用于时间敏感型现场总线联网的方法、系统和网关与流程

1.本发明涉及时间敏感型的现场总线系统，特别是用于控制工业系统的工业现场总线系统。特别是本发明涉及用于将至少两个时间敏感型的现场总线联网的方法、系统和网关。


背景技术：

2.现场总线用于将工厂(例如工业生产厂房、车辆、建筑物等)中的各种用户设备(例如，传感器、执行器、探测器、促动器等现场设备，以及例如，控制或自动化设备、可编程存储控制器plc等控制器)连接起来以用于相互通信。在此，通信尤其(但不是仅仅)发生在不同的现场设备和现场总线控制器之间，该现场总线控制器控制和监控在设备中运行的过程。用户设备可以是现场设备或者控制器并且特别是具有与现场总线的接口。
3.待通过现场总线传输的信息(例如数据块、数据流)在此至少部分是时间敏感型的，亦即它们对传输等待时间有实时要求。例如，对于这种时间敏感型的数据，现场总线控制器或者连接到现场总线上的另一个现场设备在可预测的时间间隔内可靠地接收到由用户设备发送的信息是必需的。
4.在现场总线的用户设备之间待传输的数据不仅包括值通信，比如测量值、控制值或指令，而且还包括用于机器和工厂部件的时间协调的事件通信。例如，机器部件运动的协调和同步不再越来越多地通过机械设备(例如，在机器循环中具有机械刚性耦接的插入设备和弹出设备的金属压力机、凸轮轴、变速器等)进行，而是通过数字消息进行，这些数字消息带着实时要求通过现场总线传输。
5.一个现场总线分配给一个时域，在所述时域中，所有用户设备具有各一个计时器(例如时钟)。用户设备的计时器在时域内相互同步并且因此对时间有共同的理解。因此，现场总线的所有用户设备都可以遵循固定的现场总线通信周期并且相互协调，以便在正确的时间点执行相应的行动。现场总线的一个用户设备在此用作时域的主设备，其中，该主设备的计时器为时域的其他用户设备提供时间参考。后者的在时域内从主设备得出其时间的用户设备也被称为从设备。在现场总线中时间主设备的角色在此可以由现场总线控制器承担，然而也可以由连接到现场总线上的另一个用户设备承担。现场总线的时间主设备可以将其时基与另一个时基同步，例如与另一个现场总线的时间主设备或者与更高级别的时基同步。通过多个现场总线的主设备相互同步各自的现场总线时间，一个时域也可以包括多个现场总线。通过同步时基来平衡“时钟”。然而，这并不一定意味着两个现场总线在一个时域内具有相同的通信周期。
6.开发了第一代现场总线，以通过数字传输技术取代以前借助于电缆束对机器部件进行常见的并行布线所造成的布线耗费。为此，开发了多种、部分专有的现场总线协议。之后几代现场总线主要基于ieee 802.3以太网标准，其中，修改或者扩展了以太网协议以实现时间敏感型网络(英语time-sensitive networks，tsn)。
7.例如，针对tsn网络的ieee 802.1q任务组开发了实时以太网协议的标准。实时支
持的调度器(时间感知调度器)例如通过ieee802.1qbv标准定义。调度器能实现将网络中的通信划分为固定的、周期性重复的通信周期并且在周期内定义、保留或者协商固定时隙，以便传输时间关键型数据。由此，实现了在两个用户设备之间实现时钟驱动的端对端传输。
8.在设定用于实时传输的时隙之外，可以传输非时间敏感型数据(best-effort数据)，其中，为此使用已知的用于分组交换的传输协议(例如以太网协议)。通过实时支持的调度器，可以设立保护带，以避免非时间敏感型数据包的传输与为实时传输保留的时隙重叠。
9.此外，在tsn网络中，可能在实时间隔期间中断并且此后继续进行非时间敏感型数据包的传输。通过这种方式，时间敏感型的和非时间敏感型的通信能在能实现tsn的网络中实现共存。
10.在工厂(例如整个生产现场)日益数字化和网络化的过程中，需要能实现现场总线之间的通信以及现场总线与上一级的控制层面、过程控制层面、运行控制层面和/或公司层面的设备之间的通信。联网不仅涉及非时间敏感型数据而且涉及时间敏感型数据。
11.尽管目前使用的大多数现场总线实时协议都基于以太网，然而虽然存在这一共同点，但仍存在技术差异，从而不同的现场总线类型彼此不兼容或者不完全兼容。也可能发生使用不同代现场总线的情况，例如当添加、更换或改造设备的部件时，其中，不同代的现场总线不是必须完全兼容。目前正在努力指定可通用的实时协议，所述实时协议应该接替用于时间敏感型现场总线的多个专有和相互不兼容的协议。然而，它们的使用以现有的现场总线系统的更换或者改装为前提，这在经济上通常是不合理的。
12.用于两个或者多个现场总线之间的时间敏感型通信的已知解决方案的出发点在于，所有待耦接的现场总线不仅具有统一的时间理解，然而其中，所有时间偏移以及持续时间和/或现场总线通信周期的开始时间是同步的。然而，现场总线通常在生产开始时耗费地配置，从而由现场总线控制的机器和/或工厂部件相互优化协调。然而，在附加的工厂部件上现有现场总线的周期时间与其他现场总线的平衡使得需要重新配置由现场总线控制的现有过程。
13.因此，存在将彼此不完全兼容的时间敏感型的现场总线联网的需求。


技术实现要素：

14.所述任务特别是通过根据权利要求1的用于将时间敏感型的第一现场总线与时间敏感型的第二现场总线联网的方法、通过根据权利要求8的用于至少两个时间敏感型现场总线联网的系统以及通过根据权利要求13的用于时间同步和用于至少两个时间敏感型的现场总线联网的网关来解决。
15.为了解决该任务，特别是使用一种网关，该网关促成在时间敏感型的现场总线之间的通信。由于网关支持与其连接的所有现场总线的相应时域，因此现场总线可以相互通信，尽可能无需平衡时域、尤其是在现场总线内部定义的通信周期的时间。这不仅适用于时间敏感型数据而且适用于非时间敏感型数据。
16.本发明的一个方面涉及一种用于将时间敏感型的第一现场总线与时间敏感型的第二现场总线联网的方法，其中，时间敏感型的第一现场总线包括第一用户设备并且具有自身的第一时域。时间敏感型的第二现场总线包括第二用户设备并且具有自身的第二时
