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(shí)時(shí)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(jìn)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(diǎn) 2.1網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的有點(diǎn) 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(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè) 備控制的分布化和網(wǎng)絡(luò)化,同時(shí)也加強(qiáng)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(diǎn)是： ⑴信息資源能夠共享； (2) 可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(kuò)展、易于維護(hù)、高效率、高可靠性、靈活； ⑸廉價(jià)。 2.2網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的缺點(diǎn) 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(diǎn)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(shí)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(shí)延，時(shí)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(jī)，或有界或無界的特征，導(dǎo) 致控制系統(tǒng)性能的下降甚至不穩(wěn)定，同時(shí)也會給控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備的分布化和網(wǎng)絡(luò) 化,同時(shí)也加強(qiáng)了現(xiàn)場控制和上層管理的聯(lián)系。但與此同時(shí)，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(shí)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(shí)延，數(shù)據(jù) 在接受處理是必然存在著處理時(shí)延，傳輸時(shí)延和處理時(shí)延共同構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(jī)，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(diǎn)（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(shí)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(shí)滯也可以被視為數(shù)據(jù)丟失進(jìn)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(shí)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蔷W(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。多包傳輸是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化 系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)刻的全部采樣數(shù)據(jù)，這必須通過多個數(shù)據(jù)包進(jìn)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(shí)間的所有數(shù)據(jù)利用同一個數(shù)據(jù)包進(jìn)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(jì)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(jì)控制器，如果設(shè)計(jì)出來的控制器無法 滿足要求，調(diào)節(jié)諸如采樣頻率等參數(shù)進(jìn)行再設(shè)計(jì)。 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(diǎn)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(jìn)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(diǎn)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 Access 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(diǎn)要發(fā)送報(bào)文時(shí)，首先監(jiān) 聽網(wǎng)絡(luò)，如果網(wǎng)絡(luò)忙，則等到其空閑時(shí)為止，否則將立即發(fā)送；如果兩個或多個節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到網(wǎng)絡(luò) 空閑并同時(shí)發(fā)送報(bào)文時(shí)，它們發(fā)送的報(bào)文將在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)生沖突，因此每個節(jié)點(diǎn)在發(fā)送時(shí)，還必須 繼續(xù)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)檢測到兩個或多個報(bào)文發(fā)生碰撞時(shí)，節(jié)點(diǎn)立即停止發(fā)送，并等待一段隨機(jī)長度 的時(shí)間后重新發(fā)送（不堅(jiān)持退避算法）。該隨機(jī)時(shí)間由標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制指數(shù)補(bǔ)償算法確定。十六次碰撞 后，節(jié)點(diǎn)將停止發(fā)送并向節(jié)點(diǎn)微處理器匯報(bào)發(fā)送失敗信息。 不堅(jiān)持CSMA利用隨機(jī)的重發(fā)時(shí)間來減少沖撞的概率。這種算法的缺點(diǎn)是即使有幾個節(jié)點(diǎn) 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(shí)，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(shí)延， 最終可能導(dǎo)致無界的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延。由于一系列的碰撞后，報(bào)文可能丟失，節(jié)點(diǎn)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(shí)時(shí)性難以保證。 不堅(jiān)持CSMA/CD是一種隨機(jī)性通信協(xié)議，通信延時(shí)是隨機(jī)的，并且可能無界。但是，在 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較低時(shí)，幾乎沒有網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)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(jī)時(shí)延后重發(fā)。其工作原理如圖所示。 生的 CSMA/CD的工作原理圖 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(jìn)制指數(shù)退避 算法計(jì)算退.