通過交換式數據網絡、特別是乙太網並行傳輸實時和非實時臨界數據的系統和方法
2023-10-04 14:28:34 1
專利名稱：通過交換式數據網絡、特別是乙太網並行傳輸實時和非實時臨界數據的系統和方法
技術領域：
本發明涉及一種用於通過交換式數據網絡，特別是乙太網，並行傳輸實時臨界(echtzeitkritische)的數據和非實時臨界(nicht echtzeitkritische)的數據的系統和方法。
背景技術：
數據網絡使得通過聯網，即將各個用戶相互連接，可以在多個用戶之間進行通信。這裡通信的含義是在用戶之間傳輸數據。其中，待傳輸的數據作為數據電報發送，即數據被按多個分組一同打包並以這種形式通過數據網絡送至相應的接收者。因此也稱為數據分組。這裡，在本文中使用的數據傳輸概念完全和上述數據電報或數據分組傳輸同義。聯網本身例如由交換式高性能數據網絡，特別是乙太網來實現，在每兩個用戶之間各接通至少一個與兩個用戶連接的耦合單元。每個耦合單元可以與兩個以上用戶連接。如果用戶與一個耦合單元相集成，則該耦合單元也僅能與另一個耦合單元或者另一個用戶連接，即構成一個終端設備。每個用戶至少與一個耦合單元相連接，但不直接與另一個用戶連接。用戶例如是計算機、存儲程序控制裝置(SPS)或者是與其它機器交換電子數據、特別是處理電子數據的機器。與其中每個用戶可以直接通過數據總線抵達數據網絡中的每個其它用戶的總線系統相反，在交換式數據網絡中僅僅涉及點對點的連接，也就是說，一個用戶僅僅能夠間接地、藉助於一個或多個耦合單元將待傳輸數據相應地轉發至交換式數據網絡的所有其他用戶。
在分布式自動化系統中，例如在驅動技術(Antriebstechnik)領域，必須使確定的數據在確定的時間到達確定的用戶並由接收者處理。這裡人們稱之為實時臨界的數據或者實時臨界的數據交換，因為數據不及時到達確定的地點將造成在用戶處不希望的結果。根據IEC61491，EN61491 SERCOS接口技術簡述(http//www.sercos.de/deutsch/index deutsch.htm)可以保證在分布式自動化系統中所述類型的實時臨界數據交換的實施。
發明內容
本發明要解決的技術問題是，提供一種用於通過交換式數據網絡，特別是乙太網，傳輸數據的系統和方法，該系統和方法使得可以在同一個數據網絡中混合運行實時臨界和非實時臨界的數據通信，特別是基於網際網路或企業內部網際網路的數據通信。
上述技術問題是通過一種通過交換式數據網絡，特別是工業裝置領域的乙太網傳輸實時臨界和非實時臨界數據的方法來解決的，其中，交換式數據網絡建立在至少兩個用戶，特別是一個發送者和一個接收者之間，其中，數據在至少一個具有可以設定時間長度的傳輸周期內被傳輸，每個傳輸周期分成至少一個傳輸用於實時控制的實時臨界數據的第一區域和至少一個傳輸非實時臨界數據的第二區域。
上述技術問題還通過一種用於通過交換式數據網絡、在工業裝置中特別是通過乙太網傳輸數據的系統來解決，該系統具有至少一個可與傳輸實時臨界的數據和非實時臨界的數據的交換式數據網絡相耦合的數據處理裝置，其中，所述交換式數據網絡建立在至少兩個用戶、特別是在一個發送者和一個接收者之間，其中，所述系統至少包括一個在至少一個具有可設定的時間長度的傳輸周期內傳輸數據的裝置，每個傳輸周期被劃分為至少一個傳輸用於實時控制的實時臨界的數據的第一區域和至少一個傳輸非實時臨界的數據的第二區域。
本發明基於這樣的常識，即開放的基於網際網路的通信是即時通信，也就是說，這種通信的時刻和所涉及的要傳輸的數據量都是不能事前確定的。因此，在總線系統的傳輸線上或者交換式高速網絡、特別是快速乙太網或交換式乙太網的耦合單元中就不能避免衝突。為了將網際網路通信技術的優點也能夠應用到自動化技術領域、尤其是驅動技術中的交換式數據網絡的實時通信中，希望有一種實時通信與隨機的、非實時臨界的通信、特別是網際網路通信相混合的運行方式。這種混合方式是這樣實現的，即將這裡所涉及的應用領域中的、優選為周期性出現的、因此是可以提前計劃的實時通信與與此相反不能計劃的、非時間臨界的通信，特別是開放的、基於網際網路的通信嚴格分開。
這裡，用戶之間的通信在傳輸周期中進行，其中，每個傳輸周期分成至少一個傳輸用於實時控制(例如設定的工業裝置)的實時臨界的數據的第一區域和至少一個傳輸非實時臨界的數據(例如在開放的、網際網路通信中)的第二區域。這裡，本發明一種特別具有優點的實施方式的特徵是，為每個用戶配置一個耦合單元，該耦合單元用來發送和/或接收和/或轉發待傳輸的數據。
