设备管理_基于以太网的机舱现场设备层ncs实时性研究论文

大连海事大学 硕士学位论文 基于以太网的机舱现场设备层NCS实时性研究 姓名：王川 申请学位级别：硕士 专业：轮机工程 指导教师：刘彦呈;孙凡金 20090601 中文摘要 摘要 近年来，随着计算机、控制、通信以及网络等技术的发展，机舱自动化监控系统的 结构发生了很大变化，逐步形成以网络控制系统( N e t w o r k e dC o n t r o lS y s t e m ，N C S ) 为 基础的机舱网络化监控系统。船舶的自动化水平是衡量船舶先进程度的一个重要标志， 通过计算机网络实现驾驶、轮机、电站等部分的综合集成监控，即实现数字化监控，将 使船舶自动化水平达到一个新的高度，并已成为当今世界上船舶自动化方面最前沿的研 究课题。当前国内对机舱监控系统的研究还处于起步阶段，深入开展这方面的设计和仿 真，对促进我国机舱监控系统的理论研究与产品开发具有重要的现实意义。 本文首先简要介绍课题的背景与意义，针对工业现场领域N C S 实时性问题就国内 外学者的研究成果进行了综述；对以太网用于机舱现场设备层N C S 中的M A C 帧进行数 据建模及优化，并针对出现的不确定和不公平问题，研究了以太网的排队延时、发送延 时和传输延时；设计了现场设备层采用双冗余工业以太网、过程控制层采用双冗余普通 以太网、信息管理层采用普通以太网的船舶机舱网络化综合监控系统。其中，机舱监控 系统现场设备层N C S 由机舱机电设备的变送器( 如永磁同步电机速度传感器) 、P L C 控制器( 如永磁同步电机P I D 控制器) 、执行机构( 如逆变器通电开关) 和双冗余工业 以太网构成，并给出现场设备层N C S 的网络拓扑及节点驱动方式；采用基于协议的改 进以太网实时性方法，在网络层与M A C 层之间增加了一个软件调度层，设计了 I R E T H E R 协议，通过计算实时节点优先级确定节点占用信道顺序，在保证实时节点优 先传输的同时降低各非实时节点的最大延时及平均延时时间；最后，基于面向对象的程 序设计技术给出C S M A C D 、I R E T H E R 两种模式下各节点最大延时仿真算例的算法流程 及仿真结果。仿真结果表明，采用I R E T H E R 协议，确定实时节点与非实时节点的优先 级，保证重要数据优先传输，能够有效地提高机舱现场设备层N C S 的实时能力。 本文开展了基于以太网的机舱现场设备层网络控制系统实时性的探索性研究工作。 通过理论分析和计算机仿真积累了一些经验，为课题的后续深入研究奠定了基础。 关键词：机舱；现场设备层；网络控制系统；实时性 英文摘要 A B S T R A C T I nr e c e n ty e a r s ，a st h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r ，c o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o na n dn e t w o r k t e c h n o l o g i e s ，t h es t r u c t u r eo fe n g i n er o o ma u t o m a t i cm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mh a sb e e n g r e a t l yc h a n g e d N e t w o r k e dC o n t r o lS y s t e m ( N C S ) h a sb e e nt h eb a s i co fe n g i n er o o m n e t w o r k e dm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m S h i p Sa u t o m a t i o ni sa l li m p o r t a n ti n d i c a t o ro fs h i p a d v a n t a g ed e g r e e ，w h i c hi si n t e g r a t e db yc o m p u t e rn e t w o r k t or e a l i z en a v i g a t i o n ，e n g i n e e r i n g a n dp o w e rs t a t i o ni n t e g r a t e dm o n i t o r i n g ，i e d i g i t a lm o n i t o r i n g I tm a k e st h es h i pa u t o m a t i o n t oan e wl e v e la n dw h i c hh a sb e e Bt h ef o r e f r o n tr e s e a r c ht o p i ci ns h i pa u t o m a t i o ni nt h ew o r l d c u r r e n t l y P r e s e n t l yr e s e a r c ho