《網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)（12頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、 一、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)簡介 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)NCS是指通過一個實時網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。這種定義體現(xiàn)了在網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng) 中，信息(參考輸入、對象輸出、控制輸入等)通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在各個組成部分(傳感器、控制器、執(zhí)行器等) 之間進行交換。其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示⑴： 控制器 控制器 圖1典型NCS結(jié)構(gòu)簡圖 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)(NCS)優(yōu)、缺點 2.1網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的有點 將通信網(wǎng)絡(luò)引入控制系統(tǒng)，連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè) 備控制的分布化和網(wǎng)絡(luò)化,同時也加強了現(xiàn)場控制和上層管理的聯(lián)系，這種網(wǎng)絡(luò) 化的控制模式的主要優(yōu)點是： ⑴信息資源能夠共享； (2) 可以實現(xiàn)遠(yuǎn)

2、程操作與控制； (3) 具有咼的診斷能力； (4) 連接線路大大減少、易于擴展、易于維護、高效率、高可靠性、靈活； ⑸廉價。 2.2網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的缺點 通信網(wǎng)絡(luò)引入控制系統(tǒng)會使系統(tǒng)的分析和綜合變得更為復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的復(fù)雜性由同性網(wǎng) 絡(luò)自身的特點決定。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中，由于網(wǎng)絡(luò)中斷信息源較多，信息的傳遞要分時占用網(wǎng)絡(luò) 通信線路，而網(wǎng)絡(luò)的承載能力和通信帶寬是有限的，必然造成信息的沖撞、重傳等現(xiàn)象的發(fā)生， 使得信息在傳播過程中不可避免的存在時延，時延受到所采用的通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的負(fù)載情況、 網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率和信息包的大小等諸多因素，而呈現(xiàn)出或固定或隨機，或有界或無界的特征，導(dǎo) 致控制

3、系統(tǒng)性能的下降甚至不穩(wěn)定，同時也會給控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計帶來較大的困難，綜上所 述，NCS存在以下不足： （一） 網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時滯問題 將通信網(wǎng)絡(luò)引入控制系統(tǒng)，連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備的分布化和網(wǎng)絡(luò) 化,同時也加強了現(xiàn)場控制和上層管理的聯(lián)系。但與此同時，由于網(wǎng)絡(luò)的加入使得信息在傳輸過 程中不可避免地存在著延遲。例如，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議下，數(shù)據(jù)包擁塞等待、網(wǎng)絡(luò)空閑檢測、長距離傳輸 等。時延是網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)研究的主要問題之一，數(shù)據(jù)在傳輸線路上必然存在著傳輸時延，數(shù)據(jù) 在接受處理是必然存在著處理時延，傳輸時延和處理時延共同構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)時延。網(wǎng)絡(luò)時延受到網(wǎng) 絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)所采用的通信協(xié)議、路

4、由算法、負(fù)載情況、傳輸速率等諸多因素的影響，呈現(xiàn) 出固定或隨機，有界或無界的特征。 （二） 數(shù)據(jù)包丟失 數(shù)據(jù)包丟失是網(wǎng)絡(luò)的引入所帶來的又一問題。由于通信信道的不確定性，數(shù)據(jù)包在傳輸過程中 可能出現(xiàn)錯誤甚至丟失，這樣，接收節(jié)點（控制器或執(zhí)行器）就會丟棄錯誤數(shù)據(jù)或使用之前接 收到的數(shù)據(jù)。如果某一時刻采樣獲得的數(shù)據(jù)包在其后采樣的數(shù)據(jù)之后到達(dá)接收器，這種數(shù)據(jù)包也 會被丟棄。另外，數(shù)據(jù)傳輸中大于某個特定長度的時滯也可以被視為數(shù)據(jù)丟失進行處理。從系統(tǒng) 信息的傳輸來看，數(shù)據(jù)包丟失的發(fā)生相當(dāng)于信息傳輸通道暫時被斷開，使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)發(fā) 生較大的變化。 （三） 多包傳輸問題 以數(shù)據(jù)包形式傳輸?shù)男畔⑹?/p>

