專利名稱：幀傳送和通信網(wǎng)絡(luò)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用基于以太網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)通信系統(tǒng)以用于在車輛控制、驅(qū)動(dòng)控制或變電站自動(dòng)化中控制時(shí)間關(guān)鍵過(guò)程。
背景技術(shù)：
過(guò)程控制系統(tǒng)或工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)保護(hù)、控制并且監(jiān)視用于例如制造貨品、轉(zhuǎn)化物質(zhì)或發(fā)電的工廠中的過(guò)程。它們還監(jiān)視和控制擴(kuò)展的初級(jí)系統(tǒng)，類似電力、水或氣供應(yīng)系統(tǒng)或電信系統(tǒng)，其包括它們相應(yīng)的變電站。工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)一般具有分布在工廠中或擴(kuò)展的初級(jí)系統(tǒng)上并且經(jīng)由工業(yè)通信系統(tǒng)而通信地互連的大量過(guò)程控制器。
高和中壓電力網(wǎng)中的變電站包括初級(jí)裝置，例如電纜、電線、母線、開(kāi)關(guān)裝置、電力變壓器和儀表變壓器，其一般布置在開(kāi)關(guān)場(chǎng)和/或架(bay)中。這些初級(jí)裝置經(jīng)由變電站自動(dòng)化(SA)系統(tǒng)以自動(dòng)化的方式操作。該SA系統(tǒng)包括次級(jí)裝置，所謂的智能電子裝置(IED)，負(fù)責(zé)保護(hù)、控制和監(jiān)視初級(jí)裝置?？蓪ED指派到分級(jí)等級(jí)，例如站級(jí)、架級(jí)和過(guò)程級(jí)，其中過(guò)程級(jí)與架級(jí)由所謂的過(guò)程接口分開(kāi)。SA系統(tǒng)的站級(jí)包括具有人機(jī)接口(HMI)的操作者工作站(OWS)和到網(wǎng)絡(luò)控制中心(NCC)的網(wǎng)關(guān)。架級(jí)上的IED (其也可稱為架單元)又經(jīng)由服務(wù)交換命令和狀態(tài)信息目的中間架或站總線連接到彼此以及站級(jí)上的IED。用于變電站的次級(jí)裝置之間通信的通信標(biāo)準(zhǔn)已引入作為名為“變電站中的通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)(communication networks and systems in substations)，，的標(biāo)準(zhǔn) IEC 61850的一部分。對(duì)于非時(shí)間關(guān)鍵消息，IEC 61850-8-1基于減少的開(kāi)放式系統(tǒng)互連(OSI)協(xié)議棧(在傳輸和網(wǎng)絡(luò)層中分別具有傳送控制協(xié)議(TCP)和因特網(wǎng)協(xié)議(IP))以及作為物理介質(zhì)的以太網(wǎng)來(lái)規(guī)定制造消息規(guī)范(麗S，IS0/IEC 9506)協(xié)議。對(duì)于時(shí)間關(guān)鍵的基于事件的消息，IEC 61850-8-1直接在通信棧的以太網(wǎng)鏈路層上規(guī)定面向通用對(duì)象的變電站事件(GOOSE)0對(duì)于在過(guò)程級(jí)非?？斓馗淖冃盘?hào)(例如測(cè)量的模擬電壓或電流)，IEC 61850-9-2規(guī)定采樣值(SV)服務(wù)，其與GOOSE類似直接建立在以太網(wǎng)鏈路層(0SI中的層2)上。因此，該標(biāo)準(zhǔn)定義公布的格式，如在工業(yè)以太網(wǎng)上的多播消息、基于事件的消息和來(lái)自過(guò)程級(jí)上的電流或電壓傳感器的數(shù)字化測(cè)量數(shù)據(jù)。專利申請(qǐng)EP-A 2148473涉及基于具有多個(gè)交換節(jié)點(diǎn)并且用全雙工鏈路操作的環(huán)形通信網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)關(guān)鍵工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用，例如過(guò)程或驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。對(duì)于時(shí)間關(guān)鍵和可用性關(guān)鍵的自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信要求針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的故障的無(wú)縫彈性和時(shí)間關(guān)鍵數(shù)據(jù)的確定性輸送兩者。