基于PROFIBUS總線(xiàn)的數控系統建模與仿真
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圖2 基于Profibus數控系統模型
一般來(lái)說(shuō)數據通信控制網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)復雜的混合系統，如果在仿真過(guò)程中使用離散傳遞函數（不考慮采樣周期內的輸入/輸出的變化）來(lái)研究微小的總線(xiàn)傳輸延遲對控制系統造成的影響將變得非常困難。如圖2所示，為了避免這些問(wèn)題，而且盡可能真實(shí)地仿真基于現場(chǎng)總線(xiàn)的控制系統的行為，我們把離散的控制系統作為連續的控制系統進(jìn)行仿真，同時(shí)在一個(gè)采樣周期內使用采樣/保持單元鎖存信息。在這種情況下，等待總線(xiàn)授權所造成的延時(shí)，可以通過(guò)現場(chǎng)傳感設備輸出信息鎖存的時(shí)間到信息鎖存至控制器的時(shí)間延時(shí)來(lái)進(jìn)行模擬。模型中的各個(gè)模塊的描述如下：
1．現場(chǎng)總線(xiàn)介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制模塊（Ask Token）
在PROFIBUS總線(xiàn)的數據鏈路層中所采用的介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制方式為混合介質(zhì)存取方式，即主站與主站之間為典型的總線(xiàn)令牌傳遞方式，主站與從站之間為主從輪詢(xún)方式。這種介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制方法滿(mǎn)足介質(zhì)存取控制的基本要求：在主站和主站之間通信，能夠確保在確定的時(shí)間間隔中，任何一個(gè)站點(diǎn)都有足夠的時(shí)間來(lái)完成通信任務(wù)；在主站和從站間，能夠快速又簡(jiǎn)單地完成數據的實(shí)時(shí)傳輸。
為了計算以上三種時(shí)間，Profibus的MAC協(xié)議還設置了兩類(lèi)計時(shí)器：TRR計時(shí)器和TTH計時(shí)器。當令牌到達某個(gè)主站時(shí)，此節點(diǎn)的TRR計時(shí)器開(kāi)始計時(shí)，當令牌又一次到達該主站時(shí)，將TRR計時(shí)器的值與理想令牌循環(huán)時(shí)間TTR的差值賦給TTH計時(shí)器，得到TTH的值，即TTH=TTR-TRR，TTH計時(shí)器根據該值控制信息的傳送。如果TTH為負，即令牌到達超時(shí)，則此節點(diǎn)最多只可以發(fā)送一個(gè)高優(yōu)先級信息，然后必須傳遞令牌；如果TTH不為負，表明令牌及時(shí)到達，則此節點(diǎn)可以連續發(fā)送多個(gè)等待發(fā)送的高優(yōu)先級信息，當高優(yōu)先級信息全部發(fā)送完畢，如果仍然有持牌時(shí)間，則可以繼續發(fā)送低優(yōu)先級信息。所有信息發(fā)送完畢或持牌時(shí)間超時(shí)，則令牌傳遞給下一站令牌傳遞方式，在網(wǎng)絡(luò )重載時(shí)有很好的時(shí)間確定性，但在此時(shí)，通信確認顯得尤為重要。在網(wǎng)絡(luò )高吞吐量時(shí)，為了滿(mǎn)足系統實(shí)時(shí)性，及時(shí)傳遞嚴格的周期性信息，Profibus將傳送的信息按照優(yōu)先級分為高優(yōu)先權消息和低優(yōu)先權消息。只有高優(yōu)先權消息傳送完畢或沒(méi)有高優(yōu)先權消息，才執行低優(yōu)先權消息發(fā)送。在此基礎之上，Profibus對低優(yōu)先權消息進(jìn)行進(jìn)一步劃分，將低優(yōu)先權消息劃分為三個(gè)子類(lèi)：輪詢(xún)表、非循環(huán)低優(yōu)先權和間隙表。這三個(gè)子類(lèi)用于邏輯環(huán)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化，在輪詢(xún)表中存有邏輯環(huán)的執行順序。當所有高優(yōu)先權消息發(fā)送之后，就發(fā)送輪詢(xún)表消息循環(huán)，非循環(huán)低優(yōu)先權消息只在完成輪詢(xún)表消息循環(huán)后才發(fā)送。
由于本文所研究的基于Profibus總線(xiàn)的數控系統采用的是純主從式結構，而且數控系統大多為周期性任務(wù)，因此在仿真模型中的現場(chǎng)總線(xiàn)介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制模塊應遵循周期性主從輪詢(xún)介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)方式，同時(shí)應考慮到數控加工過(guò)程中可能出現的一些非周期性突發(fā)事件（如急停等）。如圖3所示，現場(chǎng)總線(xiàn)介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制模塊采用Simulink中的隨機數發(fā)生模塊經(jīng)過(guò)一定的邏輯處理能夠很好地模擬現場(chǎng)總線(xiàn)介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)過(guò)程。
圖3 現場(chǎng)總線(xiàn)介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制子系統模型
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