流程加工CAN測控網絡的應用層協議研究

劉 超,李軍站,黃 偉

(江西師范大學計算機信息工程學院,南昌330022)

流程加工CAN測控網絡的應用層協議研究

劉 超,李軍站,黃 偉

(江西師范大學計算機信息工程學院,南昌330022)

為提高CAN測控網絡的適應性和通信效率,以CAN2.0A技術規范為基礎,針對流程加工測控網絡的特點,設計面向流程加工領域的CAN總線應用層協議ProCAN。在明確流程加工概念及范圍的基礎上,分析流程加工測控系統結構模型的特征,提出通信報文的類型,定義標準數據幀仲裁域與數據域的編碼格式,并討論ProCAN協議的通信模式、通信狀態、通信異常及長報文誤幀重傳控制。利用OPNET網絡仿真軟件進行實驗,結果表明, ProCAN協議能實現報文通信,并且具有延時短、實時性強、可靠性高的特點,尤其當網絡負載較大時,效果更為明顯。

CAN總線;應用層協議;控制網絡;流程工業;通信模式

1 概述

制造工業分為離散工業和流程工業[1]。流程工業是指物料連續地在相同路徑上流動,以改變物理或化學特性,生產出有價值的產品[1-2]。依據生產技術,流程工業可分為物料處理過程有化學反應的流程制造和物料處理過程僅有物理轉換的流程加工2種。流程加工具有產品設計簡單、生產技術難度較低、過程數據易取、生產周期較短等特點。

工業測控進入網絡控制階段后,CAN總線憑借其結構簡單、低成本、抗干擾強、多主方式工作、可靠性與實時性較高、容錯性好、傳送數據幀短等特點,成為最具發展潛力的控制網絡[3]。但CAN總線由于協議的開放性,僅對物理層和數據鏈路層進行規范,應用層沒有定義(現場網絡只含一個網段,不需要傳輸層、網絡層、會話層和描述層功能),導致應用開發周期長、技術難度較大。目前,CAN應用層協議主要有CANopen,DeviceNet,CAL等,但有的結構復雜、編碼效率不高的通用性協議,有的靈活性差、不便于擴展的專用性協議[3-5]。為了避免通信資源浪費和滿足領域通信要求,針對中小型流程加工測控系統的特點,本文提出一種CAN領域性應用層協議ProCAN。

2 流程加工測控系統的結構模型與特征

CAN總線網絡控制是集散控制,根據集散控制系統集中操作、分散控制的架構原則,可分為現場控制和操作管理兩級,級與級之間通過CAN總線連接構成控制網絡,形成分級分布式結構[6-7],如圖1所示。操作管理級采用一臺PC機,負責實時監視與動態模擬、組態配置與參數設定、統計分析與報表輸出等?，F場式控制級由一定數量以可編程控制器或嵌入儀器或工業控制機為核心的具有自治功能的智能測控裝置組成,以實現過程實時數據的采集轉換與顯示、設備狀態的檢測與組合、按設定算法對現場操作控制、故障報警、不規范事件提示等。

圖1 CAN總線流程加工測控系統的結構模型

流程加工的工藝流程一般包含原料接收清理、配料混合、成品計量包裝等4個～8個工段,每個工段配置一個現場控制節點(少數需配置2個),供氣供電等輔助設備配置2個～4個現場控制節點,控制節點12個左右。每個工段一般包含4個～6個工序,每個工序一般包含2個～4個端口,每個智能測控裝置的端口數可達20個左右[8-9]。

流程加工工段之間存在動作狀態關聯,如配料,若倉料不足,一方面要停止配料,另一方面還要告知前一工段供料[8-9]。操作節點與控制節點、控制節點之間均需要數據交換,因此測控系統通信應以多主方式工作。另外,由于實時性強的報文采用事件觸發發送且操作控制命令多,數據請求命令與操作控制命令統一采用數據幀的數據域編碼表示,協議不使用遠程幀。