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中鏈路失敗的無(wú)縫容限可以通過(guò)對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)給出兩個(gè)通信端口并且使節(jié)點(diǎn)在這兩個(gè)端口上以相同的有效載荷發(fā)送幀而提供，如例如在標(biāo)準(zhǔn)IEC62439-3條款5 (稱作高可用性無(wú)縫冗余(HSR))中規(guī)定的。因此，對(duì)于要在示范性環(huán)形網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送的每個(gè)消息，源和復(fù)制幀在相反的方向上傳送，這兩個(gè)幀由環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的其他節(jié)點(diǎn)中繼直到它們最終返回到始發(fā)的發(fā)送器節(jié)點(diǎn)。因此，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載相對(duì)于常規(guī)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)大致上加倍，但目的地節(jié)點(diǎn)將在等于環(huán)的最長(zhǎng)可能路徑的最大傳送延遲之后接收數(shù)據(jù)。在無(wú)故障狀態(tài)下，目的地節(jié)點(diǎn)從而接收具有相同內(nèi)容的兩個(gè)冗余幀，其具有由于如果直接從相鄰節(jié)點(diǎn)接收一個(gè)幀則另一個(gè)幀環(huán)繞整個(gè)環(huán)來(lái)循環(huán)這一事實(shí)引起的某一時(shí)滯。冗余幀可以由序號(hào)識(shí)別，因此節(jié)點(diǎn)可以檢測(cè)復(fù)制物并且只將兩個(gè)幀中前面的或第一幀轉(zhuǎn)發(fā)到它的上層協(xié)議并且丟棄后面的或第二幀。盡管存在可能的通信誤差或延遲，數(shù)據(jù)的確定性傳送保證在無(wú)故障狀態(tài)下以在源處準(zhǔn)備傳送它們的時(shí)刻與由它們的最終目的地接收它們的時(shí)刻之間的最大延遲來(lái)輸送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的確定性傳送要求預(yù)先分配足夠的帶寬。每個(gè)節(jié)點(diǎn)預(yù)期以在配置整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)限定的固定頻率傳送其具有固定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，從而占用帶寬的固定部分。沿傳送介質(zhì)行進(jìn)時(shí)的傳播延遲以及對(duì)于穿過(guò)交換機(jī)并且容易超出該傳播延遲的轉(zhuǎn)發(fā)延遲必須添加到幀自身的·持續(xù)時(shí)間。因此，連接5個(gè)節(jié)點(diǎn)(其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)在IkHz以100Mbit/s傳送2500比特的幀加上5 y s的傳播時(shí)間(導(dǎo)致每幀30 u s持續(xù)時(shí)間))的傳送介質(zhì)的示范性較壞情況占用至少等于 5 X 30 X KT6X IO3=15%o在例如IEC 61850-9-2的實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)中，業(yè)務(wù)由定期發(fā)送的R-幀來(lái)攜帶，其中“R”代表“常規(guī)的”或“實(shí)時(shí)”。相比之下，非關(guān)鍵、軟實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)受寬松的定時(shí)要求，并且預(yù)期只以某一概率滿足輸送延遲。該非關(guān)鍵業(yè)務(wù)由“S-幀”攜帶，其中“S”代表“偶發(fā)的”或“軟時(shí)間”。R-幀需要的最小網(wǎng)絡(luò)容量可以例如從在IEC 61850中規(guī)定的變電站配置描述(S⑶)文件，在維修時(shí)間來(lái)估計(jì)。S⑶文件指示時(shí)間關(guān)鍵幀SV和GOOSE多久需要傳送以及它們具有哪個(gè)尺寸，并且包括限定網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浜徒粨Q機(jī)數(shù)量的通信分段。