專利名稱：基于標準以太網(wǎng)的實時同步網(wǎng)絡的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用于工業(yè)現(xiàn)場級通信的實時同步通信網(wǎng)絡，尤其涉及一種基于標準 以太網(wǎng)的實時同步網(wǎng)絡，用于解決現(xiàn)場級通信系統(tǒng)中通信問題，即如何解決以太網(wǎng)用于現(xiàn)場 級通信系統(tǒng)時，實現(xiàn)通信的實時性和以及系統(tǒng)的精確同步性。
背景技術：
目前在工廠自動化和過程自動化領域中，現(xiàn)場總線是現(xiàn)場級通信系統(tǒng)中的主流解決方案。 不過，隨著技術的不斷進步和發(fā)展，傳統(tǒng)現(xiàn)場總線越來越多地表現(xiàn)出了其本身的局限性。一 方面，隨著現(xiàn)場設備智能程度的不斷提高，控制變得越來越分散，分布在工廠各處的智能設 備之間以及智能設備和工廠控制層之間需要連續(xù)地交換控制數(shù)據(jù)，這使得現(xiàn)場設備之間數(shù)據(jù) 的交換量飛速增長；另一方面，隨著計算機技術的發(fā)展，企業(yè)希望能夠?qū)⒌讓拥纳a(chǎn)信息整 合到統(tǒng)一的全廠信息管理系統(tǒng)中，于是企業(yè)的信息管理系統(tǒng)需要讀取現(xiàn)場的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并通 過工業(yè)通信網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程服務和維護，因此，縱向一致性也成為熱門的話題，用戶希望管理 層和現(xiàn)場級能夠使用統(tǒng)一的、與辦公自動化技術兼容的通信方案，這樣可以大大簡化工廠控 制系統(tǒng)的結構，節(jié)約系統(tǒng)實施和維護的成本。
基于這樣的需求，以太網(wǎng)技術開始逐漸從工廠和企業(yè)的信息管理層向底層滲透，以太網(wǎng) 技術開始廣泛地應用于工廠的控制級通信。在自動化世界中使用以太網(wǎng)解決方案W兒力I(U顯 著的優(yōu)勢統(tǒng)一的架構、集成的通信以及強大的服務和診斷功能。從目前工業(yè)H動化控制領 域的情況來看，以太網(wǎng)技術取代現(xiàn)場總線是工業(yè)控制網(wǎng)絡發(fā)展的必然趨勢。
不過，將以太網(wǎng)技術應用于工廠的生產(chǎn)控制過程中并不是一個簡單的移植過l .。在將以 太網(wǎng)技術引入到控制級通信的過程中，為了滿足工業(yè)控制系統(tǒng)的特殊需求，如現(xiàn)場壞境、拓 撲結構、可靠性等要求，必須對普通的辦公室以太網(wǎng)做出調(diào)整和補充，以保證以太網(wǎng)技術在 工業(yè)現(xiàn)場應用的可靠性，即我們常說的工業(yè)以太網(wǎng)。目前，在控制級通信網(wǎng)絡領域中，工業(yè) 以太網(wǎng)解決方案已經(jīng)得到了廣泛的認可和接受，企業(yè)和工廠也充分享受到了高性能通信網(wǎng)絡 帶來的便利和收益。盡管如此，工業(yè)以太網(wǎng)技術在向最底層的現(xiàn)場級控制系統(tǒng)滲透時遇到了 難以克服的障礙——通信的實時性和確定性。由于以太網(wǎng)采用CSMA/CD碰撞檢測方式，艮P:
當一個網(wǎng)絡上的某一個節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，它首先監(jiān)聽信道，若信道忙就持續(xù)等待，直到 它一旦監(jiān)聽到信道空閑時，就將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。如果兩個或多個節(jié)點都在監(jiān)聽和等待發(fā)送數(shù) 據(jù)，當監(jiān)聽到信道空閑時，各節(jié)點就立即(幾乎同時)開始發(fā)送數(shù)據(jù)，這是就發(fā)生沖突。如 果一個節(jié)點在傳輸期間檢測到?jīng)_突，就立即停止傳輸，并向信道發(fā)出一個"擁擠"信號，以 確保網(wǎng)絡上的所有其他節(jié)點也發(fā)現(xiàn)沖突。在基于以太網(wǎng)的通信中，為避免沖突，各節(jié)點采用
二進制指數(shù)退避(BEB, Binary Exponential Back—Off)算法處理沖突，但該方法具有沖突 時延不確定性的缺陷。當網(wǎng)絡負荷較大時，網(wǎng)絡傳輸?shù)牟淮_定性不能滿足工業(yè)控制的實時性 要求，因此傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術難以滿足控制系統(tǒng)要求準確定時通信的實時性要求， 一直被視為 非確定性網(wǎng)絡。
工業(yè)控制網(wǎng)絡是一種典型的實時應用系統(tǒng)，其中的任務(如功能塊的執(zhí)行)通常按照一 定的時間間隔出發(fā)，并且對任務的執(zhí)行時間具有截止性要求，這種任務稱為周期性任務。實 時應用系統(tǒng)中還有一種任務，這種任務只有在特定的事件觸發(fā)下才出現(xiàn)，例如設備配置、故 障診斷、程序的上載/下載、運行記錄、報警處理等，這種任務稱為非周期性任務，非周期性
任務是隨機觸發(fā)的。這兩種任務反映在工業(yè)控制網(wǎng)絡的通信中，就是兩類通信信息周期性