域。第一时域和第二时域频率同步。第一和第二现场总线借助于网关相互连接。该方法包括在网关的存储器中存储第一用户设备标识符，其中，第一用户设备标识符识别第一现场总线的分配的第一用户设备的虚拟映射。所述方法还包括在网关的存储器中存储第二用户设备标识符，其中，第二用户设备标识符识别第二现场总线的分配的第二用户设备的虚拟映射。此外，所述方法包括通过网关在参考时间点确定第一现场总线的第一周期持续时间和第二现场总线的第二周期持续时间以及通过网关在参考时间点确定在第一时域和第二时域之间的时间偏移。
17.频率同步可以通过在第一现场总线和第二现场总线的时域中同步时钟频率来进行。通过这种频率同步，第一现场总线和第二现场总线或者第一时域和第二时域虽然可以具有不同定义的时间，然而时间偏移是时间不变的，亦即是时间恒定的。通过仅在第一时域和第二时域中的频率同步，在现场总线中的时间范围(亦即时域的有效时间)可以在很大程度上保持不变。特别是避免了在其他情况下在一个或者两个现场总线中在平衡第一现场总线时间和第二现场总线时间时可能发生的剧烈的时间断层。在此，频率的平衡可以在不损害在第一现场总线中进行的过程的运行的时段内进行。
18.第一现场总线和第二现场总线通过网关的连接可以通过如下方式进行，即，将网关分别作为用户设备连接到第一现场总线或者第二现场总线上。为此，例如可以设置具有到相应的现场总线的相应接口的网络连接。对于现场总线与另一个现场总线的一个或多个用户设备的通信，网关可以提供用户设备的虚拟映射。在此，可以将其他现场总线的用户设备的虚拟映射设立作为自身的现场总线的用户设备。例如，可以将在第一现场总线中的第一用户设备的虚拟映射设立作为在第二现场总线中的用户设备，并且可以将在第二现场总线中的第二用户设备的虚拟映射设立作为在第一现场总线中的用户设备。
19.在此，可以分别通过用户设备标识符来识别虚拟映射。例如，在第一现场总线中的第一用户设备可以给第二用户设备的虚拟映射发送消息，其中，它使用第二用户设备的虚拟映射的用户设备标识符。在本发明的构造方案中，用户设备标识符可以构造为网络地址，例如构造为媒体访问控制(mac)地址或者网际协议(ip)地址或者构造为另一个网络协议的地址或者构造为在网络协议层中的地址或标识符。网关还可以设立用于，将通过用户设备的虚拟映射接收到的消息转达给分配的用户设备。为此，它例如可以使用分配的用户设备的标识符。此外，网关可以通过虚拟映射接收分配的用户设备的响应消息并且转达给在其他现场总线中的用户设备。
20.通过网关在参考时间点确定第一现场总线的第一周期持续时间和第二现场总线的第二周期持续时间以及在参考时间点确定在第一时域和第二时域之间的时间偏移，网关可以在现场总线的时间范围之间充当调解者或者“翻译员”。
21.例如，网关可以通过第一用户设备的虚拟映射从第二现场总线中的用户设备接收消息。该消息例如可以是非时间敏感型数据(所谓的best-effort数据)，该非时间敏感型数据应该由第二现场总线中的用户设备发送给在第一现场总线中的第一用户设备。因为第一用户设备的虚拟映射与在第二现场总线中的用户设备情况一样，因此在接收消息时可以考虑第二现场总线的周期持续时间。此外，可以在第二现场总线中预留用于传输时间敏感型数据的时隙。可以这样考虑这些预留的时隙，使得在这些时隙之外接收非时间敏感型数据。现在网关可以在考虑第一现场总线的周期持续时间的情况下并且在考虑预留的时隙的情
况下转达消息以用于在第一现场总线中传输时间敏感型数据。对于在第一现场总线中在预留的时隙之外转达还可能的是，网关进行非时间敏感型数据的暂存。
22.沿相反的方向，在第一现场总线中的第一用户设备可以通过在网关中分配的虚拟映射给在第二现场总线中的用户设备发送对接收到的消息的响应。在此，可选地通过将数据缓存在网关中再次考虑在第一现场总线和第二现场总线中的周期持续时间和预留的时隙。如果要在具有不同时域的现场总线之间按照非时间关键的方式传输测量值、控制命令但是也传输软件更新或其他运行数据，则这种更换可能是有意义的。但是，例如为了预留相应的、跨接现场总线的时隙以用于传输时间敏感型数据，也可以将用于配置的数据作为非时间敏感的通信来传输。分配给在一个现场总线中的用户设备的虚拟映射在此形成在另一个现场总线中的用于通信协议的终止点，并且对于在另一个现场总线中的用户设备来说情况与该另一个现场总线的用户设备一样。
23.借助于现场总线的至少一部分用户设备的虚拟映射网关还可以辅助支持时间敏感型数据的传输。为此，网关可以确定例如由第一现场总线设定的、用于在第一现场总线中传送时间敏感型数据的第一时隙和由第二现场总线设定的、用于在第二现场总线中传送时间敏感型数据的第二时隙在时间上的重叠。在一些实施方式中，所述确定可以通过对第一现场总线或第二现场总线的用户设备的相应查询来进行，或者也通过如下方式来进行，即，网关促成这种时隙的协商并且存储协商的时隙和其他通信参数。
24.在其他的实施方式中所述方法还包括通过网关接收第二现场总线对时隙的请求以将敏感型数据从第一现场总线的第一用户设备传输到第二现场总线的第二用户设备的步骤。所述方法还可以包括将请求转达给第一现场总线。此外，网关可以从第一现场总线接收确认消息并且将所述确认消息转达给第二现场总线。
25.在此，该请求可以由第二现场总线的任何用户设备发出并且向第一现场总线的另一个用户设备提出。