然而，因?yàn)樵诮粨Q機(jī)和R-幀內(nèi)發(fā)生沖突，R-幀的通信延遲可超出在維修時(shí)間計(jì)算的數(shù)字，盡管它具有更高的優(yōu)先級(jí)，在S-幀在相同的介質(zhì)上傳送時(shí)必須排隊(duì)。傳統(tǒng)地通過(guò)限制每個(gè)節(jié)點(diǎn)中的生產(chǎn)率使得排除過(guò)載并且另外通過(guò)調(diào)節(jié)業(yè)務(wù)使得使用例如以下中的一個(gè)來(lái)避免沖突而提供確定性通信I)在有用數(shù)據(jù)通信可以發(fā)生之前建立的共用時(shí)鐘觸發(fā)的時(shí)分多址(TDMA)時(shí)隙分配；2)以預(yù)定義順序輪詢?cè)吹刂返闹醒胫骺?，如例如在IEC 61735中規(guī)定的；或3)由主控裝置引入的主幀，其被所有起作用的裝置(例如使用的EtherCat)填充和讀取。后兩個(gè)選項(xiàng)在幀可以被復(fù)制并且可采取不同路徑的地方難以實(shí)現(xiàn)。因此，對(duì)HSR保留第一個(gè)方法，其提供簡(jiǎn)單的基于時(shí)鐘的TDMA而不必配置中央主控或發(fā)送專用主幀或其他令牌。PROFINET (Profibus. com)區(qū)分非實(shí)時(shí)(NRT)、實(shí)時(shí)(RT)和同步實(shí)時(shí)(IRT)數(shù)據(jù)。PROFINET IRT使用IEEE 1588、TDMA和專門的交換機(jī)的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)硬實(shí)時(shí)性能。當(dāng)配置網(wǎng)絡(luò)時(shí)，從每個(gè)裝置要求的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛿?shù)據(jù)被分析并且限定具有實(shí)時(shí)時(shí)期和非實(shí)時(shí)時(shí)期的周期。對(duì)每個(gè)IRT裝置指派時(shí)隙以在實(shí)時(shí)時(shí)期期間通信。因?yàn)樗蠭RT裝置使用IEEE 1588而同步，每次僅一個(gè)IRT裝置發(fā)送包。具有特殊ASIC緩沖包的交換機(jī)在實(shí)時(shí)時(shí)期期間從非IRT裝置發(fā)送并且在非實(shí)時(shí)時(shí)期期間傳送它們。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的是在通信網(wǎng)絡(luò)中提供帶寬節(jié)省的確定性通信。根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求，該目的由傳送幀的方法和通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選實(shí)施例從從屬專利權(quán)利要求中顯而易見(jiàn)，其中指示的權(quán)利要求從屬性不應(yīng)該解釋為排除另外有意義的權(quán)利要求組合。根據(jù)本發(fā)明，在互連多個(gè)同步節(jié)點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò)中，定期或周期傳送包括時(shí)間關(guān)鍵數(shù)據(jù)的常規(guī)幀，并且不定期或偶然傳送偶發(fā)幀。具體而言，多個(gè)節(jié)點(diǎn)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)在所有節(jié)點(diǎn)所共同并且在其之間同步的傳送時(shí)期開(kāi)始時(shí)傳送常規(guī)幀。節(jié)點(diǎn)然后從其第一相鄰節(jié)點(diǎn)接收常規(guī)幀，并且在相同傳送時(shí)期內(nèi)以及以最短延遲將它們轉(zhuǎn)發(fā)到第二相鄰節(jié)點(diǎn)。此外，節(jié)點(diǎn)積極地延遲任何偶發(fā)幀(無(wú)論是源于由節(jié)點(diǎn)自身接管的應(yīng)用還是從相鄰節(jié)點(diǎn)接收的)的傳送，直到完成所有接收的常規(guī)幀的轉(zhuǎn)發(fā)。在本發(fā)明的一優(yōu)選變形中，偶發(fā)幀的傳送被延遲直到完成預(yù)定長(zhǎng)度的常規(guī)階段，從而能夠?qū)崿F(xiàn)任何常規(guī)幀到其目的地節(jié)點(diǎn)的傳送。備選地，偶發(fā)幀的傳送被延遲直到觀察到常規(guī)階段的結(jié)束或完成。通過(guò)示例，常規(guī)幀傳送一經(jīng)沉寂預(yù)定最小靜默時(shí)間(其超出兩個(gè)連續(xù)常規(guī)幀之間的標(biāo)準(zhǔn)幀間間隔)，常規(guī)階段就視為完成。在本發(fā)明的一有利實(shí)施例中，在偶發(fā)幀傳送之前，節(jié)點(diǎn)證實(shí)或檢查后者的傳送是否可在下一個(gè)傳送時(shí)期開(kāi)始之前完成。