5、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的特點。多包傳輸是進行網(wǎng)絡(luò)化 系統(tǒng)的分析和設(shè)計時經(jīng)常遇到的另一個重要問題。多包傳輸?shù)囊粋€主要原因是由于網(wǎng)絡(luò)帶寬的限 制，數(shù)據(jù)包容量有限以至于無法包含一個時刻的全部采樣數(shù)據(jù)，這必須通過多個數(shù)據(jù)包進行先后 傳輸。多包傳輸?shù)牧硪粋€原因是網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的傳感器和控制器一般會分布在一個較大的物理空間 中，這樣，就不可能把同一時間的所有數(shù)據(jù)利用同一個數(shù)據(jù)包進行傳輸。 （四） 通信約束問題 信號在數(shù)字系統(tǒng)中傳輸必然經(jīng)過量化過程，傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計方法是把量化帶來的影響建模成外部 白噪聲擾動（均勻分布），在忽略量化現(xiàn)象的條件下設(shè)計控制器，如果設(shè)計出來的控制器無法 滿足要求，調(diào)節(jié)諸如

6、采樣頻率等參數(shù)進行再設(shè)計。 三、介質(zhì)控制訪問方式對網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的影響 介質(zhì)訪問控制：又叫介質(zhì)存取控制，就是掛在通信子網(wǎng)上的站點向通信介質(zhì)存信息或者從 通信介質(zhì)上取得信息的控制規(guī)則。他是對傳輸介質(zhì)的使用進行管理，將傳輸介質(zhì)的頻帶有效的分 配給網(wǎng)絡(luò)上的各個站點的方法。介質(zhì)訪問控制是局域網(wǎng)中通信子網(wǎng)的核心內(nèi)容，各種局域網(wǎng)的心 跟那個在很大程度上取決于所采用的介質(zhì)訪問控制方式。 目前，較為流行的介質(zhì)控制訪問方式有帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問CSMA/CD、令牌總 線、CAN總線。 3.1 CSMA/CD 以太網(wǎng)采用載波監(jiān)聽多路訪問/碰撞檢測（Carrier Sense Multiple A

7、ccess with Collision Detection-CSMA/CD）的介質(zhì)訪問控制方式。其基本工作原理是:當(dāng)某節(jié)點要發(fā)送報文時，首先監(jiān) 聽網(wǎng)絡(luò)，如果網(wǎng)絡(luò)忙，則等到其空閑時為止，否則將立即發(fā)送；如果兩個或多個節(jié)點監(jiān)聽到網(wǎng)絡(luò) 空閑并同時發(fā)送報文時，它們發(fā)送的報文將在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)生沖突，因此每個節(jié)點在發(fā)送時，還必須 繼續(xù)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)檢測到兩個或多個報文發(fā)生碰撞時，節(jié)點立即停止發(fā)送，并等待一段隨機長度 的時間后重新發(fā)送（不堅持退避算法）。該隨機時間由標(biāo)準(zhǔn)二進制指數(shù)補償算法確定。十六次碰撞 后，節(jié)點將停止發(fā)送并向節(jié)點微處理器匯報發(fā)送失敗信息。 不堅持CSMA利用隨機的重發(fā)時間來減少沖撞的概率。

8、這種算法的缺點是即使有幾個節(jié)點 有數(shù)據(jù)要發(fā)送，介質(zhì)仍然可能處于空閑狀態(tài)，介質(zhì)的利用率較低。因此在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較高時，以太 網(wǎng)上存在的這種碰撞成了主要問題，碰撞使以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)吞吐量降低并且增加了網(wǎng)絡(luò)傳輸時延， 最終可能導(dǎo)致無界的網(wǎng)絡(luò)傳輸時延。由于一系列的碰撞后，報文可能丟失，節(jié)點之間的通信將無 法得到保障，從而使控制系統(tǒng)需要的通信確定性和實時性難以保證。 不堅持CSMA/CD是一種隨機性通信協(xié)議，通信延時是隨機的，并且可能無界。但是，在 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較低時，幾乎沒有網(wǎng)絡(luò)傳輸時延。 歸納其工作原理為：先聽后發(fā)，邊聽邊發(fā)，沖突停止，隨機時延后重發(fā)。其工作原理如圖所示。 生的 CSMA/CD的工作原理

9、圖 礁?配幀聊抹沁、 啟動發(fā)送幀 i逬IT 先聽后發(fā) IB""5 [? 中突停It * i 發(fā)送失敗 邊聽邊發(fā) 采用［進制指數(shù)退避 算法計算退.避時間 ■/\ \ 否 發(fā)送滬突加強苗號 隨機時延 后發(fā)送 ''T* |:|］后出炭送 圖2 CSMA/CD工作原理圖 3.2 CSMA/CD介質(zhì)控制訪問方式對網(wǎng)絡(luò)化控制的影響 （1） 各個節(jié)點并行連接到總線，某個節(jié)點的失效不影響整個網(wǎng)絡(luò)的運行； （2） 網(wǎng)絡(luò)接口比較簡單，實現(xiàn)節(jié)點的加入和撤出很容易，可擴展性和可靠性較好，維護方便， 結(jié)構(gòu)靈活，成本低； （3） 信道利用率（每