26.例如，在第二现场总线中具有调度器功能的用户设备可以向第一现场总线发送请求。在第一现场总线和第二现场总线中，各至少一个调度器负责定义传输周期和/或负责分配、协商、配置、设定和/或管理用于传输时间敏感型数据的时隙。这种用户设备可以构造为实时支持的调度器(时间感知调度器)，并且为此执行相应的协议和功能，例如根据ieee 802.1q或802.1qbv标准。该请求可以向具有作为实时支持的调度器功能的第一现场总线的用户设备提出，该调度器可以为第一现场总线中的第一用户设备协商和分配时隙以用于传送时间敏感型数据。因为网关同样是第一现场总线的用户设备，因此实施方式可以是这样的，使得作为用于第一现场总线的实时支持的调度器的功能也由网关承担。在这种情况下与第一现场总线的通信可以在网关内部进行。按照类似的方式，网关同样是第二现场总线的用户设备，并且实施方式可以这样设计，使得网关承担作为用于第二现场总线的实时支持的调度器的功能。在一些实施方式中，所描述的请求和确认的通信因此可以仅在网关内部进行，因为网关不仅是第一现场总线的用户设备而且是第二现场总线的用户设备。在这样的情况下，例如，不需要将第二现场总线的要求传送给第一现场总线并且不需要将确认消息从第一现场总线经由现场总线的物理层传送给第二现场总线。
27.在一些实施方式中，网关可以接收第二现场总线的请求。为了识别要交换时间敏感型数据的用户设备，该请求可以包含数据源和数据目的地的标识符。例如，它可以包含第
一用户设备标识符或者另一个标识符，该另一个标识符可以在第二现场总线中用于识别第一用户设备。此外，该要求可以包含第二用户设备标识符或者另一个标识符，该另一个标识符识别第二用户设备或者其虚拟映射。
28.沿相反的方向，网关从第一现场总线接收确认消息。在一些实施方式中，确认消息可以由用于第一现场总线的实时支持的调度器发出。然后网关将确认消息转达给第二现场总线，例如转达给具有调度器功能的用户设备，该用户设备为第二用户设备设定时隙以用于传输时间敏感型数据。
29.在此，所描述的请求和确认的通信可以通过在第一现场总线中的用户设备的虚拟映射、特别是在第一现场总线中的实时支持调度器的虚拟映射来进行。在此，在网关中的虚拟映射可以首先通过在第二现场总线中的相应的用户设备标识符来识别。然后，虚拟映射具有用于在第一现场总线中的实际实时支持的调度器的代理功能。
30.在一些实施方式中，(通过网关)接收的请求包括至少一个时间点和/或至少一个时间间隔的时间说明。该时间说明与第二现场总线的时域有关。所述方法还包括在考虑与参考时间点相关的时间偏移的情况下根据接收到的、与第一现场总线的时域相关的请求通过网关确定所述时间说明。通过网关转达给第一现场总线的请求包括与第一现场总线的时域相关的时间说明。
31.通过这样的时间说明可以更准确地说明请求。例如，可以将时间点和间隔传送，该时间点和间隔应该在第二现场总线中供时间敏感型通信使用或者应该被排除。该请求可以具有“命令”特征，其中，通过第二个现场总线设定时隙以用于根据时间说明进行时间敏感型通信，或者具有“协商基础”特征，其中，第二个现场总线可以进一步具体化地说明时间说明。
32.在此，可以通过第二现场总线的用户设备参照第二现场总线的时域将时间说明传输给网关，其中，网关能够参照第一现场总线进行时间说明的转换。
33.所述方法还可以包括通过第一现场总线基于来自与第一现场总线的第一时域相关的请求的时间说明设定第一时隙以用于时间敏感型数据在第一现场总线中的通信并且通过第二现场总线基于与第二现场总线的第二时域相关的时间说明设定第二时隙以用于时间敏感型数据在第二现场总线中的通信。在此，第一时隙的设定通过第一现场总线以及第二时隙的设定通过第二现场总线分别这样进行，使得第一现场总线的第一时隙和第二现场总线的第二时隙在时间上重叠。由于在第一现场总线和第二现场总线中相应的时间说明分别与各自的时间范围相关，因此不用考虑通过第一现场总线或第二现场总线的用户设备来换算时间说明。尽管如此，所述时间说明可以这样规定第一时隙和第二时隙，使得时隙在时间上重叠。在第一现场总线或第二现场总线中时隙的设定可以通过相应的、例如具有作为实时支持的调度器的相应功能的用户设备进行。如果所述功能性在网关中进行，所述网关在一些实施方式中同样可以是第一现场总线或第二现场总线的用户设备，则与时隙的设定相关的通信可以至少部分地在网关内部进行。
34.在其他实施方式中，从第一现场总线接收到的确认消息包括至少一个时间点和/或至少一个时间间隔的另一个时间说明，其中，所提到的另一个时间说明与第一现场总线的时域有关。所述方法还包括在考虑与参考时间点相关的时间偏移的情况下根据接收到的、与第二现场总线的时域相关的确认消息通过网关确定所述另外的时间说明。转达给第
二现场总线的确认消息包括与第二现场总线的时域相关的所述另外的时间说明，其中，第一时隙的设定通过第一现场总线基于所提到的另外的时间说明，并且其中，第二时隙的设定通过第二现场总线基于所提到的另外的时间说明。按照这种方式，不是仅请求消息可能包含时间说明，而是确认消息也可能包含另一个时间说明。在所述时间说明中，例如，从第一现场总线方面可以提出与该请求的时间说明不同的时间说明，或者可以具体化地说明前面的时间说明。在此，网关关于相应的现场总线的时间范围转换另外的时间说明，从而无需在现场总线中进行与此相关的换算。所描述的对第一现场总线的请求和所描述的、具有交换时间说明的确认也可以是更广泛的协议的一部分，以用于设定用于时间敏感型数据通信的时隙，其中，具有时间说明的进一步消息在现场总线之间交换。
35.在其他实施方式中所述方法还包括，通过网关从第一现场总线的第一用户设备接收时间敏感型数据，其中，所述时间敏感型数据在第一时隙和第二时隙重叠期间包含第二用户设备指标。所述方法还包括通过网关在第一时隙和第二时隙重叠期间基于第二用户设备标识符确定第二用户设备的标识符。在第一时隙和第二时隙重叠期间，通过网关进一步将接收到的时间敏感型数据转达给第二用户设备。
36.在这样的实施方式中，第二用户设备指标用于识别用于第一现场总线的第二用户设备。在此，第一现场总线的第一用户设备可以将时间敏感型数据寻址到第二用户设备的虚拟映射，由此，第二用户设备可被寻址作为第一现场总线的用户设备。然后，网关将数据转达给第二现场总线的分配的第二用户设备，其中，它使用其标识符。例如，标识符可以表示网络地址(mac地址或ip地址)，其中，网关交换物理数据单元(mac pdu，ip数据包)的目标地址。
