高可用性通信系統的制作方法

專利名稱：高可用性通信系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于在通信用戶之間實現可靠通信的通信系 統以及一種用于在通信用戶之間實現可靠通信的方法。
背景技術：
在這些各個通信用戶行使重要職能并且必須4吏發生在通信用 戶之間的通信不中斷地進行的系統中，通常應用冗余設計的通信信 道，從而即使在一個信道故障時也可以在相應的另外的信道上進行 通信用戶之間的數據傳輸。通信用戶本身例如可以是在自動化系統 中的現場設備或者控制裝置。在此，在中央控制裝置和現場設備之 間的通信線路一般被稱為現場總線。現場總線的組件，也就是通信 用戶，例如有現場總線控制器、現場總線裝置、開關、路由器、電
纜以及WLAN (無線區域網)線路。除了自動化系統之外，例如在 如建筑物監測或者也可以為空中交通監測系統的監測系統的范圍 內可以考慮代替控制裝置和現場儀表的其它組件作為通信用戶。例 如用于監測公共場合的針對安全性的攝像機同樣也可以作為通信 用戶通過可靠的通信信道發送其數據。
通常，在這種類型的自動化系統或監測系統中對于可靠性至關 重要的組件或通信用戶都i殳計成冗余的，也就是說至少雙備份的，
代該故障的通信用戶。通過對可靠性至關重要的組件的冗余i殳計和 通過通信線路的雙信道設計確保了 總是可以提供一個備用的通信
通道，所參與的針對安全的組件可以通過該通道可靠地進行通信。 這就是說，在自動化系統或監測系統的范圍內可能出現的所有故障 中，可以通過一個備用通道不中斷地繼續進4亍通信。
在以前的解決辦法中存在多種在故障時保持通信的方案。例如
在諸如過程現場總線-DP (Profibus DP)的系統中可以這樣地實現 系統冗余，即在所參與的組件之間存在兩個物理線工洛。只要兩個通 信信道完整無損的話，在此兩個線^各中的一個就是優先信道或者i兌 主信道，而另一個信道就起到備用信道或備份信道的作用。這里凄t 據通過兩個信道在兩個通信用戶之間進4亍發送，然而只是優先信道
用信道中也運行有數據電碼，以不斷地測試該線路。如果例如一個 現場總線控制器在該系統中的通至現場總線裝置的優先信道中才全 測到通信故障，那么現場總線控制器就在備用線路上發出 一個特殊 的切換電碼，該切換電碼通知現場總線裝置切換至相應的備用信道 上，并在接下來將備用信道作為優先信道使用。然而，在此其缺點
步地傳輸并因此需要附加的措施，例如附加等候時間或延遲時間， 從而阻止了所謂的切換脈沖。在此，切換脈沖是指作為切換的結 果，在最后接收到的應用循環之前的那個應用循環的數據由數據接 收器接收。這種有缺陷的接收雖然被作為故障被識別，但是在同時 應用一個安全協i義時就引入了一種安全反應，例如斷開i殳備，這應 該通過一種所謂平滑切換來避免。尤其是對于具有根本不同的傳輸
術方面也就是"i兌相互遠離分開布置或者"i兌布置在網絡的不同位置 上，從而數據電碼需要有一個很不相同的傳輸時間，以便從一個相 應的發送器發送至冗余的組件上，這樣的解決方案并不合適，這是 因為切4奐電碼可能在一個時間到達該冗余的同等通4言系統，該時間
在冗余的同等通信系統之間差別4艮大。因此，必須采用一種相應的 延遲時間，以便保證在優先信道與備用信道之間的正確切換。
在另 一種系統中，具有臨時冗余(flying redundancy )的過程現 場總線-DP (Profibus DP)可以i殳有一條或者兩條物理線^各用于進 行通信。在這里，現場總線可以由一個或兩個現場總線控制器來操: 縱。現場總線裝置可以具有一個或兩個至現場總線的4妄口 。然而基 本特征是邏輯上僅存在一個現場總線，而通過多少條電纜來進行 通信則無所謂。原則上，所有組件相互連沖妄。這里也如上所述那樣 具有相同的原理的一個優先信道和一個具備信道，只是這些信道分 享一個邏輯的現場總線。在臨時冗余的情況下，在每次切換時在現 場總線裝置上自動地進行現場總線-用戶地址的切換。在這里，優先 信道總是一個在現場總線控制器與現場總線裝置上的一個固定地 址之間的線路，兩個接口中的哪一個接口正好具有該地址則是無所 謂的。備用信道存在于現場總線控制器與具有優先信道的地址的現 場總線-接口之間，該地址一皮^是高確定的偏移。在此，在夾點同樣也在 于對于在優先信道和備用信道之間的切換來i兌需要切換電碼，這 些電碼并不同步于循環的有效凄史才居來傳1#。
在應用以太網時也同樣存在兩條物理線路，并通過這兩條線路 進行通信。在此，所有電碼被編號。具有新的編號的電碼被接收。 該方法的缺點在于這非常復雜并且要求在兩個冗余設計的接收器 之間有緊密的耦合連接，這是因為必須對這些電碼編號不停地進行 比較，以1更決定哪個是最新的并進而是要應用的凄t據電碼。只有 當對應的通信用戶、也就是說例如現場總線控制器很緊地靠在一起 (<1 m)并且具有特有的通信線^^時，才應用這樣的結構或者說 這種方法。但是，這種類型的方法例如在空間上被比較分散的系統 中是不合適的，在該系統中冗余的組件、例如控制裝置在自動化系 統中被較遠地相互分開，并且由此在冗余的現場總線控制器之間的