本發明一種特別具有優點的實施方式的特徵是，交換式數據網絡的所有用戶和耦合單元，通過相互間的時間同步始終具有一個共同的時基。這是分離可以計劃的實時通信與不能計劃的非實時通信的前提。將可計劃的實時通信與不能計劃的非實時通信進行分離，通過使用按照尚未公開的專利申請DE 10004425.5的時間同步方法得到保證。通過持續使用該方法，在分布式自動化系統運行期間，也能使交換式數據網絡的所有用戶和耦合單元始終以共同的時基同步，這意味著，對所有用戶和耦合單元的每個傳輸周期有相同的開始點和相同的長度。由於所有實時臨界的數據傳輸因為周期性運行在實際傳輸之前已經是已知的，並因此可以被預先計劃，所以，可以保證對所有用戶和耦合單元這樣來控制實時通信，即在實時臨界的數據電報傳輸的本身的不會出現幹擾，例如衝突，而所有計劃的關鍵的數據傳輸時刻都被準確地保持。
本發明另一種特別具有優點的實施方式的特徵是，將所有應該在傳輸周期的為實時臨界的通信規定的區域內傳輸的非實時臨界數據，暫存在各自的耦合單元內，並在該傳輸周期或一個後續傳輸周期的為非實時臨界的通信規定的區域內進行傳輸。也就是說，可能在傳輸周期的為實時通信保留的第一區域內出現的、未計劃的網際網路通信，將被推遲到傳輸周期的為隨機的非實時通信保留的第二區域中進行，這樣就完全避免了對實時通信的幹擾。這裡，由各個所涉及的耦合單元臨時存儲這些隨機的、非實時通信的相應數據，並在用於實時通信的第一區域結束之後，才在傳輸周期中為隨機的、非實時通信保留的第二區域中發送該數據。該第二區域，即直到傳輸周期結束總時間長度，可供所有用戶用於不可計劃的非實時臨界的通信，特別是網際網路通信，同樣，因為在時間上分開，所以也不會影響實時通信。
可以這樣來避免在耦合單元中與實時臨界的數據電報的衝突，即將所有在傳輸周期的規定用於傳輸非實時臨界的數據的區域內不能傳輸的非實時臨界的數據，暫存在各自的耦合單元內，並在此後的一個傳輸周期的規定用於傳輸非實時臨界的數據的區域內進行傳輸。
本發明另一種具有優點的實施方式的特徵是，在一個傳輸周期內用於傳輸非實時臨界數據的區域的時間長度，自動地通過用於傳輸實時臨界數據的區域的時間長度來確定。這樣設置的優點是，每次僅將必要的傳輸時間用於實時臨界的數據交換，而將剩餘時間自動地提供給非實時臨界的通信，例如用於不可計劃的網際網路通信或者其它非實時臨界的應用。特別優選的是，在一個傳輸周期內用於傳輸實時臨界數據的區域的時間長度，通過面向連接的、待傳輸的數據來確定，即對於每個數據連接分別通過所需的待傳輸的實時臨界數據的數據量確定兩個區域的時間長度，由此，使兩個區域的劃分以及因此而可供非實時臨界的通信使用的時間，對於在兩個耦合單元之間的每個數據連接和對每個傳輸周期是優化的。
本發明的另一種具有優點的實施方式的特徵是，傳輸周期的時間長度至少在每次進行數據傳輸之前被確定一次。其優點是，由此可在每次開始一個新的、事先計劃的數據傳輸時，分別根據實時通信或者開放的、網際網路通信的要求來確定傳輸周期的時間長度。當然還可以使傳輸周期的時間長度和/或傳輸周期中用於傳輸實時臨界數據的時間長度根據要求而被改變，例如對事先計劃的固定時刻和/或在計劃的數目個傳輸周期之後，優選地是在轉換到其它計劃的實時臨界的傳輸周期的傳輸周期的開始之前。按優選的方式，傳輸周期的時間長度按照不同的應用目的在1微秒至10秒之間。
本發明另一種具有優點的實施方式的特徵是，能夠在自動化系統中正在進行的運行過程中的任何時間，進行實時通信的重新計劃，這樣，保證了實時控制對短時間變化的邊界條件的靈活的適應性。由此，也可以改變傳輸周期的時間長度。
本發明另一種具有優點的實施方式的特徵是，將傳輸周期規定用於傳輸實時臨界數據的區域的一部分，用於傳輸組織數據傳輸的數據。這裡表現出的特別的優點是，在傳輸周期用於傳輸實時臨界數據的區域的開始，傳輸用於組織數據傳輸的數據電報。這裡，用於組織數據傳輸的數據例如是，用於數據網絡的用戶和耦合單元時間同步的數據、用於識別網絡拓撲結構的數據等等。
本發明另一種特別具有優點的實施方式的特徵是，對於所有待傳輸的、實時臨界的數據電報，在每次進行數據傳輸之前，分別在每個相關的耦合單元中對所有轉發該實時臨界數據電報的時刻、以及每個所屬的、通過其轉發實時臨界的數據電報的連接線路加以標記，也就是說，在一個耦合單元中標記了，何時和在哪個輸出口應該在時刻X將一個到來的實時臨界的數據電報轉發出去。
本發明另一種特別具有優點的實施方式的特徵是，這樣來計劃轉發的時刻，使得每個實時臨界數據最晚在轉發時刻或者之前被送至相應的耦合單元，但無論如何直到轉發時刻才被轉發出。由此，去除了尤其在長傳輸線路下顯著的時間模糊(Zeitunschaefen)的問題。這樣，能夠將實時臨界的數據電報沒有時間間隔地直接地發送或者轉發，即避免了實時數據分組中的帶寬的不良使用。當然也可能在需要時在傳輸單個數據分組之間設立一個發送暫停。
