（电力电子与电力传动专业论文）基于can总线的远程监控系统分层设计研究.pdf

a b s t r a c t c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ( c a n ) i sah i g hs a f e t ys e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l w h i c ht o d a yi s v e r yp o p u l a ri n i n d u s t r i a le n v i r o n m e n t sb e c a u s eo fi t s s u p p o r t i n g r e a l t i m ea n dd i s t r i b u t e dc o n t r 0 1 a m o n gt h ed i f f e r e n td e v i c el e v e ln e t w o r k sa v a i l a b l e t o d a y , c a n i ss u r e l yo n eo ft h em o s ta p p e a l i n gs o l u t i o n s ，b e c a u s ei ti sc l e a r l yd e f i n e d ， s t a b l e ，a n dw e l le s t a b l i s h e d ，a n d ，w h a ti sm o r e ，m a n yo fp r o d u c t se x i s to nt h em a r k e t b a s e do nt h a tc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y b u tt h eb i t st ob i t sa r b i t r a t i o no ft h ec a n p r o t o c o ld e f i n e sas t a t i cp r i o r i t yt om e s s a g e se x c h a n g e d d u e t ot h ef a c to ft h el a c ko f t i m i n gi n f o r m a t i o nf o rn o np e r i o d i cd a t at r a n s m i s s i o n ，i ti si m p o s s i b l et of i n das t a t i c m a n n e rt oa t t r i b u t ec a ni d e n t i f i e r st oe x c h a n g e d o b j e c t ss ot h a ta p p l i c a t i o n sp e r i o d s l i m i tc a nb ea l w a y sb es a t i s f i e d w h e no n eo rm a n yn e t w o r ks t a t i o n s ( n o d e s ) s e n d d a t au s i n gt h es a m ei d e n t i f i e r , a ts o m ep o i n t ，d a t aw i l ld i f f e ra n dg e n e r a t ee r r o r a l l s t a t i o n sw i l lt h e nb a c ko f fa n dr e t r a n s m i tr e s t a r t i n gt h ew h o l e p r o c e s s i nt h i sc a s e ， r e t r a n s m i s s i o nc a nl o c k u pt h en e t w o r k t h ec o m p u t a t i o n - t i m ed e l a yi nt h ef e e d b a c k c o n t r o l l e ro far e a l t i m ec o n t r o ls y s t e mm a yc a u s ef a i l u r et ou p d a t et h ec o n t r o li n p u t s d u r i n go n eo rm o r es a m p l i n gp e r i o d s i ft h i sd e l a ye x c e e d sac e r t a i nl i m i tc a l l e dh a r d d e a d l i n e ，t h en e c e s s a r yc o n d i t i o n sf o rs y s t e ms t a b i l i t ya r ev i o l a t e d i ns u c hac a s ea d y n a m i c f a i l u r ei ss a i dt oo c c u rt ot h e s y s t e m i nt h i s s t u d y , t h es o f t w a r ef o rc o n t r o la n dm a n a g e m e n ti sd e s i g n e db a s e do n c a n o p e np r o t o c o l 。