3 ProCAN應用層協議的報文定義

CAN規范的報文格式分為標準格式與擴展格式,且均有4種不同的幀類型,在不采用遠程幀時,僅需對數據幀進行定義。CAN總線分配是通過標識符比較實現的,標準格式與擴展格式的主要區別是標識符的長度不同,標準格式是11位,擴展格式是29位[3]。為了減少總線分配的時間、提高總線的利用率和傳輸效率,并保證協議的兼容性,結合實際需要,嚴格采用CAN2.0A技術規范。在統一幀格式和充分預留擴展的基礎上,使用特定字段的不同編碼區分不同的幀[10]。

3.1 ProCAN報文標識符定義

在CAN2.0A標準幀格式中,仲裁域由11位標識符和1位RTR組成[3]。由于ProCAN協議不采用遠程幀,僅通過數據幀進行通信,因此RTR位恒為隱性。ProCAN報文標識符定義如圖2所示。

圖2 ProCAN報文標識符定義

報文優先級占標識符的3位 ID10～ID8,用000～111將報文數據類型分為8個等級的優先權,體現報文緊急程度;編碼值越小,優先權越高[11]。數據類型有設備故障、設備狀態、現場數據、控制參數、組態配置、總線檢驗(含檢驗、同步)和系統命令(含查詢、控制、缺失和長報文錯誤)等[11-12]。源節點地址(DMAC)占標識符的4位ID7～ID4,指示發送報文的節點編號;目標節點地址(SMAC)占標識符的4位ID3～ID0,指示接收報文的節點編號。數據類型的優先權可根據報文重要性、報文數據長度、報文傳輸頻率和報文實時性等,修改編碼,以實現動態優先級,提高總線使用的公平性、靈活性。

3.2 ProCAN報文數據域定義

在CAN2.0A標準幀格式中,數據域包含9個字節72位,高位在前[3]。為提高編碼效率,對于不同數據類型的數據域采用不同的編碼定義[13-14]。

設備故障與設備狀態數據類型用1個字節表示一臺設備的故障或狀態,一個數據幀可表示同一控制節點下8臺設備的故障或狀態,數據域的定義如圖3所示。設備地址3位D7～D5,指示仲裁域源節點所控制設備的相對編號;故障或狀態類型3位D4～D2,指示設備地址對應設備故障或狀態組合的編碼。

圖3 ProCAN設備故障與狀態數據域定義

組態配置數據類型用1個字節表示一臺設備的硬件配置和軟件組態,一個數據幀可表示同一控制節點下8臺設備的組態配置,數據域的定義如圖4所示。設備地址3位D7～D5,指示仲裁域源節點所控制設備的相對編號;組態配置類型4位D4～D1,指示設備地址對應設備組態配置的編碼。

圖4 ProCAN組態配置數據域定義

現場數據類型用4個字節表示一個端口地址的實時數據,一個數據幀可表示同一控制節點下2個端口地址的實時數據,數據域的定義如圖5所示。第1字節的端口地址5位D7～D3,指示仲裁域源節點所控制端口的相對編號;幀編號3位D2～D0,指示仲裁域源節點多幀數據的順序號。第2個字節～第4個字節的數據24位,指示端口地址的實時數據。特別地,幀編號為000時,指示報文為單幀;幀編號為111時,指示該幀為報文的結束幀。

圖5 ProCAN現場數據域定義

控制參數數據類型定義與現場數據類似,僅在于端口地址和幀編號指示的是仲裁域目的節點?？偩€檢驗和系統命令數據類型用2個字節的編碼(缺失命令含缺失節點地址,長報文錯誤命令含錯誤幀編號)。

4 ProCAN應用層協議的通信模式與控制

4.1 ProCAN通信模式

ProCAN協議針對數據類型通信特征,采用主從應答通信模式和事件觸發通信模式[15]。特別地,任何一種通信模式,對于單次信息交換而言,發起通信者為“主節點”,響應通信者為“從節點”。