這種基於時間的轉發的另一個優點是，在耦合單元中尋找目標不再是基於地址的，因為事前已清楚應該向哪個埠轉發。由此，有可能在交換式數據網絡中優化地利用所有現存連接線路。對交換式數據網絡的冗餘連接線路可以考慮事前對轉發線路進行計劃，以將其應用到實時通信中，而這種冗餘的連接線路在基於地址的連接中是不允許非實時臨界的通信使用的，因為否則會帶來數據分組的循環。由此，可以實現冗餘的網絡拓撲，例如用於容錯的實時系統環。數據分組可以被冗餘地通過不相交的路徑進行發送，而不會出現數據分組的循環。事前計劃的轉發的另外一個優點是，由此無需認可(quittungslos)地監測每段線路，並由此可以簡單地進行故障診斷。
本發明另一種特別具有優點的實施方式的特徵是，可以將至少一個任意的、具有或者不具有所屬耦合單元的用戶、特別是一個具有開放的、網際網路通信能力的用戶接入到交換式數據網絡中，並保證，在希望的時刻成功地進行關鍵的數據傳輸，即使這個任意的用戶進行著一個非實時臨界的通信，特別是一個與實時臨界的通信並行的網際網路通信。
本發明另一種特別具有優點的結構的特徵是，將耦合單元集成在用戶中。由此，相對迄今的一直是作為獨立的構件實現的耦合單元(也稱為轉接器(Switch))具有特別的造價上的優點。
本發明另一種具有優點的實施方式的特徵是，一個耦合單元包括兩個分離的、分別用於各用戶的通道，其中，一個通道用於實時臨界的數據交換，而另一個通道用於非實時臨界的數據交換。這具有分離處理實時臨界數據和非實時臨界數據的優點。用於非實時臨界數據的通道相應於常規的商用標準乙太網控制器的接口，由此可以不加限制地使用迄今存在的軟體，特別是驅動程序。因此，迄今存在的軟體也適用於不具有實時功能的數據網絡。
下面對照附圖所示的實施方式對本發明作進一步的描述和說明。圖中，圖1表示一用於分布式自動化系統的實施方式的示意圖，圖2表示一個傳輸周期的原理結構，圖3表示在一個交換網絡中的原理性工作方式，和圖4表示在一個本地用戶和一個耦合單元之間接口的原理圖。
具體實施例方式
圖1示出一用於分布式自動化系統的實施方式的原理圖，其中，出於清楚表示的原因，已將作為本發明一部分的耦合單元與所涉及的用戶集成在一起。相反，在迄今的現有技術中則將每個在此集成到相關本地用戶中的耦合單元作為單獨的、連接在兩個用戶之間的設備。將耦合單元集成到各用戶中可降低成本並有利於維護。
所示自動化系統由多個可同時作為發送者和接收者的用戶組成，例如控制計算機1、多個驅動裝置(為清楚起見只示出了驅動裝置2)、以及其它計算機3、4、5，藉助於連接電纜(為清楚起見只示出了連接6a、7a、8a、9a)、特別是乙太網電纜，相互連接到一個交換式數據網絡、特別是乙太網。在此，典型的用於乙太網拓撲結構的耦合單元已集成到各用戶中，為清楚起見只示出了耦合單元6、7、8、9、10。耦合單元的作用是發送和/或接收和/或轉發待傳輸的數據。
此外，控制計算機1例如還與一個公司的內部通信網絡，例如企業內部網11和/或全球通信網絡網際網路11連接。由控制計算機1通過連接6a、7a、8a、9a發送例如控制驅動裝置2的實時臨界的數據。這種實時臨界的數據必須準確地在時刻X由驅動裝置2進行處理，因為否則就會出現不希望的影響，例如驅動裝置2的啟動被延遲等等，這將幹擾自動化系統的工作。這種實時臨界的數據的轉發是通過耦合單元6、7、8、9至耦合單元10進行的，耦合單元10將數據傳至接收器驅動裝置2，驅動裝置2在時刻X處理該數據。在迄今的現有技術中，如果此外在該時刻沒有其它任何通信，例如通過計算機5的網際網路通信，則能夠保證上述類型的實時臨界的數據的交換成功地實現。在這種情況下，在相同時刻通過計算機5進行的網際網路通信中，計算機5請求例如一網際網路網頁。這種非實時臨界的數據通過連接8a、7a、6a藉助於耦合單元9、8和7被轉發至耦合單元6，該耦合單元6將數據轉交給計算機1，該計算機1最後將相應的詢問送至網際網路11，並通過相同的連接或者耦合單元，以相反的順序將回答送回給計算機5。因此該回答使用了與實時臨界的通信相同的路徑。由此，可能造成在參與的耦合單元中出現等待的情況，而使實時臨界的數據不能及時地到達驅動裝置2。因此，用迄今的現有技術不能保證不出錯地實時運行。與此相反，本公開發明的應用則可使在相同的數據網絡中與實時通信並行地進行任意的、非實時臨界的通信，且不對實時通信產生幹擾。這通過連接計算機3和4表示，其中沒有集成耦合單元，而是藉助於直接的乙太網連接集成到所示的自動化系統中。計算機3和4不參加實時通信，而是僅僅參加隨機的、具有網際網路功能的通信，並不幹擾實時通信。