t h em a s t e rc o m p u t e rc o m m u n i c a t e sw i t ha l lo t h e rn o d e si nc a n n e t w o r k b y t h e i n t e l l i g e n t i n t e r f a c ef o r m a n a g e m e n t a n dc o n t r o lb e t w e e nt h e c o m p u t e re n h a n c e dp a r a l l e lp o r t a n dc a nf i e l db u st of u l f i l lt h ef u n c t i o n so f d i a g n o s i s ，d i s p o s a l ，s t o r a g e a n d c o m m u n i c a t i o n e s p e c i a l l y , w ed e r i v e t h eh a r d d e a d l i n e u s i n gd y n a m i cl a y o u tt h e o r yf o rs u c hs y s t e m t h ef e e d b a c kd e l a yi s a s s u m e dt or e s u l to n l yf r o m c o m p u t a t i o n - t i m ed e l a yb e c a u s eo t h e rd e l a ye l e m e n t sc a n b er e a d i l yd e a l tw i t h t h ep a p e rp r o p o s e sab a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h mn o to n l y s a t i s f i e st h ep e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t so f m o t o rc o n t r o ls y s t e m ，b u ta l s oc o n s i d e rt h e d e l a yl i m i to f t h en o n - r e a l t i m es y s t e m 。i na d d i t i o n ，i tm a x i m i z e st h eu t i l i z a t i o no ft h e b a n d w i d t ho ft h en e t w o r km e d i u m b yf u l l yu t i l i z i n gt h er e s i d u a lb a n d w i d t ht h r o u g h n o n r e a l - t i m ed a t aa r et r a n s m i t t e d k e yw o r d s ：h a r dd e a d l i n ec a n o p e np r o t o c o l i n t e l l i g e n t i n t e r f a c e d y n a m i cl a y o u t b a n d w i d t ha l l o c a t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘注盘茔或其他教育机构的学位或 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 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 斜群 签字日期：御年，月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘鲎一有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅盘兰可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：卅a 彳 导师签名 浮 签字只期：卟年f月调签字目期：如烽，月7 目 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 控制器局域网c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) ，是由德国b o s c h 公司于八十 年代为解决现代汽车中众多控制与测试仪器间的数据交换而开发的一种串行数 据通信总线，具有很高的安全性能，并能有效的支持分布式控制，在电力电子自 动化、发动机控制单元、传感器、防刹车系统等领域都得到了很好的应用。