間距可能大于1000 m。此外，在這種情況下現場總線控制器不可能 具有特有的通信線路，然后可以通過該通信線路進行編號比較。

發明內容
因此，本發明的目的在于，4是出一種通信系統和一種相應的方 法，其中，在一個^皮設計具有多個信道的通信系統中可以在主信道 與一個或多個備用信道之間實現平滑切換。
該目的通過一種在通信用戶之間進行可靠通信的通信系統來 實現，其具有至少一個在通信用戶之間的通信線^各，其中所述通 信線^各具有至少兩個信道用來傳輸有效數據電碼，其中，在每個時 間點都只有 一個信道作為通信的主信道，而其中另外的信道則被設 置為備用信道；以及在有效數據電碼中的、用于指示出哪個信道在 一個時間點是主信道或者是備用信道的狀態指示，其中通信用戶將 這樣的信道作為主信道，在該信道中隨著有效數據電碼的接收通過 通信用戶已經識別出從備用信道至主信道的最后的狀態變化。
此外，該目的通過一種方法來實現，這種方法用于在通信用戶 之間進行可靠的通信，在該方法中，有效凄t據電碼在通信用戶之間 通過至少兩個信道進4亍傳輸，其中，在每個時間點都只有一個信道 作為通信的主信道，其中，另外的信道則被用作備用信道，在該方 法中，哪個信道在一個時間點是主信道或者備用信道的信息借助于 有效數據電碼中的一個狀態指示來指出，其中，通信用戶將這樣的 信道作為主信道，在該信道中隨著有效數據電碼的接收通過通信用 戶已經識別出從備用信道至主信道的最后的狀態變化。
本發明基于這樣的認識，即在一個設計成具有多個信道的通信 系統中(在該系統中在每個時間點必須清楚地明白，例如四個通信
信道中的哪個是主信道，哪些是備用信道或備〗分信道)，在信道之 間的切換必須盡可能少費事而且總是平滑地進行。在此，"平滑地" 一皮理解為，在通信系統的范圍里，總是由一個通信用戶或一個組件 將最后的應用循環的數據作為通過相應信道的數據4妄收，并且不是 例如將較早的數據發送給4義器或組件并由它來進行分析處理。本發 明尤其是利用了以下方案，即簡單地通知在通信系統中所參與的組
件它們用以發送或4妻收的信道上的哪個信道纟皮作為主信道或作為
備用信道。為此，與該總歸以電碼形式傳輸的有效數據相聯系簡單 地將信道狀態指示出來。在此，根據本發明，狀態信息一皮簡單地附 加給例如由現場總線控制器發送給相應的現場設備或現場總線裝 置的有效數據電碼。然后，根據本發明來切換該有效數據電碼中的 狀態。在發送有效數據電碼時的這種狀態變化被系統使用，從而以 簡單的方式實現對至關重要的數據的選擇。這必須由通信用戶或接 收器只是在狀態變化之后才"傾聽"到。在分析處理有效數據電碼時 相應的現場設備因此可以同時地測定，是否該數據電碼已經通過主 信道或備用信道被發送了 。
附件地發送切換電碼或比較相應的編號(該編號在現有技術中 被附加給電碼，以便用信號傳遞數據電碼的現實性)在如同本發明 范圍里所提出的方法中就變得多余了。因此，有效數據電碼可以被 簡單地分析處理，并且可以將狀態電碼例如通過任意多的冗余信道發送。
為了在本發明的范圍里確保，即例如不會因為通過多個信道發 送指示出主信道狀態的電碼而將那些多個信道識別為主信道，因此 而提出，由接收器或通信用戶明確采用這樣的信道作為主信道，通 過該信道已經接收到具有狀態變化的最后的有效數據電碼，這種狀 態變化表示該4言道是一個主^[言道。因此要決定，哪個4言道應該真正 被采用作為主信道，考慮"最后贏得"的方法。這就是說，那個具有
在狀態指示中從備用到主要的最后的月永沖邊沿變換
(Flankenwechsel )的信道也適合作為主信道。為此，在4壬意多的 信道時實現唯一性，其中先決條件是所;現定的時間必須在一個切
換和復位之間。因此，確保一個信道正-好成為備用信道，該信道由 于在信道里的一個故障，而不能立即又成為主信道。在4-信道線^各 上，例如總是可以快速地繼續切換到另 一個功能正常的信道上。
本發明的另 一種有利的設計方案的特征在于， 一個二進制位被 設計作為在有效數據電碼中的狀態指示。因此并沒有大大加大有效 凄t據電碼。簡單地附加一個二進制位足以為4吏所參與的通信用戶測
是主信道或者是備用信道的信息來說反正只能有兩種狀態，而且這
些狀態可以借助于二進制位明確地傳^r給通信用戶。例如主信道的 狀態有利地通過1來示出，而備用信道的狀態則借助于o來示出。
本發明的另一有利設計方案的特征在于，所有通信用戶都設計
用于發送和沖妻收有效凄t據電石馬。因此， 一皮識別出的干護u可以由所有