本發明基於這樣的思想，即將實時臨界和非實時臨界通信在交換式數據網絡中相互分離，使得非實時臨界通信不對實時臨界通信產生幹擾影響。這種分離的前提的一方面是，交換式數據網絡的所有用戶和耦合單元通過相互間的時間同步始終具有一個共同的同步時基。這通過持久使用按照未公開的專利申請DE 10004425.5的時間同步方法，在運行中的分布式自動化系統中同樣得到保證。這種分離的第二個前提是，實時臨界通信的可計劃性，由此使在這裡所涉及的應用領域中，特別是在驅動技術中的實時通信周期性地出現，即在一個或多個傳輸周期中進行數據傳輸。
圖2舉例示出了一個劃分為兩個區域的傳輸周期的原理性結構。一個傳輸周期12被分成一個用於傳輸實時臨界數據的第一區域13和一個用於傳輸非實時臨界數據的第二區域14。所示傳輸周期12的長度由其時間長度17表示，按照不同的應用目的，它優選地為1微秒到10秒之間。傳輸周期12的時間長度17是可變的，但是，在數據傳輸之前的時刻至少例如通過控制計算機1一次性地確定，並對交換式數據網絡的所有用戶和耦合單元都是等長的。傳輸周期12的時間長度17和/或用於傳輸實時臨界數據的第一區域13的時間長度，可以隨時(例如按事前計劃的)、在固定的時刻和/或在所計劃數目個傳輸周期之後，優選地在傳輸周期12開始之前被改變，其中，控制計算機1例如轉換到另一個計劃的、實時臨界的傳輸周期。此外，控制計算機1能夠隨時在自動化系統的運行中根據要求重新計劃實時通信，由此同樣可以改變傳輸周期12的時間長度17。傳輸周期12的絕對時間長度17是對時間成分或傳輸周期12中非實時臨界通信帶寬(即用於該非實時臨界通信的時間)的量度。因此，例如，在傳輸周期12的時間長度17為500us時，非實時臨界的通信的帶寬為30％，而在時間長度17為10ms時帶寬為97％。在用於傳輸實時臨界的數據的第一區域13中，在發送實際的實時臨界的數據電報(其中為清楚起見只示出了數據電報16)之前，保留了一定的時間長度來發送用於組織數據傳輸15的數據電報。該用於組織數據傳輸15的數據電報包括，例如用於數據網絡的用戶和耦合單元時間同步的數據和/或用於識別網絡拓撲結構的數據。在該數據電報被發出之後，發送實時臨界的數據電報、即數據電報16。由於實時通信可以通過周期性運行在事前加以計劃，因此對於傳輸周期12中的所有待傳輸的實時臨界的數據電報、即數據電報16來說，發送時刻或者用於轉發實時臨界的數據電報的時刻，在數據傳輸開始之前是已知的，也就是說，用於傳輸非實時臨界數據的區域14的時間長度可自動地通過用於傳輸實時臨界數據的區域13的時間長度來確定。這樣設置的優點是，每次僅將所必須的傳輸時間用於實時臨界的數據交換，而在其結束後將剩餘的時間自動地提供給非實時臨界的通信，例如用於不可計劃的網際網路通信或者其它非實時臨界的應用。特別優選的是，用於傳輸實時臨界數據的區域13的時間長度分別通過面向連接的待傳輸的數據來確定，即對每個具體的數據連接按照待傳輸的實時臨界數據所必須的數據量來確定這兩個區域的時間長度，由此可使對每個傳輸周期12、對每個具體的數據連接對區域13和區域14的時間長度的劃分是不同的。每次僅將必要的傳輸時間用於實時臨界的數據交換，而將傳輸周期12的剩餘時間自動地提供給交換式數據網絡中的所有用戶的非實時臨界通信，例如用於不可計劃的網際網路通信或者其它非實時臨界的應用。由於實時通信在事前這樣相應地計劃，即這樣來計劃實時臨界數據電報到達相應的耦合單元，使得所涉及的實時臨界的數據電報，例如數據電報16最晚在轉發時刻或者之前被送至相應的耦合單元，以使實時臨界的數據電報、即數據電報16的發送或轉發沒有時間空隙，從而通過這種密集的分組發送或轉發使可供使用的時間長度得到了最好的利用。當然，也可以在需要時在傳輸各個數據電報之間設置發送間隔。
圖3示出了交換式數據網絡的原理性工作方式。其中，在示意性示出的網絡中示出了一個例如為驅動器的用戶18和一個例如為控制計算機的用戶19，它們分別具有集成的耦合單元20和21，以及另一個不帶耦合單元的用戶36，它們通過數據連接32、33相互聯繫。其中，耦合單元20通過外部埠30、數據連接32和外部埠31與耦合單元21連接。耦合單元20、21的其它所示的外部埠為清楚起見沒有在圖中標示。對於其它具有或者沒有集成的耦合單元的用戶為清楚起見同樣沒有示出。對從所示耦合單元20，21出發至其它用戶的數據連接34、35隻是作出了標示。耦合單元20、21分別具有本地存儲器24、25，它們通過內部接口22、23與用戶18、19連接。用戶18、19通過接口22、23與相應的耦合單元20、21交換數據。本地存儲器24、25在耦合單元20、21內通過數據連接28、29與控制器26、27相連。