通过以太网网络传送来自工业终端设备的消息
| 专利类型 | 发明授权 | 法律事件 | 公开; 实质审查; 授权; |
| 专利有效性 | 有效专利 | 当前状态 | 授权 |
| 申请号 | CN202180020557.X | 申请日 | 2021-03-08 |
| 公开(公告)号 | CN115280739B | 公开(公告)日 | 2024-05-14 |
| 申请人 | ABB瑞士股份有限公司; | 申请人类型 | 企业 |
| 发明人 | 亚历山大·戈戈列夫; 约翰·阿克贝格; 约根·盖德; 马里卡琼·坎德; | 第一发明人 | 亚历山大·戈戈列夫 |
| 权利人 | ABB瑞士股份有限公司 | 权利人类型 | 企业 |
| 当前权利人 | ABB瑞士股份有限公司 | 当前权利人类型 | 企业 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份： | 城市 | 当前专利权人所在城市： |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：瑞士巴登 | 邮编 | 当前专利权人邮编： |
| 主IPC国际分类 | H04L47/28 | 所有IPC国际分类 | H04L47/28 ; H04L69/08 ; H04L12/413 ; H04L47/2491 |
| 专利引用数量 | 6 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 14 | 专利文献类型 | B |
| 专利代理机构 | 北京市金杜律师事务所 | 专利代理人 | 邓雪萌; |
| 摘要 | 一种用于通过具有用于时间敏感通信的扩展功能以太网网络传送来自工业设施中的终端设备的消息的方法，包括以下步骤：由终端设备的使能器组件，获得来自终端设备的控制应用的消息；由使能器组件至少部分地基于消息的内容、和/或消息被递送到使能器组件通过的路径，将消息映射到当通过以太网网络传送消息时被使用的至少一个用于时间敏感通信的功能；由使能器组件将消息转换为一个或多个以太网 帧 ；由使能器组件根据至少一个用于时间敏感通信的功能在所述一个或多个以太网帧中的至少一个以太网帧中对传输消息的 请求 进行编码；由使能器组件将一个或多个以太网帧传输到以太网网络上；由以太网网络的至少一个网络设备，对请求进行解码；以及，由至少一个网络设备，根据所请求的用于时间敏感通信的功能，在以太网网络上转发消息。 | ||
| 权利要求 | 1.一种用于通过具有用于时间敏感通信的扩展功能(3*)的以太网网络(3)传送来自在工业设施(2)中的终端设备(1)的时间敏感消息(4)的方法(100)，包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 通过以太网网络传送来自工业终端设备的消息技术领域[0001] 本发明涉及通过以太网网络的来自、去向以及在工业设施终端设备之间的时间敏感消息的通信。 背景技术[0002] 工业设施越来越多地配备以太网网络，以太网网络利用用于时间敏感通信的扩展功能而被增强。很多“工业4.0”概念假设通过具有时间敏感网络(TSN)功能的以太网进行通信，与开放平台通信统一架构(OPC UA)结合，将会完全地替代各种控制应用和现场总线。EP 2 805 441B1公开了一种用于在时间同步通信模块之间通过信息包交换数据网络配置传输数据的方法。 [0003] 工业终端设备的有效服务寿命通常比关于网络通信的创新周期长的多。一些现场设备可以使用数十年。因此，在可预见的未来，建立在OPC UA和TSN增强以太网上的工业设施网络因此可能不得不处理不是TSN感知的终端设备。 发明内容[0004] 因此本发明的目标是在采用了用于时间敏感通信的扩展功能的以太网网络中，提高不能感知用于时间敏感通信的扩展功能的终端设备的参与。 [0005] 该目标通过用于通过以太网网络传送来自在工业设施中的终端设备的消息的方法而被实现，该以太网具有用于时间敏感通信的扩展功能。 具体实施方式[0006] 本发明提供一种方法以用于通过具有用于时间敏感通信的扩展功能的以太网网络，传送来自工业设施中的终端设备的消息。特别地，用于时间敏感通信的功能可以是时间敏感网络(TSN)功能。TSN功能正在由IEEE时间敏感联网任务组进行标准化的过程中。然而，用于时间敏感通信的任何其他功能也可以被用于本发明的上下文中。 [0007] 在该方法的过程中，终端设备的使能器组件获得来自终端设备控制应用的待传送消息。使能器组件可以具体地包括运行在与终端设备的控制应用相同的硬件平台上的软件组件。由硬件平台、和/或在其上运行控制应用和使能器的操作系统提供的任何适当的方法，都可以被用于将消息从控制应用传送到使能器组件。备选地或组合地，使能器组件可以包括硬件组件。例如，这样的硬件组件可以被“搭载”到终端设备上，并且经由现场总线接口或最初设计用于交换消息的其他接口来接收消息。 [0008] 使能器组件将消息映射到至少一个用于时间敏感通信的功能，该功能在通过以太网网络传输消息时被使用。即，使能器组件感知到在终端设备驻留的以太网网络中可用的功能，并且选择针对具体消息所被使用的功能。特别地，这样的功能可以包括增加特定消息相对于以太网网络中的其他消息业务的优先级，或者保证特定消息将在预定时间内到达其接收方的情况下传输特定消息。 [0009] 该选择(即，映射)至少部分地基于消息的内容、和/或消息被递送到使能器组件的路径。特别地，如果使能器组件与现有的控制应用一起使用，其有利于分析消息的内容并基于该分析的结果来确定用于时间敏感通信的待使用功能。如果使终端设备整体上感知用于时间敏感通信的功能的过程中存在升级控制应用的选项，则这可以通过提供控制应用可以被传输到使能器组件的不同路径来被促进。具体地，通过选择特定路径，控制应用可以向使能器组件指示消息的优先级。形象地说，使能器组件可以为来自控制应用的消息提供不同颜色的收文盘，并且根据消息被放在哪个收文盘来以不同地处理消息。 [0011] 使能器组件根据至少一个用于时间敏感通信的功能在所述一个或多个以太网帧中的至少一个以太网帧中对传输消息的请求进行编码，并且传输一个或多个以太网帧到以太网网络中。以太网网络的至少一个网络设备对请求进行解码，并且根据所请求的用于时间敏感通信的功能来转发以太网网络上的消息。特别地，网络设备可以是交换机、路由器或网桥。 [0012] 因此，当传送来自之前未感知到该功能的终端设备的消息时，所有利用用于时间敏感通信的新功能的总体任务在使能器组件和网络设备之间被共享。特别地，通过使能器组件对请求的编码和将经解码的请求转换为具体的动作引入了抽象层，该抽象层很大程度上避免了响应于对以太网网络和其用于时间敏感通信的功能的改变而不得不改变使能器组件。在特定工业设施中，存在许多终端设备多于网络设备的情况，因此保持这些终端设备上的使能器组件不变，当网络发生改变时可以节省很多工作。 [0013] 例如，在第一个时间点，服务于特定终端设备的网络设备和在特定保证时间帧内接收来自该终端设备的消息目的地之间仅有一个物理路径可以是可用的。为了保证及时地递送，网络设备只能推迟较低优先级业务的转发。在稍后的时间点，第二物理线路被设置，并且存在使用该第二物理线路来快速地递送消息的新选项。使能器组件仍然仅需要请求“什么”，即，及时地递送。网络设备负责新的“如何”，即，用哪个线路以及还可以做什么来保证及时地递送。 [0014] 在有利的实施例中，请求被编码在至少一个以太网帧的优先级类别(诸如服务质量、QoS、现场)和/或流标识参数中。例如，如果使能器组件提供不同消息路径(“收文盘”)给控制应用，则其可以根据控制应用选择传送消息的路径，分配不同的流标识参数给消息。