通信信息和非周期性通信信息。周期性通信信息是實時信息，非周期信息是非實時信息，周 期性通信信息和非周期性通信信息具有不同的時間特性。 一旦系統(tǒng)組態(tài)完成，周期性通信信 息的發(fā)送就具有時間確定性。而非周期性通信信息往往是突發(fā)信息，在時間上是不確定的。
為了提高以太網(wǎng)的實時性和確定性，人們作了不少研究，提出各種方法來改進CSMA/CD， 按照對CSMA/CD的改進方法劃分，主要有改進以太網(wǎng)MAC協(xié)議、在以太網(wǎng)上層增加傳輸控 制機制等。CSMA/DCR (Deterministic Collision Resolution)是最具有代表性的一種MAC 協(xié)議改進方法。當沖突發(fā)生時，采用確定性的二叉樹尋址方法，CSMA/DCR依照節(jié)點地址采取 先序遍歷的方式解決沖突。當沖突發(fā)生時，低優(yōu)先級的節(jié)點停止對信道的競爭，而高優(yōu)先級 的節(jié)點繼續(xù)競爭信道，直到成功傳輸。這種修改以太網(wǎng)MAC協(xié)議的方式雖然可以極大的改善 以太網(wǎng)通信確定性的問題，卻是以更改以太網(wǎng)固件(以太網(wǎng)控制器硬件和軟件)為代價的， 很難與標準的商用以太網(wǎng)兼容，并且增加了開發(fā)成本。
在以太網(wǎng)上層增加傳輸控制機制中最典型的一種方法是時分多路獲取(TDMA)策略，TDMA 為每個節(jié)點分配一定的帶寬，每個節(jié)點在固定的時間片內(nèi)發(fā)送信息，以保證每個節(jié)點的信息 具有確定的發(fā)送時間。由于TDMA不需要傳輸額外的控制信息，使得網(wǎng)絡帶寬得使用率比較高。 但TDMA是基于節(jié)點的方法，不能反映每個節(jié)點的實際帶寬要求，無法保證非周期信息及時發(fā) 送。另外一種在以太網(wǎng)上層增加傳輸控制的方法是主從式傳輸控制方式，這是一種集中式的 傳輸控制方式，網(wǎng)絡中至少有一個主設備和多個從設備，從設備只有在收到來自主設備的控 制報文之后，才可以發(fā)送數(shù)據(jù)。這種主從式傳輸控制方式的優(yōu)點是可以保證每個從設備都有 發(fā)送數(shù)據(jù)的機會，但缺點是無法處理工業(yè)控制網(wǎng)絡中的突發(fā)性通信，例如工業(yè)控制網(wǎng)絡中的 報警信息。
因此，盡管上述方法都在一定程度上提高了以太網(wǎng)傳輸?shù)膶崟r性和確定性，卻是以改變 以太網(wǎng)結構為代價(如CSMA/DCR)，或者在較低的網(wǎng)絡層次(如MAC層的上層)實現(xiàn)，這些 方法的最大不足是實現(xiàn)難度大，往往涉及到硬件，無法與傳統(tǒng)標準的以太網(wǎng)相互兼容，并且 無法滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡中對兩類信息一周期信息(即實時信息)和非周期信息(通常為非實 時信息)進行同時處理的特殊要求。
快速以太網(wǎng)與交換式以太網(wǎng)技術的發(fā)展，給解決以太網(wǎng)的非確定性問題帶來了一種解決 方案，使這一應用成為可能。首先，Ethernet的通信速率從IOM、 100M增大到如今的1000M、 IOG，在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡負荷的減輕和網(wǎng)絡傳輸延遲的 減小，即碰撞幾率大大下降。其次采用星形網(wǎng)絡拓撲結構，交換機將網(wǎng)絡劃分為若干個網(wǎng)段。 Ethernet交換機由于具有數(shù)據(jù)存儲、轉(zhuǎn)發(fā)功能，使各端口之間輸入和輸出的數(shù)據(jù)幀能夠得到 緩沖，不再發(fā)生碰撞同時交換機還可對網(wǎng)絡上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行過濾，使每個網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點間數(shù) 據(jù)的傳輸只限在本地網(wǎng)段內(nèi)進行，而不再需要經(jīng)過主干網(wǎng)，也不再占用其他網(wǎng)段內(nèi)的帶寬， 從而降低了所有網(wǎng)段和主干網(wǎng)的網(wǎng)絡負荷。再次，全雙工通信又使得端口間兩對雙絞線(或 兩對光纖)上分別同時接收和發(fā)送報文幀，也不會發(fā)生沖突。因此，采用交換式集線器和全 雙工通信，可使網(wǎng)絡上的沖突域不復存在(全雙工通信)，或碰撞幾率大大降低(半雙工)， 因而使Ethernet通信確定性和實時性大大提高。但是采用全雙工交換式以太網(wǎng)，改變了 CSMA/CD機制，網(wǎng)絡的通信速度和效率將取決于交換機。為了減少交換機對整個網(wǎng)絡速度和 效率的影響，組網(wǎng)時要盡量避免跨多個交換機通信，將經(jīng)常交換數(shù)據(jù)的設備放在一個網(wǎng)段內(nèi)， 這將給組網(wǎng)增加難度，也不利于以后系統(tǒng)的擴展。
