经由用于传输时间关键数据的通信网络提供控制应用的方法和协调装置

摘要

在将控制应用的流程控制部件迁移相应的选择的服务器装置上之前，协调装置检查对于相应的控制应用是否先前设置了用于传输应用数据的数据流。如果没有设置数据流，协调装置允许相应的流程控制部件的迁移。在事先设置了数据流的情况下，检查对于通向选择的服务器装置的路径在遵守事先规定的服务质量参数的情况下是否有足够的资源能用于数据传输。如果没有足够的资源可用，则不允许相应的流程控制部件的迁移。在有足够的资源时，协调装置促使设置通向选择的服务器装置的数据流以及清除事先设置的数据流，并且允许相应的流程控制部件迁移到选择的服务器装置。

说明书

技术领域

本发明涉及经由用于传输时间关键数据的通信网络提供控制应用的方法和协调装置

背景技术

工业自动化系统通常包括多个经由工业化通信网络相互联网的自动化设备并且在制造或过程自动化的范畴中用于控制或调节设施、机器或设备。由于工业自动化系统中的时间关键的概念条件，对于自动化设备之间的通信大多应用实时通信协议、如PROFINET、过程现场总线(PROFIBUS)、实时以太网或时间敏感网络(TSN)。

工业自动化系统或自动化设备的计算单元之间的通信连接的中断能够导致不期望或不需要地重复传输服务请求。此外，不传输或不完整传输的消息例如能够阻止将工业自动化系统转换到或保持在安全的运行状态中。这最后能够导致整个生产设施的故障和高成本的生产停机。在工业自动化系统中，特别严重的问题由具有比较大量但是相对较短的消息的信息交换造成，由此加剧上述问题。

由于使用的应用通常极为不同，在基于以太网的通信网络中，例如，如果用于传输具有实时要求的数据流或者数据帧的网络资源要与用于传输具有大量有效数据内容而没有专门的服务质量要求的数据帧的网络资源竞争，则能够产生问题。这能够导致具有实时要求的数据流或数据帧没有根据要求的或者需要的服务质量进行传输。

从EP 2 324 601 B1中已知用于在通信网络中传输数据包的方法，其中，具有低优先级的第一数据包在通信网络的发送者与接收者之间传输。具有高优先级的第二数据包相对于第一数据包优先地在发送者与接收者之间传输。在由发送者传输到接收者的第二数据包中检查目前是否传输第一数据包。如果目前是否传输第一数据包的检查是肯定的，就取消或中断第一数据包的传输，并且紧接着传输第二数据包。在传输第二数据包之后重复传输未传输的第一数据包或者继续发送未完整传输的第一数据包的剩余部分。每个第一数据包都与发送过程并行地在临时存储器中存储，并且在第一数据包完整传输到接收者后才从临时存储器中删除。

在EP 2 538 619 B1中描述了以太网自动化网络中具有多个数据帧的数据包的传输，其中，在接收具有第一优先级的第一数据包之后，通过发送者开始第一数据包从发送者到接收者的发送过程。在接收待传输到接收者的具有高于第一优先级的第二优先级的第二数据包时，在第一数据包的数据帧的一个之中取消第一数据包的发送过程，该数据帧在接收第二数据包的时间点处于发送过程。随后，将第二数据包从发送者传输到接收者。

在先的国际专利申请PCT/EP2017/066175中描述了用于数据传输的方法，其能够实现保护的通信和较小的网络配置花费的组合。在此，在预约用于从发送者到接收者的数据流(流)的传输的资源时预约至少两个至少部分冗余的路径。通过扩展预约协议，在资源预约期间实现与冗余的路径部段相关联的网络节点处的重复过滤器的自动配置。

根据在先的具有申请文件号18191982.0的欧洲专利申请，为了模拟用于通信网络中的多播数据流的预约请求的处理，而将待在其行为方面进行模拟的通信设备分别在功能上划分为被称为控制层的通信控制层以及被称为数据层的数据链路层。对于通信设备的与控制层相关联的功能分别提供模拟系统部件，模拟系统部件通过能在流程控制环境中实施的软件容器形成。网络基础设备在数据层通过借助于网络基础设备分别提供的资源被模型化。与通信设备相关联的软件容器根据预设的拓扑结构选择性地在流程控制环境中实施并且在那里相互耦联。