控制器26、27通過內部數據連接28、29從本地存儲器24、25接收數據或者向本地存儲器24、25轉發數據，或者通過一個或多個外部埠，例如埠30或埠31接收或轉發數據。通過應用時間同步的方法，耦合單元20，21始終有一個共同的同步時基。如果用戶21有實時臨界數據，則該數據通過接口23、本地存儲器25和連接29，由控制器27在為實時臨界通信的區域期間按預先計劃的時刻讀取，並在那通過規定的外部埠，例如埠31向耦合單元20發送。與此同時，即在實時臨界通信期間，用戶36通過數據連接33發送非實時臨界數據，該數據通過外部埠37由控制器27接收，並通過內部連接29傳遞至本地存儲器25和在那被臨時存儲。直到用於非實時臨界通信的區域期間，該數據才被從那再次讀取並向接收者傳遞，即該數據被推遲到傳輸周期的為隨機的、非實時通信保留的第二區域中發送，由此排除了對實時通信的幹擾。對於不是所有暫存的、非實時臨界數據能夠在傳輸周期的用於傳輸非實時臨界數據的區域中被傳輸的情況，該數據將一直在耦合單元21的本地存儲器25中臨時存儲，直到其在能夠在隨後的傳輸周期用於傳輸非實時臨界數據的區域中被傳輸為止，由此在任何情況下排除了對實時通信的幹擾。
通過數據連接32和外部埠30出現在耦合單元20的控制器26的實時臨界數據電報，被直接通過對應的外部埠轉發。這是可能的，因為實時通信可以預先計劃，而因此對於所有待傳輸的實時臨界數據電報來說，發送和接收時刻、所有參與的耦合單元以及所有轉發的時刻和所有該實時臨界數據電報的接收者都是已知的，也就是說，例如在耦合單元20的控制器26標記了，應該將在時刻X到來的實時臨界數據電報，通過外部埠38轉發至下一個耦合單元。通過事前完成的實時通信的計劃還保證了，例如從埠38出發的數據連接34上不會出現數據衝突。同樣地適用於所有在實時通信期間的其它數據連接或者埠。來自各參與的耦合單元的所有實時臨界數據分組的轉發時間同樣是事前計劃的，因此是明確確定的。例如，在耦合單元20的控制器26中實時臨界數據電報的到來因此是這樣計劃的，即該涉及到的實時臨界數據電報最晚在轉發的時刻或者更早到達耦合單元20的控制器26。由此，去除了尤其在長傳輸線路下顯著的時間模糊的問題。例如為用戶18確定的並在耦合單元20的本地存儲器24暫存的數據，將由該用戶在給定的時間讀取實時臨界數據事前確定的時刻，而非實時臨界數據在為其規定的區域期間讀取。
如上面所述，可以在不對實時通信本身幹擾的情況下，在同一個交換式數據網絡中同時運行實時臨界和非實時臨界通信，以及可以由附加用戶建立與該交換式數據網絡的任意連接。
圖4表示在一個本地用戶和一個耦合單元之間接口的原理圖。按照本發明公開的耦合單元40集成在例如一個自動化系統的控制計算機1的用戶39中。用戶39既參與實時臨界通信又參與非實時臨界通信，因此用戶39安裝有實時臨界的應用48，例如用於自動化系統的驅動，和非實時臨界的應用49，例如用於隨機網際網路通信的瀏覽器或文字處理程序。為了清楚起見，僅表示了邏輯的而不是物理的連接，尤其是數據連接。用戶39和集成的耦合單元40之間的通信通過本地存儲器41進行，在其中由用戶39發送的相應數據以及為用戶39確定的數據被臨時存儲。本地存儲器41必須能夠既由用戶39又由耦合單元40讀寫，其中，本地存儲器41的例如在所示實施方式中作為耦合單元40一部分的物理位置並不重要。為了保證實時臨界和非實時臨界通信的分離和由此不受幹擾的實時臨界通信，需要兩個分離的與用戶39的通道，其中，一個通道用於實時臨界的數據交換，而另一個通道用於非實時臨界的數據交換。其結果，物理通信通過在為了清楚起見沒有表示的數據網絡和耦合單元40之間的兩個分離的邏輯接口42和43，以及在存儲器41(即耦合單元40)和用戶39之間的邏輯上分離的通信信道46和47進行。其中，接口42和通信信道46規定了為實時臨界通信的通信信道，而接口43和通信信道47規定了為非實時臨界通信的通信信道。但是從物理上來看，這兩個分別表示的邏輯上分離的接口42或43以及通信信道46或47，分別是相同的用於雙向傳輸數據的通信信道。特別是按照能夠被送來和讀取數據的類型，通過另外的邏輯上相互分離的通信信道46和47進行信號化，其中，通過通信信道46將實時臨界數據的準備就緒用信號通知實時臨界的應用48，並通過通信信道47將非實時臨界數據的準備就緒用信號通知非實時臨界的應用49。因此，驅動器44和實時臨界的應用48可以具有一個比驅動器45和非實時臨界的應用49更高的優先權工作。因此也能夠保證在用戶39中實時臨界數據的具有實時性的處理。為了保證實時通信所必需的實時臨界和非實時臨界通信的分離還具有這樣的優點，即可以不受限制的使用現有為非實時臨界通信的程序，特別是現存驅動程序，由此，一方面不需要昂貴的新的開發，另一方面非實時臨界通信的進展對實時通信本身沒有影響，因此，不會對本公開的發明產生局限。
