CN112565039A - 一种通信网络架构 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种通信网络架构，包括多个控制器、多个从站、总线，各控制器及各从站均与总线相连：当有一个控制器为总线的主设备、其余控制器及各从站均为总线的从设备时，主设备用于配置主设备与从设备间的通信关系，并分别配置其余各控制器与从站间的通信关系，以使各控制器分别根据对应的通信关系进行数据交互；当各控制器均为总线的主设备、各从站为总线的从设备时，各主设备分别用于配置主设备自身与从设备间的通信关系，以使各主设备根据对应的通信关系进行数据交互；主设备间能够进行数据交互。本申请公开的上述技术方案，使得控制器与控制器间及控制器与从站间在同一张网中进行数据交互，以提高数据访问的实时性和效率，并降低通信成本。

Description

一种通信网络架构

技术领域

本申请涉及工业现场自动化技术领域，更具体地说，涉及一种通信网络架构。

背景技术

随着工业现场自动化的发展，控制器与从站间的通信量越来越多。

在现有技术中，控制器之间的通信由一张网组成，控制器与自身从站间的通信由另一张网组成，当多个控制器需要与其他控制器的从站进行通信时一般都是控制器提前备份好从站的数据，然后其他控制器通过控制器间通信所用网络来对这片数据区进行访问，也即需要通过两张网进行数据访问，而这就导致数据访问的实时性和效率比较低，且由于每个控制器都需要设计两张网络的物理收发电路，因此，通信成本比较高。

综上所述，如何提高数据访问的实时性和效率，并降低通信成本，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的是提供一种通信网络架构，用于提高数据访问的实时性和效率，并降低通信成本。

为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

一种通信网络架构，包括多个控制器、多个从站、总线，各所述控制器及各所述从站均与所述总线相连，其中：

当有一个控制器为所述总线的主设备、其余所述控制器及各所述从站均为所述总线的从设备时，则所述主设备用于配置所述主设备与所述从设备间的通信关系，并分别配置其余各控制器与从站间的通信关系，以使各所述控制器分别根据对应的通信关系进行数据交互；

当各所述控制器均为所述总线的主设备、各所述从站为所述总线的从设备时，则各所述主设备分别用于配置主设备自身与所述从设备间的通信关系，以使各所述主设备根据对应的通信关系进行数据交互；其中，所述主设备间能够进行数据交互。

优选的，当有一个控制器为所述总线的主设备时，所述主设备还用于进行自检并在检测到自身出现异常时降为所述总线的从设备，且其余所述控制器中优先级最高的控制器升级为所述总线的主设备。

优选的，当有一个控制器为所述总线的主设备时，所述主设备还用于存储各所述控制器的组态信息。

优选的，当存在控制器的组态信息发生变化时，所述主设备还用于对各所述控制器的组态信息进行更新。

优选的，当有一个控制器为所述总线的主设备时，从站与控制器间、控制器与控制器间均利用发布者/订阅者的通信方式进行数据交互。

优选的，当各所述控制器均为所述总线的主设备时，各所述控制器采用令牌传输方式对所述总线进行控制。

优选的，所述从站支持被多个所述主设备进行配置和数据交互，其中：

当存在被多个所述主设备进行配置和数据交互的目标从站时，所述目标从站与对应的各主设备间的关系相互独立。

优选的，各所述从站仅支持被一个所述主设备进行配置和数据交互。

优选的，各所述主设备存储自身的组态信息。

优选的，所述从站包括IO从站或网关，其中，所述网关还带有IO模块。

本申请提供了一种通信网络架构，包括多个控制器、多个从站、总线，各控制器及各从站均与总线相连，其中：当有一个控制器为总线的主设备、其余控制器及各从站均为总线的从设备时，则主设备用于配置主设备与从设备间的通信关系，并分别配置其余各控制器与从站间的通信关系，以使各控制器分别根据对应的通信关系进行数据交互；当各控制器均为总线的主设备、各从站为总线的从设备时，则各主设备分别用于配置主设备自身与从设备间的通信关系，以使各主设备根据对应的通信关系进行数据交互；其中，主设备间能够进行数据交互。

