一種具有多級擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的開放性總線結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于工業(yè)控制現(xiàn)場總線技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種在DCS控制系統(tǒng)使用的開放性多級擴(kuò)展結(jié)構(gòu)現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]DCS作為第四代過程控制體系，包括多臺計算機(jī)，多個智能設(shè)備儀表構(gòu)成分散式的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸采用現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)集中管理，分散控制的核心思想。
[0003]目前多數(shù)DCS對控制通信網(wǎng)絡(luò)采用各自專用網(wǎng)絡(luò)的封閉形式，不能和采用其他通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和信息共享。本發(fā)明涉及的DCS系統(tǒng)引用了現(xiàn)場總線技術(shù)，由于當(dāng)前現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)各有不同，常用的總線就包括Profibus-dp, Modbus, CAN-BUS等,必然存在不同類型總線之間無法有效實現(xiàn)無縫數(shù)據(jù)通信橋接的情況，這種異構(gòu)總線不兼容情況對整個DCS系統(tǒng)集成，系統(tǒng)擴(kuò)容升級，甚至是系統(tǒng)維護(hù)帶來極大不便。
[0004]在DCS系統(tǒng)中，最重要的是整個系統(tǒng)時序管理能力，即對系統(tǒng)中設(shè)備通信訪問周期的控制時間有嚴(yán)格限制。在這一特殊需求下，系統(tǒng)中所有設(shè)備必須在受限制的周期內(nèi)完成大量數(shù)據(jù)通信，控制系統(tǒng)的通信周期一般不能超過100ms。因此，當(dāng)上百個現(xiàn)場設(shè)備接入系統(tǒng)時，如果每個設(shè)備通信間隔在Ims則整個系統(tǒng)通信周期將超過100ms，這意味著在有限的通信時序周期內(nèi)無法完成所有設(shè)備數(shù)據(jù)通信，這個缺陷直接導(dǎo)致DCS系統(tǒng)中攜帶設(shè)備數(shù)量受到了限制。目前在DCS控制領(lǐng)域，急需一種能夠在有限的通信周期和通信間隔下，完成大量設(shè)備通信的總線系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種具有多級擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的開放性總線結(jié)構(gòu)，以解決在嚴(yán)格的時序控制下，系統(tǒng)控制器與多個現(xiàn)場智能控制設(shè)備，或者與多個異構(gòu)總線進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸時完成數(shù)據(jù)通信橋接控制的難題。
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0007]—種具有多級擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的開放性總線結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)整體分為三個部分:總線物理層，總線鏈路層協(xié)議，總線多功能應(yīng)用層；
[0008]系統(tǒng)控制器作為一級主站和總線主干線構(gòu)成第一級物理鏈路層，一級物理鏈路層上有現(xiàn)場設(shè)備一般從站，或者多個擴(kuò)展母從站作為現(xiàn)場總線支線一起構(gòu)成二級物理鏈路層，其中，每個擴(kuò)展母從站同時作為二級主站，實現(xiàn)各自支線子站設(shè)備或者異構(gòu)總線互聯(lián)，子站設(shè)備和異構(gòu)總線構(gòu)成第三極物理鏈路層；
