC-UA中使用的訂閱原理保證了在同時(shí)低的數(shù)據(jù)量下傳輸所有相關(guān)數(shù)據(jù)；另一方面，通過(guò)SRT在一定程度上保證了實(shí)時(shí)性。和現(xiàn)有技術(shù)相比，對(duì)通信的集中預(yù)先規(guī)劃的需求更低。盡管這樣，能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量整體上升。能夠很好地由通信協(xié)議處理用于確定性以及非確定性通信的數(shù)據(jù)。此外，確保了網(wǎng)絡(luò)24上的高程度的相互操作性。
權(quán)利要求
1.一種用于在網(wǎng)絡(luò)(24)的兩個(gè)設(shè)備(8，8a，8b，8c)之間交換數(shù)據(jù)(Dl，D2)的方法，所述方法利用具有基于OPC-UA標(biāo)準(zhǔn)的接口(13)的通信協(xié)議(11)來(lái)交換所述數(shù)據(jù)(Dl，D2)，其特征在于，所述通信協(xié)議(11)具有優(yōu)先分配功能(23 )，能通過(guò)所述優(yōu)先分配功能將至少兩個(gè)不同的優(yōu)先值分配給所述數(shù)據(jù)(Dl，D2)并且取決于所述分配的優(yōu)先值實(shí)現(xiàn)所述數(shù)據(jù)(Dl，D2)的交換，以便能夠在預(yù)定的時(shí)間段內(nèi)以預(yù)設(shè)的概率在所述兩個(gè)設(shè)備(8，8a，8b，8c)之間交換所述數(shù)據(jù)(D1，D2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述優(yōu)先分配功能(23)將第一優(yōu)先值分配給第一類型的數(shù)據(jù)(Dl)并且將第二優(yōu)先值分配給第二類型的數(shù)據(jù)(D2)，其中，對(duì)于能預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(24)而言，通過(guò)所述網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在所述兩個(gè)設(shè)備(8，8a，8b，8c)之間進(jìn)行所述數(shù)據(jù)(D1，D2)的交換，在所述第一類型的數(shù)據(jù)(Dl)和所述第二類型的數(shù)據(jù)(D2)之間發(fā)生沖突的情況下，基于所述分配的優(yōu)先值優(yōu)先地傳輸所述第二類型的數(shù)據(jù)(D2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，這樣確定用于交換所述第二類型的數(shù)據(jù)(D2)的時(shí)間窗口，S卩，對(duì)于所述能預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(24)而言，使得分別僅具有所述第二類型的數(shù)據(jù)的兩個(gè)數(shù)據(jù)包(D2)的沖突概率不超過(guò)能預(yù)設(shè)的閾值概率。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，通過(guò)在所述兩個(gè)設(shè)備(8，8a,8b, 8c)之間預(yù)設(shè)周期性的同步時(shí)鐘頻率，確定用于交換所述第二類型的數(shù)據(jù)(D2)的所述時(shí)間窗口。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，這樣設(shè)計(jì)所述網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(24)，使得分別僅具有所述第二類型的數(shù)據(jù)的兩個(gè)數(shù)據(jù)包(D2，D2)的由網(wǎng)絡(luò)情況決定的沖突概率不超過(guò)能預(yù)設(shè)的由網(wǎng)絡(luò)情況決定的閾值概率。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，這樣設(shè)計(jì)所述網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(24)，S卩，這樣選擇通信線路(22)和/或通信節(jié)點(diǎn)(18)，從而使得所述由網(wǎng)絡(luò)情況決定的沖突概率不超過(guò)所述由網(wǎng)絡(luò)情況決定的閾值概率。
7.一種用于在網(wǎng)絡(luò)(24)的兩個(gè)設(shè)備(8，8a，8b，8c)之間交換數(shù)據(jù)的裝置，所述裝置利用具有基于OPC-UA標(biāo)準(zhǔn)的接口(13)的通信協(xié)議(11)來(lái)交換所述數(shù)據(jù)(Dl，D2)，其特征在于，所述通信協(xié)議(11)具有優(yōu)先分配功能(23)，能通過(guò)所述優(yōu)先分配功能將至少兩個(gè)不同的優(yōu)先值分配給所述數(shù)據(jù)(Dl，D2)，并且所述通信協(xié)議(11)確保，取決于所述分配的優(yōu)先值實(shí)現(xiàn)所述數(shù)據(jù)(Dl，D2)的交換，以便能夠在預(yù)定的時(shí)間段內(nèi)以預(yù)設(shè)的概率在所述兩個(gè)設(shè)備(8，8a，8b，8c)之間交換所述數(shù)據(jù)(D1，D2)。
8.一種具有至少兩個(gè)設(shè)備(8，8a，8b，8c)的網(wǎng)絡(luò)(24)，所述網(wǎng)絡(luò)具有根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于在網(wǎng)絡(luò)(24)的兩個(gè)設(shè)備(8，8a，8b，8c)之間交換數(shù)據(jù)(D1，D2)的方法，該方法利用具有基于OPC-UA標(biāo)準(zhǔn)的接口(13)的通信協(xié)議(11)來(lái)交換該數(shù)據(jù)(D1，D2)，其中，通信協(xié)議(11)具有優(yōu)先分配功能(23)，能通過(guò)該優(yōu)先分配功能將至少兩個(gè)不同的優(yōu)先值分配給數(shù)據(jù)(D1，D2)并且取決于該分配的優(yōu)先值實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)(D1，D2)的交換，以便能夠在預(yù)定的時(shí)間段內(nèi)以預(yù)設(shè)的概率在兩個(gè)設(shè)備(8，8a，8b，8c)之間交換數(shù)據(jù)(D1，D2)。
文檔編號(hào)G05B19/418GK102918820SQ201180025767
公開日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2011年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月25日
發(fā)明者斯特凡·埃爾斯特爾, 克里斯蒂安·霍克, 約恩·佩施克, 弗蘭克·福爾克曼 申請(qǐng)人:西門子公司