37.在第一时隙和第二时隙的时间重叠期间接收、确定标识符并且转发时间敏感型数据通过网关进行。时间敏感型数据的这种传导也可以通过如下方式进行，即，网关为从第二现场总线方面的物理层提供一个终止点。然后，网关可以接收、解调并且在必要时解码(例如关于信道编码)物理信号，从而时间敏感型数据在物理层的顶层边缘作为数据位供使用。在一个实施例中，数据的转达可以通过所谓的mac桥接器(例如根据iee 802.1d标准)在所谓的媒介访问(mac)协议层中进行。由此，例如，可以读取mac协议数据头以转达给其他现场总线并且利用第二用户设备的标识符更改。数据的传导也可以在比mac层更高的协议层进行，其中，网关提供相应的协议栈。由于在网关中的信号处理和数据处理可能会导致小的延迟。然而，由于第一时隙或者第二时隙是为传输时间敏感型数据预留的并且在两个时隙中存在重叠区域，因此可以在很大程度上避免在队列中的缓存。因此，所发生的延迟可以保持可预测和可控制，从而满足对传输的实时请求。
38.在实际中，为了传输时间敏感型数据，除了在第一时域和第二时域之间的时间偏移之外，还可能存在其他时间差，例如关于第一时隙和第二时隙的不同持续时间以及第一时隙和第二时隙的时间位置。在第一时隙和第二时隙重叠的区域中，时间敏感型数据可以通过网关在现场总线之间传导。在重叠区域之外，仍然可以在第一现场总线或者第二现场总线中保留用于传输时间敏感型数据的时隙，其中，这些时间段例如为了在现场总线内部传输时间敏感型数据可以相互独立地被使用。
39.为了执行第一时域和第二时域的所述频率同步，网关可以具有第一计时器和第二计时器。为了两个现场总线频率同步，例如，网关的第一计时器可以作为从设备与第一现场
总线的第一时域同步。此外，网关的第二计时器可以作为从设备与第二现场总线的第二时域同步。然后，首先仅将作为从设备的第一计时器的频率与第二计时器的第二时域的频率同步，并且然后将第一计时器设定为用于第一现场总线的主设备，以便根据第一计时器的频率设定第一现场总线的频率。
40.因为网关具有自身的计时器，该计时器(例如仅)在频率方面相互同步，因此网关知道分别在第一时域和第二时域中定义的时间，并且例如，可以这样协调非时间敏感型数据的传输，使得不碰到用于传输时间敏感型数据的时隙。此外，在进行频率同步之后确保，在现场总线之间的时间差仍然存在，然而是时间不变的，并且因此不“失控”。在所描述的方案中，第一现场总线从第二现场总线导出其时基，其中，将第一计时器设定为用于第一现场总线的主设备仅代表对第一现场总线的时间范围的稍微干预。例如，对第一计时器的频率的设定可以在避免剧烈的时间断层的时段内进行。因此，第一现场总线可以在“负载”运行期间被同步。
41.本发明的另一方面涉及一种用于将至少两个时间敏感型现场总线联网的系统。所述系统具有时间敏感型的第一现场总线，所述时间敏感型的第一现场总线包括第一用户设备并且具有自身的第一时域。所述系统还具有时间敏感型的第二现场总线，所述时间敏感型的第二现场总线包括第二用户设备并且具有自身的第二时域，其中，第一时域和第二时域频率同步。此外，所述系统还具有网关，所述网关将第一现场总线和第二现场总线相互连接。网关具有用于在网关的存储器中存储第一用户设备标识符的器件，其中，第一用户设备标识符识别第一现场总线的分配的第一用户设备的虚拟映射。网关具有用于在网关的存储器中存储第二用户设备标识符的器件，其中，第二用户设备标识符识别第二现场总线的分配的第二用户设备的虚拟映射。此外，网关具有通过网关在参考时间点确定第一现场总线的第一周期持续时间和第二现场总线的第二周期持续时间的器件，以及通过网关在参考时间点确定在第一时域和第二时域之间的时间偏移的器件。在其他实施方式中，该系统设立用于执行上述方法的步骤(例如，所有步骤)。
42.本发明的另一方面涉及用于将时间敏感型的第一现场总线与时间敏感型的第二现场总线联网的网关，其中，时间敏感型的第一现场总线包括第一用户设备并且具有自身的第一时域，并且其中，时间敏感型的第二现场总线包括第二用户设备并且具有自身的第二时域，其中，第一时域和第二时域频率同步。网关包括用于将时间敏感型的第一现场总线和时间敏感型的第二现场总线分别与网关连接的器件，用于将第一用户设备标识符存储在网关的存储器中的器件，其中，第一用户设备标识符识别第一现场总线的分配的第一用户设备的虚拟映射；以及包括用于在网关的存储器中存储第二用户设备标识符的器件，其中，第二用户设备标识符识别第二现场总线的分配的第二用户设备的虚拟映射。此外，网关包括用于在参考时间点确定第一现场总线的第一周期持续时间和第二现场总线的第二周期持续时间的器件以及用于在参考时间点确定在第一时域和第二时域之间的时间偏移的器件。
43.在其他的实施方式中，网关还具有用于接收第二现场总线对时隙的要求以将敏感数据从第一现场总线的第一用户设备传输给第二现场总线的第二用户设备的器件。网关还具有用于将所述要求转达给第一现场总线的器件以及用于从第一现场总线接收确认消息的器件和用于将所述确认消息转达给第二现场总线的器件。
44.在其他的实施方式中，接收到的请求包括至少一个时间点和/或至少一个时间间隔的时间说明，其中，所述时间说明与第二现场总线的时域有关。网关具有用于在考虑与参考时间点相关的时间偏移的情况下根据接收到的、与第一现场总线的时域相关的请求确定所述时间说明的器件。转达给第一现场总线的请求包括与第一现场总线的时域相关的时间说明。
45.在其他的实施方式中，网关包括用于确定由第一现场总线设定的、用于在第一现场总线中传送时间敏感型数据的第一时隙和由第二现场总线设定的、用于在第二现场总线中传送时间敏感型数据的第二时隙在时间上的重叠的器件。网关还包括用于从第一现场总线的第一用户设备接收时间敏感型数据的器件，其中，该时间敏感型数据在第一时隙和第二时隙重叠期间包含第二用户设备指标；用于在第一时隙和第二时隙重叠期间基于第二用户设备标识符确定第二用户设备的标识符的器件以及用于在第一时隙和第二个时隙重叠期间将接收到的时间敏感型数据转达给第二用户设备的器件。
