能冗余地运行的工业化的通信系统、用于其运行的方法和无线接收站与流程

工业自动化系统用于监视、控制和调节工业过程、特别是在制造、过程和楼宇自动化的范围中，并且能够实现控制装置、传感器、机器和工业化设备的运行，其应当尽可能自动并且独立于人为干预地实现。由于信息技术对于包括大量联网的控制或计算单元的自动化系统越来越重要，所以用于可靠地提供经由自动化系统分布的用于提供监视、控制和调节功能的方法越来越重要。

工业自动化系统的计算单元之间或自动化装置之间的通信连接的中断能够导致对服务请求的输送的不期望或不必要的重复。这造成工业化的自动化系统的通信连接的额外负荷，这能够导致进一步的系统干扰或错误。此外，未输送或未完整输送的消息例如能够阻碍工业自动化系统转入或保留到安全的运行状态中。最终这能够导致整个生产设备的故障。特别的问题在工业化的自动化系统中经常由具有相对较多但是相对较短的消息的信息交换所引起，由此加重了上述问题。

为了能够补偿通信连接或设备的故障，开发了用于高可用性的能冗余地运行的工业化的通信网络的通信协议、如介质冗余协议、高可用性无缝冗余或并行冗余协议。介质冗余协议(MSR)在IEC 62439标准中限定并且能够在拥堵地冗余地传输信息时实现对具有简单的环形拓扑结构的网络中的连接故障的补偿。根据介质冗余协议，具有两个端口的交换机在环形拓扑结构之中被分配有冗余管理器，其监视网络的连接故障并且在可能的情况下为环形接口引入切换措施。

原则上，拥堵的介质冗余方法能够以相对较小的花费实现。然而缺点在于，一方面在故障情况下可能丢失信息，并且另一方面在重新配置通信网络期间首先存在有干扰状态。这样的干扰状态必须通过叠加的通信协议、例如借助于TCP/IP在网络层或输送层进行保护，从而避免通信连接的中断。

过程现场网络(IEC61158类型10)也参考了介质冗余协议作为具有环形拓扑结构的通信网络之中的拥堵的介质冗余方法。与此相对，用于计划复制的介质冗余(MRPD)表现了对等时的实时数据的无冲突的传输的扩充。然而用于计划复制的介质冗余不是应用中立的无冲突的介质冗余方法，而是对过程现场网络的专门扩充。

高可用性无缝冗余(HSR)和并行冗余协议(PRP)在IEC 62439-3标准中限定并且能够以尽可能小的恢复时间实现信息的无冲突的冗余的传输。根据高可用性无缝冗余和并行冗余协议，由进行发送的通信设备复制每个信息并且在两个不同的道路上发送给接收者。通过接收侧的通信设备从接收的数据流中滤出代表副本的冗余的信息。

在IEC 62439-3标准中由于无线通信系统中相对较长的延迟运行时间和由此限制的不确定的传输行为而在迄今为止仅为并行冗余协议(PRP)规定了有线的传输路径。在Markus Rentschler，Per Laukemann IEEE 2012的“面对可靠的并行冗余的WLAN黑色通道”中研究了PRP通信网络中的WLAN传输路径的适用性。借助于为例如空间、时间和频率并行地应用不同的分集性技术能够在WLAN通信网络中充分地补偿随机的通道衰减的影响。

从EP 2 712 124 A1中已知了具有冗余地连接到工业化的通信网络上的通信设备的冗余地运行的工业化的通信系统，在其中至少部分无线地实现了信息输送。在工业化的通信网络中，为有线连接在网络节点上接收并且由其进行无线发送的消息元素设置多个缓存单元。在超过最大缓冲大小时删除处于相应的缓存单元中最久的消息。将最久的消息选择为下一个待无线发送的消息元素直到超过最大缓冲尺寸。