本申请公开的上述技术方案，在通信网络架构中，各控制器与各从站均与总线相连，以使得所有控制器及所有从站均挂在同一张网中，当多个控制器中有一个控制器为总线的主设备、其余控制器及各从站作为总线的从设备时，则可以利用主设备配置主设备与从设备间的通信关系并分别配置其余各控制器与从站间的通信关系，以使得各控制器可以按照对应的通信关系在上述所形成的同一张网中进行数据交互，当各控制器均为总线的设备、各从站为总线的从设备时，则分别利用各主设备配置其自身与从设备间的通信关系，以使得各主设备根据其对应的通信关系而在上述所形成的同一张网中进行数据交互，且在该模式中各主设备间能够在上述所形成的同一张网中进行数据交互，也即通过本申请的通信网络架构使得控制器与控制器间及控制器与从站间在同一张网中进行数据交互，因此，则可以便于进行实时的数据访问，以提高数据访问的实时性和效率，且由于各控制器只需设计一张网络的物理收发电路即可实现数据交互，因此，则可以降低通信成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有总线物理连接示意图；

图2为本申请实施例提供的通信网络架构的示意图；

图3为本申请实施例提供的单主大循环、从设备交叉通信的逻辑关系图；

图4为本申请实施例提供的多主小循环、从设备支持多主访问的逻辑关系图；

图5为本申请实施例提供的多主小循环、从设备支持单主访问的逻辑关系图。

具体实施方式

在现有技术中，控制器之间通信(简称站间通讯)和控制器与自身对应的从站间通信(简称IO通讯)一般都是由两张网组成，具体可以参见图1，其示出了现有总线物理连接示意图，其中，控制器之间的通信由一张网组成，控制器与自身对应的从站(图中以网关为例进行说明)间的通信由另一张网组成，当多个控制器要实时访问某一控制器所带的IO模块的数据时，一般都是该控制器提前备份好IO模块的数据，然后，由其他控制器通过站间通讯对应的网络对这片数据区进行访问，由于需要通过两张网络进行通信且需要控制器提前备份好所需的数据，因此，访问效率及时效性比较低，另外，由于每个控制器均要设计针对上述两个网络的物理收发电路，因此，则导致产品的通信成本比较高。

为此，本申请提供一种能够提高数据访问的实时性和效率，并降低通信成本的技术方案。

为了使本领域的技术人员能够更清楚地理解本技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

具体可以参见图2，其示出了本申请实施例提供的通信网络架构的示意图。本申请实施例提供的一种通信网络架构，可以包括多个控制器、多个从站1、总线2，各控制器及各从站1均与总线2相连，其中：

当有一个控制器为总线2的主设备、其余控制器及各从站1均为总线2的从设备时，则主设备用于配置主设备与从设备间的通信关系，并分别配置其余各控制器与从站1间的通信关系，以使各控制器分别根据对应的通信关系进行数据交互；

当各控制器均为总线2的主设备、各从站1为总线2的从设备时，则各主设备分别用于配置主设备自身与从设备间的通信关系，以使各主设备根据对应的通信关系进行数据交互；其中，主设备间能够进行数据交互。

本申请所提供的通信网络架构具体可以包括多个控制器、多个从站1、总线2，且通信网络架构中的各控制器、各从站1均与总线2相连，其中，该总线2上可能设置有交换机，且该总线2具体可以为底层IO总线(主站与从站1进行通信的总线)，即控制器和/或从站1可能通过交换机与总线2进行连接，通过各控制器及各从站1均连接在总线2上而使得各控制器及各从站1可以位于同一以太网中，即位于同一张网中，这就使得每个控制器只需设计一张网络的物理收发电路即可，而无需再设计两张网络的物理收发电路，因此，则可以降低产品的通信成本。另外，在上述物理链路(由总线2构成的物理链路)中，所有控制器及所有从站1均有自己独占的物理地址和/或标识号等，以便于区分总线2上不同的节点。需要说明的是，图2以及后续其他附图均以包含控制器A、控制器B和控制器C这三个控制器以及通信网络架构所包含的从站1为网关且具体包含网关a、网关b、网关c、网关d、网关e这五个网关为例进行说明，至于包含其他数量控制器和其他数量从站1以及从站1为其他类型的情况与此类似，在此不再赘述。

在上述物理连接的基础上，当有一个控制器为总线2的主设备、其余控制器(具体即为除作为主设备的控制器之外的剩余控制器)及各个从站1均为总线2的从设备时，则可以利用主设备配置主设备与从设备间的通信关系，其中，这里提及的与主设备存在通信关系的从设备具体为根据业务需求而确定出的主设备所需进行数据交互的所有从设备，也即主设备可以与其要进行数据交互的所有从设备建立通信关系，以使得主设备后续在需要进行数据交互时可以直接根据所建立的通信关系进行数据交互，需要说明的是，这里提及的从设备具体包含其余的控制器、从站1。另外，可以利用主设备配置其余控制器(即为除作为主设备的控制器之外的剩余控制器，下述提及的其余控制器与此概念相同)与从站1间的通信关系，其中，这里提及的与控制器存在通信关系的从站1具体为根据业务需求而确定出的其余各个控制器所需进行数据交互的所有从站1，也即可以利用主设备配置从设备间的通信关系，以使得作为从设备的控制器后续可以根据各自对应的通信关系进行数据交互。