46.因此，网关的各实施方式具有用于执行在上述方法中的方法步骤的器件，这些方法步骤通过在那里提到的网关执行。
附图说明
47.在以下详细描述中，参考附图描述了本发明的各个方面，其中，
48.图1示出具有时间敏感型的第一现场总线并且具有时间敏感型的第二现场总线的系统的框图；
49.图2示意性地示出第一现场总线和第二现场总线的时间图以及非时间敏感型数据经由网关的传输；
50.图3示意性地示出针对第一现场总线和第二现场总线定义的周期时间的详细时间图；
51.图4示意性地示出用于在第一现场总线和第二现场总线之间传输时间敏感型数据的时隙的请求协议的示例以及用于在第一现场总线和第二现场总线之间传输时间敏感型数据的一种协议；以及
52.图5示意性地示出第一现场总线和第二现场总线的时间图以及时间敏感型数据经由网关的传输。
具体实施方式
53.以下的详细描述借助于上述附图阐述本发明的实施例。在此，在不同的附图中相同的附图标记分别表示相同的设备、相同的方法步骤或者相同的时间单元，等等。
54.图1示出了具有时间敏感型的第一现场总线10和时间敏感型的第二现场总线20的示例性的系统1的框图。第一现场总线10和第二现场总线20示例性地包括用户设备12、14a-c或者22、24a-c，其中，用户设备12、22均为现场总线的控制器，例如自动化设备、可编程存储控制器plc、节点或者另一工业控制器，并且用户设备14a-c或者24a-c是现场设备，例如用于传感器和/或执行器的i/o模块，这些现场设备可以测量或者影响通过现场总线自动化的过程的变量。用户设备12、14a-c或者22、24a-c在各自的现场总线10、20中彼此连接，能通过接口进行通信，其中，接口的定义包括接口协议。
55.第一现场总线10的用户设备12、14a-c属于第一时域16，其中，所有用户设备12、14a-c对绝对时间具有相同的理解。为此，每个用户设备12、14a-c分别具有一个计时器，该计时器在图1中由时钟的刻度盘示意性地表示。以相应的方式，第二现场总线20的用户设备22、24a-c属于第二时域26。在现场总线10和20中，现场总线线路从控制器12、22出发，星形地与现场设备连接。一般来说，现场总线也可以由其他拓扑构成，例如树形拓扑、总线拓扑、环形拓扑等等。现场总线10、20的用户设备12、24a-c或22、24a-c也可以至少部分通过无线网络彼此连接。
56.各一个用户设备12、24a-c或者22、24a-c为相应的现场总线10或20预定时间并且因此被称为主设备。例如，在第一现场总线10中，目前控制器12是主设备，这在图1中用带实线的刻度盘示出。例如，在第二现场总线20中，用户设备24a是现场总线主设备。在此，主设备12或者24a的时钟分别预定现场总线中的时间，其中，现场总线的其余用户设备、亦即第一现场总线中的用户设备14a-c或者用户设备22、24b-c分别从主设备获得它们的时间。这例如通过如下方式发生，即，现场总线内部的用户设备根据基于ieee 1588标准的精密时间协议以规则或不规则的间隔交换消息，并且因此以这种方式实现并且保持对时间的共同理解。
57.在第一现场总线10和第二现场总线20内部均可以传输非时间敏感型数据以及时间敏感型数据，如下面将更详细描述的那样。例如，在两个现场总线中的数据传输可以根据ieee 802.1q标准划分传输周期。在此，可以为第一现场总线10和第二现场总线20定义不同的周期持续时间。由于第一现场总线10和第二现场总线20分别分配有不同的时域16或26，因此在这种情况下，周期时间也可以被视为分配给时域。
58.此外，可以在第一现场总线10中定义第一时隙并且在第二现场总线20中定义第二时隙，在这些时隙中可以分别在相同的现场总线的两个用户设备之间传输实时数据。实时数据的传输可以是在两个用户设备之间的时钟驱动的端对端的传输，或者是具有小的延迟的传输，只要这种延迟是已知的、确定性的或者因果可控的，它们就满足实时请求。
59.为了定义传输周期和用于传输时间敏感型数据的时隙，相应的现场总线的一个或多个用户设备可以分别具有调度器功能。调度器负责定义在第一现场总线或第二现场总线中的周期持续时间并且将所述周期持续时间传送给相应的现场总线的其他用户设备。此外，调度器可以设立用于接收关于在第一现场总线或第二现场总线中传输时间敏感型数据的请求，管理分配的时隙，进行与请求的用户设备通信以协商用于时间敏感型传输的时隙，以及相应地确认或拒绝请求。此外，调度器可以设立用于将分配的、用于传输时间敏感型数据的时隙传送给其他用户设备。随后应假设，在第一现场总线10中所述用户设备12、24a-c中的至少一个可以设立作为调度器，并且执行相应的协议(例如根据ieee 802.1q标准或者由此导出的标准)。同样假设，在第二现场总线20中，所述用户设备22、24a-c中的至少一个承担调度器功能。
60.系统1还包括网关30，两个现场总线10、20通过所述网关相互通信连接。尽管图1示出现场总线10、现场总线20通过它们的控制器12和22相互连接，但这不是强制性的。更确切地说，网关30具有到每个现场总线10和20的接口，从而该网关对于相应的现场总线10、20呈现为一个用户设备。在此，网关30支持至少两个时域32和34，所述时域在与现场总线16或26的时域耦合时作为相应时域的一部分得到调整。根据待耦合的现场总线的数量，可以支持
其他时域。尤其，网关包括计时器36和38，可以分别针对第一时域16和第二时域26配置这些计时器。
61.现场总线用户设备可以通过标识符被寻址。图1为此示例性地说明在第一现场总线中的第一用户设备14a的标识符id14a以及在此第二现场总线中的第二用户设备22的标识符id22。在此，仅示例性地，第二用户设备22也是在第二现场总线中的控制器。如上面谈到的那样，标识符可以是例如mac地址、ip地址或其他标识符。