在DE 10 2012 209509 A1中描述了用于在具有至少一个传输装置的移动用户和静止的接收器之间进行安全的数据传输的装置。在此，移动用户能够在多个无线蜂窝之间切换。每个无线蜂窝都具有至少一个传输装置，其无线地连接到至少一个网络上。静止的接收器同样无线连接到至少一个网络上。不仅移动用户和其相应的所属的传输装置之间的无线传输、还有传输装置和至少一个所属的网络之间的无线的数据传输都冗余地实现。静止的接收器冗余并且无线地连接到网络上。

为了使自动化设备利用冗余的通信网络之中的完全独立的以太网接口以高可用性的方式连接到单向连接的自动化设备上，根据DE 10 2013 211406 A1为相应的单向连接的自动化设备应用Y交换机。在此，Y交换机经由第一或第二端口与冗余的通信网络的第一或子网络连接，同时其经由第三端口间接或直接地与单向连接的自动化设备连接。此外，在第一、第二或第三端口上输入的数据帧被分配给第一、第二或第三VLAN。附加地，将第一或第二端口设置为对于第一和第三VLAN或用于第二或第三VLAN的未标记的成员。第三端口被设置为对于所有三个VLAN的未标记的成员。在前两个端口上已知的单播MAC地址自动地读取为第三VLAN的静态的条目。在删除在前两个端口上已知的单播MAC地址时也实现了删除第三VLAN的相对应的静态的条目。

从DE 10 2011 082965 A1中已知了用于运行网络布置的方法，其包括多个在环形结构中相互耦连的网络装置。在此，每个网络装置都具有控制装置和带有用于耦连到通信线路上的至少两个端口的交换装置。在运行时同时在环形结构中提供至少两个VLAN。在此实现了将数据包从所选的网络装置的控制装置经由交换装置的一个端口发送到两个VLAN中的一个中。在此，为一个VLAN关闭所选的网络装置的交换装置的另一个端口。通过应用两个VLAN能够实现冗余的可靠的数据传输。通过合适地关闭进行发送的网络装置的特定端口，阻止网络环中的VLAN变得不稳定。

在DE 10 2011 004064 A1中已知了用于在两个网络域之间建立连接的环形拓扑结构中的中间网络，其包括第一边缘节点和第二边缘节点，它们是第一网络域的边缘节点。这些边缘节点经由第一网络域之中的第一网络连接相互连接。附加地设置有第三边缘节点和第四边缘节点，它们是第二网络域的边缘节点。这些边缘节点经由第二网络域之中的第二网络连接相互连接。第一虚拟网络连接经由中间网络将第一和第三边缘节点连接。第二虚拟网络连接经由中间网络将第二和第四边缘节点连接。第一网络连接、第二网络连接、第一虚拟网络连接和第二虚拟网络连接具有环形拓扑结构，在其上执行连接冗余协议。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提出一种能冗余地运行的具有无线传输路径的通信系统，其对于工业自动化系统中的应用来说能够实现数据传输率的提高，并且给出用于其运行的方法以及合适的系统构件。

根据本发明，该目的通过具有权利要求1所述的特征的通信系统实现，通过具有权利要求15所述的特征的方法实现，并且通过具有权利要求22所述的特征的无线接收站实现。本发明的有利的改进方案在从属权利要求中给出。

根据本发明的通信系统包括至少一个冗余地连接到工业化的通信网络上的第一通信设备和第二通信设备，它们分别具有至少一个第一通信网络接口和第二通信网络接口。与第一和第二通信网络接口连接有信号处理单元，其具有用于将待发送的数据帧并行地传送到两个通信网络接口的多路转换单元和用于处理从两个通信网络接口接收的数据帧的冗余处理单元。在此，冗余处理单元包括滤波单元，其被设计和设置为检测所接收的冗余的数据帧。此外，设置至少一个分配给工业化的通信网络的第一网络基础设施和第二网络基础设施，其分别具有多个通信网络接口以及将通信网络接口相互连接的耦连元件。网络基础设施例如能够是交换机。优选地，网络基础设施的耦连元件是高速总线或被分配有控制器的背板交换机。

