复合方式现场总线控制系统通信协议的设计

1　复合方式的确定

　　在国际标准化组织推荐的工厂自动化网络体系结构中，其第3级为现场总线网，它把全厂范围最基础的现场仪表及装置连接起来，实现全数字通信。现场总线网是工厂自动化的基础，要解决的重要问题之一是现场设备的通信问题。

　　总线结构的介质存取控制技术主要解决共享通路的分配问题。目前常用的总线存取控制技术有集中查询方式(主从方式)、逻辑令牌环方式、时分多路复用存取方式(TDM)、带冲突检测的载波检测多路存取控制方式(CSMA／CD)等。CSMA／CD方式因要载波侦听和检测冲突，在重负载情况下，随冲突次数增多，响应时间加长，实时性变差。主从方式是当网上节点具有明显上下级特征时使用的一种方式，逻辑令牌环方式是网上节点利用令牌轮流占用总线的信息传送方式，只有得到令牌的节点才有权使用总线，各节点传输互不干扰，消除了总线争用。另外，令牌方式在重负载时响应时间不会增加很多，可实现静态、动态优先权通信，实时性好。令牌在现场仪表间传递，而且具有使用时间限制，因此，每个节点在固定的最大时间内定能获得发送权，使通信响应时间具有确定性；令牌环中各节点都可以对网络进行管理，网络具有重构功能，某一节点失效不会影响整个网络正常工作，具有很高的可靠性，网上节点增加退出自由，使令牌总线具有开放性。
　　总线方式的工业现场控制系统，要求通信具有实时性和时间确定性，以及较高的安全性和容错能力，使令牌总线在工业控制领域得到广泛应用。令牌在网上的循环时间体现了网络实时性，与网中节点数量、节点发送数据量、波特率等因素有关。减少令牌环中节点数量，是缩短令牌循环时间，提高网络实时性的手段之一。在一个控制回路中，智能变送器与执行器之间其数据流向具有明显主从关系，采用主从方式较为合理。因此，当所有节点挂于同一总线上时，网络存取控制技术宜利用逻辑令牌环结合主从的复合介质存取控制技术。

2　逻辑令牌环管理

2.1　逻辑令牌环组成

　　令牌在网上传递时间与网上节点数量有关，节点数越多，传递时间越长。为提高网络通信实时性，减少令牌环节点数目，可对网上节点进行划分，规定网中监控计算机、手持操作器、智能调节器为主节点，由主节点形成网络的逻辑令牌环，令牌仅在主节点间传递，减少了令牌循环时间，提高令牌传送的实时性。规定网上变送器，执行器为网络从节点，从节点不参与令牌循环，只能与相关主节点进行主从方式数据通信。显而易见，复合方式的现场总线网络较纯令牌环网具有较高的实时性。

2.2　主节点通信优先权确定

　　逻辑令牌环可实现网络节点静态、动态优先权通信，按网上主节点功能授予其不同等级的通信优先权，是提高网络实时性的有效途径。在网络中有一些变送器，其检测数据仅作为系统指示(监视)用，这类变送器定为监控计算机从节点，监控计算机将按主从方式取其数据。手持操作器主要是通过人工操作取其它节点的参数及检测数据等。二者实现这些通信功能时都应具有较低静态优先权，即二者拿到令牌可以发送信包的必要条件是第N次接到令牌(N≥2)，N的大小可按网络实时性要求确定。同时，对有多个信包要发送的低优先权节点，还授权其每次只能发一信包，减少低优先权节点用总线的时间。对智能变送器等现场控制回路中主节点，因其直接参与现场工况监测，享有最高静态优先权，每次拿到令牌后都具有占有总线，发送信包的权力，且可发送多个信包。网中所有节点享有相同等级的动态优先权，当节点发现有报警、相关节点损坏等随机信息时，该节点认为这些信息的优先权最高(不管其静态的优先级高低)，拿到令牌后首先将其发送给相应节点。

2.3　令牌环网维护

　　令牌传递方法在正常状态下是比较简单的，但当进行令牌管理(如发生令牌丢失、多重令牌)及网络成员控制(如加入新节点、撤除故障节点)等网络维护工作时，存取控制方法比较复杂，系统中采取如下措施。
　　(1)令牌循环的管理
　　令牌的正确循环是令牌环网正常运行的基础，且要保证网上令牌的唯一性。

