（电路与系统专业论文）can现场总线网络环境通讯协议研究与实现.pdf

摘要 现场总线 ；仅仅是工业现场级控制领域一门新兴的通讯技术，而且被誉为是 + 个控制技术新时代的开端。而c a n ( c o n t r o l1 e ra r e an e t w o r k ) 总线标准则是 在世界范嗣内较早出现并且得到广泛使用的现场总线国际标准之一。c a n 总线具有 成本低、速度快、实时性和可靠性较高的特点，其透明开放的协议方便用户自行 定制和扩展。 对于现代工业控制系统来说，基于现场总线的全数字式分布控制系统的广泛 应用，为系统的管控一体化提供了解决之道。但是如何有效地提高系统的灵活性， 使系统在满足实时性数据传输的要求同时又能够及时地进行管理和调节，成为 智能化控制系统新的课题。 本文介绍了现场总线尤其是c a n 总线的通讯内容和特点，论述了现代工业控 制中的实时性通讯环境和性能要求。结合陕西省火炬计划项目“基于现场总线的 智能电动执行器关键技术研制开发”和西安市科技攻关项目“现场总线智能电动 执行器研制”，研究了现代工业系统的“柔性控制”和实时性问题；研究了c a n 现 场总线网络环境相关的通讯协议和模型，其中包括了c a n o p e n 、d e v i c n e t 等几种 流行的c a n 总线高层协议：研究了在现场总线网络环境中时间触发和事件触发的 调度机制；研究了基于5 l 单片机系统如何进行c a n 现场总线智能节点的设计。解 决了传统c a n 总线节点通讯可控性差，无法灵活设置的问题。今后进一步的工作 是研究在时间触发的基础上如何更好的完成在线事件触发服务，以及相应的使用 f p ( ；a 或i ) s p 等手段在满足实时性要求的前提下进行更为复杂的报文处理与调度。 关键词：现场总线c 州总线时间触发智能电动执行器 a b s t r a c t f i e l d b u si saf l e ww a yo fc o m m u n i c a t i o ni nf a c t o r yf i e l dl e v e la r e a i th a sb e e n c a l l e dab e g i n n i n go fn e wc o n t r o lt e c h n o l o g y a g ec a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) b u s i so n eo ff l e l d h u si n t e r n a t i o n a ls t a n d a r dt h a ti sm o s t e a r l ye s t a b l i s h e da n dw i d e l yu s e d i na l lo v e rt h ew o r l d i th a st h ec h a r a c t e r i s t i co f l o w c o s t 、f a s ts p e e d 、h i g hr e a l t i m ea n d r e l i a b i l i t y i ti sc o n v e n i e n c e f o rc u s t o m e rt od e s i g na n d e x t e n d t h e i ro w n a p p l i c a t i o n sb y t h eo p e n i n gp r o t o c o lo fc a nb u s i nm o d e m i n d u s t r yc o n t r o ls y s t e m ，t h ea p p l i c a t i o no f t h ed i g i t a ld i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e mb a s e d o nf i e l d b u sh a sm a d ei tp o s s i b l eo f i n c o r p o r a t i n g t h e m a n a g e m e n ta n d c o n t r 0 1 h o w e v e r ，t h en e wp r o b l e mi ni n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mi sh o w t oi m p r o v et h e f l e x i b i l i t yo f t h es y s t e me f f i c i e n t l ys ot h a tt h ec o n t r o la n d a d j u s t m e n t c a r lb et i m e l y e x e c u t e dw i t ht h er e q u i r e m e n to f t h er e a l t i m ed a t at r a n s m i s s i o n t h e d e v e l o p m e n to f f i e l d b u sa n dt h ep r o t o c o lc o n t e n to fc a na r ef i r s tp r e s e n t e d i nt h i sp a p e r ，a n dt h ec i r c u m s t a n c ea n d p e r f o r m a n c e o fr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o ni n m o d e m i n d u s t r yc o n t r o ls y s t e m a r ed i s c u s s e d o nab a s i so ft h er e s e a r c hf o u n d e db y s h a a n x ip r o j e c t ”d e s i g no fs m a r te l e c t r i c a la c t u a t o rb a s e do nf i e l d b u s “a n dx i a np r o j e c t ”d e s i g no fi n t e l l i g e n tm e a s u r e m e n t a n dc o n t r o ln o d eb a s e do n c a n ”，t h ef o l l o w i n g p r o b l e m s a r es t u d i e d ：f l e x i b l ec o n t r o la n dr e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o ni nm o d e m f a c t o r y a u t o m a t i o n ；t h em o d e la n dp r o t o c o li nc a n c i r c u m s t a n c e ，i n c l u d i n g s e v e r a lp o p u l a r c a n h i g h l a y e rp r o t o c o ls u c h a sc a n o p e n ，d e v i e n e t ；t i m e t r i g g e ra n d e v e n t t r i g g e r s c h e d u l ei nc a n ；d e s i g no f i n t e l l i g e n tc a n n o d eb a s e do n8 0 c 51m c u t h es o f t d e s i g no f c a nc o m m u n i c a t i o nw i mt h et i m e t r i g g e rs c h e d u l ei m p r o v e t h ec a nn o d e s f l e x i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y t h ef u r t h e rw o r k t ob ed o n ei ss t u d y i n gt h eb e t t e rm e t h o do f o n l i n ee v e n tt r i g g e rs e r v i c ea n d c o m p l i c a t e dm e s s a g es c h e d u l eu n d e r t h ec r i t i c a lt i m e c o n s t r a i nb yf p g ao rd s p k e y w o r d ：f i e l d b u s c a nt i m e t r i g g e ri n t e l l i g e n te l e c t r i c a la c t u a t o r y5 8 3 7 5 4 创新性声明 本人卢明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究1 j 作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中4 i 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：堕f ；l 期丛盟玺士篁 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文( 与学位论文相关) 工作成果时署名单位仍然为西 安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存 论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：量 只期 如g 铷獬：陴r 期扭峰 第一章绪论 第一章绪论 l ，1 论文课题的研究背景和意义 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展和融合，信息交换沟通的领域正 在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制积管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工 厂、企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展，引发了自动化系统的变革， 逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统，现场总线( f i e l d b u s ) 就 是顺应这一趋势发展起来的高新技术。