通信用戶在網絡范圍里進行通才艮并且例如可以由所有通信用戶實 現借助于所述的方法進行的通信信道的切換。這里的優點在于，不 管在什么地方出現干擾故障，該故障都可以被直接地識別出來并且 可以切換到冗余的通信信道上。
本發明的另 一有利的i殳計方案的特征在于，在有效數據電碼的 發送器的情況中，從主信道向備用信道的狀態轉換不具有延遲。這 是有利的，這是因為在發送器中識別出的干擾(例如該信道的接收 側收到干擾)馬上導致信道的切換，從而4吏數據接收器(一旦它們
應的信道現在僅4又是備用信道，并且通過該信道所發送的H據不得 被進行分析處理或進一步應用。因此，切換電碼被立即并且毫無延 遲地被通知給所有參與的數據接收器。
對于^5U又由現場總線控制器或冗余的CPU (中央電碼處理單 元)確定信道中的哪一個應該是主信道的情況，本發明的另一個有 利的設計方案的特征在于，有效數據電碼的接收器(在此為現場總 線裝置)被這樣地設計，即該接收器識別出一個主信道的故障(發 送器(這里為現場總線控制器)以前沒有識別出該故障，這是因為
該故障僅僅出現在一個通信方向上)，并且當它使數據電碼發送返 回將其主信道的狀態直接切換至備用信道時才這才羊。因此確保發送
器才艮據主信道向備用信道的切換而快速地對信道故障估文出反應并 且引發一信道切換。
本發明的另 一有利的設計方案的特征在于，在循環的有效數據 電碼的發送器的情況中，只有當發送器完全地更新其有效數據時， 才實現從備用信道到主信道的狀態變化。本發明的該設計方案在例 如一個現場總線控制器在循環通信的情況下，在其可以組合其相應 的有效數據電碼并接下來使該電碼通過通信系統發送給接收器，例
如現場i殳備之前，才必須由一個連接的主才幾，例如一個存〗諸可編程
控制裝置來收集在一個完整循環里的數據時尤其具有優點。如果發 送器在這樣的情況下立即從備用信道切換至主信道，那么在某種情 況下， 一個循環的數據在現場總線控制器里就可能是不一致的。為 了避免這種情況，現場總線控制器一直等待，直到征集起完整的有 效數據電碼并且只是在此之后才由現場總線控制器作為數據發送 器從備用信道切換至主信道。因此，完整的有效數據電碼首先被征 集，然后為該電碼一皮以二進制狀態位的形式指派給相應狀態的主信 道，接下來，該具有主信道信息的有效m據電碼,皮發送。
本發明的一個可選的設計方案的特征在于，有效數據發送器并 不在一個完整的循環上收集有效數據，從而接下來將它們發送給接 收器，而是一旦產生有效數據以及當所有凄t據都到達并且最后的有
效數據電碼的狀態為主要的時，4妻收器才切換信道，就發送有效數據。
本發明的另 一有利的設計方案的特征在于，當所有信道都是備 用信道狀態時，通信用戶 一皮設計成用于存儲通過一個主通道接收到
的最后的有效數據電碼。對于有效凄t據電碼的存儲i殳置了 一個預先
的反應。該設計方案尤其具有這樣的優點，即如果通信系統的所有 信道都指示出備用狀態，那么在這種情況下，這些通過最后的主信 道已經被發送至通信用戶的最新的有效數據電碼被凍結起來。在此 可以規定一個保持時間，在該時間內通信用戶或組件存儲數據。若 這些組件在該保持時間之內又獲得有效數據電碼，這些電碼指示出 一個4言道為主4言道時，那么系統可以繼續運4亍下去，否則在經過該 時間之后例如促發在之前設定的反應，例如使所有數據歸零并組件 的相應的激活被終止或者設備進入緊急停車狀態。
該系統的另 一有利的設計方案的特征在于，通信用戶設計成具 有至少兩個冗余度。為了確保高可用性系統的最佳功能，當所有參 與的組件都是冗余的，也就是說，當在任何情況下一個冗余的設備 在其伙伴出現故障時都可以承擔其相應的功能時，這是非常有利的。
本發明的另 一有利的設計方案的特征在于，有效數據電碼的一 個冗余設計的發送器被這樣地設計，即該發送器識別出其冗余的通 信用戶的故障并使其信道狀態切換至主信道。由此而確保，即不僅 可以在 一 個完全具有功能的系統的范圍里在信道之間實現主動的 切換，而且在一個完全故障的范圍里，例如一個現場總線控制器的 故障的范圍里，可以立即由其伙伴識別出這種故障，而且該伙伴可 以相應地將其通信信道切換至主狀態。
本發明的另 一有利的設計方案的特征在于，通信用戶是針對安 全的系統的、尤其是自動化系統或者監測系統的組件。尤其是針對 安全的周圍區域里所有組件的高可用性和相應的數據傳輸的安全 性是特別必要的。在每個時間點都必須確保系統中所參與的組件都 接收正確的數據并利用正確的數據工作。這適合于自動化領域也適 合于針對安全的監測系統的領域。
本發明尤其具有這樣的優點，即一種這種類型的通信系統或方 法可以應用于任意多個相互冗余的信道，這是因為協調復雜性只是 線性地隨冗余信道的數量而增長。因為不需要用于避免切換脈沖的 多余的等候時間，因此可以在通信信道之間實現短的切換時間。所 述的解決方案即使在相互冗余的信道的有效凄t據傳輸時間或電碼 傳輸時間很不相同時也可以實現平滑的切換，這是因為隨時都可以