避時(shí)間 ■/\ \ 否 發(fā)送滬突加強(qiáng)苗號 隨機(jī)時(shí)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(diǎn)并行連接到總線，某個節(jié)點(diǎn)的失效不影響整個網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行； （2） 網(wǎng)絡(luò)接口比較簡單，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的加入和撤出很容易，可擴(kuò)展性和可靠性較好，維護(hù)方便， 結(jié)構(gòu)靈活，成本低； （3） 信道利用率（每一幀占用信道的時(shí)間）高，特別在輕負(fù)載（40%以下）時(shí)； （4） 傳輸時(shí)間和節(jié)點(diǎn)總數(shù)無關(guān)； （5） 在輕負(fù)載時(shí)，網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)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(shí)間不確定，傳輸平均延時(shí)增加，響應(yīng) 時(shí)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(shí)，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(diǎn)數(shù)，才能改善實(shí)時(shí)性； （7） 從理論上，重負(fù)載下各節(jié)點(diǎn)獲得成功的概率也是一樣的，但實(shí)際上如果一個節(jié)點(diǎn)不能正確 處理沖突碰撞，它將有可能在一段不確定的時(shí)間范圍內(nèi)被禁止訪問網(wǎng)絡(luò)，會出現(xiàn)有些節(jié)點(diǎn)無法上 網(wǎng)的現(xiàn)象； (8) 它不宜于傳輸像“過程數(shù)據(jù)”這樣的小數(shù)據(jù)包，因?yàn)槿缜八觯魩拈L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(fèi)了信道，使有效 數(shù)據(jù)傳輸率降低，又增加了傳輸延時(shí)，降低了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)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(shí)，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(shí)時(shí)系統(tǒng)時(shí)，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 Bus)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(diǎn)按一定的順序形成一個邏輯環(huán)，每個節(jié)點(diǎn)在環(huán)中均有一個指定 的邏輯位置，每個節(jié)點(diǎn)都了解先行節(jié)點(diǎn)和后繼節(jié)點(diǎn)的地址，總線上各節(jié)點(diǎn)的物理位置與邏輯位置 無關(guān)。收到令牌的節(jié)點(diǎn)在一段規(guī)定的時(shí)間內(nèi)被授予對介質(zhì)的控制權(quán)，因而該節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送一幀或 者多幀信息。當(dāng)該節(jié)點(diǎn)的傳輸已經(jīng)完成或者規(guī)定的時(shí)間己經(jīng)用完時(shí)，它將令牌傳遞給邏輯環(huán)中的 下一個節(jié)點(diǎn)。由于只有收到令牌的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)有報(bào)文要發(fā)送，則發(fā)送報(bào)文； 隨后將令牌送至下一個節(jié)點(diǎn);否則，若取得令牌的節(jié)點(diǎn)沒有報(bào)文要發(fā)送，則立即將令牌送到下一 個節(jié)點(diǎn)。由于節(jié)點(diǎn)接收到令牌的過程是順序依次進(jìn)行的，因此對所有節(jié)點(diǎn)都有公平的訪問權(quán)。最 壞的情況下，一個節(jié)點(diǎn)等待取得令牌和發(fā)送報(bào)文的時(shí)間等于全部節(jié)點(diǎn)令牌傳送時(shí)間和報(bào)文發(fā)送時(shí) 間的總和。 控制網(wǎng)采用隱性令牌傳遞機(jī)制，給每個節(jié)點(diǎn)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(shí)間為網(wǎng)絡(luò)更新時(shí)間。它可以分為調(diào)度段(Scheduled)、非調(diào)度段(Unscheduled)和保護(hù) 段(Guardband)，分別傳送實(shí)時(shí)性信息、非實(shí)時(shí)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(shí)，網(wǎng)上每一個節(jié)點(diǎn)都知道信息的來去方 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(shí)，有很 多時(shí)間浪費(fèi)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(diǎn)有序地對介質(zhì)進(jìn)行訪問，所以這種訪問控制方式對所有節(jié)點(diǎn)是公平的，不存 在任何節(jié)點(diǎn)長時(shí)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?yàn)閷γ總€節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀的最大長度加以限制，所以節(jié)點(diǎn)等待訪問時(shí)間(即發(fā)送 延時(shí))的“總 量”是確定的。當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)都有報(bào)文要發(fā)送時(shí)，最壞的情況是等待取得令牌和發(fā)送報(bào)文的時(shí)間為 全部令牌傳送時(shí)間和報(bào)文發(fā)送時(shí)間的總和。如果只有一個節(jié)點(diǎn)有報(bào)文發(fā)送，則最壞的情況是等待 時(shí)間為全部時(shí)間的總和，而平均時(shí)間是它們的一半。對于控制領(lǐng)域來說，等待時(shí)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(diǎn)數(shù)和最大的報(bào)文長度，從而保證在限定時(shí)間內(nèi)任一節(jié)點(diǎn)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(diǎn)。但在令牌環(huán)中，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)仍要等待令牌到來后才能傳送數(shù)據(jù)，所以它的時(shí)延比 較長，網(wǎng)絡(luò)有效利用率低，平均響應(yīng)時(shí)間會比CSMA/CD長。無數(shù)據(jù)傳送的節(jié)點(diǎn)仍需要進(jìn)行令牌 的處理和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)，且確定接收令牌的下一節(jié)點(diǎn)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(shí)，要快速自 愈比較困難； (8) 當(dāng)有節(jié)點(diǎn)進(jìn)入或退出令牌總線時(shí)，整個總線必須重新配置以確定總線上節(jié)點(diǎn)的地址序列， 此過程所花的時(shí)間與總線上的節(jié)點(diǎn)成正比； (9) 對于令牌環(huán)網(wǎng)來說，由于節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，一 旦某個節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，就會影響所有節(jié)點(diǎn)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(diǎn)信息比較均衡的網(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(jī)械工 業(yè)、機(jī)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(shí)質(zhì)上 CAN 總線采用 CSMA/CD協(xié)議并引用非破壞性仲裁機(jī)制解決媒體共享問題。