fe n g i n er o o mm o n i t o r i n ga n dc o n t r o li so nt h ei n i t i a ls t a g e S o ， d e e pd e s i g na n dr e s e a r c ho nt h i st o p i ci sv e r yi m p o r t a n tf o rt h e o r yr e s e a r c ha n dp r o d u c t e x p l o i t a t i o no ne n g i n er o o mm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m F i r s t ，a f t e ri n t r o d u c i n gb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h et o p i c ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e s r e s e a r c h e sr e s u l t so fs c h o l a r sa th o m ea n da b r o a do ni n d u s t r i a lf i e l dN C Sr e a l - t i m ep r o b l e mi n i n d u s t r i a lf i e l dc o n t r o la r e a S e c o n d ，M A Cf r a m ei sm o d e l e da n do p t i m i z e di ne n g i n er o o m f i e l de q u i p m e n tl a y e rN C Sb a s e do nE t h e m e t M e a n w h i l e ，a i m i n ga tp r o b l e mo fu n c e r t a i n t y a n du n f a i r n e s si nE t h e m e t - b a s e de n g i n er o o mf i e l de q u i p m e n tl a y e rN C S ，q u e u ed e l a y ，s e n d d e l a ya n dt r a n s f e rd e l a ya r es t u d i e d B ya n a l y z i n ge n d - t O - e n dc o m m u n i c a t i o nd e l a y ，t h e c o n c l u s i o nt h a t q u e u ed e l a ya n ds e n dd e l a yw h e ns e n d i n gm a xd a t ap a c k e td e t e r m i n e c o m m u n i c a t i o nd e l a yo fE t h e r n e ti so b t a i n e d T h i sp a p e rd e s i g n sn e t w o r k e di n t e g r a t e d m o n i t o r i n gs y s t e mo fs h i pe n g i n er o o mw h i c hu t i l i z e sd u a l r e d u n d a n c yi n d u s t r i a lE t h e m e ti n f i e l d e q u i p m e n tl a y e r ，d u a l r e d u n d a n c y E t h e r n e ti np r o c e s sc o n t r o ll a y e r ，E t h e m e ti n i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tl a y e r F i e l de q m p m e n tl a y e rN C So fe n g i n er o o mm o n i t o r i n g s y s t e mc o m p r i s e st r a n s m i t t e ro fm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le q u i p m e n ti ne n g i n er o o m ( s u c h a sP M S M s p e e ds e n s o r ) ，P L C ( s u c ha sP M S M P I Dc o n t r o l l e r ) ，e x e c u t i n ga g e n c y ( s u c h a Si n v e r t e rs w i t c h e s )a n dd u a l r e d u n d a n c yi n d u