如今，现场总线已经成为当今世界范围内的 自动化技术发展的热点之一，代表了自动化技术发展的新方向，标志着工业自动化 技术又一个新时代的开始，并将对该领域的发展产生重要而深远的影响。 就控制系统的发展史而言，曾有过两次大的变革。一次是2 0 世纪5 0 年代，幽 基地式控制系统变革为单元组合式仪表控铡系统；另一次是2 0 世纪8 0 年代中期， 由模拟式仪表控制系统变革为计算机集敞控制系统( d c s ) 。但是，这两次变革远 不及现场总线对控制系统发展的影响那样深刻。这是因为现场总线技术是计算机技 术、通信技术和控制技术的综合与集成，它的出现将使传统的自动控制系统产生革 命性的变革，变革传统的信号标准、通信标准和系统标准，变革传统自动控制系统 的体系结构、设计方法、安装调试方法和产品结构，从而也使人们的思想认识产生 变革。 1 1 2 现场总线的特点 按n ng ；f , 电工委员会i e c 6 1 1 5 8 的标准定义，现场总线是“安装在制造和过程 l 毳域的现场装置与控制室内的自动化控制装置之闻的数字式、串行、多电通信的 数据总线”。1 2 1 换句话说，就是从控制室连接到现场设备的双向全数字通信总线， 或者称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络，其结构特点、技术特点和 优点归纳如下。 、现场总线系统的结构特点 传统的模拟控制系统采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接，现 场的测量变送器与控制室的控制器之白j 、控制器与现场的执行器、丌关、马达等 设备之恻均为一对一的物理连接：对d c s 系统来说，通信网络截i t 予控制站或输 入输出单元，现场仪表仍然是一对一模拟信号传输。现场总线系统打破了传统控 c a n 现场总线网络环境通讯协议研究与实现 制系统的结构j 模式，由于采用了智能现场设备，能够把原先d c s 巾处于控制室 的控制模块删徉输入输出模块置入现场设备，自u 现场设备具有通信能力，现场 的测量变送仪表u j 勺阀门等执行机构直接传送信号，因而控制功能不依赖于控制 窀的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。现场总线系 统由j 二采用数字信号代替模拟信号，因而可实现一对导线上传输多个信号( 包括 多个运行参数值、多个运行状态、故障信息) 。同时又为多个设备提供电源，现场 设备之外不| = = 需要a d 、d a 转换部件。这样就为简化系统结构、节约硬件设备、 节约连接电缆与各种安装维护费用创造了条件。 二、现场总线的技术特点 系统的丌放性 ) l ：放性是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识和遵从。一个 丌放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连接； 通信协议一致公丌，不同厂家的设备之嵋：j 可实现信息交换；用户可按自己的需要 和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统，通过现场总线构筑自动 化领域的开放互连系统。 可操作性与瓦用性 可操作性是指实现互连设备问、系统间的信息传送与沟通；互用性则意味着 不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。 现场设备的智能化与功能自治性 智能化是将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备 中完成；功能自治性是指仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时 诊断设备的运行状念。 系统结构的高度分散性 现场总线构成种新的全分散型控制系统的体系结构，从根本上改变了现有 d c s 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。 对现场环境的适应性 工作于生产现场前端作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境而设 计的。吐】于采用数字信号传输，克服了模拟信号传输精度低、易受干扰的缺点， 而h 可支持烈绞线、i 司轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，所以其有较强 的抗干扰能力，并能采_ i = | j 两线制实现供电与通信，可满足本质安全防爆要求等。 三、现场总线的优点 由j 二现场总线的以t - g # 点特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从 设i l 、安装、投入运行到正常生产运行及其维护检修，都体现出其优越性。 扣省碗件数鞋与投资 分散纯现场的智能设备能直接执行多种传感、控制、报繁和计算功能t 因而 第一章绪论 可减少变送器的数量，不需要单独的调节器和计算单元等，也不需要d c s 系统的 信号调理、转换和隔离等功能单元及其复杂接线，还可以用工控p c 机作为操作站 从而节省大笔硬件投资，同时可减少控制室的占地面积。 