CAN總線上的節(jié)點(diǎn)沒有地址，而 節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級，優(yōu)先級的編碼被放置在報(bào)文的標(biāo)志字段中。網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)均可在 任意時(shí)刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從。要傳送信息的節(jié)點(diǎn)首先監(jiān)聽總線，如 果總線空閑，該節(jié)點(diǎn)就開始發(fā)送信息。如果同時(shí)有兩個或者多個節(jié)點(diǎn)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(diǎn)會主動地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)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(shí)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(diǎn)在同一時(shí)刻向總線上發(fā)送信息時(shí)，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(diǎn)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(diǎn)贏得仲裁，繼續(xù)發(fā)送信息。網(wǎng)絡(luò)上其它的節(jié)點(diǎn)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(shí)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(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同 的實(shí)時(shí)要求，高優(yōu)先級的信息的最大通信延時(shí)是可以估算的。這些特點(diǎn)使其適合于工業(yè)實(shí)時(shí)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(diǎn)： (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(diǎn)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(diǎn)共享。這就產(chǎn)生了所有節(jié)點(diǎn) 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(jī)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(jī)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(jìn)行分析對比。 4.1隨機(jī)競爭類 4.1.1 CSMA/CD 普遍使用的隨機(jī)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)，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(diǎn)：載波偵聽一一一個節(jié)點(diǎn)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(diǎn)可以同時(shí)訪問媒體，也表示一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息幀可以 被多個節(jié)點(diǎn)所接收;沖突檢測一一如果多個節(jié)點(diǎn)同時(shí)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(diǎn)在發(fā)出信息幀的同時(shí)，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(diǎn)停止 發(fā)送，并等待一個隨機(jī)的時(shí)間重新發(fā)送，等待時(shí)間的長短由節(jié)點(diǎn)的退避算法決定。根據(jù)退避算法 的不同可以分為非堅(jiān)持CSMA, 1—堅(jiān)持CSMA, p—堅(jiān)持CSMA。延時(shí)結(jié)束后重復(fù)上述過程再試 圖發(fā)送。 CSMA/CD技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是原理比較簡單，技術(shù)上較易實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)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(diǎn)位置，傳輸效率高，最適合用于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不多，每個節(jié)點(diǎn) 的數(shù)據(jù)量不大的情況。它的主要缺點(diǎn)是不能提供優(yōu)先級控制，各節(jié)點(diǎn)爭用總線，沖突的產(chǎn)生具有 很大的隨機(jī)性，最壞情況下的響應(yīng)延時(shí)不可確定，當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，發(fā)送信息的等待時(shí)間較長，不 能滿足遠(yuǎn)程控制所需要的確定延時(shí)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(jì)的專用協(xié)議，所用的就是改進(jìn)的CSMA介質(zhì)訪問控制協(xié)議 ——帶預(yù)測的P—堅(jiān)持CSMA。它在保留CSMA協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，注意克服它在控制網(wǎng)絡(luò)中 的不足。所有的節(jié)點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)積壓參數(shù)等待隨機(jī)時(shí)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(diǎn)優(yōu)先級，每個節(jié)點(diǎn)邊發(fā)送邊監(jiān)聽，當(dāng)有多個節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送報(bào)文時(shí)將產(chǎn)生沖突，這時(shí)總線進(jìn)行位 仲裁（如同“與”的關(guān)系）。如某一節(jié)點(diǎn)發(fā)送了 0,而有其它的節(jié)點(diǎn)發(fā)送了 1,則“與”的結(jié)果是 0,這時(shí)總線上為0。發(fā)送0的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(shí)刻，有兩個不同的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的值相等，則繼續(xù)進(jìn)行比較，直到比較出不同的值時(shí)， 決定出優(yōu)先級，優(yōu)先級低的節(jié)點(diǎn)退出總線爭用，由發(fā)送節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)為接收節(jié)點(diǎn)。 CSMA/CR的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)上比較容易實(shí)現(xiàn)，具有沖突檢測和優(yōu)先級決定的功能，保證了實(shí)時(shí) 性。缺點(diǎn)是每次傳輸?shù)膱?bào)文數(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。CSMA/CD 檢測到了沖突，選擇退避算法，產(chǎn)生了一個隨機(jī)數(shù)，由這個隨機(jī)數(shù)決定再次發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間，這 就不能保證實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(jī)制有兩種：靜態(tài)優(yōu)先權(quán)分配機(jī)制和動態(tài)優(yōu)先 權(quán)分配機(jī)制。CAN總線在媒體訪問期間，優(yōu)先權(quán)編碼被放置在報(bào)文的標(biāo)志字段中。