从在先的具有申请文件号18210079.2的欧洲专利申请中已知用于数据包到数据宿(data sink)的传输方法，其中，在第一步骤中从数据源经由数据源的第一无线接口发送用于设置第一流的请求。第一请求由第一接收者接收并且经由第一节点转发给数据宿。基于第一请求为第一流设置第一路径，第一流从数据源经由第一接收者和第一节点被引导至数据宿，并且第一流与第一流标识相关联。为了传输数据包而为第一接收者和第一节点预约资源。

在从申请文件号为18210079.2的在先欧洲专利申请中已知的传输方法的第二步骤中，从数据源至少发送数据包的一部分到第一接收者，并且从第一接收者经由第一节点传递给数据宿。由数据源发送给第一接收者的数据包包括第一流标识。在实施第二步骤的期间实施的第三步骤中，从数据源经由数据源的第二无线接口发送用于设置第二流的第二请求。第二请求由第二接收者接收并且经由第二节点传递给数据宿。基于第二请求为第二流设置第二路径，第二流由数据源经由第二接收者和第二节点引导至数据宿，并且第二流与第二流标识相关联。在此，第二流标识与第一流标识是相同的。由第二接收者和第二节点为了传输数据包而预约资源。在实施第二步骤的期间实施的第四步骤中，从数据源发送数据包的至少一部分到第二接收者并且从第二接收者经由第二节点传递给数据宿。

控制应用、特别是工业或自动化应用越来越多地借助于虚拟解决方案来提供，并且优选在封装的虚拟机中运行。虚拟机原则上能独立于物理的硬件运行。特别地，虚拟机能够首先在选择的虚拟机监视器主机上开始并且在其运行期间在迁移到其它的虚拟机监视器主机上的范畴中在计算机簇中移动。这样的迁移例如能够通过负载平衡(负载平衡(LoadBalancing))在计算机簇之中激发。

在虚拟机的到其它的虚拟机监视器主机上的迁移中，常常随着网络拓扑变化。在此基础上，能够通过迁移产生对于虚拟的控制应用关于连通性或服务质量的负面影响，尤其当为数据流提供路径颗粒度服务质量保证或者预约网络资源时。相应的问题原则上能够通过不提供控制应用借助于虚拟解决方案、通过从负载平衡排除虚拟的控制应用或者通过手动启动迁移来解决。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种用于经由用于传输时间关键数据的通信网络提供控制应用的方法，该方法不仅能够实现有效地利用可用的系统资源、而且可靠地保持存在的通信关系，并且给出用于实施该方法的合适的装置。

根据本发明，该目的通过具有本发明的特征的方法和通过具有本发明的特征的协调装置实现。有利的改进方案在各个实施例中给出。

依照根据本发明的用于经由用于传输时间关键数据的通信网络提供控制应用的方法，为了在终端设备处使用，通过服务器装置经由通信网络提供控制应用。分别借助于流程控制部件提供控制应用，流程控制部件能在借助于服务器装置形成的流程控制环境中加载并且能在那里实施。在此，流程控制部件能分别迁移到其它的服务器装置上用于在那里实施。

此外，选择的数据报与数据流相关联并且在服务器装置与终端设备之间经由通信网络的至少包括服务器装置和终端设备的路径传输。服务器装置或终端设备为了预约通过转发通信设备沿着用于传输数据流的路径提供的资源规定用于数据流的服务质量参数。转发通信设备或上级的通信控制装置在预约请求中分别检查在遵守规定的服务质量参数的情况下在相应的转发通信设备中是否提供足够的资源用于数据传输。在有足够的资源时，沿着路径分别配置转发通信设备用于为数据流提供资源。通过转发通信设备提供的资源例如包括交换机或桥中的能使用的传输时间窗口、带宽、保证的最大延迟、队列数量、队列缓存和/或地址缓存。