节省安装费用 接线十分简单，一对双绞线或条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、 端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。 当需要增加新的现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆 上，既节省了投资，又减少了设计、安装的工作量。据有关典型实验工程的测算 资料表明，可节约安装费用6 0 以上。 节省维护费用 由于现场控制设备具有自诊断和简单故障处理的能力，并通过数字通信将相 关的诊断维护信息送往控制室用户可以查询所有设备的运行、诊断和维护信息， 以便在早期分析故障原因并迅速排除，缩短了维护时间，同时由于系统结构简化、 连线简单减少了维护工作量。 用户具有高度的系统集成主动权 用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成自己的系统，避免因为选择 某种品牌的产品而被迫限制死了使用设备的选择范围。不会为系统集成中不兼容 的协议、接口而一筹莫展，将系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。 提高了系统的准确性和可靠性 由于现场设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，从根本上提高了测量与 控制的精度，减少了传送误差；同时由于系统结构的简化，设备与连线的减少。 现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。 此外，由于现场总线设备标准化、功能模块化。因而具有设计简单、易于重构等 优点。 1 1 3 现场总线的发展现状 一、多种现场总线技术标准共存 1 9 8 4 年美国就已开始制定现场总线的国际标准。1 9 8 8 年i e c t c 6 5 下设的 s c 6 5 c 成立了w g 6 专门负责现场总线技术标准化的具体工作。但是，近2 0 年来， 世界上一些大公司为了各自利益，围绕着现场总线的国际标准不断进行激烈的争 论，屡经挫折，先后经过多次投票表决，协商妥协，于2 0 0 1 年1 月4i ：；j 发稚了瑚 场总线国际标准i e c 6 1 1 5 8 ，其中包括了8 种互不兼容的总线标准。与此i 司时，一 些陶外的火公司还在推出自己的标准。如同本三菱、法国s h n e i d e r 公司。斟此， 多种现场总线技术标准共存、相互竞争的格局已经形成。 2 i c a n 现场总线网络环境通讯协议研究与实现 二、以太网进军l 业自动化 在没4 - 4 任何标准化组织支持的情况下，以太网在工业自动化和过程控制市场 上正在迅速增长。这首先是从远程i o 发展起来的，现在的各种p l c 都可以于以 太网相连。在德幽杜赛尔多夫举办的工业过程测控技术展览会上，许多基于现场 总线的现场总线控制系统最终都连接到以太网，直至与i n t e m e t 相连。引入以太网 技术已成为现场总线技术发展的一个必然趋势。 丌放的以太刚是二_ ：十多年来发展最成功的网络技术，技术的发展已证明以太 网是未来控制网络的最佳解决方案，并将极大的促进现场信息从工业底层到管理 层的集成，专家们甚至预言，种种迹象表明，以太网将最终到达所有传感器和执 行器，并取代现场总线。但是，并非每种现场总线都能被工业以太网总线所替代。 因为尽管以太网的速率和带宽已经比过去提高了许多，但是其通讯协议的非确定 性机制并不十分适合自动化系统的控制要求。例如就应用于传感器和执行器而言， a s i 、c a n 这两种现场总线无疑是最佳的。因为，a s i 的报文传输4 位数据，且 总线可带电；c a n 报文最多传输8 个字节( 基本c a n ) 。而以太网传输一个报文 则至少需要2 0 0 多个字节，通讯带宽的利用是比较低的。此外，易燃、易爆，以 及环境条件恶劣、可靠性要求很高的应用场合，也不适宜于应用工业以太网。所 以，以太网进军工业自动化将促进类似c a n 现场总线的发展。1 3 1 三、现场总线在我国的发展 中国已经成为各种现场总线激烈争夺的重要市场，一些世界主要的现场总线 组织在中国都设立分支机构，如：d e v i c e n e t 、f o u n d a t i o nf i e l d b u s 、l o n w o r k s 、p n e t 、 p r o f i b u s 和w o r l d f i p 等。国内企业开发的产品开始投入使用，采用的现场总线有： c a n 、h a r t 、f f 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 等。但是，我国还没有自己的现场总线技 术标准，一直以来只能跟踪国外的技术发展动向，在竞争中处于被动。因此，研 究现场总线网络环境通信协议，探索现场总线与以太网以及和i n t e r n e t 的融合问题， 研究具有自主知识产权的现场总线技术是当务之急。 1 1 4 局域网络概论 计算机技术、通信技术和控制技术的结合是现代高技术发展的主要特征之一。 计算机网络从具有通信能力的单机系统发展到多机系统，最后形成以分布处理为 特征的分柿式局域网络。现场总线的概念是2 0 世纪8 0 年代中期提出来的，它是 在以太网的成熟技术的基础上建立起来的一种面向工业自动化领域的局域网络技 术。 