10、一幀占用信道的時間）高，特別在輕負(fù)載（40%以下）時； （4） 傳輸時間和節(jié)點總數(shù)無關(guān)； （5） 在輕負(fù)載時，網(wǎng)絡(luò)傳輸延時小，響應(yīng)速度快，有較高的信道吞吐量； （6） 隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的加重，沖突的概率增加，信息傳輸時間不確定，傳輸平均延時增加，響應(yīng) 時間變長，信道的利用率降低，特別是網(wǎng)絡(luò)負(fù)載達(dá)到60 %以上時，網(wǎng)絡(luò)性能急劇下降，所以只 有控制通信負(fù)載，限制節(jié)點數(shù)，才能改善實時性； （7） 從理論上，重負(fù)載下各節(jié)點獲得成功的概率也是一樣的，但實際上如果一個節(jié)點不能正確 處理沖突碰撞，它將有可能在一段不確定的時間范圍內(nèi)被禁止訪問網(wǎng)絡(luò)，會出現(xiàn)有些節(jié)點無法上 網(wǎng)的現(xiàn)象； (8) 它不宜于傳輸像

11、“過程數(shù)據(jù)”這樣的小數(shù)據(jù)包，因為如前所述，若幀的長度小于規(guī)定的最 小長度，則須添加不必要的無用信息，使之達(dá)到最小長度才能傳輸，這樣既浪費了信道，使有效 數(shù)據(jù)傳輸率降低，又增加了傳輸延時，降低了網(wǎng)絡(luò)的實時性； (9) 由于信號在傳輸中會引起衰減，當(dāng)兩個站相距較遠(yuǎn)時，它們發(fā)送到對方的信號與接收的信 號的疊加小于沖突閥值，無法檢測出沖突，所以通信電纜的長度有限制(最長為500m)； (10) 信息幀無優(yōu)先級別，不同的幀發(fā)送概率一樣，用于實時系統(tǒng)時，將受到各種各樣的約束； (11) 為了檢測沖突，對信號幅度有較高的要求。 3.3令牌總線 控制網(wǎng)采用令牌傳遞總線(Token-passing B

12、us)的介質(zhì)訪問控制方式。此方式采用 總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點按一定的順序形成一個邏輯環(huán)，每個節(jié)點在環(huán)中均有一個指定 的邏輯位置，每個節(jié)點都了解先行節(jié)點和后繼節(jié)點的地址，總線上各節(jié)點的物理位置與邏輯位置 無關(guān)。收到令牌的節(jié)點在一段規(guī)定的時間內(nèi)被授予對介質(zhì)的控制權(quán)，因而該節(jié)點可以發(fā)送一幀或 者多幀信息。當(dāng)該節(jié)點的傳輸已經(jīng)完成或者規(guī)定的時間己經(jīng)用完時，它將令牌傳遞給邏輯環(huán)中的 下一個節(jié)點。由于只有收到令牌的節(jié)點才能將信息幀發(fā)送到總線上，因此與CSMA/CD訪問方式 不同，令牌傳遞總線訪問方式不可能產(chǎn)生碰撞。假如取得令牌的節(jié)點有報文要發(fā)送，則發(fā)送報文； 隨后將令牌送至下一個節(jié)點;否則，若取得

13、令牌的節(jié)點沒有報文要發(fā)送，則立即將令牌送到下一 個節(jié)點。由于節(jié)點接收到令牌的過程是順序依次進行的，因此對所有節(jié)點都有公平的訪問權(quán)。最 壞的情況下，一個節(jié)點等待取得令牌和發(fā)送報文的時間等于全部節(jié)點令牌傳送時間和報文發(fā)送時 間的總和。 控制網(wǎng)采用隱性令牌傳遞機制，給每個節(jié)點分配一個唯一的MAC標(biāo)識符。在控制網(wǎng)中稱一 個周期的時間為網(wǎng)絡(luò)更新時間。它可以分為調(diào)度段(Scheduled)、非調(diào)度段(Unscheduled)和保護 段(Guardband)，分別傳送實時性信息、非實時性信息以及同步信號和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。令牌傳遞總線 訪問方式是一種確定性協(xié)議，可以估算出最大的通信延時，網(wǎng)上每一個節(jié)點都知道信息的

