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基于PLC的網關通信研討

發布時間:2019-10-15 16:20   類型:解決方案   人瀏覽

1 引言

針對自動化控制領域,現場總線在底層控制網絡中得到了大量的應用,但隨著網絡技術和嵌入式的發展和技術變革,智能化需求日益增長,控制系統的網絡化和開放性成為行業的發展趨勢。目前,現場總線技術自身還具有一定的局限性,特別是現存的種國際標準的現場總線在通信協議和總線標準方面互不相容、競爭并存,不能實現互操作,這嚴重限制了現場總線在控制領域的發展。在控制網絡系統升級改造的過程中,由于不同的現場嵌入式設備廠商采用不同的通信方式,相互之間又沒有一種通用的軟件協議,使得在工業智能網絡中用于連接嵌入式設備的通信硬件媒介千差萬別,現場總線和通信協議也各不相同,形成一個互不兼容的異構網絡,缺乏開放性和兼容性[1]


2 網絡通信相關技術介紹

PLC具有通用計算機的些特點,但是它的工作方式與通用計算機有很大的區別,它采用循環掃描的工作方式。其原理可以解釋為對任務程序的處理是按照一定的訪問順序和執行順序工作的,每完成一個掃描周期,再從頭循環執行用戶程序,周而復始的運行。其工作過程如圖1所示,主要包括三個階段:輸入采樣階段、程序執行階段、輸出掃描階段[2]

 

 

1 PLC工作原理圖

隨著通信協議成為一個嵌入式控制網絡的關鍵組成部分,滿足高帶寬和可預測性要求的新協議需求增加。有多種實時通信協議,在這些協議中能滿足車輛復用的協議有:控制器區域網絡(CAN)、本地互聯網絡(LIN)和SAE J1850目前在大規模使用。此外只有少數協議適合具有可預測性強制要求的安全應用,文獻進行滿足安全性的嵌入式系統通信協議的一項調查和比較顯示,數據通信活動必須能被觸發,不論是基于事件的動態響應,還是基于時間輪詢的靜態觸發[3]。一方面,有基于時間處理的靜態調度信息協議,例如,用于航空電子設備行業的SAFE BUSSPIDER協議,用于汽車行業的TTCAN和時間觸發協議TTP。另一方面,一些是通過動態調度信息的通信協議,比如,控制器區域網絡(CAN)被大量的使用在各個領域,LONWORKS協議和PROFIBUS協議普遍用在實時系統中。在這當中,CAN總線在分布式嵌入式實時系統領域是最知名和廣泛使用的事件驅動通信協議[4]


3 擁塞控制算法在嵌入式網關中的研討

3.1 主動隊列管理策略控制模型

為了解決數據通信活動必須能被確定性觸發的問題,采取主動而非響應性的分組丟棄就是一種有效手段。相應的隊列管理策略被稱為主動隊列管理是緩沖隊列管理的主流算法。的基本思路是,根據隊列長度的變化情況,在隊列緩存溢出之前,對到達的分組數據以概率丟棄標記,分組的丟棄標記信號經過延時之后被源端檢測到,源端由此判斷網絡的狀態,根據不同狀態調用相應的控制算法來調節發送速率,從而使路由器緩存中的隊列長度得到控制[5]。這樣,策略就形成一個閉環控制系統,其中是控制器,其輸出為系統的控制信號,而源端的速率控制算法則是系統的執行器,它和路由器的隊列長度特性以及鏈路延時一起,組成了系統的廣義對象,如圖2所示。

 

主動隊列管理策略控制模型

鏈路算法的研究目前集中在主動隊列管理Active Queue Management,AQM)算法方面,同傳統的隊尾丟棄Droptail)相比,AQM在網絡設備的緩沖溢出之前就丟棄或標記報文。


3.2 AQM的主要優點

1)減少網關的報文丟失。使用AQM可以保持較小的隊列長度,從而增強網絡中間節點容納突發流量的能力[6]

2)減小報文通過網關的延遲。減小平均隊列長度可以有效地減小報文在網絡設備中的排隊延遲。

3)避免Lock-out行為的發生。


3.3 RED算法

AQM的一個代表算法是REDrandom early detection)算法。REDDroptail具有更好的性能,在RFC2309中,強烈推薦使用RED作為今后的標準。但是進一步研究發現,RED的性能對算法的參數設置十分敏感,至今沒有在interrnet中得到廣泛的使用。根據文獻提供的結果顯示,RED的性能優于Droptail,但是它存在兩個主要缺陷:

1RED對參數設置很敏感,改變參數對性能影響很大,到目前為止,如何確定這些參數還沒有明確的方法;

2)隨著網絡中數目的增加,網關的平均隊列長度會逐漸增加,這對提高實時性也是不利的。


4 協議轉換網關設計

4.1 網關組成結構

協議轉換網關主要包括核心處理器、以太網控制器、RS485/232收發器等現場總線

控制器、外圍I/O設備、片外存儲器等,網關組成結構如圖3所示。

 

網關硬件結構組成圖


1)請求和控制信息數據通過以太網鏈路到達網關,網關中以太網控制芯片實現以

太網物理層的數據流通;

2)處理器的EMAC模塊對數據進行拆巾貞處理,獲得鏈路層的有效數據;

3)這些數據通過高速總線(AHB)交予網關轉換程序處理,獲得原始的請求和控

制信息;

4)再根據目標總線協議格式進行數據封裝,選擇芯片內相應的總線通道發送數據;

5)數據幀通過與這些總線通道聯通的片外總線收發模塊到達相應的物理總線鏈路。

反向轉換為上述數據過程的反向流通,實現跨網絡的數據轉發[7]


4.2 軟件層次結構圖

在系統程序結構設計上,引入嵌入式通信中間件軟件設計思想。對各設備進行抽象,網絡協議庫的實現采用分層結構設計,使用信息機制實現各層間的訪問,屏蔽高層對底層的訪問細節,實現程序接口的透明調用,方便程序跨平臺的移植和調試[8]。軟件層次結構如圖4所示。

 

 

軟件層次結構圖


5 結束語

分析控制網絡中異構硬件架構與異構通信協議,著重研討了各種總線網絡通信協議和通信特征。對異構網絡間互聯通信機制的研究與分析,提出并完成基于嵌入式中間件協議庫協議轉換網關的設計,定義了嵌入式中間件協議庫組件化的原則和粒度控制,使用共享內存技術實現數據交換。完成協議轉換網關的軟件和硬件設計與實現,包括協議庫的設計與實現、統一訪問接口設計與轉換流程的實現。為保證協議轉換網關在異構控制網絡鏈路的服務質量,針對通信協議轉換過程存在復雜的不確定性因素,分析信息網絡擁塞控制技術以及源端擁塞控制算法和鏈路控制算法的優缺點,提出一種基于模糊控制的擁塞控制策略。

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