否定地，偶發(fā)幀的傳送被延遲直到下一個(gè)傳送時(shí)期。根據(jù)IEC 62439條款6 (并行冗余協(xié)議PRP)和IEC 62439-3條款5 (HSR)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有兩個(gè)通信端口并且在這兩個(gè)端口上發(fā)送具有相同有效載荷的幀。在不損害任意網(wǎng)狀、矩陣或樹(shù)形拓?fù)涞那闆r下，IEC 62439-3條款5的優(yōu)選拓?fù)涫黔h(huán)形拓?fù)洌渲袔蛷?fù)制 幀在相反方向上行進(jìn)直到它們被源或目的地節(jié)點(diǎn)移除。在HSR協(xié)議(IEC 62439-3條款5)的情況下，本發(fā)明進(jìn)一步利用幀和其復(fù)制幀基于幀的長(zhǎng)度(其包括在兩個(gè)幀的冗余標(biāo)識(shí)符中)而同樣地被識(shí)別的這一事實(shí)。在該情況下，是否開(kāi)始冗余偶發(fā)幀的傳送的決定基于偶發(fā)幀的幀的長(zhǎng)度，如從其冗余標(biāo)識(shí)符讀取的?？偟膩?lái)說(shuō)，由所有節(jié)點(diǎn)的常規(guī)幀傳送在預(yù)定時(shí)刻開(kāi)始，并且排隊(duì)的常規(guī)幀緊接著由任何節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)或重新傳送，從而確保帶寬被優(yōu)化并且所有常規(guī)業(yè)務(wù)在正在進(jìn)行的傳送時(shí)期的常規(guī)階段內(nèi)加快，并且從而在下一個(gè)傳送時(shí)期開(kāi)始之前對(duì)偶然的偶發(fā)幀傳送產(chǎn)生足夠長(zhǎng)度的時(shí)間間隔。


本發(fā)明的主旨將在下列文本中參照在附圖中圖示的示范性實(shí)施例詳細(xì)地解釋，其中
圖1描繪現(xiàn)有技術(shù)的具有環(huán)形拓?fù)涞淖詣?dòng)化網(wǎng)絡(luò)，
圖2描繪四個(gè)節(jié)點(diǎn)的環(huán)的基本操作，
圖3描繪在節(jié)點(diǎn)內(nèi)的不同位置處的一連串幀，以及 圖4描繪示范性交換節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式圖1描繪現(xiàn)有技術(shù)的具有示范性環(huán)形拓?fù)涞淖詣?dòng)化網(wǎng)絡(luò)，其中該環(huán)內(nèi)的所有交換節(jié)點(diǎn)(1-9)，例如保護(hù)、控制和測(cè)量裝置(1-4)、監(jiān)督工作站(5)、時(shí)鐘主控(6)、冗余遙控鏈路(7，8)以及非環(huán)形裝置(Ila-1lc)的中間節(jié)點(diǎn)(9)，包括交換元件(103)，其能夠?qū)?35a，35b)從一個(gè)端口( 101a，101b)轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)端口，從而確保幀圍繞環(huán)循環(huán)。發(fā)送器節(jié)點(diǎn)(I)的交換元件可以將傳遞給它的幀在任一或兩個(gè)方向(34a，34b)上通過(guò)鏈路層實(shí)體
(105)從更高的協(xié)議層(106)注入。目的地節(jié)點(diǎn)(4)的交換元件能夠從環(huán)的任一方向接收幀(36a，36b)并且將它們傳遞到其自身的更高層協(xié)議。在根據(jù)IEC 62439-3條款5的HSR中，節(jié)點(diǎn)總是在其兩個(gè)端口上發(fā)送從其更高層協(xié)議接收的幀，幀的兩個(gè)復(fù)制物在相反的方向上在總線上循環(huán)直到它們到達(dá)它們的原始發(fā)送器，并且接收器僅將一對(duì)中的前面的幀傳遞到它們的更高層協(xié)議并且丟棄復(fù)制物。圖2描繪根據(jù)本發(fā)明的四個(gè)節(jié)點(diǎn)(1-4)的基本操作。在例如從它們的同步時(shí)鐘得到的時(shí)間中的共同點(diǎn)處，所有節(jié)點(diǎn)將具有從相應(yīng)更高級(jí)應(yīng)用(其由節(jié)點(diǎn)接管或連接到節(jié)點(diǎn))接收的時(shí)間關(guān)鍵數(shù)據(jù)的兩個(gè)R-幀經(jīng)由兩個(gè)相應(yīng)端口(A，B)發(fā)送到兩個(gè)相應(yīng)相鄰節(jié)點(diǎn)。為了易讀性，相應(yīng)地，下列描述局限于經(jīng)由四個(gè)節(jié)點(diǎn)(1-4)中的一個(gè)的端口 B原始傳送的四個(gè)R-幀(R1-R4)。在圖2的下部分，這些幀描繪為矩形并且經(jīng)由對(duì)應(yīng)于起始節(jié)點(diǎn)的垂直、傾斜和水平陰影而區(qū)分。