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CN103827760A - 用于通过网关设备来传输过程映像的方法 - Google Patents

用于通过网关设备来传输过程映像的方法 Download PDF

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CN103827760A CN201280033423.2A CN201280033423A CN103827760A CN 103827760 A CN103827760 A CN 103827760A CN 201280033423 A CN201280033423 A CN 201280033423A CN 103827760 A CN103827760 A CN 103827760A
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Abstract

本发明涉及一种用于通过网关设备(20)来传输控制系统或自动化系统的过程映像的方法，所述网关设备包括至少一个第一功能单元(21)和至少一个第二功能单元(22)，高级的控制单元通过基于初级现场总线协议的第一通信链路(1)连接到所述至少一个第一功能单元上，至少一个现场设备(30)通过基于次级现场总线协议的第二通信链路(2)连接到所述至少一个第二功能单元上。将由所述现场设备(30)提供的、作为过程数据对象(PDO1)、(PDO2)的过程变量基于次级现场总线协议(2)作为报文传输到所述网关设备(20)的作为主设备任务工作的第二功能单元(22)中。给作为数字信号存在的过程数据对象(PDO1)、(PDO2)分配相应的寄存器(Bool1)、(Bool2)、(Bool3)，所述寄存器以二进制格式存在。给作为模拟信号存在的过程数据对象(PDO1)、(PDO2)分配以整数格式(INT16)的相应地址。将保存在所述相应的寄存器中的二进制信号(Bool1)、(Bool2)、(Bool3)和以整数格式(INT16)存在的模拟信号如此传输到作为网关任务工作的第一功能单元(21)中，使得二进制信号的数目减少，其方式是，所述二进制信号被封装成各8个比特的数据块，所述数据块现在分别构成字节并且翻译成可由所述初级现场总线协议(1)处理的相应报文，所述报文与以整数格式(INT16)存在的模拟信号一起、基于所述初级现场总线协议(1)传输到所述高级的控制单元。