總之，本發明涉及一種系統和一種方法，該系統和方法使得可以在一個由用戶和耦合單元(例如，分布式自動化系統中)組成的交換式數據網絡中，通過周期性的運行使得可以既進行實時臨界的、又進行非實時臨界的通信。在一個所謂傳輸周期12中對交換式數據網絡的所有用戶和耦合單元都存在至少一個用於傳輸實時臨界數據的區域13和至少一個用於傳輸非實時臨界數據的區域14，由此，將實時臨界的通信和非實時臨界的通信分離開。因為所有用戶和耦合單元始終是按一個共同的時基同步的，所以對於所有用戶和耦合單元用於傳輸數據的每個區域都出現在同一時刻，也就是說，實時臨界通信的進行在時間上獨立於非實時臨界通信並因此不受後者影響。實時臨界通信事前被計劃。原始發送者提供數據電報以及數據電報的轉發藉助於有關耦合單元以時間為基礎地進行。通過在各個耦合單元中的暫存實現了，將在任意時間出現的、隨機的、非實時臨界通信推遲到為非實時通信保留的傳輸周期12的傳輸區域14，並僅僅在那被傳輸。
權利要求
1.一種用於通過交換式數據網絡、在工業裝置中特別是通過乙太網傳輸數據的方法，在該網絡中傳輸實時臨界的數據和非實時臨界的數據，其中，所述交換式數據網絡建立在至少兩個用戶、特別是在一個發送者和一個接收者之間，其中，在至少一個具有可設定時間長度(17)的傳輸周期(12)中傳輸數據，每個傳輸周期(12)被劃分為至少一個傳輸用於實時控制的實時臨界的數據的第一區域(13)和至少一個傳輸非實時臨界的數據的第二區域(14)。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，為每個用戶配備一個耦合單元，該耦合單元用於發送和/或接收和/或轉發待傳輸的數據。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，交換式數據網絡的所有用戶和耦合單元都通過相互間的時間同步始終具有一個共同的同步時基。
4.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，將所有應該在傳輸周期(12)的為實時臨界的通信規定的區域(13)內傳輸的非實時臨界數據，暫存在各自的耦合單元內，並在該傳輸周期或一個後續傳輸周期的為非實時臨界的通信規定的區域(14)內進行傳輸。
5.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，將所有在傳輸周期(12)的規定用於傳輸非實時臨界的數據的區域(14)內不能傳輸的非實時臨界的數據，暫存在各自的耦合單元內，並在此後的一個傳輸周期的規定用於傳輸非實時臨界的數據的區域(14)內進行傳輸。
6.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，在一個傳輸周期(12)內用於傳輸非實時臨界數據的區域(14)的時間長度，自動地通過用於傳輸實時臨界數據的區域(13)的時間長度來確定。
7.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，在一個傳輸周期(12)內用於傳輸實時臨界數據的區域(13)的時間長度，分別通過面向連接的、待傳輸的數據來確定。
8.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，所述傳輸周期(12)的時間長度(17)至少在每次進行數據傳輸之前被確定一次。
9.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，所述傳輸周期(12)的時間長度(17)和/或傳輸周期(12)的用於傳輸實時臨界數據的區域(13)的時間長度是可變的。
10.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，所述傳輸周期(12)的時間長度(17)在1微秒至10秒之間。
11.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，可以在運行中的自動化系統中隨時對實時通信進行新的計劃。
12.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，所述傳輸周期(12)的時間長度(17)可以通過對實時通信的新的計劃而被改變。