所有四個(gè)節(jié)點(diǎn)(1-4)在傳送時(shí)期TP或周期開(kāi)始時(shí)傳送它們的時(shí)間關(guān)鍵數(shù)據(jù)作為R-幀(R1-R4)。由于其結(jié)果，節(jié)點(diǎn)在發(fā)送其自身的幀或先前接收的任何幀時(shí)使從其相鄰節(jié)點(diǎn)接收的幀排隊(duì)。排隊(duì)的R-幀然后緊接著由節(jié)點(diǎn)發(fā)送或重新傳送，從而確保帶寬被最優(yōu)化并且所有R-業(yè)務(wù)在相同傳送時(shí)期內(nèi)加快。在圖2的下部分，指示四個(gè)幀的三個(gè)序列，如在傳送時(shí)期內(nèi)在網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)不同點(diǎn)(0P1-0P3)處觀察到的。在節(jié)點(diǎn)2與節(jié)點(diǎn)3之間的第一觀察點(diǎn)OPl處，首先觀察到幀R2，接著是幀R1，其先前已經(jīng)從節(jié)點(diǎn)I發(fā)送到節(jié)點(diǎn)2并且在正傳送幀R2時(shí)在節(jié)點(diǎn)2處排隊(duì)。利用由于較長(zhǎng)的傳送路徑引起的一些延遲，幀R4和R3接著在OPl處并且使傳送時(shí)期的常規(guī)或定期階段RP結(jié)束。在節(jié)點(diǎn)3與節(jié)點(diǎn)4之間的第二觀察點(diǎn)0P2處，幀的順序不同，其中首先觀察到幀R3，接著是幀R2和Rl，并且最后是幀R4。在節(jié)點(diǎn)4與節(jié)點(diǎn)I之間的第三觀察點(diǎn)0P3處，幀的順序是R4-R3-R2-R1。在下一個(gè)傳送時(shí)期TP2中，在該TP期間循環(huán)并且在OPl至0P3觀察到的R-幀的順序與在先前的時(shí)期TPl中的相同。四個(gè)R幀中的最后一個(gè)的重新傳送(在四個(gè)節(jié)點(diǎn)中的每個(gè)處)之后，常規(guī)或?qū)崟r(shí)幀的常規(guī)階段被終止，并且跟著發(fā)生偶發(fā)幀的偶發(fā)階段SP。偶發(fā)階段的開(kāi)始可基于在常規(guī)階段期間傳送的R-幀的數(shù)量、長(zhǎng)度和傳播延遲而預(yù)定，或可由在對(duì)最小時(shí)間延遲為空的節(jié)點(diǎn)處的R-幀隊(duì)列而觸發(fā)。前面提到的R-幀在所有節(jié)點(diǎn)處的排隊(duì)在傳送時(shí)期結(jié)束時(shí)對(duì)偶發(fā)或不定期消息產(chǎn)生連續(xù)時(shí)隙。因此，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)積極地阻止在常規(guī)階段期間從更高級(jí)應(yīng)用接收的S-幀在常規(guī)階段結(jié)束之前被傳送。在圖2中，第一傳送時(shí)期TP1，在偶發(fā)階段開(kāi)始時(shí)在觀察點(diǎn)OPl處觀察到源于節(jié)點(diǎn)2的S-幀S2。因?yàn)镾2由節(jié)點(diǎn)3采用“貫通(cut-through)”模式以最小延遲轉(zhuǎn)發(fā)，稍后在0P2和0P3觀察到S2。在下一個(gè)傳送時(shí)期TP2的偶發(fā)階段中，節(jié)點(diǎn)3傳送偶發(fā)幀S3，其然后在觀察點(diǎn)0P2、0P3、OPl以此順序被觀察。此外，維持對(duì)R-幀的時(shí)期要求S-幀不能被傳送除非在下一個(gè)常規(guī)階段開(kāi)始之前有足夠的時(shí)間來(lái)完成該傳送。如果S-幀由節(jié)點(diǎn)在傳送的偶發(fā)階段SP期間被接收(其中該S-幀的長(zhǎng)度不允許在偶發(fā)階段的剩余部分期間完成傳送)，它被延遲直到下一個(gè)傳送時(shí)期的偶發(fā)階段開(kāi)始。從而必須選擇偶發(fā)階段的長(zhǎng)度以提供足夠的時(shí)間來(lái)傳送最長(zhǎng)的可能S-幀。作為一缺點(diǎn)，這阻礙100%利用帶寬。如果根據(jù)S-幀的長(zhǎng)度將它們歸類，可在每個(gè) 偶發(fā)階段的結(jié)束時(shí)引入按分類虛擬守衛(wèi)階段GP，在其期間沒(méi)有發(fā)起對(duì)應(yīng)S幀的傳送。這在圖2中描繪，其中TPl中的守衛(wèi)階段GPl與S2的長(zhǎng)度匹配，這暗示對(duì)于GPl期間的傳送沒(méi)有釋放具有與S2相同長(zhǎng)度的S-幀。在TP2中，由環(huán)中的最終節(jié)點(diǎn)2的S3重新傳送在GP2之前開(kāi)始，但僅在GP2期間完成。在任何情況下，在常規(guī)階段開(kāi)始時(shí)，未正在進(jìn)行由網(wǎng)絡(luò)的任何節(jié)點(diǎn)傳送或轉(zhuǎn)發(fā)S-幀。