当被标记有不同流标识参数的消息由网络设备接收时，网络设备可以在转发消息时采取合适的动作。 [0015] 再一次，如果消息的具体处理会被大规模改变，则使能器组件和网络设备之间的工作的共享是有利的。例如，如果在最终产品中有质量问题，这可能引起怀疑，化工生产过程没有精确地遵循其预期的时间的配方，因为某些动作(诸如打开或关上阀门)花费太长时间以致无法通过以太网网络启动。于是需要以传输其他消息为代价来加速与这类动作相关的全部消息的传输。如果将待加速的消息可以通过它们的流标识符与较少的重要消息区分开，则该改变可以通过将这些流标识符映射到网络设备中的不同动作而被简单地实现。终端设备(诸如控制器和阀门)中的使能器组件可以保持未改变。 [0016] 例如，如果使能器组件允许使用VLAN标签和其优先级字段以产生被映射到特定QoS类别的业务，则在TSN启用的网络中的网络设备可以识别该业务并且保证及时地通过网络传送，对延迟和抖动的上限有限制。在该上下文中，“通过网络”的意思是“在第一入口网桥端口和最后出口网桥端口之间”。早期的评估建议这类情景可以确保毫秒级延迟，可以满足大部分过程自动化的需求。通过使能器组件以该方式装备的终端设备可以被认为“TSN‑reday”。 [0017] 在特定有利的实施例中，获得来自终端设备的控制应用的消息具体地包括由使能器组件提供多个虚拟接口给控制应用，该虚拟接口被配置为接收来自控制应用的消息。随后消息可以至少部分地基于已经接收到消息的虚拟接口而被映射到至少一个用于时间敏感通信的功能。因此，虚拟接口与前文讨论的“不同颜色的收文盘”相对应。如果控制应用将被升级以利用自身的用于时间敏感通信的新功能，则通过使控制应用经由不同的虚拟接口发送消息给使能器组件即可容易地完成。特别地，至少一个虚拟接口可以具体地是虚拟以太网接口、UNIX套接字、UNIX命名管道、FIFO、UNIX字符设备或UNIX块设备。例如，在UNIX中，先前用于传输全部消息的物理网络接口用多个虚拟网络接口而被容易地加强，该多个虚拟网络接口表示例如不同优先级的消息。 [0018] 在另一特定有利的实施例中，从消息到至少一个用于时间敏感通信的功能的、基于消息内容的映射，是基于使能器组件中的预定规则集合的。该规则集合中的每个规则至少包含涉及消息内容的条件，并且将满足这该件与用于时间敏感通信的具体功能相关联，该具体功能应在以太网网络上传送消息时被使用。因此，对于至少一个规则，检查由该规则要求的条件是否被满足，并且如果条件被满足，由该条件指定的用于时间敏感通信的功能会被选择为要使用的功能。 [0019] 这些规则相当特定于具体的终端设备和可以来自于这些终端设备的消息的类型。因此在终端设备上管理他们是有利的，而不是在以太网网络的网络设备上。 [0020] 例如，由至少一个规则要求的至少一个条件可以具体地包括终端设备凭借该消息指示其检测到的异常。具体地，终端设备可以以该方式指示其处于异常状态。例如，虽然加热元件被连接到电源，如果加热元件不能利用电源完成电路，其可以指示加热元件损坏了并且没有导电路径通过它。 [0021] 终端设备也可以指示由工业设施实施的工业过程上的由终端设备执行的物理动作已经故障。例如，在阀门已经被命令打开或关闭并且已经致动其驱动机构去相应地移动阀门构件，其可以被近距离传感器检查阀门构件是否已经实际到达预期位置或是否被卡住。 [0022] 备选的或组合地，由至少一个规则要求的至少一个条件可以包括消息中包括的物理量的测量值落在至少一个规则中设置的预定阈值之上或之下。 [0023] 这背后的原理是工业设施中存在很多传感器以用于检测异常条件。只要没有异常，就不迫切需要遵循，例如，温度值在30摄氏度和32摄氏度之间上下波动。在通常的工业设施中，存在大量如此非紧急的、正常的测量值。但是当测量值突然偏离正常状态时则指示出现问题，需要立即采取动作。