根据本发明，协调装置在控制应用的流程控制部件分别迁移到选择的服务器装置之前检查对于相应的控制应用是否先前设置用于传输应用数据的数据流。如果没有设置数据流，协调装置允许相应的流程控制部件的迁移。相反地，在先前设置了数据流的情况下，协调装置检查对于通向选择的服务器装置的路径在遵守事先规定的服务质量参数的情况下是否有足够的资源可用。如果没有足够的资源可用，协调装置不允许相应的流程控制部件的迁移。在有足够的资源时，协调装置促使设置通向选择的服务器装置的数据流以及清除先前设置的数据流，并且允许将相应的流程控制部件迁移到选择的服务器装置。

利用根据本发明的方法能够确保，当控制应用迁移到其它的或新的虚拟机监视器主机上时，也能够在那里提供需要的或迄今为止预约的网络资源。以该方式能够避免在迁移之后出现不期望的连通性损失。特别地，能够因此也为控制应用使用负载平衡，以便最佳地利用和提供主机硬件。

优选地，转发通信设备经由时间敏感的网络、尤其根据IEEE 802.1Q、IEEE802.1AB、IEEE 802.1AS、IEEE 802.1BA和/或IEEE 802.1CB相互连接。选择的数据报的转发例如能够借助于帧抢占、尤其根据IEEE 802.1Qbu，借助于时间感知整形器、尤其根据IEEE802.1Qbv、借助于基于信用的整形器、尤其根据IEEE 802.1Qav、借助于突发限制整形器、蠕动整形器或基于优先的整形器控制。有利地，根据预约请求分别双向地设置数据流，其中，终端设备是通信或自动化设备。总体上利用上述设计方案也能够支持具有实时请求的控制应用。

基于本发明的一个优选的设计方案，服务器装置或终端设备为预约请求分别规定数据流标识。在此，在有足够的资源时分别将与规定的数据流标识相关联的多播地址传输给相应的服务器装置或相应的终端设备。服务器装置或终端设备能够例如分别借助于发言者通知消息规定用于数据流的服务质量参数。以相应的方式，服务器装置或终端设备能够分别借助于收听者就绪消息规定数据流标识。服务器装置能够分别分配有发言者功能或收听者功能。优选地，根据IEEE 802.1Qcc处理预约请求。以该方式能够保障本发明的可靠和高性能的实现。

根据本发明的一个有利的设计方案，借助于根据IEEE 802.1aq的最短路径桥接得出用于数据流的路径。此外，转发通信设备能够为了路经得出例如相互交换拓扑信息、尤其根据IS-IS协议(中间系统到中间系统(Intermediate System to IntermediateSystem))。

优选地，分别借助于在服务器装置上安装的虚拟机监视器形成流程控制环境。特别地，控制应用的流程控制部件的迁移分别通过负载平衡装置启动。此外，用于数据流的路径也能够包括虚拟交换机。因此，能够通过本发明原则上覆盖任意的虚拟化和迁移场景。

在迁移的范畴中，协调装置在有足够的资源时能够自己清除先前设置的数据流以及设置通向选择的服务器装置的数据流。对此，替代地，在迁移的范畴中，在有足够的资源时协调装置能够相应地通知相应的控制应用。在该情况下，相应的控制应用设置通向选择的服务器装置的数据流以及清除先前设置的数据流。

根据本发明的协调装置旨在用于执行根据前述实施例的方法，并且设计和设置用于，在控制应用的流程控制部件迁移到相应的选择的服务器装置之前检查对于相应的控制应用是否先前设置了用于传输应用数据的数据流。此外，协调装置设计和设置用于，如果没有设置数据流，协调装置允许相应的流程控制部件的迁移，并且在先前设置了数据流的情况下，检查对于通向选择的服务器装置的路径在遵守事先规定的服务质量参数的情况下是否有足够的资源可用于数据传输。

