现代制造中的机电系统应用课件作者王孙安章节15第15章节.ppt

尚辅网 / 现代制造中的 机电系统应用 第14章 工业以太网实时通信模型及协议关键技术 机械工业出版社 * 前言 开放性和互操作性是分布式控制系统的关键，而网络通信体系结构和模型则是实现分布式控制重要的一环。 基于工业以太网的数控系统实时性与网络协议的实现、网络本身性能等因素有密切关系，应考虑： 协议编解码时间与通信处理单元的性能和通信协议的性能有关； 报文发送和传播延迟时间由网络带宽和信号传播的速度决定； 报文传输延迟与报文的流量和网络速度密切相关，应该对设备节点的任务进行有效调度，控制网络流量以保证网络传输的实时性能。 * 15.1 面向嵌入式系统的工业以太网通信 协议栈 15.1.1 协议栈模型分析 远程加工等需要在广域网中传播信息，一般采用基于TCP/IP协议的客户/服务器模式，建立连接后按照请求—指示—响应—确认过程实现报文的可靠传输。 图15-1 C/S模式通信的协议栈 采用了OSI七层通信协议栈。图中：AP(Application Process)为应用进程，SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)为数据采集与监控系统。 * 设备间的状态信息和互锁信息属于异步对等以及一点对多点通信模式，采用TCP/IP协议是无法有效实现的，必须采用网络组播(Multicast)的方式发送报文。 为了提高报文传输的速度和性能，国际上提出了基于OSI参考模型的增强性能结构EPA(Enhanced Performance Arthitecture) 模型，物理、链路层采用以太网，应用层采用与控制网络数据对象兼容的过程层协议。 图15-2 Peer to Peer模型 * 设备间数据通信模式 按照所传报文的类型又分为两种模式：周期性数据和事件触发异步数据。 如采样数据属于周期性数据； 分布式网络环境下，设备之间状态、互锁信息的交换，及现场智能设备状态数据的发布等具有随机性和异步传输的特点。 前者的特点：发送的必威体育精装版数据比先前数据更有价值，一般采取的策略是总传必威体育精装版的数据，对丢包现象可以忽略，只保证传输的实时、快速性，此策略在数控系统中可能存在问题，需要加以研究和改进； 后者的特点：对数据传输实时性要求高，同时可靠性要求也高，但单纯采用基于以太网的组播技术无法满足系统的要求。 * 15.1.2 可嵌入现场设备的网络通信协议栈 采用图15-3所示的通信协议栈模型，使通信接口不依赖于具体的操作系统和处理器硬件平台。 图15-3 符合国际标准的数据传输协议栈 上位机具体的加工和测控任务，通过编解码处理把报文数据封装在TCP/UDP/IP协议中发送或者接收； 数据服务系统（Data Sevice System，DSS）实现面向现场设备的通信系统内核； 信息传输系统（Information Transfer Systems，ITS）提供网络通信协议接口； 用户层通信进程管理模块根据分布式环境下设备任务的不同特点，对周期性、非周期性和突发任务进行管理； 基于XML对现场设备的参数和状态信息进行描述。 * 15.1.3 工业控制实时网络通信模型 提出实时网络通信模型： 图15-4 实时网络通信模型 包括三种通信模式：客户机/服务器（Client/Server，C/S）模式、对等通信（Peer to Peer，P2P）模式和浏览器/服务器（Browser/Server）模式。 C/S是基于TCP/IP协议实现当地（或远程）监控客户端与现场数字化加工设备之间的可靠通信； P2P基于实时发布者/订阅者（Publisher/Subscriber，P/S）机制； B/S通信模式主要满足非实时客户端的远程浏览和参数的远程设置。 * 15.2 面向数控系统实时应用的通信协议实现 15.2.1 基于时间和事件驱动的报文传输模型 网络节点可以采用两种驱动方式：时钟驱动（Time-triggered）和事件(或消息)驱动（Message-triggered）。 传感器一般采用时钟驱动，传感器时钟即为系统时钟，而控制器和执行器既可采用时钟驱动，也可采用事件驱动。 时间驱动与事件驱动网络各有优缺点，分别适用于不同的应用领域。 时间驱动网络访问方式是受控的、被动的，各节点只有在获得通信介质使用权之后才能访问网络。 事件驱动的通信具有异步性、随机性，其通信时间是不可预测的，但事件驱动允许对资源进行更灵活的分配，网络中的各节点可以在任意时刻访问网络。 * 时间-消息触发对象模型 为了使调度方法能同时支持同步与异步、实时与非实时消息的传输，采用时间-消息触发对象（Time-triggered Message- triggered Object