62.此外，网关可以在其存储器中维护一些现场总线用户设备的虚拟映射。图1示例性地说明虚拟映射12'、14'a、14'b以及虚拟映射22'、24'c，这些虚拟映射是可分别通过它们的用户设备标识符id12'、id14'a、id14'b以及用户设备标识符id22'、id24'c寻址的。用户设备的虚拟映射相互对应于各个用户设备，亦即在第一现场总线10中的用户设备14a对应于其虚拟映射14'a并且反之亦然，用户设备14b对应于其虚拟映射14'b并且反之亦然，用户设备12对应于其虚拟映射12'并且反之亦然，以及在第二现场总线20中的用户设备22对应于其虚拟映射22'并且反之亦然。按照这种方式，可以分别使一个虚拟映射对应于在第一现场总线或第二现场总线中的一个或多个用户设备。
63.虚拟映射可以作为用户设备出现在各其他现场总线中。例如，虚拟映射12'、14'a和虚拟映射14'b可以作为第二现场总线20的用户设备出现，尽管它们所对应的真实设备是第一现场总线10的用户设备。同样，在图1的示例中，虚拟映射22'可以作为第一现场总线10中的用户设备出现，尽管对应的用户设备22连接在第二现场总线20中。在此，虚拟映射是可通过其所对应的用户设备标识符来寻址的。例如，对于在第二现场总线20中的其他用户设备，虚拟映射12'、14'a、14'b是可分别通过其所对应的用户设备标识符id12'、id14'a、id14'b来识别和寻址的。同样地，对于第一现场总线10的其他用户设备虚拟映射22'、24'c是可通过所对应的用户设备标识符id22'、id24'c来识别和寻址的。
64.按照这种方式可能的是，将另外的现场总线的用户设备集成到一个现场总线中。在此，相应的虚拟映射具有与现场总线通信协议(例如基于以太网)相关的相应接口。例如，虚拟映射12'、14'a、14'b可以参与第二现场总线20的通信协议。对于第二现场总线20，这些虚拟映射以与第二现场总线20的“真实”用户设备相同的方式形成现场总线通信协议的终止点。同样地，虚拟映射22'、24'c呈现为作为到第一现场总线10的接口的现场总线通信协议的终止点。
65.图2示出了第一现场总线10和第二现场总线20的示例性时间图。在此，第一现场总线10具有包含定期重复的周期间隔tc1的通信或者传输周期，所述周期间隔根据位置和持续时间按照在图2的上方的时间轴定义。相应地，第二现场总线20具有包含定期重复的周期间隔tc2的通信周期，所述周期间隔根据位置和持续时间按照在图2的下方的时间轴定义。在图2中，时钟频率的倒数1/f1或1/f2，亦即时钟周期持续时间，分别通过黑条示出。即使两个时钟频率f1和f2名义上(亦即根据规范)都具有相同的频率，两个现场总线的时域16或者26的时钟在时钟频率f1和f2的实际值稍微不同的情况下也快慢不同地运行。
66.在现场总线10、20中，可以定义、协商或者确定用于在相应的现场总线10、20内部传输时间敏感型数据的第一时隙50或者第二时隙52。为此，例如，在第一现场总线10中的用户设备12、14a-c之一以及在第二现场总线20中的用户设备22、24a-c之一可以配置为根据ieee 802.1qbv标准定义的实时支持的调度器(时间感知调度器)。第一时隙50和第二时隙
52仅示例性地与相应的通信周期的起点一致。通常，用于时间敏感型传输的时隙50、52可以处于传输周期内的任何位置。也可能的是，对于每个传输周期来说，为时间敏感型通信定义多个分开的时隙50、52。
67.图2还示出了属于相应的传输周期的时间间隔54和时间间隔56，这些时间间隔位于为了传输时间敏感型数据而保留的时隙50和时隙52之外。在这些间隔54、56中，非时间敏感型数据例如可以根据以太网协议在现场总线10、20内部传输，csma/cd(具有冲突检测的载波侦听多路访问)访问方法适用于该以太网协议。
68.为了与网关30建立关系，在一种实施例中，网关30的计时器36和38作为从设备首先基于现场总线10和20的时域16、26同步。由此，网关具有作为用户设备的、不仅用于第一现场总线10而且用于第二现场总线20的同步接口。因此，例如可以从网关30方面观察第一现场总线10的时域16和第二现场总线20的时域26之间的时间偏移。此外，网关30方面也知道相应的周期持续时间tc1和tc2、通信周期的时间位置以及在相应的现场总线10、20中进行时间敏感型通信的时隙50和52。
69.因此，也可以首先在现场总线之间交换非时间敏感型数据。这种传输例如可以通过如下方式进行，即，将非时间敏感型数据60在非时间敏感型的第一间隔54期间从第一现场总线10传输到网关30，如在图2中通过箭头60表示的那样。可以将这些数据60暂存在网关30的暂存器35中(对此参照图1)，如通过步骤62(图2中)表示的那样。最后，可以将暂存的数据在第二时隙52之外的间隔56期间从网关30传输到第二现场总线20上，如通过箭头64表示的那样。例如，为了借助于csma/cd方法或者另一应用方法(英语：contention)将数据64发送到第二现场总线上，网关30必须确保第二现场总线20在时隙56期间是能自由传输的。
70.非时间敏感型数据60、64在现场总线之间的交换例如可以用于支持第一时域16和第二时域26的频率同步。通过计时器时钟频率的这种同步使两个时域16、26的时间之间的时间偏移保持稳定，由此可以简化相对于各其他时域16、26确定在网关30或者在第一现场总线和第二现场总线的用户设备12、14a-c或者22、24a-c中的时间点。为此，示例性地描述用于同步计时器36和计时器38的时钟频率f1和f2的以下方法。在一种实施方式中，网关30的计时器36、38首先作为第一时域16或者第二时域26的从设备同步并且具有相同的标称频率。现在频率同步可以通过如下方式进行，即，将网关30的第一计时器36确定作为第一现场总线10的主设备，从而网关30可以支配第一现场总线中的时间设置。此外，网关30的第一计时器36的频率f1可以同步到第二时域26的频率f2上。在时域16、26中仅频率f1和f2同步可以避免在第一现场总线10中的用户设备的时间断层。在此，频率的同步可以在第一现场总线10的持续运行中在选择的足够长的适配持续时间内进行，从而第一现场总线10的过程可以无干扰地运行。
