復合方式現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統通信協(xié)議的設計

1　復合方式的確定

　　在國際標準化組織推薦的工廠(chǎng)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )體系結構中，其第3級為現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)，它把全廠(chǎng)范圍最基礎的現場(chǎng)儀表及裝置連接起來(lái)，實(shí)現全數字通信。現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)是工廠(chǎng)自動(dòng)化的基礎，要解決的重要問(wèn)題之一是現場(chǎng)設備的通信問(wèn)題。

　　總線(xiàn)結構的介質(zhì)存取控制技術(shù)主要解決共享通路的分配問(wèn)題。目前常用的總線(xiàn)存取控制技術(shù)有集中查詢(xún)方式(主從方式)、邏輯令牌環(huán)方式、時(shí)分多路復用存取方式(TDM)、帶沖突檢測的載波檢測多路存取控制方式(CSMA／CD)等。CSMA／CD方式因要載波偵聽(tīng)和檢測沖突，在重負載情況下，隨沖突次數增多，響應時(shí)間加長(cháng)，實(shí)時(shí)性變差。主從方式是當網(wǎng)上節點(diǎn)具有明顯上下級特征時(shí)使用的一種方式，邏輯令牌環(huán)方式是網(wǎng)上節點(diǎn)利用令牌輪流占用總線(xiàn)的信息傳送方式，只有得到令牌的節點(diǎn)才有權使用總線(xiàn)，各節點(diǎn)傳輸互不干擾，消除了總線(xiàn)爭用。另外，令牌方式在重負載時(shí)響應時(shí)間不會(huì )增加很多，可實(shí)現靜態(tài)、動(dòng)態(tài)優(yōu)先權通信，實(shí)時(shí)性好。令牌在現場(chǎng)儀表間傳遞，而且具有使用時(shí)間限制，因此，每個(gè)節點(diǎn)在固定的最大時(shí)間內定能獲得發(fā)送權，使通信響應時(shí)間具有確定性；令牌環(huán)中各節點(diǎn)都可以對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行管理，網(wǎng)絡(luò )具有重構功能，某一節點(diǎn)失效不會(huì )影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò )正常工作，具有很高的可靠性，網(wǎng)上節點(diǎn)增加退出自由，使令牌總線(xiàn)具有開(kāi)放性。
　　總線(xiàn)方式的工業(yè)現場(chǎng)控制系統，要求通信具有實(shí)時(shí)性和時(shí)間確定性，以及較高的安全性和容錯能力，使令牌總線(xiàn)在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應用。令牌在網(wǎng)上的循環(huán)時(shí)間體現了網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)性，與網(wǎng)中節點(diǎn)數量、節點(diǎn)發(fā)送數據量、波特率等因素有關(guān)。減少令牌環(huán)中節點(diǎn)數量，是縮短令牌循環(huán)時(shí)間，提高網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)性的手段之一。在一個(gè)控制回路中，智能變送器與執行器之間其數據流向具有明顯主從關(guān)系，采用主從方式較為合理。因此，當所有節點(diǎn)掛于同一總線(xiàn)上時(shí)，網(wǎng)絡(luò )存取控制技術(shù)宜利用邏輯令牌環(huán)結合主從的復合介質(zhì)存取控制技術(shù)。

2　邏輯令牌環(huán)管理

2.1　邏輯令牌環(huán)組成

　　令牌在網(wǎng)上傳遞時(shí)間與網(wǎng)上節點(diǎn)數量有關(guān)，節點(diǎn)數越多，傳遞時(shí)間越長(cháng)。為提高網(wǎng)絡(luò )通信實(shí)時(shí)性，減少令牌環(huán)節點(diǎn)數目，可對網(wǎng)上節點(diǎn)進(jìn)行劃分，規定網(wǎng)中監控計算機、手持操作器、智能調節器為主節點(diǎn)，由主節點(diǎn)形成網(wǎng)絡(luò )的邏輯令牌環(huán)，令牌僅在主節點(diǎn)間傳遞，減少了令牌循環(huán)時(shí)間，提高令牌傳送的實(shí)時(shí)性。規定網(wǎng)上變送器，執行器為網(wǎng)絡(luò )從節點(diǎn)，從節點(diǎn)不參與令牌循環(huán)，只能與相關(guān)主節點(diǎn)進(jìn)行主從方式數據通信。顯而易見(jiàn)，復合方式的現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )較純令牌環(huán)網(wǎng)具有較高的實(shí)時(shí)性。