上述逻辑关系即为单主大循环、从设备交叉通信的逻辑关系，也即仅包含有一个主设备，从设备可以交叉通信，具体可以参见图3，其示出了本申请实施例提供的单主大循环、从设备交叉通信的逻辑关系图，当控制器A为总线2的主设备21、其余均为总线2的从设备22时，根据需求确定控制器A需要与控制器B、控制器C、网关a、网关b、网关c进行数据交互，控制器B需要与网关c、网关d进行数据交互，控制器C需要与网关d、网关e进行数据交互，则控制器A作为总线2的主设备21可以配置自身与控制器B、控制器C、网关a、网关b、网关c的通信关系，且控制器A作为总线2的主设备21可以配置控制器B与网关c、网关d的通信关系，且控制器A作为总线2的主设备21可以配置控制器C与网关d、网关e的通信关系，以使得各控制器可以通过对应的通信关系与控制器和/或从站1进行通信。

在上述逻辑关系中，总线2上只有一个主设备，其余节点都是从设备，逻辑比较清晰，且传统的控制器与控制器间的站间通信关系被主/从关系替代，传统的控制器与从站1间的通信关系被主/从关系及从/从关系替代，多个控制器可以通过总线2实时访问与其存在通信关系的任一从站1的数据，因此，则可以提高数据访问的实时性和效率。

另外，在上述物理连接的基础上，当各控制器均为总线2的主设备、各从站1均为总线2的从设备时，则可以分别由各个主设备对应配置主设备自身与从设备间的通信关系，也即由各个控制器对应配置其自身与从站1间的通信关系，其中，这里提及的与主设备存在通信关系的从站1具体是根据业务需求而确定出的与对应的主设备需要进行数据交互的所有从设备，也即各主设备分别可以根据各自要进行数据交互的从设备而进行通信关系的建立。另外，主设备除了与其对应的从站1进行数据交互外，还可以与其他有需求的控制器进行站间通信。由于上述逻辑关系包含有多个主设备，因此，该逻辑关系具体即为多主小循环的逻辑关系，各控制器的组态相互解耦，各控制器可以分别通过总线2实时访问与其存在通信关系的任一从站1的数据，且各控制器可以通过总线2实时访问存在通信需求的控制器的数据，因此，则可以提高数据访问的实时性和效率。

通过上述过程可以实现将站间通讯与IO通讯的网络进行混合和复用而在一张网中进行实现，以使得控制器可以通过总线2而进行主站间通信，并实现从站1与多主站的通信，从而提高数据访问的效率、实时性和时效性，且降低控制器物理收发电路设计的复杂度和成本，从而便于降低产品的通信成本。

本申请公开的上述技术方案，在通信网络架构中，各控制器与各从站均与总线相连，以使得所有控制器及所有从站均挂在同一张网中，当多个控制器中有一个控制器为总线的主设备、其余控制器及各从站作为总线的从设备时，则可以利用主设备配置主设备与从设备间的通信关系并分别配置其余各控制器与从站间的通信关系，以使得各控制器可以按照对应的通信关系在上述所形成的同一张网中进行数据交互，当各控制器均为总线的设备、各从站为总线的从设备时，则分别利用各主设备配置其自身与从设备间的通信关系，以使得各主设备根据其对应的通信关系而在上述所形成的同一张网中进行数据交互，且在该模式中各主设备间能够在上述所形成的同一张网中进行数据交互，也即通过本申请的通信网络架构使得控制器与控制器间及控制器与从站间在同一张网中进行数据交互，因此，则可以便于进行实时的数据访问，以提高数据访问的实时性和效率，且由于各控制器只需设计一张网络的物理收发电路即可实现数据交互，因此，则可以降低通信成本。

本申请实施例提供的一种通信网络架构，当有一个控制器为总线2的主设备时，主设备还用于进行自检并在检测到自身出现异常时降为总线2的从设备，且其余控制器中优先级最高的控制器升级为总线2的主设备。