例如，如果所述温度突然发生突破30摄氏度到32摄氏度范围并且迅速升高到40摄氏度，这可以指示冷却风扇已经停止工作，并且为了避免过热需要立即关闭设备。 [0024] 在另一示例中，大部分时间阀门电机在启动阀门时消耗的具体电流数值是不重要的。但是如果电流低于某个阈值，则可以指示电机和阀门构件之间的机械连接被损坏，使得电机不再对阀门构件起作用。如果电流高于某个阈值，则可以指示阀门构件的运动被异常高的阻力阻碍，从而阀门构件可能接近被全部卡住。 [0025] 在另一特定有利的实施例中，该方法还包括将使能器组件的系统时间与以太网网络进行同步。如果这样的同步已经由使能器组件实现，则一个或多个以太网帧可以从使能器组件被传输到以太网网络，从而更有效率地传输到网络设备。例如，在使能器组件一侧的确切时间的概念允许使能器组件根据由使能器组件从至少一个网络设备接收到的调度来传输一个或多个以太网帧。如果终端设备能够产生具有特定QoS映射且以预先安排的时间被传输的业务，这可以保证在任何两个终端设备之间的数据传送中的微秒粒度精度。终端设备可以被认为具有“完全TSN支持”。 [0026] 有三种主要类型的工业终端设备，使它们感知用于时间敏感通信的扩展功能对于他们特别有利的。 [0027] 如上文讨论的，终端设备可以具体地包括传感器，该传感器被配置为测量至少一个物理特性。该物理特性与由工业设施执行的工业过程有关，因为它是过程本身的状态变量，或者因为它指示了执行工业过程的装备的工作状态。 [0028] 如上文讨论的，终端设备可以包括致动器，该致动器被配置为执行工业过程上的物理动作。 [0029] 终端设备还可以包括控制器，该控制器被配置为驱动一个或多个致动器并且接收来自至少一个传感器的测量值，以使由测量值指示的至少一个量向预定设定点值移动或保持在预定设定点值处。例如，控制器可以致动反应容器的流入和流出阀门，以将容器内的压力和温度保持在设定点值处。尽管在正常操作情况下，由控制器发送到一个或多个致动器的消息可以是紧急的。例如，控制器可以改变容器中的温度和压力的最大转换速率可以取决于控制器可以有多快打开或关闭特定阀门。 [0030] 如前文讨论的，关于用于时间敏感通信的扩展功能的消息的最终处理，是由一方面的使能器组件和另一方面的网络设备之间的协作来确定的。因此，需要这些两个实体之间的一些协调。可以预先配置使能器组件，以便在安装时与特定的网络设备协作。但是如果在运行时能够改变使能器组件的配置则是非常有利的。例如，可能需要调整阈值，超出阈值数值的测量值会导致消息获得更高优先级。此外，在以太网网络中实现用于时间敏感通信的新功能可以促使相应的使能器组件的增强，使得新功能会在更好程度上被利用。 [0031] 因此，在特定有利的实施例中，使能器组件接收来自至少一个服务器的配置。该配置信息指示以下至少一项或多项： [0032] ·如何将消息映射到至少一个用于时间敏感通信的功能，该功能当通过以太网网络传送消息时被使用(例如，是阈值的适应可能驻留之处)；以及 [0033] ·在所述一个或多个以太网帧中的至少一个以太网帧中，如何根据至少一个用于时间敏感通信的功能对传送消息的请求进行编码(例如，是利用新功能可能驻留之处)。 [0034] 从服务器到使能器组件的配置信息的传送可以以任何适当的方式被组织。 [0035] 例如，使能器组件可以发送配置拉取请求到工业4.0工程工具中的使能器服务器，并且接收拉取回复中的配置。当需要获取出现在使能器组件侧的新配置时特别有用，诸如当具有使能器组件的终端设备被调试时。 [0036] 备选地或组合地，使能器服务器可以在推送请求中发送配置给使能器组件，并且使能器组件可以通过配置推送回复来确认配置的更新。当需要更新集中式管理侧出现的配置时特别有用，例如当操作方认为必要时。 [0037] 具体地，使能器组件可以统一用于所有高级协议的TSN调用。