朱耀春 宋 昉 劉 玲

(華北電力大學控制與計算機工程學院1，北京 102206;華北電力設計院工程有限公司2，北京 100120)

0 引言

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

由于現(xiàn)場總線技術有很多種，所以這些控制系統(tǒng)需要引入多種類型的現(xiàn)場總線技術，如基金會現(xiàn)場總線(FF)、Profibus現(xiàn)場總線和DeviceNet現(xiàn)場總線等。這樣用戶在進行系統(tǒng)設計時，就可以根據(jù)綜合性能和價格等因素，選擇不同類型的現(xiàn)場總線設備來完成系統(tǒng)的集成。

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

1 系統(tǒng)構(gòu)架

集成多種現(xiàn)場總線技術的DCS系統(tǒng)也可看作混合現(xiàn)場總線系統(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)場總線協(xié)議的現(xiàn)場總線接口卡與現(xiàn)場設備進行數(shù)據(jù)交互。控制站可從一種總線協(xié)議的現(xiàn)場設備中獲取數(shù)據(jù)，然后進行分析計算，并將計算結(jié)果發(fā)送到另一種現(xiàn)場總線協(xié)議的現(xiàn)場設備中，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

基金會低速現(xiàn)場總線(FF H1)和Profibus-DP現(xiàn)場總線是工業(yè)現(xiàn)場應用較多的兩類現(xiàn)場總線，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，所以本文將以同時集成兩者的系統(tǒng)為例，對混合現(xiàn)場總線系統(tǒng)進行實時性分析。

2 FF H1總線實時性分析

基金會現(xiàn)場總線是為過程自動化系統(tǒng)的需求專門設計的現(xiàn)場總線，適合在流程工業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場工作，其低速現(xiàn)場總線(FF H1)的通信速率為31.25 kbit/s。

FF H1總線的通信活動分為周期受調(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)視的部分設備信息與操作站進行信息交換。這樣，具有時間重要性的控制信息可在受調(diào)度通信時間段內(nèi)完成，不會因為總線繁忙而丟失數(shù)據(jù)，具有高度的實時性。若干個宏周期后，所有操作員需要監(jiān)視的設備信息可通過背景周期與操作站全部交換一次，這個周期可稱為監(jiān)控周期。

宏周期時間由鏈接通信、功能塊執(zhí)行時間和背景通信構(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)進行估算［3－4］:

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

宏周期可以根據(jù)需要進行手動調(diào)整，其中周期受調(diào)度通信的時間是固定的，背景通信的時間可以適當加長或縮短。宏周期縮短會縮短控制周期，但也會延長監(jiān)控周期，因為操作站要完成一次所有設備的數(shù)據(jù)刷新，需要更多的宏周期。

現(xiàn)場總線組態(tài)軟件可以根據(jù)具體的系統(tǒng)硬件配置估算出一個宏周期時間，工程師在進行總線的宏周期配置時，應至少大于或等于估算的宏周期時間，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識，下面舉例說明宏周期的估算。

例如一個總線段掛接8臺FF H1現(xiàn)場總線設備，設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。相對于每一個現(xiàn)場智能設備而言，在一個默認宏周期內(nèi)可占用30×2=60 ms的背景通信時間。如果進行宏周期的典型值配置，則應該將總線的宏周期設置為1 s。

3 Profibus-DP總線實時性分析

Profibus-DP是面向工廠自動化和流程自動化的一種現(xiàn)場總線標準，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，但對于同一現(xiàn)場總線網(wǎng)段，所有掛接的設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€上所有設備都完成一次數(shù)據(jù)交換的時間稱為總線報文循環(huán)時間(message cycle time)，用TMC表示。

Profibus-DP總線報文循環(huán)時間與FF現(xiàn)場總線的宏周期概念不同。FF現(xiàn)場總線的宏周期時間由組態(tài)軟件進行設置，可手動微調(diào)，一旦設置好，總線的周期通信時間就成為一個固定值。Profibus-DP總線報文循環(huán)時間由時間固定的周期性通信和時間不固定的非周期通信組成。非周期通信根據(jù)當前非周期通信數(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間估算。