主從應答通信模式又稱命令/響應模式,是主節點向從節點請求數據或自操作,主節點發送命令幀,從節點返回響應幀或進行自操作,一般是非周期性的。主從通信模式分為點對點和廣播2種方式,且均包含命令型和應答型。采用點對點方式時,主從節點的地址必須是唯一的;點對點應答型用于操作節點查詢控制節點的設備狀態、現場數據、控制參數、組態配置和相鄰工段控制節點間查詢設備狀態、現場數據;點對點命令型用于發送長報文錯誤編號。廣播方式時,標識符目標節點地址設為0000b(0000b不能為節點地址);廣播命令型用于操作節點向所有控制節點發送啟停或缺失命令;廣播應答型用于總線檢驗,通信過程與點對點方式類似。

事件觸發模式是以點對點方式,周期性或非周期性地由主節點直接向從節點發送數據幀,用于操作節點向控制節點發送控制參數,操作節點與所有控制節點間發送本身的組態配置,控制節點向操作節點發送現場數據、設備狀態和設備故障,相鄰工段操作節點間發送現場數據、設備狀態和設備故障。事件可以是主節點循環定時的,也可以是特定狀態的(事先約定或狀態改變)。

4.2 ProCAN的通信控制

ProCAN的網絡通信包括總線檢驗、在線節點初始化(控制參數、組態配置、設備初態)、在線節點實時報文傳輸、控制節點缺失(操作節點不能缺失)等4個狀態,訪問通信是操作節點通過切換規則執行狀態轉換圖來實現控制,狀態轉換圖如圖6所示[16]?？刂乒濣c缺失有2種情況:(1)控制節點沒有接入CAN總線,可稱為脫離缺失;(2)控制節點沒有通過總線檢驗,可稱為離線缺失。當網絡通信過程中,新增控制節點缺失時,若通過總線檢驗恢復到在線,在線節點初始化僅對恢復到在線的控制節點而言。當存在控制節點缺失時,需要報警,通過手動或定時的方式由總線檢驗轉入在線節點初始化、在線節點實時報文傳輸。

圖6 網絡通信狀態轉換示意圖

對于單次通信還包括異?？刂坪烷L報文誤幀重傳控制等2個方面[11]。通信異?？刂剖抢眠B接定時器的“超時機制”,由操作節點設定所有節點連接定時器的定時參數,當連接建立時,從節點啟動連接定時器,超時刪除連接,否則連接定時器復位。長報文誤幀控制是在傳輸完多幀數據后,再發送錯誤幀編號,根據幀編號,主節點選擇性地重傳錯誤幀,而不是整個報文重新傳輸。如果多幀數據傳輸完后,無錯誤幀則轉入下一次通信。僅錯誤幀重傳和一次性應答,可節約重傳時間,提高傳輸效率。

5 ProCAN應用層協議的仿真實驗

OPNET網絡仿真軟件集三層建模、參數設置、協議定義、數據采集、統計分析、數字圖形輸出和2次開發等于一體,采用離散事件驅動的模擬機理仿真和管理網絡運行過程,準確預測分析復雜網絡的性能和行為[17]。

ProCAN協議仿真的網絡模型為8個節點的總線型網絡,通過鏈路配置創建相應的鏈路,分物理層、數據鏈路層和應用層3個層次8個模塊的節點模型如圖7所示(虛線表示統計線),通過編輯器對節點包格式屬性設置CAN和ProCAN協議的幀格式(含字段名稱和大小等)。節點的進程模型包含6個,其功能分別為:CAN_GEN用于隨機產生并發送數據包;Data_POOL用于接收整理數據包和更新統計變量;CAN_LLC用于處理來自應用層和低層MAC的數據;CAN_MAC用于將包封裝成幀與解封裝并將數據轉發到高層或低層;Space用于檢測狀態和接收反饋信息;ERR_RESOLVE用于監聽并處理錯誤。Space進程模型如圖8所示(實線表示有條件進行狀態轉換,虛線表示無條件進行狀態轉換),通過 init狀態初始化后轉入 Space進程模塊, WATCHING狀態監聽CAN_RX和CAN_MAC模塊的狀態信號。當BUSY_LOW為0,表示當前幀間空隙為空閑狀態,進入SLOT_FREE狀態;當BUSY_ HIGH為1,表示當前幀間空隙忙,進入 SLOT_ BUSY,WAIT等待狀態,直到BUSY_LOW或BUFF_ ON(緩存允許發送)有效,進入SLOT_FREE狀態。在SLOT_FREE狀態時,發送信號并轉入CAN_ MAC進程模塊。

