復合方式現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)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自動化網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)中，其第3級為現(xiàn)場總線網(wǎng)，它把全廠范圍最基礎的現(xiàn)場儀表及裝置連接起來，實現(xiàn)全數(shù)字通信。現(xiàn)場總線網(wǎng)是工廠自動化的基礎，要解決的重要問題之一是現(xiàn)場設備的通信問題。

　　總線結(jié)構(gòu)的介質(zhì)存取控制技術主要解決共享通路的分配問題。目前常用的總線存取控制技術有集中查詢方式(主從方式)、邏輯令牌環(huán)方式、時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方式因要載波偵聽和檢測沖突，在重負載情況下，隨沖突次數(shù)增多，響應時間加長，實時性變差。主從方式是當網(wǎng)上節(jié)點具有明顯上下級特征時使用的一種方式，邏輯令牌環(huán)方式是網(wǎng)上節(jié)點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)點才有權(quán)使用總線，各節(jié)點傳輸互不干擾，消除了總線爭用。另外，令牌方式在重負載時響應時間不會增加很多，可實現(xiàn)靜態(tài)、動態(tài)優(yōu)先權(quán)通信，實時性好。令牌在現(xiàn)場儀表間傳遞，而且具有使用時間限制，因此，每個節(jié)點在固定的最大時間內(nèi)定能獲得發(fā)送權(quán)，使通信響應時間具有確定性；令牌環(huán)中各節(jié)點都可以對網(wǎng)絡進行管理，網(wǎng)絡具有重構(gòu)功能，某一節(jié)點失效不會影響整個網(wǎng)絡正常工作，具有很高的可靠性，網(wǎng)上節(jié)點增加退出自由，使令牌總線具有開放性。
　　總線方式的工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)，要求通信具有實時性和時間確定性，以及較高的安全性和容錯能力，使令牌總線在工業(yè)控制領域得到廣泛應用。令牌在網(wǎng)上的循環(huán)時間體現(xiàn)了網(wǎng)絡實時性，與網(wǎng)中節(jié)點數(shù)量、節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)量、波特率等因素有關。減少令牌環(huán)中節(jié)點數(shù)量，是縮短令牌循環(huán)時間，提高網(wǎng)絡實時性的手段之一。在一個控制回路中，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系，采用主從方式較為合理。因此，當所有節(jié)點掛于同一總線上時，網(wǎng)絡存取控制技術宜利用邏輯令牌環(huán)結(jié)合主從的復合介質(zhì)存取控制技術。

2　邏輯令牌環(huán)管理

2.1　邏輯令牌環(huán)組成

　　令牌在網(wǎng)上傳遞時間與網(wǎng)上節(jié)點數(shù)量有關，節(jié)點數(shù)越多，傳遞時間越長。為提高網(wǎng)絡通信實時性，減少令牌環(huán)節(jié)點數(shù)目，可對網(wǎng)上節(jié)點進行劃分，規(guī)定網(wǎng)中監(jiān)控計算機、手持操作器、智能調(diào)節(jié)器為主節(jié)點，由主節(jié)點形成網(wǎng)絡的邏輯令牌環(huán)，令牌僅在主節(jié)點間傳遞，減少了令牌循環(huán)時間，提高令牌傳送的實時性。規(guī)定網(wǎng)上變送器，執(zhí)行器為網(wǎng)絡從節(jié)點，從節(jié)點不參與令牌循環(huán)，只能與相關主節(jié)點進行主從方式數(shù)據(jù)通信。顯而易見，復合方式的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡較純令牌環(huán)網(wǎng)具有較高的實時性。