目前， 世界上大约有十五个大的半导体制造商丌发了五十余种的基于c a n 协议的芯片 【1 】【2 1 【3 】。 增强型并行口e p p ( e n h a n c e dp a r a l l e lp o r t ) 协议最初是由i n t e l 、x i r c o m 和 z e n i t hd a t as y s t e m 共同开发完成的，是一种与标准并行口s p p ( s t a n d a r dp a r a l l e l p o r 0 兼容的高性能的并行口协议，极大的改善了p c 机并行口的数据传输能力， 数据传输速率可达到1 - 2 m b p s l 4 l 【5 j 【6 l 【7 】。 c a n 协议和e p p 协议都具有很高的传输速率，本论文把两者的优势结合起 来，在设备层利用c a n 协议传输数据，在控制室利用e p p 总线将基于c a n 总 线的智能型监控卡采集的各个c a n 节点的数据发送到监控主机。 1 1 国内外研究动态及技术缺陷 在处理日益复杂的控制系统的过程中，由于性能和可靠性的改进，数字计算 机普遍应用于控制回路中。在这种系统里，处于反馈回路的数字计算机通过执行 一系列的指令计算控制输入，因此，被控过程不可避免的引入了一种延迟一计 算时间延迟。如果作为控制器的计算机没有发生故障，通常计算时间延迟的值小 于采样周期。由于大量的实时控制系统是有寿命、临界安全的，应用于这些系统 中的计算机都必须配备容错机制，当某个部件发生故障或出现环境干扰，如电磁 干扰时，用于错误检测、错误定位及恢复的时间，必须加在控制程序的执行时间 上，如果执行时间超过了硬期限，可能使系统背离稳定性的必要条件，或离开给 定条件限定的状态空间，以致于导致灾难性的或动态的故斟8 】。动态规划最初被 用来研究多级决策过程的最优化问题，时至今日，它已在许多领域里获得了广泛、 成功的应用。比如，在生产、收益、资源分配、工作安排、信息处理、模式识别 诸方面都有成功的应用，另外，它也是求解最优控制问题的重要方法之一【9 1 【1 0 】。 随着计算机在控制系统中的应用，工业控制领域的网络化成了目前控制技术 的发展趋势。由于c a n 网络具有成本低、构造简单的特点，被日益广泛的应用 于工业控制领域。c a n 总线的主要特性有【1 】【2 】： 天津大学硕+ 学位论文第一章绪论 对等的网络结构。网络上的节点不分主从，当总线处于空闲状态时，任何 一。- 个节点都可以启动一次数据传输，网络中的所有节点都能接收到总线上的数 据。 睬用非破坏性网络仲裁技术。网络上的节点发送的信息分成不同的优先级， c a n 协议通过比较信息帧的标识符决定总线控制权。当多个节点同时向网络上 传送数据时，发送低优先级信息帧的节点自动退出发送状态，转为接收状念，优 先级最高的节点继续发送数据。 短帧的数据结构。每一帧数据的最大有效字节数为8 个，帧传送时间短， 受干扰概率低，通信误码率低。 网络节点在错误严重的情况下具有自动关闭总线接口的功能，避免影响总 线上其它节点的正常操作。 传输速率高。通信速率最大可以达到1 m b p s ( 通信距离4 0 m ) ，通信距离 最大可以达到1 0 k i n ( 通信速率为5 k b p s ) 。 在现有的许多设备级网络中，c a n 定义清晰、合理，性能稳定，更重要的 是，目前市场上的许多产品都支持c a n 通信，因此，它确实是最吸引人的设备 级网络解决方案之一。和其它实时网络相比，c a n 简单、响应时间短，然而， 由于媒体存取技术及优先权定义方面的原因，c a n 也存在着不可避免的缺点 【1 l 】 1 2 】【1 3 1 。 c a n 协议的一个主要局限性在于，c a n 总线采用的总线仲裁方式，要求所 有的节点在1 位的传输时间内完成同步过程，这在理论上要求整个通信系统必须 表现得像一个单独的点一样，至少从电子的观点看必须是这样。这就要求信号的 传播时间( 包括控制器、抖动、接收器、总线传输产生的延迟) 必须小于传播时 问片的一半，也就是说，要严格小于位时间。例如，传输速率为1 m b s ( 1 u s 的 时间) 时，最大总线允许长度为4 0 m 。在这种情况下，如果传播速度为2 0 0 m u s ， 总线上端对端的传播延迟为o 2 u s ，如协议要求，小于位时间的一半。也就是说， 为了仲裁机制正确进行，共享介质上的传播延迟必须是可以忽略的。所以，即使 位速率有几百k b s ，网络也不能无限制的扩展。也是由于这个原因，最高传输速 率为1 m b s 。 c a n 协议的另一个局限性在于，c a n 总线采用位仲裁技术定义了一种静态 的优先权。在应用程序开始前，标识符已分配好，一旦分配了优先级，任务和作 业的优先级就不再改变。这种标识符分配方案遇到的第一个问题是，由于非周期 数据传输缺乏时间信息，为所有需要交换的对象分配c a n 标识符时，不可能找 到一。