开放性拓扑结构总线的同步时序控制方法

摘要

本发明涉及工业控制现场总线技术领域，具体公开了一种开放性拓扑结构总线的同步时序控制方法。该方法具体包括：1）建立具有扩展总线结构的系统；2）形成时序控制管理方法的数据链路控制协议；3）建立时序控制管理多功能应用层实现方法，完成开放性拓扑结构总线扩展链路传输控制。本发明所述的一种开放性拓扑结构总线的同步时序控制方法与现有技术比较，具有明显优点：可以在有限的时序周期下，完成大量设备数据通信。采用时序控制管理方法可以满足整个系统在高效的管理方式下，实现大量现场设备高效的管理和数据无缝桥接，同时整个DCS总线的数据传输控制可以保持时间确定性特征。

说明书

技术领域

本发明属于工业控制现场总线技术领域，具体涉及一种开放性拓扑结构总 线的同步时序控制方法。

背景技术

在DCS系统中，最重要的是整个系统时序管理能力，即对系统中设备通信 访问周期的控制时间有严格限制。在这一特殊需求下，系统中所有设备必须在 受限制的周期内完成大量数据通信，当上百个现场设备接入系统时，如果每个 设备通信间隔以1ms为单位，则整个系统通信周期将会增加上百毫秒，这意味 着如果仍然使用原有控制系统，则在有限的通信时序周期内，无法完成所有设 备数据通信，这个缺陷直接导致DCS系统中携带设备数量受到了限制。

另外，在DCS系统中通信硬件上主要采用485高速总线技术完成总线数据 传输，并且总线负载率也有严格的指标。如果想保证在控制时序不增加的前提 下，接入大量现场设备实现现场设备扩容，可以考虑一次将数据全部通过总线 传输。但是由于485高速总线自身物理介质特点，会造成现场设备控制时间和 数量受到限制：1.字节数应该小于255字节；2.系统要求通信负载率<30%。

负载率=每次传输的字节数/传输速度规定的字节数量；

以通信速率达到5Mbps为例，系统要求通信负载率要小于30%根据公式分 析，就必须让每次传输的字节数量控制在200字节左右最合适。因此，数据传 输时要满足物理介质特点，则必须对每次传输的规模进行计算和判断，保证每 次数据传输符合系统要求。

最后，某些现场智能设备的数据信息数量在50字节，如果系统携带大量这 种现场设备，则要一次把所有数据传输给总线主站时，报文字节远远超过物理 介质的限定，不能正常通信，当全部扫描完成时整个系统的扫描周期也会增加。

目前在DCS控制领域，急需一种能够在有限的通信周期和通信间隔下，在 增加极少时序扫描周期的前提下，完成大量设备通信传输的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种开放性拓扑结构总线的同步时序控制方法，能 够在有限的通信周期和通信间隔下，在增加极少时序扫描周期的前提下，完成 大量设备通信的传输。

本发明的技术方案如下：一种开放性拓扑结构总线的同步时序控制方法， 该方法具体包括如下步骤：

步骤1、建立具有扩展总线结构的系统；

步骤2、形成时序控制管理方法的数据链路控制协议；

在总线系统主站与扩展母从站，扩展母从站与支线子站，采用同步时序链 路管理协议（FTCDL）完成对从站时间确定性数据传输控制；在时序管理配置 层（NTMS）实现时序链路管理协议的功能，其中，时序管理配置层（NTMS） 主要完成动态链路管理功能，动态链路管理通过读取所携带现场设备的逻辑地 址和物理地址建立链路链表；链路管理在运行和计算过程中通过物理地址作为 索引，根据系统的主从关系完成数据传输已经带电插拔现场设备的管理服务；

步骤3、建立时序控制管理多功能应用层实现方法，完成开放性拓扑结构总 线扩展链路传输控制。

所述的步骤1具体包括：

步骤1.1、用户终端通过具有屏蔽双绞线的高速485与系统控制器一级主站 连接，并具有双通道冗余功能，保证DCS数据正常通信受外界干扰最小，其典 型带宽为5Mbps；