14、來去方 向，保證了較高的信息傳輸?shù)拇_定性，并且對網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的輕重不敏感。但是在負(fù)載較輕時，有很 多時間浪費在令牌的傳遞上。 3.4令牌總線對網(wǎng)絡(luò)化控制的影響 (1) 由于所有節(jié)點有序地對介質(zhì)進行訪問，所以這種訪問控制方式對所有節(jié)點是公平的，不存 在任何節(jié)點長時間不能上網(wǎng)的現(xiàn)象； (2) 理論上，它對幀的長短沒有限制，一些用于控制領(lǐng)域的令牌總線可以把幀的長度設(shè)置得很 短，以減少開銷，增加網(wǎng)絡(luò)容量； (3) 因為對每個節(jié)點發(fā)送幀的最大長度加以限制，所以節(jié)點等待訪問時間(即發(fā)送 延時)的“總 量”是確定的。當(dāng)所有節(jié)點都有報文要發(fā)送時，最壞的情況是等待取得令牌和發(fā)送報文的時間為 全部令牌傳送時間

15、和報文發(fā)送時間的總和。如果只有一個節(jié)點有報文發(fā)送，則最壞的情況是等待 時間為全部時間的總和，而平均時間是它們的一半。對于控制領(lǐng)域來說，等待時間是一個關(guān)鍵參 數(shù)，可以根據(jù)需要，確定網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)和最大的報文長度，從而保證在限定時間內(nèi)任一節(jié)點都 可以取得令牌； (4) 網(wǎng)絡(luò)效率對負(fù)載不敏感，特別是在重負(fù)載下，它的效率比較高，而且負(fù)載變化對網(wǎng)絡(luò)性能 影響較??； (5) 在網(wǎng)絡(luò)操作中，令牌總線能動態(tài)地從網(wǎng)絡(luò)中增加或者刪除節(jié)點。但在令牌環(huán)中，節(jié)點已在 物理上形成了一個環(huán)的形式，所以不能動態(tài)地增加或者刪除； (6) 輕負(fù)載的情況下，要發(fā)送的數(shù)據(jù)節(jié)點仍要等待令牌到來后才能傳送數(shù)據(jù)，所以它的時延比 較長

16、，網(wǎng)絡(luò)有效利用率低，平均響應(yīng)時間會比CSMA/CD長。無數(shù)據(jù)傳送的節(jié)點仍需要進行令牌 的處理和網(wǎng)絡(luò)維護，且確定接收令牌的下一節(jié)點比較復(fù)雜； (7) 網(wǎng)絡(luò)中可傳輸不同長度類型的幀，控制方式相對復(fù)雜，當(dāng)誤碼導(dǎo)致令牌丟失時，要快速自 愈比較困難； (8) 當(dāng)有節(jié)點進入或退出令牌總線時，整個總線必須重新配置以確定總線上節(jié)點的地址序列， 此過程所花的時間與總線上的節(jié)點成正比； (9) 對于令牌環(huán)網(wǎng)來說，由于節(jié)點是串接在環(huán)路上的，每一次數(shù)據(jù)傳送都要經(jīng)過所有節(jié)點，一 旦某個節(jié)點出現(xiàn)故障，就會影響所有節(jié)點的數(shù)據(jù)傳送，因而引起全網(wǎng)癱瘓，可靠性差。 由以上分析可以看出，令牌環(huán)適用于重負(fù)載、各節(jié)點信息比較均

17、衡的網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)化控制中, 主要用于高層，如管理級、優(yōu)化級等。 3.5CAN總線 CAN(Controller Area Network)即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)在己經(jīng)在過程工業(yè)、機械工 業(yè)、機器人等工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。CAN 總線采用載波監(jiān)聽多路訪問/避免碰撞(Carrier Sense Multiple Access/ Collision Avoidance-CSMA/CA的介質(zhì)訪問控制方式，又稱為非破壞仲裁的 CSMA/CD(CSMA/CD with Non-destructive Arbitration-CSMA/NDA)。實質(zhì)上 CAN 總線采用 CSMA/CD協(xié)議并引用非破壞性仲

18、裁機制解決媒體共享問題。CAN總線上的節(jié)點沒有地址，而 節(jié)點信息分成不同的優(yōu)先級，優(yōu)先級的編碼被放置在報文的標(biāo)志字段中。網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點均可在 任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從。要傳送信息的節(jié)點首先監(jiān)聽總線，如 果總線空閑，該節(jié)點就開始發(fā)送信息。如果同時有兩個或者多個節(jié)點發(fā)送信息，就會發(fā)生碰撞， CAN總線解決碰撞的方法不同于標(biāo)準(zhǔn)CSMA/CD協(xié)議。它是采用非破壞性優(yōu)先權(quán)逐位仲裁規(guī)則， 優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點可以不受影響地繼續(xù)傳輸信息。這樣 大大節(jié)省了總線沖突的仲裁時間，尤其是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重地情況下也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況。 CAN總線上的每個信息都