71.图3示意性地示出按照本发明的一些方面的为第一现场总线10和第二现场总线20定义的周期时间的详细时间图。在一个示例中，根据上面描述的方法，在现场总线10和20的用户设备中的时钟发生器可以具有相同的时钟频率f1＝f2。在图3中，时钟频率的倒数1/f1或者1/f2，亦即时钟周期持续，分别通过黑条示出。
72.在本示例中，现在仅第一现场总线10和第二现场总线20之间的时钟频率是同步的。因此，在通信周期的起始时间点之间可能出现时间偏移58。这种时间偏移58一方面是由于在两个现场总线10、20中的时间定义不同，另一方面也是由于第一现场总线10和第二现
场总线20的通信周期的开始时间点之间的差异，即使两个现场总线对时间具有相同的理解。此外，通信周期可以具有不同的持续时间tc1和tc2。因此，一般而言，时间偏移58只能基于(绝对)参考时间点tref来被定义。在这种情况下，绝对参考时间点tref不仅可以在第一现场总线10的时间中而且可以在第二现场总线20的时间中相应地表示。如果持续时间tc1和tc2彼此处于合理的比例，则特定的时间偏移58在第一现场总线或者第二现场总线的可预测的周期数之后再现。在这种情况下，可以在重复间隔内任意选择参考时间点tref。例如，如果在第一现场总线中的周期持续时间tc1为50ms而在第二现场总线中的周期持续时间tc2为25ms，则时间偏移58例如可以在第二现场总线中的第一个周期后为零，在第二现场总线中的第二个周期后与第一现场总线相比为25ms，并且然后再次为零，等等。然而，如果时间偏移58在时间点tref是已知的，则可能的是，提前为第一现场总线和第二现场总线的所有通信周期确定时间偏移58，即使周期持续时间tc1和周期持续时间tc2彼此未处于合理的比例。
73.此外，在现场总线10和20上可以出现用于时间敏感型通信的第一时隙50和第二时隙52的不同的持续时间ts1和ts2，因为对于现场总线10和现场总线20这两者来说可以相互独立地协定这些持续时间。此外，第一时隙50和第二时隙52在开始时间内可以具有时间差td。通常，这些时间差又只基于绝对参考时间tref可预测地确定，因为用于时间敏感型通信的时隙50和时隙52的开始时间可能随着各个现场总线中的周期时间而变化。
74.在进行频率同步之后，网关30可以在参考时间点tref确定第一现场总线10和第二现场总线20中的周期持续时间tc1和周期持续时间tc2。此外，网关30可以在参考时间点tref确定第一时域16和第二时域26之间的时间偏移58。网关30还可以将第一现场总线10的周期持续时间tc1传送给第二现场总线20以及将第二现场总线20的周期持续时间tc2传送给第一现场总线10。这可以基于参考时间点tref来进行。按照这种方式，例如，第一现场总线10或者第二现场总线20的用户设备可以可预测地确定各其他现场总线20、10的通信周期。
75.此外，现场总线的用户设备的虚拟映射可以被实例化为在网关30的存储器中的其他现场总线的一部分。由此，例如利用与虚拟映射对应的用户设备标识符以及关于虚拟映射的真实现场总线用户设备的分配关系将该虚拟映射初始化。在图1的示例中，将第一现场总线10的用户设备12、14a、14b的虚拟映射12'、14'a、14'b实例化，其中，例如，对应的用户设备标识符id12'、id14'a、id14'分配给对应的用户设备12、14a、14b。这可以例如通过相应的分配表进行，该分配表存储在网关30和/或分配的用户设备中。按照相应的方式，将第二现场总线20的用户设备22或用户设备24c的虚拟映射22'、24'c实例化。
76.为了虚拟映射可以分别充当其他现场总线的用户设备，网关30知道时域的对应时间。特别是，网关30知道在参考时间点tref第一时域16和第二时域26之间的时间偏移58。此外，网关30知道第一现场总线10的周期持续时间tc1和第二现场总线20的周期持续时间tc2以及在第一现场总线和第二现场总线中定义的用于时间敏感型通信的第一时隙50和第二时隙52的时间。例如，虚拟映射可以为此读取网关30的存储器。
77.按照这种方式，网关30可以将时间说明、亦即对至少一个时间点和/或至少一个时间间隔的、关于一个现场总线的时域呈现的说明转换成另一个现场总线的时间说明。这可以由各个虚拟映射这样使用，即，例如，虚拟映射14'a可以从第二现场总线20接收具有与第
二现场总线20相关的时间说明的消息，并且在转达给在第一现场总线10中对应的用户设备14a时转换成与第一现场总线10相关的对应时间说明。相反，对应的用户设备14a的虚拟映射14'a可以接收具有与第一现场总线10相关的时间说明的消息，转换成与第二现场总线20相关的时间说明，并且作为第二现场总线20的(虚拟的)用户设备以已转换的形式发出。
78.例如，当第二现场总线20的用户设备想要向第一现场总线10提出对时隙的要求以传输时间敏感型数据时，所述功能性可能是特别有用的。以下示例性地描述这种请求协议的示例。
79.图4示出用于在第一现场总线10和第二现场总线20之间传输时间敏感型数据的时隙的请求协议的示例。在此应该设定时间敏感型数据从第一现场总线10中的用户设备14a向第二现场总线20中的用户设备22的传输。
80.在此，请求本身可以由在第二现场总线中的用户设备发出。例如，该请求可以由在第二现场总线中的用户设备24c发出，其中，用户设备24c能够在第二现场总线中具有调度器功能，由此它可以设定时隙52以用于传输在第二现场总线20中的时间敏感型数据。网关30已经集成到作为第二现场总线20中的用户设备的虚拟映射12'、14'a、14'b中。该请求因此可以向第一现场总线的用户设备的虚拟映射提出。在当前情况下，要寻址虚拟映射12'，因为对应的用户设备12示例性地在第一现场总线10中具有调度器功能，由此它可以设定时隙50用于在第一现场总线10中传输时间敏感型数据。