13.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，將傳輸周期(12)的用於傳輸實時臨界數據的區域(13)的一部分，用來傳輸用於組織數據傳輸(15)的數據。
14.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，所述用於組織數據傳輸(15)的數據在傳輸周期(12)的用於傳輸實時臨界數據的區域(13)的開始被傳輸。
15.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，所述用於組織數據傳輸(15)的數據包含用於數據網絡的用戶和耦合單元時間同步的數據和/或用於識別網絡拓撲結構的數據。
16.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，對於所有待傳輸的、實時臨界的數據電報，在每次進行數據傳輸之前，對發送者和/或接收者的發送和接收的時刻加以標記。
17.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，對於所有待傳輸的、實時臨界的數據電報，在每次進行數據傳輸之前，分別在每個相關的耦合單元中對所有轉發該實時臨界數據電報的時刻、以及每個所屬的、通過其轉發實時臨界的數據電報的連接線路加以標記。
18.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，每個實時臨界的數據電報最晚在轉發時刻或者之前被送至相應的耦合單元。
19.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，將所述實時臨界的數據電報直接地、沒有時間間隔地發送或者轉發。
20.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，可以將不允許用於非實時臨界通信的交換式數據網絡的連接線路用於實時臨界的通信。
21.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，至少一個交換式數據網絡的用戶可以在同一交換式數據網絡中並行地進行實時臨界的通信和/或非實時臨界的通信、特別是網際網路通信，其中，所進行的非實時臨界的通信不影響並行進行的實時臨界的通信。
22.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，可以將至少一個任意的、具有或者不具有所屬耦合單元的用戶、特別是一個具有開放的、網際網路通信能力的用戶接入到交換式數據網絡中。
23.一種用於通過交換式數據網絡、在工業裝置中特別是通過乙太網傳輸數據的系統，該系統具有至少一個可與傳輸實時臨界的數據和非實時臨界的數據的交換式數據網絡相耦合的數據處理裝置，其中，所述交換式數據網絡建立在至少兩個用戶、特別是在一個發送者和一個接收者之間，其中，所述系統至少包括一個在至少一個具有可設定的時間長度(17)的傳輸周期(12)內傳輸數據的裝置，每個傳輸周期(12)被劃分為至少一個傳輸用於實時控制的實時臨界的數據的第一區域(13)和至少一個傳輸非實時臨界的數據的第二區域(14)。
24.根據權利要求23所述的系統，其特徵在於，所述系統至少包括一裝置，該裝置為每個用戶配置一個用於發送和/或接收和/或轉發待傳輸的數據的耦合單元。
25.根據權利要求23或24所述的系統，其特徵在於，所述系統至少包括一裝置，其為交換式數據網絡的所有用戶和耦合單元提供通過相互間的時間同步而始終具有的一個共同的同步時基。
26.根據權利要求23至25中任一項所述的系統，其特徵在於，所述系統至少包括一裝置，該裝置保證，將所有應該在傳輸周期(12)的為實時臨界的通信規定的區域(13)內傳輸的非實時臨界數據，暫存在各自的耦合單元內，並在該傳輸周期或一個後續傳輸周期的為非實時臨界的通信規定的區域(14)內進行傳輸。
27.根據權利要求23至26中任一項所述的系統，其特徵在於，所述系統至少包括一裝置，該裝置保證，將所有在傳輸周期(12)的規定用於傳輸非實時臨界的數據的區域(14)內不能傳輸的非實時臨界的數據，暫存在各自的耦合單元內，並在此後的一個傳輸周期的規定用於傳輸非實時臨界的數據的區域(14)內進行傳輸。
28.根據權利要求23至27中任一項所述的系統，其特徵在於，所述系統至少包括一裝置，該裝置通過用於傳輸實時臨界數據的區域(13)的時間長度自動地確定在一個傳輸周期(12)內用於傳輸非實時臨界數據的區域(14)的時間長度。
29.根據權利要求23至28中任一項所述的系統，其特徵在於，所述系統至少包括一裝置，該裝置分別通過面向連接的、待傳輸的數據來確定在一個傳輸周期(12)內用於傳輸實時臨界數據的區域(13)的時間長度。