有的系統(tǒng)對通信節(jié)點的同步性也有嚴格的要求，比如在運動控制中，各軸的同步性也是 一個非常重要的因素。現(xiàn)有的解決方案為網(wǎng)絡上的所有站點必須通過精確的時鐘同步以實現(xiàn) 同步實時以太網(wǎng)。例如Internet網(wǎng)絡時間協(xié)議NTP (Network Time Protocal)、簡單時間 網(wǎng)絡協(xié)議SNTP (Simple Network Time Protocal) 、 IEEE1588標準精確時間協(xié)議協(xié)議PTP (Precision Time Protocal),周期性的通過發(fā)送帶有時間戳協(xié)議的同步數(shù)據(jù)包實現(xiàn)通信循 環(huán)的同步。在要求同步精度為微秒級的場合，想要獲得如此高的同步定時，單純靠軟件是無 法實現(xiàn)的，必須依靠網(wǎng)絡第二層(數(shù)據(jù)鏈路層)中硬件的支持，即等時實時ASIC芯片。
現(xiàn)在很多使用以太網(wǎng)作現(xiàn)場級通信的廠商，上位機都是自己開發(fā)的專用控制網(wǎng)卡，以實
現(xiàn)以太網(wǎng)的實時通信。很難與標準以太網(wǎng)兼容，也很難與別的廠商開發(fā)的設備互換，形成各 自獨立的一套通信系統(tǒng)。
現(xiàn)在國際上主要有幾個比較流行的工業(yè)以太網(wǎng)絡，分別是PROFINET、 Ethernet/IP、 PowerLink、 SYNQNET、 SERC0S III等。
PROFINET:是一種典型的交換式以太網(wǎng)絡，交換機采用的是一種基于地址的信息轉(zhuǎn)發(fā)機 制，網(wǎng)絡的通信速度和效率將取決于交換機。為了減少交換機對整個網(wǎng)絡速度和效率的影響， 組網(wǎng)時要盡量避免跨多個交換機通信，將經(jīng)常交換數(shù)據(jù)的設備放在一個網(wǎng)段內(nèi)，這將給組網(wǎng) 增加難度，也不利于以后系統(tǒng)的擴展。同時系統(tǒng)也無法枚舉和配置各設備。PROFINET通過精 確的時鐘同步以實現(xiàn)同步實時以太網(wǎng)，通過規(guī)律的同步數(shù)據(jù)實現(xiàn)通信循環(huán)的同步，其精度可 以達到微秒級，這么高的同步水平單純靠軟件是無法實現(xiàn)的，想要獲得這么高精度的同步實 時，必須依靠網(wǎng)絡第二層中硬件的支持，即西門子IRT等時實時ASIC芯片，增加了系統(tǒng)成本。
Ethernet/IP: Ethernet/IP的協(xié)議由IEEE 802. 3物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標準、TCP/IP協(xié) 議組和控制與信息協(xié)議CIP(Control Information Protocol)等3個部分組成，前面兩部分 為標準的以太網(wǎng)技術，其特色就是被稱作控制和信息協(xié)議的CIP部分。Ethernet/IP網(wǎng)絡采用 商業(yè)以太網(wǎng)通信芯片、物理介質(zhì)和星形拓撲結構，也是采用以太網(wǎng)交換機實現(xiàn)各設備間的點 對點連接，系統(tǒng)也無法枚舉和配置各設備。最新版本的Ethernet/IP技術規(guī)范中包含了 CIP Sync， CIP Sync時間同步方案基于IEEE1588標準，通過主處理器(或從站)周期性的發(fā)送 一個實時的時鐘同步報文信號，以便其它的從處理器(或從站)能夠準確地同步。這種方式將 增加網(wǎng)絡的負擔，同樣需要硬件的支持，即等時實時ASIC芯片。這種方式，所有站點都必須 自帶時鐘，成本較高，用這樣的通信機制對系統(tǒng)的編程帶來很大的影響，因為控制任務必須 通過時間觸發(fā)的方式來啟動，這提高了編程的難度，而且不符合工控工程人員的編程習慣。
PowerLink:通過使用Hub來實現(xiàn)任意的網(wǎng)絡拓撲結構，通過Hub來組網(wǎng)，使得系統(tǒng)很難 枚舉和配置各設備。為了避免沖突，PowerLink盡量利用帶寬，在時間上重新組織了網(wǎng)絡中 站點信息交互機制，在CSMA/CD基礎上引入時間槽管理機制，網(wǎng)絡上一個站點充當管理站管 理網(wǎng)絡通信，對其他站點給定同步節(jié)拍，分配給各站發(fā)布權限，各站只能在得到發(fā)布權限之 后才可以發(fā)布信息。這種時間槽管理機制，雖然避免了網(wǎng)絡上通信沖突，但也使各設備得非 周期實時數(shù)據(jù)(如報警等)無法及時通知到系統(tǒng)。
SYNQNET:是一種環(huán)形網(wǎng)絡結構，具有容錯功能，主設備通過自己開發(fā)的一種專用控制網(wǎng) 卡來實現(xiàn)實時同步網(wǎng)絡，并修改了數(shù)據(jù)鏈路層MAC協(xié)議，實現(xiàn)了一種高性能的同步運動網(wǎng)絡， 由于是自己專用的控制網(wǎng)卡和修改了數(shù)據(jù)鏈路層MAC協(xié)議，使其很難與別的廠商和標準的以 太網(wǎng)兼容。
SERCOS III:是一種環(huán)形或線型拓撲結構，主設備通過自己開發(fā)的專用控制網(wǎng)卡來實現(xiàn)實 時同步網(wǎng)絡，通信協(xié)議分為實時通信通道和非實時通信通道。實時通信通道傳送用于顯示和 輸入所有的控制內(nèi)部參數(shù)、數(shù)據(jù)和診斷信息等實時數(shù)據(jù)。非實時通道使用標準的以太網(wǎng)幀來 傳送非實時數(shù)據(jù)。但并未提出系統(tǒng)中枚舉和配置各設備的方法。 發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的就是為了解決目前將以太網(wǎng)用于現(xiàn)場級通信系統(tǒng)時，現(xiàn)有網(wǎng)絡設備通 信的實時性以及系統(tǒng)的精確同步性難以保障，而添加專用設備，又造成使用成本增高等問題， 提供一種具有結構簡單，成本較低，采用現(xiàn)有普通的通用網(wǎng)卡即可實現(xiàn)實時同步的基于標準 以太網(wǎng)的實時同步網(wǎng)絡及其工作方法。