局域网是联网距离有限的数据通信系统，它支持各种通信设备的互联，并以 廉价的媒体提供宽频带的通信以完成信息交换和资源共享。影响局域网络性能 第一章绪论 的主要囚素是网络的数掘通道容量( 带宽) 、网络的物理结构f 拓扑形式) 以及网 络的访【瑚控制技术( 协议) 。局域网络研究的主要课题概括起来主要有：集成网络 的丌发研究、通信接口单元( c i u ) 及通信协议芯片化、高层协议的标准化、新型 传输媒体的丌发和实用化、局域网络的网际互联，以及局域网络的系统软件和应 用软件研究。 15 控制器局域网络c a n 现场总线 控制器局域嘲络( c a n b u s ，c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 是典型的现场总线按术， 它采瑁总线型网络拓扑结构，其通信协议为i s o 0 6 协议( m m s 协议， m a n u f a c t u r i n gm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) ，具有突出的可靠性、实时| 生和灵活性。 c a n b u s 是德国b o s c h 公司及几个半导体集成电路制造商开发出柬的，起仞是 专、1 为汽下工业设计的，目的是为了节省接线的工作量。世界上些著名的汽车 制造厂商，如b e n z ( 奔驰) 、b m w ( 宝马) 、p o r s c h e ( 保时捷) 、r o l l s r o y c e ( 劳斯莱斯) 和i a g u a r ( 美湘豹) 等都采用了c a n 总线来实现汽车内部控制 系统与各检测和执行机构问的数据通信。如今，由于c a n 总线本身的特点其应 用范围目前已不再局限于汽车行业，而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、 机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发 展。截至到2 0 0 0 年，仅在欧洲地区销售的带有c a n 的器件数量就超过了1 亿件。 c a n 己被公认为是几种最有前途的现场总线之一。其典型的应用协议有：s a e j 1 9 3 9 、i s 0 1 1 7 8 3 、c a n o p e n 、c a n a e r o s l m c e 、d e v i c e n e t 、n m e a 2 0 0 0 等。 c a n b u s 是一个有着多主方式的串行总线系统，也就是说，所有的节点都有能 力发送数据，并且进行总线申请。具有实时能力的串行总线系统是i s 0 1 1 8 9 8 国际 标准内容之一，包括了i s 0 o s l 参考模型的最低两层。在c a n 总线网络中，并不 像传统方式对执行节点或站点进行编址，相应的使用包含具有优先绒信息的标志符 来控制报文的传输。 当个发送节点向全部c a n 节点发出一个报文( e - 播) 时，每个节点根据接 收到的拓志符柬决定是否对报文进行处理。标志符同时也定义了报文竞争总线访问 的优先缎。c a n 协议相对简单的结构是其成本低廉的主要原因，为了扩展通讯功能 就需要j m 、水定制，而c a n 的接口芯片则为这种定制在编程方面进行了简化。山 不同的制造商提供的教程、函数库、初学者手册、主机接口、i o 模板和工具等相 关产品降低了c 从总线网络的使用成本。从1 9 8 9 年开始，使用c a n 数据链路层 协议的低成奉挖制器芯片并且与微控制器简单的连接应用就已出现。如今已经有超 过1 5 家的；：产商的s o 多种c a n 潞议控制器芯片投入使用。这样，大量具有丰富 功能的c a n 芯片和器件的支持克服了用户定制的困难，同时也进一步的降低了 c a n 现场总线网络环境通讯协议研究j 实现 c a n 总线的 发利使用成本。c a n 在欧洲轿车生产的普及使得现阶段的c a n ：签片 应用的寿命可达】o 年以上i 。而应用在其它较为高层次的市场，例如医疗电子和消 费电子等领域，将继续增加c a n 产品的销量并且为今后的使用起推动作用。截止 1 9 9 7 年春，超过5 千月的c a n 总线节点已经在实际得到应用。【5 l c a n 协议另一个明显的特点就是传输的高可靠性。为了能够保证测量的准确 性，c a n 控制器对f 每一个站点错误都进行记录，然后从统计学的角度对其进行评 估。发现产：生严重错误的节点将自动脱离总线。每个c a n 的消息可以发送o - 8 位用户信息，通过分段可以则可以传送更长的数据信息。最大传输速度为l m b i t s ， 此时传输距离为4 0 m 。随着距离的增长，速度将相应的下降，传输距离为5 0 0 m 时 速度是1 2 5 k b i t s ，而距离上升到1 k r n 时降至5 0 k b i t s 。 由于c a n 总线最初出现于汽车制造业，并非专门为自动化控制而设计，因此 起先的基本c a n 总线版本在自动化系统中并不能很好的发挥出作用。缺少对应于 i s o o s i 三至七层协议的定义，使得用户使用时在每个系统都要进行相应规范的制 订，系统的可移植性和操作性较差。同时基于优先级的竞争机制还不够完备，在 通汛堵塞等最坏情况时，报文传输的延迟将严重降低传输速率。此外，静态的调度 机制使系统显得操作不够灵活，无法动态的对决策层的命令进行响应。