　　图中TS为发送令牌帧时间，TRW为接收应答定时时间，若发方发出令牌帧后，在TRW内收到了对方正确应答，则认为令牌正确传给下一主节点。否则将会引起TRW超时，认为令牌帧丢失或收方节点故障，导致令牌帧重发。TR为收方发送应答帧时间，TSW为发出应答定时时间。收方收到令牌，将发出一应答帧以通知发方，同时启动TRW。TSW超时后，收方没有收到对方重发的令牌，则认为对方正确收到应答，本节点现握有令牌，可占有总线执行通信任务。若在TSW内又收到发方的令牌帧，则认为应答帧传输丢失或发方接收器故障，将重发应答帧，进行确认。TRW＞TR且TSW＞TS＋t，是保证网络令牌的正确传送和唯一令牌的必要条件。
　　另外，令牌在循环过程中可能因干扰等因素而丢失。必须对其循环进行监视。规定令牌环中节点都具有令牌循环监控功能。每次正确传递完令牌后，都启动与一定相关的令牌循环监控定时器，其值将略大于令牌循环一周时间，避免因网络通信任务加重延长令牌循环时间而造成误判。在监控定时内收到的令牌，则认为令牌循环正常，同时复位监视定时器；若监视定时器超时中断后仍没有收到令牌，则认为令牌在循环过程中丢失，以广播方式强行复位整个网络通信状态，并由该节点重新产生一新的令牌，恢复令牌循环及系统运行。
(2)网络成员控制
　　令牌环网的一大优点是不断开物理媒介便可进行新站加入及故障站退出等网络成员管理工作，规定令牌环中地址最小主节点为网络的调度站，由调度站负责网络新站加入。令牌环变更后，新的令牌环中自动产生新的调度站。调度站执行新站入网工作具有低的静态优先权，当获得N次令牌后，才以广播方式发布征求新站入网帧，开启新站入网时间响应窗口。网上新主节点收到该帧后延时与自己地址有关时间片后以广播方式发出新点入网帧，加入令牌环，并调整网络调度站。
　　每一个站传数据给下一站，若连续传3次收不到下一站的应答信息，则认为下一站故障，将其撤出网络。
　　网络成员的每一次变化，都将产生相应的报警信息，发给监控计算机。
　　主节点拿到令牌后，根据需要与相关从节点进行主从方式通信，传递数据。[page]

3　通信协议的具体设计

3.1　物理层

　　图1－2所示的系统中，物理层采用异步串行通信方式，基带传输，非归零NRZ编码信号形式，通信波特率为31.25Kbps，最大传输距离1200m，最多可接仪表31台，传输介质为屏蔽双绞线，非总线供电，其帧格式由11个比特位构成。如下所示。

1个起始位 8个数据位 1个可编程位 1个停止位

3.2　协议数据结构定义
　　通信协议数据结构定义如下：
　　(1)主节点表
｛主节点表长度，主节点地址1……，主节点地址n｝
　　(2)控制回路及参数
控制回路构成：
｛变送调节器地址、回路号、变送器地址1、……变送器地址n，执行器地址1、……执行器地址n｝
　　回路参数：
　　｛变送调节器地址、参数长度、回路号、参数表(含给定值、报警限、PID参数等)｝
　　(3)报警信息
　　｛报警节点地址、回路号、报警时间、报警类型、报警值｝
　　(4)数据信息
　　｛节点地址、回路号、数据类型、数据值｝

3.3　通信协议帧格式

　　通信协议提供两种帧格式：无连接无应答帧及有连接有应答帧。
　　(1)无连接无应答帧
　　该帧以广播方式发送，其内容由令牌环中各节点所接收。可分为以下3帧：
　　①主节点表帧
 

帧识别码 主节点表数据 帧校验

　　②征求新站入网帧

帧识别码 帧校验字 时间响应窗口

　　时间响应窗口值为一定值，为每一个站在窗口中开设了与地址有关的时间片，使新站在与其地址相关的时间窗口中响应该帧，实现网上新站一次性入网。
　　③新站入网帧

帧识别码 新站地址 帧校验字

　　该帧是对征求新站入网帧的响应帧，为所有节点接收并调整网络的调度站及令牌的传递次序。若新站入网失败，则等待响应下一个征求站入网帧。
　　②、③两帧具有较低的静态优先权。
　　(2)有连接有应答帧
　　此类帧为点对点通信，在连接及应答成功后方可认为信息传递完成，否则要重发，此类帧包括令牌帧、应答帧、命令帧及数据帧(如组态数据变更、测量数据等)服务帧。帧结构为：

目的节点地址 源节点地址 帧识别码 数据长度 数据内容 帧校验字

　　目的节点按收到帧识别码来解释或执行该帧，将相应处理发给源节点。
　　所有帧具有校验字，由软件按CRC－CCITT生成项式G(X)＝X16＋X12＋X5＋1生成32位循环冗余校验码，保证数据传输的正确性、完整性、顺序性。
4　结束语

　　令牌加主从的复合式的通信协议，具有纯令牌方式的全部优点，使现场总线控制系统具有实时性、可靠性及开放性。复合方式的采用减少了令牌循环节点数，缩短令牌循环时间，提高系统实时性。

参考文献：

［1］原明亭.令牌总线型全数字现场总线控制系统研究.天津大学研究生论文，1996
［2］王常力，缪道文.集散型控制系统的设计与应用.清华大学出版社，1993