s t r i a lE t h e m e t A f t e rt h a t ，n e t w o r kt o p o l o g y a n dn o d ed r i v e na p p r o a c ho ff i e l de q u i p m e n tl a y e rN C Sa r eg i v e n T h i sp a p e rd e s i g n s 英文摘要 I R E T H E Rp r o t o c o la d d i n gas o f t w a r es c h e d u l i n gl a y e rb e t w e e nn e t w o r kl a y e ra n dM A C l a y e rb yi m p r o v i n gE t h e m e tr e a l - t i m ep e r f o r m a n c eb a s e do np r o t o c 0 1 C a l c u l a t e dr e a l t i m e n o d ep r i o r i t yd e t e r m i n e sc h a n n e ls e q u e n c eo c c u p i e db yn o d e sa n dg u a r a n t e e sr e a l - t i m ed a t a t r a n s f e rf i r s ta sw e l la sr e d u c e sm a xt i m ed e l a ya n da v e r a g et i m ed e l a y F i n a l l y ，r e s u l t sa n d a l g o r i t h mf l o wo fs i m u l a t i o n sc a l c u l a t i n gn o d e sm a xt i m ed e l a yu n d e rC S M A C Da n d I R E T H E Rm o d eb a s e do nO b j e c tO r i e n t a t i o nP r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y S i m u l a t i o nr e s u l t s d e m o n s t r a t et h a tI R E T H E Rp r o t o c o lc o u l di m p r o v er e a l - t i m ep e r f o r m a n c eo fe n g i n er o o m f i e l de q u i p m e n tl a y e rN C Sb yd e t e r m i n i n gr e a l t i m en o d e sa n dn o nr e a l - t i m en o d e sp r i o r i t i e s S o m ee x p l o r i n gr e s e a r c h e so ne n g i n er o o mf i e l de q u i p m e n tl a y e rN C Sr e a l - t i m e p e r f o r m a n c eh a v eb e e nd e v e l o p e di nt h i sp a p e r S o m es i g n i f i c a n tc o n c l u s i o n sh a v eb e e n d r a w nb ya c a d e m i ca n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n T h i sp a p e ri st h eb a s eo ff u r t h e rr e s e a r c hf o rt h e s u b je c t K e yW o r d s ：E n g i n eR o o m ；F i e l dE q u i p m e n tL a y e r ；N e t w o r k e dC o n t r o lS y s t e m ； R e a l - t i m eP e r f o r m a n c e 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文= = 基王丛态圆丝扭丝理扬遮备星丛墨塞盟丝婴究：。除论文 中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公 开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法“ ，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。同意学校有权将本学位论文加入全国优秀 博硕士学位论文共建单位数据库。