復(fù)合方式現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

1　復(fù)合方式的確定

　　在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織推薦的工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，其第3級(jí)為現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)，它把全廠范圍最基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)儀表及裝置連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字通信。現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)是工廠自動(dòng)化的基礎(chǔ)，要解決的重要問(wèn)題之一是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的通信問(wèn)題。

　　總線結(jié)構(gòu)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。目前常用的總線存取控制技術(shù)有集中查詢方式(主從方式)、邏輯令牌環(huán)方式、時(shí)分多路復(fù)用存取方式(TDM)、帶沖突檢測(cè)的載波檢測(cè)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(cè)沖突，在重負(fù)載情況下，隨沖突次數(shù)增多，響應(yīng)時(shí)間加長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性變差。主從方式是當(dāng)網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)具有明顯上下級(jí)特征時(shí)使用的一種方式，邏輯令牌環(huán)方式是網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)利用令牌輪流占用總線的信息傳送方式，只有得到令牌的節(jié)點(diǎn)才有權(quán)使用總線，各節(jié)點(diǎn)傳輸互不干擾，消除了總線爭(zhēng)用。另外，令牌方式在重負(fù)載時(shí)響應(yīng)時(shí)間不會(huì)增加很多，可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)優(yōu)先權(quán)通信，實(shí)時(shí)性好。令牌在現(xiàn)場(chǎng)儀表間傳遞，而且具有使用時(shí)間限制，因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在固定的最大時(shí)間內(nèi)定能獲得發(fā)送權(quán)，使通信響應(yīng)時(shí)間具有確定性；令牌環(huán)中各節(jié)點(diǎn)都可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，網(wǎng)絡(luò)具有重構(gòu)功能，某一節(jié)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(jié)點(diǎn)增加退出自由，使令牌總線具有開(kāi)放性。
　　總線方式的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)，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(cuò)能力，使令牌總線在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。令牌在網(wǎng)上的循環(huán)時(shí)間體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性，與網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量、節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)量、波特率等因素有關(guān)。減少令牌環(huán)中節(jié)點(diǎn)數(shù)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(zhí)行器之間其數(shù)據(jù)流向具有明顯主從關(guān)系，采用主從方式較為合理。因此，當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)掛于同一總線上時(shí)，網(wǎng)絡(luò)存取控制技術(shù)宜利用邏輯令牌環(huán)結(jié)合主從的復(fù)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(jié)點(diǎn)數(shù)量有關(guān)，節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，傳遞時(shí)間越長(zhǎng)。為提高網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)時(shí)性，減少令牌環(huán)節(jié)點(diǎn)數(shù)目，可對(duì)網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)進(jìn)行劃分，規(guī)定網(wǎng)中監(jiān)控計(jì)算機(jī)、手持操作器、智能調(diào)節(jié)器為主節(jié)點(diǎn)，由主節(jié)點(diǎn)形成網(wǎng)絡(luò)的邏輯令牌環(huán)，令牌僅在主節(jié)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(guī)定網(wǎng)上變送器，執(zhí)行器為網(wǎng)絡(luò)從節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)不參與令牌循環(huán)，只能與相關(guān)主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行主從方式數(shù)據(jù)通信。顯而易見(jiàn)，復(fù)合方式的現(xiàn)場(chǎng)總線網(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(jié)點(diǎn)通信優(yōu)先權(quán)確定