所以对c a n 总线的高层协议的内容进行研究，以及如何更好的完善底层通讯机制成为改善和提 高c a n 总线系统性能的两个研究方向。 l ，2 本文的主要工作 根据现场总线技术的国内外研究现状和发展趋势，结合陕西省火炬计划项目 “基f 现场总线的智能电动执行器关键技术研制开发”和西安市科技攻关项目“现 场总线智能电动执行器研制”等科研工作，对c a n b u s 现场总线网络环境通信协议 及其实现的相关问题进行了较全面的理论和实验研究。 一、分析了1 业自动化系统的通讯模型，根据工业自动化系统数字通讯的特点 和要求，论述了现场总线通讯中的几个有待改善的问题。 二、介绍了c a n 总线的特点，对c a n 总线协议的基本内容和通讯原理进行了 说明，在一般的分布式通讯网络基础上提出了一种c a n 总线网络通讯的系统结构。 三、分析了c a n 总线应用协议的发展历程，比较了几种常用的c a n 高层协议， 结合t t c a n 等具有时白触发机制的c a n 总线改进协议进行了研究，在使用基本 c a n 的仲裁机制基础上进行时间触发的调度。 四、设计了基于c a n 总线的智能电动执行器节点阐述了智能节点的系统设 汁思想。提出了节点的软件和硬件的设计方法，对于主要内容进行了 羊细论述。 第一章控制系统中的实时通讯 第二章控制系统中的实时通讯 现场总线是面向现场级设备间的通讯网络对于生产实际中应用的制造系统 来说，设备之州的通讯要求是低成本和快速的响应时问。因为一个复杂的控制系 统，其现场级发备之问的通讯数据量并不大，但对响应时间却有较高的要求。复 杂的协议和机制对于数据交换的实时可靠性并不会带来明显的益处，相反却不可 避免地增加成本。所以现场通讯的网络协议的发展趋势不仅要快速高效，还要简 单而可靠，以满足控制系统的实时性要求为设计前提。于是现场总线应运面生， 适应了自动化系统中小数据、实时性和可靠性传输的特点。因此设计和改进现场 总线控制系统，就要以控制系统的通讯目标为前提。来研究现场总线的通讯环境 和内容。本章针对工业自动化系统的通讯模型展开研究，分析了使用数字式通讯 的现代控制系统的通讯特点，对于影响现场总线通讯质量的几个问题进行了论述 结合实际对通讯中的静态调度与动态调度、时间触发和事件触发机制问题进行了 比较，分析了各自的优缺点和待改进之处。 2 1 工业自动化系统的通讯模型 对于控制系统来说，控制对象总是存在的，控制的目的就是要对控制对象进行 操作以满足定的控制要求。现场总线作为实现控制目标的一种手段，是受控制目 标的自身特点影响的。因此研究工业自动化系统中的通讯模型，对于了解工业现场 总线的通讯内容。明确现场总线的通讯要求以及如何提高现场总线的通讯性能是非 常重要的。美国国家标准技术协会( n 1 s t ，n a t i o n a li n s t i t u t e o f s t a n d a r d sa n d t e c h n o l o g y ) 将工厂的信息系统所实现的功能分类成一个分层的模型【】。这个模型的 假设前提是信息流只能在系统中水平或垂直的传送。其中垂直方向的信息传送是为 了满足产品设计者对制造设备的操作进行改变和调整：而水平方向的信息传送则是 为了得到最终的产品所必须进行的单个原材料的处理。这些要求则决定了工厂的通 讯模型的分层结构。按照通讯要求此网络可以划分成三种不同的类型：h j 级( f a c t o r yn e t w o r k ) ：用于将大型主机、小型机和工作站进行互联，使用 o s i 模型的f 两层协议。这级的网络支持文件传输、邮件收发和数据库查询与升 级等传送活动。应当注意的是这种情况下并没有考虑时间约束的要求，因为工厂级 的通讯是面向管理和决策层的，其实现手段和连接方式受底层设备的影喇较小对 功能的完善和信息的综合处理是其主要考虑的问题，通讯的基本任务是键供具有灵 活住的信息传输。 车i b j 级( c e l ln e t w o r k ) ：本级的网络用来连接局域控制器、数字控制器、可编 c a n 现场总线网络环境通讯协议研究与实现 程逻辑控制器( p l c ) 和机器人控制器等设备。这一层的通讯内容主要是上传和下 找 t “lf r - ，对局部过程控制的运行进行同步，以及传递警报消息。凶为报警信息和同 步操作都必须在事先舰定好的时恻段内完成，因此网络的信息传送是有比较严格的 时l 、日j 限制的。然而必须晓明的是尽管对报文传输时问的要求提高了，网络所接受和 发送的数据量相对现场级而亩仍然是相当大的，一个完善的通讯调度机制则必不可 少。通讯的主要任务是进行各神控制器间的数据交换和任务间的调度。 现场级( f i e l dn e t w o r k ) ：执行器、传感器和相应的控制器之间的通讯都在这一 级网络进行。主要的通讯操作有周期性的数据读出和指令收发，j 周期的小数据收 发和控制程序的上传与下载。通讯的基本特点是周期性，这因为大多数的信息交换 都涉及到输入输出的信号采样，而这些操作都必须在规定的时间段内完成。这就是 说，周期性数据的通讯拥有比异步数据交换更高的优先级。与车间级有所不同，为 了减少传送时阳j 消息的报文长度必须尽可能的短，从传感器读出的数据或者送到 执行器的数据通常不应超过1 6 位。通讯的主要任务是现场设备之问的数据传送和 错误处理。 在这个模型中，数据流的方向分为水平和垂直两种。在各个层次内部使用相 同的数据格式进行信息交换，以保证通讯的可靠性。