根据本发明，第一通信设备经由其第一通信网络接口和第二通信网络接口冗余地连接到第一网络基础设施，同时第二通信设备经由其第一通信网络接口和第二通信网络接口冗余地连接到第二网络基础设施。第一通信设备和第二通信设备或第一网络基础设施和第二网络基础设施设计和设置、特别是配置用于，将从通信设备第一和第二通信设备的第一通信网络接口输送到相应的网络基础设施的数据帧分配给第一虚拟局域网。此外，第一通信设备和第二通信设备或第一网络基础设施和第二网络基础设施被设计和设置为，将从第一通信设备和第二通信设备的第二通信网络接口输送到相应的网络基础设施的数据帧分配给第二虚拟局域网。此外，在第一网络基础设施和第二网络基础设施上分别连接至少一个第一无线收发站和第二无线收发站。无线收发站或网络基础设施设计和设置、特别是配置用于，借助于相应的第一无线收发站经由第一无线网发送分配给第一虚拟局域网的数据帧，并且借助于相应的第二无线收发站经由第二无线网发送分配给第二虚拟局域网的数据帧。第一无线网和第二无线网例如能够是无线局域网、WiMAX、UMTS、LTE移动无线网或其它的移动无线网。有利地，第一无线网和第二无线网能借助于无线网识别标志进行标识，例如借助于服务集标识符。原则上，第一和第二无线收发站分别至少被分配有第一无线网和第二无线网。

根据本发明的通信系统的优点在于，两个无线网不必同时以相互冗余的数据传输被相一个接收器所占据，而是能够通过相应的发送队列管理被不同的接收器同时所使用。由此得到有效的资源利用或者提高的有效数据传输率。如果过两个无线网以不同的频带运行，那么同时冲突的概率就非常小。

根据本发明的一个有利的设计方案，相互冗余的数据帧通过一致的序列号表征。在此，第一通信设备和第二通信设备的信号处理单元被设计和设置为将序列号发放给要冗余地输送的数据帧。优选地，第一无线收发站和第二无线收发站被设计和设置为，在成功接收经由第一无线网或第二无线网发送的数据帧时在接收侧将确认消息输送到发送侧的无线收发站。此外，无线收发站或网络基础设施被设计和设置为，阻止发送具有被分配有在发送侧接收的确认消息的序列号的冗余的数据帧。如果数据帧例如已经经由更快的无线连接传输，那么就不再需要延迟地或经由更慢的无线连接传输对其冗余的数据帧，而是能够在发送侧丢弃。这能够实现更有效率的资源利用。

优选地，根据高可用性无缝冗余协议或根据并行冗余协议实现对待冗余地输送的数据帧的传输。在此，第一通信设备和第二通信设备例如能够是HRS冗余盒或PRP冗余盒。经由这样的HRS或PRP冗余盒能够分别将单向连接的通信设备与工业化的通信网络连接。

根据本发明的另一个设计方案，第一无线收发站和第二无线收发站被设计和设置为，根据分配给待发送的数据帧的目标MAC地址(代替作为FIFO原理)来确定待发送的数据帧的次序。在该情况下，在待发送到所选的目标MAC地址的数据帧之中通过其输入次序来确定次序。优选地，第一无线收发站和第二无线收发站被设计和设置为，连接到同一个网络基础设施上的第一无线收发站和第二无线收发站协调其待发送的数据帧的次序，使得两个无线收发站始终发送数据帧到不同的目标MAC地址。

此外，无线收发站在寻找相对应的合作站时相互协调，使得在寻找时暂时中断数据传输并且在其它的无线通道上寻找可用的合作站。对此，两个连接到同一个网络基础设施上的无线收发站能够彼此交换扫描令牌，通过其确定哪个无线收发站主动传输数据并且哪个无线收发站执行扫描可用的连接到各个其它的网络基础设施上的合作站。

