復合方式現場總線控制系統通信協議的設計

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絡體系結構中，其第3級為現場總線網，它把全廠范圍最基礎的現場儀表及裝置連接起來，實現全數字通信。現場總線網是工廠自動化的基礎，要解決的重要問題之一是現場設備的通信問題。

　　總線結構的介質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，隨沖突次數增多，響應時間加長，實時性變差。主從方式是當網上節點具有明顯上下級特征時使用的一種方式，邏輯令牌環方式是網上節點利用令牌輪流占用總線的信息傳送方式，只有得到令牌的節點才有權使用總線，各節點傳輸互不干擾，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，可實現靜態、動態優先權通信，實時性好。令牌在現場儀表間傳遞，而且具有使用時間限制，因此，每個節點在固定的最大時間內定能獲得發送權，使通信響應時間具有確定性；令牌環中各節點都可以對網絡進行管理，網絡具有重構功能，某一節點失效不會影響整個網絡正常工作，具有很高的可靠性，網上節點增加退出自由，使令牌總線具有開放性。
　　總線方式的工業現場控制系統，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，使令牌總線在工業控制領域得到廣泛應用。令牌在網上的循環時間體現了網絡實時性，與網中節點數量、節點發送數據量、波特率等因素有關。減少令牌環中節點數量，是縮短令牌循環時間，提高網絡實時性的手段之一。在一個控制回路中，智能變送器與執行器之間其數據流向具有明顯主從關系，采用主從方式較為合理。因此，當所有節點掛于同一總線上時，網絡存取控制技術宜利用邏輯令牌環結合主從的復合介質存取控制技術。

2　邏輯令牌環管理

2.1　邏輯令牌環組成

　　令牌在網上傳遞時間與網上節點數量有關，節點數越多，傳遞時間越長。為提高網絡通信實時性，減少令牌環節點數目，可對網上節點進行劃分，規定網中監控計算機、手持操作器、智能調節器為主節點，由主節點形成網絡的邏輯令牌環，令牌僅在主節點間傳遞，減少了令牌循環時間，提高令牌傳送的實時性。規定網上變送器，執行器為網絡從節點，從節點不參與令牌循環，只能與相關主節點進行主從方式數據通信。顯而易見，復合方式的現場總線網絡較純令牌環網具有較高的實時性。

2.2　主節點通信優先權確定

　　邏輯令牌環可實現網絡節點靜態、動態優先權通信，按網上主節點功能授予其不同等級的通信優先權，是提高網絡實時性的有效途徑。在網絡中有一些變送器，其檢測數據僅作為系統指示(監視)用，這類變送器定為監控計算機從節點，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人工操作取其它節點的參數及檢測數據等。二者實現這些通信功能時都應具有較低靜態優先權，即二者拿到令牌可以發送信包的必要條件是第N次接到令牌(N≥2)，N的大小可按網絡實時性要求確定。同時，對有多個信包要發送的低優先權節點，還授權其每次只能發一信包，減少低優先權節點用總線的時間。對智能變送器等現場控制回路中主節點，因其直接參與現場工況監測，享有最高靜態優先權，每次拿到令牌后都具有占有總線，發送信包的權力，且可發送多個信包。網中所有節點享有相同等級的動態優先權，當節點發現有報警、相關節點損壞等隨機信息時，該節點認為這些信息的優先權最高(不管其靜態的優先級高低)，拿到令牌后首先將其發送給相應節點。

2.3　令牌環網維護

　　令牌傳遞方法在正常狀態下是比較簡單的，但當進行令牌管理(如發生令牌丟失、多重令牌)及網絡成員控制(如加入新節點、撤除故障節點)等網絡維護工作時，存取控制方法比較復雜，系統中采取如下措施。
　　(1)令牌循環的管理
　　令牌的正確循環是令牌環網正常運行的基礎，且要保證網上令牌的唯一性。

　　圖中TS為發送令牌幀時間，TRW為接收應答定時時間，若發方發出令牌幀后，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。否則將會引起TRW超時，認為令牌幀丟失或收方節點故障，導致令牌幀重發。TR為收方發送應答幀時間，TSW為發出應答定時時間。收方收到令牌，將發出一應答幀以通知發方，同時啟動TRW。TSW超時后，收方沒有收到對方重發的令牌，則認為對方正確收到應答，本節點現握有令牌，可占有總線執行通信任務。若在TSW內又收到發方的令牌幀，則認為應答幀傳輸丟失或發方接收器故障，將重發應答幀，進行確認。TRW＞TR且TSW＞TS＋t，是保證網絡令牌的正確傳送和唯一令牌的必要條件。
　　另外，令牌在循環過程中可能因干擾等因素而丟失。必須對其循環進行監視。規定令牌環中節點都具有令牌循環監控功能。每次正確傳遞完令牌后，都啟動與一定相關的令牌循環監控定時器，其值將略大于令牌循環一周時間，避免因網絡通信任務加重延長令牌循環時間而造成誤判。在監控定時內收到的令牌，則認為令牌循環正常，同時復位監視定時器；若監視定時器超時中斷后仍沒有收到令牌，則認為令牌在循環過程中丟失，以廣播方式強行復位整個網絡通信狀態，并由該節點重新產生一新的令牌，恢復令牌循環及系統運行。
(2)網絡成員控制
　　令牌環網的一大優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絡成員管理工作，規定令牌環中地址最小主節點為網絡的調度站，由調度站負責網絡新站加入。令牌環變更后，新的令牌環中自動產生新的調度站。調度站執行新站入網工作具有低的靜態優先權，當獲得N次令牌后，才以廣播方式發布征求新站入網幀，開啟新站入網時間響應窗口。網上新主節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出新點入網幀，加入令牌環，并調整網絡調度站。
　　每一個站傳數據給下一站，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，將其撤出網絡。
　　網絡成員的每一次變化，都將產生相應的報警信息，發給監控計算機。
　　主節點拿到令牌后，根據需要與相關從節點進行主從方式通信，傳遞數據。