為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用了如下技術方案
一種基于標準以太網(wǎng)的實時同步網(wǎng)絡，在分布式控制系統(tǒng)中，包括至少一個主設備和至 少一個從設備，在從設備中任選一個為同步信號源，各設備通過傳輸協(xié)議傳送數(shù)據(jù)，主設備 上有至少一個數(shù)據(jù)線接口，每個從設備有至少兩個數(shù)據(jù)線接口，連接時彼此串行連接，即主
設備的數(shù)據(jù)線接口通過數(shù)據(jù)線連接到從設備的一個數(shù)據(jù)線接口上，從設備的另一個數(shù)據(jù)接口 通過數(shù)據(jù)線連接到下一個從設備的一個數(shù)據(jù)接口上，依次連接構成串行網(wǎng)絡，進行實時同步
的全雙工通信。
所述各^設備有兩個數(shù)據(jù)線接口，各從設備有兩個數(shù)據(jù)線接口，在從設備中任選一個為 同步信號源，各設備通過傳輸協(xié)議傳送數(shù)據(jù)，主設備的一個數(shù)據(jù)線接口通過數(shù)據(jù)線連接到從 設備的一個數(shù)據(jù)線接口上，從設備的另一個數(shù)據(jù)線接口通過數(shù)據(jù)線連接到下一個從設備的一 個數(shù)據(jù)接口上，這樣級聯(lián)下去， 一直連到最后一個從設備的數(shù)據(jù)線接口上，最后一個從設備 的另一個數(shù)據(jù)線接口通過數(shù)據(jù)線連接到主設備的另一個數(shù)據(jù)線接口上，構成環(huán)形網(wǎng)絡，進行 實時同步的全雙工通信。
所述同步信號源是在從設備中任選一個，并在其上安裝同步信號線與其余的從設備連接， 同步信號源負責嚴格的定時和同步信號的發(fā)送，周期性的發(fā)送同步信號，其他從設備負責接 政同步信號，各從設備中設有一個信號延遲參數(shù)寄存器，用于設定同步信號在傳輸線上的時 間延遲，這個信號延遲參數(shù)可以通過主設備發(fā)送配置報文的形式來設定。
所述同步信號源設定時，還可根據(jù)主設備發(fā)送命令報文的形式利用軟件任意指定一個從 設備為同步信號源，或者通過在任意一個從設備上設定撥碼開關裝置的方式確定一個從設備 為同步信號源，然后用同步信號線將同步信號源與其余從設備連接。
所述數(shù)據(jù)線既包括數(shù)據(jù)發(fā)送線，也包括數(shù)據(jù)接收線，相鄰的兩個設備之間通信時沒有沖 突，實現(xiàn)全雙工通信，數(shù)據(jù)線的傳輸介質(zhì)既可為雙絞線，也可為光纖。
所述全雙工通信為，每個從設備有存儲轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)和直接轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的功能，主設備同從設 備進行通信時，各從設備轉(zhuǎn)發(fā)主設備的信息，整個系統(tǒng)通信沒有沖突，各從設備同主設備進 行通信時，從設備如果有發(fā)送給主設備的數(shù)據(jù)，將先發(fā)送自己的數(shù)據(jù)給主設備，同時接收并 存儲后面一個從設備發(fā)送給主設備的數(shù)據(jù)，等待自己給主設備的數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，再轉(zhuǎn)發(fā)已 存儲的后一個從設備發(fā)送給主設備的數(shù)據(jù)，從設備如果沒有發(fā)送給主設備的數(shù)據(jù)，將直接轉(zhuǎn) 發(fā)后面一個從設備發(fā)送給主設備的數(shù)據(jù)，避免了通信沖突，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的全雙工通信。
所述的串行或環(huán)形網(wǎng)絡結構的傳輸協(xié)議形式可以是標準以太網(wǎng)傳輸協(xié)議，如正EE802.3 幀協(xié)議格式，包括前導符、分割符、目的地址、源地址、長度/類型字段、數(shù)據(jù)段、幀校驗序 列域等組成；其中數(shù)據(jù)段中包括非周期數(shù)據(jù)和周期數(shù)據(jù)，周期數(shù)據(jù)是工業(yè)控制中，任務通常 按照一定的時間間隔發(fā)出，并且對任務的執(zhí)行時間具有截止性要求的數(shù)據(jù)，非周期數(shù)據(jù)是只 有在特定的事件觸發(fā)下才出現(xiàn)，如設備配置、故障診斷、程序的上載/下載、運行記錄、報警 處理等；還可適用于用戶自定義的或其他公知的傳輸協(xié)議形式。
一種基于標準以太網(wǎng)的實時同步網(wǎng)絡的工作方法，
(1) 首先，主設備對從設備進行自檢，主設備發(fā)送一個査詢報文，第一個從設備首先接 收到此査詢報文，第一個從設備將轉(zhuǎn)發(fā)此査詢報文，并發(fā)送自己的應答報文和將自己的設備 號初始化為0,各從設備在收到査詢報文后依次轉(zhuǎn)發(fā)此査詢報文，并發(fā)送自己的應答報文和 將自己的設備號初始化為0，直到最后一個從設備，最后一個從設備可以通過撥碼開關來確 定，該最后一個從設備收到此査詢報文后，發(fā)送自己的應答報文，包含為最后--個從設備的 信息，并將自己的設備號初始化為0，主設備收到最后一個從設備的應答報文后，說明系統(tǒng) 連接可靠和各設備正常工作；若主設備在發(fā)送完查詢報文后，等待一段時間，此時間為正常 情況下枚舉最大從設備的最長時間的2倍.仍然收不到最后一個從設備的應答報文，將報告 錯誤，說明有故障；