层次之间交换的数据都是在各 自内部经过处理的数据，也就是说数据在层次问是相对隔离的。根据实际情况的不 同，系统中具体的这三级通讯环境可能有所差别，但不同之处大多就是对某一层的 功能进行了简化而是其表现的不那么明显，或者是由于系统的复杂而使相邻层次的 网络发生了混合。无论怎样，要想顺利的在用户和现场设备之问进行信息交流，就 必须为这些级别的网络设计相适应的规范，来保证数据及时、可靠的传递。可见现 场级的网络通讯是系统信息交换的核心部分，因此满足这个级别的数据传输要求是 通讯规范设计的关键，于是现场总线就是为了达到这个要求而应运而生的。 2 2 工业自动化系统数字通讯的特点和要求 现代工业控制系统的结构币向着全数字式和分布式的方向发展。d c s 系统是 分布式思想的部分体现，直至现场总线的出现，自动化系统才开始真正实现分布 式的结构。与一般的通讯网络传输的数据不同，实时分布式系统中的数据必须加 以某些同步约束。在分布式系统中，所有相关的数据都必须在同样的时间间隔中 获取和进行处理。例如，一个具有双轴运动特征的机器在运行时必须同时对两条 轴的位置进行跟踪，获取的数值提供给内置的控制器来计算随后时间运动的位冒。 这个特点在分布式系统中般被称为“暂态一致性”l ”，这就确保了所有相关联的 数据在预设好的时j 、日j 削隔内被分别读取。分椎式数据的获取时间问隔非常短，差 圳仅仅取决裔号的物理传播延迟和站点问的软件是否j 下确的载入。由于大多数 第一苹控制系统中的实时通讯 9 情况下，实际中相对固定的物理层通讯和传输延迟可以被忽略，因此可以认为所 有的数掘都近似在同一时间获取。 在分布式系统中一些站点需要对相同的数据进行处理。例如在机器工具中， 。一个轴的位置必须发送到所有的相关的传送器和用来显示的用户控制台。因此在 每个站点都必须存储爿i 同的数据复件。数据表征了在确定时侧矧隔的过程信息。 l 】 9 络必须使得用户可以校验数据获取时问的间隔，以检查数据的合法性。 在分却式数学计算中，在不同时问间隔内获取的不同数据复件由于暂态的非 致性可能会引起全局应用程序的冲突。而这个在不同的站点使用同样的数据复 件的特点+ 般称为“空间一致性”1 7j 。 所以，将这些不同的站点内联起来的通讯网络就必须为数据的有效性提供服 务，而以往的协议并没有考虑到数据的暂态性质，对于临界时间的应用环境也没 有专门的协议规定。总的来说，系统协议应满足的两个重要的特点是：暂态一致 性和空间一致性。这些都有待于在现场总线的应用层协议方面得到改善。 此外，出于对减少安装成本、方便的改变设置和易于维护等方面的考虑，现 代工业系统中对于“灵活性操作”的要求越来越高删。如上所述，在制造业的车 问级和机器控制层中基于现场总线的分布式计算机控制系统已经广泛的使用，这 种“灵活性”要求也自然得延伸到系统的各个级别。与现场总线系统相结合，“灵 活性”代表了一种动态通讯的需求，意味着报文的数据流必须在线的支持添加、 移除和调整的操作。另一方面，由现场总线所操作的的数据交换也面临着由控制 和监视需求所带来的强时间约束的限制。但遗憾的是，灵活性和时间性一般却被 分离丌，r ：_ 】时时下流行的绝大多数现场总线系统在设计时往往只考虑了一个方面 而忽略了另外一个方面 9 1 。也就是说，或者是满足了时间约束的条件而牺牲了系统 的灵活性，或者是降低时间限制来换取更高的灵活性。 现场总线一个重要的需求就是要能够在时间约束的情况下同时提供时间和事 件触发的通讯服务。时间触发服务适合为状态参数提供周期性的更新，而事件触发 服务则用来提供报警和管理数据。同样的，现有的现场总线系统也只是仅仅满足一 方面而已。在时闯触发占主导的系统里，事件触发服务要不是根本就不存在，要不 就是响应的时问或者网络的利用率非常低效。相应的，在事件触发主导的系统罩， 为一砦临时的操作所提供的时间触发服务也效果不好，通常还会发生丢失。 l o l 冈此，出r 大多数情况下为了保证传送前期状态数据和随后的报警管理数据的 1 f 确性对于数据的传输有着很严格的时间约束，因此需要为在这些级别上的典型 应用提供时间和事件触发结合的通讯服务。然而对于大部分现有的现场总线系统束 说无论是在保证即时地、灵活性的操作方面，还是在对时问和事件触发通讯的联 合支持方面都无法达到令人满意的效果。究其原因，还是对现场总线通汛系统中 的些关键的对立因素未能有效的进行平衡，无法把这些问题有机的结合其来并加 c a n 现场总线网络环境通讯协议研究与实现 以解决。 总之埘f 现代：业的实时控制系统来说，其数字通讯的主要任务一个是在规 定时洲约束条件r 保i ：传输数据的正确性；另一个则是满足实时性的前提f 为系统 提供更为高级的灵活性控制即“柔性控制”。 2 3 现场总线通讯的几个有待改善的问题 近几年，在观场总线的研究领域内关于几对相互对立的概念有着不小的争议 ”l j ：静念调度与动态调度、同步通讯与异步通讯、时问触发与事件触发机制、确定 性和非确定性等等。而这些概念的提出都源于其各自的应用背景，在不同的通讯环 境中有着不同的表现，相应的各种现场总线协议的差异也主要体现在对这些关键因 素的不同处理方法l ：。这些有争论的概念以及由其决定的通讯方法对于系统的灵活 性、时限性和有效性有着很大的影响，下面便对这些问题分别进行讨论。 2 3 1 静态调度与动态调度 这晕所提到的现场总线系统中的通讯调度模型，对于实时行为的保证和现场总 线操作灵活性有着直接的影响。