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口 不保密面( 请在以上方框内打“ ) 测名：獭 h 期加罗年歹月矿 基于以太网的机舱现场设备层N C S 实时性研究 第1 章绪论 1 1 课题的背景与意义 船舶机舱综合监控系统是一个大型的计算机网络系统。该系统集自动控制技术、计 算机技术、通信技术、电子技术为一体，使所有设备的监视与控制可集中到计算机上操 作，并通过合理使用网络和程序进程通信方式使系统具有很好的实时性【l 】。机舱的自动 化监控水平作为衡量船舶先进程度的一个重要标志，通过计算机网络实现驾驶、轮机、 电站等内容的综合集成监控将使船舶自动化水平达到一个新的高度，并已成为当今世界 上船舶自动化方面最前沿的研究课题【2 4 】。 近年来，船舶自动化监控系统正向着数字化、智能化、网络化的方向发展。先后出 现了轮机综合监控系统、船舶综合驾控系统、集驾驶与轮机监控于一体的全船综合监控 系统以及信息和控制一体化的船舶信息综合系统。船舶信息综合系统以现场网络为下层 网络，以以太网为上层网络，以卫星通信为远程信息交互纽带的全新船舶自动化方案， 将船舶的实时监控与管理信息融为一体，实现了船舶的综合监控和船岸一体化管理f 5 一。 基于现场总线的网络控制系统( N e t w o r k e dC o n t r o lS y s t e m ，N C S ) 在船舶自动监控 领域应用较广，可实现对船舶各监控对象的网络化控制。但是由现场总线构成的N C S 由于现场总线技术本身固有的缺陷【7 。1 2 1 ，如现有的现场总线标准过多，相互之间不能兼 容，不便于与I n t e m e t 集成等。从以上对现场总线缺点的分析中可以看出，船舶机舱监 控系统的上层通信网络和下层监控网络之间的数据共享成为数据传输的“瓶颈“ 。一旦 “瓶颈“ 出现问题，现场网络的全部信息丢失。信息数据量小、速度慢、无法满足信息 数据、声音和图像数据的传输。另外，汇总的低级网络性能差，标准化程度低，影响新 网络的性能发挥。9 0 年代中期，在现场总线迅猛发展的同时，随着微电子技术、计算机 技术和通信技术的突飞猛进，以太网也得到了飞速发展，以以太网为代表的C O T S ( C o m m e r c i a l O m m S h e l f ) 通信技术引起了自动化设备厂商和广大用户的注意，以太 网开始进入工业控制领域 1 3 , 1 4 】。与现场总线相比，以太网具有以下优点 1 5 - 1 8 1 ：通信速率 高，应用广泛，成本低廉，易于信息集成等。但一直以来以太网未能用于船舶自动监控 N C S 是因为以太网最初得到广泛应用是在办公自动化领域，它应用于船舶自动监控N C S 1 第1 章绪论 时存在通信不确定性，不能满足实时性要求。以太网采用C S M A C D 介质访问机制和1 坚持B E B 算法处理冲突，和其他网络如令牌网、令牌环网、主从式网络等相比，这是 一种非确定性或随机性通信方式，导致了网络传输延时和通信响应的不确定性。对于工 业控制网络，以太网的这种通信不确定性会导致系统控制性能下降，控制效果不稳定， 甚至会引起系统振荡；在有紧急事件发生时，还可能因报警信息不能得到及时响应而导 致灾难事故的发生，这是以太网应用于工业控制领域的主要障碍。对于以太网的具体通 信过程和通信响应的不确定性，详细的分析请见论文的第二章。 随着信息技术的发展，以太网技术在近几年也得到了迅速发展，出现了交换技术、 双工通信技术、信息优先级、流量控制等新技术，这些技术都影响着以太网的实时能力。 由于这些新技术出现的时间还比较短，很多技术是从A T M 或其它网络技术中借鉴过来， 它们对于以太网实时能力的影响还缺乏研究。对于以太网在现场设备层的实时通信问 题，尽管国内外学者做出了不断的努力，却仍然无法使以太网在实时性问题上得到根本 解决，制约了其在工业控制领域的应用。国内外学者和生产厂商为此提出了各种提高以 太网实时性的方法，因此需要根据工业现场设备层信息的实时性要求，并结合近年来以 太网出现的各种新技术，对提高以太网实时性的各种方法进行分析 1 9 4 3 1 。目前已有的关 于以太网实时性的研究仍局限于传统以太网的范围内，结合工业控制应用背景，特别是 针对船舶机舱自动监控系统，对基于工业以太网N C S 实时特性进行的研究还鲜见报道。 因此，结合船舶机舱自动监控系统的背景，对基于工业以太网的N C S 实时性进行分析； 研究以太网在机舱现场设备层N C S 中的实时特性，对在工业控制应用中进行以太网的 组网设计，以及提高和优化基于工业以太网的N C S 实时能力具有重要的实际意义。 1 2N C S 的实时性研究现状 以太网的通信存在不确定性，不能满足实时性要求，成为以太网应用于网络控制系 统的主要障碍。国内外学者针对工业以太网用于现场控制领域的实时性问题做了大量的 研究工作。孙凡金【4 4 】等通过分析P r o f i b u s 工业以太网实时性协议的组成，对其通信连接 建立及管理、实时同步机制、等时同步实现方法及关键技术进行了深入分析，阐述了 P r o f i b u s 实时通信解决方案实现方法。赵海【4 5 】等建立了一种层次拓扑网络模型，借助数 学方法，从网络时延、传输速率、丢包率、突发情况处理等多种网络性能指标对层次拓 2 基于以太网的机舱现场设备层N C S 实时性研究 扑结构和单总线结构的网络进行比较。