圖7 CAN節點的三層結構模型

圖8 Space進程模型

參照SJA1000標準波特率表設定節點CAN_ TX,CAN_RX,CAN_Link的波特率均為500 Kb/s,仿真時間30 s,默認上電啟動及網絡參數配置時間為5 s,選擇全局統計變量為端到端時延和收發幀數,分別在負載率為15%和42%上仿真運行。在負載率為15%時,發送幀數為7.8K(其中,廣播幀數為1.2K),接收幀數為15.0K,平均網絡延時曲線如圖9所示。在負載率為42%時,發送幀數為6.8K (其中,廣播幀數為1.1K),接收幀數為13.4K;平均網絡延時曲線如圖10所示。

圖9 負載率為15%時平均網絡延時比較

圖10 負載率為42%時平均網絡延時比較

從仿真結果可以看出,CAN和ProCAN協議均能實現可靠傳輸。當網絡負載率為15%時,ProCAN協議的平均延時維持在0.000 32s左右,近似為一條直線;CAN協議的平均延時不到0.000 54 s,有微小波動。當網絡負載率為42%時,ProCAN協議的平均延時維持在0.000 37 s左右,并有逐漸變小的趨勢;CAN協議的平均延時增大到0.000 79 s,也有逐漸變小的趨勢。可見,隨著網絡負載率的增大,報文發送碰撞的概率增大,平均延時也有所增加。但ProCAN協議變化很小,網絡帶寬利用率較高。

6 結束語

基于CAN2.0A標準,結合流程加工測控系統的需要,本文設計一種編碼效率高、可擴展性強的ProCAN協議。通過仿真實驗結果表明,ProCAN協議具有性能可靠、網絡資源利用率高等優點,可在實際中推廣應用。但由于ProCAN應用層協議是以數據鏈路層的CAN靜態調度為基礎建立并進行仿真實驗,對于動態調度是否有同樣的效果,有待進一步研究。

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編輯 陸燕菲

Research on Application Layer Protocol of CAN Measurement and Control Network for Process Machining

LIU Chao,LI Jun-zhan,HUANG Wei
(College of Computer Information Engineering,Jiangxi Normal University,Nanchang 330022,China)

In order to improve the adaptability and the communicative efficiency of CAN control network,the ProCAN in the field of process industry is designed,which is based on the technical specification of CAN2.0A and the features of machining process control network.This paper analyzes the features of machining process control system structure model, and proposes the types of communication messages,defines the coding of the standard data frame arbitration field and data field.Meanwhile,the communication model,the control of communication state network,the abnormal communication and the long packets retransmission of error frames for ProCAN protocol are discussed.By using OPNET network simulation software,simulation experiments show that the ProCAN protocol is able to achieve message communication with characteristics of low time delay,strong real-time capacity,high reliability,especially when the network is overload.

CAN bus;application layer protocol;control network;process industry;communication mode

1000-3428(2014)09-0130-04

A

TP336

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.09.026

江西省直廳(局)科研計劃基金資助項目“飼料加工配料監控管理系統的研制”(20073801)。

劉 超(1963-),男,教授,主研方向:復雜系統建模,網絡通信;李軍站、黃 偉,碩士研究生。

2013-08-05

2013-10-21E-mail:214607731@qq.com