个静态方案永远满足应用程序的时间要求；第二个问题是，临时过载，也就 是当实际的通信量接近系统带宽时，基本c a n 机制将阻塞大量的具有低优先权 天津人学硕十学位论文第一章绪论 的对象，使它们不能及时传输，这将显著增加节点的传输延迟，这种情况下， c a n 的性能不能为实时应用程序所接受；第三个问题当一个或多个网络节点同 时发送标识符相同的数据时出现，这时，所有的节点都得到总线控制权并开始传 送数据，在某些时候，数据并不完全相同，这时就会出错，所有节点都要重新发 送数据，在这种情况下，网络将阻塞。 为了解决c a n 总线的上述缺陷，各国研究c a n 总线的学者及工程师都做 了深入的研究。文献 1 1 】、【1 2 提出，确保c a n 网络公平分配带宽的关键是允许 通过动态分配标识符域( i f ) 来调整传输队列的次序，以满足应用程序的时间要 求。换句话说，不同于仅由l l c 子层处理对象的标识符，应该允许被传输的帧 使用m a c 子层优先权。文献 1 1 1 提出了两种动态重新分配优先权的机制：分布 式优先权队y i j ( d p o ) 和优先权提升( p p ) 。这两种机制都是分布式的，可以和现 有的c a n 系统共存，并且成本也很低。d p q 和p p 可以同时应用于同一网络中， 为应用程序选择数据交换的最合适的优先权策略提供了最大的灵活性。文献 1 2 1 基于c a n 协议中的保留位采用了一种动态修改i f 优先权的方案，减少了低优先 权数据的传输周期，降低了阻塞的可能性。为了降低c a n 总线在仲裁过程中对 信号传输时间的限制，文献【1 3 】的c a n 网络采用了一种新的拓扑结构。每个节 点都采用两个信道，其中一个称为前向信道，另一个称为逆向信道。前向信道用 来发送数据，特别是用来执行优先权的仲裁；逆向信道用来接收数据，并收集其 它节点的状态信息。每个节点使用两个输入端口，两个输出端口。其中一对输入 i l l 端口用在前向信道上，另外一对输入出端口用在逆向信道上。要实现上述3 种方法，必须对c a n 控制器的硬件进行改进。而我们需要找到一种软件的方法， 利用现有的硬件条件，尽可能解决c a n 的上述缺陷。文献 1 4 1 提出了一种当交 通量接近系统带宽时，以牺牲一部分系统性能为代价，在客户端自动减少流量的 解决方案。这种方案固然能够在一定程度上缓解c a n 总线由于优先权分配方案 带来的问题，但需要应用程序随时监控网络状态，增加了应用程序的负担。而且， 出现网络拥塞的情况是随机且暂时的，这种方案的响应滞后于网络状态，并不能 从根本上解决问题。 如前所述，国外对c a n 总线的研究主要集中在协议的有效性上，在总线上 传输的信息量、信息延时、数据包的长度与数据缓冲区长度的关系等方面都做了 很多工作，但现场总线不仅要完成信息传输，衡量一个现场总线系统的主要指标 也包括如何处理各个现场设备采集到的数据，为这种分布式数据库提供适当的服 务。c a n 总线在这方面还存在很大的问题【1 5 j 。国内对c a n 总线的研究主要集中 在c a n 控制器的应用及与其它协议的转换方面。在c a n 总线与计算机的接口 电路方面，日f 人做了很多的工作，但在实际应用的过程中我们发现，已有的c a n 天津人学硕士学位论文第。章绪论 总线与计算机的接口板虽然很多，但这些接口板能否正常工作完全依赖于计算机 是否诈常工作，当计算机出现故障时，网络管理工作完全终止。这就迫切需要出 现一种智能型接口板，即使计算机出现故障，仍能保证网络难常运行。 1 2 探索的主要问题 本论文拟解决的主要技术问题如下： 1 采用合适的带宽分配策略，使设计的c a n 网络在满足电机监控系统实 时性要求的同时，也满足非实时性数据的最大延时时间要求。 2 分析计算时间延迟对控制系统稳定性的影响。特别地，在假设其它延迟 因素己处理完毕，反馈回路延迟仅包含计算时问延迟的条件下，推导此类控制系 统的硬期限一避免动态故障发生的计算时间的临界值。 3 设计基于e p p 协议的计算机与c a n 总线之间的智能型监控卡。正常情 况下，该监控卡用于计算机并行口工作在e p p 模式下时与c a n 总线的通信，计 算机承担网络管理工作；当计算机出现故障时，该卡可独立管理c a n 总线上的 各个节点。 4 设计基于c a n o p e n 协议的网络监控软件。实现网络管理、监控、报警、 显示、存储等功能。 1 3 研究内容的安排 依据上述的研究思路，本论文将如下安排各章的内容。 1 第二章介绍本监控系统所使用的总体方案及网络结构。 2 第三章提出了合理的c a n 网络带宽分配算法，并讨论了电机监控系统 中的带宽分配方案。 3 第四章介绍最优控制理论中的动态规划原理，给出了根据最优性原理推 导控制系统硬期限的方法，并讨论了电机监控系统的硬期限的分析方法。 4 第五章介绍e p p 协议，并介绍应用于计算机e p p 接口的c a n 总线智能 型监控卡的硬件、软件设计方案。 5 第六章介绍v i s u a lb a s i c 中的多线程技术、c a n o p e n 协议及监控程序的 设计思路及实现的功能。 6 第七章给出了系统性能的测试结果，对本论文的内容进行总结，并提出 了改进的方向。 