其具有以下好处： [0038] 1.TSN配置流与应用配置流解耦。独立于应用，终端设备的无缝TSN配置被启用。 [0039] 2.为系统构建方提供统一的TSN配置入口点。系统数据流配置以独立于应用的方式被启用。 [0040] 3.TSN配置项目从高级应用中被抽象出来，使得应用将不需要应用编程接口(API)以调用TSN本身的特征。 [0041] 4.TSN API从嵌入式操作系统中被抽象出来。以该方式，高级应用将不需要与(通常是专有的)嵌入式系统接口进行通信。 [0043] 1.从例如工程工具、CUC或CNC接收用于终端设备的TSN配置项目； [0044] 2.如果有需要，经由CUC/CNC将配置项目与设施范围的TSN配置进行交叉验证； [0045] 3.发送配置项目到终端设备；以及 [0046] 4.触发它们的部署。 [0047] 应该注意，使能器服务器既不是网络调度器，也不是纯配置验证器，也不是网络调度器。相反，是用于在终端设备上部署TSN配置的插件模块。 [0048] 使能器组件可以具体地接收来自使能器服务器的配置项目并且用它们启用终端设备上的TSN，例如，通过： [0049] 1.调用操作系统的传统网络接口；或者包装所提供的接口(在专有格式的情况下)以表示传统接口； [0050] 2.配置IEEE 802.1AS时钟；并且 [0051] 3.配置用于时间触发通信的调度器。 [0052] 该方法可以被全部地或部分地由计算机实现。在该方面，终端设备的硬件平台以及网络设备，从广义上讲也被视为“计算机”，因为这些设备有能力执行至少其固件中的计算机程序代码。因此，本发明还提供了一个或多个具有指令的计算机程序，当其由一个或多个计算机执行时，使得一个或多个计算机执行上述方法。 [0053] 该计算机程序可以放在非暂态计算机存储器介质上出售或者作为购买后可以通过网络传输的下载产品。因此，本发明还涉及具有计算机程序的非暂态计算机存储介质或者下载产品。本发明还涉及具有一个或多个计算机程序、和/或具有非暂态存储介质或者下载产品的一个或多个计算机。附图说明 [0054] 在下文中，使用附图来图示本发明，而没有任何意图限制本发明的范围。附图示出了： [0055] 图1：方法100的示例性实施例； [0056] 图2：具有包括使能器组件11的终端设备1的示例性工业设施； [0057] 图3：具有多个控制应用12a‑12c和对应的使能器组件11中的虚拟接口13a‑13c的示例性终端设备1。 [0058] 图1是方法100的示例性实施例的示意流程图。在步骤105，可以给使能器模块11提供配置信息7，该配置信息7来自工业设施2中的以太网网络3上某处的服务器32(没有在图1中示出)。 [0059] 在步骤110，使能器组件11获得来自控制应用12的消息4。可选地，根据框111，这可以包括提供多个虚拟接口13a‑13c给控制应用12。 [0060] 在步骤120，消息4被映射到至少用于时间敏感通信的功能3*，该功能在通过以太网网络3传送消息4时被使用。在方格120中，示出了可以执行该映射的两个示例性方式。 [0061] 根据框121，该映射可以根据已接收到消息4的虚拟接口13a‑13c而被执行。 [0062] 根据框122，可以确定消息4是否与使能器模块11中的规则集合6中的规则6的条件6a相匹配。如果是该情况(真值1)，根据框123，规则6中指定的功能3*可以被选为要使用的功能3*。 [0063] 在步骤130，消息4被转换为一个或多个以太网帧5。在步骤140，使能器组件根据用于时间敏感通信的功能3*在以太网帧5中的一个或多个以太网帧中的对以传送消息4的请求3**进行编码。为了该目的，以太网帧5可以被修改和/或加强。 [0064] 在步骤150以太网帧5被传输到以太网网络3上。可选地，根据框151，使能器组件11的系统时间可以与以太网网络3进行同步，使得以太网帧5可以根据从网络设备31接收的预定调度而被传输。 [0065] 网络设备31是以太网网络3上的第一实体，该第一实体对以太网帧5进行处理。在步骤160中，请求3**被解码，从而网络设备31得知在进一步转发消息到以太网网络3上时，哪个用于时间敏感通信的功能3*应该被使用。该转发在步骤170中被执行。 [0066] 图2示出工业设施2中的示例性终端设备1，该终端设备1由以太网网络3覆盖。简单起见，以太网网络3以总线拓扑结构绘制；在实际中，以太网网络3是交换网络。 [0067] 终端设备1包括控制应用12，该控制应用12无法感知以太网网络3中的用于时间敏感通信的任何功能3*。控制应用12发送信号4给使能器组件11，该信号4用于以太网网络3上的目的地。如连接图1所讨论的，使能器组件11产生对时间敏感通信的用户特定功能3*的请求3**。请求3**由网络设备31解码，并且使用功能3*将已经被传递给以太网帧5中的网络设备31的消息4传递到以太网网络5上的其他目的地。 [0068] 图3更加详细地示出了示例性终端设备1。终端设备1包括硬件平台10。在该平台10之上，运行着操作系统内核15。在内核15之上，运行着控制应用12和使能器组件11。硬件平台10的硬件时钟14还为使能器组件供应了当前系统时间t的概念。 [0069] 在图3示出的示例中，控制应用12有三个不同的模块12a‑12c。对于每个这样的模块12a‑12c，使能器组件11提供了分离的对应虚拟接口13a‑13c。对使用用于时间敏感通信的功能3*的请求3**涉及到不同的功能3*，取决于虚拟接口13a‑13c中的哪个接收到消息4。即，消息4可以取决于其在控制应用12中的来源而被确定为更高或者更低优先级。 [0070] 此外，在使能器模块11内，定义了用于处理消息4的规则6。每个这样的规则定义了至少一个条件6a和对应的用于时间敏感通信的功能3*。如果条件6a被满足，功能3*应该在请求3*中被请求。 [0071] 附图标记列表 [0072] 1 终端设备1 [0073] 10 终端设备1的硬件平台 [0074] 11 终端设备1的使能器组件 [0075] 12 终端设备1的控制应用 [0076] 12a‑12c 控制应用12的模块 [0077] 13a‑13c 虚拟接口，由使能器组件11提供 [0078] 14 硬件平台1的实时时钟 [0079] 15 终端设备1的操作系统内核 [0080] 2 工业设施 [0081] 3 工业设施2中的以太网网络 [0082] 3* 在网络3中的用于时间敏感通信的功能 [0083] 3** 对使用功能3*的请求 [0084] 31 以太网网络3的网络设备 [0085] 32 在以太网网络3中的配置服务器 [0086] 4 消息 [0087] 5 以太网帧 [0088] 6 在使能器模块11中的规则 [0089] 6a 规则6中的条件 [0090] 7 针对使能器模块11的配置信息 [0091] 100 方法 [0092] 105 获取来自服务器32配置信息7 [0093] 110 获取来自控制应用12消息 [0094] 111 提供虚拟接口13a‑13c到控制应用12 [0095] 120 将消息4映射到待使用功能3* [0096] 121 基于所使用的虚拟接口13a‑13c来执行映射 [0097] 122 确定规则6的条件6a是否满足 [0098] 123 根据匹配的规则6确定功能3* [0099] 130 将消息4转换为以太网帧5 [0100] 140 将针对功能3*的请求3**编码到以太网帧5中 [0101] 150 将以太网帧5传输到以太网3 [0102] 151 同步使能器模块11的系统时间 [0103] 152 根据调度传输以太网帧5 |
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