根据本发明，协调装置设计和设置用于，如果没有足够的资源可用，就不允许相应的流程控制部件的迁移，并且在有足够的资源时，设置数据流到选择的服务器装置以及清除先前设置的数据流，并且允许相应的流程控制部件迁移到选择的服务器装置。

附图说明

下面，借助于根据附图的实施例更详细地解释本发明。在此示出

图1是包括多个通信和自动化设备的具有虚拟的控制应用的工业自动化系统，

图2是用于经由用于传输时间关键数据的通信网络提供虚拟的控制应用的流程图。

具体实施方式

图1示出的工业自动化系统包括用于传输时间关键数据的通信网络，该数据通信网络具有多个桥或交换机100作为传递数据报的通信设备。桥或交换机100分别包括多个端口110以及背板交换机作为耦合元件并且尤其用于连接可编程逻辑控制器201、操作和监视站202、I/O控制器203或I/O模块204-205，他们同样代表通信设备或通信终端。在当前的实施例中，通信网络设计作为时间敏感的网络、尤其根据IEEE 802.1Q、IEEE 802.1AB、IEEE802.1AS、IEEE 802.1BA和/或IEEE 802.1CB。数据帧(帧)在通信网络中的转发能够有利地借助于帧抢占、尤其根据IEEE 802.1Qbu、时间感知整形器、尤其根据IEEE 802.1Qbv、基于信用的整形器、尤其根据IEEE 802.1Qav、突发限制整形器、蠕动整形器和/或基于优先的整形器来控制。此外，优选地，为发送或转发通信设备100、201-205的每个端口110设置多个发送等待队列(队列)。

可编程逻辑控制器201通常分别包括通信模块、中央单元以及至少一个输入/输出单元。输入/输出单元原则上也能够设计为分布式的外围模块，外围模块远离可编程逻辑控制器布置。经由通信模块能够将可编程逻辑控制器201与交换机或路由器或附加地与现场总线连接。输入/输出单元用于可编程逻辑控制器201与通过可编程逻辑控制器201控制的机器或装置210之间的控制和测量变量的交换。特别地，中央单元设置用于从检测的测量变量中得出合适的控制变量。可编程逻辑控制器201的上述部件例如经由背板总线系统相互连接。

I/O模块204-205也设置用于与连接的机器或装置240、250交换控制和测量变量。为了控制I/O模块例对如每个自动化单元地设置相关联的I/O控制器203。I/O模块204-205原则上也能够通过远程的可编程逻辑控制器201驱控。

操作和监视站202用于过程数据或测量和控制变量的可视化，他们通过可编程逻辑控制器201、输入/输出单元或传感器处理或检测。特别地，操作和监视站202用于显示调节回路的值和改变调节参数。操作和监视站202包括至少一个图形用户界面、输入设备、处理器单元和通信模块。

此外，图1示出的工业自动化系统包括多个分别具有多个服务器410-411、420-421的服务器簇401、402，其用作为虚拟机412-413、416-417、422-423、426-427和虚拟交换机414-415、418-419、424-425、428-429的主机。特别地，通过服务器410-411、420-421借助于虚拟机412-413、416-417、422-423、426-427经由通信网络提供虚拟的控制应用，以供终端设备使用。终端设备能够例如是通信或自动化设备201-205。优选地，利用控制应用为通信或自动化设备201-205提供监视、控制或分析功能。

分别借助于流程控制部件提供控制应用，流程控制部件能在借助于虚拟机412-413、416-417、422-423、426-427形成的流程控制环境中加载并且能在那里实施。优选地，流程控制环境分别借助于在服务器410-411、420-421上安装的虚拟机监视器形成。因此，流程控制部件能够分别迁移到用于在那里实施的其它的服务器上。控制应用的流程控制部件的迁移例如能够通过负载平衡装置403启动，负载平衡装置能够作为单独的单元实现、或者集成到服务器簇401、402中。

