混合現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性分析

朱耀春 宋 昉 劉 玲

(華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院1，北京 102206;華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司2，北京 100120)

0 引言

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)以其高度的開放性、更高的傳輸精度和可互操作性在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域獲得了越來(lái)越多的應(yīng)用。許多分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)制造商為跟上形勢(shì)的發(fā)展，也將現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)引入DCS系統(tǒng)，形成了同時(shí)集成現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備和傳統(tǒng)模擬設(shè)備的混合控制系統(tǒng)［1－2］，如艾默生的 Ovation 系統(tǒng)、FoxBora的I/A系統(tǒng)等。

由于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)有很多種，所以這些控制系統(tǒng)需要引入多種類型的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，如基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(FF)、Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線和DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線等。這樣用戶在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，就可以根據(jù)綜合性能和價(jià)格等因素，選擇不同類型的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備來(lái)完成系統(tǒng)的集成。

作為工業(yè)應(yīng)用，控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是反映系統(tǒng)優(yōu)劣的一個(gè)非常重要的指標(biāo)。雖然前人已對(duì)單總線系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性作了一定的研究［3－6］，但對(duì)多總線系統(tǒng)的研究卻很少，所以對(duì)多總線系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性分析是非常必要的。

1 系統(tǒng)構(gòu)架

集成多種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的DCS系統(tǒng)也可看作混合現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，其系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架Fig.1 Architecture of the system

圖1中的控制站可通過符合不同現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互?？刂普究蓮囊环N總線協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中獲取數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行分析計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果發(fā)送到另一種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

基金會(huì)低速現(xiàn)場(chǎng)總線(FF H1)和Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較多的兩類現(xiàn)場(chǎng)總線，且許多控制系統(tǒng)已經(jīng)將它們集成在一起，如Ovation系統(tǒng)、I/A系統(tǒng)等，所以本文將以同時(shí)集成兩者的系統(tǒng)為例，對(duì)混合現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)性分析。

2 FF H1總線實(shí)時(shí)性分析

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線是為過程自動(dòng)化系統(tǒng)的需求專門設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)總線，適合在流程工業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工作，其低速現(xiàn)場(chǎng)總線(FF H1)的通信速率為31.25 kbit/s。

FF H1總線的通信活動(dòng)分為周期受調(diào)度通信和背景通信，這兩類通信共同組成宏周期。在一個(gè)宏周期內(nèi)，周期受調(diào)度通信將總線上所有功能塊之間的鏈接通信完成一次，背景通信則將操作員需要監(jiān)視的部分設(shè)備信息與操作站進(jìn)行信息交換。這樣，具有時(shí)間重要性的控制信息可在受調(diào)度通信時(shí)間段內(nèi)完成，不會(huì)因?yàn)榭偩€繁忙而丟失數(shù)據(jù)，具有高度的實(shí)時(shí)性。若干個(gè)宏周期后，所有操作員需要監(jiān)視的設(shè)備信息可通過背景周期與操作站全部交換一次，這個(gè)周期可稱為監(jiān)控周期。

宏周期時(shí)間由鏈接通信、功能塊執(zhí)行時(shí)間和背景通信構(gòu)成，一般在幾百毫秒到1 s，監(jiān)控周期則需要1～2 s，所以H1總線適合于熱工慢過程的控制。

宏周期可由式(1)進(jìn)行估算［3－4］:

式中:TM為宏周期，ms;NE為總線上設(shè)備之間的功能塊鏈接次數(shù);ND為設(shè)備數(shù);TR為冗余時(shí)間，對(duì)于非冗余接口，其典型值為30 ms，對(duì)于冗余接口，其典型值為60 ms;1.2為時(shí)間余量系數(shù)。由式(1)可知，一條總線宏周期的大小由設(shè)備之間的功能塊鏈接次數(shù)、設(shè)備數(shù)和接口是否冗余來(lái)確定。對(duì)于一條特定的現(xiàn)場(chǎng)總線，這些參數(shù)值都是確定已知的。

宏周期可以根據(jù)需要進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，其中周期受調(diào)度通信的時(shí)間是固定的，背景通信的時(shí)間可以適當(dāng)加長(zhǎng)或縮短。宏周期縮短會(huì)縮短控制周期，但也會(huì)延長(zhǎng)監(jiān)控周期，因?yàn)椴僮髡疽瓿梢淮嗡性O(shè)備的數(shù)據(jù)刷新，需要更多的宏周期。