(2) 自檢通過后，主設備對從設備進行枚舉和配置，即從主設備收到最后一個從設備的 應答報文后，開始發(fā)送配置報文，跟主設備相連的第一個從設備，此時設備號為0，將先收 到配置報文，收到此配置報文后，將不轉(zhuǎn)發(fā)此配置報文到下一個從設備，第一個從設備將自 己的設備號設置為1,同時發(fā)送一個應答報文，包含自己的設備號、該從設備的功能、作用
等，主設備在配置完第一個從設備后，將再發(fā)個下一個配置報文，第一個從設備將轉(zhuǎn)發(fā)此配 置報文到第二個從設備，此時設備號為0，第二個從設備在收到此配置報文后將不轉(zhuǎn)發(fā)此配 置報文到下一個從設備，第二個從設備將自已的設備號設置為2，同時發(fā)送一個應答報文， 包含自己的設備號、該從設備的功能、作用等；這樣依次類推，直到配置到最后一個從設備； 這樣每個從設備都有自己唯一的設備標號，主設備也建立一個設備表，包含各從設備的設備 號、各從設備的功能和作用等；
(3)在主設備完成對各從設備的枚舉和配置后，給每個從設備依次發(fā)送參數(shù)設定報文， 包括同步信號延遲參數(shù)等，然后系統(tǒng)進入實時同步的正常運行狀態(tài)。
所述步驟(1)在環(huán)形網(wǎng)絡中自檢時，主設備發(fā)送一個査詢報文，第一個從設備收到之后 轉(zhuǎn)發(fā)到下一個從設備，同時將自己的設備號初始化為0，各從設備依次轉(zhuǎn)發(fā)并將自己設備號 初始化為0,直到最后一個從設備，最后一個從設備再轉(zhuǎn)發(fā)此查詢報文到主設備，并初始化 自己設備號為0;主設備在收到此査詢報文后，說明系統(tǒng)連接可靠和各設備工作正常；若主 設備等待一段時間后，此時間為正常情況下檢測最大從設備數(shù)的最長時間的2倍，仍然接收 不到此査詢報文，說明系統(tǒng)連接不可靠或某個設備不正常工作。
所述步驟(2)在環(huán)形網(wǎng)絡中，主設備通過一個數(shù)據(jù)接口開始發(fā)送配置報文，跟主設備相 連的第一個從設備，此時設備號為0，將先收到配置報文，收到此配置報文后，將不轉(zhuǎn)發(fā)此 配置報文到下一個從設備，第一個從設備將自己的設備號設置為1，同時發(fā)送一個應答報文， 包含自己的設備號、該從設備的功能、作用等，主設備在配置完第一個從設備后，將再發(fā)個 下一個配置報文，第一個從設備將轉(zhuǎn)發(fā)此配置報文到第二個從設備，此時設備號為0，第二 個從設備在收到此配置報文后將不轉(zhuǎn)發(fā)此配置報文到下一個從設備，第二個從設備將自己的 設備號設置為2，同時發(fā)送一個應答報文，包含自己的設備號、該從設備的功能、作用等， 這樣依次類推，直到配置完最后一個從設備；此時主設備再發(fā)配置報文，各從設備都有自己 的設備號，各從設備都將轉(zhuǎn)發(fā)此配置報文，最后一個從設備將轉(zhuǎn)發(fā)此配置報文到主設備的另 一個數(shù)據(jù)線接口上；主設備在收到此配置報文后，說明整個系統(tǒng)將配置完畢，這樣每個從設 備都有自己唯一的設備標號，主設備也建立一個設備表，包含各從設備的設備號、各從設備 的功能和作用等。
其中，主設備為負責整個系統(tǒng)的管理，并控制各從設備的設備，所述的從設備為負責系 統(tǒng)的執(zhí)行設備，接收主設備的命令并按命令工作。
本實用新型結合FPGA (現(xiàn)場可編程門陣列)技術實現(xiàn)了一種新的用于現(xiàn)場級通信的實時 同步以太網(wǎng)絡，將以太網(wǎng)中的設備分為主設備和從設備，適合于分布式控制系統(tǒng)。給出了以 太網(wǎng)中實現(xiàn)全雙工通信的網(wǎng)絡拓撲結構，并給出了主設備自動枚舉和配置從設備的方法，以 及實現(xiàn)各從設備實時通信和同步動作的方法。
本實用新型的有益效果
(1) 該系統(tǒng)主設備采用普通標準網(wǎng)卡，與以太網(wǎng)完全兼容，實現(xiàn)了工廠控制網(wǎng)絡的一 致性，實現(xiàn)了一網(wǎng)到底，避免了專用網(wǎng)卡間不兼容的局限性。
(2) 該系統(tǒng)采用串行結構(無容錯功能)或者環(huán)形結構(有容錯功能)，易于系統(tǒng)構 建、擴展和維護。不使用集線器和交換機，避免了系統(tǒng)構建時的復雜問題和提高 了系統(tǒng)通信的速度和效率。
(3) 該系統(tǒng)提;的主設備自動檢測、枚舉和配置各從設備的方法，使系統(tǒng)具有智能性， 減少了用撥碼開關手工配置從設備的煩瑣工作，提高了自動化水平。
(4) 該系統(tǒng)提出的實現(xiàn)實時同步的方法，相比Internet網(wǎng)絡時間協(xié)議NTP (Network Tirae Protocal)、簡單時間網(wǎng)絡協(xié)議SNTP (Simple Network Time Protocal)、 IEEE1588標準精確時間協(xié)議協(xié)議PTP (Precision Time Protocal)等方法，減輕 了網(wǎng)絡負擔。在實現(xiàn)高精度同步時，避免每個從設備站點必須自帶精確時鐘芯片