由每 一 個用戶識別出哪 一 個是對于最后的數據電碼來說至無重要
的主信道。
通過將所參與的發送器從主要至備用或從備用至主要的不同 的切換也可以應用于循環的通信，如實時的太網。由于要確保對 于一個應從備用切換至主要的發送器來說，在將信道從備用切換到 主要之前，用于有效凄t據電碼的內部凄t據才在一 個循環里 一皮征集起 來，因此確保了使所有的有效凄史據都^皮發送。
通過簡單地實現了借助于 一個二進制位來指示出信道的狀態， 而提出了一種保護資源的可能性，即在冗余的系統中確保可靠或者 說高可用的通信。在發送器中筒單地將一個二進制位附加在電碼 上，該電碼然后作為邊沿被接收器分析處理。這種簡單性是尤其重 要的，這是因為該系統也應該可以在非冗余的設備中轉換，該非冗 余的設備與冗余的設備高可用地(多信道)通信。然后，非冗余的 設備盡管如此識別出通過哪個信道應該來4妻收，也就是說應該利用
其最后的有效數據，或者i兌通過哪個信道應該發送當前的有效凄t據。
與現有技術不同的是，在現有^支術中最新的電碼通過編號來標 識并必須只于編號進4亍相應的比4交，而在本發明的范圍內不必管理電 碼編號溢出，此外借助于本發明的系統不僅控制了通信鏈路本身的 故障和干擾，而且也控制了例如現場總線控制器的通信界面的故障。
此外，可以在4壬意的ii/[言層里實施該解決方案。這里特別有利
于的是，即使在最高級別的通信層里也可以實施該解決方案冗余 的主才幾，例如存儲可編程控制裝置可以實現相互冗余的信道的配置 調整(主信道-備用信道)。在冗余的現場總線控制器之間不需要附 加的通信線^各。因此，利用該解決方案可以平緩地控制所有的通信干擾。
此外，該解決方案與電碼傳播時間無關，該傳輸時間在冗余的 信道之間可以有很大的差別，例如當通信用戶之間為分散的連接時。
為了實施該解決方案利用了以下事實當聲明一個信道為主信 道，而其它的一個或者多個信道作為備^f分而工作時，那么乂人可用性 只見點來看就夠了。在此，在實踐中,人來不需要在這些4言道之間快速 來回切換，這是因為 一個有故障的現場總線組件在其被修理之前就 一直是有古史障的。因此，在該時間內不會返回切4奐至該4言道。在此， 必須使典型的修理時間定在大約四個小時。只是間或地起作用的組 件通常不適合于高可用性i殳備，因此這里也不需要快速地來回切 換。本發明的解決方案還有以下優點，即非循環的服務，例如周圍 的報警或者非循環的有效數據電碼被指派有 一 個明確的傳輸路徑， 確切地i兌任何情況下都是主信道。


接下來，根據附圖對本發明進行詳細說明和闡述。
圖1示出具有環狀結構的通信系統的示意性結構；
圖2示出具有星形結構的通信系統的示意性結構；
圖3示出作為通信用戶進行通信的基礎的邏輯關系；
圖4示出在通信系統的信道之間進行切換的示意圖5示出在發送器故障時在通信系統的信道之間進行切換的示 意圖6示出包括沖妄收器的響應的通信系統的信道的切換的示意
圖7示出在發送器時從備用信道向主信道切換的延遲的示意
圖8示出在4妻收器時從備用信道至主信道切換的延遲的示意圖。
具體實施例方式
圖1中示例性示出了尤其是在自動化裝置中的冗余系統的網絡 結構。在該系統中，通信用戶l, 2通過冗余:計的通信線路PC1,
PC2相互連接。通信線路在此被設計成環形。通信用戶1， 2例如 是發送器，如現場總線控制器1,它們分別將一個所謂主機，例如 一個CPU 4的數據通過通信系統傳輸至數據接收器，例如接口模塊
2,這些接口一莫塊又與現場設備5連4妻。這里各個發送器和接收器 可以分別冗余或者單一:t也i殳計。在結構形式的范圍內，還可以存在 所謂的開關3,其用于對通過通信系統發送的數據進行所希望的分配。
圖2示出了具有通信用戶1, 2的相應的通信系統的另一種可 能的結構。通信線路PC1， PC2這里設計成星形。在此，數據電碼 的發送器例如是所謂的現場總線控制器1，它們分別將數據從CPU 4輸入到通信系統中。發送器1通過開關3與接收器、例如接口模 塊2相連接。接口模塊2為現場設備5提供來自通信系統的數據。 接口模塊2本身也可以接收來自現場設備5的相同數據并又將這些 數據通過通信系統發送至控制裝置或通過現場總線控制器1發送至 CUP 4。
圖3示出了作為通信用戶1, 2進行通信的基礎的邏輯關系。 在所示的實施例中基于如圖l所示的結構形式。在此，發送器lu, 1,.2， 1^和12.2通過冗余設計的邏輯通信信道LCI， LCII, LCIII, LCIV與接收器2,.,， 2u連接。在通信系統的冗余通信信道中，信 道LCII表明為主信道P，而信道LCI， LC III和LC IV則表明為 備用信道B。
為了進行通信，有效凄t據電碼N通過信道由發送器、例如現場 總線控制器1發送至接收器2。除了原來的有效數據之外，有效數 據電碼N還具有狀態指示S，通過該狀態指示通知所參與的通信用 戶1， 2,哪個信道是主信道P，哪個信道是備用信道B。狀態信息 S可以簡單地附加在有效lt據電碼上并由參與的通信用戶讀出。