在本申请的通信网络架构中，当有一个控制器为总线2的主设备时，则该主设备还可以进行自检，在自检正常情况下不进行降主，在通过自检而检测到自身出现异常时，则主设备会自动降为总线2的从设备而进行通信，并继续进行自检，同时通信网络架构中其余控制器中优先级最高的控制器可以升级为总线2的主设备，其中，这里提及的异常具体为主设备自身存在本板通信链路异常及板卡电源异常等会严重威胁到底层网络通信安全的异常，且控制器的优先级高低具体可以根据控制器的物理地址进行确定，物理地址低的控制器的优先级高于物理地址高的控制器的优先级，相应地，在其余控制器中优先级最高的控制器升级为总线2的主设备时，具体可以是其余控制器中物理地址最低的控制器进行升主操作而成为总线2的主设备。另外，在其余控制器中优先级最高的控制器升主之后，也需要进行自检。

通过上述过程可以及时发现主设备的异常并在异常时及时进行主设备的更换，以使得通信网络架构中始终有主设备存在。

本申请实施例提供的一种通信网络架构，当有一个控制器为总线2的主设备时，主设备还用于存储各控制器的组态信息。

在本申请所提供的通信网络架构中，当有一个控制器为总线2的主设备时，该主设备还可以用于接收上位机所发送的与总线2相连的所有控制器的组态信息，并可以对各控制器的组态信息进行存储，其中，这里提及的上位机与通信网络架构中的各控制器相连，其可以通过软件定义的方式来配置上述提及的逻辑关系，且可以将与总线2相连的所有控制器的组态信息发送给主设备。另外，上述提及的组态信息具体包含了总线2波特率和总线2周期等通信参数、总线2各节点(包括控制器和从站1)的通信配置信息以及站站间的通信关系(具体即为控制器间的通信关系)。

另外，由于在包含一个主设备的逻辑关系中，每个控制器都有可能成为总线2的主设备，因此，每个控制器都需要存储上述提及的组态信息。

本申请实施例提供的一种通信网络架构，当存在控制器的组态信息发生变化时，主设备还用于对各控制器的组态信息进行更新。

在本申请中，当有一个控制器为总线2的主设备时，若存在控制器的组态信息发生变化，则主设备可以对所有控制器的组态信息均进行更新，以使得各个控制器均保存有最新的组态信息。

本申请实施例提供的一种通信网络架构，当有一个控制器为总线2的主设备时，从站1与控制器间、控制器与控制器间均利用发布者/订阅者的通信方式进行数据交互。

在本申请中，当有一个控制器为总线2的主设备时，从站1与控制器间以及控制器与控制器间可以采用发布者/订阅者的通信方式进行数据交互，以实现总线2上“一个从站1发出数据需要被多个网络节点接收”的情况。

本申请实施例提供的一种通信网络架构，当各控制器均为总线2的主设备时，各控制器采用令牌传输方式对总线2进行控制。

在本申请中，当各控制器均为总线2的主设备时，各控制器可以采用令牌传输方式对总线2进行控制，只有令牌持有者才能获得资源，以免造成通信网络架构数据交互发生混乱的情况，从而提高数据交互的可靠性和稳定性。

本申请实施例提供的一种通信网络架构，从站1支持被多个主设备进行配置和数据交互，其中：

当存在被多个主设备进行配置和数据交互的目标从站1时，目标从站1与对应的各主设备间的关系相互独立。

在本申请中，当各控制器均为总线2的主设备时，作为总线2的从设备的从站1可以支持被多个主设备进行配置和数据交互，也即各控制器除配置自己所属的从站1外，还可以根据上层应用的需要配置与自己有通信关系的其他控制器所属从站1，这种逻辑关系即为多主小循环、从设备支持多主访问的逻辑关系，具体可以参见图4，其示出了本申请实施例提供的多主小循环、从设备支持多主访问的逻辑关系图，控制器A、控制B器及控制器C均为总线2的主设备21，各从站1均为总线2的从设备22，网关c中有控制器A和控制器B进行逻辑运算时所需要的现场采集数据，网关d里面有控制器B和控制器C进行逻辑运算时均需要的现场采集数据，则网关c需要与控制器A和控制器B建立通信关系，网关d需要与控制器B和控制器C建立通信关系，而其他各网关由于均只有单个控制器所需的数据，因此，其余网关则只要与需要它数据的控制器建立通信关系即可。

当存在被多个主设备进行配置和数据交互的目标从站时，目标从站可以接收多个主设备的配置，其中，目标从站与对应的各主设备的关系相互独立，且其可以记录被每个主设备配置的通信关系，在不同主设备有令牌时可以分时与多个主设备进行数据交互。例如控制器A已经与网关c建立通信关系且它们之间的通信状态已经历经“建立连接阶段”正处于“周期数据交互阶段”(即数据交互阶段)，当控制器A拥有令牌时可以直接和网关c进行数据交互，当控制器B拥有令牌时仍可以配置网关c并建立另一个通信关系，这两个通信关系相互独立，分别在控制器A和控制器B拥有令牌时才各自起作用，控制器A和控制器B可以分时从这个网关c获取到想要的数据信息。