论证了层次拓扑结构从本质上仍未解决的不确定 性问题，对工业以太网网络性能进行了优化，并对层次拓扑网络和单总线网络进行了全 面客观的评价，分析了它们各自的适用场合。颉新春 4 6 1 等针对令牌总线控制系统中节点 间数据的传输效率随节点数量增加而降低的情况，采用F P G A 技术结合工业以太网提出 了一种满足强实时要求的总线型控制系统。通过将整个系统划分为若干个令牌总线型子 网络，再将子网络通过工业以太网互联的方法提高了整个系统的实时性。陈丹丹【4 7 J 等在 最大误差优先算法的基础上，提出以最大优先变化为主，越长时间越低优先级为辅的混 合调度算法，丰富了优先级的确立依据。通过仿真实验证明该混合调度算法能够有效提 高控制系统的整体性能。刘科峰【4 8 】等分析了以太网应用于实时系统的不足，并提出一套 解决方案，最后描述了该方案在L i n u x 系统中的实现方法。宗群【4 9 】等设计了状态观测器， 给出了一种基于状态依赖泊松过程决定的随机通信逻辑，应用于一般结构的输出反馈网 络控制系统中。提出了具有随机通信逻辑的网络控制系统的结构，建立了网络控制系统模 型，利用随机点过程理论分析了系统的稳定性。聂雪嫒【5 0 】等从控制的角度提出基于系统 模型的补偿器设计方案以解决网络延时问题。通过对广义预测控制算法G P C 状态空间 形式的推导，设计具有多步预测功能的网络控制器，实现前向通道的延时补偿；构造具 有延时补偿功能的状态观测器以补偿反馈通道延时。分析了使用上述延时补偿策略所构 成的闭环网络控制系统的稳定性。李雯【5 1 等给出了利用T r u e T i m e 进行N C S 仿真的结构 框图，分析了T r u e T i m e 内核模块和网络模块的功能特点。针对一个具体的N C S ，建立 了T r u e T i m e 仿真模型。通过仿真试验研究了N C S 消息时延的变化特性。刘宁【5 2 】等设计 了同时调度网络控制系统中任务与信息的算法。采用遗传算法优化调度序列，减小系统 采样周期和端端延时，优化了系统整体性能。最终形成同步异构系统一个周期内的调度 表，确定了系统每个子任务的执行时间和占用资源，解决了不同控制回路资源冲突问题 和相同控制回路任务与信息执行顺序的约束问题，并且保证了每个子任务的实时性。沈 钢【5 3 】等提出一种新的基于持续竞争的实时以太网介质访问控制协议，该协议能够保证实 时信号的发送有确定的最大时延。在新协议下，如果检测到冲突，实时节点并不像普通以 太网节点一样停止传输，而是坚持发送竞争信号，利用信道冲突通知非实时节点或者低 优先级实时节点停止传输，把信道留给高优先级的实时节点。而且该协议与普通以太网 3 第1 章绪论 介质访问控制协议兼容，这样实时节点与普通以太网节点能共存于同一网络系统中互相 通信。T o s h i f u m iA k 妇a 【5 4 】等开发一种基于己被标准化为I E C6 1 7 8 4 2C P F ll 的T C n e t 技术的新型I O 网络。这种被称为T C n e tI O 环的新型网络不仅在具备T C n e t 实时性和 确定性特点的基础上的可靠性，而且它是通过基于T C n e t 技术的原始介质访问方法实 现的。C h i C h u n gC h e u n g l 5 5 】应用一种方法来改进端到端T C P 协议的增强方案。该方案可 评价拥塞损失与无线损失的比值并调整使用参数以提高性能。A n h T u a nT r i n h 5 6 】等提出 一种新的T C P 流量建模法，采用离散时间批M a r k o v i a n 到达过程来对由一个T C P 连接 引起的流量建模。G u i t a n gW a n g 5 7 】等根据网络微积分运算结果开发一种针对队列基于服 务曲线的策略，并采用分区控制模型以解决传输速率波动和工业以太网中的其他问题， 因此提高了实时控制网络中信息传输的稳定性。X u e h u iG u o 5 8 】等基于网络管理系统的特 点，分析了工业以太网管理系统的结构及工业现场数据获得过程，提出一种基于X M L 技术的新型远程服务管理系统。Y o o n j o oK w o n 5 9 】等通过对比两种T C P 变型提出一种针 对高速网络的混合方法，这种方法与基于延时及基于损失的方法是一致的。G u a n g F e n g 6 0 1 等介绍了基于因特网的智能延时网络控制系统的模型、结构、关键技术及核心方 程。 以上学者从不同角度阐述了网络控制系统的实时性问题。本文将总结前人工作，研 究基于工业以太网的船舶机舱现场设备层N C S 实时性问题，下面介绍本文的主要研究 内容及工作安排。 1 3 本文主要内容及工作 ( 1 ) 阐述了船舶机舱网络监控系统的研究意义，分析了现场总线和以太网在船舶 网络监控系统现场设备层网络中的特点；综述了基于工业以太网的N C S 实时性问题国 内外研究现状；概要阐述了本论文的主要内容。 ( 2 ) 对机舱现场设备层N C S 的数据类型进行划分并给出其优先级设置；修改M A C 帧格式，在L L C 帧中增加优先级域；分析了M A C 帧格式及通信过程，以太网的不确定 性、不公平性和端到端延时的理论根源；计算出以太网通信过程中的排队延时、发送延 时、传播延时，为下文提出改进以太网实时性方法奠定基础。 