現(xiàn)場(chǎng)總線組態(tài)軟件可以根據(jù)具體的系統(tǒng)硬件配置估算出一個(gè)宏周期時(shí)間，工程師在進(jìn)行總線的宏周期配置時(shí)，應(yīng)至少大于或等于估算的宏周期時(shí)間，這樣才不至于使系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到影響。

宏周期的典型配置值為 250 ms、500 ms、1 s、2 s 和5 s。控制回路的控制周期一般大于等于宏周期，多數(shù)情況下與宏周期相同。為了能有更直觀的認(rèn)識(shí)，下面舉例說(shuō)明宏周期的估算。

例如一個(gè)總線段掛接8臺(tái)FF H1現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，設(shè)備之間的功能塊鏈接次數(shù)為6，具有冗余接口配置，由式(1)可知，此總線段的宏周期TM的估算值為:

式中:180×1.2=216 ms用于受調(diào)度通信，8×60×1.2=576 ms用于背景通信，有0.2倍的余量。相對(duì)于每一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備而言，在一個(gè)默認(rèn)宏周期內(nèi)可占用30×2=60 ms的背景通信時(shí)間。如果進(jìn)行宏周期的典型值配置，則應(yīng)該將總線的宏周期設(shè)置為1 s。

3 Profibus-DP總線實(shí)時(shí)性分析

Profibus-DP是面向工廠自動(dòng)化和流程自動(dòng)化的一種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，適用于高速數(shù)據(jù)傳輸，其傳輸速度在9.6 kbit/s～12 Mbit/s之間可選，但對(duì)于同一現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段，所有掛接的設(shè)備均需選用同一傳輸速度。

Profibus-DP總線的通信有周期性通信和非周期通信兩類。周期性通信用于周期性數(shù)據(jù)交換，非周期通信用于參數(shù)賦值、操作等非周期性操作［5－7］?？偩€上所有設(shè)備都完成一次數(shù)據(jù)交換的時(shí)間稱為總線報(bào)文循環(huán)時(shí)間(message cycle time)，用TMC表示。

Profibus-DP總線報(bào)文循環(huán)時(shí)間與FF現(xiàn)場(chǎng)總線的宏周期概念不同。FF現(xiàn)場(chǎng)總線的宏周期時(shí)間由組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)置，可手動(dòng)微調(diào)，一旦設(shè)置好，總線的周期通信時(shí)間就成為一個(gè)固定值。Profibus-DP總線報(bào)文循環(huán)時(shí)間由時(shí)間固定的周期性通信和時(shí)間不固定的非周期通信組成。非周期通信根據(jù)當(dāng)前非周期通信數(shù)據(jù)量的大小確定，周期性通信可通過總線波特率、從站的數(shù)量、I/O數(shù)據(jù)的總量以及從站需要的延遲時(shí)間估算。

為了便于分析，相關(guān)的符號(hào)定義列舉如下。

①Tbit為位(bit)時(shí)間，即總線上傳送一個(gè)位所需要的時(shí)間，其值為波特率的倒數(shù)。如當(dāng)總線波特率為12 Mbit/s時(shí)，1Tbit=1/12000000=83 ns。

②Tsyn為同步時(shí)間，即每個(gè)站在接收下一個(gè)請(qǐng)求開始前必須等待的一個(gè)空閑時(shí)間，典型值為33Tbit。

③Tid1為等待時(shí)間，即主站在接收完最后一個(gè)響應(yīng)位后，再發(fā)送下一位信息時(shí)必須等待的時(shí)間。該時(shí)間至少為Tsyn加上一個(gè)安全的余量，典型值為75Tbit。特殊情況下，當(dāng)主站發(fā)送完最后一位請(qǐng)求信息后，沒有收到從站的響應(yīng)信息，而再次發(fā)送下一個(gè)位請(qǐng)求開始信息前必須等待的時(shí)間，稱為Tid2。