总体说来，本论文分析了计算时间延迟对控制系统稳定性的影响，设计了 种用于c a n 总线与计算机之间的集管理、监控、报警、显示、存储等功能的 天津人学硕士学位论文第一章绪论 智能型监控号，设计了模块化的电机控制系统网络监控软件，并针对目前c a n 总线存在的问题进行了研究，提出了解决方案。 灭津大学硕士学位论文第二章系统的总体方案及阿络结构 第二章系统的总体方案及网络结构 2 1 总体方案 2 1 1 现场总线系统的体系结构 现场总线系统既是工业设备自动化控制领域的一种开放的计算机局域网络， 又是一种全分布控制系统。它作为智能设备的联系纽带，将挂接在总线上，作为 网络节点的智能设备连接成为网络系统。现场总线控制系统属于最底层的网络系 统，是网络集成式全分布控制系统，将功能全部分散在各个网络节点处，实现基 本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及管理控制一体化的综 合自动化，它依靠具有检测、控制、通信能力的数字化设备在现场彻底分散控制。 这是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术。 现场总线控制系统由测量系统、控制系统、网络通信、管理系统等部分组成。 1 控制系统 控制系统软件是系统的重要组成部分，包括监控组态软件、维护软件和设备 管理软件等。首先选择开发组态软件、控制操作人机接口软件。通过组态软件， 完成功能块之间的连接，选定功能块参数，进行网络组态，在网络运行过程中对 系统实时采集数据进行数据处理、计算、优化控制及逻辑控制报警、监视、显示、 报表等。 2 测量系统 测量仪表采用数字信号，具有高分辨率，准确性高、抗干扰、抗畸变能力强 的特点。 3 设备管理系统 可以提供设备自身及过程的诊断信息、管理信息、设备运行状态信息、厂商 提供的设备制造信息。 4 数据库 数据库能有组织的、动态的存储大量有关数据与应用程序，实现数据的充分 共享、交叉访问，具有高度独立性。在运行过程中，工业设备的参数连续变化， 数据量大，操作与控制的实时性要求很高，因此形成了一个可互访操作的分布关 天津大学硕j 二学位论文 第二章系统的总体方案及嗍络结构 系及实时性的数据库系统。 5 网络系统的硬件和软件 网络硬件由系统管理主机、计算机与c a n 总线接口卡、d s p 控制器及传感 器等部件组成。网络系统软件有网络操作软件、应用软件数据库、通信协议、网 络管理协议等。 2 1 2 现场总线控制系统的软件结构 现场总线控制系统至少实现如下的功能： ( 1 ) 现场总线接口； ( 2 ) 实时数据库； ( 3 ) 现场设备管理； ( 4 ) 监控组态系统； ( 5 ) 远程应用。 1 实时数据库 实时数据库作为其它应用软件的运行平台和现场仪表、控制器的数据收集 器，负责实时数据的读写、管理、历史归档、维护、安全审核、报警生成、时 间记录等。实时数据库的功能特点有： ( 1 ) 现场数据采集。实时数据库提供了与典型数据源的接口。 ( 2 ) 预处理机制。可以直接在实时数据库中对原始数据进行处理。 ( 3 ) 滚动存储机制。数据库的容量固定，当新的数据产生，数据库中最老 的数据将被删除。 ( 4 ) 自动更新机制。当数据库中的数据改变时，可以及时通知客户端程序， 以更新画面。 ( 5 ) 触发和定时机制。提供了丰富的触发和定时机制，供各类数据处理、 先进控制和优化算法使用。 ( 6 ) 数据检索机制。可以以类似于关系数据库的方式检索实时数据库中的 数据。 ( 7 ) 动态汇总机制。实时数据库提供了报警状态、操作事件等信息的动态 汇总功能。 ( 8 ) 安全机制。实时数据库一旦投入运行，就开始与生产装置之间进行双 向数据传递。因此，实时数据库的设计与丌发是同时进行的。在这种 情况下，实时数据库在客户端、服务器端以及数据库本身三者中都提 供了足够的安全机制以保证装置的安全。 、 天津大学硕+ 学位论文第二章系统的总体方案及网络结构 ( 9 ) 数据集成接口。实时数据库实现了过程数据与管理数据的集成与共 享。 2 现场设备管理 目前的控制系统提供的信息主要是生产过程的控制信息，非控制信息很少。 但随着生产管理要求的提高，除要求提供控制信息外，还要求提供现场设备的运 行信息和现场设备的管理信息，如测量仪表、执行机构的性能优化和故障控制信 息，设备诊断、设备预测性诊断等现场管理信息。现场设备管理系统用于有效地 管理和维护工厂的现场设备。 3 监控组态系统 监控组态系统是用于工业自动化和过程监视与控制的应用软件，它为自动化 项目提供人机接口。通过监控软件的使用，可以使操作人员方便、直观的获取现 场的实时数据，达到实时监视的目的，从而能够快速的查找到现场的设备故障， 提高劳动生产率。除了监视之外，还能够允许有安全权限的操作人员修改各种控 制数据和控制信号，并能在监控画面上及时的得到反馈和察看该操作的结果，并 通过历史趋势和报表信息，可以很方便的获取以前的生产状况，在出现产量或质 量问题时，便于查找事故原因，给现场管理提供了直观的依据。监控组态系统需 要实现以下功能。 ( 1 ) 安全功能。对所组态的工艺操作进行安全设置，使得不同的操作人员 具有不同的操作权限。 ( 2 ) 动画显示功能。根据现场实时数据的变化，动态更新显示效果，反映 生产过程的辩护。 ( 3 ) 事件触发。根据现场不同的情况，触发不同的事件，执行相关的处理 过程。 ( 4 ) 实时历史趋势。根据现场实时数据的变化，以曲线动态表示数据的变 化。 ( 5 ) 报警功能。当生产过程的变化超出工艺许可的范围或系统产生了非预 期的变化时，系统产生报警信息，提示有关操作人员做出相应的操作。 ( 6 ) 报表功能。提供各种组态信息打印、各种汉字报表和分析报告，为领 导决策提供方便可靠的依据。 ( 7 ) 其它功能。包括开放的接口、友好的互动方式、与第三方软件的通信、 其它资源的利用等。 4 远程应用 随着计算机性能的提高，通信、计算机网络、e r p ( e n t e r p r i s er e s o u r e e r 天津大学硕士学位论文 第二章系统的总体方案及网络结构 p r o g r a m ) 等高新技术的涌现和蓬勃发展，企业信息化的范m t k 随之从企业内部 扩展到企业供应链甚至全球范围。利用因特网进行数据通信，人们将可以在远程 安全的获得实时的生产信息，而不必亲自到生产现场，从而及早发现问题、解决 问题，节省大量的人力与物力。因此，i n t e r n e t 背景下的多层应用软件体系及其 应用开发的技术问题成了工业自动化领域的切入点。 在考虑远程应用时，主要基于t c p i p 和h t t p 通信协议，基于w e b 服务器， 通过通信服务程序与实时数据库进行数据通信，实现远程访问本地的实时数据， 在客户端利用浏览器( b f o w s e r ) 监控工业现场的动态工艺流程，达到远程过程监 控、远程设备管理和维护、远程系统维护的目的。 2 2 网络结构 传统的设备级网络以一个微处理器为中心，在控制器上挂接着传感器、执行 器等设备。这种基本结构曾成功的应用在很多工业设计中，非常适用于为一个专 门的应用设计的控制系统。然而，如果该控制系统的硬件需要不断升级，或者需 要拆除或添加传感器等设备，这种结构就不再满足要求了。本论文采用总线式结 构，在这种结构下，智能设备分布于各个子系统中，每一个子系统负责管理和控 制各自功能单元中的传感器，各个子系统间可以直接互相发送接收信息。 电机监控系统网络结构如图2 1 所示。从网络管理上讲，系统是一个主从 ( m a t e r s l a v e ) 式的结构。在网络中，只允许一个节点担当网络管理的功能，即 主节点，在图中就是由p c 机和智能型c a n 总线监控卡组成的上位机。其余节 点只能接收来自主节点或其它节点的消息，担当从节点，在图中就是由c a n b u s 接口电路板和基于d s p 的电机控制器组成的下位机。 c a l n b k l s 接 口电路板 口电路板 图2 1 电机远程监控系统 | j 9 络结构 天津大学硕十学位论文第三章c a n 总线带宽分配方案 第三章c a n 网络带宽分配方案 3 1 带宽分配算法 在c a n 总线中，实时数据和非实时数据共享网络介质。实时数据分为周期 数据和事件数据两种。周期数据由包含控制器和传感器的反馈控制回路产生。根 据给定的采样周期，传感器和控制器周期的产生数据，同时这些周期数据必须在 采样间隔内完成传输及转换：事件数据通常用作事件通知，如：管理、诊断、报 警等信息。事件数据既可以是周期性的，也可以是非周期性的，这些数据必须在 时间间隔的给定边界内完成传输。非实时数据包括程序、数据文件和数据库管理 信息，同实时数据相比，非实时数据的延迟对性能的影响不是很大。这样，非实 时数据应使用实时数据的带宽分配完毕后剩余的带宽进行传输。 下面给出本章中用到的符号。 m = c a n 总线上的控制回路总数； n ，= 产生周期数据的节点总数： n = 产生事件数据的节点总数： 。= 产生非实时数据的节点总数； l ，= 周期数据数据帧的传输时间； 三= 事件数据数据帧的传输时间； l 。= 某个节点的非实时信息的传输时间； i 中i ，f = 1 一mi = 控制回路f 允许的最大回路延迟； i 疋，i 一1 一n 。i = 节点f 事件数据帧的平均到达率； i k ，i = 1 一n 。i = 节点i 非实时信息的平均到达率； i 互，i 一1 一ml = 控制回路i 的采样周期。 3 1 1 时间窗口的安排 通常，事件数据和非实时信息是随机到达的，我们并不知道它们的典型分布， 本论文中，假设事件数据和非实时信息的到达服从泊松分布【3 1 1 5 6 】。为了在c a n 总线中应用带宽分配算法，把网络带宽分成实时间隔和非实时间隔。在c a n 总 线中，可通过为c a n 的数据帧分配适当的标识符实现。事件数据的8 位标识符 的最高2 位设置为“0 0 ”，周期数据和非实时数据的最高2 位分别设置为“0 1 ， 和“1 0 ”。这样，优先权由高到低为：事件数据、周期数据、非实时数据。这就 意味着，只有实时数据传输完毕，非实时数据才能被发送，在非实时间隔期间， 天津人学硕士学位论文 第三章c a n 总线带宽分配方案 如果有节点发送了周期数据，网络带宽自动由实时间隔重新占用。图3 - 1 给出了 c a n 总线中带宽分配算法的基本概念。在图3 - 1 中，r x 和分别为m 个控制回 路中最小的和最大的采样周期。c a n 总线的带宽被分成时间长度为王的时间段， l 为m 个控制回路中的最小采样周期，每一时间段又被分成实时白】隔_ r ，和非实 时间隔r 。