Description

用于通过网关设备来传输过程映像的方法
技术领域
本发明涉及一种用于通过网关设备来传输过程映像的方法以及一种用于执行所述方法的系统，所述网关设备在此提供在不同协议的现场总线之间的通信能力。
背景技术
用于控制技术过程或技术设备的自动化系统或控制系统通常包括中央单元或高级的单元，例如可编程控制器（SPS）或过程控制系统（PLS）。中央控制单元通过通信接口模块-也称为网关设备-与自动化系统的现场设备通信。网关设备在此提供不同协议的现场总线之间的通信能力。为了对不同协议进行处理的现场总线系统的通信，网关设备例如通过PROFINET协议与中央控制单元进行通信，并通过现场总线协议（例如CAN或CANopen）与连接到所述网关设备上的输入/输出设备和/或现场设备进行通信。
为了检测和/或影响过程变量—所述过程变量例如是由传感器所提供的当前测量值，使用不同的现场设备。根据现有技术，所检测的作为所谓的过程数据对象的当前测量值从现场层面通过现场总线协议以低的传输速率-例如1.2k位/秒-传输到所述网关设备，并从网关设备通过高速以太网总线转发到高级的控制单元。这些过程数据对象用于传输实时数据。
通常由控制单元来实现过程控制，在那里评估不同现场设备的测量值并且基于所述评估来为连接到自动化系统上的致动器产生控制信号。除了纯测量值传输之外，现场设备也可以向高级的控制单元传输附加信息，例如诊断信息和状态信息。现场设备的参数化和配置同样通过控制系统或自动化系统的总线系统或者网络来实现。现场设备和控制单元之间的信号传输在此可以以模拟的形式或数字的形式作为二进制码（布尔值）或整数的值（整数值）来实现。
根据现有技术，在网关设备中，设备的过程映像—所述过程映像已经作为过程数据对象通过次级现场总线协议以低传输速率传输到网关设备中—在网关设备中映射为以二进制格式的次级网络变量，并转换为以字节格式存在的初级网络变量，所述初级网络变量然后可通过初级高速以太网总线协议传输到高级的控制单元。
然而，因为对于每一个比特必须设置7比特开销，所以所述方法需要大的带宽并且使数据业务的负担落在初级高速以太网总线上，其中，开销数据要理解为并非主要属于有用数据、但需要作为附加信息来用于传送或存储的数据。
CANopen通信协议例如可以只传输1028个二进制信号，其等于约130字节（=128.5字节），CANopen通信协议将连接到PROFINET总线上的设备的过程数据大小的上限限于1028字节。因此，可传输的信息的数目受到可通过初级网络协议传输的有限的报文大小限制。
发明内容
因此，本发明所基于的任务是，说明一种用于通过网关设备来传输过程映像的新颖方法，由此改善不同协议的现场总线之间的通信能力，并且尤其在通过网关设备与高级的单元连接的、基于初级现场总线协议的第一初级通信链路和基于次级现场总线协议的第二通信链路之间可传输的信息的数目随连接到所述第二通信链路上的现场设备升高。
根据本发明，所述任务通过具有在权利要求1中说明的特征的方法来解决。根据本发明的方法的有利的扩展方案和改进以及用于执行所述方法的系统在其他权利要求和说明书中说明。
此外，本发明涉及一种用于通过网关设备来传输控制系统或自动化系统的过程映像的方法，网关设备包括至少一个第一功能单元和至少一个第二功能单元，所述至少一个第一功能单元通过基于初级现场总线协议的第一通信链路能够实现到高级的控制单元—例如可编程控制器—上的连接，所述至少一个第二功能单元通过基于次级现场总线协议的第二通信链路能够实现现场设备的连接。
标准化的实时现场总线—例如PROFINET IO—被设置为初级现场总线协议，所述标准化的实时现场总线基于用于自动化技术的全双工快速以太网技术。Profinet IO在此能够实现从分布式外围设备—例如输入/输出设备—到中央控制装置或者控制器的连接，并且支持具有最高达10ms的总线周期时间的应用。
根据本发明的方法和设置用于实施所述方法的网关设备被设置用于过程自动化或机械控制的自动化系统或控制系统中。
根据本发明的用于通过网关设备来传输控制系统或自动化系统的过程映像的方法的出发点是，通过以下方式来增加所传输的二进制信号的数目：更多二进制信号被封装成各8个比特的数据块。
按照根据本发明的方法，由网关设备实施以下方法步骤。
首先，将由现场设备所提供的、作为过程数据对象的过程变量基于次级现场总线协议作为报文传输到网关设备的作为主设备任务（Master Task）工作的第二功能单元中，并且给作为数字信号存在的过程数据对象分配相应的寄存器，所述寄存器以二进制格式存在。这些寄存器构成布置在第二功能单元中的寄存器地址。给由现场设备通过第二通信链路传输的作为模拟信号存在的过程数据对象分配在网关设备的第一功能单元中的以整数格式的相应地址。
随后，将保存在相应的寄存器中的二进制信号和以整数格式存在的模拟信号如此传输到作为网关任务（Gateway Task）工作的第一功能单元中，使得二进制信号的数目减少，其方式是，所述二进制信号被封装成各8个比特的数据块，所述数据块现在分别构成字节并且翻译成相应的可由初级现场总线协议处理的报文，所述报文与以整数格式存在的模拟信号一起基于初级现场总线协议传输到高级的控制单元。