30.根據權利要求23至29中任一項所述的系統，其特徵在於，所述系統至少包括一裝置，該裝置在每次進行數據傳輸之前至少確定一次所述傳輸周期(12)的時間長度(17)。
31.根據權利要求23至30中任一項所述的系統，其特徵在於，所述系統至少包括一裝置，該裝置可改變所述傳輸周期(12)的時間長度(17)和/或傳輸周期(12)的用於傳輸實時臨界數據的區域(13)的時間長度。
32.根據權利要求23至31中任一項所述的系統，其特徵在於，所述系統至少包括一裝置，該裝置可在運行中的自動化系統中隨時對實時通信進行新的計劃。
33.根據權利要求23至32中任一項所述的系統，其特徵在於，所述系統至少包括一裝置，該裝置通過對實時通信的新的計劃改變所述傳輸周期(12)的時間長度(17)。
34.根據權利要求23至33中任一項所述的系統，其特徵在於，所述系統至少包括一裝置，該裝置將傳輸周期(12)的用於傳輸實時臨界數據的區域(13)的一部分，用來傳輸用於組織數據傳輸(15)的數據。
35.根據權利要求23至34中任一項所述的系統，其特徵在於，所述系統至少包括一裝置，該裝置在所述傳輸周期(12)的用於傳輸實時臨界數據的區域(13)的開始傳輸所述用於組織數據傳輸(15)的數據。
36.根據權利要求23至35中任一項所述的系統，其特徵在於，所述系統至少包括一裝置，該裝置對於所有待傳輸的、實時臨界的數據電報，在每次進行數據傳輸之前，對發送者和/或接收者的發送和接收的時刻加以標記。
37.根據權利要求23至36中任一項所述的系統，其特徵在於，所述系統至少包括一裝置，該裝置對於所有待傳輸的、實時臨界的數據電報，在每次進行數據傳輸之前，分別在每個相關的耦合單元中對所有轉發該實時臨界的數據電報的時刻、以及每個所屬的、通過其轉發該實時臨界的數據電報的連接線路加以標記。
38.根據權利要求23至37中任一項所述的系統，其特徵在於，所述系統至少包括一裝置，該裝置保證，每個實時臨界的數據電報最晚在轉發時刻或者之前被送至相應的耦合單元。
39.根據權利要求23至38中任一項所述的系統，其特徵在於，所述系統至少包括一裝置，該裝置將所述實時臨界的數據電報直接地、沒有時間間隔地發送或者轉發。
40.根據權利要求23至39中任一項所述的系統，其特徵在於，所述系統至少包括一裝置，該裝置將不允許用於非實時臨界通信的交換式數據網絡的連接線路用於實時臨界的通信。
41.根據權利要求23至40中任一項所述的系統，其特徵在於，將耦合單元集成在用戶中。
42.根據權利要求23至41中任一項所述的系統，其特徵在於，一個耦合單元具有兩個分別至用戶的通道，其中，一個通道用於實時臨界數據的交換，而另一個通道用於非實時臨界數據的交換。
43.根據權利要求23至42中任一項所述的系統，其特徵在於，所述系統至少包括一裝置，該裝置使至少一個交換式數據網絡的用戶可以在同一交換式數據網絡中並行地進行實時臨界的通信和/或非實時臨界的通信、特別是網際網路通信，其中，所進行的非實時臨界的通信不影響並行進行的實時臨界的通信。
44.根據權利要求23至43中任一項所述的系統，其特徵在於，所述系統至少包括一裝置，該裝置可以將至少一個任意的、具有或者不具有所屬耦合單元的用戶、特別是一個具有開放的、網際網路通信能力的用戶接入到交換式數據網絡中。
45.一種用戶，用於根據權利要求1至44中任一項所述的系統和/或方法。
46.根據權利要求45所述的用戶，其特徵在於，所述用戶是一個自動化系統的用戶。
47.根據權利要求45或46所述的用戶，其特徵在於，所述用戶具有至少一個用於傳輸實時臨界的數據和非實時臨界的數據的裝置，其中，在至少一個具有可設定時間長度(17)的傳輸周期(12)中傳輸數據，每個傳輸周期(12)被劃分為至少一個傳輸用於實時控制的實時臨界的數據的第一區域(13)和至少一個傳輸非實時臨界的數據的第二區域(14)。
全文摘要
本發明涉及一種系統和一種方法，該系統和方法使得可以在由用戶和耦合單元(例如，分布式自動化系統)組成的交換式數據網絡中，通過周期性運行既進行實時臨界的、又進行非實時臨界的通信。在一個所謂的傳輸周期(12)中對交換式數據網絡的所有用戶和耦合單元都存在至少一個用於傳輸實時臨界數據的區域(13)和至少一個用於傳輸非實時臨界數據的區域(14)，由此將實時臨界通信和非實時臨界通信分離開。
文檔編號H04L12/64GK1476702SQ01819496
公開日2004年2月18日 申請日期2001年11月16日 優先權日2000年11月24日
發明者卡爾-海因茨·克勞斯, 卡爾-海因茨 克勞斯 申請人:西門子公司