[0009]發(fā)明總線鏈路協(xié)議:提供一種完成多級擴(kuò)展總線結(jié)構(gòu)高效時序鏈路控制的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議完成總線鏈路協(xié)議的管理功能:完成干線鏈路層數(shù)據(jù)傳輸控制的同步時序數(shù)據(jù)鏈路管理協(xié)議；完成擴(kuò)展從站支線與異構(gòu)總線數(shù)據(jù)傳輸控制的二級擴(kuò)展總線鏈路管理協(xié)議；完成擴(kuò)展從站支線與同類型總線下擴(kuò)容設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸控制的二級擴(kuò)展數(shù)據(jù)鏈路管理協(xié)議；
[0010]總線多功能應(yīng)用層包括:數(shù)據(jù)實時庫應(yīng)用層；面向其他領(lǐng)域總線的開放性應(yīng)用層接口 ；面向同領(lǐng)域總線的擴(kuò)展數(shù)據(jù)傳輸控制層；面向同領(lǐng)域總線的數(shù)據(jù)傳輸控制層；面向整個總線的時序管理配置層；實時庫應(yīng)用層。
[0011]所述多級擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的總線實現(xiàn)包括以下環(huán)節(jié):
[0012]1.總線的主控制器作為系統(tǒng)主站，通過高速RS-485總線實現(xiàn)物理鏈路互聯(lián)，總線的干線組成一級物理鏈路；
[0013]2.干線上所有從站，包括一般從站，同總線擴(kuò)展母從站，異構(gòu)總線擴(kuò)展母從站一起構(gòu)成了二級物理鏈路層；
[0014]3.所有擴(kuò)展母從站的分支線，即不同類型擴(kuò)展母從站的支線子站一起構(gòu)成了三級物理鏈路；
[0015]4.在一級物理鏈路層，系統(tǒng)主站通過中的同步時序數(shù)據(jù)鏈路管理協(xié)議實現(xiàn)對干線上的所有一般從站和各類擴(kuò)展母從站動態(tài)鏈路管理能力，完成時間確定性的傳輸控制；
[0016]5.在二級鏈路物理層:DCS系統(tǒng)容量足夠滿足現(xiàn)場設(shè)備接入需求時，使用干線的一般從站完成現(xiàn)場智能單元的數(shù)據(jù)傳輸功能；
[0017]6.在二級鏈路物理層:當(dāng)DCS系統(tǒng)的時序訪問周期不能改變，但需要擴(kuò)大系統(tǒng)容量時，則使用干線的同總線擴(kuò)展母從站完成擴(kuò)大現(xiàn)場智能設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸，同時保證整個系統(tǒng)運行的時序訪問周期不會明顯增加而影響系統(tǒng)運行；
[0018]同總線擴(kuò)展母從站的是為解決采用485高速總線技術(shù)而產(chǎn)生的由于自身物理介質(zhì)特點造成現(xiàn)場設(shè)備控制時間和數(shù)量收到限制的問題，其物理介質(zhì)特點體現(xiàn)在下三個方面:系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率需要5Mbits/s ;不支持長信息段(> 255字節(jié));系統(tǒng)要求通信負(fù)載率<30% ；
[0019]負(fù)載率=每次傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)/傳輸速度規(guī)定的字節(jié)數(shù)量；
[0020]傳輸速度規(guī)定的字節(jié)數(shù)量:即設(shè)備的通信速率，5M/2M/1M ；
[0021]從公式可以分析，假如讓整個總線在5M的傳輸速度下，通信負(fù)載率不超過30%，就必須讓每次傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)量控制在200字節(jié)以內(nèi)最合適；數(shù)據(jù)傳輸時要滿足物理介質(zhì)特點，則必須對每次打包的規(guī)模進(jìn)行計算和判斷，保證每次數(shù)據(jù)傳輸符合系統(tǒng)要求；但是，某些現(xiàn)場智能設(shè)備的數(shù)據(jù)信息數(shù)量在50字節(jié)，系統(tǒng)攜帶大量這種現(xiàn)場設(shè)備，將數(shù)據(jù)傳輸給總線主站時，報文字節(jié)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了物理介質(zhì)的限定，不能正常通信；為解決以上問題發(fā)明了采用面向相同總線的擴(kuò)展母從站；