网关设备通过消除所有开销数据、通过将由多个比特所组成的变量封装成字节、即以各8个比特=1个字节的数据块的多个二进制信号而将次级网络的以二进制码存在的变量直接转换为由初级网络所理解的格式。附加地，将由以二进制格式存在的变量构成的至少一个以字节格式存在的初级网络变量推入所谓的安全视图中。
因此，借助根据本发明的方法，由网关设备来执行初级网络和次级网络之间的过程数据映像的经压缩的映射。
在根据本发明的方法的一个优选的扩展方案中，网关设备通过高性能的（高速的）以太网协议，PROFINET协议或PROFIBUS协议与高级的单元进行通信，并通过现场总线协议CAN或CANOPEN与现场设备进行通信。
因此，网关设备负责将来自高级的单元的PROFINNET兼容的所有输入和输出转换成CANopen兼容的格式，并且反之亦然。
因此，也可以相反的顺序实施根据本发明的方法，这接下来描述。
首先，将由高级的单元提供的、作为过程数据对象的过程变量基于初级现场总线协议作为以字节格式的可由初级现场总线协议处理的报文传输到网关设备的作为网关任务工作的第一功能单元中，并且由每一个字节产生8个二进制的信号，并且将其保存在第一功能单元的相应的寄存器地址中。将来自高级的单元的以整数格式存在的信号同样输入寄存器地址中。
随后，将保存在相应的寄存器中的二进制信号和以整数格式存在的模拟信号传输到作为主设备任务工作的第二功能单元中，并且翻译成可由次级现场总线协议处理的相应报文，所述报文与以整数格式存在的模拟信号一起、基于次级现场总线协议传输到相应的现场设备中。
此外，本发明涉及一种系统，所述系统被设置用于实施根据本发明的方法。
根据本发明的、用于通过网关设备来传输控制系统或自动化系统的过程映像的系统包括至少一个第一功能单元和至少一个第二功能单元，高级的控制单元通过基于初级现场总线协议的第一通信链路连接到所述至少一个第一功能单元上，至少一个现场设备通过基于次级现场总线协议的第二通信链路连接到所述至少一个第二功能单元上。因此，网关设备提供不同协议的现场总线之间的通信能力，并且被设置用于传输控制系统或自动化系统的过程映像。
网关设备在高级的层面上相对于高级的单元具有从设备的功能，并且在现场层面上相对于现场设备具有主设备的功能，其中，网关设备接管连接到网关设备上的现场设备的借助被实现为主联接的初级高性能通信链路与高级的控制单元的通信，而且接管连接到次级总线上的现场设备的通过集成在通信接口模块中作为从联接实施的第二通信链路的通信。
借助集成在网关设备中的第二功能单元，网关设备基于次级现场总线协议来接收由现场设备所提供的、作为过程数据对象的过程变量。
在网关设备中的第二功能单元中设置寄存器，给这些寄存器分配作为数字信号存在的过程数据对象，所述过程数据对象以二进制格式存在。
给作为模拟信号存在的过程数据对象分配以整数格式的相应地址。
将保存在相应的寄存器中的二进制信号作为被封装成各8个比特的数据块中的二进制信号保存在作为网关任务工作的第一功能单元中，并且翻译成可由初级现场总线协议处理的相应报文，所述报文可与以整数格式存在的模拟信号一起、基于初级现场总线协议传输到高级的控制单元中。
附图说明
根据在下面的附图中所示的实施例，更详细地解释和描述本发明以及本发明的有利的扩展方案、改进和其他优点。
图1示出用于通过网关设备来传输过程映像的控制系统的示例性的片段。
具体实施方式
在图1中所示的用于实施根据本发明的方法的网关设备20提供不同协议的现场总线1、2之间—例如PROFINET和CAN或者CANopen—之间的通信能力。网关设备20包括第一功能单元21和第二功能单元22，所述第一功能单元通过现场总线协议PROFINET 1与高级的可编程控制器进行通信，所述第二功能单元用于通过现场总线协议CAN或CANopen 2与连接到所述网关设备20上的、CAN兼容地或CANopen兼容地工作的现场设备30通信。
将由现场设备30提供的、作为过程数据对象PDO1、PDO2的过程变量基于现场总线协议CANopen 2作为CAN报文传输到网关设备20的作为主设备任务工作的第二功能单元22中。
给作为数字信号存在的过程数据对象PDO1、PDO2分配相应的寄存器Bool1、Bool2、Bool3，所述寄存器以二进制格式存在。给作为模拟信号存在的过程数据对象PDO1、PDO2分配以整数格式INT16的相应地址。
将保存在相应的寄存器中的二进制信号Bool1、Bool2、Bool3和以整数格式INT16存在的模拟信号如此传输到作为网关任务工作的第一功能单元21中，使得二进制信号的数目减少，其方式是，所述二进制信号被封装成各8个比特的数据块，所述数据块现在分别构成字节并且翻译成可由PROFINET现场总线协议1处理的相应PROFINET报文，所述PROFINET报文与以整数格式INT16存在的模拟信号一起、基于PROFINET 现场总线协议1传输到高级的控制单元中。