當(dāng)總線空閑 時(shí)，任何節(jié)點(diǎn)均可開始發(fā)送報(bào)文，若同時(shí)有兩個或更多的節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文，則會產(chǎn)生沖突。解決的 辦法是采用非破壞性優(yōu)先權(quán)逐位仲裁規(guī)則，利用沖突進(jìn)行優(yōu)先權(quán)仲裁，沖突的過程是優(yōu)先權(quán)小的 報(bào)文逐位淘汰而優(yōu)先權(quán)大的報(bào)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(bào)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(diǎn)共享傳輸介質(zhì)，我們希望一個信道能夠同時(shí)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(jìn)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(shí)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(shí)采用不同的載波來實(shí)現(xiàn)。 TDMA是將一條物理信道按時(shí)間分成若干時(shí)間片輪流地給多個節(jié)點(diǎn)使用，每一個節(jié)點(diǎn)都分 配一個特定的時(shí)間片，每個節(jié)點(diǎn)在這個特定的時(shí)間片內(nèi)具有總線使用權(quán)。它的優(yōu)點(diǎn)是不會發(fā)生碰 撞，每個節(jié)點(diǎn)有固定的發(fā)送順序。時(shí)延可以計(jì)算。 綜上所述，固定分配類的一個共同的優(yōu)點(diǎn)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(shí)時(shí)性和確定性。 ControlNet的MAC方法為一種改進(jìn)的TDMA方式——并存時(shí)間多路存?。–TDMA）方式。 在這種方式下，節(jié)點(diǎn)可按需占用帶寬，提高了系統(tǒng)帶寬總的利用率，增強(qiáng)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(fèi)者模型。生產(chǎn)者即數(shù)據(jù)的發(fā)送者，消費(fèi)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(diǎn)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(diǎn)時(shí)，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(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的長度不同，所以不能根據(jù)固 定的時(shí)間間隔來觸發(fā)下一個節(jié)點(diǎn)的發(fā)送，因此ControlNet采用了一種特殊的令牌傳遞機(jī)制 虛 擬令牌傳遞VTP（Virtual Token Passing）,來控制節(jié)點(diǎn)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(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)的訪問是由時(shí)間來確定的。每個節(jié)點(diǎn)只能在每一個網(wǎng)絡(luò)更新時(shí)間 （NUT）中指定的時(shí)間片內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)。對節(jié)點(diǎn)的這種傳輸機(jī)會的控制由CTDMA算法來完成。 4.3按需分配類 按需分配類MAC使節(jié)點(diǎn)在有數(shù)據(jù)發(fā)送需求時(shí)才占用傳輸介質(zhì)，同時(shí)采取一種稱為“令牌”的機(jī)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(shí)，令牌稱為空令牌。當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)要發(fā)送幀 時(shí)，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(diǎn)，經(jīng)校驗(yàn)無誤后，該幀被從環(huán)上移去。同時(shí) 該節(jié)點(diǎn)將忙令牌改為空令牌，傳至后面的節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)時(shí)， 該節(jié)點(diǎn)將幀的目的地址和本站點(diǎn)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(diǎn)，同時(shí)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(shí)，由于等待令牌需要時(shí)間，因此效 率較低。在重負(fù)載時(shí)，由于各節(jié)點(diǎn)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(jī)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(shí)間觸發(fā)的通信活動。輪詢列 表中的周期性信息是在主節(jié)點(diǎn)擁有令牌時(shí)，發(fā)送完所有待發(fā)送的高優(yōu)先級信息后，且持牌時(shí)間大于零時(shí)，將被 處理。當(dāng)表中的周期性信息處理完后，若持牌時(shí)間大于零時(shí)，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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)是不會發(fā)生碰撞，時(shí)延可以計(jì)算，與TDMA相比，信道利用率高。 它的主要缺點(diǎn)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(shí)時(shí)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(fèi)者模型來管 理信息的實(shí)時(shí)通信。通常，生產(chǎn)者和消費(fèi)者的關(guān)系通過組態(tài)來設(shè)定。在任何時(shí)候一個網(wǎng)段上只有 一個活動節(jié)點(diǎn)起到節(jié)點(diǎn)仲裁作用，即負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)上各個節(jié)點(diǎn)之間的信息通信。該節(jié)點(diǎn)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(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(shí)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(shí)時(shí)性要求。WorldFIP總線上BA有一個進(jìn)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(jìn)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(shí)間(即非周期調(diào)度時(shí)間)進(jìn)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(shí)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(jī)競爭類，按需分配使網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)依 據(jù)一定的次序都有發(fā)送數(shù)據(jù)的機(jī)會，當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)獲得發(fā)送機(jī)會時(shí)，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(shí)，則直接將該發(fā)送數(shù)據(jù)的機(jī)會送給 下游的其它節(jié)點(diǎn)，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。