根据本发明的用于冗余地运行工业化的通信系统的方法，至少一个第一通信设备和第二通信设备冗余地连接到工业化的通信网络上。在此，第一和第二通信设备分别具有至少一个第一通信网络接口和第二通信网络接口以及与第一通信网络接口和第二通信网络接口连接的信号处理单元。信号处理单元将待发送的数据帧并行地传送到两个通信网络接口并且检测从两个通信网络接口接收的冗余的数据帧。此外，设置有至少一个分配给工业化的通信网络的第一网络基础设施和第二网络基础设施，其分别具有多个通信网络接口以及将通信网络接口相互连接的耦连元件。

根据本发明，第一通信设备经由其第一通信网络接口和第二通信网络接口冗余地连接到第一网络基础设施，同时第二通信设备经由其第一通信网络接口和第二通信网络接口冗余地连接到第二网络基础设施。将从第一通信设备和第二通信设备的第一通信网络接口输送到相应的网络基础设施的数据帧分配给第一虚拟局域网。与此相对，将从第一通信设备和第二通信设备的第二通信网络接口输送到相应的网络基础设施的数据帧分配给第二虚拟局域网。此外，分别将至少一个第一无线收发站和第二无线收发站连接到第一网络基础设施和第二网络基础设施上。借助于相应的第一无线收发站经由第一无线网发送分配给第一虚拟局域网的数据帧，同时借助于相应的第二无线收发站经由第二无线网发送分配给第二虚拟局域网的数据帧。有利地，为两个无线网分配不同的识别标志或标识。

优选地，相互冗余的数据帧通过一致的序列号表征。在此，第一和第二通信设备的信号处理单元将序列号分配给要冗余地输送的数据帧。根据本发明的方法的一个特别有利的设计方案，第一无线收发站和第二无线收发站在成功接收经由第一无线网或第二无线网发送的数据帧时在接收侧将确认消息输送到发送侧的无线收发站。有利地，无线收发站或网络基础设施阻止发送具有被分配有在发送侧接收的所述确认消息的序列号的冗余的数据帧。

附图说明

接下来根据附图利用实施例详细阐述本发明。在此示出

图1是具有第一HSR/PRP冗余盒、第一有VLAN能力的交换机和多个连接到第一交换机上的WLAN收发站的工业化的通信系统的第一部分，

图2是具有第一HSR/PRP冗余盒、第二有VLAN能力的交换机和多个连接到第二交换机上的WLAN收发站的工业化的通信系统的第二部分。

具体实施方式

图1所示的工业化的通信系统的第一部分包括第一HSR/PR冗余盒102，其至少具有3个通信网络接口。第一HSR/PRP冗余盒102经由第一通信网络接口和第二通信网络接口冗余地连接到第一有VLAN能力的交换机103上。在该实施例中在控制系统层级上，在互连端口上连接有SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition(监控与数据采集))系统101，该互连端口是第一HSR/PRP冗余盒102的第三通信网络接口。此外，工业化的通信系统3的第一部分包括连接到第一交换机103上的WLAN站131-133上，其可选地能够承担WLAN接入点或WLAN客户端的职责。作为WLAN站的替换，原则上也能够将无线收发站应用于WiMAX、UMTS、LTE移动无线网或其它的移动无线网。接下来的实施方案与此类似。

根据图2，工业化的通信系统的第二部分包括同样具有至少3个通信网络接口的第二HSR/PRP冗余盒202。第二HSR/PRP冗余盒202经由第一通信网络接口和第二通信网络接口冗余地连接到第二有VLAN能力的交换机203上。在该实施例中在现场层级上，在互连端口上连接有工业自动化系统的传感器或执行机构系统201，该互连端口是第二HSR/PRP冗余盒202的第三通信网络接口。该传感器或执行机构系统201例如能够是加工机器人、用于传送系统或生产线上的操作和监视站的驱动器。此外，工业化的通信系统2的第二部分包括连接到第二交换机203上的WLAN站231-232，其同样可选地能够承担WLAN接入点或WLAN客户端的职责。