在传输时间关键的、与虚拟的控制应用相关联的数据的范畴中，选择的数据帧(Frames)300与数据流相关联，并且在虚拟机412-413、416-417、422-423、426-427与通信或自动化设备201-205之间经由通信网络的至少包括虚拟机412-413、416-417、422-423、426-427和通信或自动化设备201-205的路径传输。该路径能够借助于根据IEEE 802.1aq的最短路径桥接得出，并且尤其包括虚拟交换机414-415、418-419、424-425、428-429。优选地，桥或交换机100为了得出路径根据IS-IS协议(中间系统到中间系统)相互交换拓扑信息。

为了预约通过桥或交换机100沿着用于传输数据流的路径提供的资源，虚拟机412-413、416-417、422-423、426-427或通信或自动化设备201-205规定用于数据流的服务质量参数。根据分布式的流预约模块，桥或交换机100分别检查在相应的转发通信设备中在遵守规定的服务质量参数的情况下是否提供足够的资源用于数据传输。对此，替代地，能够根据分布式的流预约模块通过上级的通信控制装置实现足够的资源的可用性的检查。

在沿着路径具有足够的资源时，不仅根据分布式的流预约模块、还根据中央的流预约模块，桥或交换机100分别配置用于为数据流提供资源。特别地，通过桥或交换机100提供的资源包括桥或交换机中的能使用的传输时间窗口、带宽、保证的最大延迟、队列数量、队列缓存或地址缓存。优选地，根据预约请求分别双向地设置数据流。

在当前的实施例中，负载平衡装置403为了启动控制应用从迄今为止使用的服务器411到选择的其它的服务器420上的迁移而根据图2示出的流程图的步骤501将请求430传输给协调装置404。该协调装置404能够要么作为单独的单元实现、要么集成到服务器簇401、402中。在接收到请求430之后，协调装置404根据步骤502在将控制应用的流程控制部件迁移到选择的服务器420上之前检查对于相应的控制应用是否事先设置用于传输应用数据的数据流。

如果没有设置数据流，协调装置404就根据步骤506允许相应的流程控制部件的迁移，并且将具有允许的反馈440传输给负载平衡装置403。随后，负载平衡装置403将控制应用的流程控制部件迁移到选择的服务器420上(步骤507)。

在先前设置了数据流的情况下，协调装置404根据步骤503检查对于通向选择的服务器装置420的路径在遵守规定的服务质量参数的情况下是否有足够的资源可用。如果没有足够的资源可用，协调装置404不允许相应的流程控制部件的迁移(步骤505)，并且传输具有拒绝迁移的反馈440给负载平衡装置403。相反地，在有足够的资源时，协调装置根据步骤504促使设置通向选择的服务器420的数据流并且清除先前设置的数据流。

在迁移的范畴中，在有足够的资源时，协调装置404能够原则上自己促使设置通向选择的服务器420的数据流并且清除先前设置的数据流。对此，替代地，在迁移的范畴中，在有足够的资源时，协调装置能够相应地通知相应的控制应用，以便相应的控制应用设置通向选择的服务器420的数据流并且清除先前设置的数据流。在成功设置通向选择的服务器420的数据流之后，协调装置404根据步骤506允许相应的流程控制部件的迁移，并且将具有允许的反馈440传输给负载平衡装置403。随后，负载平衡装置403将控制应用的流程控制部件迁移到选择的服务器420上(步骤507)。

在当前实施例中，根据IEEE 802.1Qcc处理预约请求。在此，虚拟机412-413、416-417、422-423、426-427能够分别分配有发言者功能和/或收听者功能。特别地，虚拟机412-413、416-417、422-423、426-427或通信或自动化设备201-205为预约请求分别规定数据流标识。在有足够的资源时，分别将与规定的数据流标识相关联的多播地址传输给相应的虚拟机412-413、416-417、422-423、426-427或通信或自动化设备201-205。优选地，虚拟机412-413、416-417、422-423、426-427或通信或自动化设备201-205分别借助于发言者通知消息规定用于数据流的服务质量参数。以相应的方式分别借助于收听者就绪消息规定数据流标识。