19、有唯一的標(biāo)識符，信息幀的發(fā)送是以發(fā)送標(biāo)識符的高位開始的，當(dāng)兩 個節(jié)點在同一時刻向總線上發(fā)送信息時，它們首先將信息幀從標(biāo)識符高位開始逐位向總線上發(fā) 送，然后監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，如果其中的一個節(jié)點監(jiān)聽到位數(shù)據(jù)和它發(fā)送出去的位數(shù)據(jù)不相同，它就不再 往網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送信息。另一個節(jié)點贏得仲裁，繼續(xù)發(fā)送信息。網(wǎng)絡(luò)上其它的節(jié)點是否接收此信息完 全取決于其對標(biāo)識符濾波的設(shè)置情況。 CAN總線是面向信息的協(xié)議，采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾概率低，具有錯誤檢測 和處理功能，保證了信息傳輸出錯率極低。網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點信息分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同 的實時要求，高優(yōu)先級的信息的最大通信延時是可以估算的。這些特點使其適合于工業(yè)

20、實時應(yīng)用 場合。 3.6CAN總線對網(wǎng)絡(luò)化控制的影響 CAN總線對網(wǎng)絡(luò)化控制的影響可分為兩點： (1) CAN總線是一個對短消息優(yōu)化的確定性協(xié)議。消息的優(yōu)先級在仲裁域中指定，較高優(yōu)先級 的消息在仲裁中獲得對介質(zhì)的訪問，因此能夠縮短對高優(yōu)先級消息發(fā)送的延遲。 (2) 和其他網(wǎng)絡(luò)相比，CAN總線的最大缺點是數(shù)據(jù)傳送率低，最大為5OOKbps。盡管它支持 大于8位的數(shù)據(jù)片段，CAN也不適用于大數(shù)據(jù)包消息的傳輸。 四、幾種介質(zhì)訪問控制方式的比較 介質(zhì)是指物理層中的傳輸媒體，介質(zhì)訪問方式是一種信道共享技術(shù)，關(guān)系到信道的利用率。現(xiàn)場 總線網(wǎng)絡(luò)屬于廣播式網(wǎng)絡(luò)，僅有一條通信通道，由網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點

21、共享。這就產(chǎn)生了所有節(jié)點 如何使用一個共享通道的問題。MAC(Medium Access Control)層就是用來解決共享信道使用權(quán) 的分配問題。通信中對于介質(zhì)的訪問可以是隨機的，也可以是受控的。到目前為止網(wǎng)絡(luò)上常用的 介質(zhì)訪問控制方法分為三大類：隨機競爭類，固定分配類和按需分配類［1-2］。 下面對工業(yè)現(xiàn)場常見的幾種總線協(xié)議的介質(zhì)訪問方式進行分析對比。 4.1隨機競爭類 4.1.1 CSMA/CD 普遍使用的隨機競爭 MAC 技術(shù)為 CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問)，

22、主要用于總線型和樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基帶傳輸系 統(tǒng)。它包括以下三個要點：載波偵聽一一一個節(jié)點只有在確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)空閑之后才能發(fā)送信息；多路 訪問一一具有兩種含義，既表示多個節(jié)點可以同時訪問媒體，也表示一個節(jié)點發(fā)送的信息幀可以 被多個節(jié)點所接收;沖突檢測一一如果多個節(jié)點同時檢測到網(wǎng)絡(luò)空閑并發(fā)送信息，就會產(chǎn)生沖突。 發(fā)送節(jié)點在發(fā)出信息幀的同時，還必須監(jiān)聽媒體，判斷是否發(fā)生沖突，如發(fā)生沖突，則節(jié)點停止 發(fā)送，并等待一個隨機的時間重新發(fā)送，等待時間的長短由節(jié)點的退避算法決定。根據(jù)退避算法 的不同可以分為非堅持CSMA, 1—堅持CSMA, p—堅持CSMA。延時結(jié)束后重復(fù)上述過程再試 圖發(fā)送。 CSMA/C

