基于PROFIBUS總線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
一般來說數據通信控制網絡是一個復雜的混合系統，如果在仿真過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）來研究微小的總線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，為了避免這些問題，而且盡可能真實地仿真基于現場總線的控制系統的行為，我們把離散的控制系統作為連續的控制系統進行仿真，同時在一個采樣周期內使用采樣/保持單元鎖存信息。在這種情況下，等待總線授權所造成的延時，可以通過現場傳感設備輸出信息鎖存的時間到信息鎖存至控制器的時間延時來進行模擬。模型中的各個模塊的描述如下：
1．現場總線介質訪問控制模塊（Ask Token）
在PROFIBUS總線的數據鏈路層中所采用的介質訪問控制方式為混合介質存取方式，即主站與主站之間為典型的總線令牌傳遞方式，主站與從站之間為主從輪詢方式。這種介質訪問控制方法滿足介質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間間隔中，任何一個站點都有足夠的時間來完成通信任務；在主站和從站間，能夠快速又簡單地完成數據的實時傳輸。
為了計算以上三種時間，Profibus的MAC協議還設置了兩類計時器：TRR計時器和TTH計時器。當令牌到達某個主站時，此節點的TRR計時器開始計時，當令牌又一次到達該主站時，將TRR計時器的值與理想令牌循環時間TTR的差值賦給TTH計時器，得到TTH的值，即TTH=TTR-TRR，TTH計時器根據該值控制信息的傳送。如果TTH為負，即令牌到達超時，則此節點最多只可以發送一個高優先級信息，然后必須傳遞令牌；如果TTH不為負，表明令牌及時到達，則此節點可以連續發送多個等待發送的高優先級信息，當高優先級信息全部發送完畢，如果仍然有持牌時間，則可以繼續發送低優先級信息。所有信息發送完畢或持牌時間超時，則令牌傳遞給下一站令牌傳遞方式，在網絡重載時有很好的時間確定性，但在此時，通信確認顯得尤為重要。在網絡高吞吐量時，為了滿足系統實時性，及時傳遞嚴格的周期性信息，Profibus將傳送的信息按照優先級分為高優先權消息和低優先權消息。只有高優先權消息傳送完畢或沒有高優先權消息，才執行低優先權消息發送。在此基礎之上，Profibus對低優先權消息進行進一步劃分，將低優先權消息劃分為三個子類：輪詢表、非循環低優先權和間隙表。這三個子類用于邏輯環的動態優化，在輪詢表中存有邏輯環的執行順序。當所有高優先權消息發送之后，就發送輪詢表消息循環，非循環低優先權消息只在完成輪詢表消息循環后才發送。
由于本文所研究的基于Profibus總線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，因此在仿真模型中的現場總線介質訪問控制模塊應遵循周期性主從輪詢介質訪問方式，同時應考慮到數控加工過程中可能出現的一些非周期性突發事件（如急停等）。如圖3所示，現場總線介質訪問控制模塊采用Simulink中的隨機數發生模塊經過一定的邏輯處理能夠很好地模擬現場總線介質訪問過程。
圖3 現場總線介質訪問控制子系統模型
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