為了便于分析，相關的符號定義列舉如下。

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

②Tsyn為同步時間，即每個站在接收下一個請求開始前必須等待的一個空閑時間，典型值為33Tbit。

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

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

一般來講，從站接收報文之后進行報文處理的時間是相對固定的，但相對于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 從站延遲時間Tab.1 Delayed time of the slave

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

⑥TMC為報文循環(huán)時間，其值為主站發(fā)送請求信息時間+TSDR+從站響應信息時間。

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

圖2 單主站系統(tǒng)報文循環(huán)時間Fig.2 The message cycling time of single master system

DP總線報文中每一個字節(jié)的特征碼都由11位組成，即由1個起始位、1個停止位、1個校驗位和8個數(shù)據(jù)位組成［7］。對于Profibus，每個數(shù)據(jù)交換報文中除了數(shù)據(jù)單元外，還有9個字節(jié)的報頭和報尾(對于有可變數(shù)據(jù)字段長度的幀而言)。

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

總線循環(huán)時間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間或其他。對于多主站和冗余接口系統(tǒng)，總線循環(huán)時間TBC是多個主站TMC之和。

例如，對于一個單主站Profibus系統(tǒng)，其鏈接有7個從站，每個從站都有4個字節(jié)的數(shù)據(jù)，且請求數(shù)據(jù)數(shù)量與響應數(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，報文循環(huán)時間計算如下。

考慮40%的余量且主站為冗余主站，則有:

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

4 混合總線實時性分析

采用混合現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)，可以分別發(fā)揮各自的優(yōu)勢，如基金會現(xiàn)場總線比較擅長模擬量控制，Profibus總線比較擅長開關量控制。對于存在大量模擬量和開關量節(jié)點的工業(yè)系統(tǒng)，混合采用這兩種現(xiàn)場總線技術是一種比較可行的方案。

針對此類系統(tǒng)，如果要實現(xiàn)一個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:完成一個基本的控制周期，其數(shù)據(jù)流為FF總線設備→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:完成一個基本的控制周期，其數(shù)據(jù)流為FF總線設備→FF總線執(zhí)行器。方案3:完成一個基本的控制周期，其數(shù)據(jù)流為FF總線設備→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。相對于網(wǎng)絡通信，智能設備和主控制器內(nèi)部的算法計算時間所需要的時間要少得多。

在以上方案中，由于方案1和方案2只采用FF H1規(guī)范，其實時性分析可參見前文的敘述。在方案3中，F(xiàn)F總線設備只進行過程數(shù)據(jù)的采集，控制站負責PID控制算法，Profibus總線上的電動執(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)場總線設備，所以有必要對其實時性進行進一步的分析。

設方案3中，F(xiàn)F現(xiàn)場總線段掛接4臺設備(一般為4～8臺)，設備之間的功能塊鏈接次數(shù)為4(每臺一個受調(diào)度點)，且接口冗余。Profibus-DP現(xiàn)場總線段掛接8臺設備(一般為8～16臺)，每個從站都有4個字節(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)場總線段的宏周期TM的估算值為:

進行軟件組態(tài)配置時，可取宏周期500 ms，即在500 ms內(nèi)，4臺智能設備的受調(diào)度數(shù)據(jù)都可以實時地發(fā)送到控制站中。

Profibus-DP現(xiàn)場總線段的報文循環(huán)時間計算公式如下:

當為冗余接口且考慮40%的余量時，則有:

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

由上述分析可知，控制回路各個部分的數(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，即控制器在進行控制周期設置時，至少要大于等于500 ms。

5 結(jié)束語

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

有了對混合現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的實時性分析，工程設計人員在設計混合現(xiàn)場總線系統(tǒng)時，就可以根據(jù)分析的結(jié)論，配置合理的總線參數(shù)，設計出一個更加安全有效的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。所以混合現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的實時性分析，為工程設計人員設計混合現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)提供了重要的參考依據(jù)，具有重要的理論價值和實用價值。

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