23、D技術(shù)的優(yōu)點是原理比較簡單，技術(shù)上較易實現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點處于同等地位，不 要求集中控制，且不需要預(yù)先分配節(jié)點位置，傳輸效率高，最適合用于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不多，每個節(jié)點 的數(shù)據(jù)量不大的情況。它的主要缺點是不能提供優(yōu)先級控制，各節(jié)點爭用總線，沖突的產(chǎn)生具有 很大的隨機性，最壞情況下的響應(yīng)延時不可確定，當(dāng)負(fù)載增大時，發(fā)送信息的等待時間較長，不 能滿足遠(yuǎn)程控制所需要的確定延時和絕對可靠性的要求。目前CSMA/CD廣泛應(yīng)用于由Ethernet 組建的局域網(wǎng)中，其國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3就是以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。 Lon Talk協(xié)議是為LON總線設(shè)計的專用協(xié)議，所用的就是改進的CSMA介質(zhì)訪問控制協(xié)議 ——帶預(yù)測的P

24、—堅持CSMA。它在保留CSMA協(xié)議的優(yōu)點的同時，注意克服它在控制網(wǎng)絡(luò)中 的不足。所有的節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡(luò)積壓參數(shù)等待隨機時間片來訪問介質(zhì)，這就有效地避免了網(wǎng)絡(luò)的頻 繁碰撞。 4.1.2 CSMA/CR CSMA/CR （Carrier Sense Multiple Access/ Collision Resolution 帶沖突決定的載波監(jiān)聽多路訪 問）方式主要用于總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基帶傳輸系統(tǒng)。它的基本思想是：根據(jù)需要預(yù)先設(shè)定節(jié) 點優(yōu)先級，每個節(jié)點邊發(fā)送邊監(jiān)聽，當(dāng)有多個節(jié)點同時發(fā)送報文時將產(chǎn)生沖突，這時總線進行位 仲裁（如同“與”的關(guān)系）。如某一節(jié)點發(fā)送了 0,而有其它的節(jié)點發(fā)送了 1,

25、則“與”的結(jié)果是 0,這時總線上為0。發(fā)送0的節(jié)點將總線上的值與它發(fā)送的值比較后得知兩者相等則繼續(xù)發(fā)送， 而發(fā)送1的節(jié)點將總線上的值與它發(fā)送的值比較后得知兩者不等，則說明它的優(yōu)先級低，將退出 發(fā)送。若某一時刻，有兩個不同的節(jié)點發(fā)送的值相等，則繼續(xù)進行比較，直到比較出不同的值時， 決定出優(yōu)先級，優(yōu)先級低的節(jié)點退出總線爭用，由發(fā)送節(jié)點轉(zhuǎn)為接收節(jié)點。 CSMA/CR的優(yōu)點是技術(shù)上比較容易實現(xiàn)，具有沖突檢測和優(yōu)先級決定的功能，保證了實時 性。缺點是每次傳輸?shù)膱笪臄?shù)量較小。但是作為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，其本身的數(shù)據(jù)量不是很大，因此 這不是問題。它與CSMA/CD相比較兩者在檢測到?jīng)_突后，對于沖突的處理方式不同

26、。CSMA/CD 檢測到了沖突，選擇退避算法，產(chǎn)生了一個隨機數(shù)，由這個隨機數(shù)決定再次發(fā)送數(shù)據(jù)的時間，這 就不能保證實時性。而CSMA/CR在檢測到了沖突后，直接按優(yōu)先級來決定由誰退出，誰繼續(xù)傳 輸，保證了實時性。 CAN總線協(xié)議就是采用CSMA/CR的介質(zhì)訪問方式，CAN總線的數(shù)據(jù)協(xié)議幀的標(biāo)志字段 Identifier Field表示幀的優(yōu)先權(quán)。對優(yōu)先權(quán)的分配機制有兩種：靜態(tài)優(yōu)先權(quán)分配機制和動態(tài)優(yōu)先 權(quán)分配機制。CAN總線在媒體訪問期間，優(yōu)先權(quán)編碼被放置在報文的標(biāo)志字段中。當(dāng)總線空閑 時，任何節(jié)點均可開始發(fā)送報文，若同時有兩個或更多的節(jié)點發(fā)送報文，則會產(chǎn)生沖突。解決的 辦法是采用非破壞性優(yōu)先

27、權(quán)逐位仲裁規(guī)則，利用沖突進行優(yōu)先權(quán)仲裁，沖突的過程是優(yōu)先權(quán)小的 報文逐位淘汰而優(yōu)先權(quán)大的報文非破壞性的逐位析出過程，沖突的結(jié)果是優(yōu)先權(quán)大的報文先占用 媒體得以發(fā)送。 4.2固定分配類 為了使網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點共享傳輸介質(zhì)，我們希望一個信道能夠同時傳輸多路信號。多路復(fù)用技術(shù)就 是把許多信號在單一的傳輸線路上用單一的傳輸設(shè)備進行傳輸?shù)募夹g(shù)。兩種最常用的多路復(fù)用技 術(shù)是頻分多路復(fù)用（Frequency Division Multiple Access, FDMA）和時分多路復(fù)用（Time Division Multiple Access, TDMA ）。 FDMA是物理信道能夠提供比單路原始信號更