81.为了请求用于传输时间敏感型数据的时隙，用户设备24c向网关30中的用户设备12的虚拟映射12'发送请求42。请求42包含例如用户设备标识符id14'a。所述用户设备作为在第二现场总线中的时间敏感型数据源的虚拟映射是已知的。此外，请求42可以包含用于时间敏感型数据的数据目的地标识符、例如第二用户设备标识符id22'或者真实用户设备的标识符id22。此外，请求42可以包含时间说明ta20、亦即对至少一个时间点和/或至少一个时间间隔的说明。所述时间说明例如可以定义多个可能的时隙，这些时隙可以设定在第二现场总线20中用于传输时间敏感型数据。在此，时间说明可以与在第二现场总线20中的时间范围相关，亦即与第二时域26相关。
82.网关30可以接收向虚拟映射12'提出的请求42，紧接着网关30将请求43转达给用户设备12，亦即转达给第一现场总线10中的调度器。可选地，网关30可以使用真实用户设备的标识符id14a来代替用户设备标识符id14'a。此外，网关30在此可以使用用户设备标识符id22'，因为在第一现场总线10中分配的虚拟映射可以被视为用于时间敏感型数据的数据目的地标识符。如果接收到的请求42包含时间说明ta20，则网关30将其转换为时间说明ta10，将所述时间说明用于与第一现场总线10相关的已转达的请求43，其中，考虑在参考时间点tref的时间偏移58。
83.在第一现场总线10中的用户设备12可以在接收到请求43时或者之后确定适合的时隙50并且向网关30发送确认消息45以转达给第二现场总线10。确认消息45可以包含与第一现场总线10相关的时间说明tb10。例如时间说明tb10可以定义时隙52。在接收时，网关30将时间说明tb10转换为与第二现场总线20相关的时间说明tb20并且在确认消息46中将其转达给在第二现场总线20中的用户设备24c。为此，网关30可以使用虚拟映射12'，该虚拟映射为此设立作为在第二现场总线20中的用户设备。
84.基于所描述的请求协议，用户设备12可以在第一现场总线10中设定49时隙50，并
且用户设备24c可以在第二现场总线20中设定48时隙52，其中，时隙50和时隙52重叠。
85.图5示意性地示出第一现场总线10和第二现场总线20在时间敏感型数据传输期间的时间图。在此，例如，根据上述协议或者类似协议，在第一现场总线10中时隙50以及在第二现场总线20中时隙52已经被约定用于将时间敏感型数据从用户设备14c传输到用户设备24b，所述时隙至少部分重叠。特别是第一现场总线和第二现场总线的相应用户设备已经约定在时隙50和时隙52中的共同的重叠区域ol1和ol2，并且通过网关30交换所述信息，从而网关30也知道所述信息。
86.在一种实施方式中，不必在第一现场总线10或者第二现场总线20的每个周期tc1或者tc2中为时间敏感型通信创建重叠区域ol1、重叠区域ol2。例如，在第一现场总线10或者第二现场总线20的每个第二、第三、等等的周期期间定义重叠区域可能就足够了。
87.如果在第一现场总线10和第二现场总线20的通信周期期间为在现场总线内部的时间敏感型通信保留的第一时隙50和第二时隙52是已知的，则可以基于规则确定或者计算出用于现场总线之间的时间敏感型通信的重叠区域ol1和重叠区域ol2。然后在参考时间点tref确定唯一的一对重叠时隙50和时隙52就足够了。时隙50或时隙52的预留在此可以由如上所述的、在第一现场总线或者第二现场总线中的请求协议实行。在一种实施方式中，网关30可以分别提供第一时隙50和第二时隙52的、关于现场总线自身时域的时间说明。因此，重叠区域ol1和重叠区域ol2的确定也可以分别关于现场总线自身时域进行。
88.如果周期持续时间tc1和tc2彼此之间存在合理的比例，则会产生定期重复的重叠区域ol1和ol2。在这种情况下，使时隙50和52的协商和/或确定变得简单，从而在这些情况下重叠区域ol1、重叠区域ol2定期重复并且因此不必单独协商或者确定。在此，参考时间点tref也可以在定期地反复的周期内任意选择。如果周期持续时间tc1和周期持续时间tc2相同，则时间偏移与任意可选择的参考时间点tref无关地适用。
89.在一个实施例中，网关30还设立用于，在时间重叠的时隙、例如ol1或ol2期间传输时间关键型数据70、72。在一种实施方式中这通过如下方式进行，即，网关30确定在第一现场总线10和第二现场总线20之间确定的、用于时间敏感型传输50和52的时隙，并且特别是相应的重叠间隔ol1、ol2，并且在所述时间间隔期间在第一现场总线10和第二现场总线20之间传导信号。
90.图4还示出用于在第一现场总线和第二现场总线之间传输时间敏感型数据的协议。为此假设，例如，执行用于在第一现场总线和第二现场总线中设定时间上重叠的时隙50、52的前述程序。为了将时间敏感型数据由在第一现场总线中的用户设备14a发送给用户设备22，用户设备14a首先在重叠间隔ol1期间将所述数据70a发送给网关30，其中，数据70a包含用于识别虚拟映射22'的用户设备指标id22'。网关30在重叠间隔ol1期间接收时间敏感型数据70a。为了转达，网关在重叠间隔ol1期间确定在第二现场总线中的用户设备22的分配的标识符id22并且还在重叠间隔ol1期间将数据70b发送给在第二现场总线20中的用户设备22。
91.通过所描述的方法、系统1和网关30可以将时间敏感型的现场总线10、20彼此联网，而无需进行现场总线时间以及现场总线的通信周期的平衡。由此，特别是现有的并且部分相互不兼容的现场总线不仅可以设立用于非时间敏感型数据的交换，而且也可以设立用于时间敏感型数据的交换。