4 基于以太网的机舱现场设备层N C S 实时性研究 ( 3 ) 在机舱监控系统现场设备层N C S 设计了可保证重要数据实时传输的星型、总 线型混联网络拓扑模型以划分微网段，并给出符合机舱监控系统实际的节点驱动方式。 然后分析机舱监控系统各层次功能及网络结构特点，最后设计了机舱现场设备层N C S 的冗余管理。 ( 4 ) 介绍了机舱现场设备层N C S 的实时性要求；设计了机舱现场设备层监控网络 通信模型，提出改进型的I R E T H E R 协议，I R E T H E R 可根据节点优先级判断函数确定实 时节点与非实时节点的优先级，保证重要数据优先传输；分析了机舱现场设备层N C S 的实时通信协议I R E T H E R ，给出I R E T H E R 协议的四种工作模式。 ( 5 ) 介绍了仿真算例选用的面向对象的程序设计技术及开发语言V i s u a lC 撑2 0 0 8 ； 其次设计了C S M A C D 及I R E T H E R 模式下两个仿真算例的算法流程及伪代码；给出仿 真结果，证明本文提出的I R E T H E R 协议可提高机舱现场设备层N C S 的实时能力。 5 第2 章现场设备层N C S 的M A C 帧数据建模及优化 第2 章现场设备层N C S 的M A C 帧数据建模及优化 基于以太网的船舶机舱监控系统由于采用C S M A C D 机制及B E B 算法存在传输最 大延时不确定、节点竞争信道不公平、端到端延时过大的缺陷，为此本章首先对机舱现 场设备层N C S 的数据类型进行划分并给出其优先级设置；然后修改M A C 帧格式，在 L L C 帧中增加优先级域；分析了M A C 帧格式及通信过程，以太网的不确定性、不公平 性和端到端延时的理论根源；计算出以太网通信过程中的排队延时、发送延时、传播延 时，为下文提出改进以太网实时性方法奠定基础。 2 1 机舱现场设备层N C S 的通信数据分类 在基于工业以太网的机舱现场设备层N C S 中，通信数据类型决定着数据传输的优 先级，因此明确划分通信数据类型十分重要。根据机舱现场设备层N C S 的特点，其通 信数据类型大致可以分为周期性数据与非周期性数据、实时数据与非实时性数据。 2 1 1 周期j E 周期性数据 根据数据传输的可预测性，数据可划分为周期性数据和非周期性数据，周期性数据 是基于时间驱动方式传输，即以固定频率传输，数据传输的时间具有周期性，数据长度 往往是可预知的。如：发电柴油机的缸套温度、排气管温度、滑油压力等；非周期性数 据的传输时间是随机的、不确定的，往往采用基于事件驱动方式传输，即根据设定的条 件触发传输，如数据变化超过阈值或收到发送请求，数据长度往往是不可预测的。在机 舱现场设备层N C S 实际应用中，由集控室发出的增大发电柴油机油门开度的控制命令、 发电柴油机排气管高温报警信号等都属于非周期数据。 2 1 2 实时非实时性数据 数据的实时性是指数据从产生到接受方对数据进行相应处理的传输时延要求。根据 机舱现场设备层N C S 的特点，N C S 中传输的数据可以简单划分为三类：低实时性数据， 时延容许相对较长，时延要求为秒级，如上传至过程控制层的历史数据库中的数据；一 般实时性数据，时延容许相对较小，时延要求为毫秒级，最小时延不低于5 m s ，如卫生 水泵压力、淡水舱水位、航速等数据；高实时性数据，时延容许相对极小，最大时延不 6 基于以太网的机舱现场设备层N C S 实时性研究 高于5 m s ，如发电柴油机缸套温度、转速、滑油压力等关系到整个机舱电站稳定运行的 重要参数。在实际应用中低实时性数据也可称为非实时性数据。 2 1 - 3 按性质与用途划分数据类型 相对其他工业现场N C S ，基于以太网的机舱现场设备层N C S 数据通信量不大，但 数据类型较多，处理也不尽相同，部分数据类型对可靠性和实时性要求严格。根据数据 的性质和用途，在基于工业以太网的机舱现场设备层N C S 中传输的数据可以划分为信 号、命令、状态、事件、请求、文件等类型，下面具体说明几种数据类型： 信号：指传感器的测量值，其特征是数据有效寿命很短，不断地被改变和刷新， 常为周期性数据。对于大多数信号，只有最新数据才有意义。在信号中一些重要信号如 柴油发电机的转速、输出电压、输出频率等信号属于高实时性数据，及时响应与否关系 到机舱现场设备层N C S 的稳定性和船舶电站的安全性； 命令：指机舱现场设备层N C S 必须处理的指令或命令，命令数据流要求命令按 其先后顺序传送，而且只能传送一次。命令不容许丢包，同时一个命令只能执行一次， 不能执行两次；显然关键控制命令属于高实时性数据，如应紧发电机的启动命令； 状态：指机舱现场设备层N C S 当前的状况或目标，常用于上报过程控制层。状 态不是只能传送一次的关键参数，可以重发。一般来说，状态数据的实时性和传输的可 靠性不高，往往具有统计性的要求，部分状态数据对传输时延要求较差，如发电柴油机 的累计运行时间参数等； 事件：用于使当前的任务与外部操作间同步，如当传感器测得的参数到达阈值时， 此事件应立即启动某个任务的执行。