Claims (8)

1. 一种用于通过网关设备(20)来传输控制系统或自动化系统的过程映像的方法，所述网关设备包括至少一个第一功能单元(21)和至少一个第二功能单元(22)，高级的控制单元通过基于初级现场总线协议的第一通信链路(1)连接到所述至少一个第一功能单元上，至少一个现场设备(30)通过基于次级现场总线协议的第二通信链路(2)连接到所述至少一个第二功能单元上，其特征在于，
- 将由所述现场设备(30)提供的、作为过程数据对象(PDO1)、(PDO2)的过程变量基于次级现场总线协议(2)作为报文传输到所述网关设备(20)的作为主设备任务工作的第二功能单元(22)中，
- 给作为数字信号存在的过程数据对象(PDO1)、(PDO2)分配相应的寄存器(Bool1)、(Bool2)、(Bool3)，所述寄存器以二进制格式存在，
- 给作为模拟信号存在的过程数据对象(PDO1)、(PDO2)分配以整数格式(INT16)的相应地址，
- 将保存在相应的寄存器中的二进制信号(Bool1)、(Bool2)、(Bool3)和以整数格式(INT16)存在的模拟信号如此传输到作为网关任务工作的第一功能单元(21)中，使得二进制信号的数目减少，其方式是，所述二进制信号被封装成各8个比特的数据块，所述数据块现在分别构成字节并且翻译成可由所述初级现场总线协议(1)处理的相应报文，所述报文与以整数格式(INT16)存在的模拟信号一起、基于初级现场总线协议(1)传输到高级的控制单元。
2. 一种用于通过网关设备(20)来传输控制系统或自动化系统的过程映像的方法，所述网关设备包括至少一个第一功能单元(21)和至少一个第二功能单元(22)，高级的控制单元通过基于初级现场总线协议(1)的第一通信链路(1)连接到所述至少一个第一功能单元上，至少一个现场设备(30)通过基于次级现场总线协议(2)的第二通信链路(2)连接到所述至少一个第二功能单元上，其特征在于，
- 由高级的单元所提供的、作为过程数据对象(PDO1)、(PDO2)的过程变量基于所述初级现场总线协议(1)作为以字节格式的可由所述初级现场总线协议(1)处理的报文传输到所述网关设备(20)的作为网关任务工作的第一功能单元(21)中，
- 由每一个字节产生8个二进制的信号，并且将其保存在所述第一功能单元(21)的相应的寄存器地址中，
- 将来自所述高级的单元的以整数格式(INT16)存在的信号同样输入寄存器地址中，
- 将保存在所述相应的寄存器(Bool1)、(Bool2)、(Bool3)中的二进制信号和以整数格式(INT16)存在的模拟信号传输到作为主设备任务工作的第二功能单元(22)中，并且
- 将其翻译成可由所述次级现场总线协议(2)处理的相应报文，所述报文与所述以整数格式(INT16)存在的模拟信号一起、基于所述次级现场总线协议(2)传输到所述相应的现场设备(30)。
3. 根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述控制系统或自动化系统的过程数据对象(PDO1)、(PDO2)在所述网关设备(20)和所述高级的单元之间通过高性能以太网协议、PROFIBUS协议或PROFINET协议传输。
4. 根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述信号通过所述第二通信链路串行传输。
5. 根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述控制系统或自动化系统的所述过程数据对象(PDO1)、(PDO2)在所述网关设备(20)和与所述网关设备连接的现场设备(30)之间通过现场总线协议CAN或CANOPEN传输。
6. 根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将由所述现场设备(30)提供的、作为过程数据对象(PDO1)、(PDO2)的过程变量基于所述次级现场总线协议(2)作为所谓的CAN报文传输到所述网关设备(20)的作为CANopen主设备任务工作的第二功能单元(22)中。
7. 一种用于通过网关设备(20)来传输控制系统或自动化系统的过程映像的系统，所述网关设备包括至少一个第一功能单元(21)和至少一个第二功能单元(22)，高级的控制单元通过基于初级现场总线协议(1)的第一通信链路(1)连接到所述至少一个第一功能单元上，至少一个现场设备(30)通过基于次级现场总线协议(2)的第二通信链路(2)连接到所述至少一个第二功能单元上，其特征在于，
- 所述网关设备(20)的作为主设备任务工作的第二功能单元(22)基于所述次级现场总线协议(2)作为报文来接收由所述现场设备(30)提供的、作为过程数据对象(PDO1)、(PDO2)的过程变量，
- 给作为数字信号存在的过程数据对象(PDO1)、(PDO2)分配以二进制格式存在的、所述第二功能单元(22)中为此设置的寄存器，
- 保存在相应的寄存器(Bool1)、(Bool2)、(Bool3)中的二进制信号作为被封装成各8个比特的数据块中的二进制信号保存在作为网关任务工作的第一功能单元(22)中，并且翻译成可由所述初级现场总线协议(1)处理的相应报文，所述报文能够与以整数格式(INT16)存在的模拟信号一起、基于所述初级现场总线协议(1)传输到高级的控制单元。
8. 根据以上权利要求中任一项所述的方法和用于实施所述方法的网关设备(20)在过程自动化或机械控制的自动化系统或控制系统中的使用。
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