(即等時實時ASIC)，節(jié)約了成本。


圖1為實施例1的系統(tǒng)串行拓撲結構圖2為圖1的以太網(wǎng)連接實例結構圖3為系統(tǒng)的環(huán)形拓撲結構圖4為圖3的以太網(wǎng)連接實例結構圖5為實現(xiàn)從設備精確同步的方法圖
圖6為數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議格式圖，
其中，l.主設備，2.從設備，3.數(shù)據(jù)發(fā)送線，4.數(shù)據(jù)接收線，5.普通標準網(wǎng)卡，6.網(wǎng)絡 變壓器，7.PHY芯片，8.帶MAC IP核的FPGA， 9.信號同步線。
具體實施方式

以下結合附圖與實施例對本實用新型作進一步說明。
實施例1:
以一個主設備和兩個從設備為例來說，該系統(tǒng)的串行拓撲結構如圖l所示。 主設備1和從設備2之間的通信分別由數(shù)據(jù)發(fā)送線3和數(shù)據(jù)接收線4來完成，從設備2 之間的通信也由數(shù)據(jù)發(fā)送線3和數(shù)據(jù)接收線4來完成，這樣就實現(xiàn)了各設備間數(shù)據(jù)的全雙工 通信。從設備有存儲轉(zhuǎn)發(fā)和直接轉(zhuǎn)發(fā)的功能，主設備1.發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過從設備2時，從設備 2接收并直接轉(zhuǎn)發(fā)給下一個從設備2，從設備2的數(shù)據(jù)發(fā)送給主設備1時，若從設備2有要發(fā) 送給主設備l的數(shù)據(jù)，則從設備2先存儲下一個從設備2的數(shù)據(jù)，等從設備2發(fā)送給主設備 1的數(shù)據(jù)發(fā)送完后，再轉(zhuǎn)發(fā)下一個從設備2的數(shù)據(jù)，若從設備2沒有要發(fā)送給主設備1的數(shù) 據(jù)，則從設備2直接轉(zhuǎn)發(fā)下一個從設備2的數(shù)據(jù)。這樣就實現(xiàn)了系統(tǒng)的全雙工通信。此拓撲 結構不僅適用于以太網(wǎng)，還可適用于用戶自定義的或其他公知的傳輸協(xié)議形式，只是FPGA中 IP核的協(xié)議不同。
舉以太網(wǎng)為實例，詳細結構如圖2所示。l為主設備，2為從設備，5為主設備的數(shù)據(jù)接 口，為普通標準網(wǎng)卡，6為網(wǎng)絡變壓器，7為PHY芯片，8為為帶MAC IP核的FPGA。
在該系統(tǒng)的串行結構中，主設備1可以自動檢測系統(tǒng)是否可靠連接和正常工作。在最后 一個從設備2中通過一個撥碼配置開關，表明為最后一個從設備。在主設備l自動檢測從設 備時，主設備1發(fā)送一個査詢報文，第一個從設備2首先接收到此査詢報文，第一個從設備 2將轉(zhuǎn)發(fā)此査詢報文，并發(fā)送自己的應答報文和將自己的設備號初始化為0下一個從設備2 也即最后一個從設備收到此査詢報文后，發(fā)送自己的應答報文(包含為最后一個節(jié)點的信息)， 并將自己的設備號初始化為0。主設備1收到最后一個從設備2的應答報文后，說明系統(tǒng)連 接可靠和各設備正常工作。若主設備1在發(fā)送完查詢報文后，等待一段時間(此時間為正常 情況下檢測最大從設備數(shù)的最長時間的2倍)，仍然收不到最后一個設備2的應答報文，將 報告錯誤，說明有故障。
在該系統(tǒng)的串行結構中，主設備1可以自動枚舉和配置各從設備2。在主設備l檢測到系 統(tǒng)可靠連接和正常工作后，在主設備1收到最后一個從設備2的應答報文后，開始發(fā)送配置 報文，跟主設備1相連的第一個從設備2 (此時設備號為0)將先收到配置報文，收到此配置 報文后，將不轉(zhuǎn)發(fā)此配置報文到下一個從設備2，第一個從設備2將自己的設備號設置為1， 同時發(fā)送一個應答報文，包含自己的設備號、該從設備的功能、作用等，主設備l在配置完 第一個從設備2后，將再發(fā)下一個配置報文，第一個從設備2 (此時設備號不為0)將轉(zhuǎn)發(fā)此 配置報文到第二個從設備2(此時設備號為0)，第二個從設備也即最后一個從設備2在收到 此配置報文后將自己的設備號設置為2,同時發(fā)送一個應答報文，包含自己的設備號、該從 設備的功能、作用等。這樣每個從設備2都有自己唯一的設備標號，主設備l也建立一個設 備表，包含各設備的設備號，包含各設備的功能和作用等。
以一個主設備和兩個從設備為例來說，該系統(tǒng)的環(huán)形拓撲結構如圖3所示。l為主設備， 2為從設備。主設備1和從設備2之間的通信線有兩根數(shù)據(jù)發(fā)送線3和兩根數(shù)據(jù)接收線4，兩 個從設備2之間的通信也由數(shù)據(jù)發(fā)送線3和數(shù)據(jù)接收線4來完成，這樣相鄰的設備間就實現(xiàn) 了數(shù)據(jù)的全雙工通信。從設備有存儲轉(zhuǎn)發(fā)和直接轉(zhuǎn)發(fā)的功能，主設備發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過第一個 從設備2時，從設備2接收并直接轉(zhuǎn)發(fā)給下一個從設備2，從設備2的數(shù)據(jù)發(fā)送給主設備31 時，若從設備2有要發(fā)送給主設備1的數(shù)據(jù)，則從設備2先存儲下一個從設備2的數(shù)據(jù)，等 從設備2發(fā)送給主設備1的數(shù)據(jù)發(fā)送完后，再轉(zhuǎn)發(fā)下一個從設備2的數(shù)據(jù)，若從設備2沒有 要發(fā)送給主設備l的數(shù)據(jù)，則從設備2直接轉(zhuǎn)發(fā)下一個從設備2的數(shù)據(jù)。