[发明专利]用于在工业环境中通信的系统和方法

说明书

本发明公开了一种用于在工业环境中通信的系统。该系统包括服务器布置，该服务器布置经由数据通信网络被通信地耦接至至少一个网络核心和多个设备。该系统使用服务器布置生成用于多个设备中的每个设备的定时信息，并且定时信息被转换为待由多个设备中的每个设备接收的多个定时分组。该系统经由至少一个网络核心，向多个设备中的每个设备广播多个第二封装的定时分组。数据通信网络的通信信道可对多个定时分组进行第一封装，并且至少一个网络核心，对多个第一封装的定时分组进行第二封装。该系统基于定时信息，从多个设备中的每个设备接收用于通信的上行链路数据，并将下行链路数据提供给与该系统对应的所述多个设备。

技术领域

本发明总体上涉及电信和网络领域，尤其涉及一种用于在工业环境中通信的系统和方法。

背景技术

在过去的数十年中，工业控制系统已经见证了显着的技术进步，其允许有线和无线通信网络来支持各种设备之间的通信。总体上，环境中设备之间的通信促进了大规模复杂过程的自动化。此外，该环境还需要一种可靠的方式来实现可被分布在通信网络的蜂窝和固定基础设施中的工业设备之间的无缝连接和实时连接。

通常，使用设备之间的串行接口来建立直接物理连接，以使得能够在该环境中进行通信。但是，近来，基于工业以太网的协议(例如，EtherCAT、PROFINET、PROFIBUS、通用工业协议、HART、POWERLINK、Modbus-TCP和以太网/IP)以在工业环境中进行鲁棒通信的运用激增，而这是由于其能够使用标准的组网硬件来进行有线通信和无线通信，并且进一步地，还由于其能够对使用以太网基础架构所进行的数据交换的可靠性和时间敏感性进行微调。在一个示例中，具有一系列信道的以太网基础设施具有用于无时间限制的数据交换的标准TCP/IP信道、用于对数据(例如警报和关键数据)实时通信的信道，以及用于在环境中的控制设备之间进行非常精确的高速通信的同步实时(Isochronous Real Time，IRT)信道。此外，基于以太网的协议利用了精确透明时钟协议(例如，精确时间协议(Precision TimeProtocol，PTP)和网络时间协议(Network Time Protocol，NTP))来实现工业环境中的工业设备的一致并且时间同步的操作。精确时钟协议(Precise Time Clock Protocol，PTCP)假设了与数据下行链路有关的延迟时间(即，下行链路延迟时间)和数据上行链路有关的延迟时间(即，上行链路延迟时间)相等。此外，如果基于以太网的协议没有遵循这样的假设，则在在所述网络上进行的数据交换期间会出现定时误差，其中，该定时误差为下行链路延迟时间和上行链路延迟时间的时间之差的一半。另外，由于定时误差而导致的这种延迟不对称性，归因于数据下行链路和数据上行链路的不对称路由，而这又进一步导致了在工业环境中通过有线通信网络和无线通信网络来交换数据时所固有的不对称性。

此外，蜂窝网络被设计为用于最佳数据交换，其中，数据的上行链路和数据的下行链路本质上为不对称的，从而允许从固定网络下载数据。在这方面，蜂窝网络为数据的下行链路分配大部分资源(例如带宽)。但是，这种分配方式影响了由此所采用的PTCP(例如PTP和NTP)中的时钟同步。另外，该用于下行链路的资源分配方式进一步限制了工业环境中数据的上行链路。而且，通常地，蜂窝网络将上行链路和下行链路隧道分配给将数据从设备封装到移动核心的设备(例如，远程设备)，其中，隧道终止于分组数据网络网关(Packet DataNetwork Gateway，PGW)。此外，PGW将设备连接至固定网络(例如，公共Internet、专用LAN等等)。然而，这种蜂窝网络并不向设备提供基于以太网的协议，从而阻止设备发送以太网帧。因此，通过蜂窝网络的连接仅限于通过Internet传送的IP数据。另外，用于双向数据通信以进行设备发现和地址分配的单播、多播或广播在蜂窝网络上均是不可行的。