④TSDR為從站延遲時(shí)間，即從從站接收到主站的請(qǐng)求到它發(fā)送第一個(gè)響應(yīng)報(bào)文位前必須等待的時(shí)間。TSDR-min為最少的等待時(shí)間，其典型值為11個(gè) Tbit;TSDR-max為最大的等待時(shí)間，該時(shí)間和波特率有關(guān)，如表1所示。

一般來(lái)講，從站接收?qǐng)?bào)文之后進(jìn)行報(bào)文處理的時(shí)間是相對(duì)固定的，但相對(duì)于Tbit的倍數(shù)則隨波特率的不同而不同，波特率越大，倍數(shù)越大。

表1 從站延遲時(shí)間Tab.1 Delayed time of the slave

⑤TTD為傳輸延遲時(shí)間，即一個(gè)位信息從發(fā)送到接收在物理介質(zhì)上所延遲的時(shí)間。它主要和電纜的長(zhǎng)度以及中繼器有關(guān)。對(duì) Profibus-DP電纜來(lái)說(shuō)，每100 m的延遲時(shí)間大約為0.5 μs。每個(gè)中繼器的延遲時(shí)間為1個(gè)Tbit。

⑥TMC為報(bào)文循環(huán)時(shí)間，其值為主站發(fā)送請(qǐng)求信息時(shí)間+TSDR+從站響應(yīng)信息時(shí)間。

⑦TBC為總線循環(huán)時(shí)間，其值為TMC加上一些時(shí)間余量。在多主站系統(tǒng)中，它的值為各個(gè)單主站的TMC相加。單主站系統(tǒng)的報(bào)文循環(huán)時(shí)間如圖2所示。

圖2 單主站系統(tǒng)報(bào)文循環(huán)時(shí)間Fig.2 The message cycling time of single master system

DP總線報(bào)文中每一個(gè)字節(jié)的特征碼都由11位組成，即由1個(gè)起始位、1個(gè)停止位、1個(gè)校驗(yàn)位和8個(gè)數(shù)據(jù)位組成［7］。對(duì)于Profibus，每個(gè)數(shù)據(jù)交換報(bào)文中除了數(shù)據(jù)單元外，還有9個(gè)字節(jié)的報(bào)頭和報(bào)尾(對(duì)于有可變數(shù)據(jù)字段長(zhǎng)度的幀而言)。

由于同步時(shí)間Tsyn一般小于等待時(shí)間Tid1，所以在報(bào)文循環(huán)時(shí)間計(jì)算中只體現(xiàn)等待時(shí)間即可。單主站報(bào)文循環(huán)時(shí)間TMC的估算公式如式(3)所示。

總線循環(huán)時(shí)間TBC是TMC加上余量的結(jié)果，余量一般加20%～50%，用于非循環(huán)數(shù)據(jù)的通信或總線延遲時(shí)間或其他。對(duì)于多主站和冗余接口系統(tǒng)，總線循環(huán)時(shí)間TBC是多個(gè)主站TMC之和。

例如，對(duì)于一個(gè)單主站Profibus系統(tǒng)，其鏈接有7個(gè)從站，每個(gè)從站都有4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，且請(qǐng)求數(shù)據(jù)數(shù)量與響應(yīng)數(shù)據(jù)數(shù)量相同。取典型情況下的波特率500 kbit/s，則由式(3)可知，報(bào)文循環(huán)時(shí)間計(jì)算如下。

考慮40%的余量且主站為冗余主站，則有:

可以看到，Profibus-DP的報(bào)文循環(huán)時(shí)間是非常短的，在十幾毫秒之內(nèi)就可完成對(duì)所有從站的數(shù)據(jù)掃描。

4 混合總線實(shí)時(shí)性分析

采用混合現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)，可以分別發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，如基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線比較擅長(zhǎng)模擬量控制，Profibus總線比較擅長(zhǎng)開關(guān)量控制。對(duì)于存在大量模擬量和開關(guān)量節(jié)點(diǎn)的工業(yè)系統(tǒng)，混合采用這兩種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是一種比較可行的方案。

針對(duì)此類系統(tǒng)，如果要實(shí)現(xiàn)一個(gè)單回路閉壞控制系統(tǒng)，其PID控制模塊、過程變量輸入(AI)模塊和過程變量輸出(AO)模塊的位置分配方案如表2所示。