28、多帶寬的情況下，把該物理信道的總帶寬分 割成若干個與傳輸單路信號帶寬相同的子信道，每個子信道傳輸一路信號。多路的原始信號在頻 分復(fù)用前，首先要通過頻率調(diào)制把各路信號頻譜搬移到物理信道的不同頻譜段上，這可以通過在 頻率調(diào)制時采用不同的載波來實現(xiàn)。 TDMA是將一條物理信道按時間分成若干時間片輪流地給多個節(jié)點使用，每一個節(jié)點都分 配一個特定的時間片，每個節(jié)點在這個特定的時間片內(nèi)具有總線使用權(quán)。它的優(yōu)點是不會發(fā)生碰 撞，每個節(jié)點有固定的發(fā)送順序。時延可以計算。 綜上所述，固定分配類的一個共同的優(yōu)點是采用了多路復(fù)用技術(shù)，因此不存在數(shù)據(jù)幀的沖突 問題，數(shù)據(jù)收發(fā)具有較高的實時性和確定性。 Contr

29、olNet的MAC方法為一種改進的TDMA方式——并存時間多路存取（CTDMA）方式。 在這種方式下，節(jié)點可按需占用帶寬，提高了系統(tǒng)帶寬總的利用率，增強了帶寬分配的靈活性。 與工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)中常用的源/目的通訊模式不同，ControlNet采用了一種新的通訊模式：生產(chǎn)者 /消費者模型。生產(chǎn)者即數(shù)據(jù)的發(fā)送者，消費者即數(shù)據(jù)的接收者。每一條數(shù)據(jù)按內(nèi)容來標(biāo)識，采 用廣播方式發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。數(shù)據(jù)的接收與否由接收節(jié)點通過對標(biāo)識符的篩選來確定。與源/目的 模型相比，當(dāng)同一條信息傳遞給N個節(jié)點時，只需要發(fā)送一次即可，因此提高了網(wǎng)絡(luò)的通訊效 率。 ControlNet的MAC幀格式如圖3所示。因每個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)

30、的長度不同，所以不能根據(jù)固 定的時間間隔來觸發(fā)下一個節(jié)點的發(fā)送，因此ControlNet采用了一種特殊的令牌傳遞機制 虛 擬令牌傳遞VTP（Virtual Token Passing）,來控制節(jié)點的發(fā)送次序。 MAC幀 前同步 起始界定符 源 MAC ID 鏈路數(shù)據(jù)包 CRC 結(jié)束界定符 （16位） （8位） （8位） （0?510字節(jié)）（16位） （8位） 圖3 MAC幀格式 ControlNet中的節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)的訪問是由時間來確定的。每個節(jié)點只能在每一個網(wǎng)絡(luò)更新時間 （NUT）中指定的時間片內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)。對節(jié)點的這種傳輸機會的控制由CTDMA算法來完成。 4.3按需分

31、配類 按需分配類MAC使節(jié)點在有數(shù)據(jù)發(fā)送需求時才占用傳輸介質(zhì)，同時采取一種稱為“令牌”的機制來徹底 避免沖突的發(fā)生。令牌傳遞技術(shù)主要有令牌環(huán)方法和令牌總線方法兩種。 4?3?1令牌環(huán) 令牌環(huán)方法是使一個令牌沿著環(huán)循環(huán)，當(dāng)各站都沒有幀發(fā)送時，令牌稱為空令牌。當(dāng)一個節(jié)點要發(fā)送幀 時，需等待空令牌到來，然后將它改為忙令牌，隨后把數(shù)據(jù)幀發(fā)送到環(huán)上。由于令牌是忙狀態(tài)，所以其它站不 能發(fā)送幀，必須等待。發(fā)送的幀在環(huán)上循環(huán)一周后再回到發(fā)送節(jié)點，經(jīng)校驗無誤后，該幀被從環(huán)上移去。同時 該節(jié)點將忙令牌改為空令牌，傳至后面的節(jié)點，使之獲得發(fā)送幀的許可權(quán)。接收幀的過程是當(dāng)幀通過節(jié)點時， 該節(jié)點將幀的目的地址和本