主設備l也可以通 過另一根數(shù)據(jù)線3、 4與從設備2進行通信，方法與上面提到的主設備1通過數(shù)據(jù)線3、 4與 從設備2通信方法一致。即正常情況下， 一根數(shù)據(jù)線是冗余的，但該拓撲結構有容錯功能， 即若兩個從設備2之間的數(shù)據(jù)線連接有斷開的時候，從設備2可以通過數(shù)據(jù)線3、 4與主設備 l進行通信，下一個從設備2可以通過另一根數(shù)據(jù)線3、 4與主設備1進行數(shù)據(jù)通信。此拓撲 結構不僅適用于以太網(wǎng)，還可適用于用戶自定義的或其他公知的傳輸協(xié)議形式，只是FPGA中 IP核的協(xié)議不同。
舉以太網(wǎng)為實例，內(nèi)部詳細結構如圖4所示。l為主設備，2為從設備，5為主設備的通 信數(shù)據(jù)接口，即普通標準網(wǎng)卡,6為網(wǎng)絡變壓器，7為PHY芯片，8為為帶MACIP核的FPGA。
在該系統(tǒng)的環(huán)形結構中，主設備l可以自動檢測系統(tǒng)是否可靠連接和正常工作。主設備 1通過數(shù)據(jù)線3、 4發(fā)送一個査詢報文，第一個從設備2收到之后轉(zhuǎn)發(fā)到下一個從設備2，同 時將自己的設備號初始化為O，下一個從設備也即最后一個從設備2再通過數(shù)據(jù)線3、 4轉(zhuǎn)發(fā) 此査詢報文到主設備l,并初始化自己設備號為0。主設備l在收到此査詢報文后，說明系統(tǒng) 連接可靠和各設備工作正常。若主設備1等待一段時間(此時間為正常情況下檢測最大從設 備數(shù)的最長時間的2倍)后，仍然接收不到此查詢報文，說明系統(tǒng)連接不可靠或某個設備不 正常工作。
在該系統(tǒng)的環(huán)形結構中，主設備1可以自動枚舉和配置各從設備2。主設備1檢測系統(tǒng) 可靠連接和正常工作后，主設備1通過數(shù)據(jù)線3、 4開始發(fā)送配置報文，跟主設備1相連的第 一個從設備2 (此時設備號為0)將先收到配置報文，收到此配置報文后，將不轉(zhuǎn)發(fā)此配置報 文到下一個從設備2，第一個從設備2將自己的設備號設置為1，同時發(fā)送一個應答報文，包 含自己的設備號、該從設備的功能、作用等，主設備1在配置完第一個從設備2后，將再發(fā) 個下一個配置報文，第一個從設備2將轉(zhuǎn)發(fā)此配置報文到第二個從設備2 (此時設備號為0), 第二個從設備2在收到此配置報文后將不轉(zhuǎn)發(fā)此配置報文到下一個從設備2,第二個從設備2 將自己的設備號設置為2，同時發(fā)送一個應答報文，包含自己的設備號、該從設備的功能、 作用等。此時主設備再發(fā)配置報文，各從設備2都有自己的設備號(此時設備號不為0), 各從設備2都將轉(zhuǎn)發(fā)此配置報文，最后一個從設備2將轉(zhuǎn)發(fā)此配置報文到主設備1的另一個 數(shù)據(jù)線接口上。主設備1在收到此配置報文后，說明整個系統(tǒng)將配置完畢。這樣每個從設備 2都有自己唯一的設備標號，主設備1也建立一個設備表，包含各從設備2的設備號，包含 各設備的功能和作用等。
在上面所說的串行和環(huán)形網(wǎng)絡結構中，除可用Internet網(wǎng)絡時間協(xié)議NTP (Network Time Protocal)、簡單時間網(wǎng)絡協(xié)議SNTP (Simple Network Time Protocal) 、 IEEE1588標準精 確時間協(xié)議協(xié)議PTP (Precision Time Protocal)協(xié)議來同步各從設備外，還提出了一種用 于各從設備精確同步的方法。就是從設備之間除了數(shù)據(jù)線之外，再加一根同步信號線。以串 行拓撲結構為例，如圖5所示，l為主設備，2為從設備，3為數(shù)據(jù)發(fā)送線、4為數(shù)據(jù)接收線, 9為同步信號線。在從設備2中可任選一個從設備為同步信號源，舉以最后一個從設備2為 同步信號源為例，最后一個從設備2負責嚴格的定時和同步信號的發(fā)送，周期性的通過同步 信號線9發(fā)送同步信號。其他的從設備2接收同步信號。如果不考慮傳輸線的線上延遲，各
從設備2將同時收到同步信號，同時動作，實現(xiàn)各從設備2動作的同步性。如果考慮傳輸線 的線上延遲，各從設備2收到同步信號的線上延遲時間是固定的，在配置階段根據(jù)各設備的 傳輸線長給各從設備2中設置一個時間延遲參數(shù)寄存器，在收到同步信號后，每次延遲一段 確定的時間再動作，這樣就實現(xiàn)了各從設備2的精確同步動作。
在上面所說的串行和環(huán)形網(wǎng)絡結構中，除了主設備可以與各從設備進行數(shù)據(jù)通信外，各 從設備之間也可以進行數(shù)據(jù)通信。主設備與各從設備進行數(shù)據(jù)通信的傳輸協(xié)議和報文格式， 主要包括主設備配置報文、主設備數(shù)據(jù)報文、從設備數(shù)據(jù)報文三類。主設備與從設備間以及 各從設備間數(shù)據(jù)通信協(xié)議符合以太網(wǎng)幀協(xié)議規(guī)范，舉以太網(wǎng)IEEE802.3幀協(xié)議格式為例，如 圖6所示，包括前導符、分割符、目的地址、源地址、長度/類型字段、數(shù)據(jù)段、幀校驗序列 域等組成。其中數(shù)據(jù)段中包括非周期數(shù)據(jù)和周期數(shù)據(jù)，周期數(shù)據(jù)是工業(yè)控制中，任務(如功 能塊的執(zhí)行)通常按照一定的時間間隔發(fā)出，并且對任務的執(zhí)行時間具有截止性要求的數(shù)據(jù)。 非周期數(shù)據(jù)是只有在特定的事件觸發(fā)下才出現(xiàn)，例如設備配置、故障診斷、程序的上載/下載、 運行記錄、報警處理等。
