[发明专利]工业自动化系统的能冗余运行的通信系统和其运行方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于工业自动化系统的能冗余运行的通信系统和其运行方法。

背景技术

工业自动化系统用于尤其是在制造、加工和建筑自动化领域监视技术流程以及实现开环控制和闭环控制，并且实现控制装置、传感器、机器和工业设施的一种尽可能自主并且独立于人工干涉完成的运行。由于用于包括众多联网的控制及计算机单元的自动化系统的信息技术日益重要，用于可靠地提供在自动化系统上所分配的功能的方法对于提供监控、开环控制及闭环控制功能而言越发重要。用于监视、开环控制及闭环控制功能的测量或控制信息的传输通常是时间高度关键的。

在工业自动化系统或自动化设备的计算机单元之间的通信连接的中断可能导致不期望地或者不必要地重复传输某个服务请求。此外，未传输的或者未完全传输的报文例如可能妨碍工业自动化系统过渡到或者保留在安全的运行状态。在工业自动化系统中，经常由具有比较多的、但相对较短的报文的报告传输造成特别严重的问题，由此加剧了上述问题。

为了能够补偿通信连接或设备的失效，对于高可用性的能冗余运行的工业通信网络研发出通信协议，例如媒体冗余协议、高可用性无缝冗余或并行冗余协议。媒体冗余协议(MSR)在标准IEC 62439中限定并且在存在冲突的冗余的报文传输时补偿具有简单的环形拓扑的网络中的各个连接失效。根据媒体冗余协议，为环形拓扑之内的具有两个端口的开关分配冗余管理器，冗余管理器监视网络的连接失效并且必要时采取闭环的开关措施。

原则上，冲突作用的媒体冗余方法能够以相对小的耗费实现。然而不利的是：一方面，在故障情况下会丢失消息，并且另一方面在通信网络的重新配置期间才存在干扰状态。这种干扰状态必须通过叠加的通信协议、例如借助于TCP/IP在传递或传输层面上被保障，以便避免通信连接的中断。

高可用无缝冗余(HSR)和并行冗余协议(PRP)在标准IEC 62439-3中限定，并且以极其小的回复时间无冲突地冗余地传输报文。根据高可用无缝冗余和并行冗余协议，进行发送的通信设备复制每个报文并且以两种不同的方式将报文发送至接收器。通过接收器侧的通信设备从接收到的数据流中滤除描述了复本的冗余的消息。

在EP 2 634 973 B1中描述一种用于能冗余运行的通信网络的通信设备，通信设备包括至少一个第一和第二发送和接收单元，第一和第二发送和接收单元分别具有用于工业通信网络的网络连接的端口。信号处理单元与第一和第二发送和接收单元连接。经由耦合件将简单联接的网络节点与信号处理单元连接。信号处理单元经由第一和第二端口与耦合件连接。在此，第一端口仅设置用于传输通过第一接收单元接收的数据包，而第二端口仅设置用于传输通过第二接收单元接收的数据包。

从EP 2 670 078 B1中已知用于可冗余地运行的工业通信网络的通信设备，通信设备包括多个第一和第二发送和接收单元，第一和第二发送和接收单元分别具有用于工业通信网络的网络连接的端口并且分别分配给与多个能冗余运行的子网中的一个。第一和第二发送和接收单元经由耦合件与全部能冗余运行的子网共用的信号处理单元连接。对于由对应于第一发送和接收单元和与其相对应的第二发送和接收单元的接口以及与信号处理单元相对应的接口构成的每个对，分别设置虚拟的局域网。信号处理单元对于全部第一和第二发送和接收单元根据相应的虚拟局域网的标识将要发送的报文并行地转发给相应的第一和第二发送和接收单元并且检测所接收的冗余的报文。

在标准IEC 62439-3中，针对并行冗余协议(PRP)由于无线通信系统中的相对长的操作运行时间和由此所决定的非确定性的传输性能至今为止仅规定了有线连接的传输路线。在“Towards a Reliable Parallel Redundant WLAN Black Channel”,Markus Rentschler,Per Laukemann,IEEE 2012中，研究WLAN传输路线在PRP通信网络中的适应性。借助于针对例如空间、时间和频率并行地应用不同的多样性技术，在WLAN通信网络中能够充分地补偿随机的通道损耗的影响。

从EP 2 712 124 B1中已知冗余运行的工业通信系统，工业通信系统具有冗余地联接到工业通信网络的通信设备，其中至少部分地进行无线的报文传输。在工业通信网络中，对于在网络节点处有线连接地接收到的和要由网络节点无线地发送的报文元素，设有多个缓冲存储单元。在超过最大的缓冲大小的情况下，将处于相应的缓冲存储器单元中的最老的报文元素删除。在即将超过最大的缓冲大小时，将最老的报文元素选择作为下一个要无线发送的消息元素。