因為用于接收器的信道是主信道還是備用信道的分配都是通 過用于接收器的各自有效數據電碼的二進制狀態位來進行，因此， 對于每個接收器或每個裝置來說主信道可以位于不同的邏輯通信
路徑上。對于不同的4妻收器或裝置來說，所有的邏輯通信信道可以 是主信道或者是備用信道。在所示的實施例中，信道LC II用作為
數據傳輸的主信道P,而信道LCI, LCm， LCIV則起到數據傳輸 的備用信道B的作用。各個信道的狀態在這種情況下也借助于一個 有效凄t據電碼N通才艮給通信用戶1, 2,其中有效凄t據電碼N具有 狀態指示S。
在圖1， 2和3中原則上示出的通信系統與其通信線^各PC 1, PC2的結構形式無關地按相同的原理起作用。作為用于數據傳4俞的 主信道P起作用的信道通過參與的通信用戶本身被規定為主信道 P,其中，從一個通信用戶1， 2發送出的有效凄t據電碼凈皮配置有相 應的狀態信息S。狀態信息S在這里就簡單地,皮附加在有效H據電 碼N上。狀態信息S例如可以是一個二進制4立。若該二進制位^皮i殳 定為1，那么信號通知相應的有效數據電碼N,有效數據電碼N的 4妄收器2的該信道應該一皮作為用于通信的主信道〗吏用，而且因此這 些數據就是用于進一步應用的當前適用的lt據，例如應用在主4幾4 或者在現場設備5上。因此對于每個通信用戶，主信道可以是不同 的信道。同樣地，具有狀態信息S的有效^t據電碼N^皮信號通知， 即該信道應該被用作為主信道P,同樣地是有效數據電碼的接收器， 即它們應該通過該信道來發送其當前的有效電碼。
同時為了進行測試可以通過備用信道B來發送有效凄t據電碼 N,然而這些有效數據電碼則在根據本發明的通信系統范圍里具有 另一個狀態S，也就是說起到備用信道B作用的那種狀態，而且相 應地通過這信道所，接收和發送的凄t據并不具有如主信道那樣相同 的現實意義，并且因此只可^皮有條件的^f吏用。
參照圖1， 2和3描述的實施例-故描述為用于自動化系統。然 而，也可以在其它的監測系統中考慮相應的場景。在一種針對安全 的監測系統中，數據發送器例如可以是控制單元，它們給不同的攝
像機發出指令，這些攝像機根據這些指令對不同部分進行聚焦或者 可以就變焦系數來說進行控制。同樣地，對于從針對安全的攝像才幾 至對應的中心位置的通信來說，可以按照上面所示實施例實現冗余 的數據傳輸，數據在該中心位置中^皮分析處理。在自動化系統或在 針對安全的監測系統中的所謂實施例僅是本發明的可能實現形式。 4壬4可其它的結構形式可以纟安照相同的原理;彈以實現，在該結構形式 中，通信系統應該在發送器與接收器之間傳輸對安全至關重要的數 據。
在故障保險的應用范圍里存在的安全協i義并不會由于實施本 發明而受到干擾，而是成為高可用的。這保證了針對安全的和高可 用性的自動化解決方案的組合的實現。
圖4簡略地示出了在兩個通信信道LC I, LC II之間進行切換 的原理。在此，有效數據電碼N的狀態指示S被這樣地示出，即水 平的線示出狀態S的二進制位的值。這里最上面的水平線是有效凄t 據電碼N的狀態S,該有效數據電碼例如由一個發送器，在此是由 現場總線控制器lu周期地發送。開始時，信道LC II應該是主信 道P，在圖3中，現場總線控制器lu通過該信道進行發送。這可 以通過如下方法來識別，即有效數據電碼的二進制狀態位的以前的 邊沿(Flanke)(未示出)定為1。在時間點to時，在通4言系統里或 者識別出一個錯誤或者另外地產生通信信道的切換。由發送器、即 現場總線控制器1 u則產生 一個信息ti ，該信息在時間點ti被發送器、 在當前情況下是現場總線控制器發送。最初被設定到主信道狀態的 信道LC II現在則由于有效數據電碼N的發送而被切換到備用信道 B。這在圖4中在表示電碼狀態的第一行里可這樣一皮識別出，即借 助于邊沿在時間點tj吏狀態從1 i殳定至0。因此，乂人時間點ti起， 發送器lu還通過信道LC II發送數據，但其中這些數據只表示備 份數據。
在圖4的第二行中示出了接收器2"對于發送具有改變的二進 制狀態位的有效凄t據電碼的響應，即示出了邊沿變換和緊隨于此的
信道切換。t。是由發送器lu所發送的有效數據電碼N到達接收器
2i.2所需要的時間。在接收器2 接收具有狀態變化的新的有效數據
電碼的瞬間，接收器2u同樣也做出反應，該狀態變化的特征在于 信道LC II應該起到備用信道的作用。在它接收了有效數據電碼之 后，接收器就知道了，信道LC II現在切換到了備份。根據傳輸時 間tn的不同，也就是沖艮據有效凄t據電碼N ,人發送器到達4妻收器所需 要的時間使接收器了解到狀態的改變。這里數據電碼的傳輸時間可 能是不同的，這用許多箭頭表示，這些箭頭示出從1到0的邊沿變 化。