可以确定的是两个主要的模型：静态调度，在整个 系统运行时所有的通讯需求是固定不变的，消息释放和传输的时间在初始时间内都 已确定：而动态调度则可以在运行的时间改变通讯要求。静态调度对时间性的支持 特别好，这是由于其可以离线执行复杂的调度分析，当然灵活性的级别相应的就非 常低了( 大多数情况f 只能在一些有限的预定义操作模式下改变) 。相对而言，动 态调度支持对灵活性的级别进行预设，但如果要支持时间性，就必须使用一个基于 适当调度分析的在线管理控制。否则，系统会努力去达到与通讯需求相关的时间约 束而缺乏时阳j 性保证。 考虑到任务调度这两个模型各自又可以进一步的划分成两类：基于静态表和 静态优先抢，的调度机制，以及动态效果最优和动态基于计划的调度机制。除了抢 占通常不考虑外，这些模型也与现场总线报文调度有关。依赖于静态调度表的例子 是：w o r l d f i p i ”酗】由于周期性的标志符变量的数据交换，和t t p 、t t - c a n 都使用 分向式表。这些清况下，通讯需求在初始阶段就固定下来，同时建立一个显式的调 度在运行期问即时的初始化数据交换。 通讯需求存运 j ：期间是无法由应用程序改变的。然而，在几个主流的现场总线 系统r h 通斋求可以不需要管理控制而出应用程序在运行期间进行改变，因此也 没有时问性的保证，例如动态效果最优调度，大多数的基于c a n 的现场总线系统 都提供的是，州割期的通讯服务。即使这样，仍然可以通过使用适当的分析措施来保 i l 通讯中的时f t i 啉。但是这些分析般都只能是离线进行的。系统运行期间， 第一二章控制系统中的实时通讯 现场总线1 ， 最高优先级首先处理的原则下对数据交换进行操作，也就是静态优先的 征线渊发。存此期划，只要应用程序不改变通讯需求则时问性的保证就可以维持下 去。动态基卜汁划的调度机制可以通过在线管理控制将灵活性和时间性结合起来。 这种现场总线中任何对当前通讯要求进行改变都要在其获得允许前提交给管理控 制单元。无论最终的通讯时蚓性是否能得到保证这个控制都将一直在线的进行检 验。只俐坩m 陛得剑保证时这个改变的要求才能获得批准，否则将被拒绝。基金会 现场总线f o u n d a t i o n f i e l d b u s h l 就是一个使用这种调度机制的例子。 2 32 时间触发与事件触发机制 另外一个争论的热点则集中在用来构造应用程序的事件触发模型和基于时间 触发的模型 i ”。其中的一个主要内容与分布式应用程序的底层结构有关。这个讨论 越来越受到关注是出于事件触发协议( t i m e t r i g g e r e dp r o t o c o l t t p ) t 1 8 i 的出现， t 1 p 使得这个模型在实时通讯系统的应用优势日益显现。最近，i s o 技术委员会 t c 2 2 s c 3 w g l 已经在一个新的基于c a n 的标准，t t - c a n 上使用了这个协议， 作为c a n 的个时间触发的规范。 事件触发通讯看上去更加的符合人机工程学，并且对资源的使用更加有效。然 而，如果考虑到最坏情况下的需求，效果则并没有那么明显。由于事件触发自然是 异步发生的，这里假设一种典型的最坏情况：系统需要处理的所有事件都同时发生。 为了能够及时处理这种情况所需要的资源( 例如网络带宽) 会很高，相反地，时间 触发方法在预定义的时间段内强迫通讯活动发生，这个速率由控制环境动态的决 定。这种方法的一个特性就是允许对通讯系统中传递的报文流进行相对相位控制。 利用这个特性，可以将不同数据流的报文按照相位发送，从而减少准备同时传输的 报文数量。作为时间触发通讯的一个最重要的属性，这个特性已经得到了证明1 1 0 j ， 例如用于暂念行为的组合型的支持。这项属性确保了当两个子系统整合成一个新系 统时，每个系统的暂态行为都不会受到影响。而对于事件触发通讯这一特性并不成 立。这时，对f 每个子系统来说，由于另一个子系统产生的通讯增加网络访问的 冲突缴别要比集成前有了增长。 此外时问触发允许进行的相对相位控制可以产生另外两个效果。首先对于周 期性的报文流提高了在传输时出现的堵塞控制，其次在时间约束的情况下提高了对 网络利用率更高的支持。 因此，当考虑到最坏情况需求时，时间触发的方法要比事件触发更有效率；然 而当考虑到平均需求时，与事件触发相比时间触发通讯的效果则较差。所以，根据 最坏情况需求衡鼙个系统时( 典型的是刚性的实时系统) ，实践触发的方法要比 一拉件触发，j 浊止为廉价。但是凶为事件触发的系统其网络的平均利用率一般较低， c a n 现场总线网络环境通讯协议研究与实现 所以能够很方便的支持另外一种对事件约束不强的系统( 例如与远程节点或网络的 管理通讯) 丽不用增加成本。 在不考虑嗣络的佳州率的情况下一般认为时间触发通讯适合那些有规律的传 输状态参数m 很少堵塞的控制应用( 像运动控制、引擎控制、温度控制和位置控制 等) ：而事件通讯适合处理对于不确定或很少发生条件的监视，例如报警信号等等。 同时也支持异步非实时通讯，使用全局的系统管理就是这方面的例子。 综 所述，现代1 ：业系统中时阐性和灵活性的要求是控制的主要目标，也是影 响控制系统r ：能的亳要闲素。但是对于一个实际的数字通讯系统，时阳j 性和灵活性 又是两个相对立的指标。搬根据具体的通讯环境和要求来使用不同的通讯模型来 解决，这为控制系统方案的设计带来了很多不便。同时，现代自动化系统的系统复 杂性在不断的上升，单一通讯机制和模型已经无法很好对通讯进行调度，通讯系统 的堵塞情况变得严重，