因此，不需要中斷S-幀的傳送。因?yàn)閹拇笮⊥ǔＴ谝蕴W(wǎng)幀的頭部中不可獲得，S-幀被置于存儲(chǔ)-和-轉(zhuǎn)發(fā)緩沖器內(nèi)來(lái)計(jì)算它們的大小。然而，根據(jù)HSR協(xié)議的幀在它們的頭部中攜帶長(zhǎng)度字段，并且因此可以精確地指示它們的長(zhǎng)度而沒(méi)有先前的緩沖。在任何情況下，發(fā)送端口確定幀的長(zhǎng)度并且決定是立即發(fā)送它還是僅在下一個(gè)偶發(fā)階段中發(fā)送它。作為吞吐量的數(shù)值示例，假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送64個(gè)八位字節(jié)的最小長(zhǎng)度幀(等同于64*8=512比特)，或通過(guò)以最小0. 96 ii s的幀間間距以100Mbit/s的網(wǎng)絡(luò)速度5 y s (或以lGBit/s 0.5iis)。例如TCP/IP幀的非時(shí)間關(guān)鍵幀(S幀)可以占據(jù)1522個(gè)八位字節(jié)并且持續(xù)大約122s(或以lGBit/s 12. 2 ii S)。利用對(duì)應(yīng)于4kHz的最高發(fā)送頻率的250 u s的基本時(shí)期(或以lGBit/s 25ii s和40kHz)，對(duì)于一個(gè)最大長(zhǎng)度S-幀和來(lái)自21個(gè)裝置的R-幀存在足夠的間距。使用61850-9-2 SMV最大尺寸幀(160個(gè)八位字節(jié))使最高發(fā)送頻率降低至 2. 5 kHz (以 lGBit/s 25kHz)。圖3描繪在示范性節(jié)點(diǎn)2內(nèi)在不同地點(diǎn)的一連串幀。頂部線條描繪準(zhǔn)備在下一個(gè)偶發(fā)階段發(fā)送的幀，而第二線條描繪由節(jié)點(diǎn)的內(nèi)-端口(端口 A)接收的幀，并且底部線條描繪在外-端口(端口 B)處的巾貞。以某一發(fā)送延遲A s將節(jié)點(diǎn)的本地(domestic)巾貞R2轉(zhuǎn)發(fā)到端口 B。因?yàn)榘l(fā)送幀的時(shí)間(12 ii s)相對(duì)于兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的傳播時(shí)間(lii S，對(duì)應(yīng)于200m·的距離)是長(zhǎng)的，在相同時(shí)間由共用時(shí)鐘觸發(fā)的相鄰節(jié)點(diǎn)I的R-幀Rl將在該節(jié)點(diǎn)正傳送其自身的R-幀R2時(shí)到達(dá)節(jié)點(diǎn)2。該節(jié)點(diǎn)然后以最小幀間間隔A f將幀Rl附加到其自身的幀R2(以100Mbit/s 0. 96iis)。這同樣發(fā)生在所有后續(xù)接收的R-幀上，從而建立具有最小幀間間隔的一列R幀。在TP2中，從由該節(jié)點(diǎn)接管的應(yīng)用接收的本地偶發(fā)幀S2準(zhǔn)備在偶發(fā)階段SP開(kāi)始前發(fā)送，并且對(duì)應(yīng)地被延遲直到時(shí)期的開(kāi)始。定期階段的結(jié)束可以通過(guò)觀察自定期階段開(kāi)始的第一最小尺寸幀間間隔或通過(guò)計(jì)算定期階段的最大長(zhǎng)度而確定。最后在TP3中，偶發(fā)幀Sx由于一些誤差而太早被接收并且對(duì)應(yīng)地被延遲直到偶發(fā)階段開(kāi)始。圖4最后描繪示范性交換節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)或架構(gòu)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)假設(shè)成區(qū)分高優(yōu)先級(jí)R-幀(對(duì)其提供確定性)的業(yè)務(wù)與較低優(yōu)先級(jí)S-幀(軟實(shí)時(shí)響應(yīng)對(duì)其是足夠的)的業(yè)務(wù)。為此，節(jié)點(diǎn)對(duì)于兩種幀具有截然不同的隊(duì)列，如在圖4中描繪的。因?yàn)橛布械年?duì)列無(wú)法同時(shí)被不同的記錄器訪問(wèn)，在每個(gè)發(fā)送端口處，截然不同的一對(duì)R和S隊(duì)列用于每個(gè)源。例如，傳送器TX_A在發(fā)送端口 A處從S-隊(duì)列SBtoA(其中讓經(jīng)由端口 B接收的S-幀排隊(duì))、S_隊(duì)列SCtoA (其中讓來(lái)自接管應(yīng)用的S-幀排隊(duì))、R-隊(duì)列RBtoA (其中讓經(jīng)由端口 B接收的R-幀排隊(duì))以及R-隊(duì)列RCtoA (其中讓來(lái)自接管應(yīng)用的R-幀排隊(duì))饋送。