步骤1.2、一级主站和二级主站之间通过具有双通道冗余功能的一级主干线 相连接，二级主站中的扩展母从站与支线I/O子站之间也通过具有双通道冗余功 能的支线相连接，且一级主站形成一级物理链路层，一般从站以及扩展母从站 一起构成二级物理链路层，各扩展支线中的支线I/O子站形成三级物理链路层；

步骤1.3、一级主站通过同步时序数据链路管理协议（FTCDL）实现对干线 上的所有一般从站和扩展母从站动态链路管理能力，完成时间确定性的传输控 制；

步骤1.4、在二级物理链路层中，若DCS系统容量足够满足现场设备接入 需求时，则使用干线的一般从站就可以完成现场智能单元的数据传输功能；若 当DCS系统的时序访问周期不能改变，但需要扩大系统容量时，则使用干线的 扩展母从站完成扩大现场智能设备数据传输，同时扩展母从站可以保证整个系 统运行的时序访问周期不会明显增加而影响整个DCS系统运行；

步骤1.5、二级主站中扩展母从站及其扩展的支线I/O子站接入总线系统， 扩展母从站通过同步时序数据链路管理协议（FTCDL）实现对支线上所有子站 的动态链路管理，完成时间确定性的传输控制

所述的步骤2具体包括：

步骤2.1、建立动态时序管理算法；

步骤2.2、建立动态打包算法；

在总线系统的主站和扩展母从站，采用二级扩展数据链路管理协议（SEDL） 完成数据传输控制和数据处理。在面向相同总线扩展数据传输控制层（AEDTC） 实现二级扩展数据链路管理协议（SEDL）的功能；其中，二级扩展数据链路管 理协议（SEDL）提供动态管理算法；

步骤2.3、建立数据链路管理协议动态分包的自检算法；

所述的步骤2.1具体包括：

步骤2.1.1、在主站中建立扩展母从站的链路，同时，在扩展母从站中建立 支线子站链路；

按照点对点访问的回复地址在主站中建立扩展母从站的链路，以及在扩展 母从站中建立支线子站链路；

步骤2.1.2、建立链路程序按通过点对点的方式顺序问询现场设备逻辑地址 等待回复，协议算法自动检查地址并决定该逻辑地址和物理地址如何关联；

步骤2.1.3、完成对子站信息排序，并实时的检查是否有插入和删除新的现 场设备。

所述的步骤2.2中动态管理算法具体包括：

步骤2.2.1、数据链路管理协议（SEDL）动态分包算法自减；

为符合高速485总线物理介质特点，每次传输量最大限定在245字节，每 次打包时头帧和尾帧共需要10字节，则还剩下245-10=235字节可用于打包；

步骤2.2.2、数据链路管理协议（SEDL）开始动态打包；

将报文分为主数据和热插拔处理附件数据；其中，主数据段包括起始码封 装，功能数据，现场数据三部分；附加数据段包括10字节附件命令码封装，9 字节现场设备信息，10字节删除信息，因此还剩下200字节留给数据智能分包；

步骤2.2.3、根据DCS系统构成，优化选择分包的现场设备类型和数量；

根据DCS系统构成将现场设备数量类型分为五种类型：输入/输出数字量， 输入/输出模拟量和脉冲量；每个类型在DCS系统传输数据时，都有固定的数据 率，且现场设备数据量分为功能数据、现场设备数据以及变化数据三段；动态 打包算法根据以上设备传输数据量，自动进行现场设备分类后，采用动态优化 分析，分析出每次打包的最坏情况，即每次分包的最大报文字节数，确定分包 大小，优化选择分包的现场设备类型和数量

步骤2.2.4、进行动态打包及发送；

通过链路链表挨个往下搜索链路，在每次对动态时序管理层（NTMS）链路 遍历时会判断该节点上是否存在设备信息，直到链路搜索到尾部为止；每次在 动态打包的结尾，先从实时库（ARTDB）读取数据在放入打包缓冲区，然后读 取下一个链路节点，计算下一个节点的字节数值，相加后判断新的设备信息加 入打包数据区后，字节数后是否大于165；带着这个判断进入下一个遍历过程， 判断是否打包字节数超过165；这样就保证了每一次打包的缓存数据区里一定是 小于165字节的设备信息；