另外，控制器在拥有令牌时，除了可以与从站1进行数据交互，还可以与别的控制器进行站间通信。

本申请实施例提供的一种通信网络架构，各从站1仅支持被一个主设备进行配置和数据交互。

在本申请中，当各控制器均为总线2的主设备时，作为总线2的从设备的从站1可以仅支持被一个主设备进行数据交互，也即各控制器只配置自己所属从站1，控制器可以通过逻辑上的站间通信间接访问其他控制器所属的从站1，这种逻辑关系即为多主小循环、从设备支持单主访问的逻辑关系，具体可以参见图5，其示出了本申请实施例提供的多主小循环、从设备支持单主访问的逻辑关系图，其中，控制器A、控制B器及控制器C均为总线1的主设备21，各从站均为总线1的从设备22，这种逻辑关系只更改物理结构，不更改传统的逻辑通信关系，从设备代码简单，与传统IO总线的从站1代码一样，无需额外修改，且控制器的代码也与传统采用两张网传输时类似，结构上无需大幅修改，只需修改与硬件收发器相关的驱动程序即可，也即只需修改物理收发电路即可。

通过上述过程可以实现由两张网(图1中站间通信网和IO通信网)到一张网(图2中站间通讯与IO通讯混合的网络)的平稳过度。

另外，需要说明的是，可以利用与各控制器相连的上位机通过软件定义的方式来实现上述三种逻辑关系。

本申请实施例提供的一种通信网络架构，各主设备存储自身的组态信息。

在本申请中，当各控制器均为主设备时，则各主设备可以对应存储自身的组态信息，其中，该组态信息中包括总线2波特率和总线2周期等通信参数、自己所属节点的通信配置等信息。

本申请实施例提供的一种通信网络架构，从站1可以包括IO从站1或网关，其中，网关还带有IO模块。

在本申请中，从站1具体可以包括IO从站1或网关，其中，网关下级总线2还可以带有一组IO模块，以便于进行数据交互。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种通信网络架构，其特征在于，包括多个控制器、多个从站、总线，各所述控制器及各所述从站均与所述总线相连，其中：

当有一个控制器为所述总线的主设备、其余所述控制器及各所述从站均为所述总线的从设备时，则所述主设备用于配置所述主设备与所述从设备间的通信关系，并分别配置其余各控制器与从站间的通信关系，以使各所述控制器分别根据对应的通信关系进行数据交互；

当各所述控制器均为所述总线的主设备、各所述从站为所述总线的从设备时，则各所述主设备分别用于配置主设备自身与所述从设备间的通信关系，以使各所述主设备根据对应的通信关系进行数据交互；其中，所述主设备间能够进行数据交互。

2.根据权利要求1所述的通信网络架构，其特征在于，当有一个控制器为所述总线的主设备时，所述主设备还用于进行自检并在检测到自身出现异常时降为所述总线的从设备，且其余所述控制器中优先级最高的控制器升级为所述总线的主设备。

3.根据权利要求1所述的通信网络架构，其特征在于，当有一个控制器为所述总线的主设备时，所述主设备还用于存储各所述控制器的组态信息。

4.根据权利要求3所述的通信网络架构，其特征在于，当存在控制器的组态信息发生变化时，所述主设备还用于对各所述控制器的组态信息进行更新。

5.根据权利要求1所述的通信网络架构，其特征在于，当有一个控制器为所述总线的主设备时，从站与控制器间、控制器与控制器间均利用发布者/订阅者的通信方式进行数据交互。

6.根据权利要求1所述的通信网络架构，其特征在于，当各所述控制器均为所述总线的主设备时，各所述控制器采用令牌传输方式对所述总线进行控制。

7.根据权利要求6所述的通信网络架构，其特征在于，所述从站支持被多个所述主设备进行配置和数据交互，其中：

当存在被多个所述主设备进行配置和数据交互的目标从站时，所述目标从站与对应的各主设备间的关系相互独立。

8.根据权利要求6所述的通信网络架构，其特征在于，各所述从站仅支持被一个所述主设备进行配置和数据交互。

9.根据权利要求6所述的通信网络架构，其特征在于，各所述主设备存储自身的组态信息。

10.根据权利要求1至9任一项所述的通信网络架构，其特征在于，所述从站包括IO从站或网关，其中，所述网关还带有IO模块。

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