[0022]7.在二級鏈路物理層:當(dāng)DCS系統(tǒng)時序訪問周期不能改變，并且需要接入不同種類總線的現(xiàn)場智能設(shè)備時，使用干線的異構(gòu)總線擴(kuò)展母從站完成接入不同類型的現(xiàn)場總線智能設(shè)備的功能；
[0023]8.不同類型的總線中，擴(kuò)展母從站作為系統(tǒng)的二級主站，擴(kuò)展的支線子站作為二級主站從屬關(guān)系，一起接入總線系統(tǒng)；通過中的同步時序數(shù)據(jù)鏈路管理協(xié)議實現(xiàn)對支線上的所有子站的動態(tài)鏈路管理能力，完成時間確定性的傳輸控制。
[0024]所述多級擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的總線的通信協(xié)議包括以下環(huán)節(jié):
[0025]1.總線的主干線和支線采用具有屏蔽雙絞線的高速485技術(shù)，同時具有雙通道冗余功能，總線的主干線和支線最大帶寬為5Mbps ；
[0026]2.在總線系統(tǒng)中，主站與各種類型的擴(kuò)展母從站和一般從站、擴(kuò)展母從站與支線子站，都采用同步時序鏈路管理協(xié)議，用于實現(xiàn)主從關(guān)系的各個設(shè)備動態(tài)鏈路管理功能，動態(tài)鏈路管理功能完成對從站時間確定性數(shù)據(jù)傳輸控制，同時完成動態(tài)帶電插拔現(xiàn)場設(shè)備的實時管理功能；
[0027]同步時序是指在整個控制系統(tǒng)的掃描周期中，對每個現(xiàn)場設(shè)備采用相同的時間間隔掃描的時序控制方法；同步時序鏈路管理協(xié)議主要完成鏈路管理，通過讀取所攜帶現(xiàn)場設(shè)備的邏輯地址和物理地址建立鏈路鏈表；鏈路管理在運行和計算過程中通過物理地址作為索引，為系統(tǒng)的主從關(guān)系數(shù)據(jù)傳輸和帶電熱插拔管理服務(wù)提供一種動態(tài)存儲方式，同步時序鏈路管理協(xié)議可靈活的分配數(shù)據(jù)方便插入和刪除數(shù)據(jù)；
[0028]同步時序鏈路管理協(xié)議具體方式是:首先每個現(xiàn)場智能設(shè)備定義唯一的邏輯地址，通過點對點的詢問方式發(fā)送邏輯地址，現(xiàn)場從站收到自己的邏輯地址，就回復(fù)自己的邏輯地址和物理地址；通過同步時序鏈路管理協(xié)議的鏈路算法，提取物理地址加入鏈路；在主站中建立主干線的一般從站、擴(kuò)展母從站鏈路；在擴(kuò)展母從站中建立支線子站鏈路；
[0029]3.在總線系統(tǒng)主站下，采用同總線擴(kuò)展母從站時，用二級擴(kuò)展數(shù)據(jù)鏈路管理協(xié)議完成同總線擴(kuò)展母從站數(shù)據(jù)傳輸控制和數(shù)據(jù)處理；
[0030]數(shù)據(jù)鏈路管理協(xié)議是為解決以下問題而設(shè)計:在系統(tǒng)掃描周期時間有限定，控制系統(tǒng)由于需要增加大量現(xiàn)場設(shè)備而出現(xiàn)大數(shù)據(jù)信息量交互時，總線不能每次正常傳輸足夠現(xiàn)場設(shè)備信息的問題；
[0031]數(shù)據(jù)鏈路管理協(xié)議具有動態(tài)分包算法:把擴(kuò)展母從站攜帶的支線子站，自動的按照最優(yōu)方式動態(tài)的分包，即分成N個包發(fā)送N次，如果時間間隔為1ms，則擴(kuò)展母從站完成攜帶子站周期發(fā)送要N*lms，但是分包量一定控制在4個以內(nèi)，這樣可在做多增加4ms的短時間內(nèi)，把大量的現(xiàn)場總線設(shè)備信息通過擴(kuò)展母從站發(fā)送給主站；
[0032]整個算法計算中采用閉包功能，力求把控制指令和數(shù)據(jù)包裝在一起，這樣每個閉包完成好后，數(shù)據(jù)不會因為其他情況出現(xiàn)而輕易被改動，這樣就實現(xiàn)了數(shù)據(jù)打包上鎖功能；在實際鏈路中，會出現(xiàn)無法實現(xiàn)同步時序鏈路管理的問題:由于分包智能打包算法是基于鏈路搜索完成，同步時序鏈路管理協(xié)議正在進(jìn)行時，帶電熱拔現(xiàn)場設(shè)備的操作，根據(jù)同步時序鏈路管理協(xié)議將拔出的現(xiàn)場設(shè)備剔除鏈路，但是在同步時序鏈路管理協(xié)議的搜索中可能仍然會按照之前的鏈路搜索，此時會出現(xiàn)索引指向鏈路節(jié)點是不存在的情況；
[0033]數(shù)據(jù)鏈路管理協(xié)議為解決以上問題設(shè)計了自檢算法，在每次打包前更新鏈路，在打包過程中不斷的對下一個搜索節(jié)點判斷