2.2　主節點(diǎn)通信優(yōu)先權確定

　　邏輯令牌環(huán)可實(shí)現網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)優(yōu)先權通信，按網(wǎng)上主節點(diǎn)功能授予其不同等級的通信優(yōu)先權，是提高網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)性的有效途徑。在網(wǎng)絡(luò )中有一些變送器，其檢測數據僅作為系統指示(監視)用，這類(lèi)變送器定為監控計算機從節點(diǎn)，監控計算機將按主從方式取其數據。手持操作器主要是通過(guò)人工操作取其它節點(diǎn)的參數及檢測數據等。二者實(shí)現這些通信功能時(shí)都應具有較低靜態(tài)優(yōu)先權，即二者拿到令牌可以發(fā)送信包的必要條件是第N次接到令牌(N≥2)，N的大小可按網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)性要求確定。同時(shí)，對有多個(gè)信包要發(fā)送的低優(yōu)先權節點(diǎn)，還授權其每次只能發(fā)一信包，減少低優(yōu)先權節點(diǎn)用總線(xiàn)的時(shí)間。對智能變送器等現場(chǎng)控制回路中主節點(diǎn)，因其直接參與現場(chǎng)工況監測，享有最高靜態(tài)優(yōu)先權，每次拿到令牌后都具有占有總線(xiàn)，發(fā)送信包的權力，且可發(fā)送多個(gè)信包。網(wǎng)中所有節點(diǎn)享有相同等級的動(dòng)態(tài)優(yōu)先權，當節點(diǎn)發(fā)現有報警、相關(guān)節點(diǎn)損壞等隨機信息時(shí)，該節點(diǎn)認為這些信息的優(yōu)先權最高(不管其靜態(tài)的優(yōu)先級高低)，拿到令牌后首先將其發(fā)送給相應節點(diǎn)。

2.3　令牌環(huán)網(wǎng)維護

　　令牌傳遞方法在正常狀態(tài)下是比較簡(jiǎn)單的，但當進(jìn)行令牌管理(如發(fā)生令牌丟失、多重令牌)及網(wǎng)絡(luò )成員控制(如加入新節點(diǎn)、撤除故障節點(diǎn))等網(wǎng)絡(luò )維護工作時(shí)，存取控制方法比較復雜，系統中采取如下措施。
　　(1)令牌循環(huán)的管理
　　令牌的正確循環(huán)是令牌環(huán)網(wǎng)正常運行的基礎，且要保證網(wǎng)上令牌的唯一性。

　　圖中TS為發(fā)送令牌幀時(shí)間，TRW為接收應答定時(shí)時(shí)間，若發(fā)方發(fā)出令牌幀后，在TRW內收到了對方正確應答，則認為令牌正確傳給下一主節點(diǎn)。否則將會(huì )引起TRW超時(shí)，認為令牌幀丟失或收方節點(diǎn)故障，導致令牌幀重發(fā)。TR為收方發(fā)送應答幀時(shí)間，TSW為發(fā)出應答定時(shí)時(shí)間。收方收到令牌，將發(fā)出一應答幀以通知發(fā)方，同時(shí)啟動(dòng)TRW。TSW超時(shí)后，收方?jīng)]有收到對方重發(fā)的令牌，則認為對方正確收到應答，本節點(diǎn)現握有令牌，可占有總線(xiàn)執行通信任務(wù)。若在TSW內又收到發(fā)方的令牌幀，則認為應答幀傳輸丟失或發(fā)方接收器故障，將重發(fā)應答幀，進(jìn)行確認。TRW＞TR且TSW＞TS＋t，是保證網(wǎng)絡(luò )令牌的正確傳送和唯一令牌的必要條件。
　　另外，令牌在循環(huán)過(guò)程中可能因干擾等因素而丟失。必須對其循環(huán)進(jìn)行監視。規定令牌環(huán)中節點(diǎn)都具有令牌循環(huán)監控功能。每次正確傳遞完令牌后，都啟動(dòng)與一定相關(guān)的令牌循環(huán)監控定時(shí)器，其值將略大于令牌循環(huán)一周時(shí)間，避免因網(wǎng)絡(luò )通信任務(wù)加重延長(cháng)令牌循環(huán)時(shí)間而造成誤判。在監控定時(shí)內收到的令牌，則認為令牌循環(huán)正常，同時(shí)復位監視定時(shí)器；若監視定時(shí)器超時(shí)中斷后仍沒(méi)有收到令牌，則認為令牌在循環(huán)過(guò)程中丟失，以廣播方式強行復位整個(gè)網(wǎng)絡(luò )通信狀態(tài)，并由該節點(diǎn)重新產(chǎn)生一新的令牌，恢復令牌循環(huán)及系統運行。
(2)網(wǎng)絡(luò )成員控制
　　令牌環(huán)網(wǎng)的一大優(yōu)點(diǎn)是不斷開(kāi)物理媒介便可進(jìn)行新站加入及故障站退出等網(wǎng)絡(luò )成員管理工作，規定令牌環(huán)中地址最小主節點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò )的調度站，由調度站負責網(wǎng)絡(luò )新站加入。令牌環(huán)變更后，新的令牌環(huán)中自動(dòng)產(chǎn)生新的調度站。調度站執行新站入網(wǎng)工作具有低的靜態(tài)優(yōu)先權，當獲得N次令牌后，才以廣播方式發(fā)布征求新站入網(wǎng)幀，開(kāi)啟新站入網(wǎng)時(shí)間響應窗口。網(wǎng)上新主節點(diǎn)收到該幀后延時(shí)與自己地址有關(guān)時(shí)間片后以廣播方式發(fā)出新點(diǎn)入網(wǎng)幀，加入令牌環(huán)，并調整網(wǎng)絡(luò )調度站。
　　每一個(gè)站傳數據給下一站，若連續傳3次收不到下一站的應答信息，則認為下一站故障，將其撤出網(wǎng)絡(luò )。
　　網(wǎng)絡(luò )成員的每一次變化，都將產(chǎn)生相應的報警信息，發(fā)給監控計算機。
　　主節點(diǎn)拿到令牌后，根據需要與相關(guān)從節點(diǎn)進(jìn)行主從方式通信，傳遞數據。