动态打包算法会在发送数据前，保证每次分包增加现场设备信息是最新的， 同时确认本次发包使用的具体缓冲区名称，把需要打包的缓存区写入发送缓冲 区中，这样完成本次打包和发送。

所述的步骤2.2.3中现场设备数量不同类型的数据量具体为：输入数据量类 型中的功能数据为16字节，现场设备数据为2字节，变化数据为2字节；输出 数字量及输出模拟量的功能数据为2字节，现场设备数据为8字节，变化数据 为0字节；输入模拟量的功能数据为32字节，现场设备数据为16字节，变化 数据为0字节；脉冲量的功能数据为32字节，现场设备数据为8字节，变化数 据为0字节。

所述的步骤2.3具体为：

在每次打包前更新链路，在打包过程中不断的对下一个搜索节点判断，出 现空节点或者新插入节点时立即跳过该节点继续打包，完成正常的数据打包经 过测试。

所述的步骤3具体包括：

步骤3.1、主站通过干线发送数据到同总线扩展母从站的传输控制；

时序管理配置层（NTMS）根据同步时序链路管理协议（FTCDL）实现对 主从关系的各个设备完成动态链路管理，面向扩展数据传输控制层（AEDTC） 根据动态链路管理链表完成发送数据的优先级控制，实时库（ARTDB）负责存 储数据，在严格的时序动态管理协议下启动二级扩展数据链路管理协议 （SEDL），完成动态分包的数据封装处理后通过RS485驱动器做差分信号发送；

步骤3.2、扩展母从站回应主站的传输控制；

通过RS485驱动器接收主站轮询数据后，通过二级扩展数据链路管理协议 （SEDL）对数据协议解析，启动二级扩展应用层，启动实时库（ARTDB）将支 线子站数据读取，根据严格的动态打包算法二级扩展数据链路管理协议（SEDL） 将数据通过RS485驱动器回复给主站；

步骤3.3、扩展母从站通过支线发送数据到支线子站的传输控制；

时序管理配置层（NTMS）根据同步时序链路管理协议（FTCDL）实现对 主从关系的各个设备完成动态链路管理，将数据通过RS485驱动器做差分信号 发送给支线子站；

步骤3.4、扩展母从站通过支线接收数据的传输控制；

同总线扩展母从站在发送数据后在确定的时间内通过RS485驱动器接收数 据，启动时序管理配置层(NTMS)根据同步时序链路管理协议（FTCDL）启动解 析协议，在处理完成后启动实时库（ARTDB）存储支线子站信息；

步骤3.5、主站通过干线从扩展母从站接收数据的传输控制；

发送数据后在确定的时间内通过RS485驱动器接收数据，启动面向相同总 线扩展数据传输控制层（AEDTC），根据二级扩展数据链路管理协议（SEDL） 完成数据解析处理，在处理完成后启动实时库（ARTDB）存储支线子站信息， 如果有带电插拔设备现象，则启动同步时序链路管理协议（FTCDL）完成动态 链路控制修改，实现动态实时管理的功能。

本发明的显著效果在于：本发明所述的一种开放性拓扑结构总线的同步时 序控制方法与现有技术比较，具有明显优点：可以在有限的时序周期下，完成 大量设备数据通信。采用时序控制管理方法可以满足整个系统在高效的管理方 式下，实现大量现场设备高效的管理和数据无缝桥接，同时整个DCS总线的数 据传输控制可以保持时间确定性特征。

附图说明

图1为本发明所述的开放性拓扑结构的扩展总线原理示意图；

图2为本发明所述的开放性拓扑结构总线的同步时序控制方法中同步时序 数据链路管理协议建立链路示意图；

图3为本发明所述的开放性拓扑结构总线的同步时序控制方法中数据链路 管理协议动态分包流程图；

图4为本发明所述的开放性拓扑结构总线的同步时序控制方法中数据链路 管理协议动态分包算法流程图；

图5为本发明所述的开放性拓扑结构总线的同步时序控制方法中数据链路 管理协议动态分包的自检算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1～5所示，一种开放性拓扑结构总线的同步时序控制方法，该方法具 体包括如下步骤：