　　邏輯令牌環(huán)可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)優(yōu)先權(quán)通信，按網(wǎng)上主節(jié)點(diǎn)功能授予其不同等級(jí)的通信優(yōu)先權(quán)，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(cè)數(shù)據(jù)僅作為系統(tǒng)指示(監(jiān)視)用，這類變送器定為監(jiān)控計(jì)算機(jī)從節(jié)點(diǎn)，監(jiān)控計(jì)算機(jī)將按主從方式取其數(shù)據(jù)。手持操作器主要是通過(guò)人工操作取其它節(jié)點(diǎn)的參數(shù)及檢測(cè)數(shù)據(jù)等。二者實(shí)現(xiàn)這些通信功能時(shí)都應(yīng)具有較低靜態(tài)優(yōu)先權(quán)，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(duì)有多個(gè)信包要發(fā)送的低優(yōu)先權(quán)節(jié)點(diǎn)，還授權(quán)其每次只能發(fā)一信包，減少低優(yōu)先權(quán)節(jié)點(diǎn)用總線的時(shí)間。對(duì)智能變送器等現(xiàn)場(chǎng)控制回路中主節(jié)點(diǎn)，因其直接參與現(xiàn)場(chǎng)工況監(jiān)測(cè)，享有最高靜態(tài)優(yōu)先權(quán)，每次拿到令牌后都具有占有總線，發(fā)送信包的權(quán)力，且可發(fā)送多個(gè)信包。網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)享有相同等級(jí)的動(dòng)態(tài)優(yōu)先權(quán)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)有報(bào)警、相關(guān)節(jié)點(diǎn)損壞等隨機(jī)信息時(shí)，該節(jié)點(diǎn)認(rèn)為這些信息的優(yōu)先權(quán)最高(不管其靜態(tài)的優(yōu)先級(jí)高低)，拿到令牌后首先將其發(fā)送給相應(yīng)節(jié)點(diǎn)。

2.3　令牌環(huán)網(wǎng)維護(hù)

　　令牌傳遞方法在正常狀態(tài)下是比較簡(jiǎn)單的，但當(dāng)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(jié)點(diǎn)、撤除故障節(jié)點(diǎn))等網(wǎng)絡(luò)維護(hù)工作時(shí)，存取控制方法比較復(fù)雜，系統(tǒng)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(yùn)行的基礎(chǔ)，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(yīng)答定時(shí)時(shí)間，若發(fā)方發(fā)出令牌幀后，在TRW內(nèi)收到了對(duì)方正確應(yīng)答，則認(rèn)為令牌正確傳給下一主節(jié)點(diǎn)。否則將會(huì)引起TRW超時(shí)，認(rèn)為令牌幀丟失或收方節(jié)點(diǎn)故障，導(dǎo)致令牌幀重發(fā)。TR為收方發(fā)送應(yīng)答幀時(shí)間，TSW為發(fā)出應(yīng)答定時(shí)時(shí)間。收方收到令牌，將發(fā)出一應(yīng)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(duì)方重發(fā)的令牌，則認(rèn)為對(duì)方正確收到應(yīng)答，本節(jié)點(diǎn)現(xiàn)握有令牌，可占有總線執(zhí)行通信任務(wù)。若在TSW內(nèi)又收到發(fā)方的令牌幀，則認(rèn)為應(yīng)答幀傳輸丟失或發(fā)方接收器故障，將重發(fā)應(yīng)答幀，進(jìn)行確認(rèn)。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(duì)其循環(huán)進(jìn)行監(jiān)視。規(guī)定令牌環(huán)中節(jié)點(diǎn)都具有令牌循環(huán)監(jiān)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(jiān)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(zhǎng)令牌循環(huán)時(shí)間而造成誤判。在監(jiān)控定時(shí)內(nèi)收到的令牌，則認(rèn)為令牌循環(huán)正常，同時(shí)復(fù)位監(jiān)視定時(shí)器；若監(jiān)視定時(shí)器超時(shí)中斷后仍沒(méi)有收到令牌，則認(rèn)為令牌在循環(huán)過(guò)程中丟失，以廣播方式強(qiáng)行復(fù)位整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)，并由該節(jié)點(diǎn)重新產(chǎn)生一新的令牌，恢復(fù)令牌循環(huán)及系統(tǒng)運(yùn)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(guī)定令牌環(huán)中地址最小主節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度站，由調(diào)度站負(fù)責(zé)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(diào)度站。調(diào)度站執(zhí)行新站入網(wǎng)工作具有低的靜態(tài)優(yōu)先權(quán)，當(dāng)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(yīng)窗口。網(wǎng)上新主節(jié)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(diào)整網(wǎng)絡(luò)調(diào)度站。
　　每一個(gè)站傳數(shù)據(jù)給下一站，若連續(xù)傳3次收不到下一站的應(yīng)答信息，則認(rèn)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(yīng)的報(bào)警信息，發(fā)給監(jiān)控計(jì)算機(jī)。
　　主節(jié)點(diǎn)拿到令牌后，根據(jù)需要與相關(guān)從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行主從方式通信，傳遞數(shù)據(jù)。