2.2　主節(jié)點通信優(yōu)先權(quán)確定

　　邏輯令牌環(huán)可實現(xiàn)網(wǎng)絡節(jié)點靜態(tài)、動態(tài)優(yōu)先權(quán)通信，按網(wǎng)上主節(jié)點功能授予其不同等級的通信優(yōu)先權(quán)，是提高網(wǎng)絡實時性的有效途徑。在網(wǎng)絡中有一些變送器，其檢測數(shù)據(jù)僅作為系統(tǒng)指示(監(jiān)視)用，這類變送器定為監(jiān)控計算機從節(jié)點，監(jiān)控計算機將按主從方式取其數(shù)據(jù)。手持操作器主要是通過人工操作取其它節(jié)點的參數(shù)及檢測數(shù)據(jù)等。二者實現(xiàn)這些通信功能時都應具有較低靜態(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)絡實時性要求確定。同時，對有多個信包要發(fā)送的低優(yōu)先權(quán)節(jié)點，還授權(quán)其每次只能發(fā)一信包，減少低優(yōu)先權(quán)節(jié)點用總線的時間。對智能變送器等現(xiàn)場控制回路中主節(jié)點，因其直接參與現(xiàn)場工況監(jiān)測，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)送多個信包。網(wǎng)中所有節(jié)點享有相同等級的動態(tài)優(yōu)先權(quán)，當節(jié)點發(fā)現(xiàn)有報警、相關節(jié)點損壞等隨機信息時，該節(jié)點認為這些信息的優(yōu)先權(quán)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(jié)點。

2.3　令牌環(huán)網(wǎng)維護

　　令牌傳遞方法在正常狀態(tài)下是比較簡單的，但當進行令牌管理(如發(fā)生令牌丟失、多重令牌)及網(wǎng)絡成員控制(如加入新節(jié)點、撤除故障節(jié)點)等網(wǎng)絡維護工作時，存取控制方法比較復雜，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)送令牌幀時間，TRW為接收應答定時時間，若發(fā)方發(fā)出令牌幀后，在TRW內(nèi)收到了對方正確應答，則認為令牌正確傳給下一主節(jié)點。否則將會引起TRW超時，認為令牌幀丟失或收方節(jié)點故障，導致令牌幀重發(fā)。TR為收方發(fā)送應答幀時間，TSW為發(fā)出應答定時時間。收方收到令牌，將發(fā)出一應答幀以通知發(fā)方，同時啟動TRW。TSW超時后，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(jié)點現(xiàn)握有令牌，可占有總線執(zhí)行通信任務。若在TSW內(nèi)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，進行確認。TRW＞TR且TSW＞TS＋t，是保證網(wǎng)絡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)過程中可能因干擾等因素而丟失。必須對其循環(huán)進行監(jiān)視。規(guī)定令牌環(huán)中節(jié)點都具有令牌循環(huán)監(jiān)控功能。每次正確傳遞完令牌后，都啟動與一定相關的令牌循環(huán)監(jiān)控定時器，其值將略大于令牌循環(huán)一周時間，避免因網(wǎng)絡通信任務加重延長令牌循環(huán)時間而造成誤判。在監(jiān)控定時內(nèi)收到的令牌，則認為令牌循環(huán)正常，同時復位監(jiān)視定時器；若監(jiān)視定時器超時中斷后仍沒有收到令牌，則認為令牌在循環(huán)過程中丟失，以廣播方式強行復位整個網(wǎng)絡通信狀態(tài)，并由該節(jié)點重新產(chǎn)生一新的令牌，恢復令牌循環(huán)及系統(tǒng)運行。
(2)網(wǎng)絡成員控制
　　令牌環(huán)網(wǎng)的一大優(yōu)點是不斷開物理媒介便可進行新站加入及故障站退出等網(wǎng)絡成員管理工作，規(guī)定令牌環(huán)中地址最小主節(jié)點為網(wǎng)絡的調(diào)度站，由調(diào)度站負責網(wǎng)絡新站加入。令牌環(huán)變更后，新的令牌環(huán)中自動產(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，開啟新站入網(wǎng)時間響應窗口。網(wǎng)上新主節(jié)點收到該幀后延時與自己地址有關時間片后以廣播方式發(fā)出新點入網(wǎng)幀，加入令牌環(huán)，并調(diào)整網(wǎng)絡調(diào)度站。
　　每一個站傳數(shù)據(jù)給下一站，若連續(xù)傳3次收不到下一站的應答信息，則認為下一站故障，將其撤出網(wǎng)絡。
　　網(wǎng)絡成員的每一次變化，都將產(chǎn)生相應的報警信息，發(fā)給監(jiān)控計算機。
　　主節(jié)點拿到令牌后，根據(jù)需要與相關從節(jié)點進行主從方式通信，傳遞數(shù)據(jù)。