表2 功能塊位置配置方案Tab.2 Position configuration strategy of functional blocks

方案1:完成一個(gè)基本的控制周期，其數(shù)據(jù)流為FF總線設(shè)備→FF總線接口卡→控制站→FF總線接口卡→FF總線執(zhí)行器。方案2:完成一個(gè)基本的控制周期，其數(shù)據(jù)流為FF總線設(shè)備→FF總線執(zhí)行器。方案3:完成一個(gè)基本的控制周期，其數(shù)據(jù)流為FF總線設(shè)備→FF總線接口卡→控制站→PB總線接口卡→Profibus總線執(zhí)行器。

在以上數(shù)據(jù)流中，“FF總線設(shè)備→FF總線接口卡”采用FF H1規(guī)范，速率為31.25 kbit/s;“FF總線接口卡→控制站”、“控制站→FF總線接口卡”和“控制站→PB總線接口卡”采用廠商I/O控制總線規(guī)范，速率一般都＞2 Mbit/s;“Profibus總線接口卡→Profibus總線執(zhí)行器”采用Profibus-DP總線規(guī)范，速率一般≥500 kbit/s。相對(duì)于網(wǎng)絡(luò)通信，智能設(shè)備和主控制器內(nèi)部的算法計(jì)算時(shí)間所需要的時(shí)間要少得多。

在以上方案中，由于方案1和方案2只采用FF H1規(guī)范，其實(shí)時(shí)性分析可參見前文的敘述。在方案3中，F(xiàn)F總線設(shè)備只進(jìn)行過程數(shù)據(jù)的采集，控制站負(fù)責(zé)PID控制算法，Profibus總線上的電動(dòng)執(zhí)行器接收控制站的PID輸出。要完成閉環(huán)控制，數(shù)據(jù)流量需跨越不同類型的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，所以有必要對(duì)其實(shí)時(shí)性進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

設(shè)方案3中，F(xiàn)F現(xiàn)場(chǎng)總線段掛接4臺(tái)設(shè)備(一般為4～8臺(tái))，設(shè)備之間的功能塊鏈接次數(shù)為4(每臺(tái)一個(gè)受調(diào)度點(diǎn))，且接口冗余。Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線段掛接8臺(tái)設(shè)備(一般為8～16臺(tái))，每個(gè)從站都有4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，并取典型情況下的波特率500 kbit/s，接口冗余。則FF現(xiàn)場(chǎng)總線段的宏周期TM的估算值為:

進(jìn)行軟件組態(tài)配置時(shí)，可取宏周期500 ms，即在500 ms內(nèi)，4臺(tái)智能設(shè)備的受調(diào)度數(shù)據(jù)都可以實(shí)時(shí)地發(fā)送到控制站中。

Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線段的報(bào)文循環(huán)時(shí)間計(jì)算公式如下:

當(dāng)為冗余接口且考慮40%的余量時(shí)，則有:

其他環(huán)節(jié)所消耗的時(shí)間比總線網(wǎng)絡(luò)通信段所消耗時(shí)間要小得多，所以不作分析。

由上述分析可知，控制回路各個(gè)部分的數(shù)據(jù)要刷新一次，至少需要500 ms，即由FF總線段的宏周期決定。由控制理論可知，控制回路的控制周期應(yīng)該大于等于數(shù)據(jù)的采樣周期，這里數(shù)據(jù)的采樣周期等于數(shù)據(jù)的刷新周期，即控制器在進(jìn)行控制周期設(shè)置時(shí)，至少要大于等于500 ms。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在由FF總線和Profibus總線組成的混合總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，與控制有關(guān)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)刷新時(shí)間等于FF總線段的宏周期時(shí)間，由它們組成的閉合控制回路的控制周期至少應(yīng)等于FF總線段的宏周期或是它的倍數(shù)才有效。由于FF總線段的宏周期設(shè)置時(shí)間都在500 ms以上，所以這種結(jié)構(gòu)只適合于熱工慢過程的控制。

有了對(duì)混合現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性分析，工程設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)混合現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)時(shí)，就可以根據(jù)分析的結(jié)論，配置合理的總線參數(shù)，設(shè)計(jì)出一個(gè)更加安全有效的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。所以混合現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性分析，為工程設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)混合現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)提供了重要的參考依據(jù)，具有重要的理論價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。

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