在实时间隔期问，传输周期数据，非实时数据在非实时间隔期间传输， 事件数据的优先权最高，随时可以传输。 1 i 2 以3 r 。a t 实时问隔 。1 非实时间隔 j 、li7 1 个可口i ，r7 i 图3 1c a n 总线中的带宽分配 在实时间隔期间，根据窗口安排算法传输周期数据。在窗口安排算法中， 个节点动态共享y ( y ；n 。) 个窗口( “窗口”是指长度等于l ，的时间段) 。为了 遵从窗口分配算法，在实时期间产生的数据的个数不能超过y 5 6 】，由窗口安排算 法排定每个控制数据的采样开始时刻和采样周期，非实时数据在非实时间隔内传 输。 窗口安排算法中用到的基本概念总结如下：假设c a n 总线共有m 个控制回 路，每一控制回路包含两个数据传输节点：传感器和控制器，同一回路中的传感 器和控制器以相同的采样周期采样数据。回路延迟定义为：从传感器采样数据时 刻到控制器利用该传感器数据产生控制数据并传输到执行器节点的时刻所问隔 的时间。 3 1 2 确定采样周期和采样时刻 考虑控制回路i ，采样周期为z ，回路延迟是时变的，因为由网络引发的从 传感器到控制器的延迟( 吒) 和从控制器到执行器的延迟( 口j 。) 是时变的。研 究表明，简单的把吒和吒用最大值代替并不能解决时变延迟系统设计的问题。 假设t 。为第k 个执行器的命令到达的时刻，由于吒是时变的，i t 。，t 。l 也是时变 的，时变延迟对控制系统的影响体现在i t 。，t 。i 上，而不是时变延迟本身。当既 的最小值出现在t 。时刻，而+ ，时刻出现吒的最大值时，k ，t 。l 间隔最大，即 1 1 “ 也 天津大学硕士学位论文第三章c a n 总线带宽分配方案 【f 。，t 。 的最大值为：i + ( s u p 0 三一r a i n 0 2 ) 。除了控制器到执行器的延迟外， 我们也需考虑传感器到控制器的延迟，吒的最大值为i ，这样，回路延迟的最 大值为2 王4 - ( s u p 0 1 。一m i n 0 1 ) 。在窗口安排算法中，每一周期数据都要在时间 片正内传输，这样，s u p 0 二的值等于五，m i n 0 1 的值为l c ，即周期数据数据帧 的传输时间。为了满足控制系统的性能要求，控制回路f 的采样时间必须满足 2 霉+ ( 正l 。) s 由。 ( 3 1 ) 其中，每一控制回路的最大允许延迟中，( f = 1 一m ) 事先已知。 在实时间隔中，由窗口安排算法确定霉( i ；1 一m ) 。正由下式决定： 五= ，+ l 。) 3 。采样周期i ( j = 2 一m ) 由实时期问产生的数据数量不能大 于y 决定【4 ”，假设8 。为n 。个节点在t 期间产生的数据的平均数，即 n c1 口，：v 二 ( 3 2 ) “ 舒k ， 其中k i = l 五。若采样周期i ( f _ 1 n 。) 互为整数倍，y = k 。j ，那么，在 期间产生的所有数据都能被在k 所提供的窗口容纳。为了满足控制系统的性能， 正也必须满足等式( 3 1 ) ，所以，i 由下式确定： 互= q r , ，k ；( ! 掣) v f ：2 m ( 3 3 ) 、1， 式( 3 3 ) 中，k 。x ) ( 用x 代替括号内的分式) 表示k i 是最接近z 但不大于x 的以2 为底的幂指数，即kt2 “， = 0 工2 ， 。这样，就可以保证m 个控制 回路的采样周期互为整数倍。 在图3 - 1 中，a i o = 1 一m ) 是第i 个正时间段的初始时刻。在窗口安排算法 中，爿：时刻产生的数据的个数不能超过y ，为满足这一性能要求，窗口安排算法 不但决定采样周期，也决定采样时刻f ，( ，= 1 一。) 。如果在4 处任务数大于r ， 相应节点的f ，转移到下一个时刻彳。，故f ，由下式决定： t = i n f - i a f 一1 ，肛a i ) 5yj ，= 1 一c ，f ；1 ? 0 互 ( 3 4 ) 其中口似。) 是包括节点在内的4 时刻的被采样数据的个数。 3 1 3 网络稳定的必要条件 如图3 1 所示，正中除r ，外的时间片分配给了非实时数据。在带宽分配算法 中，控制数据的优先权高于非实时数据，如果任一节点开始传输周期数据，非实 时间隔l 自动中止。然而，如果在爿。时刻正在传输非实时数据，则必须完成该 次通信。假设出现极端情况：非实时间隔变小，仅能传输一个非实时数据包。假 天津大学硕十学位论文第二章c a n 总线带宽分配方案 如非实时数据的传输时间工。大于l 一0 ，则l 侵入f ，所以工。必须由下式限制 l 。= 一f ， ( 3 5 ) 出于c a n 总线系统稳定性的考虑，数据到达率最大不能大于网络容量。 本论文中，假设事件数据和非实时数据的到达概率服从泊松分布。考虑在一 个很长的时间间隔t 内到达节点f 的事件数据的平均数量，为了使系统稳定，处 理这些数据需要的平均时间必须小于t 。由于到达节点i 的事件数据的平均个数 为屯f ，传输这些数据需要的时间则为t f 。现在来考虑在t 时间内处理从其它 节点到达的事件数据需要的时间。对于节点j ( j f ) ，如果赳fca i t ，在时i h j t 内 传输的数据帧的平均个数为缱r ，否则有屯f 个数据帧到达节点j 。