事件数据可以伴随相应的其它数据，也可仅是开关 量。事件往往属于非周期性数据，无法精确预测，但对时序的要求苛刻，并对可靠性有 很高的要求； 请求：用于实现对数据的特定请求，它包括两部分通信，即现场设备层控制器做 客户端，向过程控制层或信息管理层轮机员操作站上位机软件或服务器发出连接请求， 等待响应。在具体实现时往往可以划分为周期性请求和非周期性请求； 7 第2 章现场设备层N C S 的M A C 帧数据建模及优化 以上五类数据中，部分命令、事件及信号均对传输时延要求严格，属于实时性数据， 其长度一般很短，数据量相对较少，对带宽的占用率较低。由于机舱现场设备层N C S 所监控的机电设备各不相同，这些数据的可预测性也不相同。 文件：内容主要为轮机员操作的编程数据、组态数据、初始化数据及配置数据等， 属于非实时性数据，多为小型或微型文件。 此外随着应用的多样性，机舱现场设备层N C S 中还包括了其它些非实时数据， 如音视频信号等，与文件类型数据一样，数据长度相对较长且不定，数据量相对较大， 在发送时对带宽的占用率较高。对于绝大多数的非实时数据而言，传送的数据都是有意 义的，一般不允许丢失，需要差错控制和重发机制保证数据的完整和准确。由于受到数 据链路通讯限制，非实时性数据存在着多包问题。 2 2 现场设备层N C S 通信数据优先级设置 基于工业以太网的机舱现场设备层N C S 监控对象种类繁多，数量较大，各种类型 监控数据都会出现，将不可避免地出现各类型数据同时争用工业以太网的情况。因此， 对机舱现场设备层N C S 各监控对象传输的所有数据类型设置优先级，可为第四章提出 的I R E T H E R 协议提供优先级判定依据。在本文中，现场设备层N C S 通信数据优先级应 根据该数据类型是否会影响船舶安全运行来设置。各种数据类型的优先级设置及其示例 数据如表2 1 所示： 表2 1 机舱现场设备层N C S 通信数据优先级 F i g 2 1C o m m u n i c a t i o nd a t ap r i o r i t yi nf i e l de q u i p m e n tl a y e rN C Si ne n g i n er o o m 8 基于以太网的机舱现场设备层N C S 实时性研究 其中0 级为最高优先级，5 级为最低优先级，当各类型数据同时争用工业以太网时 应按表1 中的顺序确定各自的占用优先级。 2 3 现场设备层N C S 的M A C 帧优化 2 3 1 以太网的M A C 帧格式 标准I E E E 8 0 2 3 规定的帧由下列域组成：先导字段( A P ，P r e a m b l e ) ，帧定界符( S D F ， S t a r to fF r a m eD e l i m i t e r ) ，目的地址( D A ，D e s t i n a t i o nA d d r e s s ) ，源地址( S A ，S o u r c e A d d r e s s ) ，帧长度( L ，L e n g t h ) ，数据单元，即L L C 帧( L L CP D U ) ，填充( P A D ) 和帧校验序列( F C S ，F r a m eC h e c kS e q u e n c e ) 。格式如图3 1 所示。 7 b y t e s I b y t e s 6 b y t e s 6 b y t e s 2 b y t e s 4 每l5 0 0 b y t e s 4 b y t e s P r e a m b l e S F D D e s t i n a t i O i lA d d r e s s S o u r c eA d d r e s s L e n g t h T y p e M A CC l i e n tD a t aP a d F r a m eC h e c kS e q u e n c e 图2 1 以太网M A C 帧格式 F i g 2 IM A CF r a m ef o r m a to fE t h e m e t 帧中各字段的意义如下： i P A ( 先导字段) ：在帧定界符前发送，以使信号电路达到稳定同步状态。 P A 为持续7 个字节的1 0 1 0 1 0 1 0 比特信号。 i i S F D ( 帧定界符) ：它表示有效帧的开始，其代码为1 0 1 0 1 0 1 1 ，只有一个 字节。 i i D A ( 目的地址) ：D A 是目的站地址，可以为单地址，也可以为多站地址 和广播地址。其最低位为“O “ ，表示单地址，为“1 “ 表示组地址，全为“1 ” 时为广播地址。6 字节长。 9 第2 章现场设备层N C S 的M A C 帧数据建模及优化 i v S A ( 源地址) ：S A 是源发站地址，只能为单地址，6 个字节长。 v L ( 长度) ：它用两个字节来表示L L CP U D 数据单元的长度。 v i L L CD P U ( L L C 子层的协议数据单元) ：表示要传送的L L C 数据，作为 M A C 的数据域，4 6 1 5 0 0 字节。 v i i P A D ( 填充) ：为了满足最小帧长度的要求，对短信息帧进行填充若干字节 使之达到最小帧长。 