主設備配置(查詢)報文系統(tǒng)上電以后或系統(tǒng)重構以后，主設備發(fā)送此報文，完成系 統(tǒng)的檢測以及對各從設備的自動枚舉和配置。
主設備數(shù)據(jù)報文用于向從設備發(fā)送指令數(shù)據(jù)，在一次通訊周期中，主設備發(fā)送一次主設 備周期數(shù)據(jù)報文，從設備接收后從中提取自己的數(shù)據(jù)。
從設備數(shù)據(jù)報文用于向主設備反映該設備的運行狀態(tài)，在一次通訊周期中，從設備都會 向主設備發(fā)送一次從設備數(shù)據(jù)報文。
在系統(tǒng)完成從設備的自動枚舉和配置過程后，以串行結構為例，如圖5所示，主設備1 發(fā)送周期數(shù)據(jù)報文，在保證各從設備2都收到主設備1的周期數(shù)據(jù)報文的前提下，同步信號 源即最后一個從設備2周期性的通過信號同步線9發(fā)送一個同步信號，各從設備2在收到此 信號后，經(jīng)過設定的延遲時間值后，鎖存當前的工作狀態(tài)，按照收到的主設備1周期數(shù)據(jù)同 時動作，并同時將當前的工作狀態(tài)即從設備周期數(shù)據(jù)報文發(fā)送到主設備1。
權利要求1、一種基于標準以太網(wǎng)的實時同步網(wǎng)絡，其特征是在分布式控制系統(tǒng)中，包括至少一個主設備和至少一個從設備，在從設備中任選一個為同步信號源，各設備通過傳輸協(xié)議傳送數(shù)據(jù)，主設備上有至少一個數(shù)據(jù)線接口，每個從設備有至少兩個數(shù)據(jù)線接口，連接時彼此串行連接，即主設備的數(shù)據(jù)線接口通過數(shù)據(jù)線連接到從設備的一個數(shù)據(jù)線接口上，從設備的另一個數(shù)據(jù)接口通過數(shù)據(jù)線連接到下一個從設備的一個數(shù)據(jù)接口上，依次連接構成串行網(wǎng)絡，進行實時同步的全雙工通信。
2、 根據(jù)權利要求1所述的基于標準以太網(wǎng)的實時同步網(wǎng)絡，其特征是所述各主設備有 兩個數(shù)據(jù)線接口，各從設備有兩個數(shù)據(jù)線接口，在從設備中任選一個為同步信號源，各設備 通過傳輸協(xié)議傳送數(shù)據(jù)，主設備的一個數(shù)據(jù)線接口通過數(shù)據(jù)線連接到從設備的一個數(shù)據(jù)線接 口上，從設備的另一個數(shù)據(jù)線接口通過數(shù)據(jù)線連接到下一個從設備的一個數(shù)據(jù)接口上，這樣 級聯(lián)下去， 一直連到最后一個從設備的數(shù)據(jù)線接口上，最后一個從設備的另一個數(shù)據(jù)線接口 通過數(shù)據(jù)線連接到主設備的另一個數(shù)據(jù)線接口上，構成環(huán)形網(wǎng)絡，進行實時同步的全雙工通 信。
3、 根據(jù)權利要求1或2所述的基于標準以太網(wǎng)的實時同步網(wǎng)絡，其特征是所述同步信 號源是在從設備中任選一個，并在其上安裝同步信號線與其余的從設備連接，各從設備中設 有一個信號延遲參數(shù)寄存器。
4、 根據(jù)權利要求3所述的基于標準以太網(wǎng)的實時同步網(wǎng)絡，其特征是所述同步信號源 為在任意一個從設備上設定撥碼開關裝置的方式確定一個從設備為同步信號源，然后用同步 信號線將同步信號源與其余從設備連接。
5、 根據(jù)權利要求l所述的基于標準以太網(wǎng)的實時同步網(wǎng)絡，其特征是所述數(shù)據(jù)線既包 括數(shù)據(jù)發(fā)送線，也包括數(shù)據(jù)接收線，相鄰的兩個設備之間通信時沒有沖突，實現(xiàn)全雙工通信, 數(shù)據(jù)線的傳輸介質(zhì)既可為雙絞線，也可為光纖。
專利摘要本實用新型公開了一種基于標準以太網(wǎng)的實時同步網(wǎng)絡。它解決了以太網(wǎng)用于現(xiàn)場級通信系統(tǒng)時，通信的實時性以及系統(tǒng)的精確同步性難以保障，而添加專用設備，又造成使用成本增高等問題，具有結構簡單，成本較低，通用性高等優(yōu)點。其結構為在分布式控制系統(tǒng)中，包括至少一個主設備和至少一個從設備，在從設備中任選一個為同步信號源，各設備通過傳輸協(xié)議傳送數(shù)據(jù)，主設備上有至少一個數(shù)據(jù)線接口，每個從設備有至少兩個數(shù)據(jù)線接口，連接時彼此串行連接，即主設備的數(shù)據(jù)線接口通過數(shù)據(jù)線連接到從設備的一個數(shù)據(jù)線接口上，從設備的另一個數(shù)據(jù)接口通過數(shù)據(jù)線連接到下一個從設備的一個數(shù)據(jù)接口上，依次連接構成串行網(wǎng)絡，進行實時同步的全雙工通信。
文檔編號H04L7/00GK201066852SQ20072001788
公開日2008年5月28日 申請日期2007年2月13日 優(yōu)先權日2007年2月13日
發(fā)明者張承瑞, 王金江 申請人:山東大學