步骤1、建立具有扩展总线结构的系统；

步骤1.1、用户终端通过具有屏蔽双绞线的高速485与系统控制器一级主站 连接，并具有双通道冗余功能，保证DCS数据正常通信受外界干扰最小，其典 型带宽为5Mbps；

步骤1.2、一级主站和二级主站之间通过具有双通道冗余功能的一级主干线 相连接，二级主站中的扩展母从站与支线I/O子站之间也通过具有双通道冗余功 能的支线相连接，且一级主站形成一级物理链路层，一般从站以及扩展母从站 一起构成二级物理链路层，各扩展支线中的支线I/O子站形成三级物理链路层；

步骤1.3、一级主站通过同步时序数据链路管理协议（FTCDL）实现对干线 上的所有一般从站和扩展母从站动态链路管理能力，完成时间确定性的传输控 制；

步骤1.4、在二级物理链路层中，若DCS系统容量足够满足现场设备接入 需求时，则使用干线的一般从站就可以完成现场智能单元的数据传输功能；若 当DCS系统的时序访问周期不能改变，但需要扩大系统容量时，则使用干线的 扩展母从站完成扩大现场智能设备数据传输，同时扩展母从站可以保证整个系 统运行的时序访问周期不会明显增加而影响整个DCS系统运行；

步骤1.5、二级主站中扩展母从站及其扩展的支线I/O子站接入总线系统， 扩展母从站通过同步时序数据链路管理协议（FTCDL）实现对支线上所有子站 的动态链路管理，完成时间确定性的传输控制；

步骤2、形成时序控制管理方法的数据链路控制协议；

在总线系统主站与扩展母从站，扩展母从站与支线子站，采用同步时序链 路管理协议（FTCDL）完成对从站时间确定性数据传输控制；在时序管理配置 层（NTMS）实现时序链路管理协议的功能，其中，时序管理配置层（NTMS） 主要完成动态链路管理功能，动态链路管理通过读取所携带现场设备的逻辑地 址和物理地址建立链路链表。链路管理在运行和计算过程中通过物理地址作为 索引，根据系统的主从关系完成数据传输已经带电插拔现场设备的管理服务。 因为动态链路管理提供一种动态存储方式，所以时序管理配置层（NTMS）可以 灵活的分配数据，方便插入和删除数据。

步骤2.1、建立动态时序管理算法；

步骤2.1.1、在主站中建立扩展母从站的链路，同时，在扩展母从站中建立 支线子站链路；

按照点对点访问的回复地址在主站中建立扩展母从站的链路，以及在扩展 母从站中建立支线子站链路；

步骤2.1.2、建立链路程序按通过点对点的方式顺序问询现场设备逻辑地址 等待回复，协议算法自动检查地址并决定该逻辑地址和物理地址如何关联；

步骤2.1.3、完成对子站信息排序，并实时的检查是否有插入和删除新的现 场设备；

步骤2.2、建立动态打包算法；

在总线系统的主站和扩展母从站，采用二级扩展数据链路管理协议（SEDL） 完成数据传输控制和数据处理。在面向相同总线扩展数据传输控制层（AEDTC） 实现二级扩展数据链路管理协议（SEDL）的功能；其中，二级扩展数据链路管 理协议（SEDL）提供动态管理算法：

步骤2.2.1、数据链路管理协议（SEDL）动态分包算法自减；

为符合高速485总线物理介质特点，每次传输量最大限定在245字节，每 次打包时头帧和尾帧共需要10字节，则还剩下245-10=235字节可用于打包；

步骤2.2.2、数据链路管理协议（SEDL）开始动态打包；

将报文分为主数据和热插拔处理附件数据；其中，主数据段包括起始码封 装，功能数据，现场数据三部分；附加数据段包括10字节附件命令码封装，9 字节现场设备信息，10字节删除信息，因此还剩下200字节留给数据智能分包；