在第3行中示出了發送器lu的狀態。發送器最初通過信道LC I發送有效數據電碼N。信道LCI最初作為備用信道B被連接。這
可以從底部示出的線識別出。在時間點to時，發送器lu則接收到
應該進行切換的信息。發送器內部需要一定的時間ti,用于將這信 息打包到下一個有效數據電碼N中并因此指示出 一種狀態的改變。 在時間點t,則使有效數據電碼里的二進制狀態位從0改變到1，而 且發送器lu通過發送具有相應的狀態指示的有效數據電碼指示 出，信道LC I應該^皮切換至主信道。
在圖4的第4行中示出了接收器2u的性能。接收器最初通過 作為備用信道B的信道LC I接收有效數據電碼，在此，二進制狀 態位調到0。在時間點t2時，^接收器2u乂人發送器lu接收到有效凄t 據電碼N,該電碼具有以下信息凄t據通過作為主信道P的信道LC 14皮發送。這可以由二進制狀態位從0向1的變化而識別出來。在 此，同樣也經歷一定的凄t據傳輸時間tn，該時間是有效教:據電碼N 用于從發送器lu至接收器2u的距離所需要的。
在圖4的第5行中示出現場設備5從哪個信道利用數據。直 至已經發生了切換的時間點to之前，現場設備使用通過作為主信道 的信道LC II所得到的數據作為對于本身至關重要的數據。從時間 點t。直到時間點t2，該信道必須被保持為主信道。此外，現場設備 由此還利用其來自信道LC II的數據。在時間點X2，在接收器2u 上實施切換并以使信道LC II切換至備用信道B,而信道I則切換 至主信道P。在12之前在相應的現場設備里都應用通過信道II所接 收的信息。
在所示的實施例中，從時間點t3起可以重新進行一次備用-主要
切換。對于在具有負的主邊沿的電碼在t2之前到達的情況，這樣來
設計該系統，即在電碼到達與t2之間的時間通過參數化的保持時間 來監測。如果這些參數化的保持時間結束了，那么接收器就將其數
據切換到替換值。對于具有負的主邊沿的電碼在t2后到達的情況， 可能的重新形成的主要-備用邊沿發生延遲，也就是說主信道相應地
向回切換。通過參數化的保持時間一方面確保了現場設備將這些 通過主信道已經*接收的最后的#:據^呆持足夠長，直到明了通過哪個 信道接著進行發送，并且只有這樣才能切換至這個信道。另一方面， 在保持時間結束時將數據調整設定至替換值。
在圖5中示出了一類似的場景，其中在這種情況下，以前通過 作為主信道的信道LCII已經進4亍發送的發送器lu在時間點t。完全 不起作用了 。在時間點^接收器2u確定它并沒有如預期的那樣 收到來自發送器lu的數據電碼。并不進行電碼傳輸的這個時間用 Tz來表示。發送設備lu，對發送器lu冗余的現場總線控制器在 位于t。之后的時間點^識別出其冗余的通信用戶不起作用了。在 該時間點，現場總線控制器則將該信道LC I從備用信道切換至主信 道P。如圖5所示，這通過將二進制位/人Oi殳定到1來進4亍，這在 電碼里則引起一個相應的主信道邊沿。4妄著在時間tn之后乂人發送器
或現場總線控制器lu接收有效數據電碼的接收器2u在接收了有
效數據電碼之后同樣也使信道LC I從備用信道向主信道切換。在該 情況下，被現場設備5所應用的數據最初來自信道LC II，該信道 最初曾是主信道P。在現場總線控制器1l2不起作用之后，現場設 備5保持主信道LC II的最后接收到的凄t據這樣長時間，直至由新 的接收器、接口模塊2u得到新的電碼現在信道LCI起到主信道 的作用并且應該利用通過該信道所4妻收到的凄史據。
在這種情況下保持時間以^開始。若t2在參數化的保持時間過 去之后，那么隨著保持時間的過去將數據設定至替換值。 一旦產生 邊沿變化(t2),就利用信道I的^t據。
總之，本發明的宗旨，也就是說一種簡單的狀態指示，例如一 個二進制位，通過該狀態指示發送出有效數據電碼N的以簡單的實 現。在此，總是有些數據被假設為有效的數據，這些數據已經被具 有最后進行的從備用至主要的二進制狀態位的邊沿變化的信道接 收。通過加入保持時間確保了現場i殳備總是被供給最后有效的有 效數據。如果超出 一個規定的時間而且在信道之間并不進行正確的 切換，那么所有參與的通信用戶就過渡至一種身見定的備用狀態。因 此就確4呆了并不產生非失見定的狀態。
圖6示出了如在圖4中的場景。除了示出的發送器lu和接收 器2u的邊沿之外，在第3和第4行里示出了兩個參與者對于響應 或通知的相應的反應，其中，發送器和接收器在切換時從主信道切 換至備用信道。第3行中的ts給出了接收器2u需要的時間間隔， 用以在接收具有關于信道切換的信息之后再次征集特有的電碼，例 如具有來自現場設備的信息，并且接著將具有改變的狀態指示一即 從主信道P切換到備用信道B的數據電碼發送至其通信伙伴，例如 發送給原始的發送器lu，也就是說現場總線控制器。