當(dāng)時(shí)鐘指示常規(guī)時(shí)期的開(kāi)始時(shí)，發(fā)送時(shí)間以傳送R-幀，傳送器TX_A在發(fā)送端口 A處收集來(lái)自其R-隊(duì)列RCtoA和RBtoA的R-幀用于瞬時(shí)傳送。提出的方法假設(shè)對(duì)于所有節(jié)點(diǎn)的共用時(shí)鐘存在大約I U s的精確度，其通過(guò)例如GPS、PPS或優(yōu)選地IEEE 1588的適合的部件而同步。在后者的情況下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)既普通又顯而易見(jiàn)的混合時(shí)鐘并且根據(jù)IEEE 1588使局部時(shí)鐘再同步。當(dāng)已經(jīng)傳送R-幀時(shí)，節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送S-幀。節(jié)點(diǎn)知道時(shí)間關(guān)鍵階段在輸入隊(duì)列和輸出隊(duì)列對(duì)于比幀間間距或間隔A f更長(zhǎng)的時(shí)間為空時(shí)結(jié)束。這允許在偶發(fā)階段期間使S-幀隊(duì)列變空。定期階段必須被設(shè)計(jì)使得對(duì)于至少一個(gè)S-幀總存在足夠的地方。最后，本發(fā)明可以在沒(méi)有另外的修改的情況下用于使若干環(huán)形通信網(wǎng)絡(luò)耦合，例如通過(guò)根據(jù)IEC 62439-3條款5的方盒(quadbox)，如在EP-A 2148473中詳述的。在該情況下，方盒的本地幀(其對(duì)應(yīng) 于上文的示例中來(lái)自接管應(yīng)用的幀)實(shí)際上與相鄰環(huán)有關(guān)。
權(quán)利要求
1.一種在互連多個(gè)同步節(jié)點(diǎn)(1-4)的通信網(wǎng)絡(luò)中傳送幀的方法，其中節(jié)點(diǎn)定期傳送包括時(shí)間關(guān)鍵數(shù)據(jù)的常規(guī)幀(R1-R4)，并且其中節(jié)點(diǎn)不定期傳送偶發(fā)幀(S2，S3)，所述方法包括 一由多個(gè)節(jié)點(diǎn)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)在共同傳送時(shí)期(TP1，TP2)開(kāi)始時(shí)傳送常規(guī)幀(R1-R4)， 一由節(jié)點(diǎn)(2)從第一相鄰節(jié)點(diǎn)(I)接收常規(guī)幀(Rl，R4，R3)，并且在相同傳送時(shí)期內(nèi)將接收的常規(guī)幀轉(zhuǎn)發(fā)到第二相鄰節(jié)點(diǎn)(3)，以及 一由節(jié)點(diǎn)延遲偶發(fā)幀(S2)的傳送直到完成所有接收的常規(guī)幀的轉(zhuǎn)發(fā)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，包括 一延遲偶發(fā)幀的傳送直到專用于常規(guī)幀傳送的常規(guī)階段(RP)的觀察結(jié)束。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，包括 一由節(jié)點(diǎn)并且在偶發(fā)幀傳送之前證實(shí)偶發(fā)幀的傳送是否可在下一個(gè)傳送時(shí)期(TP2)開(kāi)始之如完成。
4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述通信網(wǎng)絡(luò)是環(huán)，所述方法包括 一由起始節(jié)點(diǎn)(I)將巾貞(34a)和復(fù)制巾貞(34b)分別傳送到第一和第二相鄰節(jié)點(diǎn),其中通過(guò)冗余標(biāo)識(shí)符來(lái)識(shí)別幀和復(fù)制幀。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述冗余標(biāo)識(shí)符包括幀的長(zhǎng)度，所述方法包括 一基于包括幀的長(zhǎng)度的所述冗余標(biāo)識(shí)符，由節(jié)點(diǎn)并且在偶發(fā)幀或復(fù)制偶發(fā)幀傳送之前證實(shí)偶發(fā)幀的或復(fù)制偶發(fā)幀的傳送是否可在下一個(gè)傳送時(shí)期(TP2)開(kāi)始之前完成。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其包括 -由所述節(jié)點(diǎn)(2)將從所述第一相鄰節(jié)點(diǎn)(I)接收并且要在常規(guī)隊(duì)列(RBtoA)中轉(zhuǎn)發(fā)到所述第二相鄰節(jié)點(diǎn)(3)的常規(guī)幀(Rl)排隊(duì)，并且由所述節(jié)點(diǎn)(2)將來(lái)自由所述節(jié)點(diǎn)(2)接管的應(yīng)用并且要在不同的隊(duì)列(RCtoA)中傳送到所述第二相鄰節(jié)點(diǎn)(3)的常規(guī)幀排隊(duì)。