在时间f 内节 点f 从其它节点传输数据需要的时间为：工。兰埘哪m i 阢f ，以f j c f 。为了保证节 点i 的事件数据队列稳定，在时间t 内到达的所有数据必须在小于t 的时间内传输 完毕，即 t f 工。+ 上。盖 j l j ) m i n k t ，疋f j r ( 3 6 ) 即事件数据的稳定性条件为： 虬 t 善艇 1 3 m 要保证网络稳定，网络系统中所有的传输队列必须是稳定的，如果具有最高到达 率的事件数据的传输队列是稳定的，则网络中所有的传输队列是稳定的。 现在来考虑周期数据的稳定性条件。如图3 1 所示，事件数据可以在实时间 隔内传输，并且，实时间隔必须小于正。在实际的生产自动化和过程控制系统中， 事件数据的产生频率小于周期数据，在五期间内产生n ，个事件数据的可能性为： k 疋互) “丑! j e 蕾1 5 6 1 1 5 7 1o 例如，当互= 1 0 m s ，疋= 0 0 1 m s ，正期问内产生大于 1 0 个事件数据的概率为7 8 9 x 1 0 。在本论文中，假设z 期间内所有节点产生的 事件数据的个数为n ，且五内产生的数据个数太于的概率足够小。如果 皿。+ n 。l 。，五，则五内部分周期数据不能被传输，并且由于队列容量问题，被传 输队列拒收，所以周期数据的稳定性条件为； 皿。+ ，z 1 l 。e 五 ( 3 8 ) 非实时数据信息通常被分成几个帧插入到传输队列中，再通过网络逐个传输 这些数据帧，最后在目的节点重新组合。如果节点f 的非实时信息的到达率为k ， 并且该信息被分成a 个帧，节点产生的非实时数据包的数量为蠢= p 砖。非 实时数据帧以最低的优先权传输，并受到事件数据和控制数据的传输的影响。现 在，考虑很长的时间间隔f 内节点的非实时数据帧到达的平均数量。为了系统 天津大学硕十学位论文第三章c a n 总线带宽分配方案 稳定，平均来说，传输所有数据需要的时间必须小于t 。由于时间t 内到达的非 实时数据帧的平均数为一f ，传输这些数据需要的时间则为( t f ) l 。再来考虑时 间t 内从其它节点传输非实时数据需要的时间，对于节点j ( j ；i ) ，硝f 数据帧被 传输，如果c t ，或疋f 个数据帧传输到节点j 。在时问t 内，其它节点传输 非实时数据需要的时间为 三。：m ，m i n k t , 州f ( 3 - 9 ) 另外，我们需要考虑时间t 内需要传输的周期数掘，时问t 包含的时间段z 的个 数为( f 互) ，在互内产生的周期数据的平均个数为口。，传输这些周期数据需要 的平均时间为a k l 。，则在时间t 内传输周期数据需要的时间为( f 五) a k l 。 最后考虑时间t 内传输事件数据需要的时问，节点五的事件数据到达的速率为 a ! ，时间t 内传输时间数据的数量为f ，这样，时间t 内传输事件数据需要的 时间为 l 。罗砖f ( 3 1 0 ) 嗣 要保证时间t 内节点i 中非实时数据的稳定性，所有数据帧必须在小于f 的时间内 传输完，即 一f t + l n y l ，“j - 1 i f i ) m i n k t , 一。f 】+ ( t i t s ) a 。l 。+ t 兰t f c f( 3 1 1 ) 要保证网络稳定，网络系统中所有的传输队列必须是稳定的，如果具有最高非实 时数据到达率的传输队列是稳定的，网络中所有的传输队列则是稳定的，所以， 网络的稳定性条件为： dn 。 l 茗托 即t 薹t 互一( 皿。+ n 1 l 。) ，那么l 。= 五一( 皿。+ n i l 。) 设以2 p 砖，如果n 善a n j + a t i l t 五+ 三e 著砖1 说明事件数据或非实 时数据过载，减少n 。或n 。，返回步骤3 重新计算。 3 2 电机监控网络中的带宽分配 对于实时控制系统，最重要的是在各个节点间传送数据时不能引入系统难以 接受的时间延迟。一个解决途径是采用总线允许的最高带宽。然而，从复杂性、 硬件的物理尺寸等方面考虑，这种方法并不是最优的方案。所以，在设计时，应 根据预期的最坏情况选择需要的带宽。同时，所选择的在节点间传送数据的网络 不能把过度的处理任务强加到处理器上，一个满负载的网络，各个节点的处理器 用于处理通信任务的时间不应多于总时问的2 5 【4 7 】。 本文中的电机监控网络模型如图2 1 所示。系统中不包含非实时数据的交换， 只考虑周期数据及事件数据，则网络系统稳定性条件由不等式( 3 _ 8 ) 给出。本 系统满足不等式( 3 9 ) ，只需根据不等式( 3 1 2 ) 确定带宽分配方案。电机节点 中的电流传感器对定子电流进行采样，同时以相同的频率把采样到的电流数据经 由c a n 总线传送到监控主机里，并且每个电机节点传输的定子电流具有相同的 周期。电机节点还需向监控主机发送电机的转速、报警信息等信号，同时，当电 机节点出现故障时，经由c a n 总线向监控主机发送报警信息。监控主机监控各 个电机节点的运行状态，发出控制命令。假设监控主机对各个电机发出的控制命 令频率相同，同时，各个电机节点以相同的频率向监控主机发送转速信号，则电 机网络的带宽分配方案为： 1 计算电机节点的采样周期 大津大学硕士学位论文第三章c a n 总线带宽分配方案 因为各