第4行里的tQ接著示出了數據電碼所需要的時間間隔，以便從 新的發送器、即接口模塊2u到達原始的發送器和現在的接收器、 即現場總線控制器lu。因此，原始的發送器lu從原始的接收器
2,.2得到一個應答，即關于數據電碼已經接收到并且已經進行了信 道LC II從主信道P至備用信道B的相應的信道切換。
在第5和6行里也如同在圖4中那樣示出了冗余通信用戶的相 應反應。在此，第5行示出了通過發送器lu通信信道LCI已經從 備用信道B切換到了主信道P。在時間點^發送一個具有有關改變 的狀態信息的相應有效數據電碼N。在時間點t2,接收器2u得到 了具有有效數據電碼的信息，該電碼需要一個時間k用于渡過該距 離。在時間點t2,接收器2u則同樣也從用于信道LCI的備用信道 B切4灸到4言道P。
5見場i殳備5必須如同在以前的場景中那才羊長時間地/f呆持通過原 始的主信道LC II已經得到的數據，即直到由接口模塊2u在時間 點tj妄收到新的有效數據為止，這些有效數據同時具有有關主信道 P的狀態信息。在時間點t3,接口模塊2u發送信息即其現在使用 信道LCI作為主信道用于有效數據傳輸。為此，接口才莫塊同樣也需 要有一定的時間ts，以整理出新的有效數據電碼并通過通信系統發 送來自現場設備的數據。在時間點t4所屬的現場總線控制器lu從 接口模塊得到數據，也就是新的有效數據及因此得到切換應答，即 從現在起應用信道LC I作為主信道。
在第IO行說明了，例如一個CPU,也就是主機(用該主機對 應于圖3原先進行的通信)在該系統中涉及到凄t據利用的情況如何 表現。最初將來自信道LC II的數據識別為主要數據。信道LC II 被認為是主機A的主信道P，直到主機或CPU得到來自現場總線 控制器lu的信號，即從現在起有效數據電碼通過作為主信道P的 信道I發送出。
通過附圖中所示的方法在4壬4可時間點者卩確4呆了 所有參與的通
信用戶獲得了當前的相關的有關通信系統的信息供使用，而且任何
時間點都清楚明確哪些tt據必須;帔用作為所參與的通信用戶的有 效數據。尤其是通過應答電碼的反饋可以給所參與的通信用戶準確 地規定一個時間點，在該時間點它們則為了利用通過通信系統所分 配的數據必須以一個信道切換到另一個信道上，或者也可以說它們 必須保持住該最后通過當前有效的主信道P所發送的有效數據電碼 多久。
在圖7中再次示出循環的數據準備和數據發送在對應的根據 本發明的系統里例如是如^T起作用。A和42是所謂主才幾，例如一個 冗余的CPU。 1,和12是現場總線控制器，它們通過一個循環過程 收集來自冗余的CPU的有效數據并為了通過系統發送而被加工。 凄t據的收集需要一定的時間間隔DS4。 4妻著通過4妄口 6將H據發送 至接口才莫塊2,和22。最初，信道LCII是用于發送lt據的主信道P。 -數據由現場總線控制器h和12通過系統同樣又循環地發送。由此 確保在任4可時間點都存在用于所有參與者的正確凄t據，如果出現了 一個故障或者要求進行切換的話，現場總線控制器12立即從主信道 切換至備用信道。現場總線控制器^必須隨著從備用信道B至主信 道P的切換而等候，直到一個完整的tt據集循環DS4在內部結束并 且它可以通過通信系統發送其所屬的有效數據電碼W為止。因此 確保了絕對不會造成數據損失或者切換脈沖。
圖8示出了相反的情況信息由控制器h和12與其內部循環 無關地連續地以有效數據電碼N1.. .Nn的形式發送至接收器和22 。 接收器則通過主信道征集這樣長的時間，即直至它們接收到一個具 有邊沿變化的有效凄t據電碼。該電碼在出現一個故障時一皮發送器、 即控制器準確地發送，如果它已經得到了 一個凄t據詢問循環的最后
電碼的話。接著接收器則利用這些數據，這些凄史據通過具有從備用 向主要的最后的邊沿變化的信道來接收。
權利要求
1. 一種用于在通信用戶(1，2)之間進行可靠通信的通信系統，●具有至少一個在所述通信用戶之間的通信線路，其中所述通信線路具有至少兩個信道(I，II)用來傳輸有效數據電碼(T)，其中，在每個時間點都只有一個信道作為用于通信的主信道(P)來使用，而其中另外的信道則被設置為備用信道(B)；以及●具有在所述有效數據電碼中的、用于指示出哪個信道在一個時間點是所述主信道(P)或者是所述備用信道(B)的狀態指示(S)，其中所述通信用戶(1，2)將這樣的信道作為主信道(P)，在該信道中隨著所述有效數據電碼(T)的接收通過通信用戶已經識別出從所述備用信道(B)至所述主信道(P)的最后的狀態變化。
2. 根據權利要求1所述的通信系統，其中， 一個二進制位被設置 為在所述有效^:據電碼中的狀態指示。
3. 根據權利要求2所述的通信系統，其中，1表示狀態為主信道， 0表示狀態為備用信道。
4. 根據前述權利要求中任一項所述的通信系統，其中，所有的通 信用戶都被設置為用于發送和接收有效數據電碼。
5. 根據前述權利要求中任一項所述的通信系統，其中，在有效數 據電碼的發送器的情況時，不發生延遲地進行從主信道至備用 信道的狀態變化。