v i i i F C S ( 校验序列) ：帧校验，它采用C R C 3 2 校验码。用规定的生成多项式 去除数据信息，获得的余数作为校验序列，设置为F C S 字段，长度为4 字 节。 值得指出的是，L 所表示的数据域最小长度为4 6 字节。若无L L CP U D 装入时， M A C 帧数据域中应装入填充比特4 6 字节。这是为了保证从目的地址域至帧校验域长度 为6 4 字节最短帧长，以便区分信道中的有效帧和无用信息。因此，M A C 子层对接收到 的从D A 域算起小于6 4 字节的信息段均认为是“碎片”，予以删除。要求满足最短帧 长的第二个原因，是为了防止一个站发送短帧时在第一个比特尚未传送到网络的最远端 就完成帧发送，因此在可能发生碰撞时检测不到冲突信号。 在局域网中，大多数物理层设备在接收到有效输入信号之后，都应提供特定比特位 的有效输出。因此，在数据开始传送之前有必要传送先导字段，用于物理介质的稳定性 和同步性，并使P L S 电路达到稳态。如果在传送先导字段或帧开始标志时发生冲突，剩 余的先导字段和帧开始标志位会继续传送。 2 3 2 现场设备层N C S 的M A C 帧优化 从帧的结构可以看出，M A C 层协议在L L C 层P U D 的外面，加上帧头和帧尾，组 装成完整的帧，然后经物理层发送出去。即上层的信息经过L L C 层时被封装成L L C 帧， L L C 帧经过M A C 层时又被封装成M A C 帧。其中，A D 、A S 地址是目的节点和源节点 地址，主要在两个节点之间建立通信关系，节点将根据A D 来确定是否接受数据帧。如 果节点地址与D A 相匹配，则接收该数据帧；否则，将不接收该数据帧。可见，数据帧 必须通过这样的层层封装，才能最终实现数据传输。 1 0 基于以太网的机舱现场设备层N C S 实时性研究 在基于工业以太网的机舱现场设备层N C S 中，各种类型数据争用带宽，必须在数 据帧中加入优先级的信息以使各种类型的数据按优先级的高低排序，以保证数据及时传 输。本文在网络层与M A C 层之间增加一个软件调度层以安排各节点数据的优先级，因 此优先级信息只能加在L L C 帧中。根据表2 1 中数据优先级的类型，将在L L C 帧中增 加优先级域，在M A C 帧拆包后首先判断其优先级高低以进行排序。其优化后的M A C 帧格式如图2 2 所示： 7 b y e s l b y t e s 6 b y t e s 6 b y t e s 2 b y t e s 4 6 - 1 5 0 0 b y t e s 4 b y t e s 图2 2 加入数据优先级的M A C 帧格式 F i g 2 2M A C f r a m ef o r m a t 谢n 1d a t aP n o r i t y 4 b y t e s 4 2 - 1 4 9 6 b y t e s 目的节点要对接收到的数据帧进行拆封，其拆封过程正好相反，一层层地去掉附加 的地址信息和辅助信息，最后只将信息提交给上层协议。 2 4 以太网的通信过程分析 以太网采用C S M A C D ( C a r d e rS e n s eM u l t i p l eA c c e s sw i t hC o l l i s i o nD e t e c t i o n ，带冲 突检测的载波监听多路访问) 和l 坚持( B E BB i n a r yE x p o n e n t i a lB a c k o f f ，二进制指数后 退) 算法处理冲突。 当一个站点需要发送数据时，以太网首先监听信道，若信道在忙它就持续等待，直 到它监听到信道空闲时便将数据送出。此种通信方式称为C S M A 。 按照在不同信道状态下的处理方式，C S M A 分为1 坚持、非坚持和p - 坚持三类。在 1 坚持C S M A 中，当一个站点要发送数据时，它首先会监听信道状态。如果信道空闲， 它就开始发送。如果信道在使用中，该站点将持续监听信道，直到监听到信道空闲时送 1 1 第2 章现场设备层N C S 的M A C 帧数据建模及优化 出数据。在非坚持C S M A 中，站点同样在发送前监听到信道状态。如果信道空闲，它 就开始发送。但如果信道在使用中，该站点将不再继续监听到信道，而是在等待一个随 机长的时间，然后重新开始。p 坚持C S M A 主要用于分隙信道，其工作过程为，当一个 站点在0 发送数据前，它首先监听信道状态，如果信道空闲，它以概率P 发送数据，以 概率1 - p 把数据推迟到下一个时隙。如此重复，直到发送成功或者与另一个站点冲突。 因为一旦检测到冲突，就说明数据帧已经遭到破坏，此时停止冲突帧的发送，既节 省了时间又节省了带宽。具有边发送边检测功能的C S M A 称为C S M A C D 。 2 4 1M A C 帧的发送过程 在半双工和全双工模式下，M A C 帧的发送过程是不一样的。 ( 1 ) 半双工模式下M A C 帧的发送工作过程如下： 一个站要发送信息帧，首先要监听总线，以确定介质上是否有其他站点正在发送 信息。 如果介质是空闲的，站点在等待一段帧间隔时间( I P G ) 后开始发送；帧间隔时 间被设定为传送9 6 比特所需的时间，对于1 0 M b p s 以太网为9 6 “s ，对于1