7.一種通信網(wǎng)絡(luò)，互連多個(gè)同步節(jié)點(diǎn)(1-4)，其中節(jié)點(diǎn)定期傳送包括時(shí)間關(guān)鍵數(shù)據(jù)的常規(guī)幀(R1-R4)，并且其中節(jié)點(diǎn)不定期傳送偶發(fā)幀(S2，S3)，所述網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)包括部件，其用于 一在共同傳送時(shí)期(TP1，TP2)開(kāi)始時(shí)傳送常規(guī)幀(R1-R4)， 一從第一相鄰節(jié)點(diǎn)(I)接收常規(guī)幀(R1，R4，R3)，并且用于在相同傳送時(shí)期內(nèi)將接收的常規(guī)幀轉(zhuǎn)發(fā)到第二相鄰節(jié)點(diǎn)(3)，以及 一延遲偶發(fā)幀(S2)的傳送直到完成所有接收的常規(guī)幀的轉(zhuǎn)發(fā)。
8.如權(quán)利要求7所述的通信網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)包括用于延遲偶發(fā)幀的傳送直到常規(guī)階段(RP)的觀察結(jié)束的部件。
9.如權(quán)利要求7或8所述的通信網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)包括用于在偶發(fā)幀傳送之前證實(shí)偶發(fā)幀的傳送是否可在下一個(gè)傳送時(shí)期(TP2)開(kāi)始之前完成的部件。
10.如權(quán)利要求7或8所述的通信網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述通信網(wǎng)絡(luò)是環(huán)，其中幀(34a)和復(fù)制幀(34b)由起始節(jié)點(diǎn)(I)分別發(fā)送到第一和第二相鄰節(jié)點(diǎn)，并且其中通過(guò)冗余標(biāo)識(shí)符來(lái)識(shí)別幀和復(fù)制幀。
11.如權(quán)利要求10所述的通信網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述冗余標(biāo)識(shí)符包括幀的長(zhǎng)度，并且所述網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)包括用于基于包括幀的長(zhǎng)度的所述冗余標(biāo)識(shí)符在偶發(fā)幀或復(fù)制偶發(fā)幀傳送之前證實(shí)偶發(fā)幀的或復(fù)制偶發(fā)幀的傳送是否可在下一個(gè)傳送時(shí)期(TP2)開(kāi)始之前完成的部件。
12.如權(quán)利要求7到11中任一項(xiàng)所述的通信網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，節(jié)點(diǎn)與過(guò)程控制PC或變電站自動(dòng)化SA系統(tǒng)的智能電子裝置IED有關(guān)。
全文摘要
本發(fā)明涉及互連多個(gè)同步節(jié)點(diǎn)(1，2，3，4)的通信網(wǎng)絡(luò)，其中定期或周期地傳送包括時(shí)間關(guān)鍵數(shù)據(jù)(R1，R2，R3，R4)的常規(guī)幀(RP)，并且不定期或偶然傳送偶發(fā)幀(SP)。具體而言，多個(gè)節(jié)點(diǎn)(1，2，3，4)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)在所有節(jié)點(diǎn)所共同并且在其之間同步的傳送時(shí)期開(kāi)始時(shí)傳送常規(guī)幀(RP)。節(jié)點(diǎn)然后從其第一相鄰節(jié)點(diǎn)接收常規(guī)幀(RP)，并且在相同傳送時(shí)期內(nèi)以及以最短延遲將它們轉(zhuǎn)發(fā)到第二相鄰節(jié)點(diǎn)。此外，節(jié)點(diǎn)積極地延遲任何偶發(fā)幀(SP)(無(wú)論是源于由節(jié)點(diǎn)自身接管的應(yīng)用還是從相鄰節(jié)點(diǎn)接收的)的傳送，直到完成所有接收的常規(guī)幀(RP)的轉(zhuǎn)發(fā)。
文檔編號(hào)H04L12/413GK103004143SQ201180036343
公開(kāi)日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2011年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月20日
發(fā)明者H.基爾曼, J-C.圖尼耶 申請(qǐng)人:Abb研究有限公司