6. 4艮據前述一又利要求中任一項所述的通信系統，其中，在有效翁: 據電碼的發送器的情況時，只是當所述發送器完全地更新其隨 后的有效數據電碼時，才實現從備用信道至主信道的狀態變化。
7. 4艮據前述權利要求中任一項所述的通信系統，其中，當所有信 道都具有備用信道的狀態時，所述通信用戶 一皮設置為用于存儲 已經通過主信道接收的最后的有效數據電碼。
8. 根據權利要求7所述的通信系統，其中，為存儲有效數據電碼 設置有預先^見定的時間，而且其中，i殳置有在經過所述時間之 后通信用戶的預先身見定的反應。
9. 根據前述權利要求中任一項所述的通信系統，其中，所述通信 用戶 一皮i殳置成至少雙〗咅冗余。
10. 根據前述權利要求中任一項所述的通信系統，其中，有效數據 電碼的冗余設計的發送器被這樣的設計，即所述發送器可以識 別出其冗余的通信用戶的故障并且將其信道的狀態切換到主信道。
11. 根據前述權利要求中任一項所述的通信系統，其中，有效數據 電碼的接收器被這樣的設計，即所述接收器可以識別出有效數 據電碼的接收的故障并在發送側將接收側的主信道的狀態從 主信道切換至備用信道。
12. 4艮據前述沖又利要求中任一項所述的通信系統，其中，通信用戶 是一種針對安全的系統的、尤其是一種自動化系統或者一種監 測系統的組件。
13. —種用于在通信用戶(1， 2)之間進4亍可靠通信的方法， 在所述方法中，有效凄t據電碼(N)在通信用戶之間通過至少兩個信道(i， n)進^亍傳豐ir，其中，在每個時間點 都只有一個信道作為用于通信的主信道(p)來使用，其中，另外的信道則被作為備用信道(B)使用；以及 在所述方法中，哪個信道在一個時間點是所述主信道(P) 或者所述備用信道(B)的信息借助于有效數據電碼(N) 中的一個狀態指示(S)來指出，其中，所述通信用戶(1, 2)將這樣的信道作為所述主信道(P),在該信道中隨著 所述有效數據電碼(P)的接收通過通信用戶已經識別出 從所述備用信道(B)至所述主信道(P)的最后的狀態變 化。
14. 根據權利要求13所述的方法，其中，在有效數據電碼中的一 個二進制位被作為狀態指示使用。
15. 根據權利要求14所述的方法，其中，1表示狀態為主信道， 而0表示狀態為備用信道。
16. 根據權利要求13至15中任一項所述的方法，其中，所有的通 信用戶都發送和接收有效數據電碼。
17. 根據權利要求13至16中任一項所述的方法，其中，在有效數 據電碼的發送器的情況時，不發生延遲地進行從主信道至備用 信道的狀態變化。
18. 根據權利要求13至17中任一項所述的方法，其中，在有效數 據電碼的發送器的情況時，只是當所述發送器完全地更新其隨 后的有效數據電碼時，才實現從備用信道至主信道的狀態變化。
19. 才艮據權利要求13至18中任一項所述的方法，其中，當所有信 道都具有備用信道的狀態時，所述通信用戶^皮i殳置為用于存儲 已經通過主信道4妄收的最后的有效tt據電碼。
20. 4艮據權利要求19所述的方法，其中，有效數據電碼凈皮存儲預 定的時間，并且其中，在經過所述時間之后實J見通信用戶的預 先頭見定的反應。
21. 根據權利要求13至20中任一項所述的方法，其中，所述通信 用戶一皮i殳置成至少只又4咅冗余。
22. 根據權利要求13至21中任一項所述的方法，其中，有效數據 電碼的冗余設計的發送器識別出其冗余的通信用戶的故障并 將其信道的狀態切換至主信道。
23. 根據權利要求13至22中任一項所述的方法，其中，有效數據 電碼的接收器識別出有效數據電碼的接收的故障并在發送側 將接收側的主信道的狀態從主信道切換至備用信道。
24. 根據權利要求13至23中任一項所述的方法，其中，通信用戶 是一種針對安全的系統、尤其是一種自動化系統或者一種監測 系統的組ff。
全文摘要
本發明涉及一種用于在通信用戶(1，2)之間進行可靠通信的通信系統，其具有至少一個在通信用戶之間的通信線路，其中所述通信線路具有至少兩個信道(I，II)用來傳輸有效數據電碼(T)，其中，在每個時間點都只有一個信道作為用于通信的主信道(P)使用，而其中另外的信道則被設置為備用信道(B)；以及在有效數據電碼中的、用于指示出哪個信道在一個時間點是主信道(P)或者是備用信道(B)的狀態指示(S)，其中通信用戶(1，2)將這樣的信道作為主信道(P)，在該信道中隨著有效數據電碼(T)的接收通過通信用戶已經識別出從備用信道(B)至主信道(P)的最后的狀態變化。
文檔編號H04L1/22GK101383689SQ200810210598
公開日2009年3月11日 申請日期2008年9月4日 優先權日2007年9月5日
發明者京特·施泰因德爾, 恩里科·拉姆, 賴納·格里斯鮑姆, 赫伯特·巴特爾 申請人:西門子公司