第一交换机103和第二交换机203分别包括多个通信网络接口和将通信网络接口相互连接的耦连元件。这样的耦连元件例如能够通过高速总线或被分配有控制器的背板交换机来实现。

第一HSR/PRP冗余盒102和第二HSR/PRP冗余盒202分别具有与其通信网络接口连接的信号处理单元，其具有用于将待发送的数据帧(Frames)并行地传送到相应的第一通信网络接口和第二通信网络接口的多路转换单元。通过多路转换单元复制由单向连接到工业化通信网络上的通信或自动化设备发送的数据帧10。相互冗余的数据帧11、12通过一致的序列号表征，其由相应的信号处理单元发放给要冗余地输送的数据帧。相互冗余的数据帧11、12随后由相应的HSR/PRP冗余盒102、202输送给第一交换机103或第二交换机203。第一交换机103和第二交换机203随后将这些数据帧11、12转发给相应的第一WLAN站131、231或第二WLAN站132、232。

此外，第一HSR/PRP冗余盒102和第二HSR/PRP冗余盒202分别具有用于处理从相应的第一通信网络接口和第二通信网络接口接收的数据帧的冗余处理单元。冗余处理单元又包括滤波单元，其设置用于检测和滤出所接收的冗余的数据帧。此外，各个信号处理单元被分别分配有存储单元，其存储已经无错接收的数据帧的序列号。在接收新的数据帧时，冗余处理单元执行与已经存储的序列号的一致性的检查。例如在该实施例中，待冗余地输送的数据帧根据并行冗余协议传输。原则上也能够根据高可用性无缝冗余来实现传输。接下来的实施方案与此类似。

将从第一HSR/PRP冗余盒102和第二HSR/PRP冗余盒202的第一通信网络接口输送到相应的交换机103、203的数据帧分配给第一VLAN。类似地，将从第一HSR/PRP冗余盒102和第二HSR/PRP冗余盒202的第二通信网络接口输送到相应的交换机103、203的数据帧分配给第二VLAN。借助于相应的第一WLAN站131、231经由具有第一WLAN-SSID的第一WLAN网络发送分配给第一VLAN的数据帧，同时借助于相应的第二WLAN站132、232经由具有第二WLAN-SSID的第二WLAN网络发送分配给第二VLAN的数据帧。在此，第一WLAN-SSID和第二WLAN-SSID是相互不同的。原则上，对于其它的数据传输来说，第一WLAN站131、231和第二WLAN站132、232也被分配给第二WLAN网络或第一WLAN网络。

在成功接收经由第一WLAN网络或第二WLAN网络发送的数据帧时，WLAN站131-133、231-232在接收侧将确认消息21输送到发送侧的WLAN站131。在接收到确认消息21时，发送侧的WLAN站132将弃帧消息132输送到分配给其的合作WLAN站132，其连接在相同的交换机103上。根据弃帧消息22，相应的合作WLAN站132阻止发送具有被分配有在发送侧接收的确认消息21的序列号的冗余的数据帧。这例如能够通过将冗余的数据帧从合作WLAN站的发送队列中删除或丢弃来实现，特别是一旦该数据帧在由相应的交换机输送之后到达合作WLAN站的时候。

对于有关每WLAN输送的数据帧方面提高的数据传输率来说，待发送的数据帧在复制之后借助于HSR/PRP冗余盒通过WLAN站优选地不再根据FIFO原理发送，而是以其发送次序根据目标MAC地址排列。在此，在目标MAC地址内部根据相应的WLAN站上的接收时间点实现原始次序的保持。此外优选地，在彼此关联的合作WLAN站通过协调的发送队列管理保障了：经由两个合作WLAN站绝不同时输送数据帧到同一目标MAC地址。