步骤2.2.3、根据DCS系统构成，优化选择分包的现场设备类型和数量；

根据DCS系统构成将现场设备数量类型分为五种类型：输入/输出数字量， 输入/输出模拟量和脉冲量；每个类型在DCS系统传输数据时，都有固定的数据 率，且现场设备数据量分为功能数据、现场设备数据以及变化数据三段，具体 为：输入数据量类型中的功能数据为16字节，现场设备数据为2字节，变化数 据为2字节；输出数字量及输出模拟量的功能数据为2字节，现场设备数据为8 字节，变化数据为0字节；输入模拟量的功能数据为32字节，现场设备数据为 16字节，变化数据为0字节；脉冲量的功能数据为32字节，现场设备数据为8 字节，变化数据为0字节；

动态打包算法根据以上设备传输数据量，自动进行现场设备分类后，采用 动态优化分析，分析出每次打包的最坏情况，即每次分包的最大报文字节数， 确定分包大小，优化选择分包的现场设备类型和数量；

步骤2.2.4、进行动态打包及发送；

通过链路链表挨个往下搜索链路，在每次对动态时序管理层（NTMS）链路 遍历时会判断该节点上是否存在设备信息，直到链路搜索到尾部为止；每次在 动态打包的结尾，先从实时库（ARTDB）读取数据在放入打包缓冲区，然后读 取下一个链路节点，计算下一个节点的字节数值，相加后判断新的设备信息加 入打包数据区后，字节数后是否大于165；带着这个判断进入下一个遍历过程， 判断是否打包字节数超过165；这样就保证了每一次打包的缓存数据区里一定是 小于165字节的设备信息；

动态打包算法会在发送数据前，保证每次分包增加现场设备信息是最新的， 同时确认本次发包使用的具体缓冲区名称，把需要打包的缓存区写入发送缓冲 区中，这样完成本次打包和发送；

步骤2.3、建立数据链路管理协议动态分包的自检算法

在每次打包前更新链路，在打包过程中不断的对下一个搜索节点判断，出 现空节点或者新插入节点时立即跳过该节点继续打包，完成正常的数据打包经 过测试；

步骤3、建立时序控制管理多功能应用层实现方法，完成开放性拓扑结构总 线扩展链路传输控制；

步骤3.1、主站通过干线发送数据到同总线扩展母从站的传输控制；

时序管理配置层（NTMS）根据同步时序链路管理协议（FTCDL）实现对 主从关系的各个设备完成动态链路管理，面向扩展数据传输控制层（AEDTC） 根据动态链路管理链表完成发送数据的优先级控制，实时库（ARTDB）负责存 储数据，在严格的时序动态管理协议下启动二级扩展数据链路管理协议 （SEDL），完成动态分包的数据封装处理后通过RS485驱动器做差分信号发送；

步骤3.2、扩展母从站回应主站的传输控制；

通过RS485驱动器接收主站轮询数据后，通过二级扩展数据链路管理协议 （SEDL）对数据协议解析，启动二级扩展应用层，启动实时库（ARTDB）将支 线子站数据读取，根据严格的动态打包算法二级扩展数据链路管理协议（SEDL） 将数据通过RS485驱动器回复给主站；

步骤3.3、扩展母从站通过支线发送数据到支线子站的传输控制；

时序管理配置层（NTMS）根据同步时序链路管理协议（FTCDL）实现对 主从关系的各个设备完成动态链路管理，将数据通过RS485驱动器做差分信号 发送给支线子站；

步骤3.4、扩展母从站通过支线接收数据的传输控制；

同总线扩展母从站在发送数据后在确定的时间内通过RS485驱动器接收数 据，启动时序管理配置层(NTMS)根据同步时序链路管理协议（FTCDL）启动解 析协议，在处理完成后启动实时库（ARTDB）存储支线子站信息；

步骤3.5、主站通过干线从扩展母从站接收数据的传输控制；

发送数据后在确定的时间内通过RS485驱动器接收数据，启动面向相同总 线扩展数据传输控制层（AEDTC），根据二级扩展数据链路管理协议（SEDL） 完成数据解析处理，在处理完成后启动实时库（ARTDB）存储支线子站信息， 如果有带电插拔设备现象，则启动同步时序链路管理协议（FTCDL）完成动态 链路控制修改，实现动态实时管理的功能。