32、站點的地址相比較，如地址相符，則將幀放入接收緩沖器，再輸入站點，同時將幀 送回至環(huán)上。如地址不符合，則簡單地將數(shù)據(jù)幀重新送入環(huán)上。在輕負(fù)載時，由于等待令牌需要時間，因此效 率較低。在重負(fù)載時，由于各節(jié)點公平，因此效率較高。 PROFIBUS主站之間的通信就是采用令牌環(huán)機制。三種系列的PROFIBUS （DP、PA和FMS）使用同一種總線 存取協(xié)議，也就是說具有相同的現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層，該通信協(xié)議的MAC采用兩種存取方式，即主站之間的令 牌傳遞方式和主站與從站之間的主從方式，其中令牌傳遞控制如圖4所示。 Profibus總線MAC協(xié)議是混合介質(zhì)訪問方式，即通過采用輪詢列表來支持具有時間觸發(fā)的

33、通信活動。輪詢列 表中的周期性信息是在主節(jié)點擁有令牌時，發(fā)送完所有待發(fā)送的高優(yōu)先級信息后，且持牌時間大于零時，將被 處理。當(dāng)表中的周期性信息處理完后，若持牌時間大于零時，將處理低優(yōu)先級信息。 圖4 PROFIBUS總線存取方法 4.3.2令牌總線 令牌總線介質(zhì)訪問控制是在物理總線上建立一個邏輯環(huán)。從物理上看，這是一種總線結(jié)構(gòu)的 局域網(wǎng)。和總線網(wǎng)一樣，站點共享的傳輸介質(zhì)為總線。但是，從邏輯上看，這是一種環(huán)形結(jié)構(gòu)的 局域網(wǎng)。和令牌環(huán)一樣，站點只有取得令牌，才能發(fā)送幀，令牌在邏輯環(huán)中依次傳遞，這是現(xiàn)場 總線中很常見的介質(zhì)訪問控制方法。 令牌傳遞技術(shù)的優(yōu)點是不會發(fā)生碰撞，時延可以計算，

34、與TDMA相比，信道利用率高。 它的主要缺點是若令牌丟失，這個網(wǎng)絡(luò)將處于癱瘓狀態(tài)，所以網(wǎng)絡(luò)必須具有令牌恢復(fù)功能，增加 了額外的開銷。 FF和WorldFIP的鏈路調(diào)度就是采用了令牌傳遞技術(shù)。由于工業(yè)過程中信息通信的多樣性和 實時性，F(xiàn)F和WorldFIP均采用集中式介質(zhì)控制策略，并且按照生產(chǎn)者/仲裁者/消費者模型來管 理信息的實時通信。通常，生產(chǎn)者和消費者的關(guān)系通過組態(tài)來設(shè)定。在任何時候一個網(wǎng)段上只有 一個活動節(jié)點起到節(jié)點仲裁作用，即負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)上各個節(jié)點之間的信息通信。該節(jié)點在FF和 WorldFIP中分別被稱為鏈路活動調(diào)度器(Link Active Scheduler, LAS)和總線仲裁器

35、(Bus Arbitrator, BA)。它具有鏈路活動調(diào)度能力，能形成鏈路活動調(diào)度表。 FF總線通過LAS嚴(yán)格地按照預(yù)定義調(diào)度時間表執(zhí)行周期性信息的通信活動，以支持周期性 信息的實時性要求。WorldFIP總線上BA有一個進行周期性調(diào)度的變量掃描表，該表列出了在總 線上需要循環(huán)調(diào)度的標(biāo)識符，即進行周期變量傳送請求。 WorldFIP和FF均明確區(qū)分周期信息和非周期信息，并分別給出各自不同的控制策略。二者 都利用了調(diào)度表中周期信息調(diào)度剩余的空閑時間(即非周期調(diào)度時間)進行非周期信息的傳送， 但二者的方式有所不同。 FF采用輪詢的方法在非周期調(diào)度時間內(nèi)用PT(Pass Token)令牌按照活動列表內(nèi)容來管理 非周期信息。WorldFIP對非周期信息傳送的方式采用查詢模式。 通過上述分析可以看到按需分配類不同于隨機競爭類，按需分配使網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點依 據(jù)一定的次序都有發(fā)送數(shù)據(jù)的機會，當(dāng)一個節(jié)點獲得發(fā)送機會時，如有數(shù)據(jù)發(fā)送，則直接發(fā)送該 數(shù)據(jù)，而不用擔(dān)心網(wǎng)絡(luò)中是否有沖突存在，當(dāng)沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時，則直接將該發(fā)送數(shù)據(jù)的機會送給 下游的其它節(jié)點，避免了既使不發(fā)送數(shù)據(jù)也占用網(wǎng)絡(luò)資源的現(xiàn)象。